【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 采用分布式結(jié)構(gòu)是合理的，它 通過(guò)功能分散、危險(xiǎn)分散，提高了礦井膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)的可靠性。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。 現(xiàn)場(chǎng)總線是整個(gè)分布式控制系統(tǒng)的核心和關(guān)鍵。現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的不斷發(fā)展和完善使得控制的實(shí)時(shí)性、可靠性、安全性將得到極大的提高?，F(xiàn)場(chǎng)總線是連接現(xiàn)場(chǎng)裝置與控制室之間的全數(shù)字式、開(kāi)放的、雙向多點(diǎn)通信數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)總線，它按國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)?，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。 論文主要工作 礦井生產(chǎn)自動(dòng)化已經(jīng)成為一種趨勢(shì)，如何更好的實(shí)現(xiàn)礦井運(yùn)輸系統(tǒng)的集中安全控制管理是現(xiàn)在迫切解決的問(wèn)題。本論文正是以此為目的，以棗泉煤礦主斜井膠帶輸送機(jī)為背景，設(shè)計(jì)單條皮帶和單臺(tái)給煤機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)。此監(jiān)控系統(tǒng)是以西門子 S7300 PLC為核心，實(shí)現(xiàn)膠帶輸送機(jī)和給煤機(jī)多種工作方式下的啟停控制和各種故障監(jiān)測(cè)的膠帶運(yùn)輸監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)。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)。即在各單條皮帶設(shè)立分站監(jiān)控的基礎(chǔ)上加入主站設(shè)計(jì)，通過(guò)主站將各分站聯(lián)系控制起來(lái)。本論文是針對(duì)單條皮帶和單臺(tái)給煤機(jī)設(shè)計(jì)，它主要內(nèi)容如下： (1)對(duì)膠帶運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)的幾種主要類型進(jìn)行概述。 (2)以棗泉煤礦主斜井膠帶輸送機(jī)為背景，講述膠帶輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 7 頁(yè) 硬件構(gòu)成，討論要監(jiān)控的故障對(duì)象、傳感器配置及對(duì)故障的處理措施，并給出了本監(jiān)控系統(tǒng)所需要的各種傳感器和執(zhí)行器。 (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)。 (4)采用梯形圖方法編制程序，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。 (5)為了使 監(jiān)控系統(tǒng)更加完善，實(shí)現(xiàn)控制的可觀化、清晰化，加入了觸摸屏設(shè)計(jì)。它可以實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的運(yùn)行情況和各種故障情況，進(jìn)行及時(shí)的報(bào)警顯示和記錄。 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。 1順煤槽帶式輸送機(jī)、中車場(chǎng)轉(zhuǎn)載帶式輸送機(jī)采用調(diào)速液力偶合器， 2順煤槽帶式輸送機(jī)、主斜井帶式輸送機(jī)采用 CST軟啟動(dòng)控制系統(tǒng)， CST主控器 隨 CST配帶。除原煤帶式輸送機(jī)外，各帶式輸送機(jī)均采用帶以太網(wǎng)接口的 PLC控制，由 CPU通過(guò) I/O及設(shè)備網(wǎng)絡(luò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制及數(shù)據(jù)采集。 本礦井主運(yùn)輸帶式輸送機(jī)系統(tǒng)，采用 PLC集中控制系統(tǒng)，并配置監(jiān)控計(jì)算機(jī)。系統(tǒng)采用逆煤流延時(shí)起車，瞬時(shí)停車方式，設(shè)備之間相互閉鎖，并設(shè)有起車、停車、事故和聯(lián)系信號(hào)。本設(shè)計(jì)只設(shè)計(jì)主斜井帶式輸送機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)。它的主要參數(shù)如下：主斜井帶式輸送機(jī)長(zhǎng) 1260m，由 3臺(tái) 1400KW電機(jī)拖動(dòng)，采用 CST啟動(dòng)，正常運(yùn)行速度 ，電壓等級(jí)為 10KV，遠(yuǎn)程控制方式。 主斜井帶式輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng) PLC，設(shè)置在東主井井口控制室，對(duì)主井帶式輸送機(jī)及附屬設(shè)備控制。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)。 膠帶輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備構(gòu)成 膠帶輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要由 PLC、人機(jī)界面等組成，它主要控制膠帶輸送機(jī)、可控啟動(dòng)傳輸 CST、各種故障檢測(cè)和保護(hù)裝置，將各種信息在觸摸屏上集中顯示。膠帶機(jī)系統(tǒng)電纜連接圖如附圖 8所示。下面我們對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)各部分進(jìn)行詳細(xì)的介紹。 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。帶式輸送機(jī)主要由以下幾種主要部件組成：輸送帶、驅(qū)動(dòng)裝置、托輥、機(jī)架、拉緊裝置、制動(dòng)裝置和清掃裝置。 膠帶是經(jīng)主動(dòng)滾筒和機(jī)尾改向滾筒形成一個(gè)無(wú)極環(huán)行帶。它上下的兩股膠帶分別由上下的托輥來(lái)支承。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。物料是經(jīng)機(jī)尾裝料口落到上股膠帶上面，當(dāng)膠帶帶著煤流運(yùn)行到尾端時(shí)，自動(dòng)將其卸落。主動(dòng)滾筒與電機(jī)相連，當(dāng)電機(jī) 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 9 頁(yè) 轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)， 膠帶通過(guò)膠帶和滾筒之間的摩擦力也被帶動(dòng)運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸功能。 膠帶機(jī)的傳動(dòng)裝置一般位于輸送帶的頭部、中部或是尾部，它是帶式輸送機(jī)的重要組成部分。傳動(dòng)裝置一般由驅(qū)動(dòng)裝置和傳動(dòng)滾筒組成。驅(qū)動(dòng)裝置一般采用電動(dòng)機(jī)、液力偶合器、減速器及制動(dòng)輪、傳動(dòng)滾筒組成。在此項(xiàng)目中，我們采用美國(guó)道齊公司的 CST 裝置，來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)使用的液力偶合器。因此驅(qū)動(dòng)裝置主要有電動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸器、可控啟動(dòng)傳輸 CST 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。 輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)有單滾筒驅(qū)動(dòng)和多滾筒驅(qū)動(dòng)，一般常采用單滾筒驅(qū)動(dòng)， 功率大時(shí)可采用多滾筒驅(qū)動(dòng)。多滾筒驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)就是能夠傳遞較大的功率，帶動(dòng)較大的負(fù)載，并能降低輸送帶的張力；其缺點(diǎn)就是可能會(huì)出現(xiàn)功率不平衡問(wèn)題，從而增加了電動(dòng)機(jī)的備用功率。 本膠帶輸送機(jī)由三臺(tái)電機(jī)和三臺(tái) CST 裝置組成，驅(qū)動(dòng)功率為 3? 1400 KW，且采用雙滾筒驅(qū)動(dòng)。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。 CST軟啟動(dòng) 帶式輸送機(jī)正向高速度、大運(yùn)量、大功率、長(zhǎng)運(yùn)距方向發(fā)展 ， 三相交流異步電動(dòng)機(jī)以運(yùn)行可靠、控制方便和價(jià)格低廉等因素被廣泛應(yīng)用于帶式輸送機(jī)。但由于電機(jī)啟動(dòng)性能和調(diào)速性能差、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，與帶式輸送機(jī)直接相連啟動(dòng)，會(huì)增加皮帶的張力 [9]。輸送帶是具有粘彈性的彈性體，帶式輸送機(jī)系統(tǒng)可以認(rèn)為是彈簧一質(zhì)量系統(tǒng)。 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)。軟起動(dòng)技術(shù)是改善起動(dòng)條件的主要手段。軟起動(dòng)技術(shù)是在一定的起動(dòng)時(shí)間內(nèi) ， 控制起動(dòng)加速度 ， 確保帶式輸送機(jī)按所要求的加速度曲線平穩(wěn)起動(dòng) ， 達(dá)到額定的運(yùn)行速度 ， 同時(shí)使電機(jī)的起動(dòng)電流和輸送帶的起動(dòng)張力控制在允許范圍內(nèi)。 目前大型帶式輸送機(jī)可控啟動(dòng)裝置主要有：液力詞速裝置、 CST裝置、液體粘性傳動(dòng)裝置、變頻調(diào)速裝置、交流電機(jī)軟啟動(dòng)裝置等幾種。 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。它是由多級(jí)齒輪減速器、濕式離合器及液壓控制系統(tǒng)組成。 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 10 頁(yè) CST系統(tǒng)的主體是一個(gè)可控?zé)o級(jí)變速的減速器，其基本原理是在一級(jí)行星傳動(dòng)中，用控制內(nèi)圈轉(zhuǎn)速的辦法調(diào)節(jié)行星架輸出的轉(zhuǎn)速，使負(fù)載得到所需要的啟動(dòng)速度特性，減速特性，并能以任意非額定的低速運(yùn)行。內(nèi)齒圈的轉(zhuǎn)動(dòng)用多片型液體粘滯離合器控制，多型液體粘滯離合器是由若干個(gè)動(dòng)片和靜片交叉疊合成，動(dòng)片組經(jīng)外齒花鍵與行星輪系的內(nèi)齒圈連接，靜片組經(jīng)內(nèi)齒花鍵與固定在減速箱體上的軸套連接，離合器的離合由環(huán)型液壓缸操作。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。資料表明， 當(dāng)兩塊盤狀平行板之間充滿了極薄的油膜（小于 20μ m）時(shí)，主動(dòng)板依靠油膜的剪切力可以向從動(dòng)板傳遞力矩，它所傳遞的力矩的大小與兩板的間距（即油膜的厚度）成反比。據(jù)此調(diào)節(jié)離合器環(huán)型液壓缸的壓力，改變動(dòng)靜片間油膜的厚度，就能控制它所傳遞的轉(zhuǎn)矩，當(dāng)輸出軸的轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載的靜阻力時(shí)，負(fù)載就加速；轉(zhuǎn)矩平衡時(shí)，負(fù)載就穩(wěn)定運(yùn)行 [1]。 CST的輸出轉(zhuǎn)矩由液壓控制系統(tǒng)控制。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)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)， CST的輸出軸保持不動(dòng)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)達(dá)到全轉(zhuǎn)速時(shí)輸送機(jī)才逐漸加速到滿速度 。這使得輸送機(jī)在被加速至全速運(yùn)行前有一個(gè)平緩啟動(dòng)的過(guò)程。加速時(shí)間可以根據(jù)需要在規(guī)定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。 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。由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以根據(jù)運(yùn)行負(fù)載進(jìn)行選擇而不必根據(jù)啟動(dòng)負(fù)載選擇，所以 CST驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以選用功率較小的電機(jī)；在停車時(shí)，通過(guò)延長(zhǎng)停車時(shí)間可以降低對(duì)膠帶的動(dòng)態(tài)沖擊力。當(dāng)一驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中有多臺(tái) CST時(shí)，控制系統(tǒng)可以確保每臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)分擔(dān)相同的負(fù)載，合理的功率平衡可以有效地延長(zhǎng)整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各部件的壽命。膠帶正常運(yùn)行時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)中各 CST的功 率平衡要求，每臺(tái) CST的離合器或者保持少量打滑狀態(tài)，或者維持壓力以無(wú)打滑方式輸出所要求的扭矩。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”。當(dāng)離合器被軟鎖定時(shí)，任何瞬間的過(guò)載或沖擊載荷都將引起離合器的打滑，這時(shí)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的所有部件，包括聯(lián)軸器、軸承和齒輪等都將在沖擊或過(guò)載時(shí)受到保護(hù)，從而延長(zhǎng)其壽命 [10]。 CST可提供給用戶的信號(hào)有 CST故障信號(hào)、 CST報(bào)警信號(hào)和 CST滿速信號(hào)等，用戶可以控制 CST的信號(hào)有 CST啟動(dòng) /停止信號(hào)、 CST急停信號(hào)、 CST慢動(dòng)信號(hào)、 CST復(fù)位信號(hào)等。 與液力偶合器相比， CST裝置的優(yōu)點(diǎn)： (1)采用 CST可降低 30%的膠帶張力； (2)采用 CST后傳動(dòng)效率可以提高 13%； 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 11 頁(yè) (3)采用 CST后，膠帶的安全系數(shù)可降低 ，但安全度不變。 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。主要有以下幾種損傷形式和原因： (1)轉(zhuǎn)載機(jī)與帶式輸送機(jī)機(jī)尾搭接高度不夠，或機(jī)尾緩沖托輥 失去彈性，當(dāng)大塊的物料從轉(zhuǎn)載機(jī)上落下，形成較大的沖擊力而裝破膠帶的上覆蓋層，甚至破斷帶芯，形成窟窿。特別是當(dāng)物料中夾帶尖銳物體，很容易劃破膠帶，造成膠帶縱斯。 (2)當(dāng)膠帶跑偏，會(huì)引起膠帶和機(jī)架摩擦，產(chǎn)生帶邊拉毛開(kāi)裂，帶邊磨損后，水從破損處滲入，時(shí)間久了，帆布層會(huì)逐漸腐爛。 (3)膠帶搭接不符合要求。如果接頭不齊，不平不直，造成膠帶受力不均勻而破裂。 (4)膠帶制造質(zhì)量差或使用保管不當(dāng)，如地面使用的膠帶，夏季長(zhǎng)期在烈日下曝曬，冬季膠帶表面積水結(jié)冰造成膠帶膠質(zhì)變硬使膠帶提前老化。如果使用中膠帶張緊力過(guò)大或膠帶 鋪設(shè)距離太短，撓曲次數(shù)超過(guò)了極限值，也容易造成膠帶提前老化損傷。 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。下面簡(jiǎn)要介紹一下帶式輸送機(jī)出現(xiàn)的一些常見(jiàn)故障。 一、跑偏 膠帶輸送機(jī)跑偏的根本原因是輸送帶在運(yùn)行過(guò)程中，橫向受力不平衡。主要有以下幾種原因： (1)安裝質(zhì)量原因： a機(jī)架、滾筒沒(méi)有調(diào)整平直； b托輥軸線與輸送帶中心線不垂直； c機(jī)架與地面連接強(qiáng)度不夠，機(jī)架不穩(wěn)定； d導(dǎo)料槽和卸料槽的導(dǎo)料擋板安裝位置不當(dāng)，受力不均 。 (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。 (3)裝載質(zhì)量原因：裝載點(diǎn)不在輸送帶中央。 (4)維護(hù)質(zhì)量原因：滾筒清掃不干凈，造成直徑不等。 我們一般在機(jī)頭、機(jī)中和機(jī)尾皮帶最容易跑偏的地方分別安裝一對(duì)防跑偏保護(hù)裝置。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。在皮帶正常工作時(shí)，跑偏開(kāi)關(guān)的探桿在豎直位置。當(dāng)皮帶跑偏時(shí)，皮帶碰到跑偏開(kāi)關(guān)的探桿，并帶動(dòng)探桿軸轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)與探桿固定在一軸上的凸輪也同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，撥動(dòng)跑偏開(kāi)關(guān)的微 動(dòng)開(kāi)關(guān)發(fā)出跑偏信號(hào)。