基于PLC的煤矿皮带控制系统.docx

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基于PLC的煤矿皮带控制系统

中国矿业大学

本科生毕业设计

姓名：

宋建磊学号：

21056367

学院:

应用技术学院

专业：

电气工程及其自动化　

设计题目：

基于PLC的煤矿皮带控制系统

专题:

指导教师:

刘建华职称:

讲师

2009年6月徐州

中国矿业大学毕业设计任务书

学院应用技术学院专业年级电气05—1班学生姓名宋建磊

任务下达日期:

2009年3月8日

毕业设计日期：

2009年3月9日至2009年6月15日

毕业设计题目：

基于PLC的煤矿皮带控制系统

毕业设计专题题目：

毕业设计主要内容和要求：

在了解煤矿井下皮带运输机的控制要求基础上，基于PLC实现皮带及给煤机的集中监控系统。

具体要求如下：

1.在分析煤矿井下胶带运输机控制系统的功能需求基础上,基于PLC构造单条皮带控制系统框图；

2.基于单条皮带控制系统构造多条皮带集控系统框图；

3.完成单条皮带控制系统设备选型及PLC编程;

4.基于组态软件构造集控系统主机界面.

院长签字：

指导教师签字:

中国矿业大学毕业设计指导教师评阅书

指导教师评语（①基础理论及基本技能的掌握;②独立解决实际问题的能力；③研究内容的理论依据和技术方法；④取得的主要成果及创新点;⑤工作态度及工作量；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）:

成绩：

指导教师签字：

年月日

中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书

评阅教师评语（①选题的意义；②基础理论及基本技能的掌握;③综合运用所学知识解决实际问题的能力;④工作量的大小；⑤取得的主要成果及创新点；⑥写作的规范程度；⑦总体评价及建议成绩;⑧存在问题；

是否同意答辩等）：

成绩：

评阅教师签字:

年月日

中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书

评阅教师评语（①选题的意义；②基础理论及基本技能的掌握;③综合运用所学知识解决实际问题的能力；④工作量的大小；⑤取得的主要成果及创新点；⑥写作的规范程度；⑦总体评价及建议成绩；⑧存在问题；

是否同意答辩等）：

成绩：

评阅教师签字：

年月日

中国矿业大学毕业设计答辩及综合成绩

答辩情况

提出问题

回答问题

正确

基本

正确

有一般性错误

有原则性错误

没有

回答

答辩委员会评语及建议成绩：

答辩委员会主任签字：

年月日

学院领导小组综合评定成绩：

学院领导小组负责人：

年月日

摘要

为了保证煤矿井下运输系统的安全、高效、可靠运行，对井下皮带输送机进行自动控制对提高煤矿自动化管理水平具有重要意义。

本设计在分析皮带输送机集中控制系统功能基础上，以S7—300型PLC为核心构造了单条皮带和单台给煤机的自动控制系统。

该系统由操作台和PLC组成，操作台用来后台管理和实时显示运行信息，PLC主要来完成现场信号的采集和实时控制。

本文首先介绍了皮带控制系统的构成和功能，分析皮带输送机常见故障类型及保护，确定控制系统的硬件结构并完成了设备选型，然后对系统进行软件设计；最后提出了皮带控制系统的抗干扰措施。

关键词：

煤矿；皮带;控制；PLC

ABSTRACT

Toensuretheoperationinundergroundtransportsystemreliableandsafeincoalmine,itisveryimportanttocarryoutautomaticcontrolofbeltconveyorforraisingthelevelofautomaticmanagement。

Onthebasisofanalyzingcentralizedcontrolfunctionofbeltconveyor，wedesigntheautomaticcontrolsystemwiththesinglebeltandasinglemachinewhichbasedonS7-300typePLC.ThesystemiscomposedbytheoperationflatandthePLC,Theoperationflatisusedtocontrolflatanddisplayrunninginformationreal-time，andPLCisusedtocollectfieldinformationandcontrolbeltreal-time.

Inthispaper,thecompositionandfunctionofthebeltcontrolsystemisintroducedfirstly.Structureofhardwareisconfiremedandtheequipmentselectionisalsocompleted。

Thenthesoftwaredesignisconducted.Atlast，theanti—jammingmeasuresofbeltcontrolsystemisrepresented。

Keywords：

coalmine；beltconveyor；control；PLC

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[1］。

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.普通皮带机、钢绳芯皮带输送机、钢绳牵引皮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[4]［7]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。

正是在这种环境下，皮带输送机系统由于具有输送距离长、运量大、连续输送等优点，而且运行可靠，易于实现自动化和集中化控制，目前，特别是在高产高效矿井，它已成为煤炭开采机电一体化技术与装备的关键设备.

1。

2矿井皮带运输系统的意义

矿井皮带运输系统,是由多条皮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皮带机。

其具有以下特点:

1）结构简单,安全可靠

带式输送帆的结构由传动滚筒.改向液简、托辊、驱动装置和输送机等几大组建，仅有10余种部件,能进行标准化生产，并可酸需蛰进行组合装配；它的驱动部件自重轻，耐瞻耐用，工作过程中噪声较小．维修费用低;只要输送带不被撕破,就可安全使用几十年。

2）适用范围广、输送能力大

带式输送饥的输送带有各种宽度，其承裁断面有平型、槽型、波纹挡边型、管型等，因此可以输送各种粉料、散料、块料、矿石、各种生熟料，混凝土和包装好的成件物品，运量可从每小时几公斤引几万吨，在连续装载的条件下，能连续运输。

井可在输送机的任何点上进行装、卸料，也可以在回程段上装、卸料。

进行反向运输（钢丝绳牵引带式输送饥除外）这是机动车辆所望尘莫及的。

3）对线路适应性强、运距长

槽型带式输送机可以在大转弯半径条件下，实现水平转弯。

带式输送机的单机长度可达十几公里，且中间无需任何载点。

能进行水平或倾斜输送，爬坡能力大。

在输送机的中间使用摩擦驱动万式,可使输送机长度不受皮带强度的限制。

4）基建投资省、运营费用低

由于实用皮带运输机可以缩短运输距离，与机动车相比，无需道路建设投资，大大节省了基建成本。

皮带运输机的磨损件仅为托辊、皮带，它们的使用寿命长,且皮带运输机自动化程度高，使用人员少，能耗低，因而营运费用低廉.

带式输送机具有以上优良的性能，所以它在国民经济各个部门的企业中获得广泛的应用，近年来在矿山开采中皮带输送机已成为重要的组成合分，在矿山运输中发挥着十分重要的作用，因此它的运输系统要有多台皮带输送机、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。

1.3矿井皮带运输系统的控制要求

由于运输系统是煤矿生产的大动脉，因此对系统的有很高的要求.

（1）实现运输系统集中监控，实时监控设备状态和运行参数，并显示数据曲线,对重要信息在硬盘记录;

（2）控制方式分集控自动/集控手动/就地，三种方式可转换。

正常生产时，使用集控自动方式，设备按工艺要求的顺序和流程由中央控制台自动启停；集控手动时,可在中央控制台操作各设备，无闭锁和联动关系；就地时，在现场操作;

   （3）启动设备前由集控台发预告信号，预告30秒后，若现场均满足集控自动启动条件，设备按顺序自动启动。

现场可用停车钮停止启动过程；

   （4）现场信号箱设起/停车按钮,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停号后,可作急停处理,实施故障停车操作；

   （5）装设拉线开关、跑偏保护、低速保护等，这些信号均接入集控系统，参加设备的紧急停车和闭锁停车;

   （6）对设备故障和工艺参数的异常实时报警，并进行声光提示。

一般故障只报警，现场非正常停车或严重故障时,故障设备及其上游设备紧急停车,下游设备顺煤流延时闭锁停车。

1.4国内外的研究现状

在80年代，国内开始了煤矿监测监控技术的研究，至今已得到了广泛的应用和发展。

随着新材料技术、电子传感技术、数字通信技术、控制技术、微计算机技术、软件技术和网络技术的迅速发展，监测监控技术从其通讯方式上划分，先后经历了三个阶段。

第一阶段是每个传感器需一对传感线连接到地面的星型结构。

第二阶段是在一对传感线上实现多路频率分割的载波传输。

第三阶段是目前应用最多的中心站和分站之间的半双工时分总线方式.

监测监控系统自中心站计算机向下，由接口装置、信号传输总线、井下分站和各类传感器、断电仪等组成。

中心站计算机和各分站曾集散型积木结构。

桌面部分有中心站计算机和交换机、交换机、集线器、双绞线、用户终端等组成实时快速100M以太网络或其它网络系统.目前国内KJ系列监测监控系统大都缺乏统一标准.这主要表现在通讯协议、分站、传感器和断电仪等设备外围接口方面；另外是监测监控系统软件。

为适应现代工业控制的实际需要，工业组态软件的开发和使用将成为今后计算机监控系统软件的主流。

组态软件具有良好的开放性、交互性和灵活性，用户可以继承性的开发。

煤矿综合自动化监测监控系统和专家分析系统已成为一种发展趋势.

国外煤矿监控技术是20世纪60年代开始发展起来的,至今已有四代产品,基本上5～10年更新一代产品.从技术特性来看，主要是从信息传输方式的进步来划分监控系统发展阶段。

80年代是计算机、大规模集成电路、数字通信等现代技术高速发展时期.由英国煤炭研究院推出的MINOS系统软件应用成功。

美国以其拥有的雄厚高科技优势，率先把计算机技术、大规模集成电路技术、数字通信技术等现代高新科技用于煤矿监控系统,使煤炭监控技术跻身于高科技之列.这就形成了以分布式微处理机为基础的第四代煤矿监控系统.其中有代表性的是美国MSA公司的DAN6400系统,其信息传输方式仍属时分制范畴，但用原来的一般时分制的概念已不足以反映这种高科技的特点［3］.

1。

5本设计的主要内容

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.本论文正是以此为目的，设计单条皮带和单台给煤机的监控系统。

此监控系统是以西门子S7-200PLC为核心，实现皮带输送机和给煤机多种工作方式下的启停控制和各种故障监测的皮带运输监测控制系统。

它主要内容如下：

1）在分析煤矿井下皮带运输机控制系统的功能需求基础上，基于PLC构造单条皮带控制系统框图；

2）基于单条皮带控制系统构造多条皮带集控系统框图；

3）完成单条皮带控制系统设备选型及PLC编程；

4）基于组态软件构造集控系统主机界面。

2．控制系统的功能及设备选型

2.1设备构成

皮带输送机控制系统主要由PLC控制系统、人机界面等组成，它主要控制皮带输送机、各种故障检测和保护装置，将各种信息在触摸屏上集中显示.下面对监控系统各部分进行详细的介绍.

2.1。

1带式输送机

带式输送机是以皮带作为牵引机构和承载机构的连续运输机械，又称为皮带输送机，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：

输送带、驱动装置、托辊、机架、拉紧装置、制动装置和清扫装置。

皮带是经主动滚筒和机尾改向滚筒形成一个无极环行带。

它上下的两股皮带分别由上下的托辊来支承。

拉紧装置可以使皮带获得一定的张力，防止皮带松懈，引起不必要的麻烦.物料是经机尾装料口落到上股皮带上面，当皮带带着煤流运行到尾端时，自动将其卸落。

主动滚筒与电机相连,当电机转动时，带动滚筒转动,皮带通过皮带和滚筒之间的摩擦力也被带动运行，从而实现运输功能。

皮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。

2。

1.2故障检测及保护

皮带铺设长度较长,特别是在井下，工作条件差，很容易引起损坏.主要有以下几种损伤形式和原因［12]:

（1）转载机与带式输送机机尾搭接高度不够，或机尾缓冲托辊失去弹性,当大块的物料从转载机上落下，形成较大的冲击力而装破皮带的上覆盖层，甚至破断带芯，形成窟窿。

特别是当物料中夹带尖锐物体,很容易划破皮带，造成皮带纵斯。

（2）当皮带跑偏，会引起皮带和机架摩擦，产生带边拉毛开裂，带边磨损后，水从破损处渗入,时间久了，帆布层会逐渐腐烂。

（3）皮带搭接不符合要求。

如果接头不齐，不平不直，造成皮带受力不均匀而破裂。

（4）皮带制造质量差或使用保管不当,如地面使用的皮带，夏季长期在烈日下曝晒，冬季皮带表面积水结冰造成皮带皮质变硬使皮带提前老化。

如果使用中皮带张紧力过大或皮带铺设距离太短，挠曲次数超过了极限值，也容易造成皮带提前老化损伤。

带式输送机在输送过程中经常出现故障,除以上的一些原因外，还有许多其它的原因，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。

下面简要介绍一下带式输送机出现的一些常见故障。

1）跑偏

皮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。

我们一般在机头、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型皮带防跑偏开关，如图2。

1。

1所示，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。

2。

1。

1跑偏开关2.1。

2速度传感器

KG1007A型皮带防跑偏开关为本质安全型电气设备，使用于煤矿有瓦斯尘爆炸危险的环境。

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，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后，使PLC给CST发出急停指令，同时触摸屏故障位置指示灯亮并启动急停报警。

2）速度检测

检测皮带打滑、超速和断带故障,均需要知道皮带的运行速度,因此我们设置一个速度传感器来检测皮带的速度。

本设计中，我们选用常州联力的KJ5007A型速度传感器，如图2.1。

2所示，输出频率信号,幅值5V，频率f=200V（V为皮带速度值），输出电流信号4～20mA。

带式输送机运行时，速度检测传感器由紧贴皮带的滚轮带动转盘（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，频率信号再经频率/电压、电压/电流变换后输出4～20mA的电流信号，部分电路方框图如图2。

1。

3所示。

图2。

1。

3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,是通过检测皮带的速度，把皮带速度和滚筒速度做比较来实现的。

理论上我们是将皮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,我们可让皮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

当皮带负载忽然变轻或是皮带忽然断带时，皮带运行速度会马上升高。

皮带一般正常运行速度是4。

5m/s,如果速度太高,会对皮带旁边的矿工造成危险；同时若皮带旁边有锋锐的物体，可能会挂破皮带,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，通过皮带速度与设定值的比较,判定皮带是否超速运行。

当皮带速度达到标准带速的105％时，发出声光报警并命令CST紧急停车，这里标准带速为4.5m/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：

（a）齿轮减速器损坏，液力耦合器喷液或电动机逆转；

（b）输送带接头质量问题;

（c）运输中因其他东西卷入而引起运输载荷突然增加;

（d）启动和停车时应力变化大；

（e）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;

（f）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，我们通过检测皮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CST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，无法向皮带投放.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0.4～60s可调，瞬间复位.堆煤传感器安装在带式输送机头部漏斗壁上，调节其固定位置,不要被煤流打到。

7）烟雾检测传感器

由于打滑摩擦等原因，皮带机滚筒升高到一定温度时，会使皮带燃着，因此我们在滚筒处设置烟雾传感器当烟雾浓度大于一定值时，发出报警信号.烟雾传感器采用金属镅的离子式探测器，其阴极和阳极之间为高电阻输出,一般大于101欧，输出电流只有10～11A左右,只有用高电阻的静电计才能测出。

烟雾传感器由不锈钢的外壳构成，当烟雾进入不锈钢外壳时，收集极电压将从4。

5V下降,下降程度随浓度大小而变化。

本设计我们采用常州自动化研究所的KGN1-1型烟雾传感器，如图2.1.4所示，它为矿用本质安全型,用于监测煤矿井下因机械磨擦、电缆发热、煤层自然等原因引起的火灾事故，输出0/5mA的开关量信号，红色LED电源指示,报警时闪烁，频率1Hz，同时我们开启撒水灭火装置。

8）拉线急停开关

当遇到紧急情况时，可以采用手动的拉线急停开关，如图2.1.5所示，使输送带紧急停车，避免发生重大事故.我们采用常州自动化研究所的KG9001A-C型编码式拉绳急停闭锁开关，可用作输送机沿线电缆接线盒，并具有故障位置识别电路，识别各种不同故障及故障发生的地点.沿输送机长度方向配置的跑偏、纵撕（或其它传感器）等保护装置和起动预告、打点联络用的信号器均可通过它们与监控系统连接。

图2。

1.4烟雾传感器图2。

1。

5拉线急停开关

9）红外温度传感器

由于滚筒和皮带的摩擦作用，当滚筒温度过高时，会使皮带燃着。

因此，我们要及时监测滚筒温度，当温度达到一定值时报警。

温度传感器从使用上可分为接触式和非接触式两大类，接触式目前使用较为广泛，而非接触式测量是通过检测被测物体所发出的红外线，来达到测温的目的。

根据课题项目的具体要求，被测对象是一直转动的滚筒表面,接触式温度传感器测量起来误差太大,响应时间太长,温度变化的传递完全依靠空气为介质进行热交换，因而采用接触式测量不适用于该次设计，为此,选用了RAYTEK非接触式红外热敏元件作为测温元件，温度传感器的输出信号为0~10V模拟量电压信号,测量范围为—32～535度。

它具有响应速度快,测量精度高，安装维护简便等特点.我们将检测到的红外温度与设定值比较,当温度大于设定值时，则发出报警指令,同时启动洒水阀洒水降温.一般我们的设定值要根据考虑周边情况，如：

皮带的制作材料，燃点等。

10）定子温度检测

定子超温一般从电和磁两方面来讲.从电的方面来说,主要原因是

（1）电机长时间过负荷；

（2）线圈绕组中出现相间或匝间短路；（3）线圈绝缘层损伤;（4）内部放电；从磁的方面来说,主要原因是电磁磁耗、涡流损耗过大.

当定子温度过高时，会使绝缘层破坏，造成短路.我们监测定子温度是通过在定子绕组中放入PT100热敏电阻来实现的。

当环境温度变化时,热敏电阻的阻值变化，输出电流也随着变化。

在第三章模拟量模块选择及连线中,我们将介绍PT100的接线.定子温度的比较值设定与