基于PLC的煤仓煤位毕业设计Word格式文档下载.docx
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十二字方针和煤矿安全规程有关条款指导下，规定了我国各大、中、小煤矿的高瓦斯或瓦斯突出矿井必须装备矿井监测监控系统。
因此，大大小小的系统生产厂家如雨后春笋般的不断出现，为用户提供了更多的选择机会、也促进了各厂家在市场竞争条件下不断提高产品质量和服务意识。
国外煤矿监测监控技术是20世纪60年代开始发展起来的,至今已经有4代产品,基本上5~10a更新一代产品。
从技术特性来看,主要是从信息传输发生的进步来划分监控系统发展阶段的。
第一阶段,煤矿安全监控系统主要采用空分制信号传输方式。
60年代中期英国煤矿的运输机控制、日本煤矿中的固定设备控制大都采用这种技术。
典型系统有法国的CTT63/40煤矿监测系统,它可测瓦斯、一氧化碳、风速、温度等参数,最多可测40个测点。
波兰的CMM-20系统,最多可测20个测点以及CMC-1系统,最多可测128个测点。
第二阶段,随着以晶体管电路为主的信息传输技术的发展,煤矿安全监控系统主要采用频率区分信道的频分制信号传输方式,由于采用频分制,传输信道的电缆芯数大大减少,很快就取代了空分制系统。
英美等国的煤矿在60年代后期就已大量采用频分制技术。
其中最具代表性且至今仍有影响的是西德Siemens公司的TST系统和F+H公司的TF200（早期是TF24）系统,这些都是音频传输系统。
第三阶段,集成电路的出现推动了时分制系统的发展,从而产生以时分制为基础的第三代煤矿监控系统,其通信规程比较严格、抗干扰能力强、传输电缆与测试点数无关、结构简单、配置灵活。
其中发展较快的是英国。
英国煤炭研究院于1976年推出以时分制为基础的MINOS煤矿监控系统。
开创了煤矿自动化技术和煤矿监控技术发展的新局面,直到今日,国内外各种监控系统尽管在功能性和产品的技术先进性上都有较大的提高,但系统的整体结构仍没有太大的变化。
在此阶段典型系统有英国的MINOS系统、美国的DAN6400系统、西德的GEA
MATIC-2000全矿井监控系统等。
第四阶段,随着计算机技术、大规模集成电路技术、数据通信技术等现代高新科技的迅速发展,形成了以分布式微处理机为基础,以开发性、集成性和网络化为特征的第四代煤矿监控系统。
其信号的传输方式还是属于时分制范畴,但用原来的一般时分制的概念已不足反映这一高新技术的特点。
其中有代表性的是美国MSA公司DAN6400系统,加拿大参透里昂600型系统。
1.3现有的煤位监控技术
煤位测控系统发展到今天，比较成熟的有超声波式、核辐射式、电阻式、电容式和重锤式等煤位测控技术。
首先分析以上相关煤位传感器的工作原理和特点，在指出其优缺点的情况下，同时也提出了适应煤矿井下煤仓煤位测量的煤位传感器的性能要求，
（1）超声波式料位传感器
超声波式料位传感器在煤仓顶部对着煤面装有超声波发生器和接收器。
传感器的发生器发出超声波射至煤面并被反射，反射回的超声波被接收器接收，由超声波发射到接收器接收所经历的时间乘以声速就可以计算出料位高度。
超声波式能连续测量料位，非接触测量，有很强的抗干扰能力,安装、维护、使用非常方便。
但对煤仓直径与深度比有一定的要求，并要求煤仓形状规则，内表面光滑，但测量盲区较大，因而可靠性差，测量深度也有一定限度。
（2）核辐射式料位传感器
核辐射式料位传感器由放射源Co-60（半衰期2.56年）和Cs-137（半衰期32.2年）发射的γ射线能够穿透煤仓壁和煤仓内的物料。
在煤仓下侧装有γ射线接收器，随着煤位面高度的变化，γ射线穿过料层后的强度有所不同，接收器检测出射入的γ射线强度并通过显示装置显示出煤位高度。
核辐射式料位传感器射线式即能做定点测量，也能做连续测量，探头不与物料接触，无粘着和被掩埋危险。
所以适用于危险物品以及高温高压等恶劣环境下的测量。
但是防护要求高，作连续测量时，价格昂贵。
（3）电容式料位传感器
电容式料位传感器是根据圆筒电容器原理进行工作的，工作原理就是检测容量，根据介电常数。
实际常用的又两种方式：
一种是采用多个电容式料位开关接近开关进行高低点检测，当料上升到电容检测面的时候，电容传感器输出一个开关信号；
另一种是采用直插式，这种料位计一般都有个很长的不锈钢杆，插入容器中，当料位慢慢上升或下降，电容量变化，电容传感器可以输出模拟量型号，当到达设定的上限制或者下限值的时候，输出报警信号，这种传感器可以实时检测出位置。
电容式是根据探极之间的电容正比于物料的料位，能作定点测量，也能连续测量，构造简单，安装容易。
但它要求物料的介电常数稳定，故不适于煤矿井下应用，同样探头接触物料易粘着物料和损坏，而且测量距离也较小。
（4）重锤式料位传感器
重锤式料位传感器由伺服电机、减速器、悬有重锤的钢丝绳，料位检测装置以及带微机的显示仪表等组成。
下面以拉力传感器重锤法料位计（见图1-1）为例介绍其工作原理：
当传感器接到探测命令时：
电机正转，经蜗轮、蜗杆减速后带动齿轮轴和绕线筒转动，使钢丝绳下放，带动重锤由仓顶下降。
当重锤降至料面时被料面托起而失重，钢丝绳松驰，灵敏杠杆动作使微动开关接触，控制显示器得到该信号立即发出电机反转命令，重锤上升返回，直到绕线筒碰上到顶开关，电机停转，重锤回到仓顶原始位置，完成一次探测过程。
重锤式料位传感器可用于60m深的料仓测量，且这种测量与蒸气、灰尘无关，具有较高的测量精度。
煤矿井下煤位测量的重锤式料位传感器应该具有良好的环境相容性、高可靠性、防爆、测量连续准确、易于维护或免维护等特点。
[3]
1.电动机2.减速机3.滚筒4.钢丝绳5.力电传感器6.零位传感器7.重锤
图1-1拉力传感器重锤法料位计
1.4本文研究的主要内容
针对对现场一直存在着对新型料位监测设备的需求。
需要研制一种结构简单、价格低廉、适应性强、抗干扰能力强的数字化的煤位监控系统。
本文应用新型矿用激光测距式煤仓煤位传感器测距原理及实现方法，设计了以基于组态王6.53与可编程逻辑器为基础的煤仓煤位监控系统。
应用组态王软件制作煤仓监控画面，建立实时曲线和历史曲线、实时报表和历史报表，建立数据库，以及与下位机的数据通讯。
硬件采用可编程控制器，通过编写可编程控制器实现与上位机的通讯及对现场设备的控制和数据通讯。
主要的设计内容为：
（1）基于对煤仓煤位的控制系统的研究，模拟现场工艺流程，构建煤位监控系统框架。
（2）煤位传感器的选择。
系统采用新型矿用激光测距式煤仓煤位传感器，该传感器采用相位测距，可靠性高、测量精度高、便于实现监控的数字化。
（3）可编程控制系统的硬件选择；
PLC电源设计；
I/O连接设计，控制程序编写及上位机的通讯设计等。
（4）人机界面的设计。
利用组态王设计实时画面、报警画面、报表统计、趋势曲线、实时监控数据等模块。
第2章组态软件介绍
2.1监控组态软件基本概念和特点
组态软件在国内是一个约定俗成的概念，并没有明确的定义，它可以理解为“组态式监控软件”。
“组态（Configure）”的含义是“配置”、“设定”、“设置”等意思，是指用户通过类似“搭积木”的简单方式来完成自己所需要的软件功能，而不需要编写计算机程序，也就是所谓的“组态”。
它有时候也称为“二次开发”，组态软件就称为“二次开发平台”。
“监控（SupervisoryControl）”，即“监视和控制”，是指通过计算机信号对自动化设备或过程进行监视、控制和管理。
组态软件是有专业性的。
一种组态软件只能适合某种领域的应用。
组态的概念最早出现在工业计算机控制中，如：
DCS（集散控制系统）组态、PLC（可编程控制器）梯形图组态；
人机界面生成软件就叫工控组态软件。
在其他行业也有组态的概念，如AutoCAD，PhotoShop等。
不同之处在于，工业控制中形成的组态结果是用在实时监控的。
从表面上看，组态工具的运行程序就是执行自己特定的任务。
工控组态软件也提供了编程手段，一般都是内置编译系统，提供类BASIC语言，有的支持VB，现在有的组态软件甚至支持C#高级语言。
组态软件大都支持各种主流工控设备和标准通信协议，并且通常应提供分布式数据管理和网络功能。
对应于原有的HMI（人机接口软件，HumanMachineInterface）的概念，组态软件还是一个使用户能快速建立自己的HMI的软件工具或开发环境。
在组态软件出现之前，工控领域的用户通过手工或委托第三方编写HMI应用，开发时间长，效率低，可靠性差；
或者购买专用的工控系统，通常是封闭的系统，选择余地小，往往不能满足需求，很难与外界进行数据交互，升级和增加功能都受到严重的限制。
组态软件的出现使用户可以利用组态软件的功能，构建一套最适合自己的应用系统。
随着它的快速发展，实时数据库、实时控制、SCADA、通讯及联网、开放数据接口、对I/O设备的广泛支持已经成为它的主要内容，监控组态软件将会不断被赋予新的内容。
[4]
通用组态软件主要特点有：
（1）功能多样，组态软件提供工业标准数学模型库和控制功能库，组态模式灵活，能够满足用户所需的测控要求。
能对测控信息的历史记录进行储存、显示、计算、分析、打印，界面操作灵活方便，具有双重安全体系，数据处理安全可靠。
（2）封装性，通用组态软件所能完成的功能都用一种方便用户使用的方法包装起来，对于用户，不需掌握太多的编程语言技术甚至不需要掌握编程技术，就能很好地完成一个复杂工程所要求的所有功能。
（3）通用性，每个用户根据工程实际情况，利用通用组态软件提供的底层设备（PLC、智能仪表、智能模块、板卡、变频器等）的设备驱动程序、开放式的数据库和画面制作工具，就能完成一个具有动画效果、实时数据处理、历史数据和曲线并存、具有多媒体功能和网络功能的工程，不受行业限制。
（4）实现多任务。
组态软件基于Windows系统，充分利用面向对象的技术和ActiveX动态链接库技术，极大丰富了控制系统的显示画面和编程环境，从而方便灵活的实现多任务操作。
随着工业自动化水平的迅速提高，计算机在工业领域的广泛应用，人们对工业自动化的要求越来越高，种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域的应用，使得传统的工业控制软件已无法满足用户的各种需求。
在开发传统的工业控制软件时，当工业被控对象一旦有变动，就必须修改其控制系统的源程序，导致其开发周期长；
已开发成功的工控软件又由于每个控制项目的不同而使其重复使用率很低，导致它的价格非常昂贵；
在修改工控软件的源程序时，倘若原来的编程人员因工作变动而离去时，则必须同其他人员或新手进行源程序的修改，因而更是相当困难。
通用工业自动化组态软件的出现为解决上述实际工程问题提供了一种崭新的方法，因为它能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题，使用户能根据自己的控制对象和控制目的的任意组态，完成最终的自动化控制工程。
综上所述，组态软件具有实时多任务、接口开放、使用灵活、功能多样、运行可靠等特点。
2.2监控组态软件的发展背景和发展方向
2.2.1组态软件发展背景
自2000年以来，国内监控组态软件产品、技术、市场都取得了飞快的发展，应用领域日益拓展，用户和应用工程师数量不断增多。
充分体现了“工业技术民用化”的发展趋势。
监控组态软件是工业应用软件的重要组成部分，其发展受到很多因素的制约，归根结底，是应用的带动对其发展起着最为关键的推动作用。
关于新技术的不断涌现和快速发展对监控组态软件会产生何种影响，有人认为随着技术的发展，通用组态软件会退出市场，例如有的自动化装置直接内嵌“WebServer”实时画面供中控室操作人员访问。
作者并不这样认为。
用户要求的多样化，决定了不可能有哪一种产品囊括全部用户的所有的画面要求，最终用户对监控系统人机界面的需求不可能固定为单一的模式，因此最终用户的监控系统是始终需要“组态”和“定制”的。
这就是监控组态软件不可能退出市场的主要原因，因为需求是存在且不断增长的。
监控组态软件是在信息化社会的大背景下，随着工业IT技术的不断发展而诞生、发展起来的。
在整个工业自动化软件大家庭中，监控组态软件属于基础型工具平台。
监控组态软件给工业自动化、信息化、及社会信息化带来的影响是深远的，它带动着整个社会生产、生活方式的变化，这种变化仍在继续发展。
因此组态软件作为新生事物尚处于高速发展时期，目前还没有专门的研究机构就它的理论与实践进行研究、总结和探讨，更没有形成独立、专门的理论研究机构。
近5年来，一些与监控组态软件密切相关的技术如OPC、OPC-XML、现场总线等技术也取得了飞速的发展，是监控组态软件发展的有力支撑。
2.2.2组态软件发展方向
目前组态软件都能完成的类似功能：
监控界面的动画编辑、各类报表模块、报警模块、趋势曲线模块及使用脚本语言提供二次开发的功能等等。
但从技术说，各类软件实现以上功能的方法各不相同，从这些不同之处及PC技术发展的趋势，可以看出组态软件未来的发展方向。
[5]
组态软件的功能需要变迁。
由单一的人机界面朝数据处理机方向发展，管理的数据量越来越大。
最早的组态软件用来支撑自动化系统的硬件。
那时侯，硬件系统如果没有组态软件的支撑就很难发挥作用，甚至不能正常工作。
现在的情况有了很大改观。
一方面软件部分地与硬件发生分离，大部分自动化系统的硬件和软件现在不是由同一个厂商提供，这样就为自动化软件的发展提供了可以充分发挥作用的舞台。
实时数据库的作用将进一步加强。
实时数据库存储和检索的是连续变化的过程数据，它的发展离不开高性能计算机和大容量硬盘，现在越来越多的用户通过实时数据库来分析生产情况、汇总和统计生产数据，作为指挥、决策的依据。
很多新的技术将不断地被应用到组态软件当中，组态软件装机总量的提高会促进在某些专业领域专用版软件的诞生，市场被自动地细分了。
为此，一种称为“软总线”的技术将被广泛采用。
在这种体系结构下，应用软件以中间件或插件的方式被“安装”在总线上，并支持热插拔和即插即用。
这样做的优点是：
所有插件遵从统一标准，插件的专用性强，每个插件开发人员之间不需要协调，一个插件出现故障不会影响其他插件的运行。
XML技术将被组态软件厂商善加利用，来改变现有的体系结构，它的推广也将改变现有组态软件的某些使用模式，满足更为灵活的应用需求。
专用系统所占比例日益提高。
组态软件的灵活程度和使用效率是一对矛盾，虽然组态软件提供了很多灵活的技术手段，但是在多数情况下，用户只使用其中的一小部分，而使用方法的复杂化又给用户熟悉和掌握软件带来的很多不必要的麻烦。
这也是现在仍然有很多用户还在自己用VB编写自动化监控系统的主要原因。
在有些应用领域，自动监控的目标及其特性比较单一（或可枚举，或可通过某种模板自主定义、添加、删除、编辑）且数量较多，用户希望自动生成大部分自动监控系统，例如在电梯自动监控、动力设备监控、铁路信号监控等应用系统。
这种应用系统具有一些“傻瓜”型软件的特征，用户只需用组态软件做一些系统硬件及其参数的配置，就可以自动生成某种特定模式的自动监控系统，如果用户对自动生成的监控系统的图形界面不满意，还可以进行任意修改和编辑，这样既满足了用户对简便性的要求，又同时配备比较完善的编辑工具。
长期以来，中国的组态软件市场都是由国外的产品占主角，中国本土的组态软件进入国际市场还有很长的路要走，需要具有综合优势。
中国的工程公司、自动化设备生产商在国际市场取得优势对组态软件进入国际市场也具有一定的推动作用。
相信民族组态软件的崛起是迟早的事情。
与其他软件产品相比，组态软件和IT类软件不同，有自己的特殊性，具有系统的概念，使用范围也不是很广，面临的国际竞争没有其他类似办公软件或操作系统那样激烈，因此中国的本土软件很容易崛起。
组态软件市场的崛起一方面为最终用户节省了系统投资，另外也为用户解决了实际问题。
现在用户购买组态软件虽然也需要一定的投资，但是和以前相比，投资额得到了大大降低。
使用组态软件，用户可以做到“花了少量的钱，办成了大事情”。
但是毕竟我们是跟在国外产品的后面发展起来的，要想全面超过国外的竞争对手，就必须坚持走好自己的道路，尽量减少效仿，突出特色，以客户需求为中心，积极创新。
只有这样，本土的软件才能够具有稳固的根基。
2.3监控组态软件的结构框架
各类的组态软件从总体上来看一般都是有系统开发环境（或组态环境）和运行环境两大部分组成。
系统的开发环境和运行环境之间的纽带是实时数据库。
a.系统开发环境
系统的开发环境（组态环境），它是一个工程开发设计的工具，主要用于制作监控画面、监控的设备的定义、定义相关变量、建立动画链接、编写程序控制命令语言、以及设定运行系统配置等的系统组态工具。
b.系统运行环境
在系统运行环境下，目标应用程序被载入计算机内存并投入实时运行。
系统运行环境负责采集和监控现场设备的数据，根据工程画面上图元的动画连接实时更新图形画面，将现场工程运行状况以组态图形的方式显示出来。
工程运行界面，从采集设备中获得通讯数据，并依据工程浏览器的动画设计显示动态画面，实现人与控制设备的交互操作。
组态软件中的每个功能模块都是相对独立的，不同功能模块和组件的组合，就能够组织成一个功能完备的综合软件系统。
根据系统的需求，常用的组件主要包括：
（1）图形界面，主要包括开发程序和运行程序，开发程序可以实现自动化控制方案的编制，生成工作依赖的开发环境。
编制并建立工程画面文件，生成目标应用系统。
运行程序可以将开发程序中生成的应用系统加载到系统内存中，在系统运行的环境下执行实时运行。
（2）实时数据库系统模块，实时数据库系统程序是联系上位机和下位机通信的纽带。
可以将用户的操作指令发送到生产现场，并且能够将现场的各种实时状况以图形动态的形式显示在屏幕上，这些都是依赖于实时数据库系统模块的支撑。
系统提供了实时数据库参数设置的功能，能够自定义数据来源、数据类型、接口等参数。
（3）历史数据库模块，该模块实现对历史数据的保存、查询检索等操作。
由于实时数据库模块将现场的实时数据存储在内存中，随着系统运行的累积以及数据的更新，将不能满足数据存储的需求。
历史数据库可以将重要的数据存储，并进行管理，用户可以通过操作历史数据库，对系统的运行状态进行评估。
（4）设备驱动模块，设备驱动模块是实现数据交换和实时数据传递的模块。
根据系统中本地数据采集和监控设备通信的要求可以选择适宜的通讯方式，支持常用的标准通讯协议，如HostLink、TCP、ModBusRTU等，当然也支持一些特殊的通讯协议。
设备驱动模块，可以实现不同品牌PLC、板卡等设备的通讯。
（5）网络通信模块，主要实现系统环境中网络节点实时信息的同步，实现数据的实时传输，实现网络实时通信。
（6）数据报表模块，以图形、图表的方式显示系统运行的各种历史、统计、分析的信息，可以连接打印机直接输出。
既能反映系统实时的生产情况，也能对长期的生产过程进行统计、分析，使管理人员能够实时的掌握和分析生产情况。
（7）报警模块，报警模块是指当系统中某些量的值超过了所规定的界限时，系统自动产生相应警告信息，表明该量的值已经超限，提醒操作人员，有了报警，就可以提示操作人员注意。
第3章可编程控制器简介
3.1可编程序控制器简介
3.1.1可编程序控制器功能与特点
可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC，是一种以微处理器为核心的自动化装置，在工作环境中使用数字操作的电子系统，使用可编程存储器内部存贮用户设计的指令，用这些指令来实现逻辑运算、顺序操作、定时计时以及算术运算，并通过数字或模拟I/O来控制各种类型的机械或过程。
[10]
PLC的主要功能为：
逻辑控制功能；
定时控制功能；
计数控制功能；
步进控制功能；
数据处理功能；
回路控制功能；
通讯联网功能；
监控功能；
停电记忆功能；
故障诊断功能。
其中逻辑控制功能、步进控制功能、监控功能及数据处理功能是本文主要用到的功能。
可编程控制器的迅猛发展的原因在于它具有一些其它控制系统所不及的一些特点。
（1）灵活性好
在实现一个控制程序时，PLC具有很高的灵活性。
由于PLC得结构形式多种多样，同一机型的PLC。
其硬件构成具有很大的灵活性，用户可以根据不同任务的要求，选择不同类型的输入和输出模块或特殊模块，组成不同硬件结构的控制装置。
同时，在实现不同的控制任务时，PLC具有良好的通用性。
相同硬件结构构成的PLC可以利用不同的软件实现不同的控制任务。
在被控制对象的控制逻辑需要改变时，利用PLC可以很方便地实现新的控制要求，而其他的控制装置（如继电器控制）很难实现。
（2）安全性高，抗干扰能力强
工业生产过程对控制装备的可靠性要求越来越高。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术，完善的自我诊断功能，能够及时的诊断出PLC系统的软硬件故障，并能保护故障现场，保证了PLC控制系统的工作安全。
例如冗余设计，掉电保护，故障诊断，报警，运行信息显示和信息保护及恢复等。
PLC专门为工业控制设计的，能适应工业现场的恶劣环境。
PLC采用隔离和滤波的抗干扰技术，其输入和输出电路一般都用光电耦合器传递信号，得CPU与外部电路完全切断点的联系，有效的抑制了外部电路的干扰。
（3）使用方便，维护简单
PLC的用户界面十分友好，给使用者带来很大的方便。
PLC提供标准的通讯接口，可以方便的构成PLC网络或计算机-PLC网络。
他接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。
梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能，即使没用计算机基础的人也能够掌握。
PLC的监控功能可以对PLC的运行状态、内部数据进行监视或修改，增加了调试工作的透明度。
PLC控制系统的维护非常简单，利用PLC的自我诊断功能和监控功能，可以迅速的查到故障点，维修人员可以根据有关故障代码的显示和故障信号灯的提示等信息，或通过
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