基于PLC的带式输送机在线监测系统设计.pdf

2 0 1 0 年第3 期煤矿机电 4 1 基于P L C 的带式输送机在线监测系统设计 刘书龙1 ，陆寅2 1 ．中煤集团中国煤炭进出口公司，北京1 0 0 0 l l ；2 ．天地科技股份有限公司上海分公司，上海2 0 0 0 3 0 摘要为保障带式输送机在井下安全运行，设计了一种基于P L C 的钢丝绳芯输送机在线监测 系统。该系统可以实时的监测输送机跑偏、打滑、撕裂、锈蚀、脱胶、抽动和断裂故障，并能进行同步 分析和判断。设计中应用S I E M E N S P L C 、s T E P 7 一M i c r W I N 和组态王软件，提供良好的入机界面，可 达到一机多测，具有很强的实用性。 关键词钢丝绳芯带式输送机；信号；电磁感应；在线监测系统 中图分类号T D 5 2 8 ；删文献标识码B文章编号1 0 0 l 一0 8 7 4 2 0 1 0 0 3 0 0 4 l 一0 4 D e s i g nO fO n I i n eM O n i t Or ．n gS y s t e mO fU n d e r g r O u n d B e I tC O n V e y O rB a s e dO nP L C 王J US h M - f 0 ，曙1 ，L U - 托矛 1 ．C h i 鹏C 0 a lI m p o n s 锄dE x 叫sC o ．，【厢．，C h i 腿N a t i 叽a lC o a lG f o u pC o r p ．B e i j i n g1 0 0 0 1 l ，C h i m ； 2 ．s h 鲫g l l a iB 姗c ho fT i 彻d is c i e n c e 如d ‰h n o l o 黟c o ．，Ⅲ．，S I l a n g I l a i2 0 0 0 3 0 ，c h i 船 A b S t f ．a C t D e s i 印a r Io n l i n em o n i t o r i n gs y s t e mo fb e l tc o n v e y o rt oe n s u r et I l eb e hc o n V e y o ri n 鲴f e t yo p e r a t i o n u n d e 置g r o u n dc o a Jm i n e ．T h es y s t e mi sa b l et om o n i t o ri nr e a lt i r n et h ef 缸l u r e so fd e v i a t i o n ，s h i p ，t e a r i n g ，r u s t ， d e g u m m i n g ，v e l l i c a t e 粕df h c t u r i n go fb e hc o n V e y o r ，a n dt om a k et h ea n 射y s i sa n dj u d g m e n tf o rs y n c h r o n i 船t i o n ． T h ed e s 洒印p l i e dt ot h eS I E M E N S P L C ，S r I ．E P 7 - M i c r W I Na n dC o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ep r o V i d e sal l i c eh u 加a n m a c h i n ei n t e r f a c et oa c h i e v et h ep u 甲。号eo fo n es y s t e m 诵t ham u l t i m e a s u r i n ga n das t r o n gp r a c t i c a b i l 毋． K e y w O r d s c o n v e y o r ；s i g n a l ；e l e c t r o m 硼p e t i ci n d u c t i o n ；o n l i n em o n i t o r i n gs y s t e m 1 基于西门子P L c 的系统特点 1 主要特点 本系统通过基于西门子P L C s 7 - 2 0 0 可编程控 制系统，将整个系统有机的结合在一起。当输送机 发生故障时，P L C 接收到故障信号并进行同步的故 障处理，同时通过P L c 与主机上的组态系统连接， 工作人员可在主机上监测到P L C 信号，即输送机的 工作情况，并通过组态系统将工作人员的操作执行 到输送机上，实现输送机的故障监测和故障排除。 系统的功能特点为 1 对故障进行反馈和调节。在整个输送机在 线监测系统中，P L Cs 7 ．2 0 0 与E M 2 3 5 模拟量模块是 连接系统硬件的枢纽装置，P L c 通过R s 4 8 5 接口与 主机的R s 2 3 2 接口连接起来，负责输送机故障信号 的接收、执行和传送工作。运用S 7 捌与E M 2 3 5 可分别进行输送机数字量和模拟量信号的接收和输 出工作，对故障进行反馈和调节。 2 同步监测。为满足井下生产集成化和自动 化的要求，该系统将输送机表面的基本故障 跑偏、 打滑、撕裂、断裂 和输送机内部的折旧性故障 抽 动、脱胶、锈蚀 有机地结合在一起进行同步监测。 可有效达到一机多测的目的。 2 监测系统信号工作原理 、 由磁铁发出的磁信号加载到输送机上，输送机 反射该信号到信号处理系统 包括霍尔传感器等电 流信号处理装置 ，信号处理系统进行整合后输出 到P L C 模拟量模块上，同时输送机上的跑偏等开关 装置输出数字量信号到s 7 - 2 0 0 ，最后由P L C 程序判 断输送机的工作情况并执行逆向指令给输送机电动 机。通过眦与主机的信号互联，监控人员可以在 计算机上实时观测到输送机的运行情况并进行指令 万方数据 4 2 煤矿机电 2 0 1 0 年第3 期 发布。信号工作原理见图l 。 图l 信号流向工作原理图 2 输送机在线监测系统设计 1 系统硬件配置 系统硬件的连接顺序为由钢丝绳芯输送机经 霍尔传感器 下面配置有防震橡胶，后面配置有 70 0 0G s 以上永久磁铁 、电压信号隔离器、低通滤 波器到电压变换器，再由采样保持元件、E M 2 3 5 、 P L C R s 4 8 5 接口 到计算机 R S 2 3 2 接口 。硬件连 接顺序图见图2 。 主机 组态系统 I R S 4 8 5 图2 硬件连接顺序图 带式输送机 2 系统原理 输送机的故障情况分为数字量信号监测与模拟 量信号两种情况进行监测其一为数字量信号监测。 由输送机上的跑偏、打滑、撕裂开关提供数字量信号 给S 7 _ 2 0 0 ，再由P L C 进行信号处理及反馈调节，该 种监测过程简单，连接方便；其二为模拟量信号监 测。该种监测基于电磁感应原理，针对输送带的断 裂、抽动、脱胶和锈蚀故障四种模拟量信号，通过霍 尔传感器将模拟量信号输入到模拟量模块E M 2 3 5 上，再通过模数转换进行信号处理。这两种监测方 法所得到的信号都统一在P L c 和组态系统中进行 整合，以实时监测输送机的工作情况。 1 电磁感应原理。由图2 所示，将霍尔传感器 放置在输送机的上机头处，在传感器后面放置一块 可提供70 0 0G s 以上的磁铁。这样，磁铁在铁芯中 产生磁场，铁芯、空气隙 包括输送带层 和输送带 中的钢丝绳芯形成一个磁路，传感器内磁敏元件的 磁通大小与上述三者的磁阻有关。当被测输送带中 的钢丝绳芯锈蚀、脱胶、抽动、断裂时，相对截面减 小，磁阻变大，通过磁敏元件的磁通量也就随之变 小，与之相应的输出电压值u 也变小，电压与电流 转换后，电流，也随之变小。公式为M ／西 ∥舢 式中以为磁动势；西为磁通量；￡为绳芯长度； s 为绳芯截面积 。这样通过检测模拟量电流，值变 化大小，可以对输送带中的钢丝绳芯的锈蚀等情况 进行无损在线监测。 2 故障判断原理。E M 2 3 5 只能接收标准电流 信号，一般为4 2 0I n A 。由电磁感应原理得到的电 流I 通过信号处理装置经过滤波、隔离、比例放大后 转换成介于4 2 0H △之间的标准电流值输入到 E M 2 3 5 再进行故障判断。采取电流值对比方法判 断输送机发生何种故障所要检测的故障量断裂、抽 动、脱胶、锈蚀情况是按照顺序发生的，一般情况下 输送带是先发生锈蚀，然后是脱胶，随之是抽动，最 后才是断裂，故电流信号是按照上述顺序依次减小。 按照以往的经验，假设输送机正常工作时输入到模 拟里模块中的电流是1 6m A ，这样设当P L C 检测到 得电流信号是1 2 1 6m A 时，输送带发生锈蚀；1 0 ～1 2m A 时，输送带发生脱胶；8 一1 0I n A 时，输送带 发生抽动；4 6m A 时，输送带发生断裂故障。这样 四种故障都可以根据P L c 检测到的电流信号反应 出来，就完成了输送机工作情况的监测。 3 模数转换原理。由于P L C 内部编程时只能 针对数字量进行编程，而输入到E M 2 3 5 的电流值 例如1 4m A 是模拟量，为了使编程能够顺利进 行，要将模拟量转换成能够编程的对应数字量，再通 过比较才能得到开关量l 或0 ，用开关量执行信号 对系统电路进行控制。模数转换过程设模拟量为 A ，范围即为A o A 。，实时模拟量量为x ；标准数字 量是岛一B 。，实时数字量为l ，；A ／D 转换数值为c 0 一C 。，实时数值为z 。如此，‰对应于A 0 ，口。对应 于A 。，y 对应于X ，及y 八x 。由于是线性关系， 得出方程式为y B 。一B o X A 。 ／ A 。一A o ‰。又由于是线性关系，经过A ／D 转换后的数学 方程z ， 石 可以表示为z c m c 0 X A o ／ A 。一A 。 c o 。那么就很容易得出逆变换的 方程X A 。一A 。 Z c 0 ／ C 。一c o A o 。方 程中计算出来的x 是模数转换完成后的数字量信 息，这样便可以进行编程。 万方数据 2 0 1 0 年第3 期煤矿机电 4 3 3 系统控制过程 整个控制电路由P L C 、电动机、继电器、开关和 故障灯组成。P L c 接收模拟量电流后通过编程转换 为开关量，将P L C 的输出接口接入控制电路中，通 过开关量来控制线路中电磁开关的开与关，从而控 制继电器和电动机的开与关。当P L C 接收跑偏、打 滑、撕裂或断裂信号时，对应的输出接口用开关量信 号控制相对应的继电器K A 状态变化，从而继电器 K M 状态发生变化，最后电动机的开关K M 断开，输 送机停止。当P L C 接收模数转换后的抽动、脱胶或 锈蚀信号时，由于此种情况的严重性不足以使输送 机停止，故障灯亮即可。系统控制过程如图3 所示。 雠 K AK AK AK A 正] 旺] 叱] 旺] {} {} { ZZZZ t}／ W 匝 ] 匣执行信号输出 P L CS 7 2 0 0 fff E M 2 3 5 跑偏打滑撕裂 f 模拟曼 带式输送机 跑偏、打滑、撕裂开关 图3 系统控制电路图 4 系统工作流程 系统工作流程如图4 所示。 1 输送机启动后，选择工作模式，手动或者自 动。两种模式都能够实现输送机的启动或停止。 2 选择自动模式后，P L C 工作并采集传感器接 受的信号。 3 P L C 对信号进行分析，判断是何种故障，并 执行相应的操作，输送机停止工作或者故障灯亮。 4 判断出故障后，对故障处进行检修。若故障 未检修完善，则重新进行故障检修；若故障已检修完 善，则启动输送机，同时进行采集信号的下一个循 环。 3 组态系统 选择组态王软件作为输送机在线监测系统的组 态软件。软件界面配置有输送机、故障开关、传感 器、P L C 、控制按钮、信号灯和数据调用系统，监控人 员可以通过组态系统的主界面实现对输送机运行情 况的曲线和数据的调用，同时又能对输送机进行自 动和手动的控制。该系统与P L c 兼容性好，编程简 单，能够实现自动化监测。 图4 系统工作流程图 4 系统功能 1 能够实时显示钢丝绳芯输送机发生的跑 偏、打滑、撕裂、断裂、抽动、脱胶、锈蚀等故障情况， 人机界面实时报警，提醒监控人员输送机发生故障。 2 能够实时判断输送机发生故障的位置，方 便工作人员到现场检查故障程度，排除故障。 3 人机界面可以对输送机进行手动和自动的 及时启动和停止输送机。 4 组态系统可以实时检测和观测输送机运行 时的曲线和数据，方便监控人员分析输送机的运行 情况，以判断输送机何时何处发生故障，同时可以保 存历史曲线和历史数据，用来与实时数据进行对比。 5 P L c 仿真系统用来判断P L C 的工作是否 正常运行。 6 电路、硬件和程序有机而紧密的结合在一 起形成整体，可以投入生产。 5 结语 本设计的产品可以准确、实时地对钢丝绳芯输 送机接头及局部损伤进行在线监测、分析，并提供准 确的损伤依据，便于及时组织检修，为防止断带事故 的发生提供了保障。 下转第4 6 页 万方数据 4 6 煤矿机电 2 0 1 0 年第3 期 控系统如图5 所示，D S l 8 2 0 采用寄生电源供电方统成本。 式。键盘扫描和动态扫描的显示共用一片可编程接 口芯片8 2 7 9 ，显示采用8 位共阴极L E D 数码管，用 来显示通道数、温度测量值以及上限T H 、下限1 L 的值，用扬声器做报警器，从而实现了对6 个不同车 间和办公楼的防火监控。 3 系统软件设计 软件设计包括与所选硬件相匹配的应用软件的 选择及运行程序的设计。程序设计主要有初始化命 令、传送R O M 命令、传送R A M 命令、数据交换命令 四个步骤。无论是单点还是多点温度检测，在系统 安装及工作之前，应将主机逐个与D S l 8 2 0 挂接，读 出其序列号。其工作过程为主机发出一个脉冲，待 “O ”电平大于4 8 0 斗s 后，复位D S l 8 2 0 ，在D S l 8 2 0 所 发响应脉冲由主机接收后，主机再发读R O M 命令 代码3 3H ，然后发一个脉冲 1 5 仙s ，并接着读取 D s l 8 2 0 序列号的一位 低位在前 ，用同样方法读 取序列号的5 6 位 高位在后 。另外，由于D S l 8 2 0 单线通信功能是分时完成，故系统对D s l 8 2 0 和各 种操作必须按协议进行，即初始化D S l 8 2 0 发复位 脉冲 一发R O M 功能命令_ 发存储器操作命令． 处理数据。系统对D s l 8 2 0 操作的总体流程图如图 6 所示。 3 结语 目前大多数传感器系统采用放大一传输一数模 转换的处理模式，这种模式一般要占用数条数据／控 制线，限制了单片机功能的扩展。针对这种缺陷，本 系统选用数字化温度传感器D S l 8 2 0 ，采用单总线协 议，即在一根总线上挂串若干器件，与微机接口仅占 用一个L ／O 端口，无需任何外部元件，直接将多路温 度转化成数字信号，并以9 位数字码方式串行输出， 从而大大简化了传感器与微处理器的接口。这种连 线可解决实际控制、通信和供电等多路采集、多条数 据／控制线的问题，不仅简化了设计，而且降低了系 ’＼2 塑， l 复位D S l 8 2 0 ● 发出搜索R O M 命令 ● ．读在线D s l 8 2 0 序列号 ．， Y 存在一个D s l 8 2 0 7 N 初始化D S l 8 2 0 ● 启动所有在线D S l 8 2 0 作温度A ／D 转换 发跳过R O M 命令 发转换命令 圃 ●1 初始化D S l 8 2 0 ● 执行期间匹配命令 ．发一个D s l 8 2 0 序列号I 发读暂存R A M 命令 ● 读匹配的D s l 8 2 0 温度 Y 厂所有在线D s l 8 2 0 、N L访问完否／ 图6 系统流程图 参考文献 【1 ] 樊扬鎏，李琨，等．无线分布式温度测控系统的设计及应用 [ J ] ．昆明理工大学学报 理工版 ，2 0 0 6 ． [ 2 ] 白泽生．用M c s 5 l 单片机实现温度的检测[ J ] ．现代电子技 术，2 0 0 5 1 0 ． 作者简介关B 晓东 1 9 7 3 ． ，男，讲师。1 9 9 r 7 年毕业于天津职业技术 师范学院电子信息工程专业，2 0 0 8 年毕业于安徽大学电路与系统专 业 硕士学位 ，现在淮南师范学院物理与电子信息系从事数字电路 及数字信号处理等方面的教学与研究工作。 收稿日期2 0 l O O l 1 8 ；责任编辑姚克 上接第4 3 页 参考文献[ 4 ]王洪林．带式输送机输送带损伤的原因分析及修补方法[ J ] ． [ 1 ] 杨后川，张学民，陈勇．s m A l l cS 7 - 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