井下皮带运输机计算机监控系统

摘 要皮带运输机是一种连续皮带运输机械，被广泛应用在矿井、电厂、港口、钢铁企业以及轻工业的生产线，即可以运送散状物料,也可以运送成件物品。在煤矿的开采过程中，皮带运输机的作用至关重要。煤矿井下的环境比较恶劣，这就对皮带运输机控制系统的要求比较高，其性能的好坏直接影响到煤矿行业的发展和效益。本论文是针对目前煤矿在皮带运输机控制方面仍采用现场人为控制，隐患故障较多以及检测不稳定等问题，研发了一种功能完善的矿井皮带运输机远程监控系统。该系统以西门子S7-200 PLC为核心，代替了传统的单片机系统，从而解决了单片机控制系统的软件设计复杂，抗干扰能力差等缺点。在通信方面，主要采用ControlNet网络，极大的提高了网络效率和性能，使传输数据更快更稳定。运用组态王软件设计了人机交互界面，直观、形象的显示了矿井皮带运输机整体设备的运行状况，设置用户管理功能等。最终本系统设计能够很好的达到预期目标。关键词：S7-200；皮带运输机；监控；ControlNet；组态软件 I AbstractBelt conveyor is a continuous transportation machinery, it is used in production line of mine，power plan，ports，iron and steel enterprises and light industry widely, it can transport the dispersed material, also can transport the items made into pieces. In the process of mining for coal mine, belt conveyor has an important role. Mine environment is severed, so the demand of the belt conveyor control system is higher, The performance of the quality directly affect the coal industry development and benefit. This paper developes a perfect function of mine belt conveyor remote monitoring system aims at the problems those belt conveyor control aspect still adopting human control field, hidden more trouble fault and so on.The core of the system is S7-200, it insteads of the traditional MCU system, thus solves the complex design of software about single-chip microcomputer control system and the faults of the poorly anti-interference ability. In communications, mainly uses the ControlNet, it greatly improves the efficiency and performance of network. This paper design the interface of man-machine communication with kingview to show the operation directly and get the function of user management.Finally,the design of this system finish the anticipated goal well.Key Words：S7-200；Belt conveyor；monitor and control；ControlNet；Configuration software- V -目 录摘 要IAbstractII0 引言11绪论21.1课题的背景及意义21.2 国内外皮带运输机技术的现状与差距21.2.1 国外皮带运输机技术的现状21.2.2 国内皮带运输机技术的现状31.2.3 国内外皮带运输机技术的主要差距31.3 煤矿皮带运输机技术的发展趋势51.4 论文的主要研究工作52 PLC的简介62.1 可编程控制器的基本结构62.2可编程控制器工作原理72.3 S7200及其编程软件介绍93 井下皮带运输机计算机监控系统的硬件设计103.1 皮带运输机的工作原理框图103.2 传感器的选择113.2.1 打滑检测113.2.2 跑偏检测123.2.3 堆煤检测133.2.4 温度检测143.2.5 烟雾检测153.2.6 撕裂检测173.3 保护装置183.3.1 拉绳急停闭锁开关183.3.2 自动洒水装置193.4 系统的主要结构193.4.1 地面控制中心193.4.2 井下皮带运输机控制分站203.4.3 安全保护223.5 系统部件的布置及其功能234 井下皮带运输机计算机监控系统的软件设计244.1 STEP 7-Micro/WIN编程软件概述244.1.1 STEP 7-Micro/WIN软件窗口组件244.1.2基本逻辑指令简介254.2 分站系统软件设计274.2.1启动控制：284.2.2启动控制程序294.2.3保护检测295 PLC与上位机之间的通信335.1 ControlNet网络335.2 PLC与上位机的通信方式336 上位机组态监控系统的实现356.1 上位机软件选择356.1.1 组态软件概述356.1.2 利用组态王建立监控系统的一般步骤366.2 上位机监控软件的组态376.2.1 上位机主界面376.2.2 皮带运输机启停控制376.2.3 报警信息386.2.3 关于作者397技术经济分析408 结论41致谢42参 考 文 献43附录A 译文44附录B外文文献58V Xx大学毕业设计（论文） 0引言皮带运输机运输系统是煤矿生产的重要组成部分，其安全、可靠和高效的运煤工作，对提高煤矿生产效率和经济效益有巨大的作用。但是随着耗煤量的急剧加大，矿井采煤规模的不断扩大，这就要求皮带运输机输煤系统始终处于完好的运行状态，这也造成对皮带运输机系统的性能要求越来越高。本文以矿井皮带运输机为背景，对煤矿皮带运输机控制系统进行了深入研究和具体完善，其主要研究工作有，介绍皮带运输机运输监控系统的主要结构，以及硬件设计：详细分析皮带运输机计划实现的理想性能，规划了软件：上位机与井下PLC之间的通信采用先进的ControlNet网络，使通信安全、可靠运行，并且详细分析了PLC串行通信原理：在介绍组态王软件的基础上，运用组态王来实现上位机监控系统的设计。本设计所改进的系统为煤矿井下的皮带监控系统。该系统是煤矿的重要系统之一。所以所选择的设备必须安全、稳定、实用、经济。综合以上要求本设计所采用的PLC为西门子小型PLC。但是由于PLC的输出点越多，价格越高。但是系统必须要有一定的输出剩余点用来做必要的扩展。1绪论1.1课题的背景及意义皮带运输系统因其结构简单，传输量大，使用方便，被广泛应用于农业、工业、商业、军事等方面，在采矿运输、车站及码头的货物运输更是使用广泛。我国是一个富煤少油的国家，煤炭是我国最为重要的动力能源，也是重要的化工原料。作为世界第一大产煤国，大多数煤矿井下输煤系统也采用皮带运输机传输，皮带运输机运输系统是煤矿生产的重要组成部分，其安全、可靠和高效的运煤工作，对提高煤矿生产效率和经济效益有巨大的作用。但是随着耗煤量的急剧加大，矿井采煤规模的不断扩大，这就要求皮带运输机输煤系统始终处于完好的运行状态，这也造成对皮带运输机系统的性能要求越来越高1。皮带运输机运输系统的线路较长并且由过个环节和运煤设备配套而成，如果运煤线路某个环节中断，就会使采掘工作面和其它工作地点的作业陷入停顿。因此，皮带运输机运输系统运行的好坏直接关系到煤矿生产能否正常进行。由于我国生产力发展不均衡，大多数中小型煤矿技术和安全保障水平较低。据统计，我国为数较多的煤矿在矿井皮带运输机控制系统方面还采用现场手动控制，由于煤矿井下环境恶劣，皮带运输机经常出现跑偏、打滑、纵向撕裂、燃烧、断带等故障，这不仅影响煤矿生产，也给煤矿安全带来巨大威胁，从而耗费大量人力、物力资源。当今是一个信息高度发展的时代，信息贯穿着社会的每一个角落。因此建立一个功能完善的皮带运输机远程监控系统，不仅可以让工人从井下恶劣环境以及繁重的劳动中解放出来，而且可以通过控制网络对相距较远的皮带运输机进行实时监测，得到准确数据2。1.2 国内外皮带运输机技术的现状与差距1.2.1 国外皮带运输机技术的现状目前，国外皮带运输机技术的发展很快，其大体向两个方向发展：一方面是体现在皮带运输机的外形上，使皮带运输机多元化、应用范围扩大化，例如国外生产的各种管状带式皮带运输机、高倾角带式皮带运输机等各种机型；另一方面体现在国外皮带运输机在本身的装备和技术上都有了显著的提高，特别是高速度、长距离、超运量、高保障等大型皮带运输机已经成了主要的发展方向，其主要是开发利用了皮带运输机的远程监控技术和动态分析。目前，国外煤矿井下使用的皮带运输机，其技术指标已经达到表1-1所示，主要有以下特点：（1）应用机电一体化、计算机监控以及动态分析等高新技术，并采用自动张紧装置和大功率软启动技术，对皮带运输机的各项参数实施动态监测和远程控制，极大程度地减小了皮带的动张力，运输效率很高。（2）设备扩大化。其设备和主要技术参数都向着大型化方面发展，以满足年产值达到300500万吨以上的高产效益。（3）新型元件生产技术。例如皮带运输机的各种先进大功率变频装置和保护装置、自动清理滚筒装置、高寿命托辊等。又例如英国FSW生产的一种顺槽带式皮带运输机采用了先进的变频调速与液粘差速设备，其运输能力可以达到3000t/h以上，皮带运输机的机尾和新型转载机配套使用时，可以随着工作面的推移而自动快速移动，所需人工作业少，生产效率高。（4）采用中间驱动与多机驱动及其皮带运输机变向运行、功率平衡控制等先进技术，理论上使单个皮带运输机运行长度不受限制，并且保障了运输系统设备的互换性、通用性与驱动装置的可靠性。表1-1 国外皮带运输机的主要技术指标Tab. 1-1 The main technical parameters of belt conveyor in overseas主要技术参数可伸缩皮带运输机大巷与斜井固定式强力皮带运输机运输距离/m200030003000运输量/2500300030004000带速/3.5445,最高达到8驱动总功率/kW1200200015003000,最大达到101001.2.2 国内皮带运输机技术的现状80年代末期以来，我国矿用皮带运输机也有了很大的发展，对皮带运输机的关键技术研究和新产品的开发业已经取得了可喜的成绩。例如我国生产的顺槽可伸缩式皮带运输机与大倾角长距离皮带运输机成套设备等，在产品技术和性能上都有了极大的提高，填补了国内的空白，关于皮带运输机的主要元部件和关键技术都进行了深入的理论研究以及进行了产品开发，已经研制成功了许多软启动和制动设备3。目前，我国煤矿井下使用皮带运输机，其主要技术指标如表1-2所示。表1-2 国内皮带运输机的主要技术指标Tab. 1-2 The main technical parameters of belt conveyor in China主要技术参数可伸缩皮带运输机大巷与斜井固定式强力皮带机运输距离/m1000200010004000运输量/800180010002000带速/23.52.54驱动总功率/kW25075075015001.2.3 国内外皮带运输机技术的主要差距1） 控制系统上的差距（1）监控装置目前，日本、美国、德国等一些制造皮带运输机的大公司都广泛使用高档的PLC，开发了先进的程序软件和完整的自动远程监控系统，实现了对煤矿井下皮带运输机进行实时数据采集、处理、存储、故障诊断及查询等功能。我国的许多生产厂家虽然也在逐步采用PLC计算，但大多数仍停留在电子图版的应用水平上，还没有真正利用计算机计算精度高、存储信息量大、逻辑推理能力强和运算速度快等优点来代替人工设计造型及校核等工作。从而使我国中小型煤矿的皮带运输机控制系统仍采用传统的继电器控制方式，现场人为监控，动作可靠性差，使用寿命短，事故隐患较多，技术相当落后。随着我国生产力的不断迅速发展，煤矿企业就更需要生产率高、可靠性好的装卸运输，而皮带运输机相对于其他的装卸工具而言就更容易满足这个要求。因此，皮带运输机控制系统运行安全可靠与否直接影响着煤矿的经济效益。为提高系统的安全性和可靠性，实施集中控制，实现系统的综合保护是十分必要的4。（2） 皮带运输机保护装置国外的皮带运输机除了安装防跑偏、打滑、撕裂、自动洒水、急停闭锁开关等保护装置外，近些年又研制成功了许多先进的监测装置。例如对传动滚筒和变向滚筒的温度可以进行实时监测的温度监测系统、运输带纵向撕裂以及接头监测系统、烟雾报警与自动灭火装置等。而我国现有的防跑偏、打滑、堆煤、超温洒水等装置的寿命、可靠性、灵敏性都较低。（3） 驱动方式我国都采用硬齿面减速器和调速型液力耦合器。而国外传动方式较多，如CST可控传动系统、BOSS系统等，控制精度较高。2）皮带运输机的核心技术上的差距（1）皮带运输机的动态分析与监控技术动态设计和远程监控是长距离、高运量、大功率皮带运输机的关键技术，这也是制约着大型皮带运输机发展的技术核心。我国现在采用刚性理论对皮带运输机进行分析研究分析，并规定了设计的规范。在运输带的设计中，采用的安全系数很高（一般都取n=10左右），其实这与现实情况相差较远。现实中运输带都是具有粘弹性的物体，长距离运输带对驱动装置的启动、制动力的动态响应过程比较复杂，不能单靠用刚体力学来计算和分析。目前关于皮带运输机的应用软件和动态设计方法已经有许多种，达到对皮带运输机的动张力进行动态监测和分析，大大降低了皮带的安全系数，延长了使用寿命，确保了皮带运输机运行的可靠性，使大型皮带运输机的设计达到了较高水平，并且使皮带运输机的成本特别是运输带成本实现了大幅度降低5。（2） 可控软启动技术和功率均衡技术对于长距离、高运量的皮带运输机，因为其功率大、传输距离远并且多个电机驱动，所以一般都采用软启动的方式，以使皮带运输机的动张力得到减小。同时控制皮带运输机的启动加速度在0.10.3范围内，从而避免造成皮带的涌浪现象，降低对皮带运输机元部件的冲击。由于电机特性与制造方面都存在误差，所以各驱动点的功率可能不均衡，一旦其中一个电机的功率过大将会导致电机烧毁，所以应该控制电机之间的功率平衡。目前国内皮带运输机的软启动和功率平衡问题基本都通过采用调速型液力耦合器来实现，但是其可靠性及调节精度与国外相比还有很大的差距。国外皮带运输机的软启动与功率平衡基本是通过比例阀和控制系统去实现，具有达到98%以上的调节精度，但是其价格昂贵。3） 技术性能上的差距我国皮带运输机的主要参数和性能已经跟不上国内大型煤矿的生产，尤其是皮带运输机的关键部件及其功能与国外相比，有很大的差距，这主要体现在以下几个方面。（1） 运输能力国外皮带运输机的最大运量达到了5500t/h，而我国只达到3000t/h。（2） 装机功率目前国外生产的顺槽可伸缩式皮带运输机的最大装机功率达到了4970kW，而我国产品最大装机功率为4970kW，为国外产品的30%40%。固定式皮带运输机的装机功率相差更大。（3） 带速由于受托辊转速的限制，我国皮带运输机速度只达到4m/s，而国外在5m/s以上。（4）高效储带和张紧装置我国目前主要以封闭式储带结构和绞车张紧为主，当皮带伸缩时，托辊小车需要人工推移才能移动，这就容易造成张紧小车脱轨、皮带跑偏现象，检修困难。而国外采用先进的开放式储带装置和高精度的自动张紧装置，当皮带伸缩时，托辊小车能自动随之到位，从而不易造成皮带跑偏、小车脱轨现象。（5） 皮带运输机种类我国生产的皮带运输机功能单一，种类较少，使用环境受到极大限制，所以其效能得到不能充分发挥。我国不同煤矿在地质条件方面存在着很大差异，所以在布置皮带运输机运输系统方面，要根据不同条件经常需要一些特殊的要求，如大倾角、弯曲等，这就要求应该开发特殊型专用皮带运输机。4）使用寿命及其可靠性上的差距（1） 运输带的抗拉强度我国生产钢丝绳芯阻燃运输带的抗拉强度最高为4000N/mm，而国外达到7000 N/mm。我国的织物整芯阻燃运输带的抗拉强度最高位2500 N/mm，国外为3150 N/mm。（2） 托辊寿命我国目前生产的托辊，其在使用中寿命短、阻力大、速度低。美国等国家现在使用一种注油托辊，其运行阻力较小，大大提高了托辊的使用寿命，并且使用面广，经济效益显著。国产托辊的寿命大约为国外产品的30%40%。1.3 煤矿皮带运输机技术的发展趋势随着煤矿开采量的不断扩大，对皮带运输机的性能要求也在迅速提高，皮带运输机技术主要向以下3个方面发展。1)设备大型化、提高运输能力随着高产高效矿井工作面的出现与煤炭科技的不断发展，长距离、大运量、高速度以及大功率都是今后矿井皮带运输机的发展趋势。煤矿开采现场需要功能更完善、性能更可靠的长距离、大功率的皮带运输机。我国现有的皮带运输机，无论是运行功能还是主参数，都难以适应高产高效工作面的需求。提高我国皮带运输机的设计水平，使其赶上先进工业国的技术水平，其关键技术在以下几个方面：皮带运输机监控技术及其动态分析；中间驱动技术；自动张紧技术；新型高寿命高速托辊技术；软启动与功率平衡技术。2）提高元部件性能与可靠性元部件的性能和可靠性直接决定着设备开机率的高低，因此在不断完善和提高有关元部件的性能与可靠性的同时，也要进一步研发新的技术和元部件，如监控技术、可控软启动技术等，使皮带运输机的性能得到进一步提高6。3）扩大功能，一机多用化皮带运输机是一种较为理想的连续运输设备，如果不能充分发挥其功效，则会造成资源浪费。所以需要采取有效的措施，使其发挥最大的经济效益。如将皮带运输机结构作适当修改，可以达到运料、运人或双向运输等功能，实现一机多用的目的。1.4 论文的主要研究工作本文以矿井皮带运输机为背景，对煤矿皮带运输机控制系统进行了深入研究和具体完善，其主要研究工作如下：1）主要介绍本课题的背景、意义及国内外的发展状况。2）介绍皮带运输机运输监控系统的主要结构，以及硬件设计。3）详细分析皮带运输机计划实现的理想性能，规划了软件方案。4）上位机与井下PLC之间的通信采用先进的ControlNet网络，使通信安全、可靠运行，并且详细分析了PLC串行通信原理。5）在介绍组态王软件的基础上，运用组态王来实现上位机监控系统的设计。6）对全文进行总结，指出其特有研究的问题和今后的工作重点。2 PLC的简介2.1 可编程控制器的基本结构可编程控制器作为工业计算机，其组成也与计算机的组成基本相同，由微处理器CPU、存储器、输入/输出单元、电源部件、编程器等组成，如图2-1所示。图2-1 PLC的基本结构Fig.2-1 The basic structure of PLCPLC在CPU的控制下，使得控制器有条不紊的工作，实现对现场信号的采集和现场设备的控制。CPU的具体功能：将PLC输入端子的开关状态采集至输入映像寄存器，接受编程器的数据并存入程序存储器，对用户程序存储器中的指令进行译码、执行将程序执行的结果输出至输出端子。输入/输出单元是PLC与外部设备进行信息交换的接口。输入单元用来接收输入设备（按钮、开关、接触器触点、各种传感器等信号）的状态，并将其转换为PLC内部电路可以处理的弱电信号，起接受、转换功能，图2-2为PLC开关量输入的电路图。输出单元的功能是将PLC内部信号转换成可以控制外部设备的信号，输出单元具有继电器、晶体管、双向晶闸管三种输出形式，图2-3为PLC继电器形式的输出电路。图2-2 PLC输入电路图Fig.2-2 PLC input circuit图2-3 PLC继电器形式的输出电路Fig.2-3 PLC relay output circuit of the form2.2可编程控制器工作原理可编程控制器程序的执行是按程序设定的顺序依次完成对应的动作。PLC从用户程序存储器逐条取指令，经过译码，再根据译码信息执行对应的操作。指令从上而下、自左而右执行，执行完最后一条指令后，返回到第一条从新开始执行，PLC采用循环扫描的工作方式，完成一次扫描所需要的时间称为扫描周期，扫描周期是评价PLC好坏的重要指PLC的工作过程可分为5个阶段：内部处理、通信处理、输入扫描、程序执行、输出刷新，若PLC处于STOP状态，PLC只完成内部处理和通信处理工作，当工作在RUN状态时，除完成上述状态后，还会输入扫描、程序执行、输出刷新三个步骤，如图2-4所示。图2-4 PLC扫描工作过程图Fig.2-3 PLC scanning process map在内部处理阶段，CPU检查PLC内部各部件工作是否正常，在RUN模式下，还会检查用户程序存储器工作是否正常，若不正常，则报警产生输出7。在通信处理阶段，CPU自动检测PLC内部通信是否正常，以及PLC与外面的设备或者PLC、个人计算机通信是否正常。若配置了网络通信模块，PLC还会与网络进行数据交换。输入采样阶段，PLC首先扫描所有输入端子的状态，输入与公共端有回路，即为闭合，对应的输入映像寄存器值为1，反之，若断开，输入映像寄存器值为0。输入映像寄存器的值决定了与之对应的常开、常闭触点的值，常开触点值与输入映像寄存器的值是一致的，常闭触点则取反。亦即，若外部开关闭合，常开触点值为0，常闭触点值为1，反之亦然。常开触点不一定常开、常闭触点不一定常闭，要根据实际情况决定。完成输入扫描后，便进入到程序执行阶段，在程序执行阶段，即使输入端子的状态发生变化，输入映像寄存器的值保持不变，要等至下一个扫描周期才从新扫描，更新结果。程序执行阶段，PLC按照自上而下，自左而右的顺序，逐条执行指令。当涉及到输入端子时，从输入映像寄存器I中读取相应的值，常闭则取反，执行结果存入到相应的寄存器中。若需产生输出的，先送输出映像寄存器Q中，但不更新输出端子的值。输出元件的寄存器值随着程序的执行而不断变化。输出刷新阶段，在执行完所有的指令后，PLC进入输出刷新阶段，即将输出映像寄存器的值更新到输出端子，从而驱动外部负载。2.3 S7200及其编程软件介绍S7-200 PLC的基本模块也称主机，是一个独立的装置。S7-200 PLC主机的型号、种类较多，可适应不同需求的场合。CPU22X系列产品有CPU221模块、CPU222模块、CPU224模块、CPU226模块、CPU226XM模块。它们指令丰富、速度快、可靠性好、具有较强的通信能力。S7-200任一型号的主机都可单独构成基本配置，作为一个独立的控制系统。当PLC主机的I/O点数不够或者需要对模拟量信号进行处理的时候，可对主机模块进行扩展。扩展模块有数字量模块、模拟量模块、智能模块三类。数字量模块用于主机I/O点数不够用时的输入点数或输出点数的扩展。根据扩展的功能不同，可将扩展模块分为数字量输入模块、数字量输出模块、数字量输入/输出模块三类。当需要对模拟信号进行采集或者对模拟器件进行控制时，PLC必须扩展模拟量模块，有模拟量输入模块、模拟量输出模块、模拟量输入/输出模块。模拟量输入模块先对输入的模拟信号进行A/D转换，再送入PLC，模拟量输出模块是将PLC的输出信号进行D/A转换，再对现场设备进行控制。智能模块本身就是一个独立的系统，通常拥有自己的微处理器、存储器、输入/输出单元。主机运行时，主机与智能模块进行数据的交换，读取其处理的结果。智能模块完成一些特殊的功能，如PID调解模块、温度传感器模块等。STEP 7-Micro/WIN是西门子公司专门为S7-200系列设计和开发的编程软件。它的功能强大、简单易学，即可用来开发用户程序，又可用来实时监控用户程序的执行状态，还可以使PLC与微机进行文件的上传、下载。3 井下皮带运输机计算机监控系统的硬件设计3.1 皮带运输机的工作原理框图 从上图可以看到上位机监控系统监控四个分站，每个分站有一个plc做控制器，plc控制器控制着每个分站上四个电机的启停，同时检测每个分站皮带的运行情况，采集到的信息自己可以处理，也将信息及时上传上位机监控系统，由上位机来处理。上图3-1详细介绍了一号站的plc控制系统，每个分站有四条皮带运输机，这四条皮带运输机构成一个传送系统，每条皮带传送机上都有速度，温度，跑偏等保护装置。当出现异常时plc及时处理（如声光报警）。并将信息上传到上位机。当按下启动按钮后，一号站的四个电机按顺序启动。按下停止按钮后也是按顺序停止。图3-1皮带运输机的工作原理框图Fig.3-1 Block diagram of the work belt3.2 传感器的选择在使用传感器对物理量进行测量时，测量一个物理量，会有多种传感器可以选择，各种传感器在原理和结构上基本互不相同。经过考虑测量对象、测量目的、以及测量环境等因素，从而选择最为合理的传感器，这是在对某个量进行测量前要解决的首要问题。当选用的传感器确定以后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。传感器的选用是否合理，这也关系到测量结果的成败9。在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。矿井皮带运输机的工作运量大、运输距离长、连续运输性能要求较高，为保障矿井的安全生产，提高生产效率，速度故障处理时间，就必须对矿井皮带运输机实施可靠的控制。传感器的选型直接关系到矿井皮带运输机系统的正常运行，任意传感器出故障都会影响体统的正常运行，轻则造成系统频繁误动作，加速系统老化，重则造成设备和人工伤亡，因此传感器的选型和质量都极其重要。由于矿井的环境十分恶劣，传感器必须选用低故障率、高灵敏度、长寿命，具有三防功能的产品8。3.2.1 打滑检测皮带打滑通常是由于皮带在与主动滚筒相遇点上的实际张力大于皮带两端张力的极限值而造成的。如果皮带和滚筒的速度不相等，那么皮带就存在打滑现象。本设计选用KGX-S1速度传感器，如图3-2所示。它是一种将皮带运输机的运行速度检测出来，变成电脉冲信号运输给保护装置，使装置能够根据速度大小来确定运行状态，可同时解决皮带运输机低速运转、打滑和断带等问题的智能传感器。图3-2 KGX-S1型速度传感器Fig. 3-2 KGX-S1 type of speed sensor将磁钢安装在皮带运输机从动轮的侧面，随皮带运输机的从动轮旋转。当速度传感器靠近磁钢时，速度传感器上的霍尔元件产生与从动轮转速成正比的正脉冲信号，每个正脉冲触发单稳态电路，经反向后产生一定脉宽的正脉冲，此时的正脉冲与霍尔元件发出的同时输入另一单稳态电路。皮带速度不出现打滑时，此时两脉冲同时输入单稳态电路，变换后电子开关端输出高电平；若出现打滑现象，从动轮速度下降，霍尔元件发出的正脉冲将不能与前一脉冲触发的正脉冲同步，经过一段时间延迟后电子开关端输出低电平，打滑指示灯亮。3.2.2 跑偏检测皮带运输机运行时皮带跑偏是最常见的故障，皮带跑偏轻则造成撤料、皮带磨损，重则由于皮带与机架剧烈摩擦引起皮带软化、烧焦甚至引起火灾，造成整个生产线停产，因而，正确地处理好皮带跑偏关系到整个生产系统的正常运转。1） 跑偏传感器的主要用途跑偏传感器主要用于检测实际运行中带式皮带运输机的偏移状态来发出信号，实现带式皮带运输机跑偏后自动报警和自动停机功能，来防止因皮带运输机偏移倾斜使物料撒落。其常态为断开状态，动作时闭合。本传感器具有动作功能。当皮带运输机在运行过程中发生严重偏移时，则传感器输出停机信号。2） 跑偏传感器的选型与安装选用GEJ-40矿用本质安全型跑偏传感器，如图3-3所示。GEJ系列跑偏传感器是带式皮带运输机必备的安全保护装置。它彻底改变了传统跑偏传感器机械设计不合理、使用寿命短的缺点，其具有防砸、防腐、坚硬及柔韧性强等特点，适合在不同的恶劣环境中使用。图3-3 GEJ-40型跑偏传感器Fig.3-3 GEJ-40 type of running deviation sensor跑偏传感器由立辊、复位手柄(调偏再启动)、凸轮及行程开关等组成。GEJ系列跑偏传感器采用立辊式测偏结构，利用带式皮带运输机跑偏时的横向位移触碰到立辊，使立辊产生偏转，然后以立辊的偏转角确定皮带跑偏量。当立辊偏转角达到一定角度时，操纵控制系统，切断皮带运输机控制回路停机或向监控站发出跑偏故障信号，可以有效的防止皮带因跑偏而导致的洒煤、摩擦或撕裂而引起的皮带着火，以免运输系统皮带运输机运输系统的事故发生。当故障排除后，跑偏传感器轴辊又恢复到正常工作11、12。将本传感器按皮带槽角倾斜安装，以保证开关立辊与皮带面相垂直，并使皮带面位于立辊高度的1/3处，同时保证电缆出线口靠近皮带内侧。跑偏传感器应成对地安装在皮带两侧，一般每隔50米皮带安装一对跑偏传感器。由于皮带运输机都存在不同程度的不影响正常工作自然跑偏，所以在安装时将立辊距带边留有一定的空间，为40mm80mm。3.2.3 堆煤检测监测卸载点是否有堵煤现象，一般将传感器应吊挂在胶带卸载处或机头的煤仓内。正常的煤流运动应不能碰击堆煤传感器。但当卸载点发生堆煤故障时，滞留的积煤应能触及堆煤传感器，使它发生倾斜。本文选用GLU50型煤位探测传感器为矿用本质安全型设备，如图3-4所示。它主要由圆柱形主体和探杆两部分组成。主体壳内有气动延时开关和一个钢球，正常情况下悬挂的传感器处于垂直状态，钢球压在延时开关上。当煤位上升使传感器倾斜超过动作角度时，钢球滚开，开关延时动作发出语音报警信号，经延时23秒时，皮带运输机停机。煤位下降后，传感器又恢复垂直状态，钢球又压在延时开关上，使其瞬间复位。图3-4 GLU50型煤位传感器Fig.3-4 GLU50 type of coal level sensor它除了可以用于监测矿井煤位之外，还可以用于冶金、化工、交通、电力等行业检测液体或固体的料位。它具有以下特点：a. 外壳坚固，密封性能好，能在恶劣环境中使用；b. 动作灵敏，可靠，安装方便；c. 传感器能延时动作，延时时间可调，避免由于大块物料撞击引起的误动作；3.2.4 温度检测集成模拟温度传感器，具有灵敏度高、线性度好、响应时间快等优点，而且它还将驱动电路、信号处理电路和必要的逻辑控制电路集成在IC上，有实际尺寸小、使用方便等优点。本文选用LM35型矿用本质安全温度传感器及其内部电路图，分别如图3-6和图3-5所示。其输出电压与摄氏温标呈线性关系，转换公式如式(1),0时输出为0V，每升高0，输出电压增加10mV。在常温下，LM35不需要额外的校准处理即可达到1/4的准确率。 (3-3)图3-5 LM35型温度传感器Fig. 3-5 LM35 type of temperature sensor图3-6 LM35温度传感器内部电路图Fig.3-6 Internal diagram of LM35 type of temperature sensor温度传感器LM35的灵敏度为l0mV/，即温度为10时，输出电压为100mV。 常温下测温精度为+/-0.5以内，消耗电流最大也只有70A，自身发热对测量精度也只在0.1以内。LM35温度传感器主要用于对煤矿井下皮带运输机的滚筒因摩擦引起的温度过高进行检测。当被检测温度超过设定温度时，超温指示灯量，皮带运输机停止运行，同时启动洒水装置。3.2.5 烟雾检测当井下巷道中因皮带摩擦等原因造成烟雾发生时，悬挂在巷道内的烟雾传感器起作用发出报警声，切断电机供电，起到烟雾保护作用。烟雾传感器就是通过坚持烟雾的浓度来实现火灾防范的器件。本文选用KGQ-12型烟雾传感器，如图3-7所示，其内部电路图如图3-8所示。适用于煤矿井下有瓦斯、煤尘爆炸性气体的环境中，主要用于煤矿井下皮带运输机因摩擦发热或其他原因而产生的烟雾进行检测保护。该传感器可配接声光报警装置和断电装置，实现断电和报警控制，也可以与各种生产、安全监控系统配套使用。图3-7 KGQ-12型烟雾传感器Fig.3-7 KGQ-12 type of smoke sensor图3-8 KG1-12型烟雾传感器内部电路图Fig.3-8 Internal diagram of KGQ-12 type smoke sensor此传感器采用双气敏探头，对烟雾具有一定的选择性，其信号通过专用电路处理后，送给电控箱。当动作后，其输出高电平变成低电平送给电控箱动作，同时烟雾传感器内的红灯快速闪烁，并发出报警声音。由于此传感器设置了两个出线口，温度引线可以从其内引出，以简化路线连接。此传感器的安装位置应选择皮带运输机机关传动部件或容易发生摩擦产生烟雾的部件旁边，一旦有烟雾产生，烟雾进入感烟探头后，传感器立即动作。3.2.6 撕裂检测皮带运输机撕裂故障是皮带运输机最严重的一种故障。皮带运输机输煤系统有许多设备组成，但是皮带自身的安全却往往是一个薄弱环节，一条运煤皮带的成本占整个机器成本的40%以上，因此监测皮带撕裂现象发生非常重要。皮带撕裂的原因和现象主要有以下几种： 抽芯撕裂皮带在强烈的冲击力作用下，造成皮带中心的钢丝芯断裂，经过长时间的磨、压、拉等外力作用，断裂的钢丝芯断头露出来。 皮带跑偏造成撕裂皮带运输机在运行过程中，皮带发生跑偏，往单侧偏移幅度较大时，就容易形成折叠，受到设备结构摩擦很容易刮伤皮带，造成皮带撕裂，这一般发生在皮带的两侧。 异物划伤皮带这种损伤通常发生在溜槽下部，根据运煤流程的需要，相邻的两条皮带首尾衔接处应该有一定的高度，这样才能使上部皮带运输机的煤产生一定的势能。当落到下部皮带运输机时就达到一定的速度，但是如果下落的煤中混有尖锐物体，在接触皮带时由于惯性作用，尖锐物体就会划伤皮带，导致皮带在运动过程中造成撕裂。 煤炭卡压堵塞引起的撕裂这是由于皮带下面的缓冲托辊是间隔分布的，平且溜槽前端和皮带表面的距离有限，当较大物料下落时，落于托辊之间，将砸破皮带导致撕裂。另外当装载点处上料量突然增大时，也会使皮带装料堵塞，经过长时间摩擦，导致皮带撕裂。本文选用ZS-1型皮带撕裂传感器，如图3-9所示，适用于煤矿有瓦斯、煤尘爆炸等危险环境，与皮带运输机电气控制装置配套使用，用作皮带运输机检测与保护。当皮带运输机的皮带被尖锐物体穿透后，物料落到传感器上，这时传感器将信号传到信号箱，控制继电器动作，发出报警和停车信号，从而实现保护皮带的作用。图3-9 ZS-1型皮带撕裂传感器Fig.3-9 ZS-1 tear-belt sensors 3.3 保护装置3.3.1 拉绳急停闭锁开关煤矿上的本质安全型拉绳急停开关主要用于皮带运输机等设备，作为系统异常事故的紧急停机并闭锁，及沿线维修时的安全锁定，等待检修完毕或事故排除后，方可复位开机，从而保证生产安全，主要适应于具有瓦斯和煤尘的爆炸性气体混合物的环境，保障了煤矿的安全生产。图3-10 拉绳急停闭锁开关Fig.3-10 Rope emergency stop switch is closed本文选用KG9001A-ZJ型拉绳急停闭锁开关用作皮带运输机沿线拉绳急停闭锁保护，如图3-10所示，其主要有以下特点：1） 密封性能好，动作可靠，维护方便；2） 撕裂、跑偏等保护装置和信号器可以就近接入闭锁开关，这大大节省了电缆；3） 采用了接插件连接形式，两边各有一个较大的接插件口，下部有三个较小接插件口。皮带运输机在正常工作情况下，拉杆压住其内部的行程开关，控制回路内的接点处于常开，指示牌竖立在上方。当皮带运输机出现故障需要紧急停车时，只需拉动开关任意端的钢丝绳，拉杆松开并且旋转，指示牌倒下，同时行程开关动作，皮带运输机电气控制装置收到信号后，发出指令，切断电源。当故障排除后，人工将指示牌旋转到竖立位置，开关复位，不通过人工复位，拉杆不能退回原位，开关起到闭锁作用。皮带运输机沿线一般间隔50100米安装一台急停闭锁开关，钢丝绳一端固定在本开关拉杆上，另一端固定在皮带运输机机架或者墙壁、栏杆固定点上。3.3.2 自动洒水装置选用DF4/7.5型矿用隔爆型电磁阀，如图3-11。它主要适用于煤矿井下含有煤尘和爆炸性气体的危险环境中作为降温、除尘洒水之用。可以作为井下自动及其它管路中控制全开或全闭之用，与系统控制设备配合构成皮带运输机控制系统，达到保护人体健康和安全生产的目的。图3-11 DF4/7.5型矿用隔爆型电磁阀Fig.3-11 DF4/7.5 type of Flameproof solenoid valves本电磁阀分为上部阀体和下部阀座两部分结构，上部阀体为圆筒形结构，内部有电磁体，作为控制阀门开闭的动力源，下部阀座内有导水阀口，过滤器等部件，其中过滤器能有效阻挡直径大于1mm的有害杂质通过，这样既可以避免了喷头堵塞，又降低了井下工作人员的劳动强度。其工作原理是：不通电时，阀芯为初始态，导水阀口关闭，水不能流通，通电之后，在电磁效应的作用下，电磁体能产生足够的推力，克服水的压力，使阀芯脱离水阀口，水便流通，洒水装置自动洒水。3.4 系统的主要结构3.4.1 地面控制中心系统采用分布式控制结构，由地面综合操作台、井下控制分站组成。综合操作台位于地面中央控制室，中央控制室与井下监控点之间的距离较远，而且井下监控点之间的距离也很远，主要通过上位机对井下各个皮带运输机及相关设备进行远程监控。本系统采用手动、自动两种工作方式进行启停。当系统采用自动控制方式时，操作台发送控制信号到可编程控制器，按照一定的联锁关系根据现场实际条件控制皮带运输机的开停，同时能随时检测到井下各设备的开停状态、故障情况。通过操作台可以监测井下皮带运输机的运行状况和实施控制操作。操作台上有系统运行的按钮、时间钟等，系统的控制在操作台上选择并执行，操作台上显示瓦斯浓度、各个电机的三相电流、输出功率、主滚筒温度，以及运行状态、故障地点、故障性质的指示，供操作人员参考。操作台内部装有本安信号到隔爆信号转换器及PLC隔离继电器。通过操作屏的各种操作控制按钮，就可以对皮带运输机进行远程控制。本系统设置了两台上位机，都可以作为操作员站，当其中一台计算机出现故障时，可自动切换到另一台计算机，以防止数据丢失或控制失控。所有的操作和数据显示都能在上位机上完成。3.4.2 井下皮带运输机控制分站控制分站的核心元件是可编程控制器，用于就地、集控、检修工作方式下，程序控制皮带运输机。PLC有通讯接口模块，各条皮带运输机控制分站通过PLC上的通讯接口模块接到井下ControlNet网，通过ControlNet把各个分站监测到的信息传送到地面进行集中监控。监控网络实施后，操作人员可以在中控室终端上监视控制皮带运输机整个生产过程，完成对皮带运输机生产和相关环节的远程监视和控制，实现矿井皮带运输机生产运输系统的综合自动化。本文的控制系统中共有4个分站，每个分站都采用西门子公司S7200型号的PLC进行控制，PLC实现了生产系统的分布式控制，采用四个PLC控制相应的四条皮带上传感器和启停操作。每个PLC控制接线图，如图3-12所示。而上位机实现集中管理，来共同构成整个皮带运输机系统。图3-12PLC控制接线图Fig.3-12PLC control wiring plans四条皮带运输机分别由四个三相交流异步电动机来驱动，带动四条皮带运输机运输系统的电机原理图，如图3-13所示：四台电机分别为M1、M2、M3和M4，它们分别带动1号皮带、2号皮带、3号皮带和4号四皮带。接触器KM1、KM2、KM3和KM4分别控制M1、M2、M3和M4的得电运行；FR1、FR2、FR3和FR4分别为四台电机过载保护用的热继电器；QS为四台电机主电路的隔离开关；F1-3是快速熔断器，用来保护变频器内部整流桥的功率电子元件的热容量很小。图3-13电机原理图Fig.3-13 Electric machine schematic接通三相电源后，三相电经快速熔断器F1-3、隔离开关QS。当输煤系统按下启动按钮后，KM1得电，电机M1开始运行，经PLC的定时器延时一段时间后，KM2得电，电机M2运行，其后类推。这里的KM1、KM2、KM3和KM4不同时动作，这在软件中实现。3.4.3 安全保护安全保护系统具有皮带运输机打滑、跑偏、堆煤、温度、烟雾、撕裂、超温洒水和警灯提