煤矿全皮带运输集控系统的设计

中文题目煤矿全皮带运输集控系统的设计外文题目DESIGNOFCOALMINEFULLBELTTRANSPORTATIONCENTRALIZEDCONTROLSYSTEM毕业设计（论文）共57页（其中外文文献及译文7页）图纸共2张完成日期2015年6月答辩日期2015年6月摘要皮带输送机作为一种连续输送物料的搬运机械，主要用来输送块状、粒状和散状的物料，被广泛应用于现代工业生产。但是在连续运行中，往往会出现过热、跑偏、撕裂、堆煤、火灾、打滑等故障，给工业生产带来不便和损失，甚至会造成人员伤亡。针对煤矿皮带运输系统运行距离长、站点多、运行参数多等特点，可以使多条皮带实现互联互通与资源共享，协调综合应用，最大程度的避免人力及物力资源的浪费，达到减人提效的目的。本设计是以泗河煤矿为背景，结合工程实际，为泗河煤矿西巷井下全部四条皮带而设计煤矿皮带运输集控系统。该系统未设计之前各条皮带功能相对独立，很难做到协调工作，容易造成安全事故。该系统以PLC为核心，代替了传统的继电器控制系统，通过传感器监控皮带的各种信息，把传感器信号传入PLC，经过一系列的处理、判断，控制皮带的启停，使得皮带能够一直运行在合理状态。从而实现了井下皮带的集中控制、单独控制、传感器实时数据传输与及时报警，进一步提高了井下生产的可靠性和安全性。关键字皮带运输机；PLC；集控系统；传感器ABSTRACTTHEBELTCONVEYERISAKINDOFCONVEYINGMACHINEFORCONTINUOUSCONVEYINGMATERIAL,WHICHISMAINLYUSEDFORCONVEYINGMASSIVE,GRANULARANDBULKMATERIAL,ANDISWIDELYUSEDINMODERNINDUSTRIALPRODUCTIONBUTINCONTINUOUSOPERATION,OFTENAPPEAROVERHEATING,DEVIATION,TEARING,HEAPCOAL,FIRE,SUCHASSLIPPINGFAULTTOTHEINDUSTRIALPRODUCTIONBRINGSINCONVENIENCEANDLOSS,ANDEVENCAUSECASUALTIESACCORDINGTOTHECHARACTERISTICSOFCOALMINEBELTTRANSPORTSYSTEMFORLONGDISTANCE,MULTISITE,OPERATIONPARAMETERSANDCANBEMULTIPLEBELTTOACHIEVEINTEROPERABILITYANDSHARINGOFRESOURCES,COORDINATIONOFCOMPREHENSIVEAPPLICATION,THEMAXIMUMTOAVOIDTHEWASTEOFMANPOWERANDTHEPHYSICALRESOURCERESOURCESANDTOINCREASETHEEFFICIENCYTHISDESIGNISINSIHECOALMINEASTHEBACKGROUND,COMBINEDWITHTHEPRACTICALENGINEERING,SIRIVERCOALXIXIANGUNDERGROUNDALLFOURBELTDESIGNEDCOALMINEBELTTRANSPORTCONTROLSYSTEMTHESYSTEMISNOTDESIGNEDBEFOREEACHBELTFUNCTIONISRELATIVELYINDEPENDENT,ITISDIFFICULTTOCOORDINATEWORK,EASYTOCAUSEACCIDENTSTHESYSTEMWITHPLCASTHECORE,TOREPLACETHETRADITIONALRELAYCONTROLSYSTEM,THROUGHVARIOUSKINDSOFINFORMATIONOFSENSORSTOMONITORBELT,THESENSORSIGNALTOBETRANSMITTEDTOTHEPLC,AFTERASERIESOFPROCESSING,JUDGING,BELTCONTROLTHESTARTANDSTOP,THEBELTHASBEENABLETORUNINAREASONABLESTATEINORDERTOREALIZETHECENTRALIZEDCONTROLOFTHEUNDERGROUNDBELT,THESEPARATECONTROL,THESENSORREALTIMEDATATRANSMISSIONANDTHETIMELYWARNING,ANDFURTHERIMPROVETHERELIABILITYANDSAFETYOFUNDERGROUNDPRODUCTIONKEYWORDSBELTCONVEYERPLCCENTRALIZEDCONTROLSYSTEMSENSOR目录1绪论111设计背景112国内外设计现状1121国外设计现状1122国内设计现状213设计内容2131主要问题分析414设计功能要求42运输集控系统相关原理与方案选择521应用系统原理与分析522运输集控系统的设计要求523PLC控制系统的特点7231PLC控制系统与继电器控制系统的比较7232PLC控制系统与单片机控制系统的比较724系统方案确定825PLC概述及其组成8251PLC的基本结构组成9252PLC的工作原理1026皮带集控系统控制功能的设计1127皮带集控系统保护功能的设计1228皮带运输集控系统结构图163系统的硬件系统设计1731皮带集控系统主控制器的设计17311系统电控箱及其部件17312皮带集控系统模块选型19313输入输出点数的确定2032传感器的设计21321传感器的介绍21322传感器的选型2233变频器的设计27331变频器的介绍27332变频器的选型274系统的软件系统设计2841STEP7软件简介2842I/O地址分配2843控制程序的设计3144皮带的保护程序设计335技术与经济分析406结论41致谢42参考文献43附录A译文45附录B外文文献491绪论11设计背景我国属于油少煤多的国家，煤炭在我国能源消费结构中占7126；煤炭资源与石油、天然气相比储量和产量都是最大；在核电、水电、风电等新能源规模太小而无法满足国民生产生活的情况下，煤炭仍将是以后的主要能源。在我国大多数煤矿井下，煤炭从采煤面到提升井的运输都是通过皮带机实现的。带式输送机是一种输送松散物料的主要设备，因以皮带、胶带作为载物面也叫做皮带运输机、胶带运输机。其具有输送结构简单、能力大、投资费用相对较低以及维护较方便等而被广泛应用于码头、港口、冶金、热电厂、水泥厂、露天矿和煤矿井下的物料输送。皮带运输系统运行情况的好坏将会直接影响煤矿的生产效率，这就对皮带运输集控系统的性能要求逐渐提高。皮带式运输系统的线路长、环节多且和运煤设备配套组成，即使运煤线路个别环节出现故障，都会使采煤工作面及其它工作地点的工作陷入停顿。由于我国生产力水平发展不均衡，现在还有较多的中小型煤矿在矿井皮带控制系统方面采用的设备和安全保障水平比较低，煤矿井下环境恶劣，皮带运输机经常出现跑偏、打滑、堆煤、皮带燃烧等故障，这不仅影响煤矿产量，也给煤矿井下工作人员的安全带来巨大威胁。虽然现在多数的矿井已经配备各种各样的综合保护系统，但仍会因为集中控制能力的有限、监控与管理的不合理以及保护系统的稳定性差等不利因素，严重影响了煤炭管理水平和生产效率，有时甚至会造成生命安全隐患。皮带运输系统正常可靠运行需要建立一个功能完善的皮带集控系统，该系统可以改善旧系统生产效率低，安全性能差等缺点。同时，使皮带运输系统的控制系统与其他系统相结合，互联互通与资源共享，讲究资源统一管理、协调综合应用，最大程度的避免人力及物质资源浪费，达到减人提效的目的。要始终保持皮带运输系统良好稳定的运行工作状态，这使得对皮带运输系统的性能以及其保护控制要求也就越来越高。因此，设计一个性能可靠稳定，联保、互保、可靠性以及集中控制的能力强的综合矿井皮带集控系统，成为煤矿企业的迫切需求，对促进煤矿现代化建设具有重要意义。12国内外设计现状121国外设计现状经过多年发展，国外的皮带运输系统，尤其是煤炭相关企业，其管理与控制的理论、功能与技术更为先进。目前，国外输送机的技术主要向以下方面发展1功能多元化、应用范围不断扩大；2技术与功能向高带速、长距离、大运量等大型方向发展；3关键零件向低耗能、高性能、高可靠性、等方向发展。800多年的煤炭工业历史，使英国较早地发展了煤矿自动化，将计算机、通信等技术投入到煤矿集控系统中。20世纪70年代末，他们通过计算机集控系统的程序，将皮带输送机能力、通风、劳动力配备、给煤机能力、煤仓容量、工作产量等一系列信息进行计算控制，模拟输出，集中调控。同时，对运输系统中的皮带带速、皮带张力、安全系数等进行保护与监测其系统具有以下特点集中化，高效率，重环保，高度机械化，主井尽量采用斜井皮带输送机连续运输以及保护，普遍实现了井下皮带输送机的集中控制。与此同时，皮带集控系统结合破碎技术还在金属露天矿得到了比较广泛的应用，并取得了较好的经济效果。上世纪50年代末，皮带运输工艺首先应用在德国的石灰石矿，70年代开始，美国、加拿大、南美、原苏联（乌克兰、俄罗斯）等地区和国家的大多数金属露天矿开始普及，如美国的西雅里塔露天铜矿、宾厄姆露天铜矿、南非的锡兴露天铁矿等。122国内设计现状目前，我国矿用长距离、大功率皮带运输机理论研究、关键技术与新产品研发都取得了突破。国内带式输送机主要向以下几方面发展新型的启动技术；新型的制动技术；输送机的张紧技术；上下大倾角运送技术；运人技术；可伸缩皮带机尾移技术等等。但与国外先进技术相比，国内相关技术仍然无法满足煤矿生产需要。当然，国内研究皮带输送系统的保护装置与系统也越来越多。13设计内容本课题是在工业自动化控制快速发展的大背景下，对泗河煤矿井下四条皮带集控系统的升级改造。在该系统未使用之前，泗河煤矿井下的皮带运输系统还没有配备相应的皮带集控系统，井下皮带运输作业时，每条皮带机头都配有专职人员进行皮带的启动，停止操作。相邻皮带人员之间的信息交流通过矿用电话和点铃来实现的，在井下嘈杂的环境里，通信效率非常低，工人可能错过很多有用信息。每条皮带还配有两到三名巡查人员，在皮带运行时进行故障排查。当发现皮带出现故障巡查人员要及时通知机头操作人员，机头操作人员再通过矿用电话或点铃通知其他机头操作员，使皮带依次停止。皮带系统所处环境恶劣且本身结构复杂，牵扯的器件比较多，所以容易出现很多故障，例如皮带巷内烟雾粉尘浓度过高；皮带打滑；皮带运行时跑偏；滚筒超温；煤炭装卸点堆煤；电机电流、电压异常等。这种完全依靠人工监控的方式既需要大量人力资源又不能对皮带进行及时有效的监控。本设计主要分为硬件系统设计和软件系统设计两个方面内容。首先，搭建了皮带集控系统的整体框架，并安装各种需要的传感器，如温度传感器、烟雾传感器和速度传感器等。跑偏传感器和堆煤传感器，速度传感器后面接F/V转换模块把原有频率信号转换成电压信号。其次，完成硬件接线工作，再设计PLC的控制和检测程序，使用上位机运行整个系统，可以实现各种控制和保护。本设计包括以下主要内容1对煤矿皮带运输集控系统相关原理及构成进行简单介绍。然后进行方案选择，比较继电器控制，单片机控制以及PLC控制的优缺点，最终确定设计方案。2对系统进行硬件系统的设计，包括主控制器、传感器、变频器等。针对检测不同故障所选用的相应传感器以及选择合适的变频器。3对系统进行软件系统的设计，包括STEP7软件，I/O地址分配以及相关保护程序的设计。该系统使用西门子公司S7200系列PLC，运用STEP7软件编写皮带集控系统的程序。程序分为两部分，一是控制部分，该部分实现皮带机的启动和停止，可实现三种工作方式运行检修方式、近控方式、远控方式，三种方式可以随时切换；二是保护部分，具有以下检测功能跑偏、急停、烟雾、堆煤、温度、打滑等，当皮带出现以上任何一种故障时，相应传感器发生动作，将故障信号传到PLC，经软件判断和控制来实现停机保护。131主要问题分析该系统在设计的过程中遇到很多问题，主要难点如下1为监控皮带机是否正常运行要为每条皮带配备相应的检测设备，井下环境复杂对传感器要求比较高；2泗河煤矿开采时间较长，每条皮带约800米左右，四条皮带同时作业，每条皮带巡查人员巡查一次大概需要半小时，由于时间过长可能出现漏检的情况；3机头操作人员对整条皮带机的运行参数没有整体了解，而且当巡检人员发现故障也不能及时反映到机头，容易使故障持续恶化，对皮带产生损害，不仅耽误生产更有可能导致人员的伤害；4相邻皮带机之间的控制通过矿用电话或点铃打点的方式，该方式不能及时准确表达操作人员的意图，容易产生误操作，进而影响生产效率。14设计功能要求为保证煤矿的高效高产，达到节能增效的效果，以集控室控制为主，就地控制为辅为主要思路，本皮带运输集控系统须具备功能如下1实现地面集中监测与控制整个运输系统，并完成对所有设备的操作与调度；2保留每台设备的就地单机操作功能，做好预防事故措施；3达到工业自动控制效果，能够进行无人值守的生产作业；4对所有相关设备、工序的生产与安全参数等进行实时监控，并保留数据；5实现皮带的稳速运行，启动时低压，匀速达到给定值。2运输集控系统相关原理与方案选择21应用系统原理与分析皮带运输集控系统主要由控制系统和保护系统两个组成部分，主要集煤炭运输、故障监控、设备保护等于一身，对皮带运输集控系统进行实时监控和报警，为建设智能化、自动化矿井带式皮带系统奠定基础。针对煤矿皮带运送煤炭等物资中的运行工况、环境参数、供电参数、设备状态、工作方式等进行监测，并进行集中控制，最终实现皮带运输的无人值守。皮带集控系统实时采集现场数据信息，并将运行数据传送给调度室监控上位机系统设计要求既能够独立运行，也可以接入煤矿自动化综合系统平台。本系统将检测和监控功能有机地结合为一个整体的系统，达到采集数据快捷，传输信息高效的效果，保障各层次之间的通信稳定、可靠。在确定系统总体功能的基础上，建立系统功能框图如21所示。图21皮带集控系统功能框图FIG21THEFUNCTIONALBLOCKDIAGRAMOFBELTCONVEYORCONTROLSYSTEM系统基于计算机、通信网络、自动化、工业控制等技术，运用传感器对以皮带机为核心的运输系统设备进行保护。传感器将采集到的设备与系统的运行工况参数（如跑偏、撕裂、堆煤、温度、速度等）通过工业控制总线通信技术，反馈给以PLC为核心的工控机进行数据处理。之后下达的操作指令，又逆向传输，通过上位机PLC现场设备的顺序，完成对设备的动作，最终实现系统的实时监测与自动化集中控制。22运输集控系统的设计要求考虑到煤矿的现场条件并结合其实际应用需求，在对泗河煤矿皮带集控系统设计开发过程中，根据成熟、稳定的集控思路，采用先进的技术与设备，完成系统方案的设计与规划。以下是系统设计基本要求1可靠性对与工业控制系统，特别是监控要求连续不可间断，系统可靠性是安全生产重要保障；2先进性采用先进的技术和设备，保证系统的功能强、性能优，运行可靠，在技术、控制、管理方面居国内同行业最先进水平；3可扩展性系统硬件与软件配置及系统结构具有前瞻性。不但能满足当前需要，并且经过有效扩展与升级仍然能发挥作用；4实时性鉴于运输系统对于煤矿生产安全的重要性，必须保证系统对皮带运输系统工况的监测参数具有的完全的实时数据处理能力；5可管理性整个系统的设备应易于管理，故障率低、易于维护，操作简单易学，而且便于进行系统构建，在设备安全、信息数据、性能等方面得到有效地监视和控制，并可以进行远程管理和故障诊断；6高性价比尽量坚持性价比最优的原则，在进行系统结构设计和设备选型时做全面比较分析，从而使得系统结构、设备选型、系统整体性能具有高性价比；7灵活性系统总体设计便于工程的分步实施，确保系统按期投入正常生产；8安全实用性系统设计所采用的技术和设备都应符合业界的标准，具有开放性和标准化的性质，能实现系统与矿井自动化系统无缝集成1系统设备必须要符合煤矿安全规程有关要求；2控制系统中相关设备必须具有国家煤矿安全标志“MA”和煤矿防爆标志“EX”；3系统具有煤仓物位显示、皮带故障保护及控制功能。23PLC控制系统的特点在国内矿井皮带机运输集控系统控制方式主要有以下三种继电器控制系统、单片机控制系统、可编程序控制器控制系统即PLC控制系统。231PLC控制系统与继电器控制系统的比较PLC控制系统和继电器控制系统相比具有以下几个特点1可靠性高、逻辑功能强、性价比高。PLC采取了一系列软件和硬件的抗干扰措施，传统继电器控制中使用大量的时间继电器、中间继电器。由于触点较多，容易出现很多故障，PLC用软件中软继电器代替大量中间继电器和时间继电器，仅剩下少量的与输入和输出有关硬件，触点故障和接线故障大大降低而PLC采用存储器逻辑，其控制逻辑以程序方式存储在内存中，每个软继电器的触点数在理论上是无限的，其灵活性和扩展性很好。而且与相同功能的继电器控制系统相比，使用PLC可以省下大量继电器和其他配件，而且体积较小占用开关柜空间小，可以节省费用。2系统的硬件系统设计简单、软件编程易学易懂。PLC硬件配套齐全，产品已经标准化、模块化。用户可以根据工程需要灵活方便地进行硬件配置，以实现不同的功能、搭建不同规模的系统。PLC编程语言中梯形图是一种按照顺序控制的设计方法，与电器控制系统电路图很相似，具有易懂直观的优点，很容易被掌握。功能相同的PLC控制系统与继电器控制系统相比，梯形图耗时比继电器系统耗时要少得多。3煤矿井下环境复杂多变，对系统的要求可能要随之变化。继电器控制系统要改变控制功能，就必须要改变硬件接线。而PLC控制系统只需要对程序进行修改，体现PLC控制系统的灵活性和方便性。4PLC控制系统具有网络通讯功能。PLC控制系统可以通信联网，实现分散控制，集中管理。232PLC控制系统与单片机控制系统的比较单片机作为一种集成电路芯片具有低功耗、价格低廉、使用方便等优点。以印刷电路板（PCB）为基础，将单片机与其它芯片、器件等组合在一起，设计相应的软件，最终构成控制系统。单片机被广泛应用于数据采集和工业控制方面，用以实现各种测试和控制功能。PLC是建立在单片机基础之上的产品，为工业环境使用的通用控制平台，使用者进行简单的二次开发就能达到控制目的。PLC与单片机相比有以下特点1PLC比单片机更容易掌握使用单片机构建控制系统时，对操作人员要求比较高，必须同时具备一些计算机硬件和软件知识。对一些电气工作人员来说平时只接触到控制操作，这需要花费很长一段时间对单片机的知识进行系统的学习才能掌握。PLC控制系统中硬件设计简单；程序设计方面，采用的多是电气人员易懂的梯形图、功能图等。只要熟悉PLC的简单指令及操作方法，不需要学习复杂的计算机知识，就可以搭建PLC的控制系统。2PLC比单片机可靠煤矿井下环境复杂，电气设备较多，有许多电磁干扰。单片机在工业控制方面主要缺点就是抗干扰能力差。而PLC是专门为工业现场环境中的自动控制而设计，在设计及制造的过程中已经采取一系列软件和硬件的抗干扰措施，具有非常强的抗干扰能力，现在PLC己被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。24系统方案确定通过对以上三种设计方案的对比，我们发现PLC控制系统，相比于继电器控制系统，其性能可靠，接线简单，易于维护和改造。和单片机控制系统比，它硬件简单，编程容易上手，方便掌握，抗干扰能力强。综上所述，本次设计应选择PLC控制系统更为合理，根据上述情况本系统选择西门子S7200系列PLC，其设计紧凑，价格低廉，并且具有良好的可拓展性以及强大的指令功能。本文针对泗河煤矿皮带集控系统现有诸多缺陷，设计了一套基于PLC的皮带运输集控系统，从而实现对井下四条皮带进行检修、近控、远控三种不同方式的控制，同时具有皮带跑偏保护、烟雾检测、速度检测、滚筒温度检测、急停闭锁、故障报警等保护功能。该集控系统共四套PLC，每一套PLC控制一部皮带。并且通过PROFIBUS过程现场总线网络组成一套完整的皮带运输集控系统。皮带出现任何一种上述故障时，相应的传感器就会将故障信号传送给PLC，实现皮带的停机保护，而且主机屏幕和上位机也会显示相关皮带的故障类型及故障地点。实现对四条皮带机运输的监测和控制一体化，减少操作人员的数量和减少了操作人员故障处理时间，降低了事故率，提高了经济效益和生产效率。25PLC概述及其组成PLC即可编程逻辑控制器，是整个集控系统的核心，是一种为在工业环境应用而设计开发的数字操作运算的电子系统。伴随着通信网络技术、计算机技术、微处理器技术、自动控制理论以及半导体集成技术的快速发展，PLC不仅能完成逻辑运算控制，还可以完成模拟量、脉冲量的算术运算，可以把它看做是专门为工业环境应用下而设计的执行数字操作运算的电子装置。它是在继电器控制系统的基础上演变而来的，PLC利用编程软件替代了原有的继电器的触点和线圈，改善了传统继电器控制系统体积庞大、功耗大、故障率高的缺点，大大增强了控制系统的可靠性。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，不仅能够完成逻辑运算控制，而且能实现模拟量、脉冲量的算术运算。执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟量输入/输出来控制生产过程，是工业控制的核心部分。251PLC的基本结构及组成图22PLC的基本结构组成FIG22BASICCOMPOSITIONSTRUCTUREOFPLC1中央处理器（CPU）PLC的中央处理器（CPU）由微处理器和控制器组成并集成在芯片内，可以实现数学逻辑运算，协调系统内部各部的工作。CPU通过数据总线、地址总线、控制总线和电源总线与输入输出接口、存储器、编程器和电源相互连接。2存储器PLC的存储器用于存放PLC用户程序、系统程序和运行数据。存储器单元由系统程序存储器和用户程序存储器两个部分构成，其容量的大小是衡量PLC性能的一个重要指标。PLC系统程序可以实现PLC的基本功能，是需要长期保存的重要数据，所以其存储器通常采用ROM。ROM存储器具有只能读出内容，不能写入内容，且非易失性等特点。用户程序存储器用来存放用户通过修改与调试后的程序，存放在可以进行随机读写操作的随机存取存储器RAM内。断电内容消失，常用高效的铿电池作为后备电源，寿命一般为35年。由于不需要再作修改与调试，所以用户执行程序就被固化到EPROM内长期使用。3接口1输入接口分为数字量输入接口和模拟量输入接口。数字量输入接口用于接收和采集由转换开关、行程开关、按钮、继电器触头等输入的开关量信号；模拟量输入接口接收现场连续变化的模拟量信号并将其转换成适合PLC内部处理的由若干位二进制数字表示的信号。2输出接口也有两种，分别为数字量输出接口和模拟量输出接口。数字量输出接口采用光电耦合电路向被控对象输出控制信号，常用来控制电磁阀、接触器、指示灯和报警装置等的通断电；模拟量输出接口将PLC运算处理后的若干位数字量信号转换为相应的模拟号输出，以满足生产过程现场连续控制信号的需求。3外围接口。可以通过它和图形显示器、编程器、打印机等相关外围设备相连，也可与其他上位计算机或编程控制器连接。4电源PLC的电源是把外部供应的交流电经过电源模块滤波、整合和稳压处理后，转换成为满足PLC工作需要的直流电源。不仅可提供多路独立的电压供内部电路使用，并且还可为输入设备提供标准电源，型号不同的PLC其供电方式也有所区别，PLC的电源输入电压既有5V、12V和24V直流电压，又有110V和220V交流电压。5编程器编程器作用是将用户编写的程序下载至PLC的用户程序存储器，并利用编程器检查、修改和调试用户程序，监视用户程序的执行过程，显示PLC状态、内部器件及系统的参数等。目前PLC生产厂家几乎都开发了PLC编程软件，实现了用计算机对PLC梯形图的直接编程，当个人计算机安装了PLC编程软件后，通过计算机可对已编程序进行模拟调试、修改、直至符合设计的要求。252PLC的工作原理PLC的工作方式就是一个不断循环的顺序扫描方式。运行时，首先清除I/O映像区内容，接着进行自我诊断，然后与外部其他设备进行通信连接，确认正常后开始扫描全部输入端口，获取并存储信号。再顺序执行程序，对输入信号进行运输后，再将结果输出给外部。每一个PLC程序，CPU都是从第一条指令开始，按顺序逐条地不断循环扫描用户程序直到最后一条。通常，PLC上电后会对系统进行一次初始化，包括软件初始化和硬件初始化，然后在运行状态（RUN）下开始进行扫描。一次扫描过程分为5个阶段自诊断处理阶段、通信处理阶段、输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段。PLC的循环扫描如图23所示。图23PLC扫描过程FIG23SCANNINGPROCESSOFPLC26皮带集控系统控制功能的设计1方式选择该系统可实现三种工作方式运行，检修方式、近控方式、远控方式。检修方式具有最高优先级，远控优先级最低。检修方式切换后，无需考虑其他运输皮带机的操作方式，本机即可直接进入检修方式运作。除切换至检修方式以外，必须保证四条运输皮带机都在停机、无故障的情况下才能进行方式切换。而在切换至近控或者远控方式时，必须保证四条运输皮带机都切换到了相同的方式后，才能正式在此方式下运行。三种运行方式在功能实现方面的主要区别如下1检修方式该运行方式实现单独控制本部运输皮带机的运转控制。在本部皮带机选择为检修方式后，本部皮带机的启动、停止以及各种故障信息引起的控制台语音报警都不会影响其他运输皮带机的运转情况。但本部的皮带机启动、停止、故障信息和运转方式仍会通信至其他站点。方便其他站点操作人员了解本站点的运转信息。2近控方式该运行方式实现井下操作人员对四条运输皮带机的联合操控，在四部中央控制柜都选择为近控方式以后，操作人员按下任何一条运输皮带机控制台启动按钮，都将顺序启动四条运输皮带机，当任意一条运输皮带机产生某种故障或者按下控制台的停止按钮时，都将触发系统的顺序停止操作，有效防止堆煤故障的产生。其中运输皮带机的顺序启动和停止时间间隔可现场修改。3远控方式该运行方式实现井上监控人员通过监控系统在监控室的远程操控。必须井下所有控制台都选为远控方式后，并且监控人员具有系统用户的授权后才可以实现井上控制功能。其实现的功能和井下近控方式相似，启动任意一部皮带机的启动按钮或者停止按钮都可顺序触发四部皮带机的启动、停止状态。实现对四部运输皮带机的联合控制。2控制操作当对系统进行启动操作后，四条皮带机按照先第一部皮带机，最后第四部皮带机的顺序依次启动，相邻皮带之间启动间隔时间可调。当对系统进行停止操作后，四条皮带机按照先第四部皮带机，最后第一部皮带机的顺序依次停止，相邻皮带之间启动间隔时间可调。当对系统进行闭锁操作后，控制台上除急停功能外都处于锁定状态。可以有效防止操作人员误操作情况的发生。再次按下此按钮，将解除按钮锁定状态。27皮带集控系统保护功能的设计1跑偏保护功能作为皮带系统常见的故障，跑偏是指在皮带输送机的运行过程中，由于各种离心力的作用使皮带纵向轴线脱离运输机的中心线，偏离到一边的现象。皮带机的跑偏会使输送带与机架、托辊支架相摩擦，造成边胶磨损，严重的跑偏会使输送带翻边。若在滚筒表面边缘有凸起的清扫器挡块、螺钉头等物，或机架的间隙过小，滚筒表面粘有煤泥，均有可能引起输送带的跑偏、纵向撕裂、划伤等事故。跑偏会导致输送机的事故停车次数增多，还可能引起物料外撤，使输送机系统的运营经济性下降，跑偏严重时，新安装的带式输送机3个月就能损坏一条新胶带。引起跑偏故障的原因大致有以下几点1皮带滚筒位置的偏离；2皮带安装时位置没有严格平稳地安放；3运行过程中煤炭或物料造成皮带受力不均匀。皮带跑偏不但会降低皮带的运行效率，还会损坏设备，缩短皮带寿命，甚至引起人员伤亡事故。本系统能够实时监控皮带机跑偏状况，防止出现跑偏情况导致皮带损坏。2堆煤保护功能堆煤，在煤炭生产中是指皮带机的胶带上堆积大量输送物料，特别是在机头、机尾以及转载口。堆煤会增加皮带电动机驱动的负载，导致传动滚筒空转，皮带打滑、跑偏、无法启动，电机堵转等，从而极大降低地皮带的使用寿命，影响皮带运输集控系统的稳定性，轻则停止运行影响生产，重则翻机头、断带和烧电机等，甚至引起火灾与人员伤亡，危害极大。引起堆煤的原因大概有以下几点1皮带机启动方式不当，使机头部位产生大量堆积；2大型块煤的阻挡卡位，煤粉煤杂累积；3突然停机，惯性导致煤炭堆积。当出现堆煤时，系统能够在最短时间能发出警报并停机，防止堆煤情况严重拉断皮带。3烟雾保护功能皮带运输中，由于皮带机长期运行，容易温度升高，加上胶带老化、空气与滚筒的煤炭粉或当发生打滑情况就更容易导致皮带机胶带起烟着火，诱发火灾。胶带超温过热，易损坏胶带，加剧胶带老化，缩短寿命。烟雾保护的原理是通过不间断检测胶带受热过程中或者皮带机周围环境产生的气体（如一氧化碳，二氧化碳）的含量。当检测对象气体浓度大于安全设定值，传感器随即发出伴随声光效果的报警信号，同时启动超温洒水装置，降低胶带温度。由此运营而生的的烟雾传感器主要用于煤矿井下检测和预报机械摩擦（如输送机等）、电气设备引起的电缆起火和煤层自燃等原因引起严重的火灾事故。系统能够实时监控皮带机头附近有无烟雾，烟雾一般产生于皮带打滑和滚筒摩擦，这样可以有效防止情况进一步恶化。4温度保护功能由于煤块、矸石、金属或者胶带错位等造成胶带被卡死，或者滚筒与胶带、轴节之间由于摩擦力过大从而产生很多的热量，同时设备散热不及，容易导致皮带系统火灾。过热的温度保护，通过温度传感器实现。通常将传感器设置在皮带机头与机尾处。它根据检测皮带机、主滚筒以及其他机电设备的温度，然后与设定值进行比较，输出温度与报警任务信号，从而对设备进行保护。系统能够实时监控滚筒温度，当温度超出运行值时发出警报并停机，防止皮带与滚筒之间摩擦起火。5超温洒水功能系统能够实时监控滚筒运行温度，当滚筒的温度过高或烟雾浓度过大时启动洒水功能防止情况继续恶化。6急停保护皮带运输系统通常都是长距离的皮带流线运输，皮带系统的问题或故障可以在任何时候，出现在其沿线任何地方。一旦发生故障和事故，必须尽快中断运行，找出并解决掉。急停开关就是针对其长距离的特点，为解决皮带沿线突发事故，安装于运输皮带的沿途的串联式触点开关。所以，一条皮带的任何急停开关，都能对皮带进行紧急停机，从而第一时间中断故障的再动作，保护设备与人员的安全，将事故的危害和损失降到最低。操作人员通过拉动开关，可控制输送机停车。在四条皮带沿线每150米安装一个拉线式急停开关，方便巡查人员在途中发现故障及时制止。7速度保护功能系统能够实时监控皮带机运行速度，在速度低于报警值时，皮带与滚筒之间产生摩擦，容易损坏皮带。8电机电流、电压保护功能系统还能实时监控电机的电流、电压，当出现超限情况时及时发出警报和停机，防止皮带机运行在故障状态中。9打滑保护皮带机运输的原理是利用皮带与滚筒之间的摩擦力进行物品的运送。当其摩擦力不足，不能实现滚筒与皮带的同步传动，从而发生打滑。皮带机打滑会引起皮带滚筒表面的温度骤然升高，造成皮带着火，严重时还可能造成煤料和瓦斯爆炸，同时，还会造成运输物品的洒落、皮带跑偏等事故。对皮带打滑的保护，一般通过打滑传感器或速度传感器，检测胶带运行速度和传动滚筒速度，把滚筒速度和胶带速度做比较实现的，超出设定范围就会输出故障信号，从而触动保护动作。10撕裂保护皮带机在运输煤炭的过程中，经常会出现胶带断裂、撕裂，这对煤矿生产来说是非常危险的。撕裂事故会引起停产换带、破坏皮带设备，还可能造成人员伤亡，运输系统瘫痪，进而造成严重的经济损失。导致皮带撕裂的原因大致有以下几点1滚筒打滑，皮带跑偏以及两侧的张力不均；2胶带被卡死，皮带机仍然高速工作；3皮带支架和托辊变形；4胶带受到物料砸伤或者划伤；5胶带老化。撕裂保护通常都是采用断带后物料下落触发传感器，从而发出控制保护信号，切断皮带机电源，停止系统运行，防止事故扩大。皮带沿线每200米安装一台语音报警器，在上述十条保护中任意一条出现故障都会产生声光报警，利于操作人员及时作出反应。28皮带运输集控系统结构图3系统的硬件系统设计31皮带集控系统主控制器的设计311系统电控箱及其部件该集控系统采用KXJ5/660型矿用隔爆兼本安型输送机用电控箱，电控箱负责控制皮带机并保持与其他站点皮带机通信，以及显示四条皮带运行状况和故障情况。电控箱外观如图31所示。图31电控箱外观图FIG31THEAPPEARANCEOFELECTRICCABINET1电控箱按钮功能控制按钮包括启动、停止、报警复位、故障复位、急停、近控/远控、检修、闭锁以及两个备用按钮。每个按钮功能操作解释如下启动按钮该按钮用于启动皮带机运行。在检修方式中必须保证本部皮带机没有故障、停止状态下，按下此按钮，才可启动本部皮带机。在近控方式下，必须保证四条皮带机都是近控方式、无故障、停止状态下，按下此按钮，四条皮带机按照先第一部皮带机，最后第四部皮带机的顺序依次启动。在远控方式中，必须四条皮带机都为远控方式，无故障、停止状态下，调度室内操作人员才能远程顺序启动。停止按钮该按钮用于停止皮带机运行。在检修方式中必须保证本部皮带机在运行状态下，才能停止本部皮带机运行。在近控方式中，必须保证四部控制柜都为近控方式，所有皮带机都在运行状态下，按下此按钮后，四条皮带机将按照先第四部皮带机，最后第一部皮带机的顺序依次停止四部皮带机运转。而当四部皮带机都为远控方式时，调度室的停止按钮也可按照上述顺序停止四部皮带机。报警复位按钮当本部皮带机发生电机电压过载、电机电流过载、前后滚筒温度超温，皮带机速度超速或者打滑，皮带机跑偏，急停开关闭合故障时，沿途的语音会发出皮带机故障报警提示。故障不消除前，报警提示不会停止。但按下此按钮可以在故障消除前停止语音报警。当下一个故障再次发生时，语音报警仍会重新触发。故障复位按钮当本部皮带机发生上述故障后，即使显示面板将显示对应故障错误信息。当故障消除以后，必须按下此故障复位按钮，才能保证系统继续无故障运行操作。如果故障不消除，按下此按钮没有效果。急停按钮该按钮为自锁按钮，按下后系统响应急停命令。在检修方式下，立即停止本部皮带机，而在其他方式下，急停命令发出后四条皮带同时停止。当皮带机停止以后，必须再次按下此按钮，复位急停按钮。近控/远控按钮该按钮用于近控/远控方式选择。在本部皮带机停止、无故障状态下，按下此按钮可实现本控制台近控方式和远控方式切换。但必须保证四部皮带机都为近控方式或者远控方式后，系统才能工作近控方式或者远控方式模式中。检修方式该按钮用于检修方式切换。当本控制系统处于其他控制方式时，按下此按钮，系统直接运行在检修方式中。闭锁按钮该按钮用于锁定控制台按钮操作。当按下此按钮后，控制台上除急停按钮以外都处于锁定状态。可以有效防止操作人员误操作情况的发生。再次按下此按钮，将解除按钮锁定状态。2液晶屏功能电控箱上部还有一块液晶屏，显示屏功能显示可分皮带运行部分和故障状态监视两大部分。如图32所示。图32液晶屏画面FIG32THESCREENOFLCDPANEL1皮带运行部分。该部分反映四部皮带机的运行状况。当某部皮带机运转或停止后，对应皮带机动画会有相应显示。每条皮带机下方的两个方框分别代表皮带机的运行方式和系统是否有故障。2故障状态监视此部分是显示屏所在皮带机各种传感器状态的实时监视。可以帮助工作人员迅速及时的掌握本部皮带机的运行参数状态。312皮带集控系统模块选型该系统选择国内应用较为广泛的PLC品牌西门子。开发一个系统选择PLC时要具体考虑以下这几个方面首先，根据系统规模大小选用何种规模的PLC；其次，统计系统输入输出（I/O）的点数，作为输入输出点数估算数据；然后，存储器容量的估算；最后，控制功能的选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等。西门子S7200是一种小型系列可编程逻辑控制器，能够满足多种自动化控制的需求，其设计紧凑，价格低廉，并且具有良好的可拓展性以及强大的指令功能。本系统用到了CPU模块，数字量输入模块，数字量输出模块和模拟量输入模块。1CPU模块S7200PLC中CPU224具有强大的逻辑运算能力，能够满足大多数用户的需求。2数字量拓展模块数字量I/O模块专门用于拓展S7200系统的I/O数量，用户通过选用具有不同I/O点数的数字量拓展模块，可以达到不同的控制需要，节约投资费用。每部皮带都有五个数字量输出，其功能分别为1控制电磁阀开关继电器；2控制声光报警器开关继电器；3控制语音提示开关继电器；4控制皮带机启动开关继电器；5控制皮带机停止开关继电器；3模拟量拓展模块在工业系统控制中，某些输入量如压力、流量、速度、温度等为模拟量，某些执行机构要求可编程控制器输出相应的模拟信号。313输入输出点数的确定皮带集控系统工作原理是根据传感器采集的信号，确定皮带机的运行状态和故障情况，再将传感器输出信号接到PLC的输入电路，把皮带机运行状态和故障处理与指示的控制信号接到PLC的输出电路。传感器的输出信号分为模拟量信号和数字量信号两类。所有模拟量和数字量的输入、输出点的占用情况如表31所示。表31I/O点个数TAB31THENUMBEROFI/OPOINT数字量输入模拟量输入数字量输出堆煤传感器1烟雾传感器1启动按钮1停止按钮1闭锁按钮1近控/远控选择按钮1检修按钮1故障复位按钮1报警复位按钮1温度传感器1速度传感器1电流变送器1电压传感器1跑偏传感器1急停开关1洒水装置电磁阀1故障报警1语音提示1电机启动1电机停止1本系统中模拟量信号有温度信号2路、电流信号、电压信号、速度信号、跑偏信号、急停信号；数字量信号有堆煤信号、烟雾保信号。除了传感器的数字量输入外还有一些主机箱上的控制按钮，例如启动按钮、闭锁按钮、停止按钮、近控/远控选择按钮、检修按钮、故障复位按钮、报警复位按钮。PLC的数字输出量有洒水装置的控制信号、电机启动停止控制信号、声光报警灯的控制信号、语音提示的控制信号。32传感器的设计321传感器的介绍传感器是一种把各种信息的感知、采集、转换、传输和处理的功能集于一身的装置。传感器是一种测量装置，具有信号获取的功能；它的输入量是某一被测量，可能是化学量、物理量，也可能是生物量等；它的输出量是某种物理量，这种量大多数是电量；输出输入有对应关系，且具有一定的精确度。传感器作为测量与控制系统重要组成部分，应满足快速、准确、稳定可靠的基本要求和以下几个必要的条件1输出信号与被测量之间具有唯一确定的因果关系；2输出信号能与电子系统、信号处理系统或光学系统匹配，适于传输、转换、处理、显示；3具有尽可能宽的动态范围、良好的响应特性、足够高的分辨率和信噪比；4对被测量的干扰尽可能小，尽可能不消耗被测系统的能量，不改变被测系统的原有状态；5性能可靠稳定，不受被测量参数因素的影响，抗外界干扰能力强；6寿命长，成本低，使用维修方便。322传感器的选型传感器在结构与原理上千差万别，要根据测量对象、测量目的以及测量环境合理地选择。传感器确定后，测量设备和方法测量也可以确定了。系统控制效果的好坏，一定程度上取决于传感器的选择是否合理。1根据测量环境和测量对象确定传感器的类型，煤矿井下环境复杂要求井下的机电设备必须符合国家相关的规定和标准。在上述问题考虑之后就能确定选用何种规格的传感器，然后再思考传感器的具体性能指标。2传感器的稳定性表现在经过长期使用其输出特性仍保持不变的程度，长期处于恶劣环境下工作的传感器，必须优先考虑其稳定性。一般考虑温度、湿度、电磁场等因素。3传感器的精度是传感器的一个重要性能指标，它表示传感器的输出量与被测量之间的对应程度。在一般的情况下，传感器测量精确度越高其价格越贵，这就要求在选用传感器时，要根据实际应用情况来选择。在本系统中皮带防跑偏保护、堆煤保护、滚筒温度保护、防滑保护、烟雾保护和自动洒水保护、急停保护等用到了各类传感器，下面大致介绍一下各传感器的原理及安装方式。1跑偏传感器皮带运输机跑偏是一种多发性的皮带机故障现象。其产生原因大致有以下几点滚筒两端附着大量煤炭产生倾斜；皮带两边载重不均；皮带运行过程产生振动等。皮带跑偏使得皮带上运输的货物倾洒到地面，造成环境污染和资源浪费；若是处理不当，更会对现场人员的人身造成伤害。该系统中跑偏传感器选用GEJ35型矿用本质安全型跑偏开关，适用于煤矿井下含有爆炸性气体和煤尘的危险环境中作为皮带输送机的跑偏故障保护。其技术参数如表32所示。表32跑偏传感器技术参数TAB32TECHNICALPARAMETERSOFRUNNINGDEVIATIONSENSOR环境温度1040相对湿度不大于9525时大气压80106KPA防护等级IP54触点容量DC24V，05A动作角度53复位方式自动复位触杆动作力20N100N接点形式一对常开，一对常闭动作方向双向动作极限角度不小于70传统的跑偏传感器就是一个行程开关，开关动作时产生一个数字量输入。本系统每条皮带机都近800M，皮带沿线需要安装四对跑偏传感器。对皮带跑偏检测时不只需要知道皮带是否跑偏还要大体确定在什么位置跑偏，这样才有利于巡查人员及时排查故障。所以本系统在传统跑偏传感器的回路里分别接入一个阻值不同的电位器，再将信号接入模拟量输入模块，通过测量阻值来确定是哪个位置的跑偏传感器动作。阻值范围如表43所示。表33跑偏传感器对应电位器阻值范围表TAB33POTENTIOMETERRESISTANCERANGETABLEOFRUNNINGDEVIATIONSENSOR对应跑偏传感器阻值范围1跑偏2跑偏3跑偏4跑偏48052098010201480152019802020跑偏传感器固定在皮带机托架上，每两个为一组，在其铺设点处用四通接线盒分线。将电位器固定在四通接线盒内，方便调试过程中调整阻值。跑偏传感器在系统中分布情况如图35所示图35跑偏传感器安装图FIG35THEINSTALLATIONDIAGRAMOFRUNNINGDEVIATIONSENSOR2堆煤传感嚣堆煤是指皮带运输机在井下工作时，因工作环境复杂、皮带机时停时开等原因造车皮带运输机皮带上堆积大量运输材料。导致堆煤现象产生的主要原因是皮带机启动方式操作不当，致使皮带机机头部位产生材料堆积，导致传动滚筒空转、皮带打滑，降低了皮带使用寿命或因摩擦引起火灾，影响皮带运输集控系统的正常运行。如果堆煤故障不能及时解决，轻则影响生产、损坏设备，重则造成人员的伤亡事故。本系统使用GUJ20型号矿用本质安全型堆煤传感器。适用于井下环境，监控卸载点、转载点的物料堵塞，接入PLC数字量输入模块，当堆煤开关检测到堆煤信号时，皮带输送机发出堆煤信号控制系统停机。其技术参数如表34所示。表34堆煤传感器技术参数TAB34PILEOFCOALSENSORTECHNOLOGYPARAMETERS触点容量DC24V，05A动作角度205复位角度105接点形式一对常开，一对常闭极限角度不小于70接触电阻闭合接触点的接触电阻不大于01触杆的动作力不大于98N3烟雾传感器烟雾传感器在皮带运输机环境中烟雾的浓度达到一定额度即超过报警阈值时，控制单元发出指令，根据皮带机的运行情况顺序停车。本次设计选用GQL01型