基于PLC的分步断带保护装置设计.pdf

务l 匐 似 基于P L C 的分步断带保护装置设计 Desi gn o f s t ep by st ep bel t-br oken pr ot ect i v e de vi ce bas ed on PL C 李继红，苗运江，巫峰，张春光，姚建南，王丽威 L l J i - h o n g ， MI A O Y u n - j ia n g ， WU F e n g ， Z H A NG C h u n - g u a n g ， Y A O J i a n - n a n ， WAN G L i - we 中国矿业大学 机电工程学院，徐州 2 2 1 1 1 6 摘要 带式输送机是煤矿井下运送物料的关键设备之一，由于煤矿井下复杂的工况，胶带会发生断 带且危害巨大。该装置以P L C 为控制核心 ，机械抓捕结构引入分步制动的思想，可有效地 避免抓捕时对胶带造成的二次撕裂。通过对其工作原理的分析，详细介绍了对控制系统的要 求 ，并设计了基于PL C 控制系统的软硬件设计。该装置利用PL C对胶带实时监控 ，响应灵 敏 ，抓捕迅速，具有一定的实用性。 关键词 断带保护；分步制动；P L C 中图分类号T D 6 2 8 文献标识码A Do i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． i s s n ． 1 0 0 9 0 1 3 4 ． 2 0 1 2 ． 7 下 ． 4 O 0 引言 带式输送机是煤矿井下关键的运输设备之一。 但 由于胶 带 的长期 高 负荷运 转、频 繁 启停 以及 一 些意外 因素 ，如矸石直接砸胶带或金属物卡阻 等 ，会造成金属带的突然断裂。尤其对于现在应 用 比较广泛 的钢丝绳芯胶带，由于钢丝绳芯 的锈 蚀 、断裂或因胶带硫化接头 钢丝绳芯的抽动，都 有可能使胶带发生横 向断裂 n 】 。倾角大 、距离长、 运 量大的上运带式输送机 ，一旦发生断带下滑或 逆 止器失效造成 的逆转事故 ，就会摧毁托辊、边 管、机架 电缆及 电器设备和小件 ，造成胶带 和物 料的大量堆积而停产 ，严重时甚至造成人员伤亡。 因此 ，胶带输送机的安全保护设施是煤矿 安全 条 例中极其重要的一环。国家煤矿安全监察局发布 、 自 2 0 0 5年 1月 1日正式施行 的 煤 矿安全规程 第 3 7 5条第七款规定 “ 钢 丝绳芯带式输送机应设 带式输送机断带保护装置” 。 国内 目前使用最多的断带抓捕装置可分为两 类 ，一类是抓边式 的断带抓捕装置 ，另一类是全 断面 抓捕 装置。它们的 缺点是 均为一 次制动 ， 制动力大小不定 ，制动时对皮带 的损伤较大 ，极 易造成二次断带。为 了解决上述技术存在 的问题， 本文提出一种带式输送机用分步断带保护装置。 1 抓捕装置结构设计 分步 式断带抓捕 装置结构 如 图 l 所示 ， 在 带式输送机托辊 1 0上 多点安装轴编码器 ，P L C控 制箱处理采集来的信号 ，若判 断出断带 发生，则 文章编号1 0 0 9 -0 1 3 4 2 0 1 2 0 7 下 -o l 2 5 - 0 2 发送指令给动力开关和电磁换 向阀 2 3 ，动力开关 使驱动滚筒停止工作，同时电磁换 向阀 2 3启动液 压缸 2 2推动 曲柄 2 6 ，使上前轴 l 2转动一定角度 ， 此时预紧螺母 1 9已根据实际工况需求调节 完毕弹 簧 1 6的预紧量 ，第一抓捕爪 1 4在上前轴 1 2和上 胶带 1 3的共 同作用下回转 并与上胶带逐渐脱 离， 上胶带带速有了一定的下降，液压缸 2 2 继续前推 ， 使上后轴 2 8继续转动 ，在上链轮 l 1 、下链轮 4和 链条 5的作用下 ，上后轴 2 8和下轴 2同步转动一 定 角度 ，此时第二抓捕爪 2 9 、下抓捕爪 3分别贴 紧上胶带 1 3 、下胶带 6 ，由于第二抓捕爪 2 9和下 抓 捕爪 3为偏心 圆柱弧面 ，具 有 自锁功能 ，故可 将断带迅速制动夹紧。 箭头 A的方向为断带后胶带运行方向，在带式 输送机维护完毕工作之前 ，操作电磁换向阀 2 3使 液压缸 2 5工作，当第一抓捕爪 1 4 、第二抓捕爪 2 9 和下抓捕爪 3 离开胶带一定距离后，锁定换向阀。 2 控制系统设计 2 ． 1 控制系统原理 在带式输送机运行时，需要检 测驱动滚筒表 面线速度和胶带 速度的差值 ，该值可以通过 安装 在驱动滚筒和托辊上 的轴编码器进行测量 。西 门子 S 7 2 0 0 P L C具 有指令丰富 、功能强大 和可靠 性高等优 点，其 中 C P U2 2 4具有 6个高速计数器 ， 故可布置 6个轴编 码器，其 中 1 个 固定在 驱动 滚 筒上 ，剩余 5个 固定在托辊上 ，布置 多个 轴编码 器在托辊上可 以增大速度的采集范 围。具体布 置 收稿日期2 0 1 1 -1 2 - 2 2 作者简介李继红 1 9 9 0 一，甘肃平凉人，硕士研究生，研究方向为机械设计及理论。 第3 4 卷第7 期2 0 1 2 7 下 [ 1 2 5 ] 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 訇 似 1 ． 支架 ；2 ． 下轴；3 ． 下抓捕 爪；4 ． 下链轮 ；5 ． 链条 ；6 ． 下 胶带 ； 7 ． 下横梁 ；8 ． 上横梁 l 9 ． 托辊支架 ；1 O ． 托辊 }l 1 ． 上链轮 ；l 2 ． 上 前轴 ；1 3 ． 上胶带 ‘1 4 ． 第一抓捕爪 I l 5 ． 下挡 圈l 1 6 ． 弹簧 ；l 7 ． 垫 圈 ；1 8 ． 上挡圈 ，1 9 ． 预紧螺母 ；2 O ． 套筒组件 l 2 1 ． 液压 缸座 ；2 2 ． 液压缸 ，2 3 ． 电磁换向阀 ，2 4 ． 截 止阀；2 5 ． 蓄能器 t 2 6 ． 曲柄 ，2 7 ． 摇杆 ；2 8 ． 上后轴 l 2 9 ． 第二抓捕爪 图1 抓捕装置结构 图 方式和电控系统原理如图 2所示 。 1 ． 抓捕机构 }2 ． 托辊 ；3 ． 轴编码器 l 4 ． 驱动滚筒 5 ． 动力开关 l 6 ． P L C 控制柜 图2 控制系统组成 [ 1 2 6 1 第3 4 卷第7 期2 0 1 2 7 下 其原理 是设定时间 △ f ，通过定时 中断 ，利 用 P L C的高速脉冲计数器记录轴编码器发 出脉冲信 号的数量 n 、n i 2 ， 3 ， 4 ， 5 ， 6 。在本系统 中，六 个轴编码器与驱动滚筒及五个托辊分别同轴 ，且 为 同一型号 ，其分辨率 每转发 出的脉冲信号数 量为 Ⅳ。通过计算 ，可 以得 出传动滚筒及改向滚 筒的速度为 n， 万 _ NVt V i-- - n J IV i r c v D f z 2 ， 3 ， 4 ， 5 ， 6 式中 固定在托辊上轴编码器的数量 ； v 、v 一传动 滚筒及改 向滚筒表 面的 线速度 ，m ／ s ； r l 、 广一 驱动滚筒、轴编 码器处在时 间 内，轴编码器发出的脉冲的数量，P； J D 。 、 D 2 传动滚筒和改向滚筒的直径， m； Vt 设定的时间，S ； 轴编码器的分辨率， 。 若 ， ri D , f l 1 死D， 则滑动速度 V I 一 l Vf 式 中 Z 卜 f 2 分别为驱动滚筒和轴编码器之间的 配合参数 。 如果 Vv ≥ s ，￡为允许 滑动速 度极 限值 ，则 报警并断开动力开关，停止驱动滚筒，并打开 电 磁换 向阀，使蓄能器给液压缸供油并触发 后续 的 抓捕制动动作。 2 ．2控制系统硬件设计 由控制 原理 可知 ，本 系统 采用 的西 门子 S 7 2 0 0 C P U2 2 4 ，自带输 入 点数为 l 4点 ，输 出为 1 0 点，有 7 个扩展模块，6个计数器 3 0 k H z 和 2 个 R S 一 4 8 5通信 口。具有 P P I 通信协议、MP I 通信 协议和 自由口协议 的通信能力 ，功能强、运行速 度快 ，适 用于 中小型控制 系统 H 】 。根据系统的控 制要求，系统需要 6 个数字输入量 ，3个数字输出 量。P L C的 I ／ O地址分配如表 1 所示。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 訇 似 表1 P ／ C的I ／ O地址分配 序号 输入设备 编程地址 输出设备 编程地址 1 驱动滚筒处轴编码器 I O _0 电磁换向阀 Q 0 ．0 2 托辊处轴编码器1 1 0 ． 1 声光报警 Q 0 ． 1 3 托辊处轴编码器2 1 0 _ 3 动力开关 Q o ． 2 4 托辊处轴编码器3 1 0 -4 5 托辊处轴编码器4 1 0 ．6 6 托辊处轴编码器5 I 1 ．2 3 结束语 本文提供 了一种煤矿井下带式输送机用分步 制动装置 ，可以有效防止断带事故 的发生 ，尽可 能 的减 少由于断带造成的经济损失。笔者通过对 胶带工作原理 的分析 ，设计了一套基于 P L C的 自 动化控制 系统。该装置操作简单，多爪联动 ，抓 捕可靠 ，自动 化程 度高，具有重要的社 会效益和 一 定的推广价值。 参考文献 [ 1 】李允 旺， 苗运 江， 王秀 元， 陈雅 阁． S P DB I 型上运带 式 输送机断带保 护装置的研制【 J ] ． 煤 矿机械， 2 0 0 6 ， 2 7 3 4 7 7 4 7 9 ． [ 2 】蔡瑜． 胶带输送机液压执行断带抓捕装置【 P 】 ． 中国， Z L 2 0 0 5 加 0 7 5 5 4 8 ． 9 ． 2 0 0 6 1 2 - 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7 下 1 1 2 7 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m