皮帶輸送機綜合保護系統(tǒng)研究

李 博

（華陽集團二礦機電工區(qū)，山西 陽泉 045008）

引言

皮帶輸送機主要承擔煤礦生產(chǎn)中煤炭、矸石的運輸任務(wù)，其運行安全性和可靠性決定工作面的運輸效率，進而影響煤礦的生產(chǎn)能力。隨著皮帶輸送機朝著大運量、長距離以及高運速的方向發(fā)展，鋼絲繩皮帶輸送機的應(yīng)用越來越廣泛。但是皮帶輸送機在實際運行中在啟停階段、運行階段均存在安全隱患，故需對其各個階段進行綜合保護，尤其是對運行階段重點保護[1]。因此，著重對皮帶輸送機的綜合保護系統(tǒng)進行研究。

1 綜合保護系統(tǒng)硬件設(shè)計

本文所研究皮帶輸送機為鋼絲繩皮帶，其主要參數(shù)如表1所示：

表1 鋼絲繩皮帶輸送機主要參數(shù)

為保證皮帶輸送機綜合保護系統(tǒng)能夠?qū)υO(shè)備可能故障進行全面監(jiān)測，為其配置多種監(jiān)測傳感器和控制模塊。根據(jù)綜合保護系統(tǒng)針對不同的保護類型，將綜合保護系統(tǒng)分為變頻控制系統(tǒng)、監(jiān)測控制系統(tǒng)以及弱磁在線檢測系統(tǒng)。其中，變頻控制系統(tǒng)主要對皮帶輸送機在啟動和停機過程中的故障進行監(jiān)測控制，保證設(shè)備可平穩(wěn)啟動或停機；監(jiān)測控制系統(tǒng)主要對設(shè)備運行階段的跑偏、溫度超限、打滑以及撕裂等故障進行監(jiān)測，即對設(shè)備動態(tài)特性的監(jiān)測；弱磁在線檢測系統(tǒng)主要對輸送帶的斷帶、腐蝕以及腐蝕位移進行監(jiān)測[2]。

電機變頻控制系統(tǒng)的搭建：采用交流接觸器和變頻器對皮帶輸送機電機的啟動和停止進行控制。其中，系統(tǒng)主要采用空氣開關(guān)對啟停階段的過載或短路現(xiàn)象進行保護。

皮帶輸送機監(jiān)控系統(tǒng)是基于多種類型的傳感器、信號處理分系統(tǒng)、控制分系統(tǒng)和上位機顯示系統(tǒng)組成。本文所設(shè)計皮帶輸送機綜合保護的監(jiān)控系統(tǒng)分為兩個模塊。其中，模塊一主要對設(shè)備跑偏、打滑、撕裂、堆煤、煙霧等故障進行監(jiān)測，并實時發(fā)出報警；模塊二主要對輸送機皮帶的斷帶事故進行保護，設(shè)備發(fā)生斷帶事故后能夠及時控制抓捕電路啟動抓捕器，實現(xiàn)對斷裂輸送帶的抓捕任務(wù)[3]。

弱磁檢測系統(tǒng)主要是對鋼絲繩皮帶內(nèi)外的斷絲、腐蝕、磨損以及變形等現(xiàn)象進行檢測。系統(tǒng)基于磁加載模塊和磁檢測模塊對鋼絲繩的剩磁進行檢測，從而判斷出鋼絲繩皮帶是否存在內(nèi)外部斷絲、腐蝕、磨損等問題的出現(xiàn)。弱磁檢測系統(tǒng)組成如圖1所示：

圖1 弱磁檢測系統(tǒng)組成示意圖

如圖1所示，鋼絲繩上下兩個磁加載模塊對皮帶中的鐵磁性材料進行磁化處理后，通過磁檢測模塊中的漏磁放大器對皮帶鐵磁性材料中剩磁進行檢測，從而得出準確鋼絲繩皮帶存在的問題，甚至還能夠檢測出鋼絲繩焊點的損傷程度和具體損傷位置。

2 綜合保護系統(tǒng)軟件設(shè)計

為確保皮帶輸送機綜合保護系統(tǒng)具體保護功能的實現(xiàn)，將其對應(yīng)的控制軟件分為皮帶輸送機監(jiān)控系統(tǒng)的軟件和弱磁安全檢測系統(tǒng)的軟件。將皮帶輸送機綜合保護系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)分為三個層次，分別為應(yīng)用層、協(xié)議層以及硬件層。其中，應(yīng)用層主要實現(xiàn)綜合保護系統(tǒng)的人機交互界面、監(jiān)測和控制指令的發(fā)送、數(shù)據(jù)接收及顯示等功能；協(xié)議層根據(jù)采應(yīng)用層與硬件層的通信協(xié)議包括有RS232串口通信協(xié)議和TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議；硬件層為對設(shè)備各種故障監(jiān)測所需的傳感器包括有運行監(jiān)控傳感器、弱磁傳感器和相應(yīng)的執(zhí)行部件包括變頻器和斷帶抓捕器。

2.1 運行監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計

為了能夠體現(xiàn)保護系統(tǒng)的“綜合”概念，將皮帶輸送機的變頻控制系統(tǒng)和運行監(jiān)控系統(tǒng)顯示于同一個界面中。其中，電機變頻控制系統(tǒng)主要對電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、啟動、停止、頻率等進行控制，期間對電機的扭矩、電流、頻率等進行監(jiān)測，并將監(jiān)測結(jié)果顯示于上位機界面；運行監(jiān)控系統(tǒng)通過采集堆煤、撕裂、跑偏、超溫等傳感器的數(shù)據(jù)，并實時顯示存在的問題。皮帶輸送機綜合保護系統(tǒng)的運行監(jiān)控界面如圖2所示：

圖2 皮帶輸送機運行監(jiān)控界面示意圖

2.2 弱磁檢測系統(tǒng)的軟件設(shè)計

弱磁檢測系統(tǒng)是鋼絲繩皮帶狀態(tài)監(jiān)測的關(guān)鍵，基于監(jiān)測結(jié)果可以預測鋼絲繩皮帶可能發(fā)生的失效形式。因此，弱磁檢測系統(tǒng)主要包括對鋼絲繩皮帶鐵磁性材料剩磁數(shù)據(jù)的采集模塊、對采集數(shù)據(jù)的分析和處理模塊、數(shù)據(jù)在上位機的顯示模塊和輸出模塊[4]。結(jié)合弱磁檢測系統(tǒng)的功能要求，設(shè)計如圖3所示的功能模塊框圖。

如圖3所示，弱磁檢測系統(tǒng)的基本功能包括對通訊網(wǎng)絡(luò)的配置、根據(jù)控制需求對系統(tǒng)參數(shù)進行設(shè)置、對傳感器完成自檢和標定工作、對檢測功能的選擇、對所采集數(shù)據(jù)的記錄和查詢以及上位機顯示功能。

3 綜合保護的系統(tǒng)的應(yīng)用

圖3 弱磁檢測系統(tǒng)的軟件功能框圖

皮帶輸送機綜合保護系統(tǒng)分為電機運行監(jiān)控分系統(tǒng)和弱磁檢測分系統(tǒng)。本節(jié)分別對兩個分系統(tǒng)的應(yīng)用效果進行驗證。

3.1 電機運行監(jiān)控分系統(tǒng)的運行效果驗證

電機運行監(jiān)控分系統(tǒng)的監(jiān)測效果如圖4所示：

圖4 電機運行監(jiān)控分系統(tǒng)運行界面

如圖4所示，將電機的運行頻率設(shè)定為5 Hz，在實際運行時電機的頻率恒定為5 Hz；且對應(yīng)工況下電機的輸出轉(zhuǎn)矩平均值為0.423 N·m，輸出電流平均值為0.439 A，輸出電壓平均值為540 V。總的來講，基于電機運行監(jiān)控分系統(tǒng)可對系統(tǒng)電機的實時運行參數(shù)通過曲線的形式顯示出來，并且當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時亮紅燈表示故障類型[5]。

3.2 弱磁檢測系統(tǒng)的試驗驗證

將弱磁檢測系統(tǒng)按照如圖3所示的步驟對系統(tǒng)進行設(shè)置完畢后開始運行，對鋼絲繩皮帶的實際情況進行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如下頁圖5所示。

如下頁圖5所示，對皮帶輸送機分別配置七個磁檢測模塊，對其七個位置的情況進行監(jiān)測。圖中左側(cè)曲線為鋼絲繩皮帶加磁后的曲線，圖中右側(cè)曲線為鋼絲繩皮帶剩磁檢測曲線。通過對比左右兩側(cè)曲線可知，鋼絲繩皮帶未出現(xiàn)磨損、斷絲以及腐蝕等故障。

圖5 弱磁檢測系統(tǒng)檢測結(jié)果

4 結(jié)語

皮帶輸送機為綜采工作面的主要運輸設(shè)備，為保證其運行的安全性和運輸效率，需加強對設(shè)備各個階段的保護，尤其是對啟停階段電機電流、輸出扭矩、電壓等參數(shù)的監(jiān)測，對設(shè)備運行階段皮帶是否會跑偏、斷帶、堆煤、超溫等故障進行監(jiān)測，基于弱磁檢測系統(tǒng)對鋼絲繩皮帶的狀態(tài)進行監(jiān)測。