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2带式输送机的结构原理及启、制动5

2.1皮带运输机及其基本组成5

2.1.1输送带5

2.1.2驱动装置6

2.1.3托辊7

2.1.4拉紧装置8

2.1.5制动装置8

2.1.6清扫器8

2.1.7受料和卸料装置8

2.1.8机架9

2.1.9安全装置9

2.2皮带启动9

2.2.1带式输送机起动过程的分析9

2.2.2皮带机起动曲线10

2.2.3软启动12

2.3皮带制动17

3皮带运输监控系统22

3.1皮带机控制系统综述22

3.2对皮带自动控制的基本要求22

3.3皮带控制系统控制功能23

3.4皮带控制系统保护功能25

3.5受控设备及辅助设备32

3.5.1主受控设备32

3.5.2辅助设备32

4控制系统硬件设计33

4.1项目背景33

4.2PLC基础知识34

4.2.1PLC的主要特点及功能34

4.2.2PLC的基本工作原理35

4.2.3PLC的系统组成39

4.3S7-200硬件系统43

4.4控制系统的总体结构45

5控制系统的软件设计50

5.1部分程序控制50

5.2部分功能流程图54

6控制系统的抗干扰措施57

6.1主要干扰源57

6.2防干扰的措施57

7参考文献.....................................................60

8致谢.........................................................61

1绪论

1.1概述

皮带运输机又称带式输送机，是一种连续运输机械，也是一种通用机械。

它是由承载的输送带兼做牵引机构的连续运输设备，它既可以输送矿石、煤炭等散装物料又可以运送包装好的成件物品，所以被广泛应用在矿山、港口、电厂、冶金企业、水泥、粮食以及轻工业的生产线。

由于它具有运输能力大，运输阻力小，耗电量低，运行平稳，在运输途中对运输物料损伤小等优点，被广泛应用于国民经济的各个部门。

皮带运输机可用于水平或倾斜运输，倾斜的角度依据物料的性质的不同和输送带表面形状不同而异。

表1.1所列为各种物料所允许的最大倾斜角。

表1.1带式输送机的最大倾斜角

注释：

表中给出的最大倾斜角是物料向上运输时的倾角，向下运输时最大倾角要减小

带式输送机可应用于装船机、卸船机、堆取料机等连续运输移动机械上。

在大型港口、矿山或大型冶金企业，皮带运输机得到最广泛的应用。

其单根皮带长度可以是几十米甚至几千米，运输线的总长度可达十几千米。

皮带运输机的输送能力可以为几百千克/小时到几万千克/小时，皮带运输机是散料连续运输机械，是应用于短距离连续运输的的重要机械设备。

因此对皮带运输过程进行监控显得尤为重要。

1.2皮带运输系统现状

我国是世界产煤大国。

过去煤矿主运输系统多以轨道运输为主。

近10年来，有由于胶带运输机运输量大、连续运输性能好，便于生产集中管理，以及煤矿生产增产提效的需要，越来越多的大中型矿井想需采用了胶带运输机作为生产主运输系统。

为保证胶带运输系统的安全运转，减少故障，提高运输效率，提高管理水平，对其实施几种监控是必不可少的。

因此针对矿井胶带运输系统的特点选择合适的控制系统结构是这次探讨的问题。

1.2.1矿井胶带运输系统的特点

原煤胶带运输系统是一个布局分散、空间分布多分支的运输机群。

胶带运输机趋向大功率，长距离，单机监测信息量越来越多，软启动，多点驱动，功率平衡等控制要求越来越复杂。

胶带机除驱动部信息较集中外，在数公里范围内有许多分散的信息。

它的系统既是分散结构，其信息又有相对集中点如：

胶带运输机驱动部，转载点，煤仓等处。

连续运输系统要求系统具有极高的可靠性。

根据我国煤矿生产管理体系，要求运输系统的信息采集、显示、处理，必须兼指挥调度级。

而控制又需要现场单机控制、局部环节集控、全系统集控。

1.3胶带运输系统的发展

最初的胶带运输系统自动化采用基地式仪表，实现简单的就地控制，这种方法虽然取代了人员手工操作，但其控制功能十分有限。

随着控制理论和控制技术的发展，胶带运输系统的自动化水平不断提高，由集中式控制系统结构逐步发展为功能强大的分散型、开放型分级分布控制系统结构。

下面将阐述其发展过程。

（1）以PLC为中心的集中式控制系统结构如图1.1所示

随着PLC的广泛使用，出现了以PLC可编程控制器为中心的胶带控制系统，此类系统已广泛应用与控制范围小、控制对象相对集中的厂矿企业、车间等。

像煤炭系统的选矸楼、洗煤厂、装车站等场合。

图1.1以PLC为中心的集中式控制系统结构

其优点是：

首先控制高度集控，便于细细分析和综合，容易实现整个系统的最优控制；

其次由于控制对象相对集中，对控制系统的投资相对经济；

最后对于控制回路的增删，控制方案的变化可由软件来改变，提供了应用的灵活性。

其缺点是：

首先单台PLC控制着几十个甚至几百个回路，危险也集中了，一旦PLC发生故障，将导致生产过程的全面瘫痪。

其次PLCI\O口是通过实现传输或远程I\O站加调制解调器来解决，要控制长距离胶带运输系统，势必增加投资，相反很不经济。

最后，与煤矿井下胶带运输系统的管理模式不相适应。

（2）以系统中心站为核心的集中式控制系统结构

随着PC机的发展，原有控制系统进一步发展与延伸。

国内外已经研制并投入使用了一批代表此类系统结构的监控系统，我国的KJ1和KJ4系统，均采用了“地面中心站-分站-传感器和执行器”这种结构形式，其中分站主要承担信息采集、数据预处理、数据传输以及简单的控制任务。

分站比较简单，但没有独立工作能力，而监控系统大量任务由中心站主计算机集中处理。

在这种系统结构中分站实质上是系统中心站I\O的延伸与扩展，并没有实质意义上的分级分布控制的概念。

这些系统可近似用图1.2所示。

这种结构的主要问题是：

一旦中心站计算机或传输信道出现故障，可能导致整个系统瘫痪。

其次，系统的吞吐量与响应时间较差。

同时这种结构比较经济，比较实用，而不是用与控制要求高的胶带运输系统等监控系统。

目前我国煤矿井下胶带运输系统的管理模式是运输上集中，管理上分散，集中控制系统不能适应管理上分散的需要。

综上所述，集中控制系统结构不能使用于矿井胶带运输系统的控制。

图1.2以系统中心站为核心的集中式控制系统结构

（3）分布式控制系统结构

分布式控制系统，是随着现代大型工业生产自动化的不断兴起和控制要求的日趋复杂应运而生的综合控制系统，它紧密依赖于最新发展的计算机技术、网络通信技术和过程控制技术。

从世界来看，分布式控制系统是工业控制系统的一大趋势。

国外矿井监控系统也在不断改进和发展，其中系统结构也出现了分级分布式。

其分布结构为：

最优监控中心；

监控子系统作业的采区控制中心；

单机系统的独立监控。

西门子公司推出的胶带输送机控制系统，也采用了分级分布结构。

该系统由井下中心控制站和局部控制器（安装在每台胶带输送机）组成，中心控制站通过接口，可与井上计算机相连。

分布式系统结构，其是指就是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作和分散控制。

它主要由几种管理部分、分散控制检测部分和通讯部分组成，是一个分级递阶结构，这与工业生产过程的行政管理结构相一致。

其中系统结构模型如图1.3所示。

图1.3分布式控制系统结构

1.4毕业设计完成的主要内容

本设计完成的主要任务为：

1）对胶带运输系统发展状况简单介绍并对胶带运输控制系统概述。

熟悉煤矿输煤系统的工作流程和生产工艺，设计皮带运输机控制系统。

2）正确选择传感器，并熟悉其工作原理；

3）掌握西门子PLC的工作原理和编程方法；

4）根据皮带运行工艺的要求，进行皮带保护功能的设计，PLC硬件的选型及程序的编程设计；

5）分析控制系统产生干扰的原因，提出对应抗干扰；

6）完成与毕业设计内容有关的英文翻译（近三年的文献），不少于3000字。

2带式输送机的结构及控制原理

带式输送机有多种类型，以适应在不同条件下使用的需要，但其基本组成部分相同，，只是具体结构有所区别。

其中用得最多的是通用型带式输送机，该系列带式输送机由许多标准部件组成的，各部件的规格也都是成系列，按不同的使用条件和工况进行选型设计，组合成整台带式输送机。

煤矿井下用的带式输送机，还有要适合井下条件使用，便拆装式，机身长度可伸缩的机型，这种机型也是由标准的系列部件组成的，只是某些结构更适合煤矿井下巷道中使用。

2.1皮带运输机及其基本组成

皮带运输机基本组成部分是：

输送带、机架、驱动装置（包括传动滚筒）、改向滚筒、承载托辊、回程托辊、张紧装置、清扫器装置零部件组成。

带式输送机的工作原理如下：

输送带经机头驱动滚筒和机尾改向滚筒形成一个封闭的环形带，同时上、下输送带分别支撑在上、下托辊上，张紧装置给输送带以正常运转所需要的张力。

当驱动装置带动驱动滚筒旋转时，借助驱动滚筒与输送带之间的摩擦力使输送带及其上面的货物一同运转，输送带上的货物被载运到机头后，由于输送带的运向而实现卸载。

图2.1皮带结构图

皮带运输机的结构如图2-1所示。

皮带运输机的驱动装置由单个或多个驱动滚筒驱动，驱动电机也可以是单个电机或多个电机驱动。

一般驱动装置包括电动机、减速机、液力偶合器、制动器或逆止器等组成。

偶合器的作用是改善皮带运输机的启动性能。

制动器和逆止器是为了防止当皮带运输机停机时皮带向下滑动。

2.1.1输送带

输送带在皮带运输机中既是牵引机构又是承载机构。

它不仅应有足够的强度，还要有相应的承载能力。

为此，输送带是由承受拉力并具有一定宽度的柔性带芯、上下覆盖层及边缘保护层构成。

输送带也是输送机中最昂贵、耐久性最差的部件，在输送机运转过程中，输送带受到各种不同性质和大小的载荷作用，处在极复杂的应力状态下。

输送带最典型的损坏形式有：

工作面层和边缘磨损；

受大块矿岩冲击作用引起击穿、撕裂和剥离；

芯体通过短笛和托辊组受反复弯曲应力引起疲劳；

在环境介质作用下，引起强度指标降低和老化等等。

计算表明，输送带的费用约占输送机全部设备费用的一半。

因此，根据输送机的使用条件；

选择合适的输送带，并在运行中加强维护管理，延长其使用寿命，对提高输送机工作效率，降低输送机生产成本具有重要意义。

输送带是由带芯和覆盖胶两部分组成。

带芯是胶带的骨架，它的作用是承受荷载传递牵引力以及承受在装料点物料对胶带的冲击力。

普通橡胶带的带芯是由多层挂胶帆布制成的，带芯材质也可以是棉质、维尼纶、尼龙等纤维织物或混纺帆布，还可以是化纤整体编织的一层厚布。

覆盖胶为带芯的保护层，保护带芯不受运输物料曲直接冲击、磨损和腐蚀，以延长输送带的使用寿命。

覆盖胶有上、下之分，上覆面是承载面：

即与物料接触的一面称为上覆盖胶或称工作，其厚度为2—6mm；

另一面为下覆盖胶，是运转面，即与轴承托辊接触的一面，厚度为1.5—2mm。

胶带两侧的覆盖胶称为边胶，应采用高耐磨性的橡胶，因两侧极容易磨损破坏。

钢丝绳芯胶带是一种高强度的输送带，其主要特点是使用钢丝绳代替帆布层。

这种胶带所使用的钢丝绳是由高强度的钢丝顺绕制成的，中间有软钢芯，钢芯强度已达到60000N／cm.

输送带限于运输的条件，出厂时一般制成100米带段，使用时，需要若干条带段连接在一起。

输送带的连接方式有机械法、硫化法和冷粘法三种。

2.1.2驱动装置

驱动装置的作用是将电动机的动力传送给输送带，并带动它运行。

一般由电动机、联轴器、减速器及驱动滚筒组成。

功率不大的带式输送机一般采用电动机直接启动的方式；

而对于长距离、大功率、高带速的带式输送机，采用的驱动装置需满足下列要求：

（1）电动机无载启动

（2）输送带的加减速度任意可调

（3）能满足频繁启动的需要

（4）有过载保护

（5）多电机驱动时，各电机的负荷均衡

皮带输送机采用可控方式使输送带启动，这样可减少输送带及各部件所受的动力负荷及启动电流。

（一）驱动装置组成

一般的驱动装置由电动机、联轴器、减速器和传动滚筒及控制装置组成。

1、电动机

根据不同的使用条件和工作要求，带式输送机的驱动方式，可分单电机驱动、多电机驱动、单滚筒驱动、双滚筒驱动和多滚筒驱动几种。

常用电动机有鼠笼式，绕线异步式电动机。

在有防爆要求的场合，应选用矿用隔爆型。

用于采区巷道的带式输送机，如功率相同，可选用与工作面相同的电机，以便于维护和更换。

2、联轴器

按传动和结构上的需要，分别采用液力耦合器、柱销联轴器、棒销联轴器、齿轮联轴器、十字滑块联轴器和环形锁紧器。

环形锁紧器在带式输送机中主要用于主动滚筒与轴的连接（代替键连接）和减速器输出轴与主动滚筒轴的连接（代替十字滑块联轴器）。

长距离大型带式输送机都采用液力耦合器，尤其是多滚筒驱动的长距离带式输送机更应采用液力耦合器，它能解决功率平衡问题。

另外，液力耦合器还能降低运输机启动时的动负荷。

3、减速器

皮带机输送机用的减速器，有圆柱齿轮减速器和圆锥-圆柱齿轮减速器。

圆柱齿轮减速器的传动效率高，但要求电机轴与输送机机垂直，因而驱动装置占地宽度大，井下使用时需要加宽硐，若把电机安在输送带下面，会给维护和更换带来困难。

所以，用于采区巷道的带式输送机应尽量采用圆锥-圆柱齿轮减速器，使电机轴与输送机平行。

4、滚筒

滚筒可分驱动滚筒和改向滚筒两种。

驱动滚筒的作用是通过筒面和带面之间的摩擦驱动使输送带运动，同时改变输送带的运动方向。

驱动滚筒是传递动力的主要部件。

为了传递必要的牵引力，输送带与滚筒间必须具有足够的摩擦力。

根据摩擦传动的理论，在设计或选择驱动装置时，可采用增加输送带与驱动滚筒问的摩擦和围包角的方法来保证获得必要的牵引力。

采用单滚筒驱动时；

围包角可达180°

—240°

；

当采用双滚筒驱动时，围包角为360°

—480°

左右。

用双滚筒传动能大大提高输送机的牵引力，所以常常被采用，尤其是当运输长度比较长时，一般采用双滚筒驱动。

只改变输送带运动方向而不传递动力称为改向滚筒（如尾部滚筒、垂直拉紧滚筒等）。

改向滚筒分别有180°

，90°

和45°

三种改向。

改向滚筒的直径与驱动滚筒直径及输送带在改向滚筒上的围包角有关。

改向滚筒为钢板焊接结构，并采用滚动轴承。

2.1.3托辊

托辊是带式输送机的输送带及货载的支承装置。

它是承载输送带使它的垂度不超过限定值以减少运行阻力，保证带式输送机平稳运行的部件。

托辊质量的好坏取决带式输送机的使用效果，特别是输送带的使用寿命。

而托辊的维修费用成为带式输送机运营费用的重要组成部分。

。

托辊沿带式输送机全场分布，数量很多，其总重约占整机的30%-40%，价值约占整机的20%，所以，托辊质量的好坏直接影响输送机的运行，而且托辊的维修费用已成为带式输送机运营费的重要组成部分，这就要求托辊运行阻力小，结构合理，经久耐用，回转阻力系数小，密封可靠，灰尘、煤粉不能进入轴承，从而使输送机运转阻力小、节省能源、延长使用寿命。

因此对托辊的结构形式，材质，润滑及辊径等的改进和提高都是国内外重点研究的内容。

托辊分钢托辊和塑料托辊两种。

钢托辊多由无缝钢管制成。

托辊辊子直径与输送带宽度有关。

通用固定式输送机标准设计中，带宽B为800mm以下的输送机，选用托辊直径为φ89mm；

带宽1000—1400mm选用辊子直径为φ108mm。

托辊按用途又可分为承载托辊、缓冲托辊和调心托辊。

承载托辊是承载装运物料和支撑返回的输送带用，有槽型托辊和平行托辊两种。

调心托辊是将槽型或者是平行托辊安装在可转动的支架上构成。

当输送带在运行中偏向一侧时（称为跑偏），调心托辊能使输送带返回中间位置。

缓冲托辊是安装在输送机受料处的特殊承载托辊用于降低输送带所受的冲击力，从而保护输送带。

2.1.4拉紧装置

各种具有挠性牵引构件的输送机中，必须装设有拉紧装置。

带式输送机的拉紧装置的作用：

（1）使输送带具有足够的初张力，保证输送带与驱动滚筒之间所必须的摩擦力，并且使摩擦力有一定的贮备；

（2）补偿牵引构件在工作过程中的伸长；

（3）限制输送带在各支承托辊间的垂度，保证输送机正常平稳地运行。

拉紧装置的结构形式有：

螺旋式、车式和垂直式三种。

2.1.5制动装置

带式输送机用于倾斜输送物料时，为了防止因满载停机发生倒转或顺滑造成事故，平均倾角大于4°

时，就应增设逆止或制动装置。

逆止器是供向上运输的输送机停车后限制输送带倒退用的；

制动器是供向下运输的输送机停车用，水平运输若需要准确停车或紧急制动也应该设制动器。

带式输送机的逆止和制动装置的种类较多，视输送机的具体使用条件采用不同形式的逆止或制动器。

标准设计中有带式逆止器、滚柱逆止器和液压电磁闸瓦制动器3种。

2.1.6清扫器

输送带的工作表面绕过卸载滚筒时，不可能将上面的碎散物料完全卸干净，特别是在输送潮湿物料时更难卸净，如不设法清除这些残余物料，输送带经过改向滚筒或托辊时，由于受到这些物料的挤压而损坏。

所以，清扫器对延长输送带的使用寿命具有很大的意义。

2.1.7受料和卸料装置

正确地设置受料装置，能够减轻输送带在受料处的磨损，延长其使用寿命。

受料方式一般采用溜槽给到输送机上，为了减小对输送带的磨损，应使溜槽的方向与物料运动方向和输送带运行方向相一致，溜槽的倾角不宜过大，最好使物料下落的水平分速度与输送带的运行速度相等。

对于煤炭，给料溜槽倾角一船采用40°

一50°

为了避免大块硬物料对输送带的冲击损伤，给料溜槽后壁应设有筛孔，让细粒物料先落入作为保护层。

物料的给入点应避免设在滚筒或托辊的上面，减小大块物料击伤输送带的可能性。

2.1.8机架

机架用于支撑滚筒及承载滚筒输送带张力的装置，它包括机头架、中间架和机尾架等，各种类型的机架结构不同。

井下用便拆式带式输送机中，机头架，机尾架做成结构紧凑便于移置的构件。

中间架则是便于拆装的结构，有钢丝绳机架，无螺栓连接的型钢机架两种。

2.1.9安全装置

安全装置是在输送机工作中出现故障是能进行检测和报警的设备，可使输送机系统安全生产正常运行，预防机械部分的损坏，保护操作人员的安全。

此外，还便于集中控制和提高自动化水平，常见保护和检测装置如下：

（1）跑偏开关

跑偏开关用于检测输送带的跑偏量和扭曲程度，可防止输送带跑偏引起边缘损伤和物料洒落，实现自动报警和停机的一种保护装置。

轻度跑偏（达5%带宽）时发出报警信号，重度跑偏（10%带宽）时延时动作，报警停机。

跑偏开关安装在输送机的头部中间和尾部等监测点。

（2）拉绳开关

拉绳开关是用于输送机现场紧急事故停车的一种保护装置，当紧急事故发生时，在现场任意处拉动绳索，均可发出报警信号，然后自锁停机。

（3）打滑超速检测装置

打滑检测装置用于检测输送带与传动滚筒和输送带之间的线速度之差，并能发出报警信号，实现输送带自动拉紧和正常停机。

超速检测装置用于输送机下行运输或下运情况。

当带速超过115-125%时，报警停车。

（4）纵向撕裂保护

纵向撕裂保护装置用于检测输送带本身，当输送机入料存在锐器，使输送带从中间撕裂时，自动报警并紧急停车。

2.2皮带启动

带式输送机采用全压直接启动方式存在不少缺点。

若电动机直接启动，带式输送机启动加速度过大，使输送带松边拉紧装置反应速度滞后，输送带的垂度加大，造成功率传递不平衡，启动不平稳。

可控启动技术是改善启动条件的主要手段。

可控启动技术是在一定的启动时间内，控制启动加速度，确保带式输送机按所要求的加速度曲线平稳启动，达到额定的运行速度，同时使电动机的启动电流和输送带的启动张力控制在允许范围内

2.2.1带式输送机起动过程的分析

带式输送机作为一个复杂的机电系统，负载中、带速高，在启动的过度过程中，输送带中将产长生很大的动张力，可能导致输送带的整体或局部滑动，引起输送带传动面及驱动滚筒衬垫强烈磨损和发热，使输送带与滚筒间粘着系数降低，甚至难于继续起动和运行。

输送带在动张力的作用下，还会使其安全系数降低，张紧装置负荷显著增大，产生很大的附加位移和冲击，甚至损坏机件。

带式输送机的起动过程过程总体分为三个阶段：

（1）初动阶段，输送机滚筒开始转动，输送带开始拉紧。

这个阶段所用的时间由牵动整条输送带所需的时间决定；

（2）静阻力施加于驱动滚筒的阶段，由于输送带开始拉紧，使得输送带和其他部件产生相对滑动的趋势，在输送带和这些部件之间产生静阻力。

这个阶段的时间由静阻力从最后一个托辊组反射回驱动滚筒所需的时间决定；

（3）输送带起动到额定速度的阶段，随着驱动力的增大，输送带的各段逐级启动，加速到额定速度，稳定运行。

这段时间主要由负载和起动装置的输出功率决定。

（4）由带式输送机的三个起动过程我们可以看出：

带式输送机的起动过程是一个稳定的工况，对输送带中的某一段来说，只有它两端的拉力差大于它所受的静阻力时，才会启动，在启动的一瞬间，静阻力变为动阻力，受力的一段输送带开始加速。

在这一过程中，由于静阻力到动阻力的突变，使输送带产生震动，导致输送带截面内的动张力上升。

带式输送机的启动过程中，驱动装置输入的驱动力作用在下述的三个方面，即：

作用在驱动滚筒上使驱动装置加速；

作用在驱动滚筒滚筒绕入点的输送带上，使输送带的张力在初张力的基础上增加；

推动回程段输送带，使输送带脱离驱动滚筒。

工程计算表明，推动回程输送带的驱动力所占比例较小，驱动力主要作用在前两部分上，其中作用在输送带上的部分需要通过头部输送带以波的形式向后传播，当输入的驱动力突变时，对输送带会产生冲击，产生峰值张力，它和输送机的长度，运行阻力，输送带的力学性质等因素有关。

最有效的调整办法是通过软启动装置改变驱动装置的机械特性，使输入平稳变化，以消除峰值张力。

2.2.2皮带机起动曲线

通过对带式输送机工作特性进行动态分析，根据其对软启动的要求，并比较各种速度曲线，可以提出皮带机工作特性的S型速度增长曲线，如图2.2的速度增长端即T1-T2段所示。

图2.2带有延迟的皮带机启动曲线

在长距离、大运量的带式输送机设计中，必须设计一个预加速度及低速运行区段，这样可以对原来松弛的胶带有一个拉紧的过程，预加速段的加速度可采用简单的三角形加速度。

其达到的速度为一般设定为额定速度的7%-8%，在图2.2中，低速运行段即图中的T0-T1段，延时段时间的长短根据皮带的长