毕业设计 PLC煤矿控制系统设计.docx
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毕业设计PLC煤矿控制系统设计
毕业设计（论文）
（说明书）
题目：
PLC煤矿控制系统设计
姓名：
姬鹏飞
编号：
平顶山工业职业技术学院
年月日
平顶山工业职业技术学院
毕业设计（论文）任务书
姓名
专业
任务下达日期年月日
设计（论文）开始日期年月日
设计（论文）完成日期年月日
设计（论文）题目：
A·编制设计
B·设计专题（毕业论文）
指导教师
系（部）主任
年月日
平顶山工业职业技术学院
毕业设计（论文）答辩委员会记录
系专业，学生于年月日
进行了毕业设计（论文）答辩。
设计题目：
专题（论文）题目：
指导老师：
答辩委员会根据学生提交的毕业设计（论文）材料，根据学生答辩情况，经答辩委员会讨论评定，给予学生毕业设计（论文）成绩为。
答辩委员会人，出席人
答辩委员会主任（签字）：
答辩委员会副主任（签字）：
答辩委员会委员：
，，，
，，，
平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）评语
第页
共页
学生姓名：
专业年级
毕业设计（论文）题目：
评阅人：
指导教师：
（签字）年月日
成绩：
系（科）主任：
（签字）年月日
毕业设计（论文）及答辩评语：
摘要
煤矿地面生产系统主要包括三个部分：
即皮带运输系统、筛分系统、储装运及计量系统。
利用西门子S7-300系列PLC形成地面生产系统的集中控制系统，控制范围包括从主井煤仓至主煤仓过程中的所有皮带、给煤机、破碎机、动筛、转载机等设备以及煤仓煤位的控制和保护。
在地面生产系统变电站设置主控PLC系统，通过硬件接口控制生产系统高低压供电设备，从而控制皮带等设备的启停，同时采集高低柜电量信息。
主控PLC系统完成整个生产系统设备间的闭锁和集中控制，在主控PLC柜体上安装触摸屏（或操作屏）在筛分楼安装分站PLC系统，主要采集各类保护信号，并输出控制命令给各就地控制箱，监测和控制筛分楼配电设备，与主控PLC进行通讯。
在煤仓上仓的配电分站，设置煤仓分站PLC，监测和控制筛分楼配电设备，与主控PLC进行通讯。
在煤仓下仓的配电点设置火车装车分站PLC。
主要控制装车皮带、皮带制动器、煤仓给煤机、出煤口电动阀门、牵引系统等。
在各类皮带、动筛等设备附近安装就地控制箱，就地控制分手动（就地）和自动（远动），在自动（远动）方式时，设备的其他由PLC系统控制，当在手动方式时，即使PLC系统瘫痪仍能由就地直接控制设备。
PLC系统能识别就地控制箱的手动或自动方式的选择。
在皮带沿线安装紧停（或拉线）包括，对长皮带安装跑偏保护，在动筛、煤仓等容易堆煤的点安装煤位传感器。
在沿线安装语音信号设备，语音信号自成一路沿皮带走廊布置。
各个控制对象的运行信息、控制信号、皮带沿线信号引到PLC柜内，同语音信号一起通过MCTP多通道传输平台送到调度监控中心。
关键词：
PLC系统控制触摸地面控制系统保护
第一章绪论
随着工业的迅速发展，自动化控制（以下简称PLC）在工业控制中的作用越来越来明显。
它替代了传统的继电器，使控制也越来越来方便，越来越节能；实现体积小，重量轻，编程方便，控制可变，具有很好的柔性；并且可靠性高，抗干扰强。
工业控制自动化技术是一种运用控制理论、仪器仪表、计算机和其它信息技术，对工业生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策，达到增加产量、提高质量、降低消耗、确保安全等目的的综合性技术，主要包括工业自动化软件、硬件和系统三大部分。
工业控制自动化技术作为20世纪现代制造领域中最重要的技术之一，主要解决生产效率与一致性问题。
虽然自动化系统本身并不直接创造效益，但它对企业生产过程有明显的提升作用。
本设计将介绍PLC的基本结构、工作原理及发展特点。
在设计燃料准备系统四级皮带运输机控制中，讲述PLC的功能和怎样实现控制，它的控制方法灵活，指令种类冗多，使用极为方便。
在该系统的设计中，决定在系统中设置故障保护，使该四级皮带运输机的运行能够安全稳定的运作，以提高该套系统的运行安全性、稳定性和可靠性。
这种控制方式，在PLC的编程设计和现实控制中已经非常的普遍了，松下可编程控制器有着强大的功能，速率快，运行性能好，对这样的控制有很好的监控作用
在皮带运输机所有设备的运行中均采用定时器和外部动作信号连锁的动作方式，控制设备的运作，并且设有故障报警，当故障情况下，除过有备用的设备，可以使系统皮带运输机继续工作，若无备用的设备一旦发生故障，则均不能运行，只有当该设备的故障解除后，才可正常运行。
该系统已设计了比较可靠的运作保护系统，提高了皮带运输机运行的可靠性和安全性。
矿井生产包括开采、掘进、运输、通风、安全、排水、供电、洗选等多个环节。
在这些环节中，各种检测、监控系统繁多复杂，产品多种多样。
各种品牌的产品通过工业以太网以及协议的转化都能在同一个系统配合使用，共同组成自动化集控系统，这种集控技术的应用将推动我过煤炭行业更上一个台阶。
第二章地面生产控制系统概况
2.1地面生产控制系统组成和内容
煤矿地面控制系统是由以控制为主的现代化大型调度指挥中心和矿井众多自动化子系统（包括通风、排水、提升、运输、压风和供电等）组成。
其动力子系统均具有无人值守功能，系统以安全可靠为设计原则，利用智能控制等多项技术，同时利用声音和图象确保动力系统自动控制及操作运行的安全可靠，取得了多项技术新成果。
同时对系统进行了集成，改变了传统的综合控制模式，提出多系统集成的新模式。
“二统一、一开放”：
统一的数据库即多个系统的原始信息通过两台互为备用的操作服务器的采集送到统一数据库中进行处理；统一的平台软件即各系统的监测监控功能均由统一的工控组态软件开发，各操作终端处于同一平台；开放的网络即系统有最大限度的开放性，可提供600多种通讯转换软件，接纳各种设备。
通过大屏幕、监视器、CRT展现出了整个矿井的主要生产过程，机电设备运行状态以及工业现场的视频图像，通过鼠标即可完成对设备的控制操作。
如图2-1所示：
图2-1调度控制中心
煤矿采用分采分运分储方式，因此己组煤和戊组煤的生产流程是独立的，其生产流程也不同，具体如下：
己组煤：
在主井井口西侧对应布置一个箕斗受煤仓，卸装己组煤。
己组煤经由受煤仓下给煤机及原煤带式输送机进入筛分楼，根据入洗上限对+50mm设计筛分手选矸石及破碎成-50级混煤，经上仓带式输送机运至跨线装车仓。
当煤仓装满后，原煤可通过上仓带式输送机头部分岔溜槽进入去储煤场带式输送机，将原煤运到原煤储煤场储存。
储煤场设于铁路南侧，容量15000t，可存矿井生产3天以上产煤。
储煤场设有返煤漏斗及地道，返煤漏斗下设往复式给煤机，储煤场的煤可通过给煤机及返煤带式输送机运到装车带式输送机上装车外运。
戊组煤：
在主井井口东侧对应布置一个箕斗受煤仓，卸装戊组煤。
戊组煤经由受煤仓下给煤机及原煤带式输送机进入筛分楼，对戊组煤进行0-13mm、13-25mm、+25mm级筛分，13～25mm供本矿锅炉用，对筛出的+25mm块煤只拣大块矸石。
然后进入破碎机破碎，破碎机出料为-50mm，以0～50mm混煤，经上仓带式输送机运至跨线装车仓。
当煤仓装满后，原煤可通过上仓带式输送机头部分岔溜槽进入去储煤场带式输送机，将原煤运到原煤储煤场储存。
储煤场设于铁路南侧，容量15000t，可存矿井生产3天以上产煤。
储煤场设有返煤漏斗及地道，返煤漏斗下设往复式给煤机，储煤场的煤可通过给煤机及返煤带式输送机运到装车带式输送机上装车外运。
在煤仓上仓的配电分站，设置煤仓分站PLC，监测和控制筛分楼配电设备，与主控PLC进行通讯。
在煤仓下仓的配电点设置火车装车分站PLC。
主要控制装车皮带、皮带制动器、煤仓给煤机、出煤口电动阀门、牵引系统等。
在各类皮带、动筛等设备附近安装就地控制箱，就地控制分手动（就地）和自动（远动），在自动（远动）方式时，设备的其他由PLC系统控制，当在手动方式时，即使PLC系统瘫痪仍能由就地直接控制设备。
煤矿地面生产控制系统主要包括三个部分：
即皮带运输系统、筛分系统，储装运及计量系统。
其流程如图2-2所示：
地面的控制的设备有很多，包括有给煤机，双齿辊破碎，皮带机等。
地面生产控制系统主要是对原煤皮带、上仓皮带、筛分设备、破碎设备、给煤机、分岔溜槽设备及各类电机进行控制和保护。
通过增加PLC柜、皮带沿线保护、就地操作箱、语音装置，达到能手动、自动控制皮带、给煤机、动筛装置，发出语音命令，同时监控筛分车间运输系统各种运行信息、保护信息，实现综合的自动化控制。
其设备名称，规格型号和相关的设备如下表2-1所示：
表2-1设备明细表
序号
设备名称
规格型号
相关设备
备注
1
己组煤原煤上筛
分楼带式输送机
B=1000mm，L=78.2m
给煤机、电机、制动器
2
已组煤筛分楼内转载带式输送机
B=1000mm，L=15.5m
电机等
3
己组煤手选带式
输送机
B=1000mm，L=15.65m
电机等
4
已组煤上转载楼
带式输送机
B=1000mm，L=115.9m
电机、制动器
5
已组煤上仓带式
输送机
B=1000mm，L=86.0m
电机、转载机
6
已组煤至汽车仓
带式输送机
B=1000mm，L=24.3m
电机、分岔溜槽
7
戊组煤原煤转载带式
输送机
B=1000mm，L=8.9m
给煤机、电机、转载机
8
戊组煤原煤上筛分楼带
式输送机
B=1000mm，L=65.6m
电机等
9
戊组煤筛分楼内转载带
式输送机
B=1000mm，L=16.5m
电机等
10
戊组煤手选带式输送机
B=1000mm，L=13.54m
电机等
11
戊组煤上转载楼带式输送机
B=1000mm，L=113.1m
电机、制动器
12
戊组煤上仓带式输送机
B=1000mm，L=86.2m
电机、转载机、
13
戊组煤至汽车仓带式
输送机
B=1000mm，L=47.7m
电机、分岔溜槽
14
锅炉上煤皮带（共3段）
B=650mm，L=150.0m
电机等
15
己组煤煤仓移动皮带
B=1000mm，L=30.0m
电机，移动电机
16
戊组煤煤仓移动皮带
B=1000mm，L=30.0m
电机，移动电机
17
338.8己戊组煤装车
带式输送机
B=1200mm，L=92.0m
电机等
18
338.17己戊组煤装车
带式输送机
B=1200mm，L=153.0m
电机等
19
螺旋分级筛
2台
20
对齿破碎机
4台
21
悬挂式除铁器
2台
22
下仓给煤机
4*6
23
己组火车装载皮带
B=1200mm，L=87.2m
电机、给煤机等
24
戊组火车装载皮带
B=1200mm，L=87.2m
2.2地面生产控制系统的特点
1.利用西门子S7-300系列PLC形成地面生产系统的集中控制系统，控制范围包括从主井煤仓至主煤仓过程中的所有皮带、给煤机、破碎机、动筛、转载机等设备以及煤仓煤位的控制和保护。
2.在地面生产系统变电站设置主控PLC系统，通过硬件接口控制生产系统高低压供电设备，从而控制皮带等设备的启停，同时采集高低柜电量信息。
主控PLC系统完成整个生产系统设备间的闭锁和集中控制，在主控PLC柜体上安装触摸屏（或操作屏）
3.在筛分楼安装分站PLC系统，主要采集各类保护信号，并输出控制命令给各就地控制箱，监测和控制筛分楼配电设备，与主控PLC进行通讯。
在煤仓上仓的配电分站，设置煤仓分站PLC，监测和控制筛分楼配电设备，与主控PLC进行通讯。
4.在煤仓下仓的配电点设置火车装车分站PLC，采用隔爆设计。
主要控制装车皮带、皮带制动器、煤仓给煤机、出煤口电动阀门、牵引系统等
（5）在各类皮带、动筛等设备附近安装就地控制箱，就地控制分手动（就地）和自动（远动），在自动（远动）方式时，设备的其他由PLC系统控制，当在手动方式时，即使PLC系统瘫痪仍能由就地直接控制设备。
PLC系统能识别就地控制箱的手动或自动方式的选择。
（6）在皮带沿线安装紧停（或拉线）包括，对长皮带安装跑偏保护，在动筛、煤仓等容易堆煤的点安装煤位传感器。
（7）在沿线安装语音信号设备，语音信号自成一路沿皮带走廊布置。
各个控制对象的运行信息、控制信号、皮带沿线信号引到PLC柜内，同语音信号一起通过MCTP多通道传输平台送到调度监控中心。
2.3地面生产控制系统的主要功能
皮带沿线保护（智能跑偏/拉线保护）：
对胶带机运行当中的跑偏故障进行保护和沿线出现紧急情况时进行紧急停车。
由于选用的智能跑偏/拉线开关，在调度中心可以监视到智能跑偏/拉线开关的动作位置，以便及时发现故障地点，进行处理恢复生产。
堆煤保护：
监测上煤点是否堵塞，出现故障能控制胶带机紧急停车。
生产系统的集中控制，能实现整个系统的一键启停，能实现系统设备的顺序自动闭锁，能对系统中的所有设备（具备电动）进行远程手动控制和远程自动控制（闭锁控制），集中控制主要由设在生产系统变电所中的主控PLC完成，在主控PLC柜上设立触摸屏，可进行就地集中控制。
能综合主井提升系统、主煤仓系统以及装运系统的信息，实现自动启停，当生产系统发生故障时，能对为主井提升系统及其他煤流系统提供相关的决策信息，实现整个煤流系统的智能联动。
火车自动装载及计量，与火车牵引系统、煤仓给煤机及输送皮带、位置检测、轨道衡等进行配合，完成火车的自动装载和计量。
远程监控，能通过控制决策中心的地面生产系统监控系统进行远程监视和远程控制，远程控制既能实现对全系统的一键启停，也能在应急情况下，单独启动某一环节的设备，如各段皮带、动筛等。
第三章地面生产控制系统的电路部分设计
地面控制系统是一个复杂的控制系统，其操作方式分：
控制室集中联动运转、控制室集中单独运转、机旁手动（仅用于机旁检修和调试）。
输送线的运转方式包括：
启动、停机、紧急停机和故障。
其中需要对电路部分进行详细的设计，并且和PLC紧密的联系起来，通过PLC和工业计算机联合控制，以达到集中控制的要求，所以就需要对控制系统的集中控制联动要求作详细的设计。
3.1集中联动要求
1.系统启动联锁顺序：
设备启动时自系统的始端设备开始，按逆物料输送方向顺序依次开始启动。
2.系统停机联锁顺序：
设备停机时，自系统始端的供料设备开始，按顺物料输送方向顺序待料运完后依次停车。
3.设备故障时，其来料方向所有设备同时停机，后面的设备运转至物料全部排空即停机。
4.按动控制室操作计算机或机旁的紧急停车开关，可使联动系统所有设备一起停机。
3.2操作过程
1.控制室集中联动运转：
1）启动：
操作人员在控制室发出启动指令，整个生产系统沿线发出启动预告信号，接着沿线设备按逆流程依次开始启动。
2）停车：
操作人员在控制室发出停车指令，整个生产系统按顺流程待料运完后依次停车。
3）紧急停车：
当现场发生事故时，现场可拉动按动现场操作箱上的急停按钮，料线全线停车。
4）故障：
系统中某一带式输送机故障停机时，其来料方向所有设备同时停机，后面的设备继续运转，至物料全部排空立即停车。
2.控制室单动运转：
所有集中控制设备都应能在控制室进行单机运转操作。
3.机旁手动：
所有设备都可以通过设置在机旁的单独运转开关进行单独运转。
这种运转方式通常在设备检修或试车时使用，机旁开关设在设备操作箱上。
3.3设备保护和操作信号：
带式输送机的保护装置有：
１.事故开关：
所有作业设备的近旁都必须设有明显的事故紧急停车开关。
２.开车信号：
联锁系统开始作业时，需发出启动预告信号，通知沿线工作人员离开设备，然后再启动设备。
３.事故信号：
各种事故引起的紧急停车，均需在控制室内发出音响信号，并显示出事故所在的设备。
3.4防爆及瓦斯断电要求：
煤尘比较集中的地点的电气设备必须防爆或采取防爆措施。
１.在火车仓和汽车仓设置高低浓瓦斯传感器，当煤仓内瓦斯浓度达到1.5%时，附近20m范围内的电气设备立即停止运转。
２.与煤仓相通的房间和走廊瓦斯浓度达到0.5%时，立即切断全部非本质安全型电源（含照明电源）。
３.为巡检人员配备便携式瓦斯检测仪，对瓦斯量大的煤仓、与煤仓相通的房间和走廊以及其他煤尘比较集中的地方进行定期检测，以确保安全生产。
3.5控制系统的电路组成
以下对地面生产系统的皮带运输部分的电路图进行分析，戊组煤的皮带运输主要包括有20戊组煤转载带式输送机，1戊组煤原煤上筛分楼带式输送机，4戊组煤手选带式输送机，6戊组煤筛分楼内转载带式输送机，8戊组煤上转载楼带式输送机，9戊组煤上仓带式输送机，而已组煤的皮带运输主要有13已组煤原煤上筛分楼带式输送机，15已组煤手选带式输送机，16已组煤筛分楼内转载带式输送机，17已组煤上转载楼带式输送机，18已组煤上仓带式输送机。
还有给煤机和双齿辊破碎机等设备的集中控制，其中4戊组煤手选带式输送机，6戊组煤筛分楼内转载带式输送机，15已组煤手选带式输送机，16已组煤筛分楼内转载带式输送机，20戊组煤转载带式输送机共用一个电路图；1戊组煤原煤上筛分楼带式输送机，9戊组煤上仓带式输送机，13已组煤原煤上筛分楼带式输送机，18已组煤上仓带式输送机共用一个电路图；8戊组煤上转载楼带式输送机和17已组煤上转载楼带式输送机共用一个电路图。
1．控制系统的电路组成图
如图3-2即为甲带给料机的电路图
如图3-2中所示：
主电路由380交流电源供电，由接触器控制，接触器闭合，电路通电，并且其中串接热继电器，当电路过电流时，热继电器动作，热继电器的作用是短路保护和过载保护，控制回路控制接触器断开和闭合控制电机的启动和停止。
电机的外壳接地。
控制回路由220V电源供电，其中包括集中控制和机旁控制，集中控制由PLC及其上位机自动控制，而机旁手动控制则是由机旁操作工人操作；也包括有急停开关和保护。
运行时有正常运行指示灯和故障指示灯，控制回路设有保护。
集中控制和机旁控制由转换开关控制，转换开关如图3-1所示：
图3-1转换开关
图3-2 甲带给料机电路图
图3-3 双齿辊破碎机
双齿辊破碎机是把大块的煤破碎成符合标准的煤，为下一步的筛分做准备，其电路图如图3-3所示：
主电路有380V电源供电，由接触器控制主电路的通断，也串联有热继电器，能对电机实施短路保护和过载保护，其控制类型也是继电器接触器控制，电机的外壳接地。
控制回路有220V电源供电，由继电接触器控制，同时也设有集中控制和机旁控制，接有PLC，能实施远程控制，设有事故急停开关，便于事故时及时停车;控制回路中有指示灯，能随时的显示正常和故障的情况。
保护为热继电器保护。
图3-4为皮带机的电路图，1戊组煤原煤上筛分楼带式输送机、9戊组煤上仓带式输送机、13己组煤原煤上筛分楼带式输送机和18己组煤上仓带式输送机、19己组煤至汽车仓带式输送机均用此电路图.其控制与上面的控制略有不同，设有启动信号预告，其保护用的是限位开关。
图3-4 1戊组煤原煤上筛分楼带式输送机
图3-5 20戊组煤转载带式输送机的电路图
图3-5为4戊组煤手选带式输送机、6戊组煤筛分楼内转载带式输送机、15已组煤手选带式输送机、16已组煤筛分楼内转载带式输送机、20戊组煤转载带式输送机的电路图，其控制也是为继电器接触器控制，设计有集中控制和机旁控制，事故急停开关为拉线开关，当有紧急情况时有机器旁边的工作人员拉动拉线，即可实施急停控制，也设有远程急停，引到PLC控制中，也能实施远程急停。
另也设有启动信号预告。
在皮带运输机所有设备的运行中均采用定时器和外部动作信号连锁的动作方式，控制设备的运作，并且设有故障报警，当故障情况下，除过有备用的设备，可以使系统皮带运输机继续工作，若无备用的设备一旦发生故障，则均不能运行，只有当该设备的故障解除后，才可正常运行。
该皮带已设计了比较可靠的运作保护系统，提高了皮带运输机运行的可靠性和安全性。
控制电路图如上图
图3-6为8戊组煤上转载楼带式输送机和17已组煤上转载楼带式输送机的电路图。
它的控制和上图3-5的控制基本相同，就不再赘述。
图3-6 8戊组煤上转载楼带式输送机电路图
由于煤矿的地面集中控制是一个非常复杂的地面控制系统，所以其中的电路部分非常的冗杂，上面的电路图只给出了集中控制的部分的电路控制图，简单的对其电路部分作出说明，现在的控制系统已经不是简单的继电器接触器控制了，随着工控技术的发展，现在的控制系统已经越来越现代化，越来越自动化，所以集中控制加入了plc技术，用于远程自动控制，以达到现代化的控制要求。
不过现代的自动控制还少不了原始的控制器件，包括有继电器、接触器、开关等等。
上面的电路连接，就需要在机器旁安装配电柜，用于控制皮带和给煤机的控制，设备的用料如图3-7所示：
图3-7 设备的用料图
上面的设备材料表仅为上煤皮带的配电箱的材料，其余的材料用表就不一一列表了，基本上都是有继电器接触器和开关等组成。
2．线路敷设：
1）控制线路与动力线路，同路径敷设。
2）控制电缆沿电缆沟和桥架敷设，当采用电缆桥架敷设时，控制电缆桥架与动力电缆桥架统一考虑，控制电缆桥
架应安装在动力电缆桥架的上层。
3）线路引至设备处时，应穿钢管保护。
4）操作箱底边距地安装高度1.4m。
第四章控制系统的PLC设计
4.1PLC的选型
在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。
工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。
PLC及有关设备应是集成的、标准的，按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则选型所选用PLC应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统，PLC的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。
熟悉可编程序控制器、功能表图及有关的编程语言有利于缩短编程时间，因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。
１.输入输出（I/O）点数的估算
２.存储器容量的估算
３.控制功能的选择
1）.运算功能
2）.控制功能
3）.通信功能
4）.编程功能
5）.诊断功能
6）.处理速度
４.机型的选择
1）.PLC的类型
2）.输入输出模块的选择
3）.电源的选择
4）.存储器的选择
5）.冗余功能的选择
（1）.控制单元的冗余
（2）.I/O接口单元的冗余
4.2S7-300的基本结构
S7-300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，如图4-1所示：
图4-1PLC控制系统示意图
PLC采用循环执行用户程序的方式。
OB1是用于循环处理的组织块（主程序），它可以调用别的逻辑块，或被中断程序（组织块）中断。
在起动完成后，不断地循环调用O
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