PLC在煤矿皮带运输机系统上的应用毕业设计.docx
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PLC在煤矿皮带运输机系统上的应用毕业设计
毕业设计说明书
题目：
PLC在煤矿皮带运输机系统上的应用
山西煤炭职业技术学院
毕业设计任务书
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至
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山西煤炭职业技术学院毕业设计评阅书
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山西煤炭职业技术学院毕业答辩评定书
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山西煤炭职业技术学院毕业答辩委员会
主任委员
年月日
目录……………………………………………………………………………………..1
摘要……………………………………………………………………………………2
第一章前言……………………………………………………………………………3
1.1系统设计
1.2皮带运输机结构组成
1.3储煤及装车系统
第二章PLC与变频………………………………………………………………………………5
2.1PLC的基本概念
2.2PLC的基本结构
2.3PLC的工作原理
2.4PLC在带式输送机上的应用
2.5PLC产品的选用
2.6电机的选型计算
2.7变频器在电铲设备中的应用
2.8变频调速技术在矿井提升机中的应用
第三章系统部分…….………………………………………………...……………14
3.1系统概框
3.2系统硬件部分
3.3系统软件部分
第四章系统关键技术………………………………………………………………18
4.1系统有关通信程序的设计
4.2保护系统部分
4.3DP网络的配置
4.4现场设备的闭锁控制
4.5梯形图
4.6语句表
心得体会………………………………………………………………………………45
致谢……………………………………………………………………………………46
参考文献………………………………………………………………………………47
摘要
随着矿井大型化、机械化和自动化水平的不断提高，皮带运输机已成为高产高效矿井输煤的主要运输设备。
在皮带输送机的连续生产中，常会出现打滑、撕裂、跑偏、堆煤等现象。
为了提高皮带输送机运行的可靠性，目前已采用多种装置对皮带运输机进行保护。
本设计采用上位机和PLC对煤矿皮带运输机的控制系统和保护系统进行控制，提高了整个皮带运输机系统的安全性、可靠性。
本文以河北单侯煤矿井上胶带机集控系统为例，研究开发了一种基于PLC的煤矿井上胶带机监控系统，适合于当前工业企业对自动化的需要，目前实际投入运行，取得了很好的效果。
由于PLC在不断发展，因此，对它进行确切的定义是比较困难的。
美国电气制造商协会（NEMA）经过四年的调查工作，于1980年正式将可编程序控制器命名为PC（ProgrammableController），但为了与个人计算机PC（PersonalComputer）相区别，常将可编程序控制器简称为PLC，并给PLC作了定义：
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、计数和运算等功能，用于控制机器或生产过程的自动化控制装置。
1982年，国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee，IEC）颁布了PLC标准草案第一稿，1985年提交了第2稿，并在1987年的第3稿中对PLC作了如下的定义：
“PLC是一种数字运算的电子系统，专为工业环境下应用而设计。
它采用可编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、定时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
上述的定义表明，PLC是一种能直接应用于工业环境的数字电子装置，是以微处理器为基础，结合计算机技术、自动控制技术和通信技术，用面向控制过程、面向用户的“自然语言”编程的一种简单易懂、操作方便、可靠性高的新一代通用工业控制装置。
关键字：
胶带机、矿山设备、应用。
第一章
前言
皮带机又名皮带输送机、带式输送机、胶带机、胶带输送机。
带式输送机的产生已有150年的历史，早期的输送带式用皮革之类的材料制成的，后来用皮革加纤维物制造。
1795年在美国费城DLiverEvans将输送带描述为：
在一个框或者槽离的两个滚筒上旋转的博而柔软的宽环皮带或帆布带。
1858年ST.Pmake取得纤维织物增强的橡胶输送带的专利权。
1863年D.C.Dodge关于处理谷物的输送带被授予美国专利。
1892年ThomasRobins发明的槽型结构的带式输送机在矿物工程中的应用。
此后随着物料输送量的增大，带式输送机取得了的发展，出现了大量新型结构和新型带式输送机。
带式输送机已成为最重要的散装物料连续输送设备，皮带运输机是一种摩擦驱动以连续方式运输物料的机械，可以将物料在一定的输送线上，从最初的供料点到最终的卸料点间形成一种物料的输送流程。
皮带运输机既可以进行碎散物料的输送，也可以进行成件物品的输送，还可以与各工业企业生产流程中的工艺过程的要求相配合，形成有节奏的流水作业运输线。
所以带式输送机广泛应用于现代化的各种工业企业中。
它不仅应用于企业内部的运输，也拓展到企业外部输送，广泛应用于冶金，矿山，码头，粮食和湖工等领域。
本文以河北单侯煤矿井上胶带机集控系统为例，研究开发了一种基于PLC的煤矿井上胶带机监控系统，适合于当前工业企业对自动化的需要，目前实际投入运行，取得了很好的效果。
1.1系统设计
单候矿井隶属于河北开滦矿业集团，位于河北省张家口市蔚县涌泉庄乡境内北方城村附近，是张市矿区中心地带，矿井地质储量313.74Mt，矿井可采储量177.08Mt，设计能力150万吨/年，矿井服务年限81.4，于2006年10月正式投产。
1.2皮带运输机结构组成：
皮带运输机由输送带、托辊、滚筒及驱动、制动、张紧、改向、装载、卸载、清扫等装置组成。
皮带运输机：
常用的有橡胶带和塑料带两种。
橡胶带适用于工作环境温度-15～40°C之间。
物料温度不超过50°C。
向上输送散粒料的倾角12°～24°。
对于大倾角输送可用花纹橡胶带。
塑料带具有耐油、酸、碱等优点，但对于气候的适应性差，易打滑和老化。
带宽是带式输送机的主要技术参数。
托辊：
分单滚筒（胶带对滚筒的包角为210°～230°）、双滚筒（包角达350°）和多滚筒（用于大功率）等。
有槽形托辊、平形托辊、调心托辊、缓冲托辊。
槽形托辊（由2～5个辊子组成）支承承载分支，用以输送散粒物料；调心托辊用以调整带的横向位置，避免跑偏；缓冲托辊装在受料处，以减小物料对带的冲击。
滚筒：
分驱动滚筒和改向滚筒。
驱动滚筒是传递动力的主要部件。
分单滚筒（胶带对滚筒的包角为210°～230°）、双滚筒（包角达350°）和多滚筒（用于大功率）等。
皮带运输机张紧装置：
其作用是使输送带达到必要的张力，以免在驱动滚筒上打滑，并使输送带在托辊间的挠度保证在规定范围内。
1.3储煤及装车系统。
其中，筛分车间系统包括图示的主井至筛分车间胶带输送机、矸石转载胶带输送机、矸石输送胶带机以及筛分车间内部所包含的六条拣矸胶带输送机、三条刮板机等设备；其余胶带输送机均属于储煤及装车系统。
在设计上，要求该系统能够实现就地控制与集中控制两种控制模式，集中控制可以分为连锁控制和单机控制等多种控制模式，可以供操作者根据现场实际情况灵活选用，确保在系
基金项目：
国家自然科学基金《煤矿生产重大瓦斯事故的形成机理及其管理方法研究》70533050
统正常运行时操作灵活、易于维护，在系统出现故障或通讯中断时本地可以就地控制确保皮
带设备的正常运行，提高了系统的稳定性。
第二章PLC与变频
2.1PLC的基本概念
可编程控制器（ProgrammableController）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。
早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。
随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。
但是为了避免与个人计算机（PersonalComputer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。
2.2PLC的基本结构
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，如图所示
PLC控制系统示意图
2.2.1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，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，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映象区或数据寄存器内。
等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象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。
2.2.2存储器
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。
2.2.3电源
PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。
如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。
一般交流电压波动在+10%（+15%）范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去
2.2.4输入输出接口电路
（1）现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。
（2）现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。
2.3PLC的工作原理
当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。
完成上述三个阶段称作一个扫描周期。
在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
2.3.1输入采样阶段
在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。
输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。
在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。
因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。
2.3.2用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。
在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
即,在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。
在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。
即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。
2.3.3输出刷新阶段
当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。
在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设这时，才是PLC的真正输出。
2.4PLC在带式输送机上的应用
可编程逻辑控制器（PLC）是八十年代发展起来的新一代工业控制装置，是自动控制、计算机和通信技术相结合的产物，是一种专门用于工业生产过程控制的现场设备。
由于控制对象的复杂性，使用环境的特殊性和运行的长期连续性，使PLC在设计上有自己明显的特点：
可靠性高，适应性广，具有通信功能，编程方便，结构模块化。
在现代集散控制系统中，PLC已经成为一种重要的基本控制单元，在工业控制领域中应用前景极其广泛。
皮带运输机在矿山的井下巷道、矿井地面运输系统、露天采矿场及选矿厂中广泛应用水平运输或倾斜运输。
本设计是结合晋城寺河矿实际。
晋城寺河矿一斜井皮带斜长471m，水平投影长度L1=455m，提升高度H=112.5m，设计运量Q=800T/h，上运平均倾角13.9º，采用机头卸载，堆积密度ρ=0.9T/m3。
2.5PLC产品的选用
PLC在很多国家和领域都发挥着重要的作用，因此，也就有很多不同的产品已适用于不同的领域。
在很多国家也都生产PLC的产品，例如美国、日本、德国，在此我们采用的是日本的OMRON的PLC。
简单介绍一下：
日本的小型PLC很有特色，在小型机领域种颇具盛名。
某些用欧美的中型机或大型机才能实现的控制，用日本的小型机就可以解决。
在开发较复杂的控制系统方面明显优于欧美的小型机，所以格外受用户欢迎。
日本有许多PLC制造商，如欧姆龙、三菱、富士、日立、东芝等。
在世界小型PLC市场上，日本产品约占有70％的份额。
在中国，OMRON产品的销量居首位。
OMRON的PLC之所以受用户欢迎，是由于它们具有以下几个特点：
指令系统功能强大，处理复杂控制的功能强；编程语言是梯形图和语句表并重，编程简单，易掌握；特殊功能模块和智能模块品种多，使用方便；PLC的网络配置简单，实用、造价低；具有明显的价格优势及良好的售后服务系统。
OMRON公司的小型PLC产品:
P型、H型、CPM1A系列、CPM2A系列以及CPM2C、CQM1、CQM1H等都属于小型机。
前些年，P型机以高性价比的优势在我国的销量相当好，现在已被其升级产品、性价比更高的CPM1A系列所取代。
H型机内部配置RS-232C接口，其指令系统也远高于P型机，但价格较P型机高。
CPM2C、CQM1都是模块式结构。
CQM1机内配置RS-232C通信接口，有6种CPU模块，各具不同功能可选择，而且各种I/O单元自由组合，它们都是高功能的小型机。
CQMIH又是CQM1的升级产品。
由于OMRON公司的PLC指令系统功能强大；编程语言是梯形图，编程简单；特殊功能模块和智能模块品种多，使用方便；PLC的网络配置简单，实用、造价低；具有明显的价格优势，所以本方案采用日本欧姆龙公司的小型PLC系列。
2.6电机的选型计算
2.6.1参数选择计算
（1）皮带机采用机头集中驱动方式，带宽1m，原煤堆积角θ=30º
（2）计算带速：
V=Q/3600S*K*ρ=800/3600*0.124*0.91*0.9=2.19m/s
初定带速定为2.5m/s
式中：
Q-----胶带运输能力单位T/h
S-----输送带上物料的截面，取0.124m2
K-----输送机的倾角系数，按最大倾角13.9º
ρ----物料的堆积密度，取0.9T/m3。
选择皮带机的参数还有：
上托辊转动部分质量q1=15.75kg/m
下托辊转动部分质量q2=6.07kg/m
胶带每米载重q=88.9kg/m
胶带每米重量qd=26.1kg/m
2.6.2阻力计算
选择重段阻力系数w1=0.035空段阻力系数w2=0.025
（1）重段阻力：
W1=g*（q+qd+q1）L1*w1+g*（qd+q）H
=9.81*（88.9+26.1+15.75）*455*0.035+9.81（26.1+88.9）*112.5
=147343（N）
（2）空段阻力：
W2=g（qd+q2）L2w2-g*qd*H=9.81*（26.1+6.07）*455*0.025-9.81*26.1*112.5
=-25215（N）
其他辅助阻力有：
头部清扫器阻力F1=100B=100kg
空段清扫器阻力F2=20B=20kg
倒料口附加阻力F3=50.64kg
进料出物料加速阻力：
F4=44.73kg
2.6.3各张力点计算
取紧张系数c=1.05
（1）按悬度计算重段最小张力
S4=5g（88.9+26.1）*1.2=6768.9N
取S4=7000N
（2）各点张力值计算：
S1=F3+F4+S7=981+186.2+163410=164587N
S2=S3/C=32215/1.05=30681N
S3=S4-W2=7000+25215=32215N
S5=C*S4=1.05*7000=7350N
S6=W1+F3+F4+S5=147343+497+439+7350=155629N
S7=C*S6=163410N
2.6.4计算电机功率
选用双电机驱动，考虑到双电机功率的分配不平衡问题，取K=1.3η=0.88
N=K*（S1-S2）*V/（1000η）
式中：
K为电机备用系数，双电机驱动，取1.3选用2*250kw双电机驱动，η为电机的效率。
2.6.5带强计算
Smax=164587N
则每米胶带的张力为S=Smax/B=164587/1000=164.6（N/mm）
ST1600的带强为S0=1600N/mm
安全系数：
n=S0/S=1600/164.6=9.7
满足要求。
2.6.6结果
选择双电机驱动形式，功率为2*250KW，选择ST1600钢丝绳芯胶带，带宽B=1000mm，带速2.5m/s。
2.7变频器在电铲设备中的应用
电铲用于装载矿岩，其工作条件非常恶劣，特别是在爆破不好的情况下挖根底作业，经常出现过大的冲击载荷，甚至堵转。
因此，电铲对电气传动系统就有较高的要求:
要求电气传动系统的机械特性曲线的包络面积大，有足够的有用功率;要求有良好的调速性能，能四象限运行，能快速地进行加、减速和反转，动态响应速度快;要求系统制动性能好，并能回收能量;要求系统运行可靠，维修方便等。
由于电铲对电气传动系统的这些特殊要求，所以，我国电铲目前应用的电气传动系统主要还是直流传动系统。
例如:
WK-4M、WK10、WD-1200和195-B等型号的电铲都是采用直流发电机-直流电动机系统（简称机组系统）;从美国Harnischfeger公司引进制造的P&H-2300XP和P&H-2800XP型电铲则是采用晶闸管变流器-直流电动机系统（简称晶闸管直流系统）。
虽然后者比前者技术先进，效率也有所提高，但这两种系统都还存在直流电机的固有的缺点，即维修工作量大、效率较低等。
自上世纪90年代后期，我国有个别矿山从美国B-E公司引进了变频器-鼠笼型电动机系统（简称交流变频调速系统），这是全交流化的电铲电气传动系统。
例如:
385-B、295-BⅡ、290-BⅢ型电铲就是全交流化电铲，变频调速由德国SIEMENS公司开发、提供的电压型变频器。
现以395-B电铲为例作一简要说明:
高压交流电由电缆经集电环引入电铲，由1600kVA主变压器将6kV变为575V，由1950A的整流器将交流变为直流，经滤波后送入公共直流母线。
在直流母线上有4台容量为750kVA的逆变器，其中2台并联供电给1台容量为1066kW的提升电动机;第三台逆变器供电两台容量各为243kW的回转电动机;第四台逆变器供电给容量为294kW推压电动机。
当某工作机构处于再生制动工作时，逆变器将再生制动能量反馈到公共直流母线上，可供其它工作机构使用，使能量得到充分利用。
使用不完的制动能量，可以通过制动电阻消耗掉。
实践证明，交流变频调速电铲和前两种直流调速电铲相比，具有节约电能、调速性能好、可靠性高、维护量小、生产效率高、功率因数高（0.95以上）等优点，是公认的电铲电气传动系统的发展方向。
矿井通风机是地下矿山生产的主要用电设备之一，其节能运行在矿山节电中占有重要的地位。
矿井通风机一般采用异步电机或同步电机拖动，恒速运转，一般容量大，电机供电电压高（6kV或10kV）。
矿山建设的特点是:
巷道逐年加深，产量逐年增加，所需的通风量逐年上升。
但矿井通风机在设计选型时，往往是按最大开采量时所需的风量为依据的，一般都留有余量，因此矿井在投产后几年甚至十几年内，矿井通风机都是处在低负载下运行。
此外，通常矿山井下作业不均衡，一般夜班工作人员少，所需风量也小，在节假日时，可能只有泵房等固定的井下场所的值班人员工作。
尽管井下人员少，但也得照常向井下送风，矿井通风机一般不调节风量，若要调节风量时，传统的方法是调节档板。
这种办法虽然简单，但从节能的观点看，是很不经济的。
几种调节风量的方法节电比较。
可见，变频调速法在各种风量调节方法中是最理想、最有效、最节能的调节方法。
有关变频调速技术在矿井通风机中的应用，仍以凡口铅锌矿为例说明。
该矿的矿井通风机都采用高压电机传动，有高压同步电机和高压异步电机两大类。
由于矿井通风机是矿山的耗电大户，节电潜力很大，但它又是高压电机传动，实现变频调速有一定困难。
于是，长沙矿山研究院与凡口铅锌矿、冶金自动化研究院等单位合作，以老南风井的6kV，800kW同步电机传动的矿井通风机为对象，研制开发了同步电机直接高压变频器。
1997年8月投入运行，并于1998年4月28日通过了中国有色金属工业总公司的技术鉴定，获得了部级科技进步二等奖。
这是国内第一台同步电机直接高压变频器，节电效果十分显著。
矿井提升机是地下矿山运输的主要设备。
它是用一定的装备沿井筒运出矿石、废石、升降人员及材料、设备等运输环节。
矿井提升设备按井筒倾角可分为竖井提升设备和斜井提升设备;按提升容器可分为罐笼提升机和箕斗提升机等;按提用途可分为主提升机（专们或主性提升矿石，一般称为主井提升机），副井提升机（提升废石、升降人员、运送材料和设备等，一般称为副井提升机）和辅助提升机（如天井电梯、检修提升等）。
2.8变频调速技术在矿井提升机中的应用
矿井提升是地下矿山生产的咽喉，所以，无论哪种提升机，对电气传动的要求都很高，因为电气传动系统性能的优劣，可靠性的高低，都直接关系到矿山生产的效率和矿山生产的正常进行。
对矿井提升机电气传动系统的要求是:
有良好的调速性能，调速精度高，四象限运行，能快速进行正、反转运行，动态响应速度快，有准确的制动和定位功能，可靠性要求高等。
目前，我国地下矿山矿井提升机的电气传动系统主要有:
对于大型矿井提升机，主要采用直流传动系统，有采用直流电动机-直流发电机系统和晶闸管变流器-直流电动机系统;这两种系统都存在着直流电动机固有的缺点，如效率不高，维修工作量较大等。
对于中、小型提升机，则多采用交流电气传动系统，如采用交流绕线式电动机，使用电机转子切换电阻调速，这种电气传动系统虽然设备简单，但它是有级调速，调速性能差，效率低，大量的电能消耗在电动机转子电阻上，而且可靠性也差。
将变频调速技术应用于矿井提升机是矿井提升机电气传动系统的发展方向。
我国已有几台大型矿井提升机采用交-交变频
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