大型带式输送机自动巡检系统的设计

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摘要：针对大型带式输送机输送距离远、运行环境恶劣等特点，设计一种自动巡检系统代替定点监测、人工巡检，监测托辊等部件的振动、温度、噪声、烟雾等参数，并通过无线传输技术运用故障预测技术预先诊断关键部件或子系统的功能状态。根据诊断和预测信息等对输送机维修活动做出决策，实现设备的健康管理，提高设备正常运行时间、降低设备维护成本。

关键词：带式输送机；巡检系统；故障诊断

0前言

大型带式输送机广泛地应用在冶金、煤炭、交通、水电、化工等部门，具有输送量大、结构简单、维修方便、通用性强等优点，但在运行过程中可能出现跑偏、打滑、撕裂、断带、堆料等故障，一旦这些故障没有及时检测出来，将会造成经济损失，甚至导致人员伤亡或设备损坏。因此提高大型带式输送机的安全性与可靠性极为重要，运用故障预测技术预先诊断关键部件或子系统的功能状态，并预测其正常工作的时间长度；并根据诊断和预测信息等对输送机维修活动做出决策。

作为典型的大型机电系统，带式输送机包括驱动装置、拉紧装置、装载装置、机架、托辊、滚筒等部分，其输送距离可达数千米。因此，通过单一传感信号无法实现对带式输送机运行状态的采集。为实现对其有效的状态监测，传感器需分散布置在各测点采集不同信号（加速度、压力、温度等），考虑到输送机传输距离较长，设计使用自动巡检设备，并通过网络进行多路传感信号的远程传输，实现故障诊、状态评估等目的。

1.1巡检装置机械传动部分

现阶段国内带式输送机主要通过人工定期巡检的办法来进行故障的排查。采用人工巡检时效率低，错误率高，一旦出现故障出现而未能监测出将会造成重大事故。因此考虑采用自动巡检系统来进行多传感器的信息采集，实现状态监测与故障诊断工作。

巡检装置需要沿输送机进行往返运动以进行数据采集工作，在故障点须能进行定位，并反馈位置信息。考虑到大型带输送机输送距离远的特点，应对巡检装置进行远距离传动，而巡检装置本身的供电状况比较差并要求其质量应尽可能的小，所以动力源应置于装置外部。整个传动部分要求简单高效，故采用了钢丝绳牵引的方式进行传动。

工作原理如下：驱动电机1的摩擦轮通过钢丝绳5与巡检装置4连接，巡检装置吊在轨道2上，轨道固定在带式输送机的一旁，另外应安装张紧装置对钢丝绳进行张紧。

1.2巡检装置的驱动系统

对动力源电动机的要求是运行稳定、易于控制、转速较低即可，因此选用步进电机作为驱动电机。步进电机带动摩擦轮上的钢丝绳，之后通过与巡检舱的连接，驱动巡检舱，最后通过一个导向轮实现一个闭环。

1.3巡检装置的自动控制系统

巡检舱在监测过程中由上位机的信号控制，并需要实现较为精确的位置控制。具体为通过往复的运动对带式输送机的每个托辊进行运行状态的采集，在每个托辊位置停止运动并能反馈位置信号。

用过光电编码器即可测得巡检舱的位置信息，考虑钢丝绳可能导致的打滑等问题，应设置接近开关在每次往返后进行误差消除。

选用了步进电机细分驱动器并使用单片机对其进行控制。单片机选用了AVR公司的ATmega16L单片机，使用其输出脉冲对步进电机进行控制，ATmega16L的快速PWN模式可用来产生高频的PWM波形。由于步进电机细分驱动器对脉冲宽度没有要求，因此将快速PWM模式设定为方波输出，在中断程序中修改计数器的计数周期就可以实时改变方波输出频率。

其系统控制框图如下，

2巡检装置的传感监测系统

巡检装置需要对带式输送机可能存在的跑偏、打滑、撕裂、断带、火灾等故障进行监测并判断，其内部应装有振动、温度、噪声、烟雾等传感器。考虑到运行时间长，重复监测检测次数多等特点，应避免故障诊断及报警过程的过于复杂，故将数据处理过程以及报警过程安排在巡检装置内部进行。

为方便数据采集，以及开发的方便，采用成熟的PC/104工控主板。EPC-8900是广州致远电子公司开发的基于PXA270处理器的PC/104控制主板，板载两路隔离CAN总线接口，适用于工业控制现场通讯和控制。该主板具有资源丰富、接口齐全、低功耗、可靠性高等特点。

系统采用PC104数据采集卡，通过PC/104数据/地址线、读写控制I/O口已经状态信号，通过A/D转换实现数据动态采集、数据缓存及基于PC104接口的数据传输功能。

PC104总线是系统主控卡与数据采集卡的连接通道，也是整个系统的结构支撑，在系统中起着重要的作用。多个传感器通过采集卡将信息采集至工控机，由工控机数据处理系统融合并进行相应特征参数的诊断.同时嵌入式的设计电路还应具备以下功能。

（1） 对数据采集子板及PC104主板供电。一节锂电池的电压大约是3.7伏，镍镉电池的标称电压约为1.3伏，需要将电池串联构成电源设备，达到5伏、12伏两组锂电池独立供电。也可采用自发电系统系统，可将巡检舱运行时的机械能转化为电能并加以利用。通过摩擦轮带动发电机，通过整流滤波即可向系统供电。

（2） 无线遥控接收芯片。

矿井下工况恶劣，巡检舱运动仅靠钢丝绳牵引，且其运行距离远，用电缆传输数据结构复杂且不可靠。采用无线方式传输能克服以上缺点，设备简单且可靠性高。

考虑使用USB无线网卡，用工控机驱动并收发信号，上位机计算接收即可。

系统框图如下

3系统功能的

此次设计的分布式监测系统包括了巡检检测系统、上位计算机、巡检舱自动控制系统，包括带式输送机后其整体是一个典型的机电一体化系统。

巡检舱可实现对托辊进行声音监测，利用声波包络技术，判别故障。利用红外测温技术可监测托辊的温升，防止托辊卡死、打滑等故障进而导致的火灾。

巡检舱内的工控机对信息进行初步处理，发现有超过阀值应报警并进行进一步分析处理。采用基于信号处理的旋转部件故障诊断和状态监测方法，使用多路传感器信号的融合方法，用于输送机的故障预测。

基于多传感器信息融合的故障诊断方法主要包括以下四个方面：1）基于模型的故障诊断技术；2） 基于多变量统计方法；3）基于子空间辨识的故障诊断技术；4）基于人工智能的方法，包括基于专家系统的方法、基于神经网络的方法、基于模糊推理方法等。在大型机电装备中，基于单一信号源提取的时、频特征信息常呈现出较强的模糊性，采用常规信号处理方法难以有效提取故障特征，必须综合利用多源信息才能得到可靠的检测结果。因此，从系统的角度运用多传感器信息综合处理的信息融合技术逐渐成为大型机电装备故障诊断研究的发展趋势。

在计算机上编写可视化的监测软件，实时显示巡检舱的位置，在故障时报警，并指出相关参数，方便技术人员去现场处理或是进行进一步的故障判断。

参考文献：

[1] 周立功单片机发展有限公司. EPC-8900数据手册 [X]. 广州：周立功单片机发展有限公司，2008：1.

[2] 孙浩， 李大海， 高鲜妮， 等. 基于模拟闭环的步进电机位置控制系统设计[J]. 机床与液压， 2009， 37（1）：99-101.

[3] 吴双. 连铸机辊缝在线测量装置[D]. 西安工业大学， 2011.

作者简介：

王程，就读于中国矿业大学机电工程学院 机械工程及自动化专业，本科生。