电气工程及其自动化毕业论文
电气工程及其自动化毕
业论文
内部编号：（YUUT-TBBY-MMUT-URRUY-UOOY-DBUYI-0128）
国家重点建设大学
成人高等学历教育学生
毕业设计（实习、论文）
（2013—2015）
题目：基于PLC的皮带集中控制系统设计
办学形式：函授办学层次：专升本
专业：电气工程及其自动化年级： 2013
学号：姓名：
指导老师：
完成时间： 2015年7月25 毕业设计（实习、论文）成绩：
2015年 7 月 25 日
成人高等学历教育学生毕业设计（实习、论文）评审意见表
基于PLC的皮带集中控制系统设计
专业：电气工程及其自动化学生姓名：刘文斌指导老师：
摘要
煤矿的运输系统对保证矿井正常生产起着非常重要的作用。为了保证煤矿运输系统可靠安全运行，对带式输送机进行集中监视和控制很必要。本文以煤
矿主斜井及地面胶带输送机为背景，设计出了以PLC技术为核心的集中控制系统，提高了运输系统的监测和控制水平。
文中首先介绍了本次设计的背景，然后设计了胶带输送机集中控制系统的结构和应具有的控制功能，参数的检测和故障保护装置，确定了各故障检测传感器的类型及安装位置。在此基础上采用SIEMENS的S7-300系列PLC对系统进行硬件和软件设计，其中包括PLC的模块配置及外部连线，梯形图程序设计。最后提出PLC控制系统的主要干扰源，并设计了抗干扰的措施。
关键词：胶带输送机； S7-300；集中控制系统
目录
1 绪论
概述
煤炭运输是煤炭生产过程中不可缺少的一部分。矿井中，运输线路比较长，巷道条件多种多样，运输若不通畅，采掘工作或是其它的工作都无法进行，整个煤炭生产系统将处于瘫痪状态。矿井运输机械的类型很多，按运行方式不同，可分为连续运行和往返运行两种。连续运行式运输设备的特点是，一经开动就不需操作而连续运行。普通胶带机、钢绳芯胶带输送机、钢绳牵引胶带输送机等均属于此类运输设备。往返运行式运输设备的特点是，在运行区间，以一定的方式，作往返式周期性运行，运行中需要操作换向。机车运输及单绳牵引运输等属于此类运输设备。
随着科学技术的不断发展，矿井生产规模的不断扩大，运输系统也经历了不断的变革和进步，并以煤流运输的连续化（输送机化），设备大型化（使用长运距、大运营、高运速、大功率输送机）、自动化、高可靠性与安全性能来保证矿井的连续、高效生产。
矿井胶带运输系统，是由多条胶带搭接或由煤仓转载形成的煤流运输系统，因此它内部的基本运输单元就是单台胶带机。胶带输送机是选煤广的主要运输设备，它可用于物料的水平或倾斜运输上。由于胶带输送机的输送能力变化范围大、运输距离长、货载和输送机间没有相对运动、运转时阻力小等，因而具有适应性强、工作平稳可靠、动力消耗小、机件磨损小、使用维修方便等优点，在选煤厂中得到广泛应用。胶带输送机集中控制系统
1.2.1 胶带输送机集中控制系统的重要性
矿井胶带运输系统是原煤运输的唯一途径，是矿井生产的重要环节，因此它的安全高效运行受到很大程度的重视。由于矿井胶带运输系统分布广、信息分散以及控制要求高的特点，随着矿井生产规模的不断扩大，以及技术水平的不断提高，现代化矿井也需要现代化的管理，因此对胶带运输系统的控制和管理提出了更高的要求。
以往对胶带输送机都采用人工就地分台控制，即每台输送机的控制均由一名司机就地操作，这是一种最原始的控制方式。这种控制方式是直接操作输送机的控制开关，操作最简单，不增加任何的控制元器件，维护工作较少，但需要人员太多，并因每个司机的思想素质和技术素质不等常有以外事故发生，影响生产的正常进行。而集中控制方式，是在整个运输线上新增一套集中控制装置，在控制室内集中操纵机构，由一名司机来完成操作。这不但节省了大量的司机人员，也为及时发现故障，缩短停产时间和综合自动化创造了条件。目前，已经成为矿井胶带运输的主要控制方式。
1.2.2 集中控制系统的发展及存在的问题
在煤矿中，煤流的运输一般在几百米到十几公里之间，因此它的运输系统要有多台胶带输送机、给煤机、煤仓等构成，协调配合完成长距
离运输任务。为保证运输系统的安全可靠，提高运输效率，对其进行完善的管理和监控是现代矿井煤流运输迫切需要的一项技术。
随着矿井功能和规模的不断扩大，计算机技术、网络技术、新的工业控制器技术等新技术的应用，对胶带输送机的集中控制系统也得到了飞速发展。从单台控制系统到多台的集中控制系统，有价格相对较贵的PLC构成的系统和低廉的单片机应用系统。目前，虽然市场上有着各式
各样方案构成的集控系统，但发展的方向是一致的，那就是朝自动化、智能化、信息化的方向发展。
皮带机的综合自动化控制是整个矿井实现自动控制的重要组成部分。目前对胶带输送机集中控制系统存在的主要问题有：
(1)在安全保护方面，为提高胶带输送机运行的可靠性，安全性，减少故障，提高效率，多种检测方法已应用于电动机、液力偶合器、减速器和胶带运行系统故障检测，但是这些系统是相互独立的。
(2)故障检测系统误报率高。误报将造成胶带输送机不应有的停机，使全矿井停产，对矿井生产造成极大影响。
(3)皮带机的控制、运行、保护等信息不能较好的与矿井其他控制系统共享，不能与整个矿井信息系统的集成。视频监视系统不规范，没有语音通讯功能，不能实现无人值守。
本课题研究的主要内容
矿井生产自动化已经成为一种趋势，如何更好的实现矿井运输系统的集中安全控制管理是现在迫切解决的问题。而皮带机集中控制系统可实现对整个皮带机运输系统的遥测、遥信、遥控，提高生产效率、降低事故率，减少故障处理时间、减少现场操作人员、提高经济效益。本论文正是以此为目的，以新疆哈密煤矿主斜井与地面胶带输送机为背景，设计一种基于PLC的运输皮带和给煤机的集中控制系统。
本次设计主要内容如下：
(1)对胶带运输控制系统概述。
(2)以哈密煤矿主斜井与地面胶带输送机为背景，概述胶带输送机
集中控制系统的功能，设计其系统结构，讨论要监控的故障对象、传感器配置及对故障的处理措施。
(3)胶带集控系统的硬件设计，进行S7-300 PLC模块选型和外部连线设计。为了使集控系统更加完善，实现控制的可观化、清晰化，加入了触摸屏设计。它可以实时显示系统的运行情况和各种故障情况，进行及时的报警显示和记录。
(4)进行系统的软件设计，实现系统功能。
(5)最后分析控制系统产生干扰的原因，提出对应抗干扰措施。
2 胶带机集中控制系统的总体设计
课题背景介绍
新疆哈密煤矿是年产200万吨的中型煤矿，采用带式运输机作为主要运输方式，其主运输系统包括主提升带式输送机、走廊带式输送机、振
动筛、中煤块带式输送机、大煤块带式输送机、过桥带式输送机和末煤刮板输送机、煤仓等。各条皮带机都由一台电动机驱动，正常运行速度为2m/s，其中振动筛为双层的，每条皮带机均设置跑偏、堆煤、烟雾、拉线急停、打滑、纵撕等保护。其工艺流程图如图所示。其中箭头指示煤流方向。
图运输工艺流程图
如图所示，煤炭从井底煤仓经给煤机运到主提升皮带，通过主斜井中的主提升皮带运至地面，经地面的走廊皮带输送机转运到振动筛，振动筛为双层的，经筛分后分成大块煤、中块煤和末煤三种。大块煤经大块皮带到大块煤仓，中块煤经中块皮带运到中块煤仓，而末煤先通过过桥皮带转运，再利用过桥皮带机尾的分煤挡板分到两条末煤刮板输送机上，运输到各自的煤仓，其分煤挡板是固定的。
本矿井皮带运输系统控制采用继电器控制，可靠性差、体积大、故障率高、劳动强度较大。其控制方式有两种：集中手动控制和就地控制，没有集中自动控制，所有的控制都由人来操作。集中控制室设在选煤楼振动筛的附近，由控制柜、操作台和触摸屏组成。皮带机的控制通过操作台上对应的启停按钮集中控制，触摸屏实时显示皮带的运行状态和故障状态集、故障位置。各皮带机的机头或机尾都设置就地控制箱，在检修或特殊情况下进行现场的就地启停控制。皮带按逆煤流启动，顺煤流停车。启动顺序为：末煤刮板机、过桥皮带、大小块皮带、振动筛、走廊皮带、主提升皮带、给煤机；停止顺序与此相反。每一条皮带安排一人专门负责巡视，劳动量大、效率低。
胶带输送机集中控制系统的功能设计
本胶带输送机集中控制系统具有的功能如下所述：
1) 本系统有集控、就地、检修三种工作模式。一般系统运行在集
控工作模式下，当组成生产流水线时，本机根据前后闭锁关系自动启停，同时检测各检测保护设备的状况；运行就地工作模式时，操作员手动操作按钮启动/停止胶带机，但所有保护设备均投入使用；运行检修
工作模式时，操作员手动启动/停止胶带，保护设备可有选择性的投入
使用，在检修模式下，我们使胶带低速运行。工作方式的改变，只有在胶带输送机不转时进行，胶带输送机运作时，不能改变其工作方式；
2) 程序设计中，报警停车等故障信号自动保持，即一旦发出故障
信号，即使经维修后信号消失，计算机内仍保留信号故障状态，这时复位指令可以清除故障保持信号；
3）皮带输送机按照逆煤流启动，顺煤流延时停车，并具有闭锁功能；
4) 系统具有胶带机低速打滑、机头堆煤、超温洒水、烟雾、滚筒
超温、沿线急停和跑偏等多种保护。下面简单介绍它们信号发生后的动作情况：
a.拉线开关：信号发出后马上发出急停指令，系统可以识别哪个急停开关动作，发出拉线开关声光报警。
b.堆煤：信号发出后，执行堆煤声光报警指令和急停指令。
c.跑偏：信号发出后，执行跑偏声光报警指令，此为一级动作，当报警时间超出一定时间段时，同时再执行急停指令，此为二级动作。
d.打滑；信号发出后，执行打滑声光报警指令, 再执行急停指令。
e.超速：信号发出后，执行超速声光报警和急停指令。
f.断带：信号发出后，执行断带声光报警和急停指令。
g.纵撕：信号发出后，执行纵撕声光报警和急停指令。
h.滚筒超温：信号发出后，执行滚筒超温声光报警、洒水指令和急停指令。
i.烟雾：信号发出后，执行烟雾声光报警、洒水指令和急停指令。
5) 对设备故障和工艺参数的异常实时报警，并进行声光提示，系
统状态对位显示，更便于维护。
6) 可与工业电视系统配合，实时监视皮带机重点部位运行情况，以确保人员及设备的安全；具有喊话、打点通讯功能，基本实现无人值守。
7) 胶带运输机就地控制箱上设启停、起动预警按钮，设备启动前
发出预警信号，提示有关人员应立即远离设备；现场可随时停车，若设备由集控启动，控制系统接到现场停车信号后，可作急停处理，实施故障停车操作。
8）具有联网功能，能与全矿井自动化监控系统可靠的联接、实现
全局监控。
胶带输送机集中控制系统结构设计
本次设计中需要集中控制的皮带共有7条，各条皮带分布较广，现场控制点分散，并且现场的环境比较恶劣。所以，系统结构采用PROFIBUS-DP现场总线技术，组成主从系统结构。根据工艺流程划分，系统以PLC为控制主站，以每条皮带就地箱配备的远程I/O ET200M为从站，共设7个从站，这样就节约了大量电缆等材料。本系统由集中控制台、PLC控制柜、触摸屏、就地箱、各种保护传感器及执行器组成。完成一个系统内多条皮带多个设备全过程的控制、监测，构成一个完善的集中控制系统。其系统结构如图所示。
图系统结构图
以SIEMENS公司S7-300系列PLC作为核心控制器件，具有防潮、
抗干扰能力强、易扩展，基本免维护，实现与上位机的通信，以循环扫描的方式，检测传感器及被控设备的信号，发出程序指令，完成对皮带机的集中监控，使各个皮带协调完成工作。PLC控制柜内部由S7-300 PLC模块、接线端子、电源模块、变压器及各种模块组成；集中控制台和触摸屏是人机的交流界面，控制台面板上有各条皮带机的起停控制按钮，总启、总停按钮，起车预警按钮、集控/就地/检修工作方式的转换开关，系统紧急停车按钮；触摸屏则详细显示各条皮带及给煤机运行情况，同时也显示出所有皮带上的各种保护传感器的动作情况、故障位置等。就地控制箱上有控制皮带的启动、停止按钮，急停按钮，内部配SIMATIC ET200M远程I/O，完成现场皮带的数据采集和控制。每个远程I/O站可以处理256个开关量或64个模拟量，它与CPU的通信速率最高
可达12Mbps，通信距离最远可达1200米。ET200M 远程单元通过
IM153-2总线接口模块连接到PROFIBUS总线上。
胶带输送机集中控制系统设备构成
胶带输送机集中控制系统主要由PLC、人机界面等组成，它主要控制胶带输送机、各种参数检测和故障保护装置，将各种信息在触摸屏上集中显示。下面我们对集控系统各部分进行详细的介绍。
2.4.1 胶带输送机
带式输送机是以胶带作为牵引机构和承载机构的连续运输机械，又称为胶带输送机，它在矿山的物料运输，特别是煤的输送方面得到了广泛应用。带式输送机主要由以下几种主要部件组成：传动装置、胶带、机架、滚筒、托辊、拉紧装置、清扫器、装料和卸料装置等。
胶带输送机的基木结构见图所示。胶带1绕过传动滚筒2及尾部滚筒3形成无级循环的牵引机构，在滚筒2和3之间的机架上按一定距离安装着托辊4和5，用来支承载有物料的胶带段(重段)和回空的胶带段(空段)，传动滚筒由电动机通过减速器带动，胶带与滚筒之间的摩擦力使胶带移动，这时，由给料漏斗7(装载装置)加到胶带上的物料就和胶带一起移动。当胶带绕过传动滚筒时，物料就在重力和离心力的作用下卸到排料漏斗8(卸料装置)中。小车和系在它上面的重物是胶带输送机的拉紧装置，它的作用是通过安装在小车上的尾部滚筒使胶带处于张紧的状态。这样，胶带在两托辊之间悬垂度不致过大，而传动滚筒也能有足够的牵引力传送给胶带。
胶带是经主动滚筒和机尾改向滚筒形成一个无极环行带。它上下的两股胶带分别由上下的托辊来支承。胶带机的传动装置一般位于输送带的头部、中部或是尾部，它是带式输送机的重要组成部分。传动装置一般由驱动装置和传动滚筒组成。驱动装置一般采用电动机、液力偶合器、减速器及制动轮、传动滚筒组成。
输送机的驱动有单滚筒驱动和多滚筒驱动，一般常采用单滚筒驱动，功率大时可采用多滚筒驱动。多滚筒驱动的优点就是能够传递较大的功率，带动较大的负载，并能降低输送带的张力；其缺点就是可能会出现功率不平衡问题，从而增加了电动机的备用功率。本项目的胶带输送机都采用一台电机的单滚筒驱动。
胶带输送机向上运输物料的倾角不能过大，运输煤炭时的倾角一般为18O—2lO。向下运输的倾角一般在150以下。超过这些数值，运输物料和胶带之间就会有相对运动，使物料下滑。因此，在输送同样高度条件下，胶带输送机所需厂房面积或成长度较大。
2.4.2 参数检测及故障保护装置
为了能实时的掌握带式输送机的运行状况，需要对其一些参数如速度、滚筒温度等进行检测。带式输送机在输送过程中也难免出现一些故障，如果这些故障处理不当，可能会导致更大的事故，对生产造成重大损失。所以，对带式输送机的参数检测和采取相关保护措施是必须的。下面简要介绍一下带式输送机出现的一些常见故障及其参数的检测。
1、跑偏
近年来，带式输送机在运转中最常见的故障是运输机跑偏，如果处理不及时，因输送带边缘与托辊或机架剧烈摩擦，很快会把输送带边上的
保护层磨掉，使带芯受潮湿大气的侵蚀而迅速损坏，也可能扯坏输送带，造成断带事故；另外，皮带严重跑偏时也会导致向外撒煤，造成浪费。因此，防护输送带跑偏是带式运输机运行保护中的重要问题。
胶带输送机跑偏的根本原因是输送带在运行过程中，横向受力不平衡。主要有以下几种原因： (1)安装质量原因：a机架、滚筒没有调整平直；b托辊轴线与输送带中心线不垂直；c机架与地面连接强度不够，机架不稳定；d导料槽和卸料槽的导料挡板安装位置不当，受力不均。(2)输送带质量原因：a输送带接头与中心线不直；b输送带带边呈“S”型。(3)装载质量原因：装载点不在输送带中央。(4)维护质量原因：滚筒清扫不干净，造成直径不等。
目前，对运输机跑偏的解决办法主要有两种：(1)通过人工调整滚筒或托辊进行调偏；(2)使用回转式槽型调偏托辊（上胶带装）或平行调偏托辊（下胶带装）进行自动调偏。为实现无人值守，多数都使用能自动调偏的托辊。
为实时监测运输皮带是否跑偏，一般在机头、机中和机尾皮带最容易跑偏的地方分别安装一对防跑偏保护装置。本设计中采用煤炭科学总院常州自动化研究所的KG1007A-2型胶带二级防跑偏开关，其跑偏信号通过接入临近拉线急停开关传输。在皮带正常工作时，跑偏开关的探杆在竖直位置。当皮带跑偏时，皮带碰到跑偏开关的探杆，并带动探杆轴转动，此时与探杆固定在一轴上的凸轮也同时转动，拨动跑偏开关的微动开关发出跑偏信号。
图跑偏开关图速度传感器KG1007A-2型胶带防跑偏开关为本质安全型电气设备，使用于煤矿有瓦斯、矿尘爆炸危险的环境。它体积比较小、重量轻、密封性能好；触点动作后还留有较大的探杆转动缓冲角，探杆上装有尼龙滚动护套，避免探杆和胶带之间的磨擦，使本身不易损坏，输出开关量信号。它的转动角度可以通过改变微调开关的位置来改变。在此设计中，我们要求跑偏信号发出传送给PLC，一级跑偏时发出声光报警；二级跑偏时PLC发出急停指令，语音报警，同时触摸屏故障位置指示灯亮并启动急停报警。
KG1007A－2型防跑偏开关技术参数如下所示：
胶带跑偏开关型号: KG1007A－2型
外壳防护等级: IP54
触点容量 AC380V、DC220V，5A，煤矿井下使用时必须和本质安全型电路连接
探杆动作转动最大角度: 大于70°，双向转动
触点动作时探杆转动角度: 25°（一级）
40°（二级）
引入电缆外径: 6～12mm,两个出线口
重量: 2kg
2、速度检测
检测胶带打滑、超速和断带故障，均需要知道胶带的运行速度，因此我们给每条皮带设置一个速度传感器来检测胶带的速度。本设计中，我们选用常州联力的KJ5007A型速度传感器，输出频率信号，幅值5V，频率f=200V(V为胶带速度值)，输出电流信号4～20mA。其工作原理是：带式输送机运行时，速度检测传感器由紧贴胶带的滚轮带动转盘（带有齿
槽）在光电传感器凹槽内转动，光电传感器光路通断受齿槽控制，输出相应的方波频率信号，频率信号经整形放大后，再经频率/电压、电压/电流变换后输出4～20mA的电流信号。
图速度检测传感器部分电路方框图
3、打滑
驱动滚筒打滑的原因是滚筒的摩擦牵引力降低、超载或带子被卡住。摩擦牵引力降低的原因是输送带或滚筒沾泥水、输送带张力下降。采用自动调整的拉紧装置是防止驱动滚筒打滑的有效方法。滚筒持续打滑得不到纠正，则会招致输送带着火，引起重大火灾事故。采用阻燃输送带，驱动滚筒持续打滑也会冒烟污染空气。因此设置打滑保护装置，自动监视调整或停止。
在此设计中我们没有选用专门的打滑检测传感器，是通过检测胶带的速度，把胶带速度和滚筒速度做比较来实现的。理论上我们是将胶带的实际运行速度与滚筒实际速度作比较，但是实际上，在滚筒速度不容易获取的情况下，我们可让胶带实际速度与滚筒的额定转速比较，监测传动滚筒和输送带之间的线速度之差，当检测到输送机速度滑差率大于或等于8%时，立即发出声光报警：当测得输送机速度滑差率大于或等于8%和运行时间大于或等于20秒时使带式输送机与给煤机紧急停车，并发出声光报警；或当测得输送机速度滑差率大于或等于12%和运行时间大于或等于5秒时使带式输送机与给煤机紧急停车，并发出声光报警。
4、超速
当胶带负载忽然变轻或是胶带忽然断带时，胶带运行速度会马上升高。胶带一般正常运行速度是2m/s，如果速度太高，会对胶带旁边的矿工造成危险；同时若胶带旁边有锋锐的物体，可能会挂破胶带，造成重大事故。同上，我们在此设计中没有采用专门的超速传感器，通过胶带速度与设定值的比较，判定胶带是否超速运行。当胶带速度达到标准带速的105%时，发出声光报警并命令皮带紧急停车，这里标准带速为
2m/s。
5、断带
从大量的断带事故分析可知，带式输送机断带原因大概有以下几种:
(1)齿轮减速器损坏，液力耦合器喷液或电动机逆转；
(2)输送带接头质量问题；
(3)运输中因其他东西卷入而引起运输载荷突然增加；
(4)启动和停车时应力变化大；
(5)输送带自身质量不过关，输送带服务年限过长，输送带长时间超负荷运输，日常维护不到位；
(6)物料分配不均，输送带跑偏。
为了防止由这些原因引起的断带事故，除了进行人为的检修和维护外，在输送机沿线上布置断带保护装置尤为重要。因为它可以避免突发事故，随时处于待命状态。在滚筒实际转速不能确定的情况下，我们通过检测胶带线速度与滚筒额定线速度差确定是否断带，当差值大于设定值时，发出断带信号，命令皮带紧急停车，同时停给煤机，并发出声光报警。
6、堆煤传感器
当煤仓内有大煤块塞住煤仓漏口时，会使煤流阻在煤仓内，无法向胶带投放。由于煤仓特别大，如果没有人及时发现煤仓堆煤，煤在煤仓内会越堆越多，最后会迫使使用大量人力物力来挖除煤仓内阻塞的大量煤，同时将运输系统全部停下。这样不仅浪费时间降低工作效率，同时也费用大量人力物力，提高煤的生产成本。因此加入堆煤传感器，及时报警危险煤位，处理煤仓内阻塞的煤。
此设计中我们采用常州自动化研究所的物料探测传感器。KG1006系列物料探测传感器包括KG1006A型和KG1006C型，适用于煤炭、冶金、化工、建材的功能行业恶劣环境，主要用途是监测料仓物料高度；检测输送机溜槽阻塞或转载点堆积。传感器可以延时动作，延时时间可调，避免由于大块物料撞击引起误动作。这里我们选用KG1006A型，输出触点容量是AC220V，1A，电阻性负载；延时时间～60s可调，瞬间复位，输出开关信号。
堆煤传感器一般安装在机头下方适当的位置，且不易碰坏或被水和煤尘污染的地方。应保证正常煤流时不误动作，机器振动不误动作，不因滴水或煤尘集聚而误动作，大块煤矸石碰撞后不能使其损坏。
7、烟雾检测传感器
由于打滑摩擦等原因，胶带机滚筒升高到一定温度时，会使胶带燃着，因此我们在滚筒处设置烟雾传感器，当烟雾浓度大于一定值时，发出报警信号。烟雾传感器可分为离子感烟式和光电感烟式两类，但不管是离子式还是光电式的，都有一个共同的特点，即机电一体化。目前，烟雾传感器大都采用金属镅的离子式探测器，由不锈钢的外壳构成。
本设计我们采用常州自动化研究所的KGN1-1型烟雾传感器，它为矿用本质安全型，用于监测煤矿井下因机械磨擦、电缆发热、煤层自然等原因引起的火灾事故，输出0/5mA的开关量信号，红色LED电源指示，报警时闪烁，频率1Hz. 当检测到烟雾浓度超过设定值时，发出洒水指令，启动洒水装置对主滚筒进行降温灭火，并进行声光报警。
烟雾传感器应悬挂在输送机头风流方向后2-3米处，以保证主滚筒因摩擦产生烟雾时立即起作用。若风速超过5m/s时应安装防风罩，根据实际情况而定。为保证烟雾传感器正常工作，必须对其定期打扫和清洗。
8、拉线急停开关
在皮带输送机运行过程中，总有一些无法监测到而又非常恶劣的事情发生，当遇到这种紧急情况时，可以采用手动的拉线急停开关，使输送带紧急停车，避免发生重大事故。我们采用常州自动化研究所的
KG9001A-C型编码式拉绳急停闭锁开关，可用作输送机沿线电缆接线盒，并具有故障位置识别电路，识别各种不同故障及故障发生的地点。沿输送机长度方向配置的跑偏、纵撕（或其它传感器）等保护装置和起动预告、打点联络用的信号器均可通过它们与监控系统连接。拉线急停开关沿输送机安装，一般每隔80-100米按一个，应安装在易于观察到、易于操作的地方。
图烟雾传感器图拉线急停开关
KG9001A-C型拉线急停开关的技术参数如下所示：拉力150±20N 行程8～10mm
复位形式人工复位
工作电压：DC10～15V，煤矿井下使用时，必须与本质安全型电路连接
工作电流：监控状态下不大于;动态状态下不大于40mA
输出信号：2路集电极开路输出
位置识别地址0～63
引入电缆外径： KG9001A-C 两侧出线口(2个)15～20mm；下部出线口(4个)6～12mm
出厂时拉绳配置长度：2×35m
外壳防护等级：IP54
重量：
9、红外温度传感器
由于滚筒和胶带的摩擦作用，当滚筒温度过高时，会使胶带燃着。因此，我们要及时监测滚筒温度，当温度达到一定值时报警。温度传感器从使用上可分为接触式和非接触式两大类，接触式目前使用较为广泛，而非接触式测量是通过检测被测物体所发出的红外线，来达到测温的目的。根据课题项目的具体要求，被测对象是一直转动的滚筒表面，接触式温度传感器测量起来误差太大，响应时间太长，温度变化的传递完全依靠空气为介质进行热交换，因而采用接触式测量不适用于该次设计，为此，选用了RAYTEK非接触式红外热敏元件作为测温元件，温度传感器的输出信号为0～10V模拟量电压信号，测量范围为-32～535度。它具有响应速度快，测量精度高，安装维护简便等特点。我们将检测到的红外温度与设定值比较，当温度大于设定值时，则发出报警指令，同时启动洒水阀洒水降温。一般我们的设定值要根据考虑周边情况，如：胶带的制作材料，燃点等。
10、纵撕检测
钢线芯带式输送机以其强度高、运量大和运距长等优点，受到各企业的青睐，也得到越来越广泛的应用。它之所以强度高是因为其内部纵向布置了许多钢丝绳，但是在其宽度上，抗拉强度是很低的。因此正因为这一特点，使其容易发生纵向撕裂事故，而且一旦事故发生，就会造成非常重大的经济损失，即使能修补，也浪费很长的时间，给生产造成损失。
纵向撕裂，其原因是多方面的，主要有：一些料棒插入到输送带中；大块长型矸石掉到输送带上；机架上某些固定件挂住输送带；各种铁丝钩住输送带等。就发生纵撕的地点来看，大部分是在装载处，因此纵撕检测传感器一般放在装载点前10m处。
输送带纵撕事故如此严重，提出了多种检测和监视装置，下面我们收集多方面资料比较详细的介绍几种常见类型。由于输送带被撕裂后，表现特征各不相同，选用何种装置进行检测，要根据具体情况而定，一般要选用几种同时使用，以防范重大事故的发生。
1、漏料检测器。当输送带被撕裂后，物料会通过裂口掉到下面的托盘上，根据平衡原理，当物料重量克服平衡锤的重量，使装置绕支点转
动，迫使限位开关动作（图）。这种检测装置结构比较简单，检查方便，但是，只有物料落下后才可检测到，当裂口因为拉力重合到一起，物料无法落下时，却无法检测的到。
1—回空带；2—托盘；3—支点：4—平衡锤；5—承载带
图漏料检测器
2、带宽检测器。它是利用与输送带边缘相接触的检测辊或是利用超音波距离测量来检测输送带宽度。这就避免了上面漏料检测器的失误。当输送带宽度变小时，两个检测辊之间的距离变小，通过万向节把撕带的信息传递给开关，开关控制电动机停机。此外，带宽检测装置和时间继电器配合使用，当接受到信号后，等待一段时间再发出动作指令，以区分是输送带撕裂或是撕边。
3、超声波检测器。在输送带容易撕裂的地方的托辊之间安装能够产生超声波的波导管，使之产生超声波振荡，再通过检波器检波后发出。当输送带正常运行时，超声波送波、受波正常，发出正常信号；如果输送带撕裂，波导管因弯曲而破坏，这时送波和受波状态不同，发出输送带纵向撕裂信号，使输送机停机，避免输送带纵向撕裂事故继续扩大。
4、振动检测器。它的激振器是一个偏心圆盘，布置在两个承载托辊之间的输送带上的无载边。在输送带的另一边安装振动接收器，它通过自由回转的辊轮和输送带接触。带式输送机运转时，偏心激振器使输送带产生横向强迫振动，振动接收器受输送带振动的作用，发出信号并输入放大器。当输送带发生纵向撕裂时，振动接收器再受振动的作用，输出信号相应减弱，则放大器发出信号，继电器动作，带式输送机停机。
在本设计中，我们选择使DJSBA-1型纵撕传感器。DJSBA-1型纵撕传感器为矿用隔爆妆本质安全型，适用于煤矿井下有瓦斯、煤尘爆炸性气体环境中。安装于输送机胶带下方，近落料点处。当胶带发生纵向撕裂时，物料洒落在传感器上面，物料超过设定重量（）时，传感器发出动作信号送至主控系统，立即停车并声光报警。
2.4.3 PLC简述
随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展，计算机控制已经广泛应用在所有的工业领域。可编程序控制器（Programmable Logic Controll er）正是顺应这一潮流出现的，它是以微处理器为基础的通用工业控制装置。1987年，美国电气制造协会（NEMA）对可编程序控制器下了定义：可编程序控制器是一种带有指令存储器、数字的或模拟的输入输出接口，以位运算为主，能完成逻辑、顺序、定时、计数和算术运算功能，用于控制机器和生产过程的自动控制装置。可编程序控制器简称PLC，它的应用面广、功能强大、使用方便，已经成为当代工业自动化的主要支柱之一。PLC已经广泛地应用在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中，PLC在其它领域，例如在民用和家庭自动化设备中的应用也得到了迅速发展。
PLC 的系统构成
PLC的硬件系统由CPU、I/O扩展机及外部设备组成。如图2.3.9所示。西门子PLC以其极高的性能价格比，在国内占有很大的市场份额，在
我国的各行各业得到了广泛的应用。本次设计所采用的S7—300属于模块式PLC，主要由机架、CPU模块、信号模块、功能模块、接口模块、通信处理器、电源模块和编程设备组成，各种模块安装到机架上。通过CPU模块或通信模块上的通信接口，PLC被连接到通信网络上，可以与计算机、其它PLC或其它设备通信。
与继电器控制系统相比，PLC可以认为是由输入部分、控制部分和输出部分等组成，但它是采用大规模的集成电路的微处理器和存储器来代替继电器控制线路，控制作用是通过编制好并存入内存的程序来实现的。我们可以认为PLC的等效电路如下：
输入部分：用于接受外部输入信号，与外部输入设备连接。可以等效为一个受控于外部用户输入设备的继电器线圈（输入继电器）。
控制部分：等效于一个受控于内部逻辑的一个线圈，接点可用于驱动外部输出设备的继电器。
输出部分：用于与外部输出设备连接。
图
统示意图
2、PLC的工作原理
当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
（1）输入采样阶段
在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应的单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。
（2）用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的
控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。
在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。
（3）输出刷新阶段
当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU 按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。
3、PLC的分类
1）小型PLC：连接开关量I/O模块、模拟量I/O模块以及其它各种特殊功能模块，能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术运算、数输入/输出点数在128点以下的PLC称为小型PLC。其特点是体积小、结构紧凑，它可以据处理和传送、通信联网以及各种应用指令。
2）中型PLC：输入/输出点数在128-512点之间的PLC称为中型PLC。它除了具有小型机所能实现在功能外，还具有强在的网络通信功能、更丰富的指令系统、更大的内存容量和更快的扫描速度。
3）大型PLC：输入/输出点数大于512的PLC称为大型PLC。它具有强大的软件硬件功能、自诊断功能、通信联网功能，它可以构成三级通信网，实现工厂生产管理自动化。另外大型PLC还可以采用三CPU构成表决式系统，使机器具有更高的可靠性。
4、PLC的特点
1)灵活、通用
在继电器控制系统中，使用的控制装置是大量的继电器，整个系统是根据设计好的电气控制图，由人工通过布线、焊接、固定等手段组装完成的，其过程费时费力。如果因为工艺上少许变化，需要改变电气控制系统时，原先整个电气控制系统将被全部拆除，而重新进行布线、焊接、固定等工作，耗费大量人力、物力、和时间。而PLC是通过在存储器中的程序实现控制功能，若控制功能需要改变，只需修改程序及少量接线即可。而且，同一台PLC还可用于不同控制对象，通过改变软件则可实现不同控制的控制要求。因此，PLC具有很大的灵活性和通用性，结构形式多样化，可以适用于各种不同规模、不同工业控制要求。
2)可靠性高、抗干扰能力强
可靠性是工业控制器件的重要指标。因此，要求在各种恶劣工作环境和条件(如电磁干扰、灰尘等)下可靠工作，将故障率降至最低。PLC具有很高的可靠性和抗干扰能力，不会出现继电器一接触器控制系统中接
线老化、脱焊、触点电弧等现象，故被称为“专为适应恶劣工业环境而设计的计算机”。
3)编程简单、使用方便
PLC采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程，容易掌握。目前，PLC大多采用梯形图语言编程方式，它既继承了继电器控制线路的清晰直观感，又考虑到电气技术人员的读图习惯和应用实际，电气技术人员易于编程，程序修改灵活方便。这种面向控制过程、面向问题的编程方式，与汇编语言相比，虽然增加了解释程序和程序执行时间，但对大多数机电控制设备来说，PLC的控制速度还是足够快的。此外，PLC的I/O接口可直接与控制现场的用户设备联接。如继电器、接触器、电磁阀等联接，具有较强的驱动能力。
4)接线简单
PLC只需将输入设备(如按钮、开关等)与输入端子联接，将输出设备(如接触器、电磁阀等)与输出端子联接。接线极其简单、工作量极少。
5)功能强
PLC不仅具有条件控制、定时、计数、步进等控制功能，而且还能完成A/D. D/A转换、数字运算和数据处理以及通信联网、生产过程监控等。因此，PLC既可对开关量进行控制，又可对模拟量进行控制。可控制一台单机、一条生产线，也可控制一个机群、多条生产线。可用于现场控制，也可用于远距离控制。可控制简单系统，又可控制复杂系统。
6)体积小、重量轻、易于实现机电一体化
PLC具有体积小、重量轻、功耗低等特点。由于PLC是专为工业控制而设计的专用计算机，其结构紧凑、坚固耐用，以及有很强的可靠性和抗干扰能力，易于嵌入机械设备内部。因此，PLC在机电一体化产品中被广泛应用。
5、PLC德主要技术指标
（1）存储器容量
存储器用来存储程序和系统参数等，其容量是由用户程序存储器和数据存储器组成的。程序存储器容量大小决定了用户所能编写程序的长度。一般中小型PLC的存储器容量在16KB以下，大型的PLC可达到2MB左右。
（2）输入/输出点数
输入/输出点数是指根据工业系统控制要求所得到的对应于PLC的输入/输出端的个数。I/O点数越多，说明需要控制的器件和设备就越多。
（3）扫描时间
扫描时间是指CPU内部根据用户程序，按逻辑顺序，从开始到结束扫描一次所需的时间。PLC用户手册一般给出执行指令所用的时间。
（4）指令种类和数量
指令的种类和数量决定了用户编制程序的方式和PLC的处理能力和控制能力。
（5）内部寄存的种类和数量
内部寄存器主要包括定时器、计数器、中间继电器、数据寄存器和特殊寄存器等。它们主要用来完成计时、技术、中间数据存储、数据存储还有其他一些功能。种类和数量越多，PLC的功能就越强大。
（6）扩展能力
PLC扩展能力是指PLC是否能具有I/O点数扩展、功能扩展、联网等一些功能。
（7）智能模块的种类和数量
智能模块是指能完成模拟量控制、远程控制以及通信等功能模块。智能模块种类和数量越多，说明PLC功能越强大。
2.4.4 人机界面HMI
人机界面是操作人员与PLC之间进行对话和相互作用的接口设备。近年来人机界面的应用越来越广泛，已经成为现代工业控制系统不可缺少的设备之一。这里我们选用触摸屏和操作台。触摸屏用来监视带式输送机的运行工况。触摸屏可以监视带式机速度、拉线急停和跑偏开关的动作位置等各种保护状况以及显示带式输送机的正常运行工况和各种故障状态。通过操作台的各种控制按钮，可以进行工作方式选择和就地控制带式输送机。图和图分别是本次设计的操作台、就地控制箱面板。
图操作台
图就地控制箱面板
触摸屏技术就是使用者只要用手指轻轻地触碰计算机显示屏上的图符或文字，就能实现对主机的操作或查询，这样就摆脱了键盘和鼠标操作，从而大大地提高了计算机的可操作性。触摸屏是一种最直观的操作设备，只要触摸屏幕上的图形对象，计算机便会执行相应的操作。触摸屏具有方便直观、图像清晰、坚固耐用和节省空间等优点。
在触摸屏上，我们主要显示皮带的运行状况和给煤机的运行信号，胶带的速度和各个故障的状态及故障出现的具体位置，同时也可以查询到各皮带滚筒的温度，以实时监测皮带，减少故障查找环节，提高工作效率。
3 胶带输送机集控系统硬件设计
SIMATIC S7-300 PLC简介
3.1.1 SIMATIC S7-300 PLC简介
SIMATIC S7—300系列PLC是模块化结构设计，各个单独模块之间可以进行单独组合和扩展，从而使控制系统设计更加灵活满足不同的应用需求。编程器PG用来为S7-300 PLC编制程序，使用编程电缆连接编程器和CPU。通过PROFIBUS电缆可以实现S7-300 CPU之间的通讯，以及与其他SIMATIC S7 PLC进行通讯。一根PROFIBUS总线电缆可以连接多个S7-300。S7-300 PLC的主要组成部分有导轨（RACK）、电源模块（PS）、中央处理单元模块（CPU）、接口模块（IM）、信号模块（SM）、功能模块（FM）等。它通过MPI网的接口直接与编程器PG、操作员面板OP、和其它S7 PLC相连。
图 PLC系统构成图
导轨（RACK）：导轨是安装S7-300各类模块的机架，它是特制不锈钢异型板，其长度有160、482、530、830、2000（mm）五种，可根据实际需要选择。电源模块、CPU、及其它信号模块都可方便地安装在导轨上。除CPU模块外，每块信号模块都带有总线处理器，安装时先将总线连接器装在CPU模块并固定在导轨上，然后依次将各模块装入，通过背板总线将各模块从物理上和电气上连接起来。
电源模块（PS）：电源模块用于将SIMATIC S7-300连接到120/230V 交流电源和24/48/60/110V直流电源。它与CPU模块和其它信号模块之间通过电缆连接，而不是通过背板总线连接。
中央处理单元模块（CPU）：SIMATIC S7-300提供了多种不同性能的CPU，以满足不同用户的需求，包括CPU312IFM、CPU313、CPU314、
CPU315、CPU315- 2DP等。CPU模块除完成执行用户程序的主要任务之外，还为S7-300背板总线提供5V直流电源，并通过MPI接口与其它中央处理器和编程装置通信。S7-300的编程装置可以是西门子专用的编程器，如PG705、PG720、PG740、PG760等，也可以用通用微机，配以STEP7软件包，并加MPI卡和MPI编程电缆构成。
接口模块（IM）：接口模块用于多机架配置时连接主机架和扩展机架。S7-300通过分布式的主机架和3个扩展机架，可操作多达32个模块。
信号模块（SM）：信号模块使不同的过程信号电平和S7-300的内部信号电平相匹配，主要有数字量输入模块SM321、数字量输出模块
SM322、模拟量输入模块SM331、模拟量输出模块SM332.每个信号模块都配有自编码的螺紧型前连接器，外部过程信号可以方便地连接在信号模块的前连接器上。特别指出的是，其模拟量输入模块独具特色，可以接
入热电偶、热电阻、4～20mA电流、0～10V电压等18种不同的信号，输入量程范围很宽。
功能模块（FM）：用于实时性强、存储计数量较大的过程信号处理任务。如：快给进和慢给进驱动定位模块FM351、电子凸轮控制模块
FM352、步进电机定位模块FM353、伺服电机位控模块FM354、智能位控制模块SINUMERIK FM-NC等。
通信处理器（CP）是一种智能模块，它用于PLC间和PLC与其它装置间连网以实现数据共享。如：具有RS-232C接口的CP340，与现场总线连网的CP342 -5DP。
3.1.2 模块安装
S7-300可以水平安装也可以垂直安装，其允许的环境温度分别为0～40℃（垂直安装）和0～60℃。电源和CPU必须安装在导轨的左侧（水平安装）或低部（垂直安装）。
S7-300是模块化组合结构，根据应用对象不同，可选择不同型号和不同数量的模块，并可以将这些模块安装在同一个机架上（导轨）或多个机架上。除电源模块、CPU模块和接口模块外，一个机架上最多只能安装八个信号模块或功能模块。IM360/IM361接口模块用来将S7-300背板总线从一个机架连接到下一个机架。在使用扩展机架时，除了另需模块机架和接口模块以外，可能还需要另加电源模块。
中央处理单元总是在0号机架的2号槽位上，1号槽安装电源模块，3号槽总是安装接口模块，槽号4到11，可自由分配信号模块，功能模块和通信模块。需要注意的是槽号是相对的，每一个机架的导轨并不存在物理的槽位。
集控系统PLC的设计
3.2.1 CPU的选择
（1）I/O点数的确定
经过对各输入输出的大略计算，本设计中需要数字量输入164点，数字量输出69点，模拟量输入通道14路，其具体分配见表3. 2，，。
表模拟量输入通道统计表
表数字量输入点数统计表
表数字量输出点数统计表
况以及隔离与接地要求，应在统计后得出的I/O总点数基础上，增加10％到15％的裕量。考虑裕量后的I/O总点数即为I/O点数估计值。选定的PLC 机型的I/O能力极限值必须大于I/O点数估计值，并应尽量避免使PLC能力接近饱和，一般应留有30％的裕量。
（2）存储器容量选择