煤矿PLC的皮带集中控制系统设计Word格式文档下载.docx

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1绪论

1.1概述

煤炭运输是煤炭生产过程中不可缺少的一部分。

矿井中，运输线路比较长，巷道条件多种多样，运输若不通畅，采掘工作或是其它的工作都无法进行，整个煤炭生产系统将处于瘫痪状态。

矿井运输机械的类型很多，按运行方式不同，可分为连续运行和往返运行两种。

连续运行式运输设备的特点是，一经开动就不需操作而连续运行。

普通胶带机、钢绳芯胶带输送机、钢绳牵引胶带输送机等均属于此类运输设备。

往返运行式运输设备的特点是，在运行区间，以一定的方式，作往返式周期性运行，运行中需要操作换向。

机车运输及单绳牵引运输等属于此类运输设备。

随着科学技术的不断发展，矿井生产规模的不断扩大，运输系统也经历了不断的变革和进步，并以煤流运输的连续化（输送机化），设备大型化（使用长运距、大运营、高运速、大功率输送机）、自动化、高可靠性与安全性能来保证矿井的连续、高效生产。

矿井胶带运输系统，是由多条胶带搭接或由煤仓转载形成的煤流运输系统，因此它内部的基本运输单元就是单台胶带机。

胶带输送机是选煤广的主要运输设备，它可用于物料的水平或倾斜运输上。

由于胶带输送机的输送能力变化范围大、运输距离长、货载和输送机间没有相对运动、运转时阻力小等，因而具有适应性强、工作平稳可靠、动力消耗小、机件磨损小、使用维修方便等优点，在选煤厂中得到广泛应用。

1.2胶带输送机集中控制系统

1.2.1胶带输送机集中控制系统的重要性

矿井胶带运输系统是原煤运输的唯一途径，是矿井生产的重要环节，因此它的安全高效运行受到很大程度的重视。

由于矿井胶带运输系统分布广、信息分散以及控制要求高的特点，随着矿井生产规模的不断扩大，以及技术水平的不断提高，现代化矿井也需要现代化的管理，因此对胶带运输系统的控制和管理提出了更高的要求。

以往对胶带输送机都采用人工就地分台控制，即每台输送机的控制均由一名司机就地操作，这是一种最原始的控制方式。

这种控制方式是直接操作输送机的控制开关，操作最简单，不增加任何的控制元器件，维护工作较少，但需要人员太多，并因每个司机的思想素质和技术素质不等常有以外事故发生，影响生产的正常进行。

而集中控制方式，是在整个运输线上新增一套集中控制装置，在控制室内集中操纵机构，由一名司机来完成操作。

这不但节省了大量的司机人员，也为及时发现故障，缩短停产时间和综合自动化创造了条件。

目前，已经成为矿井胶带运输的主要控制方式。

1.2.2集中控制系统的发展及存在的问题

在煤矿中，煤流的运输一般在几百米到十几公里之间，因此它的运输系统要有多台胶带输送机、给煤机、煤仓等构成，协调配合完成长距离运输任务。

为保证运输系统的安全可靠，提高运输效率，对其进行完善的管理和监控是现代矿井煤流运输迫切需要的一项技术。

随着矿井功能和规模的不断扩大，计算机技术、网络技术、新的工业控制器技术等新技术的应用，对胶带输送机的集中控制系统也得到了飞速发展。

从单台控制系统到多台的集中控制系统，有价格相对较贵的PLC构成的系统和低廉的单片机应用系统。

目前，虽然市场上有着各式各样方案构成的集控系统，但发展的方向是一致的，那就是朝自动化、智能化、信息化的方向发展。

皮带机的综合自动化控制是整个矿井实现自动控制的重要组成部分。

目前对胶带输送机集中控制系统存在的主要问题有：

（1）在安全保护方面，为提高胶带输送机运行的可靠性，安全性，减少故障，提高效率，多种检测方法已应用于电动机、液力偶合器、减速器和胶带运行系统故障检测，但是这些系统是相互独立的。

（2）故障检测系统误报率高。

误报将造成胶带输送机不应有的停机，使全矿井停产，对矿井生产造成极大影响。

（3）皮带机的控制、运行、保护等信息不能较好的与矿井其他控制系统共享，不能与整个矿井信息系统的集成。

视频监视系统不规范，没有语音通讯功能，不能实现无人值守。

1.3本课题研究的主要内容

矿井生产自动化已经成为一种趋势，如何更好的实现矿井运输系统的集中安全控制管理是现在迫切解决的问题。

而皮带机集中控制系统可实现对整个皮带机运输系统的遥测、遥信、遥控，提高生产效率、降低事故率，减少故障处理时间、减少现场操作人员、提高经济效益。

本论文正是以此为目的，以新疆哈密煤矿主斜井与地面胶带输送机为背景，设计一种基于PLC的运输皮带和给煤机的集中控制系统。

本次设计主要内容如下：

（1）对胶带运输控制系统概述。

（2）以哈密煤矿主斜井与地面胶带输送机为背景，概述胶带输送机集中控制系统的功能，设计其系统结构，讨论要监控的故障对象、传感器配置及对故障的处理措施。

（3）胶带集控系统的硬件设计，进行S7-300PLC模块选型和外部连线设计。

为了使集控系统更加完善，实现控制的可观化、清晰化，加入了触摸屏设计。

它可以实时显示系统的运行情况和各种故障情况，进行及时的报警显示和记录。

（4）进行系统的软件设计，实现系统功能。

（5）最后分析控制系统产生干扰的原因，提出对应抗干扰措施。

（6）完成中英文翻译。

2胶带机集中控制系统的总体设计

2.1课题背景介绍

新疆哈密煤矿是年产200万吨的中型煤矿，采用带式运输机作为主要运输方式，其主运输系统包括主提升带式输送机、走廊带式输送机、振动筛、中煤块带式输送机、大煤块带式输送机、过桥带式输送机和末煤刮板输送机、煤仓等。

各条皮带机都由一台电动机驱动，正常运行速度为2m/s，其中振动筛为双层的，每条皮带机均设置跑偏、堆煤、烟雾、拉线急停、打滑、纵撕等保护。

其工艺流程图如图2.1所示。

其中箭头指示煤流方向。

图2.1运输工艺流程图

如图所示，煤炭从井底煤仓经给煤机运到主提升皮带，通过主斜井中的主提升皮带运至地面，经地面的走廊皮带输送机转运到振动筛，振动筛为双层的，经筛分后分成大块煤、中块煤和末煤三种。

大块煤经大块皮带到大块煤仓，中块煤经中块皮带运到中块煤仓，而末煤先通过过桥皮带转运，再利用过桥皮带机尾的分煤挡板分到两条末煤刮板输送机上，运输到各自的煤仓，其分煤挡板是固定的。

本矿井皮带运输系统控制采用继电器控制，可靠性差、体积大、故障率高、劳动强度较大。

其控制方式有两种：

集中手动控制和就地控制，没有集中自动控制，所有的控制都由人来操作。

集中控制室设在选煤楼振动筛的附近，由控制柜、操作台和触摸屏组成。

皮带机的控制通过操作台上对应的启停按钮集中控制，触摸屏实时显示皮带的运行状态和故障状态集、故障位置。

各皮带机的机头或机尾都设置就地控制箱，在检修或特殊情况下进行现场的就地启停控制。

皮带按逆煤流启动，顺煤流停车。

启动顺序为：

末煤刮板机、过桥皮带、大小块皮带、振动筛、走廊皮带、主提升皮带、给煤机；

停止顺序与此相反。

每一条皮带安排一人专门负责巡视，劳动量大、效率低。

2.2胶带输送机集中控制系统的功能设计

本胶带输送机集中控制系统具有的功能如下所述：

1）本系统有集控、就地、检修三种工作模式。

一般系统运行在集控工作模式下，当组成生产流水线时，本机根据前后闭锁关系自动启停，同时检测各检测保护设备的状况；

运行就地工作模式时，操作员手动操作按钮启动/停止胶带机，但所有保护设备均投入使用；

运行检修工作模式时，操作员手动启动/停止胶带，保护设备可有选择性的投入使用，在检修模式下，我们使胶带低速运行。

工作方式的改变，只有在胶带输送机不转时进行，胶带输送机运作时，不能改变其工作方式；

2）程序设计中，报警停车等故障信号自动保持，即一旦发出故障信号，即使经维修后信号消失，计算机内仍保留信号故障状态，这时复位指令可以清除故障保持信号；

3）皮带输送机按照逆煤流启动，顺煤流延时停车，并具有闭锁功能；

4）系统具有胶带机低速打滑、机头堆煤、超温洒水、烟雾、滚筒超温、沿线急停和跑偏等多种保护。

下面简单介绍它们信号发生后的动作情况：

a.拉线开关：

信号发出后马上发出急停指令，系统可以识别哪个急停开关动作，发出拉线开关声光报警。

b.堆煤：

信号发出后，执行堆煤声光报警指令和急停指令。

c.跑偏：

信号发出后，执行跑偏声光报警指令，此为一级动作，当报警时间超出一定时间段时，同时再执行急停指令，此为二级动作。

d.打滑；

信号发出后，执行打滑声光报警指令,再执行急停指令。

e.超速：

信号发出后，执行超速声光报警和急停指令。

f.断带：

信号发出后，执行断带声光报警和急停指令。

g.纵撕：

信号发出后，执行纵撕声光报警和急停指令。

h.滚筒超温：

信号发出后，执行滚筒超温声光报警、洒水指令和急停指令。

i.烟雾：

信号发出后，执行烟雾声光报警、洒水指令和急停指令。

5）对设备故障和工艺参数的异常实时报警，并进行声光提示，系统状态对位显示，更便于维护。

6）可与工业电视系统配合，实时监视皮带机重点部位运行情况，以确保人员及设备的安全；

具有喊话、打点通讯功能，基本实现无人值守。

7）胶带运输机就地控制箱上设启停、起动预警按钮，设备启动前发出预警信号，提示有关人员应立即远离设备；

现场可随时停车，若设备由集控启动，控制系统接到现场停车信号后，可作急停处理，实施故障停车操作。

8）具有联网功能，能与全矿井自动化监控系统可靠的联接、实现全局监控。

2.3胶带输送机集中控制系统结构设计

本次设计中需要集中控制的皮带共有7条，各条皮带分布较广，现场控制点分散，并且现场的环境比较恶劣。

所以，系统结构采用PROFIBUS-DP现场总线技术，组成主从系统结构。

根据工艺流程划分，系统以PLC为控制主站，以每条皮带就地箱配备的远程I/OET200M为从站，共设7个从站，这样就节约了大量电缆等材料。

本系统由集中控制台、PLC控制柜、触摸屏、就地箱、各种保护传感器及执行器组成。

完成一个系统内多条皮带多个设备全过程的控制、监测，构成一个完善的集中控制系统。

其系统结构如图2.2所示。

图2.2系统结构图

以SIEMENS公司S7-300系列PLC作为核心控制器件，具有防潮、抗干扰能力强、易扩展，基本免维护，实现与上位机的通信，以循环扫描的方式，检测传感器及被控设备的信号，发出程序指令，完成对皮带机的集中监控，使各个皮带协调完成工作。

PLC控制柜内部由S7-300PLC模块、接线端子、电源模块、变压器及各种模块组成；

集中控制台和触摸屏是人机的交流界面，控制台面板上有各条皮带机的起停控制按钮，总启、总停按钮，起车预警按钮、集控/就地/检修工作方式的转换开关，系统紧急停车按钮；

触摸屏则详细显示各条皮带及给煤机运行情况，同时也显示出所有皮带上的各种保护传感器的动作情况、故障位置等。

就地控制箱上有控制皮带的启动、停止按钮，急停按钮，内部配SIMATICET200M远程I/O，完成现场皮带的数据采集和控制。

每个远程I/O站可以处理256个开关量或64个模拟量，它与CPU的通信速率最高可达12Mbps，通信距离最远可达1200米。

ET200M远程单元通过IM153-2总线接口模块连接到PROFIBUS总线上。

2.4胶带输送机集中控制系统设备构成

胶带输送机集中控制系统主要由PLC、人机界面等组成，它主要控制胶带输送机、各种参数检测和故障保护装置，将各种信息在触摸屏上集中显示。

下面我们对集控系统各部分进行详细的介绍。

2.4.1胶带输送机

带式输送机是以胶带作为牵引机构和承载机构的连续运输机械，又称为胶带输送机，它在矿山的物料运输，特别是煤的输送方面得到了广泛应用。

带式输送机主要由以下几种主要部件组成：

传动装置、胶带、机架、滚筒、托辊、拉紧装置、清扫器、装料和卸料装置等。

胶带输送机的基木结构见图2.3所示。

胶带1绕过传动滚筒2及尾部滚筒3形成无级循环的牵引机构，在滚筒2和3之间的机架上按一定距离安装着托辊4和5，用来支承载有物料的胶带段（重段）和回空的胶带段（空段），传动滚筒由电动机通过减速器带动，胶带与滚筒之间的摩擦力使胶带移动，这时，由给料漏斗7（装载装置）加到胶带上的物料就和胶带一起移动。

当胶带绕过传动滚筒时，物料就在重力和离心力的作用下卸到排料漏斗8（卸料装置）中。

小车和系在它上面的重物是胶带输送机的拉紧装置，它的作用是通过安装在小车上的尾部滚筒使胶带处于张紧的状态。

这样，胶带在两托辊之间悬垂度不致过大，而传动滚筒也能有足够的牵引力传送给胶带。

胶带是经主动滚筒和机尾改向滚筒形成一个无极环行带。

它上下的两股胶带分别由上下的托辊来支承。

胶带机的传动装置一般位于输送带的头部、中部或是尾部，它是带式输送机的重要组成部分。

传动装置一般由驱动装置和传动滚筒组成。

驱动装置一般采用电动机、液力偶合器、减速器及制动轮、传动滚筒组成。

输送机的驱动有单滚筒驱动和多滚筒驱动，一般常采用单滚筒驱动，功率大时可采用多滚筒驱动。

多滚筒驱动的优点就是能够传递较大的功率，带动较大的负载，并能降低输送带的张力；

其缺点就是可能会出现功率不平衡问题，从而增加了电动机的备用功率。

本项目的胶带输送机都采用一台电机的单滚筒驱动。

胶带输送机向上运输物料的倾角不能过大，运输煤炭时的倾角一般为

18O—2lO。

向下运输的倾角一般在150以下。

超过这些数值，运输物料和胶带之间就会有相对运动，使物料下滑。

因此，在输送同样高度条件下，胶带输送机所需厂房面积或成长度较大。

2.4.2参数检测及故障保护装置

为了能实时的掌握带式输送机的运行状况，需要对其一些参数如速度、滚筒温度等进行检测。

带式输送机在输送过程中也难免出现一些故障，如果这些故障处理不当，可能会导致更大的事故，对生产造成重大损失。

所以，对带式输送机的参数检测和采取相关保护措施是必须的。

下面简要介绍一下带式输送机出现的一些常见故障及其参数的检测。

1、跑偏

近年来，带式输送机在运转中最常见的故障是运输机跑偏，如果处理不及时，因输送带边缘与托辊或机架剧烈摩擦，很快会把输送带边上的保护层磨掉，使带芯受潮湿大气的侵蚀而迅速损坏，也可能扯坏输送带，造成断带事故；

另外，皮带严重跑偏时也会导致向外撒煤，造成浪费。

因此，防护输送带跑偏是带式运输机运行保护中的重要问题。

胶带输送机跑偏的根本原因是输送带在运行过程中，横向受力不平衡。

主要有以下几种原因：

（1）安装质量原因：

a机架、滚筒没有调整平直；

b托辊轴线与输送带中心线不垂直；

c机架与地面连接强度不够，机架不稳定；

d导料槽和卸料槽的导料挡板安装位置不当，受力不均。

（2）输送带质量原因：

a输送带接头与中心线不直；

b输送带带边呈“S”型。

（3）装载质量原因：

装载点不在输送带中央。

（4）维护质量原因：

滚筒清扫不干净，造成直径不等。

目前，对运输机跑偏的解决办法主要有两种：

（1）通过人工调整滚筒或托辊进行调偏；

（2）使用回转式槽型调偏托辊（上胶带装）或平行调偏托辊（下胶带装）进行自动调偏。

为实现无人值守，多数都使用能自动调偏的托辊。

为实时监测运输皮带是否跑偏，一般在机头、机中和机尾皮带最容易跑偏的地方分别安装一对防跑偏保护装置。

本设计中采用煤炭科学总院常州自动化研究所的KG1007A-2型胶带二级防跑偏开关，其跑偏信号通过接入临近拉线急停开关传输。

在皮带正常工作时，跑偏开关的探杆在竖直位置。

当皮带跑偏时，皮带碰到跑偏开关的探杆，并带动探杆轴转动，此时与探杆固定在一轴上的凸轮也同时转动，拨动跑偏开关的微动开关发出跑偏信号。

图2.4跑偏开关图2.5速度传感器

KG1007A-2型胶带防跑偏开关为本质安全型电气设备，使用于煤矿有瓦斯、矿尘爆炸危险的环境。

它体积比较小、重量轻、密封性能好；

触点动作后还留有较大的探杆转动缓冲角，探杆上装有尼龙滚动护套，避免探杆和胶带之间的磨擦，使本身不易损坏，输出开关量信号。

它的转动角度可以通过改变微调开关的位置来改变。

在此设计中，我们要求跑偏信号发出传送给PLC，一级跑偏时发出声光报警；

二级跑偏时PLC发出急停指令，语音报警，同时触摸屏故障位置指示灯亮并启动急停报警。

KG1007A－2型防跑偏开关技术参数如下所示：

胶带跑偏开关型号:

KG1007A－2型

外壳防护等级:

IP54

触点容量AC380V、DC220V，5A，煤矿井下使用时必须和本质安全型电路连接

探杆动作转动最大角度:

大于70°

，双向转动

触点动作时探杆转动角度:

25°

（一级）

40°

（二级）

引入电缆外径:

6～12mm,两个出线口

重量:

2kg

2、速度检测

检测胶带打滑、超速和断带故障，均需要知道胶带的运行速度，因此我们给每条皮带设置一个速度传感器来检测胶带的速度。

本设计中，我们选用常州联力的KJ5007A型速度传感器，输出频率信号，幅值5V，频率f=200V（V为胶带速度值），输出电流信号4～20mA。

其工作原理是：

带式输送机运行时，速度检测传感器由紧贴胶带的滚轮带动转盘（带有齿槽）在光电传感器凹槽内转动，光电传感器光路通断受齿槽控制，输出相应的方波频率信号，频率信号经整形放大后，再经频率/电压、电压/电流变换后输出4～20mA的电流信号。

图2.6速度检测传感器部分电路方框图

3、打滑

驱动滚筒打滑的原因是滚筒的摩擦牵引力降低、超载或带子被卡住。

摩擦牵引力降低的原因是输送带或滚筒沾泥水、输送带张力下降。

采用自动调整的拉紧装置是防止驱动滚筒打滑的有效方法。

滚筒持续打滑得不到纠正，则会招致输送带着火，引起重大火灾事故。

采用阻燃输送带，驱动滚筒持续打滑也会冒烟污染空气。

因此设置打滑保护装置，自动监视调整或停止。

在此设计中我们没有选用专门的打滑检测传感器，是通过检测胶带的速度，把胶带速度和滚筒速度做比较来实现的。

理论上我们是将胶带的实际运行速度与滚筒实际速度作比较，但是实际上，在滚筒速度不容易获取的情况下，我们可让胶带实际速度与滚筒的额定转速比较，监测传动滚筒和输送带之间的线速度之差，当检测到输送机速度滑差率大于或等于8%时，立即发出声光报警：

当测得输送机速度滑差率大于或等于8%和运行时间大于或等于20秒时使带式输送机与给煤机紧急停车，并发出声光报警；

或当测得输送机速度滑差率大于或等于12%和运行时间大于或等于5秒时使带式输送机与给煤机紧急停车，并发出声光报警。

4、超速

当胶带负载忽然变轻或是胶带忽然断带时，胶带运行速度会马上升高。

胶带一般正常运行速度是2m/s，如果速度太高，会对胶带旁边的矿工造成危险；

同时若胶带旁边有锋锐的物体，可能会挂破胶带，造成重大事故。

同上，我们在此设计中没有采用专门的超速传感器，通过胶带速度与设定值的比较，判定胶带是否超速运行。

当胶带速度达到标准带速的105%时，发出声光报警并命令皮带紧急停车，这里标准带速为2m/s。

5、断带

从大量的断带事故分析可知，带式输送机断带原因大概有以下几种:

（1）齿轮减速器损坏，液力耦合器喷液或电动机逆转；

（2）输送带接头质量问题；

（3）运输中因其他东西卷入而引起运输载荷突然增加；

（4）启动和停车时应力变化大；

（5）输送带自身质量不过关，输送带服务年限过长，输送带长时间超负荷运输，日常维护不到位；

（6）物料分配不均，输送带跑偏。

为了防止由这些原因引起的断带事故，除了进行人为的检修和维护外，在输送机沿线上布置断带保护装置尤为重要。

因为它可以避免突发事故，随时处于待命状态。

在滚筒实际转速不能确定的情况下，我们通过检测胶带线速度与滚筒额定线速度差确定是否断带，当差值大于设定值时，发出断带信号，命令皮带紧急停车，同时停给煤机，并发出声光报警。

6、堆煤传感器

当煤仓内有大煤块塞住煤仓漏口时，会使煤流阻在煤仓内，无法向胶带投放。

由于煤仓特别大，如果没有人及时发现煤仓堆煤，煤在煤仓内会越堆越多，最后会迫使使用大量人力物力来挖除煤仓内阻塞的大量煤，同时将运输系统全部停下。

这样不仅浪费时间降低工作效率，同时也费用大量人力物力，提高煤的生产成本。

因此加入堆煤传感器，及时报警危险煤位，处理煤仓内阻塞的煤。

此设计中我们采用常州自动化研究所的物料探测传感器。

KG1006系列物料探测传感器包括KG1006A型和KG1006C型，适用于煤炭、冶金、化工、建材的功能行业恶劣环境，主要用途是监测料仓物料高度；

检测输送机溜槽阻塞或转载点堆积。

传感器可以延时动作，延时时间可调，避免由于大块物料撞击引起误动作。

这里我们选用KG1006A型，输出触点容量是AC220V，1A，电阻性负载；

延时时间0.4～6