皮帶運輸機故障檢測系統(tǒng)的設(shè)計

□侯衛(wèi)衛(wèi)

煤炭資源是十分重要的能源，煤礦行業(yè)的安全生產(chǎn)是保證本國能源供應(yīng)的前提。在煤礦生產(chǎn)中，皮帶運輸機是重要的運輸設(shè)備，具有效率高、運輸能力強、穩(wěn)定性好等優(yōu)勢。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，越來越多的現(xiàn)代化信息技術(shù)應(yīng)用于皮帶運輸機中，實現(xiàn)了對皮帶運輸機的智能控制。但在實際運行中，皮帶運輸機故障問題依然對煤礦整體安全產(chǎn)生了極大的影響，如何加強皮帶運輸機故障檢測，及時發(fā)現(xiàn)故障并有效處理是煤礦企業(yè)十分關(guān)注的問題。本文進(jìn)行皮帶運輸機故障檢測系統(tǒng)的設(shè)計能夠為其故障診斷提供一定幫助。

一、皮帶運輸機故障檢測系統(tǒng)設(shè)計思路

皮帶運輸機故障檢測系統(tǒng)總體設(shè)計方案如圖1所示，主從控制器作為檢測系統(tǒng)核心控制單元，主控制器負(fù)責(zé)監(jiān)測皮帶運輸機運行過程中的重要參數(shù)，例如皮帶運輸機運行速度、實時溫度、跑偏參數(shù)、壓力參數(shù)以及皮帶運輸機工作周圍環(huán)境中的甲烷濃度、一氧化碳濃度、煤料料位參數(shù)等。控制器主站在進(jìn)行一系列重要參數(shù)監(jiān)測的同時會將以控制性的形式傳輸給控制單元，對相應(yīng)的機械部件進(jìn)行控制完成相關(guān)動作調(diào)整[1]。例如，當(dāng)主站控制器監(jiān)測到煤料料位傳感器測量值達(dá)到上限后，會立即生成控制信號，命令采煤機停止操作，待料位傳感器測量值下降到正常范圍內(nèi)后再繼續(xù)進(jìn)行采煤操作。

圖1 皮帶運輸機故障檢測系統(tǒng)總體設(shè)計

二、皮帶運輸機故障檢測系統(tǒng)設(shè)計

(一)硬件設(shè)計。在皮帶運輸故障檢測系統(tǒng)中，主要通過主從控制器來實現(xiàn)故障檢測和運行控制的，因此，首先需要做好控制器的數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出以及模擬量輸出的設(shè)計。涉及到的設(shè)備有采煤機、給煤機、皮帶運輸機、機頭牽引電機和機尾牽引電機等。以采煤機、給煤機為例，輸入數(shù)字量信號包括電源信號、運行信號以及故障信號，當(dāng)皮帶運輸機檢測系統(tǒng)檢測到故障問題時能夠進(jìn)行本地控制和遠(yuǎn)程控制，輸出數(shù)字量信號是對采煤機和給煤機設(shè)備下達(dá)開啟和停止的信號。而采煤機和給煤機設(shè)備含模擬量傳感器信號，主要用來檢測溫度、甲烷濃度、一氧化碳濃度、煙霧濃度以及煤料料位等。對于皮帶運輸機來說，其數(shù)字量輸入信號與采煤機、給煤機相同，有電源信號、故障信號等，輸出信號是皮帶運輸機開啟和停止信號。皮帶運輸機的檢測主要有皮帶運行溫度、皮帶運行速度、皮帶跑偏、撕裂等。機頭機尾牽引電機數(shù)字量輸入信號與采煤機給煤機相同，數(shù)字量輸出是機頭機尾牽引電機的正向轉(zhuǎn)動、反向轉(zhuǎn)動和停止信號，主要是檢測其溫度信息。

本文中皮帶運輸機故障檢測系統(tǒng)所用的主從控制器采用西門子S7300系列，并根據(jù)硬件設(shè)計要求對主動控制器輸入、輸出控制點地質(zhì)進(jìn)行了分配。

(二)軟件設(shè)計。

1.PLC控制系統(tǒng)設(shè)計。在工業(yè)控制領(lǐng)域，PLC是常用的控制器，具有穩(wěn)定可靠的優(yōu)勢，但是PLC也存在一些不足之處，例如其數(shù)據(jù)計算能力較弱，管理能力不足，無法為用戶提供良好的界面。因此，在利用PLC控制器進(jìn)行皮帶運輸機故障檢測控制系統(tǒng)設(shè)計時，可以借助計算機，將計算機與PLC有效結(jié)合，從而快速采集數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)同時做好數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)使用。通過通信技術(shù)將PLC與計算機進(jìn)行結(jié)合，本文采用RS232實現(xiàn)來實現(xiàn)，在計算機上編寫好程序代碼后，由計算機向PLC發(fā)出命令請求通信，PLC在接到命令請求后自動返回響應(yīng)。

皮帶運輸機故障檢測系統(tǒng)軟件是利用模塊化編程實現(xiàn)的。系統(tǒng)初始化包括變量清零、內(nèi)存清零以及閘門關(guān)閉，初始化后，按照皮帶運輸機控制系統(tǒng)組成部分，對皮帶機各個狀態(tài)量進(jìn)行循環(huán)檢測，包括采煤機給煤機的檢測、機頭機尾牽引電動機檢測以及皮帶運輸機控制檢測。控制部分對這些模塊完成檢測后，不同模塊之間可以存在控制與被控制關(guān)系，相互鎖定。通過對關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行檢測判斷其是否帶動預(yù)警值，對于達(dá)到預(yù)警值的參數(shù)要判斷是否達(dá)到報警值，如果達(dá)到報警值則需要發(fā)送報警信號并且進(jìn)行停機控制，工作人員發(fā)現(xiàn)后及時進(jìn)行故障排除和處理，待故障排除后再重新啟動。如果相應(yīng)參數(shù)只是達(dá)到了預(yù)警值并未達(dá)到報警值這時只發(fā)送報警信號并不進(jìn)行停機控制，皮帶運輸機可以正常運行，但是工作人員需要及時對安全隱患進(jìn)行排除，保證皮帶運輸機涉及設(shè)備各項數(shù)值在正常范圍內(nèi)[2]。

皮帶運輸機故障報警類型包括皮帶運輸機故障報警、給煤機故障報警、傳感器類故障報警、機頭機尾牽引電動機故障報警以及其他機械類故障報警等。皮帶運輸機故障檢測系統(tǒng)報警流程舉例：當(dāng)皮帶運輸機上的煙霧濃度傳感器檢測到周圍煙霧濃度超出正常值時，會第一時間向PLC邏輯控制器進(jìn)行故障報警，PLC控制器接收到此信號后對信號數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯分析，判斷是否達(dá)到報警值，如果達(dá)到報警值則會啟動報警系統(tǒng)，對外發(fā)出故障報警信號，由工作人員來進(jìn)行處理。其他故障報警流程都是如此，通過故障報警來加強對皮帶運輸機的故障檢測。

2.HMI檢測系統(tǒng)設(shè)計。皮帶運輸機故障檢測系統(tǒng)設(shè)計中的HMI檢測系統(tǒng)所檢測的傳感器主要包括煤料參數(shù)檢測、皮帶運輸機本體參數(shù)檢測以及皮帶運輸機運行環(huán)境參數(shù)檢測三部分。其中，煤料參數(shù)檢測有料位高度、料位位移兩方面；皮帶運輸機本體參數(shù)檢測有皮帶運輸機運行溫度、跑偏、撕裂、速度以及拉繩等幾方面；運行環(huán)境參數(shù)的檢測有運行溫度檢測、甲烷濃度檢測、一氧化碳濃度檢測、煙霧濃度檢測以及料位高度檢測[3]。在對這些參數(shù)進(jìn)行檢測時，會有相應(yīng)的時間顯示，同時所有的檢測信號都受皮帶運輸機邏輯控制。

三、皮帶運輸機故障檢測系統(tǒng)功能

皮帶運輸機常見故障有皮帶打滑、過載、斷帶、劃傷等，通過皮帶運輸機故障檢測系統(tǒng)能夠?qū)ζн\行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控，對皮帶運輸機故障檢測系統(tǒng)轉(zhuǎn)化電信號進(jìn)行閾值設(shè)置，一旦皮帶運輸機運行過程中某一參數(shù)超出預(yù)定閾值就會發(fā)出報警信號。例如，皮帶打滑故障報警。皮帶運輸機出現(xiàn)打滑故障是因為皮帶與滾筒之間張力過大，超出皮帶兩端張力極限，導(dǎo)致皮帶運輸機轉(zhuǎn)矩下降。一旦皮帶運輸機電機輸出功率出現(xiàn)明顯下降，低于正常運轉(zhuǎn)值的一半時，則會觸發(fā)報警系統(tǒng)，同時發(fā)出控制指令，皮帶運輸機立即停止運行，技術(shù)人員接到報警信號后進(jìn)行故障排查，根據(jù)報警故障類型采取相關(guān)維修措施，待維修工作結(jié)束后，確保皮帶運輸機處于正常狀態(tài)情況下重新啟動。此外，皮帶撕裂也是皮帶運輸機常見故障，引起原因是因為皮帶承受了過量負(fù)載，超出了其承受范圍，托滾正壓力增大導(dǎo)致皮帶摩擦阻力增加，皮帶牽引力小于皮帶與煤炭之間的摩擦阻力，待機輸出轉(zhuǎn)矩增大，當(dāng)電機輸出功率超出正常運行數(shù)值的130%時，皮帶運輸故障檢測系統(tǒng)發(fā)出報警信號，當(dāng)超過150%時，再發(fā)出報警信號的同時故障檢測系統(tǒng)會發(fā)出關(guān)閉電壓的命令，皮帶運輸系統(tǒng)停止運行。

四、皮帶運輸機故障信息維護(hù)

皮帶運輸機故障檢測系統(tǒng)可以對皮帶運輸機進(jìn)行實時監(jiān)測，一旦發(fā)生任何故障問題能夠?qū)崟r顯示，并進(jìn)行故障報警。故障顯示包括故障時間、故障狀態(tài)、故障編號等，技術(shù)人員在受到故障報警后第一時間通過HMI檢測系統(tǒng)了解故障類型，并采取有效措施進(jìn)行解決。

在實際的皮帶運輸機運行過程中，故障類型十分多樣化，在一般情況下，絕大部分故障都十分常見，維修技術(shù)人員能夠輕松進(jìn)行判斷并很快完成維修工作。但是在極少數(shù)情況下也會發(fā)生比較棘手的故障問題，由于皮帶運輸機長時間持續(xù)運行，會對皮帶產(chǎn)生比較嚴(yán)重的磨損等問題，隨著皮帶的老化或者其他設(shè)備的磨損可能出現(xiàn)新的問題。如果維修技術(shù)人員個人無法根據(jù)經(jīng)驗或者查詢進(jìn)行故障排除，則需要求助設(shè)計人員共同解決。通過對皮帶運輸機故障檢測系統(tǒng)設(shè)計，皮帶運輸機遇到故障問題后，技術(shù)人員能夠根據(jù)HMI檢測系統(tǒng)提示進(jìn)行有效解決，極大提升了皮帶運輸機故障解決效率，降低了煤礦安全事故的發(fā)生概率，極大提高了煤礦生產(chǎn)的安全穩(wěn)定性。

五、結(jié)語

綜上所述，本文通過對皮帶運輸機常見故障進(jìn)行分析，結(jié)合其常見故障進(jìn)行皮帶運輸機檢測系統(tǒng)的設(shè)計，通過在某煤礦進(jìn)行實地試驗，該煤礦皮帶運輸機故障率有了顯著下降。皮帶運輸機故障檢測系統(tǒng)的應(yīng)用對于皮帶運輸機故障率的降低有重要的作用，這對于煤礦企業(yè)進(jìn)行安全生產(chǎn)、連續(xù)生產(chǎn)有積極的促進(jìn)作用，具有顯著的經(jīng)濟價值。與此同時，該檢測系統(tǒng)的應(yīng)用還有助于煤礦精細(xì)運輸系統(tǒng)更加信息化、智能化，促進(jìn)我國煤礦行業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展。