煤矿胶带输送机PLC控制的研究毕业设计论文

毕业论文题目 毕业论文题目 煤矿胶带输送机煤矿胶带输送机 PLCPLC 控制的研究控制的研究 毕业论文主要内容和要求 毕业论文主要内容和要求 1 1 熟悉煤矿输煤系统的工作流程和生产工艺 熟悉煤矿输煤系统的工作流程和生产工艺 2 2 正确选择传感器 并熟悉其工作原理和输出特性 正确选择传感器 并熟悉其工作原理和输出特性 3 3 掌握西门子 掌握西门子 PLCPLC 的工作原理和编程方法 的工作原理和编程方法 4 4 掌握西门子 掌握西门子 PLCPLC 的串口自由通讯的编程方法 的串口自由通讯的编程方法 5 5 设计一个基于 设计一个基于 PLCPLC 煤矿主煤流远程控制系统分站 包煤矿主煤流远程控制系统分站 包 括主要功能设计 硬件设计 传感器选型设计和软件设括主要功能设计 硬件设计 传感器选型设计和软件设 计 具有就地集中控制 显示 远程通信等功能 计 具有就地集中控制 显示 远程通信等功能 6 6 完成与毕业设计内容有关的英文翻译 近三年的文献 完成与毕业设计内容有关的英文翻译 近三年的文献 不少于 不少于 30003000 汉字 汉字 7 7 完成毕业设计论文 完成毕业设计论文 摘 要 大中型煤矿的井下煤炭运输大都采用以胶带输送机为主的运输方式 胶带输送机是一种由电机驱动的连续运输设备 主要用来输送物料和成品 广泛应用于工业生产中 以往的输送机控制大多采用就地控制 并且控制 装置大都由继电器等组成 当输送机的数量增加时 会造成设备复杂 操 作及维护困难的局面 而在胶带输送机的连续运行中 经常会出现打滑 断带 划伤 过载 联轴器断开等现象 导致压矿的严重后果 因此 对 输煤系统的控制就具有重要的意义 本文对煤矿主煤流远程控制系统信号检测部分 就地控制部分 远程控 制上位机三部分组成及功能进行介绍的基础上 提出了基于西门子公司 S7 200 可编程序控制器和工业控制网网络的输煤控制系统实现方案 并重点介 绍 PLC 为主的电机控制系统 系统基本满足了带式输送机工作过程中控制 监测 保护 管理等功能 对与上位机的相关通信问题也进行了分析介绍 基于 PLC 控制的煤矿主煤流远程控制系统可有效的提高煤矿企业输煤系统 的效率 在我国有很好的发展前景 关键字 输送机 S7 200 PLC 控制 传感器 串口通信 目 录 第第 1 1 章章 绪论绪论 1 1 1 1 我国煤矿主煤流控制系统的现状 1 1 2 系统的组成和功能 2 1 2 1 系统的组成 2 1 2 2 系统的功能 3 第第 2 2 章系统概况及部分组成章系统概况及部分组成 皮带机及控制信号及传感器皮带机及控制信号及传感器 4 4 2 1 系统的组成及功能 4 2 2 胶带运输机概况 5 2 2 1 胶带运输机概念 5 2 2 2 通用带式输送机的组成 5 2 32 3 传感器的概况及控制系统所需信号 信号传感器传感器的概况及控制系统所需信号 信号传感器 6 6 2 3 1 传感器的分类 6 2 3 2 传感器的特性 7 2 3 3 转速的测量及转速传感器 9 2 3 4 转矩的测量及转矩传感器 11 2 3 5 温度的测量及温度传感器 12 2 3 6 跑偏 划伤及纵向撕裂的检测 14 第第 3 3 章章 基于基于 PLCPLC 的下位机控制系统设计的下位机控制系统设计 1616 3 13 1 PLCPLC 概述概述 1616 3 1 1 PLC 的概念及发展 16 3 1 2 PLC 的主要特点 18 3 1 3 PLC 的应用范围 19 3 1 4 PLC 的组成 20 3 23 2 S7 200S7 200 PLCPLC 的概况的概况 2222 3 2 1 SIEMENS S7 200 基本组成 22 3 2 2 SIEMENS S7 200 的工作原理 26 3 2 3 PLC 编程语言和程序结构 29 3 33 3 本例中基于本例中基于 S7 200S7 200 PLCPLC 的设计的设计 3131 3 3 1 系统功能 31 3 3 2 系统控制 32 第第 4 4 章章 煤矿主煤流控制系统数据通信设计与实现煤矿主煤流控制系统数据通信设计与实现 3636 4 1 通信网络的基础知识 36 4 2 PLC 通信程序设计 41 4 3 PLC 端的通讯程序实现 43 第第 5 5 章章 总结与展望总结与展望 4747 参考文献 参考文献 4848 英文原文英文原文 4949 中文译文中文译文 5959 致致 谢谢 6666 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 论文 第 1 页 第 1 章 绪论 传统的煤矿输煤系统是一种基于接触器和人工手动方式的半自动化系 统 由于输煤系统现场环境十分恶劣 不仅极大损害了工人的身体健康 而且由于输煤系统范围大 经常有皮带跑偏 皮带撕裂 等等麻烦 大大 降低了生产效率 传统输煤系统已无法满足井下运煤的需要 1 1 我国煤矿主煤流控制系统的现状 带式输送机是煤矿生产中的主要运输工具 其自动化程度及安全运行 在煤矿生产中占有极其重要的地位 目前 我国煤矿主煤流远程控制系统 发展情况差距很大 受企业性质及煤矿生产规模的影响 有些井下带式输送 机的控制仍以就地控制为主 各种保护信号也只能就地显示 并且其保护装 置的可靠性 灵敏性及寿命也都较低 也有一些国有大型煤矿在煤矿主煤 流远程控制系统方面取得了很大的突破 例如中国矿业大学和兖州矿业集 团公司兴隆庄煤矿研制的 煤矿井下主煤流带式输送机地面集中控制系统 集控制 检测和监测为一体 在我国首次实现了地面对井下主煤流带式输 送机的长距离 10Km 以内 多点位 2000 点以上信息传输和无岗点操作的远 程集中监测控制 开创了我国地面远程集中控制煤矿井下机电设备的先例 系统自动化程度达到了国际先进水平 已经通过了专家技术鉴定 煤矿井下 主煤流胶带运输地面集中控制系统以分布式计算机控制系统 DCS 为主 包 括了地面控制中心 井下控制中心和 11 个控制分站 具有在线监测 分析 以及完善的保护与报警功能 完全符合煤矿井下带式输送机输煤系统安全 生产的要求 在兴隆庄煤矿井下的现场技术检测和工业性运行表明 该系 统的技术性能达到了设计要求 开机率由原来 60 提高到 95 以上 系统输 煤能力也从 1000t h 提高到 1 200 t h 同时还极大地减轻了操作人员的 劳动强度 专家们指出 此项成果运用自动化 计算机 传感器 工业电 视 光纤通讯及网络技术 采用触摸屏或鼠标控制方式进行数据和图像信息 传输 可以实现煤流方向带式输送机的顺序开停和无扰切换 具有断带 打 滑 跑偏 烟雾报警 自动灭火断电 语音报警等各种保护功能 免除了人 为因素的干扰 避免了整个带式输送机系统带载停车与堆煤事故的发生 它首次将先进的冗余技术应用于煤矿带式输送机的集中控制 实现了地面 和井下控制中心的 3 台计算机互为热备份 提高了整个系统的可靠性 所 开发的防爆兼本安型带式输送机自动控制装置具有完善的数据采集和控制 功能 亦可以作为单台带式输送机的自动控制装置 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 论文 第 2 页 1 2 系统的组成和功能 煤矿主煤流运输系统为将井下采掘工作面生产的煤炭运送到井底集运 站所需的巷道及其运输设备的总称 按运输方式不同 煤矿主煤流运输系 统一般分为由输送机组成的连续运输方式 由轨道运输组成的间断运输系 统以及由上述两种组成的混合方式 1 2 11 2 1 系统的组成系统的组成 煤矿主煤流控制系统由信号检测部分 就地控制部分 远程控制三部 分组成 信号检测部分 通过相应的传感器 变送器 放大电路等将各种 系统所需的控制信号进行测量和变送 输出规范的电信号到就地控制部分 就地控制部分 主要由可编程控制器 PLC 控制面板和各现场设 备的控制装置等组成 其作用 1 负责测量信号的简单处理与分析 并据 此对输煤系统进行相应控制或发出预 报 警信号 2 值班人员配合控制 面板近地控制输煤系统 3 与远程控制上位机进行通信 接受上位机控制 并根据指令将所需信息发送给上位机处理 上位机部分 硬件由工业计算机 打印机等构成 软体由应用程序和 数据库组成 控制人员通过人机界面实现对输煤设备的远程控制 监视 采集历史数据 并对控制系统各种数据进行复杂处理 显示 存储 输出 和打印 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 论文 第 3 页 系统整体框图如图 1 1 所示 打印机工业计算机屏幕 RS485 RS232 转换器 编程器 S7 200 PLC 执行继 电器 电机传感器 变送 环节 图 1 1 煤矿主煤流远程控制系统整体框图 1 2 21 2 2 系统的功能系统的功能 1 控制功能 集中顺序控制 逆起 起动前 输送带上有煤时 故障停车后再起 车 必须采用此种起动方式 逆起的延时长短以躲过起动峰值电流为原则 顺起 起动前 输送带上无煤时 采用顺煤流延时起动 以便有效地缩短 带式输送机空运载时间 节省电能 减少输送带及设备的无效运行磨损 顺起的延时长短以保证相应输送带上不压煤为原则 顺停 正常停车时 采用顺煤流延时顺停 顺停及延时长短以保证相应输送带上不留煤为原则 手动控制 控制台上联锁手动控制 现场急停 巡视人员发现异常 现象用沿线急停开关就地停机 并使与其有联锁关系的带式输送机和给煤 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 论文 第 4 页 机停机 故障停机 带式输送机出现故障时自动停车 并使与其有联锁关系 的带式输送机和给煤机停机 2 监测功能 监测运输系统的各种故障 并显示故障性质 低速 跑偏 撕带 堆 煤 超温 烟雾 煤仓高低煤位 电动机过载 及地点 自动巡检各带式输送机的速度 电流 环境温度 并在计算机上显示 并能根据需要随时显示带式输送机的上述参数 3 保护功能 带式输送机低速保护 监视输送带是否打滑 跑偏保护 输送带 跑偏时先发出信号 一定时间延时后 再检测有无跑偏信号 若有自动停 机 撕带保护 强力输送带上使用 堆煤保护 在装煤点和机头设置 超温保护 监视机头驱动轮温度 超温自动洒水 烟雾报警 煤 仓高 低煤位保护 电机综合保护 含过载 断相 短路和漏电闭锁保 护 4 管理功能 上位计算机具有图像显示和报表处理能力 显示各条输送带的状态 显示各图形报表等 打印生产中所需各种图表 第 2 章系统概况及部分组成 皮带机及控制信号及传感器 2 1 系统的组成及功能 煤矿主煤流远程控制系统 下位机主要由可编程控制器 PLC 控制 面板和各现场设备的控制装置以及被控设备 本例为胶带运输机 等组成 PLC 作为就地控制部分中的主要功能部件 在本控制系统中的作用有 1 对测量的各种控制信号进行分析和处理 各传感器所测得的控制信号直接或通过中间环节 变送器 信号放大 器 A D 转换 送入 PLC 的扩展输入 输出模块 PLC 的 CPU 便按用户预先 编好的程序对不同信号进行分析与处理 如与设定值进行比较后产生相应 控制信号 对现场设备进行控制 也可将信号值放到指定存储器中进行存 储 分析和处理后的信号值还可通过控制面板就地显示 以便操作人员控 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 论文 第 5 页 制现场 2 控制电机的启停及现场预 报 警 现场各控制信号的分析和处理完毕后 PLC 便根据用户程序和相应设定 值产生不同的控制信号和报警信号 通过输出模块传输到控制设备和报警 设备上 以实现对胶带输送机 给煤机的起停 或根据故障的类型产生相 应的报警信号 通过声音 灯光 屏显通知管理人员 以便进一步对故障 进行处理 3 利用 PLC 的通信功能 与上位机实现通信 虽然 PLC 能对数据进行处理 但相较于远程控制上位机的数据处理能 力还有不足之处 所以需要将数据上传到上位机进行复杂处理 如故障信 号数据库的建立 图形的生成及报表的生成和打印等 这样便将此系统很 好的纳入到整个煤矿的统筹管理之中 实现集中管理 对提高生产率有极 大帮助 4 接受上位机指令控制 成为系统控制分站 作为整个远程控制系统的中间环节 在系统通信正常时 作为控制分 站 向上位机传输数据的同时 也接受上位机的指令控制 进而控制现场 各设备 达到远程控制功能 当就地控制部分无法与地面控制中心正常通 信时 切换到就地控制状态 从而保证对主煤流运输系统的控制 待到与 上位机能正常通信时 重新组成远程控制系统 2 2 胶带运输机概况 2 2 12 2 1 胶带运输机概念胶带运输机概念 带式输送机是一种摩擦驱动以连续方式运输物料的机械 应用它 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 它既可以进行碎散物料的输送 也可以进行成件物品的 输送 除进行纯粹的物料输送外 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 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 广泛应用带式输送机 它用于水平运输或倾斜运 输 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 论文 第 6 页 2 2 22 2 2 通用带式输送机的组成通用带式输送机的组成 通用带式输送机由输送带 托辊 滚筒及驱动 制动 张紧 改向 装 载 卸载 清扫等装置组成 胶带输送机是煤矿生产中的主要运输工具 其自动化程度及安全运行在 煤矿生产中占有极其重要的地位 胶带输送机连续运输的特性与采煤工艺 相适应 增产潜力大 将是机械化 自动化大型矿井运输的主要发展趋势 输送带 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 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 2 3 传感器的概况及控制系统所需信号 信号传感器 国家标准 GB7665 87 对传感器下的定义是 能感受规定的被测量并 按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置 通常由敏感元件和转换元 件组成 传感器是一种检测装置 能感受到被测量的信息 并能将检测感 受到的信息 按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出 以 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 论文 第 7 页 满足信息的传输 处理 存储 显示 记录和控制等要求 它是实现自动 检测和自动控制的首要环节 2 3 12 3 1 传感器的分类传感器的分类 根据传感器工作原理 可分为物理传感器和化学传感器二大类 也可 以分为 1 电阻式传感器 电阻式传感器是将被测量 如位移 形变 力 加速度 湿度 温度 等这些物理量转换式成电阻值这样的一种器件 主要有电阻应变式 压阻 式 热电阻 热敏 气敏 湿敏等电阻式传感器件 电阻应变式传感器传 感器中的电阻应变片具有金属的应变效应 即在外力作用下产生机械形变 从而使电阻值随之发生相应的变化 电阻应变片主要有金属和半导体两类 金属应变片有金属丝式 箔式 薄膜式之分 半导体应变片具有灵敏度高 通常是丝式 箔式的几十倍 横向效应小等优点 2 压阻式传感器 压阻式传感器是根据半导体材料的压阻效应在半导体材料的基片上经 扩散电阻而制成的器件 其基片可直接作为测量传感元件 扩散电阻在基 片内接成电桥形式 当基片受到外力作用而产生形变时 各电阻值将发生 变化 电桥就会产生相应的不平衡输出 用作压阻式传感器的基片 或称膜片 材料主要为硅片和锗片 硅片 为敏感 材料而制成的硅压阻传感器越来越受到人们的重视 尤其是以测量 压力和速度的固态压阻式传感器应用最为普遍 3 热电阻传感器 热电阻传感器主要是利用电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温 度及与温度有关的参数 在温度检测精度要求比较高的场合 这种传感器 比较适用 目前较为广泛的热电阻材料为铂 铜 镍等 它们具有电阻温 度系数大 线性好 性能稳定 使用温度范围宽 加工容易等特点 用于 测量 200 500 范围内的温度 按照其用途 传感器可分类为 压力传感器 位置传感器 液面传感器 能耗传感器 速度传感器 热敏传感器 以其输出信号为标准可将传感器分为 模拟传感器 将被测量的非电学量转换成模拟电信号 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 论文 第 8 页 数字传感器 将被测量的非电学量转换成数字输出信号 包括直接和 间接转换 开关传感器 当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时 传感器 相应地输出一个设定的低电平或高电平信号 2 3 22 3 2 传感器的特性传感器的特性 1 传感器静态特性 传感器的静态特性是指对静态的输入信号 传感器的输出量与输入量 之间所具有相互关系 因为这时输入量和输出量都和时间无关 所以它们 之间的关系 即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程 或 以输入量作横坐标 把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描 述 表征传感器静态特性的主要参数有 线性度 灵敏度 分辨力和迟滞 等 2 传感器动态特性 所谓动态特性 是指传感器在输入变化时 它的输出的特性 在实际 工作中 传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示 这 是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得 并且它对标准 输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系 往往知 道了前者就能推定后者 最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两 种 所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示 3 传感器的线性度 通常情况下 传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线 在实际 工作中 为使仪表具有均匀刻度的读数 常用一条拟合直线近似地代表实 际的特性曲线 线性度 非线性误差 就是这个近似程度的一个性能指标 拟合直线的选取有多种方法 如将零输入和满量程输出点相连的理论 直线作为拟合直线 或将与特性曲线上各点偏差的平方和为最小的理论直 线作为拟合直线 此拟合直线称为最小二乘法拟合直线 4 传感器的灵敏度 灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化 y 对输入量变化 x 的比值 它是输出一输入特性曲线的斜率 如果传感器的输出和输入之间 显线性关系 则灵敏度 S 是一个常数 否则 它将随输入量的变化而变化 灵敏度的量纲是输出 输入量的量纲之比 例如 某位移传感器 在位移 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 论文 第 9 页 变化 1mm 时 输出电压变化为 200mV 则其灵敏度应表示为 200mV mm 当 传感器的输出 输入量的量纲相同时 灵敏度可理解为放大倍数 提高灵 敏度 可得到较高的测量精度 但灵敏度愈高 测量范围愈窄 稳定性也 往往愈差 5 传感器的分辨力 分辨力是指传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力 也就是说 如果输入量从某一非零值缓慢地变化 当输入变化值未超过某一数值时 传感器的输出不会发生变化 即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的 只有当输入量的变化超过分辨力时 其输出才会发生变化 通常传感器在 满量程范围内各点的分辨力并不相同 因此常用满量程中能使输出量产生 阶跃变化的输入量中的最大变化值作为衡量分辨力的指标 上述指标若用 满量程的百分比表示 则称为分辨率传感器的迟滞特性 迟滞特性表征传感器在正向 输入量增大 和反向 输入量减小 行 程间输出 一输入特性曲线不一致的程度 通常用这两条曲线之间的最大差 值 MAX 与满量程输出 F S 的百分比表示 迟滞可由传感器内部元件存在 能量的吸收造成 2 3 32 3 3 转速的测量及转速传感器转速的测量及转速传感器 1 转速的测量 转速是各种动力机械的主要参数 转速的测量为转动机械的设计 安 全提供了重要数据 转速大小常常用单位时间内转速表示 工程上大都采 用一分钟内转数多少作为转速测量单位 即 r min 有时用角速度表示转速 即 rad s 转速的测量常采用的方法有测速发电机法 霍尔效应法 电磁感 应法 光电效应法 电容法 涡流转矩法 离心力法 运输固体物料的运输机皮带的速度检测 对于及时发现皮带打滑 断 带 滑伤 过负荷 联轴器断或在传动中皮带完全停止是必要的 速度传 感器是安装在运输机上 可以按皮带某一给定行程的方式或按与皮带速度 成比例的方式提供信息的测速装置 由于磁阻式转速传感器具有防潮 防 尘 抗干扰能力强等优点 所以选用这种传感器 磁阻式转速传感器是利 用法拉第电磁感应原理将机械转速量变换为脉冲电量的转换器 这类传感 器的线圈和磁铁部分都是静止的 与被测件连接的运动部分是用导磁材料 制成的 当转动件转动时 改变了磁路的磁阻 因而改变贯穿线圈的磁能 量 在线圈中产生感应电动势 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 论文 第 10 页 转速传感器的安装位置主要有 将摩擦滚轮安装在上皮带的下方或下皮 带的上方或直接安装在从动滚轮上 将摩擦滚轮安装在上皮带的下方 采用压缩弹簧的张力或重锤使摩擦 滚轮接触于上皮带的下方 如图 2 1 所示 由于上皮带托辊较密 皮带承 受物料的重量跳动减少 水和灰都不易影响摩擦滚轮 相对来说 摩擦滚 轮转动较平稳 输出频率可靠 采用这种方式 单摩擦滚轮安装时的中心 线应与皮带中心线重合 如果皮带所载物料属大块料 不适宜用这种方式 将摩擦滚轮安装在下皮带的上方 利用摩擦滚轮自重产生摩擦力使其 随皮带的运动而旋转 如图 2 2 所示 摩擦滚轮装在下托辊上时抖动大 装在离托辊较远时皮带摆动大 皮带表面受潮摩擦滚轮打滑 均会引起转 速降低 使传感器输出频率减少 因此 一般选在距下托辊 200 300mm 的 位置安装 图 2 1 摩擦滚轮安装在上皮带下方 图 2 2 摩擦滚轮安装在下皮带上方 2 转速传感器 将旋转物体的转速转换为电量输出的传感器 转速传感器属于间接式 测量装置 可用机械 电气 磁 光和混合式等方法制造 按信号形式的 不同 转速传感器可分为模拟式和数字式两种 前者的输出信号值是转速 的线性函数 后者的输出信号频率与转速成正比 或其信号峰值间隔与转速 成反比 转速传感器的种类繁多 应用极广 其原因是在自动控制系统和 自动化仪表中大量使用各种电机 在不少场合下对低速 如每小时一转以 下 高速 如每分钟数十万转 稳速 如误差仅为万分之几 和瞬时速 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 论文 第 11 页 度的精确测量有严格的要求 常用的转速传感器有光电式 电容式 变磁 阻式以及测速发电机等 光电式转速传感器 它分为投射式和反射式两类 投射式光电转速传 感器的读数盘和测量盘有间隔相同的缝隙 测量盘随被测物体转动 每转 过一条缝隙 从光源投射到光敏元件 光电式传感器 上的光线产生一次 明暗变化 光敏元件即输出电流脉冲信号 反射式光电传感器在被测转轴上 设有反射记号 由光源发出的光线通过透镜和半透膜入射到被测转轴上 转轴转动时 反射记号对投射光点的反射率发生变化 反射率变大时 反 射光线经透镜投射到光敏元件上即发出一个脉冲信号 反射率变小时 光 敏元件无信号 在一定时间内对信号计数便可测出转轴的转速值 变磁阻式转速传感器 它属于变磁阻式传感器 变磁阻式传感器的三 种基本类型 电感式传感器 变压器式传感器和电涡流式传感器都可制成 转速传感器 电感式转速传感器应用较广 它利用磁通变化而产生感应电 势 其电势大小取决于磁通变化的速率 这类传感器按结构不同又分为开 磁路式和闭磁路式两种 开磁路式转速传感器 图 4a 结构比较简单 输 出信号较小 不宜在振动剧烈的场合使用 闭磁路式转速传感器由装在转 轴上的外齿轮 内齿轮 线圈和永久磁铁构成 图 4b 内 外齿轮有相同 的齿数 当转轴连接到被测轴上一起转动时 由于内 外齿轮的相对运动 产生磁阻变化 在线圈中产生交流感应电势 测出电势的大小便可测出相 应转速值 2 3 42 3 4 转矩的测量及转矩传感器转矩的测量及转矩传感器 1 转矩的测量 使机器元件转动的力偶或力矩叫做转动力矩 简称转矩 任何元件在 转矩的作用下 必定产生某种程度的扭转变形 因此 习惯上又把转动力 矩叫做扭转力矩 简称扭矩 转矩是各种工作传动轴的基本载荷形式 是 旋转机械动力输出的重要指标 是检验产品是否合格的标志之一 是计算 机械功率和效率的必需参数 扭矩的测量对传动轴载荷的确定和控制 对 传动系统各工作零件的强度设计和原动机容量的选择 都有重要意义 转矩随时间的变化过程叫做转矩的时间历程 按照时间历程的特点 转矩可以分为静态转矩和动态转矩 静态转矩是转矩值不随时间变化 或 者随时间变化很小 很缓慢的转矩 动态转矩则是转矩值随时间变化很大 很迅猛的转矩 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 论文 第 12 页 静态转矩包括静止转矩 恒定转矩 缓变转矩和微脉动转矩 静止转 矩的转矩值为常数 传动轴静止不旋转 它的特征参数是转矩 T 为常数 转速 n 为零 如起重机吊重静止时的转矩 恒定转矩的转矩值仍为常数 但 传动轴以某转速旋转 如电机稳定工作时的转矩 缓变转矩的转矩值随时间 作缓慢变化 因为转矩变化缓慢 在短暂时间内可以认为转矩值是恒定的 动态转矩包括振动转矩 过渡转矩及随机转矩三种 振动转矩的转矩 值是波动的 并具有一定周期 通过对机器的振动转矩进行频谱分析可对 机械设备进行状态检测和故障诊断 过渡转矩是机械从一种工况转换到另 一种工况时的转矩变化过程 如电机的启动过程扭矩的变化 随机转矩是 一种不确定的 无规律变化的转矩 2 转矩传感器 a 电齿栅式转矩传感器原理 电磁齿 栅 式转矩传感器 以下简称齿 栅 式 的基本原理是通过磁电 转换 把被测转矩转换成具有相位差的两路电信号 而这两路电信号的相 位差的变化量与被测转矩的大小成正比 经定标并显示 即可得到转矩值 在弹性轴两端安装有两只齿轮 在齿轮上方分别有两组磁钢 磁钢上 各绕有一组信号线圈 当弹性轴转动时 由于磁钢与齿轮间气隙磁导的变 化 在信号线圈中分别感应出两个电势 在外加转矩为零时 这两个电势 有一个恒定的初始相位差 这个初始相位差只与两只齿轮在轴上安装的相 对位置有关 在外加转矩时 弹性轴产生扭转变形 在弹性变形范围内 其扭角与外加转矩成正比 在扭角变化的同时 两个电势的相位差发生相 应的变化 这一相位差变化的绝对值与外加转矩的大小成正比 由于该电 势的频率与转速及齿数的乘积成正比 其中齿数为固定值 图 2 3 电磁式转矩传感器原理图 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 论文 第 13 页 b 数字式转矩传感器原理 另一类是应变片数字扭矩传感器 其测量原理是运用敏感元件 精密电 阻应变片 组成的应变电桥附着在弹性应变轴上 则可以检测出该弹性轴受 扭时毫伏级应变信号 将该应变信号放大后 经过压频转换 变换成与扭 应变成正比的频率信号 传感器系统的能源输入及信号输出由两组带间隙 的特殊环形变压器所承担 因此实现了无接触的能源及信号传递功能 这 类扭矩传感器的不足之处是测量之前需要预热来平衡电桥 2 3 52 3 5 温度的测量及温度传感器温度的测量及温度传感器 1 温度的测量 温度是一个基本的物理量 自然界中的一切过程无不与温度密切相关 温度传感器是最早开发 应用最广 两种不同材质的导体 如在某点互相 连接在一起 对这个连接点加热 在它们不加热的部位就会出现电位差 这个电位差的数值与不加热部位测量点的温度有关 和这两种导体的材质 有关 这种现象可以在很宽的温度范围内出现 如果精确测量这个电位差 再测出不加热部位的环境温度 就可以准确知道加热点的温度 由于它必 须有两种不同材质的导体 所以称之为 热电偶 不同材质做出的热电偶 使用于不同的温度范围 它们的灵敏度也各不相同 热电偶的灵敏度是指 加热点温度变化 1 时 输出电位差的变化量 对于大多数金属材料支撑的 热电偶而言 这个数值大约在 5 40 微伏 之间 热电偶 热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一 热电偶工作原理是基于 赛贝克 seeback 效应 即两种不同成分的导体两端连接成回路 如两连接 端温度不同 则在回路内产生热电流的物理现象 其优点是 a 测量精度高 因热电偶直接与被测对象接触 不受中间介质的影响 b 测量范围广 常用的热电偶从 50 1600 均可连续测量 某些特 殊热电偶最低可测到 269 如金铁镍铬 最高可达 2800 如钨 铼 c 构造简单 使用方便 热电偶通常是由两种不同的金属丝组成 而 且不受大小和开头的限制 外有保护套管 用起来非常方便 2 热电偶测温基本原理 将两种不同材料的导体或半导体 A 和 B 焊接起来 构成一个闭合回路 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 论文 第 14 页 如图 2 4 所示 当导体 A 和 B 的两个接点 1 和 2 之间存在温差时 两者之 间便产生电动势 因而在回路中形成一个大小的电流 这种现象称为热电效 应 热电偶就是利用这一效应来工作的 图 2 4 热电偶结构原理 3 热电偶的结构形成 b 热电偶的结构形式 为了保证热电偶可靠 稳定地工作 对它的结构 要求如下 组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固 两个热电极彼此之间应很好地绝缘 以防短路 补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠 保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离 4 热电偶冷端的温度补偿 由于热电偶的材料一般都比较贵重 特别是采用贵重金属时 而测温 点到仪表的距离都很远 为了节省热电偶材料 降低成本 通常采用补偿 导线把热电偶的冷端 自由端 延伸到温度比较稳定的控制室内 连接到 仪表端子上 必须指出 热电偶补偿导线的作用只起延伸热电极 使热电 偶的冷端移动到控制室的仪表端子上 它本身并不能消除冷端温度变化对 测温的影响 不起补偿作用 因此 还需采用其他修正方法来补偿冷端温 度 0 时对测温的影响 0 T 在使用热电偶补偿导线时必须注意型号相配 极性不能接错 补偿导 线与热电偶连接端的温度不能超过 100 2 3 62 3 6 跑偏 划伤及纵向撕裂的检测跑偏 划伤及纵向撕裂的检测 1 跑偏的检测 皮带运输机运行时皮带跑偏是最常见的故障 皮带跑偏轻则造成撤料 皮带磨损 重则由于皮带与机架剧烈摩擦引起皮带软化 烧焦甚至引起火灾 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 论文 第 15 页 造成整个生产线停产 因而 正确地处理好皮带跑偏关系到整个生产系统 的正常运转 皮带跑偏的原因 安装时引起的皮带跑偏 皮带机安装质量的好坏对皮带跑偏的影响 最大 由安装误差引起的皮带跑偏最难处理 安装误差主要是 1 输送带接头不平直 造成皮带两边张力不均匀 皮带始终往张紧力 大的一边跑偏 2 机架歪斜 机架歪斜包括机架中心线歪斜和机架两边高低倾斜 这 两种情况都会造成严重跑偏 并且很难调整 3 导料槽两侧的橡胶板压力不均匀 由于橡胶板压力不均匀 造成皮 带两边运行阻力不一致 引起皮带跑偏 运行中引起的皮带跑偏 1 滚筒 托辊粘料引起的跑偏 皮带机在运行一段时间后 由于矿料 有的具有一定的粘性 部分矿粉会粘沾在滚筒和托辊上 使得滚筒或托辊 局部筒径变大 引起皮带两侧张紧力不均匀 造成皮带跑偏 2 皮带松弛引起的跑偏 调整好的皮带在运行一段时间后 由于皮带 拉伸产生永久变形或老化 会使皮带的张紧力下降 造成皮带松弛 引起 皮带跑偏 3 矿料分布不均匀引起的跑偏 如果皮带空转时不跑偏 重负荷运转 就跑偏 说明矿料在皮带两边分布不均匀 矿料分布不均主要是矿料下落 方向和位置不正确引起的 如果矿料偏到左侧 则皮带向右跑偏 反之亦 然 4 运行中振动引起的跑偏 皮带机在运行时的机械振动是不可避免的 在皮带运行速度越快时 振动越大 造成的皮带跑偏也越大 在皮带机中 托辊的径向跳动引起的振动对皮带跑偏影响最大 跑偏开关主要用于检测实际运行中带式输送机的偏移状态来发出信号 实现带式输送机跑偏后自动报警和自动停机功能 来防止因输送机偏移倾斜 使物料撒落 跑偏开关具有两级动作功能 一级动作用于报警 二级动作 用于停机 1 轻微偏移报警 当输送机在运行过程中发生轻微偏移时 则开关 输出一级报警信号 2 严重偏移报警 当输送机在运行过程中发生严重偏移时 则开关 输出二级停机信号 跑偏开关由立辊 复位手柄 调偏再启动 凸轮及行程开关等组成 见 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 论文 第 16 页 图 2 5 利用带式输送机跑偏时的横向位移触碰到开关立辊 使立辊产生 偏转 然后以立辊的偏转角确定胶带跑偏量 当立辊偏转角达到 12 时 一级开关动作并输出轻跑偏报警信号 当立辊偏转角达到 30 时 二级开关 动作并输出重跑偏停机信号 图 2 5 跑偏开关的组成 2 划伤及纵向撕裂的检测 在运输线上 物料从溜槽落下 其锋利部分往往扎透皮带 当运输线 继续运行时 皮带从扎透处沿纵向依次被撕裂 成为引起大事故的原因 等到皮带损伤到不能修理的程度 就得换皮带 使运输线不得不停运 造 成很大损失 那么如何来检测皮带纵向撕裂事故 避免更大事故以及停产 的发生呢 目前主要使采用纵向撕裂探测器来检测 纵向撕裂检测器采用拦 索式方法 拦索通过滑板与开关连接 使开关随着拦索的牵移而输出停机 信号 撕裂检测器在正常状态下拦索使开关的触发机构处于正常状态 当异 物刺穿胶带机表面并触及到拦索时 并带动拦索 使拦索产生位移导致触 发机构动作输出撕裂停机信号 撕裂传感器应安装在受料段胶带下缓冲托辊之间 控制箱应就近安装 在附近机架上 调整滑板和索杆使拦索距胶带下表面 20 30mm 再调整调线 器使拦索张紧 且开关也处于动作状态即可 新安装的撕裂传感器应每隔 5 日按上述方法重新调整 2 4 次 以消除因拦索伸缩而引起误差 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 论文 第 17 页 第 3 章 基于 PLC 的下位机控制系统设计 3 1 PLC 概述 3 1 13 1 1 PLCPLC 的概念及发展的概念及发展 20 世纪年代起 人们把各种继电器 定时器 接触器及其触点按一定 逻辑关系连接起来组成控制系统 控制各种生产机械 这就是大家熟悉的 传统继电器接触器控制系统 由于它结构简单 容易掌握 价格便宜 在 一定范围内能满足控制要求 因而使用面甚广 在工业控制领域中一直占 主导地位 但是继电接触器控制系统有明显的缺点 设备体积大 可靠性 差 动作速度慢 功能少 难于实现较复杂的控制 特别是它是靠硬连接 逻辑构成的系统 接线复杂 当生产工艺或对象需要改变时 原有的接线 和控制盘 柜 就要更换 所以通用性和灵活性较差 1968 年 美国通用汽车公司 GM 根据市场形势与生产发展的需要 提出了 多品种 小批量 不断翻新汽车品牌型号 的战略 要实现这个 战略决策 依靠原有的工业控制装置显然不行 而必须有一种新的工业控 制装置 它可以随着生产品种的改变 灵活方便地改变控制方案以满足对 控制的不同要求 1969 年 著名的美国数字设备公司 DEC 根据 GM 的功 能要求 研制出了这种新的工业控制装置 并在 GM 公司的一条汽车自动化 生产线上首次运行取得成功 根据这种新型工业控制装置可以通过编程改 变控制方案这一特点 以及专门用于逻辑控制的情况 称这种新的工业控 制装置为可编程序控制器 Programmable LogicController 简称 PLC 国际电工委员会曾于 1982 年 11 月颁发了可编程控制器标准草案第一 稿 1985 年一月发表了第二稿 1987 年 2 月颁发了第三稿 该草案中对可 编程控制器的定义是 可编程序控制器是一种数字运算逻辑操作的电子系统 专为工业环 境而设计 它采用了可编程的存储器 用来在其内部存储执行逻辑运算 顺序控制 定时 计数和算数运算等操作的指令 并通过数字式和模拟式 的输入和输出 控制各种类型机械的生产过程 而有关的外围设备 都应 按易于与工业系统联成一个整体 易于扩充其功能的原则设计 定义强调了 PLC 应直接应用于工业环境 它有很强的抗干扰能力 广 泛的适应能力和应用范围 这也是区别于一般微机控制系统的一个重要特 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 论文 第 18 页 征 从 1968 年到现在 PLC 经历了四次换代 第一代 PLC 大多用一位机开 发 用磁芯存储器存储 只有逻辑控制功能 在第二代 PLC 产品中换成了 8 位微处理器及半导体存储器 PLC 产品开始系列化 第三代 PLC 产品随着 高性能微处理器及位片式 CPU 在 PLC 中大量使用 PLC 的处理速度大大提高 从而促使它向多功能及联网通信方向发展 第四代 PLC 产品不仅全面使用 16 位 32 位高性能微处理器 高性能位片式微处理器 RISC Reduced instruction set computer 精简指令系统 CPU 等高级 CPU 而且在一台 PLC 中配置多个处理器 进行多通道处理 同时生产了大量内含微处理器的 智能模板 使得第四代 PLC 产品成为具有逻辑控制功能 过程控制功能 运动控制功能 数据处理功能 联网通信功能的真正名符其实的多功能控 制器 同一时期 由 PLC 组成的 PLC 网络也得到飞速发展 PLC 与 PLC 网络 成为工厂企业中首选的工业控制装置 由 PLC 组成的多级分布式 PLC 网络 成为 CIMS computer integrated manufacturing system 系统不可或缺 的基本组成部分 人们高度评价 PLC 及其网络的重要性 认为它是现代工 业自动化的三大支柱之一 今天我们常用的 PLC Programmable LogicController 是微型电子 计算机与常规控制元件如继电器等互相结合形成的新型工业自动化控制装 置 它是在一位机 顺序控制器和计算机控制的基础上发展起来的把继电 器控制简单易行 成本低 容易掌握等优点和计算机的功能完善 灵活方 便 通用性好等特点结合起来抛弃了传统的计算机编程语言和表达形式 而是以计算机软件技术构成人们习惯的继电器模型 进而得到以继电器电 路梯形图为基础的形象编程语言和模块化软件对于继电器 计时器 定时 器和输入信号等内部资源它可以自如地使用软件构成的逻辑功能多次进行 调用 不但能代替继电器控制简单的开关顺序 而且能够控制模拟量 还具 有通讯及联网功能可形成分布式控制系统 监测其它的控制器 并能与上位 机进行通讯联系收集生产中的数据向各主管部门传送重要信息 本文在充分考虑输煤系统的作用和运行可靠性基础上 提出了基于西 门子公司 S7 200 PLC 可编程序控制器的输煤控制系统实现方案 该方案不 仅降低了开发的工作量 而且降低了维护的工作量 同时也对以后的升级 提供了条件 本课题利用 PLC 可编程序控制器及相关的检测设备 解决传 统继电接触器控制存在的问题并实现与上位机的通讯 负责皮带输送机 单机 的起停及相关控制 将皮带机的运行状态上传上位机 课题主要 根据煤矿井下主煤流的生产工艺的 实现设计一个基于 PLC 煤矿主煤流远 程控制系统分站 包括主要功能设计 硬件设计 传感器选型设计和软件 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 论文 第 19 页 设计 具有就地集中控制 显示 远程通信等功能 3 1 23 1 2 PLCPLC 的主要特点的主要特点 1 可靠性高 抗干扰能力强 高可靠性是电气控制设备的关键性能 PLC 由于采用现代大规模集成电 路技术 采用严格的生产工艺制造 内部电路采取了先进的抗干扰技术 具有很高的可靠性 例如三菱公司生产的 F 系列 PLC 平均无故障时间高达 30 万小时 一些使用冗余 CPU 的 PLC 的平均无故障工作时间则更长 从 PLC 的机外电路来说 使用 PLC 构成控制系统 和同等规模的继电接触器系 统相比 电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一 故障也就大 大降低 此外 PLC 带有硬件故障自我检测功能 出现故障时可及时发出警 报信息 在应用软件中 应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序 使系统中除 PLC 以外的电路及设备也获得故障自诊断保护 这样 整个系 统具有极高的可靠性也就不奇怪了 2 配套齐全 功能完善 适用性强 PLC 发展到今天 已经形成了大 中 小各种规模的系列化产品 可以 用于各种规模的工业控制场合 除了逻辑处理功能以外 现代 PLC 大多具 有完善的数据运算能力 可用于各种数字控制领域 近年来 PLC 的功能单 元大量涌现 使 PLC 渗透到了位置控制 温度控制 CNC 等各种工业控制中 加上 PLC 通信能力的增强及人机界面技术的发展 使用 PLC 组成各种控制 系统变得非常容易 3 易学易用 深受工程技术人员欢迎 PLC 作为通用工业控制计算机 是面向工矿企业的工控设备 它接口容 易 编程语言易于为工程技术人员接受 梯形图语言的图形符号与表达方 式和继电器电路图相当接近 只用 PLC 的少量开关量逻辑控制指令就可以 方便地实现继电器电路的功能 为不熟悉电子电路 不懂计算机原理和汇 编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门 4 系统的设计 建造工作量小 维护方便 容易改造 PLC 用存储逻辑代替接线逻辑 大大减少了控制设备外部的接线 使控 制系统设计及建造的周期大为缩短 同时维护也变得容易起来 更重要的 是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能 这很适合多品种 小 批量的生产场合 5 体积小 重量轻 能耗低 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 论文 第 20 页 以超小型 PLC 为例 新近出产的品种底部尺寸小于 100mm 重量小于 150g 功耗仅数瓦 由于体积小很容易装入机械内部 是实现机电一体化 的理想控制设备 3 1 33 1 3 PLCPLC 的应用范围的应用范围 目前 PLC 在国内外已广泛应用于钢铁 石油 化工 电力 建材 机 械制造 汽车 轻纺 交通运输 环保及文化娱乐等各个行业 使用情况 大致可归纳为如下几类 1 开关量的逻辑控制 这是 PLC 最基本 最广泛的应用领域 它取代传统的继电器电路 实 现逻辑控制 顺序控制 既可用于单台设备的控制 也可用于多机群控及 自动化流水线 如注塑机 印刷机 订书机械 组合机床 磨床 包装生 产线 电镀流水线等 2 模拟量控制 在工业生产过程当中 有许多连续变化的量 如温度 压力 流量 液位和速度等都是模拟量 为了使可编程控制器处理模拟量 必须实现模 拟量 Analog 和数字量 Digital 之间的 A D 转换及 D A 转换 PLC 厂 家都生产配套的 A D 和 D A 转换模块 使可编程控制器用于模拟量控制 3 运动控制 PLC 可以用于圆周运动或直线运动的控制 从控制机构配置来说 早期 直接用于开关量 I O 模块连接位置传感器和执行机构