带式输送机防撕裂实时检测技术研究
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摘要：：由于国内现有带式输送机防撕裂实时检测技术不但价格昂贵而且环境适应性差，通过对带式输送机输送带发生撕裂事故原因及现有防撕裂实时监控技术的应用情况分析，基于zigbee技术进行无线信息传输，通过对输送带结构改进，提出一套新的实时检测方案。利用检测输送带气囊内压力变化，判断输送带工作情况是否正常。结果表明：当发生刺穿、撕裂或断裂时立刻报警并制动，能起到有效的检测和保护作用。
关键词：输送带；防撕裂；实时检测
中图分类号：TD44文献标识码：A
文章编号：1672-1098（2012）03-0060-03
带式输送机作为长距离连续运输设备广泛被应用于矿山、港口、电力、建筑等部门。带式输送机较其他输送设备，具有连续输送能力强、运行效率高、易实现自动控制等诸多优点。但在实际使用过程中，因为运输物料形状的不规则性，如金属、岩块等硬锐物体卡在某处并划破输送带而造成输送带的刺穿、撕裂。由于输送带运行速度一般较高，如不能及时发现、停车，将会撕裂整条输送带，影响生产的顺利进行，并造成企业直接和间接经济损失。因此，带式输送机输送带撕裂的预防和保护研究对企业单位而言意义重大[1]。
常见撕裂原因和现象主要有：
1） 异物划伤：损伤发生在溜槽下部，当有硬锐物体比溜槽纵向尺寸大时，异物就会卡在溜槽下部通过输送带向前运动增压，从而划伤输送带。
2） 输送带跑偏撕裂：带式输送机在运行过程中，输送带单侧偏移较多时，在一侧形成褶皱堆积或折叠，受到不均拉力或被夹伤及摩擦刮伤等造成撕裂。
3） 物料卡压堵塞撕裂：该情况发生在溜槽下部。在特殊情况下大块物料卡在溜槽前沿与输送带之间，强力挤压输送带造成撕裂。另一种情况是当装载点处给料突然增大，使输送带装料堵塞，经长时间摩擦，而引起输送带撕裂。
4） 抽芯撕裂（只发生于钢丝芯输送带）：输送带在剧烈的冲击力作用下，有时会造成钢丝芯断裂，经长时间的磨、压、折、拉等外力作用，断裂的钢丝芯会从输送带接头处、粘口处磨损比较严重处露出盖胶。当露出达到一定长度时就可能绞入滚筒、托辊等处，随着输送带的运转，钢丝芯从输送带盖胶中抽出，造成撕裂[2-3]。
为了有效预防输送带撕裂，从70年代开始，国内外专家陆续对输送带撕裂检测装置和防治方法进行研究，目前国外研究的装置，不仅从接触式发展到非接触式，还从单一化发展到智能化。检测方法也包括嵌入法、光电传感技术、超声波扫描技术和原子物理方法等。目前国内常用输送带撕裂检测的产品主要有棒形防撕裂装置、弦线式装置、条形板压力开关、物料泄露检测、超声波检测等[4]。
上述带式输送机输送带撕裂检测的方法和设备存在造价高昂，维护复杂，误动作多，而且其检测动作只有在输送带撕裂后才能工作，不能在输送带发生撕裂事故第一时间进行预警。
1新型气压式撕裂检测装置的设计
1.1基本原理
新型气压式撕裂检测装置，包括输送带，数据采集发射模块和数据接收模块和检测控制模块。通过对输送带进行改装，将其连续分成若干段，每段底部设有充气封闭气囊，气囊内置有数据采集发射模块（见图1）。数据采集发射模块包括微型气压传感器、微型位置传感器、数据采集处理器及无线发射器，数据采集发射模块可以采集气压和位置数据后通过无线发射器发射出来。数据接收模块设置在输送带附近，数据接收部分由无线接收器、解码器、编码器和微处理器组成，在微处理器控制下接收无线电传来的数据，当一组格式数据接收完毕后，由接收电路里的解码器对格式数据进行解码，并由编码器将解码后信息数据进行相应的编码和处理，然后将气压和位置信息传送给检测控制模块。所述的检测控制模块设置有数据监控软件及与输送带制动系统相连的计算机（见图2）。
1. 输送带；2. 数据采集发射模块；3. 数据接收模块； 4. 检测控制模块； 5. 微型气压传感器； 6. 微型位置传感器； 7. 数据采集处理器； 8. 无线发射器； 9. 无线接收器； 10. 解码器；11. 编码器； 12. 微处理器； 13. 计算机；14. 封闭气囊
图2系统结构示意图
1.2结构介绍及工作原理
首先将放置在封闭气囊14内的微型气压传感器5和微型位置传感器6进行编号，并在数据监控软件中按照编号分别显示相应的气压值和位置。在输送带正常工作状态下，根据所有微型气压传感器5通过带式输送机相同工作位置时测定的气压值，确定该工作位置输送带应有的合理的气压值变化区间，并将上述的气压值变化区间预设成正常工作气压值标准区间存入在数据监控软件中。数据监控软件将实时检测的输送带通过输送机某个位置的气压值和该位置正常工作气压值标准区间进行比较，当实时检测的气压值在上述的正常工作气压值标准区间内时，表明该通过位置的输送带正常工作；当气压值不在正常工作气压值标准区间内是则表明通过该位置的输送带工作异常。当出现上述的输送带工作异常时，通过实时检测的气压值相对于正常工作气压值标准区间的不同变化在监控系统中设置报警提示。实时检测的气压值超过正常工作气压值标准区间时表明该位置可能出现积煤或跑偏；当实时检测的气压值低于该正常工作气压值标准区间表明该位置的输送带出现裂口、老化等导致缓慢漏气；当实时检测的气压值瞬时变为0时，表明该未知的输送带出现刺穿、撕裂或断裂。出现上述的工作异常时数据监控软件通过带式输送机制动系统相连，可瞬时制动停止输送机工作。
1.3带式输送机实时监控方法
在前面的描述可知，要完成新型气压式撕裂检测装置，必须具备实时监控系统，无线组网传输能力，和报警指示及记录功能等。
把改装的输送带，每段称为一个节点，每个节点都有自己的实时监控及数据无线发射能力，如下图。首先每个节点都有自己的气压传感器和位置传感器，反应此段输送带的当前状态，再经过信号处理电路的滤波放大等得到一定的电压值，再送给AD转换，单片机控制其每隔一定时间转换一次，判断一次，与预先设定好的正常状态相比较，若超出范围则程序返回警报值，若在正常范围内则程序返回正常值。再把返回值和节点号经过预先规定的通信协议经过无线发射给终端（见图3）。
单片机可选择德州仪器的MPS430F系列，具有16位总线的带 FLASH 的单片机，具有统一的中断管理，具有片内硬件乘法器、两个 16位定时器、一个多路的 12位的模数转换器、一个看门狗、支持 8M 的时钟等。其可以在超低功耗模式下工作，对环境和人体的辐射小，可靠性能好，加强电干扰运行不受影响，适应工业级的运行环境。综上特点其具备了16位定时器和自带12位AD，完全满足此装置实时性要求，其内部看门狗和高可靠性，给装置增强了稳定性（见图4）。
图4节点检测流程
由于每个节点距离短，节点量大，所以综合考虑在一个输送机组内的节点选用zigbee技术进行无线组网。Zigbee是一种新兴的短距离、低功耗、低复杂度、高可靠性的无线网络技术，在整个网络范围内，每一个Zigbee网络数据模块之间可以互相通信，且具有自动组网功能，并且每个网络节点不仅本身可以数据采集，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料。Zigbee具有高可靠性，从很多方面为系统提供保障。物理层采用直接扩频技术，能在一定程度上抵抗干扰；应用层具有应答重传功能；MAC层的CSMA机制使节点在发送前先监听信道，从而起到避开干扰的作用；当Zigbee网络受到外界干扰无法正常工作时，整个网络可动态的切换到另一个信道上。从而保证了一个带式输送机网络的稳定性。
基于Zigbee的优点装置选用TI公司新一代SOC芯片CC2530，此芯片系统解决方案，支持IEEE802.15.4/Zigbee/Zigbee RF4CE标准。支持最新RemoTI的ZigBee RF4CE协议栈，以简化开发，允许芯片无线下载/空中升级；支持系统编程。此外其结合了一个完全集成的高性能的RF收发器。
考虑到每个带式输送机距离较远，井下工作环境情况，每个输送机网络必须有一个接收终端，把这个机器的Zigbee网络上的状态数据接受并以有线的方式发送到以太网上去，供远端PC机进行监控（见图5）。此终端可以增加自己的状态显示，报警输出等功能，方便机边工作人员及时发现。当然此终端有着控制带式输送机的功能，当检测到报警节点时，立即停机。
图5新型气压式撕裂检测装置连接以太网示意图
每个带式输送机终端负责整机Zigbee网络所有节点的数据接收，同时把所有数据按规定协议组织好通过以太网发送到远端PC机上，以方便远程查看和记录，可选择Arm9处理器来完成这些工作，介于工作环境的要求可选择了工业级标准的ATMLE公司的AT91SAM9261S。终端可布置LCD控制显示，以图形方式显示当前输送机的各个节点当前状态。
为了更好的实现网络传输和实时监控，监控系统可采用多任务、多用户的Linux的操作系统，此系统不仅提供了TCP/IP和网络数据库的支持，而且还包括了丰富的网络服务。这样可以使装置在网络稳定性大大提高。
2装置特点
本装置在带式输送机输送带上连续分段设置充气气囊，并在充气气囊内设置微型气压传感器和微型位置传感器，利用局部Zigbee无线组网发射接收数据，通过接收检测的气压值数据与正常工作气压值标准区间比较判断完成实时监控。本装置不仅当输送带出现刺穿、撕裂或断裂的等突发事故时第一时间报警并制动，而且可以判断输送带是否出现跑偏、打滑、积物等其他输送带常见问题。本装置不仅克服了以往带式输送机输送带防撕裂检测装置的功能单一性问题，而且实现了检测的及时准确。
参考文献：
[1]张安宁，苏畅. 带式输送机防纵撕超前保护技术[J].煤炭科学技术，2008（10）：59-60.
[2]顾凯，陈伟，汪大春. 输煤皮带机皮带撕裂检测装置的设计[J]. 设备管理与维修，2010（5）：34-37.
[3]任晓德. 胶带机纵向撕裂综合保护系统研究[J]. 山西冶金，2012（1）：69-71.
[4]张安宁，尹中会.带式输送机防纵撕保护研究现状及趋势[J].煤炭科学技术，2007（12）：77-79.