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1、国 家 重 点 建 设 大 学成 人 高 等 学 历 教 育 学 生毕业设计（实习、论文）（ 2013 2015 ）题 目： 基于PLC的皮带集中控制系统设计 办学形式： 函授 办学层次： 专升本 专 业： 电气工程及其自动化 年级： 2013 学 号： 姓名： 指导老师： 完成时间： 2015年7月25 毕业设计（实习、论文）成绩： 2015年 7 月 25 日成人高等学历教育学生毕业设计（实习、论文）评审意见表基于PLC的皮带集中控制系统设计专业：电气工程及其自动化 学生姓名：刘文斌 指导老师：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
2、式输送机进行集中监视和控制很必要。本文以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； 集中控制系统目 录1 绪论11.1 概述11.2 胶带输送机集中控制系统
3、11.2.1 胶带输送机集中控制系统的重要性11.2.2 集中控制系统的发展及存在的问题11.3 本课题研究的主要内容22 胶带机集中控制系统的总体设计22.1 课题背景介绍22.2 胶带输送机集中控制系统的功能设计32.3 胶带输送机集中控制系统结构设计42.4胶带输送机集中控制系统设备构成52.4.1 胶带输送机52.4.2 参数检测及故障保护装置62.4.3 PLC简述102.4.4 人机界面HMI133 胶带输送机集控系统硬件设计143.1 SIMATIC S7-300 PLC简介143.1.1 SIMATIC S7-300 PLC简介143.1.2 模块安装153.2 集控系统PLC
4、的设计153.2.1 CPU的选择153.2.2数字量模块选择173.2.3模拟量模块选择193.2.4电源模块的选择193.3西门子ET200M与PROFIBUS-DP总线214 胶带集中控制系统软件设计224.1 集中控制的流程图224.2 系统软件实现234.2.1 控制方式选择234.2.2 模拟量的处理245 控制系统的抗干扰措施255.1主要干扰源255.2抗干扰措施26附录286 总结311 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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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)以哈密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S7-300 PLC模块选型和外部连线设计。为
11、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。(5)最后分析控制系统产生干扰的原因，提出对应抗干扰措施。2 胶带机集中控制系统的总体设计2.1 课题背景介绍新疆哈密煤矿是年产200万吨的中型煤矿，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、
12、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
13、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
14、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
15、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
