皮带运输机故障检测系统的设计

□侯卫卫

煤炭资源是十分重要的能源，煤矿行业的安全生产是保证本国能源供应的前提。在煤矿生产中，皮带运输机是重要的运输设备，具有效率高、运输能力强、稳定性好等优势。近年来，随着科学技术的不断进步，越来越多的现代化信息技术应用于皮带运输机中，实现了对皮带运输机的智能控制。但在实际运行中，皮带运输机故障问题依然对煤矿整体安全产生了极大的影响，如何加强皮带运输机故障检测，及时发现故障并有效处理是煤矿企业十分关注的问题。本文进行皮带运输机故障检测系统的设计能够为其故障诊断提供一定帮助。

一、皮带运输机故障检测系统设计思路

皮带运输机故障检测系统总体设计方案如图1所示，主从控制器作为检测系统核心控制单元，主控制器负责监测皮带运输机运行过程中的重要参数，例如皮带运输机运行速度、实时温度、跑偏参数、压力参数以及皮带运输机工作周围环境中的甲烷浓度、一氧化碳浓度、煤料料位参数等。控制器主站在进行一系列重要参数监测的同时会将以控制性的形式传输给控制单元，对相应的机械部件进行控制完成相关动作调整[1]。例如，当主站控制器监测到煤料料位传感器测量值达到上限后，会立即生成控制信号，命令采煤机停止操作，待料位传感器测量值下降到正常范围内后再继续进行采煤操作。

图1 皮带运输机故障检测系统总体设计

二、皮带运输机故障检测系统设计

(一)硬件设计。在皮带运输故障检测系统中，主要通过主从控制器来实现故障检测和运行控制的，因此，首先需要做好控制器的数字量输入、数字量输出以及模拟量输出的设计。涉及到的设备有采煤机、给煤机、皮带运输机、机头牵引电机和机尾牵引电机等。以采煤机、给煤机为例，输入数字量信号包括电源信号、运行信号以及故障信号，当皮带运输机检测系统检测到故障问题时能够进行本地控制和远程控制，输出数字量信号是对采煤机和给煤机设备下达开启和停止的信号。而采煤机和给煤机设备含模拟量传感器信号，主要用来检测温度、甲烷浓度、一氧化碳浓度、烟雾浓度以及煤料料位等。对于皮带运输机来说，其数字量输入信号与采煤机、给煤机相同，有电源信号、故障信号等，输出信号是皮带运输机开启和停止信号。皮带运输机的检测主要有皮带运行温度、皮带运行速度、皮带跑偏、撕裂等。机头机尾牵引电机数字量输入信号与采煤机给煤机相同，数字量输出是机头机尾牵引电机的正向转动、反向转动和停止信号，主要是检测其温度信息。

本文中皮带运输机故障检测系统所用的主从控制器采用西门子S7300系列，并根据硬件设计要求对主动控制器输入、输出控制点地质进行了分配。

(二)软件设计。

1.PLC控制系统设计。在工业控制领域，PLC是常用的控制器，具有稳定可靠的优势，但是PLC也存在一些不足之处，例如其数据计算能力较弱，管理能力不足，无法为用户提供良好的界面。因此，在利用PLC控制器进行皮带运输机故障检测控制系统设计时，可以借助计算机，将计算机与PLC有效结合，从而快速采集数据存储数据同时做好数据处理和数据使用。通过通信技术将PLC与计算机进行结合，本文采用RS232实现来实现，在计算机上编写好程序代码后，由计算机向PLC发出命令请求通信，PLC在接到命令请求后自动返回响应。

皮带运输机故障检测系统软件是利用模块化编程实现的。系统初始化包括变量清零、内存清零以及闸门关闭，初始化后，按照皮带运输机控制系统组成部分，对皮带机各个状态量进行循环检测，包括采煤机给煤机的检测、机头机尾牵引电动机检测以及皮带运输机控制检测。控制部分对这些模块完成检测后，不同模块之间可以存在控制与被控制关系，相互锁定。通过对关键参数进行检测判断其是否带动预警值，对于达到预警值的参数要判断是否达到报警值，如果达到报警值则需要发送报警信号并且进行停机控制，工作人员发现后及时进行故障排除和处理，待故障排除后再重新启动。如果相应参数只是达到了预警值并未达到报警值这时只发送报警信号并不进行停机控制，皮带运输机可以正常运行，但是工作人员需要及时对安全隐患进行排除，保证皮带运输机涉及设备各项数值在正常范围内[2]。

皮带运输机故障报警类型包括皮带运输机故障报警、给煤机故障报警、传感器类故障报警、机头机尾牵引电动机故障报警以及其他机械类故障报警等。皮带运输机故障检测系统报警流程举例：当皮带运输机上的烟雾浓度传感器检测到周围烟雾浓度超出正常值时，会第一时间向PLC逻辑控制器进行故障报警，PLC控制器接收到此信号后对信号数据进行逻辑分析，判断是否达到报警值，如果达到报警值则会启动报警系统，对外发出故障报警信号，由工作人员来进行处理。其他故障报警流程都是如此，通过故障报警来加强对皮带运输机的故障检测。

2.HMI检测系统设计。皮带运输机故障检测系统设计中的HMI检测系统所检测的传感器主要包括煤料参数检测、皮带运输机本体参数检测以及皮带运输机运行环境参数检测三部分。其中，煤料参数检测有料位高度、料位位移两方面；皮带运输机本体参数检测有皮带运输机运行温度、跑偏、撕裂、速度以及拉绳等几方面；运行环境参数的检测有运行温度检测、甲烷浓度检测、一氧化碳浓度检测、烟雾浓度检测以及料位高度检测[3]。在对这些参数进行检测时，会有相应的时间显示，同时所有的检测信号都受皮带运输机逻辑控制。

三、皮带运输机故障检测系统功能

皮带运输机常见故障有皮带打滑、过载、断带、划伤等，通过皮带运输机故障检测系统能够对皮带运行状态进行实时监控，对皮带运输机故障检测系统转化电信号进行阈值设置，一旦皮带运输机运行过程中某一参数超出预定阈值就会发出报警信号。例如，皮带打滑故障报警。皮带运输机出现打滑故障是因为皮带与滚筒之间张力过大，超出皮带两端张力极限，导致皮带运输机转矩下降。一旦皮带运输机电机输出功率出现明显下降，低于正常运转值的一半时，则会触发报警系统，同时发出控制指令，皮带运输机立即停止运行，技术人员接到报警信号后进行故障排查，根据报警故障类型采取相关维修措施，待维修工作结束后，确保皮带运输机处于正常状态情况下重新启动。此外，皮带撕裂也是皮带运输机常见故障，引起原因是因为皮带承受了过量负载，超出了其承受范围，托滚正压力增大导致皮带摩擦阻力增加，皮带牵引力小于皮带与煤炭之间的摩擦阻力，待机输出转矩增大，当电机输出功率超出正常运行数值的130%时，皮带运输故障检测系统发出报警信号，当超过150%时，再发出报警信号的同时故障检测系统会发出关闭电压的命令，皮带运输系统停止运行。

四、皮带运输机故障信息维护

皮带运输机故障检测系统可以对皮带运输机进行实时监测，一旦发生任何故障问题能够实时显示，并进行故障报警。故障显示包括故障时间、故障状态、故障编号等，技术人员在受到故障报警后第一时间通过HMI检测系统了解故障类型，并采取有效措施进行解决。

在实际的皮带运输机运行过程中，故障类型十分多样化，在一般情况下，绝大部分故障都十分常见，维修技术人员能够轻松进行判断并很快完成维修工作。但是在极少数情况下也会发生比较棘手的故障问题，由于皮带运输机长时间持续运行，会对皮带产生比较严重的磨损等问题，随着皮带的老化或者其他设备的磨损可能出现新的问题。如果维修技术人员个人无法根据经验或者查询进行故障排除，则需要求助设计人员共同解决。通过对皮带运输机故障检测系统设计，皮带运输机遇到故障问题后，技术人员能够根据HMI检测系统提示进行有效解决，极大提升了皮带运输机故障解决效率，降低了煤矿安全事故的发生概率，极大提高了煤矿生产的安全稳定性。

五、结语

综上所述，本文通过对皮带运输机常见故障进行分析，结合其常见故障进行皮带运输机检测系统的设计，通过在某煤矿进行实地试验，该煤矿皮带运输机故障率有了显著下降。皮带运输机故障检测系统的应用对于皮带运输机故障率的降低有重要的作用，这对于煤矿企业进行安全生产、连续生产有积极的促进作用，具有显著的经济价值。与此同时，该检测系统的应用还有助于煤矿精细运输系统更加信息化、智能化，促进我国煤矿行业现代化发展。