选煤厂破碎机故障在线监测系统设计

选煤厂破碎机故障在线监测系统设计

韩子彬 周秀丽

国家能源集团神东煤炭集团公司洗选中心 陕西榆林 719315

摘要：煤矿选煤厂的选煤工作是煤炭提高利用率及其生产质量的最重要环节，其工艺过程主要是利用微生物、化学、物理等手段对原煤中所含岩石、硫分、灰分等杂质含量进行降低处理。煤矿选煤厂生产环节工艺设备复杂、烦琐，选煤的整个过程需要多种设备配合进行，例如犁煤机、破碎机、皮带传送机、振动设备等。其中，每个环节出现问题都直接影响选煤工作的正常运行，所以对于选煤过程中的各个设备必须实时检查、监控，协调各设备之间的运行配合，只有这样才能确保选煤工作安全、高效生产。

关键词:破碎机;故障监测;DSP芯片;外围电路;通信电路

引言

煤炭作为我国长期以来消耗占比最多的能源，其生产与处理一直广受到国家与国民的关注。随着近几年国家推出一系列环境治理措施，对煤炭开采后的处理技术要求也越来越高。选煤是利用机械加工或物理化学处理方法来清除原煤中杂质的过程，其目的是改善煤的质量，以满足不同用户的需求。选煤过程极其复杂，需要用到很多机械设备，其中就包括破碎机。破碎机主要是对较大的原煤进行破碎处理，由于其负载很不均匀，工况不稳定，破碎机在运行过程中容易发生故障，导致破碎质量下降影响选煤流程，降低效率，甚至危及工人的安全，目前国内对选煤厂破碎机的故障监测所做的研究不多，研制设计一种监视、检查破碎机运行状态监测系统具有一定的必要性。

1系统整体设计

主要对选煤厂广泛采用的齿辊式破碎机进行设计。齿辊式破碎机主要由电机、皮带、主轴承、从动齿辊和粉碎棒组成。在设备工作时，由电机将转速与扭矩传递给皮带主动轮，经过皮带传动降低转速，增大扭矩后，传递给从动齿辊和粉碎棒，进而对物料进行破碎。

破碎机由于其工作时所受负载不均匀，当物料中有矸石时，设备容易受到损坏，而电机故障的主要 原因是机箱温度过高和电压波动，因此本系统通过采集机箱温度和电机电压来判断电机是否出现故障。皮带故障的主要原因是设备工作时由于工况恶劣，使皮带与轴承在高速转动的情况下磨损严重，与各零部件之间的摩擦产生大量热量，导致皮带自身性能下降，传动时皮带可能发生断裂，因此，通过采集皮带的温度信号与压力信号判断皮带是否出现故障。主轴承损坏将直接导致其在工作时温度异常升 高，所以本系统通过采集其温度信号判断主轴承是否损坏。

设计的破碎机故障在线监测系统主要由选煤厂监控中心、监测器和数据采集单元组成。数据采集单元负责采集皮带的温度信号与压力信号，经过监测器处理分析判断故障类型并将数据与结果通过 CAN总线的方式传输到监控中心，由工作人员统一调度指挥。

2硬件总体方案设计

2.1DSP芯片选型

在对DSP芯片选型时，主要考虑了芯片运算速度、芯片内部提供的硬件资源、芯片开发扩展能力。在综合对比分析TI公司的几款主流DSP芯片后，最终决定采用型号为TMS320F2812的芯片作为系统的核心处理器。TMS320F2812芯片是一种高性能、低功耗的数字信号处理器，由于其具有较高的性价比，所以迄今为止是在工程控制与监测领域应用范围最广的DSP芯片之一。在TMS320C28x系列之上，该芯片的内核扩展集成了大量外设，其处理速度最高可达150MIPS，在单个指令周期内可以计算一次乘法和加法运算;芯片内部具有12位的AD转换器;在编程方面，可采用统一汇编语言C/C++进行开发，TI公司为用户提供了良好的开发环境。

2.2模块划分

选煤厂带式输送机故障预测系统软件可分为数据采集模块、数据存储模块、数据处理模块以及界面处理模块。数据采集模块作为该故障预测系统的数据源，由安装在带式输送机机身的传感器实时获取数据，并经由ＰＬＣ控制器处理以有线／无线的方式发送给数据存储模块。数据存储模块以数据库为核心，对获取的数据进行存储并响应数据处理模块的请求。数据处理模块是该故障预测系统的核心，由信息查询、数据预处理以及故障预测与识别三个单元组成。信息查询单元主要完成对带式输送机设备实时信息与历史信息的查询，由数据库提供数样本。数据预处理主要采用小波降噪、数据降维的方法对数据库中的数据进行预处理，然后将预处理后的数据传送给故障预测与识别模块。故障预测与识别模块采用ＰＳＯ－ＬＭ算法、ＤＰＮＮ网络模型、ＲＢＦ网络模型对预处理后的带式输送机数据进分析，对异常数据进行声光报警。

2.3外围电路设计

DSP芯片电源电路:TMS320F2812芯片的供电方式相较于其他型号复杂一些，芯片的内核电压和I/O电压对电源的要求不同，内核电压供电电压需要3.3V，I/O接口供电电压需要1.9V，这样也有效降低了芯片的能耗。本系统最终采用分别对其供电的方式实现电平的转换，DSP芯片的电源电路如图3所示。其中上半部分电路采用TPS75733芯片将+5V电压转换为+3.3V，向片内一路电源电压为+3.3V，为FLASH、ＲOM存储器等提供能源;下半部分电路采用TPS76801Q芯片将+5V电压转换为+1.9V，为I/O接口提供工作电压。

2.4通信模块设计

信号传输是通过调度室内的串联自动控制平台与PLC控制器之间的CAN通信实现的。CAN总线由BOSCH开发，最终成为国际标准和目前使用最广泛的现场总线之一。CAN总线是一种可以使用扭对、同轴电缆等的多主机总线作为最大传输速率为1MB/s的数据传输通信介质。本文设计的CAN总线接口电路采用德国仪器公司制造的SN65HVD230发射机-接收机，由3.3V电压源供电，适用于具有良好抗干扰性和通信速率的CAN总线通信模式发射机sn65hvd230接收机可保证不同传输速度下信号的稳定性和准确性；低电流模式有助于降低系统运行时的功耗，它具有抵御即时干扰、保护系统、散热和其他功能的能力。

2.5程序设计

PLC程序采用STEP软件编程，采用结构化编程语言，主要实现各种传感器数据的采集和存储、输入输出控制和远程数据传输。该程序的主要功能是完成传感器的数据采集和数据传输：数据采集对象包括加速度传感器、位移传感器和气体浓度检测传感器；瓦斯检测传感器采集现场数据后，需要通过模糊控制算法分析煤仓内的瓦斯浓度，以确定是否需要发出预警信号。数据传输功能主要由RS485模块和以太网通信模块实现。

2.6控制方式设计

本控制系统采用PLC控制器作为系统的主要处理器，PLC可编程控制器主要由CPU模块、电源模块、I/o模块和通信模块组成。PLC控制器在程序编译时比较简单，可编程为代码语言或梯形，工作人员操作简单快捷。PLC技术在市场上完全成熟，广泛应用于工程控制领域，具有全面的技术支持，无论是编程还是软件分发，具有良好的兼容性，通信接口传输稳定的信号，具有较强的抗干扰能力。

3系统软件设计

可编程控制器通过调用每个子程序发送命令来控制变频器。从以上可知，采用USS通信协议实现可编程控制器和变频器之间的数据传输。当程序中断时，子程序将设定的速度值和命令参数转换成USS格式，设置发送标志位，并将数据传输到变频器。系统的主程序流程图由初始化模块、故障监控模块、数据采集模块、通信模块和逻辑控制等组成。系统通信模块采用CAN总线通信方式，数据采集模块包括电机转速信号采集和电机电压温度信号采集，实现系统的控制、监控和保护功能。

结束语

提高选煤厂生产效率是需软、硬件结合，多方面优化升级，电气故障造成生产效率降低，需合理控制其故障时间并预防，以提高生产效率。笔者通过分析选煤厂常见电气故障发生原因，给出相应的解决办法，为同行业提供参考。

参考文献

[1]亢建华.选煤厂用破碎机故障监测平台的设计与实现[J].山西焦煤科技,2018,42(Z1):38-41+45.

[2]田晶晶.基于遗传算法-BP神经网络的旋回式破碎机故障诊断系统研究[D].西安建筑科技大学,2018.

[3]刘海平.基于状态监测数据融合的破碎机辊套剩余寿命预测及再造性研究[D].江西理工大学,2018.

[4]陈臻.煤矿巷道掘进作业智能监测与安全预警技术研究[D].煤炭科学研究总院,2018.

[5]刘煜.露天矿破碎站协同调速破碎技术研究与应用[D].中国矿业大学(北京),2018.