基于PLC的皮带运输系统监控设计

1 基于PLC的皮带运输系统监控设计第1章绪论1.1研究现状和研究意义1.1.1国内外皮带运输机的研究现状国外在带式输送机动态分析研究方面开展得比较早,动态分析理论与研制的软件已基本能够满足当前带式输送机发展之需；而我国相对较晚,与国外相比还存在一定的差距,尤其是动态分析软件部分。为了尽快弥补这一差距,赶超世界水平,有必要研究和分析当今国外带式输送机的动态分析软件。国外动态分析软件目前,美国、法国、澳大利亚、意大利等国家在动态分析研究方面,已经达到国际领先地位我国生产制造的上运带式输送机的品种、类型较多。在“八五”期间，通过国家一条龙“日产万吨综采设备”项目的实施，带式输送机的技术水平有了很大提高，煤矿井下用大功率、长距离带式输送机的关键技术研究和新产品开发都取得了很大的进步。如大倾角、长距离带式输送机成套设备、高产高效工作面顺槽可伸缩带式输送机等均填补了国内空白，并对带式输送机的主要元部件进行了理论研究和产品开发，研制成功了多种软起动和制动装置以及以 PLC 为核心的可编程电控装置，驱动系统采用调速型液力耦合器和行星齿轮减速器。1.1.2国内外运皮带运输机的技术的差距1.大型皮带输送机的关键核心技术上的差距(1)皮带输送机动态分析与监测技术长距离、大功率皮带输送机的技术关键是动态设计与监测，它是制约大型皮带输送机发展的核心技术。目前我国用刚性理论来分析研究带式输送机并制订计算方法和设计规范，设计中对输送带使用了很高的安全系统（一般取n=10左右），与实际情况相差很远。(2)可靠的可控软起动技术与功率均衡技术长距离大运量带式输送机由于功率大、距离长且多机驱动，必须采用软起动方式来降低输送机制动张力，特别是多电机2 驱动时。国内已大量应用调速型液力偶合器来实现输送机的软起动与功率平衡，解决了长距离带式输送机的起动与功率平衡及同步性问题。但其调节精度及可靠性与国外相比还有一定差距。当单机功率500 kW 时，可控 CST 软起动显示出优越性。由于可控软起动是将行星齿轮减速器的内齿圈与湿式磨擦离合器组合而成（即粘性传动）。通过比例阀及控制系统来实现软起动与功率平衡，其调节精度可达98%以上。但价格昂贵，急需国产化。2.技术性能上差距我国皮带运输机的主要性能与参数已不能满足高产高效矿井的需要，尤其是顺槽可伸缩带式输送机的关键部件及其功能如自移机尾、高效储带与张紧装置等与国外有着很大差距。(1)装机功率：我国工作面顺槽可伸缩带式输送机最大装机功率为4×250kW，国外产品可达4×970 kW，国产带式输送机的装机功率约为国外产品的30%～40%，固定带式输送机的装机功率相差更大。(2)运输能力：我国带式输送机最大运量为3000t/h，国外已达5500 t/h。(3)最大输送带宽：我国带式输送机为1400 mm，国外最大1830 mm。(4)带速：由于受托辊转速的限制，我国带式输送机带速为4m/s，国外为5m/s 以上。(5)工作面顺槽运输长度：我国为3000 m，国外为7300m。(6)自移机尾：国内自移机尾主要依赖进口。对自移机尾的要求是共同的，既要满足输送机正常工作时防滑的要求，又要满足在输送机不停机的情况下实现快速自移。(7)高效储带与张紧装置：我国采用封闭式储带结构和绞车拉紧为主。国外采用结构先进的开放式储带装置和高精度的大扭矩、大行程自动张紧设备，托辊小车能自动随输送带伸缩到位。(8)输送机品种：国内机型品种少，功能单一，使用范围受限，不能充分发挥其效能。3.可靠性、寿命上的差距(1)输送带抗拉强度：我国生产的织物整芯阻燃输送带最高为2500 N/mm，国外为3150N/mm。钢丝绳芯阻燃输送带最高为4000 N/mm，国外为7000 N/mm。3 (2)输送带接头强度：我国输送带接头强度为母带的50%～65%，国外达母带的70%～75%。(3)托辊寿命：我国现有的托辊技术与国外比较，寿命短、速度低、阻力大。我国输送机托辊寿命为2万 h，国产托辊寿命仅为国外产品的30%～40%。(4)输送机减速器寿命：我国输送机减速器寿命2万 h，国外输送机减速器寿命7万 h。(5)带式输送机上下运行时可靠性差。4.控制系统上差距(1)驱动方式：我国为调速型液力偶合器和硬齿面减速器，国外传动方式多样，如BOSS系统、CST可控传动系统等。(2)监控装置：国外输送机已采用高档可编程序控制器 PLC。我国输送机仅采用了中档可编程序控制器来控制输送机的启动、正常运行、停机等工作过程。(3)输送机保护装置：近年国外输送机先进保护装置技术是国内的空白。1.2课题的研究目的皮带输送机控制系统的设计是一个很传统的课题，现在随着各种先进精确的诸多控制仪器的出现，皮带输送机控制的设计方案也越来越先进，越来越趋于完美，各种参考文献也数不胜数。皮带输送机是在输送设备中是最常用的一种传输机构。该机种具有结构简单，经济方便，使用可靠，传输平稳，输送量大，效率高，低噪音等优点。其形式多样，适用范围广，特别适合一些散碎原料与不规则物品的输送。广泛应用于轻工，电子，食品，化工，木业，机械等行业。它具有输送平稳，物料与输送带没有相对运动，能够避免对输送物的损坏。噪音较小，适合于工作环境要求比较安静的场合等特点。结构简单，便于维护。能耗较小，使用成本低。由于可编程控制器（简称 PLC）将其系统的继电器技术，计算机技术和通信技术融为一体，以其可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、以及编程简单、维护方便、通讯灵活等众多优点，广泛应用于工业生产过程和装置的自动控制中。PLC不仅能实现复杂的逻辑控制，还能完成定时、计算和各种闭环控制功能。设置性能完善、质量可靠、技术先进的可编程控制器 PLC 控制皮带运输机监控系统，可以实现高自动化的皮带机群的集中控制（包括遥控）及保护。4 此次毕业设计的课题内容即为PLC在皮带输送机控制系统中的应用。1.3研究内容其设计内容和要求是：完成用四台电动机带动四条皮带运输机的传送控制系统，控制要求：启动时先启动最末一条皮带机，经5秒延时，再依次启动其它皮带。停止时应先停止最前一条皮带，待料运完毕再依次停止其它皮带；出现故障时，要求该皮带机及其前面的皮带立即停止，而该皮带机后面的皮带机待运料完毕后才停止；当某皮带载重时，该皮带前面的皮带机停止，该皮带机运行5秒后停，而该皮带以后的皮带机待运料完毕后停止。（1）拟定控制系统设计的技术条件。技术条件一般以设计任务书的形式来确定，它是整个设计的依据；（2）选择电气传动形式和电动机、电磁阀等执行机构；（3）选定PLC的型号；（4）编制PLC的输入／输出分配表或绘制输入／输出端子接线图；（5）根据系统设计的要求编写软件规格说明书，然后再用相应的编程语言（常用梯形图）进行程序设计（6）了解并遵循用户认知心理学，重视人机界面的设计，增强人与机器之间的友善关系；（7）设计操作台、电气柜及非标准电器元部件；（8）编写设计说明书和使用说明书；根据具体任务，上述内容可适当调整。1.4技术路线对于该课题设计，基本上存在三种方案，但是针对设计的要求，对各个方案进行比较、选择，大致分析过程如下：方案一：利用强电电路，虽然强电电路也可以控制整个系统的运行，但是其电路连接复杂，不便直接操作且不能实现自动化，同时存在一个稳定性、可靠性的问题，而且很难制动继电器，不能够很好的完成所给定的任务。方案二：只利用 PLC 可编程控制器，若只利用 PLC 可编程控制器，其高可靠性5 是绝对可以保证系统的稳定性的，存在强电容易损坏 PLC 的问题。而且程序复杂，控制器的运算时间变长。方案三：利用 PLC 可编程控制器来控制，再加上强电电路组成的控制部分。这个方案是利用了 PLC 的高可靠性和强电电路的简单化，整个系统的动作均由可编程控制器控制，控制部分的信号通道由 PLC 和按钮开关来控制，这是为了保证电机动作的准确性。这个方案包含了方案三的优点，从而保证了整个系统的可靠性之外，还可以简化程序。与上面的三个方案相比较，方案三的可行性最高，也是最简单，可靠的。综合上面的简单分析，本设计采用方案三进行设计。6 第2章 PLC控制系统及程序的设计可编程控制器技术最主要是应用于自动化控制工程中，如何综合地运用前面学过知识点，根据实际工程要求合理组合成控制系统，在此介绍可编程控制器控制系统的定义及设计的一般方法。2.1. PLC的结构及工作原理2.1.1 PLC的结构 PLC 采用了典型的计算机结构，主要由 CPU、RAM、ROM 和输入输出接口电路等组成，如图2.1所示。如果将 PLC 看作一个系统，该系统由输入变量和输出变量组成。外部的各种开关信号、模拟量信号均作为 PLC 的输入变量，它们经 PLC 外部输入到内部寄存器中，经 PLC 运算处理后送到输出端子，它们是 PLC 的输出变量。 PLC系统各部分的作用说明如下：图2.1 PLC结构简化框图（1）中央处理单元（CPU）中央处理单元（CPU）是 PLC 的控制中枢。它按照 PLC 系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O 以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当 PLC 投入运行时，首先它以扫描的方编程器中央处理单元（CPU）输入单元系统程序存储器用户程序存储器输出单元电源7 式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入 I/O 映像区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入 I/O 映像区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将 I/O 映像区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。为了进一步提高 PLC的可靠性，近年来对大型 PLC还采用双 CPU构成冗余系统，或采用三 CPU的表决式系统。这样，即使某个 CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。（2）存储器存储器是具有记忆功能的半导体电路，用来存放系统程序、用户程序、逻辑变量和其它一些信息， PLC使用两种存储器：ROM和 RAM。ROM中存放系统程序，包括检查档字、翻译程序和监控程序。RAM 中存放用户程序、逻辑变量和供内部程序使用的工作单元。存放系统软件的存储器称为系统程序存储器，存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。①系统程序存储器该存储器存放系统程序（系统软件）。系统程序是 PLC 研制者所编的程序，它是决定 PLC 性能的关键。系统程序包括监控程序、解释程序、故障自诊断程序、标准子程序库及其他各种管理程序等。系统程序由制造厂家提供，一般都固化在 ROM 或 EPROM 中，用户不能直接存取。系统程序用来管理、协调 PLC 各部分的工作，翻译、解释用户程序，进行故障诊断等。②用户程序存储器该存储器存放用户程序（应用软件）。用户程序是用户为解决实际问题并根据 PLC 的指令系统而编制的程序，它通过编程器输入，经 CPU 存放入用户存储器。为便于程序的调试、修改、扩充、完善，该存储器使用RAM。③变量（数据）存储器变量存储器存放 PLC 的内部逻辑变量，如内部继电器、I/O 寄存器、定时器/计数器中逻辑变量的现行值等，这些现行值在 CPU 进行逻辑运算时需随时读出、更新有关内容，所以，变量存储器也采用 RAM。现今用户程序存储器和变量存储器常采用低功耗的 CMOS­RAM 及锂电池供电的掉电保持技术，以提高运行可靠性。通常8 PLC 产品资料中所指的内存储器容量，是针对用户程序存储器而言的，且以字（16位／字）为单位来表示存储器的容量。（3）输入输出单元输入单元是 PLC 与工业生产现场的被控设备相连的输入接口，是现场信号进入 PLC的桥梁。输入接口的主要作用是接收指令元件，检测元件传来的信号。输入接口采用光电耦合电路，目的是把 PLC 与现场电路隔离，提高 PLC 的抗干扰能力。接口电路内部有滤波，电平转移及信号锁存电路。各 PLC 生产厂家都提供了多种形式的 I/O部件或模块供用户选用。输出单元也是 PLC 与现场设备之间的连接部件，负责把输出信号送给控制对象的