带式输送机胶带纵向撕裂监测系统的设计说明书.doc

目 录一 绪论11.1 研究意义11.2 国内外发展现状21.3 论文研究内容9二 带式输送机胶带纵向撕裂监测系统的方案设计102.1 传感器组的方案设计102.2 自动控制箱的方案设计11三 带式输送机胶带纵向撕裂监测系统的总体设计123.1 监测系统组成结构123.2 监测系统的运行方案14四 西门子S7-200的介绍154.1 可编程控制器概述154.1.1 可编程控制器的定义154.1.2 PLC的主要功能和特点154.1.3 PLC基本组成及工作原理184.2 西门子S7-200 PLC214.2.1 S7-200 PLC系统的基本构成214.2.2 S7-200 PLC的系统配置224.2.3 S7-200CPU244.2.4 S7-200的扩展模块25五 机械支持部分设计275.1 料斗特设活门设计275.2 弹簧的选择设计28六 硬件系统的开发设计316.1 胶带状况发生电路316.1.1 传感器组316.1.2 电压比较器346.2 信号处理电路366.2.1 PLC芯片输入输出含义366.2.2 PLC芯片输入输出模块376.3 报警电路426.3.1 灯光报警电路426.3.2 声音报警电路446.4 电机控制电路506.5 电源发生电路52七 系统软件的开发557.1 系统模式557.2 输入输出量的地址分配577.3 系统PLC程序设计59全文结论63参考文献64附录66翻译部分69中文译文69英文原文76致 谢85 中国矿业大学2009届本科生毕业设计（论文） 第86页一 绪论1.1 研究意义皮带运输机是使用较多的连续运输设备之一，主要用来输送块状、粒状和散状等物料，同时也可输送成件的货物。目前它广泛地应用于港口、矿山、钢厂、电厂等领域。皮带输送机朝着高速，大规模、超长距离、大倾角的方向发展。输煤皮带是皮带运输机的重要组成部分，其成本约占整机的40%以上，输送带主要有普通帆布芯皮带，合成纤维芯皮带，钢绳芯皮带等。其中中等强度的合成纤维芯皮带和钢绳芯皮带价格较贵。随着科学技术的发展，特别是高新技术的发展，以及各种产业对机械自动化水平要求的提高，现代带式输送机正向长距离、大运量、高速高效、多功能的方向发展。钢绳芯带式输送机以其抗拉强度高、伸长率小、张紧行程短、和动态性能好、能长距离、大运量和高速度输送物料(25m/s)、结构及维护简单、经济性好、适于各种地形以及对物料适应性强等特点而倍受青睐，目前已在国内外冶金、矿山、港口运输、电力、建材等行业被广泛使用，成为一种散装物料运输的重要工具，甚至是某些厂矿生产的运输大动脉。皮带撕裂事故时有发生，价值数十万元甚至上百万元的输送带，一旦发生撕裂事故，在几分钟内就会全部毁坏，造成巨大的经济损失。即使能够修补，也需要相当的人力和时间，对正常运行产生极大的影响。随着我国皮带输送机的使用量越来越大，其应用的范围越来越广，使用厂矿发生撕裂的事故也越来越多。近年来，尽管有许多研究者都在潜心研究皮带撕裂的保护装置，但至今我国仍没有一种较为理想的防撕裂方面的监测手段和装置应用于实践。目前，我国很多工厂没有安装有效的皮带撕裂保护装置，在影响生产的同时也带来影响工厂安全运行的隐患。因此，进行皮带撕裂特征的研究具有重要的理论意义和实际意义。钢绳芯带式输送机在使用过程中会产生一些带式输送机所共有的问题，如胶带跑偏、打滑、断带、纵向撕裂等问题。由于钢绳芯胶带其特有的结构，导致其发生纵向撕裂事故的严重性相对比较突出，在其运行过程中，常因石块或金属等硬锐的物体卡在某处并划破胶带而造成胶带的纵向撕裂，如发现不及时或发现后处理不当，较短的时间内即可使较长距离的胶带报废，甚至导致整条胶带报废。这样不仅影响生产效率，而且会给厂矿企业造成上百或上千万元的直接和间接的经济损失。因此，解决钢绳芯带式输送机的纵向撕裂问题对于减少企业经济损失，提高厂矿生产安全具有重要的现实意义。1.2 国内外发展现状国外从70年代就开始了对防胶带纵向撕裂事故的研究，早期曾出现过接触式监测保护装置，主要以各种机械装置为主，由于其可靠性不高等原因，不久就被非接触式监测保护装置所代替。当今，德国、美国、日本和乌克兰等国家主要使用电磁感应型非接触式监测保护装置，其中以日本BANDO公司的TATEBO III型电磁感应型非接触式监测保护装置较为先进。在我国随着钢绳芯带式输送机的使用量越来越大，发生纵向撕裂的事故也越来越多，国内很多企业和研究机构对纵向撕裂事故的预防和检测曾进行过不同程度的研究并取得了相应的研究成果，研制出了一些胶带纵向撕裂保护装置。在早期，工业现场使用的纵向撕裂监测保护装置绝大多数也是机械接触式的，但随着国内电子技术和计算机自动化控制技术的不断提高，同时引进和吸收国外的技术装备后，出现了非接触式监测保护装置，并且有些已形成了产品。 就目前国内各工矿企业对胶带纵向撕裂监测保护装置的使用状况而言，与先进国家相比尚有很大差距，大部分还是沿用以前陈旧的机械接触式监测保护装置，且缺乏必要的维护和管理，存在很大的安全隐患；有些企业虽然从国外引进了先进的监测保护装置，但由于现输送机集控系统与监测保护装置间缺乏相匹配的接口或可靠性较差等原因，致使监测保护装置未能投入正常使用，不但造成设备资源的浪费，也为设备安全运行留下隐患，更有些企业甚至没有为其输送机配置纵向撕裂监测保护装置，其后果可想而知。由此可见，国内在胶带防纵向撕裂的某些方面的研究虽然已经达到了世界水平，但在理论成果向使用技术转化、对现有技术设备的改造、综合水平与整体实力以及企业对于胶带防纵向撕裂方面的认识与态度等与国外还有较大的差距。使用皮带输送机的企业长期以来一直被皮带撕裂故障所困扰，迫切需要一种能及时诊断皮带撕裂故障的保护装置。国外从70 年代就开始进行这方面的研究，目前国外对皮带纵向撕裂保护装置的研究，已从接触式发展到非接触式，从单一化到智能化。国外成功的专利除了有嵌入法、光电传感技术、超声波扫描技术之外，现在又有了改进后的嵌入法、超声波技术和最新研究探讨的原子物理方法等。目前国内外研究的皮带纵向撕裂保护和监测装置形式和种类繁多。下面简要介绍国内外的么一些检测方法。（1）改进后的嵌入法70 年代末，英、德就开始采用在皮带中埋设金属导线的方法。但由于皮带的连续运动，不可避免地会产生滚切的持续应力，使金属导线遭受磨损而断裂。为了克服这个缺点，英国应用摩擦系数较小的聚脂纤维做成的空心管套在导线外面，并硫化在皮带内，保护导线不产生疲劳损坏。以前研制的在皮带中埋设导线的检测装置的另一个缺点是导线和皮带上的橡胶混合物之间常因时间长而容易发生化学反应，从而破坏了导线接头的导电性，导致误动作。为了解决这个问题，德国用直径较小的镀锌钢绳作为导线，该导线埋设在距皮带承载而一定距离的皮带上面层内，平行于皮带表面。在导线的接头区内，相对的导线互相拧紧，导线接头处的折合端罩有轻合金护套，从而使导线避免接触皮带上部的橡胶混合物，提高了系统的可靠性。此类保护装置的缺点是工艺复杂、成木高。胶带发生纵向撕裂，以及预埋感应线圈被拉断，这些都是物理变化，如何将其转化成电子设备能够识别的电信号的变化，这个转化过程通过传感器来实现。它由信号发射探头、信号接收探头以及胶带中的预埋感应线圈一起组成了电磁感应传感器。这个传感器通过预埋感应线圈断路后无法传递电磁信号这个变化来间接感知胶带是否被撕裂。两个探头分别安装在胶带两侧的正下方，与胶带底面间存在一定的距离，三者之间通过电磁场相互联系。两个探头的设置位置一般处在纵向撕裂事故多发段后面，例如落料口或出料口后面，这样一旦发生撕裂事故，能监测到。为了提高监测可靠性，可以在事故多发段前后各安装一组传感探头进行监测比较，并且对于一条胶带，可在多处设置纵向撕裂监测系统，以进一步减少损失。改进后的嵌入法如图1-1所示。 图1-1 改进后的嵌入法（2） 超声波扫描检测装置超声波探伤为无损检测的一种重要手段，它与激光、红外、同位素并称为现代科学技术的四支尖兵。日木、英国、澳大利亚先后在80年代末和90年代初、中期，研制了用超声波在非金属皮带中进行探伤的检测器，并都获得了专利。滚轮式超声波检测装置该检测装置由换能器、电子放大器和报警器组成，英国有其发明专利。当皮带正常工作时，每个发射换能器以该频率发射超声波，接收换能器将经过一定时间后收到回波。当皮带发生纵向撕裂事故时，接收器接收到的信号比皮带完好时收到的信号弱，而且接收到信号的时间比皮带完好时收到的时间要长。纵向撕裂的事故是否发生可根据皮带信号的强弱和信号持续的时间来判定。为此，该装置可提供作为皮带纵向撕裂程度的预报或者作为限制损坏程度而自动停止皮带运行的装置。该装置的超声波是通过祸合到皮带上的，中间环节多，其祸合问题有一定的难度，目前都用在地面的输送机上。超声波检测器如图1-2所示。 图1-2 超声波检测器（3） 摆动托辊检测装置日木横滨橡胶公司发明一种磁性传感器的检测装置，它安装在多个缓冲托辊组成的框架上。该框架悬挂在垂直安装的片型弹簧上，在框架的端头装有磁性传感器。 这种检测器是把槽形缓冲托辊安装在一个可在一定范围内沿胶带运动方向活动的托辊架上，当刺穿胶带的物料推动这种托辊时，托辊架随之运动并使限位开关或载荷传感器动作，使输送机停机。这种检测器在使用中易受胶带跑偏等影响而导致误报。摆动托辊检测器和如图1-3所示。1-3 摆动托辊检测器(4) 撕裂压力检测装置该检测器在托辊架上安装有测力托辊，其内有测力传感器，当胶带发生纵向撕裂时，胶带受到一个持续一定时间的向下的压力，这个压力通过托辊传递给传感器，于是检测器发出一个停机报警信号，使输送机停机。这种检测器具有检测原理简单，检测灵敏度高的优点，但可靠性较差，使用寿命也较短。撕裂压力检测器如图1-4所示。 图1-4 撕裂压力检测器（5） 棒型检测装置这种装置是把一根棒或管子弯曲成槽形托辊状，安装在槽形输送带下面的缓冲托辊之间而成。这样，如有刺穿输送带的物料，该物料将拨动槽形棒偏转，迫使限位开关或载荷传感器动作，使带式输送机停止运转。安装时，可把几个这样的槽形棒用连杆连在一起，控制一个共用开关。这种检测器安装在带式输送机的装载段，而且要求缓冲托辊之间必须具有适当的空间。棒型检测器如图1-5所示。图1-5 棒型检测器(6) 带宽检测装置该检测器利用与胶带边缘相接触的检测辊或利用超声波距离测量来检测胶带宽度。当胶带发生纵向撕裂时，胶带被撕裂的两半边可能互相重叠起来，使胶带总宽度减小，可由检测器检测出，发出停机报警信号使输送机停机。这种检测器特点是它只有在被撕裂的输送带的两半边重叠起来时才起作用带宽检测器如图1-6所示。图1-6 带宽检测器 （7） 漏料检测装置这种检测装置由托盘、支点、平衡锤和开关等组成。当输送带被撕裂后，输送带上的物料通过裂口泄漏到托盘里，物料的重量克服平衡锤的重量，使整个装置绕支点转动，迫使限位开关动作。这种检测器结构简单，检查方便。但是，当输送带被撕裂后，只有输送带上有物料且输送带的裂口足以使物料泄漏时，此装置才能起作用，否则就没有什么用途。此外，若在托盘上积聚灰尘过多时，可能会产生误动作。所以，需要经常检查并清理灰尘。漏料检测器如图1-7所示。 图1-7 漏料检测器(8) 振动检测装置这种检测器在承裁托辊之间胶带的边缘处设置一个偏心圆盘作为振动器，在胶带的另一边设置一个振动接收器，在其下有自由回转的辊子与胶带接触。当带式输送机运转时，振动器使胶带产生横向强迫振动，振动接收器受胶带振动的作用，发出信号并输入放大器。当胶带发生纵向撕裂时，振动接收器不再受振动的作用，输出的信号相应减弱，从而控制输送机停机。这种检测器在原苏联使用效果良好。振动检测器如图1-8所示。 图1-8 振动检测器 (9) 电磁感应式检测装置检测器结构如图1-8所示，它在胶带中每隔一定距离（例如50 m）埋设一个传感线圈，再在胶带两侧安装一组探测头（包括信号发射探头和信号接收探头），探测头经电缆与控制箱相连。胶带正常运行时，每当传感线圈经过两个探测头时，信号接收探头通过传感线圈接收到信号发射探头发出的电磁信号。一旦胶带发生纵向撕裂时，传感线圈回路被切断，信号接收探头将接收不到电磁信号，于是控制箱输出停机报警信号使输送机停机。这种检测器采用电磁感应原理进行工作，它使用方便可靠，寿命长，自动化程度高，较早出现在日本，现已被其它国家广泛采用，国内还处于起步阶段。本文借鉴该装置的基本检测原理框架，设计出一种新的电磁感应原理的胶带纵向撕裂监测系统，使检测装置的成本降低并提高了其运行的可靠性。电磁感应式检测器如图1-9所示。 图1-9 电磁感应式检测器(10) 线型检测器该检测器安装在槽形胶带的下方，顺着胶带的轮廓拉设一根金属丝或尼龙线，在线的一端安装一个弹簧型限位开关。当刺穿胶带的物料绊住此线时，把线拉断或使其张力增加，致使相应的限位开关动作，从而控制输送机停机。这种检测器作用原理与优缺点和棒型检测器类似，但其检测灵敏度比棒型检测器更好。（11） 传感器输出电阻装置在易于产生纵向撕裂处分别按置三个或以上的传感器，此传感器的特点是受压后电阻会发生非常明显的变化。所以当有异物撕裂胶带进而压迫传感器时其输出阻值就会明显下降，后续电路检测到阻值下降后发出停机警报。1.3 论文研究内容本论文研究的主要内容包括：（1）分析现有纵向撕裂检测装置存在的优缺点，取长补短并进行适当创新，确定本监测系统的初步方案；（2） 综合各种类型传感器的工作原理及其输入输出特性，对监测传感器及所需的其他元器件进行选型，并进一步的论证方案的可行性；（3） 完善系统硬件，设计开发系统软件；（4） 完成设计图纸和设计任务书。二 带式输送机胶带纵向撕裂监测系统的方案设计随着科学技术的发展，检测技术已广泛应用于人类科研、生产、生活等活动领域中。所谓检测是指利用传感器把被测信息检取出来，并转换成测量仪表或仪器所能接受的信号，再进行测量以确定量值的过程；或转换成执行器所能接受的信号，实现对被测物理量的控制。本文的第1章中列举了国内外各种不同的胶带防纵向撕裂检测装置，综合对各种不同的检测方法进行比较分析可知：目前,防纵撕保护装置基本上都是被动保护,即不能防止纵撕事故的发生,只能防止事故的扩大。本次设计欲开发一种结合被动防御与主动防御为一体的新型的带式输送机胶带纵向撕裂建监测系统。本监测系统主要由传感器组和自动控制箱组成。2.1 传感器组的方案设计本传感器组由一个力传感器和两个光电传感器组成。利用力传感器检测出中等大块物料时,打开料斗特设活门放行,有效地避免了中等大块物料卡死在料斗与胶带间划伤或撕裂胶带的事故发生;检测出特大块物料时,在打开料斗特设活门放行的同时,发出停车指令,使输送机停车,然后用人工排除特大块物料。料斗特设活门具有延时自动关闭功能。在回程胶带上布置X射线源。利用光电传感器检测透个胶带的X射线的强度从而检测出 图2-1 器件布置图胶带有局部损伤、接头损坏、起皮等状况发生时发出停车指令,使输送机停车,然后用人工予以修复。传感器组、料斗特设活门、X射线源的布置如图2-1所示。 2.2 自动控制箱的方案设计自动控制箱的目的是将传感器的输出信号自动控制箱中一系列的电路处理后直接输出能够用于报警及控制电机的信号。它主要由一个PLC芯片和其他相关配套处理元器件组成。本自动控制箱电路具备信号的识别、延时、报警、制动等功能；设有启动与急停按钮；输出的报警装置有灯光与声音两种警报；灯光显示分为正常、异常、纵撕，出现异常和纵撕的灯光警报的同时会出现声音警报。从而保证了本装置的实用性。三 带式输送机胶带纵向撕裂监测系统的总体设计3.1 监测系统组成结构本次设计的胶带纵向撕裂监测系统采用被动防御与主动防御相结合的方法实现对胶带纵向撕裂的监测和保护，系统总体组成结构如图3-1所示。由压力传感器、检测X光光强的传感器、电压比较器、PLC芯片、报警电路、电机控制电路、电源发生电路组成。其中报警电路包括灯光和声音报警电路。 图3-1 监测系统的总体组成框图（1） 压力传感器其作用是感知料斗特设活门所受的压力，从而分析是否由特大型的物料在此处被卡死。因为多数的胶带撕裂事故都由于大型物料被卡死造成的，所以它可以达到主动防御的目的。 根据上述压力传感器的作用可以初步选用压电式传感器测压力。压电式传感器的工作原理是以某些物质的压电效应为基础的。这些物质在一定方向受到压力或拉力的作用而发生变形的，其表面上会产生电荷；若将外力去掉时，它们又重新回到不带电的状态，这种现象被称为压电效应。而具有这种压电效应的物体称为压电材料或压电元件。压电元件直接成为力电转换元件是自然的。关键是选取合适的压电材料，变形方式，机械上串联或并联的晶片数，镜片的几何尺寸和合理的传力结构。显然，压电元件的变形方式以利用纵向压电效应的TE方式为最简便。而压电材料的选择则决定于所测力的最值大小，对测量误差提出的要求、工作环境温度等各种因素。晶片数目通常是使用机械串联而电气并联的两片。因为机械上串联的的晶片数目增加会导致传感器抗侧向干扰能力的降低，而机械上并联的片数增加会导致对传感器加工精度的过高要求，同时传感器的电压输出灵敏度并不增大。（2） 光电传感器其作用是检测出胶带是否发生有局部损伤、接头损坏、起皮等状况。以达到被动防御的目的。根据上述的测量要求可以初步选用光电式传感器。光电式传感器是能将光能转换为电能的一种器件。在现代测量与控制系统中，应用非常广泛。用光电器件测量非电量时，首先要将非电量的变化为光量的变化，然后通过光电器件作用，就可以将非电量的变化为光量的变化了。在光线作用下使物体的电子逸出表面的现象称为外光电效应。如光电管、光电倍增管就属于这类光电器件。在光线作用下能使物体电阻率改变的现象称为内光电效应，如光敏电阻等属于这类光电器件。在光线作用下能使物体产生一定方向的电动势的现象，称为阻挡层光电效应。如光电池、光敏晶体管等属于这类光电元件。阻挡层光电效应又成为光生伏打效应。由于光电元件响应快，结构简单，而且有较高的可靠性等优点，在自动测试中得到广泛应用。（3） 电压比较器其作用是力传感器的输出信号与5V的电压进行比较从而得到PLC芯片所需要的数字信号，将两个光电传感器的输出信号进行比较同样得到PLC芯片所需要的数字信号以便进行下一步的处理。根据以上所述的电压比较器的作用可以初步选用由运算放大器和电阻组成的电压比较器。运算放大器工作于开环状态，由于开环电压放大倍数很高，即使输入端有一个非常微小的差值信号，也会使输出电压饱和。因此，用作比较器时，运算放大器工作在饱和区，即非线性区。（4） PLC芯片其作用是将电压比较器的输出信号结合启动、停止按钮是否按下经过内部软件的处理分析出胶带是否有异常和撕裂等状况发生。根据以上所述PLC芯片的作用可以初步选用西门子公司生产的S7-200系列的芯片。其具体的CPU型号和PLC参数说明将在后续章节中详细介绍。（5） 报警电路其作用是取出经过PLC芯片分析处理过的信号并通过一系列的电器元件的处理以达到声音与灯光报警的目的。根据上述电路的作用，初步拟定灯光报警电路用发光二极管实现，声音报警电路用扬声器来实现。（6） 电机控制电路其作用是当PLC芯片分析出胶带发生异常和撕裂时通过纵撕保护信号控制电机的停转。（7）电源发生电路其作用是为整过系统中的元器件提供可用的稳定电源。3.2 监测系统的运行方案当有中等大块物料落下时,打开料斗特设活门放行,有效地避免了中等大块物料卡死在料斗与胶带间划伤或撕裂胶带的事故发生，当由特大快物料落下并卡死时，经过电压比较器处理的信号会持续为高电平，此时信号经过PLC芯片处理过后会输出使报警电路报警的信号；当发生局部损伤、接头损坏、起皮等状况时经过电压比较器处理的信号会出现高电平，此时信号经过PLC芯片处理过后会输出使报警电路报警的信号。四 西门子S7-200的介绍4.1 可编程控制器概述可编程控制器（Programmable Controller,英文缩写为PC,后又称为PLC）是以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术和通信网络技术发展起来的一种通用工业自动控制装置。它面向控制过程、面向用户、适应工业环境、操作方便、可靠性高，成为现代工业控制的三大支柱（PLC、机器人和CAD/CAM）之一。PLC控制技术代表着当前程序控制的先进水平，PLC装置已成为自动化系统的基本装置。4.1.1 可编程控制器的定义在PLC的发展过程中，美国电气制造商协会（NEMA）经过4年的调查，于1980年把这种新型的控制器正式命名为可编程控制器，并做如下定义：“可编程控制器是一种数字式的电子装置。它使用可编程序的存储器来存储指令，并实现逻辑运算、顺序控制、计数、计时和算术运算功能，用来对各种机械或生产过程进行控制。”国际电工委员会曾于1982年11月颁布了可编程控制器标准的草案第一稿，该草案对可编程控制器的定义是：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令。并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关外部设备，都应按易于与工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”定义强调了PLC应直接应用于工业环境，它必须具有很强的抗干扰能力、广泛的适应能力和应用范围，这是区别于一般微机控制系统的一个重要特征。4.1.2 PLC的主要功能和特点一 、PLC的主要功能PLC在不断的发展，其性能在不断完善、功能在不断的增强。其主要功能有：（1） 开关逻辑量控制这是PLC最基本的功能。PLC具有强大的逻辑运算能力，可以实现各种简单和复杂的逻辑控制，常用于取代传统的继电器控制系统。（2） 模拟量控制在工业控制过程中，有很多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量，而PLC的CPU只能处理数字量。所以PLC中配置了A/D和D/A转换模块，把现场输入的模拟量经A/D转换后送CPU处理，而CPU处理的数字量结果，经D/A转换后，转换成模拟量去控制被控设备，以完成对连续量的控制。（3） 闭环过程控制运用PLC不仅可以对模拟量进行开环控制，而且还可以进行闭环控制，配置PID控制单元或模块，对控制过程中某一变量（如电压、电流、温度、速度、位置等）进行PID控制。（4） 定时控制 PLC具有定时控制的功能，它为用户提供了若干个定时器，定时器的时间可以由用户在编写用户程序时设定，也可以由拨盘开关在外部设定，实现定时或延时的控制。（5） 计数控制PLC具有计数控制的功能，它为用户提供了若干个计数器，计数器的数量值可以由用户在编写程序时设定，也可以用拨盘开关在外部设定，实现计数功能。（6） 顺序(步进)控制在工业控制中，选用PLC实现顺序（步进）控制，可以采用IEC规定的用于顺序控制的标准化语言顺序功能图进行设计。可以用移位寄存器和顺序控制指令来编写程序。（7） 数据处理现代PLC具有数据处理的功能，它不仅能进行数字运算和数据传送，而且还能进行数据比较、数据转换、数据显示、打印以及数据通信等。（8） 通信和联网现代PLC具有网络通信的功能，它不仅能对远程I/O进行控制，又能实现PLC与PLC、PLC与计算机之间的通信，从而构成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统，实现工厂自动化，PLC还可以与其它智能设备（如变频器、数控装置）实现通信，PLC与变频器组成联合控制系统，可提高控制交流电动机的自动化水平。二、PLC的特点PLC是专为在工业环境下应用而设计的，具有面向工业控制的鲜明特点。（1） 可靠性高，抗干扰能力强为了确保PLC能在恶劣的工业环境下能可靠的工作，在设计中强化了PLC的抗干扰能力，使之能抗诸如电噪声、电源波动、震动、电磁干扰等的干扰，能抗1000V、1S脉冲的干扰，能在高温、高湿以及空气中存有各种腐蚀物质粒子的环境下可靠的工作。PLC能够承受电网电压的变化，可直接由交流市电供电，直接取自电控箱电源，一般由直流24V供电的机型，电源电压允许为1632V，由交流市电供电的机型，允许电压为115V/230V、4763Hz的电源供电。即使在电源突然瞬间断电的情况下，仍可正常工作。 PLC在设计、生产过程中，除了对元器件进行严格的筛选外，硬件和软件还采用屏蔽、滤波、光电隔离和故障诊断、自动恢复等措施，有的PLC还采用了冗余技术，进一步增加了PLC的可靠性。通常PLC的平均无故障时间可达几万小时以上，有的甚至达几十万小时。某些PLC的生产厂家甚至宣布，今后它生产的PLC将不再标明可靠性这一指标，因为能称得上PLC名称的产品，它的可靠性必定是高的。（2） 通用性强，灵活性好，功能齐全PLC是通过软件实现控制的，其控制程序编写在软件中，实现程序软件化，因而对于不同的控制对象都可采用相同的硬件进行配置。目前，PLC产品已系列化、模块化、标准化，能方便灵活的组成大小不同、功能不同的控制系统，适用性强。由于可编程控制功能齐全，几乎可以满足所有控制场合的需求。组成系统后，即使控制程序发生变化，只要修改软件即可，增强了控制系统的柔性。（3） 编程简单，使用方便PLC在基本控制方面采用“梯形图”语言进行编程，这种梯形图是与继电器控制电路图相呼应的，形式简练，直观性强。广大电气工程人员易于接受，用梯形图编程出错率比汇编语言低得多。PLC还可以采用面向控制过程的的控制系统流程图编程和与语句表方式编程。梯形图、流程图、语句表直接爱你可有条件的相互转化，使用及其方便。这是PLC能够迅速普及的重要原因之一 。 （4） 模块化结构PLC的各个部件，包括CPU、电源、I/O等均采用模块化设计，由机架和电缆将各模块连接起来。系统的功能和规模可根据用户的实际需求自行配置，从而实现最佳性能价格比。由于配置灵活，使扩展、维护方便。（5） 安装方便，调试方便PLC安装方便，只要把现场的I/O设备与PLC相应的I/O端子相连就完成了全部的接线任务，缩短了安装时间。PLC鄂调试工作大部分为室内调试和现场调试。室内调试时，用模拟开关模拟输入信号，其输入状态和输出状态可以观察PLC上的相应的发光二极管和编程器提供的信息方便的进行测试、排错和修改。室内模拟调试后，即可到现场进行联机调试。（6） 网络通信PLC提供了标准通信接口，可以方便的进行网络通信。（7） 其他 PLC体积小 ，能耗低，便于机电一体化。4.1.3 PLC基本组成及工作原理一、PLC基本组成PLC在各个领域里得到了愈来愈广泛的应用。一般意义上讲，PLC也是一种工业控制计算机，只不过比一般的计算机具有更强的与工业过程相联结的忌口和更直接的适用于控制要求的编程语言。所以PLC与计算机空盒子系统十分相似，也具有中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出(I/O)接口、电源等。如图4-1所示：输入单元微处理器存储器电源输出单元SBSQSAKMYVHL图4-1可编程序控制器的基本组成二、PLC各部分的作用（1）、中央处理单元：中央处理单元是PLC的核心部分，它包括微处理器和控制接口电路。微处理器是PLC的运算和控制中心，由它实现逻辑运算、数字运算，协调控制系统内部各部分的工作。它的运行是按照系统程序所赋予的任务进行的。控制接口电路是微处理器与主机内部其他单元进行联系的部件，他主要有数据缓冲、单元选择、信号匹配、中断管理等功能。微处理器通过它来实现与各个内部单元之间的可靠的信息交换和最佳的时序配合。（2）、存储器：PLC系统中的存储器配有系统程序存储器和用户程序存储器.系统程序存储器用于存放PLC生产厂家编写的系统程序，并固化在PROM或EPROM存储器中，用户不可访问和修改。用户程序存储器可分为三部分：用户程序区、数据区、系统区。用户程序区用于存放用户经编程器输入的应用程序。数据区用于存放PLC在运行过程中所用到的和生成的各种工作数据。 系统区主要存放CPU的组态数据。 （3）、输入、输出单元：是可编程序控制器的CPU与现场输入、输出装置或其他外部设备之间的连接接口部件。输入单元将现场的输入信号，经过输入单元接口电路的转换，变换为中央处理器的能接受和识别的低电压信号，送给中央处理器进行运算；输出单元则将中央处理器输出的低电压信号变换为控制期间所能接受的电压、电流信号，以驱动信号灯、电磁阀、电磁开关等。（4）、编辑器：编辑器是PLC的重要外部设备。它的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视等。（5）、电源单元：电源单元是PLC的电源供给部分。他的作用是把外部供应的电源变换成系统内部各部分单元所需的电源。三、PLC内部的等效继电器系统（1）、输入端子：PLC从外部输入信号的端口；（2）、输出端子：PLC向外部负载输出的端口；（3）、输入继电器：暂存现场的信息；（4）、输出继电器：通过输出端子驱动外负载。（5）、PLC内部还具备有多种类型的元件，入定时器、计数器和辅助寄存器等。四、PLC的周期工作方式PLC是通过一种周期工作方式来完成控制的每个工作周期分成输入采样、程序执行、输入刷新三个阶段，如图4-2所示。输入输出处理规则：（1）、输入状态寄存器的内容，由上一个输入采样期间输入端子状态决定；（2）、输出状态寄存器的状态，有程序执行期间输出内容确定；（3）、输出端子板上各输出端状态，由输出锁存电路确定；（4）、输出锁存电路状态，由程序执行期间输出状态寄存器内容确定；（5）、程序如何执行，取决于输入输出状态寄存器的状态。五、PLC的程序表达方式（1）、继电器梯形图；（2）、逻辑功能图；（3）、功能流程图；（4）、逻辑代数表达式；（5）、指令语言程序。输出状态寄存器输入端子输出锁存器输出状态寄存器输出刷新输入刷新程序执行ENDEND输出刷新输入采样第0步第0步读和写图4-2 PLC周期工作方式六、编程语言梯形图和功能图示一种图形语言。语句表是一种类似于汇编语言的文本型语言。（1）、梯形图梯形图是与电气控制电路图相呼应的图形语言。它沿用了继电器、触点、串并联等术语和类似的图形符号，并简化了符号，还增加了一些功能性的指令。梯形图是融逻辑操作、控制于一体，面向对象的、实时的、图形化的编程语言。梯形图信号流向清楚、简单、直观、易懂，很适合电气工程人员使用。梯形图在PLC中用得非常普遍，通常各厂家，各型号PLC都把它作为第一用户语言。 （2）、功能图快功能图快类似于普遍逻辑功能图，它沿用了半导体逻辑电路的逻辑框图的表达方式。一般用一种功能方框表示一种特定的功能，框图内的符号表达了该功能块图的功能。功能块图，是图形化的高级编程语言。有基本的逻辑功能、计时合计数功能、运算和比较功能和数据传送功能等。（3）、语句表语句表是用助记符来表达PLC的各种控制功能的。它类似于计算机的汇编语言，但比汇编语言直观易懂，编程简单，因此也是应用很广泛的一种编程语言。这种编程语言可使用简易编程器编程，但比较抽象，一般于梯形图语言配合使用，互为补充。通常梯形图程序、功能块图程序、语句表程序可有条件的方便的转换。但是，语句表可以编写用梯形图或功能图无法实现的程序。4.2 西门子S7-200 PLCPLC的生产厂家很多，比如德国西门子公司、日本的三菱等，但是市场占有量最大的、使用最广泛的还是德国西门子公司生产的S7系列PLC。本设计中使用的PLC就是西门子公司开发的S7-200系列PLC。4.2.1 S7-200 PLC系统的基本构成S7-200 PLC由基本单元(S7-200 CPU)、个人计算机（PC）或编程器、STEP7-Micro/WIN32编程软件以及通信电缆等构成。（1）、基本单元基本单元(S7-200 CPU 模块)也称为主机。由中央处理单元（CPU）、电源以及数字量输入单元组成。这些都紧凑的安装在一个独立的装置中。基本单元可构成一个独立的控制系统。在CPU模块的顶部端子盖内有电源及输出端子；在底部端子盖内有输入端子及传感器电源；在中部右侧前盖内有CPU工作方式开关（RUN/STOP）、模拟调节电位器和扩展I/O连接接口；在模块的左侧分别有状态LED指示灯、存储器卡，及通信口。如图4-3所示。图4-3 S7-200CPU模块（2）、个人计算机或编程器个人计算机或编程器装上STEP7-Micro/WIN32编程软件后，即可供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视等。（3）、STEP7-Micro/WIN32编程软件STEP7-Micro/WIN32编程软件是基于Windows的应用软件，它支持32位Windows95，Windows98和WindowsNT4.0使用环境。它的基本功能是创建、编辑、调试用户程序、组态系统等。四、通信电缆通信电缆是PLC用来与计算机实现通信的。可以用PC/PPI电缆；使用通信处理器时，可用多点接口（MPI）电缆；使用MPI卡专用通信电缆。4.2.2 S7-200 PLC的系统配置S7-200 PLC任一型号的主机，都可单独构成基本配置，作为一个独立的控制系统，S7-200 PLC各型号的主机的I/O配置是固定的，它们具有固定的I/O地址。可以采用主机带扩展模块的方法扩展S7-200 PLC的系统配置。采用数字量模块或模拟量模块可以扩展系统的规模；采用智能模块可扩展系统的控制功能。S7-200 主机带扩展模块进行扩展配置时会受到相关因素的限制。（1）、允许主机所带扩展模块的数量各类主机可带扩展模块的数量是不同的。CPU221 模块不允许带扩展模块