露天煤礦用皮帶運輸機的智能控制監(jiān)控系統(tǒng)的研究

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)設備，它主要應用于工業(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。

一、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，采用轉矩傳感器進行檢測。而針對皮帶的縱向撕裂選取縱撕開關，針對皮帶跑偏，選取跑偏開關。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。輸出的結果再傳送回PLC，進行信號變換，最后再傳送給執(zhí)行機構，控制執(zhí)行機構的運動。縱撕開關與跑偏開關輸出的是數(shù)字信號，執(zhí)行相同的過程。當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。當出現(xiàn)故障的時候，預警電路立即動作，預警鈴聲響并發(fā)出預警燈亮，以提醒現(xiàn)場工作人員采取相應的有效措施，使系統(tǒng)可以盡快地恢復到正常工作狀態(tài)，有利于盡快恢復生產(chǎn)。如果所采取的措施沒有產(chǎn)生作用，電機輸出的轉矩會持續(xù)降低，當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，預警鈴聲響并發(fā)出預警燈亮，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，這時預警電路動作，預警鈴聲響并發(fā)出預警燈亮。當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。

二、控制系統(tǒng)的硬件設計

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。可編程控制器是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，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。可編程控制器及其有關的外圍設備都應按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體、易于擴展其功能的原則而設計。可編程控制器為了適應工作需要及工業(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。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，電機的轉速和力矩是由轉矩轉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，分別是電機啟停控制信號，自動手動控制切換信號，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內部的特殊處理，最后可以計算出皮帶運輸機轉矩的大小。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內部經(jīng)過PID運算以后，通過數(shù)字量輸出模塊，輸出開關量信號，去控制電機的啟停。

三、控制系統(tǒng)軟件的設計

（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)應用軟件框架，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)應用軟件框架

（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，此時可以采用調用DOS下的應用程序和調用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)主要是通過采用標準結構化的查詢語言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定SQL查詢語句的內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)格式和結構化查詢語言SQL。

四、上位機和PLC的通信

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)已廣泛應用于機電一體化產(chǎn)品等很多領域。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。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。應用RS85可以聯(lián)網(wǎng)構成分布式系統(tǒng)，其允許最多并聯(lián)32臺驅動器和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。

參 考 文 獻

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