煤矿胶带运输设备电气控制系统设计

中文题目煤矿胶带运输设备电气控制系统设计外文题目MINETAPETRANSPORTEQUIPMENTANDELECTRICALCONTROLSYSTEMDESIGN毕业设计（论文）共46页其中外文文献及译文20页图纸共1张完成日期2015年6月答辩日期2015年6月摘要胶带运输设备是以胶带兼做牵引机构和承载机构的一种连续动作式运输设备。随着我国煤炭工业的迅速发展，胶带运输设备的电气控制在煤矿高效生产中所占的地位越来越重要，对煤矿胶带运输设备实现智能化控制、人性化管理、实时监控势在必行。本次设计题目是煤矿胶带运输设备的电气控制系统设计。因此，设计方案以主斜井胶带输送机为背景，通过对胶带型号、胶带输送机型号的确定，隔爆型三相异步电动机的确定，变频器选型和PLC软件、硬件的设计，进行胶带输送机的电气化控制，最终实现机械化流程作业。文中首先介绍了此次设计的目的和意义，根据煤矿运输设备必须实现的功能和安全生产工艺要求，确定系统总体设计方案和胶带运输设备选型。其次，以总体设计方案为基础，选择西门子S7300系列PLC对电气控制系统进行软件设计和硬件选型，其中包括PLC模块配置和外部接线、梯形图程序设计等。最后，电气控制系统整体调试并编制技术文件。关键词胶带输送机；电气控制系统；PLCABSTRACTTAPETRANSPORTEQUIPMENTISALSOOFFERINGATRACTIONMECHANISMANDTAPELOADINGMECHANISMOFCONTINUOUSACTIONTRANSPORTEQUIPMENTWITHTHERAPIDDEVELOPMENTOFCHINASCOALINDUSTRY,TRANSPORTEQUIPMENT,ELECTRICALTAPECONTROLINTHEHIGHSHAREOFCOALPRODUCTIONBECOMINGMOREANDMOREIMPORTANT,THECOALMINEBELTTRANSPORTATIONEQUIPMENTINTELLIGENTCONTROL,HUMANEMANAGEMENT,REALTIMEMONITORINGISIMPERATIVETHETOPICISTHEELECTRICALCONTROLSYSTEMDESIGNCOALTAPETRANSPORTEQUIPMENTDESIGNTHEREFORE,THEDESIGNTOTHEMAININCLINEDBELTCONVEYORASTHEBACKGROUND,BYDETERMININGTHETYPEOFTAPEANDBELTCONVEYORMODELS，DETERMININGTHEFLAMEPROOFTHREEPHASEASYNCHRONOUSMOTORS,INVERTERSELECTIONANDPLCSOFTWARE,HARDWAREDESIGN,CONDUCTELECTRICALCONTROLBELTCONVEYOR,ANDULTIMATELYMECHANIZEDPROCESSOPERATIONSTHISPAPERINTRODUCESTHEPURPOSEANDSIGNIFICANCEOFTHEDESIGN,ACCORDINGTOTHECOALMINETRANSPORTDEVICESMUSTACHIEVETHEFUNCTIONSANDSAFETYREQUIREMENTSOFTHEPRODUCTIONPROCESSTODETERMINEOVERALLSYSTEMDESIGNANDTAPETRANSPORTEQUIPMENTSELECTIONSECONDLY,THEOVERALLDESIGNISBASEDONSELECTIONOFSIEMENSS7300SERIESPLCELECTRICALCONTROLSYSTEMSOFTWAREDESIGNANDHARDWARESELECTION,INCLUDINGTHEPLCMODULECONFIGURATIONSANDEXTERNALWIRING,THELADDERPROGRAMDESIGNFINALLY,THEELECTRICALCONTROLSYSTEMASAWHOLECOMMISSIONINGANDTECHNICALDOCUMENTSKEYWORDSBELTCONVEYOR；ELECTRICALCONTROLSYSTEM；PLC目录1绪论111煤矿胶带运输设备电气控制系统发展综述1111煤矿胶带运输设备电气控制系统的现状1112煤矿胶带输送机电气控制存在的主要问题1113国内胶带输送机电气控制的主要研究趋势212系统设计的目的和意义32煤矿胶带运输设备介绍421课题背景介绍422胶带运输设备构成和各项参数4221输送带4222驱动装置5223拉紧装置6224制动装置63煤矿胶带输送机电气设备概述831电动机选型及其特性8311电动机型号确定8312电动机使用条件8313三相异步电动机的机械特性8314三相异步电动机的启动特性10315三相异步电动机的制动特性11316三相异步电动机的调速性能1232减速器概述1333变频器选型设计13331变频器的工作原理13332变频器的选择144系统总体方案设计与PLC硬件选型1841胶带输送机电气控制系统功能设计1842SIMATICS7300PLC简介2043S7300的硬件选型20431CPU的选择21432数字量输入模块选择22433数字量输出模块选择25434模拟量输入模块选择28435电源模块选择31436PLC各模块型号32437操作台的设计325PLC软件程序设计3351PLC工作方式3452PLC控制方案3553系统软件程序设计36531启动和停止程序设计36532过载保护程序设计396故障监控及传感器概述4161跑偏41611输送带跑偏的基本规律和原因41612输送带跑偏的监控4162打滑41621打滑的原因41622打滑的检测4163堆煤4264烟雾4265拉线急停4266高温4367纵撕437总结44致谢45参考文献46附录A47附录B571绪论11煤矿胶带运输设备电气控制系统发展综述111煤矿胶带运输设备电气控制系统的现状煤矿运输设备对煤矿的高效生产有非常重要的作用。首先，胶带运输的线路很长，巷道条件有限，并且大部分利用继电器来控制，如果发生故障，整个煤矿生产运输系统将会处于瘫痪的状态，严重影响煤矿的效益。其次，胶带输送设备输送距离一般都在几百米以上，对于各项数据的实时监测显得尤为重要，为保证运输系统的安全和提高运输效率，对其进行监控是现代矿井运输急需的一项技术。最后，矿井胶带运输系统有分布广、控制要求高和监控信息分散等特点，随着不断扩大的矿井生产规模和不断提高的技术要求，原先的继电器控制已经无法满足煤矿正常生产的需要，因此，对胶带运输设备的电气控制提出了更严格的要求。从2012年以来，煤价不断下跌，供需不平衡加剧了煤炭市场的竞争，如何生存成为许多煤矿的首要任务，降低成本是最有效、也是最直接的方式。而实现胶带运输设备的自动化、智能化、信息化控制是降低吨煤成本的必要途径，因而，煤矿胶带运输设备电气控制系统的设计十分关键。伴随着计算机硬件技术、通讯技术以及自动化技术的急速发展，煤矿实现智能化有了一个良好的基础，有的矿井已经实现了从综采工作面、主煤流运输到辅助运输、矿井提升和井下供电、排水等方面都建立在智能化控制基础上面。近年来，以PLC为控制核心，以及变频器等设备的自动化控制的工业应用已越来越普遍，使得煤矿工作面的成套机电一体化的设备的智能程度、可靠程度和稳定程度得到大幅度提升。112煤矿胶带输送机电气控制存在的问题胶带运输设备的电控系统是整个矿井实现自动化、智能化控制的重要部分。目前，胶带输送机的电气控制存在的问题主要有1）胶带运输设备中的电机、制动装置、减速装置、皮带运行故障的检测相互独立，对胶带输送机的可靠性和高效率有较大的影响。2）发生故障时，不能较为准确的显示出故障发生位置，甚至，有时会发生误报现象，对矿井生产造成很大的隐患。3）胶带输送机的各种信息不能较好的和矿井整体控制系统共享，监控系统不规范，无法实现无人值守。113国内胶带输送机电气控制的主要研究趋势目前，我国胶带输送机的技术水平有了明显的提高。矿用功率大、距离长的胶带输送机关键技术的研究与新产品的开发有一个很大的提高。如大倾角带式输送机成套设备和高产高效的工作面可伸缩胶带输送机等均填补了国内空白，对于胶带输送机的电控关键技术及其主要的组成部分进行了理论分析与产品研发。研制成功了多种软启动与电控装置以及以PLC为核心的可编程电控装置。但是，我们必须清醒的看到，我国的胶带输送机与国外同行业先进技术之间，仍存在很大的距离。工信部规划司司长指出，目前国内胶带输送机的智能控制与自动控制水平与国外同行有15到20年的差距，要迎头赶上显然非一朝一夕之功可及。在“十二五规划”中也提出了将大力发展装备制造业的集成控制、智能控制与自动控制，国内胶带输送机的主要发展方向为1）作为自动化控制的核心装置PLC，对其分析速度与存储容量的要求是越来越高，而体积和能耗的要求则越来越小。因此，在进行煤矿相关类设备的控制系统设计时，应该选用性能足够满足的可编程的控制器。2）目前煤矿的综合自动化水平越来越高，不同设备之间的通讯成了必不可少的控制手段，尤其是对于新开发的集成化控制系统，更需要有良好的通信功能，其中，最重要的是PLC的通信模块要便于控制网络连接以及具有良好的开发信与通用的接口技术。3）加强对胶带输送机传感器的研究，在进一步提高矿用输送机传感器稳定性和可靠性的同时，大力发展传感器的智能化、集成化、数字化，使得传感器能够精确的对各种信号进行检测、自动识别、自动诊断、自动校正等。4）提高矿用胶带输送机的集成化和智能化控制，在各种工况下，皮带输送机的运行速度能自动的分析现场，迅速的对各种故障进行诊断，对将要发生的故障进行超前干预。5）尽快指定一体化的胶带输送机智能化控制标准和通用规范。我国的煤矿胶带输送机的控制选型、接口技术和通信标准都属于不同厂家自己的选型多样化，没有一个统一的标准。6）采用先进的控制和通信技术与产品应用于皮带输送机的技术改造当中，提高电控系统的先进性。7）建立煤矿胶带输送机基于网络的大型、开放式和分布式电控系统，形成输送面的生产综合调度、过程控制流程和胶带输送机远程监测以及故障诊断，从而提高输送面的运输效率和输送面的安全等级。12系统设计的目的以及意义胶带输送机、掘进机、刮板机、采煤机、转载机和液压支架并称为煤矿高效运转的“六机一架”。其中，皮带输送机作为煤矿运输系统中非常关键的设备，它的效率直接决定矿井运输设备的使用率。在煤矿井下的恶劣环境中，胶带输送机非常容易出现各类故障，如果采用人工控制，不仅容易操作失误，造成设备损坏，甚至造成人员出现伤亡，给煤矿带来严重的损失。尤其是近年，煤矿市场持续低迷，对煤矿的生产效益造成很大的压力，因此，实现皮带输送机的智能化和自动化控制意义十分重大。随着计算机和通讯技术的高速发展，可编程控制器已经十分广泛应用在几乎所有工业领域，它的应用范围大、功能齐全、使用简捷使其成为当代工业发展的重要支柱之一。为提高煤矿生产和经济效率，降低煤矿生产成本，加快煤矿经济进一步发展，同时根据井下胶带输送机的工艺要求与控制要求，设计采用西门子S7300系列PLC。采用PLC对胶带运输设备电气控制系统具有强大优势，这些优势体现在较高的可靠性、齐全的I/O接口、应用灵活、通用性好、编程简捷，使用方便、完善的诊断功能、接线极其简单、工作量极少、重量轻、易于实现机电一体化。因此，PLC在机电一体化设备中应用很广泛。2煤矿胶带运输设备介绍21课题背景介绍集团公司某煤矿是年产300万吨的大型矿井，采用胶带式输送机为主要运输方式，原煤从井底煤仓通过主斜井胶带式输送机运至地面。本次课题以主斜井胶带式输送机为对象，对其电控系统进行设计。胶带式输送机的使用环境恶劣且为连续工作制，其工艺流程图如图21所示给煤机主驱动电动机1电动机2图21主斜井胶带输送机简单工艺图FIGURE21MAINSHAFTBELTCONVEYORSIMPLEPROCESSDIAGRAM22胶带运输设备构成和各项参数胶带输送机俗称“皮带机”，是用无极挠性输送带运送散状物料的输送设备。它不仅应用于煤矿井下的采掘工作面与大巷运输，而且还应用于地面选煤系统运输，特别还应用于主斜井提升。带式输送机的整体结构主要包括这几个主要部分输送带、托辊与机架、驱动装置、滚筒、拉紧装置、和制动装置。在运行时，胶带通过机头滚筒、传动滚筒以及机尾换向滚筒进而形成一个循环工作过程。上下两股输送带都支撑在托辊上方。拉紧装置张紧输送带。钢丝绳牵引的带式输送机的下段输送带可以同时运送人员。下面简单介绍此次设计对象胶带输送机各主要部分参数。221输送带输送带是输送机的关键组成部分。输送带贯穿输送机的全长，为机身长度的2倍，输送带的使用量次数多，价格也很高，在输送机的成本中占很大一部分。输送带有分层式织物芯输送带、整芯阻燃输送带、钢丝绳芯输送带、钢丝绳牵引输送带等。由于现在国内使用的输送带多为胶带，结合实际情况，本设计选择ST3500钢丝绳芯输送带，输送带宽度14M，每米质量为45KG，纵向拉伸强度3500N/MM。钢丝绳芯输送带是以细钢丝绳做带芯，外加覆盖胶而制成的新型胶带，它的特点是拉伸强度大、抗冲击性较好、寿命长、使用伸长小、成槽性好、耐曲挠性好、接头寿命长、输送机滚筒小、破损后容易修补、适用于长距离大运量输送，尤其适用于矿井大巷运输及主斜井提升。222驱动装置驱动装置由驱动单元（电动机、联轴器、减速器）和驱动滚筒构成，其作用是给胶带输送机的正常运行提供牵引力。1）驱动装置的布置形式按驱动装置的布置位置可分为机头驱动、机尾驱动和中间多点驱动三种。按驱动滚筒的数量可以分为单滚筒、双滚筒及多滚筒驱动三种。本次设计运输功率为900T/H，运输倾角为10向上运输，因此，选用机头部双滚筒分开驱动，驱动方式如图22图22头部双滚筒分别驱动方式FIGURE22DOUBLEDRUMHEADWEREDRIVENAPPROACH1电动机；2联轴器；3减速器；4驱动滚筒；5机尾换向滚筒机头部双滚筒驱动特点采用阶梯式布置，对巷道高度有要求，但是可以减少横向占用空间。2）滚筒滚筒是带式输送机各部分组成中非常重要的一个部件，有传动滚筒以及改向滚筒两大类传动滚筒作用是将电机的转矩传递到皮带上，改向滚筒包括用于输送带在输送机端部的改向、增加传动滚筒围包角的导向和拉紧装置的导向。本设计选取滚筒直径为14M，采用菱形花纹橡胶覆面。根据计算得传动滚筒牵引力W3223KN传动滚筒所需力矩T226KNM223拉紧装置皮带输送机的正常运行要求输送带有一定程度的拉紧力。拉紧装置按其作用可以分为重锤式、固定式、自动拉紧和螺杆式等四类设计选用自动液压绞车拉紧装置，其主要优点是动作快，拉紧行程较大，有良好的发展前途。胶带输送机自动张紧系统采用ZYJ系列液压自动张紧装置，张紧方式为固定绞车油缸式，张紧行程较大，非常符合带式输送机的要求。不仅适合煤矿，还可与其它行业的带式输送机配套。该张紧系统采用PLC为控制核心，通过软件实现手动和自动的复杂控制，线路简洁，控制稳定，可靠性高，易于升级或改造，故障率很低且使用寿命相对于普通继电器控制的系统很长，极大的易于检修。可轻松实现与皮带机主控系统的通讯联机，所以该系统在近程控制的基础上又具有远程控制的功能，并且伴有欠压，过流，缺相等保护功能，操控完善而且方便。224制动装置带式输送机在大于6倾角向下运送货载时，在电动机停车后，如不进行制动，货载就会在重力作用下继续向下滑行，造成机头处货载堆积。若输送机向上方运输，在停机后若不制动，同样会在货载重力作用下发生倒转，造成机尾处货载堆积。所以，在有倾角的输送机上均应安装制动装置。制动装置的作用通常有两个一是急停，当输送机发生故障时紧急停止输送机，迅速制动输送机二是正常停机，输送机在满载或空载停机时，能够安全平稳的制动住输送机。常用的制动方式有带式逆止器、滚柱逆止器、制动器等。设计选择电磁抱闸制动器。电磁抱闸制动，制动力强，广泛应用在起重设备上。它安全可靠，不会因突然断电而发生事故。其制动控制电路如图23所示，SB1为制动器通电开闸按钮，SB2为制动器断电制动按钮。图23电磁抱闸断电制动控制电路FIGURE23ELECTROMAGNETICBRAKEPOWERBRAKECONTROLCIRCUIT3煤矿胶带输送机电气设备概述31电动机选型及其特性311电动机型号的确定由于煤矿环境的特殊需要，胶带输送机电动机大部分都选取三相异步隔爆型电动机。本次设计驱动滚筒功率为（31）KWWVK此，选择YB560M14型隔爆型三相异步电动机两台，其各项参数为电机功率630KW、额定电压是6KV、额定电流为738A、额定转速1470R/MIN、功率因数为086、效率955。312电动机使用条件额定电压6000V额定频率50HZ工作制S1环境空气温度2040海拔高度1000M313三相异步电动的机械特性三相异步电动机在额定工况下工作时，按照规定的接线的方式，定子、转子中不串联电阻和电抗时机械特性称为固有的机械特性，如图31所示为三相的异步电动机的固有机械特性曲线，从曲线中可以看出，有几个特殊的点可以决定电动机特性曲线的变化，这四个特殊图31异步电动机的固有机械特性的点分别为FIGURE31INHERENTMECHANICALPROPERTIESOFINDUCTIONMOTOR1）T0NN0（S0）为电动机理想空载时的工作点，这时电动机的转速为N01500R/MIN。2）TTNNNN1470R/MINSSN为电动机的额定工作点，一般情况下，此时额定转矩以及额定转差率分别是32MNPTNN409317659N33200S3）TTST，N0（S1），为电动机的启动工作点。通常采用以下公式计算。34202STXRUKT可见，电动机的启动转矩TST和R2、U、X20相关。当定子每相绕组上的电压出现降低时，启动转矩会随之减小；当转子电阻逐渐增大时，启动转矩便会随之增大；但是，转子的电抗增大的时候，启动转矩会急速减小，这对驱动设备是不需要的。一般情况下，我们把启动转矩和额定转矩之比35NTSTT作为表示异步电动机启动能力大小的一个重要依据，通常ST1012。因此MTN4502931ST4）TTMAX,NNM（SSM），是电动机临界的工作点。通常把最大转矩与额定转矩之比36NTMAX称为电动机的过载能力系数。它表示电动机承受冲击负载能力的大小。通常情况下，笼型异步电动机的M2022。MTN905432AX结合公式37得MIN/1380NRS在实际应用中，有时也会用公式37计算固有机械特性37STMAX2314三相异步电动机的启动特性三相异步电动机的启动特性为A定子电流大，IST57IN异步电动机在刚刚通电启动的时候，因为转子处于静止的状态，定子旋转磁场的速度很快，同时切割转子中导体，因此，转子绕组中会感应出很大的电势，从而产生很大的定子电流。B启动转矩较小,TST0815TN启动时S1，转子功率因数很低，因而启动转矩TST也不大。202COSXR异步电动机的启动特性如图32所示图32异步电动机的固有启动特性FIGURE32THEINHERENTCHARACTERISTICSOFTHEASYNCHRONOUSMOTORSTART本次设计采取变频启动电机，刚启动时，变频器提供一个较低的频率，电机实现大转矩低速启动，随着频率的升高，电动机的转速也会随之变大，当胶带速度达到要求的时候，变为定转矩驱动。采用变频器启动，可以平滑地控制频率变化范围和变化时间，就可以控制电动机的同步转速N0，从而实现笼型异步电动机的平稳启动。其启动方式如图33所示。图33三相异步电动机启动过程简图FIGURE33SCHEMATICPHASEASYNCHRONOUSMOTORDURINGSTARTUP315三相异步电动机的制动特性三相的异步电动机的制动方式有反接制动、反馈制动以及能耗制动三种方式。它们特点是利用电动机的转矩和转速的方向相反，来达到制动的目的。本设计采取变频调速，因此，只介绍变频调速中的制动特性。在变频调速中，电动机制动属于能耗制动。电机的制动是通过缓慢减小变频器频率来降低转速的。当频率减小时，电动机的同步转速减小，但是因为机械惯性的存在，电机转子转速并不改变。但是，由于同步转速比转子的转速低，转子电流相位会发生180的改变，因此电动机此时是在发电。因而，电动机轴上产生的转矩会对电机制动，导致电机转速下降。在这之中，电动机产生的电能反馈到直流电路，因为直流电路电能没有办法消耗掉，在电容上就会形成“泵生电压”，使电压有一个升高。这个升高之后的直流电压对系统影响很大，会损害各部分器件。所以，必须提供一条可以放电的回路，把电路中的电能释放掉。所以，根据能量守恒定律，电机制动过程中所消失的动能，是通过电机产生电能后，最后消耗在直流电路中。因此说电机的制动方式为能耗制动。如图34所示，当频率降低，电动机转速变小时，电动机运行点从A平移至B，产生制动转矩，并和负载转矩一同作用使电动机减速至0，制动的后阶段，制动转矩随着转速的减小也会迅速减小，能够实现平稳制动。图34能耗制动时机械特性FIGURE34DYNAMICBRAKINGMECHANICALPROPERTIES316三相异步电动机的调速性能电动机的转速与交流电源频率成正比关系，当交流电源频率由小变大时，电机的转速也随之变大。只要平滑地控制频率的变化范围和变化时间，就可以控制电动机同步转速N0，从而实现无极调速笼形异步电动机，这个就是变频调速的基本原理。在实际应用中，需要在调节定子频率F1的同时，还要调节定子电压U1，通过U1和F1的协调控制实现不同类型的变频调速，变频调速机械特性曲线图如图35所示。图35三相异步电动机变频调速机械特性FIGURE35THREEPHASEINDUCTIONMOTORFREQUENCYCONTROLMECHANICALPROPERTIES32减速器概述减速器在原动机和工作机或执行机构之间起匹配转速和传递转矩的作用，使用它的目的是降低转速，增加转矩。本设计选择JS700型（60JS）减速器，它采用一级弧齿锥齿轮、一级圆柱齿轮和一级行星齿轮传动的结构型式。目前60JS系列减速器有四种产品60JS/00、60JS/01、60JS/02和60JS/03。根据初设输送带速度27M/S，选择60JS/00型减速器，其各项参数为传递功率700KW、输出转速39R/MIN、输入转速1470R/MIN、输出扭矩171KN/M。减速箱使用条件A环境温度2040，环境温度低于0时润滑油应加热。B有甲烷和空气混合物、煤尘等爆炸性气体。C煤矿井下采煤工作面。33变频器选型设计331变频器的工作原理目前，先进的变频器集成了电子的控制的技术和高压大功率晶体管技术，变频器在工业上得到了十分广泛的应用。其工作原理是改变交流的电机供电幅值以及频率，来达到改变电动机转速的目的。变频器和三相的异步电动机取代原先直流电动机能够完成的工作，大大提高了工作的效率。变频器内部的电路如图37所示图36变频器电路方式FIGURE36INVERTERCIRCUITMODE变频器的电路方式有两种交流交流变频电路和交流直流交流变频电路。本设计选取的类型为后面一种。变频器的整流器首先将三相交流变为脉动直流，变频器的平滑回路将直流平滑，最后的逆变器再使得支流变为频率可以调节的交流电。为了电动机的调速传动所给的操作量有电压、电流、频率等。332变频器的选择三相异步电动机采用变频调速时，除了必须选择变频器的主要的技术性能的指标外，变频器容量的选择以及电压、电流等和使用相关事项的合理的运用，也是电机的安全调控的重要前提。1）变频器调频范围的选择A当驱动滚筒重载时；滚筒牵引力W04056KN，滚筒所需转矩TW007283920NM每台电动机需提供力矩38MNIT72803921由公式得此时电机转速为N950PT39MIN/R56785TPN根据公式得PF6310HZPF52860N1B当驱动滚筒轻载时；滚筒牵引力W01815KN，滚筒所需转矩TW007127050NM按照公式38、39和310可得MNIT31452072MIN/9695RPNHZF862因此，电动机在正常工作时其转速范围为856R/MIN1913R/MIN，变频器输出频率范围为285HZ638HZ，与前面所介绍的电动机各项性能基本吻合，能够满足胶带输送机正常工作。2）变频器容量的选择对于连续恒载运转机械所需的变频器，计算其容量可用下式近似计算（311）COSKNCP（312）I式中PN负载所要求的电动机的轴输出的额定功率；电动机额定负载时的效率，通常085；COS电动机额定负载时的功率因数，通常COS075；IN电动机的额定电流（有效值）（A）；K电流波形的修正系数，PWM方式时取K10511；PCN变频器的额定容量（KVA）；ICN变频器的额定输出电流（A）。计算得PCN9639KVAICN9225A综上所述，选择变频器型号为HIVERTY06/096,额定容量为1000KVA，额定电压为6KV，输出频率的范围为0HZ120HZ。3）变频器特点概述HIVERT通用高压变频器是北京合康亿盛科技有限公司自主研发和生产的高压（同、异步）交流电机调速装置。变频器采用功率单元串联叠波技术，技术成熟、器件可靠；自主开发的空间矢量控制正弦波PWM调制技术，精度高，响应快，性能优越；LCD全中英操作界面，运行参数一目了然，更符合中国人的使用习惯；功率单元模块化设计，维护方便；输入电压范围广，更适合中国电网；输出电压具备AVR（自动调整）及0HZ输出功能，防止高电压损坏电机绝缘启动力矩大，适合启动力矩高负载；转速（飞车）启动和瞬时停电功能，适用于连续性要求更高的工况；对电网无谐波污染，功率因数高。4）变频器电气接线胶带输送机采用二台三相异步电机，电压均为为6KV，功率是630KW，采用一拖一控制方式，即用一台变频器来控制一台电机，二台变频器型号和布置方式完全相同，因此，在采用PLC同步控制策略的情况下，二台电机的转矩和转速将会完全一致，从而实现二台电机的功率平衡与速度同步。A变频器I/O点变频器的控制部分为方便用户使用，设计有模拟量输入、模拟量输出、数字量输入、数字量输出等外部端子。模拟量输入2路，420MA或010VDC。420MA时输入阻抗为250，010VDC电压输入时输入阻抗10M。接收速度设置和被控设备设置的模拟量信号；现场的温度、压力、烟气浓度等信号。模拟量输出2路，420MA或010VDC输出。420MA输出时最大阻抗为500，010VDC电压输出时最小阻抗5000。以模拟方式输出变频器的输出频率和输出电流。数字量输入12路，光电隔离，隔离电压500VAC。接收远程控制信号，速度给定开关信号及各开关状态等。数字量输出9路，继电器隔离，隔离电压250VAC，接点容量3A。输出变频器状态，控制主电源开断等。B变频器外部接线图如图38所示，为本次设计选取的HIVERTY06/096型变频器外部接线图图37变频器外部接线图FIGURE37INVERTEREXTERNALWIRINGDIAGRAM4系统总体方案设计与PLC硬件选型41胶带输送机电气控制系统功能设计主斜井皮带机的控制系统组成有；控制柜、操作台、集控室外变频器、皮带保护传感器和胶带输送机自动张紧装置等；控制柜是电控系统的控制核心，能够可靠实现以上所列电控系统的全部性能要求，完成系统数据采集、设备控制、信息传输，主要由PLC、数据转换模块、本安电源、中间继电器等组成；PLC和变频器之间通过现场总线标准的MODBUS通讯协议进行通讯、数字及模拟输入输出口交换数据，来控制变频器的起停、给定变频器参量；控制本安操作台进行显示并进行数据交换、读入操作台的状态，按用户提前编制的程序进行逻辑，定时，计数，移位等操作，把结果输出到控制的设备。提供自身及操作台所需的电流和电压，实现本安和隔爆信号的互相转换。根据控制对象的特性，要求胶带输送机电气控制系统实现如下功能1本次设计，胶带输送机电气控制系统有五种工作模式，分别为远控、集控、就地、手动、检修。胶带输送机的集控流程是指主站与分站设备的选择与设备的启动、停止顺序，由万能转换开关控制，当模式开关处于集控模式时，可以在操作台上对集控流程进行选择，集控流程的设计有如下四种方式A流程一流程选择开关打到流程一主，分站皮带机、分站给煤机打到开，其它为停，按启动按钮设备按逆煤流顺序延时启动。B流程二流程选择开关打到流程二，转载机、给煤机打到开，其它为停，按启动按钮设备按逆煤流顺序延时启动。C流程三流程选择开关打到流程三，转载机打到开，其它为停，按启动按钮设备按逆煤流顺序延时启动。D流程四流程选择开关打到流程四，分站皮带机、分站给煤机、转载机打到开，其它为停，按启动按钮设备按逆煤流顺序延时启动。2程序设计中，报警的信号必须自动保持，并一直处于运行状态。如果发出故障信号，即便在维修之后，计算机中仍然存储信号的故障状态，此时，只有用复位指令才能清除故障信号。3系统具有胶带机超温洒水、机头堆煤、低速打滑、烟雾、沿线急停、滚筒超温和跑偏等多种保护。在皮带上安装综合保护传感器，能够为PLC控制器与上位机提供胶带机运行的状态、重要温度、张力、速度等参数，为胶带输送机的稳定、高效的运行提供保障。4）皮带机所配备的故障保护接入控制箱中，如果发生故障，仅仅影响本机的运行。保护传感器包括速度传感器、纵撕传感器、跑偏传感器、堆煤传感器、拉线开关、烟雾传感器和温度传感器等。各个保护装置接点直接进入PLC，当某个传感器动作时，系统上有具体显示，同时伴有语音报警，跑偏、拉线故障能显示故障的具体位置。5胶带运输机控制箱上设启动、停止、复位按钮，设备启动前发出10S预警信号，提示有关操作人员立即远离设备；现场可随时停车，若设备由集控启动，控制系统接到现场停车信号后，可急停，实现故障停车。6）可以和全矿井自动化监控系统联接，最大程度实现全局监控。42SIMATICS7300PLC简介西门子S7300PLC是一种模块化中小型的PLC，它有品种繁多的CPU模块、信号模块和功能模块能满足各种领域的自动化控制任务。用户根据系统的具体情况选择最合适的模块，维修时也很方便。S7300PLC主要由机架、CPU模块、信号模块、功能模块、接口模块、通信模块、电源模块和编程设备组成，不同的模块安装在机架上。通过CPU模块或通信模块上的通信接口，PLC被接到通信网络上，可以与计算机、其他PLC或其他设备通信。模块连接如图41所示图41PLC模块图FIGURE41PLCBLOCKDIAGRAM电源模块总是安装在机架的最左边，CPU模块紧靠电源模块。如果有接口模块，它放在CPU模块的右侧。信号模块和通讯处理器模块可以不受限制地插到任何一个槽上，系统可以自动分配模块的地址。每个机架最多安装8个信号模块、功能模块或通讯处理器模块。如果系统任务有需要这些模块超过8块，则可以增加扩展机架。有些低端CPU没有扩展功能。各模块上集成有背板总线，通过模块机壳背后的U形总线连接器将总线连接连成一体。除了模块以外，用户所要做的就是将模块固定在DIN标准导轨上。导轨是专用的金属机架，只需将模块钩在DIN标准的安装导轨上，然后用螺栓锁紧即可。这一类结构形式既可靠又可以满足电磁兼容的要求。43S7300的硬件选型PLC机型选择的基本原则是，在功能满足要求的前提下，选择最可靠、维护使用最方便以及性能价格比的最优化机型。在工艺过程比较固定、环境条件较好（维修量较小）的场合，建议选用整体式结构的PLC；其它情况则最好选用模块式结构的PLC。431CPU的选择1）I/O点数的确定本系统设计的PLC数字输入量有远控、集控、就地、检修、手动等37个输入点；数字输出量有1、2变频器控制、各种保护传感器信号等17个输出点；模拟量输入点有电机电流、电机温度等20个输入点。根据以上IO点数,计算出DI点37；DO点17；AI点20，考虑前面的设计中I/O点数可能会有疏漏，还有I/O端的分组的情况和隔离与接地要求，应该在统计后得到的I/O总点数上，增加1015的裕量。并且考虑裕量后得到的I/O总点数才是I/O点数估计值。选择PLC机型的I/O点数极限值必须大于I/O点数的估计值，并应该尽量避免使PLC能力接近饱和，通常留有30的裕量。2）存储器容量选择PLC系统所用的存储器基本上是由PROM、EPROM及PAM三种类型组成，存储容量则随机器的大小变化而变化，一般小型机的最大存储能力低于6KB，中型机的最大存储能力达64KB，大型机的最大存储能力甚至可以是上兆字节。使用时可以根据程序和数据的存储需要来选用机型，同时，必要的时候也可专门进行存储器的扩充设计。作为一般应用下的一种经验公式是存储器容量411024/510251OAIDI式中DI数字量输入总点数；DO数字量输出总点数；AI/O模拟量I/O通道总数。DI点数估计值为3711543，DO点数估计值为1711520，AI通道估计值为811510个。所以存储器容量为1243102058100/1024156KB工程实践中，大部分采用粗略估算，增大裕量，实际选型时参考此值采用应采取就高不就低的原则。3）响应速度PLC是为工业自动化、智能化而设计的通用控制器，不同档次PLC的响应速度通常能满足使用范围的需要。但是，如果要跨范围使用PLC，或者是应用中某些功能对有速度有特别要求的时候，选择PLC型号就必须特别慎重。通过上面的计算，考虑系统通讯和其他的一些要求，选用SIMATICS7300系列中的6ES73152EH140AB0（CPU3152PN/DP）是最合适的。处理器处理每条二进制指令执行时间约为50NS，每条浮点数运行指令约为450NS。384KB主存储器（相当于大约128K条指令）；与程序组件执行相关的大容量工作存储器为用户程序提供了充分的空间。作为程序装载存储器的微型存储卡（最大为8MB）也允许将可以项目（包括符号和注释）保存在CPU中。装载存储器还可用于数据归档和配方管理。灵活的扩展；多达32个模块，（4层结构），可以满足设计的需要。432数字量输入模块选择1）数字量输入模块的确定数字量输入模块分为直流输入模块和交流输入模块。S7300系列PLC的数字量输入模块型号主要有6S7E321系列和6S7E131系列，后者主要用于ET200（分布式I/O）。直流输入电路的延迟时间短，可以直接和接近开关、光电开关等电子输入装置连接。如果信号线不是很长，PLC所处的物理环境较好，电磁干扰较轻，因考虑优先选用DC24V的输入模块。交流输入方式适合于在有油污、粉尘的恶劣环境中使用。本次设计中选用2块直流32点输入的输入模块SM321（6ES73211BL000AA0）。2分配I/O点数字量输入DI1I/O点配置如表41所示表41DI1I/O配置TABLE41DI1I/OCONFIGURATIONDI1地址DI1地址远控I00分站皮带开I20集控I01分站皮带关I21就地I02分站给煤机开I22手动I03分站给煤机关I23检修I04分站转载机开I24闭锁I05分站转载机关I25手动I06备用I26急停I07备用I27预警I10流程1I30启动I11流程2I31停止I12流程3I32复位I13流程4I33松闸返回I14备用I34备用I15备用I35备用I16备用I36备用I17备用I37数字量输入DI2I/O点配置如表42所示表42DI2I/O配置TABLE42DI2I/OCONFIGURATIONDI2地址DI2地址1变频器返回I40烟雾输入I601变频器故障I41轴温输入I612变频器返回I42拉紧/跑偏识别I622变频器故障I43拉紧/跑偏输入1I63备用I44拉紧/跑偏输入2I64备用I45拉紧/跑偏输入3I65备用I46拉紧/跑偏输入4I66备用I47拉紧/跑偏输入5I67跑偏二级I50备用I70纵撕输入I51备用I71堆煤输入I52备用I72张紧下降I53备用I73备用I54备用I74备用I55备用I75备用I56备用I76备用I57备用I773）外部接线输入模块是连接输入端子和外部输入设备的。其通常有若干个输入点，每一个输入点都能接受一个来自输入设备的开关信号。输入模块与外部输入设备的接线有两种基本形式，分别为汇点式输入接线和分隔式输入接线。本次设计输入模块的外部接线如图所示，它采用汇点式直流输入方式。图42DI1I/O接线图FIGURE42DI1I/OWIRINGDIAGRAM图43DI2I/O接线图FIGURE43DI2I/OWIRINGDIAGRAM433数字量输出模块选择1）数字量输出模块的确定SM322数字量输出模块的作用是将S7300的输出信号传给外部负载（即用户输出设备），并将S7300内部低电平信号转换成外部所需要电平的输出信号。因此每一个输出点的输出电路可等效为一个输出继电器，可直接用于驱动电磁阀、接触器、小型电机、灯和电动机启动器。按负载回路使用电源的不同，可分为直流输出模块、交流输出模块和交直流两用输出模块三种。按输出开关器件的种类不同又可分为晶体管输出方式、可控硅输出方式和继电器触点输出方式三种。晶体管输出方式的模块只能带直流负载，属于直流输出模块；可控硅输出方式的模块只能带交流负载，属于交流输出模块；继电器触点输出方式的模块可带直流负载，也可带交流负载，属于交直流两用输出模块。从响应速度来看，晶体管响应最快，继电器最慢；从安全隔离效果和应用灵活性角度来看，以继电器触点输出型最佳。数字量输出模块SM322有七种型号输出模块可供选择，即16点晶体管输出、32点晶体管输出、16点可控硅输出、8点晶体管输出、8点可控硅输出、8点继电器输出和16点继电器输出模块。模块的每个输出点有一个绿色发光二极管显示输出状态，输出逻辑“1”时，二极管发光。本次设计中，数字量输出驱动的主要是指示灯和电磁阀，考虑到安全性和皮带的不频繁启动的特性，故选用16点继电器输出的模块SM322（6ES73221BH100AA0），输出16个点，带隔离，8点为一个组，24VDC额定负载电压。2分配I/O点数字量输出DO1至DO2I/O配置如表43所示表43DO1DO2配置TABLE43DO1DO2CONFIGURATIONDO1地址DO2地址1变频器控制Q00分站皮带运行指示Q202变频器控制Q01分站给煤机指示Q21备用Q02分站转载机指示Q22备用Q03备用Q23制动器控制Q04备用Q24信号控制Q05备用Q25备用Q06备用Q26备用Q07备用Q27洒水控制Q10拉线Q30备用Q11跑偏Q31备用Q12堆煤Q32备用Q13烟雾Q33张紧指示Q14轴温Q34故障报警Q15纵撕Q35备用Q16备用Q36备用Q17备用Q373）外部接线模块通过输出端子和外部用户的输出设备连接。输出模块通常有若干个输出点，每一个输出点能驱动一个用户输出设备（负载）。典型用户输出设备有接触器、继电器、电磁阀线圈以及信号灯等。输出模块与外部的输出设备接线分为汇点式输出接线和分隔式输出接线两种基本接线形式。汇点式输出接线是指各输出回路有一个公共端，可以是全部输出信号为一组，共用一个公共端和一个电源；也可以将全部输出点分为几组，每组有一个公共端和独立的一个电源。负载电源可以是直流也可以是交流，但必须是有用户提供。汇点式输出接线既可以用于直流输出模块，也可用于交流输出模块。分隔式输出接线每个输出回路有两个接线端，由单独一个电源供电。相对于电源来说，每个输出点之间是相互隔离的。负载电源可以是交流，也可以是直流，它必须由用户提供。本次设计输出模块的外部接线如图所示，它采用汇点式输出方式。图44DO1I/O接线图FIGURE44DO1I/OWIRINGDIAGRAM图45DO2I/O接线图FIGURE45DO2I/OWIRINGDIAGRAM434模拟量输入模块选择1）模拟量输入模块的确定模拟量输入模块SM331的输入测量范围很宽，它可以直接输入电压、电流、电阻、热电偶等信号，根据型号的不同，各模拟量输入范围的数字化表示以及数字量与不同的模拟输出范围间的对应可以从技术手册中查到。模块与S7300CPU及负载电压之间是光电隔离的。SM331主要是由A/D转换部件、模拟切换开关、补偿电路、恒流源、光电隔离部件、逻辑电路等组成。A/D转换部件是模块的核心，其转换原理采用积分的方法，积分时间直接影响到A/D转换时间和A/D转换精度。所有模拟量的输入通道共用一个转换部件，通过转换开关，将各通道按顺序一个个转换。输入模块的循环时间是指这一通道开始转换模拟量输入值到下次开始转换的时间，它是模块中所有活动的输入通道的转换时间的总和。因此为了缩短循环时间，应该使用S7组态工具屏蔽不用的模拟量通道，使其不占用循环时间。在此项目中，我们的模拟量信号为滚筒红外测温010V电压信号、测速传感器420MA电流信号。模拟量输入模块的选择要考虑通道数。为了节约机架空间和费用，我们选用8通道的模拟量输入模块SM331（6ES73317KF020AB0）。2）分配I/O点模拟量输入AI1、AI2I/O配置如表44所示表44AI1AI2配置TABLE44AI1AI2CONFIGURATIONAI1通道AI2通道1电机电流变送器12电机绕组A相温度12电机电流变送器22电机绕组B相温度21电机绕组A相温度32电机绕组C相温度31电机绕组B相温度42电机前轴温度41电机绕组C相温度52电机后轴温度51电机前轴温度6煤位61电机后轴温度7胶带速度7备用8备用83）外部接线SM331的每两个输入通道构成一个输入通道组，可以按通道组任意的选择测量方法和测量范围。模块上需要接DC24V的负载电压L，有反极性保护功能。其端子接线图如图所示。图46AI1I/O接线图FIGURE46AI1I/OWIRINGDIAGRAM图47AI2I/O接线图FIGURE47AI2I/OWIRINGDIAGRAM图48AI3I/O接线图FIGURE48AI3I/OWIRINGDIAGRAM435电源模块选择电源模块的选择很简单，只需考虑输出电流。电源模块的额定输出电流必须大于CPU模块、输入输出模块、专用模块等消耗电流的总和。S7300各个模块使用的电源是通过S7300的背板总线传送的，一部分模块还需要从外部负载电源供电。在建立一个项目系统的时候，应充分考虑各个模块的电流耗量和功率损耗，所有S7300模块使用的从S7300背板总线提供的总电流不能超过12A。在S7300的一个实际项目中，所有模块确定后，要选择合适的电源模块。电源模块的输出功率必须大于CPU模块、所有I/O模块、各智能模块等总消耗功率之和，并且要留有大约30的余量。S7300的专用电源模块PS307用于将120/230V交流电转化为24V直流供电电源，以作为CPU和其他模块所需电源。根据输出电流的不同，有3种规格的电源模块可选2A、5A、10A。综合考虑以上各点，本次设计选用2A的电源模块PS307（6ES73071BA00