电气工程及自动化基于PLC的皮带集中控制系统设计.docx

编号：（ ）字 号本科生毕业设计题目： 基于PLC的皮带集中控制系统设计 姓名： 学号： 班级： 电气工程及其自动化04-4班 二八年六月中国矿业大学毕业论文任务书学院 应用技术学院专业年级 学生姓名 任务下达日期： 2008 年 3 月 15 日毕业论文日期： 2008 年 3 月 15 日至 2008 年 6 月 10 日毕业论文题目：基于PLC的皮带集中控制系统设计毕业论文专题题目：毕业论文主要内容和要求：1 了解煤矿皮带运输系统运行工艺；2 针对某一煤矿皮带运输的实际情况，设计一种基于PLC的皮带集中控制系统；3 用AUTOCAD绘制系统的相关图纸；4 用PLC语言编制控制系统软件；5 翻译电气自动化方面的专业英文资料约3000字。院长签字： 指导教师签字：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。提高了运输系统的监测和控制水平。SIEMENS的S7-300系列PLCCoal transport system to ensure normal production of mine played a very important role. In order to guarantee coal mine safety and reliable operation of the transport system, the belt conveyor to focus on surveillance and control is necessary. In this paper, the Xinjiang Hami Coal Mine inclined conveyor belt and the ground as the background, to design the PLC technology as the core of the centralized control system to improve the transport system of monitoring and control level.First introduced in the text of this design background, and then design a conveyor belt on the structure and control system should have the control, fault detection and parameters of the protection device, identified the fault detection sensors and installation of the type of position. On this basis the use of SIEMENS S7-300 series PLC to the system hardware and software design, including the PLC module configuration and external connections, ladder program design. Finally, PLC control system the main source of interference and the design of the anti-jamming measures.目 录1 绪论11.1 概述11.2 胶带输送机集中控制系统11.2.1 胶带输送机集中控制系统的重要性11.2.2 集中控制系统的发展及存在的问题21.3 本课题研究的主要内容22 胶带机集中控制系统的总体设计42.1 课题背景介绍42.2 胶带输送机集中控制系统的功能设计52.3 胶带输送机集中控制系统结构设计62.4胶带输送机集中控制系统设备构成72.4.1 胶带输送机72.4.2 参数检测及故障保护装置82.4.3 PLC简述142.4.4 人机界面HMI173 胶带输送机集控系统硬件设计193.1 SIMATIC S7-300 PLC简介193.1.1 SIMATIC S7-300 PLC简介193.1.2 模块安装203.2 集控系统PLC的设计213.2.1 CPU的选择213.2.2数字量模块选择233.2.3模拟量模块选择253.2.4电源模块的选择263.3西门子ET200M与PROFIBUS-DP总线284 胶带集中控制系统软件设计304.1 集中控制的流程图304.2 系统软件实现314.2.1 控制方式选择314.2.2 模拟量的处理325 控制系统的抗干扰措施345.1主要干扰源345.2抗干扰措施356 总结37参考文献:38附录40翻译部分42英文原文42中文译文54致 谢641 绪论1.1 概述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。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。1.2 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。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。1.3 本课题研究的主要内容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。2.1 课题背景介绍2.2 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。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；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；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。2.3 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2.2所示。图2.2 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。2.4胶带输送机集中控制系统设备构成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2.3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18O2lO。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、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420mA。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420mA的电流信号。图2.6 速度检测传感器部分电路方框图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0.460s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。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010V模拟量电压信号，测量范围为-32535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10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2.9）。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。图2.9 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（0.2kg）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。1、 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S7300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。电源扩展机架接触器电磁阀电 源 模 块接 口 模 块输入模块输出模块CPU模块通信接口其它设备其它PLC计算机选择开关指示灯限位开关电源按钮2、PLC的工作原理CPU中的程序分为操作系统和用户程序。操作系统用来处理PLC的启动、刷新输入/输出过程映像区、调用用户程序、处理中断和错误、管理存储区和通信等任务。用户程序由用户生成，用来实现用户要求的自动化任务。STEP7将用户编写的程序和程序所需的数据放置在块中，功能块FB和功能FC相当于用户编写的子程序，系统功能SFC的系统功能块SFB是操作系统提供给用户使用的标准子程序，这些块也通称为逻辑块。PLC采用循环执行用户程序的方式，这种运行方式也称为扫描工作方式。OB1是用于循环处理的组织块，相当于用户程序的主程序，它可以调用其它的块，或被中断程序（组织块）中断。PLC得电或由STOP模式切换到RUN模式时，CPU执行启动操作，清除没有保持功能的位存储器、定时器和计数器，清除中断堆栈和块堆栈的内容，复位保存的硬件中断等。此外还要执行一次用户编写的“系统启动组织块”OB100，完成用户指定的初始化操作，以后将进入周期性的循环运行。循环程序处理过程可以被某些事件中断，如果有中断事件出现，当前执行的块将停止执行，并调用分配给该事件的组织块。该组织块执行完毕后，被中断的块将从被中断的地方开始继续执行。在PLC的存储器中，设置了一片区域用来存放输入信号和输出信号的状态，它们分别存放在输入过程映像区和输出过程映像区。PLC梯形图中的其它编程元件也有对应的映像存储区。在循环程序处理中，CPU并不直接访问I/O模块中的输入地址区域和输出地址区域，而是访问CPU内部的过程映像区。在读输入模块阶段，PLC将所有外部输入电路的接通/断开状态读如输入过程映像区。在写输出模块的阶段，CPU将输出过程映像区的状态传给输出模块。在程序执行阶段，即使外部输入信号的状态发生了变化，输入过程映像位的状态也随之而变，输入信号变化了的状态字能在下一个循环扫描周期的读输入模块阶段被读入。PLC用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中顺序排列。在没有跳转指令和块调用指令时，CPU从第一条指令开始，逐条顺序执行用户程序，直到用户程序结束。在执行指令时，从输入过程映像区或别的存储区中将有关编程元件的0、1状态读出来，并根据指令的要求执行相应的逻辑运算，运算的结果写入到对应的存储区中，因此，各编程元件的存储区（输入过程映像区除外）的内容将随着程序的执行而变化。3、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。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2.12和图2.13分别是本次设计的操作台、就地控制箱面板。图2.13 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。3.1 SIMATIC S7-300 PLC简介3.1.1 SIMATIC S7-300 PLC简介 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040（垂直安装）和060。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。3.2 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. 2，3.3，3.4。 表3.2模拟量输入通道统计表模拟量输入通道数皮带机速度1*7滚筒温度1*7总计14表3.3数字量输入点数统计表数字量输入点数操作台控制方式选择3总启动按钮1总停止按钮1起车预警按钮1急停按钮1给煤机启停按钮2各皮带启停按钮14堆煤传感器1*7主提升、走廊皮带跑偏开关2*12其他皮带跑偏开关8*6纵撕传感器1*7烟雾传感器1*7走廊皮带拉线急停开关2主提升皮带拉线急停开关20其他皮带拉线急停开关1*5就地箱启动按钮1*7就地箱停止按钮1*7就地箱急停按钮1*7总计164表3.4数字量输出点数统计表数字量输出点数皮带电机开7洒水装置电磁阀7皮带电机关7警铃1给煤机启动、停止2状态指示灯10就地箱故障显示灯5*7总计69考虑到前面的设计中I/O点数可能有疏漏，并考虑到I/O端的分组情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PLC的I/O点数估算值大小，在很大程度上反映了PLC系统的功能要求，因此可以在I/O点数估算值的基础上计算对PLC存储器容量的需求。目前，大多用统计经验公式进行存储器容量估算。这种方法是以PLC处理每个信息量所需存储器数的统计平均经验值为依据，乘以信息量数再考虑一定的裕量计算得到存储器需要容量。作为一般应用下的一种经验公式是：存储器容量其中：DI为数字量输入总点数； DO为数字量输出总点数； AI/O为模拟量I/O通道总数。DI点数估计值为1641.15=189，DO点数估计值为691.15=80，AI通道估计值为141.15=17个。所以存储器容量为:1.2(18910+695+17100)/1024=4.62KB工程实践中，大多采用粗略估算，加大裕量，实际选型时参考此值采用就高不就低的原则。（3） 响应速度PLC是为工业自动化而设计的通用控制器，不同档次的PLC的响应速度一般能满足起应用范围内的需要。如果要跨范围使用PLC，或者应用中的某些功能或信号有特别的速度要求时，确定PLC的型号就应特别慎重。通过上面的计算，考虑系统通讯和冗余的要求，选用SIMATIC S7-300系列中的CPU315-2 DP是最合适的。其中最主要的原因是CPU315-2 DP是S7-300系列中唯一带现场总线(PROFIBUS) SINEC L2-DP接口的CPU模块。内置80KB RAM，随机存储器为48KB，最大数字量I/O点数为1024个，最大模拟量I/O通道数为128个。最大配置4个机架，32块模块。满足设计需要。3.2.2数字量模块选择I/O主提升皮带输入开关量有38个，其他皮带输入开关量点数都少于20个。故操作台输入模块SM321选1块，主提升皮带远程I/O选2块，其余皮带远程I/O各选1块，一共选9块输入模块SM321。2、数字量输出模块的选择和外部连线I/O分别选1块，3.2.3模拟量模块选择I/O分别设1块，共选用7块。3.2.4电源模块的选择综上所述，本次设计中我们选用的模块：CPU315-2 DP处理器；PS307电源模块；ET200M远程控制单元；CP340通信模块；SM321数字量输入模块；SM322数字量输出模块；SM331模拟量输入模块。其具体配置如图3.6所示。图3.6 系统配置图3.3西门子ET