矿用胶带输送机监测监控及故障诊断系统的开发

发布时间：2020-10-02 09:39

　　本课题是山西省科技重大专项“基于物联网的煤矿重大生产装备状态监测及全寿命周期管理系统开发”的重要子课题之一,项目编号:20131101029,是针对现有的胶带输送机监测监控系统功能不全面、可靠性低以及自动化、智能化程度不高等问题提出来的。煤矿井下胶带输送机长期工作在高速和重载的状态下,运转过程中容易发生输送带打滑、跑偏、滚筒超温、机头堆煤、输送带纵向撕裂、断带以及电机、减速器、滚筒等的故障,若不能及时发现并处理,将对企业财产和人员安全造成严重威胁。目前国外生产的监控系统存在价格昂贵、维修不便以及与国内的系统存在兼容性和可拓展性差等问题,国内生产的胶带输送机监控系统存在故障误报率高、一部胶带输送机有多套相互独立的监测保护系统、信息重复采集、操作不方便等问题,对煤矿井下技能素质本就不高的操作工人来说,在空间狭小、环境恶劣的井下操作起来异常困难。此外,尽管国内外开发的监测监控系统基本的功能都能实现,采集的数据量也很大,但是缺乏对监测数据的深入挖掘,没有综合运用先进的故障诊断技术,建立故障诊断模型,充分发挥数据的价值。针对上述不足,本文开发了一套可靠性高、功能全面、数据利用率高、通讯协议规范、可拓展性好、自动化程度高的胶带输送机监测监控及故障诊断系统。本文深入分析了胶带输送机常见故障的机理,并结合现场调研情况以及现有监测监控系统的不足,制定了系统的技术指标和总体方案。根据系统的技术指标和总体方案,确定了系统的监测与控制量和系统的组成:监测主机、沿线管理模块、语音报警模块、I/O模块、各配电控制模块(A~H)、PLC、下位机模块、扩音电话模块、沿线急停模块、终端采集模块。明确了各模块的功能,设计了并制作了各功能模块的硬件电路,并编写了各功能模块对应的软件程序。基于LabVIEW软件平台开发了后台程序,并设计了输送机主控窗口、组合配电箱主控窗口、急停位置窗口、接线详情、历史记录、胶带机参数设置、组合配电箱参数设置和操作介绍等人机界面,系统具备良好的人机交互功能。此外,分析了胶带输送机关键部件故障的故障机理,研究了降噪、故障特征提取、智能识别等信号处理方法,制定了故障诊断的整体方案,编写了相关数据处理、特征提取和故障识别程序,设计了故障诊断人机界面,实现了胶带输送机关键部件故障的在线诊断。为检验系统的功能,首先,单独测试了各模块硬件电路和软件程序的功能。然后,在实验室搭建了实验系统,利用闭锁开关模拟了开关量传感器和开关量反馈信号,利用信号发生器输出200~1000Hz频率信号模拟了频率量传感器的输出,利用直流电源输出0~5V直流电压模拟了模拟量传感器输出信号。最后,在实验系统平台上检验了系统的状态实时监测显示、启停控制、语音报警、数据采集、通信、参数设置、自动地址分配、故障定位等功能。测试结果表明:所设计的系统各项功能正常,满足预期设计要求。为进一步检验系统在实际使用环境下的各项功能以及系统的可靠性、稳定性,设计制作了各设备外壳并组装,按实际传感器种类和数量接入各种传感器,沿线设备通过矿用8芯拉力屏蔽电缆串行连接,现场搭建了实际的实验系统。在现场搭建的实验平台上测试了通信距离、电源带载能力以及状态监测、软启动、自动张紧、故障定位、参数设置等功能。针对实验中暴露出的问题与不足,通过查阅相关文献和技术资料,完善了系统软件程序,改进了各模块硬件电路,优化了系统人机界面,经过多次的改进与调试,最终圆满完成了现场试验。试验结果表明:该系统实现了胶带输送机的监测监控系统与组合配电系统、关键部件故障诊断系统的融合,系统综合化信息化程度高、功能全面、操作方便、可靠性和自动化程度高,达到了预期的设计要求和实际使用要求。
【学位单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TD528.1
【文章目录】：
摘要
abstract
第一章绪论
    1.1 课题研究背景和意义
    1.2 课题国内外研究动态
        1.2.1 胶带输送机监测监控技术国内外发展和研究现状
        1.2.2 故障诊断技术国内外发展和研究现状
    1.3 本课题研究目标及主要内容
第二章系统总体方案设计
    2.1 胶带输送机的结构
    2.2 胶带输送机主要故障的故障机理分析及监测与控制量的确定
        2.2.1 主要故障的故障机理分析
        2.2.2 系统监测及控制量的确定
    2.3 系统设计要求
    2.4 系统总体方案设计
    2.5 系统技术指标
    2.6 本章小结
第三章监测监控系统的硬件设计
    3.1 系统主要器件选型
        3.1.1 监测主机选型
        3.1.2 CPU选型
        3.1.3 传感器的选型与配置
        3.1.4 本安电源选型
    3.2 系统主要控制单元设计
        3.2.1 主控制器
        3.2.2 组合配电单元
        3.2.3 胶带输送机主控模块
        3.2.4 皮带沿线控制模块
    3.3 系统主要控制单元硬件电路设计
        3.3.1 DC-DC变换电路设计
        3.3.2 信号采集调理电路设计
        3.3.3 通信电路设计
        3.3.4 语音报警系统电路设计
    3.4 本章小结
第四章监测监控系统的软件设计
    4.1 系统关键功能设计
        4.1.1 地址自动分配方法
        4.1.2 故障定位工作方法
        4.1.3 组合配电单元工作方法
        4.1.4 单部胶带输送机运行控制流程
    4.2 人机界面程序设计
        4.2.1 人机界面开发环境
        4.2.2 人机界面通信程序设计
        4.2.3 组合配电箱参数设置程序设计
        4.2.4 数据库程序设计
    4.3 人机界面设计
        4.3.1 主控窗口界面设计
        4.3.2 急停详情窗口界面设计
        4.3.3 故障记录窗口界面设计
        4.3.4 接线图表窗口界面设计
        4.3.5 参数设置窗口界面设计
    4.4 本章小结
第五章故障诊断方法的研究
    5.1 矿用胶带输送机故障诊断的整体方案
    5.2 驱动滚筒轴承振动信号降噪
        5.2.1 相关算法原理
        5.2.2 基于EEMD和 FastICA的振动信号降噪方法
        5.2.3 实验验证
    5.3 基于IMF-BSSM-SV的特征信息提取方法
    5.4 模式识别方法
    5.5 矿用胶带输送机轴承的故障诊断实验
        5.5.1 轴承振动信号的源数估计
        5.5.2 轴承振动信号的特征信息提取
        5.5.3 矿用胶带输送机轴承的故障诊断
    5.6 故障诊断界面设计
    5.7 本章小结
第六章系统试验与调试
    6.1 实验室调试
        6.1.1 系统硬件设计制作与调试
        6.1.2 语音报警系统的调试
        6.1.3 系统关键功能调试
        6.1.4 系统整体调试
    6.2 现场调试的前期准备
        6.2.1 设备外壳的设计与制作
        6.2.2 系统接线图表的绘制
        6.2.3 试验平台的搭建
    6.3 现场调试
        6.3.1 组合配电系统调试
        6.3.2 电源带载能力测试
        6.3.3 通讯距离测试
        6.3.4 急停功能测试
        6.3.5 系统验收
    6.4 本章小结
第七章结论与展望
    7.1 研究结论
    7.2 工作展望
参考文献
致谢
作者在攻读硕士学位期间的研究成果

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