煤礦井下帶式輸送機保護系統設計探析

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摘要：隨著煤礦開采量的日益提升，輸送機使用與輸送量的增多使得帶式輸送機在使用過程中常出現斷裂、打滑、超溫等故障，極大影響煤礦生產與安全。為解決這一問題，設計一套煤礦井下帶式輸送機保護系統。通過對常見故障的分析，硬件電路、軟件系統的設計，基于DSP數字處理器主控單元，對帶式輸送機設計了微機保護系統，硬件電路與軟件系統的主要設計介紹，具體有采樣保持電路、電源電路等。實際運行表明該系統對于煤礦的生產與效益提升具有重要的意義。

關鍵詞：煤礦；帶式輸送機；保護系統

1帶式輸送機保護分析

1.1帶式輸送機保護系統需求分析

根據井下環境情況，微機保護系統能適應的溫度范圍需為-40～85℃并且能防火、隔爆、防沖擊的環境需求。系統通過安裝在輸送機及其周圍的傳感器能實時傳輸帶速信號、張力、壓力、溫度等數據信息；能將這些數據信息通過CAN協議打包處理后上傳至處理器及存儲設備單元，通過通信功能與上位機實時傳輸方便工作人員能及時了解帶式輸送機動態；上傳至上位機的信息可以進行對保護系統進行參數設置與調整，從而可以根據需求對物理進行上下閾值的設定完成報警警示功能。

1.2帶式輸送機常見故障分析

（1）張力超限

在帶式輸送機運輸過程中，當其輸送帶所受張力超過接頭所受的拉伸最大載荷力Fmax時，輸送帶內部的鋼繩芯粘結層便會開始破損導致輸送帶出現抽動的現象，并隨時因超過張力臨界值而被拉斷。故設定輸送帶所允許的最大張力為Fmax，根據經驗與實際運行情況，當張力傳感器監測到輸送帶所受的張力達到Fmax的70%～80%時，便由控制器對輸送機進行停機檢查的操作命令。為更好的監測所受張力值，對張力傳感器的選擇選用應變式拉壓力傳感器，該傳感器的量程通過輸送帶滿負荷時所能承受的最大張力與撓度值的進行確定。考慮到輸送帶受力分析后最大張力點為主動滾筒的緊邊處，故傳感器的安放位置變為最大張力點。

（2）縱向撕帶

帶式輸送機的輸送帶通常會在機尾裝載點出發生縱向撕裂的現象。其原因主要是由于落料口下落的煤炭中常含有大塊量的矸石等異物，這些異物在下落后一方面極容易將輸送帶扎破導致損壞，另一方面也容易落在支架上對輸送帶表層劃傷，隨著其張力的增大而導致輸送帶傷口的加深，從而形成縱向撕裂.因輸送帶是不斷運動的，所以對其縱向撕裂的情況監測比較困難。而輸送帶在發生總想撕裂過程中是會受一個持續向下的壓力，所以可以通過對托棍所受的向下壓力值來判別輸送帶的受力情況，通過壓力傳感器實時信號傳輸給主控單元后，主控制器通過對壓力分析后對縱向壓力在一定時間內積分，計算出其積分面積是否超過設定閾值來判別是否發生縱向撕裂，而傳感器選用金屬應變式拉壓傳感器進行監測。

（3）輸送帶火災監測

輸送機在長時間工作后，除遇明火外發生火災主要為兩部分原因。一方面當膠帶與滾筒之間出現持續打滑現象，會因其摩擦而導致升溫發生火災。另一方面，由于托輥軸承內部積攢大量粉塵，很容易使得軸承卡死使得托輥溫度升高而熱量被粉塵包裹散不出去導致發生火災。對輸送帶溫度的監測可以分為兩種，一種是監測膠帶與滾筒之間的滑差率而間接判斷溫度是否會超限，一般設置為最大滑差率為允許值的10%；另一種是對托輥軸端的溫度監測，根據煤礦防火要求，設定其溫度閾值為150℃。雖然對溫度監測的方法眾多如：紅外輻射法、熱敏電阻法等，但考慮井下環境及輸送機實際狀態，本系統采用合金溫度傳感器作為溫度監測設備。

2硬件電路

2.1保護系統硬件結構

整個保護系統的硬件電路以DSP28335數字處理器為核心，通過對傳輸帶速信號、張力、壓力、溫度等模擬量數據信息的采集，主控單元以采集信號為依托，進行故障預處理與判別。同時對電源電路、復位電路、通信電路、顯示電路、保護控制電路進行相應設計，所設計的保護系統硬件電路結構系統框圖如圖1所示。

2.2主控芯片選型

本系統為適用礦井下復雜環境，完成保護系統的實時監測與數據處理的功能，本系統以TMS320F28335為核心的嵌入式控制芯片進行模擬信號的采集與處理、保護識別與預判、開關動作量的輸入和輸出等功能的實現，其性能相比于DSP定點處理器，該處理器具有浮點運算能力內核更為強大，數字邏輯處理速度更快。TMS320F28335處理器增加了浮點運算單元以及高精度的PWM處理單元，比之前定點DSP處理器相比數字計算性能明顯增強，很適合井下等工礦的復雜環境使用。具有18路PWM信輸出和16路通道的A/D轉換器，使得該處理器能實時處理多路信號，對于井下輸送機的狀態信息的識別與處理更為迅速。

2.3電源電路

本系統采用DSP控制芯片，該芯片內核需要3.3V電源進行供電，故在設計時需要將系統的5V輸出電壓一部分通過電路設計轉換為3.3V的直流輸出電壓。在電源電路設計時嗎，針對電磁干擾以及輸出紋波的影響，故將電壓調節器采用精度較高、低頻干擾小的線性電源。該線性電源型號選用LM310和LM1117。

2.4采樣保持電路

本系統在對井下輸送機進行檢測時，因井下環境與負載變動較大，輸送機電機轉速、電壓電流等信息在采樣過程中也會出現一定的波動而導致采樣模擬信號的跳動，從而產生采樣誤差。而在對采集的模擬信號進行數模轉換時需要保證在一定的轉換時間內要保證模擬信號的不變，所以為減小采樣過程中的誤差，需要專門設定采樣保持電路。把本文選用的為LF398型號的S/H采樣/保持器進行采樣保持電路的設計，該保持器通過邏輯電平的高低對其工作狀態進行控制，即采樣狀態和保持狀態。通過LF398型號的S/H采樣/保持器一方面可以迅速穩定變化中的輸入信號減小誤差，另一方面，它可以存儲多路模擬信號從而使得多路信號連續切換到待轉換的信號。考慮到本系統使用環境的特殊性，為提高采樣頻率將電路中的保持電容選為100pF，而對高精度輸入信號可以適當提高電容值。考慮到印刷電路中實際的電磁影響，需要減小保持電容與輸入信號間的耦合電容值的大小。

3軟件設計

系統軟件主要依托DSP單元進行軟件程序設計，DSP具有強大的數據處理能力。包括系統初始化、信號采集前的預處理、信號采集、數據邏輯處理與判別等。在對所采集的信息處理后，若達到設定閾值而判定故障，主控單元發出相應保護措施。

4結束語

本文通過對煤礦帶式輸送機保護系統的所需要功能進行說明，并對輸送機常見的故障原因與監測方式進行分析。通過基礎理論的分析對保護系統的硬件電路進行設計，如系統硬件電路結構、主控選型、采樣電路及保持電路的設計等，同時在DSP主控單元的基礎上進行系統軟件程序設計，所設計保護系統穩定運行滿足實際需求。

作者：吳燾 單位：西山煤電股份有限公司西銘礦