礦用帶式輸送機(jī)皮帶斷帶控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

董 文

（山西焦煤霍州譚坪煤電有限責(zé)任公司，山西臨汾 031400）

0 引言

帶式輸送機(jī)是煤礦中的重要設(shè)備，主要負(fù)責(zé)煤礦的運(yùn)輸作業(yè)，保證其具有較好的整機(jī)性能，對提高煤礦的輸送效率具有重要作用。皮帶作為帶式輸送機(jī)上的重要部件，在其工作中，經(jīng)常因煤礦輸送量超載、煤石的刮傷、自身結(jié)構(gòu)的運(yùn)行疲勞等因素而發(fā)生較大的異常振動(dòng)或皮帶斷裂等故障，影響著帶式輸送機(jī)的輸送效率和作業(yè)安全[1-4]。因此，有必要對皮帶的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，建立一套控制系統(tǒng)。本文結(jié)合工程實(shí)際，分析了帶式輸送機(jī)皮帶失效捕捉器的結(jié)構(gòu)組成，針對帶式輸送機(jī)皮帶的故障失效問題，從硬件系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)等方面，開展了捕捉器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究，設(shè)計(jì)了一套響應(yīng)速度快、控制精度高、運(yùn)行穩(wěn)定可靠的捕捉器控制系統(tǒng)，并將其在長城煤礦進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用測試。結(jié)果表明，該系統(tǒng)功能運(yùn)行正常，具有一定的可行性。該研究對提高帶式輸送機(jī)的工作效率及作業(yè)安全性具有重要意義。

1 捕捉器結(jié)構(gòu)組成

目前，市場上的帶式輸送機(jī)種類較多，但其結(jié)構(gòu)基本都由皮帶、機(jī)架、主動(dòng)滾筒、尾架、清掃裝置、電動(dòng)機(jī)等部件組成，其中，輸送機(jī)中的皮帶起到了承載運(yùn)輸物體及對物體進(jìn)行牽引移動(dòng)作用，具有較好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及彈性，但在運(yùn)行過程中，也是最容易發(fā)生故障的部件[5-6]。因此，在帶式輸送機(jī)上安裝了一套捕捉器控制系統(tǒng)。捕捉器是控制系統(tǒng)的硬件部分，其結(jié)構(gòu)主要包括支撐臂、液壓缸、上/下閘塊、支柱、托輥等部件，具體結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。皮帶正常工作過程中，該裝置的上下閘塊不與皮帶進(jìn)行接觸，距離約10 mm；當(dāng)皮帶發(fā)生較大的異常振動(dòng)或斷帶時(shí)，捕捉器上的控制系統(tǒng)對皮帶的故障進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，向捕捉器上的活塞桿發(fā)出執(zhí)行命令，推動(dòng)上下閘塊向皮帶進(jìn)行壓緊操作。通過電氣控制和機(jī)械控制兩種方式，實(shí)現(xiàn)對斷裂皮帶的下滑控制，有效避免了因皮帶斷帶而造成的相關(guān)事故[7-8]。

圖1 捕捉器結(jié)構(gòu)組成簡圖

2 控制系統(tǒng)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

帶式輸送機(jī)捕捉器控制系統(tǒng)主要由傳感器、采集卡、CPU控制中心、軟件開發(fā)平臺(tái)及顯示界面等部分組成，下面就該系統(tǒng)中主要部分進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。

2.1 數(shù)據(jù)采集卡的匹配設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集卡是控制系統(tǒng)中重要的部件，主要負(fù)責(zé)對捕捉器上速度傳感器檢測的數(shù)據(jù)信號進(jìn)行檢測，并傳輸至上機(jī)位控制中心進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和處理。目前，數(shù)據(jù)采集卡中大多采用了USB高速數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行信號采集，能將簡單的數(shù)據(jù)記錄到OEM系統(tǒng)中，是較為理想、快捷的數(shù)據(jù)采集方式。因此，結(jié)合控制系統(tǒng)的輸入特點(diǎn)，選用了USB2828數(shù)據(jù)采集卡，其部件的主要性能參數(shù)如表1所示。該采集卡具有采集精度高、數(shù)據(jù)傳輸速度快、操作方便等特點(diǎn)，能與多種數(shù)據(jù)接口進(jìn)行快捷連接，在控制系統(tǒng)領(lǐng)域應(yīng)用得較為廣泛，其實(shí)物圖如圖2所示。

表1 USB2828數(shù)據(jù)采集卡主要性能參數(shù)

圖2 USB2828采集卡實(shí)物圖

2.2 速度傳感器的匹配設(shè)計(jì)

由于該捕捉器控制系統(tǒng)主要對帶式輸送機(jī)中皮帶的運(yùn)行速度進(jìn)行診斷檢測，因此，需在系統(tǒng)中匹配一個(gè)速度傳感器設(shè)備。根據(jù)市場調(diào)研，選用了GSH型速度傳感器。該傳感器主要由速度控制器、測速輪、信號傳輸線及外殼等組成，主要安裝在帶式輸送機(jī)機(jī)架上的10個(gè)位置，將測速輪與皮帶進(jìn)行接觸，以此來對皮帶上10個(gè)位置的運(yùn)行速度進(jìn)行檢測。整套設(shè)備具有較好的防爆性和較高的防護(hù)等級，屬于本質(zhì)安全型，廣泛應(yīng)用于在煤礦其他設(shè)備上。該傳感器的主要性能參數(shù)如表2所示。

表2 GSH型速度傳感器主要性能參數(shù)

3 控制軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制原理

帶式輸送機(jī)捕捉器控制系統(tǒng)的基本原理為：在捕捉器上安裝多個(gè)速度傳感器，用于對皮帶上多個(gè)點(diǎn)的速度檢測，通過CAN通訊，將采集的速度信號傳輸至CPU控制中心，在控制中心內(nèi)部將檢測的信號信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換后，并與設(shè)置的信號值進(jìn)行對比，當(dāng)實(shí)際信息值大于系統(tǒng)設(shè)置值時(shí)，控制系統(tǒng)則將發(fā)出兩路執(zhí)行命令，一路為直接對輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行斷電控制，另一路則對帶式輸送機(jī)中液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制；同時(shí)，控制中心還會(huì)將判斷信號傳輸至主控界面，將皮帶的運(yùn)行數(shù)據(jù)在顯示界面中進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警提示，由此完成對皮帶運(yùn)行狀況的捕捉監(jiān)控。

3.2 控制軟件的基本設(shè)計(jì)

捕捉器控制軟件作為控制系統(tǒng)的重要部分，其系統(tǒng)主要由用戶界面部分（面板、菜單、圖表等）、數(shù)據(jù)采集部分（數(shù)據(jù)采集卡、驅(qū)動(dòng)程序等）、數(shù)據(jù)分析部分（信號轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、曲線擬合等），其結(jié)構(gòu)框架如圖3所示。在該軟件系統(tǒng)中，軟件開發(fā)平臺(tái)選擇了LavWindows/CVI平臺(tái)，通過該軟件開發(fā)平臺(tái)，可將源代碼文件、頭文件等文件進(jìn)行合成調(diào)試，最終生成控制系統(tǒng)能識(shí)別的執(zhí)行文件；同時(shí)，該開發(fā)平臺(tái)采用了回調(diào)函數(shù)與驅(qū)動(dòng)函數(shù)相結(jié)合的方式進(jìn)行編輯，具有簡單易學(xué)的特點(diǎn)。

圖3 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成框架圖

3.3 控制界面設(shè)計(jì)

采用組態(tài)軟件，對捕捉器控制系統(tǒng)的上機(jī)位控制界面設(shè)計(jì)了設(shè)計(jì)。該界面能對控制系統(tǒng)的供電電壓、系統(tǒng)壓力、滾筒轉(zhuǎn)速、捕捉器運(yùn)行狀況等內(nèi)容進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并能對皮帶上多個(gè)點(diǎn)的運(yùn)行速度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測。當(dāng)控制系統(tǒng)檢測到皮帶出現(xiàn)斷裂或運(yùn)行異?，F(xiàn)象時(shí)，指示燈則將由綠色變?yōu)榧t色并進(jìn)行閃爍，發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警提示，以此來方便操作人員對皮帶的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)把控，以便快速采取相關(guān)處理措施，捕捉器控制系統(tǒng)的控制界面如圖4所示。

圖4 捕捉器測控系統(tǒng)控制界面圖

4 控制系統(tǒng)應(yīng)用效果分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證所建立的捕捉器控制系統(tǒng)各項(xiàng)功能特點(diǎn)，將其在長城煤礦進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用測試。在系統(tǒng)測試過程中，該控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，能將帶式輸送機(jī)皮帶的運(yùn)行速度在顯示界面上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，顯示燈一致顯示為綠色；同時(shí)，為進(jìn)一步驗(yàn)證該控制系統(tǒng)針對皮帶斷帶故障的控制性能，通過對皮帶運(yùn)行速度進(jìn)行控制，模擬其發(fā)生較大的異常振動(dòng)故障，此時(shí)，該控制系統(tǒng)顯示界面中的顯示燈顯示為紅色，且顯示的各點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度不斷發(fā)生跳動(dòng)變化，2 s后，帶式輸送機(jī)電機(jī)出現(xiàn)了停止轉(zhuǎn)動(dòng)現(xiàn)象，且捕捉器上的上下閘塊對皮帶進(jìn)行了快速壓緊操作，實(shí)現(xiàn)了對皮帶運(yùn)行下滑控制。由此，驗(yàn)證了該控制系統(tǒng)具有一定的可行性，有必要將其在帶式輸送機(jī)皮帶故障檢測中進(jìn)行推廣和應(yīng)用，以提高帶式輸送機(jī)的工作安全性，實(shí)現(xiàn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益最大化。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合工程實(shí)際，分析了帶式輸送機(jī)皮帶失效捕捉器的結(jié)構(gòu)組成，針對帶式輸送機(jī)皮帶的故障失效問題，從硬件系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)等方面，開展了捕捉器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究，設(shè)計(jì)了一套響應(yīng)速度快、控制精度高、運(yùn)行穩(wěn)定可靠的捕捉器控制系統(tǒng)，并將其在長城煤礦進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用測試，結(jié)果表明，該系統(tǒng)功能運(yùn)行正常，為皮帶發(fā)生異常振動(dòng)或斷帶故障時(shí)，能快速發(fā)出切斷帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)電源及捕捉器活塞桿的控制命令，有效避免了因皮帶斷帶而造成的相關(guān)事故的發(fā)生，防止皮帶發(fā)生下滑現(xiàn)象，具有較好的可行性。該研究對提高帶式輸送機(jī)的工作效率及作業(yè)安全性具有重要意義，可進(jìn)行進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。