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安徽理工大学硕士学位论文（论文摘要）多级皮带机集中控制系统的设计作者姓名：专业名称：机械工程研究方向：机电一体化导师姓名：导师单位：安徽理工大学-2-多级皮带机集中控制系统的设计-1-1绪论1.1课题的研究意义由于经济的飞速发展，对煤炭需求量的急剧增加，造成耗煤量的加大，促使煤矿业采煤规模的扩大，传统的煤矿运输机已经满足不了现在的发展。提高皮带机的性能是现在迫切的需要。要保证皮带机很好稳定的运行，这就要求对皮带机系统的性能和保护装置的控制也要不断的提高。现今是一个信息高速发展的快速时代，信息已经渗透我们生活每个角落，无处在。所以建立功能可靠完善的皮带机集中控制系统，不仅满足时代发展的需要，也提高工作了人员的工作效率，加快煤矿企业的发展。也使得工作人员从繁重的劳动中解脱，而且能利用现今发达的网络技术对较远的皮带机进行实时监控，快速得到有效的数据。皮带机集中控制系统能够控制和协调各个分站皮带机安全可靠高效的运行，实现了真正的网络化。本文是通过淮南中煤电子有限责任公司对多条皮带机集中控制系统的设计，通过几个月的努力，设计出一个功能完善的基于上位机和PLC相结合的多条皮带机集中控制系统[3]。该系统实现了井下皮带机的远程控制、监控和实时报警，真正实现了无人化操控。保障了多条皮带机可靠、安全的运行，为煤矿业的集中控制系统改造奠定了很好的基础。该系统已在相应的煤矿上投入使用。1.2课题来源本课题来源于在一家实习单位——淮南中煤电子有限责任公司。1.3主要研究内容本论文研究的主要内容如下：（1）简单介绍本论文研究内容的意义、背景、我国与国外的差距。（2）根据现有煤矿业的实际需求和应用，提出多级皮带机集中控制系统设计的方案。（3）简单介绍现有皮带机集控系统的主要技术、相关结构、相关功能。（4）根据设计方案设计硬件系统，并完成软件编写。（5）根据现有总线的技术，选择本方案适合的总线技术。（6）CAN总线技术和MODBUS协议相结合的设计。（7）利用组态王软件编写上位机界面及数据的采集、动态分析、历史记录。多级皮带机集中控制系统的设计-2-（8）对本论文研究的总结，提出本论文的不足和以后研究的方向。多级皮带机集中控制系统的设计-3-2皮带机控制系统2.1常见几种控制系统方式（1）最古老的一种控制系统方式是继电器控制系统。此控制系统是采用纯硬件控制，通过接触器继电器相结合实现皮带机控制。（2）采用工控机来做控制系统。工控机一般应用于对生产过程中使用到的生产流程、机器的设备、数据的参数、工艺的装配等进行监控、检测与控制。工控机应有总线结果，有实时操作系统，兼容性强。（3）采用先进的单片微机技术，对多条皮带机系统进行实时监控与控制。其对多台皮带机系统实现集中控制和单台控制。单片机又叫嵌入式控制器，具有微处理器、指令系统、总线方式等。（4）采用可编程控制器（PLC），实现皮带机控制系统的设计。PLC不但可以完成简单的逻辑运算，还可以测量频率、模拟量转换数字量、数字量转换模拟量等功能。2.2皮带机控制系统的组成的组成及原理2.2.1皮带机控制系统的组成皮带机控制系统主要由操作台、皮带机保护装置、各类传感器组成，它是集各级煤炭运输，故障监测与控制，各级设备保护于一身的控制系统。皮带机控制系统主要是对皮带运输煤炭过程中的环境参数、电压电流参数、运行状况、设备状况、设备的工作方式等进行实时监控，并且可以选择集中控制或单台控制，从而达到皮带机在运输煤炭过程无人看守的效果。减少劳动力，提高效率。皮带机控制系统的硬件组成如图1所示。主站电控CAN总线从站电控温度传感器速度传感器堆煤传感器撕带传感器烟雾传感器跑偏传感器急停闭锁开关皮带张力检测电压电流变送主电机输出次电机输出语言报警洒水报警图1硬件系统整体结构Fig.1overallhardwaresystemarchitecture多级皮带机集中控制系统的设计-4-2.2.2皮带机控制系统的原理本系统采用主从式结构。上位机和PLC控制作为主站，单片机保护装置作为从站。系统可以通过井上的上位机或操作台对井下各个皮带机进行实时的监测和控制，如果井下有任何一台皮带机出现了故障，都能及时的反应到上位机，而且可以准确的定位到是那台皮带机出现故障及是何种故障，并做出相应的控制，阻止故障的进一步扩大，来保护人身安全，避免井下事故。本控制系统是采用网络技术、计算机技术、工业自动化技术等相关技术。利用各类传感器对皮带机运输煤系统进行实时的保护，达到国家安全的标准。2.3皮带机控制系统主要功能和系统参数控制系统通过上位机界面实时显示皮带机工作现场环境、带速、轴温等重要参数的变化，通过变频器可以准确的实现带速的调速。本控制系统有如下几种主要功能：（1）上位机动态显示功能。控制系统的上位机可以时刻的显示带速、电压、电流、煤量、打滑、跑偏、堆煤、是否有烟雾、轴温等运行环境参数及故障信号，可以实现根据故障的来源播报相应的语音进行故障报警和故障提示；且可以显示分站保护装置上LCD屏上显示的汉字及相应提示和报警。上位机监控界面对多条皮带机运输机设备的工作状态实现动态图形化检测。（2）连锁功能。本控制系统具有集控、就地、单台、手动、检修、闭锁等多种工作方式供选择使用。主斜井运输机和井上生产系统及井下给煤机之间都设有连锁保护功能，系统遵循“顺煤流停车，逆煤流启车”原则，并实现在有故障出现的情况下不会出现堆煤现象。（3）动态信号处理和联网功能。多级皮带机集中控制系统通过互联网技术与整个煤矿的监测控制系统互联，实现远程控制、数据共享、方便工作人员查看。皮带沿线，生产系统和控制工作室之间都有联系信号。本系统具有事故提前预报和事故停车的声光报警信号。（4）当皮带机系统出现超流、超压、堆煤、打滑等故障时，上位机可以控制皮带机停车，并播报相应的语音故障报警。多级皮带机集中控制系统的设计-5-3皮带机集中控制系统的综合保护装置3.1单片机综合保护装置P89LPC935单片机的工作原理和MCS-51系列的单片机基本一样，MCS-51系列单片机是现在大学普遍学习的单片机系列，所以选择P89LPC935单片机上手比较快，减少开发时间。P89LPC935采用低成本封装的一块集成微控制器，它应用高性能的CPU结构技术，指令执行一般需要2个时钟周期，是MCS-51系列的6倍。指令执行的速度提高，也就间接提高了单片机的实时性、反应快速性等特点。P89LPC935内部集成了很多常用的系统功能模块，这样就减少许多外围的元器件，也减少PCB板的面积，从而降低整个开发系统的成本。单片机内部结构框图如图2所示。定时电路及振荡器程序存储器数据存储器计数器/定时器CPU总线扩展控制可编程I/O可编程串口外部中断内部中断控制I/O口串行输出串行输入频率基准源计数定时总线图2单片机结构框图Fig.2blockdiagramoftheMCS3.2保护装置的系统设计3.2.1保护装置系统硬件设计P89LPC935单片机所需要的工作电压硬件电路设计：由于煤矿上提供的是127V交流电，127V交流电通过本安电源输出的是5V和24V，但电压值有波动，为了使单片机工作在稳点的电压下提高系统的稳定性和可靠性，采用稳压电路。本电路采用的稳压芯片是安森美半导体公司的LM317稳压芯片，该芯片是可调节的3端稳压器，输出的电压值按连接电路中的阻值比例计算出来。输出范围为1.2V-37V，可以提供1.5A的电流。LM317应用场合比较多，通过输入和输出之多级皮带机集中控制系统的设计-6-间电阻的的关系，可以使LM317工作在精密的稳流器。本系统设计的稳压电路图如图3所示。图3稳压电路Fig.3regulatorcircuitLED数码管显示电路。本电路主要显示各个传感器采集的数据、故障的类型等。LED数码管的驱动选择TM1629芯片，该芯片内部集成了数据锁存器、MCU数字接口、LED高压驱动等电路。且TM1692还带有LED驱动专用控制电路（键盘扫描接口）位电路的设计带来方便，减少PCB板的尺寸，控制也方便。一般应用在交通灯、空调等产品的LED显示驱动上。TM1629显示控制如表1所示。表1显示控制Table.1displaycontrolB7B6B5B4B3B2B1B0功能说明1000*000消光数量设置设置脉冲宽度为1/161000*001设置脉冲宽度为2/161000*010设置脉冲宽度为4/161000*011设置脉冲宽度为10/161000*100设置脉冲宽度为11/1610000***显示开关设置显示关10001***显示开多级皮带机集中控制系统的设计-7-本系统LED数码管显示驱动电路如图4所示。图4数码管驱动电路Fig.4digitaltubedrivecircuit本硬件电路还采用CD4051芯片构成数字控制模拟或机械开关，达到可靠稳定的控制效果。CD4051具有8个通道的数字控制开关，具有很小的截止电流和很小的导通阻抗。CD4051在本电路的作用是配合I2C总线完成数据的传输。本系统的CD4051的电路如图5。图5CD4051电路图Fig.5CD4051circuitdiagramCAN通讯电路，本系统采用的CAN收发器芯片是PCA82C250芯片，该芯片是CAN协议物理总线及控制器于一身的接口芯片，减少了外围元器件，简化电路的设计和PCB排版。PCA82C250是世界使用最多的CAN收发器，该芯片提多级皮带机集中控制系统的设计-8-供差分发送和差分接受的功能，提高抗干扰的能力。本系统CAN收发的电路如图6。图6CAN收发器电路Fig.6CANtransceivercircuit本系统整体硬件电路如图7。图7整体电路图Fig.7overallschematic3.2.2P89LPC935单片机软件设计随着单片机迅速的发展，单片机编程软件也越来越多，功能也是越来越强大，通俗易懂。本文单片机程序使用Keil软件来编写单片机程序。Keil软件支持汇编语言及C语言，支持C语言使编写程序更为简单化，同时Keil还支持在线仿真，方便程序的开发及编程，给编程者带来极大的方便。Keil内部还包含了C编译器、多级皮带机集中控制系统的设计-9-连接器、宏汇编、仿真调试器和库管理，功能较齐全，简单实用。图8为Keil软件的启动界面。图8Keil启动界面Fig.8KeilstartinterfaceP89LPC935单片机系统主要完成皮带机各项参数的采集、控制、发送接受数据。程序的设计主要包括CAN总线协议、MODBUS协议、模数转换、各种传感器的采集等。程序流程图如图9所示。多级皮带机集中控制系统的设计-10-开始采集各项传感器信号烟雾值超限？温度值超？堆煤否？跑偏否？打滑否？纵撕否？拉线否？否否否否否否否声光报警及停机驱动洒水装置是是声光报警及停机是是是是是CAN总线传输各项传感器参数主站系统图9单片机程序流程图Fig.9SCMprogramflowchart多级皮带机集中控制系统的设计-11-4主站控制系统设计本主站控制系统主要采用可编程控制器（PLC）技术设计，PLC是整个主站控制系统的核心。PLC是替代继电器和接触器可编程的控制系统，它具有软继电器和软接触器的特点，控制功能更加稳定可靠安全。整个设计系统都采用继电器和接触器设计的话，体积比较大而且连接线比较复杂。采用一个PLC就可以解决体积大和连线复杂的问题，而且可以根据现场的需要随时更改指令来完成现场的需求，灵活性大大的提高了。PLC和它的特殊模块，都很容易和现场其他设备结合形成一体化，便于功能的扩展。可编程控制器特别适合现场上的顺序控制和逻辑判断[30]。现在PLC的功能更加强大，不但可以完成逻辑的运算，而且可以完成算数运算、频率采集、模拟量的采集等。PLC已经成为现场控制不可缺少的控制器。本系统采用三菱的PLC及特殊模块。4.1PLC主要结构PLC主要由中央处理器（CPU）、I/O电路、存储器、电源部件、编程器等部分组成。（1）PLC中央处理器（CPU）是可编程控制器的核心，完成各种计算、处理、控制、检测等。（2）I/O电路主要是PLC和外部信