基于plc的胶带输送机监控系统设计

毕业设计姓名学号系别专业设计题目基于PLC的胶带输送机监控系统设计专题指导教师职称教授2010年4月毕业设计题目基于PLC的胶带输送机监控系统设计毕业设计专题题目毕业设计主要内容和要求以西门子S7300型PLC为核心，进行胶带输送机监控系统设计。要求开发出相关的综合监测与保护、手动与自动控制部分的界面程序，进行模拟量和数字量输入输出模块的选择，并设计出整个系统的综合保护和自动控制原理图；在硬件条件具备情况下，进行程序的调试和修改，以验证软件的正确性。另外，完成一篇与课题相关的3000字英文翻译。院长（系主任）签字指导教师签字中国矿业大学毕业设计指导教师评阅书指导教师评语（基础理论及基本技能的掌握；独立解决实际问题的能力；研究内容的理论依据和技术方法；取得的主要成果及创新点；工作态度及工作量；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）成绩指导教师签字年月日中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）成绩评阅教师签字年月日中国矿业大学毕业设计答辩及综合成绩答辩情况回答问题提出问题正确基本正确有一般性错误有原则性错误没有回答答辩委员会评语及建议成绩答辩委员会主任签字年月日学院领导小组综合评定成绩学院领导小组负责人年月日摘要为了保证井下运输系统可靠安全运行，对井下带式输送机进行集中监视和控制很必要。本文以枣泉煤矿主斜井胶带输送机为背景，采用了以PLC技术为核心的分布式控制结构，设计出控制一条皮带和一台给煤机的监控系统。监控系统由操作台和可编程控制器组成，操作台用来后台管理和实时显示运行信息，可编程控制器主要来完成现场信号的采集和实时控制。文中首先详细介绍了胶带监控系统的构成和应具有的功能，通过分析胶带输送机常见故障类型、故障检测传感器选型，确定监控系统的硬件结构；在此基础上采用S7300PLC对系统进行硬件和软件设计，其中包括PLC的模块配置及外部连线，梯形图程序设计；并以SIMATIC配套触摸屏组态软件PROTOOL为基础，开发设计了操作台监控显示系统；最后提出了以单个胶带监控系统为分站，建立由若干分站、地面总站及控制网络等组成的，针对胶带机群的监控系统思想。该监控系统在PLCSIM和PROTOOL中进行功能仿真，结果表明，系统功能比较齐全，在良好的环境中运行稳定、可靠，能够完成预定的任务，为矿井安全高效生产提供了保证。关键词胶带输送机；S7300；PROTOOL；监控系统ABSTRACTINORDERTOMAKESURETHATTHEBELTLINEOFWELLWORKSSECURELYANDRELIABLY,ITISNECESSARYTOMONITORANDCONTROLTHEBELTCONVEYORONTHEBASISOFZAOQUANMINEBELTCONVEYORFIXEDINITSMAINSLANTWELL,AMONITORINGSYSTEMAIMINGATONESTRAPANDSINGLESTAGECOALFEEDERISDESIGNED,ANDADISTRIBUTEDCONTROLLINGSTRUCTUREMAINLYBASEDONPLCISUSEDINTHESYSTEMTHEMONITORSYSTEMISCOMPOSEDOFOPERATIONFLATANDPLCTHEFORMERONEISUSEDTOCONTROLFLATANDDISPLAYRUNNINGINFORMATIONREALTIMEANDTHELATERONEISUSEDTOCOLLECTFIELDINFORMATIONANDCONTROLBELTREALTIMEINTHISPAPER,FIRSTOFALL,THEHARDWAREPARTSOFTHEMONITORINGSYSTEMISPARTICULARLYANALYZED,ANDTHENTHEGENERALFAULTTYPES,SENSORMODELS,SYSTEMCONNECTIONSAREALSOINTRODUCEDHARDWAREANDSOFTWAREOFTHESYSTEMSTATIONAREDESIGNEDWITHS7300PLC,INCLUDINGTHEMODULESETTINGOFPLCANDITSOUTERINTERFACEDWIRES,ASWELLASPARTSOFTHEMAINSOFTWARETHEMONITORINGDISPLAYSYSTEMISDESIGNEDBASEDONPROTOOLSOFTWAREOFTHESIMATICTOUCHSCREENATLAST,ANIDEAOFTHEMONITORINGSYSTEMINALLUSIONTOTHEBELTCONVEYORSISPROPOSED,ANDTHEFOLLOWINGPARTSINTRODUCETHISIDEASEPARATEDSTATIONSCOMPOSEDOFASINGLEBELTMONITORINGSYSTEM,GROUNDTERMINALANDTHECONTROLLINGNETWORKFUNCTIONALSIMULATIONINTHESIMTACSOFTWAREPLCSIMANDPROTOOLINDICATESTHATTHESYSTEMISSTEADYANDCREDIBLEANDCANFULFILLEXPECTEDTASKS,WHICHMAKESTHEMINESECUREANDEFFICIENTKEYWORDSBELTCONVEYOR；S7300；PROTOOL；MONITORINGSYSTEM目录1绪论111胶带输送机监控系统1111矿井运输系统1112胶带输送机监控系统112胶带输送机监控系统几种常见技术3121基于PLC的集中控制技术3122以系统中心站为核心的集中式控制结构4123基于PLC的分散控制系统及现场总线513论文主要工作62胶带机监控系统系统结构821课题背景822胶带输送机监控系统设备构成8221带式输送机8222CST软启动9223故障检测及保护11224PLC简述18225人机界面HMI203胶带监控系统硬件组态2231胶带监控系统控制功能2232SIMATICS7300PLC简介及模块安装23321SIMATICS7300PLC简介23322模块安装2433监控系统硬件组态25331供电系统设计25332CPU28333数字量模块选择及外部连接28334模拟量模块选择及外部连接32335模块地址分配334胶带监控系统软件设计3541系统程序结构3542系统软件实现36421控制方式的选择36422各种常见故障的诊断38423触摸屏设计415监控系统仿真及调试4551仿真软件4552监控系统仿真与调试4553监控系统网络建立47531工厂自动化网络结构47532监控系统网络的建立48总结50参考文献51附录53翻译部分56英文原文56中文译文68致谢781绪论11胶带输送机监控系统111矿井运输系统煤炭运输是煤炭生产过程中不可缺少的一部分。矿井中，运输线路比较长，巷道条件多种多样，运输若不通畅，采掘工作或是其它的工作都无法进行，整个煤炭生产系统将处于瘫痪状态。矿井运输机械的类型很多，按运行方式不同，可分为连续运行和往返运行两种。连续运行式运输设备的特点是，一经开动就不需操作而连续运行。普通胶带机、钢绳芯胶带输送机、钢绳牵引胶带输送机等均属于此类运输设备。往返运行式运输设备的特点是，在运行区间，以一定的方式，作往返式周期性运行，运行中需要操作换向。机车运输及单绳牵引运输等属于此类运输设备12。随着科学技术的不断发展，矿井生产规模的不断扩大，运输系统也经历了不断的变革和进步，并以煤流运输的连续化（输送机化），设备大型化（使用长运距、大运营、高运速、大功率输送机）、自动化、高可靠性与安全性能来保证矿井的连续、高效生产。正是在这种环境下，胶带输送机系统由于具有输送距离长、运量大、连续输送等优点，而且运行可靠，易于实现自动化和集中化控制，目前，特别是在高产高效矿井，它已成为煤炭开采机电一体化技术与装备的关键设备。112胶带输送机监控系统矿井胶带运输系统，是由多条胶带搭接或由煤仓转载形成的煤流运输系统，因此它内部的基本运输单元就是单台胶带机。在煤矿中，煤流运输一般在几公里到十几公里之间，因此它的运输系统要有多台胶带输送机、给煤机、煤仓等构成，协调配合完成长距离运输任务2。为保证运输系统的安全可靠，提高运输效率，对其进行完善的管理和监控是现代矿井煤流运输迫切需要的一项技术。在80年代，国内开始了煤矿监测监控技术的研究，至今已得到了广泛的应用和发展。随着新材料技术、电子传感技术、数字通信技术、控制技术、微计算机技术、软件技术和网络技术的迅速发展，监测监控技术从其通讯方式上划分，先后经历了三个阶段。第一阶段是每个传感器需一对传感线连接到地面的星型结构。第二阶段是在一对传感线上实现多路频率分割的载波传输。第三阶段是目前应用最多的中心站和分站之间的半双工时分总线方式。监测监控系统自中心站计算机向下，由接口装置、信号传输总线、井下分站和各类传感器、断电仪等组成。中心站计算机和各分站曾集散型积木结构。桌面部分有中心站计算机和交换机、交换机、集线器、双绞线、用户终端等组成实时快速100M以太网络或其它网络系统。目前国内KJ系列监测监控系统大都缺乏统一标准。这主要表现在通讯协议、分站、传感器和断电仪等设备外围接口方面；另外是监测监控系统软件。为适应现代工业控制的实际需要，工业组态软件的开发和使用将成为今后计算机监控系统软件的主流。组态软件具有良好的开放性、交互性和灵活性，用户可以继承性的开发。煤矿综合自动化监测监控系统和专家分析系统已成为一种发展趋势3。矿井胶带运输系统是原煤运输的唯一途径，是矿井生产的重要环节，因此它的安全高效运行受到很大程度的重视。由于矿井胶带运输系统分布广、信息分散以及控制要求高的特点，随着矿井生产规模的不断扩大，以及技术水平的不断提高，现代化矿井也需要现代化的管理，因此对胶带运输系统的控制和管理提出了更高的要求。科学技术的日新月异，使得用计算机技术、网络技术、新的工业控制器技术构建胶带输送机控制系统成为可能。胶带输送机监控系统是煤炭监控系统的一小部分，目前胶带输送机运行监控系统存在的主要问题有41在安全保护方面，为提高胶带输送机运行的可靠性，安全性，减少故障，提高效率，多种检测方法已应用于电动机、液力偶合器、减速器和胶带运行系统故障检测，但是这些系统是相互独立的。2故障检测系统误报率高。误报将造成胶带输送机不应有的停机，使全矿井停产，对矿井生产造成极大影响。3安全保护系统，软起动控制系统，自动张紧系统往往是独立的系统，信息不能共享，不能实现对胶带输送机的综合监控，更不能与矿井其它监控系统如矿井安全监控系统，矿井供电监控系统等连接，不能实现监控系统与矿井信息系统的集成。4在胶带输送机运行控制中，给胶带输送机配料的仓下闸门控制，长期以来一直只能由操作工人靠观察来手工调节，劳动环境恶劣，强度大，同时也成为胶带运输系统减员提效的瓶颈。国外煤矿监控技术是20世纪60年代开始发展起来的，至今已有四代产品，基本上510年更新一代产品。从技术特性来看，主要是从信息传输方式的进步来划分监控系统发展阶段。80年代是计算机、大规模集成电路、数字通信等现代技术高速发展时期。由英国煤炭研究院推出的MINOS系统软件应用成功。美国以其拥有的雄厚高科技优势，率先把计算机技术、大规模集成电路技术、数字通信技术等现代高新科技用于煤矿监控系统，使煤炭监控技术跻身于高科技之列。这就形成了以分布式微处理机为基础的第四代煤矿监控系统。其中有代表性的是美国MSA公司的DAN6400系统，其信息传输方式仍属时分制范畴，但用原来的一般时分制的概念已不足以反映这种高科技的特点3。12胶带输送机监控系统几种常见技术计算机技术、网络技术、新的工业控制器技术的出现及应用，使得矿井生产自动化得到了很好的发展，现代化的监控技术也应用到矿井监控系统中来。现在常见的矿井运输监控技术有以下三种类型4567基于PLC的集中控制技术、以系统中心站为核心的集中式控制结构和基于PLC的分散控制系统。121基于PLC的集中控制技术这种控制技术是直接对控制对象进行控制，此类型有两种形式，一种是用PLC直接对胶带机及给煤机等进行控制。这种结构的优点就是控制集中、直观、软硬件相对简单，投资少。但是它的控制范围小，只能对小型矿井或者相对集中的几条胶带输送机进行控制，同时由于控制的相对集中，致使输入输出点较多，所以连接线多而密集，增加了故障点。图121基于PLC的集中控制结构另一种结构是以PLC为核心，且配备了远程I/O点。它所有的控制功能集中由主PLC来实现，方便了程序的编制和修改分析。远程智能I/O的设置，一方面是避免了上面提及到的集中式结构的集中连接控制线，同时也增加了控制范围。但是智能远程I/O站没有独立运行的能力，正常工作完全依赖PLC设备A设备C设备B主机。一旦PLC出现故障或通讯中断都将造成系统瘫痪。因此，此种系统一般要求主PLC具有硬件冗余的双机热备，同时，通讯线也应具有双线热备功能。图122具有远程I/O的集中控制结构122以系统中心站为核心的集中式控制结构以系统中心站为核心的集中式控制结构是以工业控制计算机为核心，智能分站是由单片机构成的结构。这种结构在矿井监控系统中得到了广泛的应用。如我国自己研发的KJ1和KJ4系统，美国的DAN6400和FEMCO等。它的主要特点是采用了地面中心站分站传感器和执行器结构形式。分站具有独立工作能力，但主要承担信息采集、数据预处理、数据传输以及简单的控制任PLC远程I/O设备远程I/O远程I/O设备设备中心工业控制计算机智能分站传感器、执行器传感器、执行器传感器、执行器智能分站智能分站图123以中心站为核心配带智能分站的集中控制结构务，而大量的任务是需要由中心计算机集中处理完成。这种结构的重心是中心计算机和通讯信道，但一旦出现故障，将导致整个系统瘫痪；其次，系统的数据存储空间小，响应时间慢，不利于实时控制。因此这种结构在煤矿一般主要用于环境的监测，对实时性要求、可靠性要求较高胶带运输系统，一般为了避免重要故障的发生，不考虑使用，但是也有应用。123基于PLC的分散控制系统及现场总线随着计算机技术、网络通信技术和过程控制技术的发展，自动化技术的不断兴起，控制要求的日趋复杂，工业控制系统向着分布式控制系统不断发展。分布式控制技术的主要思想是把复杂的对象划分为若干子对象，然后用局部的控制器作为现场级，直接作用到被控对象，上级是操纵各局部控制器的协调控制器，它使各子系统协调配合，共同完成系统的总任务。下图是矿井胶带运输系统分布式控制的两极结构模型。图124分布式控制结构分布式控制系统中，各PLC控制分站是通过现场总线网络接口连接在一起，PLC控制分站具有独立工作能力，可自主完成既定的任务，如数据采集、处理、监视、操作和控制等。这一针对性对矿井胶带运输系统来说，就是每条胶带输送机设置一个PLC控制分站，独立自主完成对单条胶带输送机的控制、显示和操作。这一特点首先是解决了系统的分散问题，空间分布多协调控制中心站PLC控制分站1生产过程1生产过程2生产过程3PLC控制分站2PLC控制分站2矿局域分支的矛盾。由于分站的监控对象是单条胶带输送机，可以将分站设置在驱动部件信息较为集中的地方，这样站点和控制对象的距离较近，节约了信号电缆，减少了传输损耗，减轻了电磁干扰，简化了传输手段和抗干扰措施，提高了可靠性，节约了投资。同时，单机电控能满足监控信息量大和复杂的控制要求。在此系统中，各分站是通过现场总线通讯网络传送各种信息，由中心站协调工作。中心站是由工业控制计算机为核心构成的，以完成控制系统的总体功能和优化处理。这个特点保证了胶带运输系统运行连续性和合理性。总的来说，就是控制各胶带分站，通过网络传递各种信息，由集控中心站使得各胶带输送机的运行得到统一的集中管理，从而使运行更加合理。中心站还可以与矿局域网连接，作为企业网的一个节点，向总部发送或接受各种信息。由于矿井生产能力、地理条件、采掘、运输和提升方式的不同，矿井胶带运输系统的组成存在很大的差异。同时由于工作面的迁移，使得采区、顺槽等分支经常变更，只有采用积木式控制系统结构，才能满足运输系统在规模、结构上的差异，才能满足分支系统经常变更的需要。由于各分站可以独立地完成对单台胶带输送机的控制、显示和操作，集控中心站又能集中管理、显示和操作，这种结构能适应运输上的集中、管理上分块的管理体系。因此，矿井胶带运输系统采用分布式结构是合理的，它通过功能分散、危险分散，提高了矿井胶带运输系统的可靠性。由于采用了分级分布的控制方式，解决了整个运输系统控制对象比较分散的矛盾，从而使整个控制系统更加安全、可靠。现场总线是整个分布式控制系统的核心和关键。现场总线技术的不断发展和完善使得控制的实时性、可靠性、安全性将得到极大的提高。现场总线是连接现场装置与控制室之间的全数字式、开放的、双向多点通信数据的网络总线，它按国际标准化标准提供网络服务。现在广泛使用的现场总线有以下几种FF基金会现场总线、PROFIBUS现场总线、WORLDFIP现场总线、LONWORKS现场总线、CAN现场总线等。13论文主要工作矿井生产自动化已经成为一种趋势，如何更好的实现矿井运输系统的集中安全控制管理是现在迫切解决的问题。本论文正是以此为目的，以枣泉煤矿主斜井胶带输送机为背景，设计单条皮带和单台给煤机的监控系统。此监控系统是以西门子S7300PLC为核心，实现胶带输送机和给煤机多种工作方式下的启停控制和各种故障监测的胶带运输监测控制系统。若是考虑对多条皮带进行控制，对于这种多条皮带分布分散、空间分布多分支的运输机群及复杂工艺流程和闭锁关系，应采用适应这种场合的分布式控制系统。即在各单条皮带设立分站监控的基础上加入主站设计，通过主站将各分站联系控制起来。本论文是针对单条皮带和单台给煤机设计，它主要内容如下1对胶带运输监控系统的几种主要类型进行概述。2以枣泉煤矿主斜井胶带输送机为背景，讲述胶带输送机监控系统的硬件构成，讨论要监控的故障对象、传感器配置及对故障的处理措施，并给出了本监控系统所需要的各种传感器和执行器。3概述监控系统实现的功能，进行S7300PLC模块选型和外部连线设计。4采用梯形图方法编制程序，实现系统功能。5为了使监控系统更加完善，实现控制的可观化、清晰化，加入了触摸屏设计。它可以实时显示系统的运行情况和各种故障情况，进行及时的报警显示和记录。2胶带机监控系统系统结构21课题背景枣泉煤矿主运输带式输送机系统，包括主斜井带式输送机、原煤带式送机及1顺煤槽带式输送机、2顺煤槽带式输送机、中车场转载带式输送机、主斜井带式输送机和原煤带式输送机等。1顺煤槽带式输送机、中车场转载带式输送机采用调速液力偶合器，2顺煤槽带式输送机、主斜井带式输送机采用CST软启动控制系统，CST主控器随CST配带。除原煤带式输送机外，各带式输送机均采用带以太网接口的PLC控制，由CPU通过I/O及设备网络对现场设备控制及数据采集。本矿井主运输带式输送机系统，采用PLC集中控制系统，并配置监控计算机。系统采用逆煤流延时起车，瞬时停车方式，设备之间相互闭锁，并设有起车、停车、事故和联系信号。本设计只设计主斜井带式输送机的监控系统。它的主要参数如下主斜井带式输送机长1260M，由3台1400KW电机拖动，采用CST启动，正常运行速度45M/S，电压等级为10KV，远程控制方式。主斜井带式输送机监控系统PLC，设置在东主井井口控制室，对主井带式输送机及附属设备控制。带式输送机的监控和保护共用一套PLC，控制分站的核心器件是可编程序控制器，采用高性能的PLC，用在集控、就地、检修三种工作方式下，程序控制带式输送机。22胶带输送机监控系统设备构成胶带输送机监控系统主要由PLC、人机界面等组成，它主要控制胶带输送机、可控启动传输CST、各种故障检测和保护装置，将各种信息在触摸屏上集中显示。胶带机系统电缆连接图如附图8所示。下面我们对监控系统各部分进行详细的介绍。221带式输送机128带式输送机是以胶带作为牵引机构和承载机构的连续运输机械，又称为胶带输送机，它在矿山的物料运输，特别是煤的输送方面得到了广泛应用。带式输送机主要由以下几种主要部件组成输送带、驱动装置、托辊、机架、拉紧装置、制动装置和清扫装置。胶带是经主动滚筒和机尾改向滚筒形成一个无极环行带。它上下的两股胶带分别由上下的托辊来支承。拉紧装置可以使胶带获得一定的张力，防止皮带松懈，引起不必要的麻烦。物料是经机尾装料口落到上股胶带上面，当胶带带着煤流运行到尾端时，自动将其卸落。主动滚筒与电机相连，当电机转动时，带动滚筒转动，胶带通过胶带和滚筒之间的摩擦力也被带动运行，从而实现运输功能。胶带机的传动装置一般位于输送带的头部、中部或是尾部，它是带式输送机的重要组成部分。传动装置一般由驱动装置和传动滚筒组成。驱动装置一般采用电动机、液力偶合器、减速器及制动轮、传动滚筒组成。在此项目中，我们采用美国道齐公司的CST装置，来代替传统使用的液力偶合器。因此驱动装置主要有电动机、联轴器、可控启动传输CST装置和传动滚筒组成。其连接方式是电动机与CST连接，CST与传动滚筒连接。输送机的驱动有单滚筒驱动和多滚筒驱动，一般常采用单滚筒驱动，功率大时可采用多滚筒驱动。多滚筒驱动的优点就是能够传递较大的功率，带动较大的负载，并能降低输送带的张力；其缺点就是可能会出现功率不平衡问题，从而增加了电动机的备用功率。本胶带输送机由三台电机和三台CST装置组成，驱动功率为31400KW，且采用双滚筒驱动。由于双滚筒驱动具有功率不稳定问题，而采用CST装置后，可以实现自动调节，使它们的功率平衡，避免了加大电机的备用功率。222CST软启动带式输送机正向高速度、大运量、大功率、长运距方向发展，三相交流异步电动机以运行可靠、控制方便和价格低廉等因素被广泛应用于带式输送机。但由于电机启动性能和调速性能差、启动转矩小，与带式输送机直接相连启动，会增加皮带的张力9。输送带是具有粘弹性的弹性体，带式输送机系统可以认为是弹簧一质量系统。由于电机速度快，且在重载和超载条件下工作，起动电流过大，对电网的冲击增大，压降增加，造成起动困难；且电机直接起动，输送机起动加速度过大，胶带产生的动张力就越大，瞬间引起的冲击力也相当大，会加速托棍、滚筒及其它部件的损坏，缩短胶带的使用寿命；同时使输送带松边拉紧装置反应速度滞后，输送带的垂度加大，造成功率传递不平衡，起动不平稳。软起动技术是改善起动条件的主要手段。软起动技术是在一定的起动时间内，控制起动加速度，确保带式输送机按所要求的加速度曲线平稳起动，达到额定的运行速度，同时使电机的起动电流和输送带的起动张力控制在允许范围内。目前大型带式输送机可控启动装置主要有液力词速装置、CST装置、液体粘性传动装置、变频调速装置、交流电机软启动装置等几种。CST（CONTROLLEDSTARTTRANSMISSION）可控启动装置是出自美国的一种为带式输送机设计使用的一套装置的总称。它是由多级齿轮减速器、湿式离合器及液压控制系统组成。CST系统的主体是一个可控无级变速的减速器，其基本原理是在一级行星传动中，用控制内圈转速的办法调节行星架输出的转速，使负载得到所需要的启动速度特性，减速特性，并能以任意非额定的低速运行。内齿圈的转动用多片型液体粘滞离合器控制，多型液体粘滞离合器是由若干个动片和静片交叉叠合成，动片组经外齿花键与行星轮系的内齿圈连接，静片组经内齿花键与固定在减速箱体上的轴套连接，离合器的离合由环型液压缸操作。离合器的原理是依靠动静片之间的油膜剪切力传递力矩。资料表明，当两块盘状平行板之间充满了极薄的油膜（小于20M）时，主动板依靠油膜的剪切力可以向从动板传递力矩，它所传递的力矩的大小与两板的间距（即油膜的厚度）成反比。据此调节离合器环型液压缸的压力，改变动静片间油膜的厚度，就能控制它所传递的转矩，当输出轴的转矩大于负载的静阻力时，负载就加速；转矩平衡时，负载就稳定运行1。CST的输出转矩由液压控制系统控制。一台输送机可以由一台电机及一台CST驱动，也可以由多台电机及多台CST驱动。驱动电机时，CST的输出轴保持不动，当驱动电机达到全转速时输送机才逐渐加速到满速度。这使得输送机在被加速至全速运行前有一个平缓启动的过程。加速时间可以根据需要在规定范围内进行调整。CST系统控制主电机的起停，在启动时，驱动电机可以按顺序空载启动，所以电机的冲击电流非常小。由于驱动电机可以根据运行负载进行选择而不必根据启动负载选择，所以CST驱动系统可以选用功率较小的电机；在停车时，通过延长停车时间可以降低对胶带的动态冲击力。当一驱动系统中有多台CST时，控制系统可以确保每台驱动电机分担相同的负载，合理的功率平衡可以有效地延长整个驱动系统各部件的寿命。胶带正常运行时，根据系统中各CST的功率平衡要求，每台CST的离合器或者保持少量打滑状态，或者维持压力以无打滑方式输出所要求的扭矩。但系统中任何负载的增加都将引起离合器打滑，这种情况被称为“软锁定”。当离合器被软锁定时，任何瞬间的过载或冲击载荷都将引起离合器的打滑，这时驱动系统的所有部件，包括联轴器、轴承和齿轮等都将在冲击或过载时受到保护，从而延长其寿命10。CST可提供给用户的信号有CST故障信号、CST报警信号和CST满速信号等，用户可以控制CST的信号有CST启动/停止信号、CST急停信号、CST慢动信号、CST复位信号等。与液力偶合器相比，CST装置的优点1采用CST可降低30的胶带张力；2采用CST后传动效率可以提高13；3采用CST后，胶带的安全系数可降低19，但安全度不变。图221CST传动原理223故障检测及保护9121314胶带铺设长度较长，特别是在井下，工作条件差，很容易引起损坏。主要有以下几种损伤形式和原因1转载机与带式输送机机尾搭接高度不够，或机尾缓冲托辊失去弹性，当大块的物料从转载机上落下，形成较大的冲击力而装破胶带的上覆盖层，甚至破断带芯，形成窟窿。特别是当物料中夹带尖锐物体，很容易划破胶带，造成胶带纵斯。2当胶带跑偏，会引起胶带和机架摩擦，产生带边拉毛开裂，带边磨损后，水从破损处渗入，时间久了，帆布层会逐渐腐烂。3胶带搭接不符合要求。如果接头不齐，不平不直，造成胶带受力不均匀而破裂。4胶带制造质量差或使用保管不当，如地面使用的胶带，夏季长期在烈日下曝晒，冬季胶带表面积水结冰造成胶带胶质变硬使胶带提前老化。如果使用中胶带张紧力过大或胶带铺设距离太短，挠曲次数超过了极限值，也容易造成胶带提前老化损伤。123456789101输入轴；2主动齿轮；3从动齿轮4内齿轮；5主动摩擦片；6行星架；7输出轴；8从动摩擦片；9行星轮；10太阳轮带式输送机在输送过程中经常出现故障，除以上的一些原因外，还有许多其它的原因，如果这些故障处理不当，可能会导致更大的事故，对生产造成重大损失。下面简要介绍一下带式输送机出现的一些常见故障。一、跑偏胶带输送机跑偏的根本原因是输送带在运行过程中，横向受力不平衡。主要有以下几种原因1安装质量原因A机架、滚筒没有调整平直；B托辊轴线与输送带中心线不垂直；C机架与地面连接强度不够，机架不稳定；D导料槽和卸料槽的导料挡板安装位置不当，受力不均。2输送带质量原因A输送带接头与中心线不直；B输送带带边呈”S”型。3装载质量原因装载点不在输送带中央。4维护质量原因滚筒清扫不干净，造成直径不等。我们一般在机头、机中和机尾皮带最容易跑偏的地方分别安装一对防跑偏保护装置。本设计中采用煤炭科学总院常州自动化研究所的KG1007A型胶带防跑偏开关，其跑偏信号通过接入临近拉线急停开关传输。在皮带正常工作时，跑偏开关的探杆在竖直位置。当皮带跑偏时，皮带碰到跑偏开关的探杆，并带动探杆轴转动，此时与探杆固定在一轴上的凸轮也同时转动，拨动跑偏开关的微动开关发出跑偏信号。图222跑偏开关图223速度传感器KG1007A型胶带防跑偏开关为本质安全型电气设备，使用于煤矿有瓦斯尘爆炸危险的环境。它体积比较小、重量轻、密封性能好；触点动作后还留有较大的探杆转动缓冲角，使本身不易损坏，输出开关量信号。它的转动角度可以通过改变微调开关的位置来改变。在此设计中，我们要求跑偏信号发出传送给PLC后，使PLC给CST发出急停指令，同时触摸屏故障位置指示灯亮并启动急停报警。二、速度检测检测胶带打滑、超速和断带故障，均需要知道胶带的运行速度，因此我们设置一个速度传感器来检测胶带的速度。本设计中，我们选用常州联力的KJ5007A型速度传感器，输出频率信号，幅值5V，频率F200VV为胶带速度值，输出电流信号420MA。带式输送机运行时，速度检测传感器由紧贴胶带的滚轮带动转盘（带有齿槽）在光电传感器凹槽内转动，光电传感器光路通断受齿槽控制，输出相应的方波频率信号，频率信号再经频率/电压、电压/电流变换后输出420MA的电流信号。图224速度检测传感器部分电路方框图三、打滑驱动滚筒打滑的原因是滚筒的摩擦牵引力降低、超载或带子被卡住。摩擦牵引力降低的原因是输送带或滚筒沾泥水、输送带张力下降。采用自动调整的拉紧装置是防止驱动滚筒打滑的有效方法。滚筒持续打滑得不到纠正，则会招致输送带着火，引起重大火灾事故。采用阻燃输送带，驱动滚筒持续打滑也会冒烟污染空气。因此设置打滑保护装置，自动监视调整或停止。在此设计中我们没有选用专门的打滑检测传感器，是通过检测胶带的速度，把胶带速度和滚筒速度做比较来实现的。理论上我们是将胶带的实际运行速度与滚筒实际速度作比较，但是实际上，在滚筒速度不容易获取的情况下，我们可让胶带实际速度与滚筒的额定转速比较，监测传动滚筒和输送带之间的线速度之差，当检测到输送机速度滑差率大于或等于8时，立即发出声光报警当测得输送机速度滑差率大于或等于8和运行时间大于或等于20秒时使带式输送机与给煤机紧急停车，并发出声光报警；或当测得输送机速度滑差率大于或等于12和运行时间大于或等于5秒时使带式输送机与给煤机紧急停车，并发出声光报警。四、超速当胶带负载忽然变轻或是胶带忽然断带时，胶带运行速度会马上升高。整形放大频率/电压变换电压/电流变换光电传感器转盘电压FVF电流输出胶带一般正常运行速度是45M/S，如果速度太高，会对胶带旁边的矿工造成危险；同时若胶带旁边有锋锐的物体，可能会挂破胶带，造成重大事故。同上，我们在此设计中没有采用专门的超速传感器，通过胶带速度与设定值的比较，判定胶带是否超速运行。当胶带速度达到标准带速的105时，发出声光报警并命令CST紧急停车，这里标准带速为45M/S。五、断带从大量的断带事故分析可知，带式输送机断带原因大概有以下几种1齿轮减速器损坏，液力耦合器喷液或电动机逆转；2输送带接头质量问题；3运输中因其他东西卷入而引起运输载荷突然增加；4启动和停车时应力变化大；5输送带自身质量不过关，输送带服务年限过长，输送带长时间超负荷运输，日常维护不到位；6物料分配不均，输送带跑偏。为了防止由这些原因引起的断带事故，除了进行人为的检修和维护外，在输送机沿线上布置断带保护装置尤为重要。因为它可以避免突发事故，随时处于待命状态。在滚筒实际转速不能确定的情况下，我们通过检测胶带线速度与滚筒额定线速度差确定是否断带，当差值大于设定值时，发出断带信号，命令CST紧急停车，同时停给煤机，并发出声光报警。六、堆煤传感器当煤仓内有大煤块塞住煤仓漏口时，会使煤流阻在煤仓内，无法向胶带投放。由于煤仓特别大，如果没有人及时发现煤仓堆煤，煤在煤仓内会越堆越多，最后会迫使使用大量人力物力来挖除煤仓内阻塞的大量煤，同时将运输系统全部停下。这样不仅浪费时间降低工作效率，同时也费用大量人力物力，提高煤的生产成本。因此加入堆煤传感器，及时报警危险煤位，处理煤仓内阻塞的煤。此设计中我们采用常州自动化研究所的物料探测传感器。KG1006系列物料探测传感器包括KG1006A型和KG1006C型，适用于煤炭、冶金、化工、建材的功能行业恶劣环境，主要用途是监测料仓物料高度；检测输送机溜槽阻塞或转载点堆积。传感器可以延时动作，延时时间可调，避免由于大块物料撞击引起误动作。这里我们选用KG1006A型，输出触点容量是AC220V，1A，电阻性负载；延时时间0460S可调，瞬间复位。堆煤传感器安装在带式输送机头部漏斗壁上，调节其固定位置，不要被煤流打到。七、烟雾检测传感器由于打滑摩擦等原因，胶带机滚筒升高到一定温度时，会使胶带燃着，因此我们在滚筒处设置烟雾传感器，当烟雾浓度大于一定值时，发出报警信号。烟雾传感器采用金属镅的离子式探测器，其阴极和阳极之间为高电阻输出，一般大于101欧，输出电流只有1011A左右，只有用高电阻的静电计才能测出。烟雾传感器由不锈钢的外壳构成，当烟雾进入不锈钢外壳时，收集极电压将从45V下降，下降程度随浓度大小而变化。本设计我们采用常州自动化研究所的KGN11型烟雾传感器，它为矿用本质安全型，用于监测煤矿井下因机械磨擦、电缆发热、煤层自然等原因引起的火灾事故，输出0/5MA的开关量信号，红色LED电源指示，报警时闪烁，频率1HZ，同时我们开启撒水灭火装置。八、拉线急停开关当遇到紧急情况时，可以采用手动的拉线急停开关，使输送带紧急停车，避免发生重大事故。我们采用常州自动化研究所的KG9001AC型编码式拉绳急停闭锁开关，可用作输送机沿线电缆接线盒，并具有故障位置识别电路，识别各种不同故障及故障发生的地点。沿输送机长度方向配置的跑偏、纵撕（或其它传感器）等保护装置和起动预告、打点联络用的信号器均可通过它们与监控系统连接。图225烟雾传感器图226拉线急停开关九、红外温度传感器由于滚筒和胶带的摩擦作用，当滚筒温度过高时，会使胶带燃着。因此，我们要及时监测滚筒温度，当温度达到一定值时报警。温度传感器从使用上可分为接触式和非接触式两大类，接触式目前使用较为广泛，而非接触式测量是通过检测被测物体所发出的红外线，来达到测温的目的。根据课题项目的具体要求，被测对象是一直转动的滚筒表面，接触式温度传感器测量起来误差太大，响应时间太长，温度变化的传递完全依靠空气为介质进行热交换，因而采用接触式测量不适用于该次设计，为此，选用了RAYTEK非接触式红外热敏元件作为测温元件，温度传感器的输出信号为010V模拟量电压信号，测量范围为32535度。它具有响应速度快，测量精度高，安装维护简便等特点。我们将检测到的红外温度与设定值比较，当温度大于设定值时，则发出报警指令，同时启动洒水阀洒水降温。一般我们的设定值要根据考虑周边情况，如胶带的制作材料，燃点等。十、定子温度检测定子超温一般从电和磁两方面来讲。从电的方面来说，主要原因是1电机长时间过负荷；2线圈绕组中出现相间或匝间短路；3线圈绝缘层损伤；4内部放电；从磁的方面来说，主要原因是电磁磁耗、涡流损耗过大。当定子温度过高时，会使绝缘层破坏，造成短路。我们监测定子温度是通过在定子绕组中放入PT100热敏电阻来实现的。当环境温度变化时，热敏电阻的阻值变化，输出电流也随着变化。在第三章模拟量模块选择及连线中，我们将介绍PT100的接线。定子温度的比较值设定与绕组的绝缘材料等有关。十一、纵撕检测钢线芯带式输送机以其强度高、运量大和运距长等优点，受到各企业的青睐，也得到越来越广泛的应用。它之所以强度高是因为其内部纵向布置了许多钢丝绳，但是在其宽度上，抗拉强度是很低的。因此正因为这一特点，使其容易发生纵向撕裂事故，而且一旦事故发生，就会造成非常重大的经济损失，即使能修补，也浪费很长的时间，给生产造成损失。纵向撕裂，其原因是多方面的，主要有一些料棒插入到输送带中；大块长型矸石掉到输送带上；机架上某些固定件挂住输送带；各种铁丝钩住输送带等。就发生纵撕的地点来看，大部分是在装载处，因此纵撕检测传感器一般放在装载点前10M处。输送带纵撕事故如此严重，提出了多种检测和监视装置，下面我们收集多方面资料比较详细的介绍几种常见类型。由于输送带被撕裂后，表现特征各不相同，选用何种装置进行检测，要根据具体情况而定，一般要选用几种同时使用，以防范重大事故的发生。1、漏料检测器。当输送带被撕裂后，物料会通过裂口掉到下面的托盘上，根据平衡原理，当物料重量克服平衡锤的重量，使装置绕支点转动，迫使限位开关动作（图227）。这种检测装置结构比较简单，检查方便，但是，只有物料落下后才可检测到，当裂口因为拉力重合到一起，物料无法落下时，却无法检测的到。1回空带；2托盘；3支点4平衡锤；5承载带图227漏料检测器2、带宽检测器。它是利用与输送带边缘相接触的检测辊或是利用超音波距离测量来检测输送带宽度。这就避免了上面漏料检测器的失误。当输送带宽度变小时，两个检测辊之间的距离变小，通过万向节把撕带的信息传递给开关，开关控制电动机停机。此外，带宽检测装置和时间继电器配合使用，当接受到信号后，等待一段时间再发出动作指令，以区分是输送带撕裂或是撕边。3、超声波检测器。在输送带容易撕裂的地方的托辊之间安装能够产生超声波的波导管，使之产生超声波振荡，再通过检波器检波后发出。当输送带正常运行时，超声波送波、受波正常，发出正常信号；如果输送带撕裂，波导管因弯曲而破坏，这时送波和受波状态不同，发出输送带纵向撕裂信号，使输送机停机，避免输送带纵向撕裂事故继续扩大。4、振动检测器。它的激振器是一个偏心圆盘，布置在两个承载托辊之间的输送带上的无载边。在输送带的另一边安装振动接收器，它通过自由回转的辊轮和输送带接触。带式输送机运转时，偏心激振器使输送带产生横向强迫振动，振动接收器受输送带振动的作用，发出信号并输入放大器。当输送带发生纵向撕裂时，振动接收器再受振动的作用，输出信号相应减弱，则放大器发出信号，继电器动作，带式输送机停机。在本设计中，我们选择使用安徽宝龙的BJSBA1型纵撕传感器。输出开关量信号。十二、语音系统语音系统首先将各种语音录下来，存储在不同的地址中，我们通过这些地址对应的开关量信号来选择播放的语音。如图228所示图228语音系统模拟图224PLC简述随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展，计算机控制已经广泛应用在所有的工业领域。可编程序控制器（PROGRAMMABLELOGICCONTROLLER）正是顺应这一潮流出现的，它是以微处理器为基础的通用工业控制装置。1987年，美国电气制造协会（NEMA）对可编程序控制器下了定义可编程序控制器是一种带有指令存储器、数字的或模拟的输入输出接口，以位运算为主，能完成逻辑、顺序、定时、计数和算术运算功能，用于控制机器和生产过程的自动控制装置。可编程序控制器简称PLC，它的应用面广、功能强大、使用方便，已经成为当代工业自动化的主要支柱之一。PLC已经广泛地应用在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中，PLC在其它领域，例如在民用和家庭自动化设备中的应用也得到了迅速发展15。一、PLC的系统构成PLC的硬件系统由CPU、I/O扩展机及外部设备组成。如图229所示。烟雾预警堆煤报警跑偏报警拉线报警纵撕报警张力下滑报警定子超温报警滚筒超温报警K1K8K7K6K5K4K3K2I024VI01I02I03I04I05I06I07数字量输入西门子PLC以其极高的性能价格比，在国内占有很大的市场份额，在我国的各行各业得到了广泛的应用。S7300属于模块式PLC，主要由机架、CPU模块、信号模块、功能模块、接口模块、通信处理器、电源模块和编程设备组成，各种模块安装到机架上。通过CPU模块或通信模块上的通信接口，PLC被连接到通信网络上，可以与计算机、其它PLC或其它设备通信16。图229PLC控制系统示意图与继电器控制系统相比，PLC可以认为是由输入部分、控制部分和输出部分等组成，但它是采用大规模的集成电路的微处理器和存储器来代替继电器控制线路，控制作用是通过编制好并存入内存的程序来实现的。我们可以认为PLC的等效电路如下输入部分用于接受外部输入信号，与外部输入设备连接。可以等效为一个受控于外部用户输入设备的继电器线圈（输入继电器）。控制部分等效于一个受控于内部逻辑的一个线圈，接点可用于驱动外部输出设备的继电器。输出部分用于与外部输出设备连接。二、PLC的工作原理CPU中的程序分为操作系统和用户程序。操作系统用来处理PLC的启动、电源扩展机架接触器电磁阀电源模块接口模块输入模块输出模块CPU模块通信接口其它设备其它PLC计算机选择开关指示灯限位开关电源按钮刷新输入/输出过程映像区、调用用户程序、处理中断和错误、管理存储区和通信等任务。用户程序由用户生成，用来实现用户要求的自动化任务。STEP7将用户编写的程序和程序所需的数据放置在块中，功能块FB和功能FC相当于用户编写的子程序，系统功能SFC的系统功能块SFB是操作系统提供给用户使用的标准子程序，这些块也通称为逻辑块。PLC采用循环执行用户程序的方式，这种运行方式也称为扫描工作方式。OB1是用于循环处理的组织块，相当于用户程序的主程序，它可以调用其它的块，或被中断程序（组织块）中断。PLC得电或由STOP模式切换到RUN模式时，CPU执行启动操作，清除没有保持功能的位存储器、定时器和计数器，清除中断堆栈和块堆栈的内容，复位保存的硬件中断等。此外还要执行一次用户编写的“系统启动组织块”OB100，完成用户指定的初始化操作，以后将进入周期性的循环运行。循环程序处理过程可以被某些事件中断，如果有中断事件出现，当前执行的块将停止执行，并调用分配给该事件的组织块。该组织块执行完毕后，被中断的块将从被中断的地方开始继续执行17。在PLC的存储器中，设置了一片区域用来存放输入信号和输出信号的状态，它们分别存放在输入过程映像区和输出过程映像区。PLC梯形图中的其它编程元件也有对应的映像存储区。在循环程序处理中，CPU并不直接访问I/O模块中的输入地址区域和输出地址区域，而是访问CPU内部的过程映像区。在读输入模块阶段，PLC将所有外部输入电路的接通/断开状态读如输入过程映像区。在写输出模块的阶段，CPU将输出过程映像区的状态传给输出模块。在程序执行阶段，即使外部输入信号的状态发生了变化，输入过程映像位的状态也随之而变，输入信号变化了的状态字能在下一个循环扫描周期的读输入模块阶段被读入。PLC用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中顺序排列。在没有跳转指令和块调用指令时，CPU从第一条指令开始，逐条顺序执行用户程序，直到用户程序结束。在执行指令时，从输入过程映像区或别的存储区中将有关编程元件的0、1状态读出来，并根据指令的要求执行相应的逻辑运算，运算的结果写入到对应的存储区中，因此，各编程元件的存储区（输入过程映像区除外）的内容将随着程序的执行而变化15。输入映像寄存器输入端子输出端子输出锁存电路输出映像寄存器程序执行1刷新5读5读2写3刷新4输出图2210PLC对输入输出的处理规则225人机界面HMI18人机界面是工作人员与CPU进行交互的界面，这里我们选用触摸屏和操作台。触摸屏是对带式输送机实施控制操作和监视带式输送机的运行工况。触摸屏可以监视带式机速度、拉线急停和跑偏开关的动作位置等各种保护状况以及显示带式输送机的正常运行工况和各种故障状态。通过操作台的各种控制