膠帶輸送中控制系統(tǒng)電氣工程及其自動化研究方案

1、煤礦的運輸系統(tǒng)對保證礦井正常生產(chǎn)起著非常重要的作用提高了運輸系統(tǒng)的監(jiān)測和控制水平SIEMENS的S7-300系列PLC目 錄1 引言11.1 引言11.2 膠帶輸送機集中控制系統(tǒng)11.2.1 膠帶輸送機集中控制系統(tǒng)的重要性11.2.2 集中控制系統(tǒng)的發(fā)展及存在的問題21.3 本課題研究的主要內(nèi)容32 膠帶機集中控制系統(tǒng)的總體設(shè)計42.1 課題背景介紹42.2 膠帶輸送機集中控制系統(tǒng)的功能設(shè)計42.3 膠帶輸送機集中控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計52.4膠帶輸送機集中控制系統(tǒng)設(shè)備構(gòu)成72.4.1 膠帶輸送機72.4.2 參數(shù)檢測及故障保護裝置82.4.3 PLC簡述152.4.4 人機界面HMI193 膠帶輸

2、送機集控系統(tǒng)硬件設(shè)計213.1 SIMATIC S7-300 PLC簡介213.1.1 SIMATIC S7-300 PLC簡介213.1.2 模塊安裝223.2 集控系統(tǒng)PLC的設(shè)計233.2.1 CPU的選擇233.2.2數(shù)字量模塊選擇253.2.3模擬量模塊選擇283.2.4電源模塊的選擇293.3西門子ET200M與PROFIBUS-DP總線314 膠帶集中控制系統(tǒng)軟件設(shè)計344.1 集中控制的流程圖344.2 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)354.2.1 控制方式選擇354.2.2 模擬量的處理375 控制系統(tǒng)的抗干擾措施395.1主要干擾源395.2抗干擾措施406 總結(jié)42參考文獻:43附錄44致

3、謝461 引言1.1 引言礦井運輸機械的類型很多,按運行方式不同,可分為連續(xù)運行和往返運行兩種連續(xù)運行式運輸設(shè)備的特點是,一經(jīng)開動就不需操作而連續(xù)運行普通膠帶機鋼繩芯膠帶輸送機鋼繩牽引膠帶輸送機等均屬于此類運輸設(shè)備往返運行式運輸設(shè)備的特點是,在運行區(qū)間,以一定的方式,作往返式周期性運行,運行中需要操作換向機車運輸及單繩牽引運輸?shù)葘儆诖祟愡\輸設(shè)備隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展,礦井生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大,運輸系統(tǒng)也經(jīng)歷了不斷的變革和進步,并以煤流運輸?shù)倪B續(xù)化(輸送機化),設(shè)備大型化(使用長運距大運營高運速大功率輸送機)自動化高可靠性與安全性能來保證礦井的連續(xù)高效生產(chǎn)膠帶輸送機是選煤廣的主要運輸設(shè)備,它可用于

4、物料的水平或傾斜運輸上由于膠帶輸送機的輸送能力變化范圍大運輸距離長貨載和輸送機間沒有相對運動運轉(zhuǎn)時阻力小等,因而具有適應(yīng)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,在選煤廠中得到廣泛應(yīng)用1.2 膠帶輸送機集中控制系統(tǒng)1.2.1 膠帶輸送機集中控制系統(tǒng)的重要性礦井膠帶運輸系統(tǒng)是原煤運輸?shù)奈ㄒ煌緩?是礦井生產(chǎn)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膠帶運輸系統(tǒng)分布廣信息分散以及控制要求高的特點,隨著礦井生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大,以及技術(shù)水平的不斷提高,現(xiàn)代化礦井也需要現(xiàn)代化的管理,因此對膠帶運輸系統(tǒng)的控制和管理提出了更高的要求以往對膠帶輸送機都采用人工就地分臺控制,即每臺輸

5、送機的控制均由一名司機就地操作,這是一種最原始的控制方式這種控制方式是直接操作輸送機的控制開關(guān),操作最簡單,不增加任何的控制元器件,維護工作較少,但需要人員太多,并因每個司機的思想素質(zhì)和技術(shù)素質(zhì)不等常有以外事故發(fā)生,影響生產(chǎn)的正常進行而集中控制方式,是在整個運輸線上新增一套集中控制裝置,在控制室內(nèi)集中操縱機構(gòu),由一名司機來完成操作這不但節(jié)省了大量的司機人員,也為及時發(fā)現(xiàn)故障,縮短停產(chǎn)時間和綜合自動化創(chuàng)造了條件目前,已經(jīng)成為礦井膠帶運輸?shù)闹饕刂品绞?.2.2 集中控制系統(tǒng)的發(fā)展及存在的問題隨著礦井功能和規(guī)模的不斷擴大,計算機技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)新的工業(yè)控制器技術(shù)等新技術(shù)的應(yīng)用,對膠帶輸送機的集中控制系

6、統(tǒng)也得到了飛速發(fā)展皮帶機的綜合自動化控制是整個礦井實現(xiàn)自動控制的重要組成部分 1.3 本課題研究的主要內(nèi)容皮帶機集中控制系統(tǒng)可實現(xiàn)對整個皮帶機運輸系統(tǒng)的遙測遙信遙控,提高生產(chǎn)效率降低事故率,減少故障處理時間減少現(xiàn)場操作人員提高經(jīng)濟效益2.1 課題背景介紹2.2 膠帶輸送機集中控制系統(tǒng)的功能設(shè)計本膠帶輸送機集中控制系統(tǒng)具有的功能如下所述:(1) 本系統(tǒng)有集控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(chǎn)流水線時,本機根據(jù)前后閉鎖關(guān)系自動啟停,同時檢測各檢測保護設(shè)備的狀況;運行就地工作模式時,操作員手動操作按鈕啟動/停止膠帶機,但所有保護設(shè)備均投入使用;運行檢修工作模式時,

7、操作員手動啟動/停止膠帶,保護設(shè)備可有選擇性的投入使用,在檢修模式下,我們使膠帶低速運行膠帶輸送機不轉(zhuǎn)時進行,膠帶輸送機運作時,不能改變其工作方式;程序設(shè)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(jīng)維修后信號消失,計算機內(nèi)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;(3)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;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:a.拉線開關(guān):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(guān)動作,發(fā)出拉線開關(guān)聲光報警b.堆煤:信號發(fā)出后,執(zhí)行堆煤聲光報警指

8、令和急停指令c.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d.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e.超速:信號發(fā)出后,執(zhí)行超速聲光報警和急停指令f.斷帶:信號發(fā)出后,執(zhí)行斷帶聲光報警和急停指令g.縱撕:信號發(fā)出后,執(zhí)行縱撕聲光報警和急停指令h.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i.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2.3 膠帶輸送機集中控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計本次設(shè)計中需要集中控制的皮帶共有7條,各條皮帶分布較廣,現(xiàn)場控制點分散,并且現(xiàn)場的環(huán)境比較惡劣所以,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

9、采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線技術(shù),組成主從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)根據(jù)工藝流程劃分,系統(tǒng)以PLC為控制主站,以每條皮帶就地箱配備的遠程I/O ET200M為從站,共設(shè)7個從站,這樣就節(jié)約了大量電纜等材料本系統(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(nèi)多條皮帶多個設(shè)備全過程的控制監(jiān)測,構(gòu)成一個完善的集中控制系統(tǒng)其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-1所示圖2-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(shè)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(diào)完成

10、工作PLC控制柜內(nèi)部由S7-300 PLC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(zhuǎn)換開關(guān),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(nèi)部配SIMATIC ET200M遠程I/O,完成現(xiàn)場皮帶的數(shù)據(jù)采集和控制每個遠程I/O站可以處理256個開關(guān)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

11、程單元通過IM153-2總線接口模塊連接到PROFIBUS總線上2.4膠帶輸送機集中控制系統(tǒng)設(shè)備構(gòu)成2.4.1 膠帶輸送機帶式輸送機是以膠帶作為牽引機構(gòu)和承載機構(gòu)的連續(xù)運輸機械,又稱為膠帶輸送機,它在礦山的物料運輸,特別是煤的輸送方面得到了廣泛應(yīng)用帶式輸送機主要由以下幾種主要部件組成:傳動裝置膠帶機架滾筒托輥拉緊裝置清掃器裝料和卸料裝置等1-膠帶;2-傳動滾筒;3-尾部滾筒;4-上托輥;5-下托輥;6-拉緊裝置;7-給料裝置;8排料裝置;9-機架圖2-2膠帶輸送機膠帶輸送機的基木結(jié)構(gòu)見圖2-2所示膠帶1繞過傳動滾筒2及尾部滾筒3形成無級循環(huán)的牽引機構(gòu),在滾筒2和3之間的機架上按一定距離安裝著托

12、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)加到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輸送機的拉緊裝置,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(jīng)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

13、的重要組成部分傳動裝置一般由驅(qū)動裝置和傳動滾筒組成驅(qū)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(qū)動有單滾筒驅(qū)動和多滾筒驅(qū)動,一般常采用單滾筒驅(qū)動,功率大時可采用多滾筒驅(qū)動多滾筒驅(qū)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(xiàn)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(qū)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18O2lO向下運輸?shù)膬A角一般在150以下超過這些數(shù)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

14、2.4.2 參數(shù)檢測及故障保護裝置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(shè)置一個速度傳感器來檢測膠帶的速度本設(shè)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420mA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(zhuǎn)盤(帶有齒槽)在光電傳感器凹槽內(nèi)轉(zhuǎn)動,光電傳感器光路通斷受齒槽控制,輸出相應(yīng)的方波頻率信號,頻率信號經(jīng)整形放大后,再經(jīng)頻率/電壓電壓/電流變換后輸出420mA的電流信號圖2-5 速度檢測傳感器部分電路方框圖 從大量的斷帶事故分析可知,帶式輸送機斷

15、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(zhuǎn); (2)輸送帶接頭質(zhì)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(yīng)力變化大; (5)輸送帶自身質(zhì)量不過關(guān),輸送帶服務(wù)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(zhuǎn)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(shè)定值時,發(fā)出斷帶信號,命令皮帶緊急停車,同時停給煤機,

16、并發(fā)出聲光報警堆煤傳感器 當煤倉內(nèi)有大煤塊塞住煤倉漏口時,會使煤流阻在煤倉內(nèi),無法向膠帶投放由于煤倉特別大,如果沒有人及時發(fā)現(xiàn)煤倉堆煤,煤在煤倉內(nèi)會越堆越多,最后會迫使使用大量人力物力來挖除煤倉內(nèi)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(chǎn)成本因此加入堆煤傳感器,及時報警危險煤位,處理煤倉內(nèi)阻塞的煤此設(shè)計中我們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(zhuǎn)載點堆積傳感器可以延時動作,延時

17、時間可調(diào),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0.460s可調(diào),瞬間復位,輸出開關(guān)信號堆煤傳感器一般安裝在機頭下方適當?shù)奈恢?且不易碰壞或被水和煤塵污染的地方應(yīng)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煙霧檢測傳感器 由不銹鋼的外殼構(gòu)成本設(shè)計我們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(zhì)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(guān)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

18、度超過設(shè)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(yīng)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(chǎn)生煙霧時立即起作用若風速超過時應(yīng)安裝防風罩,根據(jù)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拉線急停開關(guān)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(guān),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(guān),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

19、(或其它傳感器)等保護裝置和起動預告打點聯(lián)絡(luò)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(guān)沿輸送機安裝,一般每隔80-100米按一個,應(yīng)安裝在易于觀察到易于操作的地方紅外溫度傳感器 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(jù)課題項目的具體要求,被測對象是一直轉(zhuǎn)動的滾筒表面,接觸式溫度傳感器測量起來誤差太大,響應(yīng)時間太長,溫度變化的傳遞完全依靠空氣為介質(zhì)進行熱交換,因而采用接觸式測量不適用于

20、該次設(shè)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010V模擬量電壓信號,測量范圍為-32535度它具有響應(yīng)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(shè)定值比較,當溫度大于設(shè)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(shè)定值要根據(jù)考慮周邊情況,如:膠帶的制作材料,燃點等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(yīng)用它之所以強度高是因為其內(nèi)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

21、經(jīng)濟損失,即使能修補,也浪費很長的時間,給生產(chǎn)造成損失縱向撕裂,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10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(xiàn)特征各不相同,選用何種裝置進行檢測,要根據(jù)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(jù)平衡原理,當物料重量克服平衡錘的重量,

22、使裝置繞支點轉(zhuǎn)動,迫使限位開關(guān)動作(圖2-8)這種檢測裝置結(jié)構(gòu)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,卻無法檢測的到圖2-8 漏料檢測器 (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(guān),開關(guān)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(chǎn)生超聲波的波導管,使

23、之產(chǎn)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(zhuǎn)的輥輪和輸送帶接觸帶式輸送機運轉(zhuǎn)時,偏心激振器使輸送帶產(chǎn)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(yīng)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(shè)計中,我

24、們選擇使DJSBA-1型縱撕傳感器DJSBA-1型縱撕傳感器為礦用隔爆妝本質(zhì)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(shè)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2.4.3 PLC簡述 隨著微處理器計算機和數(shù)字通信技術(shù)的飛速發(fā)展,計算機控制已經(jīng)廣泛應(yīng)用在所有的工業(yè)領(lǐng)域可編程序控制器(Programmable Logic Controll er)正是順應(yīng)這一潮流出現(xiàn)的,它是以微處理器為基礎(chǔ)的通用工業(yè)控制裝置1987年,美國電氣制造協(xié)會(NEMA)對可編程序控制器下了定義:可編

25、程序控制器是一種帶有指令存儲器數(shù)字的或模擬的輸入輸出接口,以位運算為主,能完成邏輯順序定時計數(shù)和算術(shù)運算功能,用于控制機器和生產(chǎn)過程的自動控制裝置可編程序控制器簡稱PLC,它的應(yīng)用面廣功能強大使用方便,已經(jīng)成為當代工業(yè)自動化的主要支柱之一PLC已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在各種機械設(shè)備和生產(chǎn)過程的自動控制系統(tǒng)中,PLC在其它領(lǐng)域,例如在民用和家庭自動化設(shè)備中的應(yīng)用也得到了迅速發(fā)展 (1)PLC 的系統(tǒng)構(gòu)成PLC的硬件系統(tǒng)由CPUI/O擴展機及外部設(shè)備組成如圖2-9所示西門子PLC以其極高的性能價格比,在國內(nèi)占有很大的市場份額,在我國的各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用本次設(shè)計所采用的S7300屬于模塊式PLC,主要由

26、機架CPU模塊信號模塊功能模塊接口模塊通信處理器電源模塊和編程設(shè)備組成,各種模塊安裝到機架上通過CPU模塊或通信模塊上的通信接口,PLC被連接到通信網(wǎng)絡(luò)上,可以與計算機其它PLC或其它設(shè)備通信與繼電器控制系統(tǒng)相比,PLC可以認為是由輸入部分控制部分和輸出部分等組成,但它是采用大規(guī)模的集成電路的微處理器和存儲器來代替繼電器控制線路,控制作用是通過編制好并存入內(nèi)存的程序來實現(xiàn)的我們可以認為PLC的等效電路如下:輸入部分:用于接受外部輸入信號,與外部輸入設(shè)備連接可以等效為一個受控于外部用戶輸入設(shè)備的繼電器線圈(輸入繼電器)控制部分:等效于一個受控于內(nèi)部邏輯的一個線圈,接點可用于驅(qū)動外部輸出設(shè)備的繼電

27、器輸出部分:用于與外部輸出設(shè)備連接電源擴展機架接觸器電磁閥電 源 模 塊接 口 模 塊輸入模塊輸出模塊CPU模塊通信接口其它設(shè)備其它PLC計算機選擇開關(guān)指示燈限位開關(guān)電源按鈕 (2)PLC的工作原理CPU中的程序分為操作系統(tǒng)和用戶程序操作系統(tǒng)用來處理PLC的啟動刷新輸入/輸出過程映像區(qū)調(diào)用用戶程序處理中斷和錯誤管理存儲區(qū)和通信等任務(wù)用戶程序由用戶生成,用來實現(xiàn)用戶要求的自動化任務(wù)STEP7將用戶編寫的程序和程序所需的數(shù)據(jù)放置在塊中,功能塊FB和功能FC相當于用戶編寫的子程序,系統(tǒng)功能SFC的系統(tǒng)功能塊SFB是操作系統(tǒng)提供給用戶使用的標準子程序,這些塊也通稱為邏輯塊PLC采用循環(huán)執(zhí)行用戶程序的方

28、式,這種運行方式也稱為掃描工作方式OB1是用于循環(huán)處理的組織塊,相當于用戶程序的主程序,它可以調(diào)用其它的塊,或被中斷程序(組織塊)中斷PLC得電或由STOP模式切換到RUN模式時,CPU執(zhí)行啟動操作,清除沒有保持功能的位存儲器定時器和計數(shù)器,清除中斷堆棧和塊堆棧的內(nèi)容,復位保存的硬件中斷等此外還要執(zhí)行一次用戶編寫的“系統(tǒng)啟動組織塊”O(jiān)B100,完成用戶指定的初始化操作,以后將進入周期性的循環(huán)運行循環(huán)程序處理過程可以被某些事件中斷,如果有中斷事件出現(xiàn),當前執(zhí)行的塊將停止執(zhí)行,并調(diào)用分配給該事件的組織塊該組織塊執(zhí)行完畢后,被中斷的塊將從被中斷的地方開始繼續(xù)執(zhí)行在PLC的存儲器中,設(shè)置了一片區(qū)域用來

29、存放輸入信號和輸出信號的狀態(tài),它們分別存放在輸入過程映像區(qū)和輸出過程映像區(qū)PLC梯形圖中的其它編程元件也有對應(yīng)的映像存儲區(qū)在循環(huán)程序處理中,CPU并不直接訪問I/O模塊中的輸入地址區(qū)域和輸出地址區(qū)域,而是訪問CPU內(nèi)部的過程映像區(qū)在讀輸入模塊階段,PLC將所有外部輸入電路的接通/斷開狀態(tài)讀如輸入過程映像區(qū)在寫輸出模塊的階段,CPU將輸出過程映像區(qū)的狀態(tài)傳給輸出模塊在程序執(zhí)行階段,即使外部輸入信號的狀態(tài)發(fā)生了變化,輸入過程映像位的狀態(tài)也隨之而變,輸入信號變化了的狀態(tài)字能在下一個循環(huán)掃描周期的讀輸入模塊階段被讀入PLC用戶程序由若干條指令組成,指令在存儲器中順序排列在沒有跳轉(zhuǎn)指令和塊調(diào)用指令時,C

30、PU從第一條指令開始,逐條順序執(zhí)行用戶程序,直到用戶程序結(jié)束在執(zhí)行指令時,從輸入過程映像區(qū)或別的存儲區(qū)中將有關(guān)編程元件的01狀態(tài)讀出來,并根據(jù)指令的要求執(zhí)行相應(yīng)的邏輯運算,運算的結(jié)果寫入到對應(yīng)的存儲區(qū)中,因此,各編程元件的存儲區(qū)(輸入過程映像區(qū)除外)的內(nèi)容將隨著程序的執(zhí)行而變化PLC的特點a靈活通用在繼電器控制系統(tǒng)中,使用的控制裝置是大量的繼電器,整個系統(tǒng)是根據(jù)設(shè)計好的電氣控制圖,由人工通過布線焊接固定等手段組裝完成的,其過程費時費力如果因為工藝上少許變化,需要改變電氣控制系統(tǒng)時,原先整個電氣控制系統(tǒng)將被全部拆除,而重新進行布線焊接固定等工作,耗費大量人力物力和時間而PLC是通過在存儲器中的程

31、序?qū)崿F(xiàn)控制功能,若控制功能需要改變,只需修改程序及少量接線即可而且,同一臺PLC還可用于不同控制對象,通過改變軟件則可實現(xiàn)不同控制的控制要求因此,PLC具有很大的靈活性和通用性,結(jié)構(gòu)形式多樣化,可以適用于各種不同規(guī)模不同工業(yè)控制要求b可靠性高抗干擾能力強可靠性是工業(yè)控制器件的重要指標因此,要求在各種惡劣工作環(huán)境和條件(如電磁干擾灰塵等)下可靠工作,將故障率降至最低PLC具有很高的可靠性和抗干擾能力,不會出現(xiàn)繼電器一接觸器控制系統(tǒng)中接線老化脫焊觸點電弧等現(xiàn)象,故被稱為“專為適應(yīng)惡劣工業(yè)環(huán)境而設(shè)計的計算機”c編程簡單使用方便PLC采用面向控制過程面向問題的“自然語言”編程,容易掌握目前,PLC大多

32、采用梯形圖語言編程方式,它既繼承了繼電器控制線路的清晰直觀感,又考慮到電氣技術(shù)人員的讀圖習慣和應(yīng)用實際,電氣技術(shù)人員易于編程,程序修改靈活方便這種面向控制過程面向問題的編程方式,與匯編語言相比,雖然增加了解釋程序和程序執(zhí)行時間,但對大多數(shù)機電控制設(shè)備來說,PLC的控制速度還是足夠快的此外,PLC的I/O接口可直接與控制現(xiàn)場的用戶設(shè)備聯(lián)接如繼電器接觸器電磁閥等聯(lián)接,具有較強的驅(qū)動能力d接線簡單 PLC只需將輸入設(shè)備(如按鈕開關(guān)等)與輸入端子聯(lián)接,將輸出設(shè)備(如接觸器電磁閥等)與輸出端子聯(lián)接接線極其簡單工作量極少e功能強PLC不僅具有條件控制定時計數(shù)步進等控制功能,而且還能完成A/D. D/A轉(zhuǎn)換

33、數(shù)字運算和數(shù)據(jù)處理以及通信聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)過程監(jiān)控等因此,PLC既可對開關(guān)量進行控制,又可對模擬量進行控制可控制一臺單機一條生產(chǎn)線,也可控制一個機群多條生產(chǎn)線可用于現(xiàn)場控制,也可用于遠距離控制可控制簡單系統(tǒng),又可控制復雜系統(tǒng)f體積小重量輕易于實現(xiàn)機電一體化PLC具有體積小重量輕功耗低等特點由于PLC是專為工業(yè)控制而設(shè)計的專用計算機,其結(jié)構(gòu)緊湊堅固耐用,以及有很強的可靠性和抗干擾能力,易于嵌入機械設(shè)備內(nèi)部因此,PLC在機電一體化產(chǎn)品中被廣泛應(yīng)用2.4.4 人機界面HMI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(shè)備近年來人機界面的應(yīng)用越來越廣泛,已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)不可缺少的設(shè)備之一這里

34、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(guān)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2-11和圖2-12分別是本次設(shè)計的操作臺就地控制箱面板圖2-12 就地控制箱面板觸摸屏技術(shù)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(xiàn)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(shè)備,只要觸摸屏幕上的圖形對象,計算機便會執(zhí)行相應(yīng)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

35、優(yōu)點在觸摸屏上,我們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(xiàn)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3.1 SIMATIC S7-300 PLC簡介3.1.1 SIMATIC S7-300 PLC簡介 3.1.2 模塊安裝S7-300可以水平安裝也可以垂直安裝,其允許的環(huán)境溫度分別為040(垂直安裝)和060電源和CPU必須安裝在導軌的左側(cè)(水平安裝)或低部(垂直安裝)S7-300是模塊化組合結(jié)構(gòu),根據(jù)應(yīng)用對象不同,可選擇不同型號和不同數(shù)量的模塊,并可以將這些模塊安裝在同一個機架上(導軌)或多個機架上除電

36、源模塊CPU模塊和接口模塊外,一個機架上最多只能安裝八個信號模塊或功能模塊IM360/IM361接口模塊用來將S7-300背板總線從一個機架連接到下一個機架在使用擴展機架時,除了另需模塊機架和接口模塊以外,可能還需要另加電源模塊中央處理單元總是在0號機架的2號槽位上,1號槽安裝電源模塊,3號槽總是安裝接口模塊,槽號4到11,可自由分配信號模塊,功能模塊和通信模塊需要注意的是槽號是相對的,每一個機架的導軌并不存在物理的槽位3.2 集控系統(tǒng)PLC的設(shè)計3.2.1 CPU的選擇 3.2.1.1 I/O點數(shù)的確定 經(jīng)過對各輸入輸出的大略計算,本設(shè)計中需要數(shù)字量輸入164點,數(shù)字量輸出69點,模擬量輸入

37、通道14路,其具體分配見表3-1,3-2,3-3 表3-1模擬量輸入通道統(tǒng)計表 模擬量輸入通道數(shù)皮帶機速度1*7滾筒溫度1*7總計14 表3-2數(shù)字量輸入點數(shù)統(tǒng)計表數(shù)字量輸入點數(shù)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1*7主提升走廊皮帶跑偏開關(guān)2*12其他皮帶跑偏開關(guān)8*6表3-2數(shù)字量輸入點數(shù)統(tǒng)計表(續(xù)表)數(shù)字量輸入點數(shù)縱撕傳感器1*7煙霧傳感器1*7走廊皮帶拉線急停開關(guān)2主提升皮帶拉線急停開關(guān)20其他皮帶拉線急停開關(guān)1*5就地箱啟動按鈕1*7就地箱停止按鈕1*7就地箱急停按鈕1*7總計164表3-3數(shù)字量輸出點數(shù)統(tǒng)計

38、表數(shù)字量輸出點數(shù)皮帶電機開7灑水裝置電磁閥7皮帶電機關(guān)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5*7總計69考慮到前面的設(shè)計中I/O點數(shù)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(yīng)在統(tǒng)計后得出的I/O總點數(shù)基礎(chǔ)上,增加10%到15%的裕量考慮裕量后的I/O總點數(shù)即為I/O點數(shù)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(shù)估計值,并應(yīng)盡量避免使PLC能力接近飽和,一般應(yīng)留有30%的裕量 3.2.1.2 存儲器容量選擇 PLC的I/O點數(shù)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(shù)估算值的基礎(chǔ)上計算對PLC存儲器容量的需求目前,

39、大多用統(tǒng)計經(jīng)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(shù)的統(tǒng)計平均經(jīng)驗值為依據(jù),乘以信息量數(shù)再考慮一定的裕量計算得到存儲器需要容量作為一般應(yīng)用下的一種經(jīng)驗公式是:存儲器容量其中:DI為數(shù)字量輸入總點數(shù); DO為數(shù)字量輸出總點數(shù); AI/O為模擬量I/O通道總數(shù)DI點數(shù)估計值為164×1.15=189,DO點數(shù)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工程實踐中,大多采用粗略估算,加大裕量

40、,實際選型時參考此值采用就高不就低的原則 3.2.1.3 響應(yīng)速度PLC是為工業(yè)自動化而設(shè)計的通用控制器,不同檔次的PLC的響應(yīng)速度一般能滿足起應(yīng)用范圍內(nèi)的需要如果要跨范圍使用PLC,或者應(yīng)用中的某些功能或信號有特別的速度要求時,確定PLC的型號就應(yīng)特別慎重通過上面的計算,考慮系統(tǒng)通訊和冗余的要求,選用SIMATIC S7-300系列中的CPU315-2 DP是最合適的其中最主要的原因是CPU315-2 DP是S7-300系列中唯一帶現(xiàn)場總線(PROFIBUS) SINEC L2-DP接口的CPU模塊內(nèi)置80KB RAM,隨機存儲器為48KB,最大數(shù)字量I/O點數(shù)為1024個,最大模擬量I/O

41、通道數(shù)為128個最大配置4個機架,32塊模塊滿足設(shè)計需要3.2.2數(shù)字量模塊選擇 I/O主提升皮帶輸入開關(guān)量有38個,其他皮帶輸入開關(guān)量點數(shù)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 3.2.2.1 數(shù)字量輸出模塊的選擇和外部連線I/O分別選1塊,3.2.3模擬量模塊選擇I/O分別設(shè)1塊,共選用7塊3.2.4電源模塊的選擇綜上所述,本次設(shè)計中我們選用的模塊:CPU315-2 DP處理器;PS307電源模塊;ET200M遠程控制單元;CP340通信模塊;SM321數(shù)字量輸入模塊;SM322數(shù)字量輸出模塊;SM

42、331模擬量輸入模塊其具體配置如圖3-6所示圖3-6 系統(tǒng)配置圖3.3西門子ET200M與PROFIBUS-DP總線 3.3.1 ET200MSIMATIC ET200M是采用模塊化的設(shè)計,方便安裝于控制柜且與SIMATIC S7-300 I/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它可用S7-300可編程序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(wù)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

43、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(shù)據(jù)傳輸速率為12M位/SET200M也可以在運行過程中,在有電源情況下配置S7-300 I/O模塊的有源總線模塊,其余模塊仍繼續(xù)運行 ET200M由以下部分組成 : (1)IM153接口:用于與PROFIBUS-DP現(xiàn)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(nèi), 總線連接器設(shè)計,在運行過程中不能更換模塊; 有源總線模塊設(shè)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(yīng)用(功能和通信模塊只用于SIMATIC S7/M7主

44、設(shè)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3.3.2 PROFIBUS-DP總線PROFIBUS是世界上最大的開放式工業(yè)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)之一,它的的技術(shù)性能使其可以用于工業(yè)自動化的一切領(lǐng)域這種網(wǎng)絡(luò)能夠支持32個節(jié)點,最高運行速度為12Mbps與大多數(shù)現(xiàn)場總線系統(tǒng)一樣,PROFIBUS能夠減少運營成本,提高生產(chǎn)效率,加快新品上市時間,并改善產(chǎn)品質(zhì)量與標準420mA 控制不同,PROFIBUS能夠在由一根雙絞線電纜組成的單一總線網(wǎng)段上,支持32個工作站PRO

45、FIBUS-DP是PROFIBUS現(xiàn)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(shè)備分散I/O之間通信設(shè)計的,是經(jīng)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(shù)據(jù)和 1千字節(jié)的輸出數(shù)據(jù)所需時間<2 ms; (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(chǎn)品:PLC, PC, I/O, 驅(qū)動器, 編碼器等; (6)允許周期性和非周期性的數(shù)據(jù)傳輸; (7)單主和多主網(wǎng)絡(luò); (8)每個站的輸入和輸出數(shù)據(jù)最多可達 244 字節(jié) (9)強

46、大的三級診斷功能,CPU模塊通道診斷一應(yīng)俱全4.1 集中控制的流程圖4.2 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)4.2.1 控制方式選擇4.2.2 模擬量的處理5 控制系統(tǒng)的抗干擾措施 PLC控制系統(tǒng)具有可靠性高功能強體積小易于實現(xiàn)過程控制等優(yōu)點,在工業(yè)生產(chǎn)過程控制中應(yīng)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(shè)備產(chǎn)生的高頻干擾等,這些干擾會導致控制精度降低PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)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(yīng)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(yīng)抗干擾措施以確保PLC控制

47、系統(tǒng)可靠穩(wěn)定地運行5.1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(nèi)部干擾和外部干擾兩類,內(nèi)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(yīng)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(wǎng)供電當電網(wǎng)上的負載如大型電力設(shè)備交直流傳動裝置等啟停時會引起電網(wǎng)電壓的波動,從而產(chǎn)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(xiàn)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?shù)絇

48、LC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(wǎng)干擾,這往往被忽視;二是信號線受空間電磁輻射感應(yīng)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(shù)據(jù)變化誤動和死機(3)接地干擾PLC應(yīng)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 5.2抗干擾措施 5.2.1 抗供電電源干擾本系統(tǒng)采用以下三點來有效控制供