23-一种可控箕斗定量装载设备的设计与应用
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［关键词］ 可控箕斗； 定量装载； S7－200 PLC； 触摸屏 ［中图分类号］ TD531. 1 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1006-6225 （2018） 04-0036-03
Design and Application of One Controllable Skip Quantitative Loading Equipment
［摘 要］ 为提高煤矿井下装载设备的可靠性和高效性，结合煤矿井下实际生产的功能需求， 设计一种结构简单、可靠性较高的可控箕斗定量装载设备，详细介绍了整个系统的设计方案、硬件组 成及软件设计的实现。其中，采用了模拟量称重模块、S7－200 PLC、触摸屏等主要元件来实现自动作 业的数据采集、逻辑控制和人机交互。现场应用测试表明，该设备有效地降低了定量装载设备的结构 复杂度，减轻了后期维护难度。
［作者简介］ 王 新 ( 1979－) ，女，内蒙古呼和浩特人，硕士，讲师，研究方向为机械设计制造及其自动化等。
［通讯作者］ 郭 俊 （ 1979－） ，男，内蒙古呼和浩特人，高级工程师，研究方向为机械设计制造及其自动化等。
［引用格式］ 王 新，郭 俊 . 一种可控箕斗定量装载设备的设计与应用 ［J］． 煤矿开采，2018，23 （ 4） ： 36－38，24.
Abstract： In order to improve reliability and efficiency of loading equipment underground in coal mine，based on functional requirement of production in coal mine，and then one controllable skip quantitative loading equipment was designed，which structure was simple and with higher reliability，and then design scheme，hardware structure and software designing of all system were introduced in detailed. The following main elements that analog quantity weighing module，S7-200 PLC，touch screen and so on were used，and then the functions that data collection，logical control and man-machine interaction of automation were realized. The practical testing showed that structural complexity of equipment was decreased effectively，and maintain difficulty during later period was decreased also. Key words： controllable skip； quantitative loading； S7-200 PLC； touch screen
WANG Xin1，GUO Jun2
（1. Vocational Technical Institute，Inner Mongolia Agricultural University，Baotou 014109，China； 2. Department of Mechanical and Electrical Engineering，Inner Mongolia Institute of Mechatronic Technology，Hohehot 010070，China）
37
总第 143 期
煤矿开采
2018 年第 4 期
图 5 扇形门结构示意
3 系统软件设计
系统的软件设计包括 PLC 软件和触摸屏软件 设计 2 部分内容。其中，PLC 软件设计中采用梯形 图语言的编程方式，主要负责定量装载设备运行的 控制和传感器信号的采集； 触摸屏软件设计选用的 是北京昆仑的 MCGS 嵌入式组态软件，以便与硬件 配套，主要 完 成 现 场 人 员 与 设 备 的 信 息 交 互［6－ 7］。 同时，在实际控制方面，采用了闭环控制和半闭环
图 3 称重模块结构示意
图 1 系统总体方案设计
2 定量装载设备设计
定量装载设备主要由储煤装载仓、称重模块、 活溜槽、扇形门、液压缸等组成。其中，储煤装载 仓用来接收胶带机输送过来的煤，方便称重模块完 成对煤炭的称重计量； 称重模块主要是基于力－电 转换原理，将采集到的模拟信号实时传输给 PLC， 并与系统预设的吨数进行比较，从而作出相应的逻 辑判断； 活溜槽和扇形门则用来控制储煤装载仓中 的煤是否流入箕斗，开启或关闭都有一定的顺序， 受 S7－200 PLC 控制； 液压缸则是为扇形门和活溜 槽的启闭 提 供 动 力 来 源［5］。 定 量 装 载 设 备 结 构 如 图 2 所示。
2. 2 活溜槽结构设计 活溜槽是煤炭装载系统中重要的设备，其作用
是减少装载时的撒煤。活溜槽固定在计量装载仓下 端，其下面安放有液压缸，活溜槽和液压缸连在一 起。当活溜槽需要打开时，液压站打开液压缸，提 供动力顶出活溜槽； 当活溜槽需要关闭时，液压缸 收回并拉回活溜槽。正常情况下，传感器检测箕斗 到位后，活溜槽才可以动作，起到位，扇形门才可 以打开，反之亦然，从而保证不会撒煤。另外，计 量装载仓内如果是空的，或者卷扬机在运行时，活 溜槽也是无法动作的，这样就减少了误动作，保证 了系统的安全可靠。活溜槽结构示意如图 4 所示。
度等方面，其内部采用了全桥式应变传感器。称重 模块选用动载称重类型，可供选择的型号有 CWC， CW 等。其中，CWC 型号为不锈钢材质，可承受 220kg ～ 20t 的重量，输出灵敏度 2. 007mV / N，输入 阻抗 728Ω，供电电源电压 10V，综合误差 0. 05% FS。称重模块结构如图 3 所示。
( 1) 扇形门、活溜槽启停模块 为了确保井 下装载作业的安全性，系统设计了闭锁功能。如扇 形门和活溜槽关不到位时，胶带机、放矿机便无法 运行。另外，当箕斗不到位时，扇形门和活溜槽便 无法打开，以防煤炭误流出去； 当箕斗到位时，溜 槽起来，扇形门打开，煤就会从装载里流到箕斗 里，然后，扇形门关闭，活溜槽落到位，胶带机启 动，放矿机运行。在一个循环过程中也不可以二次 打开扇形门 和 活 溜 槽， 防 止 箕 斗 超 载 工 作［8］。 扇 形门启停程序如图 6 所示。
量，液压站泵、放矿机、扇形门、活溜嘴的到位状 态以及运行方式等。操作人员只需根据界面显示便
布安装 8 个液压称重装置，取平均值作为最终的称 重结果，具有较大的借鉴价值，但存在结构较为复 杂，可靠性不高等缺点。本文结合煤矿主立井提升 运输实际工作情况，从原有煤矿井下装载设备的基 础上出发，分析、总结所涉及到的关键问题，对定 量装载称重方法和装置进行了研究，设计一种结构 简单、可靠性较高的可控箕斗定量装载设备，为煤 矿设计符合实际需求的定量装载设备和合适的装载 控制系统提供了指导，加强了煤矿提升的科学化管 理和自动化水平。
煤矿主立井提升系统中，定量装载作业作为煤 炭提升运输中的一个组成环节，其运行状况的高效 与否直接影响着整个矿井的产出。新版 《煤矿安 全规程》 规定箕斗提升必须采用定重装载，主要 为了保证箕斗内所装煤炭的实际重量≤箕斗额定载 重，防止超重坠斗事故的发生。目前，煤矿井下装 载作业主要有 2 种装载方式： 定量斗和定量输送机 装载［1］。国内学者针对上述 2 种装载方式存在的优 缺点，进行了 不 同 方 法 的 改 进。 如 王 淼［2］ 等 考 虑 到大型容器在对物体称重时，受本身结构影响，难 以保证容器在装载过程中的稳定性，故建立了定量 斗三维模型，通过对装载过程中冲击载荷的计算， 分析出了定量斗重心位置随装载煤量变化的变化公 式，为定量容器设计提供了理论指导，具有较大的 参考价值； 秦健等［3］ 基于 PLC、触摸屏、模拟量 模块等主要元件，设计了一种新的定重带式输送机 箕斗装载提升控制系统，主要是在输送机下均匀分
图 6 扇形门启停程序
( 2) 称重满载模块 当 PLC 代码接收到称重
模块传来的数据值时，根据代码的逻辑执行对应的
代码，并开始计时。其中，300，3000，3500 分别
是空设定值、满载设定值、超载设定值。如当装载
仓内的煤炭重量等于满载设定重量时，放矿机停止
放矿，胶带机运行 5s 后停止。称重满载程序如图
图 2 定量装载设备设计
2. 1 称重模块的设计 称重模块的类型很多，具体型号可根据储煤装
载仓的容量进行选择。考虑到测量原理、工艺成熟
图 4 活溜槽结构示意
2. 3 扇形门结构设计 扇形门和液压缸一端连在一起，扇形门开启关
闭依靠液压缸提供的动力。当扇形门需要打开时， 液压缸收缩拉动扇形门，完成扇形门开启动作； 当 扇形门需要关闭时，液压缸伸出带动扇形门，完成 扇形门关闭动作。为了定量装载作业的效率，扇形 门打开、关闭时间应不大于 5s。扇形门结构示意 如图 5 所示。
7 所示。
3. 2 触摸屏软件设计
为了达到对矿井定量装载自动化作业各个环节
的实时监测与预警，方便操作人员实时进行查看，
利用 ＲS485 接口完成昆仑通泰触摸屏和西门子 200
的通信，获取井下定量装载设备的各种运行数据，
并以 “报警灯” 和 “数字” 的形式显示出来。触
摸屏主界面主要显示定量装载设备所装载煤炭的重
第 23 卷 第 4 期 （ 总第 143 期） 2018 年 8 月
煤矿开采 COAL MINING TECHNOLOGY
Vol. 23No. 4 （ Series No. 143） August 2018
一种可控箕斗定量装载设备的设计与应用
王 新1，郭 俊2
（1. 内蒙古农业大学 职业技术学院，内蒙古 包头 014109； 2. 内蒙古机电职业技术学院 机电工程系，内蒙古 呼和浩特 010070）
［收稿日期］ 2018－02－28
［DOI］ 10. 13532 / j. cnki. cn11－3677 / td. 2018. 04. 009
［基金项目］ 国家重点研发计划重点专项项目 （ 2016YFD0701704－3） ； 内蒙古自治区 “十三五” 规划课题 （ NZJGH2017110）
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源自文库
王 新等： 一种可控箕斗定量装载设备的设计与应用
2018 年第 4 期
PLC 控制器作为系统的控制核心； 软件部分包含 PLC 控制软件和触摸屏软件。其中，PLC 控制软件 主要负责定量装载设备运行数据的采集，并自动输 出逻辑控制命令。触摸屏软件采用北京昆仑通泰公 司开发的 MCGS 通用版 6. 2 编写，用户可通过触摸 屏与 PLC 进行通讯，查询相关数据参数并进行手 动控制，实现 与 现 场 设 备 的 信 息 交 互［4］。 系 统 总 体方案设计如图 1 所示。
1 总体方案设计
可控定量装载设备由硬件和软件两部分构成， 二者协同完成主立井煤炭的定量装载作业。硬件机 构主要包括储煤装载仓、称重模块、活溜槽、扇形 门、液压缸等，是通过 AutoCAD Electrical 2012 制 图软件绘制、加工完成的。同时，由于可控定量装 载设备的 控 制 要 求 不 高，故 采 用 西 门 子 S7 － 200
控制 2 种控制方式。 3. 1 PLC 软件设计
根据煤矿主立井箕斗定量装载实际的自动化生 产流程，整体设备运行的控制程序功能应包括： 自 动 /手动控制、急停控制、称重采集、扇形门启停、 活溜槽启停、储煤装载仓超载报警等功能。通过主 控制器 S7－200 PLC 来调用各功能控制模块，驱动 硬件机构的执行，协同配合，共同完成定量装载作 业的有序进行。各控制模块功能如下：
Design and Application of One Controllable Skip Quantitative Loading Equipment
［摘 要］ 为提高煤矿井下装载设备的可靠性和高效性，结合煤矿井下实际生产的功能需求， 设计一种结构简单、可靠性较高的可控箕斗定量装载设备，详细介绍了整个系统的设计方案、硬件组 成及软件设计的实现。其中，采用了模拟量称重模块、S7－200 PLC、触摸屏等主要元件来实现自动作 业的数据采集、逻辑控制和人机交互。现场应用测试表明，该设备有效地降低了定量装载设备的结构 复杂度，减轻了后期维护难度。
［作者简介］ 王 新 ( 1979－) ，女，内蒙古呼和浩特人，硕士，讲师，研究方向为机械设计制造及其自动化等。
［通讯作者］ 郭 俊 （ 1979－） ，男，内蒙古呼和浩特人，高级工程师，研究方向为机械设计制造及其自动化等。
［引用格式］ 王 新，郭 俊 . 一种可控箕斗定量装载设备的设计与应用 ［J］． 煤矿开采，2018，23 （ 4） ： 36－38，24.
Abstract： In order to improve reliability and efficiency of loading equipment underground in coal mine，based on functional requirement of production in coal mine，and then one controllable skip quantitative loading equipment was designed，which structure was simple and with higher reliability，and then design scheme，hardware structure and software designing of all system were introduced in detailed. The following main elements that analog quantity weighing module，S7-200 PLC，touch screen and so on were used，and then the functions that data collection，logical control and man-machine interaction of automation were realized. The practical testing showed that structural complexity of equipment was decreased effectively，and maintain difficulty during later period was decreased also. Key words： controllable skip； quantitative loading； S7-200 PLC； touch screen
WANG Xin1，GUO Jun2
（1. Vocational Technical Institute，Inner Mongolia Agricultural University，Baotou 014109，China； 2. Department of Mechanical and Electrical Engineering，Inner Mongolia Institute of Mechatronic Technology，Hohehot 010070，China）
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总第 143 期
煤矿开采
2018 年第 4 期
图 5 扇形门结构示意
3 系统软件设计
系统的软件设计包括 PLC 软件和触摸屏软件 设计 2 部分内容。其中，PLC 软件设计中采用梯形 图语言的编程方式，主要负责定量装载设备运行的 控制和传感器信号的采集； 触摸屏软件设计选用的 是北京昆仑的 MCGS 嵌入式组态软件，以便与硬件 配套，主要 完 成 现 场 人 员 与 设 备 的 信 息 交 互［6－ 7］。 同时，在实际控制方面，采用了闭环控制和半闭环
图 3 称重模块结构示意
图 1 系统总体方案设计
2 定量装载设备设计
定量装载设备主要由储煤装载仓、称重模块、 活溜槽、扇形门、液压缸等组成。其中，储煤装载 仓用来接收胶带机输送过来的煤，方便称重模块完 成对煤炭的称重计量； 称重模块主要是基于力－电 转换原理，将采集到的模拟信号实时传输给 PLC， 并与系统预设的吨数进行比较，从而作出相应的逻 辑判断； 活溜槽和扇形门则用来控制储煤装载仓中 的煤是否流入箕斗，开启或关闭都有一定的顺序， 受 S7－200 PLC 控制； 液压缸则是为扇形门和活溜 槽的启闭 提 供 动 力 来 源［5］。 定 量 装 载 设 备 结 构 如 图 2 所示。
2. 2 活溜槽结构设计 活溜槽是煤炭装载系统中重要的设备，其作用
是减少装载时的撒煤。活溜槽固定在计量装载仓下 端，其下面安放有液压缸，活溜槽和液压缸连在一 起。当活溜槽需要打开时，液压站打开液压缸，提 供动力顶出活溜槽； 当活溜槽需要关闭时，液压缸 收回并拉回活溜槽。正常情况下，传感器检测箕斗 到位后，活溜槽才可以动作，起到位，扇形门才可 以打开，反之亦然，从而保证不会撒煤。另外，计 量装载仓内如果是空的，或者卷扬机在运行时，活 溜槽也是无法动作的，这样就减少了误动作，保证 了系统的安全可靠。活溜槽结构示意如图 4 所示。
度等方面，其内部采用了全桥式应变传感器。称重 模块选用动载称重类型，可供选择的型号有 CWC， CW 等。其中，CWC 型号为不锈钢材质，可承受 220kg ～ 20t 的重量，输出灵敏度 2. 007mV / N，输入 阻抗 728Ω，供电电源电压 10V，综合误差 0. 05% FS。称重模块结构如图 3 所示。
( 1) 扇形门、活溜槽启停模块 为了确保井 下装载作业的安全性，系统设计了闭锁功能。如扇 形门和活溜槽关不到位时，胶带机、放矿机便无法 运行。另外，当箕斗不到位时，扇形门和活溜槽便 无法打开，以防煤炭误流出去； 当箕斗到位时，溜 槽起来，扇形门打开，煤就会从装载里流到箕斗 里，然后，扇形门关闭，活溜槽落到位，胶带机启 动，放矿机运行。在一个循环过程中也不可以二次 打开扇形门 和 活 溜 槽， 防 止 箕 斗 超 载 工 作［8］。 扇 形门启停程序如图 6 所示。
量，液压站泵、放矿机、扇形门、活溜嘴的到位状 态以及运行方式等。操作人员只需根据界面显示便
布安装 8 个液压称重装置，取平均值作为最终的称 重结果，具有较大的借鉴价值，但存在结构较为复 杂，可靠性不高等缺点。本文结合煤矿主立井提升 运输实际工作情况，从原有煤矿井下装载设备的基 础上出发，分析、总结所涉及到的关键问题，对定 量装载称重方法和装置进行了研究，设计一种结构 简单、可靠性较高的可控箕斗定量装载设备，为煤 矿设计符合实际需求的定量装载设备和合适的装载 控制系统提供了指导，加强了煤矿提升的科学化管 理和自动化水平。
煤矿主立井提升系统中，定量装载作业作为煤 炭提升运输中的一个组成环节，其运行状况的高效 与否直接影响着整个矿井的产出。新版 《煤矿安 全规程》 规定箕斗提升必须采用定重装载，主要 为了保证箕斗内所装煤炭的实际重量≤箕斗额定载 重，防止超重坠斗事故的发生。目前，煤矿井下装 载作业主要有 2 种装载方式： 定量斗和定量输送机 装载［1］。国内学者针对上述 2 种装载方式存在的优 缺点，进行了 不 同 方 法 的 改 进。 如 王 淼［2］ 等 考 虑 到大型容器在对物体称重时，受本身结构影响，难 以保证容器在装载过程中的稳定性，故建立了定量 斗三维模型，通过对装载过程中冲击载荷的计算， 分析出了定量斗重心位置随装载煤量变化的变化公 式，为定量容器设计提供了理论指导，具有较大的 参考价值； 秦健等［3］ 基于 PLC、触摸屏、模拟量 模块等主要元件，设计了一种新的定重带式输送机 箕斗装载提升控制系统，主要是在输送机下均匀分
图 6 扇形门启停程序
( 2) 称重满载模块 当 PLC 代码接收到称重
模块传来的数据值时，根据代码的逻辑执行对应的
代码，并开始计时。其中，300，3000，3500 分别
是空设定值、满载设定值、超载设定值。如当装载
仓内的煤炭重量等于满载设定重量时，放矿机停止
放矿，胶带机运行 5s 后停止。称重满载程序如图
图 2 定量装载设备设计
2. 1 称重模块的设计 称重模块的类型很多，具体型号可根据储煤装
载仓的容量进行选择。考虑到测量原理、工艺成熟
图 4 活溜槽结构示意
2. 3 扇形门结构设计 扇形门和液压缸一端连在一起，扇形门开启关
闭依靠液压缸提供的动力。当扇形门需要打开时， 液压缸收缩拉动扇形门，完成扇形门开启动作； 当 扇形门需要关闭时，液压缸伸出带动扇形门，完成 扇形门关闭动作。为了定量装载作业的效率，扇形 门打开、关闭时间应不大于 5s。扇形门结构示意 如图 5 所示。
7 所示。
3. 2 触摸屏软件设计
为了达到对矿井定量装载自动化作业各个环节
的实时监测与预警，方便操作人员实时进行查看，
利用 ＲS485 接口完成昆仑通泰触摸屏和西门子 200
的通信，获取井下定量装载设备的各种运行数据，
并以 “报警灯” 和 “数字” 的形式显示出来。触
摸屏主界面主要显示定量装载设备所装载煤炭的重
第 23 卷 第 4 期 （ 总第 143 期） 2018 年 8 月
煤矿开采 COAL MINING TECHNOLOGY
Vol. 23No. 4 （ Series No. 143） August 2018
一种可控箕斗定量装载设备的设计与应用
王 新1，郭 俊2
（1. 内蒙古农业大学 职业技术学院，内蒙古 包头 014109； 2. 内蒙古机电职业技术学院 机电工程系，内蒙古 呼和浩特 010070）
［收稿日期］ 2018－02－28
［DOI］ 10. 13532 / j. cnki. cn11－3677 / td. 2018. 04. 009
［基金项目］ 国家重点研发计划重点专项项目 （ 2016YFD0701704－3） ； 内蒙古自治区 “十三五” 规划课题 （ NZJGH2017110）
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源自文库
王 新等： 一种可控箕斗定量装载设备的设计与应用
2018 年第 4 期
PLC 控制器作为系统的控制核心； 软件部分包含 PLC 控制软件和触摸屏软件。其中，PLC 控制软件 主要负责定量装载设备运行数据的采集，并自动输 出逻辑控制命令。触摸屏软件采用北京昆仑通泰公 司开发的 MCGS 通用版 6. 2 编写，用户可通过触摸 屏与 PLC 进行通讯，查询相关数据参数并进行手 动控制，实现 与 现 场 设 备 的 信 息 交 互［4］。 系 统 总 体方案设计如图 1 所示。
1 总体方案设计
可控定量装载设备由硬件和软件两部分构成， 二者协同完成主立井煤炭的定量装载作业。硬件机 构主要包括储煤装载仓、称重模块、活溜槽、扇形 门、液压缸等，是通过 AutoCAD Electrical 2012 制 图软件绘制、加工完成的。同时，由于可控定量装 载设备的 控 制 要 求 不 高，故 采 用 西 门 子 S7 － 200
控制 2 种控制方式。 3. 1 PLC 软件设计
根据煤矿主立井箕斗定量装载实际的自动化生 产流程，整体设备运行的控制程序功能应包括： 自 动 /手动控制、急停控制、称重采集、扇形门启停、 活溜槽启停、储煤装载仓超载报警等功能。通过主 控制器 S7－200 PLC 来调用各功能控制模块，驱动 硬件机构的执行，协同配合，共同完成定量装载作 业的有序进行。各控制模块功能如下：