【正文】 形成的煤流運輸系統(tǒng)，因此它內(nèi)部的基本運輸單元就是單臺膠帶機。為保證運輸系統(tǒng)的安全可靠，提高運輸效率，對其進(jìn)行完善的管理和監(jiān)控是現(xiàn)代礦井煤流運輸迫切需要的一項技術(shù)。隨著新材料技術(shù)、電子傳感技術(shù)、數(shù)字通信技術(shù)、 控制技術(shù)、微計算機技術(shù)、軟件技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)從其通訊方式上劃分，先后經(jīng)歷了三個階段。第二階段是在一對傳感線上實現(xiàn)多路頻率分割的載波傳輸。 監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)自中心站計算機向下，由接口裝置、信號傳輸總線、井下分站和各類傳感器、斷電儀等組成。桌面部分有中心站計算機和交換機、交換機、集線器、雙絞線、用戶終端等組成實時快 速 100M 以太網(wǎng)絡(luò)或其它網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。這主要表現(xiàn)在通訊協(xié)議、分站、傳感器和斷電儀等設(shè)備外圍接口方面；另外是監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)軟件。組態(tài)軟件具有良好的開放性、交互性和靈活性，用戶可以繼承性的開發(fā)。 礦井膠帶運輸系統(tǒng)是原煤運輸?shù)奈ㄒ煌緩?，是礦井生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，因此它的安全高效運行受到很大程度的重視?？茖W(xué)技術(shù)的日新月異，使得用計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、新的工業(yè)控制器技術(shù)構(gòu)建膠帶輸送機控制系統(tǒng)成為可能。 (2)故障檢測系統(tǒng)誤報率高。 (3)安全保護(hù)系統(tǒng)，軟起動控制系統(tǒng)，自動張緊系統(tǒng)往往是獨立的系統(tǒng)，信息不能共享，不能實現(xiàn)對膠帶輸送機的綜合監(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，不能實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)與礦井信息系統(tǒng)的集成。 國外煤礦監(jiān)控技術(shù)是 20世紀(jì) 60年代開始發(fā)展起來的，至今已有四代產(chǎn)品，基本上 5～ 10年更新一代產(chǎn)品。 80年代是計算機、大規(guī)模集成電路、數(shù)字通信等現(xiàn)代技術(shù)高速發(fā)展時期。美國以其擁有的雄厚高科技優(yōu)勢，率先把計算機技術(shù)、大規(guī)模集成電路技術(shù)、數(shù)字通信技術(shù)等現(xiàn)代高新科技用于煤礦監(jiān)控系統(tǒng)，使煤炭監(jiān)控技術(shù)躋身于高科技之列。其中有代表性的是美國 MSA公 司的 DAN6400系統(tǒng)，其信息傳輸方式仍屬時分制范疇，但用原來的一般時分制的概念已不足以反映這種高科技的特點 [3]?，F(xiàn)在常見的礦井運輸監(jiān)控技術(shù)有以下三種類型 [4][5][6][7]： 基于 PLC的集中控制技術(shù)、以系統(tǒng)中心站為核心的集中式控制結(jié)構(gòu)和基于 PLC的分散控制系統(tǒng)。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點就是控制集中、直觀、軟硬件相對簡單，投資少。 圖 基于 PLC的集中控制結(jié)構(gòu) 另一種結(jié)構(gòu)是以 PLC為核心，且配備了遠(yuǎn)程 I/O點。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，同時也增加了控制范圍。一旦 PLC出現(xiàn)故障或通訊中斷都將造成系統(tǒng)癱瘓。 P LC設(shè)備 A設(shè)備 C設(shè)備 B 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 4 頁 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)控制計算機為核心，智能分站是由單片機構(gòu)成的結(jié)構(gòu)。如我國自己研發(fā)的 KJ1和 KJ4系統(tǒng)，美國的 DAN6400和 FEMCO等。分站具有獨立工作能力，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)是需要由中心計算機集中處理完成。因此 這種結(jié)構(gòu)在煤礦一般主要用于環(huán)境的監(jiān)測，對實時性要求、可靠性要求較高膠帶運輸系統(tǒng)，一般為了避免重要故障的發(fā)生，不考慮使用，但是也有應(yīng)用。分布式控制技術(shù)的主要思想是把復(fù)雜的對象劃分為若干子對象，然后用局部的控制器作為現(xiàn)場級，直接作用到被控對象，上級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)。 圖 分布式控制結(jié)構(gòu) 分布式控制系統(tǒng)中，各 PLC控制分站是通過現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)接口連接在一起， PLC控制分站具有獨立工作能力，可自主完成既定的任務(wù)，如數(shù)據(jù)采集、處理、監(jiān)視、操作和控制等。這一特點首先是解決了系統(tǒng)的分散問題，空間分布多分支的矛盾。同時，單機電控能滿足監(jiān)控信息量大和復(fù)雜的控制要求。中心站是由工業(yè)控制計算機為核心構(gòu)成的，以完成控制系統(tǒng)的總體功能和優(yōu)化處理?？偟膩碚f，就是控制各膠帶分站，通過網(wǎng)絡(luò)傳遞各種信息，由集控中心站使得各膠帶輸送機的運行得到統(tǒng)一的集中管理，從而使運行更加合理。 由于礦井生產(chǎn)能力、地理條件、采掘、運輸和提升方式的不同，礦井膠帶運輸系統(tǒng)的組成存在很大的差異。由于各分站可以獨立地完成對單臺膠帶輸送機的控制、顯示和操作，集控中心站又能集中管理、顯示和操作，這種結(jié)構(gòu)能適應(yīng)運輸上的集中、管理上分塊的管理體系。由于采用了分級分布的控制方式，解決了整個運輸系統(tǒng)控制對象比較分散的矛盾，從而使整個控制系統(tǒng)更加安全、可靠?，F(xiàn)場總線技術(shù)的不斷發(fā)展和完善使得控制的實時性、可靠性、安全性將得到極大的提高。現(xiàn)在廣泛使用的現(xiàn)場總線有以下幾種： FF基金會現(xiàn)場總線、 PROFIBUS現(xiàn)場總線、 WORLD FIP現(xiàn)場總線、 LON WORKS現(xiàn)場總線、 CAN現(xiàn)場總線等。本論文正是以此為目的，以棗泉煤礦主斜井膠帶輸送機為背景，設(shè)計單條皮帶和單臺給煤機的監(jiān)控系統(tǒng)。若是考慮對多條皮帶進(jìn)行控制，對于這種多條皮帶分布分散、空間分布多分支的運輸機群及復(fù)雜工藝流程和閉鎖關(guān)系，應(yīng)采用適應(yīng)這種場合的分 布式控制系統(tǒng)。本論文是針對單條皮帶和單臺給煤機設(shè)計，它主要內(nèi)容如下： (1)對膠帶運輸監(jiān)控系統(tǒng)的幾種主要類型進(jìn)行概述。 (3)概述監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)的功能，進(jìn)行 S7300 PLC模塊選型和外部連線設(shè)計。 (5)為了使 監(jiān)控系統(tǒng)更加完善，實現(xiàn)控制的可觀化、清晰化，加入了觸摸屏設(shè)計。 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 8 頁 2 膠帶機監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 課題背景 棗泉煤礦主運輸帶式輸送機系統(tǒng)，包括主斜井帶式輸送機、原煤帶式送機及 1順煤槽帶式輸送機、 2順煤槽帶式輸送機、中車場轉(zhuǎn)載帶式輸送機、主斜井帶式輸送機和原煤帶式輸送機等。除原煤帶式輸送機外，各帶式輸送機均采用帶以太網(wǎng)接口的 PLC控制，由 CPU通過 I/O及設(shè)備網(wǎng)絡(luò)對現(xiàn)場設(shè)備控制及數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)采用逆煤流延時起車，瞬時停車方式，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。它的主要參數(shù)如下：主斜井帶式輸送機長 1260m，由 3臺 1400KW電機拖動，采用 CST啟動，正常運行速度 ，電壓等級為 10KV，遠(yuǎn)程控制方式。帶式輸送機的監(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。膠帶機系統(tǒng)電纜連接圖如附圖 8所示。 帶式輸送機 [1][2][8] 帶式輸送機是以膠帶作為牽引機構(gòu)和承載機構(gòu)的連續(xù)運輸機械，又稱為膠帶輸送機，它在礦山的物料運輸，特別是煤的輸送方面得到了廣泛應(yīng)用。 膠帶是經(jīng)主動滾筒和機尾改向滾筒形成一個無極環(huán)行帶。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。主動滾筒與電機相連，當(dāng)電機 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 9 頁 轉(zhuǎn)動時，帶動滾筒轉(zhuǎn)動， 膠帶通過膠帶和滾筒之間的摩擦力也被帶動運行，從而實現(xiàn)運輸功能。傳動裝置一般由驅(qū)動裝置和傳動滾筒組成。在此項目中，我們采用美國道齊公司的 CST 裝置，來代替?zhèn)鹘y(tǒng)使用的液力偶合器。其連接方式是電動機與 CST 連接， CST 與傳動滾筒連接。多滾筒驅(qū)動的優(yōu)點就是能夠傳遞較大的功率，帶動較大的負(fù)載，并能降低輸送帶的張力；其缺點就是可能會出現(xiàn)功率不平衡問題，從而增加了電動機的備用功率。由于雙滾筒驅(qū)動具有功率不穩(wěn)定問題，而采用 CST 裝置后，可以實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)，使它們的功率平衡，避免了加大電機的備用功率。但由于電機啟動性能和調(diào)速性能差、啟動轉(zhuǎn)矩小，與帶式輸送機直接相連啟動，會增加皮帶的張力 [9]。 由于電機速度快 ， 且在重載和超載條件下工作 ， 起動電流過大 ， 對電網(wǎng)的沖擊增大 ， 壓降增加 ， 造成起動困難 ； 且電機直接起動 ， 輸送機起動加速度過大 ， 膠帶產(chǎn)生的動張力就越大，瞬間引起的沖擊力也相當(dāng)大，會加速托棍、滾筒及其它部件的損壞，縮短膠帶的使用壽命；同時 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 ， 起動不平穩(wěn)。軟起動技術(shù)是在一定的起動時間內(nèi) ， 控制起動加速度 ， 確保帶式輸送機按所要求的加速度曲線平穩(wěn)起動 ， 達(dá)到額定的運行速度 ， 同時使電機的起動電流和輸送帶的起動張力控制在允許范圍內(nèi)。 CST（ Controlled Start Transmission）可控啟動裝置是出自美國的一種為帶式輸送機設(shè)計使用的一套裝置的 總稱。 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 10 頁 CST系統(tǒng)的主體是一個可控?zé)o級變速的減速器，其基本原理是在一級行星傳動中，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速度特性，減速特性，并能以任意非額定的低速運行。離合器的原理是依靠動靜片之間的油膜剪切力傳遞力矩。據(jù)此調(diào)節(jié)離合器環(huán)型液壓缸的壓力，改變動靜片間油膜的厚度，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，負(fù)載就加速；轉(zhuǎn)矩平衡時，負(fù)載就穩(wěn)定運行 [1]。一臺輸送機可以由一臺電機及一臺 CST驅(qū)動，也可以由多臺電機及多臺 CST驅(qū)動。這使得輸送機在被加速至全速運行前有一個平緩啟動的過程。 CST系統(tǒng)控制主電機的起停，在啟動時，驅(qū)動電機可以按順序空載啟動，所以電機的沖擊電流非常小。當(dāng)一驅(qū)動系統(tǒng)中有多臺 CST時，控制系統(tǒng)可以確保每臺驅(qū)動電機分擔(dān)相同的負(fù)載，合理的功率平衡可以有效地延長整個驅(qū)動系統(tǒng)各部件的壽命。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”。 CST可提供給用戶的信號有 CST故障信號、 CST報警信號和 CST滿速信號等，用戶可以控制 CST的信號有 CST啟動 /停止信號、 CST急停信號、 CST慢動信號、 CST復(fù)位信號等。 圖 CST傳動原理 故障檢測及保護(hù) [9][12][13][14] 膠帶鋪設(shè)長度較長，特別是在井下，工作條件差，很容易引起損壞。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。 (3)膠帶搭接不符合要求。 (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。 帶式輸送機在輸送過程中經(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)，可能會導(dǎo)致更大的事故，對生產(chǎn)造12 3 4 56789101 — 輸入軸 ； 2 — 主動齒輪 ； 3 — 從動齒輪 ： 4 — 內(nèi)齒輪 ；5 — 主動摩擦片 ； 6 — 行星架 ； 7 — 輸出軸 ； 8 — 從動摩擦片 ；9 — 行星輪 ； 10 — 太陽輪 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 12 頁 成重大損失。 一、跑偏 膠帶輸送機跑偏的根本原因是輸送帶在運行過程中，橫向受力不平衡。 (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。 (4)維護(hù)質(zhì)量原因：滾筒清掃不干凈，造成直徑不等。本設(shè)計中采用煤炭科學(xué)總院常州自動化研究所的 KG1007A型膠帶防跑偏開關(guān)，其跑偏信號通過接入臨近拉線急停開關(guān)傳輸。當(dāng)皮帶跑偏時，皮帶碰到跑偏開關(guān)的探桿，并帶動探桿軸轉(zhuǎn)動，此時與探桿固定在一軸上的凸輪也同時轉(zhuǎn)動，撥動跑偏開關(guān)的微 動開關(guān)發(fā)出跑偏信號。它體積比較小、重量輕、密封性能好；觸點動作后還留有較大的探桿轉(zhuǎn)動緩沖角，使本身不易損壞，輸出開關(guān)量信號。在此設(shè)計中，我們要求跑偏信號發(fā)出傳送給 PLC后，使 PLC給 CST發(fā)出急停指令，同時觸摸屏故障位置指示燈亮并啟動急停報警。本設(shè)計中，我們選用常州聯(lián)力的 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 13 頁 KJ5007A 型速度傳感器，輸出頻率信號，幅值 5V，頻率 f=200V(V 為膠帶速度值 )，輸出電流信號 4～ 20mA。 圖 速度檢測傳感器部分電路方 框圖 三、打滑 驅(qū)動滾筒打滑的原因是滾筒的摩擦牽引力降低、超載或帶子被卡住。采用自動調(diào)整的拉緊裝置是防止驅(qū)動滾筒打滑的有效方法。采用阻燃輸送帶，驅(qū)動滾筒持續(xù)打滑也會冒煙污染空氣