1、-. z.畢 業 設 計說明書題目：PLC的皮帶集中控制系統設計：莫軍編號：字號中 國 礦 業 大 學二0 年 月 日中國礦業大學畢業設計任務書機械電子工程專業 14年級2016年 4 月 15日批準 專業負責人：艷艷發放經手人：王新1畢業設計題目：PLC的皮帶集中控制系統設計2學生完成全部任務期限： 2013 年 6 月 20 日3任務要求：1 了解煤礦皮帶運輸系統運行工藝；2 針對*一煤礦皮帶運輸的實際情況，設計一種基于PLC的皮帶集中控制系統；3 用AUTOCAD繪制系統的相關圖紙；4 用PLC語言編制控制系統軟件4發出日期：2013年4 月15日指 導 教 師：同岡簽名學生：莫軍簽名中

2、國礦業大學學生畢業設計進程表學生：新利 *:專業年級：1電一體化一班 指導教師: 王建 論文設計題目：PLC的皮帶集中控制系統設計序號日期工作安排要求12013.4上旬提出畢業設計的初步設想符合實際22013.4上旬搜集、整理與畢業設計或論文有關的資料明確任務，初步理清思路32013.5上旬畢業設計初期框架構建思路清晰，層次清楚42013.5中旬畢業設計撰寫作品設計按要求和規認真撰寫52013.5下旬向指導教師報送畢業設計初稿或作品準時62013.6中旬指導教師批閱和修改畢業設計初稿72013.6下旬按教師要求完成畢業設計最終稿，裝訂成冊按要求完成82013.7畢業辯論做好準備9濱州職業學院畢

3、業設計中期檢查登記表學生：新利 *：專業年級：10機電一體化一班指導教師： 王建 畢業設計題目：PLC的皮帶集中控制系統設序號日期指導、檢查容學生簽名1新利2新利3新利4新利5新利6新利7新利8新利9新利10新利注：日期和指導、檢查容由指導教師填寫。摘 要煤礦的運輸系統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可靠平安運行，對帶式輸送機進展集中監視和控制很必要。本文以*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，提高了運輸系統的監測和控制水平。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的構造和應具有的控制功能，參數的檢測和

4、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。在此根底上采用SIEMENS的S7-300系列PLC對系統進展硬件和軟件設計，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； 集中控制系統目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc4855308261 緒論7HYPERLINK l _Toc4855308271.1 概述7HYPERLINK l _Toc4855308281.2 膠帶輸送機集中控制系統7HYPERLINK l _Toc4855308291.2.1

5、膠帶輸送機集中控制系統的重要性7HYPERLINK l _Toc4855308301.2.2 集中控制系統的開展及存在的問題8HYPERLINK l _Toc4855308311.3 本課題研究的主要容9HYPERLINK l _Toc4855308322 膠帶機集中控制系統的總體設計10HYPERLINK l _Toc4855308332.1 課題背景介紹10HYPERLINK l _Toc4855308342.2 膠帶輸送機集中控制系統的功能設計11HYPERLINK l _Toc4855308352.3 膠帶輸送機集中控制系統構造設計12HYPERLINK l _Toc485530836

6、2.4膠帶輸送機集中控制系統設備構成14HYPERLINK l _Toc4855308372.4.1 膠帶輸送機14HYPERLINK l _Toc4855308392.4.2 PLC簡述15HYPERLINK l _Toc4855308402.4.3人機界面HMI19HYPERLINK l _Toc4855308413 膠帶輸送機集控系統硬件設計21HYPERLINK l _Toc4855308423.1 SIMATIC S7-300 PLC簡介21HYPERLINK l _Toc4855308433.1.1 SIMATIC S7-300 PLC簡介21HYPERLINK l _Toc485

7、5308443.1.2 模塊安裝23HYPERLINK l _Toc4855308453.2 集控系統PLC的設計23HYPERLINK l _Toc4855308463.2.1 CPU的選擇23HYPERLINK l _Toc485530847數字量模塊選擇26HYPERLINK l _Toc4855308514 膠帶集中控制系統軟件設計30HYPERLINK l _Toc4855308524.1 集中控制的流程圖30HYPERLINK l _Toc4855308534.2 系統軟件實現31HYPERLINK l _Toc4855308544.2.1 控制方式選擇31HYPERLINK l

8、_Toc4855308554.2.2 模擬量的處理33HYPERLINK l _Toc4855308595總結34HYPERLINK l _Toc485530860參考文獻:36HYPERLINK l _Toc485530865致371 緒論1.1 概述煤炭運輸是煤炭生產過程中不可缺少的一局部。礦井中，運輸線路比擬長，巷道條件多種多樣，運輸假設不通暢，采掘工作或是其它的工作都無法進展，整個煤炭生產系統將處于癱瘓狀態。礦井運輸機械的類型很多，按運行方式不同，可分為連續運行和往返運行兩種。連續運行式運輸設備的特點是，一經開動就不需操作而連續運行。普通膠帶機、鋼繩芯膠帶輸送機、鋼繩牽引膠帶輸送機等均

9、屬于此類運輸設備。往返運行式運輸設備的特點是，在運行區間，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等屬于此類運輸設備。隨著科學技術的不斷開展，礦井生產規模的不斷擴大，運輸系統也經歷了不斷的變革和進步，并以煤流運輸的連續化輸送機化，設備大型化使用長運距、大運營、高運速、大功率輸送機、自動化、高可靠性與平安性能來保證礦井的連續、高效生產。礦井膠帶運輸系統，是由多條膠帶搭接或由煤倉形成的煤流運輸系統，因此它部的根本運輸單元就是單臺膠帶機。膠帶輸送機是選煤廣的主要運輸設備，它可用于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圍大、運輸距離長、貨載和輸送機間沒

10、有相對運動、運轉時阻力小等，因而具有適應性強、工作平穩可靠、動力消耗小、機件磨損小、使用維修方便等優點，在選煤廠中得到廣泛應用。1.2 膠帶輸送機集中控制系統1.2.1 膠帶輸送機集中控制系統的重要性礦井膠帶運輸系統是原煤運輸的唯一途徑，是礦井生產的重要環節，因此它的平安高效運行受到很大程度的重視。由于礦井膠帶運輸系統分布廣、信息分散以及控制要求高的特點，隨著礦井生產規模的不斷擴大，以及技術水平的不斷提高，現代化礦井也需要現代化的管理，因此對膠帶運輸系統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

11、制方式是直接操作輸送機的控制開關，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和技術素質不等常有以外事故發生，影響生產的正常進展。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，在控制室集中操縱機構，由一名司機來完成操作。這不但節省了大量的司機人員，也為及時發現故障，縮短停產時間和綜合自動化創造了條件。目前，已經成為礦井膠帶運輸的主要控制方式。1.2.2 集中控制系統的開展及存在的問題在煤礦中，煤流的運輸一般在幾百米到十幾公里之間，因此它的運輸系統要有多臺膠帶輸送機、給煤機、煤倉等構成，協調配合完成長距離運輸任務。為保證運輸系統的平安可靠，提高

12、運輸效率，對其進展完善的管理和監控是現代礦井煤流運輸迫切需要的一項技術。隨著礦井功能和規模的不斷擴大，計算機技術、網絡技術、新的工業控制器技術等新技術的應用，對膠帶輸送機的集中控制系統也得到了飛速開展。從單臺控制系統到多臺的集中控制系統，有價格相對較貴的PLC構成的系統和低廉的單片機應用系統。目前，雖然市場上有著各式各樣方案構成的集控系統，但開展的方向是一致的，那就是朝自動化、智能化、信息化的方向開展。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局部。目前對膠帶輸送機集中控制系統存在的主要問題有：(1)在平安保護方面，為提高膠帶輸送機運行的可靠性，平安性，減少故障，提高效率，多種檢測

13、方法已應用于電動機、液力偶合器、減速器和膠帶運行系統故障檢測，但是這些系統是相互獨立的。(2)故障檢測系統誤報率高。誤報將造成膠帶輸送機不應有的停機，使全礦井停產，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其他控制系統共享，不能與整個礦井信息系統的集成。視頻監視系統不規，沒有語音通訊功能，不能實現無人值守。1.3 本課題研究的主要容礦井生產自動化已經成為一種趨勢，如何更好的實現礦井運輸系統的集中平安控制管理是現在迫切解決的問題。而皮帶機集中控制系統可實現對整個皮帶機運輸系統的遙測、遙信、遙控，提高生產效率、降低事故率，減少故障處理時間、減少現場操作人員、提高經

14、濟效益。本論文正是以此為目的，以*哈密煤礦主斜井與地面膠帶輸送機為背景，設計一種基于PLC的運輸皮帶和給煤機的集中控制系統。本次設計主要容如下：(1)對膠帶運輸控制系統概述。(2)以煤礦主斜井與地面膠帶輸送機為背景，概述膠帶輸送機集中控制系統的功能，設計其系統構造，討論要監控的故障對象、傳感器配置及對故障的處理措施。 (3)膠帶集控系統的硬件設計，進展S7-300 PLC模塊選型和外部連線設計。為了使集控系統更加完善，實現控制的可觀化、清晰化，參加了觸摸屏設計。它可以實時顯示系統的運行情況和各種故障情況，進展及時的報警顯示和記錄。(4)進展系統的軟件設計，實現系統功能。2 膠帶機集中控制系統的

15、總體設計2.1 課題背景介紹一般中型煤礦，采用帶式運輸機作為主要運輸方式，其主運輸系統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。圖2.1 運輸工藝流程圖如下圖，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，振動篩為雙層的，經篩分后分成大塊煤、中塊煤和末煤三種。大塊煤經大塊

16、皮帶到大塊煤倉，中塊煤經中塊皮帶運到中塊煤倉，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和故障狀態集、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展現場的就地啟?？刂啤ＦО茨婷毫鲉?，順煤流停車

17、。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；停頓順序與此相反。每一條皮帶安排一人專門負責巡視，勞動量大、效率低。2.2 膠帶輸送機集中控制系統的功能設計本膠帶輸送機集中控制系統具有的功能如下所述：1) 本系統有集控、就地、檢修三種工作模式。一般系統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/停頓膠帶機，但所有保護設備均投入使用；運行檢修工作模式時，操作員手動啟動/停頓膠帶，保護設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。工作方式的改變，

18、只有在膠帶輸送機不轉時進展，膠帶輸送機運作時，不能改變其工作方式；2)程序設計中，報警停車等故障信號自動保持，即一旦發出故障信號，即使經維修后信號消失，計算機仍保存信號故障狀態，這時復位指令可以去除故障保持信號；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；4)系統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生后的動作情況：a.拉線開關：信號發出后馬上發出急停指令，系統可以識別哪個急停開關動作，發出拉線開關聲光報警。b.堆煤：信號發出后，執行堆煤聲光報警指令和急停指令。c.跑偏：信號發出后，執行跑偏聲光報警指令，此為一級

19、動作，當報警時間超出一定時間段時，同時再執行急停指令，此為二級動作。d.打滑；信號發出后，執行打滑聲光報警指令, 再執行急停指令。e.超速：信號發出后，執行超速聲光報警和急停指令。f.斷帶：信號發出后，執行斷帶聲光報警和急停指令。g.縱撕：信號發出后，執行縱撕聲光報警和急停指令。h.滾筒超溫：信號發出后，執行滾筒超溫聲光報警、灑水指令和急停指令。i.煙霧：信號發出后，執行煙霧聲光報警、灑水指令和急停指令。5) 對設備故障和工藝參數的異常實時報警，并進展聲光提示，系統狀態對位顯示，更便于維護。6) 可與工業電視系統配合，實時監視皮帶機重點部位運行情況，以確保人員及設備的平安；具有喊話、打點通訊功

20、能，根本實現無人值守。7)膠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，假設設備由集控啟動，控制系統接到現場停車信號后，可作急停處理，實施故障停車操作。8具有聯網功能，能與全礦井自動化監控系統可靠的聯接、實現全局監控。2.3 膠帶輸送機集中控制系統構造設計本次設計中需要集中控制的皮帶共有7條，各條皮帶分布較廣，現場控制點分散，并且現場的環境比擬惡劣。所以，系統構造采用PROFIBUS-DP現場總線技術，組成主從系統構造。根據工藝流程劃分，系統以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7個從站，

21、這樣就節約了大量電纜等材料。本系統由集中控制臺、PLC控制柜、觸摸屏、就地箱、各種保護傳感器及執行器組成。完成一個系統多條皮帶多個設備全過程的控制、監測，構成一個完善的集中控制系統。其系統構造如圖2.2所示。圖2.2 系統構造圖以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，根本免維護，實現與上位機的通信，以循環掃描的方式，檢測傳感器及被控設備的信號，發出程序指令，完成對皮帶機的集中監控，使各個皮帶協調完成工作。PLC控制柜部由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

22、帶機的起停控制按鈕，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、停頓按鈕，急停按鈕，部配SIMATIC ET200M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。2.4膠帶輸送機集中控制系統設備構成膠帶輸送機集中控制系統主要

23、由PLC、人機界面等組成，它主要控制膠帶輸送機、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。下面我們對集控系統各局部進展詳細的介紹。2.4.1 膠帶輸送機帶式輸送機是以膠帶作為牽引機構和承載機構的連續運輸機械，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。膠帶輸送機的基木構造見圖2.3所示。膠帶1繞過傳動滾筒2及尾部滾筒3形成無級循環的牽引機構，在滾筒2和3之間的機架上按一定距離安裝著托輥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

24、)，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緊的狀態。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局部。傳動裝置一般由驅動裝置和傳動滾筒組

25、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。本工程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18O2lO。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。2.4.2 PLC簡述 隨著

26、微處理器、計算機和數字通信技術的飛速開展，計算機控制已經廣泛應用在所有的工業領域。可編程序控制器Programmable Logic Controll er正是順應這一潮流出現的，它是以微處理器為根底的通用工業控制裝置。1987年，美國電氣制造協會NEMA對可編程序控制器下了定義：可編程序控制器是一種帶有指令存儲器、數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、計數和算術運算功能，用于控制機器和生產過程的自動控制裝置。可編程序控制器簡稱PLC，它的應用面廣、功能強大、使用方便，已經成為當代工業自動化的主要支柱之一。PLC已經廣泛地應用在各種機械設備和生產過程的自動控制系統中

27、，PLC在其它領域，例如在民用和家庭自動化設備中的應用也得到了迅速開展。PLC 的系統構成PLC的硬件系統由CPU、I/O擴展機及外部設備組成。如圖2.3.9所示。西門子PLC以其極高的性能價格比，在國占有很大的市場份額，在我國的各行各業得到了廣泛的應用。本次設計所采用的S7300屬于模塊式PLC，主要由機架、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被連接到通信網絡上，可以與計算機、其它PLC或其它設備通信。與繼電器控制系統相比，PLC可以認為是由輸入局部、控制局部和輸出局部等組成，但它是采

28、用大規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存的程序來實現的。我們可以認為PLC的等效電路如下：輸入局部：用于承受外部輸入信號，與外部輸入設備連接?？梢缘刃橐粋€受控于外部用戶輸入設備的繼電器線圈輸入繼電器?？刂凭植浚旱刃в谝粋€受控于部邏輯的一個線圈，接點可用于驅動外部輸出設備的繼電器。輸出局部：用于與外部輸出設備連接。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備其它PLC計算機選擇開關指示燈限位開關電源按鈕圖2.10 PLC控制系統示意圖2、PLC的工作原理CPU中的程序分為操作系統和用戶程序。操作系統

29、用來處理PLC的啟動、刷新輸入/輸出過程映像區、調用用戶程序、處理中斷和錯誤、管理存儲區和通信等任務。用戶程序由用戶生成，用來實現用戶要求的自動化任務。STEP7將用戶編寫的程序和程序所需的數據放置在塊中，功能塊FB和功能FC相當于用戶編寫的子程序，系統功能SFC的系統功能塊SFB是操作系統提供應用戶使用的標準子程序，這些塊也通稱為邏輯塊。PLC采用循環執行用戶程序的方式，這種運行方式也稱為掃描工作方式。OB1是用于循環處理的組織塊，相當于用戶程序的主程序，它可以調用其它的塊，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執行啟動操作，去除沒有保持功能的位存儲器、

30、定時器和計數器，去除中斷堆棧和塊堆棧的容，復位保存的硬件中斷等。此外還要執行一次用戶編寫的系統啟動組織塊OB100，完成用戶指定的初始化操作，以后將進入周期性的循環運行。循環程序處理過程可以被*些事件中斷，如果有中斷事件出現，當前執行的塊將停頓執行，并調用分配給該事件的組織塊。該組織塊執行完畢后，被中斷的塊將從被中斷的地方開場繼續執行。在PLC的存儲器中，設置了一片區域用來存放輸入信號和輸出信號的狀態，它們分別存放在輸入過程映像區和輸出過程映像區。PLC梯形圖中的其它編程元件也有對應的映像存儲區。在循環程序處理中，CPU并不直接訪問I/O模塊中的輸入地址區域和輸出地址區域，而是訪問CPU部的過

31、程映像區。在讀輸入模塊階段，PLC將所有外部輸入電路的接通/斷開狀態讀如輸入過程映像區。在寫輸出模塊的階段，CPU將輸出過程映像區的狀態傳給輸出模塊。在程序執行階段，即使外部輸入信號的狀態發生了變化，輸入過程映像位的狀態也隨之而變，輸入信號變化了的狀態字能在下一個循環掃描周期的讀輸入模塊階段被讀入。PLC用戶程序由假設干條指令組成，指令在存儲器中順序排列。在沒有跳轉指令和塊調用指令時，CPU從第一條指令開場，逐條順序執行用戶程序，直到用戶程序完畢。在執行指令時，從輸入過程映像區或別的存儲區中將有關編程元件的0、1狀態讀出來，并根據指令的要求執行相應的邏輯運算，運算的結果寫入到對應的存儲區中，因

32、此，各編程元件的存儲區輸入過程映像區除外的容將隨著程序的執行而變化。圖2.11 PLC對輸入輸出的處理規則3、PLC的特點1)靈活、通用 在繼電器控制系統中，使用的控制裝置是大量的繼電器，整個系統是根據設計好的電氣控制圖，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時，原先整個電氣控制系統將被全部撤除，而重新進展布線、焊接、固定等工作，消耗大量人力、物力、和時間。而PLC是通過在存儲器中的程序實現控制功能，假設控制功能需要改變，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不同控制的控制要求。

33、因此，PLC具有很大的靈活性和通用性，構造形式多樣化，可以適用于各種不同規模、不同工業控制要求。2)可靠性高、抗干擾能力強可靠性是工業控制器件的重要指標。因此，要求在各種惡劣工作環境和條件(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，不會出現繼電器一接觸器控制系統中接線老化、脫焊、觸點電弧等現象，故被稱為專為適應惡劣工業環境而設計的計算機。3)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，又考慮到電氣技術人員的讀圖習慣和應用實際，電氣技術人員易

34、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行時間，但對大多數機電控制設備來說，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場的用戶設備聯接。如繼電器、接觸器、電磁閥等聯接，具有較強的驅動能力。 4)接線簡單 PLC只需將輸入設備(如按鈕、開關等)與輸入端子聯接，將輸出設備(如接觸器、電磁閥等)與輸出端子聯接。接線極其簡單、工作量極少。 5)功能強 PLC不僅具有條件控制、定時、計數、步進等控制功能，而且還能完成A/D. D/A轉換、數字運算和數據處理以及通信聯網、生產過程監控等。因此，PLC既可對開關量進展

35、控制，又可對模擬量進展控制?？煽刂埔慌_單機、一條生產線，也可控制一個機群、多條生產線?？捎糜诂F場控制，也可用于遠距離控制。可控制簡單系統，又可控制復雜系統。 6)體積小、重量輕、易于實現機電一體化 PLC具有體積小、重量輕、功耗低等特點。由于PLC是專為工業控制而設計的專用計算機，其構造緊湊、鞏固耐用，以及有很強的可靠性和抗干擾能力，易于嵌入機械設備部。因此，PLC在機電一體化產品中被廣泛應用。2.4.3 人機界面HMI人機界面是操作人員與PLC之間進展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，已經成為現代工業控制系統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

36、視帶式輸送機的運行工況。觸摸屏可以監視帶式機速度、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。通過操作臺的各種控制按鈕，可以進展工作方式選擇和就地控制帶式輸送機。圖2.12和圖2.13分別是本次設計的操作臺、就地控制箱面板。 圖2.12 操作臺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，計算機便會執行相應的操作。觸摸屏具有方便直觀、圖像清晰、鞏固耐用和節省空間等優點。在觸摸屏上，我們主

37、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，以實時監測皮帶，減少故障查找環節，提高工作效率。3 膠帶輸送機集控系統硬件設計3.1 SIMATIC S7-300 PLC簡介3.1.1 SIMATIC S7-300 PLC簡介SIMATIC S7300系列PLC是模塊化構造設計，各個單獨模塊之間可以進展單獨組合和擴展，從而使控制系統設計更加靈活滿足不同的應用需求。編程器PG用來為S7-300 PLC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S7-300 CPU之間的通訊，以及與其他SIMA

38、TIC S7 PLC進展通訊。一根PROFIBUS總線電纜可以連接多個S7-300。S7-300 PLC的主要組成局部有導軌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等。它通過MPI網的接口直接與編程器PG、操作員面板OP、和其它S7 PLC相連。圖3.1 PLC系統構成圖導軌RACK：導軌是安裝S7-300各類模塊的機架，它是特制不銹鋼異型板，其長度有160、482、530、830、2000mm五種，可根據實際需要選擇。電源模塊、CPU、及其它信號模塊都可方便地安裝在導軌上。除CPU模塊外，每塊信號模塊都帶有總線處理器，安裝時先將總線連接器裝在C

39、PU模塊并固定在導軌上，然后依次將各模塊裝入，通過背板總線將各模塊從物理上和電氣上連接起來。電源模塊PS：電源模塊用于將SIMATIC S7-300連接到120/230V交流電源和24/48/60/110V直流電源。它與CPU模塊和其它信號模塊之間通過電纜連接，而不是通過背板總線連接。 中央處理單元模塊CPU：SIMATIC S7-300提供了多種不同性能的CPU，以滿足不同用戶的需求，包括CPU312IFM、CPU313、CPU314、CPU315、CPU315- 2DP等。CPU模塊除完成執行用戶程序的主要任務之外，還為S7-300背板總線提供5V直流電源，并通過MPI接口與其它中央處理器

40、和編程裝置通信。S7-300的編程裝置可以是西門子專用的編程器，如PG705、PG720、PG740、PG760等，也可以用通用微機，配以STEP7軟件包，并加MPI卡和MPI編程電纜構成。接口模塊IM：接口模塊用于多機架配置時連接主機架和擴展機架。S7-300通過分布式的主機架和3個擴展機架，可操作多達32個模塊。信號模塊SM：信號模塊使不同的過程信號電平和S7-300的部信號電平相匹配，主要有數字量輸入模塊SM321、數字量輸出模塊SM322、模擬量輸入模塊SM331、模擬量輸出模塊SM332.每個信號模塊都配有自編碼的螺緊型前連接器，外部過程信號可以方便地連接在信號模塊的前連接器上。特別

41、指出的是，其模擬量輸入模塊獨具特色，可以接入熱電偶、熱電阻、420mA電流、010V電壓等18種不同的信號，輸入量程圍很寬。功能模塊FM：用于實時性強、存儲計數量較大的過程信號處理任務。如：快給進和慢給進驅動定位模塊FM351、電子凸輪控制模塊FM352、步進電機定位模塊FM353、伺服電機位控模塊FM354、智能位控制模塊SINUMERIK FM-NC等。通信處理器CP是一種智能模塊，它用于PLC間和PLC與其它裝置間連網以實現數據共享。如：具有RS-232C接口的CP340，與現場總線連網的CP342 -5DP。3.1.2模塊安裝S7-300可以水平安裝也可以垂直安裝，其允許的環境溫度分別

42、為040垂直安裝和060。電源和CPU必須安裝在導軌的左側水平安裝或低部垂直安裝。S7-300是模塊化組合構造，根據應用對象不同，可選擇不同型號和不同數量的模塊，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

43、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PLC的設計3.2.1 CPU的選擇1I/O點數確實定 經過對各輸入輸出的大概計算，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3. 2，3.3，3.4。 表3.2模擬量輸入通道統計表模擬量輸入通道數皮帶機速度1*7滾筒溫度1*7總計14表3.3數字量輸入點數統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總停頓按鈕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2*12其他皮帶跑偏開關8*6縱撕傳感器1*7煙霧傳感器1*7走廊

44、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1*5就地箱啟動按鈕1*7就地箱停頓按鈕1*7就地箱急停按鈕1*7總計164表3.4數字量輸出點數統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、停頓2狀態指示燈10就地箱故障顯示燈5*7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，應在統計后得出的I/O總點數根底上，增加10到15的裕量。考慮裕量后的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，并應盡量防止使PLC能力接近飽和，一般應留有30的裕量。2

45、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系統的功能要求，因此可以在I/O點數估算值的根底上計算對PLC存儲器容量的需求。目前，大多用統計經歷公式進展存儲器容量估算。這種方法是以PLC處理每個信息量所需存儲器數的統計平均經歷值為依據，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歷公式是：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1641.15=189，DO點數估計值為691.15=80，AI通道估計值為141.15=17個。所以存儲器容量為:1.2(18910+69

46、5+17100)/1024=4.62KB工程實踐中，大多采用粗略估算，加大裕量，實際選型時參考此值采用就高不就低的原則。3 響應速度PLC是為工業自動化而設計的通用控制器，不同檔次的PLC的響應速度一般能滿足起應用圍的需要。如果要跨圍使用PLC，或者應用中的*些功能或信號有特別的速度要求時，確定PLC的型號就應特別慎重。通過上面的計算，考慮系統通訊和冗余的要求，選用SIMATIC S7-300系列中的CPU315-2 DP是最適宜的。其中最主要的原因是CPU315-2 DP是S7-300系列中唯一帶現場總線(PROFIBUS) SINEC L2-DP接口的CPU模塊。置80KB RAM，隨機存

47、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。3.2.2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一樣，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一樣，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

48、入方式。輸入信號進入模塊后，一般都經過光電隔離和濾波，然后才送至輸入緩沖器等待CPU采樣。采樣時，信號通過背板總線進入到輸入映像區。數字量輸入模塊SM321有四種型號模塊可供選擇，即直流16點輸入，直流32點輸入，交流16點輸入，交流8點輸入模塊。模塊的每個輸入點有一個綠色發光二極管顯示輸入狀態，輸入開關閉合即有輸入電壓時，二極管亮。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

49、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SM3216ES7 321-1BL00-0AA0。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。輸入模塊通常有假設干個輸入點。每一個輸入點能承受一個來自用戶輸入設備所發出的開關信號。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根本接線形式。匯點式輸入接線如下列圖，各輸入電

50、路有一個公共端聚集端，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本身的電源供應，交流輸入模塊的電源由用戶提供。本工程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3.2 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

51、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；從平安隔離效果和應用靈活性角度來看，以繼電器觸點輸出型最正確。數字量輸出模塊SM322有七種型號輸出模塊可供選擇，即

52、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光二極管顯示輸出狀態，輸出邏輯1時，二極管發光。本次設計中，數字量輸出驅動的主要是指示燈和電磁閥，考慮到平安性和皮帶的不頻繁啟動的特性，應選用16點繼電器輸出的模塊SM3226ES7 322-1BH10-0AA0，輸出16個點，帶隔離，8點為一個組，24 VDC 額定負載電壓。操作臺和各遠程I/O分別選1塊，共選用8塊。模塊是通過輸出端子與外部用戶輸出設備連接的。輸出模塊通常有假設干個輸出點，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

53、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根本接線形式。圖3.3 匯點式輸出接線 圖3.4 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，

54、也可以是直流，它必須由用戶提供。本工程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 膠帶集中控制系統軟件設計4.1 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的STEP7，這是一種可運行于通用微機中，在WINDOWS環境下進展編程的語言。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，即可進展相互間的通信。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展離線編程，經過編譯后通過轉接電纜直接送入PLC的存中執行，而且在調試運行時，還可以在線監視程序中各個輸入輸出或狀態點的通斷狀況，甚至可以在線修改程序中變量的

55、值，給調試工作也帶來極大的方便。圖4.1 系統軟件流程圖該集中控制系統共有三種工作方式。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展投入，各故障的投入選擇可在顯示屏進展控制。4.2 系統軟件實現4.2.1 控制方式選擇我們通過控制臺的三位置選擇開關來選擇系統的工作方式，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

56、示系統當前的工作方式。集控方式下，按下顯示屏上的啟動/停頓控制按鈕，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，停頓信號可以由順煤流的前一條皮帶停頓一段時間后給出，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正確。下面我們以工作方式選擇和就地方式啟停為例進展程序說明。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，只是讓

57、梯形圖漂亮。2、就地方式啟?？刂瞥绦蚨?：I0.3是皮帶的啟動按鈕，I0.4是其停頓按鈕，M4.0是故障急停信號。有任何故障發出急停指令時不允許啟動皮帶。 程序段2：啟動報警信號。當M0.4閉合時，脈沖定時器T9開場計時，發出30S的報警指令Q0.0。同時啟動接通延時定時器T10。程序段3：當30S延時預警成功后，向皮帶正式發出啟動指令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。啟動允許信號發出后，根據現場環境和設備的工藝需求，在啟動運行皮帶沿線發出預警聲響，時間一般是30秒。只有在無故障啟動的情況下，預警才會成

58、功。4.2.2 模擬量的處理膠帶在煤炭運輸中的重要角色，讓煤礦無法無視它的運行狀況，因此，有效的監測故障，及時采取預防措施，防止重大事故發生，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、緊下滑、縱撕、煙霧、堆煤等，同時我們為了防止一些無法監測的而又非常惡劣的事故發生，在膠帶輸送機的沿線，我們每隔80100米設置一個拉線急停開關。在第二章我們已經確定了監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，我們收到信號后，對信號進展處理，或是皮帶緊急停機，或是只發出聲光報警。當輸出為0時，膠帶運行正常，無故障發生；另