基于三维力控的带式输送机监控系统的设计.docx

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基于三维力控的带式输送机监控系统的设计

本科毕业论文（设计、创作）

题目：

基于三维力控的带式输送机监控系统的设计

学生姓名：

学号：

0801002112

所在系院：

专业：

入学时间：

2010年9月

导师姓名：

职称/学位：

副教授/博士

导师所在单位：

完成时间：

2014年6月

安徽三联学院教务处制

基于三维力控的带式输送机监控系统的设计

摘要：

本文主要目的在于结合实际大型带式输送机监控系统的要求，利用北京三维forcecontrolv7.0组态软件设计一个监控系统，用以实现对带式输送机运行过程的自动化控制，满足对带式输送机系统监测的要求。

首先，本文通过对带式输送机的数据采集、处理、存储、运行参数及故障诊断的了解，利用PC机（personalcomputer,个人计算机）组态软件实现了完整的数据采集、历史数据库管理、设置、模拟显示、报警报告和打印工艺参数等功能；其次，简洁却又功能完备的监控系统界面能够很好地实现监控的要求；最后，在该力控组态软件平台上自行设计开发了监控系统，能够在计算机上生成动态监测组态画面，方便监测全部设施的运转状况。

关键词：

带式输送机；监控系统；人机界面；力控组态软件

Designofmonitoringsystemofbeltconveyor basedon three-dimensional forcecontrol

Abstract：

Themainpurposeofthispaperiscombinedwiththeactuallargebeltconveyormonitoringsystemrequirements,designamonitoringsystemusingBeijing3Dforcecontrolv7.0configurationsoftware,isusedtorealizetheautomaticcontrolofthebeltconveyorrunningprocess,tomeettherequirementsofbeltconveyorsystemmonitoring.

Firstly,basedonthebeltconveyor,dataacquisition,processing,storage,operationparametersandfaultdiagnosisknowledge,usingthePCconfigurationsoftwarerealizesthecollection,historicaldatabasemanagement,setting,analogdisplay,alarmreportingandprintingprocessparametersandotherfunctionscompletedata;secondly,concisebutalsofunctiontoachieveagoodthemonitoringinterfacemonitoringsystemtocompletetherequirements;finally,controlconfigurationsoftwareplatformdesignedanddevelopedmonitoringsystemintheforce,capableofgeneratingdynamicmonitoringconfigurationpictureonthecomputer,convenientmonitoringofallfacilitiesoperatingconditions.

Keywords:

beltconveyer;monitoringsystem;man-machineinterface;forcecontrolconfigurationsoftware

目录

第一章绪论1

1.1带式输送机监控系统的研究背景及发展前景1

1.2带式输送机监控系统的国内外现状2

1.3本设计研究的主要内容2

第二章带式输送机的工作原理3

2.1带式输送机的发展及应用3

2.2带式输送机的结构及其原理4

2.3带式输送机的运行状况5

2.3.1带式输送机的运行参数5

2.3.2带式输送机的故障参数5

第三章带式输送机监控系统的软件设计7

3.1ForceControlV7.0概述7

3.2ForceControlV7.0的体系结构7

3.3ForceControlV7.0的性能特点9

3.3.1实时数据库特点9

3.3.2分布式智能I/OServer10

3.3.3开发系统特点10

3.3.4开放性11

第四章带式输送机监控系统的设计12

4.1ForceControlV7.0组态带式输送机监控系统的工程12

4.2带式输送机监控系统的整体设计14

4.3主画面16

4.3.1主画面图形编辑16

4.3.2画面的组态17

4.4报警画面18

4.5实时曲线19

4.6历史数据20

结论22

致谢23

参考文献24

第一章绪论

1.1带式输送机监控系统的研究背景及发展前景

当今时代电子信息技术高速发展，带来的是企业生产模式的变革。

众多企业将电子信息技术用于对生产过程的自动化监测和控制。

同时，电子信息技术的使用，能够大大提高生产效率，并且能降低能源消耗，符合当前国家节能减排的政策。

工业生产自动化技术变得越来越重要，自动控制系统也被更多的企业所采用。

在信息技术快速发展的背景下，工矿生产向信息化发展也成为当前一种必然的趋势，加之工矿的生产逐渐走向大型化，对生产的自动化要求就更加迫切[1]。

因此，为了适应当前工矿企业生产趋于信息化的境况，将电子信息技术与远程监控技术应用于工矿生产变得十分必要。

提高输料系统的输送效率是达成工矿企业高效生产目标的重中之重。

在当前工矿生产中，比较常见的输料系统的输送范围在2.5千米左右，且输料系统中还包含一些控制和保护设备。

因此，如果要实现整个输料系统的在线监控和自动化控制，必须使监控系统的设计达到更高水平。

在矿井下的工矿生产中，由于环境原因，监测和控制井下皮带输料系统是监控系统的主要目标，以此实现对自动上料系统的控制，而且还可以提升工业生产的安全性。

带式输送机是矿井下输料系统的主要运输设备，所以，带式输送机的特性决定输送系统的工效。

而且一些新型的带式输送机能够远距离持续输送，运行平稳、效率较高且更容易实现自动化。

因此，为了提高输送系统的工作效率和安全性，先进自动化控制技术的采用变得十分迫切。

然而，由于当前国内的大多自动化控制系统相对落后，已经无法满足当前工矿生产的大运输量需求。

由于旧有的控制系统没有一个统一的监视和管理平台，因此无法施以科学有效的控制方法。

本课题所探究的带式输料集中监控系统旨在建立一个集中控制平台，用以监测和控制带式输送机输料进程，以便减少故障发生率，提高生产效率和安全性，最终为工矿企业带来更高的经济效益。

1.2带式输送机监控系统的国内外现状

在国外，由于在带式输送机控制系统中采用了先进PLC（ProgrammableLogicController,可编程逻辑控制器），并研发了先进的程序软件，使得国外带式输送机的监控系统功能非常完善。

它们除了对带式输送机的可控起（制）动、煤位和胶带跑偏进行自动监控外，还实时监测和控制所有的安全保护装置、驱动滚筒和滚筒轴承温度信息等。

在我国，带式输送机的控制系统功能比较单一，同时，由于缺乏高性能的安全保护装置，使得目前国内监控系统的安全性无法达到理想效果。

由此可见，我国在工业自动化控制方面，无论是产品还是技术都与国外有着一定差距，我们仍需努力研究新技术，提高自己的自动化水平。

1.3本设计研究的主要内容

该系统采用PLC设计使带式输送机的操作参数和故障参数得以在上位机显示。

本系统PC机的界面是利用ForceControlv7.0组态软件编制的，使用TCP/IP网络协议实现了PLC和PC机的通信，通过实施获得了较好的控制效果。

本文重点结合先进的软件、网络技术阐释了主监控软件、数据库和动画生成系统的总体设计思想、设计方法和主要功能的实现。

并具体说明了带式输送机监控软件的设计情况。

该监控系统依据ForceControlV7.0系统特点，在其原有功能上进行了二次开发，实现了事故画面的使用，很大程度上满足了目前对带式输送机监控系统的要求。

带式输送机动态监测组态画面是在软件平台设计与开发的，可以在计算机上显示整个系统的状态，并能进行参数设置和指令控制功能。

第二章带式输送机的工作原理

2.1带式输送机的发展及应用

早期出现的带式输送机无法远距离运输，不过在上世纪七十年代最远运输距离已经达到上百公里。

这些年，带式输送机在矿物运输中已经逐步将汽车和机车取代，成为零碎矿料输送的主要设备，而且新的机型不断出现，拓宽了带式输送机的应用领域[2]。

遥遥领先的效率使得带式输送机在众多连续运输机中脱颖而出，被广泛使用。

在我国建设的大、中型煤矿中，带式输送机被作为煤矿的主要运送装置[3]。

带式输送机能够进行大量、远距离的连续输送，且运行安全性较高，方便进行集中控制，所以伴随着物流技术的不断进步，带式输送机已成为散料最可行、优惠的运输设备之一，并被广泛应用于冶金、矿山、水泥、化工、船埠、食品等领域。

带式输送机比其他散装物料输送方式具有更多优点：

输送材料类型广泛：

无论是非常精细的粉末物料，还是各种岩石、煤和木材纸浆，带式输送机都能进行精细筛选然后输送。

橡胶输送带具有高抗腐蚀特性，所以橡胶输送带被广泛用于输送强腐蚀性和强磨损性物料。

还可以运送碱性物料和热物料。

输送范围大：

既有用于小型运输的轻型输送机，也有用于大型运输的具有高运输量的大型输送机，能够满足各类型运输任务的需要。

输送路线的适应性高：

相比与带式输送机，汽车运输适应自然地形的能力较差，只有原地形坡度的6％~8％，而带式输送机可适应原地形坡度的29％~34％。

输送机线路能够适应多种地形，利用弯曲的方式减少基础建设的投资，并能避免铁路、公路以及河道、山脉等地区的干扰。

带式输送机输送线可根据多样化的需求调整，非常灵活。

灵便的装卸料：

带式输送机在运送物料时可以很据需求选择从一个或多个地点受料，也可以选择向一个或多个地点输料。

可靠性高：

带式输送机被广泛用于众多需要连续运行的生产机构，譬如钢铁厂和水泥厂等，其较高的可靠性也在这些生产机构得到证实。

安全性强：

带式输送机不需要太多的生产人员，而且其安全性能比较强，因此发生事故的几率要比其他运输方式低。

可以有效减少大块矿料滑落伤人等事故的发生。

低成本：

在完成相同任务的前提下，带式输送机在所有输送工具中的劳动时间和能耗通常是最低的。

而且其维修所需的工作人员较少，通常的维修费用也较低。

带式输送机技术在国外发展的速度飞快，重点体现在两个方面:

一是带式输送机的性能多样化、应用范围广泛化，如大倾角型、空间转弯型等各种机型;另一方面是带式输送机本身的技艺与设备有了很大的进步。

更高速度和运输量的大型带式输送机己成为发展的主要目标，动态分析与监控技术的应用，极大程度上提升了带式输送机的运行机能[4]。

中国制造的带式输送机种类较多。

自从“八五”开始后，我国带式输送机的技术水平有了很大进步，用于地下煤矿的高功率、远距离输送机的核心技术和新机型的研发也有了新的突破。

一些新机型如空间转弯型长距离带式输送机弥补了国内空白，并对带式输送机的核心技术进行深入研究，成功研发了多种软起（制）动装置。

传动系统采用液力耦合器或液体粘性软启动装置和一个行星齿轮减速器。

2.2带式输送机的结构及其原理

带式输送机自十九世纪被发明以来经过100多年的发展，它最初的的布置形式由开式槽形或直线安装组成，时至今日却已经成为一个能满足多种生产需求进而设计多样化的带式输送机的庞大家族，现在弯曲型、直线型、摩擦式伸缩式、波纹边缘型、钢丝绳牵引等带式输送机已在国内外广泛应用。

带式输送机是通过输送带的运动将物料进行输送的设备。

带式输送机的卸载方式比较方便，即可在端部卸载，也可根据实际情况在中间卸载。

通用带式输送机由输送带、托辊、滚筒及驱动、制动、张紧、改向、装载、卸载、清扫等装置组成。

2.3带式输送机的运行状况

2.3.1带式输送机的运行参数

1.当输送粉末状物料时输送带的速度必须保持在很低的水平，以便减少粉尘，这点在输料点或者卸料点尤为重要。

易碎的物料同样也会限制带速。

当输送带输送物料通过托辊时，较低的下皮带速度可避免脆性材料在装料点或卸载点破碎。

当输送具有锋利边口的重型物料时，应该以中等速度进行运输，因为具有锋利边口的物料会使输送带表层的磨损速度加快[2]。

因此带速是带式输送机正常运行的一个重要参数。

2.比较常见的皮带有橡胶带和塑料带。

橡胶带的适宜环境温度最低-15°C，最高40°C。

倾斜输送颗粒材料的倾角在12°和24°之间。

当倾角较大时使用花纹橡胶带。

塑料带对油、酸、碱有很高的抗性，但易受到气候影响，出现打滑和老化。

因此必须控制皮带的温度不能太高，以免造成皮带损害程度加快。

3.电动机电流当电动机电流过大时，其能量损耗较大，发热更为严重。

所以要对电机的运行状态进行实时监测，当电流超过限制或有突发情况时报警，严重时停车。

7

4.皮带张力张紧系统可以确保输送带具备充足的张力,维持滚轴与输送带之间的摩擦力,减少打滑现象的产生,同时也把输送带在支撑托辊间的下垂度控制在合适范围,避免输送带出现故障。

使用测力传感器测量得到绞车钢丝绳张力，然后把该数据在模拟量输入模块上与设定值进行对比,以此控制绞车电机及输送带的收放,使输送带的张力处于最佳状态[5]。

2.3.2带式输送机的故障参数

由于长期运行及其周围环境存在的各种干扰，带式输送机会发生许多故障，譬如：

输送带断裂、火灾、跑偏、托辊失效等，特别是矿下带式输送机，恶劣的工作环境，使得故障的发生率提升。

这些故障会给工矿生产带来巨大的直接或间接经济损失，甚至会危及人身安全。

所以，为了保证带式输送机能够正常工作，需要随时监测其工作状态并进行故障诊断，一旦出现故障立即采取相应的措施及时排除，避免故障扩大，把故障可能造成的损失控制在较低的范围[6]。

带撕裂：

有锐利的边缘的材料，容易造成输送带损伤或卡住对其连续挤压和刮伤，导致形成的伤口扩大，即撕带；当输送机发生跑偏现象时，输送带会被托辊端盖和机架边缘割裂，产生撕裂；当出现撕裂故障时，安装于输送带下方的信号拾取设备会发射电磁感应脉冲，这个脉冲会被监控系统识别，系统将发出报警并进行信号处理。

堆料：

堆料传感器是为避免物料积聚，造成阻塞故障而进行设计的。

堆煤传感器是用来采集带式运输机堆煤保护信号的器件。

输出端“堆煤”会根据煤位高度来选择输出高电平或低电平，当煤位正常时，输出高电平，煤位较高时输出低电平。

当达到“满煤”时，堆煤保护功能启动，实行故障停机，保护输送带[7]。

跑偏：

为了减少了皮带磨损，选用臂式导杆单向传动工作方式。

在箱体内装有高性能的拉簧，提高了动作应力，如此还可避免外界泥浆对拉簧的损坏。

当出现跑偏故障时，延时3～15s后输送机停止。

超速：

速度传感器被用来为带式输送机检测低速打滑和超速保护。

探头会检测到单位时间内随皮带转动而不断掠过的磁铁的次数，并把这个数值转换为速度，然后输出相应的频率到系统控制器，以此来进行速度保护。

该传感器供电电源为直流24V[8]。

打滑：

皮带张紧力降低，导致皮带和滚筒之间的摩擦力不足，导致打滑现象产生。

第三章带式输送机监控系统的软件设计

3.1ForceControlV7.0概述

力控组态软件是一种可以收集和处理生产数据，从而实现过程控制的软件。

突出的特点是用各种各样的“组态”代替编程方法，来达成系统集成目标。

该软件提供了简洁的用户开发界面，且工程易操作，只需把它里面提供的多种软件模块进行“组合”，就可以轻松地实现监控层的多种功能。

利用“组态”的方式可以很好地减少系统集成的时间，提高工作效率。

力控监控组态软件能在同一时间利用网络和世界各地的工业控制设备进行网络互通，借此可实现集中管理的目的。

3.2ForceControlV7.0的体系结构

ForceControlV7.0sp3（以下简称“力控软件”）是北京三维力控科技公司研发的高端产品，该软件主要定位于国内高端自动化市场，界面如图3-1所示：

图3-1ForceControlV7.0操作界面

力控监控组态软件基本的程序及组件包括：

工程管理器、人机界面View、实时数据库DB、I/O驱动程序、控制策略生成器以及各种数据服务及扩展组件，其中实时数据库是系统的核心，图3-2为力控组态软件的基本结构图：

图3-2力控组态软件的基本结构图

主要的程序组件说明如下：

1.工程管理器（ProjectManager）

工程管理器用于创建工程、管理工程等，即用于创建、删除、备份、恢复、选择当前工程等。

用力控软件创建的各个应用系统称为一个应用工程，不同工程之间相互独立的，所以不同工程要在不同的目录下保存、运行，我们称这个目录为工程路径。

在每个项目的路径，保存的配置文件是已经产生的，这些文件无法手动修改或删除。

2.开发系统（Draw）

在系统的开发过程中，可以创建工程图、进行各种系统参数的配置、编辑脚本，并可以开启力控其他程序组件的功能。

3.界面运行系统（View）

操作人员通过界面运行系统可以运行已经创建的所有工程，以便实现实时监控。

4.实时数据库（DB）

实时数据库是力控软件数据处理中心，也是构建分布式应用系统的基础。

它负责各种系统数据的存储和处理以及数据服务请求处理。

5.I/O驱动程序（I/OServer）

I/O驱动程序负责力控与I/O设备之间的信息传递。

它将I/O设备寄存器中的数据传送到力控的实时数据库，使得数据在界面运行系统的画面上动态显示。

6.网络通信程序（NetClient/NetServer）

网络通信程序采用TCP/IP通信协议，可利用Intranet/Internet实现不同网络节点上力控之间的数据通信。

7.远程通信服务程序（CommServer）

程序支持串行通信，广播，电话，移动网络和其他通讯手段，通过力控制来实现两台计算机之间的通信。

如果使用RS232C接口，可以实现一对一（1∶1）通信；如果你使用RS485总线，可以实现一对多（1N）通信的通信方法，此外，也可以选择无线、移动网络等方式。

8.Web服务器程序（WebServer）

处于世界各地的远程用户可以利用计算机在标准浏览器这个平台上实现实时监控现场的生产过程。

9.控制策略生成器（StrategyBuilder）

控制策略生成器是采用符合IEC61131-3标准的图形化编程方式面向控制的最新软逻辑自动化控制软件。

3.3ForceControlV7.0的性能特点

3.3.1实时数据库特点

1.实时数据库是力控的数据服务器，是整个SCADA系统（SupervisoryControlAndDataAcquisition系统，数据采集与监视控制系统）的中枢，不仅是负责处理I/O服务器数据，以及网络服务器的核心，还作为历史数据服务器、报警服务器、时钟服务器；

2.实时数据库不仅支持多层网络冗余，还支持报警、历史数据和网络时钟的同步。

在一个冗余基础上，其它网络节点可以自动跟踪冗余主/从机的切换。

每个网络节点不仅可以监测，还可以进行控制；

3.实时数据库与人机界面（HMI）是分离的；

4.实时数据库可以作为标准的Server供远程客户访问；

5.所有主站通过互联网络之间的串行端口，以太网，GPRS，CDMA，拨号等方式互连；

6.在实时数据库中的历史数据，可以根据出口需要按时间导到ODBC数据库内。

3.3.2分布式智能I/OServer

1.可以和HMI、实时数据库分离，充当通信管理服务器；

2.串口通信支持多串口设备，并支持无线电台、电话拨号、电话轮巡拨号等方式；

3.以太网设备驱动，同时支持有线以太网和无线以太网；

4.可以动态打开、关闭设备，并具备自动恢复功能；

5.作为DDE和OPC的客户端；

6.提供免费的SDK开发包（SDK软件开发工具包，软件开发工具包），I/O服务器包含串口调试工具；

3.3.3开发系统特点

1.支持Windows98/NT/2000/XP等操作系统；

2.采用面向对象的设计；

3.具有集成开发环境，力控的优化设计提供了多样的子图和子图精灵，用户可以获得更精准的工程画面；

4.可以通过自定义菜单进行人机交互。

5.内置大量打印函数，可根据需要任意调节画面的大小以及进行打印的范围；

6.具有多元化的动作脚本类型和触发方式，支持数组运算和循环控制；

7.项目管理功能完善。

3.3.4开放性

1.力控的实时数据库转储工具支持历史和实时数据双向获取，支持SQL、Server、Oracle、Excel、Access等支持ODBC的关系数据库；

2.用户可以利用其提供的开发工具，生成自己的图库。

第四章带式输送机监控系统的设计

4.1ForceControlV7.0组态带式输送机监控系统的工程

创建项目的步骤：

1.如图4-1和图4-2点击“新建”按钮，创建工程，然后在弹出的对话框点击“确定”按钮。

图4-1创建工程

图4-2工程属性

2.如图4-3选中新建的工程，点击“开发”按钮，进入工程

图4-3开发工程

3.点击“文件”按钮选择“新建”。

在弹出的窗口选择“由母版来创建界面”，如图4-4和图4-5

图4-4新建窗口

图4.5新建窗口模板选择

4.在弹出的窗口选择“主菜单-DCSstyle”,建立主画面窗口，如图4-6和图4-7

图4-6界面母版管理

图4-7新建窗口

5.点击“文件”按钮选择“新建”在弹出的窗口选择“由母版来创建界面”，选择“报表界面-DCSstyle”，建立报表窗口

6.点击“文件”按钮选择“新建”在弹出的窗口选择“由母版来创建界面”，选择“趋势曲线-DCSstyle”，建立趋势曲线窗口

7.点击“文件”按钮选择“新建”在弹出的窗口选择“由母版来创建界面”，选择“事件查询-DCSstyle”，建立事件查询窗口

8.点击“文件”按钮选择“新建”在弹出的窗口选择“由母版来创建界面”，选择“报警查询-DCSstyle”，建立报警查询窗口

4.2带式输送机监控系统的整体设计

该设计中监控软件实现的的主要功能：

（1）能够显示带式输送机的停机流程图和开机流程图；

（2）对故障进行实时报警并归档记录，打印记录的报表；

（3）显示实时电机电流、带速、皮带温度和张力的趋势图和归档的趋势图；

（4）可显示并打印生产报表信息。

根据要求，上位机要实现对整个带式输送机工作流程的监控，其中包括当前电动机电流、当前皮带速度、皮带温度、皮带的张力，以及系统运行过程中出现的故障。

利用力控软件中的图形编辑器完成PC机主界面。

系统主界面分为四个部分：

总览、按钮、现场画面和故障状态显示。

总览部分包括各部分组件位置分布；在界面部分组态各个机构画面；在按钮部分固定按钮组态配置各个画面；运行和故障状态显示部分包括系统正常及各种故