煤矿井下带式输送机保护系统设计探析

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摘要：随着煤矿开采量的日益提升，输送机使用与输送量的增多使得带式输送机在使用过程中常出现断裂、打滑、超温等故障，极大影响煤矿生产与安全。为解决这一问题，设计一套煤矿井下带式输送机保护系统。通过对常见故障的分析，硬件电路、软件系统的设计，基于DSP数字处理器主控单元，对带式输送机设计了微机保护系统，硬件电路与软件系统的主要设计介绍，具体有采样保持电路、电源电路等。实际运行表明该系统对于煤矿的生产与效益提升具有重要的意义。

关键词：煤矿；带式输送机；保护系统

1带式输送机保护分析

1.1带式输送机保护系统需求分析

根据井下环境情况，微机保护系统能适应的温度范围需为-40～85℃并且能防火、隔爆、防冲击的环境需求。系统通过安装在输送机及其周围的传感器能实时传输带速信号、张力、压力、温度等数据信息；能将这些数据信息通过CAN协议打包处理后上传至处理器及存储设备单元，通过通信功能与上位机实时传输方便工作人员能及时了解带式输送机动态；上传至上位机的信息可以进行对保护系统进行参数设置与调整，从而可以根据需求对物理进行上下阈值的设定完成报警警示功能。

1.2带式输送机常见故障分析

（1）张力超限

在带式输送机运输过程中，当其输送带所受张力超过接头所受的拉伸最大载荷力Fmax时，输送带内部的钢绳芯粘结层便会开始破损导致输送带出现抽动的现象，并随时因超过张力临界值而被拉断。故设定输送带所允许的最大张力为Fmax，根据经验与实际运行情况，当张力传感器监测到输送带所受的张力达到Fmax的70%～80%时，便由控制器对输送机进行停机检查的操作命令。为更好的监测所受张力值，对张力传感器的选择选用应变式拉压力传感器，该传感器的量程通过输送带满负荷时所能承受的最大张力与挠度值的进行确定。考虑到输送带受力分析后最大张力点为主动滚筒的紧边处，故传感器的安放位置变为最大张力点。

（2）纵向撕带

带式输送机的输送带通常会在机尾装载点出发生纵向撕裂的现象。其原因主要是由于落料口下落的煤炭中常含有大块量的矸石等异物，这些异物在下落后一方面极容易将输送带扎破导致损坏，另一方面也容易落在支架上对输送带表层划伤，随着其张力的增大而导致输送带伤口的加深，从而形成纵向撕裂.因输送带是不断运动的，所以对其纵向撕裂的情况监测比较困难。而输送带在发生总想撕裂过程中是会受一个持续向下的压力，所以可以通过对托棍所受的向下压力值来判别输送带的受力情况，通过压力传感器实时信号传输给主控单元后，主控制器通过对压力分析后对纵向压力在一定时间内积分，计算出其积分面积是否超过设定阈值来判别是否发生纵向撕裂，而传感器选用金属应变式拉压传感器进行监测。

（3）输送带火灾监测

输送机在长时间工作后，除遇明火外发生火灾主要为两部分原因。一方面当胶带与滚筒之间出现持续打滑现象，会因其摩擦而导致升温发生火灾。另一方面，由于托辊轴承内部积攒大量粉尘，很容易使得轴承卡死使得托辊温度升高而热量被粉尘包裹散不出去导致发生火灾。对输送带温度的监测可以分为两种，一种是监测胶带与滚筒之间的滑差率而间接判断温度是否会超限，一般设置为最大滑差率为允许值的10%；另一种是对托辊轴端的温度监测，根据煤矿防火要求，设定其温度阈值为150℃。虽然对温度监测的方法众多如：红外辐射法、热敏电阻法等，但考虑井下环境及输送机实际状态，本系统采用合金温度传感器作为温度监测设备。

2硬件电路

2.1保护系统硬件结构

整个保护系统的硬件电路以DSP28335数字处理器为核心，通过对传输带速信号、张力、压力、温度等模拟量数据信息的采集，主控单元以采集信号为依托，进行故障预处理与判别。同时对电源电路、复位电路、通信电路、显示电路、保护控制电路进行相应设计，所设计的保护系统硬件电路结构系统框图如图1所示。

2.2主控芯片选型

本系统为适用矿井下复杂环境，完成保护系统的实时监测与数据处理的功能，本系统以TMS320F28335为核心的嵌入式控制芯片进行模拟信号的采集与处理、保护识别与预判、开关动作量的输入和输出等功能的实现，其性能相比于DSP定点处理器，该处理器具有浮点运算能力内核更为强大，数字逻辑处理速度更快。TMS320F28335处理器增加了浮点运算单元以及高精度的PWM处理单元，比之前定点DSP处理器相比数字计算性能明显增强，很适合井下等工矿的复杂环境使用。具有18路PWM信输出和16路通道的A/D转换器，使得该处理器能实时处理多路信号，对于井下输送机的状态信息的识别与处理更为迅速。

2.3电源电路

本系统采用DSP控制芯片，该芯片内核需要3.3V电源进行供电，故在设计时需要将系统的5V输出电压一部分通过电路设计转换为3.3V的直流输出电压。在电源电路设计时吗，针对电磁干扰以及输出纹波的影响，故将电压调节器采用精度较高、低频干扰小的线性电源。该线性电源型号选用LM310和LM1117。

2.4采样保持电路

本系统在对井下输送机进行检测时，因井下环境与负载变动较大，输送机电机转速、电压电流等信息在采样过程中也会出现一定的波动而导致采样模拟信号的跳动，从而产生采样误差。而在对采集的模拟信号进行数模转换时需要保证在一定的转换时间内要保证模拟信号的不变，所以为减小采样过程中的误差，需要专门设定采样保持电路。把本文选用的为LF398型号的S/H采样/保持器进行采样保持电路的设计，该保持器通过逻辑电平的高低对其工作状态进行控制，即采样状态和保持状态。通过LF398型号的S/H采样/保持器一方面可以迅速稳定变化中的输入信号减小误差，另一方面，它可以存储多路模拟信号从而使得多路信号连续切换到待转换的信号。考虑到本系统使用环境的特殊性，为提高采样频率将电路中的保持电容选为100pF，而对高精度输入信号可以适当提高电容值。考虑到印刷电路中实际的电磁影响，需要减小保持电容与输入信号间的耦合电容值的大小。

3软件设计

系统软件主要依托DSP单元进行软件程序设计，DSP具有强大的数据处理能力。包括系统初始化、信号采集前的预处理、信号采集、数据逻辑处理与判别等。在对所采集的信息处理后，若达到设定阈值而判定故障，主控单元发出相应保护措施。

4结束语

本文通过对煤矿带式输送机保护系统的所需要功能进行说明，并对输送机常见的故障原因与监测方式进行分析。通过基础理论的分析对保护系统的硬件电路进行设计，如系统硬件电路结构、主控选型、采样电路及保持电路的设计等，同时在DSP主控单元的基础上进行系统软件程序设计，所设计保护系统稳定运行满足实际需求。

作者：吴焘 单位：西山煤电股份有限公司西铭矿