宋康康

（晉煤集團(tuán)大峪煤業(yè)有限公司， 山西 長(zhǎng)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(gè)帶式輸送機(jī)的一半。由于目前國(guó)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(zhǎng)期服役，在運(yùn)行中輸送帶易出現(xiàn)跑偏、打滑及撕裂等問(wèn)題，嚴(yán)重影響了礦井安全生產(chǎn)，并造成損失。特別是針對(duì)運(yùn)距長(zhǎng)或由多級(jí)輸送帶組合而成的運(yùn)輸系統(tǒng)，一旦出現(xiàn)問(wèn)題，故障排查較為困難，難以及時(shí)進(jìn)行修復(fù)。所以，運(yùn)輸系統(tǒng)故障及時(shí)、準(zhǔn)確的定位，可減少維護(hù)時(shí)間，對(duì)運(yùn)輸效率的提高具有較大意義。目前主要通過(guò)加強(qiáng)檢修對(duì)輸送帶進(jìn)行保護(hù)，不能做到實(shí)時(shí)監(jiān)控，如果能在運(yùn)輸系統(tǒng)發(fā)生隱患的初期對(duì)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(wèn)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(duì)礦井高效生產(chǎn)意義重大[1-3]。通過(guò)大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐分析，目前輸送帶故障顯示系統(tǒng)主要有以下問(wèn)題：

1）目前采用的故障保護(hù)器大多采用節(jié)點(diǎn)輸出，沒(méi)有位置識(shí)別功能，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，故障節(jié)點(diǎn)無(wú)法分辨，難以及時(shí)修復(fù)。針對(duì)電動(dòng)機(jī)、減速器和液壓耦合器等裝備的故障監(jiān)測(cè)采用了多種方法，但是這些設(shè)備的監(jiān)測(cè)信息由于傳輸距離遠(yuǎn)等問(wèn)題，通常會(huì)出現(xiàn)一定電壓波動(dòng)。

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(duì)帶式輸送機(jī)進(jìn)行了多種方法的故障監(jiān)測(cè)，但這些監(jiān)測(cè)方法通常是獨(dú)立的，沒(méi)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(bào)率。監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)故障后會(huì)停止帶式輸送機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，若頻繁發(fā)生誤報(bào)，造成非正常停機(jī)，會(huì)影響運(yùn)輸系統(tǒng)效率，同時(shí)使工作人員麻痹大意，產(chǎn)生誤判，忽略真正的隱患信號(hào)，從而發(fā)生故障。

4）有些國(guó)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(cè)和信號(hào)處理

遠(yuǎn)距離的運(yùn)輸系統(tǒng)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)的故障點(diǎn)較多，且監(jiān)測(cè)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(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。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(duì)象為鋼絲繩芯帶式輸送機(jī)。

2.1 輸送帶跑偏監(jiān)測(cè)

帶式輸送機(jī)輸送帶跑偏是煤炭運(yùn)輸常見(jiàn)故障，使煤炭在運(yùn)輸過(guò)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(shí)，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(wèn)題，易造成中心線相互偏離，產(chǎn)生跑偏故障。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(shí)，就會(huì)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(guò)程中如果其所受張力偏離了其幾何中心線，輸送帶就會(huì)受到一個(gè)與中心線垂直的分力，從而造成輸送帶跑偏。通常情況下會(huì)在輸送帶兩側(cè)安裝防跑偏裝置對(duì)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(gè)位置：當(dāng)跑偏情況不嚴(yán)重時(shí)，立輥被推至第一位置，第一行程開(kāi)關(guān)被打開(kāi)，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)；若跑偏情況嚴(yán)重時(shí)，則立輥被推至第二位置，第二行程開(kāi)關(guān)被打開(kāi)，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警和停機(jī)信號(hào)。輸送帶跑偏的位置信號(hào)通過(guò)模數(shù)裝換成為單片機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。

2.2 輸送帶打滑監(jiān)測(cè)

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

輸送帶打滑包括啟動(dòng)過(guò)程中的打滑以及運(yùn)動(dòng)時(shí)的打滑。帶式輸送機(jī)機(jī)架上安裝了基于測(cè)速發(fā)電機(jī)原理的速度傳感器，可以對(duì)輸送帶和皮帶進(jìn)行速度監(jiān)測(cè)。在輸送機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)輸送帶速度變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將其變化曲線與標(biāo)定的變化曲線相對(duì)比，若曲線偏差超過(guò)一定值時(shí)，可認(rèn)定輸送帶啟動(dòng)時(shí)發(fā)生打滑。輸送帶正常運(yùn)行時(shí)，可將監(jiān)測(cè)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(cè)速發(fā)電機(jī)速度傳感器會(huì)分別產(chǎn)生一個(gè)電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)與其速度成正比，通過(guò)對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行比較。

2.3 輸送帶側(cè)向撕裂監(jiān)測(cè)

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(guò)程中存在較大的動(dòng)能，物料上的尖銳部位會(huì)對(duì)輸送帶產(chǎn)生較大的破壞，而如果有雜物卡在此處則會(huì)對(duì)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(shí)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(guò)對(duì)電阻兩端的電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)可計(jì)算應(yīng)力的變化。當(dāng)應(yīng)力突然增大或持續(xù)時(shí)，表明有可能發(fā)生側(cè)向撕裂事故，發(fā)出報(bào)警或停機(jī)信號(hào)，進(jìn)行檢查。

2.4 信號(hào)處理

一般情況下傳感器輸出的信號(hào)比較小，難以利用，其信號(hào)波形也存在失真的可能而無(wú)法利用，因此首先要通過(guò)轉(zhuǎn)換電路對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行處理，方便利用和存儲(chǔ)。該轉(zhuǎn)化電路可以對(duì)傳輸?shù)男盘?hào)進(jìn)行放大、濾波等處理，然后通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，單片機(jī)對(duì)數(shù)字信號(hào)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(shí)進(jìn)行報(bào)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(cè)系統(tǒng)要求

帶式輸送機(jī)在生產(chǎn)過(guò)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(shí)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(shí)進(jìn)行報(bào)警，使作業(yè)人員可以及時(shí)對(duì)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(cè)功能，同時(shí)可以進(jìn)行聲光報(bào)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(cè)系統(tǒng)定位原理

定位原理是基于拉繩閉鎖開(kāi)關(guān)和中繼電源原理。系統(tǒng)將輸送帶的故障信號(hào)傳送至PLC模塊，信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換變位數(shù)字信號(hào)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(hào)計(jì)數(shù)，在對(duì)輸送帶故障進(jìn)行定位時(shí)，需要在輸送機(jī)沿線的閉鎖開(kāi)關(guān)中串入電阻，使其成為振蕩器的外接部分，通過(guò)高速計(jì)數(shù)器監(jiān)測(cè)信號(hào)頻率的大小可以確定開(kāi)關(guān)閉合位置。還可以通過(guò)編碼器方式對(duì)故障開(kāi)關(guān)進(jìn)行定位，即故障發(fā)生時(shí)故障開(kāi)關(guān)向CPU發(fā)出自身的位置信息編碼，通過(guò)位置信息編碼解讀進(jìn)行定位。若多個(gè)故障同時(shí)出現(xiàn)在同一位置，可以對(duì)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(cè)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(hào)為STC89C52RC，利用從機(jī)單片機(jī)采集轉(zhuǎn)換處理后的故障信號(hào)，并通過(guò)總線與控制器通訊，對(duì)故障地址的設(shè)定是通過(guò)BCD撥碼開(kāi)關(guān)設(shè)置的。當(dāng)帶式輸送機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)故障時(shí)，會(huì)在LED顯示器上顯示故障類型和位置，并進(jìn)行報(bào)警，根據(jù)不同的故障類型采取不同的措施，來(lái)調(diào)整輸送帶的運(yùn)行狀態(tài)。這樣工作人員能夠?qū)崟r(shí)發(fā)現(xiàn)故障并對(duì)故障類型進(jìn)行判斷，同時(shí)識(shí)別故障位置，提高了檢修效率，智能控制原理見(jiàn)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(jiàn)下頁(yè)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(bào)警模塊負(fù)責(zé)聲光報(bào)警，當(dāng)輸送帶出現(xiàn)嚴(yán)重故障時(shí)，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(kāi)關(guān)中，可以對(duì)輸送機(jī)的故障信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和監(jiān)測(cè)。采集模塊和故障開(kāi)關(guān)通過(guò)光耦進(jìn)行隔離，以減少干擾。采集器上集成的BCD撥碼開(kāi)關(guān)可以對(duì)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(huì)出現(xiàn)在LED顯示屏上。

針對(duì)帶式輸送機(jī)的故障顯示控制功能和硬件結(jié)構(gòu)對(duì)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(guò)主控程序?qū)Ω鱾€(gè)控制模塊進(jìn)行控制，程序邏輯清晰、簡(jiǎn)單易行。

圖2 智能控制模塊設(shè)計(jì)

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)輸送帶現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)證實(shí)，當(dāng)輸送帶出現(xiàn)故障時(shí)，該系統(tǒng)能夠進(jìn)行報(bào)警并顯示故障類型和位置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸送帶的實(shí)時(shí)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。