帶式輸送機(jī)輸送帶故障智能監(jiān)測保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

宋康康

（晉煤集團(tuán)大峪煤業(yè)有限公司， 山西 長治 046000）

引言

輸送帶是帶式輸送機(jī)的關(guān)鍵部件之一，其成本接近整個帶式輸送機(jī)的一半。由于目前國內(nèi)礦井很多工作條件復(fù)雜惡劣，且?guī)捷斔蜋C(jī)負(fù)荷較大長期服役，在運(yùn)行中輸送帶易出現(xiàn)跑偏、打滑及撕裂等問題，嚴(yán)重影響了礦井安全生產(chǎn)，并造成損失。特別是針對運(yùn)距長或由多級輸送帶組合而成的運(yùn)輸系統(tǒng)，一旦出現(xiàn)問題，故障排查較為困難，難以及時進(jìn)行修復(fù)。所以，運(yùn)輸系統(tǒng)故障及時、準(zhǔn)確的定位，可減少維護(hù)時間，對運(yùn)輸效率的提高具有較大意義。目前主要通過加強(qiáng)檢修對輸送帶進(jìn)行保護(hù)，不能做到實(shí)時監(jiān)控，如果能在運(yùn)輸系統(tǒng)發(fā)生隱患的初期對其進(jìn)行控制，提前預(yù)警，則可以提高運(yùn)輸效率。

1 輸送帶故障顯示系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及存在問題

很多高產(chǎn)高效礦井的帶式輸送機(jī)是礦井唯一的原煤運(yùn)輸工具，所以其運(yùn)行狀態(tài)對礦井高效生產(chǎn)意義重大[1-3]。通過大量的現(xiàn)場實(shí)踐分析，目前輸送帶故障顯示系統(tǒng)主要有以下問題：

1）目前采用的故障保護(hù)器大多采用節(jié)點(diǎn)輸出，沒有位置識別功能，當(dāng)出現(xiàn)故障時，故障節(jié)點(diǎn)無法分辨，難以及時修復(fù)。針對電動機(jī)、減速器和液壓耦合器等裝備的故障監(jiān)測采用了多種方法，但是這些設(shè)備的監(jiān)測信息由于傳輸距離遠(yuǎn)等問題，通常會出現(xiàn)一定電壓波動。

2）為了提高輸送帶的運(yùn)行效率，充分保障其安全性和可靠性，對帶式輸送機(jī)進(jìn)行了多種方法的故障監(jiān)測，但這些監(jiān)測方法通常是獨(dú)立的，沒有進(jìn)行綜合分析。

3）目前的故障監(jiān)控系統(tǒng)存在較高的誤報率。監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)故障后會停止帶式輸送機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，若頻繁發(fā)生誤報，造成非正常停機(jī)，會影響運(yùn)輸系統(tǒng)效率，同時使工作人員麻痹大意，產(chǎn)生誤判，忽略真正的隱患信號，從而發(fā)生故障。

4）有些國外先進(jìn)的監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用效果較好，但是成本較高，且后期維護(hù)費(fèi)用不菲，難以大規(guī)模推廣。

2 輸送帶故障監(jiān)測和信號處理

遠(yuǎn)距離的運(yùn)輸系統(tǒng)監(jiān)測，監(jiān)測的故障點(diǎn)較多，且監(jiān)測范圍廣，要求精度高，工作量較大，所以要利用更加先進(jìn)、更加穩(wěn)定的方法和設(shè)備來進(jìn)行監(jiān)測。由于鋼絲繩芯輸送帶的優(yōu)越性能，被廣泛應(yīng)用于大運(yùn)程、高速度的物料運(yùn)輸，因此本次主要研究對象為鋼絲繩芯帶式輸送機(jī)。

2.1 輸送帶跑偏監(jiān)測

帶式輸送機(jī)輸送帶跑偏是煤炭運(yùn)輸常見故障，使煤炭在運(yùn)輸過程中散落，并導(dǎo)致輸送帶磨損，由于輸送帶成本較高，所以跑偏既影響了正常的煤炭運(yùn)輸，又縮短了輸送帶的使用壽命，造成經(jīng)濟(jì)損失。

輸送帶正常運(yùn)行時，其與皮帶架的中心線要重合，但是因?yàn)樵O(shè)備安裝和使用問題，易造成中心線相互偏離，產(chǎn)生跑偏故障。根據(jù)現(xiàn)場使用情況分析，當(dāng)兩條中心線平面上出現(xiàn)誤差大于5%的跑偏時，就會導(dǎo)致輸送帶的邊膠受到磨損，甚至導(dǎo)致輸送帶產(chǎn)生翻邊和撕裂等情況[4]。

輸送帶在運(yùn)行過程中如果其所受張力偏離了其幾何中心線，輸送帶就會受到一個與中心線垂直的分力，從而造成輸送帶跑偏。通常情況下會在輸送帶兩側(cè)安裝防跑偏裝置對輸送帶進(jìn)行保護(hù)和糾偏。該裝置根據(jù)跑偏情況反饋兩個位置：當(dāng)跑偏情況不嚴(yán)重時，立輥被推至第一位置，第一行程開關(guān)被打開，系統(tǒng)發(fā)出報警信號；若跑偏情況嚴(yán)重時，則立輥被推至第二位置，第二行程開關(guān)被打開，系統(tǒng)發(fā)出報警和停機(jī)信號。輸送帶跑偏的位置信號通過模數(shù)裝換成為單片機(jī)可以識別的數(shù)字信號。

2.2 輸送帶打滑監(jiān)測

帶式輸送機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)是通過滾筒與皮帶的摩擦力來傳遞動力，其中載荷的變化、皮帶性能以及張緊力都會對摩擦力產(chǎn)生影響。當(dāng)摩擦力不足以提供載荷時就會導(dǎo)致輸送帶與滾筒之間出現(xiàn)相對滑動，造成輸送帶打滑。

輸送帶打滑包括啟動過程中的打滑以及運(yùn)動時的打滑。帶式輸送機(jī)機(jī)架上安裝了基于測速發(fā)電機(jī)原理的速度傳感器，可以對輸送帶和皮帶進(jìn)行速度監(jiān)測。在輸送機(jī)啟動時對輸送帶速度變化進(jìn)行監(jiān)測，將其變化曲線與標(biāo)定的變化曲線相對比，若曲線偏差超過一定值時，可認(rèn)定輸送帶啟動時發(fā)生打滑。輸送帶正常運(yùn)行時，可將監(jiān)測到的實(shí)際速度和標(biāo)定速度進(jìn)行比較，以判斷是否出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。輸送帶和滾筒的測速發(fā)電機(jī)速度傳感器會分別產(chǎn)生一個電壓信號，該電壓信號與其速度成正比，通過對電壓信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進(jìn)行比較。

2.3 輸送帶側(cè)向撕裂監(jiān)測

采用鋼絲繩芯的輸送帶抗拉強(qiáng)度較高，但是其側(cè)向抗拉強(qiáng)度較低，為輸送帶橡膠層抗拉強(qiáng)度，所以易于出現(xiàn)側(cè)向撕裂情況[5]。通常情況下在裝載點(diǎn)發(fā)生側(cè)向撕裂事故的幾率較大，因?yàn)槲锪显谘b載下落過程中存在較大的動能，物料上的尖銳部位會對輸送帶產(chǎn)生較大的破壞，而如果有雜物卡在此處則會對輸送帶產(chǎn)生持續(xù)的劃傷甚至撕裂。

在帶式輸送機(jī)的裝載點(diǎn)處安裝應(yīng)力傳感器，采用電阻應(yīng)變式傳感器，當(dāng)應(yīng)力發(fā)生變化時可使其中的電阻絲發(fā)生形變而導(dǎo)致電阻發(fā)生變化。通過對電阻兩端的電壓進(jìn)行監(jiān)測可計(jì)算應(yīng)力的變化。當(dāng)應(yīng)力突然增大或持續(xù)時，表明有可能發(fā)生側(cè)向撕裂事故，發(fā)出報警或停機(jī)信號，進(jìn)行檢查。

2.4 信號處理

一般情況下傳感器輸出的信號比較小，難以利用，其信號波形也存在失真的可能而無法利用，因此首先要通過轉(zhuǎn)換電路對傳感器信號進(jìn)行處理，方便利用和存儲。該轉(zhuǎn)化電路可以對傳輸?shù)男盘栠M(jìn)行放大、濾波等處理，然后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可識別的數(shù)字信號，單片機(jī)對數(shù)字信號進(jìn)行分析和判斷，可得出輸送帶的相關(guān)故障信息，并實(shí)時進(jìn)行報警或發(fā)出停機(jī)指令。

3 輸送帶故障顯示智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 故障監(jiān)測系統(tǒng)要求

帶式輸送機(jī)在生產(chǎn)過程中通常需要連續(xù)運(yùn)行，而井下惡劣的生產(chǎn)環(huán)境容易造成輸送帶在運(yùn)行時出現(xiàn)各種故障。為確保輸送機(jī)穩(wěn)定、安全運(yùn)行，就要求其在出現(xiàn)故障之后能及時進(jìn)行報警，使作業(yè)人員可以及時對其進(jìn)行檢修，保證安全運(yùn)行。帶式輸送機(jī)的故障顯示智能控制系統(tǒng)具有運(yùn)輸設(shè)備故障監(jiān)測功能，同時可以進(jìn)行聲光報警以及故障定位等，其保護(hù)內(nèi)容包括跑偏、打滑、撕裂和急停保護(hù)等。

3.2 基于PLC的故障監(jiān)測系統(tǒng)定位原理

定位原理是基于拉繩閉鎖開關(guān)和中繼電源原理。系統(tǒng)將輸送帶的故障信號傳送至PLC模塊，信號通過A/D轉(zhuǎn)換變位數(shù)字信號輸入CPU中進(jìn)行處理。PLC高速計(jì)數(shù)器屬于外部計(jì)數(shù)器，可以為輸入事件信號計(jì)數(shù)，在對輸送帶故障進(jìn)行定位時，需要在輸送機(jī)沿線的閉鎖開關(guān)中串入電阻，使其成為振蕩器的外接部分，通過高速計(jì)數(shù)器監(jiān)測信號頻率的大小可以確定開關(guān)閉合位置。還可以通過編碼器方式對故障開關(guān)進(jìn)行定位，即故障發(fā)生時故障開關(guān)向CPU發(fā)出自身的位置信息編碼，通過位置信息編碼解讀進(jìn)行定位。若多個故障同時出現(xiàn)在同一位置，可以對其編碼進(jìn)行擴(kuò)充，以實(shí)現(xiàn)故障區(qū)分。

3.3 智能保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的要求和故障定位原理，設(shè)計(jì)了可以進(jìn)行故障定位的智能控制系統(tǒng)，采用了主從定位模式，主控單片機(jī)型號為STC89C52RC，利用從機(jī)單片機(jī)采集轉(zhuǎn)換處理后的故障信號，并通過總線與控制器通訊，對故障地址的設(shè)定是通過BCD撥碼開關(guān)設(shè)置的。當(dāng)帶式輸送機(jī)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障時，會在LED顯示器上顯示故障類型和位置，并進(jìn)行報警，根據(jù)不同的故障類型采取不同的措施，來調(diào)整輸送帶的運(yùn)行狀態(tài)。這樣工作人員能夠?qū)崟r發(fā)現(xiàn)故障并對故障類型進(jìn)行判斷，同時識別故障位置，提高了檢修效率，智能控制原理見如圖1。

圖1 智能控制設(shè)計(jì)原理

本系統(tǒng)分為控制模塊和采集模塊兩部分，模塊設(shè)計(jì)圖見下頁圖2。每條輸送帶都有自己相應(yīng)的控制器，其LED顯示模塊可顯示故障類型和故障位置，聲光報警模塊負(fù)責(zé)聲光報警，當(dāng)輸送帶出現(xiàn)嚴(yán)重故障時，控制器發(fā)出停機(jī)命令使輸送帶停止運(yùn)行。采集模塊分散在輸送帶底部或者兩側(cè)的故障開關(guān)中，可以對輸送機(jī)的故障信號進(jìn)行實(shí)時采集和監(jiān)測。采集模塊和故障開關(guān)通過光耦進(jìn)行隔離，以減少干擾。采集器上集成的BCD撥碼開關(guān)可以對故障的位置進(jìn)行設(shè)定，控制器與采集器利用RS-485總線進(jìn)行通訊。只要輸送帶出現(xiàn)故障，其故障類型和位置就會出現(xiàn)在LED顯示屏上。

針對帶式輸送機(jī)的故障顯示控制功能和硬件結(jié)構(gòu)對相應(yīng)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，同樣按照不同模塊分別設(shè)計(jì)，通過主控程序?qū)Ω鱾€控制模塊進(jìn)行控制，程序邏輯清晰、簡單易行。

圖2 智能控制模塊設(shè)計(jì)

4 結(jié)語

通過對輸送帶現(xiàn)場監(jiān)測證實(shí)，當(dāng)輸送帶出現(xiàn)故障時，該系統(tǒng)能夠進(jìn)行報警并顯示故障類型和位置，實(shí)現(xiàn)了對輸送帶的實(shí)時保護(hù)，提高了帶式輸送機(jī)的檢修效率，避免重大事故的發(fā)生。