皮帶輸送機(jī)故障監(jiān)控器的設(shè)計

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上的實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。通過現(xiàn)場的實際應(yīng)用，監(jiān)控器的測量誤差較小，能夠滿足使用要求。

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