帶式輸送機輸送帶故障智能監測保護系統的設計

宋康康

（晉煤集團大峪煤業有限公司， 山西 長治 046000）

引言

輸送帶是帶式輸送機的關鍵部件之一，其成本接近整個帶式輸送機的一半。由于目前國內礦井很多工作條件復雜惡劣，且帶式輸送機負荷較大長期服役，在運行中輸送帶易出現跑偏、打滑及撕裂等問題，嚴重影響了礦井安全生產，并造成損失。特別是針對運距長或由多級輸送帶組合而成的運輸系統，一旦出現問題，故障排查較為困難，難以及時進行修復。所以，運輸系統故障及時、準確的定位，可減少維護時間，對運輸效率的提高具有較大意義。目前主要通過加強檢修對輸送帶進行保護，不能做到實時監控，如果能在運輸系統發生隱患的初期對其進行控制，提前預警，則可以提高運輸效率。

1 輸送帶故障顯示系統研究現狀及存在問題

很多高產高效礦井的帶式輸送機是礦井唯一的原煤運輸工具，所以其運行狀態對礦井高效生產意義重大[1-3]。通過大量的現場實踐分析，目前輸送帶故障顯示系統主要有以下問題：

1）目前采用的故障保護器大多采用節點輸出，沒有位置識別功能，當出現故障時，故障節點無法分辨，難以及時修復。針對電動機、減速器和液壓耦合器等裝備的故障監測采用了多種方法，但是這些設備的監測信息由于傳輸距離遠等問題，通常會出現一定電壓波動。

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

3）目前的故障監控系統存在較高的誤報率。監控系統發現故障后會停止帶式輸送機的運轉，若頻繁發生誤報，造成非正常停機，會影響運輸系統效率，同時使工作人員麻痹大意，產生誤判，忽略真正的隱患信號，從而發生故障。

4）有些國外先進的監控系統應用效果較好，但是成本較高，且后期維護費用不菲，難以大規模推廣。

2 輸送帶故障監測和信號處理

遠距離的運輸系統監測，監測的故障點較多，且監測范圍廣，要求精度高，工作量較大，所以要利用更加先進、更加穩定的方法和設備來進行監測。由于鋼絲繩芯輸送帶的優越性能，被廣泛應用于大運程、高速度的物料運輸，因此本次主要研究對象為鋼絲繩芯帶式輸送機。

2.1 輸送帶跑偏監測

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

輸送帶正常運行時，其與皮帶架的中心線要重合，但是因為設備安裝和使用問題，易造成中心線相互偏離，產生跑偏故障。根據現場使用情況分析，當兩條中心線平面上出現誤差大于5%的跑偏時，就會導致輸送帶的邊膠受到磨損，甚至導致輸送帶產生翻邊和撕裂等情況[4]。

輸送帶在運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安裝防跑偏裝置對輸送帶進行保護和糾偏。該裝置根據跑偏情況反饋兩個位置：當跑偏情況不嚴重時，立輥被推至第一位置，第一行程開關被打開，系統發出報警信號；若跑偏情況嚴重時，則立輥被推至第二位置，第二行程開關被打開，系統發出報警和停機信號。輸送帶跑偏的位置信號通過模數裝換成為單片機可以識別的數字信號。

2.2 輸送帶打滑監測

帶式輸送機的運轉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生影響。當摩擦力不足以提供載荷時就會導致輸送帶與滾筒之間出現相對滑動，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動時的打滑。帶式輸送機機架上安裝了基于測速發電機原理的速度傳感器，可以對輸送帶和皮帶進行速度監測。在輸送機啟動時對輸送帶速度變化進行監測，將其變化曲線與標定的變化曲線相對比，若曲線偏差超過一定值時，可認定輸送帶啟動時發生打滑。輸送帶正常運行時，可將監測到的實際速度和標定速度進行比較，以判斷是否出現打滑現象。輸送帶和滾筒的測速發電機速度傳感器會分別產生一個電壓信號，該電壓信號與其速度成正比，通過對電壓信號進行A/D轉換，轉換為數字信號進行比較。

2.3 輸送帶側向撕裂監測

采用鋼絲繩芯的輸送帶抗拉強度較高，但是其側向抗拉強度較低，為輸送帶橡膠層抗拉強度，所以易于出現側向撕裂情況[5]。通常情況下在裝載點發生側向撕裂事故的幾率較大，因為物料在裝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生較大的破壞，而如果有雜物卡在此處則會對輸送帶產生持續的劃傷甚至撕裂。

在帶式輸送機的裝載點處安裝應力傳感器，采用電阻應變式傳感器，當應力發生變化時可使其中的電阻絲發生形變而導致電阻發生變化。通過對電阻兩端的電壓進行監測可計算應力的變化。當應力突然增大或持續時，表明有可能發生側向撕裂事故，發出報警或停機信號，進行檢查。

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，因此首先要通過轉換電路對傳感器信號進行處理，方便利用和存儲。該轉化電路可以對傳輸的信號進行放大、濾波等處理，然后通過模數轉換為單片機可識別的數字信號，單片機對數字信號進行分析和判斷，可得出輸送帶的相關故障信息，并實時進行報警或發出停機指令。

3 輸送帶故障顯示智能控制系統的設計

3.1 故障監測系統要求

帶式輸送機在生產過程中通常需要連續運行，而井下惡劣的生產環境容易造成輸送帶在運行時出現各種故障。為確保輸送機穩定、安全運行，就要求其在出現故障之后能及時進行報警，使作業人員可以及時對其進行檢修，保證安全運行。帶式輸送機的故障顯示智能控制系統具有運輸設備故障監測功能，同時可以進行聲光報警以及故障定位等，其保護內容包括跑偏、打滑、撕裂和急停保護等。

3.2 基于PLC的故障監測系統定位原理

定位原理是基于拉繩閉鎖開關和中繼電源原理。系統將輸送帶的故障信號傳送至PLC模塊，信號通過A/D轉換變位數字信號輸入CPU中進行處理。PLC高速計數器屬于外部計數器，可以為輸入事件信號計數，在對輸送帶故障進行定位時，需要在輸送機沿線的閉鎖開關中串入電阻，使其成為振蕩器的外接部分，通過高速計數器監測信號頻率的大小可以確定開關閉合位置。還可以通過編碼器方式對故障開關進行定位，即故障發生時故障開關向CPU發出自身的位置信息編碼，通過位置信息編碼解讀進行定位。若多個故障同時出現在同一位置，可以對其編碼進行擴充，以實現故障區分。

3.3 智能保護系統的設計

根據監測系統的要求和故障定位原理，設計了可以進行故障定位的智能控制系統，采用了主從定位模式，主控單片機型號為STC89C52RC，利用從機單片機采集轉換處理后的故障信號，并通過總線與控制器通訊，對故障地址的設定是通過BCD撥碼開關設置的。當帶式輸送機在運行過程中出現故障時，會在LED顯示器上顯示故障類型和位置，并進行報警，根據不同的故障類型采取不同的措施，來調整輸送帶的運行狀態。這樣工作人員能夠實時發現故障并對故障類型進行判斷，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 智能控制設計原理

本系統分為控制模塊和采集模塊兩部分，模塊設計圖見下頁圖2。每條輸送帶都有自己相應的控制器，其LED顯示模塊可顯示故障類型和故障位置，聲光報警模塊負責聲光報警，當輸送帶出現嚴重故障時，控制器發出停機命令使輸送帶停止運行。采集模塊分散在輸送帶底部或者兩側的故障開關中，可以對輸送機的故障信號進行實時采集和監測。采集模塊和故障開關通過光耦進行隔離，以減少干擾。采集器上集成的BCD撥碼開關可以對故障的位置進行設定，控制器與采集器利用RS-485總線進行通訊。只要輸送帶出現故障，其故障類型和位置就會出現在LED顯示屏上。

針對帶式輸送機的故障顯示控制功能和硬件結構對相應軟件進行設計，同樣按照不同模塊分別設計，通過主控程序對各個控制模塊進行控制，程序邏輯清晰、簡單易行。

圖2 智能控制模塊設計

4 結語

通過對輸送帶現場監測證實，當輸送帶出現故障時，該系統能夠進行報警并顯示故障類型和位置，實現了對輸送帶的實時保護，提高了帶式輸送機的檢修效率，避免重大事故的發生。