【大学本科毕业设计】基于PLC的冶炼厂矿石供料系统----.doc

山东科技大学学士学位论文 摘要摘要传统的冶炼厂矿石供料控制系统是一种基于继电接触器和人工手动方式的半自动化系统。但随着冶炼厂规模的扩大，对矿石的需求量大大提高，传统的供料系统已无法满足冶炼厂的需要。本文在对传统供料控制系统进行了认真的分析与研究后，结合相关理论和技术，制定出一套由PLC为控制核心的皮带传输供料控制系统。为了实现供料系统的稳定运行，处理诸如皮带跑偏、打滑及撕裂等问题，在主电路中用传感器检测故障信号，软件中调用相应传感器检测到的故障信号处理子程序并执行处理。运用皮带运输线进行矿石供料大大提高了工作效率。在PLC中应用子程序的方式，不仅便于实现多种运行方式，而且大大提高了程序的可维护性和可靠性。经过实验室供料控制系统的仿真，表明了该供料控制系统运行的正确性、实用性。关键词：PLC、矿石供料系统、组态软件山东科技大学学士学位论文 ABSTRACTABSTRACTThe traditional ore feed system of metallurgical plant is a half-automation system based on relay connect and manual work. But along with the development in scale, the ore requirement of metallurgical plant increases greatly. The traditional ore transfer system cant meet the needs of these metallurgical plants any more.This paper worked out a suitable feeding system control program through serious analysis and research. In order to implement the optimal control of the feeding system, After sufficient consideration of the failure and the reliability factors and combining with related theory and technology, the paper proposed a belt feeding control system for the control of middle-little belt transmission. Ore transport lines using belt feed greatly increases the efficiency. Using the way of subroutine in the PLC not only facilitates the implement of manifold run-mode, but also enhances the programs maintainability and reliability. The feeding system running in laboratory demonstrates the correctness and practicability of the system.Keyword: PLC、ore feed system、supervision control and data cquisition.山东科技大学学士学位论文 目录目录第1章 绪论11.1课题的提出11.2矿石供料系统技术发展前景21.3本课题的主要研究内容21.4课题的意义3第2章 系统总体方案设计42.1 系统分析42.2 系统控制方案的确定8第3章 系统硬件设计113.1 系统主要设备选型113.2 系统主电路设计233.3 系统硬件配置及I/O接线图24第4章 系统软件设计294.1 PLC的通信协议简介294.2 PLC程序设计30第5章 监控系统设计385.1 组态王6.51简介385.2 监控系统的设计38结束语53参考文献54致谢55附录56附录A 英文文献56附录B 中文翻译61附录C程序梯形图67山东科技大学学士学位论文 绪论第1章 绪论皮带传输系统因其结构简单，使用方便，造价低廉，被广泛应用于工业、商业、农业、医药、军事等方面，在采矿运输、冶金送料、车站及码头的货物运输更是广泛使用，同样，冶炼厂的矿石供料控制系统也采用皮带传输。随着冶炼厂规模的逐渐扩大，矿石需求量逐渐提高，对冶炼厂供料系统的高效运输能力要求越来越高。本章对课题来源和国内外相关课题的研究动态进行了简单描述，介绍了论文的主要工作及各章内容安排。1.1课题的提出传统的冶炼厂矿石供料控制系统是一种基于继电接触器人工手动方式的半自动化系统。现场环境十分恶劣，对设备损伤较大，使得设备会经常出现一些故障，例如有皮带跑偏、打滑及撕裂等等。供料系统由于处在一个电网中，设备不能同时启动，必须有次序的启动和停止。如果供料系统在运行过程中某单体设备出现故障，则该设备及应按照顺序停止的设备同时停止，并给出故障指示信号供工人们能够准确的找出故障位置并排除故障，以减少供料系统设备维修时间。随着冶炼厂规模的迅速扩大，供料控制系统的作用日益突出，而传统的控制系统已无法满足冶炼厂的需要，因此需要对传统的冶炼厂供料系统进行改造。同时当今世界是一个信息技术高度发展的世界，信息贯穿社会的每个角落，现代化的工厂。建立全自动化的供料系统，不仅可以让工人从恶劣的环境中、繁重的劳动中解放出来。而且可以通过建立控制网络将相距较远的各输煤机架控制器相连，实现信息的相互传递，不仅保证了控制的时实性，可靠性，同时便于未来厂级或车间级的管理。传统供料系统具有以下特点:（1）任务重。为了保证工业用料，供料系统必须始终处于运行状态。（2）运行环境差、劳动强度大。由于各种因素造成供料系统运行环境恶劣、脏污，需要占用大量的辅助劳动力。（3）一次起动设备多，安全联锁要求高。同时起动的设备可高达2030台以上，在起动或停机过程中有严格的联锁要求。因此，冶炼生产应用自动化已经成为必然要求，其投入产出比显著，且逐渐成为冶炼工业现代化的标志。1.2矿石供料系统技术发展前景矿石供料系统是冶炼厂重要的矿石传输部分。其后工序是冶炼厂冶炼炉，这些工序的控制都涉及过程控制技术。随着科技的不断进步，电子技术的不断发展，过程控制技术经历了三四十年代单参数仪表控制、四五十年代的单元组合仪表综合参数仪表控制以及60年代兴起的计算机过程控制等几个阶段。尤其是近一二十年来，随着微处理器、计算机技术和过程自动化控制理论的飞速发展，可编程控制器（PLC）性价比大幅提高，并得到了很快的普及和提高。可编程控制器具有信息存储、逻辑判断、精确、快速和自动化程度高等特点。将计算机技术应用于工业控制系统，既可大幅度地提高劳动效率，改善劳动条件，提高热效率，节约能源，降低成本，又具有结构简单、性价比高、使用方便的优点。所以，PLC已成为工业自动化控制的有力工具，是工业自动化的发展方向。1.3本课题的主要研究内容本设计以矿石供料系统为控制对象，以PLC为核心并结合传感器等技术，设计一套冶炼厂矿石供料控制系统，并利用计算机对供料系统进行远程监控和管理保证整个系统运行可靠，安全节能，获得最佳的运行工况。该系统的设计目标是：(l) 对冶炼炉矿石供料控制系统进行总体设计，实现冶炼厂供料的稳定运行。(2) 通过对硬件配置的选型，使控制系统的性价比达到最佳。(3) 选择合适的检测元件和模拟量变送器，以使检测、控制更为准确。(4) 选择合适的电力传动装置，确保各执行元件正常动作。(5) 通过对整个系统工艺流程及控制要求的分析，编制该系统的控制程序，以实现供料器、皮带机、粉碎机、筛选机、冶炼炉的自动控制。(6)通过组态王进行监控完成人机操作、现场设备的工作模拟显示、报警等。根据各设备遵循先起后停的原则及控制要求，进行系统总体控制方案设计。硬件设备选型、PLC选型，估算所需I/O点数，进行I/O模块选型，绘制系统硬件连接图：包括系统硬件配置图、I/O连接图，分配I/O点数，列出I/O分配表，熟练使用相关软件，设计梯形图控制程序，对程序进行调试和修改并设计监控系统。1.4课题的意义冶炼厂矿石供料装置是炼铁生产中的重要环节，提高其自动化水平，可以大大减轻工人劳动强度，提高生产效率。采用传统的继电器控制方式可以实现对该装置的控制，但是体积大，故障率高，抗干扰能力差，控制不精确，使用寿命较短。采用现代PLC技术控制矿石供料装置，可以克服传统的继电控制系统的不足之处，使控制更精确，工作效率更高，可靠性更好，故障率更低。52山东科技大学学士学位论文 系统总体方案设计第2章 系统总体方案设计2.1 系统分析2.1.1 矿石供料系统的工艺应用及特点矿石供料系统是冶炼厂的重要组成部分，其作用就是从矿石仓输送到冶炼炉。由于将矿石输送到冶炼炉之间环节较多，人们从不同的工艺角度出发设计可以自行设计与实际需要相符合的供料系统。PLC供料系统是在由继电器控制的基础上发展起来的。由于供料系统的设备分散且与控制室相距较远，且整个矿石供料过程中，不可避免的矿石粉末飞扬，使得整个系统所处环境非常恶劣，这些都决定了必须提高矿石供料系统的自动化水平。又因为它具有可靠性好、成本较低、运行周期长、更改方案灵活、节能和便于自动化管理等特点。因此70年代已在欧洲大陆广泛使用。90年代以来，我国新建的大、中型冶炼厂差不多都采用了PLC控制矿石供料工艺。供料系统是冶炼厂冶炼工艺中的重要环节，而供料系统运行的稳定、可靠，是保证冶炼厂高效运行的关键。若通过合理的设计，使供料系统经常处于最优条件下工作，既可以延长工作周期，提高工业生产量，也可以节能和减少劳动力等。而采用PLC为核心控制系统的出现，从以下几方面改善了供料系统的输料性能： （1）增加了供料系统调整的灵活性。供料系统现场空间条件不完全相同，决定了传输线的结构各异，大多冶炼厂需要专门订制一套适合自己供料线的系统，PLC系统的设计、安装、调试简单，工作量小。（2）增加了供料系统的可靠性。供料系统所处现场一般条件较恶劣。PLC用软件替代大量的继电接触器，外部仅剩下与输入和输出有关的少数硬件元件，且PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，因此可用于供料这种有强烈干扰的工业生产现场。（3）减少了供料系统的经济开支。供料系统选用PLC作为控制系统的核心可以节省大量的费用。因为复杂控制系统使用PLC后，可以减少大量的继电接触器，故配线少了很多且开关柜体积的缩小都可以节省下大量费用。由于冶炼厂供料控制部分系统设计实际很复杂，包含各方面的很多控制和检测，故本系统并未对输料系统技术进行深入的研究与技术上的实现，而是在满足系统功能的前提下避免了系统设计的复杂性。2.1.2 矿石供料系统的组成供料控制系统一般由PLC、电气执行机构和上位机组成。电气执行机构负责控制的具体实施，它从PLC接收控制命令，然后相关的接触器接点闭合或断开，电路导通，设备获得动力继而进行动作。如果单体设备故障，操作人员可以通过控制面板来进行紧急停车，也可对设备进行手动停车操作。PLC是实现自动控制的核心，所有自动控制内容都通过对它的编程实现。矿石供料系统的控制与其它车间略有不同，它的设备较多且重复，通过对PLC的编程来实现诸多设备的控制使得电气接线简单许多，这是供料控制系统发展的一种趋势。本设计冶炼厂供料系统部分由4台皮带机、1台给料器、1台粉碎机、1台筛选机等，来完成给料、粉碎、筛选、冶炼炉的工艺流程。矿石供料系统的作用就是将矿石经给料器给料、粉碎、筛选后送到冶炼炉。由于其中的环节较多，所以不可能由一条皮带实现直接输送，应由多条皮带将各设备连接而成；同时供料系统是冶炼厂众多环节中的一个重要环节，矿石不经供料系统的运输，就不能到达冶炼炉的炉膛，就不能进行冶炼生产。可见，冶炼厂矿石的供料是十分重要的，因此供料系统必须稳定、可靠。为了提高系统的安全运行，采用传感技术及其它检测元件与PLC结合使用。该供料系统由四条供料皮带机和粉碎机、筛选机连接组成的。这四条机架的输料原理是完全一样的，都是机架上的皮带运输机。其中的筛选机包含一台可以正反转转动的电动机，它与称重传感器及三皮带共同完成矿石筛选，并将不符合要求的矿料重新送回粉碎机粉碎。国内矿石供料系统普遍采用皮带运输的方式，该方式结构简单、运输的长短便于调整、负荷便于分担、便于添加中间环节。供料生产线基本工艺可分为给料、粉碎、筛选等环节组成等几个相关过程。其中筛选过程又由称重传感器及可以正反转转动的电动机组成。为了保证供料系统的可靠性，即不能间断输料，实际的供料系统采用每一机架两条皮带运输矿石（见图2.1），当其中一条皮带运输机出现问题时，另一台运输机接替运行工作；或者由于运行时间条件或电动机过热条件，两运输机轮流运行工作，但在这里只研究其简单运行方式暂不考虑复杂方式。图2.1 矿石供料系统工艺过程简图2.1.3 供料系统工艺流程当检查好各设备正常情况后，按下启动按钮。供料器开始向一皮带供料，一皮带把矿石输送到粉碎机，粉碎机把矿石料粉碎后经二皮带输送到筛选机，之后筛选机开始工作（筛选机内含有称重传感器），当矿石重量比设定值大时，其控制翻板的电动机正转，将大块的矿石通过三皮带送回粉碎机重新加工粉碎，然后控制翻板的电动机反转复位，规格符合要求的矿料直接通过四皮带输送到冶炼炉。其工艺流程图如图2.2所示。给料器一皮带粉碎机三皮带四皮带筛选机二皮带冶炼炉图2.2 工艺流程图系统处于正常状态下，当接收到启动及停止信号时，其动作如图2.3所示。其停止过程则反之。图2.3 启动过程当某设备需要临时检修时按下手动停止按钮，该设备之前的设备按顺序停止后该设备停止。又当某设备出现意外紧急停车时，按下手动紧急停止按钮，此单体设备及其之前的设备同时紧急停止，并发出报警信号。在中控室设置组态监控系统，其主要功能是负责和现场的PLC通信，实时监测整个系统的运行情况，并记录数据以供分析。2.2 系统控制方案的确定2.2.1 控制方案总体结构的实现所谓供料系统的正常运行过程，就是指矿石通过给料器经皮带机、粉碎机及筛选机将矿石粉碎为标准规格，继而运输到冶炼炉的过程。现将矿石供料系统的基本工艺结构简图绘制如图2.4所示。图2.4 矿石供料系统工艺结构简图矿石供料系统分为：执行机构、信号检测机构、控制机构三大部分，具体为：(l) 执行机构：执行机构是由一组皮带机、给料器、粉碎机、筛选机组成，它们用于将矿料输送到冶炼炉，由多台电机组成，电机只运行于启、停，两种工作状态。(2) 信号检测机构：在系统控制过程中，需要检测的信号包括电机过流、过载信号、皮带机跑偏、打滑、断裂信号和矿料质量检测信号。矿料质量检测信号反映的是矿料一次性是否粉碎合格的信号，它是供料控制的主要反馈信号。另外，报警信号反映系统是否正常运行：电机是否过流、皮带是否正常。(3) 控制机构：供料控制系统一般安装在供料控制柜中，包括供料控制器(PLC系统)和电控设备两个部分。供料控制器是整个供料控制系统的核心。供料控制器直接对系统中的启动、停止、报警信号进行采集，对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过接触器对执行机构进行控制。作为一个控制系统，报警是必不可少的重要组成部分。由于本系统能适用于不同的矿石供料领域，所以为了保证系统安全、可靠、平稳的运行，防止生产线异常，系统必须要对各种报警量进行监测，由PLC判断报警类别，进行保护动作控制，以免造成不必要的损失。根据本供料系统的结构，考虑到自动控制方式的先进性，稳定性，可靠性和连续不停运行的特点，提出如下自控方案:(1)为该供料系统配置一台PLC，分别控制这个系统在正常输料状态和出现意外状态下的运行。(2)为该 PLC编制运行程序，以保证每个单体设备按生产工艺的要求自动运行。(3)选取相关传感器与PLC连接，实时监测各设备是否正常运行。当出现意外情况时，通过传感器发出的信号与PLC共同使设备按顺序停车。(4)每个单体设备均可在2种状态下进行：1、由PLC控制正常运行2、出现意外时手动停车。(5)供料系统的控制操作和组态监控:使用一台PC机作为上位机，配有专为用户开发的监控软件。用户可以在PC机上控制供料系统以及监测系统的运行情况。2.2.2 矿石供料系统控制流程矿石供料系统控制流程如下:(l) 系统通电，当按下自动顺序启动按钮后，首先启动冶炼炉，当达到PLC定时器所设置的延时时间时，四皮带开始工作，这期间冶炼炉一直处于运行状态，同理下去，直至给料器上电工作，到此整个系统启动完成。(2) 给料器将矿料输出，后续设备依次负载运行，各检测器件将检测信号传送到PLC，由其进行逻辑运算并通过输出口输出对设备的执行信号。(3)系统处于自动运行状态时，若传感器检测到的信号超出安全设定值时，系统会发出报警信号并依次停车。如：给料器发生故障，直接停止给料器；粉碎机故障，停止给料器、一皮带、粉碎机；二皮带故障，停止给料器、一皮带、粉碎机、二皮带，其后类推。(4)系统处于手动状态时，若某设备发生意外情况，手动停车并将该设备的允许信号置0，此单体设备之前应该停止的设备同时停止。山东科技大学学士学位论文 系统硬件设计第3章 系统硬件设计3.1 系统主要设备选型根据对矿石供料控制系统的分析，画出系统电气控制总框图，如图3.1所示：图3.1 系统的电气控制总框图根据对该供料系统工艺分析，确定该系统的主要硬件设备包括以下几部分：PLC及其扩展模块、皮带机、电动机、电机过流检测元件、称重传感器、皮带跑偏检测元件、皮带机打滑检测装置、皮带机撕裂检测元件。主要设备选型如表3.1。表3.1 主要设备选型表3.1.1 PLC简介可编程控制器，简称PLC(Programmable logic Controller)，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会(International Electrical Committee)颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义:“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。”PLC的基本组成可归为四大部件:中央处理单元(CPU板)控制器的核心；输入部件(1/0部件)连接现场设备与CPU之间；输出部件连接驱动或受控元件的接口电路；电源部件为PLC内部电路提供能源；整体结构的PLC四部分装在同一机壳内；模块式结构的PLC各部件独立封装，称为模块，通过机架和总线连接而成。I/O的能力可按用户需要进行扩展和组合，另外，还必须有编程器将用户程序写进规定的存储器内。PLC组成框图如图3.2所示。受控元件驱动接收现场信号输入接口部件中央处理单元CPU（板）电源部件输出接口部件按钮继电器触点、行程开关等接触器、电磁阀、指示灯等 图3.2 PLC的组成框图用PLC设计的控制系统具有如下的优点：(1)能适应工业现场的恶劣环境，能抗电磁干扰与电压冲击。(2)简单，易于使用，不必要求微机软硬件方面的知识，编程不需要高级语言。(3)可靠性高，平均故障间隔时间(MTBF)超过20000小时，罗克韦尔公司的产品MTBF达到50000小时。(4)编程或修改程序容易，程序可以保存和固化。(5)体积小，价格低。(6)可直接将数据送入处理器中，可直接连接到现场。(7)可在基本系统上扩展，系统容易配置，与负载最远距离可达10000英尺，内存可以扩展。(8)有很强的通讯功能，可与多种支持设备连接。(9)系统化，有标准外围接口模块。(10)系统在一种现场不需要时，仍可改在另一现场使用等一系列优点。PLC的一个扫描周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。(1)PLC在输入采样阶段首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入，随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。(2)PLC在程序执行阶段按用户程序指令存放的先后顺序扫描并执行每条指令，经相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。(3)输出刷新阶段当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式(继电器、晶体管或晶闸管)输出，驱动相应输出设备工作。本设计系统PLC采用的是梯形图编程语言。梯形图在形式上类似于继电器控制电路图，它简单，直观，易读，好懂，是PLC中普遍采用的一种编程方式。梯形图中沿用了继电器线路的一些图形符号，这些图形符号被称为编程元件，每一个编程元件对应有一个编号。不同厂家的PLC，其编程元件的多少及编号方法不尽相同，但是基本的元件及功能很相近。梯形图有如下特点：(1)梯形图按自上而下、从左到右的顺序排列。每一个继电器为一个逻辑行，称为一个梯形。每一个逻辑行起始于左母线，然后是触点的各种联接，最后是线圈，整个图形呈梯形。(2)梯形图中的继电器不是继电器控制电路中的物理继电器，它实质上是变量存储器中的位触发器，因此称为软继电器，相应的某位触发器为真态，表示该继电器通电，其常开触点闭合，常闭触点打开。梯形图中的继电器的线圈的定义是广义的，除了输出继电器、内部继电器以外，还包括定时器、计数器等。(3)梯形图中，一般情况下某个编号的继电器线圈只能出现一次，而继电器的触点是可以被无限制的引用，既可是常开触点也可以是常闭触点。(4)梯形图是PLC形象化的编程方式，其左右两侧的母线不接任何电源，因而图中各个支路也没有真实的电流通过，但是为了方便，常用有电流来形象的描述输出线圈的动作条件。所以仅仅是概念上的电流，而且认为它只能从左向右流动，层次的改变只能是先上后下。PLC的工作过程基本上是用户的梯形图程序的执行过程，是在系统软件的控制下顺次扫描各输入点的状态，按用户程序解算控制逻辑，然后顺序向各个输出点发出相应的控制信号。除此之外，为提高工作的可靠性和及时的接收外来的控制命令，每个扫描周期还要进行故障自诊断和处理与编程器、计算机的通信请求。因此，PLC工作过程分为以下五步：(1)自诊断自诊断功能可使PLC系统防患于未然，而在发生故障时能尽快的修复，为此PLC每次扫描用户程序以前都对CPU、存储器、输入输出模块等进行故障诊断，若自诊断正常便继续进行扫描，而一旦发现故障或异常现象则转入处理程序，保留现行工作状态，关闭全部输出，然后停机并显示出错的信息。(2)与外设通信自诊断正常后PLC即扫描编程器、上位机等通信接口，如有通信请求便响应处理。在与编程器通信过程中，编程器把指令和修改参数发送给主机，主机把要显示的状态、数据、错误码进行相应指示，编程器还可以向主机发送运行、停止、清内存等监控命令。在与上位机通信过程中PLC将接收上位机发出的指令进行相应的操作，把现场工作状态、PLC的内部工作状态、各种数值参数发送给上位机以及执行启动、停机、修改参数等命令。(3)输入现场状态完成前两步工作后PLC便扫描各个输入点，读入各点的状态和数据，如开关的通断状态、形成现场的内存映象。这一过程也称为输入采样或输出刷新，在一个扫描周期内内存映象的内容不变，即使外部实际开关状态己经发生了变化也只能在下一个扫描过程中的输入采样时刷新，解算用户逻辑所用的输入值是该输入值的内存映象值而不是当时现场的实际值。(4)解算用户逻辑即执行用户程序。一般是从用户出现存储器的最低地址存放的第一条程序开始，在无跳转的情况下按存储器地址的递增方向顺序的扫描用户程序，按用户程序进行逻辑判断和算术运算，因此称之为解算用户逻辑。解算过程中所用的计数器、定时器，内部继电器等编程元件为相应存储单元的即时值，而输入继电器，输出继电器则用的是内存映象值。在一个扫描周期内，某个输入信号的状态不管外部实际情况是否己经变化，对整个用户程序是一致的，不会造成结果混乱。(5)输出结果将本次的扫描过程中解算最新结果送到输出模块取代前一次扫描解算的结果，也称为输出刷新。解算用户逻辑到用户程序为止，每一步所得到的输出信号被存入输出信号寄存表并未发送到输出模块，相当于输出信号被输出门阻隔，待全部解算完成后打开输出门一并输出，所用输出信号由输出状态表送到输出模块，其相应开关动作。驱动用户输出设备即PLC的实际输出。在依次完成上述五个步骤操作后PLC又开始进行下一次扫描。如此不断的反复循环扫描，实现对全过程及设备的连续控制，直至接收到停止命令、停电、或出现故障。3.1.2 PLC及其扩展模块的选型PLC是整个供料控制系统的核心，它要完成对系统中所有输入信号的采集、所有输出单元的控制以及对外的数据交换。因此我们在选择PLC时，要考虑PLC的指令执行速度、指令丰富程度、内存空间、通讯接口及协议、带扩展模块的能力和编程软件的方便与否等多方面因素。由于本设计矿石供料自动控制系统控制设备相对较少，因此选用德国SIEMENS公司的S7-200型PLC。S7-200型PLC的结构紧凑，价格低廉，具有较高的性价比，广泛适用于一些小型控制系统。SIEMENS公司的PLC具有可靠性高，可扩展性好，又有较丰富的通信指令，且通信协议简单等优点；PLC可以上接工控计算机，对自动控制系统进行监测控制。PLC和上位机的通信采用PC/PPI电缆，支持点对点接口(PPI)协议，PC/PPI电缆可以方便实现PLC的通信接口RS485到PC机的通信接口RS232的转换，用户程序有三级口令保护，可以对程序实施安全保护。根据控制系统实际所需端子数目，及考虑PLC端子数目要有一定的预留量，因此选用S7-200型PLC的主模块为CPU226，其开关量输出为16点，输出形式为AC220V继电器输出；开关量输入CPU226为16点，输入形式为+24V直流输入。由于实际中需要模拟量输入点1个，模拟量输出点1个，所以需要扩展，扩展模块选择的是EM235，该模块有4个模拟输入(AIW)，1个模拟输出(AQW)信号通道。输入输出信号接入端口时能够自动完成A/D的转换，标准输入信号能够转换成一个字长(16bit)的数字信号；输出信号接出端口时能够自动完成D/A的转换，一个字长(16bit)的数字信号能够转换成标准输出信号。EM235模块可以针对不同的标准输入信号，通过DIP开关进行设置。3.1.3 皮带机的选型皮带机型号选择正确与否是供料系统中相当重要的一个环节，如果选择的型号过小则会因负荷过大而将电机烧毁或造成皮带的断裂，而如果选择的型号过大，不能完全发挥其负荷能力，造成电能和设备的经费浪费。皮带机的选型基本原则：根据该冶炼厂年消耗矿石量及其输送距离远近进行大体的选型及考虑每小时皮带机需要输送多少吨矿料，根据各滚筒相互之间受力比例关系算出皮带所承受的张力，据此选出皮带机的型号。本设计中选用DSJ1200/3355型皮带机。3.1.4 电动机的选型电动机选型基本原则，一是要确保平稳运行；二是要确保其负载能力能满足现场需要，以达到较好的节能效果。所选用的电动机必须与系统输料量的变化幅度相匹配。则首先要了解工业现场输料量，然后根据输料量来确定电动机的机械负载能力，根据机械负载能力额定容量、额定转速、额定电压等来选择电动机的型号。要为某一生产机械选配一台电动机，首先要合理选择电动机的功率。通常根据生产机械负载的需要来选择电动机的功率，同时，还要考虑负载的工作制问题，也就是说，所选的电动机应适应机械负载的连续、短时或间断周期工作性质。功率选用时不能太大，也不能太小。选小了，保证不了电动机和生产机械的正常工作；选大了，虽然能保证正常运行，但是不经济，电动机容量不能被充分利用，而且电动机经常不能满载运行，使得效率和功率因数不高。其次，根据电源电压条件，要求所选用的电动机的额定电压与频率同供电电源电压与频率相符合。电动机的转速一定要按生产机械铭牌上的要求选择，否则可能改变生产机械的性能。此外，电动机的结构、防护、冷却和安装形式，应适应使用环境条件的要求，并且要力求安装、调试、检修方便，以保证电机能安全可靠的运行。由于设备处于众多矿料环境中，应选用防爆电动机，因此本设计中筛选机中用于带动翻板的电机选用功率为75KW的北京高压电机厂生产的YB2防爆电动机。3.1.5 电机过流检测元件的选型开始考虑的是电流互感器。电流互感器的工作原理，在测量交变电流大电流时，为了能够安全测量，在火线（或接地线）上串联一个变压器（接在变压器的输入端），这个变压器的输出端接入电流表，由于输入线圈的匝数小于输出线圈的匝数，因此输出电流小于输入电流（这时的输出电压大于输入电压，但是由于变压器是串联在电路中，所以输入电压很小，输出电压也不大），电流互感器就是升压（降流）变压器。其输出的信号为模拟电信号。SMD系列数字型电流传感器（电流互感器），能在电隔离的条件下测量电流，并在达到额定电流时输出开关量的驱动信号。可直接连接PLC等控制部件，特别适合于功率器件和电路系统的过流、短路保护、电流检测等，响应速度极快，性能卓越。经过比较发现电流互感器输出的信号为模拟量，不能直接驱动PLC，不免有些麻烦，因此本设计中选用可以直接驱动PLC的SMD系列数字开关型电流传感器（电流互感器）。3.1.6 称重传感器的选型称重传感器实际上是一种将质量信号转变为可测量的电信号输出的装置。称重传感器按转换方法分为光电式、液压式、电磁力式、电容式、磁极变形式、振动式、陀螺仪式、电阻应变式等8类。 其中，电磁力式传感器准确度高，可达1/20001/60000，但称量范围仅在几十毫克至10千克之间。 磁极变形式传感器的准确度不高，一般为1/100，适用于大吨位称量工作，称量范围为几十至几万千克。振动式传感器有振弦式和音叉式两种。 称量范围为100克至几百千克，但结构复杂，加工难度大，造价高。电阻应变式传感器的称量范围为300g至数千kg，计量准确度达1/10001/10000，结构较简单，可靠性较好，大部分电子衡器均使用此传感器。电阻应变式传感器利用电阻应变片变形时其电阻也随之改变的原理工作。主要由弹性元件、电阻应变片、测量电路和传输电缆4部分组成。电阻应变片贴在弹性元件上，弹性元件受力变形时，其上的应变片随之变形，并导致电阻改变。测量电路测出应变片电阻的变化并变换为与外力大小成比例的电信号输出。电信号经处理后以数字形式显示出被测物的质量。根据实际现场要求及经济方面综合分析，这里选用电阻应变式传感器。 3.1.7 皮带跑偏检测元件的选型皮带运输机运行时皮带跑偏是最常见的故障，皮带跑偏轻则造成撤料、皮带磨损，重则由于皮带与机架剧烈摩擦引起皮带软化、烧焦甚至引起火灾，造成整个生产线停产，因而，正确地处理好皮带跑偏关系到整个生产系统的正常运转。这里考虑选用光电式传感器，光电式传感器在受到可见光照射后即产生光电效应，将光信号转换成电信号输出。它除能测量光强之外，还能利用光线的透射、遮挡、反射、干涉等测量多种物理量，如尺寸、位移、速度、温度等，因而是一种应用极广泛的重要敏感器件。它是光照射到某些物质上，使该物质的电特性发生变化的一种物理现象。其基于外光电效应的光电敏感器件有光电管和光电倍增管。基于光电导效应的有光敏电阻。基于势垒效应的有光电二极管和光电三极管(见半导体光敏元件)。基于侧向光电效应的有反转光敏二极管。光电式传感器还可按信号形式分为模拟式光电传感器(见位移传感器)和数字式光电传感器（见转速传感器、光栅式传感器、数字式传感器）。光电式传感器还有光纤传感器、固体图像传感器等。因为矿石供料系统工作现场条件恶劣，环境不适合高精度元件工作，所以本设计选用常见的光电二极管。光电二极管是将光信号变成电信号的半导体器件。它的核心部分也是一个PN结，和普通二极管相比，在结构上不同的是，为了便于接受入射光照，PN结面积尽量做的大一些，电极面积尽量小些，而且PN结的结深很浅，一般小于1微米。光电二极管是在反向电压作用之下工作的。没有光照时，反向电流很小（一般小于0.1微安），称为暗电流。当有光照时，携带能量的光子进入PN结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子-空穴对，称为光生载流子。 它们在反向电压作用下参加漂移运动，使反向电流明显变大，光的强度越大，反向电流也越大。这种特性称为“光电导”。光电二极管在一般照度的光线照射下，所产生的电流叫光电流。如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化。3.1.8 皮带机打滑检测元件的选型皮带打滑是由于皮带在与主动滚筒相遇点上的实际张力大于皮带两端张力的极限值而产生的。此时皮带运输机电机输出转矩降低。皮带过负荷故障是由于皮带装载矿石量过大对托滚的正压力N增加，托滚轴上的磨擦阻力T=fN(f为磨擦系数)增加，使得皮带牵引力F小于摩擦阻力T，电机输出转矩增加。因此，为时刻检测皮带机是否发生打滑情况，现想出两种方法：一、用两个速度传感器分别检测电机和皮带的速度，经比较如果不一致则可认为皮带打滑，但这为软件编程带来一定的难度，且不方便。二、直接用转矩传感器检测皮带是否打滑，其原理是利用扭轴把转矩转换成扭应力或扭转角，再转换成与转矩成一定关系的电信号的传感器。扭轴的形式有实心轴、空心轴、矩形轴等。按照作用原理不同，扭应力式转矩传感器可分为电阻应变式和压磁式两种；扭转角式转矩传感器可分为振弦式、光电式和相位差式三种。本设计选用GSC200智能型速度传感器，其主要用于对煤矿井下胶带运输机因堆煤而引起的皮带打滑对皮带机的从动轮进行监控，转速分别分为1、2、3转/秒三个档,供现场整定用, 正常时，速度传感器输出端“速度”输出高电平，当从动轮的速度低于整定值25%时,经过1015秒延时,GSC200型速度传感器输出端“速度”输出低电平,通过主机自动切断皮带机电源,实现低速保护。GSC200型速度传感器为全封闭结构，有三个接线端子供与主机配接用。3.1.9 皮带机撕裂元件的选型在运输线上，物料从溜槽落下，其锋利部分往往扎透皮带，当运输线继续运行时，皮带从扎透处沿纵向依次被撕裂，成为引起大事故的原因。等到皮带损伤到不能修理的程度，就得换皮带，使运输线不得不停运，造成很大损失。那么如何来检测皮带纵向撕裂事故，避免更大事故以及停产的发生呢？目前主要使采用纵向撕裂探测器来检测。纵向撕裂检测器采用拦索式方法，拦索通过滑板与开关连接，使开关随着拦索的牵移而输出停机信号。本设计选用成都市地坤机械设计研究所生产的2501系列纵向撕裂检测器。它主要用于检测各种规格型号的带式输送机胶带纵向撕裂（恶性事故），当胶带发生纵向撕裂时能及时发出停机信号以防止撕裂事故扩大化，给用户造成严重损失。2501-L-Y型：（无控制箱）由n个传感器组成，（n=m-1；m为缓冲托辊数），每个受料段设一组；从传感器内直接输出停机信号。撕裂传感器应安装在受料段胶带下缓冲托辊之间，控制箱应就近安装在附近机架上;调整滑板和索杆使拦索距胶带下表面20-30mm，再调整调线器使拦索张紧，且开关也处于动作状态即可。新安装的撕裂传感器应每隔5日按上述方法重新调整24次以消除因拦索伸缩而引起误差。3.2 系统主电路设计基于PLC的矿石供料系统的主电路图如图3.3所示：八台电机分别为M1、M2、M3M8，它们分别带动给料器、一皮带、粉碎机、二皮带、筛选机、三皮带、四皮带、冶炼炉。接触器KM1、KM2、KM3KM8分别控制M1、M2、M3M8的得电运行； FR1、FR2、FR3FR8分别为八台电机过载保护用的热继电器；QS为八台电机主电路的隔离开关；FU为主电路的熔断器。接通三相电源后，三相电经低压熔断器FU、隔离开关QS。当供料系统按下启动按钮后，KM1得电，电机M1开始运行，经PLC的定时器延时一段时间后，KM2得电，电机M2运行，其后类推。这里的KM1、KM2、KM3KM8绝对不能同时动作，相互之间必须设计可靠的互锁，此互锁在软件中实现。为监控电机负载运行情况，主回路的电流大小可以通过电流互感器将数字开关量信号送至PLC来处理。同时可以通过转换开关接电压表显示线电压。并通过转换开关利用同一个电压表显示不同相之间的线电压。初始运行时，必须观察电动机的转向，使之符合要求。如果转向相反，则可以改变电源的相序来获得正确的转向。系统启动、运行和停止的操作不能直接断开主电路(如直接使熔断器或隔离开关断开)，必须采用自耦变压器降压启动或软启动的方式以降低电流。图3.3 矿石供料系统主电路图3.3 系统硬件配置及I/O接线图根据以上硬件的选型我们可以知道，上位机通过PLC自带的RS-232串口与之通信，并可以对PLC的工作状况进行监控。PLC的CPU模块负责PLC的数据处理和通信，用于实现对矿石供料系统的自动控制，要完成以下功能：可自动控制给料器、粉碎机、筛选机、皮带机及冶炼炉的顺序启停；对各单体设备的操作要有手动/自动控制功能，手动只在应急或检修时临时使用；系统要有完善的报警功能并能显示运行状况。其硬件配置如图3.4所示。图3.4 PLC及扩展模块外围接线图控制系统的输入信号的名称、代码及地址编号如表3.2所示。表3.2 输入点代码及地址编号控制系统的输出信号的名称、代码及地址编号如表3.3所示表3.3输出点代码及地址编号山东科技大学学士学位论文 系统软件设计第4章 系统软件设计4.1 PLC的通信协议简介PLC的通信协议包括PLC之间、PLC与上位计算机之间，以及PLC与其他智能设备之间的通信。PLC与计算机可以直接或通过通信处理器、通信连接器相连构成网络，以实现信息的交换，可以构成“集中管理，分散控制”的分布式控制系统，满足工厂自动化系统发展的需要，各PLC或远程I/O模块按功能各自放置在生产现场进行分散控制，然后用网络连接起来，构成集中管理的分布式网络系统。S7-200支持多种通信协议。点对点接口（PPI）、多点接口（MPI）和PRO-FIBUS协议基于7层开放系统互联模型（OSI），通过一个令牌环网来实现。它们都是基于字符的一部通信协议，带有起始位、8位数据、奇偶校验位和一个停止位。通信帧由起始字符和结束字符、源和目的站地址、帧长度和数据完整性校验和组成。只要波特率相同，3个协议可以在一个RS-485网络中同时运行，不会相互干扰。在设计中用到的是点对点接口（PPI）协议，PPI协议简介如下：通过硬件和软件侦听的方法，分析PLC内部固有的PPI通讯协议，然后采用上位机编程，遵循PPI通讯协议，读写PLC数据，实现人机操作任务。这种通讯方法，与一般的自由通讯协议相比，省略了PLC的通讯程序编写，只需编写上位机的通讯程序资源S7-226的编程口物理层为RS-485结构，SIEMENS提供MicroWin软件，采用的是PPI(PointtoPoint)协议，可以用来传输、调试PLC程序。在现场应用中，当需要PLC与上位机通讯时，较多的使用自定义协议与上位机通讯。在这种通讯方式中，需要编程者首先定义自己的自由通讯格式，在PLC中编写代码，利用中断方式控制通讯端口的数据收发。采用这种方式，PLC编程调试较为烦琐，占用PLC的软件中断和代码资源，而且当PLC的通讯口定义为自由通讯口时，PLC的编程软件无法对PLC进行监控，给PLC程序调试带来不便。SIEMENSS7-200PLC的编程通讯接口，内部固化的通讯协议为PPI协议，如果上位机遵循PPI协议来读写PLC，就可以省略编写PLC的通讯代码。在PLC的编程软件读写PLC数据时，利用第三个串口侦听PLC的通讯数据，或者利用软件方法，截取已经打开且正在通讯的端口的数据，然后归纳总结，解析出PPI协议的数据读写报文。这样，上位机遵循PPI协议，就可以便利的读写PLC内部的数据，实现上位机的人机操作功能。西门子的PPI（PointtoPoint）通讯协议采用主从式的通讯方式，一次读写操作的步骤包括：首先上位机发出读写命令，PLC作出接收正确的响应，上位机接到此响应则发出确认申请命令，PLC则完成正确的读写响应，回应给上位机数据。这样收发两次数据，完成一次数据的读写。4.2 PLC程序设计PLC控制程序采用SIEMENS公司提供的STEP 7-MicroWIN-V4.0编程软件开发。该软件的SIMATIC指令集包含三种语言，即语句表(STL)语言、梯形图(LAD)语言、功能块图(FWD)语言。语句表(STL)语言类似于计算机的汇编语言，特别适合于来自计算机领域的工程人员，它使用指令助记符创建用户程序，属于面向机器硬件的语言。梯形图(LAD)语言最接近于继电器接触器控制系统中的电气控制原理图，是应用最多的一种编程语言，与计算机语言相比，梯形图可以看作是PLC