曹廣海 周啟昆 劉 杰

(山東臨沂礦業(yè)集團(tuán)會寶嶺鐵礦籌建處1，山東 臨沂 277700;江蘇科技大學(xué)電子信息學(xué)院2，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引言

皮帶輸送機(jī)作為一種被動牽引的運(yùn)輸設(shè)備，主要用來輸送塊狀、粒狀和散狀等物料，被廣泛應(yīng)用于各種廠礦、碼頭等工業(yè)場合［1］。皮帶輸送機(jī)的安全高效運(yùn)行可有效地提高生產(chǎn)效率，降低事故發(fā)生率。對于多條輸送機(jī)組成的長距離輸送系統(tǒng)，一旦皮帶輸送機(jī)出現(xiàn)故障，如不能及時進(jìn)行預(yù)報和處理，將會造成大量堆料或皮帶斷裂等嚴(yán)重的故障，使系統(tǒng)癱瘓。本文針對某選礦廠的實(shí)際應(yīng)用，研究了一種通用型皮帶輸送機(jī)多功能故障監(jiān)控器，其主要由故障信號檢測單元、信號處理單元和顯示、預(yù)(報)警控制單元組成。

1 皮帶輸送機(jī)故障分析

由于選礦廠皮帶輸送機(jī)的工作環(huán)境惡劣，輸送的礦料大小重量不等，且在運(yùn)行過程中經(jīng)常出現(xiàn)受力不平衡、受尖銳物體壓扎等原因，皮帶容易發(fā)生打滑、跑偏、斷帶、過負(fù)荷等故障。這些故障導(dǎo)致的皮帶線速度的變化曲線如圖1所示。

圖1 皮帶線速度的變化Fig.1 Changes of the linear velocity

圖1中，vN為皮帶輸送機(jī)的正常速度，v1=70%vN，v2=40%vN。

皮帶打滑是由于皮帶與主動滾筒在相遇點(diǎn)上的實(shí)際張力大于皮帶兩端張力的極限值而產(chǎn)生的，皮帶打滑時運(yùn)行速度減慢。

皮帶跑偏的原因多種多樣，一般是由皮帶兩側(cè)的驅(qū)動力不平衡及托輥、滾筒對皮帶產(chǎn)生側(cè)向力等因素所造成的。跑偏雖然速度變化不大，但嚴(yán)重時會出現(xiàn)皮帶滑脫的嚴(yán)重事故［2］。

皮帶過負(fù)荷故障是由于皮帶裝載礦石量過大或其他阻力所造成的。該故障會導(dǎo)致皮帶運(yùn)行速度減慢甚至停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

皮帶輸送機(jī)發(fā)生斷帶和聯(lián)軸器斷開故障則是由于皮帶或聯(lián)軸器強(qiáng)度不夠所造成的［3］。當(dāng)故障發(fā)生時，皮帶速度會急速下降，瞬間可停止運(yùn)行。

2 皮帶輸送機(jī)故障的檢測

2.1 皮帶打滑檢測

皮帶打滑時會出現(xiàn)皮帶速度和主動輥線速度不一致的現(xiàn)象，這可以通過監(jiān)控器計算分析監(jiān)測皮帶靠輪的轉(zhuǎn)速v與主動輥的轉(zhuǎn)速vN之后，得到皮帶是否打滑和打滑等級的信息。主動輥與一個測速發(fā)電機(jī)相連組成主動輥的測速裝置，運(yùn)行時主動輥測速發(fā)電機(jī)輸出經(jīng)過電壓變換可得到0～10 V的電壓E。當(dāng)E=10 V時，主動輥對應(yīng)正常運(yùn)行速度vN。皮帶速度的監(jiān)測可由緊靠皮帶的靠輪和所帶的測速發(fā)電機(jī)完成，其輸出電壓e也在0～10 V的區(qū)間內(nèi)變化。

2.2 皮帶跑偏檢測

跑偏限位開關(guān)安裝如圖2所示［4－5］。

圖2 跑偏限位開關(guān)安裝圖Fig.2 Installation of limit switches for detecting skid around

跑偏限位開關(guān)根據(jù)跑偏位移的大小分為一級跑偏和二級跑偏。當(dāng)出現(xiàn)一級跑偏時，將觸發(fā)報警電路，警示燈閃爍并發(fā)出報警鈴聲;當(dāng)出現(xiàn)二級跑偏時，將觸發(fā)急停電路，發(fā)出報警鈴聲并停止皮帶輸送機(jī)的運(yùn)行。

2.3 皮帶撕裂和軸斷裂檢測

皮帶撕裂和軸斷裂的檢測是通過兩個撕裂開關(guān)和兩條鋼繩檢測皮帶或異物非正常接觸或碰撞鋼繩。撕裂開關(guān)被成對安裝在皮帶兩側(cè)，由兩段鋼絲繩連接，安裝原理單側(cè)示意圖如圖3所示［6］。

圖3 皮帶撕裂檢測裝置原理圖Fig.3 Schematic of the detecting devices for belt tearing

鋼絲繩的一端永久固定在支撐托架上，另一端連接在撕裂開關(guān)上的彈簧球上。兩段鋼繩在皮帶下面形成一個和皮帶槽型一致的平行線路［7］。當(dāng)皮帶正常運(yùn)行時，鋼繩和皮帶不接觸;但當(dāng)有物體戳穿或撕裂的皮帶懸落下來碰撞到一條或兩條鋼繩時，彈簧球?qū)⒈焕龅鬃?，致使兩個撕裂開關(guān)發(fā)出報警信號。軸斷裂時，皮帶運(yùn)動狀態(tài)和撕裂十分相似，皮帶在瞬間松弛，運(yùn)行停止，觸碰鋼絲繩，故軸斷裂的檢測可以用皮帶撕裂檢測來取代。

2.4 皮帶過負(fù)荷檢測

皮帶輸送機(jī)的主動輥帶動皮帶運(yùn)行，當(dāng)皮帶過負(fù)荷時，主動輥驅(qū)動電機(jī)電流會增加。因此，可以通過電流互感器檢測電機(jī)的電流來確定皮帶的負(fù)載狀態(tài)。皮帶偶爾的過負(fù)荷是正常的，可通過監(jiān)控器監(jiān)測過負(fù)荷的時間;若過載超出一定時間，則監(jiān)控器發(fā)出聲光報警信號，以免燒壞驅(qū)動電機(jī)。

3 監(jiān)控器的硬件電路設(shè)計

監(jiān)控器以單片機(jī)ATC8051為核心，外圍主要由主動輥測速傳感器、靠輪測速傳感器、跑偏限位開關(guān)和皮帶撕裂開關(guān)的接口芯片、LCD顯示屏以及邏輯門驅(qū)動電路等組成［8］。

模擬量轉(zhuǎn)換電路采用A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0809，芯片的 A、B、C 三個端口分別與 ATC8051 的 P1.0～ P1.2相接，選擇模擬通道。地址鎖存信號(ALE)和啟動轉(zhuǎn)換信號(START)由 P1.3和或非得到。將ADC0809狀態(tài)輸出位 EOC接到 ATC8051中斷0(P3.2)上;輸出允許由 P1.3和或非得到。時鐘信號由 ATC8051的ALE進(jìn)行二分頻得到。8255是一個單片機(jī)I/O口并行擴(kuò)展芯片，它只需要一個八位鎖存器就能和單片機(jī)順利通信。8255的八位數(shù)據(jù)線直接和單片機(jī)P2口相連，控制線和直接和單片機(jī)的 P1.7、P3.5相連，8255的和 A1、A2分別由 P2.0、P2.1和 P2.3經(jīng)地址鎖存器74LS373后提供。皮帶撕裂和電機(jī)過載信號開關(guān)量信號，分別接到 8051 的 P3.3和 P3.4口;一級和二級跑偏信號分別接到I/O擴(kuò)展芯片的PA、PB、PC上。

LCM128645ZK是128×64點(diǎn)陣液晶顯示控制模塊［9－10］，可通過并行或串行模式接收來自微處理器的數(shù)據(jù)。當(dāng)工作在串行模式下時，LCM128645ZK僅使用兩條傳輸線傳送串行數(shù)據(jù)，其控制系統(tǒng)將配合傳輸同步時鐘(SCLK)接收來自串行數(shù)據(jù)線(SID)的數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)中，引腳R/W和E分別作為串行數(shù)據(jù)輸入腳(SID)和串行脈沖輸入腳(SC)，與單片機(jī)的 P1.5和 P1.6相連。當(dāng)片選設(shè)為高電平時，同步時鐘線(SCLK)輸入的信號才會被接收，如果為低電平，傳輸中的數(shù)據(jù)將被中止清除，并將傳輸?shù)拇袛?shù)據(jù)計數(shù)重新設(shè)回第—位。VO和VR是LCD亮度調(diào)整端，外接可調(diào)電阻。74LS07為邏輯門驅(qū)動電路，可直接驅(qū)動繼電器，降低了單片機(jī)的負(fù)擔(dān)。監(jiān)控器硬件電路原理圖如圖4所示。

圖4 監(jiān)控器硬件電路原理圖Fig.4 Schematics of the hardware circuitry of monitor

4 監(jiān)控器軟件設(shè)計

系統(tǒng)程序采用C語言編寫，由主程序和顯示子程序兩部分組成［11］。

監(jiān)控器控制程序流程圖如圖5所示。

圖5 控制程序流程圖Fig.5 Flowchart of the control program

程序運(yùn)行初始化后，按順序依次檢測和判斷皮帶輸送機(jī)是否存在打滑、跑偏、皮帶撕裂以及電機(jī)過載等故障，并按不同的故障等級給出相應(yīng)的處理方式。LCD顯示部分采用調(diào)用子程序的方法，在一個掃描周期內(nèi)顯示皮帶的運(yùn)行狀態(tài)和故障信息，并可對v1和v2進(jìn)行設(shè)定。

5 結(jié)束語

本文針對目前我國廠礦企業(yè)在皮帶輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中存在的故障檢測分散、故障點(diǎn)多等不足，設(shè)計了一種集監(jiān)控、顯示和報警功能于一體的皮帶輸送機(jī)故障監(jiān)控器。該監(jiān)控器以單片機(jī)為控制核心，充分利用了單片機(jī)集成度高、功能強(qiáng)、體積小、功耗低和可靠性高等特點(diǎn)。通過現(xiàn)場的實(shí)際應(yīng)用，監(jiān)控器的測量誤差較小，能夠滿足使用要求。

［1］李丹，李世厚.選礦廠皮帶運(yùn)輸機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的研究和應(yīng)用［J］.國外金屬礦選礦，2003(8):44－45.

［2］史回京.皮帶輸送機(jī)自動糾偏裝置的研究與應(yīng)用［J］.新技術(shù)與新產(chǎn)品，2011(37):51－53.

［3］顧凱，陳偉，汪大春.輸煤皮帶機(jī)皮帶撕裂檢測裝置的設(shè)計［J］.設(shè)備管理與維修，2010(5):33－36.

［4］陳啟龍.皮帶輸送機(jī)跑偏原因和處理［J］.磚瓦，2008(2):33－34.

［5］秦連軍.皮帶輸送機(jī)常見故障分析與處理方法［J］.煤炭技術(shù)，2009(8):18－19.

［6］姚運(yùn)萍，王偉寧.皮帶運(yùn)輸機(jī)的故障預(yù)防措施及檢測［J］.中國礦業(yè)，2006，15(9):70－73.

［7］周福成.火電廠輸煤皮帶防撕裂裝置的研究［D］.保定:華北電力大學(xué)，2004.

［8］王東濤.單片機(jī)皮帶撕裂檢測保護(hù)裝置的設(shè)計［J］.微計算機(jī)信息，1999，15(4):82－83.

［9］陳素華，王國志.基于單片機(jī)的LCD顯示系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)［J］.許昌學(xué)院學(xué)報，2010(9):75－77.

［10］辛阿阿，厲善亨.基于12864液晶模塊的動態(tài)波形顯示實(shí)現(xiàn)方法［J］.儀器儀表用戶，2010，17(5):56－57.

［11］王昕，丁恩杰，戴吉.基于WSN的井下皮帶機(jī)打滑保護(hù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2009(2):89－91.