带式输送机电控系统

摘要

带式输送机是连续运动的输送货物的机械。它结构简单、造价低、运输距离长，而且有很高的生产率。随着现代工业科学技术的不断发展，带式输送机在工业生产中重要性越来越大，是工业机械化的重要内容。因此，对通用带式输送机的电气控制系统的设计也显得十分重要。

本文针对薛湖矿东翼大巷输送机电气控制系统的设计要求，展开设计的。按照要求，设计的电气控制系统要实现对盘式制动器和液体粘性软起动装置的有效控制，此外还设计出符合要求的操作台，在操作台上有本控制系统三种控制方式按钮，通过操作台实现控制系统的三种运行方式，操作台还具有显示各种相关数据。

关键词：电气控制系统可编程控制器（PLC）液粘软起动装置盘式制动装置操作台

Abstract

Belt conveyer is continuous transport goods of machine. Its structure is simple and build price low, conveyance distance long, and have very high rate of product. Along with modern industry science technique of continuously development, importance of Belt conveyer in the industry has become bigger and bigger. Therefore, control system of Belt conveyer also seem to be very importance. This text aims at the design that mineral Dongyi Daxiang in the Xuehu transport machine electricity control system request and launch design. According to the request, design of electricity control the system want realization to control Disk brake and liquid soft start equip of valid control, besides, still design operation set that meet request , on operation set have 3 kinds of control systematic control button , at operation the on the stage have three kinds of this control system control way button and by operation set realization control system of the 3 kinds of run mode , operation set still have manifestation various related data.

Keywords: Electric controls system The programmable Logical controller (PLC) Liquid glue soft start installation Disk brakes to installation Operation set

目录

摘要

ABSTRACT

1概述 (1)

1.1本课题研究的发展现状 (1)

1.2本次课题研究意义 (3)

1.3本次课题的主要要求 (5)

2 带式输送机电控系统方案的选择 (7)

2.1带式输送机电控系统特征 (7)

2.2带式输送机电控系统的主要控制对象 (7)

2.3带式输送机的电控系统的方案 (13)

3输送机电控系统的硬件设计 (16)

3.1电控系统的框图组成 (16)

3.2操作台的设计 (17)

3.3PLC模块选用 (20)

3.4综保箱的设计 (25)

3.5高压起动柜 (28)

3.6配电柜 (28)

3.7液压站 (29)

4 输送机电控系统的软件设计 (31)

4.1PLC软件介绍 (31)

4.2主要程序的流程图 (31)

4.3电控主程序 (40)

5 总结 (53)

参考文献 (54)

致谢 (55)

附录1英文文献 (56)

附录2中文译文 (58)

附录3 系统图

1 概述

1.1本课题研究的发展现状

我国生产制造的带式输送机的品种、类型较多。在“八五”期间,带式输送机的技术水平有了很大提高，煤矿井下用大功率、长距离带式输送机的关键技术研究和新产品开发都取得了很大的进步。如大倾角长距离带式输送机成套设备、高产高效工作面顺槽可伸缩带式输送机等均填补了国内空白，并对带式输送机的关键技术及其主要元部件进行了研究和产品开发，研制成功了多种软起动和制动装置以及以PLC为核心的可编程电控装置，驱动系统采用调速型液力偶合器和行星齿轮减速器。

带式输送机的部件繁多，设计任务十分繁重，随着计算机技术的飞速发展可以把二者结合起来，达到提高效率，并可更为精确计算的目的，近年国内在带式输送机的计算机应用技术的研究多集中在动态分析领域，如辽宁工程技术大学开发的带式输送机动态分析软件，可以对各种复杂工况下的带式输送机进行动态模拟仿真，但是没有具备对带式输送机的设计与选型能力，只能对设计好的带式输送机进行动力学模型分析，研究其动态特性。辅助设计这一方面，国内有一些单位已经开始研究关注带式输送机计算机辅助设计的问题，比如国家电力公司电力规划设计设计总院委托国家电力公司中南电力设计院研制的带式输送机的布置设计CAD软件包，可以完成带式输送机的理论计算、设备选型等功能，但该软件包尚不具备设备报价，厂家选择等功能，而这正是商业活动中很重要的因素。而且此外，受研究目标所限，目前的研究成果还存在设计对象单一，只能满足水平运输单滚筒传动、向上运输单滚筒传动、向上运输单滚筒凸弧传动、向上运输单滚筒凹弧传动、向上运输单滚筒凸凹弧传动等比较简单的五种

输送机布置方式的功能要求。因而应用范围较窄，尚不能满足现代带式输送机长距离、大运量、高速度及高可靠性的方向发展的功能要求，也难以满足用户在实际复杂工程中的需求。我国的许多生产厂家逐步采用以O 技术，但大多还停留在电子图板的应用水平上，并没有真正利用计算机运算速度快、计算精度高、存储信息量大和逻辑推理能力强等优点来代替人工进行设计及校核等工作。随着我国生产力的不断发展，采矿、冶金、水电站建设工地、港口以及工业企业日趋专业化，就更加需要进行高生产率的装卸输送，而带式输送机较其他的装卸机械更容易满足这个要求。

国外带式输送机技术的发展很快，其主要表现在两个方面：一方面是带式输送机的功能多元化、应用范围扩大化，如高倾角带式输送机、管状带式输送机、空间转弯带式输送机等各种机型；另一方面是带式输送机本身的技术与装备有了巨大的发展，尤其是长距离、大运量、高带速等大型带式输送机已成为发展的主要方向，其核心技术是开发应用了带式输送机动态分析与监控技术，提高了带式输送机的运行性能和可靠性。目前，在煤矿井下使用的带式输送机已达到了主要技术指标，其关键技术与装备有以下几个特点：

(1)设备大型化。其主要技术参数与装备均向着大型化发展，以满足年产300～500 万吨以上高产高效集约化生产的需要。

(2)应用动态分析技术和机电一体化、计算机监控等高新技术，采用大功率软起动与自动张紧技术，对输送机进行动态监测与监控，大大地降低了输送带的动张力，设备运行性能好，运输效率高。

(3)采用多机驱动与中间驱动及其功率平衡、输送机变向运行等技术，使输送机单机运行长度在理论上已不受限制，并确保了输送系统设备的通用性、互换性及其单元驱动的可靠性。

(4) 新型、高可靠性的关键元部件技术。如包含CST等在内的各种先

进的大功率驱动装置与调速装置、高寿命高速托辊、自清式滚筒装置、高效贮带装置、快速自移机尾等。如英国FSW生产的FSW1200(2～3) ×400(600)工作面顺槽带式输送机就采用了液粘差速或变频调速装置，运输能力达 3 000 t/h 以上它的机尾与新型转载机(如美国久益公司生产的S500E)配套，可随工作面推移而自动快速自移、人作业少、生产效率高[1]。

1.2本次课题研究意义

带式输送机的发展趋势包含以下几方面：

1）设备大型化、提高运输能力

为了适应高产高效集约化生产的需要,带式输送机的输送能力要加大。长距离、高带速、大运量、大功率是今后发展的必然趋势,也是高产高效矿井运输技术的发展方向。在今后的10年内输送量要提高到3000～4000 t/h ,带速提高至4～6 m/s,输送长度对于可伸缩带式输送机要达到3000 m。对于钢绳芯强力带式输送机需加长至5000 m 以上,单机驱动功率要达到1000～1500 kW,输送带抗拉强度达到6000 N/mm(钢绳芯)和2500 N/mm(整芯) 。尤其是煤矿井下顺槽可伸缩输送技术的发展,随着高产高效工作面的出现及煤炭科技的不断发展，原有的可伸缩带式输送机，无论是主参数，还是运行性能都难以适应高产高效工作面的要求,煤矿现场急需主参数更大、技术更先进、性能更可靠的长距离、大运量、大功率顺槽可伸缩带式输送机，以提升我国带式输送机技术的设计水平，填补国内空白，接近并赶上国际先进工业国的技术水平。其包含7 个方面的关键技术：(1)带式输送机动态分析与监控技术；(2)软起动与功率平衡技术；

(3)中间驱动技术；(4)自动张紧技术；(5)新型高寿命高速托辊技术；(6)快速自移机尾技术；(7)高效储带技术。

2）提高元部件性能和可靠性

设备开机率的高与低主要取决于元部件的性能和可靠性。除了进一步

完善和提高现有元部件的性能和可靠性，还要不断地开发研究新的技术和元部件，如高性能可控软起动技术、动态分析与监控技术、高效贮带装置、快速自移机尾、高速托辊等，使带式输送机的性能得到进一步提高。

3）扩大功能，一机多用化

拓展运人、运料或双向运输等功能，做到一机多用，使其发挥最大的经济效益。开发特殊型带式输送机,如弯曲带式输送机、大倾角或垂直提升输送机等。

带式输送机与其他散状物料输送机以及汽车、铁路运输相比，其优点由表1.1和1.2可以看出。

综上所述，带式输送机的优越性已十分明显，它是国民经济中不可缺少的关键设备。因此，带式输送机的电控系统的研究也成为重要的课题。

表1.1 中国铁路、公路和带式输送机运输的经济性比较表

注：根据鞍山矿山设计院1986年的调查结果

表1.2 德国槽形带式输送机和铁路、卡车、有轨电车基建费比较表

1.3本次课题的主要要求

薛湖矿东翼大巷带式输送机的电控系统的具体要求如下：电气设备为矿用防爆和隔爆型，符合《煤矿安全规程》要求：1）以可编程控制器（PLC）为控制中心，实现主运系统的自动化控制，并能扩展为与分站配合，实现矿井煤炭运输的自动化监控；2）具备长距离远程通讯与监控，能与给煤机和前后台设备实现连锁控制；3）通过比例控制2台粘液软起动装置实现平稳起动、平稳停车，并能故障时自动停车、对应故障点显示及声光报警；4）采集并显示2路主电机电流信号，实现2台主电机之间的运行选择功能，顺序可以任意调整且方法简单便于操作，同时实现电机电流的预设置，当电流超过设定值，系统报警并停车；5）控制系统要求具有集控、自动、手动、和自检四种操作方式和急停闭锁、打滑、跑偏、断带、防撕

裂、拉紧行程控制、堆煤、超温、洒水、烟雾等保护功能和保护显示；6）系统具有采集或接入各种参数、保护信号，并具有扩展性，在操作台上，显示屏可集中显示各工作参数；7）要求配备2台主电动机起动的矿用隔爆型高压真空起动装置，电压为6000V单机容量为200KW，型号：QBGZ-6以及双路供电系统的馈电开关，采用2台BPG-6型矿用隔爆型高压真空配电装置；8）要求配备制动器、液粘软起动装置矿用隔爆型真空电磁起动器3台，型号：QBZ-80(电压660/1140V)，配矿用隔爆型真空馈电开关2台：型号：BKD-200(电压660/1140V)，要求隔爆型真空电磁起动器具有过载、短路、断相及漏电等保护功能。

2 带式输送机电控系统方案的选择

2.1带式输送机电控系统特征

带式输送机电控系统的一般特征：

(1) 实现了输送机沿线保护、各类温度保护、张紧装置、液粘软启动系统的集中统一控制，使皮带输送机原来各自独立部分整合为一个系统，提高了系统的安全性、可靠性。

(2)利用现场总线技术实现皮带输送机的监控,可以提高电控系统的可靠性，降低成本，同时实现了系统间互连使信息共享，并且控制系统扩展容易、维护方便。

(3)对液体粘软起动系统提供开关量和模拟量控制信号，使所控设备按要求的启动运行，满足了大功率输送机的起动要求，延长了皮带的使用寿命。

(4)显示屏实现汉化界面，各种状态显示一目了然，便于现场人员随时了解系统的状态及故障原因。

(5) 具备网络通讯功能，可以很容易地并入矿井监控系统。

以上是输送机电控系统的一般特征，实际设计时还要根据输送机的具体的工作要求和工作环境对电控系统进一步的设计[2]。

2.2带式输送机电控系统的主要控制对象

随着带式输送机的广泛应用与发展，在输送机的驱动部分和制动部分提出了很高的要求，在驱动部分出现了多电机共同工作的现象。在制动部分要求皮带能顺利实现制动；为保证输送机的正常工作，安装有各种保护传感器；为防止皮带产生松弛，需要安装有拉紧装置。

2.2.1液体软起动装置

液体粘性传动装置作为新近产品，是利用牛顿内摩擦定律以液体的粘性或油膜剪切力来传递动力，装置内部交叉布置着主动摩擦片和从动摩擦片，分别安装在主动轴和从动轴上。主动轴与电机相连，从动轴与负载相连。通过对装置中的加压活塞控制油压的调节，改变主、从摩擦片的油膜间隙来调节输出转矩，进一步调节电机的输出功率。根据液体粘性传动装置的工作原理，可以对带式输送机起到软起动的作用，以减小大负载起动时对电气和机械装置的冲击，对于多电机功率平衡问题的解决主要是通过改变液体粘性传动装置所配用液压站中各个电液比例阀中电流的大小，运用液体粘性装置中控制油压的改变来调节各电机的负荷大小，进而改变电机的电流，以使多台电机功率趋于一致或相差在允许的范围内[3]。

图2.1 液体粘性软启动装置机械图

液体粘性软起动装置可广泛的应用于煤矿井下带式输送机的软启动、调速和软制动过程，能极大的改善设备的起动、运行和停车性能，很好地消除对电气和机械设备的冲击，实现主机设备的的过载自动保护、功率均衡等功能，提高机械的工作效率和工作可靠性节省能源，降低设备使用成

本。

液体粘性传动装置主要由机械系统和液压系统两部分构成，液体粘性传动装置的液压系统由两部分组成:润滑供油系统和控制供油系统，两种供油系统使用同一油箱。润滑供油系统由粗过滤器、润滑泵电机、润滑泵、单向阀和压力表组成。润滑供油系统主要作用是向主从动摩擦片间充分供油形成工作油膜，并将有转速差时所产生的热量带走，通过冷却器将热量散掉，以保证液体粘性传动装置的正常工作。润滑系统的油压一般较低，由于在有转速差时，产生的热量大，所以要用大流量的润滑泵，以使润滑油液尽快带走热量，尽可能地减小摩擦片的磨损。控制供油系统由精过滤器、安全溢流阀、调速阀、单向阀、控制泵、控制泵电机、电液比例阀和粗滤油器组成。控制供油系统主要作用是向控制油缸中输入不同压力的工作油，以使主从摩擦片间传递不同的转矩和转速。在系统中溢流阀起到安全作用，系统在正常工作状态下，溢流阀关闭；当系统油压大于溢流阀所设定的压力时，溢流阀打开，多余的油液从溢流阀泄漏，达到保护系统的目的。在控制系统中，其关键部件是电液比例阀。调节通过电液比例阀中线圈的电流，达到调节油压的目的[4] [5] [6]。

2.2.2盘式制动装置

盘式制动装置主要是由制动盘和盘式制动器组成。为避免制动中产生火花，需限定制动盘的线速度。通过制动盘应与减速器的某一低速轴相连。也可以直接实现各种工作制动[7]。

盘式制动装置的制动力是由闸瓦与制动盘摩擦而产生的，因此调节闸瓦对制动盘的正压力可改变制动力。而制动器的正压力N的大小决定于油压P与弹簧的作用结果。当输送机正常工作时，油压P达到最大值，此时正压力N为0，并且闸瓦与制动盘间留有1—1.5mm的间隙，即制动器处于松闸状态。当带式输送机需制动时，控制系统控制液压站泵电机停

电，电液控制系统将按预定的液压自动调节方式减小油压已达到制动的要求。本设计选用KZP自冷盘式制动装置，在环境温度为30°C时，本装置每小时制动10次，盘的最高温度远小于150°C，并且无火花

表2.1 KZP自冷盘式制动装置电气接口

红24V电源

黑0V

绿0-5V信号

图2.2 压力传感器的电气接口

2.2.3输送机的六大保护

带式输送机的保护装置是用来保护机械系统能正常工作，防止各种事故发生。保护装置通过各种传感器、信号处理器和周围环境信号进行交换，使控制系统进行分析、判断和决策。保护装置是电控系统的重要部件，对带式输送机安全可靠的工作起着至关重要的作用，也是保证工人人身安全的重要保障。带式输送机常用的保护装置有：打滑、撕带、跑偏、超速、烟雾及其洒水装置、堆煤（煤位）等装置。

速显示控制仪（数字仪表）完成其使命，在数字仪表设置一个速度的上限和下限，然后与速度传感器送来的速度值相比较，可以判断皮带是否打滑；如果发生打滑则有故障显示，经延时进行保护。采用后者，所用元件少、线路简单，给使用和维修带来方便。在打滑保护中，采用的速度传感器为：防爆型SX-1型传感器。（图2.7）

SX-1型传感器是一种磁阻式传感器，主要由永久磁铁和缠绕其上的线圈组成。使用时，测速齿轮安装在专用的检测托辊端，当输送带运动时便带动托辊和齿轮一起转动。齿轮转动时，齿顶和齿隙交替的掠过传感器的端部，引起磁路的磁阻变化，使磁通量变化，在线圈中感应出近似正弦波的电动势。为了保证检测精度，一般输送带移动1m齿轮至少需要转过250个齿，齿数越多，其检测精度越高。但齿数过多将使齿轮外形尺寸增大。

(2)断带保护装置

对倾斜的输送机，当因事故输送带被拉断时，输送带和它上面的物料产

生下滑，发生堵塞。为防止输送带拉断后的下滑需设置捕捉器以进行断带保护。捕捉器的作用是断带时，自动动作抓住输送带，将输送带停下来，因而要求它应该反应迅速，有尽可能小的制动时间和制动距离。在输送带正常运行时不磨损输送带，不产生附加阻力，不降低输送机生产率。其工作可靠性不受输送带的物料装满程度和输送安装倾角影响。捕捉器可以采用楔形和滚轮等制动方式。

(3)跑偏保护

在输送机运转过程中，输送带受各种偏心力作用，使其轴线离开输送机中心线而偏向一边，这种现象称作输送带跑偏。跑偏会引起撒料、带边磨损，甚至使输送机不能正常工作。因此，为保证输送机的正常工作需要进行跑偏保护。

(4)超温烟雾洒水装置

该保护适用于煤矿井下胶带的驱动滚筒附近，以防打滑时皮带着火，同时实现电器设备的保护停机。

在此装置中温度传感器安装在皮带与传动滚筒之间的位置附近，当温度超过设定温度时，温度传感器控制端由高电平变为低电平，装置保护动作，电磁阀得电打开通过喷头喷水，达到降温的目的。烟雾传感器属气敏型，利用气敏元件对橡胶、煤燃烧的烟雾反应敏感的特性而设计制作的，当火灾产生的烟雾进入烟室时，浓度愈高气敏元件输出的电流愈大，因此可以利用传感元件输出电流的变化来探测烟雾的存在。

(5)堆煤保护

采用带有防漏环的煤位电极式传感器，通过煤位探头将煤位深度反应给装置，达到设置高度时就使输送机停止运转，以免造成事故。

（6）撕裂保护

KGV-12胶带纵向撕裂传感器主要用于煤矿井下胶带输送机的纵向

撕裂的检测，与ZJB-2D带式输送机保护箱配合使用可以实现井下胶带运输机的纵向撕裂保护。本传感器是利用红外传输原理，当传感器接受的物料高度超过30mm时，传感器的输出电平应为低电平且≤2V。无负荷时输出电平应为高电平且≥9V。

2.3带式输送机的电控系统的方案

带式输送机的电控系统的方案如下两种方式：

方案（一）单片机作为电控系统的控制软件

单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，在工业使用单片机可以构成形式多样的控制系统和数据采集系统。应用单片机硬件设计时要选择单片机内的功能单元，若片内ROM、RAM、I/O、定时器/计数器、中断系统等不能满足应用系统的要求时，必须进行在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。二是系统的配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、A/D、D/A 转换器等设计合适的接口电路。单片机软件设计很大程度上决定了系统的功能。软件的资源细分为系统理解部分、软件结构设计部分、程序设计部分。系统理解是指在开始设计软件前，熟悉硬件留给软件的接口地址，I/O 方式，确定存储空间的分配；应用系统面版控制开关、按键、显示的设置；软件结构设计要结合单片机所完成的功能确定相应的模块程序；此外单片机程序设计同样也要建立数学模型，选定数学算法。单片机的程序语言为汇编语言或C语言不容易熟悉与学习，而且编写程序比较复杂[5]。

方案（二）PLC作为电控系统的控制软件

可编程控制器产生是基于工业控制的需要，是面向工业控制领域的专用设备具有（1）可靠性高，抗干扰能力强；（2）灵活性强，控制系统具有良好的柔性；（3）编程简单，使用方便。梯形图是PLC重要的也是最普及的一种编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，

读者可以很快的掌握梯形图语言，并用来编制用户程序。（4）控制系统易于实现，开发工作量少，周期短；（5）维修方便，体积小，能耗低，功能强，性价比高。硬件方面，I/O单元是组成PLC系统的重要环节，包括数字量输入/输出单元和模拟量输入/输出单元。在PLC的配置方面首先需要考虑设备容量与性能是否任务相适应；其次要看PLC运行速度是否能够满足实时控制的要求。例如对于以开关量控制为主、带有部分模拟量控制的应用系统应配备模拟量I/O,并且选择运算功能较强的小型PLC,如西门子公司S7-200系列PLC。在自动运行过程中,PLC按编制的程序自动有序的控制带式输送机运行、停机、上制动闸、信号闭锁等过程,PLC 实时检测各种保护信号,参与带式输送机的开停控制,并把信号送模拟盘显示。两种控制软件的比较后，可以得出PLC比单片机更适合本课题，所以选择PLC作为带式输送机电控系统的控制软件[6]。PLC的工作原理图如2.4所示。

图2.4 PLC工作原理

3 输送机电控系统的硬件设计

3.1电控系统的框图组成

电气控制系统组要有TH5—24S操作台，防爆控制箱以及各种传感器组成，除此之外还包括液压控制站等。该电控系统不仅要实现了对带式输送机的软起动控制，而且当带式输送机为多点进行驱动时。与集控系统相结合可以实现近/远控起停输送机、常规保护(如跑偏、沿停、温度、烟雾、速度、煤位、撕裂保护等)以及可以实现对液体粘性软启动装置的保护。另外，可以对主要运行参数与故障类别进行显示。该系统既可进行自动控制也可实现手动控制，并且对系统的主要运行参量和设备工况采取了可视化实时监控，力求系统控制柔性化、显示数字化、操作简单化、结构模块化。

本控制系统的主要控制单元为可编程控制器PLC，选用CPU224XP 模块，安装在防爆控制箱中，该控制箱中还安装有控制输出用继电器和本安电源。该系统有自动和手动两种工作方式，自动控制工作方式时,操作台送控制信号给可编程控制器，可编程控制器通过事先编制的程序起动开关柜，按一定的联锁关系根据现场实际条件控制现场设备的开停，同时随时检测设备的开停状态。出现故障情况，送模拟盘上显示，供操作人员参考。手动控制工作方式时，操作台发控制信号给可编程控制器，可编程控制器通过起动开关柜控制现场设备的开停，各设备的开停与其它设备无联锁关系，模拟盘上还能显示设备运行状态。

本系统要求控制器能够按要求输出指令，与带速传感器、电流互感器连接构成闭环控制。PLC作为控制器，能够实现上述功能。由此得出电控系统的基本的组成框图如下：