基于PLC的皮帶集中控制系統(tǒng)設計(定稿)-2012

西南科技大學畢業(yè)設計（論文）PAGE105西南科技大學畢業(yè)設計（論文）基于PLC的皮帶集中控制系統(tǒng)設計(定稿)—2012 西南科技大學本11機制畢業(yè)生畢業(yè)論文題目:基于PLC的礦井皮帶運輸系統(tǒng)設計院系名稱：電子電氣工程系專業(yè)班級：學生姓名：學號：指導教師：教師職稱：2012年9月

摘要煤礦的運輸系統(tǒng)對保證礦井正常生產起著非常重要的作用。為了保證煤礦運輸系統(tǒng)可靠安全運行，對帶式輸送機進行集中監(jiān)視和控制很必要。本文以新疆哈密煤礦主斜井及地面膠帶輸送機為背景，設計出了以PLC技術為核心的集中控制系統(tǒng)，提高了運輸系統(tǒng)的監(jiān)測和控制水平。文中首先介紹了本次設計的背景，然后設計了膠帶輸送機集中控制系統(tǒng)的結構和應具有的控制功能，參數的檢測和故障保護裝置，確定了各故障檢測傳感器的類型及安裝位置。在此基礎上采用SIEMENS的S7-300系列PLC對系統(tǒng)進行硬件和軟件設計，其中包括PLC的模塊配置及外部連線，梯形圖程序設計。最后提出PLC控制系統(tǒng)的主要干擾源，并設計了抗干擾的措施。關鍵詞：膠帶輸送機；S7-300；集中控制系統(tǒng)

AbstractCoaltransportsystemtoensurenormalproductionofmineplayedaveryimportantrole.Inordertoguaranteecoalminesafetyandreliableoperationofthetransportsystem,thebeltconveyortofocusonsurveillanceandcontrolisnecessary.Inthispaper,theXinjiangHamiCoalMineinclinedconveyorbeltandthegroundasthebackground,todesignthePLCtechnologyasthecoreofthecentralizedcontrolsystemtoimprovethetransportsystemofmonitoringandcontrollevel.Firstintroducedinthetextofthisdesignbackground,andthendesignaconveyorbeltonthestructureandcontrolsystemshouldhavethecontrol,faultdetectionandparametersoftheprotectiondevice,identifiedthefaultdetectionsensorsandinstallationofthetypeofposition.OnthisbasistheuseofSIEMENSS7-300seriesPLCtothesystemhardwareandsoftwaredesign,includingthePLCmoduleconfigurationandexternalconnections,ladderprogramdesign.Finally,PLCcontrolsystemthemainsourceofinterferenceandthedesignoftheanti-jammingmeasures.Keywords:Beltconveyor；S7-300；Centralizedcontrolsystem

目錄TOC\o"1-3"\h\u233651

緒論 1263871.1皮帶運輸的發(fā)展概述 1311621.2系統(tǒng)設計的背景及意義 1244551.2.1系統(tǒng)設計的背景 1217691.2.2系統(tǒng)設計的意義 2161831.3系統(tǒng)的任務及要實現的主要功能 387652皮帶集中控制系統(tǒng)要求 4203272.1系統(tǒng)控制工藝 4216102.2系統(tǒng)工藝控制要求 5128743系統(tǒng)控制思想 7231953.1皮帶輸送機控制系統(tǒng)結構設計方案 7168383.2皮帶輸送機集中控制系統(tǒng)設備構成 8148763.2.1皮帶運輸機 874313.2.2皮帶運輸機參數檢測及故障保護裝置設計 9205304膠帶輸送機控制系統(tǒng)硬件選型 1691814.1PLC硬件設計 1678114.1.1CPU的選擇 16220284.1.2數字量模塊選擇 18245014.1.3模擬量模塊選擇 21322264.1.4電源模塊的選擇 21199824.2PROFIBUS-DP總線及ET200M選型 2422714.3外圍設備硬件選型 2551535皮帶控制系統(tǒng)軟件設計 27179645.1集中控制的流程圖 27245185.2系統(tǒng)軟件設計 28169465.2.1硬件組態(tài) 2845945.2.2控制方式選擇 29285685.2.3模擬量的處理 3166955.3人機界面（HMI）設計 3244546控制系統(tǒng)的抗干擾措施設計 34170466.1主要干擾源 34141236.2抗干擾措施 3567027系統(tǒng)的安裝、調試及維護 37254237.1系統(tǒng)的安裝 37215387.1.1系統(tǒng)安裝方法 37299457.1.2注意以下問題 37288517.2系統(tǒng)的調試 38312877.3系統(tǒng)的維護 3924900結束語 4129765致謝 4210745參考文獻 431緒論1.1皮帶運輸的發(fā)展概述利用皮帶運輸是煤炭生產過程中不可缺少的一部分。礦井中，皮帶運輸的線路很長，巷道條件有限，并且大多都采用繼電器進行控制，出現故障也不好檢查，若運輸不暢，采掘工作或其它工作都無法進行，整個煤炭生產系統(tǒng)將處于癱瘓狀態(tài)。礦井運輸機械的類型很多，按運輸方式可分為連續(xù)運行和往返運行兩種。連續(xù)運行式運輸設備的特點是：一經開動就不需操作而連續(xù)運行。普通膠帶機、鋼繩芯膠帶機、鋼繩牽引膠帶運輸機等均屬于此類運輸設備。往返運行式設備的特點是：在運行區(qū)間，以一定的方式，做往返式周期性運，運行中需要操作換向。機車運輸及單繩牽引運輸等屬于此類運輸設備。此段字號不對！隨著科學技術的不斷發(fā)展，礦井生產規(guī)模的不斷擴大，原有的繼電器控制已經不能滿足生產的需要，運輸系統(tǒng)也經歷了不斷的變革和進步，并以煤流運輸的連續(xù)化、設備大型化、自動化、高可靠性與安全性來保證礦井的連續(xù)、高效生產。礦井皮帶運輸系統(tǒng)，是由多條皮帶搭接而成或由煤倉轉載形成的煤流系統(tǒng)，因此它內部形成的單元就是單臺皮帶機。皮帶運輸機是選煤廠的主要運輸設備，它可用于物料的傾斜運輸或水平運輸。由于皮帶運輸機的運輸能力變化范圍大、運輸距離長、載貨和運輸機間沒有相對運動、運轉時阻力小等，因而具有適應性強、工作平穩(wěn)可靠、動力消耗小、機件磨損小、使用維修方便等優(yōu)點，在選煤廠中得到了廣泛應用。1.2系統(tǒng)設計的背景及意義1.2.1系統(tǒng)設計的背景目前，礦井皮帶運輸系統(tǒng)是原煤運輸的唯一途徑，還是礦井生產的重要環(huán)節(jié)，因此它的安全高效運行受到很大程度的重視。由于礦井皮帶運輸系統(tǒng)分布廣，信息分散以及控制要求高的特點，隨著礦井生產規(guī)模的不斷擴大，以及技術水平的不斷提高，現代化礦井也需要現代化管理，因此對皮帶運輸系統(tǒng)的控制和管理提出了更高的要求。以往對皮帶運輸機都采用人工分臺就地控制，即每臺運輸機的控制都由一名人員就地控制，這是一種最原始的控制方式。這種控制方式是直接操作運輸機的控制開關，操作簡單，不增加任何控制元件，維護工作較少，但需要人員較多，并且每個皮帶工的思維及技術水平不一等常有意外事故發(fā)生，影響生產的正常運行。而集中控制方式是在整個運輸線上新增一套集中控制裝置，在控制室內集中操作，由一名操作人員完成即可。這樣即節(jié)省了大量的人力資源，也為及時發(fā)現故障，縮短停產時間和提高自動化效率創(chuàng)造了條件?，F在，已成為礦井煤炭運輸的主要控制方式。在煤礦中，煤流的運輸一般在幾百米到幾十公里，因此它的運輸系統(tǒng)要有多臺皮帶運輸機、給煤機、煤倉等構成協(xié)調配合完成長距離運輸任務。為保證運輸系統(tǒng)的安全可靠，提高運輸效率，對其進行完整的管理和監(jiān)控是現代礦井煤流運輸迫切需要的一項技術。皮帶機的綜合自動化控制是整個礦井實現自動控制的重要組成部分。目前，對皮帶運輸機集中控制存在的主要問題有：（1）在安全保護方面，為提高皮帶運輸機的可靠性、安全性、減少故障、提高效率等多種檢測方法已用于電動機、液力耦合器、減速器和皮帶運行故障檢測，但是這些系統(tǒng)是相互獨立的。（2）故障檢測系統(tǒng)誤報率高。誤報將造成皮帶運輸機不該有的停機，使得全礦井停產，對礦井生產造成極大影響。（3）皮帶機的控制、運行、保護等信息不能較好的與礦井的其它控制系統(tǒng)共享，不能與整個礦井信息系統(tǒng)集成。視屏監(jiān)控系統(tǒng)不規(guī)范，沒有語音通訊功能，不能實現無人值守。隨著礦井功能和規(guī)模的不斷擴大，計算機技術、網絡技術、新的工業(yè)控制器技術等新技術的應用，將逐步取代繼電器控制，給皮帶運輸的集中控制系統(tǒng)提供了發(fā)展空間。從單臺控制系統(tǒng)到多臺控制系統(tǒng)，有價格相對較貴的PLC構成的系統(tǒng)和價格低廉的單片機系統(tǒng)應用。目前，雖然市場上有著各種各樣的集控系統(tǒng)，但是都是朝著自動化、智能化、信息化方向發(fā)展。1.2.2系統(tǒng)設計的意義采用PLC對皮帶集中控制系統(tǒng)具有強大優(yōu)勢，這些優(yōu)勢體現在：1、高可靠性。由于工業(yè)生產過程是晝夜連續(xù)的，一般的生產裝置要幾個月甚至幾年就大修一次，所以這就要求PLC具有較高的可靠性，告可靠性是PLC的最突出特點之一。PLC采用微電子技術，所有I/O接口電路均采用光電隔離措施，使工業(yè)現場的外電路與PLC內部電路之間在電氣上隔離。大量的開關動作由無觸點的半導體完成，另外還采用了屏蔽和抗干擾措施。它的平均故障間隔時間為3-5萬個小時。2、豐富的I/O接口。由于工業(yè)控制機只是整個工業(yè)生產過程自動控制系統(tǒng)中的控制中樞，為了實現對工業(yè)生產過程的控制，它還必須與各種工業(yè)現場的設備相連才能完成控制任務。因此，PLC除了具有計算機的基本功能（如CPU何存儲器）以外，還有豐富的I/O接口模塊與工業(yè)現場的器件或設備（如按鈕、行程開關、接近開關、傳感器及變送器、電磁線圈、電動機啟動器和控制閥等）直接相連。有些PLC還有通信模塊和特殊功能模塊等。3、靈活性。有了PLC，電氣工程師不必為每套設備配置專用裝置。如果控制系統(tǒng)的硬件設備采用相同的PLC，只需編寫不同的應用軟件即可。而且可以用一臺PLC控制幾臺操作完全不同的設備。4、采用模塊化結構。為了適應各種工業(yè)控制的需要，除單元式的小型PLC以外，絕大多數PLC都采用模塊化的結構。PLC的各個部件均采用模塊化的設計，由機架及電纜將各模塊連接起來。5、模擬調試。PLC能對所控功能在實驗室內進行模擬調試，縮短在現場的調試時間。6、對現場進行監(jiān)視。在PLC系統(tǒng)中，操作人員能通過顯示器觀測到所控每個節(jié)點的運行情況，隨時監(jiān)視事故發(fā)生點。1.3系統(tǒng)的任務及要實現的主要功能本次課題任務是為了改變原有的繼電器在皮帶運輸系統(tǒng)中的應用，而采用現代化可編程控制器PLC進行控制，進行S7-300PLC模塊選型和外部連線設計。為了使集控系統(tǒng)更加完善，實現控制的可觀化、清晰化，加入了觸摸屏設計。它可以實時顯示系統(tǒng)的運行情況和各種故障情況，進行及時的報警顯示和記錄。進行系統(tǒng)的軟件設計，實現系統(tǒng)功能。最后分析控制系統(tǒng)產生干擾的原因，提出對應抗干擾措施。采用可編程控制器PLC對皮帶集中控制系統(tǒng)可實現以下功能：（1）、智能控制：具有擬人的智力，在環(huán)境條件變化時能自主地完成控制目標的自動控制系統(tǒng)。（2）、順序控制：按照規(guī)定的時間或邏輯的順序，對某一工藝系統(tǒng)或主要輔機的多個終端控制元件進行一系列操作的控制系統(tǒng)。3、監(jiān)控：對裝備及系統(tǒng)的工作狀態(tài)不間斷地實時監(jiān)測，并根據反饋信息自動對系統(tǒng)中異常部位實施相應措施的閉合自動控制作用。2皮帶集中控制系統(tǒng)要求2.1系統(tǒng)控制工藝以某中型煤礦為例，采用帶式運輸機作為主要運輸方式，其主運輸系統(tǒng)包括主提升帶式輸送機、走廊帶式輸送機、振動篩、中煤塊帶式輸送機、大煤塊帶式輸送機、過橋帶式輸送機和末煤刮板輸送機、煤倉等。各條皮帶機都由一臺電動機驅動，正常運行速度為2m/s，其中振動篩為雙層的，每條皮帶機均設置跑偏、堆煤、煙霧、拉線急停、打滑、縱撕等保護。其工藝流程圖如圖2.1所示。其中箭頭指示煤流方向。如圖2-1所示，煤炭從井底煤倉經給煤機運到主提升皮帶，通過主斜井中的主提升皮帶運至地面，經地面的走廊皮帶輸送機轉運到振動篩，振動篩為雙層，經篩后分為大塊煤、中塊煤和末煤三種。大塊煤經大塊皮帶到大塊煤倉，中塊煤經中塊皮帶到中塊煤倉，而末煤先通過過橋皮帶轉運，再利用過橋皮帶機尾的分煤擋板分到兩條末煤刮板輸送機上，運輸到各自的煤倉，其分煤擋板是固定的。本礦井皮帶運輸系統(tǒng)控制采用繼電器控制，可靠性差、體積大、故障率高、勞動強度較大。其控制方式有兩種：集中手動控制和就地控制，沒有集中自動控制，所有的控制都由人來操作。集中控制室設在選煤樓振動篩的附近，由控制柜、操作臺和觸摸屏組成。皮帶機的控制通過操作臺上對應的啟停按鈕集中控制，觸摸屏實時顯示皮帶的運行狀態(tài)和故障狀態(tài)集、故障位置。各皮帶機的機頭或機尾都設置就地控制箱，在檢修或特殊情況下進行現場的就地啟?？刂?。皮帶按逆煤流啟動，順煤流停車。啟動順序為：末煤刮板機、過橋皮帶、大小塊皮帶、振動篩、走廊皮帶、主提升皮帶、給煤機；停止順序與此相反。每一條皮帶安排一人專門負責巡視，勞動量大、效率低。圖2-1系統(tǒng)運輸工藝流程圖2.2系統(tǒng)工藝控制要求本皮帶運輸集中控制系統(tǒng)具有如下控制要求：本系統(tǒng)有集中、就地、檢修三種工作模式。一般系統(tǒng)運行在集控工作模式下，當組成生產流水線時，本機根據前后閉鎖關系自動啟停，同時檢測各檢測保護一般系統(tǒng)運行在集控工作模式下設備的狀況；運行就地工作模式時，操作員手動操作按鈕啟動/停止皮帶機，所有保護設備均投入使用；運行檢修工作模式時，操作員手動單臺啟動/停止皮帶，保護設備可有選擇性的投入使用。在檢修模式下，可將使皮帶低速運行。工作方式的改變，只有在皮帶輸送機不轉時進行;皮帶輸送機運作時，不能改變其工作方式。（1）程序設計中，報警停車等故障信號自動保持，即一旦發(fā)出故障信號，即使經維修后信號消失，計算機內仍保留信號故障狀態(tài)，這時復位指令可以清除故障保持信號。（2）皮帶輸送機按照逆煤流啟動，順煤流延時停車，并具有閉鎖功能。（3）系統(tǒng)具有膠帶機低速打滑、機頭堆煤、超溫灑水、煙霧、滾筒超溫、沿線急停和跑偏等多種保護。下面簡單介紹它們信號發(fā)生后的動作情況：1）拉線開關：信號發(fā)出后馬上發(fā)出急停指令，系統(tǒng)可以識別哪個急停開關動作，發(fā)出拉線開關聲光報警。2）堆煤：信號發(fā)出后，執(zhí)行堆煤聲光報警指令和急停指令。3）跑偏：信號發(fā)出后，執(zhí)行跑偏聲光報警指令，此為一級動作，當報警時間超出一定時間段時，同時再執(zhí)行急停指令，此為二級動作。4）打滑；信號發(fā)出后，執(zhí)行打滑聲光報警指令,再執(zhí)行急停指令。5）超速：信號發(fā)出后，執(zhí)行超速聲光報警和急停指令。6）斷帶：信號發(fā)出后，執(zhí)行斷帶聲光報警和急停指令。7）縱撕：信號發(fā)出后，執(zhí)行縱撕聲光報警和急停指令。8）滾筒超溫：信號發(fā)出后，執(zhí)行滾筒超溫聲光報警、灑水指令和急停指令。9）煙霧：信號發(fā)出后，執(zhí)行煙霧聲光報警、灑水指令和急停指令。（4）對設備故障和工藝參數的異常實時報警，并進行聲光提示，系統(tǒng)狀態(tài)對位顯示，更便于維護。（5）可與工業(yè)電視系統(tǒng)配合，實時監(jiān)視皮帶機重點部位運行情況，以確保人員及設備的安全；具有喊話、打點通訊功能，基本實現無人值守。（6）皮帶運輸機就地控制箱上設啟停、起動預警按鈕，設備啟動前發(fā)出預警信號，提示有關人員應立即遠離設備；現場可隨時停車，若設備由集控啟動，控制系統(tǒng)接到現場停車信號后，可作急停處理，實施故障停車操作。（7）具有聯(lián)網功能，能與全礦井自動化監(jiān)控系統(tǒng)可靠的聯(lián)接、實現全局監(jiān)控。

3系統(tǒng)控制思想3.1皮帶輸送機控制系統(tǒng)結構設計方案本次設計中需要集中控制的皮帶共有7條皮帶，各皮帶分部較廣，現場控制點很分散，并且現場環(huán)境很惡劣。所以系統(tǒng)結構采用PROFIBUS-DP現場總線技術，組成主從系統(tǒng)結構。根據工藝流程規(guī)劃，系統(tǒng)以PLC為控制主站，以每條皮帶就地箱配備的遠程I/OET200M為從站，共設7個從站，這樣就節(jié)約了大量的電纜等材料。本系統(tǒng)由集中控制臺、PLC控制柜、觸摸屏、就地箱、各種保護傳感器及執(zhí)行器組成。完成一個系統(tǒng)內多條皮帶多個設備全過程的控制、監(jiān)測、構成一個完善的集中控制系統(tǒng)。其系統(tǒng)結構如圖3.1所示。圖3-1系統(tǒng)結構圖以SIEMENS公司S7--300系列PLC作為核心控制器件，具有防潮、抗干擾能力強、易擴展，基本免維護，實現與上位機的通信，以循環(huán)掃描的方式，檢測傳感器及被控設備的信號，發(fā)出程序指令，完成對皮帶機的集中監(jiān)控，使各個皮帶協(xié)調完成工作。PLC控制柜內部由S7-300PLC模塊、接線端子、電源模塊、變壓器及各種模塊組成；集中控制臺和觸摸屏是人機的交流界面，控制臺面板上有各條皮帶機的起?？刂瓢粹o，總啟、總停按鈕，起車預警按鈕、集控/就地/檢修工作方式的轉換開關，系統(tǒng)緊急停車按鈕；觸摸屏則詳細顯示各條皮帶及給煤機運行情況，同時也顯示出所有皮帶上的各種保護傳感器的動作情況、故障位置等。就地控制箱上有控制皮帶的啟動、停止按鈕，急停按鈕，內部配SIMATICET200M遠程I/O，完成現場皮帶的數據采集和控制。每個遠程I/O站可以處理256個開關量或64個模擬量，它與CPU的通信速率最高可達12Mbps，通信距離最遠可達1200米。ET200M遠程單元通過IM153-2總線接口模塊連接到PROFIBUS總線上。3.2皮帶輸送機集中控制系統(tǒng)設備構成皮帶運輸機集中控制系統(tǒng)主要由PLC、人機界面等組成，它主要控制皮帶輸送機、各種參數檢測和故障保護裝置、將各種信息在觸摸屏上集中顯示。下面我們對集中控制系統(tǒng)各部分進行詳細的介紹。3.2.1皮帶運輸機帶式運輸機是以皮帶作為牽引機構和承載機構的連續(xù)運輸機械、又稱為皮帶運輸機，它在礦山的物料運輸，特別是煤的運輸方面得到了廣泛運用。帶式運輸機主要由以下幾種部件組成：傳動裝置、皮帶、機架、滾筒、托輥、拉緊裝置、清掃器、裝料和卸料裝置等。皮帶運輸的基本結構見所示。膠帶1繞過傳動滾筒2及尾部滾筒3形成無極循環(huán)的牽引機構，在滾筒2和3之間的機架上按一定距離安裝托輥4和5，用來支承載有物料的膠帶段（重段）和回空的膠帶段（空段），傳動滾筒由電動機通過減速器帶動，膠帶與滾筒之間的摩擦力使膠帶移動，這時，由給料漏斗7（裝載裝置）加載在膠帶上的物料就和膠帶一起移動。當膠帶繞過傳動滾筒時，物料就在重力和離心力的作用下卸到排料漏斗8（卸料裝置）中。小車和系在它上面的重物是膠帶運輸機的拉緊裝置，它的作用是通過安裝在小車上的尾部滾筒使膠帶處于張緊的狀態(tài)。這樣，膠帶在兩托輥之間懸垂度不致過大，而傳動滾筒也能有足夠的牽引力傳送給膠帶。膠帶是經主動滾筒和機尾改向滾筒形成一個無極環(huán)行帶。它上下的兩股膠帶分別由上下的托輥來支承。膠帶機的傳動裝置一般位于輸送帶的頭部、中部或是尾部，它是帶式輸送機的重要組成部分。傳動裝置一般由驅動裝置和傳動滾筒組成。驅動裝置一般采用電動機、液力偶合器、減速器及制動輪、傳動滾筒組成。輸送機的驅動有單滾筒驅動和多滾筒驅動，一般常采用單滾筒驅動，功率大時可采用多滾筒驅動。多滾筒驅動的優(yōu)點就是能夠傳遞較大的功率，帶動較大的負載，并能降低輸送帶的張力；其缺點就是可能會出現功率不平衡問題，從而增加了電動機的備用功率。本項目的膠帶輸送機都采用一臺電機的單滾筒驅動。膠帶輸送機向上運輸物料的傾角不能過大，運輸煤炭時的傾角一般為18O—2lO。向下運輸的傾角一般在150以下。超過這些數值，運輸物料和膠帶之間就會有相對運動，使物料下滑。因此，在輸送同樣高度條件下，膠帶輸送機所需廠房面積或成長度較大。3.2.2皮帶運輸機參數檢測及故障保護裝置設計為了能實時的掌握帶式輸送機的運行狀況，需要對其一些參數如速度、滾筒溫度等進行檢測。帶式輸送機在輸送過程中也難免出現一些故障，如果這些故障處理不當，可能會導致更大的事故，對生產造成重大損失。所以，對帶式輸送機的參數檢測和采取相關保護措施是必須的。下面簡要介紹一下帶式輸送機出現的一些常見故障及其參數的檢測設計。1.跑偏膠帶輸送機跑偏的根本原因是輸送帶在運行過程中，橫向受力不平衡。主要有以下幾種原因：(1)安裝質量原因：a機架、滾筒沒有調整平直；b托輥軸線與輸送帶中心線不垂直；c機架與地面連接強度不夠，機架不穩(wěn)定；d導料槽和卸料槽的導料擋板安裝位置不當，受力不均。(2)輸送帶質量原因：a輸送帶接頭與中心線不直；b輸送帶帶邊呈“S”型。(3)裝載質量原因：裝載點不在輸送帶中央。(4)維護質量原因：滾筒清掃不干凈，造成直徑不等。目前，對運輸機跑偏的解決辦法主要有兩種：(1)通過人工調整滾筒或托輥進行調偏；(2)使用回轉式槽型調偏托輥（上膠帶裝）或平行調偏托輥（下膠帶裝）進行自動調偏。為實現無人值守，多數都使用能自動調偏的托輥。為實時監(jiān)測運輸皮帶是否跑偏，一般在機頭、機中和機尾皮帶最容易跑偏的地方分別安裝一對防跑偏保護裝置。本設計中采用煤炭科學總院常州自動化研究所的KG1007A-2型膠帶二級防跑偏開關，其跑偏信號通過接入臨近拉線急停開關傳輸。在皮帶正常工作時，跑偏開關的探桿在豎直位置。當皮帶跑偏時，皮帶碰到跑偏開關的探桿，并帶動探桿軸轉動，此時與探桿固定在一軸上的凸輪也同時轉動，撥動跑偏開關的微動開關發(fā)出跑偏信號。跑偏開關速度傳感器KG1007A-2型膠帶防跑偏開關為本質安全型電氣設備，使用于煤礦有瓦斯、礦塵爆炸危險的環(huán)境。它體積比較小、重量輕、密封性能好；觸點動作后還留有較大的探桿轉動緩沖角，探桿上裝有尼龍滾動護套，避免探桿和膠帶之間的磨擦，使本身不易損壞，輸出開關量信號。它的轉動角度可以通過改變微調開關的位置來改變。在此設計中，我們要求跑偏信號發(fā)出傳送給PLC，一級跑偏時發(fā)出聲光報警；二級跑偏時PLC發(fā)出急停指令，語音報警，同時觸摸屏故障位置指示燈亮并啟動急停報警。KG1007A－2型防跑偏開關技術參數如下所示：膠帶跑偏開關型號:KG1007A－2型

外殼防護等級:IP54

觸點容量AC380V、DC220V，5A，煤礦井下使用時必須和本質安全型電路連接

探桿動作轉動最大角度:大于70°，雙向轉動

觸點動作時探桿轉動角度:25°（一級）

40°（二級）

引入電纜外徑:6～12mm,兩個出線口

重量:2kg2.速度檢測檢測膠帶打滑、超速和斷帶故障，均需要知道膠帶的運行速度，因此我們給每條皮帶設置一個速度傳感器來檢測膠帶的速度。本設計中，我們選用常州聯(lián)力的KJ5007A型速度傳感器，輸出頻率信號，幅值5V，頻率f=200V(V為膠帶速度值)，輸出電流信號4～20mA。其工作原理是：帶式輸送機運行時，速度檢測傳感器由緊貼膠帶的滾輪帶動轉盤（帶有齒槽）在光電傳感器凹槽內轉動，光電傳感器光路通斷受齒槽控制，輸出相應的方波頻率信號，頻率信號經整形放大后，再經頻率/電壓、電壓/電流變換后輸出4～20mA的電流信號。圖3.2速度檢測傳感器部分電路方框圖3.打滑驅動滾筒打滑的原因是滾筒的摩擦牽引力降低、超載或帶子被卡住。摩擦牽引力降低的原因是輸送帶或滾筒沾泥水、輸送帶張力下降。采用自動調整的拉緊裝置是防止驅動滾筒打滑的有效方法。滾筒持續(xù)打滑得不到糾正，則會招致輸送帶著火，引起重大火災事故。采用阻燃輸送帶，驅動滾筒持續(xù)打滑也會冒煙污染空氣。因此設置打滑保護裝置，自動監(jiān)視調整或停止。4.超速當膠帶負載忽然變輕或是膠帶忽然斷帶時，膠帶運行速度會馬上升高。膠帶一般正常運行速度是2m/s，如果速度太高，會對膠帶旁邊的礦工造成危險；同時若膠帶旁邊有鋒銳的物體，可能會掛破膠帶，造成重大事故。同上，我們在此設計中沒有采用專門的超速傳感器，通過膠帶速度與設定值的比較，判定膠帶是否超速運行。當膠帶速度達到標準帶速的105%時，發(fā)出聲光報警并命令皮帶緊急停車，這里標準帶速為2m/s。5.斷帶從大量的斷帶事故分析可知，帶式輸送機斷帶原因大概有以下幾種:(1)齒輪減速器損壞，液力耦合器噴液或電動機逆轉；(2)輸送帶接頭質量問題；(3)運輸中因其他東西卷入而引起運輸載荷突然增加；(4)啟動和停車時應力變化大；(5)輸送帶自身質量不過關，輸送帶服務年限過長，輸送帶長時間超負荷運輸，日常維護不到位；(6)物料分配不均，輸送帶跑偏。為了防止由這些原因引起的斷帶事故，除了進行人為的檢修和維護外，在輸送機沿線上布置斷帶保護裝置尤為重要。因為它可以避免突發(fā)事故，隨時處于待命狀態(tài)。在滾筒實際轉速不能確定的情況下，我們通過檢測膠帶線速度與滾筒額定線速度差確定是否斷帶，當差值大于設定值時，發(fā)出斷帶信號，命令皮帶緊急停車，同時停給煤機，并發(fā)出聲光報警。6.堆煤傳感器當煤倉內有大煤塊塞住煤倉漏口時，會使煤流阻在煤倉內，無法向膠帶投放。由于煤倉特別大，如果沒有人及時發(fā)現煤倉堆煤，煤在煤倉內會越堆越多，最后會迫使使用大量人力物力來挖除煤倉內阻塞的大量煤，同時將運輸系統(tǒng)全部停下。這樣不僅浪費時間降低工作效率，同時也費用大量人力物力，提高煤的生產成本。因此加入堆煤傳感器，及時報警危險煤位，處理煤倉內阻塞的煤。此設計中采用常州自動化研究所的物料探測傳感器。KG1006系列物料探測傳感器包括KG1006A型和KG1006C型，適用于煤炭、冶金、化工、建材的功能行業(yè)惡劣環(huán)境，主要用途是監(jiān)測料倉物料高度；檢測輸送機溜槽阻塞或轉載點堆積。傳感器可以延時動作，延時時間可調，避免由于大塊物料撞擊引起誤動作。這里我們選用KG1006A型，輸出觸點容量是AC220V，1A，電阻性負載；延時時間0.4～60s可調，瞬間復位，輸出開關信號。堆煤傳感器一般安裝在機頭下方適當的位置，且不易碰壞或被水和煤塵污染的地方。應保證正常煤流時不誤動作，機器振動不誤動作，不因滴水或煤塵集聚而誤動作，大塊煤矸石碰撞后不能使其損壞。7.煙霧檢測傳感器由于打滑摩擦等原因，膠帶機滾筒升高到一定溫度時，會使膠帶燃著，因此我們在滾筒處設置煙霧傳感器，當煙霧濃度大于一定值時，發(fā)出報警信號。煙霧傳感器可分為離子感煙式和光電感煙式兩類，但不管是離子式還是光電式的，都有一個共同的特點，即機電一體化。目前，煙霧傳感器大都采用金屬镅的離子式探測器，由不銹鋼的外殼構成。本設計采用常州自動化研究所的KGN1-1型煙霧傳感器，它為礦用本質安全型，用于監(jiān)測煤礦井下因機械磨擦、電纜發(fā)熱、煤層自然等原因引起的火災事故，輸出0/5mA的開關量信號，紅色LED電源指示，報警時閃爍，頻率1Hz.當檢測到煙霧濃度超過設定值時，發(fā)出灑水指令，啟動灑水裝置對主滾筒進行降溫滅火，并進行聲光報警。煙霧傳感器應懸掛在輸送機頭風流方向后2-3米處，以保證主滾筒因摩擦產生煙霧時立即起作用。若風速超過5m/s時應安裝防風罩，根據實際情況而定。為保證煙霧傳感器正常工作，必須對其定期打掃和清洗。8.拉線急停開關在皮帶輸送機運行過程中，總有一些無法監(jiān)測到而又非常惡劣的事情發(fā)生，當遇到這種緊急情況時，可以采用手動的拉線急停開關，使輸送帶緊急停車，避免發(fā)生重大事故。我們采用常州自動化研究所的KG9001A-C型編碼式拉繩急停閉鎖開關，可用作輸送機沿線電纜接線盒，并具有故障位置識別電路，識別各種不同故障及故障發(fā)生的地點。沿輸送機長度方向配置的跑偏、縱撕（或其它傳感器）等保護裝置和起動預告、打點聯(lián)絡用的信號器均可通過它們與監(jiān)控系統(tǒng)連接。拉線急停開關沿輸送機安裝，一般每隔80-100米按一個，應安裝在易于觀察到、易于操作的地方。煙霧傳感器拉線急停開關KG9001A-C型拉線急停開關的技術參數如下所示：拉力150±20N行程8～10mm復位形式人工復位工作電壓DC10～15V，煤礦井下使用時，必須與本質安全型電路連接工作電流監(jiān)控狀態(tài)下不大于0.1mA;動態(tài)狀態(tài)下不大于40mA輸出信號2路集電極開路輸出位置識別地址0～63引入電纜外徑KG9001A-C兩側出線口(2個)15～20mm；下部出線口(4個)6～12mm出廠時拉繩配置長度2×35m外殼防護等級IP54重量7.5kg9、紅外溫度傳感器由于滾筒和膠帶的摩擦作用，當滾筒溫度過高時，會使膠帶燃著。因此，我們要及時監(jiān)測滾筒溫度，當溫度達到一定值時報警。溫度傳感器從使用上可分為接觸式和非接觸式兩大類，接觸式目前使用較為廣泛，而非接觸式測量是通過檢測被測物體所發(fā)出的紅外線，來達到測溫的目的。根據課題項目的具體要求，被測對象是一直轉動的滾筒表面，接觸式溫度傳感器測量起來誤差太大，響應時間太長，溫度變化的傳遞完全依靠空氣為介質進行熱交換，因而采用接觸式測量不適用于該次設計，為此，選用了RAYTEK非接觸式紅外熱敏元件作為測溫元件，溫度傳感器的輸出信號為0～10V模擬量電壓信號，測量范圍為-32～535度。它具有響應速度快，測量精度高，安裝維護簡便等特點。我們將檢測到的紅外溫度與設定值比較，當溫度大于設定值時，則發(fā)出報警指令，同時啟動灑水閥灑水降溫。一般我們的設定值要根據考慮周邊情況，如：膠帶的制作材料，燃點等。10.縱撕檢測鋼線芯帶式輸送機以其強度高、運量大和運距長等優(yōu)點，受到各企業(yè)的青睞，也得到越來越廣泛的應用。它之所以強度高是因為其內部縱向布置了許多鋼絲繩，但是在其寬度上，抗拉強度是很低的。因此正因為這一特點，使其容易發(fā)生縱向撕裂事故，而且一旦事故發(fā)生，就會造成非常重大的經濟損失，即使能修補，也浪費很長的時間，給生產造成損失?？v向撕裂，其原因是多方面的，主要有：一些料棒插入到輸送帶中；大塊長型矸石掉到輸送帶上；機架上某些固定件掛住輸送帶；各種鐵絲鉤住輸送帶等。就發(fā)生縱撕的地點來看，大部分是在裝載處，因此縱撕檢測傳感器一般放在裝載點前10m處。輸送帶縱撕事故如此嚴重，提出了多種檢測和監(jiān)視裝置，下面我們收集多方面資料比較詳細的介紹幾種常見類型。由于輸送帶被撕裂后，表現特征各不相同，選用何種裝置進行檢測，要根據具體情況而定，一般要選用幾種同時使用，以防范重大事故的發(fā)生。(1）漏料檢測器。當輸送帶被撕裂后，物料會通過裂口掉到下面的托盤上，根據平衡原理，當物料重量克服平衡錘的重量，使裝置繞支點轉動，迫使限位開關動作（圖3-2）。這種檢測裝置結構比較簡單，檢查方便，但是，只有物料落下后才可檢測到，當裂口因為拉力重合到一起，物料無法落下時，卻無法檢測的到。1—回空帶；2—托盤；3—支點：4—平衡錘；5—承載帶圖3-2(2）帶寬檢測器。它是利用與輸送帶邊緣相接觸的檢測輥或是利用超音波距離測量來檢測輸送帶寬度。這就避免了上面漏料檢測器的失誤。當輸送帶寬度變小時，兩個檢測輥之間的距離變小，通過萬向節(jié)把撕帶的信息傳遞給開關，開關控制電動機停機。此外，帶寬檢測裝置和時間繼電器配合使用，當接受到信號后，等待一段時間再發(fā)出動作指令，以區(qū)分是輸送帶撕裂或是撕邊。(3）超聲波檢測器。在輸送帶容易撕裂的地方的托輥之間安裝能夠產生超聲波的波導管，使之產生超聲波振蕩，再通過檢波器檢波后發(fā)出。當輸送帶正常運行時，超聲波送波、受波正常，發(fā)出正常信號；如果輸送帶撕裂，波導管因彎曲而破壞，這時送波和受波狀態(tài)不同，發(fā)出輸送帶縱向撕裂信號，使輸送機停機，避免輸送帶縱向撕裂事故繼續(xù)擴大。(4）振動檢測器。它的激振器是一個偏心圓盤，布置在兩個承載托輥之間的輸送帶上的無載邊。在輸送帶的另一邊安裝振動接收器，它通過自由回轉的輥輪和輸送帶接觸。帶式輸送機運轉時，偏心激振器使輸送帶產生橫向強迫振動，振動接收器受輸送帶振動的作用，發(fā)出信號并輸入放大器。當輸送帶發(fā)生縱向撕裂時，振動接收器再受振動的作用，輸出信號相應減弱，則放大器發(fā)出信號，繼電器動作，帶式輸送機停機。在本設計中，選擇使DJSBA-1型縱撕傳感器。DJSBA-1型縱撕傳感器為礦用隔爆裝本質安全型，適用于煤礦井下有瓦斯、煤塵爆炸性氣體環(huán)境中。安裝于輸送機膠帶下方，近落料點處。當膠帶發(fā)生縱向撕裂時，物料灑落在傳感器上面，物料超過設定重量（0.2kg）時，傳感器發(fā)出動作信號送至主控系統(tǒng)，立即停車并聲光報警。

4膠帶輸送機控制系統(tǒng)硬件選型4.1PLC硬件設計SIMATICS7—300系列PLC是模塊化結構設計，各個單獨模塊之間可以進行單獨組合和擴展，從而使控制系統(tǒng)設計更加靈活滿足不同的應用需求。編程器PG用來為S7-300PLC編制程序，使用編程電纜連接編程器和CPU。通過PROFIBUS電纜可以實現S7-300CPU之間的通訊，以及與其他SIMATICS7PLC進行通訊。一根PROFIBUS總線電纜可以連接多個S7-300。S7-300PLC的主要組成部分有導軌（RACK）、電源模塊（PS）、中央處理單元模塊（CPU）、接口模塊（IM）、信號模塊（SM）、功能模塊（FM）。它通過MPI網的接口直接與編程器PG、操作員面板OP和其它S7PLC相連。4.1.1CPU的選擇（1）I/O點數的確定經過對各輸入輸出的大略計算，本設計中需要數字量輸入164點，數字量輸出69點，模擬量輸入通道14路，其具體分配見表表4-1模擬量輸入通道統(tǒng)計表模擬量輸入通道數皮帶機速度7滾筒溫度7總計14表4-2數字量輸入點數統(tǒng)計表數字量輸入點數操作臺控制方式選擇3總啟動按鈕1總停止按鈕1起車預警按鈕1急停按鈕1給煤機啟停按鈕2各皮帶啟停按鈕14堆煤傳感器7主提升、走廊皮帶跑偏開關24其他皮帶跑偏開關48縱撕傳感器7煙霧傳感器7走廊皮帶拉線急停開關2主提升皮帶拉線急停開關20其他皮帶拉線急停開關5就地箱啟動按鈕7就地箱停止按鈕7就地箱急停按鈕7總計164表4-3數字量輸出點數統(tǒng)計表數字量輸出點數皮帶電機開7灑水裝置電磁閥7皮帶電機關7警鈴1給煤機啟動、停止2狀態(tài)指示燈10就地箱故障顯示燈35總計69考慮到前面的設計中I/O點數可能有疏漏，并考慮到I/O端的分組情況以及隔離與接地要求，應在統(tǒng)計后得出的I/O總點數基礎上，增加10％到15％的裕量?？紤]裕量后的I/O總點數即為I/O點數估計值。選定的PLC機型的I/O能力極限值必須大于I/O點數估計值，并應盡量避免使PLC能力接近飽和，一般應留有30％的裕量。（2）存儲器容量選擇PLC的I/O點數估算值大小，在很大程度上反映了PLC系統(tǒng)的功能要求，因此可以在I/O點數估算值的基礎上計算對PLC存儲器容量的需求。目前，大多用統(tǒng)計經驗公式進行存儲器容量估算。這種方法是以PLC處理每個信息量所需存儲器數的統(tǒng)計平均經驗值為依據，乘以信息量數再考慮一定的裕量計算得到存儲器需要容量。作為一般應用下的一種經驗公式是：存儲器容量其中：DI為數字量輸入總點數； DO為數字量輸出總點數； AI/O為模擬量I/O通道總數。 DI點數估計值為164×1.15=189，DO點數估計值為69×1.15=80，AI通道估計值為14×1.15=17個。所以存儲器容量為: 1.2×(189×10+69×5+17×100)/1024=4.62KB（3）響應速度通過上面的計算，考慮系統(tǒng)通訊和冗余的要求，選用SIMATICS7-300系列中的CPU315-2DP是最合適的。其中最主要的原因是CPU315-2DP是S7-300系列中唯一帶現場總線(PROFIBUS)SINECL2-DP接口的CPU模塊。內置80KBRAM，隨機存儲器為48KB，最大數字量I/O點數為1024個，最大模擬量I/O通道數為128個。最大配置4個機架，32塊模塊。滿足設計需要。4.1.2數字量模塊選擇1.數字量輸入模塊的選擇及外部連線數字量輸入模塊SM321：數字量輸入模塊用于將現場過程送來的數字信號電平轉換成S7-300內部信號電平。數字量輸入模塊有直流輸入方式和交流輸入方式。直流輸入模塊各輸入點所對應的電路都相同，它們有一個公共的端子，即有一個公共匯入集點，因此直流輸入方式又稱為直流匯點輸入方式。交直流輸入模塊各輸入電路都相同，但它們各個輸入電路可能有一個公共端子，稱為匯點輸入方式；也可能沒有公共端子，而是彼此獨立，互不影響，稱為分隔式輸入方式。輸入模塊的選擇時應注意以下幾方面：a.根據現場設備與模塊之間的距離來選擇模塊電壓水平，其傳輸距離不宜太遠；b.模塊的同時接通點數不宜太多，一般來講，同時接通點數不要超過輸入點數的60%；c.為提高控制系統(tǒng)的可靠性，應考慮其門檻電平的大小。門檻電平越高，抗干擾能力越強，傳輸距離也越遠。綜合考慮以上幾點，本次設計中選用直流32點輸入的輸入模塊SM321（6ES7321-1BL00-0AA0）。操作臺輸入開關量有23個點，遠程I/O主提升皮帶輸入開關量有38個，其他皮帶輸入開關量點數都少于20個。故操作臺輸入模塊SM321選1塊，主提升皮帶遠程I/O選2塊，其余皮帶遠程I/O各選1塊，一共選9塊輸入模塊SM321。輸入模塊是通過輸入端子與外部用戶輸入設備相連接的。輸入模塊通常有若干個輸入點。每一個輸入點能接受一個來自用戶輸入設備所發(fā)出的開關信號。輸入模塊與外部用戶輸入設備的接線分匯點式輸入接線和分隔式輸入接線兩種基本接線形式。匯點式輸入接線如下圖，各輸入電路有一個公共端（匯集端）COM，可以是全部輸入端為一組，共用一個公共端和一個電源；也可以是將全部輸入點分為幾組，每組有一個公共端和獨立的一個電源。匯點式輸入接線即可以用于直流輸入模塊，也可用于交流輸入模塊。直流輸入模塊的電源一般由PLC本身的電源供給，交流輸入模塊的電源由用戶提供。本項目輸入模塊的外部接線如附圖所示，它采用匯點式直流輸入方式。 （a）（b）圖4-1匯點式輸入接線（a直流模塊b交流模塊）2.數字量輸出模塊的選擇和外部連線SM322數字量輸出模塊的作用是將S7-300的輸出信號傳給外部負載（即用戶輸出設備），并將S7-300內部低電平信號轉換成外部所需要電平的輸出信號。因此每一個輸出點的輸出電路可等效為一個輸出繼電器，可直接用于驅動電磁閥、接觸器、小型電機、燈和電動機啟動器。按負載回路使用電源的不同，可分為直流輸出模塊、交流輸出模塊和交直流兩用輸出模塊三種。按輸出開關器件的種類不同又可分為晶體管輸出方式、可控硅輸出方式和繼電器觸點輸出方式三種。晶體管輸出方式的模塊只能帶直流負載，屬于直流輸出模塊；可控硅輸出方式的模塊只能帶交流負載，屬于交流輸出模塊；繼電器觸點輸出方式的模塊可帶直流負載，也可帶交流負載，屬于交直流兩用輸出模塊。從響應速度來看，晶體管響應最快，繼電器最慢；從安全隔離效果和應用靈活性角度來看，以繼電器觸點輸出型最佳。數字量輸出模塊SM322有七種型號輸出模塊可供選擇，即16點晶體管輸出、32點晶體管輸出、16點可控硅輸出、8點晶體管輸出、8點可控硅輸出、8點繼電器輸出和16點繼電器輸出模塊。模塊的每個輸出點有一個綠色發(fā)光二極管顯示輸出狀態(tài)，輸出邏輯“1”時，二極管發(fā)光。模塊是通過輸出端子與外部用戶輸出設備連接的。輸出模塊通常有若干個輸出點，每一個輸出點能驅動一個用戶輸出設備（負載）。典型用戶輸出設備有繼電器、接觸器、電磁閥線圈以及信號燈等。輸出模塊與外部用戶輸出設備的接線分為匯點式輸出接線和分隔式輸出接線兩種基本接線形式。 圖4-2匯點式輸出接線圖4-3分隔式輸出接線匯點式輸出接線如圖3.3所示，各輸出回路有一個公共端，可以是全部輸出信號為一組，共用一個公共端和一個電源；也可以將全部輸出點分為幾組，每組有一個公共端和獨立的一個電源。負載電源可以是直流也可以是交流，但必須是有用戶提供。匯點式輸出接線既可以用于直流輸出模塊，也可用于交流輸出模塊。分隔式輸出接線如圖3.4所示，每個輸出回路有兩個接線端，由單獨一個電源供電。相對于電源來說，每個輸出點之間是相互隔離的。負載電源可以是交流，也可以是直流，它必須由用戶提供。本項目輸出模塊的外部接線如附圖所示，它采用匯點式輸出方式。4.1.3模擬量模塊選擇模擬量輸入模塊SM331的輸入測量范圍很寬，它可以直接輸入電壓、電流、電阻、熱電偶等信號，根據型號的不同，各模擬量輸入范圍的數字化表示以及數字量與不同的模擬輸出范圍間的對應可以從技術手冊中查到。模塊與S7-300CPU及負載電壓之間是光電隔離的。SM331主要是由A/D轉換部件、模擬切換開關、補償電路、恒流源、光電隔離部件、邏輯電路等組成。A/D轉換部件是模塊的核心，其轉換原理采用積分的方法，積分時間直接影響到A/D轉換時間和A/D轉換精度。所有模擬量的輸入通道共用一個轉換部件，通過轉換開關，將各通道按順序一個個轉換。輸入模塊的循環(huán)時間是指這一通道開始轉換模擬量輸入值到下次開始轉換的時間，它是模塊中所有活動的輸入通道的轉換時間的總和。因此為了縮短循環(huán)時間，應該使用S7組態(tài)工具屏蔽不用的模擬量通道，使其不占用循環(huán)時間。在此項目中，模擬量信號7滾筒紅外測溫0～10V電壓信號，7測速傳感器4～20mA電流信號。模擬量輸入模塊的選擇要考慮通道數。選用8通道的模擬量輸入模塊SM331（6ES7331-7KF02-0AB0），其端子接線圖和端子框圖如附圖所示。操作臺處沒有，各遠程I/O分別設1塊，共選用7塊。SM331的每兩個輸入通道構成一個輸入通道組，可以按通道組任意的選擇測量方法和測量范圍。模塊上需要接DC24V的負載電壓L+，有反極性保護功能。4.1.4電源模塊的選擇電源模塊的選擇很簡單，只需考慮輸出電流。電源模塊的額定輸出電流必須大于CPU模塊、輸入輸出模塊、專用模塊等消耗電流的總和。S7-300各個模塊使用的電源是通過S7-300的背板總線傳送的，一部分模塊還需要從外部負載電源供電。在建立一個項目系統(tǒng)的時候，應充分考慮各個模塊的電流耗量和功率損耗，所有S7-300模塊使用的從S7-300背板總線提供的總電流不能超過1.2A。在S7-300的一個實際項目中，所有模塊確定后，要選擇合適的電源模塊。電源模塊的輸出功率必須大于CPU模塊、所有I/O模塊、各智能模塊等總消耗功率之和，并且要留有大約30%的余量。S7-300的專用電源模塊PS307用于將120/230V交流電轉化為24V直流供電電源，以作為CPU和其他模塊所需電源。根據輸出電流的不同，有3種規(guī)格的電源模塊可選：2A、5A、10A。綜合考慮以上各點，本次設計選用10A的電源模塊PS307（6ES7307-1KA00-0AA0）。輸出電壓24VDC；具有防短路和開路保護；連接單相交流系統(tǒng)(輸入電壓120/230VAC，50/60Hz)；可靠的隔離特性，符合EN60950；可用作負載電源。 查閱西門子S7-300的硬件手冊知道PS307電源模塊(10A)的接線圖如圖4.4所示。 圖4-4電源模塊接線圖綜上所述，本次設計中我們選用的模塊：CPU315-2DP處理器；PS307電源模塊；ET200M遠程控制單元；CP340通信模塊；SM321數字量輸入模塊；SM322數字量輸出模塊；SM331模擬量輸入模塊。表4-4硬件選型序號設備名稱出廠號1PS307電源模塊（5A）6ES7307—1BA00—0AA02CPU314C—2DP6ES7314—6CG03—0AB03數字量輸入模塊SM321DI16*24VDC6ES7321—1BH02—0AA04數字量輸出模塊SM322DO8*RELAC230V6ES7322—1HF01—0AA05接口模塊IM3606ES7360—3AA01—0AA06連接電纜IM360，2.5m6ES7368—3BF01—0AA07導軌，830mm6ES7390—1AJ30—0AA0840針前連接器，螺釘型6ES7392—1AM00—0AA09MMC微存儲卡512k6ES7953—8LJ11—0AA010CP340標準串行通訊模塊6ES7340—1BH02—0AE011CP342-5PROFIBUS-DP6GK7342—502—0XE013機架14計算機15三相異步電動機17變頻器MM440其具體配置如圖4-5所示。圖4-5系統(tǒng)通信配置圖4.2PROFIBUS-DP總線及ET200M選型1.ET200MSIMATICET200M是采用模塊化的設計，方便安裝于控制柜。且與SIMATICS7-300I/O模塊及功能模塊兼容，安全性高。支持“熱插拔”功能，適合過程控制中危險區(qū)域使用，遠程擴展使用等特殊情況。ET200M是高密度配置的模塊化I/O站，保護等級為IP20。它可以用S7－300可編程控制器的信號，功能和通訊模塊擴展。由于模塊的種類眾多，ET200M尤其適用于復雜的自動化任務。可插入模擬量HART的輸入和輸出模塊，意味著ET200M適用于過程工程。它也適宜于與冗余系統(tǒng)一起使用。ET200M是在PROFIBUS-DP上的被動站(從站)。最大數據傳輸速率為12M位/S。ET200M也可以在運行過程中，在有電源情況下配置S7-300I/O模塊的有源總線模塊，其余模塊仍繼續(xù)運行。1.ET200M由以下部分組成：(1）IM153接口：用于與PROFIBUS-DP現場總線的連接；(2）各種I/O模塊：用總線連接器連接或插入在有源總線模塊內,總線連接器設計，在運行過程中不能更換模塊；有源總線模塊設計，在運行過程中能更換模塊；(3）電源(如有必要)；(4）S7-300自動化單元的所有I/O模塊：都可應用(功能和通信模塊只用于SIMATICS7/M7主設備)；(5）HART模塊。 ET200M最多可擴展8個I/O模塊，每個ET200M的最大地址區(qū)：128字節(jié)輸入和128字節(jié)輸出。ET200M通過RPOFIBUS-DP與PLC控制柜連接通信。2.PROFIBUS-DP總線PROFIBUS是世界上最大的開放式工業(yè)現場總線網絡之一，它的的技術性能使其可以用于工業(yè)自動化的一切領域。這種網絡能夠支持32個節(jié)點，最高運行速度為12Mbps。與大多數現場總線系統(tǒng)一樣，PROFIBUS能夠減少運營成本，提高生產效率，加快新品上市時間，并改善產品質量。與標準4～20mA控制不同，PROFIBUS能夠在由一根雙絞線電纜組成的單一總線網段上，支持32個工作站。PROFIBUS-DP是PROFIBUS現場總線的三個兼容版本之一，它是專為自動控制系統(tǒng)和設備分散I/O之間通信設計的，是經過優(yōu)化的高速、廉價的通信連接。PROFIBUS-DP的特點：(1）代替PLC/PC與I/O之間昂貴的電線；(2）快速，傳輸1千字節(jié)的輸入數據和1千字節(jié)的輸出數據所需時間<2ms；(3）強有力的工具，減少組態(tài)和維護費用；(4）被所有主要的PLC制造商支持；(5）有廣泛的產品：PLC,PC,I/O,驅動器,編碼器等；(6）允許周期性和非周期性的數據傳輸；(7）單主和多主網絡；(8）每個站的輸入和輸出數據最多可達244字節(jié)。(9）強大的三級診斷功能，CPU、模塊、通道診斷一應俱全。4.3外圍設備硬件選型系統(tǒng)有以下幾部分組成:1.恒速閉環(huán)控制系統(tǒng)由速度反饋和負載電流反饋組成。異步電機通過逆變器反饋驅動變負載,PLC控制逆變器的輸出。2.變速開環(huán)控制系統(tǒng).異步電機通過恒定的逆變器反饋驅動變負載。PLC是沒有靈活性。3.準變速系統(tǒng).由三相標準恒壓恒頻電源提供給異步電機來驅動變負載。閉環(huán)系統(tǒng)4.去掉速度和負載反饋可得到開環(huán)系統(tǒng)。另一方面,如果整個控制系統(tǒng)是迂回的，系統(tǒng)可以實現?？刂葡到y(tǒng)是為測試轉子損壞的異步電機而設計的，表I給出了技術規(guī)范。異步電機驅動作為變動負載的直流電機。三相電源和三相主開關聯(lián)接，再和可以保護防止過電流的三相熱繼電器相連。繼電器輸出連接整流器，整流器調整三相電壓，并且給IGBT逆變器提供直流輸入。它的技術規(guī)范[25]在表II中給出了概括。表4.5異步電機技術參數接線方式△/Y輸入電壓380/660AC輸入電流1.5/0.9A額定功率0.6KW輸入頻率50HZ磁極數4額定速度1400rpm表4-6逆變器技術參數輸出電壓380，460AC輸出頻率0，480HZ輸出電流2，5A輸出負載150%/60S電源電壓380-460-10%VAC輸入電流3A功耗46W表4-7檢測元件選型跑偏開關KG1007A-2速度傳感器KJ5007A堆煤傳感器KG1006A與KG1006C煙霧檢測傳感器KGN1-1拉線急停開關KG9001A-C

5皮帶控制系統(tǒng)軟件設計5.1集中控制的流程圖西門子的S7-300系列PLC所用的編程語言是西門子開發(fā)的STEP7，這是一種可運行于通用微機中，在WINDOWS環(huán)境下進行編程的語言。將它通過計算機的串行口和一根PC/MPI轉接電纜與PLC的MPI口相連，即可進行相互間的通信。通過STEP7編程軟件，不僅可以非常方便地使用梯形圖和語句表等形式進行離線編程，經過編譯后通過轉接電纜直接送入PLC的內存中執(zhí)行，而且在調試運行時，還可以在線監(jiān)視程序中各個輸入輸出或狀態(tài)點的通斷狀況，甚至可以在線修改程序中變量的值，給調試工作也帶來極大的方便。圖5-1系統(tǒng)軟件流程圖該集中控制系統(tǒng)共有三種工作方式。集控方式下，膠帶機和給煤機根據生產工藝流程預先編制的程序來集中控制啟停，各種保護均投入；就地方式下，膠帶機和給煤機由操作員控制手動按鈕通過PLC分別控制它們的啟停，保護也均投入；檢修方式下，膠帶機和給煤機也采用手動按鈕通過PLC分別控制啟停，但是保護可根據需要有選擇的進行投入，各故障的投入選擇可在顯示屏內進行控制。5.2系統(tǒng)軟件設計5.2.1硬件組態(tài)項目屏幕的左側選中該項目，在右鍵彈出的快捷菜單中選擇InsertNewObject插入SIMATIC300Station，可以看到選擇的對象出現在右側的屏幕上。如圖5.2所示：圖5-2插入SIMATIC300Station雙擊右側生成的hardware圖標，在彈出的HWconfig中進行組態(tài)，在菜單欄中選擇“View”選擇“Catalog”打開硬件目錄,按訂貨號和硬件安裝次序依次插入機架、電源、CPU。如圖5-3所示：圖5-3插入機架、電源、CPU插入DP時會同時彈出組態(tài)PROFIBUS畫面,選擇新建一條PROFIBUS（1），組態(tài)PROFIBUS站地址，點擊“Properties”鍵組態(tài)網絡屬性如圖5.4所示：圖5-4組態(tài)網絡屬性5.2.2控制方式選擇通過控制臺的三位置選擇開關來選擇系統(tǒng)的工作方式，任何時候只能處于一種工作方式。膠帶和給煤機在運行的時候，工作方式不可改變。在觸摸平屏上可以由顯示燈來表示系統(tǒng)當前的工作方式。集控方式下，按下顯示屏上的啟動/停止控制按鈕，各條皮帶按設好的程序起停，啟動允許信號可以由逆煤流的前一條皮帶啟動一段時間后給出，停止信號可以由順煤流的前一條皮帶停止一段時間后給出，時間設定與膠帶運行速度有關，以膠帶上煤流全部卸載完畢為最佳。下面我們以工作方式選擇和就地方式啟停為例進行程序說明。1.工作方式選擇程序段1：工作方式選擇。I0.0、I0.1、I0.2分別是集控方式、就地方式、檢修方式信號，當在任一個工作方式下發(fā)出皮帶啟動信號Q0.2后，不能再選擇其它工作方式。M0.7、M0.6、M0.5分別是三種方式下的自保信號，起自保作用。M0.0常閉結點不用來控制，只是為了讓三段合成一個程序段，滿足梯形圖的語法結構，否則要拆成三個程序段。 2.就地方式啟?？刂瞥绦蚨?：I0.3是皮帶的啟動按鈕，I0.4是其停止按鈕，M4.0是故障急停信號。有任何故障發(fā)出急停指令時不允許啟動皮帶。程序段3：啟動報警信號。當M0.4閉合時，脈沖定時器T9開始計時，發(fā)出30S的報警指令Q0.0。同時啟動接通延時定時器T10。程序段4：當30S延時預警成功后，向皮帶正式發(fā)出啟動指令Q0.2。I1.2是皮帶電機運行返回信號，起自保作用。Q1.0是操作臺上對應運行指示燈，PLC_D02是觸摸屏上的啟動指示燈。啟動允許信號發(fā)出后，根據現場環(huán)境和設備的工藝需求，在啟動運行皮帶沿線發(fā)出預警聲響，時間一般是30秒。只有在無故障啟動的情況下，預警才會成功。5.2.3模擬量的處理膠帶在煤炭運輸中的重要角色，讓煤礦無法忽視它的運行狀況，因此，有效的監(jiān)測故障，及時采取預防措施，避免重大事故發(fā)生，或者盡量減少損失是非常必要的。膠帶常見的故障有以下幾種：跑偏、打滑、超速、斷帶、滾筒超溫、張緊下滑、縱撕、煙霧、堆煤等，同時我們?yōu)榱吮苊庖恍o法監(jiān)測的而又非常惡劣的事故發(fā)生，在膠帶輸送機的沿線，我們每隔80～100米設置一個拉線急停開關。在第二章已經確定了監(jiān)測各種故障的傳感器類型或方法，并確定了輸出信號類型。故障信號分為兩類：一類為數字信號，當輸出為“1”時，即是報警信號，收到信號后，對信號進行處理，或是皮帶緊急停機，或是只發(fā)出聲光報警。當輸出為“0”時，膠帶運行正常，無故障發(fā)生；另一類為模擬量信號，傳感器輸出的模擬量信號是標準的電壓或是電流信號，通過模擬輸入模塊，將電壓或電流信號轉化成數字形式，但是需要知道它所測的真實值，如溫度傳感器，輸出9V，需要得到9V對應的溫度值，因此需要對輸入PLC的數值進行處理。下面簡要介紹一下模擬量數值的采集及轉換。1.模擬量數據處理程序段1：將采集到的數值current_value轉化為實數型，并存在b3中。 程序段2：作b3與量程值相除運算，并將值放入輸出值yunsuanzhi中。 2.調用模擬量數據處理塊程序段1：調用上面兩段程序構成的FC塊。PIW270是滾筒溫度1的輸入值存儲地址，測量的實際溫度與PLC內數字表示值成100倍關系。AI_7是滾筒溫度1實際溫度存儲地址變量。在知道模擬量的真實值后，或將其直接輸出到觸摸屏上直接顯示出來，或是將其與設定值比較后再輸出布爾變量“0”或者“15.3人機界面（HMI）設計5.3.1WICC簡介SIMATICWinCC是第一個使用最新的32位技術的過程監(jiān)視系統(tǒng)，具有良好的開放性和靈活性。從面市伊始，用戶就對SIMATICWinCC印象深刻。一方面，是其高水平的創(chuàng)新，它使用戶在早期就認識到即將到來的發(fā)展趨勢并予以實現；另一方面，是其基于標準的長期產品策略，可確保用戶的投資利益。憑籍這種戰(zhàn)略思想，WinCC，這一運行于MicrosoftWindows2000和XP下的Windows控制中心，已發(fā)展成為歐洲市場中的領導者，乃至業(yè)界遵循的標準。如果你想使設備和機器最優(yōu)化運行，如果你想最大程度地提高工廠的可用性和生產效率，WinCC當是上乘之選。通用的應用程序，適合所有工業(yè)領域的解決方案；多語言支持，全球通用；可以集成到所有自動化解決方案內；內置所有操作和管理功能，可簡單、有效地進行組態(tài)；可基于Web持續(xù)延展，采用開放性標準，集成簡便；集成的Historian系統(tǒng)作為IT和商務集成的平臺；可用選件和附加件進行擴展；“全集成自動化”的組成部分，適用于所有工業(yè)和技術領域的解決方案。人機界面是操作人員與PLC之間進行對話和相互作用的接口設備。近年來人機界面的應用越來越廣泛，已經成為現代工業(yè)控制系統(tǒng)不可缺少的設備之一。這里我們選用觸摸屏和操作臺。觸摸屏用來監(jiān)視帶式輸送機的運行工況。觸摸屏可以監(jiān)視帶式機速度、拉線急停和跑偏開關的動作位置等各種保護狀況以及顯示帶式輸送機的正常運行工況和各種故障狀態(tài)。通過操作臺的各種控制按鈕，可以進行工作方式選擇和就地控制帶式輸送機。圖5-5和圖5-6分別是本次設計的操作臺、就地控制箱面板。圖5-5操作臺圖5-6就地控制箱面板觸摸屏技術就是使用者只要用手指輕輕地觸碰計算機顯示屏上的圖符或文字，就能實現對主機的操作或查詢，這樣就擺脫了鍵盤和鼠標操作，從而大大地提高了計算機的可操作性。觸摸屏是一種最直觀的操作設備，只要觸摸屏幕上的圖形對象，計算機便會執(zhí)行相應的操作。觸摸屏具有方便直觀、圖像清晰、堅固耐用和節(jié)省空間等優(yōu)點。在觸摸屏上，主要顯示皮帶的運行狀況和給煤機的運行信號，膠帶的速度和各個故障的狀態(tài)及故障出現的具體位置，同時也可以查詢到各皮帶滾筒的溫度，以實時監(jiān)測皮帶，減少故障查找環(huán)節(jié)，提高工作效率。

6控制系統(tǒng)的抗干擾措施設計PLC控制系統(tǒng)具有可靠性高、功能強、體積小、易于實現過程控制等優(yōu)點，在工業(yè)生產過程控制中應用相當廣泛。一般的PLC控制系統(tǒng)不用采取什么特殊抗干擾措施，就可以直接在工業(yè)環(huán)境使用。但在特別惡劣的環(huán)境中，如強電場、強磁場、電氣設備產生的高頻干擾等，這些干擾會導致控制精度降低、PLC內部數據丟失、機器誤動作，甚至造成PLC發(fā)生故障或損壞。所以，在實際應用過程中，不僅要按照要求合理配置系統(tǒng)，正確配接線，還必須充分考慮各種異常情況，采取相應抗干擾措施以確保PLC控制系統(tǒng)可靠穩(wěn)定地運行。6.1主要干擾源PLC控制系統(tǒng)的干擾源很多，從形式上講分為內部干擾和外部干擾兩類，內部干擾是PLC本身的問題，外部干擾包括傳導型干擾和輻射型干擾。傳導型干擾就是通過電氣線路進入PLC控制系統(tǒng)的干擾信號，包括電源線、信號線等外部線引入的干擾和接地干擾；輻射型干擾是輻射電磁場通過感應進入PLC系統(tǒng)的干擾信號。下面簡要介紹一下這些干擾。1.電源線引入干擾PLC系統(tǒng)的正常供電電源均由電網供電。當電網上的負載如大型電力設備、交直流傳動裝置等啟停時會引起電網電壓的波動，從而產生諧波，諧波通過輸電線路傳到電源周邊，造成PLC控制系統(tǒng)出現故障。2.信號線引入干擾這些干擾信號主要通過兩種途徑傳輸到PLC控制系統(tǒng)，一是通過變壓器供電電源或公用信號儀表的供電電源串入的電網干擾，這往往被忽視；二是信號線受空間電磁輻射感應的干擾。由信號引入的干擾會引起I/O信號異常和測量精度降低，嚴重時將引起元器件損壞。對隔離性能差的系統(tǒng)，將導致信號間相互干擾，引起共地系統(tǒng)總線回流，造成邏輯數據變化、誤動和死機。接地干擾PLC應用系統(tǒng)的地線包括系統(tǒng)地、屏蔽地、交流地和保護地等。接地系統(tǒng)混亂會引起各個接地點電位分布不均，引起地環(huán)路電流，影響系統(tǒng)正常工作。例如電纜屏蔽層必須一點接地，如果兩端都接地，就存在地電位差，造成電流流過屏蔽層，影響PLC的正常工作。6.2抗干擾措施1.抗供電電源干擾本系統(tǒng)采用以下三點來有效控制供電電源的干擾:1)采用專用電源，電源的供電要與大的用電設備分開，避免大用電設備啟、停時對電源供電電壓的影響。2)控制的交流電源與PLC機之間采用雙屏蔽的隔離變壓器(見圖6.1)，其一次繞組的屏蔽層接中線，隔離供電電源的干擾，二次繞組的屏蔽層與PLC系統(tǒng)控制柜共地，使干擾信號入地。3)在隔離變壓器和PLC之間加裝交流穩(wěn)壓器或交流低通濾波器(見圖6.1)，以濾除高頻脈沖，提高電源穩(wěn)定性，從而降低電網電壓波動對PLC電源電壓的影響。圖6-1PLC的供電電源2抗輸入、輸出端的干擾輸入端有感性負載時，為了防止反電動勢損壞模塊，可在交流信號輸入端并聯(lián)RC浪涌吸收器或壓敏電阻RV，在直流信號端并聯(lián)續(xù)流二