膠帶運輸機智能保護系統設計探討

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摘要：針對礦井膠帶運輸機保護系統存在的控制方式落后、故障率高的問題，設計基于STM32ARM控制器的膠帶運輸機綜合智能保護系統。重點研究了智能綜合保護系統的總體設計思路和軟硬件設計方案，以STM32F4071GT6ARM微控制器為核心，高效、快速處理安裝在膠帶運輸機機身的傳感器數據并在井下上位機實時監控，實現保護系統的智能和聯動。實際應用情況表明，該綜合智能保護系統運行平穩，能夠保障膠帶運輸機安全、連續、高效運行，社會經濟效益明顯。

關鍵詞：綜合保護；智能保護；STM32；傳感器技術；膠帶運輸機

膠帶運輸機是礦井煤料運輸的重要設備，在煤炭生產實踐中具有舉足輕重的作用。隨著煤礦智能化、信息化建設的不斷推進，膠帶運輸機的運輸功率、運輸長度、運行時間不斷增加，極易發生運輸膠帶撕裂、打滑、跑偏等故障[1]。受膠帶運輸機工作環境惡劣且復雜的影響，故障發生率居高不下，嚴重影響了礦井高效、高質量生產。因此，研究膠帶運輸機綜合智能保護系統，降低設備故障發生率，提高設備運行效率具有重要意義。張振霞[2]重點研究了運輸機膠帶撕裂保護裝置，設計ZL-A型縱向撕裂保護異形體卡滯裝置，該裝置能夠有效防止膠帶撕裂。東郭朝[3]重點設計了運輸機斷帶保護裝置，包括斷帶抓捕器以及斷帶檢測裝置，能夠實現運輸機膠帶斷帶故障檢測。李愛軍[4]設計了針對運輸機啟動、停機、運行時參數監測以及綜合保護系統，可實時監測運輸機各運行狀態時的電流、電壓、扭矩以及故障信息，預防堆煤、撕裂、跑偏等故障發生。本文以智能型控制器為核心，設計基于傳感器監測與保護技術的膠帶運輸機綜合智能保護系統，提高運輸機智能化水平，保障運行安全、高效。

1總體設計

膠帶運輸機綜合智能保護系統設計目標為，對膠帶運輸機運行過程中可能發生的過熱、堆煤、跑偏、打滑等故障進行預警和保護，降低設備故障發生率，提高設備的運行效率和智能化水平。膠帶運輸機綜合智能保護系統總體設計框圖見圖1所示，由傳感器監測與保護單元、傳輸單元、監控單元三部分組成。傳感器監測與保護單元為在膠帶運輸機機身安裝的溫度、速度、煙霧、拉力、振動、堆煤、跑偏、撕裂傳感器以及本安攝像儀、急停開關等，傳感器數據經CAN總線傳輸至核心控制器，本安攝像儀采集到的圖像、視頻信息經光纖直接傳送至井下交換機[5-6]。傳輸單元用于接收、轉發傳感器監測與保護單元數據，連接井下、井下數據傳輸通道，同時在井下膠帶運輸機上位機顯示智能保護系統運行數據，最終以TCP/IP通信模式傳送至地面交換機。傳輸單元由多個井下交換機、井下現場上位機、其他接入系統以及核心控制器組成，形成互聯互通局域網。監控單元即地面監控中心，由監控主機、監控服務器、防火墻、數據服務器、監控顯示屏等設備組成，達到在井上即可實時查看膠帶運輸機運行狀態、保護系統信息的目的。

2硬件設計

膠帶運輸機綜合智能保護系統硬件主要包括核心控制器以及用于保護的各種傳感器。核心控制器選用STM32F4071GT6ARM微控制器，該控制器核心CPU為ARMCortexM4，數據總線寬度為32bit，支持24路分辨率為12bitADC通道，最大時鐘頻率為168MHz，支持140I/O口，程序存儲器為1MB，數據RAM為192KB，支持CAN、I2C、SDIO等多種通信接口[7-8]，滿足膠帶運輸機智能保護系統控制要求。膠帶運輸機綜合智能保護系統傳感器監測與保護單元中的傳感器安裝位置、作用、閾值以及注意事項見表1所示。

3軟件設計

3.1保護系統控制器程序設計

膠帶運輸機綜合智能保護系統控制器程序基于keil-MDK開發環境實現，使用STM32F10x_StdPeriph_Lib_V3.5.0標準庫，采用C語言與匯編語言混合編程實現。按照總體設計框圖，膠帶運輸機綜合智能保護系統軟件按照功能可劃分為初始化模塊、通信（CAN、TCP/IP）模塊、AD/DA處理模塊、保護模塊、邏輯控制模塊、故障處理模塊以及顯示處理模塊等。核心控制器通過CAN接口周期性的采集傳感器數據監測與保護單元數據經A/D轉換后，將數據傳送至保護模塊。保護模塊處理流程見圖2所示，分別甄別是否存在膠帶跑偏、膠帶打滑、膠帶撕裂、膠帶堆煤、溫度超限以及急停故障，保障膠帶運輸機安全、連續運行。如果觸發保護動作，則保護模塊將發生保護動作的傳感器數據發送至故障處理模塊，進行故障提示和報警。如果未觸發保護動作，則持續監測各保護傳感器實時數據。本安攝像儀圖像、視頻數據直接通過光纖傳送至井下交換機，不經過核心控制器。

3.2保護系統上位機程序設計

膠帶運輸機綜合智能保護系統上位機程序基于北京亞控的KingFusion3.6智控一體化平臺，實現膠帶運輸機實現產線監控和生產管理完美結合，構建內部縱向、橫向各系統層級間數據流，實現膠帶運輸機智能控制。KingFusion3.6智控一體化平臺基于B/S輕量化組態開發，具有全組態、自維護、跨平臺的特點。膠帶運輸機綜合智能保護系統上位機界面設計框圖如圖3所示，由系統菜單、主界面、數據顯示界面、故障診斷界面、報警界面組成。核心控制器將膠帶運輸機運行數據打包并以TCP/IP通信接口發送至井下上位機。上位機接收到數據后進行解包并將數據變量與本地變量關聯，在KingFusion3.6平臺利用本地變量進行數據顯示控制、動畫控制以及存儲，實現用戶信息維護、系統參數維護、報警條件設置、歷史數據查詢、故障診斷/報警等功能。

4應用分析

為驗證設計并實現的膠帶運輸機綜合智能保護系統的正確性和適用性，在某礦井進行為期6個月的工業試驗，試驗時間為2021年4月至2021年10月。從井下上位機監控界面可動態、實時監測膠帶運輸機運行過程中的溫度、速度、煙霧、拉力、振動、堆煤、跑偏、撕裂傳感器數據。當實時數據超出設定閾值后，報警信息會在實時報警列表中顯示，并進行間隔10s的聲光語音提示。膠帶運輸機操作人員、維護人員可通過井下上位機監控界面及時掌握設備運行狀態、故障狀態，極大縮短了解決故障的時間，提升了設備的運行效率。

5結語

以礦井膠帶運輸機為研究對象，重點設計了一種基于STM32ARM控制器的膠帶運輸機綜合智能保護系統。通過實時監測、動態分析安裝在膠帶運輸機機身的傳感器數據，保證設備安全、穩定、高效運行。實際應用情況表明，該綜合智能保護系統運行可靠，能夠提升膠帶運輸機運行效率，降低故障發生率，縮短解決故障時間。

作者：王斌 單位：陽泉新瑞昌機械有限公司