基于PLC的分步斷帶保護(hù)裝置設(shè)計(jì)

李繼紅，苗運(yùn)江，巫 峰，張春光，姚建南，王麗威

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，徐州 221116）

0 引言

帶式輸送機(jī)是煤礦井下關(guān)鍵的運(yùn)輸設(shè)備之一。但由于膠帶的長(zhǎng)期高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)、頻繁啟停以及一些意外因素，如矸石直接砸膠帶或金屬物卡阻等，會(huì)造成金屬帶的突然斷裂。尤其對(duì)于現(xiàn)在應(yīng)用比較廣泛的鋼絲繩芯膠帶，由于鋼絲繩芯的銹蝕、斷裂或因膠帶硫化接頭鋼絲繩芯的抽動(dòng)，都有可能使膠帶發(fā)生橫向斷裂[1]。傾角大、距離長(zhǎng)、運(yùn)量大的上運(yùn)帶式輸送機(jī)，一旦發(fā)生斷帶下滑或逆止器失效造成的逆轉(zhuǎn)事故，就會(huì)摧毀托輥、邊管、機(jī)架電纜及電器設(shè)備和小件，造成膠帶和物料的大量堆積而停產(chǎn)，嚴(yán)重時(shí)甚至造成人員傷亡。因此，膠帶輸送機(jī)的安全保護(hù)設(shè)施是煤礦安全條例中極其重要的一環(huán)。國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局發(fā)布、自2005年1月1日正式施行的《煤礦安全規(guī)程》第375條第七款規(guī)定：“鋼絲繩芯帶式輸送機(jī)應(yīng)設(shè)帶式輸送機(jī)斷帶保護(hù)裝置”。

國(guó)內(nèi)目前使用最多的斷帶抓捕裝置可分為兩類，一類是抓邊式的斷帶抓捕裝置，另一類是全斷面抓捕裝置。它們的缺點(diǎn)是：均為一次制動(dòng)，制動(dòng)力大小不定，制動(dòng)時(shí)對(duì)皮帶的損傷較大，極易造成二次斷帶。為了解決上述技術(shù)存在的問題，本文提出一種帶式輸送機(jī)用分步斷帶保護(hù)裝置。

1 抓捕裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

分步式斷帶抓捕裝置結(jié)構(gòu)[2]如圖1所示,在帶式輸送機(jī)托輥10上多點(diǎn)安裝軸編碼器，PLC控制箱處理采集來的信號(hào)，若判斷出斷帶發(fā)生，則發(fā)送指令給動(dòng)力開關(guān)和電磁換向閥23，動(dòng)力開關(guān)使驅(qū)動(dòng)滾筒停止工作，同時(shí)電磁換向閥23啟動(dòng)液壓缸22推動(dòng)曲柄26，使上前軸12轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，此時(shí)預(yù)緊螺母19已根據(jù)實(shí)際工況需求調(diào)節(jié)完畢彈簧16的預(yù)緊量，第一抓捕爪14在上前軸12和上膠帶13的共同作用下回轉(zhuǎn)并與上膠帶逐漸脫離，上膠帶帶速有了一定的下降，液壓缸22繼續(xù)前推，使上后軸28繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，在上鏈輪11、下鏈輪4和鏈條5的作用下，上后軸28和下軸2同步轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，此時(shí)第二抓捕爪29、下抓捕爪3分別貼緊上膠帶13、下膠帶6，由于第二抓捕爪29和下抓捕爪3為偏心圓柱弧面，具有自鎖功能，故可將斷帶迅速制動(dòng)夾緊。

箭頭A的方向?yàn)閿鄮Ш竽z帶運(yùn)行方向，在帶式輸送機(jī)維護(hù)完畢工作之前，操作電磁換向閥23使液壓缸25工作，當(dāng)?shù)谝蛔ゲ蹲?4、第二抓捕爪29和下抓捕爪3離開膠帶一定距離后，鎖定換向閥。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)原理

在帶式輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)，需要檢測(cè)驅(qū)動(dòng)滾筒表面線速度和膠帶速度的差值，該值可以通過安裝在驅(qū)動(dòng)滾筒和托輥上的軸編碼器進(jìn)行測(cè)量[3]。西門子S7-200PLC具有指令豐富、功能強(qiáng)大和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，其中CPU224具有6個(gè)高速計(jì)數(shù)器，故可布置6個(gè)軸編碼器，其中1個(gè)固定在驅(qū)動(dòng)滾筒上，剩余5個(gè)固定在托輥上，布置多個(gè)軸編碼器在托輥上可以增大速度的采集范圍。具體布置

圖1 抓捕裝置結(jié)構(gòu)圖

方式和電控系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)組成

其原理是設(shè)定時(shí)間Δt，通過定時(shí)中斷，利用PLC 的高速脈沖計(jì)數(shù)器記錄軸編碼器發(fā)出脈沖信號(hào)的數(shù)量n1、ni（i=2, 3, 4, 5, 6）。在本系統(tǒng)中，六個(gè)軸編碼器與驅(qū)動(dòng)滾筒及五個(gè)托輥分別同軸，且為同一型號(hào)，其分辨率 （每轉(zhuǎn)發(fā)出的脈沖信號(hào)數(shù)量）為N。通過計(jì)算，可以得出傳動(dòng)滾筒及改向滾筒的速度為

式中：i——固定在托輥上軸編碼器的數(shù)量；

v1、vi——傳動(dòng)滾筒及改向滾筒表面的線速度，m/s；

n1、ni——驅(qū)動(dòng)滾筒、軸編碼器處在時(shí)間Δt內(nèi)，軸編碼器發(fā)出的脈沖的數(shù)量，P；

D1、D2——傳動(dòng)滾筒和改向滾筒的直徑，m；

Vt——設(shè)定的時(shí)間，s；

N——軸編碼器的分辨率，P/s。

若

式中l(wèi)1、l2分別為驅(qū)動(dòng)滾筒和軸編碼器之間的配合參數(shù)。

如果Vvi≥e，e為允許滑動(dòng)速度極限值，則報(bào)警并斷開動(dòng)力開關(guān)，停止驅(qū)動(dòng)滾筒，并打開電磁換向閥，使蓄能器給液壓缸供油并觸發(fā)后續(xù)的抓捕制動(dòng)動(dòng)作。

2.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

由控制原理可知，本系統(tǒng)采用的西門子S7-200CPU224，自帶輸入點(diǎn)數(shù)為14點(diǎn)，輸出為10點(diǎn)，有7個(gè)擴(kuò)展模塊，6個(gè)計(jì)數(shù)器（30kHz）和2個(gè)RS-485通信口。具有PPI通信協(xié)議、MPI通信協(xié)議和自由口協(xié)議的通信能力，功能強(qiáng)、運(yùn)行速度快，適用于中小型控制系統(tǒng)[4]。根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，系統(tǒng)需要6個(gè)數(shù)字輸入量，3個(gè)數(shù)字輸出量。PLC的I/O地址分配如表1所示。

3 結(jié)束語

本文提供了一種煤礦井下帶式輸送機(jī)用分步制動(dòng)裝置，可以有效防止斷帶事故的發(fā)生，盡可能的減少由于斷帶造成的經(jīng)濟(jì)損失。筆者通過對(duì)膠帶工作原理的分析，設(shè)計(jì)了一套基于PLC的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。該裝置操作簡(jiǎn)單，多爪聯(lián)動(dòng)，抓捕可靠，自動(dòng)化程度高，具有重要的社會(huì)效益和一定的推廣價(jià)值。

[1] 李允旺, 苗運(yùn)江, 王秀元, 陳雅閣. SPDB-I型上運(yùn)帶式輸送機(jī)斷帶保護(hù)裝置的研制[J]. 煤礦機(jī)械, 2006, 27(3):477-479.

[2] 蔡瑜. 膠帶輸送機(jī)液壓執(zhí)行斷帶抓捕裝置[P]. 中國(guó), ZL 200520075548. 9, 2006-12-07.

[3] 葉圣偉, 苗運(yùn)江, 李婷, 張傳輝. 基于PLC的摩擦提升機(jī)鋼絲繩防滑制動(dòng)[J]. 礦山機(jī)械, 2011, 39(1): 53-56.

[4] 張廣明, 李果, 朱煒. 機(jī)電系統(tǒng)PLC控制技術(shù)[M]. 北京:國(guó)防工業(yè)出版社, 2007.