基于PLC的分步断带保护装置设计

李继红，苗运江，巫 峰，张春光，姚建南，王丽威

（中国矿业大学 机电工程学院，徐州 221116）

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[1]。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2005年1月1日正式施行的《煤矿安全规程》第375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[2]如图1所示,在带式输送机托辊10上多点安装轴编码器，PLC控制箱处理采集来的信号，若判断出断带发生，则发送指令给动力开关和电磁换向阀23，动力开关使驱动滚筒停止工作，同时电磁换向阀23启动液压缸22推动曲柄26，使上前轴12转动一定角度，此时预紧螺母19已根据实际工况需求调节完毕弹簧16的预紧量，第一抓捕爪14在上前轴12和上胶带13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22继续前推，使上后轴28继续转动，在上链轮11、下链轮4和链条5的作用下，上后轴28和下轴2同步转动一定角度，此时第二抓捕爪29、下抓捕爪3分别贴紧上胶带13、下胶带6，由于第二抓捕爪29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23使液压缸25工作，当第一抓捕爪14、第二抓捕爪29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[3]。西门子S7-200PLC具有指令丰富、功能强大和可靠性高等优点，其中CPU224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

图1 抓捕装置结构图

方式和电控系统原理如图2所示。

图2 控制系统组成

其原理是设定时间Δt，通过定时中断，利用PLC 的高速脉冲计数器记录轴编码器发出脉冲信号的数量n1、ni（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N。通过计算，可以得出传动滚筒及改向滚筒的速度为

式中：i——固定在托辊上轴编码器的数量；

v1、vi——传动滚筒及改向滚筒表面的线速度，m/s；

n1、ni——驱动滚筒、轴编码器处在时间Δt内，轴编码器发出的脉冲的数量，P；

D1、D2——传动滚筒和改向滚筒的直径，m；

Vt——设定的时间，s；

N——轴编码器的分辨率，P/s。

若

式中l1、l2分别为驱动滚筒和轴编码器之间的配合参数。

如果Vvi≥e，e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S7-200CPU224，自带输入点数为14点，输出为10点，有7个扩展模块，6个计数器（30kHz）和2个RS-485通信口。具有PPI通信协议、MPI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[4]。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。PLC的I/O地址分配如表1所示。

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PLC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。

[1] 李允旺, 苗运江, 王秀元, 陈雅阁. SPDB-I型上运带式输送机断带保护装置的研制[J]. 煤矿机械, 2006, 27(3):477-479.

[2] 蔡瑜. 胶带输送机液压执行断带抓捕装置[P]. 中国, ZL 200520075548. 9, 2006-12-07.

[3] 叶圣伟, 苗运江, 李婷, 张传辉. 基于PLC的摩擦提升机钢丝绳防滑制动[J]. 矿山机械, 2011, 39(1): 53-56.

[4] 张广明, 李果, 朱炜. 机电系统PLC控制技术[M]. 北京:国防工业出版社, 2007.