基于PLC的胶带输送机监控系统设计 精品.docx
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毕业设计
姓名学号：
系别：
专业：
设计题目：
基于PLC的胶带输送机监控系统设计
专题：
指导教师：
职称：
教授
2010年4月
毕业设计题目：
基于PLC的胶带输送机监控系统设计
毕业设计专题题目：
毕业设计主要内容和要求：
以西门子S7-300型PLC为核心，进行胶带输送机监控系统设计。
要求开发出相关的综合监测与保护、手动与自动控制部分的界面程序，进行模拟量和数字量输入输出模块的选择，并设计出整个系统的综合保护和自动控制原理图；在硬件条件具备情况下，进行程序的调试和修改，以验证软件的正确性。
另外，完成一篇与课题相关的3000字英文翻译。
院长（系主任）签字：
指导教师签字：
中国矿业大学毕业设计指导教师评阅书
指导教师评语（①基础理论及基本技能的掌握；②独立解决实际问题的能力；③研究内容的理论依据和技术方法；④取得的主要成果及创新点；⑤工作态度及工作量；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：
成绩：
指导教师签字：
年月日
中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书
评阅教师评语（①选题的意义；②基础理论及基本技能的掌握；③综合运用所学知识解决实际问题的能力；④工作量的大小；⑤取得的主要成果及创新点；⑥写作的规范程度；⑦总体评价及建议成绩；⑧存在问题；⑨是否同意答辩等）：
成绩：
评阅教师签字：
年月日
中国矿业大学毕业设计答辩及综合成绩
答辩情况
提出问题
回答问题
正确
基本正确
有一般性错误
有原则性错误
没有
回答
答辩委员会评语及建议成绩
答辩委员会主任签字：
年月日
学院领导小组综合评定成绩
学院领导小组负责人：
年月日
摘要
为了保证井下运输系统可靠安全运行，对井下带式输送机进行集中监视和控制很必要。
本文以枣泉煤矿主斜井胶带输送机为背景，采用了以PLC技术为核心的分布式控制结构，设计出控制一条皮带和一台给煤机的监控系统。
监控系统由操作台和可编程控制器组成，操作台用来后台管理和实时显示运行信息，可编程控制器主要来完成现场信号的采集和实时控制。
文中首先详细介绍了胶带监控系统的构成和应具有的功能，通过分析胶带输送机常见故障类型、故障检测传感器选型，确定监控系统的硬件结构；在此基础上采用S7-300PLC对系统进行硬件和软件设计，其中包括PLC的模块配置及外部连线，梯形图程序设计；并以SIMATIC配套触摸屏组态软件PROTOOL为基础，开发设计了操作台监控显示系统；最后提出了以单个胶带监控系统为分站，建立由若干分站、地面总站及控制网络等组成的，针对胶带机群的监控系统思想。
该监控系统在PLCSIM和PROTOOL中进行功能仿真，结果表明，系统功能比较齐全，在良好的环境中运行稳定、可靠，能够完成预定的任务，为矿井安全高效生产提供了保证。
关键词：
胶带输送机；S7-300；PROTOOL；监控系统
ABSTRACT
Inordertomakesurethatthebeltlineofwellworkssecurelyandreliably,itisnecessarytomonitorandcontrolthebeltconveyor.OnthebasisofZaoQuanminebeltconveyorfixedinitsmainslantwell,amonitoringsystemaimingatonestrapandsinglestagecoalfeederisdesigned,andadistributedcontrollingstructuremainlybasedonPLCisusedinthesystem.ThemonitorsystemiscomposedofoperationflatandPLC.Theformeroneisusedtocontrolflatanddisplayrunninginformationreal-timeandthelateroneisusedtocollectfieldinformationandcontrolbeltreal-time.Inthispaper,firstofall,thehardwarepartsofthemonitoringsystemisparticularlyanalyzed,andthenthegeneralfaulttypes,sensormodels,systemconnectionsarealsointroduced.HardwareandsoftwareofthesystemstationaredesignedwithS7-300PLC,includingthemodulesettingofPLCanditsouterinterfacedwires,aswellaspartsofthemainsoftware.ThemonitoringdisplaysystemisdesignedbasedonPROTOOLsoftwareoftheSIMATICtouchscreen.Atlast,anideaofthemonitoringsysteminallusiontothebeltconveyorsisproposed,andthefollowingpartsintroducethisidea:
separatedstationscomposedofasinglebeltmonitoringsystem,groundterminalandthecontrollingnetwork.
FunctionalsimulationintheSIMTACsoftwarePLCSIMandPROTOOLindicatesthatthesystemissteadyandcredibleandcanfulfillexpectedtasks,whichmakestheminesecureandefficient.
Keywords:
Beltconveyor；S7-300；PROTOOL；Monitoringsystem
1绪论
1.1胶带输送机监控系统
1.1.1矿井运输系统
煤炭运输是煤炭生产过程中不可缺少的一部分。
矿井中，运输线路比较长，巷道条件多种多样，运输若不通畅，采掘工作或是其它的工作都无法进行，整个煤炭生产系统将处于瘫痪状态。
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[1][2]。
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。
正是在这种环境下，胶带输送机系统由于具有输送距离长、运量大、连续输送等优点，而且运行可靠，易于实现自动化和集中化控制，目前，特别是在高产高效矿井，它已成为煤炭开采机电一体化技术与装备的关键设备。
1.1.2胶带输送机监控系统
矿井胶带运输系统，是由多条胶带搭接或由煤仓转载形成的煤流运输系统，因此它内部的基本运输单元就是单台胶带机。
在煤矿中，煤流运输一般在几公里到十几公里之间，因此它的运输系统要有多台胶带输送机、给煤机、煤仓等构成，协调配合完成长距离运输任务[2]。
为保证运输系统的安全可靠，提高运输效率，对其进行完善的管理和监控是现代矿井煤流运输迫切需要的一项技术。
在80年代，国内开始了煤矿监测监控技术的研究，至今已得到了广泛的应用和发展。
随着新材料技术、电子传感技术、数字通信技术、控制技术、微计算机技术、软件技术和网络技术的迅速发展，监测监控技术从其通讯方式上划分，先后经历了三个阶段。
第一阶段是每个传感器需一对传感线连接到地面的星型结构。
第二阶段是在一对传感线上实现多路频率分割的载波传输。
第三阶段是目前应用最多的中心站和分站之间的半双工时分总线方式。
监测监控系统自中心站计算机向下，由接口装置、信号传输总线、井下分站和各类传感器、断电仪等组成。
中心站计算机和各分站曾集散型积木结构。
桌面部分有中心站计算机和交换机、交换机、集线器、双绞线、用户终端等组成实时快速100M以太网络或其它网络系统。
目前国内KJ系列监测监控系统大都缺乏统一标准。
这主要表现在通讯协议、分站、传感器和断电仪等设备外围接口方面；另外是监测监控系统软件。
为适应现代工业控制的实际需要，工业组态软件的开发和使用将成为今后计算机监控系统软件的主流。
组态软件具有良好的开放性、交互性和灵活性，用户可以继承性的开发。
煤矿综合自动化监测监控系统和专家分析系统已成为一种发展趋势[3]。
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。
科学技术的日新月异，使得用计算机技术、网络技术、新的工业控制器技术构建胶带输送机控制系统成为可能。
胶带输送机监控系统是煤炭监控系统的一小部分，目前胶带输送机运行监控系统存在的主要问题有[4]：
（1）在安全保护方面，为提高胶带输送机运行的可靠性，安全性，减少故障，提高效率，多种检测方法已应用于电动机、液力偶合器、减速器和胶带运行系统故障检测，但是这些系统是相互独立的。
（2）故障检测系统误报率高。
误报将造成胶带输送机不应有的停机，使全矿井停产，对矿井生产造成极大影响。
（3）安全保护系统，软起动控制系统，自动张紧系统往往是独立的系统，信息不能共享，不能实现对胶带输送机的综合监控，更不能与矿井其它监控系统（如矿井安全监控系统，矿井供电监控系统等）连接，不能实现监控系统与矿井信息系统的集成。
（4）在胶带输送机运行控制中，给胶带输送机配料的仓下闸门控制，长期以来一直只能由操作工人靠观察来手工调节，劳动环境恶劣，强度大，同时也成为胶带运输系统减员提效的瓶颈。
国外煤矿监控技术是20世纪60年代开始发展起来的，至今已有四代产品，基本上5～10年更新一代产品。
从技术特性来看，主要是从信息传输方式的进步来划分监控系统发展阶段。
80年代是计算机、大规模集成电路、数字通信等现代技术高速发展时期。
由英国煤炭研究院推出的MINOS系统软件应用成功。
美国以其拥有的雄厚高科技优势，率先把计算机技术、大规模集成电路技术、数字通信技术等现代高新科技用于煤矿监控系统，使煤炭监控技术跻身于高科技之列。
这就形成了以分布式微处理机为基础的第四代煤矿监控系统。
其中有代表性的是美国MSA公司的DAN6400系统，其信息传输方式仍属时分制范畴，但用原来的一般时分制的概念已不足以反映这种高科技的特点[3]。
1.2胶带输送机监控系统几种常见技术
计算机技术、网络技术、新的工业控制器技术的出现及应用，使得矿井生产自动化得到了很好的发展，现代化的监控技术也应用到矿井监控系统中来。
现在常见的矿井运输监控技术有以下三种类型[4][5][6][7]：
基于PLC的集中控制技术、以系统中心站为核心的集中式控制结构和基于PLC的分散控制系统。
1.2.1基于PLC的集中控制技术
这种控制技术是直接对控制对象进行控制，此类型有两种形式，一种是用PLC直接对胶带机及给煤机等进行控制。
这种结构的优点就是控制集中、直观、软硬件相对简单，投资少。
但是它的控制范围小，只能对小型矿井或者相对集中的几条胶带输送机进行控制，同时由于控制的相对集中，致使输入输出点较多，所以连接线多而密集，增加了故障点。
图1.2.1基于PLC的集中控制结构
另一种结构是以PLC为核心，且配备了远程I/O点。
它所有的控制功能集中由主PLC来实现，方便了程序的编制和修改分析。
远程智能I/O的设置，一方面是避免了上面提及到的集中式结构的集中连接控制线，同时也增加了控制范围。
但是智能远程I/O站没有独立运行的能力，正常工作完全依赖主机。
一旦PLC出现故障或通讯中断都将造成系统瘫痪。
因此，此种系统一般要求主PLC具有硬件冗余的双机热备，同时，通讯线也应具有双线热备功能。
图1.2.2具有远程I/O的集中控制结构
1.2.2以系统中心站为核心的集中式控制结构
以系统中心站为核心的集中式控制结构是以工业控制计算机为核心，智能分站是由单片机构成的结构。
这种结构在矿井监控系统中得到了广泛的应用。
如我国自己研发的KJ1和KJ4系统，美国的DAN-6400和FEM-CO等。
它的主要特点是采用了地面中心站-分站-传感器和执行器结构形式。
分站具有独立工作能力，但主要承担信息采集、数据预处理、数据传输以及简单的控制任
图1.2.3以中心站为核心配带智能分站的集中控制结构
务，而大量的任务是需要由中心计算机集中处理完成。
这种结构的重心是中
心计算机和通讯信道，但一旦出现故障，将导致整个系统瘫痪；其次，系统的数据存储空间小，响应时间慢，不利于实时控制。
因此这种结构在煤矿一般主要用于环境的监测，对实时性要求、可靠性要求较高胶带运输系统，一般为了避免重要故障的发生，不考虑使用，但是也有应用。
1.2.3基于PLC的分散控制系统及现场总线
随着计算机技术、网络通信技术和过程控制技术的发展，自动化技术的不断兴起，控制要求的日趋复杂，工业控制系统向着分布式控制系统不断发展。
分布式控制技术的主要思想是把复杂的对象划分为若干子对象，然后用局部的控制器作为现场级，直接作用到被控对象，上级是操纵各局部控制器的协调控制器，它使各子系统协调配合，共同完成系统的总任务。
下图是矿井胶带运输系统分布式控制的两极结构模型。
图1.2.4分布式控制结构
分布式控制系统中，各PLC控制分站是通过现场总线网络接口连接在一起，PLC控制分站具有独立工作能力，可自主完成既定的任务，如数据采集、处理、监视、操作和控制等。
这一针对性对矿井胶带运输系统来说，就是每条胶带输送机设置一个PLC控制分站，独立自主完成对单条胶带输送机的控制、显示和操作。
这一特点首先是解决了系统的分散问题，空间分布多分支的矛盾。
由于分站的监控对象是单条胶带输送机，可以将分站设置在驱动部件信息较为集中的地方，这样站点和控制对象的距离较近，节约了信号电缆，减少了传输损耗，减轻了电磁干扰，简化了传输手段和抗干扰措施，提高了可靠性，节约了投资。
同时，单机电控能满足监控信息量大和复杂的控制要求。
在此系统中，各分站是通过现场总线通讯网络传送各种信息，由中心站协调工作。
中心站是由工业控制计算机为核心构成的，以完成控制系统的总体功能和优化处理。
这个特点保证了胶带运输系统运行连续性和合理性。
总的来说，就是控制各胶带分站，通过网络传递各种信息，由集控中心站使得各胶带输送机的运行得到统一的集中管理，从而使运行更加合理。
中心站还可以与矿局域网连接，作为企业网的一个节点，向总部发送或接受各种信息。
由于矿井生产能力、地理条件、采掘、运输和提升方式的不同，矿井胶带运输系统的组成存在很大的差异。
同时由于工作面的迁移，使得采区、顺槽等分支经常变更，只有采用积木式控制系统结构，才能满足运输系统在规模、结构上的差异，才能满足分支系统经常变更的需要。
由于各分站可以独立地完成对单台胶带输送机的控制、显示和操作，集控中心站又能集中管理、显示和操作，这种结构能适应运输上的集中、管理上分块的管理体系。
因此，矿井胶带运输系统采用分布式结构是合理的，它通过功能分散、危险分散，提高了矿井胶带运输系统的可靠性。
由于采用了分级分布的控制方式，解决了整个运输系统控制对象比较分散的矛盾，从而使整个控制系统更加安全、可靠。
现场总线是整个分布式控制系统的核心和关键。
现场总线技术的不断发展和完善使得控制的实时性、可靠性、安全性将得到极大的提高。
现场总线是连接现场装置与控制室之间的全数字式、开放的、双向多点通信数据的网络总线，它按国际标准化标准提供网络服务。
现在广泛使用的现场总线有以下几种：
FF基金会现场总线、PROFIBUS现场总线、WORLDFIP现场总线、LONWORKS现场总线、CAN现场总线等。
1.3论文主要工作
矿井生产自动化已经成为一种趋势，如何更好的实现矿井运输系统的集中安全控制管理是现在迫切解决的问题。
本论文正是以此为目的，以枣泉煤矿主斜井胶带输送机为背景，设计单条皮带和单台给煤机的监控系统。
此监控系统是以西门子S7-300PLC为核心，实现胶带输送机和给煤机多种工作方式下的启停控制和各种故障监测的胶带运输监测控制系统。
若是考虑对多条皮带进行控制，对于这种多条皮带分布分散、空间分布多分支的运输机群及复杂工艺流程和闭锁关系，应采用适应这种场合的分布式控制系统。
即在各单条皮带设立分站监控的基础上加入主站设计，通过主站将各分站联系控制起来。
本论文是针对单条皮带和单台给煤机设计，它主要内容如下：
（1）对胶带运输监控系统的几种主要类型进行概述。
（2）以枣泉煤矿主斜井胶带输送机为背景，讲述胶带输送机监控系统的硬件构成，讨论要监控的故障对象、传感器配置及对故障的处理措施，并给出了本监控系统所需要的各种传感器和执行器。
（3）概述监控系统实现的功能，进行S7-300PLC模块选型和外部连线设计。
（4）采用梯形图方法编制程序，实现系统功能。
（5）为了使监控系统更加完善，实现控制的可观化、清晰化，加入了触摸屏设计。
它可以实时显示系统的运行情况和各种故障情况，进行及时的报警显示和记录。
2胶带机监控系统系统结构
2.1课题背景
枣泉煤矿主运输带式输送机系统，包括主斜井带式输送机、原煤带式送机及1顺煤槽带式输送机、2顺煤槽带式输送机、中车场转载带式输送机、主斜井带式输送机和原煤带式输送机等。
1顺煤槽带式输送机、中车场转载带式输送机采用调速液力偶合器，2顺煤槽带式输送机、主斜井带式输送机采用CST软启动控制系统，CST主控器随CST配带。
除原煤带式输送机外，各带式输送机均采用带以太网接口的PLC控制，由CPU通过I/O及设备网络对现场设备控制及数据采集。
本矿井主运输带式输送机系统，采用PLC集中控制系统，并配置监控计算机。
系统采用逆煤流延时起车，瞬时停车方式，设备之间相互闭锁，并设有起车、停车、事故和联系信号。
本设计只设计主斜井带式输送机的监控系统。
它的主要参数如下：
主斜井带式输送机长1260m，由3台1400KW电机拖动，采用CST启动，正常运行速度4.5m/s，电压等级为10KV，远程控制方式。
主斜井带式输送机监控系统PLC，设置在东主井井口控制室，对主井带式输送机及附属设备控制。
带式输送机的监控和保护共用一套PLC，控制分站的核心器件是可编程序控制器，采用高性能的PLC，用在集控、就地、检修三种工作方式下，程序控制带式输送机。
2.2胶带输送机监控系统设备构成
胶带输送机监控系统主要由PLC、人机界面等组成，它主要控制胶带输送机、可控启动传输CST、各种故障检测和保护装置，将各种信息在触摸屏上集中显示。
胶带机系统电缆连接图如附图8所示。
下面我们对监控系统各部分进行详细的介绍。
2.2.1带式输送机[1][2][8]
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：
输送带、驱动装置、托辊、机架、拉紧装置、制动装置和清扫装置。
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。
拉紧装置可以使胶带获得一定的张力，防止皮带松懈，引起不必要的麻烦。
物料是经机尾装料口落到上股胶带上面，当胶带带着煤流运行到尾端时，自动将其卸落。
主动滚筒与电机相连，当电机转动时，带动滚筒转动，胶带通过胶带和滚筒之间的摩擦力也被带动运行，从而实现运输功能。
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。
在此项目中，我们采用美国道齐公司的CST装置，来代替传统使用的液力偶合器。
因此驱动装置主要有电动机、联轴器、可控启动传输CST装置和传动滚筒组成。
其连接方式是电动机与CST连接，CST与传动滚筒连接。
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。
本胶带输送机由三台电机和三台CST装置组成，驱动功率为3
1400KW，且采用双滚筒驱动。
由于双滚筒驱动具有功率不稳定问题，而采用CST装置后，可以实现自动调节，使它们的功率平衡，避免了加大电机的备用功率。
2.2.2CST软启动
带式输送机正向高速度、大运量、大功率、长运距方向发展，三相交流异步电动机以运行可靠、控制方便和价格低廉等因素被广泛应用于带式输送机。
但由于电机启动性能和调速性能差、启动转矩小，与带式输送机直接相连启动，会增加皮带的张力[9]。
输送带是具有粘弹性的弹性体，带式输送机系统可以认为是弹簧一质量系统。
由于电机速度快，且在重载和超载条件下工作，起动电流过大，对电网的冲击增大，压降增加，造成起动困难；且电机直接起动，输送机起动加速度过大，胶带产生的动张力就越大，瞬间引起的冲击力也相当大，会加速托棍、滚筒及其它部件的损坏，缩短胶带的使用寿命；同时使输送带松边拉紧装置反应速度滞后，输送带的垂度加大，造成功率传递不平衡，起动不平稳。
软起动技术是改善起动条件的主要手段。
软起动技术是在一定的起动时间内，控制起动加速度，确保带式输送机按所要求的加速度曲线平稳起动，达到额定的运行速度，同时使电机的起动电流和输送带的起动张力控制在允许范围内。
目前大型带式输送机可控启动装置主要有：
液力词速装置、CST装置、液体粘性传动装置、变频调速装置、交流电机软启动装置等几种。
CST（ControlledStartTransmission）可控启动装置是出自美国的一种为带式输送机设计使用的一套装置的总称。
它是由多级齿轮减速器、湿式离合器及液压控制系统组成。
CST系统的主体是一个可控无级变速的减速器，其基本原理是在一级行星传动中，用控制内圈转速的办法调节行星架输出的转速，使负载得到所需要的启动速度特性，减速特性，并能以任意非额定的低速运行。
内齿圈的转动用多片型液体粘滞离合器控制，多型液体粘滞离合器是由若干个动片和静片交叉叠合成，动片组经外齿花键与行星轮系的内齿圈连接，静片组经内齿花键与固定在减速箱体上的轴套连接，离合器的离合由环型液压缸操作。
离
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