煤矿胶带输送机PLC控制的研究毕业设计

摘 要大中型煤矿的井下煤炭运输大都采用以胶带输送机为主的运输方式。胶带输送机是一种由电机驱动的连续运输设备，主要用来输送物料和成品，广泛应用于工业生产中。以往的输送机控制大多采用就地控制，并且控制装置大都由继电器等组成，当输送机的数量增加时，会造成设备复杂，操作及维护困难的局面。而在胶带输送机的连续运行中，经常会出现打滑、断带、划伤、过载、联轴器断开等现象，导致压矿的严重后果。因此，对输煤系统的控制就具有重要的意义。本文对煤矿主煤流远程控制系统信号检测部分、就地控制部分、远程控制上位机三部分组成及功能进行介绍的基础上，提出了基于西门子公司 S7-200 可编程序控制器和工业控制网网络的输煤控制系统实现方案。并重点介绍 PLC 为主的电机控制系统，系统基本满足了带式输送机工作过程中控制、监测、保护、管理等功能。对与上位机的相关通信问题也进行了分析介绍。基于 PLC 控制的煤矿主煤流远程控制系统可有效的提高煤矿企业输煤系统的效率，在我国有很好的发展前景。关键字：输送机； S7-200 PLC；控制； 传感器； 串口通信目 录第 1 章 绪论 .11.1 我国煤矿主煤流控制系统的现状 .11.2 系统的组成和功能 .21.2.1 系统的组成 .21.2.2 系统的功能 .3第 2 章系统概况及部分组成-皮带机及控制信号及传感器 .42.1 系统的组成及功能 .42.2 胶带运输机概况 .52.2.1 胶带运输机概念 .52.2.2 通用带式输送机的组成 .52.3 传感器的概况及控制系统所需信号、信号传感器 .62.3.1 传感器的分类 .62.3.2 传感器的特性 .72.3.3 转速的测量及转速传感器 .92.3.4 转矩的测量及转矩传感器 .112.3.5 温度的测量及温度传感器 .122.3.6 跑偏、划伤及纵向撕裂的检测 .14第 3 章 基于 PLC 的下位机控制系统设计 .163.1 PLC 概述 .163.1.1 PLC 的概念及发展 .163.1.2 PLC 的主要特点 .183.1.3 PLC 的应用范围 .193.1.4 PLC 的组成 .203.2 S7-200 PLC 的概况 .223.2.1 SIEMENS S7-200 基本组成 .223.2.2 SIEMENS S7-200 的工作原理 .263.2.3 PLC 编程语言和程序结构 .293.3 本例中基于 S7-200 PLC 的设计 .313.3.1 系统功能 .313.3.2 系统控制 .32第 4 章 煤矿主煤流控制系统数据通信设计与实现 .3641 通信网络的基础知识 .3642 PLC 通信程 序设计 .4143 PLC 端的通讯程序实现 .43第 5 章 总结与展望 .47参考文献： .48英文原文 .49中文译文 .59致 谢 .66中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计（论文） 第 1 页第 1 章 绪论传统的煤矿输煤系统是一种基于接触器和人工手动方式的半自动化系统。由于输煤系统现场环境十分恶劣，不仅极大损害了工人的身体健康，而且由于输煤系统范围大，经常有皮带跑偏、皮带撕裂等等麻烦，大大降低了生产效率。传统输煤系统已无法满足井下运煤的需要。1.1 我国煤矿主煤流控制系统的现状带式输送机是煤矿生产中的主要运输工具，其自动化程度及安全运行在煤矿生产中占有极其重要的地位。目前，我国煤矿主煤流远程控制系统发展情况差距很大,受企业性质及煤矿生产规模的影响。有些井下带式输送机的控制仍以就地控制为主,各种保护信号也只能就地显示,并且其保护装置的可靠性、灵敏性及寿命也都较低。也有一些国有大型煤矿在煤矿主煤流远程控制系统方面取得了很大的突破，例如中国矿业大学和兖州矿业集团公司兴隆庄煤矿研制的“煤矿井下主煤流带式输送机地面集中控制系统”,集控制、检测和监测为一体,在我国首次实现了地面对井下主煤流带式输送机的长距离 10Km 以内、多点位 2000 点以上信息传输和无岗点操作的远程集中监测控制,开创了我国地面远程集中控制煤矿井下机电设备的先例,系统自动化程度达到了国际先进水平,已经通过了专家技术鉴定。煤矿井下主煤流胶带运输地面集中控制系统以分布式计算机控制系统 DCS 为主，包括了地面控制中心、井下控制中心和 11 个控制分站，具有在线监测、分析以及完善的保护与报警功能，完全符合煤矿井下带式输送机输煤系统安全生产的要求。在兴隆庄煤矿井下的现场技术检测和工业性运行表明，该系统的技术性能达到了设计要求,开机率由原来 60 %提高到 95 %以上,系统输煤能力也从 1000t/h 提高到 1 200 t/ h,同时还极大地减轻了操作人员的劳动强度。专家们指出: 此项成果运用自动化、计算机、传感器、工业电视、光纤通讯及网络技术,采用触摸屏或鼠标控制方式进行数据和图像信息传输,可以实现煤流方向带式输送机的顺序开停和无扰切换,具有断带、打滑、跑偏、烟雾报警、自动灭火断电,语音报警等各种保护功能,免除了人为因素的干扰，避免了整个带式输送机系统带载停车与堆煤事故的发生; 它首次将先进的冗余技术应用于煤矿带式输送机的集中控制 ,实现了地面和井下控制中心的 3 台计算机互为热备份，提高了整个系统的可靠性，所开发的防爆兼本安型带式输送机自动控制装置具有完善的数据采集和控制功能，亦可以作为单台带式输送机的自动控制装置。中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计（论文） 第 2 页1.2 系统的组成和功能煤矿主煤流运输系统为将井下采掘工作面生产的煤炭运送到井底集运站所需的巷道及其运输设备的总称。按运输方式不同，煤矿主煤流运输系统一般分为由输送机组成的连续运输方式、由轨道运输组成的间断运输系统以及由上述两种组成的混合方式。1.2.1 系统的组成煤矿主煤流控制系统由信号检测部分、就地控制部分、远程控制三部分组成。信号检测部分-通过相应的传感器、变送器、放大电路等将各种系统所需的控制信号进行测量和变送，输出规范的电信号到就地控制部分。就地控制部分-主要由可编程控制器（PLC） 、控制面板和各现场设备的控制装置等组成，其作用：1）负责测量信号的简单处理与分析，并据此对输煤系统进行相应控制或发出预（报）警信号；2）值班人员配合控制面板近地控制输煤系统；3）与远程控制上位机进行通信，接受上位机控制，并根据指令将所需信息发送给上位机处理。上位机部分-硬件由工业计算机、打印机等构成，软体由应用程序和数据库组成。控制人员通过人机界面实现对输煤设备的远程控制、监视、采集历史数据，并对控制系统各种数据进行复杂处理、显示、存储、输出和打印。中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计（论文） 第 3 页系统整体框图如图 1.1 所示打印机 工业计算机 屏幕RS485/RS232 转换器编程器 S7-200PLC执行继电器电机 传感器变送环节图 1.1 煤矿主煤流远程控制系统整体框图1.2.2 系统的功能1）控制功能集中顺序控制逆起：起动前，输送带上有煤时（故障停车后再起车） ，必须采用此种起动方式，逆起的延时长短以躲过起动峰值电流为原则。顺起：起动前，输送带上无煤时，采用顺煤流延时起动，以便有效地缩短带式输送机空运载时间，节省电能，减少输送带及设备的无效运行磨损。顺起的延时长短以保证相应输送带上不压煤为原则。顺停：正常停车时，采用顺煤流延时顺停，顺停及延时长短以保证相应输送带上不留煤为原则。手动控制控制台上联锁手动控制。现场急停：巡视人员发现异常现象用沿线急停开关就地停机，并使与其有联锁关系的带式输送机和给煤中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计（论文） 第 4 页机停机。故障停机带式输送机出现故障时自动停车，并使与其有联锁关系的带式输送机和给煤机停机。2）监测功能监测运输系统的各种故障，并显示故障性质（低速、跑偏、撕带、堆煤、超温、烟雾、煤仓高低煤位、电动机过载）及地点。自动巡检各带式输送机的速度、电流、环境温度，并在计算机上显示，并能根据需要随时显示带式输送机的上述参数。3）保护功能带式输送机低速保护：监视输送带是否打滑；跑偏保护：输送带跑偏时先发出信号，一定时间延时后，再检测有无跑偏信号，若有自动停机；撕带保护：强力输送带上使用；堆煤保护：在装煤点和机头设置；超温保护：监视机头驱动轮温度；超温自动洒水；烟雾报警；煤仓高、低煤位保护；电机综合保护：含过载、断相、短路和漏电闭锁保护。4）管理功能上位计算机具有图像显示和报表处理能力：显示各条输送带的状态；显示各图形报表等；打印生产中所需各种图表。第 2 章系统概况及部分组成-皮带机及控制信号及传感器2.1 系统的组成及功能煤矿主煤流远程控制系统下位机主要由可编程控制器（PLC） 、控制面板和各现场设备的控制装置以及被控设备（本例为胶带运输机）等组成。PLC 作为就地控制部分中的主要功能部件，在本控制系统中的作用有:1.对测量的各种控制信号进行分析和处理各传感器所测得的控制信号直接或通过中间环节（变送器、信号放大器、A/D 转换）送入 PLC 的扩展输入/输出模块，PLC 的 CPU 便按用户预先编好的程序对不同信号进行分析与处理，如与设定值进行比较后产生相应控制信号，对现场设备进行控制。也可将信号值放到指定存储器中进行存储。分析和处理后的信号值还可通过控制面板就地显示，以便操作人员控中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计（论文） 第 5 页制现场。2.控制电机的启停及现场预(报)警现场各控制信号的分析和处理完毕后，PLC 便根据用户程序和相应设定值产生不同的控制信号和报警信号，通过输出模块传输到控制设备和报警设备上，以实现对胶带输送机、给煤机的起停，或根据故障的类型产生相应的报警信号，通过声音、灯光、屏显通知管理人员，以便进一步对故障进行处理。3.利用 PLC 的通信功能，与上位机实现通信。虽然 PLC 能对数据进行处理，但相较于远程控制上位机的数据处理能力还有不足之处，所以需要将数据上传到上位机进行复杂处理，如故障信号数据库的建立、图形的生成及报表的生成和打印等，这样便将此系统很好的纳入到整个煤矿的统筹管理之中，实现集中管理，对提高生产率有极大帮助。4.接受上位机指令控制，成为系统控制分站作为整个远程控制系统的中间环节，在系统通信正常时，作为控制分站，向上位机传输数据的同时，也接受上位机的指令控制，进而控制现场各设备，达到远程控制功能；当就地控制部分无法与地面控制中心正常通信时，切换到就地控制状态，从而保证对主煤流运输系统的控制，待到与上位机能正常通信时，重新组成远程控制系统。2.2 胶带运输机概况2.2.1 胶带运输机概念带式输送机是一种摩擦驱动以连续方式运输物料的机械。应用它，可以将物料在一定的输送线上，从最初的供料点到最终的卸料点间形成一种物料的输送流程。它既可以进行碎散物料的输送，也可以进行成件物品的输送。除进行纯粹的物料输送外，还可以与各工业企业生产流程中的工艺过程的要求相配合，形成有节奏的流水作业运输线。所以带式输送机广泛应用于现代化的各种工业企业中。在矿山的井下巷道、矿井地面运输系统、露天采矿场及选矿厂中，广泛应用带式输送机。它用于水平运输或倾斜运输。中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计（论文） 第 6 页2.2.2 通用带式输送机的组成通用带式输送机由输送带、托辊、滚筒及驱动、制动、张紧、改向、装载、卸载、清扫等装置组成。胶带输送机是煤矿生产中的主要运输工具,其自动化程度及安全运行在煤矿生产中占有极其重要的地位。胶带输送机连续运输的特性与采煤工艺相适应，增产潜力大，将是机械化、自动化大型矿井运输的主要发展趋势。输送带常用的有橡胶带和塑料带两种。 橡胶带适用于工作环境温度-1540C 之间。物料温度不超过 50C。向上输送散粒料的倾角1224。对于大倾角输送可用花纹橡胶带。塑料带具有耐油、酸、碱等优点，但对于气候的适应性差，易打滑和老化。带宽是带式输送机的主要技术参数。托辊分单滚筒（胶带对滚筒的包角为 210230） 、双滚筒（包角达350）和多滚筒（用于大功率）等。有槽形托辊、平形托辊、调心托辊、缓冲托辊。槽形托辊（由 25 个辊子组成）支承承载分支，用以输送散粒物料；调心托辊用以调整带的横向位置，避免跑偏；缓冲托辊装在受料处，以减小物料对带的冲击。滚筒分驱动滚筒和改向滚筒。驱动滚筒是传递动力的主要部件。分单滚筒（胶带对滚筒的包角为 210230） 、双滚筒（包角达 350）和多滚筒（用于大功率）等。张紧装置其作用是使输送带达到必要的张力，以免在驱动滚筒上打滑，并使输送带在托辊间的挠度保证在规定范围内2.3 传感器的概况及控制系统所需信号、信号传感器国家标准 GB7665-87 对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成” 。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计（论文） 第 7 页满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。2.3.1 传感器的分类根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器二大类 。也可以分为1电阻式传感器电阻式传感器是将被测量，如位移、形变、力、加速度、湿度、温度等这些物理量转换式成电阻值这样的一种器件