机械毕业设计（论文）-皮带输送机PLC监控系统设计【全套图纸】.doc

摘 要皮带输送机是一种连续的搬运机，其具有运输能力大、适应地形广、维护简单等优点，因此被广泛用于矿井、港口等。矿井生产条件恶劣，皮带输送机又是大负荷不间断运行，很容易出现断带、打滑、跑偏等故障，轻则影响生产，重则危及人员和设备安全。因此，设计一套综合监控系统监控皮带输送机是十分必要的，同时针对断带巨大的危害，也需要设计全断面断带抓捕器。断带抓捕器由电气系统、机械系统和液压系统三部分组成。皮带正常时，断带抓捕器处于待抓捕状态；皮带断带时，电气系统根据监测的故障信息驱动固定在机械系统上的液压缸，从而带动上下压片去抓捕输送带。设计了断带拉伸装置，其由两个液压缸拉伸一根横穿输送带的轴，以测定抓捕力大小。二者组成断带保护模拟试验台，先使皮带输送机逆转，断带抓捕器抓捕输送带，然后拉伸装置施加拉伸力，用来判断抓捕器抓捕力和响应时间是否满足要求。监控系统采用下位机与上位机结合模式；采用Siemens S7-200 PLC做下位机，用LabVIEW做上位机，用OPC（可用于组态王）实现两者的通信。设计了一套抗干扰能力强，通信稳定，软件相对简洁的综合监控系统，实现了常见皮带输送机故障故障诊断、数据记录和远程控制的功能，并具备故障自动停机与报警。关键字：皮带输送机； 断带保护； 抓捕力测试； 监控； LabVIEW全套图纸，加153893706ABSTRACTBelt Conveyor is a continuously transporting machine, with strong transportation capacity. The Belt Conveyor can adapt to different terrains and it is easy to maintain. With these advantages, it is widely used in mines and at the port. Under the abominable condition, the Belt Conveyor runs continuously for a long time. As a consequence, it often has different faults of belt break, skid and aberrancy, which will lead to damage of production, and even threaten the safety of people and equipments. Therefore, its very necessary to design an integrated monitoring system for belt conveyor, with a great harm when the belt is broken, so its also need to design a full grabbing device.The full grabbing device consists of electrical system, mechanical and hydraulic systems. When the belt works well, the grabbing device keeps a state of readiness, but when it is broken, the electrical system will drive the Hydraulic Cylinder fixed on the mechanical system to catch the conveyor belt.Another equipment, the belt break pulling device has two Hydraulic Cylinders and a shaft across conveyor belts. These two Hydraulic Cylinders stretch the shaft so as to test the force of grabbing. And they build up a Simulating Test Bed for belt break protection. This Test Bed reverses Belt Conveyor . Meanwhile the grabbing device catches the belts and then the pulling device giving a pulling force. All these movements are to test the intensity of the force of grabbing and acquaint how long it will last, In addition, there is a monitoring system that holds a lower device, Siemens S7-200 PLC,and a upper device, LabVIEW, with the device OPC linking them. Except for it , there is also an integrated monitoring system with simple structures, strong power of anti-jamming and stability of communication.The monitoring system is able to diagnose the common trouble, record the data, and make a remote control . It also can give an alarm and stop the conveyor, when it finds out malfunctions.Key Words: Belt Conveyor; belt break protection; test for grabbing force; monitoring; LabVIEW目 录1绪论11.1研究背景及意义11.2带式输送机简介11.3国内外发展现状及趋势21.3.1国外断带保护发展情况21.3.2国内常用断带抓捕器及存在问题31.3.3监控系统71.4研究内容及目标81.5论文章节安排82系统的整体设计92.1断带抓捕器研究方案分析及方案确定92.1.1断带抓捕器设计要求92.1.2断带保护器92.1.3断带拉伸装置102.2监控系统的整体设计112.2.1常用工业控制系统112.2.2监控方式的对比112.2.3监控系统的确定132.3本章小结133断带保护模拟试验台设计143.1断带保护器机械系统143.2断带保护器液压系统143.2.1液压系统方案设计143.2.2液压系统的原理图153.2.3液压缸参数计算与结构设计163.2.4液压泵参数的计算与选型203.2.5电动机的参数计算与选型213.2.6液压控制阀的选择213.3断带拉伸装置机械系统223.3.1拉伸轴的设计223.3.2过渡盘的设计233.3.3机械部分总体图243.4断带拉伸装置液压系统253.4.1系统原理图253.4.2液压缸的选型253.5本章小结254监控系统的硬件设计264.1传感器的介绍264.2系统传感器的选型264.2.1打滑264.2.2跑偏284.2.3温度294.2.4堆煤304.2.5烟雾监测314.2.6纵向撕裂314.3保护功能324.3.1急停闭锁324.3.2自动洒水324.4传感器的布置324.5电机主回路334.6控制原理图344.7蜂鸣器344.8本章小结355系统的软件设计365.1PLC简介365.1.1PLC的特点365.1.2PLC的性能指标365.2PLC程序设计的步骤375.2.1程序功能分析与设计375.2.2程序结构的分析和设计385.2.3程序框图设计385.2.4分配I/0编号425.2.5PLC接线图435.2.6编写程序445.3通信与虚拟仪器445.3.1OPC简介445.3.2OPC通讯445.3.3虚拟仪器485.4程序界面485.5本章小结506结论51参考文献52附录1 PLC程序代码54附录2 LabVIEW程序代码（部分）62翻译部分66英文原文66中文译文（部分）72致 谢80中国矿业大学2013届本科生毕业论文 第 83 页1 绪论1.1 研究背景及意义21世纪，各种新能源（如太阳能、核能、海洋能）开始登上社会舞台，扮演越来越重要的角色。由于科技水平和资源条件等共同的限制，在未来几十年内，新能源并不能完全取代矿物燃料。因此，在相当长的一段时间内，矿物燃料仍将是人类的主要能源1。经济的快速发展增加了对煤炭的需求，也对煤矿安全提出了更高的要求2。皮带输送机是由承载的输送带兼作牵引机构的连续运输设备，其具有安全、高效、可靠等优点，广泛采用在矿井巷道运送煤炭、矸石等物料。在皮带输送机长期使用过程中，胶带内在和外在的各种因素，如滚筒转动不灵活及胶带受力的不均匀，都会造成皮带跑偏、打滑，甚至断带等故障。事故一旦发生，不仅造成巨大的经济损失，更危及人员的安全。断带危害巨大，不仅造成停机损失更可能危及人员和设备安全，因此，研制安全又可靠的全断面抓捕器势在必行。当前我国煤矿设备普遍服役较长，故障频发，全部更新换代有过重的经济压力。经验表明，设备地可靠运行，关键在于设计阶段选择合适的运行参数和良好地维护，而通过状态监控能很好地实现。通过对皮带输送机各个参数的监控，工作人员能实时了解设备运行的数据，更可以及时处理相关故障，能减轻工作人员的劳动量，提高设备的可靠性和减小事故的危害，因此开发一套性价比高、功能合适的计算机监控系统是十分必要的。1.2 带式输送机简介带式输送机具有运输能力大且距离远、适应地形广、维护简单等优点，在当前煤矿应用十分广泛。带式输送机包括以下主要零部件3：(1)驱动装置：驱动装置的主要作用是将原动机的转矩与转速传递给输送带，起减速增扭的作用。驱动装置包括原动机、连轴器、减速器、制动器、传动滚筒、可控启动装置等部分。(2)输送带：输送带既是承载机构亦是牵引机构。常见的输送带有橡胶输送带、塑料输送带和钢丝绳输送带。(3)张紧装置：提供给输送带足够的张紧力，以使设备有较大的摩擦力而不打滑。(4)滚筒：常见的有传动滚筒和改向滚筒。改向滚筒表面很光滑，它能改变皮带的运行方向或增加围包角；传动滚筒外表一般包上橡胶层来增加摩擦系数，其直接与驱动装置相联。(5)托辊：保持输送带的垂直度不超过限定值；常见的有过渡托辊、调心托辊及缓冲托辊等几类。(6)机架：机架是带式输送机的骨架，包括机头架、机尾架和中间架等，用于支承滚筒和张紧装置，是带式输送机的主要固定结构。(7)其余部分：溜槽、导料板；溜槽是起物料转接和储存的作用。它可容纳停机时堆积的物料。导料板起引导物料进入溜槽下方的作用，否则物料容易外溢。如图1-1带式输送机基本结构整机所示。其工作原理：输送带经托辊、改向滚筒形成一个闭合的环形，在张紧装置提供必需的张紧力后，驱动装置驱动滚筒旋转，滚筒依靠摩擦力使输送带运动。1-机头架 2-传动滚筒 3-中间连接架 4-上托辊组 5-下托辊组 6-机尾架7-机尾滚筒 8-螺旋拉紧装置 9-低速连轴器 10-驱动底座 11-减速机 12-电动机 13-高速连轴器 14-上托辊组件图1-1带式输送机基本结构整机第三次工业革命带来的新材料、新技术，让皮带输送机突破了长期只在煤炭、冶金等艰苦行业应用的局限，成为了能够同火车运输相媲美的运输设备。带式输送机进入了一个全新的发展时期，各国都竭尽全力发展。经济的迅速发展，极大的增加了煤炭的需求，为适应各种工况，我国又出现了许多种新型带式输送机，如管状带式输送机、伸缩式带式输送机、吊挂式带式输送机，大运量、多功能的带式输送机已经开始应用在各种大型矿井。1.3 国内外发展现状及趋势1.3.1 国外断带保护发展情况断带保护问题一直都是一个困扰世界的难题。国外学者试图在根本上解决输送带断带的问题，即减小输送带质量以及实现软启动等方面来避免输送带断带。例如，澳大利亚的Harrison建立了输送机启制动过程的动力学模型，并提出了著名的Harrison启动曲线4。德国汉诺威大学的Vierling研究了输送带的粘弹性能、Funke建立了输送带的粘弹性模型并推导了该模型动力学方程为波动方程，提出了输送机的启动时间应高于波动周期5倍以上的结论5；但是这些方法都有其局限性，成本高不说，其效果也很一般，只是一定程度的解决了断带问题。1.3.2 国内常用断带抓捕器及存在问题现今，国内常用的断带保护方法按制动原理可以分为两种：利用单向托辊和阻尼板摩擦制动和利用抓捕原理的方法6。(1)使用阻尼板和单向托辊的摩擦制动的方法皮带输送机皮带在张紧装置作用的情况正常运行，基本上是一条直线，由于托辊之间存在的间距，断带后输送带将在此间距间产生较大的垂量，基于这一特点，采用在输送带下方长距离安装阻尼板。断带时，输送带在输送带及其货载重力作用下，下垂并与阻尼板接触，当摩擦力足够大时，便可有效地阻止断裂输送带的下滑，工作原理如图12所示。摩擦系数的选取决定了阻尼板保护断带的能力。因此，阻尼板材料的选择是至关重要的；此外，阻尼板其自身的长度、与输送带的倾角等也是影响因素之一。单向托辊摩擦制动主要是利用托辊反向逆转原理，一般与阻尼板共同使用以增加可靠性。其工作原理为：当输送带因断裂下滑或出现逆转时，单向托辊由于其单向性并不随之逆转，上输送带受到的滚动摩擦驱动力转变为的滑动摩擦阻力，从而实现输送带的制动，如图13所示。单向托辊是非标准件，成本较高。采用这种方法，对托辊改装工程量很大，还需要维护长距离昂贵的阻尼板。因此，保护输送带很少采用这种方法 7。图12阻尼板断带抓捕示意图AAA-AV1V2卡块外圈套锁片内圈v阻尼板托辊输送带图13单向托辊的工作原理(2)采用抓捕原理的方法主要措施是在输送带的上、下两侧或者机头机尾安装抓捕器，与传感器、清扫装置等共同构成断带保护装置。当输送带发生断带时，电信号监测或者机械动作。一般采用电信号控制电机或者液压执行元件驱动的方法，使上、下两侧的抓捕器执行抓捕动作，从而实现下滑的输送带制动。a. 双向断带抓捕器，结构示意如图14所示，输送带正常工作时，抓捕器左侧的抓捕臂及安装在抓捕臂上的单向抓捕辊在电磁铁的作用下悬挂在空中，而右侧的则始终悬浮在输送带上。当输送带发生断带或事故时，传感器获得断带信号后立即将此信号传送到电气控制系统中，经电气控制系统的处理并由其发出控制指令，切断悬置抓捕器左侧抓捕臂的悬置磁铁电源以及输送机的驱动电源。电磁铁失电后，抓捕臂及单向抓捕辊在其自身重力作用下下落，并与倒转的断带接触而产生摩擦阻力，由于悬臂在此摩擦阻力作用下会出现逆时针摆动，从而逐步实现断裂输送带的抓紧与卡死。另外，当输送带发生逆转时，抓捕器右侧的悬臂也会立即作用，迅速制动住断裂的输送带8。图14双向断带抓捕器结构示意图电磁铁棘轮单向托辊皮带棘爪单向抓捕抓捕臂皮带正常运行方向输送带交替线圈接受传感器发射传感器图15传感器与线圈的布置b. 铺线圈式断带抓捕器，主要方法是把交替线圈埋伏在皮带中间，同时，在输送带的上下安装磁场变化探头，如图15所示。当输送带正常运行时，线圈在磁场变化探头下边将会产生附加磁场并且恒定的。当输送带断裂时，产生的磁场将随着线圈的断裂而发生变化，磁场探头根据磁场变化而发出断带信号并传入单片机中，随后单片机控制输送机停止及抓捕器动作。二者共同作用能有效阻止输送带的继续运行9。利用断裂输送带的下滑力驱动抓捕器来制动断带。这种抓捕方案已有专利十余项，但是实际工况中发现，它们均存在一些缺陷。a. DFZ型断带抓捕器，结构原理如图16所示。在正常状况下，抓捕器的摆杆在输送带与压紧滚筒的滑动摩擦力作用下围绕主轴顺时针转动，即角减少方向。在这种状况下，摆杆与压紧滚筒的重量造成的摩擦力不影响输送带正常运行。断带事故一旦发生，输送带逆转，压紧滚轮与输送带之间的摩擦力方向发生转变，使摆杆围绕转轴逆时针转动，即角增大方向。摆杆在转动过程中，与输送带下方的支撑托辊将输送带越夹越紧，对输送带的制动力逐渐增大，最后实现输送带的制动。为保护输送带不受损伤，在摆杆下方设置了压紧滚轮目10。b. 滚轮式断带抓捕器，如图17，当输送带出现断裂后，断带监测到断带信号，传送给执行部分，电磁执行开关动作，打开脱钩器，制动滚轮依靠自身重力，沿斜线滑道下滑，当制动辊与输送带上表面接触时，便随输送带一起下滑，由于滑道轴心越来越接近输送带下的摩擦板，所以随输送带下滑，制动辊将输送带挤压到摩擦板，越挤越紧，摩擦力越来越大，最后将下滑的输送带闸住，起到保护作用，恢复时先向上拉动输送带，制动辊即可沿滑道退出，解除对输送带的挤压，然后将制动辊挂到脱钩器上11。图16 DFZ型断带捕捉原理图脱钩器输送带正常运行方向电磁执行开关输送带地脚螺栓摩擦板制动辊斜形滑道断带保护装置框架压紧滚轮主轴摆杆支撑托辊rF输送带正常运行方向N皮带图17滚轮式断带保护装置示意图c. 自锁断带抓捕器，其原理是在机架左右边个放置一个楔形保护块，并使输送带从中间穿过。通过见图18，在输送带的上表面与楔形保护块之间放置一个圆柱形滚轮。当输送带正常运行时，滚轮与斜面稍离开，并在输送带上滚动。当输送机逆止失控或断带时，由于重力的作用输送带下滑，同时，因为输送带的带动，滚子运动到与斜面开始接触，慢慢压住输送带，当滑车顶面与输送带的摩擦力大于输送带下滑力时，就会阻止输送带下滑，因而起到防滑保护作用。楔形块内的滑车是防止输送带压死后输送机再起动 12。输送带滑车输送带正常运行方向图18 防滑型断带抓捕器滚轮楔形保护块底板d. 阻力铲断带抓捕器，结构原理如图19所示。其工作原理与DFZ型断带抓捕器相似，断带事故发生后，阻力铲在货载的推动力和输送带的摩擦力作用围绕销轴顺时针转动，转动一定角度之后，触动止动销后，长轴与固定在其上的制动靴便开始转动。制动靴的结构特点是前端薄后端厚，当制动靴在与输送带之间的摩擦力作用下逐渐转动过程中，与下端的制动板距离逐渐减少，制动力逐渐增大，最终实现断裂输送带的制动。文献表明，针对特定机型，效果显著13。图19阻力铲断带抓捕器结构原理图输送带信息捕捉机构制动靴组件长轴支撑架制动板机架托辊连接销筋板拉伸弹簧滚轮制动靴连杆支撑杆套管正常运行K向K阻力铲销轴长轴货载止动销输送带e楔块式断带抓捕器，目前使用最普遍的一种断带抓捕器，实物图如图111所示。其工作原理是，输送机正常运行时，楔块式断带抓捕器的两个上闸块处于与输送带平行的状态，并限位杆的上端阻挡其制动臂的摆动，限位杆下端支撑在固定于楔形闸块的限位钢板上，使限位杆不能围绕固定其的旋转轴转动，保证上闸块不能绕转动轴摆动而使其一直处于打开状态，从而避免了上闸块下落后干扰输送带的正常运输货载，同时也防止上闸块被大块货载冲撞造成损坏；当发生断带事故时，逆转的输送带在摩擦力的作用下带动单向触发辊轮沿着导轨向下滑动，进而触动左右楔形闸块及固定在其上边的限位钢板动作，限位钢板的动作导致限位杆失去平衡，进而使上闸块在扭簧的作用下迅速摆动到其制动臂与输送带垂直的状态，如图110所示的状态。此时，上闸块将在限位块的作用下停止继续转动，但下方的楔形闸块在与输送带的摩擦力的作用下继续随输送带运动，并同上闸块一起将输送带越卡越紧，最终完成断裂输送带的制动。若皮带输送机运货较少时，上闸块断带保护装置能立即进行制动。若货物较多或者冲击较大，上闸块也能在平稳的间隙时间快速制动。为防止上闸块因为剧烈作用而损坏，安装了扭簧作为保护装置14。图110楔块式断带抓捕器调节螺栓导轨防偏立辊限位块转动轴限位杆上闸块-楔形闸块楔形滑槽单向触发辊轮安装支架限位钢板上闸块固定板锁定螺栓扭簧综上所述，目前现有断带抓捕器存在着较大问题和缺陷：(1)设备造价昂贵，可靠性不高；比如，铺设阻尼板及单向托辊等；(2)可靠性高，但是结构单薄，无法承受巨力；比如，滚轮式和阻力铲式断带抓捕器等等；(3)可靠性高，抓不力也不小，但是他们只抓捕输送带的边缘，这种局部抓捕容易造成输送带的纵向撕裂，对输送带造成损坏；比如，DFZ型断带抓捕器、防滑型断带抓捕器及楔块式断带抓捕器等15。(4)断带抓捕器往往是一个独立的装置，并没有专门的试验台测试其指标响应时间和抓捕力大小。因此，设计断带抓捕器最好是全断面断带抓捕器，以保证足够的抓捕力和可靠性。此外，在断带抓捕器的基础上，需要设计一个模拟装置，二者组成断带保护模拟试验台。1.3.3 监控系统在80年代初，我国通过引进了一批先进的监控系统，实现了监控技术的极大的发展。但是随着采煤设备种类的增加、企业规模的壮大，先前的监控系统已经不能满足大规模生产控制的要求，甚至由于设备老化频繁出现故障。针对这种状况，国内的大学也先后做了相关的研究。有针对单一故障的，如上海理工大学研制了新型的速度传感器监测打滑故障16，太远理工大学研究了采用红外线光电传感器与PLC结合的防纵向撕裂系统17。也有全面综合的监控系统，如辽宁工程技术大学研究了基于PLC矿井皮带机远程监控系统18。但是，它们往往只是针对单一故障进行监测，而且缺乏故障发生时，只是简单的发出警报，并没有自动采取保护措施，也就是说监控与硬件综合监测保护系统几乎没有。近年来，在远程设备诊断等领域，网络化虚拟仪器技术已经广泛使用。美国、日本等国家生产皮带输送机的大公司基本已经全面采用先进的PLC，开发了先进的监控系统，并编写了上位机界面，实现了实时对设备数据采集、处理、故障诊断及查询。虽然，PLC已经在国内普及，但是仅停留在电子图版水平，传统的继电器控制方式搭配人为监控仍很普遍，计算机运算速度快、精度高的优点并没有被很好的利用。随着企业规模的扩张，控制规模也变得十分巨大，传统的诊断监测技术，因其可靠性差、隐患多、寿命短等局限已经不能满足要求，因此，研发基于PLC和上位机的监控系统是十分必要的。1.4 研究内容及目标本设计对现有监控系统和断带保护的主要原理和存在的问题进行分析，在系统级别上，设计综合监控系统及断带模拟实验台，主要内容具体包括以下几个方面：(1)综合现有断带捕捉装置的优缺点，确定课题研究方案，进行原理分析并进行断带抓捕器的详细设计及计算，确定断带抓捕器的结构并对关键部位进行校核，同时设计测定其抓捕力是否满足要求的机构。(2)通过了解现有的监控方式，结合它们的优缺点选择监控的具体方式，设计监控系统的硬件，包括监控参数及故障形成机理，引出保护装置和传感器的选型。(3)软件的设计；选型各类传感器后，编写PLC控制软件，实现对皮带输送机软件启停并监控其主要参数。用LABVIEW编写上位机界面，使上位机具有故障诊断、数据记录与查询等功能。本文所要达到的目标：(1)设计综合监控系统，用传感器采集数据，下位机传递数据，通过通信协议传送到上位机，实现上位机的远程多参数监控。当事故发生时，实现自动停止设备并启动断带抓捕器，避免二次事故。(2)设计断带保护器，在抓住皮带的同时，切断电源使输送带停止运行，避免断带抓捕器只抓住输送带而烧坏电机。本系统的特点：(1)将断带抓捕器设计成全断面抓捕，避免了边缘受力而产生纵向撕裂的二次断带事故。(2)故障时，语音报警装置发出语音报警，并动停止输送机，同时在上位机现实，避免造成关键设备的损坏和相关人员的伤亡。1.5 论文章节安排第一章绪论主要是了解课题的研究背景和国内外研究现状，详细对比了不同的断带保护方案并分析了它们的优点与不足，提出该课题的研究目标。第二章监控系统的与断带保护装置的总体设计。主要是根据功能需求，确定总体方案，同时对皮带输送机和PLC做简单介绍。 第三章断带保护装置的机械与液压部分设计，并对关键部位进行校核。第四章监控系统的的硬件设计。该章节主要内容设计监控系统的硬件系统，对监测的参数及机理做了详细的分析，也对传感器做了简要介绍。第五章监控系统的与断带保护装置的软件设计。该章节主要内容设计监控系统的软件系统，包括PLC下位机程序和LabVIEW上位机程序和OPC的简单介绍。第六章结论对本文的设计工作进行总结，并对本设计的进一步发展与设计目标进行了展望。2 系统的整体设计2.1 断带抓捕器研究方案分析及方案确定2.1.1 断带抓捕器设计要求对所设计系统的功能、制约条件及重要性的明确是完成装置设计的基础。皮带输送机由两个重要指标：抓捕力与响应时间19。带式输送机断带抓捕器的设计原则主要包括以下几个方面20。(1)输送带出现断带或者逆向运行时能立即动作，及时抓住断裂的输送带，且在未出现上述两种情况下不能误动作。(2)抓捕方式尽量选择全断面抓捕，抓捕力作用在尽量大的带宽上，在允许的条件下，尽可提高了单台捕捉装置的抓捕力。(3)抓捕器给断裂输送带的捕捉力需要缓施，避免制动速度过大造成输送带的二次断带。但制动过程也不能持续太长，需要在规定时间内完成对断裂输送带的抓捕。(4)抓捕断裂输送带之前，应将输送带上的物料清除。(5)断带抓捕系统的安装不能降低输送机的运输能力，并且其工作的可靠性不受输送带满载程度和输送机安装倾角变化的影响。(6)输送带正常运行时，抓捕器不产生附加的运输阻力造成输送带磨损。(7)断带发生时，全部驱动装置立即断电，防止硬性驱动把输送带拉断，即在断带捕捉装置与驱动装置控制之间有一定的联锁关系。(8)力求工作原理及结构力求简单，以便维修安装方便。2.1.2 断带保护器断带保护装置主要包括抓捕机构、电控箱、转速传感器、高压蓄能器、液压系统等组成，其原理图2-1。其工作原理：控制器通过传感器监测到输送带的运行速度及运行方向，若方向或则速度正常，即当上行皮带输送机正常运转时，抓捕器处在待抓捕状态。当装置上方出现断带时，输送带由于重力反向下滑。此时测速传感器监测到输送带异常反向运动。控制箱判断发生断带后发出动作指令，液压系统驱使上油缸2和下油缸5动作，分别驱动上压块3和下压块6运动，使抓捕机构抓捕，夹住断裂下滑的输送带，以满足煤矿安全规程第375条的要求1固定架 2上液压缸 3上压块 4固定块 5下液压缸 6下压块图2-1液控系统断带捕捉器结构示意图2.1.3 断带拉伸装置断带拉伸装置有两个重要的检验参数抓捕力和响应时间。断带模拟系统就是测抓捕力的大小和响应时间的设备。断带模拟系统由液压系统，固定装置组成。其原理图如下：1输送带 2拉伸轴 3液压缸图2-2 断带拉伸装置原理图断带保护器和断带拉伸装置组成断带保护模拟试验台。测试时，先使断带拉伸装置的长轴穿过输送带，然后使输送带输送机逆转，断带保护器动作并抓住输送带，用液压缸两端拉长轴。如果长时间断带保护器能正常工作，则可以确定断带保护器抓捕力满足要求。2.2 监控系统的整体设计2.2.1 常用工业控制系统工业上常用的控制方式有如下四种：继电器控制、单片机控制、工业控制计算机控制、可编程序控制器控制21。(1)继电器继电器是一种根据激励变化而做出响应的控制器件。继电器是激励与响应连接的桥梁，能够实现一定程序的自动化，但灵敏性不高。继电器往往价格便宜，但是功能单一，因此在控制柜中数量较多，经济成本较高，且出现故障时不容易排查。(2)单片机单片机是由微型处理器、存储器RAM和ROM、I/O输入口、定时控制器器等电路集成在一块芯片上所构成的微型计算机，其在工业控制领域的广泛应用22。单片机的优点是经济实惠，成本相对较低，其端口资源较多；缺点是单片机控制系统的主控板受制多因素影响，如制版工艺水平、板路结构。一般而言，抗干扰能力不强，故障率高，扩展麻烦，一个采用单片机控制系统需要经过时间的考验才能真正形成一款被市场接纳的产品。(3)工业控制计算机控制系统工业控制计算机就是针对工业生产环境而特殊设计地具有采集数据功能的计算机，它能分析数据而并发出各种控制信号。工控机的产生是多技术的融合，资源多，尤其适合远距离监控场合。其不足之处主要是可靠性不高，成本较高，对开发人员和维护人员的素质要求很高。(4)可编程序控制器控制系统根据美国电气制造商协会的定义，可编程控制器是一种能实现各种运算，用来对生产过程就行控制的数字式电子装置 23。可编程控制器最初的使命是代替继电器，经过发展，已经具有易学易懂、抗干扰性高能通过修改程序来适应不同的工况的特点,美中不足的是其运算速度慢，数据处理能力不强。2.2.2 监控方式的对比(1)PLC与继电器比较PLC与继电器相比，有如下特点：a.速度快、逻辑功能强、可靠性高PLC控制是通过程序作用半导体电路实现的，相对继电器的机械动作，具有响应迅速、无抖动等优点。逻辑功能方面，继电器是依靠触点的机械动作实现的，而PLC的逻辑控制依靠程序进行，这决定了PLC逻辑控制功能远远强于继电器。PLC是专为在工业环境下应用而设计的，采用了多重软硬件的抗干扰设计，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于强烈干扰的工业生产现场，PLC已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。b.系统的设计、安装、调试工作量小PLC的逻辑功能是依靠程序实现的，控制时仅仅连接输入与输出端口即可，接线量小且简单，既大大减小的工作量，也实现的程序控制逻辑功能的快速性和可靠性。PLC最常用的编程语言是梯形图，其具有易学易懂、形式简练、直观性强的特点，为广大电气工程人员所接受。对于复杂的控制系统，梯形图在设计周期具有明显优势。PLC容易调试，甚至可以先在实验室用开关量模拟信号调试再去现场调试，完成了系统的安装和接线，在现场的调试过程中发现一般问题也能通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器系统少的多。c.维修方便，维修工作量少 PLC的故障率很低，且有完善的自诊断和现实功能。运行程序时，能通过软件监控能流的流动，根据这一点，可以快速判断故障发生的位置。在时间紧张的特殊场合，甚至可以直接更换模块排除PLC自身系统的故障。(2)PLC与单片机比较a.PLC比单片机容易掌握单片机编程时，往往采用的是汇编语言或者C语言；编程人员的素质要求较高，需要掌握一定的计算机软硬件知识甚至会涉及到可视化编程及电子电路。对于某种单片机控制系统，控制人员掌握简单的操作知识是不够的，往往还需要花费很长的时间去学习、掌握单片机。PLC基本是采用“梯形图”语言进行编程，“能流“的概念很容易为工程人员接受，更重要的是梯形图编程也比单片机语言简单很多。对于使用者，只需要熟悉编程指令，掌握输入输出接口的信息即可编程，难度相对较小。b.PLC比单片机可靠、工作量小PLC是专门针对工业环境而设计的控制器件，采取了多重措施提高抗干扰能力，其输出接口具备一定的驱动负载能力，能适应一般的控制要求。单片机控制系统的可靠性，取决于芯片的品质和开发人员的技术水平。一般的技术人员很难使单片机达到PLC的高可靠性，还费时费力，往往在工程现场与单片机的连接、输出带负载能力、接口的扩展、接口的工作方式等问题纠缠不清，不能很好的把注意力集中在控制系统设计上。c.单片机设计周期比PLC长单片机没有成品，没有现成的软件，需要自己焊接线路板。因此涉及到的知识比较多，如；Protel、C语言、可视化编程及电子电路等；电路板设计需要花费很多时间与金钱，对于经验要求也是极高。如果是用来做工程，把仿真器和烧录器搬到现场去是非常不方便的。d.成本问题显然，一个PLC的价格和一个89C51相比, PLC的价格高很多，但是开发系统的成本是多方面的。开发单片机控制系统,从电子线路设计到代码的编译、反复调试、烧录，做一个最简单的设备其花费的时间也是比使用PLC要多上百倍，因此时间成本与金钱成本需要具体分析。(3)PLC与工业控制计算机比较PLC容易掌握，开发简单，运行稳定，周边配套硬件相对成熟，价格比PC略低，易维护，但运算速度慢、数据处理能力差。a.PC机运算速度快，扩展性好，能适合绝大部分的控制场合，但其开发成本高，运行受环境影响大。b.PLC各种控制模块搭配简单，兼容性好，提供了一个高稳定的控制环境。因此，PC适用于高速运行，数据计算量大的场合，如视觉系统。PLC适用于过程控制，简单的数据处理等但目前用的最多的就是PLC与PC的组合形式，取他们各自的优点，PLC负责设备，PC负责数据处理及网络发布。2.2.3 监控系统的确定相比继电器系统，PLC具有可靠性高、接线工作量小、维护简单、扩展方便等优点；相比单片机控制系统，PLC编程简单、易于掌握、设计周期相对较短、可靠性高的优点；相对工业控制计算机，PLC具有成本较低、可靠性高、易于掌握的优点。因此，在充分满足控制的需求和尽可能降低经济经济成本，本设计选择PLC控制系统。本文是基于可编程控制器 (PLC)的皮带输送机监控系统，达到对皮带输送机的操作灵活、方便、可靠性高、抗干扰能力强的目标，同时具有皮带打滑保护、跑偏保护、速度监测、温度监测、煤位监测、烟雾监测、撕裂保护、急停闭锁等完善的保护功能。本监控系统采用上位机和下位机模式，西门子S7-200PLC和若干个传感器及控制器机构构成了下位机系统。S7-200PLC负责采集数据和对相关控制器发出控制指令，同时与上位机进行数据交换。上位机和S7-200PLC采用OPC实现实时通讯。因为上下位机之间采用OPC进行通信，可以使监控总站远离工作面，为实现皮带输送机自动化提供基础。PLC程序主要是采集数据与控制功能。上位机采用LabVIEW编写，根据需要，将设计人机界面友好，能实时监控、记录、查询数据的可视化界面。该设计主要监测皮带输送机的打滑、跑偏、传送带的撕裂、堆煤、断带和超温等故障，并且故障发生时，能自动预警与采取措施，能够让工作人员实时了解输送机的运行情况，能够提高工作的效率与减少停机损失。当然，数据积累充足，也能为产品的选购、新产品的研发提供数据支持。2.3 本章小结本章主要对断带保护模拟试验台和监控系统进行了总体方案设计。叙述了断带试验台设计要求，对比了不同的监控系统的方案。3 断带保护模拟试验台设计3.1 断带保护器机械系统断带保护器机械系统主要是由三部分组成，分别是固定架、液压缸和上下压片。断带时，断带保护器驱动液压缸，执行抓捕动作。工作原理如下：该机械系统布置在机头或者机尾；当皮带输送机正常运行时，上下带可以自由穿过上下压块与固定块之间的空隙，其处于待抓捕状态。当皮带输送机出现断带或者逆转故障时，PLC发出指令驱动上液压缸2和下液压缸4动作，上液压缸带动上压块3动作，下液压缸带动下压块5动作，从而压紧输送带，从而实现断带抓捕。1-固定架 2-上液压缸 3-全断面上压块 4-下液压缸 5-下压块 6固定块图3-1 全断面抓捕器简图3.2 断带保护器液压系统3.2.1 液压系统方案设计(1)确定回路方式选用开环回路，即执行元件排回的油液需要经过沉淀、冷却再进入液压泵的进口。(2)选用液压油液本设计针对的是矿下液压系统，选用矿油型液压油。(3)初定系统压力液压系统的压力与液压设备工作环境、精度要求等有关，参考同类型设备，选择P=20MPa。(4)选择执行元件机械系统要液压缸单向工作、反向退回，故选用双作用单活塞杆液压缸。(5)确定液压泵的类型系统压力较大，选用柱塞泵；皮带输送机正常运行时，断带保护机构处于待抓捕状态，故选用变量泵实现高效节能。(6)选择换向回路系统采用PLC判断断带故障是否发生，故选用三位四通电动换向阀。一个换向阀同时控制上下两个液压缸。3.2.2 液压系统的原理图当皮带输送机正常工作时，三位四通电液换向阀1无电处于中位，电动机带动液压泵工作，经溢流阀回流入油箱。当断带发生时，PLC接收故障信号，发出指令，使三位四通电磁换向阀1动作，同时，三位四通电液换向阀2也通电动作，液压缸以差动方式快速前进。当机械机构卡住输送带，系统压力逐渐上升，系统运行2秒，然后三位四通电磁阀2失电，液压缸慢速加压。当上升至压力继电器额定高压时，三位四通电液换向阀1失电，系统依靠液压锁和蓄能器保持压力稳定。如果故障时间过长，系统压力降低到压力继电器额定低压时，三维四通电磁换向阀动作，向蓄能器及油缸供液，直到系统达到额定高压。 1油箱 2过滤器 3变量泵 4电动机 5溢流阀 6三位四通电液换向阀1 7液压锁8液压缸2 9单向行程节流阀 10蓄能器 11压力继电器 12液压缸1 13三位四通电液换向阀2图3-2 断带保护器液压系统的原理图3.2.3 液压缸参数计算与结构设计(1)确定液压缸的主要结构尺寸本设计要求液压缸快速前进，慢速加压，因为无双向输出力且双向输出速度不一样，故采用单杆活塞缸。由于快速推进的需要，采用差动联接，并令有杆腔有效面积等于无杆腔的有效面积的一半，即。回油路有背压阀，初选背压。定义额定抓捕力为，考虑摩擦因数，取压力按此计算则 （3.1）液压缸直径 （3.2）由，可知活塞杆直径 （3.3）将计算的与分别圆整到手册推荐值，得，按标准直径算出 （3.4） （3.5）(2)活塞杆弯曲稳定性的验算活塞杆完全伸出需要考虑杆的稳定性问题，由于活塞杆外载荷的力往往比自重大很多，故可以把活塞杆视为二力杆进行分析。 （3.6）圆截面： （3.7）式中: （3.8）活塞杆弯曲失稳临界的压缩力，；安全系数，设计取；实际安全系数；材料组织缺陷系数，钢材一般取；活塞杆截面不均匀系数，一般取；材料的弹性模数，钢材；液压缸安装及导向系数，一端自由，一端刚性固定,取；支撑长度，暂取。将各数据上述公式，有 （3.9） （3.10）故活塞杆弯曲稳定性满足设计要求。(3)液压缸工作压力的确定当压力油进入无杆腔时，对活塞产生的额定推力为，则 （3.11）根据计算结构，设计取液压缸的工作压力为(4)液压缸厚壁和外径的估算a. 液压缸壁厚的计算液压缸的壁厚由液压缸的强度条件确定。液压缸的壁厚一般是指缸筒结构中最薄出的厚度。从材料力学可知，承受压力的圆筒，其内应力分布规律因壁厚不同而各异。工程机械的液压缸一般用无缝钢管材料，大多属于薄壁圆筒结构，其壁厚可估算 （3.12）式中:液压缸的壁厚，；液压缸的内径，；试验压力，一般取最大工作压力的倍，则；缸筒的材料的许用应力，缸筒的材料选用无缝钢管，；将各数据代入上式，计算出液压缸壁厚为 （3.13）查手册，取则液压缸缸体的外径: （3.14）b.液压缸壁厚的验算额定工作压力应低于某一定的极限值，以保证安全： （