皮帶運輸機故障檢測系統的設計

□侯衛衛

煤炭資源是十分重要的能源，煤礦行業的安全生產是保證本國能源供應的前提。在煤礦生產中，皮帶運輸機是重要的運輸設備，具有效率高、運輸能力強、穩定性好等優勢。近年來，隨著科學技術的不斷進步，越來越多的現代化信息技術應用于皮帶運輸機中，實現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生了極大的影響，如何加強皮帶運輸機故障檢測，及時發現故障并有效處理是煤礦企業十分關注的問題。本文進行皮帶運輸機故障檢測系統的設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設計思路

皮帶運輸機故障檢測系統總體設計方案如圖1所示，主從控制器作為檢測系統核心控制單元，主控制器負責監測皮帶運輸機運行過程中的重要參數，例如皮帶運輸機運行速度、實時溫度、跑偏參數、壓力參數以及皮帶運輸機工作周圍環境中的甲烷濃度、一氧化碳濃度、煤料料位參數等。控制器主站在進行一系列重要參數監測的同時會將以控制性的形式傳輸給控制單元，對相應的機械部件進行控制完成相關動作調整[1]。例如，當主站控制器監測到煤料料位傳感器測量值達到上限后，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后再繼續進行采煤操作。

圖1 皮帶運輸機故障檢測系統總體設計

二、皮帶運輸機故障檢測系統設計

(一)硬件設計。在皮帶運輸故障檢測系統中，主要通過主從控制器來實現故障檢測和運行控制的，因此，首先需要做好控制器的數字量輸入、數字量輸出以及模擬量輸出的設計。涉及到的設備有采煤機、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，輸入數字量信號包括電源信號、運行信號以及故障信號，當皮帶運輸機檢測系統檢測到故障問題時能夠進行本地控制和遠程控制，輸出數字量信號是對采煤機和給煤機設備下達開啟和停止的信號。而采煤機和給煤機設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字量輸入信號與采煤機給煤機相同，數字量輸出是機頭機尾牽引電機的正向轉動、反向轉動和停止信號，主要是檢測其溫度信息。

本文中皮帶運輸機故障檢測系統所用的主從控制器采用西門子S7300系列，并根據硬件設計要求對主動控制器輸入、輸出控制點地質進行了分配。

(二)軟件設計。

1.PLC控制系統設計。在工業控制領域，PLC是常用的控制器，具有穩定可靠的優勢，但是PLC也存在一些不足之處，例如其數據計算能力較弱，管理能力不足，無法為用戶提供良好的界面。因此，在利用PLC控制器進行皮帶運輸機故障檢測控制系統設計時，可以借助計算機，將計算機與PLC有效結合，從而快速采集數據存儲數據同時做好數據處理和數據使用。通過通信技術將PLC與計算機進行結合，本文采用RS232實現來實現，在計算機上編寫好程序代碼后，由計算機向PLC發出命令請求通信，PLC在接到命令請求后自動返回響應。

皮帶運輸機故障檢測系統軟件是利用模塊化編程實現的。系統初始化包括變量清零、內存清零以及閘門關閉，初始化后，按照皮帶運輸機控制系統組成部分，對皮帶機各個狀態量進行循環檢測，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系，相互鎖定。通過對關鍵參數進行檢測判斷其是否帶動預警值，對于達到預警值的參數要判斷是否達到報警值，如果達到報警值則需要發送報警信號并且進行停機控制，工作人員發現后及時進行故障排除和處理，待故障排除后再重新啟動。如果相應參數只是達到了預警值并未達到報警值這時只發送報警信號并不進行停機控制，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行排除，保證皮帶運輸機涉及設備各項數值在正常范圍內[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報警流程舉例：當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邏輯控制器進行故障報警，PLC控制器接收到此信號后對信號數據進行邏輯分析，判斷是否達到報警值，如果達到報警值則會啟動報警系統，對外發出故障報警信號，由工作人員來進行處理。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檢測系統設計。皮帶運輸機故障檢測系統設計中的HMI檢測系統所檢測的傳感器主要包括煤料參數檢測、皮帶運輸機本體參數檢測以及皮帶運輸機運行環境參數檢測三部分。其中，煤料參數檢測有料位高度、料位位移兩方面；皮帶運輸機本體參數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；運行環境參數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]。在對這些參數進行檢測時，會有相應的時間顯示，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能夠對皮帶運行狀態進行實時監控，對皮帶運輸機故障檢測系統轉化電信號進行閾值設置，一旦皮帶運輸機運行過程中某一參數超出預定閾值就會發出報警信號。例如，皮帶打滑故障報警。皮帶運輸機出現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，導致皮帶運輸機轉矩下降。一旦皮帶運輸機電機輸出功率出現明顯下降，低于正常運轉值的一半時，則會觸發報警系統，同時發出控制指令，皮帶運輸機立即停止運行，技術人員接到報警信號后進行故障排查，根據報警故障類型采取相關維修措施，待維修工作結束后，確保皮帶運輸機處于正常狀態情況下重新啟動。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載，超出了其承受范圍，托滾正壓力增大導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，待機輸出轉矩增大，當電機輸出功率超出正常運行數值的130%時，皮帶運輸故障檢測系統發出報警信號，當超過150%時，再發出報警信號的同時故障檢測系統會發出關閉電壓的命令，皮帶運輸系統停止運行。

四、皮帶運輸機故障信息維護

皮帶運輸機故障檢測系統可以對皮帶運輸機進行實時監測，一旦發生任何故障問題能夠實時顯示，并進行故障報警。故障顯示包括故障時間、故障狀態、故障編號等，技術人員在受到故障報警后第一時間通過HMI檢測系統了解故障類型，并采取有效措施進行解決。

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，維修技術人員能夠輕松進行判斷并很快完成維修工作。但是在極少數情況下也會發生比較棘手的故障問題，由于皮帶運輸機長時間持續運行，會對皮帶產生比較嚴重的磨損等問題，隨著皮帶的老化或者其他設備的磨損可能出現新的問題。如果維修技術人員個人無法根據經驗或者查詢進行故障排除，則需要求助設計人員共同解決。通過對皮帶運輸機故障檢測系統設計，皮帶運輸機遇到故障問題后，技術人員能夠根據HMI檢測系統提示進行有效解決，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生概率，極大提高了煤礦生產的安全穩定性。

五、結語

綜上所述，本文通過對皮帶運輸機常見故障進行分析，結合其常見故障進行皮帶運輸機檢測系統的設計，通過在某煤礦進行實地試驗，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的應用對于皮帶運輸機故障率的降低有重要的作用，這對于煤礦企業進行安全生產、連續生產有積極的促進作用，具有顯著的經濟價值。與此同時，該檢測系統的應用還有助于煤礦精細運輸系統更加信息化、智能化，促進我國煤礦行業現代化發展。