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工程硕士论文基于f p g a 的胶带输送机控制与保护系统的设计与实现 摘要 带式输送系统作为一种连续运输系统，已被冶金、煤炭、矿山、化工、电力、 港口等各行各业广泛采用。在胶带输送机的连续生产中，常会出现打滑、撕裂、 跑偏、堵料等现象。为了提高胶带输送机运行的可靠性，目前已采用多种装置对 胶带输送机进行保护，由于各装置间相互独立，不能对检测信息进行综合判断， 出现误报，从而造成输送机不应有的停机，或者造成事故，给企业生产造成了巨 大的经济损失。因此，只有综合了多方面的故障信息，利用智能判断方法，才能 在现有基础上，提高整个输送机系统的安全性、可靠性，实现智能化控制，提高 企业的生产效率。 本文首先分析了带式输送机各种故障的原因及检测方法，设计了系统的整体 方案及控制系统，选定了速度传感器、温度传感器、料位传感器等型号，并开发 利用r s 4 8 5 总线方式实现主从机的通信系统。 其次，简要分析了f p g a 器件的特征和结构，完成了器件的选择和相关开 发环境和工具的选取，系统阐述了复杂f p g a 设计的设计方法，详细介绍了 f p g a 设计流程，概要介绍了使用q u a r t u si i 和v h d l 语言、m o d e l s i m 仿真结 合使用的f p g a 开发流程。 最后，在q u a r t u s l i 软件平台上，对以硬件描述语言v h d l 为描述手段完成 的设计文件，自动地完成逻辑编译、逻辑综合、逻辑优化和仿真测试。详细设计 了包含输入输出单元、存储单元和控制单元的主从机系统，经过反复仿真测试和 修改，最终完成了系统的设计，各项功能都达到设计要求。 此外，该研究成果还对其它工程有参考意义，研发成功的智能化保护仪表也 具有很大的应用推广价值。 关键词：胶带输送机，控制与保护，f p g a ，q u a r t u s l i ，v h d l 工程硕士论文 a b s t r a c t a sac o n t i n u o u st r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ，t b eb e l tc o n v e y o rs y s t e mh a sb e e nw i d e l y u s e di nm e t a l l u r g i c a l ，c o a l ，m i n i n g ，c h e m i c a l ，p o w e r , p o r t sa n do t h e ri n d u s t r i e s d u r i n g c o n t i n u o u so p e r a t i o np c d o do fc o n v e y o rb e l t ，t h ep h e n o m e n o ns u c ha sb e l tc r e e p s ， b r o k e nb e l t ，t e a r i n g ，r u n n i n gd e v i a t i o n ，m a t e r i a lh e a p sw o u l dh a p p e n ，w h i c hr e s u l ti n s e r i o u sc o n s o q u e n c e s i no r d e rt oi m p r o v et h er e l i a b i l i t ym a n yt y p e so fe q u i p m e n t s h a v eb e e nu s e dt op r o t c e tb e l tb e l tc o n v e y o r a st h ee q u i p m e n t sa r ei n d e p e n d e n t ，t h e y c o u l d n tg i v ec o m p r e h e n s i v ea n di n t e l l i g e n c ej u d g m e n t t h e n ，i n c o r r e c ts h u t d o w no r a c c i d e n th a p p e ma n dg r e a te c o n o m i cl o s s e sa r ec a u s e d t h es a f e t ya n dr e l i a b i l i t yo f s y s t e mc a nb ei m p r o v e db yc o m p r e h e n s i v ei n f o r m a t i o n ，i n t e l l i g e n c ej u d g em e t h o d sa n d c e n t r a l i z e dc o n t r o l ，a n dt h ep r o d u c t i o n e f f i c i e n c yw o u l d b ei m p r o v e d i nt h i sp a p e r ，a l lt h ec a u s e sa n dd e t e c t i o nw a y so f b e l tc o n v e y o ra r es i m u l t a n e o u s l y a n a l y z e d t h ec o n t r o ls y s t e mh a sb e e nd e s i g n e d t e m p e r a t u r es e n s o r s ，m a t e r i a ll e v e l s e n s o r s ，p u l l i n gt oo n es i d es e n s o r sa n dp o r t r a i ts e n s o r sa l es e l e c t e dr e s p e c t i v e l yb y c o m p a r i n g t h e p e r f o r m a n c e o fs e n s o r s t h ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m w h i c h c o m p l e m e n t e db y ew a y so fr s 4 8 5b u sb e t w e e nm a s t e ra n ds l a v es y s t e mi sd e s i g n e d s e c o n d , i ta n a l y z e st h ec h a r a c t e r i s t i c sa n ds t r u c t u r eo ff p g ad e v i c e s ，t h ed e v i c eo f c h o i c ea n dc o m p l e t ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n ta n dt o o l sr e l a t e dt ot h es e l e c t i o n , t h e s y s t e md e s c r i b e st h ed e s i g no fc o m p l e xf p g ad e s i g n , f p g ad e s i g nf l o wd e s c r i b e di n d e t a i l ，o u t l i n i n g t h eu s eo fq u a r t u si ia n dv h d l l a n g u a g e ，m o d e l s i ms i m u l a t i o n c o m b i n e dw i t ht h ef p g ad e v e l o p m e n tp r o c e s s f i n a l l y , o nt h eq u a r t u s i is o f t w a r ep l a t f o r m ，i td o e sl o g i c a lc o m p i l e ，l o g i cs y n t h e s i s ， l o g i co p t i m i z a t i o na n ds i m u l a t i o nt e s ta u t o m a t i c a l l yt ot h ed e s i g nd o c m e n t ，w h i c hi s o b t a i n e du s i n gh a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g ev h d la sd e s c r i p t i o nm e t h o d c o n t a i n s t h ed e t a i l e dd e s i g no ft h ei n p u ta n do u t p u tu n i t s ，s t o r a g eu n i ta n dc o n t r o lu n i tf r o mt h e m a s t e ra n ds l a v es y s t e mh a sb e e nd e s i g n e d a f t e rr e p e a t e ds i m u l a t i o nt e s ta n d m o d i f y ，if i n a l i z e dt h ed e s i g no ft h es y s t e m ，a n dt h a ta l li t sf u n c t i o n sh a v em e tt h e d e s i g nr e q u i r e m e n t s i na d d i t i o n ，t h es y s t e mi so fs o m er e f e r e n c es i g n i f i c a n c et oo t h e rp r o j i c t sa n d t h e r ei sab r i g h tm a r k e tf o rt h es u c c e s s f u l l yd e v e l o p e di n t e l l i f e n ti n s l n u n e n t k e yw o r d s ：b e l tc o n v e y o r c o n t r o la n dp r o t e c t i o n , f p g a ，q u a r t u s i i ，v h d l l i 工程硕士学位论文 基于f p g a 的胶带输送机控制与保护系统的设计与实现 1 绪论 1 1 引言 胶带输送机是一种具有牵引件的连续运输设备，它是现代输送系统最重要的一个 环节，主要用来输送块状、粒状和散状等物料，同时也可输送成件的货物，广泛应用 于电厂、矿山、港口、冶金、选矿、化工、石油、轻工、建材等领域。其中胶带输送 机在煤矿和火电厂输送系统中应用尤其普遍，它不仅能代替工人繁重的体力劳动，改 善劳动条件，而且能增加系统的安全性，提高劳动生产率，降低生产成本。 胶带输送机系统大部分是由大型动设备组成的，所以潜伏着一个很大的危机，一 旦发生胶带堵料、打滑、撕裂等事故时，如果未能及时得到发现，所造成的后果是十 分严重的，给企业的正常运行带来巨大的影响。特别是在煤矿井下，一旦由于滚筒发 热或其他原因引发火灾，将酿成重大恶性事故。随着我国胶带输送机的使用量越来越 大，应用的范围越来越广，迫切需要研究一种多功能胶带输送机故障检测、自动保护 控制系统，对胶带输送机出现的故障进行自动检测，自动保护，故障和事故时发出报 警信号，并进行保护，以最大限度的减少事故损失和影响，并且能自动远程控制胶带 输送机的运行和停止，代替现场操作。现场安全生产的需要和科技的发展，也促使了 对胶带输送机故障检测与保护控制技术的发展【1 1 【2 1 【3 】【4 】【5 】。 1 2 研究胶带输送机控制与保护系统的意义 胶带输送机是一种连续性的长距离、大运量、高速度的物料输送设备，目前胶带 输送机已成为各行业散状物料连续运输的主要设备，在火电厂和煤矿井下物料运输中 占有绝对主导地位，其运行状况的好坏，直接影响着整个企业物料的输送，对企业的 安全生产起着非常重要的作用。胶带输送机作为一些行业的主要设备，其可靠性直接 关系到企业的安全生产与人员生命财产安全。因而，可靠的生产监控系统是保障企业 安全生产的必要手段，对胶带输送机实现全面的监测与保护，提高报警的可靠性，减 少误报率，有效地保证企业安全生产和生产的连续性，具有重大的经济效益与社会效 益。国家煤矿安全监察局发布的煤矿安全规程规定，对于滚筒驱动胶带输送机， 必须装设温度保护、烟雾保护、堆煤保护和防跑偏装置，在电力冶金等行业，以及设 计规范中，也有相似的强制规定l o jl t j 。 本文结合自动化控制技术、检测技术、e d a 技术和通信技术，开发出一种智能 化的胶带机控制与保护系统，它对于改善胶带输送系统的安全可靠性方面有着重要作 用。设计的系统能对胶带机运行情况进行有效监控，将胶带机各种运行状态直观显示， 出现问题及时发现，将故障消灭在萌芽状态，从而预防了事故的发生，延长了胶带机 l 绪论工程硕士论文 组的使用寿命，节约设备投资，有效地保障了运输系统的安全生产。通过该控制与保 护系统，也实现了生产的自动化和智能化，大大减少人工操作，节约了人力物力。该 项目对其它企业也有良好的借鉴作用，具有重要的研究意义和实用价值。 1 3 胶带机控制与保护技术的演变 1 3 1 保护控制技术的演变 随着计算机、控制、通信、网络、数据库等技术的发展，计算机控制系统的结构 发生了一系列变革。科技的不断进步，电子技术的不断发展，生产过程控制技术经历 了三四十年代单参数仪表控制、四五十年代的单元组合仪表、综合参数仪表控制以及 6 0 年代兴起的计算机过程自动化控制等几个阶段。尤其是近十年来，计算机控制系 统得到了很快的普及和发展。根据现场应用的特点、控制方案、控制目的和系统构成， 可以将计算机控制大体分为四种类型：操作指导控制系统、直接数字控制系统、监督 计算机控制系统和分散控制系统p j 。 工业控制中应用最广泛的是分散控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m s ，简称 d c s ) 例，它是以计算机技术为核心，与信号处理技术、测量控制技术、通信网络技 术和c r t 显示技术密切结合，按照控制功能分散、操作集中管理、兼顾复杂生产过 程的局部自治和整体协调的思想设计，具有安全可靠性、通用灵活性、最优控制性能 和综合管理能力。其次，p l c 控制系统在工业控制中也得到了广泛的应用，其原理 与d c s 类似，只是其控制器核心采用可编程控制器( p l c ，p r o g r a m m a b l el o g i c c o n t r o l l e r ) 【1 0 1 。 目前大型电厂胶带运输系统中使用的自动生产监控系统，大都为d c s 或p l c 控 制系统，其中以p l c 系统为主。系统主要由上位机和下位机组成，上位机用于集中 监视控制功能，若干台下位机下放分散到现场实现分布式控制，各上下位机之间用网 络互连以实现相互之间的信息交换。 1 3 2 胶带机保护控制技术的研究现状 目前国内外研究胶带机输送系统的保护装置较多【l l 】【1 2 1 【1 3 】【1 4 1 【1 5 1 ，文献11 设计 了滚轮式超声波检测装置，可以预报胶带纵向撕裂程度，但由于该装置的超声波是通 过耦合到胶带上的，中间环节多，其耦合问题有一定的难度，目前都用在地面上的输 送机；文献1 2 采用u 1 2 a 4 4 一加l x 无触点集成接近开关感应测速，应用n e 5 5 5 时基集成定时器组成延时翻转电路，由继电器常开触点实现对胶带机打滑的自动停 车；文献1 3 介绍了目前胶带输送机的常见故障的安全保护，重点介绍了后果较为严 重的胶带撕裂保护；文献1 4 对胶带输送机跑偏的现象及原因进行分析，解决了胶带 输送机在运行中胶带跑偏的问题；文献1 5 介绍了一种基于8 0 c 1 9 6 m c 单片机的保护 2 工程硕士学位论文基于f p g a 的胶带输送机控制与保护系统的设计与实现 系统，集保护、通信于一体，可实现故障停车。上述几种胶带机保护方法较好地起到 了对胶带跑偏、打滑问题的解决，比起早期的胶带保护系统有了很大的进步。但是， 用集微控制器和智能算法为一体的专门用于胶带机智能保护的监控系统在国内鲜有 报道。 由于胶带输送机已成为我国煤炭运输的主要设备，因此，近几年来胶带输送机的 机电一体化成为煤炭企业的重点研究对象。以计算机为核心，配备堵料、跑偏、打滑、 温度、烟雾、撕裂等多种传感器的胶带输送机综合保护系统已在煤矿中得到一定的应 用，并取得良好的效果引。 “九五 期间我国还成功研制出钢绳胶带输送机全数字控制系统，已经具备一定 的保护、自诊断和通信功能。该系统在平煤十几个矿井使用，取得了良好的效果。然 而，国内的大部分产品在使用过程中仍存在问题，国内产品长期以来缺乏改进使很多 问题一直没有得到解决，国内的胶带输送机的保护装置存在功能单一、性能落后、结 构复杂、外形粗糙、可靠性差等缺点；高端产品市场基本被国外产品瓜分，国内尚没 有较强竞争力和影响力的品牌；事实上，在我国大部分煤矿企业中，还存在着缺乏对 胶带输送机事故全面监控的现象，生产中安全问题严重。现有的一些方法和技术往往 仅对其中的一种或部分危险工况进行监测，很不系统和全面；目前常用的一些传感器 ( 如烟雾传感器等存在环境适应性差、易损坏、可靠性差等致命缺点，很难满足恶劣。 环境下长期连续监测的要求；一些高新技术，系统复杂，尚未成熟，目前国内尚未形 成一套系统成熟的胶带输送机综合监控技术和国家标准l i 。国外胶带输送机除安装 防止输送带跑偏、打滑、撕裂、堵塞、自动洒水降尘等保护装置外，近年又开发了很 多新型监测装置：传动滚筒、改向滚简及托辊组的温度监测系统，烟雾报警及自动消 防灭火装置，胶带纵撕裂及接头监测系统，这些新型保护系统我国基本处于空白，而 我国现有的保护装置的可靠性、灵敏性、寿命都较低。由于这些差距造成了国产胶带 输送机运行性能与工作可靠性差、故障多，因此，迫切需要解决国产胶带输送机监控 自动化技术的关键技术。只有采用新技术大力开展输送机监控关键技术的研究，尽快 攻克这些关键技术才能使胶带输送机综合保护系统的设计水平、运转性能与可靠性有 一个质的飞跃，才能满足企业日益增长的需求。 1 3 3 胶带输送机控制与保护系统的发展趋势 胶带输送机保护装置的种类虽多，但其基本工作原理却非常相似，即通过各种传 感器，将温度、速度、位移等物理信号转化为电信号，然后再提供给控制系统进行分 析、判断和决策。因此研究如何改进和提高各种传感器的结构和灵敏度以及可靠性等 应是保护元件未来的发展方向。结合今年来出现的一些新技术和新产品的应用情况 看，带式输送机控保装置有以下发展趋势l i 引。 3 l 绪论 工程硕士论文 发展胶带输送机综合保护自动化系统，发展智能化保护系统，使现场保护装置具 备通讯功能；应用通讯和地址编码技术，集中对安装在现场的整个胶带输送机系统的 所有保护装置进行监视和控制，实现远方状态显示及远方复位等功能。胶带输送机保 护系统与控制系统互相通讯，参与到整个输送机控制系统的逻辑控制过程中，可充分 发挥保护装置的作用。目前已经出现的带式输送机保护系统主要侧重于集中通讯和信 号采集功能，各个现场保护装置的智能化开发和应用比较少，有部分厂家采用单片机 技术开发了智能式拉伸开关、智能式跑偏开关等，但没有一定的国家或行业标准，限 制了它们的应用和推广。 发展一体化、小型化胶带输送机控保装置。结构紧凑、安装方便、免维护是未来 各种状态检测装置的必然方向。 应用新的检测技术和检测手段，针对当前胶带输送机控制与保护装置使用过程中 的缺点和不足，开发出更能及时有效反映输送机运行状态的、性能更为稳定可靠的、 具有自主产权的控保装置，是今后一定时期内行业研究人员的研究重点。在保护功能 方面，针对应用中接触式检测方式存在的弊端，可以尽量采用非接触式测量技术手段， 如非接触型的感应式跑偏开关和感应式料流开关等，以减少对现场工艺流程的影响， 并可以大大延长保护装置的使用寿命、减轻检修和维护的负担。 总而言之，胶带输送机控保系统的发展必须要、也必然会与检测技术、通信技术 以及自动化控制技术的发展紧密结合。 f p g a 是一类高集成度的可编程逻辑器件，由美国的x i l l n x 公司首先推出，主要 用于高科技行业，该公司于上世纪八十年代首先推出了世界上f p g a 芯片。在这近三 十年的发展过程中，f p g a 的硬件体系结构和用于f p g a 的软件开发工具都在不断的 完善，日趋成熟，从最初的1 2 0 0 个可用门，到9 0 年代时几十万个可用门，发展到目 前数百万门至上千万门的单片f p g a 芯片，目前，x i l i n x 、a l t e r a 等世界顶级厂商已 经将f p g a 器件的集成度提高到一个新的水平。f p g a 芯片具有高抗干扰性、低功耗、 集成度高、体积小、灵活可配置、开发简单风险小等优点。f p g a 结合了微电子技术、 电路技术、e d a 技术，使设计者可以集中精力进行所需逻辑功能的设计，缩短设计 周期，提高设计质量。在复杂数字电路的设计中，只需要一片f p g a 器件、一些存储 设备和一些电气接口匹配电路的解决方案已成为主流选择方案。 基于以上情况，本文提出了一种以f p g a 器件为核心，以q u a r t u s l i 和v h d l 为 开发工具，基于r s - 4 8 5 总线的数字式的集散控制系统。这种控制系统数字化程度高， 不但可靠性极高，而且功能强大，灵活，便于多台胶带运输机的远距离通信，易于实 现智能化控制。 1 4 本文的研究目标及主要内容 4 工程硕士学位论文基于f p g a 的胶带输送机控制与保护系统的设计与实现 研究的内容是“基于f p g a 的胶带输送机的控制与保护系统 ，目的是研究一 种对胶带输送机进行测量控制、对各种故障进行保护的系统。通过查阅大量国内外文 献，在分析目前国内外煤矿胶带输送机控制与保护系统的基础上，结合国内实际情况， 确定本文的主要研究内容如下： 1 对胶带输送机现存常见故障的原因，可能造成的后果和常见的检测方法进行了 分析，并阐述了检测控制手段。 2 对胶带输送机控制与保护系统进行了研究，确立了系统设计模式，对保护测量 元件进行了设计选型，对系统的输入输出、信息存储、智能通信和逻辑控制等智能单 元的原理进行分析，并依此构建了智能系统。 3 熟悉构成各模块、单元、系统的现场可编程逻辑阵列( f p g a ) 的结构原理和 设计流程，掌握用硬件描述语言来描述各个电路的方法，以及用于编译、仿真等功能 的q u a r t u s l i 软件。 4 应用各种开发工具，在一片f p g a 器件上生成各种单元和总系统。详细介绍了 利用v h d l 语言和q u a r t u s l i 软件构建各子模块、模块和系统的原理、方法、流程， 利用仿真结果来判断所设计电路是否正确，给设计程序中存在的问题一些提示，通过 各个级别的反复仿真和修改程序，验证了电路设计的正确性。 5 对系统进行仿真，最终得出结论，利用f p g a 为主要器件构成的胶带输送机控 制与保护系统，实现了预期的功能，可以满足实际生产的需要。 5 2 胶带输送机常见故障与检测方法以及控制功能分析工程硕士论文 2 胶带输送机常见故障与检测方法以及控制功能分析 2 1 概述 胶带输送机在运行中，由于各种各样的原因，经常会发生跑偏、打滑、堵料、胶 带撕裂等故障；由于胶带与滚筒打滑，致使滚筒和胶带发热使它们提前老化，严重时 会发生火灾事故，而且，在胶带输送机系统中，紧急情况下，要求巡检操作人员能在 胶带沿线随时停车。如何保证胶带输送机安全工作，减少事故的发生，在发生故障及 事故时又能及时发现并给予解决，提高设备运转率，提高全员效率，减少损失，提高 系统的安全性，成为胶带输送机电仪控制设计中一个十分重要的、必不可少的环节。 为了能及时发现故障，最常见的方法是在胶带输送机上安装各种各样的检测元件，即 传感器，当发生故障或时，传感器将各种各样的物理信号，转化为电信号或开关信号， 或作用于报警，或作用于停车，或者启动其它设备，这就是应用最为广泛的现场保护 形式。 另外，在现代化胶带输送机运输系统中，远程控制与智能保护水平是反映输送机 系统现代化程度的重要标志，控制与保护具有密切的关联性。每台设备的启停车次序， 启停车方式，在故障或事故情况下的保护停车方式等，在设计和应用中也占有很重要 的地位。 本章针对胶带输送机系统常见故障的产生原因和检测方法以及控制方式进行了 分析。 2 2 胶带输送机各种故障分析与检测 2 2 1 胶带跑偏原因分析及故障检测 胶带输送机在正常运行中，胶带沿着滚筒或托辊运行，胶带纵向中心线与滚筒或 托辊组的径向中心线基本重合，胶带基本沿一条直线运动，当运行不正常时，胶带发 生偏移故障，这就是胶带的跑偏。从力学分析的角度看，胶带跑偏实质上是由于胶带 运行中横向受力不平衡造成的，在实际应用中，不平衡力产生的原因主要有以下几个 方面【1 9 j ： 1 传动滚筒、改向滚筒、增面滚筒、托辊、机架安装不正，其轴线与胶带中心线 不垂直，胶带的两侧受到的摩擦力不平衡，从而形成侧向分力； 2 滚筒或托辊粘附物太多，滚筒圆度不足，造成胶带受力不均衡； 3 胶带接头不正，导致胶带一边松一边紧； 4 胶带表面带水造成摩擦力不均衡； 5 胶带老化变质或胶带本身质量原因造成两侧偏斜； 6 工程硕士学位论文基于f p g a 的胶带输送机控制与保护系统的设计与实现 6 落料点不正，物料没有压在中心线上，或侧向冲击力胶大； 一般在机头、机中和机尾胶带最容易跑偏的地方分别安装防跑偏保护装置，当发 生跑偏故障时，保护装置及时动作，输出胶带跑偏信号。 2 2 2 胶带打滑原因分析及故障检测 胶带的运行是靠滚筒与胶带摩擦产生的动力来实现的，胶带打滑的主要原因是胶 带与滚筒的摩擦力不足，不能实现摩擦传动j ，这其中有两方面的因素，一是摩擦 系数变小导致摩擦力不足，二是运行阻力增大导致摩擦力小于运行阻力。在实际应用 中，打滑的产生有以下几个方面： 1 超载导致摩擦力不足以克服阻力； 2 胶带表面带水等造成摩擦系数变小； 3 张紧系统故障造成胶带张紧力不足，从而使摩擦力不足； 4 各改向滚筒损坏或卡阻引起摩擦阻力变大； 5 堵料，使运行阻力增大，牵引力小于阻力导致打滑； 打滑保护系统的工作原理是采用传感器测量胶带运行速度，然后与传动滚筒线速 度进行比较，正常运转时两者无差值，因而无输出，如发生打滑，则有差值输出，经 一段时间延时后进行保护。也有单一测量胶带实际运行速度，与预置的速度进行比较 进而判断是否打滑的速度传感器。 2 2 3 超温故障分析与检测 胶带输送机火灾主要是内因火灾，是由于胶带摩擦发热原因引起的。由于胶带被 卡死，传动滚筒完全打滑，或者托辊被卡死与胶带之间发生高速摩擦生热引起火灾， 其中粘结在滚筒或托辊上的可燃粉状物料( 如煤粉等) 由于摩擦升温，往往起着一定 的促燃作用。 红外线温度传感器，利用红外线的物理性质来进行测量，是一种非接触式传感器。 任何物质，只要它本身具有一定的温度( 高于绝对零度) ，都能辐射出红外线。利用 红外原理组成的红外线传感器测量时不与被测物体直接接触，因而不存在摩擦，并且 有灵敏度高，响应快，运行可靠等优点j 。 红外线传感器由光学系统、检测元件和处理电路组成。光学系统按结构不同可分 为透射式和反射式两类j ，检测元件按工作原理可分为热敏检测元件和光电检测元 件，热敏元件应用最多的是热敏电阻，不同的温度会呈现不同的阻止，光电检测元件 常用的是光电效应元件( 也称光敏元件) 。 2 2 4 烟雾故障分析与检测 当输送机因机械磨擦或其它原因引起烟雾或火灾时，烟雾保护装置可及时停止输 7 2 胶带输送机常见故障与检测方法以及控制功能分析工程硕士论文 送机，并发出报警信号，以避免扩大事故。目前常用的烟雾保护装置主要由烟雾传感 器和信号处理系统组成。气敏电阻传感器就是一种将检测到的气体的成分和浓度转换 为电信号的传感器瞄引。采用烟雾传感器，当胶带或可燃物料有烟雾产生时，输出报 警信号，也可启动洒水装置。 2 2 5 堵料故障分析与检测 在多机组成的运输流水线上，当一条胶带输送机上的物料在转载过程中不能被另 一条输送机及时拉走或者输送机机头漏斗被大块物料卡住时，就会发生堵料事故。 堵料保护由料位传感器来实现，目前生产的料位传感器有机械式、电极式、光电 式、超声波式等。【l m ，当发生堵料故障时，料位传感器发出信号，用于保护和停机。 2 2 6 撕裂故障简析与检测 胶带的撕裂，一般以转载点处异物造成的撕裂最为严重u 4 。 因为胶带输送机的胶带在严重跑偏或外部尖锐物件等戳入胶带时，有可能造成胶 带划伤，严重时带撕裂是一个突发的事件，基本上没有明显的预兆，因此现在很多检 测装置也就应运而生了，目前常见的几种撕裂检测方法有：p j 1 利用异物戳穿胶带时对撕裂检测装置产生的力的作用使检测元件发生位移原 理，组成撕裂传感器，常见的有棒型检测器和鱼线式检测装置 2 预9 振式检测装置 该装置分为起振和测振两部分。在转载点下面的胶带的一侧装一个偏心轮，使其 紧压在输送胶带上，随带的运行起振，测振器装在胶带的另一侧，一旦胶带发生撕裂， 检测器就不能接收到偏心轮发出的振动信号。 4 利用撕裂后漏料重力作用构成传感器。当运行中胶带撕裂后，必然从裂缝处漏 料，当漏料量达到一定值时，由于重力作用使传感器动作。 目前国际上应用较好的是胶带内部埋嵌导体的检测方法和系统，然而，在我国目 前生产的钢芯带绝大部分仍然没有嵌入导体的普通胶带，同时，由于埋嵌的导体在实 际使用中抗屈挠性较差，易于损坏，且胶带的成本较高等原因，因而在我国现阶段无 法推广应用。 2 2 7 拉绳开关 拉绳开关是用于带式输送机沿线紧急停机的一种现场操作保护装置。目前广泛应 用的拉绳开关一般为无源机械式双向拉绳开关。紧急情况下，可以在带式输送机沿线 任意位置拉动拉绳，使拉绳开关触点动作，实现紧急停机i 硎。 2 3 胶带输送机的控制功能 8 工程硕士学位论文基于f p g a 的胶带输送机控制与保护系统的设计与实现 现代化的胶带输送机控制与保护系统具有集中控制、单台操作和事故连锁停车功 能【1 6 1 2 7 1 1 2 8 1 ，操作人员可以可通过操作布置在中央控制室的自动化控制设备来实现。 2 3 1 集中控制 集中控制时操作人员只进行一次操作，即可完成所有设备的开停车，具有操作简 单可靠的优点。集中控制时具有逆料流( 或顺料流) 延时顺序起车和顺料流延时顺序 停车功能，顺延时间为l o s 左右。 1 集中开车 当多台装置联机并置于联锁工作方式时，可以依次延时起动运输系统各设备，延 时时间l o s 左右，延时期间具有报警功能；逆料流启动的目的是把输送线上残余的物 料沿输送线按顺序及时拉走，而不至于堆积造成堵料事故；延时的目的有两个，一是 为了有足够的警告时间，以提醒现场人员注意，二是留给电气系统足够的启动时间， 以免同时启动所有的电机，启动电流过大造成开关跳闸，电流过大也会使电气系统电 压降低，降低到一定程度时会造成启动失败。 2 集中停车 当多台装置联机并置于联锁方式工作时，可以依次延时停止运输系统各设备，延 时时间l o s 左右，延时期间具有预警功能； 3 事故停车 当多台装置联机并置于联锁方式工作时，任意一台出现事故停车时，向其供料的 下一台被联锁停车，以免造成堵料事故。重新起动时需转换一次本台的控制方式按钮， 让其处于单台控制状态下，待事故信号解除后，事故停车的胶带输送机才可再接受起 车信号并重新起车。 2 3 2 单台控制 单台使用，将控制与保护主机切换到联锁解除控制方式，设备的启动和停止受主 机面板上的启动和停止按钮控制而不受上一台的控制，常用于检修和调试。 2 3 3 其它控制功能 当胶带输送机发生故障时，可以启动摄像头进行电视监控，有时也可以启动洒水 装置进行防灭火。当需要查询历史操作和已发生的故障时，可以通过查询操作来实现。 2 4 本章小结 本章主要介绍了胶带输送机在运行过程中常见故障发生的原因，对输送机的跑 偏、打滑、烟雾、堵料、撕裂等常见故障的检测手段进行了简单研究，并简要介绍了 胶带输送机系统控制的基本内容。 9 3 胶带输送机控制与保护系统的硬件设计工程硕士论文 3 胶带输送机控制与保护系统的硬件设计 3 1 系统设计方案 本系统硬件由两大部分组成，即从机和主机系统，主从机的数据交换靠通信单元 实现，包括异步串行通信( u 舢汀) 电路和r s - 4 8 5 网络，设置成主从机系统的目的 是为了解决匹配问题。现场的许多信号，如果集中并行传给主机，则需要大量的控制 电缆，也占用主机大量的f o 接口，实现起来非常困难，也很不经济；如果都有串行 通信方式传给主机，主机对各个传感器的扫描的周期长，造成信号传输的延迟，失去 了实时保护意义，这在控制系统中是不能容忍的，所以主流的胶带输送机控保系统都 采用主分站或主从机模式，实现主从机的合理分工，系统组成原理图如图3 1 所示。 图3 1 系统组成原理图 从机系统由输入输出单元、处理器单元和通信单元组成。输入单元包括现场各种 传感器、光电隔离器、消抖和编码电路，输出单元是光电隔离器和控制柜继电器电路。 传感器是一种转换装置，将检测到的各种物理信号转换为开关量输出，开关打开时， v c c 经电阻施加到隔离电路，是一个高电平信号，开关闭合时，v e e 经电阻和开关接 地，施加给隔离电路的是低电平信号。光电隔离的作用是实现从机与现场设备的电气 1 0 工程硕士学位论文基于f 1 p g a 的胶带输送机控制与保护系统的设计与实现 隔离，避免现场异常电压对从机造成损害。高低电平信号经消抖电路消除由开关造成 的抖动后，才能进行编码，编码器输出的数据，真实的反映了现场情况，直接与u 剐 玎 并行输入端相连，至于何时发送，是受控制器控制的。控制器是系统的核心，担负着 对接收到数据进行处理的任务。u a r t 负责将并行数据转化为可供收发的串行数据， 并最终予以发送，也能接收来自主机的串行数据，将它们转化为并行数据，供控制器 处理。 从机的功能包括现场信号的处理与传输以及对主机命令的执行，它的工作原理 为：当从机通过r s - 4 8 5 网络接收到主机的命令，并且判断出接收的数据对本从机有 效时，一方面由控制器将命令处理成相应的电平控制信号，经光电隔离后送到电控柜， 控制设备的开停车。另一方面，控制器发出可以发送数据的指令，控制异步串行通信 电路( u 剐盯) ，将由传感器采集到的各种现场实时信号，经过光电隔离、消抖、编 码后形成状态数据，经r s - 4 8 5 网络返回给主机。 主机要比从机复杂得多，它就相当于一台完整的微型计算机。主机系统由输入输 出单元、处理器单元、存储单元、数字钟单元和通信单元等组成。主机的输入单元是 键盘，输出单元是包括译码电路的数码管和发光二极管显示器，存储单元包括内存和 外村，内存用于交换数据，外存用于存储数据，它们由三态门进行隔离。 主机的主要功能是通过通信网络对从机进行分析、保护和控制，也担负着数据存 储、显示和查询的任务。1 、操作人员通过键盘操作，发出开停车指令给控制器，控 制器一方面使“发送控制”有效，并且将指令转换为命令帧，通过u a r t 和r s - 4 8 5 网络对从机进行控制，另一方面接收从机的状态，并根据从机返回的状态判断指令的 执行情况，以决定进一步的动作。2 、控制器把接收到的数据与内存中的数据( 即设 备的上一个状态) 进行比较，不相同时表明设备状态发生了改变，于是发出“写控制 和“传输控制有效命令，把内存中相应数据置换成改变了的数据，即设备的实时状 态，同时在“写控制 的作用下，数据通过三态门和双向数据线提供给外存存储。3 、 键盘发出查询指令，查询外存中的历史数据时，“传输控制无效，三态门输出高阻 抗，同时使“读控制”有效，这样外存中的历史数据就能送往译码显示电路了。4 、 没有查询操作时，“传输控制 有效，内存和数字钟的数据通过三态门传给译码显示 电路。5 、外存地址是由读写控制产生的。6 、开车完毕后，控制器依次发出对每台设 备进行轮询的指令，若发现某台运行的设备故障停车，则发出事故停车命令，控制从 机进行联锁保护。 3 2 检测部分选型设计 检测部分用于检测现场设备的运行状态，由行程开关或传感器组成，是保护系统 的起始点，传感器可靠性、灵敏性的高低直接决定着能否成功实现保护功能，不同原 3 胶带输送机控制与保护系统的硬件设计工程硕士论文 理、不同功能的传感器应用场合不同，选型不当时起不到保护作用，所以传感器选型 设计在胶带输送机保护控制系统中占有十分重要的地位。 3 2 1 跑偏开关选型设计 为了及时检测出胶带运行时的跑偏情况，当胶带跑偏时又能及时报警或停车，需 要在胶带两侧按一定方式安装跑偏开关，或者叫跑偏传感器。跑偏开关由立辊、支架、 微动行程开关、凸轮轴、复位弹簧、底座、等组成，该传感器具有两级动作功能：一 级轻微跑偏，作用于报警，二级重度跑偏，作用于停机弘州，其结构如图3 2 所示。 k l 图3 2 跑偏检测传感器及电气原理图 胶带输送机运行时，当胶带跑偏且与跑偏开关立辊接触时，胶带会带动立辊自转， 并带动立辊沿图3 1 所示的方向偏移一定的角度，如果胶带偏移量继续加大，则挤压 立辊继续偏移，当立辊偏移到1 2 度以上时，一级开关动作，输出一开一闭两组信号， 当立辊偏移至3 0 度以上时，二级开关动作，也是输出一开一闭两组信号。一级开关 信号作用于报警，提醒操作人员进行调整，或者将此信号与跑偏自动调整装置联锁， 可实现跑偏状态下的自动及时调整；二级跑偏开关信号作用于停机，将此信号接至电 气控制系统，可实现严重跑偏状态下的自动停机，以防止事故的扩大和次生事故的发 生。故障排除后，胶带离开立辊正常运转，立辊自动复位，恢复原状l j ，常开常闭 触点复原。 利用跑偏开关输出的开关信号，可以实现对胶带跑偏的检测。将中间继电器常闭 触点接入到光电隔离回路，胶带跑偏时，传感器常闭点打开，使中间继电器失电，常 闭点闭合，使隔离输入信号为低电平，信号经处理后送给控制器进行计算。关于光电 隔离的原理，将在下文中予以介绍。 3 2 2 打滑检测仪选型设计 为了防止胶带输送机在运行过程中，胶带与传动滚筒之间打滑摩擦造成断带事故 或火灾事故，在输送机的机头位置安装打滑检测仪。检测仪的关键部件为速度传感器， 一般采用光电式、磁感应式和霍尔感应式三大类。 常用的磁感应式速度传感器主要由信号转子、永磁体、铁芯和绕在铁芯骨架上的 1 2 瓯霹 工程硕士学位论文基于f p g 的胶带输送机控制与保护系统的设计与实现 传感器线圈组成。它的工作原理是，当信号转子转动时，改变了通过传感器线圈的磁 通量，根据楞次电磁感应定律，于是在线圈内部便产生感应电动势，由线圈的两端输 出。感应电动势的大小与磁场磁通变化率的大小成正比，当信号转子转到磁场某一位 置是，磁通变化率最大，其感应电动势最高，过了该点，磁通变化率又开始降低，感 应电动势也开始下降。信号转子转速越高，磁通变化率越大，传感器线圈输出的感应 电动势越高，反之亦然。用来测量输送机传动滚筒速度的核心传感器结构原理如图 3 3 所示，由磁铁a 、磁感应线圈b 和电子电路组成。磁铁a 固定在传动轴上，磁感 应线圈b 产生速度相应的脉冲，电子电路将感应电动势进行放大和其它处理后，电 路会根据输出电压可以换算出相应的速度，当速度低于设定值时，输出开关动作信号。 p l 】 速度输出 开关输出 图3 3 磁感应式速度传感器结构原理图 根据胶带输送机的结构工作原理与现场特点，本系统采用同时检测输送机带速和 主传动滚筒线速度的方法，实现比差检测，当然，也可以利用数字电路对脉冲量计数， 并换算出相应的速度，并与预置数比较，判断胶带是否打滑。 打滑开关也是一台独立的设备，其输出的开关量除了直接作用于电控系统，使设 备停机，另一部分信号引入光电隔离回路，供系统监控使用。 3 2 3 温度检测选型设计 当胶带发生打滑时，由摩擦产生的热量使滚筒和胶带的胶面提前老化，严重时发 生火灾，因此超温保护是胶带输送机不可缺少的一种保护。超温保护的原理是检测滚 筒表面温度，温度检测的关键元件是温度传感器，应用比较广泛的有半导体温度传感 器、声学温度传感器、微波温度传感器和红外线温度传感器，目前在胶带输送机上应 用最多的是红外线温度传感器p 引，它是一种非接触式传感器，可以克服接触式传感 器在测量转动元件中存在困难的问题。 k g w 2 型红外温度传感器，采用检测发热体表面红外辐射原理，测量物体表面 温度，用户可通过转换板上的4 位拨动开关自行整定动作温度和复位温度，如表3 1 所示。当用于探测转动滚筒表面温度时，一般动作温度整定为8 4 4 c ，输出 2 0 0 - - 10 0 0 h z 频率信号或一组开关量信掣j 。 1 3 3 胶带输送机控制与保护系统的硬件设计工程硕士论文 表3 1动作温度整定值 五差达盔全整蕴q e ! 垡! 基金q 堕2 q 丛基金q e 兰盟! 基金q 匹垒q 丛基金q 匪 动作温度9 8 8 8 4 4 6 3 8 c5 3 9 3 9 9 复位温度 6 1 0 5 3 8 4 5 8 3 7 1 2 8 4 c 3 2 4 烟雾检测仪选型设计 烟雾检测一般用于煤矿和电厂等有火灾危险的行业，根据这些行业胶带输送机的 运行环境的运行特点，烟雾保护中的信号检测选用的是g q q o 1 型矿用本质安全型 烟雾传感器。g q q o 1 型烟雾传感器的检测元件是高精度可燃气体( 烟雾) 浓度 电压转换器，电路输出电平型信号，工作稳定可靠，设定上限烟雾时只须利用电压表 测量基准点的电压值，调整设定电位器即可完成整定。g q q 0