皮帶運輸機的智能控制監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計分析

毛震 王得倉

【摘 要】皮帶運輸機是一種連續(xù)皮帶運輸機械，被廣泛應(yīng)用在礦井、電廠、港口、鋼鐵企業(yè)以及輕工業(yè)的生產(chǎn)線，即可以運送散狀物料，也可以運送成件物品。在煤礦的開采過程中，皮帶運輸機的作用至關(guān)重要。煤礦井下的環(huán)境比較惡劣，這就對皮帶運輸機控制系統(tǒng)的要求比較高，其性能的好壞直接影響到煤礦行業(yè)的發(fā)展和效益。本論文是針對目前煤礦在皮帶運輸機控制方面仍采用現(xiàn)場人為控制，隱患故障較多以及檢測不穩(wěn)定等問題，研發(fā)了一種功能完善的礦井皮帶運輸機遠程監(jiān)控系統(tǒng)。主要是以皮帶控制系統(tǒng)、工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)為核心，詳細闡述井下皮帶運輸機遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案。皮帶運輸機控制系統(tǒng)通過礦井工業(yè)以太光纖網(wǎng)向地面控制計算機傳輸數(shù)據(jù)，實現(xiàn)地面對井下皮帶運輸機的各種保護，皮帶電機電流、電壓等參數(shù)的實時監(jiān)測，對井下主要運輸皮帶機進行遠程控制。

【關(guān)鍵詞】皮帶控制；工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)

Intelligent control conveyor belt monitoring system design and analysis

Mao Zhen，Wang De-cang

（Schenck （Tianjin） Industrial Technology Co.， Ltd Tianjin 300385）

【Abstract】Is a continuous belt conveyor belt transport machinery， is widely used in mines， power plants， ports， iron and steel enterprises and light industry production lines， which can transport bulk materials， also can convey the articles. In the coal mining process， the role of belt conveyor is essential. Coal mine environment is bad， which the belt conveyor control system requirements are relatively high， and its performance has a direct impact on the development of the coal industry and efficiency. This paper is for the current coal mine belt conveyor control still uses the field of human control， hazard detection and fault more instability and other issues， we have developed a full-featured remote monitoring mine belt conveyor systems. Mainly belt control systems， industrial Ethernet ring network as the core， elaborate underground conveyor belt remote monitoring system design. Belt conveyor control system to the ground is controlled by mine industrial Ethernet fiber optic transmission network computer data， real-time monitoring to achieve in the face of all kinds of protection of underground belt conveyor belt motor current， voltage and other parameters of the underground main transport belt for remote control.

【Key words】Belt control；Industrial Ethernet Ring

1. 前言

（1）皮帶運輸機是一種輸送粒狀、塊狀和散裝等物料和成件貨物的有牽引件的連續(xù)設(shè)備，它主要應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和加工中。特別是在露天礦山開采的礦石運輸中起著十分重要的作用。皮帶運輸機在生產(chǎn)過程中可能會由于經(jīng)常會出現(xiàn)聯(lián)軸器斷開、劃傷、過載、打滑、斷帶等現(xiàn)象，會產(chǎn)生嚴重的后果，甚至可能發(fā)生生產(chǎn)事故。所以，有必要研究一種多功能實時在線的皮帶運輸機故障檢測系統(tǒng)，在皮帶運輸機運行工作過程中對其實時監(jiān)控檢測，同時還可以進行自動檢測以及對聲、光預(yù)普和報告。可以確保在皮帶運輸機出現(xiàn)故障時，盡可能的減少皮帶運輸機故障時帶來的各方面的損失和事故，提高皮帶運輸機的生產(chǎn)效率以及對皮帶運輸機的管理水平和裝備水平，這對未來皮帶運輸機的發(fā)展提供了適用價值，具有重大意義。

（2）井下皮帶運輸機監(jiān)控系統(tǒng)是集皮帶保護監(jiān)測、電機監(jiān)測、遠程控制、通信于一體的皮帶監(jiān)控系統(tǒng)。目前，煤礦行業(yè)已經(jīng)進入信息化、數(shù)字化、自動化時代，井下皮帶機崗點的無人值守和井下皮帶的遠程控制是原煤運輸系統(tǒng)的發(fā)展方向，井下皮帶運輸機監(jiān)控系統(tǒng)的建立有效的提高了礦井現(xiàn)場生產(chǎn)的安全系數(shù)，用數(shù)據(jù)對井下皮帶設(shè)備的運轉(zhuǎn)狀況進行科學(xué)分析，使井下皮帶的管理和控制更加科學(xué)化、高效化。

2. 檢測方法和控制方案的確定

由于在礦石的輸送中，會產(chǎn)生聯(lián)軸器斷開、斷帶、過負荷、皮帶打滑等故障，采用轉(zhuǎn)矩傳感器進行檢測。而針對皮帶的縱向撕裂選取縱撕開關(guān)，針對皮帶跑偏，選取跑偏開關(guān)。現(xiàn)場采用聲光報警，并且選用PLC作下位機的控制系統(tǒng)以及計算機作上位機。PLC接受電機轉(zhuǎn)矩傳遞的測量信號，然后進行信號處理，信號經(jīng)過處理再與設(shè)定值進行比較，最后再送到上位機，由上位機進行圖形和數(shù)據(jù)的顯示。輸出的結(jié)果再傳送回PLC，進行信號變換，最后再傳送給執(zhí)行機構(gòu)，控制執(zhí)行機構(gòu)的運動?？v撕開關(guān)與跑偏開關(guān)輸出的是數(shù)字信號，執(zhí)行相同的過程。當(dāng)電機輸出功率降為正常工作時輸出功率的45%時，將功率信號放大并整形，然后將其送至控制單元。當(dāng)出現(xiàn)故障的時候，預(yù)警電路立即動作，預(yù)警鈴聲響并發(fā)出預(yù)警燈亮，以提醒現(xiàn)場工作人員采取相應(yīng)的有效措施，使系統(tǒng)可以盡快地恢復(fù)到正常工作狀態(tài)，有利于盡快恢復(fù)生產(chǎn)。如果所采取的措施沒有產(chǎn)生作用，電機輸出的轉(zhuǎn)矩會持續(xù)降低，當(dāng)電機輸出功率降為正常工作時輸出功率的35%時，報警電路會被觸發(fā)進入到工作狀態(tài)中，預(yù)警鈴聲響并發(fā)出預(yù)警燈亮，這是，系統(tǒng)控制皮帶運輸機停止工作，并同時控制觸點切斷電振給礦機電源，停止給礦。當(dāng)電機輸出功率超出正常工作時輸出功率的135%時，信號送到控制單元，這時預(yù)警電路動作，預(yù)警鈴聲響并發(fā)出預(yù)警燈亮。當(dāng)電機輸出功率超出正常工作時輸出功率的150%時，將觸發(fā)報警電路，切斷電機電源，停止給礦。

3. 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

3.1 皮帶運輸機檢測系統(tǒng)要求對聯(lián)軸器斷開、縱撕、跑偏、皮帶的打滑、斷帶、過載、進行實時監(jiān)控和檢測，同時控制電機的啟停和現(xiàn)場報警?？删幊炭刂破魇且环N專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體、易于擴展其功能的原則而設(shè)計。

3.2 可編程控制器為了適應(yīng)工作需要及工業(yè)環(huán)境，與一般的控制裝置相比，具有顯著的特點：（1）抗干擾能力強，可靠性高；（2）通用性好，編程方便；（3）配置靈活，擴充方便；（4）功耗低、重量輕、體積小、操作維護方便。

3.3 根據(jù)控制需求，本系統(tǒng)選用西門子S7-200系列PLC作為中央處理器。在皮帶運輸機的控制與監(jiān)控系統(tǒng)中，電動機的啟停是由數(shù)字量所控制，電機的轉(zhuǎn)速和力矩是由轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器測量而得到，PLC控制系統(tǒng)得到測得的信號然后進行處理，計算出實際值，并將實際值與設(shè)定值進行比較，根據(jù)實際工作情況，PLC的輸數(shù)字模塊會輸出數(shù)字量信號，來控制電動機的啟動停止，預(yù)報警電路運行也是受PLC發(fā)出的數(shù)字信號控制。在整個控制過程中，主要包括8個數(shù)字量，分別是電機啟?？刂菩盘枺詣邮謩涌刂魄袚Q信號，緊急停止和故障信號指示燈等，除此之外還包括一組模擬量輸入信號，將此信號送入PLC的模擬量輸入模塊，再經(jīng)過PLC內(nèi)部的特殊處理，最后可以計算出皮帶運輸機轉(zhuǎn)矩的大小。

3.4 所以根據(jù)系統(tǒng)的要求，選用EM231模塊，它有4路模擬量輸入接口，即可滿足系統(tǒng)的需求。PLC內(nèi)部經(jīng)過PID運算以后，通過數(shù)字量輸出模塊，輸出開關(guān)量信號，去控制電機的啟停。

4. 控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計

（1）系統(tǒng)功能概述。根據(jù)皮帶運輸機系統(tǒng)功能給出控制系統(tǒng)應(yīng)用軟件框架。

（2）輸入輸出端口的功能。皮帶運輸機的控制檢測系統(tǒng)所采用的傳感器采用的信號必須經(jīng)過PLC的A/D轉(zhuǎn)換，然后再送入到上位機中，所以該程序中需要不斷的訪問I/O端口，但是I/O端口的數(shù)據(jù)不能被VB直接讀取，此時可以采用調(diào)用DOS下的應(yīng)用程序和調(diào)用Windows下的動態(tài)鏈接庫的方法進行讀取。

（3）數(shù)據(jù)的處理和分析模塊。MS Access數(shù)據(jù)內(nèi)存放皮帶運輸機的控制監(jiān)控系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，ADO被選作數(shù)據(jù)的訪問接口。歷史數(shù)據(jù)的復(fù)雜查詢可以通過利用VB強大的數(shù)據(jù)庫操作功能來實現(xiàn)。查詢的實現(xiàn)主要是通過采用標(biāo)準結(jié)構(gòu)化的查詢語言SQL。查詢條件可以按照讀取的時間段加以區(qū)分，也可以根據(jù)厚度范圍和報警記錄來區(qū)分。同時系統(tǒng)可以由高級用戶直接設(shè)定SQL查詢語句的內(nèi)容以提高查詢的靈活性。

（4）數(shù)據(jù)的存儲和輸出模塊。在本控制和檢測系統(tǒng)中，為了進行數(shù)據(jù)查詢、分析、報表和繪制歷史曲線等，現(xiàn)場的重要數(shù)據(jù)需要存儲起來。在編程時，問題的關(guān)鍵是采用何種文件格式存儲數(shù)據(jù)和如何實現(xiàn)用戶的自定義報表輸出等。采用隨機文件或數(shù)據(jù)庫文件格式進行數(shù)據(jù)的存儲就可以。對于隨機文件格式，首先自定義數(shù)據(jù)類型，然后對自定義數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)用Put#…Seek#語句進布到讀寫操作。但是，這種數(shù)據(jù)方式也存在缺點，在規(guī)模較小時，運行速度上有很大優(yōu)勢，但對于一般的工業(yè)控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)量一般都非常大，因此采用數(shù)據(jù)庫文件格式是非常必要的。本系統(tǒng)選擇Access數(shù)據(jù)庫（*.mdb）。Access是MS Office的標(biāo)準組件之一，數(shù)據(jù)庫的建立和維護十分方便，支持多種字段數(shù)據(jù)格式和結(jié)構(gòu)化查詢語言SQL。

5. 上位機和PLC的通信

（1）在實際工作過程中，串行通訊接口RS485可以連接上位機與PLC。RS485接口芯片現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于機電一體化產(chǎn)品等很多領(lǐng)域。RS485串行總線接口具有很強的抗共模干擾的能力，再加上總線收發(fā)器具有很高的靈敏度，能檢測到低至220mV的電壓，所以信號能在千米以外得到恢復(fù)。 （2）RS-485采用半雙工工作方式，任何時候只能有一點處于發(fā)送狀態(tài)，因此，發(fā)送電路須由使能信號加以控制。RS485用于多點互連時非常方便，可以省掉許多信號線。應(yīng)用RS85可以聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成分布式系統(tǒng)，其允許最多并聯(lián)32臺驅(qū)動器和32臺接收器。上位機與PLC之間的通信采用直接存取的通信方式，彼此之間存在相互對應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲區(qū)和控制區(qū)，不需要另外單獨編寫程序就能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接受，很大程度上簡化了程序的設(shè)計過程。在運行過程中，觸摸屏自動地把觸摸屏面板所需要的數(shù)據(jù)向PLC發(fā)出請求，并接受數(shù)據(jù)，同時觸摸屏自動地把觸摸鍵的操作輸入送給PLC。

6. 井下皮帶運輸機智能控制監(jiān)控系統(tǒng)主要特點

（1）完成井下所有主要膠帶運輸機生產(chǎn)全過程的實時監(jiān)測、遠程集中控制，對膠帶運輸機的開停、各種保護狀態(tài)、帶速進行監(jiān)測。

（2）地面控制室監(jiān)控計算機界面友好、功能齊全、逼真的動態(tài)畫面和全中文顯示，實時顯示井下膠帶運輸機運行狀態(tài)，安全確認機制，操作嚴謹且簡單，易于對操作人員培訓(xùn)。

（3）生產(chǎn)數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)硬盤，可由信息管理系統(tǒng)按需調(diào)用。

（4）網(wǎng)絡(luò)診斷，監(jiān)控計算機工控軟件監(jiān)測通訊是否正常，提高故障排查效率。

（5）通訊網(wǎng)絡(luò)速度快，距離遠，可靠性高。

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