【正文】 行完善的管理和監(jiān)控是現(xiàn)代礦井煤流運(yùn)輸迫切需要的一項(xiàng)技術(shù)。第二階段是在一對(duì)傳感線上實(shí)現(xiàn)多路頻率分割的載波傳輸。桌面部分有中心站計(jì)算機(jī)和交換機(jī)、交換機(jī)、集線器、雙絞線、用戶終端等組成實(shí)時(shí)快 速 100M 以太網(wǎng)絡(luò)或其它網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。組態(tài)軟件具有良好的開(kāi)放性、交互性和靈活性，用戶可以繼承性的開(kāi)發(fā)?？茖W(xué)技術(shù)的日新月異，使得用計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、新的工業(yè)控制器技術(shù)構(gòu)建膠帶輸送機(jī)控制系統(tǒng)成為可能。 (3)安全保護(hù)系統(tǒng)，軟起動(dòng)控制系統(tǒng)，自動(dòng)張緊系統(tǒng)往往是獨(dú)立的系統(tǒng)，信息不能共享，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)膠帶輸送機(jī)的綜合監(jiān)控，更不能與礦井其它監(jiān)控系統(tǒng) (如礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)，礦井供電監(jiān)控系統(tǒng)等 )連接，不能實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)與礦井信息系統(tǒng)的集成。 80年代是計(jì)算機(jī)、大規(guī)模集成電路、數(shù)字通信等現(xiàn)代技術(shù)高速發(fā)展時(shí)期。其中有代表性的是美國(guó) MSA公 司的 DAN6400系統(tǒng)，其信息傳輸方式仍屬時(shí)分制范疇，但用原來(lái)的一般時(shí)分制的概念已不足以反映這種高科技的特點(diǎn) [3]。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)就是控制集中、直觀、軟硬件相對(duì)簡(jiǎn)單，投資少。遠(yuǎn)程智能 I/O的設(shè)置，一方面是避免了上面提及到的集中式結(jié)構(gòu)的集中連接控制線，同時(shí)也增加了控制范圍。 P LC設(shè)備 A設(shè)備 C設(shè)備 B 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 4 頁(yè) 圖 具有遠(yuǎn)程 I/O的集中控制結(jié)構(gòu) 以系統(tǒng)中心站為核心的集中式控制結(jié)構(gòu) 以系統(tǒng)中心站為核心的集中式控制結(jié)構(gòu)是以工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為核心，智能分站是由單片機(jī)構(gòu)成的結(jié)構(gòu)。分站具有獨(dú)立工作能力，但主要承擔(dān)信息采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)傳輸以及簡(jiǎn)單的控制任 圖 以中心站為核心配帶智能分站的集中控制結(jié)構(gòu) 務(wù)，而大量的任務(wù)是需要由中心計(jì)算機(jī)集中處理完成。分布式控制技術(shù)的主要思想是把復(fù)雜的對(duì)象劃分為若干子對(duì)象，然后用局部的控制器作為現(xiàn)場(chǎng)級(jí)，直接作用到被控對(duì)象，上級(jí)是操縱各局部控制器的協(xié)調(diào)控制器，它使各子系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合，共同完成系統(tǒng)的總?cè)蝿?wù)。這一特點(diǎn)首先是解決了系統(tǒng)的分散問(wèn)題，空間分布多分支的矛盾。中心站是由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為核心構(gòu)成的，以完成控制系統(tǒng)的總體功能和優(yōu)化處理。 由于礦井生產(chǎn)能力、地理?xiàng)l件、采掘、運(yùn)輸和提升方式的不同，礦井膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)的組成存在很大的差異。由于采用了分級(jí)分布的控制方式，解決了整個(gè)運(yùn)輸系統(tǒng)控制對(duì)象比較分散的矛盾，從而使整個(gè)控制系統(tǒng)更加安全、可靠?，F(xiàn)在廣泛使用的現(xiàn)場(chǎng)總線有以下幾種： FF基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線、 PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線、 WORLD FIP現(xiàn)場(chǎng)總線、 LON WORKS現(xiàn)場(chǎng)總線、 CAN現(xiàn)場(chǎng)總線等。若是考慮對(duì)多條皮帶進(jìn)行控制，對(duì)于這種多條皮帶分布分散、空間分布多分支的運(yùn)輸機(jī)群及復(fù)雜工藝流程和閉鎖關(guān)系，應(yīng)采用適應(yīng)這種場(chǎng)合的分 布式控制系統(tǒng)。 (3)概述監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能，進(jìn)行 S7300 PLC模塊選型和外部連線設(shè)計(jì)。 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 8 頁(yè) 2 膠帶機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 課題背景 棗泉煤礦主運(yùn)輸帶式輸送機(jī)系統(tǒng)，包括主斜井帶式輸送機(jī)、原煤帶式送機(jī)及 1順煤槽帶式輸送機(jī)、 2順煤槽帶式輸送機(jī)、中車(chē)場(chǎng)轉(zhuǎn)載帶式輸送機(jī)、主斜井帶式輸送機(jī)和原煤帶式輸送機(jī)等。系統(tǒng)采用逆煤流延時(shí)起車(chē)，瞬時(shí)停車(chē)方式，設(shè)備之間相互閉鎖，并設(shè)有起車(chē)、停車(chē)、事故和聯(lián)系信號(hào)。帶式輸送機(jī)的監(jiān)控和保護(hù)共用一套 PLC，控制分站的核心器件是可編程序控制器，采用高性能的 PLC，用在集控、就地、檢修三種工作方式下，程序控制帶式輸送機(jī)。 帶式輸送機(jī) [1][2][8] 帶式輸送機(jī)是以膠帶作為牽引機(jī)構(gòu)和承載機(jī)構(gòu)的連續(xù)運(yùn)輸機(jī)械，又稱為膠帶輸送機(jī)，它在礦山的物料運(yùn)輸，特別是煤的輸送方面得到了廣泛應(yīng)用。拉緊裝置可以使膠帶獲得一定的張力，防止皮帶松懈，引起不必要的麻煩。傳動(dòng)裝置一般由驅(qū)動(dòng)裝置和傳動(dòng)滾筒組成。其連接方式是電動(dòng)機(jī)與 CST 連接， CST 與傳動(dòng)滾筒連接。由于雙滾筒驅(qū)動(dòng)具有功率不穩(wěn)定問(wèn)題，而采用 CST 裝置后，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)，使它們的功率平衡，避免了加大電機(jī)的備用功率。 由于電機(jī)速度快 ， 且在重載和超載條件下工作 ， 起動(dòng)電流過(guò)大 ， 對(duì)電網(wǎng)的沖擊增大 ， 壓降增加 ， 造成起動(dòng)困難 ； 且電機(jī)直接起動(dòng) ， 輸送機(jī)起動(dòng)加速度過(guò)大 ， 膠帶產(chǎn)生的動(dòng)張力就越大，瞬間引起的沖擊力也相當(dāng)大，會(huì)加速托棍、滾筒及其它部件的損壞，縮短膠帶的使用壽命；同時(shí) 使輸送帶松邊拉緊裝置反應(yīng)速度 滯后 ， 輸送帶的垂度加大 ， 造成功率傳遞不平衡 ， 起動(dòng)不平穩(wěn)。 CST（ Controlled Start Transmission）可控啟動(dòng)裝置是出自美國(guó)的一種為帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)使用的一套裝置的 總稱。離合器的原理是依靠動(dòng)靜片之間的油膜剪切力傳遞力矩。一臺(tái)輸送機(jī)可以由一臺(tái)電機(jī)及一臺(tái) CST驅(qū)動(dòng)，也可以由多臺(tái)電機(jī)及多臺(tái) CST驅(qū)動(dòng)。 CST系統(tǒng)控制主電機(jī)的起停，在啟動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以按順序空載啟動(dòng)，所以電機(jī)的沖擊電流非常小。但系統(tǒng)中任何負(fù)載的增加都將引起離合器打滑，這種情況被稱為“軟鎖定”。 圖 CST傳動(dòng)原理 故障檢測(cè)及保護(hù) [9][12][13][14] 膠帶鋪設(shè)長(zhǎng)度較長(zhǎng)，特別是在井下，工作條件差，很容易引起損壞。 (3)膠帶搭接不符合要求。 帶式輸送機(jī)在輸送過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)故障，除以上的一些原因外，還有許多其它的原因，如果這些故障處理不當(dāng)，可能會(huì)導(dǎo)致更大的事故，對(duì)生產(chǎn)造12 3 4 56789101 — 輸入軸 ； 2 — 主動(dòng)齒輪 ； 3 — 從動(dòng)齒輪 ： 4 — 內(nèi)齒輪 ；5 — 主動(dòng)摩擦片 ； 6 — 行星架 ； 7 — 輸出軸 ； 8 — 從動(dòng)摩擦片 ；9 — 行星輪 ； 10 — 太陽(yáng)輪 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 12 頁(yè) 成重大損失。 (2)輸送帶質(zhì)量原因：a輸送帶接頭與中心線不直； b輸送帶帶邊呈 ” S” 型。本設(shè)計(jì)中采用煤炭科學(xué)總院常州自動(dòng)化研究所的 KG1007A型膠帶防跑偏開(kāi)關(guān)，其跑偏信號(hào)通過(guò)接入臨近拉線急停開(kāi)關(guān)傳輸。它體積比較小、重量輕、密封性能好；觸點(diǎn)動(dòng)作后還留有較大的探桿轉(zhuǎn)動(dòng)緩沖角，使本身不易損壞，輸出開(kāi)關(guān)量信號(hào)。本設(shè)計(jì)中，我們選用常州聯(lián)力的 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 13 頁(yè) KJ5007A 型速度傳感器，輸出頻率信號(hào)，幅值 5V，頻率 f=200V(V 為膠帶速度值 )，輸出電流信號(hào) 4～ 20mA。采用自動(dòng)調(diào)整的拉緊裝置是防止驅(qū)動(dòng)滾筒打滑的有效方法。 在此設(shè)計(jì)中我們沒(méi)有選用專門(mén)的打滑檢測(cè)傳感器，是通過(guò)檢測(cè)膠帶的速度，把膠帶速度和滾筒速度做比較來(lái)實(shí)現(xiàn)的。同上，我們?cè)诖嗽O(shè)計(jì)中沒(méi)有采用專門(mén)的超速傳感器，通過(guò)膠帶速度與設(shè)定值的比較，判定膠帶是否超速運(yùn)行。因?yàn)樗梢员苊馔话l(fā)事故，隨時(shí)處于待命狀態(tài)。這樣不僅浪費(fèi)時(shí)間降低工作效率，同時(shí)也費(fèi)用大量人力物力，提高煤的生產(chǎn)成本。傳感器可以延時(shí)動(dòng)作 ，延時(shí)時(shí)間可調(diào)，避免由于大塊物料撞擊引起誤動(dòng)作。煙霧傳感器采用金屬镅的離子式探測(cè)器，其陰極和陽(yáng)極之間為高電阻輸出，一般 大于 101 歐，輸出電流只有 10～ 11A 左右，只有用高電阻的靜電計(jì) 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 15 頁(yè) 才能測(cè)出。我們采用常州自動(dòng)化研究所的 KG9001AC型編碼式拉繩急停閉鎖開(kāi)關(guān) ， 可用作輸送機(jī)沿線電纜接線盒，并具有故障位置識(shí)別電路，識(shí)別各種不同故障及故障發(fā)生的地點(diǎn)。 溫度傳感器從使用上可分為接觸式和非接觸式兩大類，接觸式目前使用較為廣泛，而非接觸式測(cè)量是通過(guò)檢測(cè)被測(cè)物體所發(fā)出的紅外線，來(lái)達(dá)到測(cè)溫的目的。一般我們的設(shè)定值要根據(jù)考慮周邊情況，如：膠帶的制作材料，燃點(diǎn)等。我們監(jiān)測(cè)定子溫度是通過(guò)在定子繞組中放入 PT100 熱敏電 阻來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 十一、縱撕檢測(cè) 鋼線芯帶式輸送機(jī)以其強(qiáng)度高、運(yùn)量大和運(yùn)距長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，受到各企業(yè)的青睞，也得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。就發(fā)生縱撕的地點(diǎn)來(lái)看，大部分是在裝載處，因此縱撕檢測(cè)傳感器一般放在裝載點(diǎn)前 10m處。當(dāng)輸送帶被撕裂后，物料會(huì)通過(guò)裂口掉到下面的托盤(pán)上，根 據(jù)平衡原理，當(dāng)物料重量克服平衡錘的重量，使裝置繞支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，迫使限位開(kāi)關(guān)動(dòng)作（圖 ）。這就避免了上面漏料檢測(cè)器的失誤。在輸送帶容易撕裂的地方的托輥之間安裝能夠產(chǎn)生超聲波的波導(dǎo)管，使之產(chǎn)生超聲波振蕩，再通過(guò)檢波器檢波后發(fā)出。在輸送帶的另一邊安裝振動(dòng)接收器，它通過(guò)自由回轉(zhuǎn)的輥輪和輸送帶接觸。輸出開(kāi)關(guān)量信號(hào)。1987年，美國(guó)電氣制造協(xié)會(huì)（ NEMA）對(duì)可編程序控制器下了定義：可編程序控制器是一種帶有指令存儲(chǔ)器、數(shù)字的或模擬的輸 入輸出接口，以位運(yùn)算為主，能完成邏輯、順序、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算功能，用于控制機(jī)器和生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制裝置。如圖 。 煙霧預(yù)警堆煤報(bào)警跑偏報(bào)警拉線報(bào)警縱撕報(bào)警張力下滑報(bào)警定子超溫報(bào)警滾筒超溫報(bào)警K 1 K 8K 7K 6K 5K 4K 3K 2I 0 . 0+ 24 VI 0 . 1 I 0 . 2 I 0 . 3 I 0 . 4 I 0 . 5 I 0 . 6 I 0 . 7數(shù)字量輸入 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 19 頁(yè) 圖 PLC控制系統(tǒng)示意圖 與繼電器控制系統(tǒng)相比， PLC可以認(rèn)為是由輸入部分、控制部分和輸出部分等組成，但它是采用大規(guī)模的集成電路的微處理器和存儲(chǔ)器來(lái)代替繼電器控制線路，控制作用是通過(guò)編制好并存入內(nèi)存的程 序來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 輸出部分：用于與外部輸出設(shè)備連接。STEP7將用戶編寫(xiě)的程序和程序所需的數(shù)據(jù)放置在塊中，功能塊 FB和功能 FC相當(dāng)于用戶編寫(xiě)的子程序，系統(tǒng)功能 SFC的系統(tǒng)功能塊 SFB是操作系統(tǒng)提供給用戶使用的標(biāo)準(zhǔn)子程序，這些塊也通稱為邏輯塊。此外還要執(zhí)行一次用戶編寫(xiě)的“系統(tǒng)啟動(dòng)組織塊” OB100，完成用戶指定的初始化操作，以后將進(jìn)入周期性的循環(huán)運(yùn)行。 PLC梯形圖中的其它編程元件也有對(duì)應(yīng)的映像存儲(chǔ)區(qū)。在程序執(zhí)行階段，即使外部輸入信號(hào)的狀態(tài)發(fā)生了變化，輸入過(guò)程映像位的狀態(tài)也隨之而變，輸入信號(hào)變化了的狀態(tài)字能在下一個(gè)循環(huán)掃描周期的讀輸入模塊階段被讀入。 圖 PLC對(duì)輸入輸出的處理規(guī)則 人機(jī)界面 HMI[18] 人機(jī)界面是工作人員與 CPU進(jìn)行交互的界面，這里我們選用觸摸屏和操作臺(tái)。 圖 操作臺(tái) 觸摸屏技術(shù)就是使用者只要用手指輕輕地觸碰計(jì)算機(jī)顯示屏上的圖符或文字，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)主機(jī)的操作或查詢，這樣就擺脫了鍵盤(pán)和鼠標(biāo)操作，從而大大地提高了計(jì)算機(jī)的可操作性。 總結(jié) 本設(shè)計(jì)項(xiàng)目采用 PLC技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)單條皮帶和單臺(tái)給煤機(jī)的監(jiān)控，各種故障的監(jiān)測(cè)是通過(guò)傳感器監(jiān)測(cè)故障點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，或是通過(guò)測(cè)得與故障相關(guān)的參數(shù)，讓這些參數(shù)與正常狀態(tài)下的數(shù)字比較來(lái)實(shí)現(xiàn)。一般系統(tǒng)運(yùn)行在集控工作模式下，當(dāng)組成生產(chǎn)流水線時(shí)，本機(jī)根據(jù)前后閉鎖關(guān)系自動(dòng)啟停，同時(shí)檢測(cè)各檢測(cè)保護(hù)設(shè)備的狀況；運(yùn)行就地工作模式時(shí)，操作員手動(dòng)操作按鈕啟動(dòng) /停止膠帶機(jī)，但所有保護(hù)設(shè)備均投入使用；運(yùn)行檢修工作模式時(shí)，操作員手動(dòng)啟動(dòng) /停止 膠帶，保護(hù)設(shè)備可有選擇性的投入使用，在檢修模式下，我們選擇 CST慢動(dòng)，使膠帶低速運(yùn)行。 ：信號(hào)發(fā)出后，執(zhí)行跑偏聲光報(bào)警指令，此為一級(jí)動(dòng)作，當(dāng)報(bào)警時(shí)間超出一定時(shí)間段時(shí)，同時(shí)再執(zhí)行急停指令，此為二級(jí)動(dòng)作。 ：信號(hào)發(fā)出后，執(zhí)行縱撕聲光報(bào)警和急停指令。 ：信號(hào)發(fā)出后，發(fā)出張緊聲光下滑報(bào)警、同時(shí)張緊裝置執(zhí)行張緊皮帶任務(wù)。通 過(guò)PROFIBUS電纜可以實(shí)現(xiàn) S7300 CPU之間的通訊，以及與其他 SIMATIC S7 PLC進(jìn)行通訊。 導(dǎo)軌（ RACK）：導(dǎo)軌是安裝 S7300各類模塊的機(jī)架，它是特制不銹鋼異型板，其長(zhǎng)度有 160、 48 5 8 2021（ mm）五種，可根據(jù)實(shí)際需要選擇。它與 CPU模塊和其它信號(hào)模塊之間通過(guò)電纜連接，而不是通過(guò)背板總線連接。 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 24 頁(yè) 圖 PLC系統(tǒng)構(gòu)成圖 接口模塊（ IM）：接口模塊用于多機(jī)架配置時(shí)連接主機(jī)架和擴(kuò)展機(jī)架。 功能模塊（ FM）：用于實(shí)時(shí)性強(qiáng)、存儲(chǔ)計(jì)數(shù)量較大的過(guò)程信號(hào)處理任