電氣工程及自動化---基于plc的皮帶集中控制系統設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 地 /檢修工作方式的轉換開關，系統緊急停車按鈕； 觸摸屏 則詳細顯示各條皮帶及給煤機運行情況，同時也顯示出所有皮帶上的各 種保護傳感器的動作情況、故障位置等。就地控制箱上有控制皮帶的啟動、停止按鈕，急停按鈕 ， 內部配 SIMATIC ET200M 遠程 I/O，完成現場皮帶的數據采集和控制 。 每個遠程 I/O 站可以處理 256 個開關量或 64個模擬量，它與 CPU 的通信速率最高可達 12Mbps，通信距離最遠可達 1200 米。 ET200M 遠程單元通過 IM1532 總線接口模塊連接到 PROFIBUS 總線上。 膠帶輸送機集中控制系統設備構成 膠帶輸送機集中控制系統主要由 PLC、人機界面等組成，它主要控制膠帶輸送機、各種 參數 檢測和 故障 保護裝置， 將各種信息在觸摸屏上集中顯示。下面我們對集控系統各部分進行詳細的介紹。 膠帶輸送機 帶式輸送機是以膠帶作為牽引機構和承載機構的連續運輸機械，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用。帶式輸送機主要由以下幾種主要部件組成：傳動裝置、膠帶、機架、滾筒、托輥、拉緊裝置、清掃器、裝料和卸料裝置等。 膠帶輸送機的基木結構見圖 所示。膠帶 1繞過傳動滾筒 2 及尾部滾筒 3 形成無級循環的牽引機構，在滾筒 2和 3之間的機架上按一定距離安裝著托輥 4和 5， 中國礦業大學 2021 屆本科生畢業設計 第 8 頁 用來支承載有物料的膠帶段 (重 段 )和回空的膠帶段 (空段 )，傳動滾筒由電動機通過減速器帶動，膠帶與滾筒之間的摩擦力使膠帶移動，這時，由給料漏斗 7(裝載裝置 )加到膠帶上的物料就和膠帶一起移動。當膠帶繞過傳動滾筒時，物料就在重力和離心力的作用下卸到排料漏斗 8(卸料裝置 )中。小車和系在它上面的重物是膠帶輸送機的拉緊裝置，它的作用是通過安裝在小車上的尾部滾筒使膠帶處于張緊的狀態。這樣，膠帶在兩托輥之間懸垂度不致過大，而傳動滾筒也能有足夠的牽引力傳送給膠帶。 膠帶是經主動滾筒和機尾改向滾筒形成一個無極環行帶。它上下的兩股膠帶分別由上下的托輥來支承。 膠帶機的傳動裝置一般位于輸送帶的頭部、中部或是尾部，它是帶式輸送機的重要組成部分。傳動裝置一般由驅動裝置和傳動滾筒組成。驅動裝置一般采用電動機、液力偶合器、減速器及制動輪、傳動滾筒組成。 輸送機的驅動有單滾筒驅動和多滾筒驅動，一般常采用單滾筒驅動，功率大時可采用多滾筒驅動。多滾筒驅動的優點就是能夠傳遞較大的功率，帶動較大的負載，并能降低輸送帶的張力；其缺點就是可能會出現功率不平衡問題，從而增加了電動機的備用功率。本項目的膠帶輸送機都采用一臺電機的單滾筒驅動。 膠帶輸送機向上運輸物料的傾角不能過大，運輸煤炭時 的傾角一般為 18O—2lO。向下運輸的傾角一般在 150以下。超過這些數值，運輸物料和膠帶之間就會有相對運動，使物料下滑。因此，在輸送同樣高度條件下 ，膠帶輸送機所需廠房面積或成長度較大。 參數 檢測及 故障 保護裝置 為了能實時的掌握 帶式輸送機 的運行狀況，需要對其一些參數如速度、滾筒溫度等進行檢測。 帶式輸送機在輸送過程中也難免 出現 一些 故障，如果這些故障處理不當，可能會導致更大的事故，對生產造成重大損失。 所以，對帶式輸送機的參數檢測和采取相關保護措施是必須的。 下面簡要介紹一下帶式輸送機出現的一些常見故障及其參數的檢測。 跑偏 近年來，帶式輸送機在運轉中最常見的故障是運輸機跑偏，如果處理不及時，因輸送帶邊緣與托輥或機架劇烈摩擦，很快會把輸送帶邊上的保護層磨掉，使帶芯受潮濕大氣的侵蝕而迅速損壞，也可能扯壞輸送帶，造成斷帶事故；另外，皮帶嚴重跑偏時也會導致向外撒煤，造成浪費。因此，防護輸送帶跑偏是帶式運輸機運行保護中的重要問題。 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。主要有以下幾種原因： (1)安裝質量原因： a機架、滾筒沒有調整平直； b托輥 軸線與輸送帶中心線不垂直； c機架與地面連接強度不夠，機架不穩定； d導料槽和卸料槽的導 中國礦業大學 2021 屆本科生畢業設計 第 9 頁 料擋板安裝位置不當，受力不均。 (2)輸送帶質量原因： a輸送帶接頭與中心線不直；b輸送帶帶邊呈“ S” 型。 (3)裝載質量原因：裝載點不在輸送帶中央。 (4)維護質量原因：滾筒清掃不干凈，造成直徑不等。 目前，對運輸機跑偏的解決辦法主要有兩種： (1)通過人工調整滾筒或托輥進行調偏； (2)使用回轉式槽型調偏托輥（上膠帶裝）或平行調偏托輥（下膠帶裝）進行自動調偏。為實現無人值守，多數都使用能自動調偏的托輥。 為實時監測運輸皮帶是否跑偏 ，一般在機頭、機中和機尾皮帶最容易跑偏的地方分別安裝一對防跑偏保護裝置。本設計中采用煤炭科學總院常州自動化研究所的KG1007A2型膠帶二級防跑偏開關，其跑偏信號通過接入臨近拉線急停開關傳輸。在皮帶正常工作時，跑偏開關的探桿在豎直位置。當皮帶跑偏時，皮帶碰到跑偏開關的探桿，并帶動探桿軸轉動，此時與探桿固定在一軸上的凸輪也同時轉動，撥動跑偏開關的微動開關發出跑偏信號。 圖 跑偏開關 圖 速度傳感器 KG1007A2型膠帶防跑偏開關為本質安全型電氣設備，使用于煤礦有瓦斯、礦塵爆炸危險的環境。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動緩沖角， 探桿上裝有尼龍滾動護套，避免探桿和膠帶之間的磨擦 ，使本身不易損壞，輸出開關量信號。它的轉動角度可以通過改變微調開關的位置來改變。在此設計中，我們要求跑偏信號發出傳送給 PLC，一級跑偏時發出聲光報警；二級跑偏時 PLC發出急停指令，語音報警，同時觸摸屏故障位置指示燈亮并啟動急停報警。 KG1007A－ 2型 防跑 偏開關技術參數 如下所示： 膠帶跑偏開關型號 : KG1007A－ 2型 外殼防護等級 : IP54 觸點容量 AC380V、 DC220V， 5A，煤礦井下使用時必須和本質安全型電路連接 探桿動作轉動最大角度 : 大于 70176。，雙向轉動 觸點動作時探桿轉動角度 : 25176。（一級） 40176。（二級） 引入電纜外徑 : 6～ 12mm,兩個出線口 重量 : 2kg 速度檢測 檢測膠帶打滑、超速和斷帶故障，均需要知道膠帶的運行速度，因此我們給每 中國礦業大學 2021 屆本科生畢業設計 第 10 頁 條皮帶設置一個速度傳感器來檢測膠帶的速度。本設計中，我們選用常州聯力的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。 其工作原理是： 帶式輸送機運行時，速度檢測傳感器由緊貼膠帶的滾輪帶動轉盤（帶有齒槽）在光電傳感器凹槽內轉動，光電傳感器光路通斷受齒槽控制，輸出相應的方波頻率信號，頻率信號 經整形放大后， 再經頻率 /電壓、電壓 /電流變換后輸出 4～ 20mA 的電流信號。 圖 速度檢測傳感器部分電路方框圖 打滑 驅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。摩擦牽引力降低的原因是輸送帶或滾筒沾泥水、輸送帶張力下降。采用自動調整的 拉緊裝置是防止驅動滾筒打滑的有效方法。滾筒持續打滑得不到糾正，則會招致輸送帶著火，引起重大火災事故。采用阻燃輸送帶，驅動滾筒持續打滑也會冒煙污染空氣。因此設置打滑保護裝置，自動監視調整或停止。 在此設計中我們沒有選用專門的打滑檢測傳感器，是通過檢測膠帶的速度，把膠帶速度和滾筒速度做比較來實現的。理論上我們是將膠帶的實際運行速度與滾筒實際速度作比較，但是實際上，在滾筒速度不容易獲取的情況下，我們可讓膠帶實際速度與滾筒的額定轉速比較，監測傳動滾筒和輸送帶之間的線速度之差，當檢測到輸送機速度滑差率大于或等于 8%時 ，立即發出聲光報警：當測得輸送機速度滑差率大于或等于 8%和運行時間大于或等于 20秒時使帶式輸送機與給煤機緊急停車，并發出聲光報警；或當測得輸送機速度滑差率大于或等于 12%和運行時間大于或等于 5秒時使帶式輸送機與給煤機緊急停車，并發出聲光報警。 超速 當膠帶負載忽然變輕或是膠帶忽然斷帶時，膠帶運行速度會馬上升高。膠帶一般正常運行速度是 2m/s，如果速度太高，會對膠帶旁邊的礦工造成危險；同時若膠帶旁邊有鋒銳的物體，可能會掛破膠帶，造成重大事故。同上，我們在此設計中沒有采用專門的超速傳感器，通過膠帶速度與設定 值的比較，判定膠帶是否超速運行。當膠帶速度達到標準帶速的 105%時，發出聲光報警并命令皮帶緊急停車，這里標準帶速為 2m/s。 斷帶 從大量的斷帶事故分析可知，帶式輸送機斷帶原因大概有以下幾種 : 整形放大 頻率 / 電壓變換 電壓 / 電流變換 光電傳感器轉盤電壓f vf 電流輸出 中國礦業大學 2021 屆本科生畢業設計 第 11 頁 (1)齒輪減速器損壞，液力耦合器噴液或電動機逆轉； (2)輸送帶接頭質量問題； (3)運輸中因其他東西卷入而引起運輸載荷突然增加； (4)啟動和停車時應力變化大； (5)輸送帶自身質量不過關，輸送帶服務年限過長，輸送帶長時間超負荷運輸，日常維護不到位； (6)物料分配不均，輸送帶跑偏。 為了防止由這些原因引起的斷 帶事故，除了進行人為的檢修和維護外，在輸送機沿線上布置斷帶保護裝置尤為重要。因為它可以避免突發事故，隨時處于待命狀態。在滾筒實際轉速不能確定的情況下，我們通過檢測膠帶線速度與滾筒額定線速度差確定是否斷帶，當差值大于設定值時，發出斷帶信號，命令皮帶緊急停車，同時停給煤機，并發出聲光報警。 堆煤傳感器 當煤倉內有大煤塊塞住煤倉漏口時，會使煤流阻在煤倉內，無法向膠帶投放。由于煤倉特別大，如果沒有人及時發現煤倉堆煤，煤在煤倉內會越堆越多，最后會迫使使用大量人力物力來挖除煤倉內阻塞的大量煤，同時將運輸系統 全部停下。這樣不僅浪費時間降低工作效率，同時也費用大量人力物力，提高煤的生產成本。因此加入堆煤傳感器，及時報警危險煤位，處理煤倉內阻塞的煤。 此設計中我們采用常州自動化研究所的物料探測傳感器。 KG1006 系列物料探測傳感器包括 KG1006A 型和 KG1006C 型，適用于煤炭、冶金、化工、建材的功能行業惡劣環境，主要用途是監測料倉物料高度；檢測輸送機溜槽阻塞或轉載點堆積。傳感器可以延時動作 ，延時時間可調，避免由于大塊物料撞擊引起誤動作。這里我們選用 KG1006A 型 ，輸出觸點容量是 AC220V， 1A，電阻性負載； 延時時間 ～ 60s可調，瞬間復位 ，輸出開關信號 。 堆煤傳感器 一般 安裝在 機頭下方適當的位置，且不易碰壞或被水和煤塵污染的地方。應保證正常煤流時不誤動作，機器振動不誤動作，不因滴水或煤塵集聚而誤動作，大塊煤矸石碰撞后不能使其損壞。 煙霧檢測傳感器 由于打滑摩擦等原因，膠帶機滾筒升高到一定溫度時，會使膠帶燃著，因此我們在滾筒處設置煙霧傳感器，當煙霧濃度大于一定值時，發出報警信號。 煙霧傳感器可分為離子感煙式和光電感煙式兩類，但不管是離子式還是光電式的，都有一個共同的特點，即機電一體化。目前， 煙霧傳感 器 大都 采用金屬镅的離子式探測器，由不銹鋼的外殼構成。 本設計我們采用常州自動化研究所的 KGN11型煙霧傳感器 ，它 為礦用本質安全型，用于監測煤礦井下因機械磨擦、電纜發熱、煤層自然等原因引起的火災事故 ，輸出 0/5mA的開關量信號， 紅色 LED電源指示，報警時閃爍，頻率 1Hz. 當檢測到煙 中國礦業大學 2021 屆本科生畢業設計 第 12 頁 霧濃度超過設定值時，發出灑水指令， 啟動灑 水 裝置 對主滾筒進行降溫 滅火 ， 并 進行聲光報警。 煙霧傳感器應懸掛在輸送機頭風流方向后 23米處，以保證主滾筒因摩擦產生煙霧時立即起作用。若風速超過 5m/s時應安裝防風罩，根據實際情況而定 。為 保證煙霧傳感器正常工作，必須對其定期打掃和清洗。 拉線急停開關 在皮帶輸送機運行過程中，總有一些無法監測到而又非常惡劣的事情發生， 當遇到 這種 緊急情況時，可以采用手動的拉線急停開關，使輸送帶緊急停車，避免發生重大事故。我們采用常州自動化研究所的 KG9001AC型編碼式拉繩急停閉鎖開關 ，可用作輸送機沿線電纜接線盒，并具有故障位置識別電路，識別各種不同故障及故障發生的地點。沿輸送機長度方向配置的跑偏、縱撕（或其它傳感器）等保護裝置和起動預告、打點聯絡用的信號器均可通過它們與 監控 系統連接。 拉線急停開關沿輸送機 安裝，一般每隔 80100米按一個，應安裝在易于觀察到、易于操作的地方。 圖 煙霧傳感器