皮带机组在线监测与保护系统的设计与实现

肖 猛

（西山煤电集团西曲矿， 山西 古交 030200）

引言

皮带输送机是一种应用广泛的大宗散装物料大功率运输设备，其工作原理是由电动机带动滚筒，滚筒带动胶带转动，因此对于皮带机组的保护本质上是对电机的保护。传统的电机保护采用熔断器或者热继电器，实际工作中可能会出现熔断器熔断频率较高导致更换工作量大，甚至更换更大容量的熔断器，使其缩小了保护范围而出现电机烧毁的事故，热继电器存在性能不稳定和对电机启动失去保护等缺点。本文设计了一种皮带机组运行状态在线监测与保护系统，能够对皮带机组的振动、电压、电流、温度和转速进行监测，进而实现保护跳闸动作。

1 皮带机组在线监测与保护系统结构

目前市场上的电机保护系统产品很多，但是适用于皮带机组的选择较少且价格昂贵，针对现有保护装置监测参数不足、不能实现联跳保护、自动化程度低等现状，设计了如图1所示的皮带机组在线监测与保护系统结构。系统由上层皮带保护系统工控机、多串口卡、分机监测仪表和PLC组成，各部分之间通过标准通讯结构进行数据传输和遥控。检测仪表的数量根据皮带机组电机个数确定，其功能是通过五类传感器分别采集电机电流、电机端电压、电机转速、电机振动信号和电机温度，将采集的信息通过串口卡发送给工控机和PLC，PLC根据实际数据分析判断是否需要执行动作，以此控制各电机接触器，实现整个皮带机组的连锁保护功能[1-2]。

2 振动检测的理论基础

电机的很多故障前期都伴随着异常机械振动，因此皮带机组保护系统增加了对机械振动的检测。机械振动可以通过机械法、光学法和电测量法进行检测，机械方法和光学法分别适用于低频领域和测量标定领域，经过分析采用了电测量法即加速度传感器。

图1 皮带机组保护系统结构图

利用压电效应，压电式加速度传感器由两块压电陶瓷夹一块金属片构成，引出的信号线可输出与压电元件压力大小成比例的电信号。由于是电容性传感器，压电式传感器的阻抗很高，输出的电压很低，因此需配置专用的电荷放大电路如图2所示，放大电路的输出电压与电缆电容无关，与电荷成正比，传感器输出的电荷信号转换为电压信号，经信号调理电路滤波处理后再经ADC模块发送给控制器[3-4]。

图2 压电式振动传感器前置电荷放大电路图

用双头螺柱将压电式加速度振动传感器安装在需要检测振动的位置，双头螺柱的共振频率最高且检测频带宽，因此采用这种安装方式最为灵敏。电机上需要检测振动的位置应方便安装且靠近振动源，经过多次实践，选择了前轴、外壳和后轴分别安装能够取得较好的检测效果。

要想根据电机的振动信号判定故障类别系，首先应确定不同电机故障产生的振动的特点，振动分析采用FFT频域分析法。对于旋转机械而言，常见的故障大致有松动、偏轴和不平衡三种。地脚螺栓松动表现为整体振动，配合间隙过大表现为局部振动，松动故障的频域表现为非线性、高次谐波和奇数倍普峰；偏轴频域表现为多倍转动频动；不平衡的频域表现为单一而明朗的转子基频。通过对采集的振动信号进行FFT分析，可以根据上述特征判断出电机出现的故障。

3 控制系统的软硬件设计

3.1 控制系统的硬件设计

1）硬件结构。图1所示检测仪表是系统的主要装置，其可分为键盘显示器人机界面、主控制器和通讯接口板三部分，以主控制器为核心的硬件结构如图3所示。设置了2路温度通道、3路电压通道（分别监测ABC三相电压）、3路电流通道（分别监测ABC三相电流）3路振动信号通道（分别为前轴、外壳和后轴的振动监测点），这11路通道通过主控制器TMS320F2812的内置ADC芯片转化为数字信号进行处理。1路旋转编码器通道和6路外部数字量输入通道，分别为电机转速采样通道和输入输出继电器开关信号通道。通讯接口采用RS485通讯协议，此外还有键盘显示屏和7路报警数字量输出接口[5-6]。

图3 检测仪表的硬件结构

2）PLC系统设计。本文采用了欧姆龙公司生产的SYSMAC CPM2A系列PLC，这是一款独立处理器单元，配置了40个输入输出点，供电电源为交流220 V，信号电源为直流24 V，由于各监测仪表采集了系统所需的所有数据和信息且具有和外部通讯功能，因此PLC无需与其他设备进行数据通信，仅实现其基本输入输出功能，为系统运行的维护和故障查找提供了便利。

3）输入输出接口电路。为了满足皮带机组保护系统的开关量输入输出要求以及系统本身的扩展性，在设计I/O接口时保留了一定的裕度，一共设计了7路数字输出通道和6路数字输入通道，设计的I/O接口电路如图4所示。GPIOA0至GPIOA5为输入通道，GPIOA6至GPIOA12为输出通道，为了保护控制器不受外部干扰信号的影响，所有的开关量输入信号都经过光耦隔离，然后通过三极管驱动继电器的触头动作。

4）通信接口电路。主控芯片F2812自带两个串行通信接口UART，为了提高通信效率，节省CPU的工作量，FIFO空闲时，SCI采用双缓冲技术传输数据且具有独立的中断系统，支持全双工模式操作。监测仪表与上位机的通讯通过其中一个串口进行，采用RS485通讯协议，这种通讯总线可靠性高，工业应用十分广泛。由于上位机是计算机接口，RS485需要进行电平转换，为此专门设计了以MAX485芯片为核心的通信接口电平转化电路如图5所示[7-9]。

图5 RS485通信接口电平转换电路

5）模数转换接口和定时器。F2812自带一款输入范围0～3 V的ADC芯片，转换结果存放于16各结果寄存器中，转换后的数字值可以经下式计算。

系统的定时器功能通过F2812的时间管理模块实现，事件管理器在运动和电机控制领域应用十分广泛，本系统只涉及到1各通用定时器，定时器用来信号采集，当定时器计满125 μ s时间后，ADC才进入模数转换子程序。

3.2 控制系统软件设计

皮带机组在线监测保护系统的软件功能：系统初始化、中断定时功能、读取电机参数输入信号、人机交互、数据处理、输出控制等。为了实现上述功能，编写了系统主程序和相应模块的子程序。图6是控制系统的主程序，程序开始后首先进行DSP初始化，然后读取模拟输入信号、数字输入信号和电机转速，判断当前处理数据的状态，经过200 ms等待，处理按键和LED显示，然后依次执行继电器输出控制和通讯子程序。

图6 控制系统软件主程序

FFT运算子程序用来判定振动类型的故障，其子程序没有严格的实时性要求且只有振动幅值超过一定数值才执行，通过FFT计算得出8倍频以下的特征，结合表1可以得出故障类别。故障编码从01至04分别代表不平衡、平行不对中、角度不对中和松动。

表1 机械振动故障码判定表

4 结论

1）皮带机组在线监测与保护系统的设计，在实现电机电压、电流、温度等传统监测项目的基础上，增加了电机的振动监测，通过傅里叶分析能够进行简单故障诊断。

2）皮带机组在线监测保护系统提高了皮带输送机的安全性和可靠性，降低了运行维护人员的工作强度，提高了煤矿的自动化水平。