CN106115219B - 一种具有故障定位功能的胶带输送机监控系统 - Google Patents

Abstract

一种具有故障定位功能的胶带输送机监控系统是针对现有胶带输送机监控系统存在跑偏、堆煤、打滑、撕裂、超温、烟雾等故障定位困难的问题，采用模块化的系统结构，将各模块组合成一个系统，系统中采用了双总线网络结构，先由RS485总线给沿线设备自动分配地址，在胶带输送机发生跑偏、堆煤、打滑、撕裂、超温、烟雾等故障后，由CAN总线实时传输故障发生的位置和故障类型。本系统能够实时监测胶带输送机的运行状态，及时发现胶带输送机运行中的故障，并能对故障进行精确定位，同时发出语音报警，根据故障类型会输出不同的保护信号，实现胶带输送机的安全保护，提高胶带输送机运行的安全性、稳定性和连续性。

Description

一种具有故障定位功能的胶带输送机监控系统

技术领域

本发明涉及一种煤矿井下胶带输送机监控系统，尤其是一种具有故障定位功能的胶带输送机监控系统。

背景技术

随着煤矿规模的不断扩大和煤矿生产设备自动化程度的不断提高，胶带输送机也朝着大运量、高带速、长距离的趋势发展，其承担的运输任务越来越重大，它的工作可靠性、稳定性、安全性直接影响煤炭生产的连续性、安全性和经济效益。

现有煤矿使用较多的胶带输送机监控系统，如德国贝克集团生产的KJ50型PROMOS监控系统、常州联力自动化科技有限公司生产的KHP157胶带机保护装置等，都不具有故障识别功能，一旦出现跑偏、堆煤、打滑、撕裂、烟雾及堵塞等故障，查找故障位置比较费时，不能准确定位并及时排除故障，将会造成巨大的经济损失，特别是在煤矿井下，甚至会酿成重大恶性事故，威胁工作人员的生命安全。还有现有公开的技术，一种“胶带输送机保护装置用数字显示式地址编码器”的实用新型专利，以及一种 “主动式胶带输送机故障定位系统”的实用新型专利，存在的主要问题是：无论是采用单个主站和多个从站的轮询式结构的数据通信方式，还是采用CAN总线多主结构的数据通信方式，其均采用了拨码开关的地址编码器，设定范围有限且灵活性差。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有故障定位功能的胶带输送机监控系统，无需额外的地址编码设备，即可解决现有胶带输送机监控系统检测到故障时不能快速定位的问题，以确保煤矿运输系统运行的安全性和连续性。

为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案如下。

一种具有故障定位功能的胶带输送机监控系统，包括主控制器及其沿线设备；其特征在于：所述主控制器是通过所述沿线设备实现对胶带输送机的监控；

所述主控制器是通过RS485通信总线将上位机、输入输出模块和沿线管理模块连接构成，并位于胶带输送机机头，其中上位机对输入输出模块和沿线管理模块进行管理，并且沿线管理模块通过RS485总线和CAN总线对所述沿线设备进行管理，实现对胶带输送机的监控；

所述上位机包括有LabVIEW软件，运行监控系统人机界面，实现对系统状态数据的分析、判断、处理和显示；

所述输入输出模块是由微控制器单元、键盘控制单元、RS485通信单元、10路数据采集单元和8路继电器输出单元集成，其输入输出接口通过控制器壳体上的喇叭嘴引出，分别连接故障保护传感器和电机、洒水电磁装置；

所述沿线管理模块是由微控制器单元、急停控制单元、RS485通信单元、CAN通信单元和语音报警单元集成，分为沿线管理模块1和沿线管理模块2，沿线管理模块2用于连接第2条胶带沿线，或用于第1条胶带沿线备用模块；

所述沿线设备包括下位机、胶带急停模块、扩音电话和终端，除终端布置在系统末端外，沿线设备之间通过八芯电缆串行连接，在皮带沿线每隔100米布置一台沿线设备，设备类型根据煤矿实际需要进行选择设置；

在上述技术方案中，所述下位机是由微控制器单元、急停控制单元、RS485通信单元、CAN通信单元、8路数据采集单元和4路继电器输出单元集成，其输入输出接口通过下位机壳体上的喇叭嘴引出，分别连接有故障保护传感器和电机、洒水电磁装置，下位机两端通过八芯电缆与沿线设备分别进行连接。

在上述技术方案中，所述胶带急停模块是拉线急停模块，是由微控制器单元、急停控制单元和RS485通信单元集成，两端通过八芯电缆与沿线设备分别进行连接。

在上述技术方案中，所述扩音电话是由微控制器单元、语音报警单元、急停控制单元和RS485通信单元集成，两端通过八芯电缆与沿线设备分别进行连接。

在上述技术方案中，所述终端是由微控制器单元、RS485通信单元、CAN通信单元和终端电压采集单元集成，作为整个系统数据通信的结束点，安装在系统末端。

在上述技术方案中，所述故障定位功能是先由上位机发送地址自动分配命令，沿线管理模块接收到地址自动分配命令后，通过RS485总线通信电路发送首地址0，然后各沿线设备通过RS485总线通信电路给沿线设备自动分配地址，最后由终端模块的CAN总线通信电路完成沿线设备数量的上传；当下位机模块采集到故障信号时，通过CAN总线通信电路将已分配的故障地址信息和故障类型上传给沿线管理模块，最终上传给上位机，上位机分析判断以后，发出语音报警，并根据故障类型会输出不同的控制信号，实现皮带输送机的安全保护，工作人员根据上位机人机界面显示的故障地址信息和故障类型迅速定位故障。

实现上述本发明所提供的一种具有故障定位功能的胶带输送机监控系统，与现有技术相比，本发明采用了双总线，RS485总线和CAN总线网络结构，及时准确的定位故障发生的位置。具体来说，本发明有如下特点。

本胶带输送机监控系统无需增加额外的地址编码设备，通过RS485总线实现了沿线设备地址的自动分配。

本胶带输送机监控系统在胶带输送机发生跑偏、堆煤、打滑、撕裂、超温和烟雾等故障后，无需人工查找故障位置，通过CAN总线实时传输故障发生的位置和故障类型。

本发明解决了现有胶带输送机监控系统检测到故障时不能快速定位问题，能够实时监测胶带输送机的运行状态，及时发现胶带输送机运行中的故障，并能对故障进行精确定位，同时发出语音报警，根据故障类型会输出不同的控制信号，实现胶带输送机的安全保护，对确保煤矿生产的连续性、提高生产效益具有非常重要的现实意义。

附图说明

图1是本胶带输送机监控系统框架图。

图2是本胶带输送机监控系统通信网络结构图。

具体实施方式

为了便于理解本发明的目的和优点，下面结合附图对本发明的具体实施方式做出进一步的说明。

如附图1所示，实施本发明上述所提供的一种具有故障定位功能的胶带输送机监控系统，是在现有技术的基础上，针对煤矿井下的胶带输送机，实现自动化开采所设计的监控系统，该胶带输送机监控系统主要包括主控制器及其沿线设备，该主控制器是通过沿线设备及其管理设备实现对其胶带输送机的工作过程进行全面监控。

在上述具体实施方案中，主控制器是通过RS485通信总线将上位机、输入输出模块和沿线管理模块连接构成，并位于胶带输送机机头，其中上位机对输入输出模块和沿线管理模块进行管理，并且沿线管理模块通过RS485总线和CAN总线对所述沿线设备进行管理，实现对胶带输送机的监控。

在上述具体实施方案中，上位机是包括PCM3363嵌入式工控板和12.1寸LCD 彩色显示器，其包括有LabVIEW软件，运行监控系统人机界面，实现对系统状态数据的分析、判断、处理和显示；系统人机界面包括5个选项窗口，分别为主控窗口、急停详情、接线图表、故障记录和参数设置，主控窗口中包括了系统运行状态、沿线设备数量、急停位置、故障位置、传感器数据采集、终端电压采集及电机运行状态显示等功能，急停详情窗口中主要显示了急停指示灯和急停的具体位置，接线图表窗口中显示了输入输出模块和下位机的输入输出口连接情况，输入输出模块和下位机输入口连接跑偏传感器、堆煤传感器、速度传感器、撕裂传感器、温度传感器、烟雾传感器、张力传感器，输入输出模块和下位机输出口连接电机和洒水电磁装置远程开关，故障记录窗口中记录了故障发生的时间、故障类型及故障发生的位置，参数设置窗口中包括了滚筒温度超温报警设定值、皮带张紧力设定值和皮带带速设定值。

在上述具体实施方案中，输入输出模块是由微控制器单元、键盘控制单元、RS485通信单元、10路数据采集单元和8路继电器输出单元集成，其输入输出接口通过控制器壳体上的喇叭嘴引出，分别连接故障保护传感器和电机、洒水电磁装置，其主要功能是采集控制器附近的工况信息并控制控制器附近的电机和洒水设备等。

在上述具体实施方案中，沿线管理模块是由微控制器单元、急停控制单元、RS485通信单元、CAN通信单元和语音报警单元集成，分为沿线管理模块1和沿线管理模块2，沿线管理模块2用于连接第2条胶带沿线，或用于第1条胶带沿线备用模块，其主要功能是将沿线设备的状态上传给上位机，同时也将上位机的控制指令下传给沿线设备。

在上述具体实施方案中，沿线设备是包括下位机、胶带急停模块、扩音电话和终端，除终端布置在系统末端外，沿线设备之间通过八芯电缆串行连接，每隔100米在皮带沿线布置一台沿线设备，设备类型根据煤矿实际需要进行选择设置。

在上述具体实施方案中，下位机是由微控制器单元、急停控制单元、RS485通信单元、CAN通信单元、8路数据采集单元和4路继电器输出单元集成，两端通过八芯电缆与沿线设备分别进行连接，其输入输出接口通过下位机壳体上的喇叭嘴引出，分别连接传感器和电机、洒水电磁装置。

在上述具体实施方案中，胶带急停模块是拉线急停模块，是由微控制器单元、急停控制单元和RS485通信单元集成，两端通过八芯电缆与沿线设备分别进行连接，当按下急停开关时，系统停止运行，通过RS485总线传输急停地址信息。

其中的扩音电话是由微控制器单元、语音报警单元和急停控制单元和RS485通信单元集成，两端通过八芯电缆与沿线设备分别进行连接，其主要功能是用于设备启停和故障语音播报，方便沿线的工作人员掌握设备的运行状态，还可用于工作人员语言交流。

在上述具体实施方案中，终端是由微控制器单元、RS485通信单元、CAN通信单元和终端电压采集单元集成，作为整个系统数据通信的结束点，安装在系统末端，实现沿线设备数量、下位机数量和终端电压数据的上传。

在上述具体实施方案中，输入输出模块、沿线管理模块、下位机、胶带急停模块、扩音电话和终端的微控制器单元是采用ST公司的STM32F103RBT6。

在上述具体实施方案中，RS485总线和 CAN总线单元的接口电路与CPU之间是采用完全隔离的设计方法，阻断了通信接口与CPU之间的电气联系。此外，在总线上设计了过流和过压保护电路，保证了通信总线的可靠性。电路中CAN总线收发器选用82C250Y，通过高速光电耦合隔离接入到CPU中。电路中RS485总线收发器选用MAX3088，通过光电耦合隔离接入到CPU中。

在上述具体实施方案中，数据采集单元是利用外部中断口EXIT采集传感器输出的开关量数据，通过AD口采集传感器输出的模拟量数据。继电器输出单元通过GPIO口高低电平的切换控制光电耦合器TIL113的导通和关断，实现继电器的通断，从而控制电机的启停和洒水电磁装置的打开和关断。

在上述具体实施方案中，键盘控制单元是采用4*5矩阵键盘，实现人机界面的切换、系统参数的设置和电机的启停控制功能。

在上述具体实施方案中，语音报警单元中的语音芯片是选用ISD4004-08MP，芯片设计是基于所有操作必须由微控制器控制，操作命令通过串行通信接口SPI送入。语音芯片中存储了带式输送机启停、沿线急停、故障保护传感器动作等报警声音信号，带式输送机监控系统通过RS485总线通信电路控制语音报警声音信号输出，经过功耗低、总谐波失真小的LM386音频功放后，通过音频耦合隔离变压器耦合到系统的音频线上，然后进行扩音播放。

在上述具体实施方案中，急停控制单元采用外部中断口EXIT采集急停动作信号，实现系统的紧急停车功能。

在上述具体实施方案中，终端电压采集单元是通过AD口采集经过电阻分压过的终端电压值。

在上述具体实施方案中，胶带故障保护传感器是包括跑偏传感器、堆煤传感器、速度传感器、撕裂传感器、温度传感器、烟雾传感器、张力传感器等故障保护传感器。跑偏传感器采用GEJ30，包括两级跑偏，一级跑偏时，系统报警提示，二级跑偏时，系统报警停机，一般情况下，跑偏传感器主要在胶带输送机的机头、中部和机尾各安装一组（左右对称的安装在胶带两侧）；堆煤传感器采用GUJ30，，安装在两部胶带输送机搭接的机头和溜煤眼处，起到防止机头堆煤的作用；速度传感器采用GSC-200/1000，安装在驱动滚筒附近，传感器转轮与下胶带紧密接触，与胶带同时转动，用来检测胶带速度是否和整定值一致；撕裂传感器采用GVD1200，安装在输送机尾部卸料口，用于检测胶带运行过程中是否发生撕裂；温度传感器采用KGW200H，固定在驱动滚筒附近的机架上，红外探头伸到距驱动滚筒200mm处，用于检测胶带运行过程中是否超温；烟雾传感器采用GQL0.1，安装在驱动装置上方5米内的下风口处，高度尽量靠近胶带上的物料，用于检测气体烟雾是否超标；张力传感器采用GAD100，固定安装在输送机和张紧小车的钢丝绳的一端，用于检测胶带张力，防止胶带张力过小，胶带打滑，张力过大，胶带断裂。

在上述具体实施方案中，电源是矿用隔爆兼本质安全型电源，用于给控制器及沿线设备供电，输出1组DC 5V、3组DC 12V、2组DC 18V。DC 5V和1组DC 12V用于给上位机供电，其余2组DC 12V用于给输入输出模块和沿线管理模块供电，2组DC 18V分别给两条皮带沿线供电。

其中的八芯电缆是包括1根音频线、1根急停线、2根CAN总线、2根RS485总线和2根电源线。音频线用于传输语音报警信息；急停线用于传输人工急停信息；CAN总线用于传输传感器采集的信息和控制指令信息；RS485总线用于传输地址自动分配信息和人工急停地址信息；电源线用于整个沿线的供电。

如附图2所示，上位机和输入输出模块、沿线管理模块通过RS485总线通信，完成信息采集和发出控制指令。沿线管理模块与沿线设备之间通过电缆连接，电缆中设有RS485总线和CAN总线，RS485总线串行接入有限个下位机模块、胶带急停模块和扩音电话模块，最后接入终端模块。除终端模块外，其余模块均有双485总线接口，分别与两侧模块连接。当总线一侧连接到胶带机末端或者不需要接入其它模块时，需接入终端模块。下位机模块和终端模块的CAN通信总线并行接在胶带输送机上位机的CAN总线上。

在上述具体实施方案中，实现一种具有故障定位功能的胶带输送机监控系统的具体工作方案包括以下步骤。

1）上电后，系统预警，通知沿线人员胶带输送机即将启动，防止出现意外。报警提示的同时，系统首先进行自检，自检内容包括胶带输送机是否发生人工急停、查询急停位置及传感器连接是否正常等。人工急停自检过程：上位机发送地址自动分配命令，沿线管理模块接到地址自动分配命令后，RS485总线通信电路发送首地址0，每个沿线设备必须收到前一台设备发的一个数据帧时，才能将信息进行返回或继续传递到下一台设备上，最后由终端模块的CAN总线通信电路完成沿线设备数量的上传，完成沿线设备自动地址分配。在地址自动分配过程中，若有急停按钮处于急停状态，把急停位置信息通过沿线管理模块返回至上位机；

2）得到允许启动信号后，微控制器单元采集各传感器输出的监测数据，对数据进行转换、滤波处理，把监测数据信息和位置信息打包经过CAN总线上传给上位机，上位机对信号进行分析判断后，根据判断结果确定是否控制驱动单元动作和是否发出报警命令。若发生故障后，故障信息和故障地址会显示在监控系统人机界面上，工作人员根据上位机人机界面显示的故障地址信息和故障类型迅速定位故障；

3）当发生紧急事件或者故障需要停止时，可以按下沿线设备或者控制器上的急停按钮进行紧急操作，上位机输出停止命令，所有设备停止运行，人机界面显示急停状态，急停位置信息也会显示到人机界面上。当紧急事件或故障消失后，拔起急停按钮，发送解停信号，人机界面急停状态恢复正常，系统急停状态解除。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不是对本发明的限定，在本说明书中涉及到其它技术内容以及技术术语应当按照本领域的公知常识和惯用的技术手段理解和实施，也可通过合理的分析推理设置实施。

Claims (6)

1.一种具有故障定位功能的胶带输送机监控系统，包括主控制器及其沿线设备；其特征在于：所述主控制器是通过所述沿线设备实现对胶带输送机的监控；

所述主控制器是通过RS485通信总线将上位机、输入输出模块和沿线管理模块连接构成，并位于胶带输送机机头，其中上位机对输入输出模块和沿线管理模块进行管理，并且沿线管理模块通过RS485总线和CAN总线对所述沿线设备进行管理，实现对胶带输送机的监控；

所述上位机包括有LabVIEW软件，运行监控系统人机界面，实现对系统状态数据的分析、判断、处理和显示；

所述输入输出模块是由微控制器单元、键盘控制单元、RS485通信单元、10路数据采集单元和8路继电器输出单元集成，其输入输出接口通过控制器壳体上的喇叭嘴引出，分别连接故障保护传感器和电机、洒水电磁装置；

所述沿线管理模块是由微控制器单元、急停控制单元、RS485通信单元、CAN通信单元和语音报警单元集成，分为沿线管理模块1和沿线管理模块2，沿线管理模块2用于连接第2条胶带沿线，或用于第1条胶带沿线备用模块；

所述沿线设备包括下位机、胶带急停模块、扩音电话和终端，除终端布置在系统末端外，沿线设备之间通过八芯电缆串行连接，在皮带沿线每隔100米布置一台沿线设备，设备类型根据煤矿实际需要进行选择设置。

2.根据权利要求1所述的具有故障定位功能的胶带输送机监控系统，其特征在于：所述下位机是由微控制器单元、急停控制单元、RS485通信单元、CAN通信单元、8路数据采集单元和4路继电器输出单元集成，其输入输出接口通过下位机壳体上的喇叭嘴引出，分别连接有故障保护传感器和电机、洒水电磁装置，下位机两端通过八芯电缆与沿线设备分别进行连接。

3.根据权利要求1所述的具有故障定位功能的胶带输送机监控系统，其特征在于：所述胶带急停模块是拉线急停模块，是由微控制器单元、急停控制单元和RS485通信单元集成，两端通过八芯电缆与沿线设备分别进行连接。

4.根据权利要求1所述的具有故障定位功能的胶带输送机监控系统，其特征在于：所述扩音电话是由微控制器单元、语音报警单元、急停控制单元和RS485通信单元集成，两端通过八芯电缆与沿线设备分别进行连接。

5.根据权利要求1所述的具有故障定位功能的胶带输送机监控系统，其特征在于：所述终端是由微控制器单元、RS485通信单元、CAN通信单元和终端电压采集单元集成，作为整个系统数据通信的结束点，安装在系统末端。

6.根据权利要求1所述的具有故障定位功能的胶带输送机监控系统，其特征在于：所述故障定位功能是先由上位机发送地址自动分配命令，沿线管理模块接收到地址自动分配命令后，通过RS485总线通信电路发送首地址0，然后各沿线设备通过RS485总线通信电路给沿线设备自动分配地址，最后由终端模块的CAN总线通信电路完成沿线设备数量的上传；当下位机模块采集到故障信号时，通过CAN总线通信电路将已分配的故障地址信息和故障类型上传给沿线管理模块，最终上传给上位机，上位机分析判断以后，发出语音报警，并根据故障类型会输出不同的控制信号，实现皮带输送机的安全保护，工作人员根据上位机人机界面显示的故障地址信息和故障类型迅速定位故障。