1、引言
    自上世紀(jì)80年代以來，隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)膠帶機(jī)綜合保護(hù)裝置的研制也一直不斷地進(jìn)行著，從純模擬電子系統(tǒng)到數(shù)字系統(tǒng)、再到目前的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，從單臺(tái)的控制系統(tǒng)到多臺(tái)的集控系統(tǒng)，有價(jià)格相對(duì)較貴的PLC構(gòu)成的系統(tǒng)和低廉的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。盡管市場(chǎng)上有著各式各樣方案構(gòu)成的集控系統(tǒng)，但發(fā)展的方向是一致的，那就是朝自動(dòng)化、智能化、信息化的方向發(fā)展。受某企業(yè)的委托，筆者研制了一套結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格合理、自動(dòng)化程度較高的皮帶輸送機(jī)集中控制系統(tǒng)。
    國(guó)內(nèi)煤礦井下煤炭運(yùn)輸一般采用帶式輸送機(jī)，通過傳統(tǒng)的分立元件和繼電器控制，設(shè)置專人專崗進(jìn)行操作，不僅生產(chǎn)效率、人員利用率低，而且運(yùn)輸可靠性差，并且出現(xiàn)運(yùn)行故障或安全隱患時(shí)不易察覺。嚴(yán)重制約了帶式輸送機(jī)安全經(jīng)濟(jì)、可靠運(yùn)轉(zhuǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，帶式輸送機(jī)逐步采用單片機(jī)或可編程控制器、工控機(jī)以及以RS-485或232通訊模式的自動(dòng)控制系統(tǒng)，多數(shù)上位機(jī)采用組態(tài)軟件或C語言編程。由于煤礦井下環(huán)境差、現(xiàn)場(chǎng)條件復(fù)雜，多數(shù)系統(tǒng)存在井下控制中心以及通訊可靠性差、傳輸距離短、控制方式單一、上位機(jī)控制畫面單調(diào)等特點(diǎn)．同時(shí)存在控制網(wǎng)絡(luò)小，可靠性不高等現(xiàn)象。國(guó)外大型膠帶輸送機(jī)的控制都已采用可編程序控制器PLC開發(fā)了先進(jìn)的程序軟件與綜合電源繼電器控制技術(shù)以及數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)、傳輸，故障診斷與查尋等完整的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)。該類系統(tǒng)除了自動(dòng)監(jiān)控輸送機(jī)的可控起（制）動(dòng)、帶速同步與功率平衡外，還對(duì)各種保護(hù)與安全裝置、輸送帶張力、傳動(dòng)滾筒與托輥軸承溫度、輸送帶接頭強(qiáng)度、輸送量計(jì)量等實(shí)行監(jiān)測(cè)。
2、系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)功能
    (1)全自動(dòng)控制
    系統(tǒng)開機(jī)時(shí)，首先發(fā)預(yù)警信號(hào)并維持3s后通知系統(tǒng)中的各條膠帶。為保證整條膠帶系統(tǒng)不發(fā)生堆煤故障，由靠近煤倉的膠帶先啟動(dòng)，然后再通過信號(hào)聯(lián)絡(luò)（通信），依次向前通知上條膠帶啟動(dòng)。停機(jī)時(shí)從最后一臺(tái)依次自動(dòng)停機(jī)，每臺(tái)延時(shí)l條膠帶的運(yùn)行時(shí)間。
    (2)手動(dòng)控制
    留有原有的手動(dòng)控制，使在檢修時(shí)可任意開停1臺(tái)或多臺(tái)檢修膠帶（其它膠帶停機(jī)）。
    (3)溫度保護(hù)
    滾筒表面溫度超過設(shè)定的溫度值時(shí)，應(yīng)立即停車。報(bào)警值可在0～99℃任意調(diào)整。
    (4)速度保護(hù)
    膠帶的速度超過設(shè)定值，應(yīng)立即停車；膠帶的速度低于設(shè)定值時(shí)（啟動(dòng)時(shí)除外），也應(yīng)立即停車。速度的上下限值均可任意調(diào)整，滾筒的直徑參數(shù)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況輸入，滾筒上所貼磁鋼的個(gè)數(shù)也可設(shè)定。
    (5)堆煤保護(hù)
    某臺(tái)機(jī)頭下發(fā)生堆煤，應(yīng)使本臺(tái)及后面各臺(tái)膠帶機(jī)立即停車。
    (6)煙霧保護(hù)
    發(fā)生煙霧時(shí)斷電停車，并啟動(dòng)自動(dòng)灑水裝置。
    (7) CO濃度保護(hù)
    當(dāng)CO濃度超限時(shí)停車，并啟動(dòng)自動(dòng)灑水裝置。
    (8)跑偏保護(hù)
    對(duì)機(jī)頭及機(jī)尾左、右4個(gè)點(diǎn)的跑偏進(jìn)行檢測(cè)。跑偏分兩級(jí)：當(dāng)跑偏較小時(shí)，只進(jìn)行報(bào)警但不停車；當(dāng)跑偏達(dá)到設(shè)定的二級(jí)位置時(shí)，應(yīng)立即停車。
    (9)急停閉鎖
    可利用急停開關(guān)實(shí)現(xiàn)緊急停機(jī)并閉鎖，停車后，由人工解除閉鎖才能再次啟動(dòng)。
    (10)顯示
    膠帶的速度、滾筒的溫度值采用數(shù)字顯示，膠帶的各種保護(hù)狀態(tài)用指示燈顯示，故障時(shí)能顯示故障類型。
3、技術(shù)實(shí)現(xiàn)原理及方案
3.1系統(tǒng)構(gòu)成
    由于井下巷道的地質(zhì)條件比較復(fù)雜，加上電動(dòng)機(jī)功率的限制，井下運(yùn)輸系統(tǒng)一般由多條膠帶構(gòu)成。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，參與集中控制的各條膠帶必須具有分臺(tái)控制的功能，可自動(dòng)監(jiān)測(cè)運(yùn)行情況。因此，在各條膠帶機(jī)的機(jī)頭還必須設(shè)置獨(dú)立的智能綜保儀控制設(shè)備。
    目前，構(gòu)成膠帶機(jī)集中控制系統(tǒng)的方案大都采用主從式結(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，省去了主機(jī)的概念，采用各智能綜保儀相互串連的方式實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化程度較高的集中控制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該智能綜保儀的設(shè)計(jì)采用單片機(jī)系統(tǒng)方案。
    智能綜保儀的電氣原理如下圖2所示。
    膠帶機(jī)機(jī)頭要求被保護(hù)的對(duì)象有煙霧濃度、CO濃度、撕帶、堆煤、跑偏、滾筒溫度、膠帶速度等，傳感器產(chǎn)品選用已在膠帶機(jī)分臺(tái)控制中成熟應(yīng)用的定型產(chǎn)品。這些保護(hù)對(duì)象的傳感器的輸出，從圖2所示的堆煤信號(hào)到復(fù)位信號(hào)全是開關(guān)信號(hào)，只有速度信號(hào)和溫度信號(hào)是脈沖信號(hào)。速度信號(hào)是通過貼在滾筒側(cè)面的磁鋼與霍爾元件得到的脈沖信號(hào)；溫度信號(hào)是采用了自己研制的紅外熱電堆溫度傳感器測(cè)得，其輸出是與溫度有一定關(guān)系的頻率信號(hào)。
本系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)各膠帶機(jī)膠帶的高低速度、滾筒溫度、機(jī)頭煙霧、c0濃度、堆煤以及跑偏等各種保護(hù)功能，還兼有與前后膠帶機(jī)智能綜保儀通信的功能，使整個(gè)系統(tǒng)具有逆煤流啟動(dòng)、順煤流延時(shí)停車功能。
    其具有的以下特點(diǎn)：
    (1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度高（逆煤流啟，順煤流停）；
    (2)智能綜保儀可監(jiān)可控，組網(wǎng)靈活：
    (3)安裝簡(jiǎn)單、調(diào)試方便，維護(hù)檢修容易。
    該系統(tǒng)符合國(guó)家對(duì)煤礦安全生產(chǎn)的要求，經(jīng)濟(jì)效益良好，具有一定的推廣價(jià)值。
3.2硬件設(shè)計(jì)
    考慮每條膠帶的各類傳感器分布具有一定的分散性，而煤礦現(xiàn)場(chǎng)的電磁環(huán)境比較惡劣，因此，在各傳感器信號(hào)送至CPU處理前，對(duì)傳感器的輸出信號(hào)全部采取了光電隔離措施。考慮上面圖2中所示的堆煤信號(hào)到復(fù)位信號(hào)的實(shí)時(shí)性要求不是很高，采用CPU巡檢的手段能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)的需要。為節(jié)省CPU的I/O資源，  采用了十六選一的多路開關(guān)CD4067。需要說明：跑偏信號(hào)的完整輸出實(shí)際上比較復(fù)雜，包含了左右、頭尾、一二級(jí)跑偏共8個(gè)信號(hào)；溫度傳感器、速度傳感器在測(cè)量時(shí)需測(cè)量整個(gè)脈沖（或多個(gè)脈沖）的寬度，為保證速度數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，這兩個(gè)信號(hào)直接接至CPU的兩個(gè)中斷信號(hào)輸入端。
    選擇CPU時(shí)主要考慮智能綜保儀既要滿足與上一條膠帶的綜保儀進(jìn)行信息交換的需要，又要滿足與下一條膠帶的綜保儀進(jìn)行信息交換的需要，因此選擇具有雙串口的77E58。該芯片的主核為80C52，內(nèi)置可編程WA TCH2DOG，具有12個(gè)中斷源、32KB的內(nèi)ROM、1KB的內(nèi)RAM、雙數(shù)據(jù)指針等。
    存儲(chǔ)器用來存放智能綜保儀的各種參數(shù)，包括溫度報(bào)警值、速度上下限、滾筒的直徑、滾筒側(cè)面的磁鋼數(shù)量等，這些參數(shù)的特點(diǎn)要求存儲(chǔ)器具有非易失性，考慮體積、價(jià)格等因素，設(shè)計(jì)中選用了具有I2C總線結(jié)構(gòu)的串行EEPROM AT24C01。
    鍵盤主要用于在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)設(shè)置各種參數(shù)，內(nèi)置在綜保儀的腔體內(nèi)。操作鍵盤必須有密碼支持，否則為無效操作。
顯示電路包含LED數(shù)碼管顯示和狀態(tài)指示。正常情況下數(shù)碼管顯示膠帶的速度（1位整數(shù)和l位小數(shù)）和滾筒的溫度（2位整數(shù)），在調(diào)試時(shí)顯示當(dāng)前設(shè)置參數(shù)的數(shù)字量。狀態(tài)指示采用雙色平面LED管，當(dāng)發(fā)生保護(hù)故障時(shí)，對(duì)應(yīng)的LED燈指示紅色，而正常時(shí)指示綠色。顯示器的驅(qū)動(dòng)電路采用價(jià)格便宜的移位寄存器74HC164實(shí)現(xiàn)。
    控制輸出電路的輸出包括在膠帶故障時(shí)發(fā)出的停車信號(hào)、在CO濃度、煙霧濃度超限時(shí)啟動(dòng)的灑水信號(hào)、在滿足本條膠帶啟車條件時(shí)給主回路發(fā)出的允許啟車信號(hào)等。控制輸出電路采用三極管驅(qū)動(dòng)繼電器實(shí)現(xiàn)。
    考慮各通信電路，膠帶間有一定的距離，采用RS485總線。如將多部膠帶機(jī)的智能綜保儀都掛接在同一條總線上，  由于網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)度超過標(biāo)準(zhǔn)的1200 m，不符合該總線標(biāo)準(zhǔn)，因此，每個(gè)智能綜保儀的通信電路均設(shè)計(jì)為2個(gè)RS485總線的結(jié)構(gòu)，向上連接上一部膠帶，向下連接下一部膠帶。每條通信電路實(shí)際上構(gòu)成的是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，這正是筆者選擇77E58的原因所在。
    智能綜保儀工作在全自動(dòng)狀態(tài)還是手動(dòng)狀態(tài)，由殼體前面板上的開關(guān)位置決定，圖2中未標(biāo)出。關(guān)于電源，考慮現(xiàn)場(chǎng)的需要，采用了隔離變壓器，且多組電源二次間亦相互隔離。在智能綜保儀的腔體內(nèi)還有真空磁力開關(guān)，它由前述控制輸出電路中的停車?yán)^電器控制，用來控制膠帶機(jī)主回路的通斷。
3.3軟件設(shè)計(jì)
智能綜保儀的軟件主程序流程圖如圖3所示。上電后，首先從串行存儲(chǔ)器A T24COl中讀出系統(tǒng)參數(shù)，包括溫度、速度報(bào)警值以及滾筒直徑、磁鋼數(shù)目等，然后從系統(tǒng)板上的工作／調(diào)試開關(guān)位置判斷膠帶的工作狀態(tài)，并根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)入不同的處理程序。由于設(shè)計(jì)的綜保儀既可獨(dú)立使用，又可聯(lián)機(jī)使用，因此，在程序中設(shè)置了聯(lián)機(jī)還是單獨(dú)使用的判斷，用于確定是否上下通信傳遞各膠帶機(jī)的運(yùn)行信息，從而達(dá)到逆煤流啟、順煤流停的效果。圖3所示的流程已作簡(jiǎn)化，如停車時(shí)和開車時(shí)的檢測(cè)保護(hù)信號(hào)類型是有差別的，停車時(shí)的速度保護(hù)是不存在的，啟車時(shí)的速度盡管低于低速報(bào)警值，但也不會(huì)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。
    從圖3的流程還可以看出，通信程序在集中控制系統(tǒng)中是比較重要的一環(huán)，只有通過接收上下膠帶的通信命令，本條膠帶才能作出是否立即停機(jī)、延時(shí)停機(jī)、還是重新開機(jī)等的判斷；系統(tǒng)軟件還有測(cè)速子程序、測(cè)溫子程序、鍵盤／顯示子程序、報(bào)警控制子程序、讀寫存儲(chǔ)器子程序等。
    充分利用原有PLC系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)接線進(jìn)行布線、接線。開、停車預(yù)告增加一套PLC輸出連接的報(bào)警系統(tǒng)，以增加開停極機(jī)的安全性、可靠性。該集中控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)設(shè)備按逆煤流方向成組或逐臺(tái)順序起車，順煤流方向成組或逐臺(tái)順序停車。在起車和正常運(yùn)行中，各設(shè)備之間設(shè)有電氣聯(lián)鎖。在非常情況下，控制室能實(shí)現(xiàn)緊急停車，在任何控制方式下，現(xiàn)場(chǎng)都能就地停車。在集中控制方式時(shí)，參加集控的各種設(shè)備必須預(yù)先打到集控位置，起車前，由控制室向現(xiàn)場(chǎng)發(fā)出起車預(yù)告信號(hào)，經(jīng)延時(shí)，系統(tǒng)中各設(shè)備按閉鎖關(guān)系和時(shí)序的要求自動(dòng)起車，在向現(xiàn)場(chǎng)發(fā)送預(yù)告信號(hào)和系統(tǒng)起車過程中現(xiàn)場(chǎng)和控制室均能撤消預(yù)告信號(hào)，終止起車過程，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。當(dāng)設(shè)備故障時(shí)，一般事故只能報(bào)警，但對(duì)影響設(shè)備運(yùn)行和人身安全的事故同時(shí)具有停車功能。
4、結(jié)論
    計(jì)算機(jī)集控系統(tǒng)能極大地提高煤礦企業(yè)的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。能解決日前廠礦企業(yè)集控、調(diào)度管理系統(tǒng)相互脫節(jié)，無法充分發(fā)揮效力的缺點(diǎn)，先進(jìn)的檢測(cè)，監(jiān)控技術(shù)．不僅能縮短查找故障的時(shí)間，而且能起到對(duì)故障進(jìn)行預(yù)測(cè)，解除的功能。


相關(guān)輸送機(jī)產(chǎn)品：
1、皮帶輸送機(jī)
2、刮板輸送機(jī)
3、斗式提升機(jī)