皮带输送机故障监控器的设计

曹广海 周启昆 刘 杰

(山东临沂矿业集团会宝岭铁矿筹建处1，山东 临沂 277700;江苏科技大学电子信息学院2，江苏 镇江 212003)

0 引言

皮带输送机作为一种被动牵引的运输设备，主要用来输送块状、粒状和散状等物料，被广泛应用于各种厂矿、码头等工业场合［1］。皮带输送机的安全高效运行可有效地提高生产效率，降低事故发生率。对于多条输送机组成的长距离输送系统，一旦皮带输送机出现故障，如不能及时进行预报和处理，将会造成大量堆料或皮带断裂等严重的故障，使系统瘫痪。本文针对某选矿厂的实际应用，研究了一种通用型皮带输送机多功能故障监控器，其主要由故障信号检测单元、信号处理单元和显示、预(报)警控制单元组成。

1 皮带输送机故障分析

由于选矿厂皮带输送机的工作环境恶劣，输送的矿料大小重量不等，且在运行过程中经常出现受力不平衡、受尖锐物体压扎等原因，皮带容易发生打滑、跑偏、断带、过负荷等故障。这些故障导致的皮带线速度的变化曲线如图1所示。

图1 皮带线速度的变化Fig.1 Changes of the linear velocity

图1中，vN为皮带输送机的正常速度，v1=70%vN，v2=40%vN。

皮带打滑是由于皮带与主动滚筒在相遇点上的实际张力大于皮带两端张力的极限值而产生的，皮带打滑时运行速度减慢。

皮带跑偏的原因多种多样，一般是由皮带两侧的驱动力不平衡及托辊、滚筒对皮带产生侧向力等因素所造成的。跑偏虽然速度变化不大，但严重时会出现皮带滑脱的严重事故［2］。

皮带过负荷故障是由于皮带装载矿石量过大或其他阻力所造成的。该故障会导致皮带运行速度减慢甚至停止运转。

皮带输送机发生断带和联轴器断开故障则是由于皮带或联轴器强度不够所造成的［3］。当故障发生时，皮带速度会急速下降，瞬间可停止运行。

2 皮带输送机故障的检测

2.1 皮带打滑检测

皮带打滑时会出现皮带速度和主动辊线速度不一致的现象，这可以通过监控器计算分析监测皮带靠轮的转速v与主动辊的转速vN之后，得到皮带是否打滑和打滑等级的信息。主动辊与一个测速发电机相连组成主动辊的测速装置，运行时主动辊测速发电机输出经过电压变换可得到0～10 V的电压E。当E=10 V时，主动辊对应正常运行速度vN。皮带速度的监测可由紧靠皮带的靠轮和所带的测速发电机完成，其输出电压e也在0～10 V的区间内变化。

2.2 皮带跑偏检测

跑偏限位开关安装如图2所示［4－5］。

图2 跑偏限位开关安装图Fig.2 Installation of limit switches for detecting skid around

跑偏限位开关根据跑偏位移的大小分为一级跑偏和二级跑偏。当出现一级跑偏时，将触发报警电路，警示灯闪烁并发出报警铃声;当出现二级跑偏时，将触发急停电路，发出报警铃声并停止皮带输送机的运行。

2.3 皮带撕裂和轴断裂检测

皮带撕裂和轴断裂的检测是通过两个撕裂开关和两条钢绳检测皮带或异物非正常接触或碰撞钢绳。撕裂开关被成对安装在皮带两侧，由两段钢丝绳连接，安装原理单侧示意图如图3所示［6］。

图3 皮带撕裂检测装置原理图Fig.3 Schematic of the detecting devices for belt tearing

钢丝绳的一端永久固定在支撑托架上，另一端连接在撕裂开关上的弹簧球上。两段钢绳在皮带下面形成一个和皮带槽型一致的平行线路［7］。当皮带正常运行时，钢绳和皮带不接触;但当有物体戳穿或撕裂的皮带悬落下来碰撞到一条或两条钢绳时，弹簧球将被拉出底座，致使两个撕裂开关发出报警信号。轴断裂时，皮带运动状态和撕裂十分相似，皮带在瞬间松弛，运行停止，触碰钢丝绳，故轴断裂的检测可以用皮带撕裂检测来取代。

2.4 皮带过负荷检测

皮带输送机的主动辊带动皮带运行，当皮带过负荷时，主动辊驱动电机电流会增加。因此，可以通过电流互感器检测电机的电流来确定皮带的负载状态。皮带偶尔的过负荷是正常的，可通过监控器监测过负荷的时间;若过载超出一定时间，则监控器发出声光报警信号，以免烧坏驱动电机。

3 监控器的硬件电路设计

监控器以单片机ATC8051为核心，外围主要由主动辊测速传感器、靠轮测速传感器、跑偏限位开关和皮带撕裂开关的接口芯片、LCD显示屏以及逻辑门驱动电路等组成［8］。

模拟量转换电路采用A/D转换芯片ADC0809，芯片的 A、B、C 三个端口分别与 ATC8051 的 P1.0～ P1.2相接，选择模拟通道。地址锁存信号(ALE)和启动转换信号(START)由 P1.3和或非得到。将ADC0809状态输出位 EOC接到 ATC8051中断0(P3.2)上;输出允许由 P1.3和或非得到。时钟信号由 ATC8051的ALE进行二分频得到。8255是一个单片机I/O口并行扩展芯片，它只需要一个八位锁存器就能和单片机顺利通信。8255的八位数据线直接和单片机P2口相连，控制线和直接和单片机的 P1.7、P3.5相连，8255的和 A1、A2分别由 P2.0、P2.1和 P2.3经地址锁存器74LS373后提供。皮带撕裂和电机过载信号开关量信号，分别接到 8051 的 P3.3和 P3.4口;一级和二级跑偏信号分别接到I/O扩展芯片的PA、PB、PC上。

LCM128645ZK是128×64点阵液晶显示控制模块［9－10］，可通过并行或串行模式接收来自微处理器的数据。当工作在串行模式下时，LCM128645ZK仅使用两条传输线传送串行数据，其控制系统将配合传输同步时钟(SCLK)接收来自串行数据线(SID)的数据。该系统中，引脚R/W和E分别作为串行数据输入脚(SID)和串行脉冲输入脚(SC)，与单片机的 P1.5和 P1.6相连。当片选设为高电平时，同步时钟线(SCLK)输入的信号才会被接收，如果为低电平，传输中的数据将被中止清除，并将传输的串行数据计数重新设回第—位。VO和VR是LCD亮度调整端，外接可调电阻。74LS07为逻辑门驱动电路，可直接驱动继电器，降低了单片机的负担。监控器硬件电路原理图如图4所示。

图4 监控器硬件电路原理图Fig.4 Schematics of the hardware circuitry of monitor

4 监控器软件设计

系统程序采用C语言编写，由主程序和显示子程序两部分组成［11］。

监控器控制程序流程图如图5所示。

图5 控制程序流程图Fig.5 Flowchart of the control program

程序运行初始化后，按顺序依次检测和判断皮带输送机是否存在打滑、跑偏、皮带撕裂以及电机过载等故障，并按不同的故障等级给出相应的处理方式。LCD显示部分采用调用子程序的方法，在一个扫描周期内显示皮带的运行状态和故障信息，并可对v1和v2进行设定。

5 结束语

本文针对目前我国厂矿企业在皮带输送机监控系统中存在的故障检测分散、故障点多等不足，设计了一种集监控、显示和报警功能于一体的皮带输送机故障监控器。该监控器以单片机为控制核心，充分利用了单片机集成度高、功能强、体积小、功耗低和可靠性高等特点。通过现场的实际应用，监控器的测量误差较小，能够满足使用要求。

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