钢丝绳牵引带式输送机.doc

前言第1章 前言Chapter 1 Preface1.1 概述(Introduction)矿井钢丝绳牵引带式输送机（钢缆皮带）是用两条无极的牵引钢丝绳作为牵引机构，胶带带有特制的双面耳槽搭在两条无极钢丝绳上作为承载物料的构件，由传动滚筒和钢丝绳间的摩擦力驱动钢丝绳和胶带运行,其结构如图11所示。图11 钢缆皮带结构图Figure 11 configuration figure of the wire rope strap高强度的钢缆皮带输送机主要用于长距离、大运量的运输。由于钢丝绳承担牵引力，其运输距离一般都大于1km，最长可达几十公里。它具有在运输线上转折少，矿石粉渣少，操作人员少，维护方便，运行可靠，输送能力大，功率消耗少，可以兼运物料和人员等优点。因此，钢丝绳牵引带式输送机作为一种重要的运输设备被广泛应用在煤矿生产运输的一些环节中，发挥着巨大的作用。从上个世纪中期，我国大型矿井相继安装了数百条这种带式输送机。随着采煤面的不断加深，一条钢缆皮带已经不能完成煤炭运输任务，所以目前煤矿一般采用多条皮带加上转载机和煤仓进行接力运输，从而构成了矿井主运系统。1.2 问题的提出(Question Proposing)我国是一个矿产资源丰富的国家，采矿业在国民经济中占有很大比重。作为工业粮食的煤炭，经过上世纪九十年代的低谷以后，进入二十一世纪发生了巨大变化。过去长期我国煤炭产量一直不高，不到10年时间煤炭产量翻一翻，一跃成为世界第一产煤大国。同时，随着石油资源的紧张、石油价格的飙升，煤炭行业的重要性和不可替代性也日益凸现。随着煤矿向着大型化、信息化、现代化迅猛发展，迫切需要高新技术装备，但中国煤炭行业的生产和安全形势却不容乐观，大部分设备相对还较为陈旧，有的虽有改进，但还是远不能满足数字时代的要求。煤矿安全生产迫切要求更可靠、灵敏、准确、更安全的数字化产品。作为煤炭生产的重要环节煤炭运输环节更加需要现代化技术的改造。煤矿钢缆皮带主运系统安装于煤矿井下倾斜的巷道中，由电机通过滚筒牵引钢丝绳使皮带正反方向运转，从而达到提升与下放煤炭、矸石、材料、人员等目的，是矿井生产的关键设备。钢缆皮带电控系统不同于一般的强力皮带只要启动、停止控制，正常运转时要经过起动、加速、等速、减速、爬行、减速、停止等不同的调速过程，而且由于原煤运输线路长、生产环节多、工艺复杂、运输量不均衡、设备负荷变化大、频繁停车等原因,造成用人多、电力损耗大,事故率居高不下。目前国有钢缆皮带主运系统的原煤电耗一般为1040kWh/t,一个150万吨的矿井的耗电量，相当于一个中等城市的照明用电。因此，在满足拉煤量要求的基础上，如何适时调整机组的工况，使机组时刻处于经济运行状态，实现其效率最优化控制，从而达到减人提效的目的，对于整个主运系统的节能降耗和经济效益提高有着十分重要的意义。1.3 国内外研究现状及发展趋势(Domestic and Foreign Research Application and Present Situation)目前矿井钢缆皮带电控系统基本上是集中式数字控制系统，虽然其自身自动化程度已经较高，但一个矿井有数条安装于井下不同水平的钢缆皮带组再加上转载机和给煤机，相互钢缆皮带间无直接的联、闭锁关系，整个运输系统的自动化程度和运输效率较低。为了提高矿山自动化水平，紧跟世界领先科技，完善和提高钢缆皮带组的自动控制技术，达到减人提效，保证安全、可靠、高效运行的目的，就必须将矿井钢缆皮带组和转载机、给煤机组成一个网络控制系统，最终通过网络控制系统能实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、故障诊断、优化以及测、控、管一体化的综合自动化功能。对于钢缆皮带机组进行网络控制时不仅要实现简单的开停控制，而且还要求系统能在运行过程中自动控制、自动监测、自动报警、自动保护、自动操作和自动调节等功能，如采用传统的控制方式，无法用普通的控制电缆来传输庞大的监控信息，更不能实现如此复杂的控制功能。因此，运用迅速发展的工业网络通信技术来解决数据传输问题，是实现钢缆皮带主运系统网络控制的有效手段。1.3.1 工业网络控制系统的研究现状与发展趋势(Research Application and Present Situation Of Industrial Net Control System)工业网络是指安装在工业生产环境中的一种全数字化、双向、多站的通信系统。工业网络自出现以来，已广泛应用于钢铁、化工、军事、楼宇控制等行业及领域。具体有以下三种类型:1、专用、封闭型工业网络: 该网络规范是由各公司自行研制, 往往是针对某一特定应用领域而设, 效率也是最高。但在相互连接时就显得各项指标参差不齐, 推广与维护都难以协调。专用型工业网络有三个发展方向: 走向封闭系统, 以保证市场占有率。走向开放型, 使它成为标准。设计专用的Gateway与开放型网络连接。2、开放型工业网络: 除了一些较简单的标准是无条件开放外, 大部分是有条件开放, 或仅对成员开放。生产商必须成为该组织的成员, 产品需经过该组织的测试、认证, 方可在该工业网络系统中使用。3、标准工业网络: 符合国际标准IEC61158、IEC62026、ISO11519 或欧洲标准EN50170的工业网络, 它们都会遵循ISO/OSI 7层参考模型。工业网络大都只使用物理层、数据链路层和应用层。一般工业网络的制定是根据现有的通信界面, 或是自己设计通信界面,依据应用领域设定数据传输格式。工业网络控制系统从50年代发展起来，经历了从模拟到数字、从集中到分散的过程，当前正朝着全分散、全数字、全开放的控制网络系统方向发展。本世纪六十年代，数字计算机进入控制领域，产生第一代工业网络控制系统CCS (计算机集中控制系统)。在CCS中，数字计算机取代了传统的模拟仪表，从而能够使用更为先进的控制技术，使自动控制发生了质的飞跃。但由于控制简单，直接面向控制对象，并未形成工业网络控制体系。CCS在集中控制的同时也集中了危险，系统可靠性低，实时性差。真正意义的工业控制网络体系是七十年代出现的第二代计算机控制系统分散型控制系统DCS(也称集散控制系统)。这种控制系统的特点是“集中管理，分散控制”。分散控制使得系统由于某个局部不可靠而造成的对整个系统损害降到很低的程度，极大地提高了整个系统的可靠性。然而DCS的缺点也是十分明显的，首先其结构是多级主从关系，底层间信息传递必须经过主机，从而造成主机负荷过重，效率低，并且主机一旦发生故障，整个系统就会“瘫痪”。其次它是一种数字模拟混合系统，DCS的现场仪表仍然使用传统的4-20mA电流模拟信号，传输可靠性差，成本高。再有各厂家的DCS自成标准，通讯协议封闭，极大的制约了系统的集成与应用。为了克服DCS系统的技术瓶颈，进一步满足现场的需要，现场总线技术应运而生，它综合了数字通信技术、计算机技术、自动控制技术、网络技术和智能仪表等多种技术手段，从根本上突破了传统的“点对点，式的模拟信号或数字模拟信号控制的局限性，构成一种全分散、全数字化、智能、双向、互连、多变量、多接点的通信与控制系统。相应的控制系统结构也发生了较大的变化。FCS的典型结构分为3层: 物理层、数据链路层和应用层。例如,DeviceNet 的物理层与数据链路层是以CANbus为基础, 再增加适用于一般I/O点应用的应用层规范。目前IEC61158 认可的八种工业现场总线标准分别是: Fieldbus Type1、Profibus、ControlNet、P - NET、FoundationFieldbus、SwiftNet、WorldFIP 和Interbus。工业控制网络的发展，其基本趋势是逐渐趋向于开放性、透明的通讯协议。目前的现场总线种类繁多，开放性是有条件的、不彻底的、互不兼容。而以太网TCP/IP协议的开放性使其在工控领域通讯这一关键环节具有无可比拟的优势。以太网传输速度高、低耗、易于安装和兼容性好，它支持几乎所有流行的网络协议。近些年来，以太网进入控制领域，形成了新型的以太网控制网络技术。这是工业自动化系统向开放透明的、分布化、智能化控制方面发展的必然要求。1.3.2 网络控制系统的现状与发展趋势（Research Application and Present Situation Of Network Control System）一段时间以来，工业网络技术在工业过程控制中主要应用于数据采集系统的数据传输，属于开环系统。随着工业网络技术的发展及其与计算机技术、信息技术、控制技术、和通信技术的结合，孕育了网络控制系统(Networked Control System NCS)。网络控制系统是指在控制通道和反馈通道中加入实时通讯网络而形成闭环的控制系统。“Networked control systems”最早于1998年出现在马里兰大学G.C.Walsh的论著中，但并没有给出明确的定义，只是用图示说明了网络控制系统的结构，指出在该系统中控制器与传感器通过串行通信形成闭环。而同济大学的于之训等用了“网络控制系统”；重庆大学的张结斌等用了“分布式网络控制系统”这样的术语。清华大学的顾洪军给出了明确的定义：网络控制系统(NCS)，又称为网络化的控制系统,即在网络环境下实现的控制系统，是指在某个区域内一些现场检测、控制及操作设备和通信线路的集合，用以提供设备之间的数据传输，使该区域内不同地点的设备和用户实现资源共享和协调操作。从网络结构上来说，NCS和工业网络控制系统并没有本质区别，都是多个节点共享信道，用来传输实时或非实时数据；但从定义上看，工业网络控制系统侧重的是节点之间实时或非实时数据的传输和共享，而NCS则强调在通信网络上建立闭环控制回路，从这一点看NCS中的网络是一个广义的范畴，其网络的含义又不局限于工业网络，还可以包括无线通信网、Internet等。NCS以其系统连线少、可靠性高、易于系统扩展以及能够实现信息资源的共享等优点，在工业控制、运动体控制、楼宇自动化等领域得实现信息资源共享到了广泛的应用。网络控制系统的一般结构如图1-2所示:由此图可知，其通讯网络中的信号主要在以下3个节点间传递，它们是:传感器节点、控制器节点和执行器节点。不同节点间的数据信息的传递都会因通讯网络的存在而产生一定的时延，在NCS中，实时检测和控制数据在网络上传输，各网络节点必须紧密地工作以完成控制任务。网络通道图12 NCS的结构图Figure 12 configuration figure of NCS网络控制系统有两种基本的控制结构：直接结构和层次结构。直接结构的网络控制系统由控制器和远程系统组成,远程系统包括被控对象、传感器和执行器。控制器和被控对象位于不同的物理位置,通过数字网络直接连接以实现远程闭环控制。这种直接结构的网络控制有1999年Overstreet和Tzes实现的远程学习实验室,2001年Tipsuwan和Chow实现的直流电机速度控制系统。层次结构的网络控制系统由主控制器和远程闭环系统组成。主控制器周期性的计算并通过网络以帧或包的方式发送参考信号给远程系统,远程系统以此参考信号作为给定值实现闭环控制,同时将被控对象的输出经传感器检测并以帧或包的方式通过网络返回给主控制器以实现网络闭环控制。这种结构的网络控制系统有2002年Tipsuwan和Chow的摇控机器人,1998年Tarn和Xi的远程手术等。1999年Tipsuwan和Chow对具有延时的直流电机系统进行了PI控制研究,研究结果表明随着的增大,系统的超调增大,调节时间加长,系统性能降低。1987年Kuo对延时对系统稳定性的影响进行了研究。结果表明当延时增大时，根轨迹向右弯曲程度增大，相应的穿过纵轴的值越小，值是用于调节比例积分控制器的比例和积分放大倍数并保证比例与积分放大倍数的比值不变的参数，值越小说明PI控制器的调节范围越小，也就说明系统的稳定裕度越小，也即稳定性变差。通讯网络的嵌入使得系统的分析和设计更加复杂，使得NCS在具有许多优点的同时，也给控制系统带来了许多新的问题。下面就目前的几个主要问题和研究作简要介绍。1、网络时滞在NCS中，当传感器、执行器、控制器通过网络信道交换数据时，由于网络通讯引起的时滞便产生了。如图1-3所示：NCS网络时延主要由和两部分组成。不同的工业网络具有不同的通信延时特性和实时性能，如：Ethernet的延时特性是不确定性的随机延时；令牌型总线的延时特性是确定性有界延时。针对不同的延时特性NCS稳定性分析方法也有所差异。如果在网络控制系统的设计中不考虑这些时滞，则在实际运行中，这种网络时滞的存在会降低系统的性能，甚至使得系统的不稳定。一般可认为，当延时远小于采样周期时，延时的影响可以忽略不计；但当延时相对于采样周期而言不能忽略时，设计闭环网络控制系统的控制器就必须考虑信息的传输延时。网络诱导的延时可能是固定的、有界的甚至是随机的，这主要与所采用的网络协议和所选用的硬件，以及网络的负载情况等有关。由于网络时延的不确定，这使得现有的方法一般不能直接应用，需加以改进或重新设计。目前，对NCS的研究主要也是集中在对NCS的时延补偿上。图13 NCS的闭环控制结构图Figure 13 configuration figure of NCS Close Loop Control 2、数据包的时序错乱在网络环境下，被传输的数据流经众多计算机和通讯设备且路径不是唯一，这必然会导致数据包的时序错乱。在NCS中，数据包的时序错乱又分为两种情况：单包情况下，每包数据便是一个完整的数据，此时的数据包的时序错乱是指原来有一定次序的多个完整的数据在从源节点发到目标节点时，其到达的时序与原来的时序不同。多包情况下，一个数据被分成多个数据包进行传输，当这些数据包从源节点到达目标节点时，其到达的时序与原来的时序不同。对以上两种情况，在NCS的设计中应分别给予相应的处理。3、数据包的丢失在NCS中，当节点出现故障或发生信息传送碰撞时，就可能出现丢失网络数据包的现象。虽然大多数网络都具有重新传输的机制，但它们也只能在一个有限的时间内传输，当超出这个时间后，数据也就丢失。此外，对于诸如传感器信息和控制信号这样的实时反馈控制数据，也许丢弃未被发送的旧报文并传输有用的新报文是有利的。在这种情况下，控制器总是接收最新的数据来计算所需要的控制律。通常反馈被控对象可以容许一定量的数据丢失，当仅仅以某个速率传输数据包时，有必要确定所导出的系统是否是稳定的，并且计算这个数据包传输速率的容许下界。目前，针对闭环网络控制系统，有四种设计方法：确定性控制设计方法、随机控制设计方法、现代控制方法和智能控制方法。其中智能控制对解决变化的问题和情况具有较好的适应能力，因此可以采用智能控制策略来解决时延不确定和时延补偿问题，以提高系统的鲁棒性。Kyung Chang (2001)针对基于Profibus-DP的NCS，在考虑传输时延的基础上，设计了基于遗传算法(Genetic Algorithm)对PID参数进行整定的控制器。Almutairi (2002)研究了通过模糊逻辑补偿器实现对网络控制系统时延的补偿，并进一步考虑了对模糊规则参数的自适应调整。王晓峰研究了基于TCP/IP网络的远程伺服控制系统，提出的动态模糊控制器可按网络中不断变化的传输延时，根据最佳参数库不断调整其控制参数，使系统保持稳定并使输出达到一定的性能指标要求。本文主要研究网络控制系统的时延补偿。1.4 本课题的主要内容及研究工作(The Main Content and Research Work of This Article) 本课题所指的钢缆皮带效率最优网络控制系统是对矿井主运系统各个子系统工作状态进行检测和控制，用可编程控制器取得并分析处理数据的智能控制系统，能够实现煤矿主运系统效率最优化。本系统由全数字直流调速设备、变频设备、传感器、可编程控制器、计算机软件、网络设备等几个部分组成。本文的主要研究内容如下：1、建立矿井钢缆皮带网络控制运输系统框架。随着工业控制网络发展，现场总线、以太网得到了广泛的应用。在钢缆皮带运输系统中需要大量的高可靠性的检测与控制，如各条皮带电气参数的检测（皮带速度、电流等）、各个煤仓高度检测、煤机速度检测与控制。根据以上需要，本系统搭建了1000M速度的以太环网，将系统中的各条钢缆皮带电控系统连接起来，而对于检测煤仓高度的物位仪、给煤机和转载机则通过西门子公司开发的Profibus-DP现场总线连接起来，并通过PLC与钢缆皮带电控系统联系，从而实现整个系统的网络通讯。2、设计控制流程使系统功率损耗最小。文章详细介绍了钢缆皮带电控系统的组成，然后分析了其功率损失情况，算出一定速度下功率损失最小时的负载，并设计了控制流程，使整个系统达到效率最优运行。3、解决网络控制系统中的延时问题。由于网络控制系统中存在延时，如果不经处理可能导致系统不稳定，对于本文来说必须考虑网络延时，如果不考虑网络延时，没有及时调整给煤机速度就不能及时给定最佳负载。由于网络延时的不确定性，本文设计了智能模糊控制算法来消除网络延时，达到了很好的效果。4、可编程逻辑控制器PLC程序开发。本课题采用当今世界上先进的可编程控制器西门子公司的S7300系列PLC，该系列PLC是西门子全集成自动化系统中的控制核心，是其集成与开放性的重要体现，在PLC运算速度、程序执行效率、故障诊断、联网通讯、面向工艺和运动控制的功能集成以及实现故障安全的容错与冗余技术等方面成就显著。由于本系统中涉及到最大效率的计算和模糊控制算法的实现，应用300系列PLC可以实现上述功能。5、完成整个系统的调试工作，将系统应用于现场，证明系统的可靠性。1.5 本章小结(Chapter Conclusion)本章阐述了矿井大型机电设备的关键地位及对它进行效率最优化的必要性，分析了国内工业网络及网络控制发展合现状，然后给出了课题的主要内容和研究工作。7矿井钢缆皮带网络控制系统的硬件构成第2章 矿井钢缆皮带网络控制系统的硬件构成Chapter 2 Hardware Constitution of The Wire Rope Strap Network Control System2.1自动化系统的构架(The Configuration of Automation System)本课题所研究的钢缆皮带效率最优网络控制系统是以山东华丰煤矿的系统集中控制为工程背景的。钢缆皮带网络控制系统是嵌入到整个矿井自动化系统中的，主运系统通过X414交换机接入到矿井自动化系统的以太网中。矿井自动化系统的整体构架图如图21所示，在整个系统中，钢缆皮带网络控制系统与排水、供电、选煤厂自动化系统组成全矿井综合监控网。矿井自动化系统硬件组成：两台冗余WINCC服务器、一台WEB服务器、上位机、西门子X414交换机、光端机、网卡、PLC以太网通讯模块等。系统主干网为1000M全双工交换式光纤环网。由于全采用交换机，整个网络分成多个不同网段，连接到网络上的各台计算机和PLC均分属于不同冲突域，从而保证数据传输的实时性。系统所要实现的主要功能要求如下：1、在集控室能对矿井内各控制子系统发布控制命令，并能监视各子系统内设备的运行状态以及所需的生产和安全参数；能够上连集团公司广域网，实现矿井与集团公司之间的生产与管理信息及时交换。实现安全生产过程控制网络化、企业综合管理现代化。2、建立一个生产调度中心，在地面调度中心能够对自动化子系统电气设备集中监控，井下各系统的控制实现无人值守，仅有巡检工进行巡视和维护，实现全矿的管理控制一体化。3、建立一个快捷的网络系统，要求此系统要充分安全、先进、可靠，能够满足生产和管理的要求。4、系统随着矿井建设能够整体规划分步实施，并能随着技术的发展方便升级。5、基于工业以太网、现场总线技术建立的生产主运系统即钢缆皮带组自动监控系统,可进行全方位的实时数据监控、数据存储、数据安全、数据输出和远程数据查看,实现实时现场环境工艺图像采集、记录、搜索和打印等一体化工艺控制流程。它主要有以下特点: (1)开放性 该监控系统建立了统一的、开放的工厂底层网络,用户可以按照自己的需要和考虑把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。21 系统整体框架图Figure 21 The Skeleton of The System (2)安全性和可靠性 监控系统远程数据访问采用点到点的通信方式，系统包含自动报警模块，设备故障时可及时提醒操作人员采取相应措施；采用两台监控(主/副)计算机,保证了实时现场数据监控的可靠性,避免了由于一台监控计算机的暂时故障而使整个网络瘫痪的问题。另外, 在网络结构方面, 由于现场总线设备的智能化、数字化,与模拟信号相比,它从根本上提高了测量与控制的精确度，减少了传送误差。同时,由于系统的结构简化,设备间连线减少,现场仪表内部功能加强,减少了信号的往返传输,提高了系统的工作可靠性。 (3)数据存储灵活 对于实时数据和平均数据采用不同的处理方式,实时数据经过平均处理,然后再对平均数据进行日平均处理,使得出的最终数据具有代表性；在数据库的维护上,可以设置自动或手动方式来维护,对实时数据可以及时清除,对平均数据可以设定自动清除周期。 (4)资源利用灵活 控制中心有众多曲线和报表,为生产运行及维护提供重要手段；系统提供远程拨号上网功能,以便管理人员在任何有电话的地方都可以随时监测各钢缆皮带的运行情况和进行数据查询；同时, 采用标准以太网卡,由于以太网的通用性, 将来可方便地在网上增加任意品牌的PLC 从站(必须支持以太网),这样就方便了以后的功能扩展。控制用 PLC 通过以太网卡挂在网上,可用上位机实现对 PLC 的远程控制及实时监控、数据参数报表打印等功能。各从站 PLC 可自动从网上脱离,以方便维修工作，也可自动重新进入网络系统，再次投入使用。2.2矿井钢缆皮带主运系统的构成( The Configuration of Main Transport System)华丰矿钢缆皮带网络控制系统的构成包含硬件和软件两部分：硬件主要包括三条全数字直流调速拖动的钢缆皮带、一条固定速度的转载皮带、4个井下煤仓、4台变频器给煤机、PLC控制柜、传感器若干及集控室计算机等；软件部分包括PLC控制软件和上位机软件。华丰矿煤炭的生产主运系统为三段钢缆皮带运输机和一部转载胶带输送机及相应煤仓接力运输，从井下1100米采区煤仓将煤炭运送到地面，全长4994米。钢缆皮带主电机给煤机图22 主运系统结构图Figure 2-2 topology of the main transport图22为主运系统的结构，其中750、326、地面三条皮带为双直流电机400KW拖动的钢缆皮带，均采用全数字调速电控系统，电控系统为“上位计算机监控+下位多PLC冗余控制+微处理器全数字调节+可控硅整流供电+拖动电机”的控制模式，单条钢缆皮带电控系统的自动化程度很高，其开车方式一般采用手动。801、870、958、1035四个煤仓作为中转站，接收来自采煤面的原煤，然后通过给煤机将煤输出到主运皮带上。每个煤仓配备一台给煤机，给煤机是由一台变频器控制，调节其速度大小可以增加或减少给煤量，在保证皮带不能堆煤的条件下控制皮带负载大小。在750和326皮带之间有一条转载皮带，其电机是普通的交流电机，速度是不可控的。目前皮带有以下几种控制原则：逆煤流启动，顺煤流停车：即当要启动326皮带时必须保证地面皮带已经启动，停车时必须先停326皮带然后再停地面皮带，以保证皮带不会堆煤。正常情况下停车时，必须先停给媒机，延时一段时间后再停皮带，以保证皮带拉空，在皮带接到报警信号后应立即停车，也可以对一些报警信号进行只报警不停车处理；皮带停止后相应给媒机应立即停车，来煤方向皮带也应立即停车；任意一条皮带若存在两个以上的来煤皮带，则所有来煤皮带相互闭锁；正常开车时，皮带和给煤机之间有互锁关系，只有当皮带速度大于1m/s时给煤机才解锁。从上述控制原则可以看出，在保证不堆煤的情况下皮带、给煤机之间必须遵循严格的闭锁关系，而皮带、给煤机都是由人为控制，所以每次开车、停车、运行时，皮带有很长一段时间是空转的，这就造成了大量的能量损失，同时由于每条皮带、转载机、给煤机都是独立运行，操作人员、维护人员规模较大，整个运输系统的自动化程度就较低，运输效率、安全性就得不到保证。为了提高矿山自动化水平，紧跟世界领先科技，完善和提高钢缆皮带组的自动控制技术，达到减人提效，保证安全、可靠、高效运行的目的，就必须将矿井钢缆皮带组看成一个系统，组成集中控制系统。2.2.1 转载机简介(Reship Machines Synopsis)转载机使煤矿主运系统的重要组成部分，主要是用于煤炭的水平运输，其目的地一般都是煤仓。转载机一般都是不可调速的交流电机，其自身有各种保护措施，一般拖动几百甚至上千米的皮带，从而进行煤炭运输。本系统中由于转载机拖动一条长达400多米的水平皮带，把从750皮带运来的煤炭输送到801煤仓。由于其不能调速，所以我们只能对其做启停控制，我们通过Profibus-DP连接一个ET200，通过控制接触器来对其进行控制。2.2.2变频器简介(Transducer Synopsis)主运系统中的四台给煤机均是由6SE70变频调速控制的交流电机。随着计算机控制技术与交流变频技术的发展，各种工业控制设备都在朝着功能完善、计算机化、智能化、高度集成化、高可靠性方向发展，变频技术的飞跃发展改变了交流变频调速系统的面貌，变频调速不但可以优化电机运行状态还可以提高运行效率，变频技术已在各个领域中得到广泛的应用。6SE70矢量控制变频器是全数字式的交一直一交电压源型SVPWM变频器，其逆变器的主开关器件为IGBT，具有良好的驱动性能。它采用先进的转子磁场矢量控制策略，可以达到同直流传动系统相媲美的静、动态性能，具有电动机参数自动辨识，调节器参数自动寻优，故障自诊断等功能。先进的控制软件，确保最佳的动态响应、卓越的控制性能和高度的灵活性。多种自由功能的功能模块可灵活地满足各种控制功能需要的控制系统。两个串行基本接口可用USS协议进行通信，用SCB2(或SCB1)通信接口可实现装置与装置之间的通信控制，而通过CBP通信板可实现Profibus-DP开放式的串行现场总线的通信控制，通过CBC通信板则可用CAN协议实现装置之间或同现场装置之间的通信控制，也可和上一级自动化系统进行通信。西门子6SE70矢量控制功能，可以对不同电机实现高精度矢量控制。特别是带PG矢量控制方式具有极高的速度控制精度(+0.01)和极高的启动转矩，其与PLC配合使用，可以实现速度链控制、自动负荷控制、速差控制、张力控制等功能。四台变频器型号如下：6SE70332EG1O。2.2.3 给煤机与煤仓简介(Loading Machine and bunkers synopsis)在华丰井下煤炭运输中，普遍采用NJGC型耐压式称重给煤机，其工作原理是给煤机利用胶带拖动原煤运行，当原煤从煤仓被胶带拖动后，在胶带下的带动下，靠自重与胶带之间的摩擦力平稳地向前移动，从而实现连续、均匀地给煤。在输送胶带的下方，安装有称重托辊、称重桥架、称重传感器，装有称重传感器的称重桥架安装于输送机的纵梁下，称重桥架支撑着称重托辊，以检测皮带上的物料重量并产生一个正比于皮带载荷的电信号，送给称重显示仪表。 连接在滚筒上的速度传感器，提供一个系列脉冲，每个脉冲表示一个皮带运动单元，脉冲的频率正比于皮带速度。称重显示仪表接收称重传感器与速度传感器这两种信号后，通过放大、整形、A/D转换处理与积分运算，在仪表的显示器上显示出输送原煤的累计量和瞬时量，称重显示仪表具有可选的RS232/RS485通讯接口。测量皮带上单位长度的煤重q(kg/m)和皮带的行进速度V(m/s),两者相乘得出实际的给煤率。把实际的给煤率对时间t(s)进行积分,得到实际的给煤量。给煤量: W其中：t、t是煤从输送皮带x到x通过的时间，q*v为给煤率。井下生产的原煤基本上是通过胶带输送机注入煤仓，因此，煤仓担负着各煤矿原煤生产的存储和中转任务，它的正常工作与否直接关系到煤矿的原煤产量。竖井煤仓常会出现满井现象，从而引发胶带输送机机头积煤埋压和胶带输送机重载启动等现象，进而引发一系列重大事故，因而有必要使用煤仓煤位探测装置，便于掌握竖井煤仓储煤量情况，便于控制各部胶带输送机的运煤量，平衡生产，从而避免由于满井而发生胶带输送机机头积煤埋压和胶带输送机重载启动等现象。本文中煤仓仓体为圆柱形，直径5.0 m，上部为倒漏斗形，上锁口直径2.5m，下部为漏斗形，下锁口为边长1.25 m 的正方形，仓体全长35 m，容量25030Ot。煤仓采用浇灌混凝土钢筋支护。仓身部分采用臂缝式锚杆加喷厚100mm混凝土支护，下漏斗上方设一矿用工字钢交错焊接的缓冲平台，以减轻大块煤下落时对下漏斗的冲击。为了避免满井现象，采用西门子的雷达物位仪对煤仓煤位进行实时监测。 2.3钢缆皮带网络控制系统构架(The Configuration of Network Control System)2.3.1主运系统自动化总体方案(The Scheme of Main Transport System Automation)生产主运自动化系统即钢缆皮带工业监控系统的设计要求是在生产运行过程中做到自动控制、自动报警、自动保护、自动操作和自动调节，提高钢缆皮带组的运行效率,降低运行成本, 减轻工人的劳动强度,优化管理，对钢缆皮带各个系统流程中的重要过程参数、设备状态等进行计算机在线集中监测, 对重要设备进行计算机在线集散控制，确保安全生产。生产主运系统集中控制主要由地面控制中心站、皮带控制分站、各种传感器及辅助设备等组成。地面控制中心站为本系统主控地点，设在主运车房，同时在调度室也能控制。在调度室，操作人员对井下皮带和给煤机等设备进行开停控制，显示井下皮带机和给煤机的各种数据及工作状态（包括各电动机电流、电压、转速、开停状态、各种保护信号等），并有故障报警。在调度室， 能够完成各PLC分站监控信息的交换及与地面控制中心站的信息交换，并显示有关信息。皮带分站与就地控制合为一体，是一套完整的皮带输送机监控装置，它可脱离集控系统独立控制皮带和给煤机。主运系统联网设计如下：1、网络传输平台上，采用西门子的工业以太网技术，在井下-750调度站、-750泵房、-450泵房，井上主运车房共设立四个接入节点，与调度中心构成冗余的千兆环网。2、现有生产主运系统三条钢缆皮带全数字调速电控系统共有三组操作保护PLC，采用西门子S7-300，将S7-300 PLC通过交换机的以太网接口直接接入工业以太网。接入地点：主运车房、-750调试站、-450泵房。3、由于在井下的PLC与X414距离超过100米，所以通过光端机与PLC的以太网模块CP-343-1相联，经光电转换后可以用光纤传输。4、在软件集成上，采用西门子先进的WinCC组态软件，通过一致的软件界面，实现对各类自动化系统的综合、集中监测与监控。5、给煤机与转载机的上位机控制通过井下（-750）PLC来实现，上位机与PLC通过千兆工业以太网通讯。6、在各给煤机与转载机处放一个远程I/O口（ET200M），通过西门子专用的PROFIBUS-DP通讯电缆来实现ET200与PLC的通讯，通过PROFIBUS-DP网络来实现PLC对各给煤机的控制。主运系统构架图如图23所示。系统完成的主要功能：1、地面控制功能。操作人员在调度中心通过中心站可以控制各钢缆皮带及给煤机的顺序起、停，钢缆皮带机能够实现平稳调速，变频给煤机能够远程调速。地面应有三种控制方式：地面集中自动控制（远方自动）、地面集中手动控制（远方手动）、远方试验控制。在自动控制方式下，操作人员通过地面调度中心的上位客户机发送指令，实现各皮带组的顺序控制，在相应的皮带组无报警情况下实现皮带的顺序启动和停止，其中有给煤机的皮带可以选择对给媒机的给、停及煤量自动控制或手动控制。在手动控制方式下下，在皮带无报警的情况下实现单台皮带的有闭锁起、停，皮带和给煤机单独控制。远方试验控制，这种控制方式和地面集中手动控制差不多，只不过取消了闭锁。 2、皮带就地控制功能。操作人员可在现场对皮带和给煤机进行就地控制，有二种工作方式（一般在皮带检修时采用这种控制方式）：就地手动控制、就地试验控制。皮带机、给煤机遵循逆煤流启动，顺煤流停车的原则；任意一条皮带若存在两个以上的来煤皮带，则所有来煤皮带相互闭锁；在皮带接到报警信号后（如堆煤）应立即停车,也可对一些报警信号进行只报警不停车处理；正常情况下停车时，必须先停给煤机，延时一段时间后再停皮带，以保证皮带拉空，延时时间=皮带长度/带速；系统有五种控制方式，在同一时刻对同一条皮带只能有一种控制方式有效。3、保护、监测和显示功能。主要保护功能：系统应具有堆煤、沿线急停、超温、烟雾、防坠、低速、跑偏、高煤位保护。主要显示功能：在中心站实时显示各钢缆皮带的运行状态、实时显示各皮带的各种运行参数及煤仓煤位高度。设有各皮带的故障信号显示，并伴有声光报警，提示值班人员采取有关措施。组态图应有总图(包括主运系统所有设备参数)和单个独立设备组态图(如钢缆皮带机、给煤机)。系统实时监测并显示给煤机磁力启动器带电状态，皮带机开停状态，皮带机运行速度，电机减速器主要部位的温度，液压站温度、油压，电机电压、电流，皮带张紧力和现场噪音等参数。系统能记录规定时期内，每条皮带的开停时间，能记录每条钢缆皮带机的速度图与力图及故障情况。自动化控制原则遵循就地优先的原则，能够在地面区分井下三段皮带信号，并能向井下发信号。图2-3主运系统构网络架图Figure 2-3 The network Skeleton of the main transport 4、钢缆皮带机组运行控制规则。皮带组运行后若出现报警，报警皮带和来煤方向皮带立即停车。当出现煤仓高煤位报警信号时，相应皮带组延时正常停车。集中自动、手动控制方式下，一旦皮带因故停止运行，给煤机及来煤方向相互闭锁皮带应急停。有报警信号时，皮带不能启动。集中控制方式下，皮带在运行的过程中，若分站出现通讯错误，皮带和给煤机同时停车，其中独立皮带正常停车，闭锁皮带视情况延时停车或急停。程序设计中，报警信号自动保持，即一旦报警、即使经维修后报警信号消失，计算机内仍然保持报警状态，这时清零命令或井下清零按钮可清除报警保持信号。分站与主站通讯出错后计算机上显示分站方式为自锁。皮带或给煤机运行时，计算机不能改变分站方式。报警时，计算机不能下发启动命令。2.3.2 ProfibusDP远程联网(The Long Distant Network Connect of ProfibusDP)由于主运系统中四个煤仓及给煤机与主运皮带相隔很远，所以本设计选用了Profibus-DP现场总线通讯方式进行远程监控。Profibus是自1984年开始研制现场总线产品，经过十多年的开发、生产和应用，Profibus已成为欧洲首屈一指的开放式现场总线系统，Profibus提供了三种通讯协议类型：DP、FMS和PA。目前PNO(Profibus用户组织)已拥有600多个成员，生产近千种产品。Profibus产品在欧洲市场占有率大于40，广泛应用于加工自动化、楼宇自动化、过程自动化、发电与输配电等领域，截止1997年1月，安装的Profibus芯片已超过500万台。1996年6月Profibus正式被采纳为欧洲标准EN50170第二卷。Profibus的核心公司为:Siemens公司，E+H公司，Samson公司，Sorting公司等。Profibus以IS07498为基础，以开放式系统互联网络(OSI Open systeminterconnection)作为参考模型，定义了物理传输特性，总线存取协议和应用功能。Profibus总线符合EIA RS485标准， Profibus RS485的传输程序是以半双工、异步、无间歇同步为基础的。传输介质可以是光缆或屏蔽双绞线，电气传输每个RS485传输段为32个站点和有源网络元件（RS485中间器、OLM等），在总线的两端为终端电阻。Profibus总线的传输速率从9.6Kbit/s12Mbit/s，传输速率和总线长度有关，总的规律是传输速率越高，总线长度越短，越容易受到电磁干扰。 Profibus-DP ( Decentralized Periphery)是一种高速和便宜的通信连接，它专门设计为自动控制系统分散的I/O之间进行通信使用。直接数据链路映像(DDLM)提供的用户接口，使得对数据链路层的存取变得简单方便，传输可使用RS-485传输技术或光纤媒体。它适用于在对时间要求苛刻场合的自动控制系统和外围设备之间的通信，用以取代价格昂贵的24V及4-20mA并行信号线。DP主要用于现场级的主从通信，例如PLC或PC和远程I/O、传动装置、人机界面等之间的通信。同时，新发布的DVP 1补充协议议定了从站之间的直接通信功能，这使得协议PROFIBUS的实时性又得到进一步的提高。在总线系统里，每个站共享传输介质。当一个站接到传输介质的访问信号，通道访问控制就确定了。PROFIBUS-DP使用一种混合式的访问方法(即具有低层的主-从站的令牌传送，符合DINE19 245标准的第三部分)。访问方式在主站和从站之间是有区别的。当主站接收令牌，它获得访问总线系统的权力。当规定的时间过去后，它把令牌传到网络上的下一个主站。如果该站不希望发送信息，令牌立即传到下一个主站模块。从站并不接收令牌，它们是由所属的主站直接寻址。本系统现场级通讯采用PROFIBUS-DP总线，通过PROFIBUS-DP协议将本地站与4套变频调速装置以及远程I/O站连接为一体。其中，750钢缆皮带电控系统中的CPU315-2DP作为主站，其他远程I/O(ET 200M)、变频调速装置作为从站。 在该主运煤系统集中控制网络中，整个Profibus-DP网络长度达到2400多米，所以必须使用RS485中继器来扩展总线的长度。如果选择通讯速率为187.5kbit/s，网络长度2400多米，所以需要增加两个RS485中继器，把整个网络分成三段，每段800米左右，这样就可以保证187.5kbit/s的通讯速率。RS485中继器也是标准的模块，可以安装在PLC背板上，其电源取自图24中的24V稳压电源。西门子RS485中继器具有信号放大和再生功能，在一条Profibus总线上最多可以安装9个RS485中继器，扩展的最大通讯长度达9000米。一个Profibus网段最多可以有32个站点，如果超过32个站点，也需要用RS485中继器隔开。每一个Profibus总线连接器都带有终端电阻，终端电阻放置在Profibus总线的两端，通过站点向终端电阻供电使之生效。对于西门子D型连接器有终端电阻，在网络中间的D型连接器必须打到off上，而网络终端的D型连接器必须打在on上。在一条Profibus总线上，位于总线中间的站点掉电，从电路连接上不会影响整个网络通信功能，如果设备检修而要停掉总线两端任意一个站点，这将失去终端电阻的功能，使整个网络通信中断。但是在总线两端各加一个有源的终端电阻，就可以避免整个网络瘫痪。1、防爆箱设计 KXJ225/660矿用隔爆型PLC控制箱能提供交流和直流电源，其内部有127V、660V/220V的变压器，还有24V直流的稳压电源模块，可用于煤矿井下电子设备（传感器、摄像头、执行器等）的供电，此外内部还有PLC、继电器等控制部分，利用它们可以实现用本安信号去控制非本安电气设备。本产品具有体积小、工作可靠、使用维护方便等特点，适合在井下有瓦斯、煤尘、爆炸危险的环境中使用。防爆箱内部接线图如24所示。每个防爆箱里配置一个电源模块PS307 5A、一个 ET200接口模块IM153-1、一个数字量输入输出模块DI/DO、一个模拟量输入输出模块AI/AO和一个通讯模块CP340。其中数字量模块用于控制转载机的起停、变频器的送断电及其他备用，模拟量模块用于监测煤仓煤位，通讯模块用于系统扩展，以便介入其他复杂控制系统。2、给煤机联网控制由于给煤机是西门子6RE70系列变频器，其本身支持与Profibus-DP总线进行通讯，所以本文也利用Profibus-DP总线对给煤机进行控制。6RE70系列变频器留有一个Profibus接口，可以作为Profibus总线上一个从站，PLC作为主站，从而方便的实现了PLC与变频器之间的实时数据传输。PLC模块 图24防爆箱内部接线图Figure 24 configuration of blast shelter3、煤仓煤位的检测为了进一步提高该矿主运系统的自动化程度，我们在每个煤仓顶部装配了一个雷达物位计（SITRANS LR400）。将检测到的每个煤仓的煤位通过ET200的PROFIBUS-DP网络传输给控制站的控制PLC,然后通过千兆以太网传输给上位机。这样配合工业电视的监视画面，工作人员在集控室就可以看到每个煤仓的实时煤位和给煤机的远行状态，实现对给煤机的集中控制。 SITRANS LR400雷达物位计是为中大型贮罐的物位测量（液体或者固体）而设计的，SITRANS LR400使用一种高频微波，即使介质对波的反射性能很差，测量依然可靠。SITRANS LR400供电电源为：120230Vac，50/60HZ，6W或者是24Vdc，6W。输出标准的420m A的电流信号。同时当煤仓的煤位超过某设计高度时，SITRANS LR400能输出一个24V的直流信号。这个信号可以引入PLC，也可以设计成报警电路。煤仓煤位检测步骤如下：1)、在各个煤仓顶部安装一个西门子超声波物位仪，来实时测量反映煤仓中煤位高度。2)、测量值的输出接到各个给煤机处的ET200的I/O口。3)、ET200通过西门子专用的PROFIBUS-DP通讯电缆来实现与PLC的通讯。4)、PLC通过千兆以太网与上位机相联。5)、调度室的上位机通过PLC就能实时显示各煤仓的煤量。2.4 PLC网络通讯(Network Communication of PLC Control System)PLC控制系统是整个控制系统的核心，其主控单元和各测量装置的好坏直接关系到控制功能和控制效果的实现。因此，在综合考虑可靠性