矿用皮带运输机传动设计与PLC控制

矿用皮带运输机传动设计与PLC控制

成诺

天津商业大学机械工程学院，天津，北辰区，300133

摘要：皮带运输机是现代化大型煤矿的主要运输设备，本文先对通用型皮带运输机传动装置总体结构进行设计和计算，然后采用 PLC进行手动和自动控制，希望能为广大煤矿运输工作人员提供参考和借鉴。

关键词：煤矿；皮带运输机，传动设计；PLC控制

0. 引言

煤炭开采大多位于地下，传统的煤炭开采主要通过人工挖掘，使用运输车运输煤炭，煤炭的生产效率比较低。煤炭皮带运输机的使用则极大地提升了煤炭的开采效率，促进了煤炭生产的工业化进程。皮带运输机做为井下煤炭运输的重要方式，其运行的状态直接影响着煤矿的生产效率。周源山煤矿隶属于湘煤集团，位于郴州资兴市境内，核定生产能力每年75万吨，是目前湖南省规模最大、产量最高的煤矿。由于周源山煤矿的煤层位于地下比较深，环境复杂且恶劣，皮带运输机在使用过程中容易出现各种各样的故障，轻则影响煤矿的正常开采工作，给煤矿企业带来经济损失；重则带来煤炭安全生产事故，影响施工人员的生命安全。因此，为了保证煤矿皮带运输机高效工作和安全运转显得尤为重要，科学设计皮带运输机传动装置和控制部分具有重要的经济效益和安全示范意义。

1. 传动装置设计与计算

1.1设计任务

（1）工作条件：传动不逆转，传动平稳，启动载荷为名义载荷的1.25倍。空载启动，单向连续转动，载荷平稳，运输带速度误差范围为正负5%，常温工作。

（2）生产条件：中等规模机械制造厂加工制造，可以加工7-8级精度的齿轮和蜗轮，只少量生产几台，动力来源；三相交流电。

（3）主要数据：运输带牵引力P=3000N，运输带滚筒速度V=0.9m/s，滚筒直径D=500mm,每天工作小时数8小时，传动工作年限10年。

1.2总体方案设计

图1 皮带运输机传动装置

综合考虑，本设计采用一级斜齿圆柱齿轮减速器-结合-带有高效率的电动机-，以及一级开式齿轮的技术，可以实现更加稳定的运行。

传动方案特点：该传动系统包括一个主要部件，一个V带、一个减速器和一个用来驱动的开式齿轮。这些部件之间的关系是通过它们的对称排列来实现的。为了提升系统的性能，我们决定把V带安排在较快的转速，而把开式齿轮安排在较慢的转速。

1.3 总效率与传动系统参数计算

（1）计算传动装置总效率：

              = =0.95××0.97×0.96×0.96

      η1为开式齿轮的传动效率, η2为轴承的效率, η3为闭式齿轮传动效率, η4为V带的传动效率,η5为工作装置的效率。

（2）电动机选型

圆周速度v：v=0.9m/s

工作机的功率Pw：Pw=Fv/1000=2.7kw

电动机所需工作功率为:=Pw/=3.38kw

工作机的转速为：n=60×1000V/D=34.38r/min

经查表按推荐的传动比合理范围，V带传动的传动比=2~4，一级圆柱斜齿轮减速器传动比=3~6，开式齿轮传动的传动比=2~6，则总传动比合理范围为=12~144，电动机转速的可选范围为nd=×n=(12~144)×34.38=412.56~4950.72r/min。综合考虑电动机和传动装置的尺寸、重量、价格和带传动、减速器的传动比，选定型号为Y112M-4的三相异步电动机，额定功率为4KW，满载转速nm=1440r/min，同步转速1500r/min。

传动比：总传动比：由选定的电动机满载转速nm和工作机主动轴转速n，可得传动装置总传动比为: = nm /n=41.88。

分配传动装置传动比: =××

式中、、分别为带传动、减速器和开式齿轮的传动比。为使V带传动外廓尺寸不致过大，初步取=3，=3.5，则减速器传动比为:

=/=3.99

（3）传动装置运动参数计算

各轴转速:

Ⅰ轴：=nm/=480r/min

Ⅱ轴：=/=120.3r/min

卷筒轴：=/ =34.37r/min

各轴输入功率：

Ⅰ轴：=Pd×η4=3.24kw

Ⅱ轴：=×η2×η3=3.08kw

卷筒轴：=×η2×η4=2.87kw

各轴的输出功率：

Ⅰ轴：=×0.98=3.18kw

Ⅱ轴：=×0.98=3.02kw

卷筒轴：=×0.98=2.81kw

各轴输入转矩：

电机轴的输出转距：Td=9550Pd/ nm=22.42

Ⅰ轴：=9550/=64.46

Ⅱ轴：=9550/=244.51

卷筒轴：=9550/=797.45

各轴的输出转矩为：

Ⅰ轴：=×0.98=63.17

Ⅱ轴：=×0.98=239.62

卷筒轴：=×0.98=781.50

1.4带的设计

（1）V带的设计与计算

1）确定计算功率：由表查得工作情况系数KA=1.1，故PdKA3.72kw

2）选择V带的带型:

 根据、nm由图选用A型。

3） 确定带轮的基准直径dd并验算带速v:

初选小带轮的基准直径dd1。由表，取小带轮的基准直径dd1 =90 mm。

验算带速v。按公式验算带的速度：v= /60×1000=6.78m/s，因为5 m/s < v < 30m/s，故带速合适。

4）确定V带的中心距a和基准长度Ld

根据公式，初定中心距a0=500 mm。

由公式计算带所需的基准长度: =+/2+/4=1598.95mm，由表选带的基准长度Ld=1640 mm。

5）按公式计算实际中心距a= a0/2=520.52mm，按公式，中心距变化范围为495.92 ~569.72 mm。

6）验算小带轮上的包角 =/a=

7）计算带的根数z

先计算单根V带的额定功率Pr，由dd1= 90 mm和nm=1440 r/min，查表得P0=1.07 KW。根据nm = 1440 r/min，i0 =3和A型带，查表得 ΔP0 =0.17 kW。查表得Kα=0.94，查表得KL=0.99，于是1.15kw，计算V带的根数z:z=/Pr=3.23，故取4根。

8）计算单根V带的初拉力F0

由表查得A型带的单位长度质量q =0.105 kg/m，所以/=118.65N。

9）计算压轴力933.43N。

2. PLC控制设计

很多企业还在使用的是传统的继电接触器控制方式，长期的运行使用故障率高，且效率低。随着科技的进步，PLC控制技术逐渐在矿用皮带运输机中得到广泛应用，极大地提高了设备的自动化程度和稳定性。但这其中也存在监控效果差、设备耗能大等问题。PLC技术的应用能有效消除传统继电控制可靠性低、功耗性低等诸多问题，提高生产效率和经济效益。

2.1 硬件设计

图2 PLC的结构

（1）PLC的选型

硬件主要包括西门子S7-200 PLC、输入模块、输出模块、CPU模块、通讯模块、上位机和多种传感器[1] 。S7-200系列PLC是采取模块化的设计，属于紧凑的 PLC控制系统，由模块、各种扩展模块和附加模块构成。该产品性价比很高，可以对一个较小的系统进行单独的控制，也可以与其它的一些复杂的系统进行联网控制；其应用领域极为广泛，覆盖所有与自动化控制和自动检测有关的工业领域[2][3]。

西门子S7-200具有结构简单、坚固、拆卸及布线容易的特点，有连接器合接线端子排等接线配件，具有标准的装配孔及标准DIN轨道，便于在机箱上进行水平和垂直的装配。指令内容丰富，具有较强的性能，包括定时器、通讯和时钟等；位逻辑指令，字符串指令，以及复杂数学运算指令等等。S7-200 PLC除了具有丰富的指令功能之外，还具有内置集成功能丰富，扩展功能丰富，通讯功能强等特点。从而可以对各种输入、输出条件进行实时监控，从而达到较为完善的控制效果。产品性能稳定，可靠性高，使用方便，满足 VD和CSA等国际规范的S7-200系列产品；具有高品质、高可靠性、高安全性的特点，内置 EEPROM将预置的数值及用户程序储存在一个超级电容器内很长的一段时间（如200小时），如果选配电池模块可以确保停电后中间数据可以保存多达200天。  

输入模块的作用是将现场信号输入PLC控制器。常见的输入信号包括输送带速度、位置、张力和跑偏等。输入模块的设计需要考虑信号的采集、处理和传输等环节，以确保信号的准确性和可靠性。输出模块的作用是将PLC控制器的输出信号传递给被控设备。常见的输出信号包括电动机的启停、电磁阀的控制和报警信号等。输出模块的设计需要考虑信号的驱动能力和稳定性，以确保被控设备的正常运行。CPU模块是PLC控制器的核心部分，负责程序的执行和数据处理。在矿用皮带运输机中，需要选择具有强大运算能力和稳定性的CPU模块，以确保系统的可靠性和稳定性。通讯模块的作用是实现PLC控制器与上位机和其他设备之间的通讯。通讯模块的设计需要考虑通讯速率、通讯距离和抗干扰能力等参数，以确保通讯的可靠性和稳定性。

（2）传感器的选择

传感器模块的选择在控制系统中非常重要，其类型主要有跑偏传感器、速度传感器、烟雾传感器、温度传感器和煤位传感器等，能对皮带输送机的运行过程进行精准、全面的数据检测和记录。

跑偏传感器能够实时监测皮带运输机传输带偏移角度，当其采集到的传输带角度偏移超出正常运行角度范围时及时发送皮带运输机跑偏状态及跑偏位置的地址信息，做出预警，选用CEJ4装置。速度传感器能够准确地检测皮带的实时速度，确保测量的准确性和可靠性，它能在恶劣的工矿条件下稳定运行，并及时发出异常信号，选用KGX-S1 型。烟雾传感器主要采用先进的矿用气敏型探头，灵敏度很高，可以迅速、准确地捕捉到整个皮带运输机的工作范围内的空气浓度的变化情况，及时反馈，选用GQL0.1-Y 型烟雾传感器。温度传感器能设定具体的报警温度和范围，通过测温探头对某区域内的温度进行测量，在检测温度超过或低于设定的温度阙值时，该装置会完成自动报警动作[4-6]，皮带运输机的滚筒摩擦容易引起温度升高，因此需要高灵敏度的温度传感器，选用GWD100 型 矿用温度传感器。煤位传感器主要利用机械式结构，通过凸轮装置对煤仓的煤位进行检测，皮带机正常运行时，堆煤传感器触头偏移15~60°，或在两根电极同时接触到煤时，皮带机停机，发出警报，堆煤传感器受动力作用，探杆转动至动作角度时应立即动作，输出常开接点闭合；动力撤除探杆自动返回原位经过复位角度时立即恢复，输出常开接点短断开，选用GUJ25型。

2.2软件设计

（1）I/O地址分配

I/O地址分配是实现PLC与外部设备通信的关键。对于矿用皮带运输机而言，各种传感器和执行器需要与PLC正确地连接和通信，以实现设备的正常运行和安全保护。通过合理的I/O 地址分配，PLC可以准确地读取传感器的状态和数据，同时控制执行器的动作，确保皮带运输机的稳定运行。在对需要的I/O点数进行估算时，应尽量避免使PLC的使用能力接近100%,最好留有一定的裕量,多余的接口数一般为总接口数的30%左右[7]。

（2）主程序的设计

PLC控制主程序是实现皮带运输机控制的核心部分，主要负责实现各种控制逻辑，如启动、停止等。

1）皮带启动

全线启动按钮：当按下全线启动按钮后，蜂鸣器发出5秒的警告，随后2号皮带机工作，上位机的指示灯变成了绿色，电机也随之启动。蜂鸣器再次响起，3秒后，1号皮带机工作，上位机的指示灯也变成了绿色，电机也随之起步。

自动启动：开启皮带机自动启动的方式：先按下1号起动机按钮，蜂鸣声持续3s,1号皮带机开始运作，上位机处启动指示灯变绿，电机开始工作，接着2号电机被启动，蜂鸣声仍持续3s,2号皮带机开始运作，上位机处启动指示灯变绿，2号电机开始工作。

手动启动：皮带机的手动启动方式：启动1号电动机按钮，启动指示灯开始闪烁，然后变亮，上位机处启动指示灯变绿，1号电机开始工作；启动2号电机按钮，2号启动指示灯开始闪烁，然后变亮，2号上位机处启动指示灯变绿，电机开始工作[8]。

2）皮带停止

全线停止：当按下全线停止按钮后，故障指示灯变红，1号机停止工作，电机随之停止，3s过后，2号皮带机停止工作，电机随之停止。

自动停止：自动停止按钮有2个，一个控制1号机，一个控制2号机。启动1号机停止按钮，先是皮带机停止工作，故障指示灯变红，电机停止运转。启动2号机停止按钮，皮带机停止工作，故障指示灯变红，电机停止运转。

手动停止：手动停止与自动停止大致一样，但在启动停止按钮时，启动指示灯会熄灭，如启动1号机停止按钮，启动指示灯熄灭，然后皮带机停止工作，故障指示灯变红，电机停止运转。启动2号电机停止按钮的情况与上述一致。

（3）故障处理

在实际应用中，矿用皮带运输机与PLC控制系统可能会出现各种故障。在设备开机后，监控系统会预先进行初始化设置，并且检查设备是否存在故障，若存在故障，提示工作人员解除故障并对设备复位处理[9]。

当出现故障时，故障指示灯亮起，在上位机主画面中由绿变红，出现相应的故障信息，皮带机自动停止工作。排除故障后按下复位按钮，故障指示灯将会熄灭，在上位机主画面中由红变绿。当出现紧急情况时拉下拉线开关皮带机就会停止运行。

3. 结束语

矿用皮带运输机在矿山生产中扮演着举足轻重的角色，其性能的稳定性和可靠性对生产效率有着至关重要的影响。为了提升矿用皮带运输机的自动化和智能化水平，我们将先进的PLC控制技术引入其中。这一举措无疑为矿山的生产提供了强有力的保障。在科技飞速发展的今天，皮带运输机控制系统正朝着创新化和智能化的方向不断演进。将皮带运输机与PLC控制系统紧密结合，并充分发挥其优势，将极大地提升皮带机的工作效率。同时，这也确保了矿业工作人员的生命安全，并有效降低了企业的生产成本。通过运用PLC控制技术，我们不仅提高了矿用皮带运输机的性能，还为其赋予了更高的智能化程度。在创新与智能化的驱动下，皮带运输机将在矿山生产领域发挥更大的作用，助力我国矿山行业实现高效、绿色、安全的发展。总之，将PLC控制系统与矿用皮带运输机相结合，是提高矿山生产效率、保障工作人员生命安全、降低企业生产成本的有效途径。在科技不断进步的背景下，我们有理由相信，这种结合将引领矿山运输设备迈向一个更加智能化的新时代。

参考文献：

[1]田鹤. 长距离带式输送机实时监控及故障诊断系统研究[D]. 太原科技 大学,2011.

[2]赵毅,李晓晖. PLC控制系统可靠性的研究[J]. 煤矿机械,2006,27(4):584-586.

[3]SIMATIC S7-200 Programmable ControllerSystem Manual 2008[Z]. Siemens.Ltd,China, 2008.

[4] 冀鹏冲. 基于PLC的皮带运输机控制系统设计[J]. 机电工程技术,2020,49(10):193-194.

[5] 张艳峰. 选煤厂皮带运输机PLC控制系统设计与应用[J]. 内蒙古煤炭经济,2019(10):91-92.

[6] 党国庆,程晓艳.一种矿用皮带运输机的PLC控制系统设计与实现[J].煤炭技术,2012,31(11):13-14.

[7] 王兆义,杨新志. 小型可编程控制器实用技术[M]. 北京:机械工业出版社,2006.

[8] 张新文. 煤矿矿井皮带运输机的集中控制[J]. 陕西煤炭技术,2000(2):44-46.

[9] 杨祥. 矿用胶带输送机监测监控及故障诊断系统的开发[D]. 太原:太原理工大学,2019.