胶带运输机智能保护系统设计探讨

摘要：针对矿井胶带运输机保护系统存在的控制方式落后、故障率高的问题，设计基于STM32ARM控制器的胶带运输机综合智能保护系统。重点研究了智能综合保护系统的总体设计思路和软硬件设计方案，以STM32F4071GT6ARM微控制器为核心，高效、快速处理安装在胶带运输机机身的传感器数据并在井下上位机实时监控，实现保护系统的智能和联动。实际应用情况表明，该综合智能保护系统运行平稳，能够保障胶带运输机安全、连续、高效运行，社会经济效益明显。

关键词：综合保护；智能保护；STM32；传感器技术；胶带运输机

胶带运输机是矿井煤料运输的重要设备，在煤炭生产实践中具有举足轻重的作用。随着煤矿智能化、信息化建设的不断推进，胶带运输机的运输功率、运输长度、运行时间不断增加，极易发生运输胶带撕裂、打滑、跑偏等故障[1]。受胶带运输机工作环境恶劣且复杂的影响，故障发生率居高不下，严重影响了矿井高效、高质量生产。因此，研究胶带运输机综合智能保护系统，降低设备故障发生率，提高设备运行效率具有重要意义。张振霞[2]重点研究了运输机胶带撕裂保护装置，设计ZL-A型纵向撕裂保护异形体卡滞装置，该装置能够有效防止胶带撕裂。东郭朝[3]重点设计了运输机断带保护装置，包括断带抓捕器以及断带检测装置，能够实现运输机胶带断带故障检测。李爱军[4]设计了针对运输机启动、停机、运行时参数监测以及综合保护系统，可实时监测运输机各运行状态时的电流、电压、扭矩以及故障信息，预防堆煤、撕裂、跑偏等故障发生。本文以智能型控制器为核心，设计基于传感器监测与保护技术的胶带运输机综合智能保护系统，提高运输机智能化水平，保障运行安全、高效。

1总体设计

胶带运输机综合智能保护系统设计目标为，对胶带运输机运行过程中可能发生的过热、堆煤、跑偏、打滑等故障进行预警和保护，降低设备故障发生率，提高设备的运行效率和智能化水平。胶带运输机综合智能保护系统总体设计框图见图1所示，由传感器监测与保护单元、传输单元、监控单元三部分组成。传感器监测与保护单元为在胶带运输机机身安装的温度、速度、烟雾、拉力、振动、堆煤、跑偏、撕裂传感器以及本安摄像仪、急停开关等，传感器数据经CAN总线传输至核心控制器，本安摄像仪采集到的图像、视频信息经光纤直接传送至井下交换机[5-6]。传输单元用于接收、转发传感器监测与保护单元数据，连接井下、井下数据传输通道，同时在井下胶带运输机上位机显示智能保护系统运行数据，最终以TCP/IP通信模式传送至地面交换机。传输单元由多个井下交换机、井下现场上位机、其他接入系统以及核心控制器组成，形成互联互通局域网。监控单元即地面监控中心，由监控主机、监控服务器、防火墙、数据服务器、监控显示屏等设备组成，达到在井上即可实时查看胶带运输机运行状态、保护系统信息的目的。

2硬件设计

胶带运输机综合智能保护系统硬件主要包括核心控制器以及用于保护的各种传感器。核心控制器选用STM32F4071GT6ARM微控制器，该控制器核心CPU为ARMCortexM4，数据总线宽度为32bit，支持24路分辨率为12bitADC通道，最大时钟频率为168MHz，支持140I/O口，程序存储器为1MB，数据RAM为192KB，支持CAN、I2C、SDIO等多种通信接口[7-8]，满足胶带运输机智能保护系统控制要求。胶带运输机综合智能保护系统传感器监测与保护单元中的传感器安装位置、作用、阈值以及注意事项见表1所示。

3软件设计

3.1保护系统控制器程序设计

胶带运输机综合智能保护系统控制器程序基于keil-MDK开发环境实现，使用STM32F10x_StdPeriph_Lib_V3.5.0标准库，采用C语言与汇编语言混合编程实现。按照总体设计框图，胶带运输机综合智能保护系统软件按照功能可划分为初始化模块、通信（CAN、TCP/IP）模块、AD/DA处理模块、保护模块、逻辑控制模块、故障处理模块以及显示处理模块等。核心控制器通过CAN接口周期性的采集传感器数据监测与保护单元数据经A/D转换后，将数据传送至保护模块。保护模块处理流程见图2所示，分别甄别是否存在胶带跑偏、胶带打滑、胶带撕裂、胶带堆煤、温度超限以及急停故障，保障胶带运输机安全、连续运行。如果触发保护动作，则保护模块将发生保护动作的传感器数据发送至故障处理模块，进行故障提示和报警。如果未触发保护动作，则持续监测各保护传感器实时数据。本安摄像仪图像、视频数据直接通过光纤传送至井下交换机，不经过核心控制器。

3.2保护系统上位机程序设计

胶带运输机综合智能保护系统上位机程序基于北京亚控的KingFusion3.6智控一体化平台，实现胶带运输机实现产线监控和生产管理完美结合，构建内部纵向、横向各系统层级间数据流，实现胶带运输机智能控制。KingFusion3.6智控一体化平台基于B/S轻量化组态开发，具有全组态、自维护、跨平台的特点。胶带运输机综合智能保护系统上位机界面设计框图如图3所示，由系统菜单、主界面、数据显示界面、故障诊断界面、报警界面组成。核心控制器将胶带运输机运行数据打包并以TCP/IP通信接口发送至井下上位机。上位机接收到数据后进行解包并将数据变量与本地变量关联，在KingFusion3.6平台利用本地变量进行数据显示控制、动画控制以及存储，实现用户信息维护、系统参数维护、报警条件设置、历史数据查询、故障诊断/报警等功能。

4应用分析

为验证设计并实现的胶带运输机综合智能保护系统的正确性和适用性，在某矿井进行为期6个月的工业试验，试验时间为2021年4月至2021年10月。从井下上位机监控界面可动态、实时监测胶带运输机运行过程中的温度、速度、烟雾、拉力、振动、堆煤、跑偏、撕裂传感器数据。当实时数据超出设定阈值后，报警信息会在实时报警列表中显示，并进行间隔10s的声光语音提示。胶带运输机操作人员、维护人员可通过井下上位机监控界面及时掌握设备运行状态、故障状态，极大缩短了解决故障的时间，提升了设备的运行效率。

5结语

以矿井胶带运输机为研究对象，重点设计了一种基于STM32ARM控制器的胶带运输机综合智能保护系统。通过实时监测、动态分析安装在胶带运输机机身的传感器数据，保证设备安全、稳定、高效运行。实际应用情况表明，该综合智能保护系统运行可靠，能够提升胶带运输机运行效率，降低故障发生率，缩短解决故障时间。

作者：王斌 单位：阳泉新瑞昌机械有限公司