机电一体化技术毕业设计完整版Word格式文档下载.docx
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学生：
刘新利（签名）
滨州职业学院学生毕业设计进程表
学生姓名：
刘新利学号:
专业年级：
10机电一体化一班指导教师:
王建论文设计题目：
序号
日期
工作安排
要求
1
2013.4上旬
提出毕业设计的初步设想
符合实际
2
搜集、整理与毕业设计或论文有关的资料
明确任务，初步理清思路
3
2013.5上旬
毕业设计初期框架构建
思路清晰，层次分明
4
2013.5中旬
毕业设计撰写（作品设计）
按要求和规范认真撰写
5
2013.5下旬
向指导教师报送毕业设计初稿或作品
准时
6
2013.6中旬
指导教师批阅和修改毕业设计初稿
7
2013.6下旬
按教师要求完成毕业设计最终稿，装订成册
按要求完成
8
2013.7
毕业答辩
做好准备
9
滨州职业学院毕业设计中期检查登记表
刘新利学号：
10机电一体化一班指导教师：
王建毕业设计题目：
PLC的皮带集中控制系统设
指导、检查内容
学生签名
刘新利
10
注：
日期和指导、检查内容由指导教师填写。
摘要
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。
为了保证煤矿运输系统可靠安全运行，对带式输送机进行集中监视和控制很必要。
本文以新疆哈密煤矿主斜井及地面胶带输送机为背景，设计出了以PLC技术为核心的集中控制系统，提高了运输系统的监测和控制水平。
文中首先介绍了本次设计的背景，然后设计了胶带输送机集中控制系统的结构和应具有的控制功能，参数的检测和故障保护装置，确定了各故障检测传感器的类型及安装位置。
在此基础上采用SIEMENS的S7-300系列PLC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。
最后提出PLC控制系统的主要干扰源，并设计了抗干扰的措施。
关键词：
胶带输送机；
S7-300；
集中控制系统
1绪论
1.1概述
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。
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。
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。
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
在煤矿中，煤流的运输一般在几百米到十几公里之间，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。
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。
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。
从单台控制系统到多台的集中控制系统，有价格相对较贵的PLC构成的系统和低廉的单片机应用系统。
目前，虽然市场上有着各式各样方案构成的集控系统，但发展的方向是一致的，那就是朝自动化、智能化、信息化的方向发展。
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。
目前对胶带输送机集中控制系统存在的主要问题有：
（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）皮带机的控制、运行、保护等信息不能较好的与矿井其他控制系统共享，不能与整个矿井信息系统的集成。
视频监视系统不规范，没有语音通讯功能，不能实现无人值守。
1.3本课题研究的主要内容
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。
而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。
本论文正是以此为目的，以新疆哈密煤矿主斜井与地面胶带输送机为背景，设计一种基于PLC的运输皮带和给煤机的集中控制系统。
本次设计主要内容如下：
（1）对胶带运输控制系统概述。
（2）以煤矿主斜井与地面胶带输送机为背景，概述胶带输送机集中控制系统的功能，设计其系统结构，讨论要监控的故障对象、传感器配置及对故障的处理措施。
（3）胶带集控系统的硬件设计，进行S7-300PLC模块选型和外部连线设计。
为了使集控系统更加完善，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。
（4）进行系统的软件设计，实现系统功能。
2胶带机集中控制系统的总体设计
2.1课题背景介绍
一般中型煤矿，采用带式运输机作为主要运输方式，其主运输系统包括主提升带式输送机、走廊带式输送机、振动筛、中煤块带式输送机、大煤块带式输送机、过桥带式输送机和末煤刮板输送机、煤仓等。
各条皮带机都由一台电动机驱动，正常运行速度为2m/s，其中振动筛为双层的，每条皮带机均设置跑偏、堆煤、烟雾、拉线急停、打滑、纵撕等保护。
其工艺流程图如图2.1所示。
其中箭头指示煤流方向。
图2.1运输工艺流程图
如图所示，煤炭从井底煤仓经给煤机运到主提升皮带，通过主斜井中的主提升皮带运至地面，经地面的走廊皮带输送机转运到振动筛，振动筛为双层的，经筛分后分成大块煤、中块煤和末煤三种。
大块煤经大块皮带到大块煤仓，中块煤经中块皮带运到中块煤仓，而末煤先通过过桥皮带转运，再利用过桥皮带机尾的分煤挡板分到两条末煤刮板输送机上，运输到各自的煤仓，其分煤挡板是固定的。
本矿井皮带运输系统控制采用继电器控制，可靠性差、体积大、故障率高、劳动强度较大。
其控制方式有两种：
集中手动控制和就地控制，没有集中自动控制，所有的控制都由人来操作。
集中控制室设在选煤楼振动筛的附近，由控制柜、操作台和触摸屏组成。
皮带机的控制通过操作台上对应的启停按钮集中控制，触摸屏实时显示皮带的运行状态和故障状态集、故障位置。
各皮带机的机头或机尾都设置就地控制箱，在检修或特殊情况下进行现场的就地启停控制。
皮带按逆煤流启动，顺煤流停车。
启动顺序为：
末煤刮板机、过桥皮带、大小块皮带、振动筛、走廊皮带、主提升皮带、给煤机；
停止顺序与此相反。
每一条皮带安排一人专门负责巡视，劳动量大、效率低。
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。
工作方式的改变，只有在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；
2）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；
4）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。
5）对设备故障和工艺参数的异常实时报警，并进行声光提示，系统状态对位显示，更便于维护。
6）可与工业电视系统配合，实时监视皮带机重点部位运行情况，以确保人员及设备的安全；
具有喊话、打点通讯功能，基本实现无人值守。
7）胶带运输机就地控制箱上设启停、起动预警按钮，设备启动前发出预警信号，提示有关人员应立即远离设备；
现场可随时停车，若设备由集控启动，控制系统接到现场停车信号后，可作急停处理，实施故障停车操作。
8）具有联网功能，能与全矿井自动化监控系统可靠的联接、实现全局监控。
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/OET200M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S7-300PLC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SIMATICET200M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
胶带输送机集中控制系统主要由PLC、人机界面等组成，它主要控制胶带输送机、各种参数检测和故障保护装置，将各种信息在触摸屏上集中显示。
下面我们对集控系统各部分进行详细的介绍。
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
18O—2lO。
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。
2.4.2PLC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（ProgrammableLogicController）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，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。
图2.10PLC控制系统示意图
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。
图2.11PLC对输入输出的处理规则
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。
2.4.3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
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