煤矿胶带输送机PLC控制的研究毕业论文

煤矿胶带输送机PLC控制的研究毕业论文目录第1章绪论 11.1我国煤矿主煤流控制系统的现状 11.2系统的组成和功能 21.2.1系统的组成 21.2.2系统的功能 3第2章系统概况及部分组成--皮带机及控制信号及传感器 42.1系统的组成及功能 42.2胶带运输机概况 52.2.1胶带运输机概念 52.2.2通用带式输送机的组成 52.3传感器的概况及控制系统所需信号、信号传感器 62.3.1传感器的分类 62.3.2传感器的特性 72.3.3转速的测量及转速传感器 92.3.4转矩的测量及转矩传感器 112.3.5温度的测量及温度传感器 122.3.6跑偏、划伤及纵向撕裂的检测 14第3章基于PLC的下位机控制系统设计 163.1PLC概述 163.1.1PLC的概念及发展 163.1.2PLC的主要特点 183.1.3PLC的应用范围 193.1.4PLC的组成 203.2S7-200PLC的概况 223.2.1SIEMENSS7-200基本组成 223.2.2SIEMENSS7-200的工作原理 263.2.3PLC编程语言和程序结构 293.3本例中基于S7-200PLC的设计 313.3.1系统功能 313.3.2系统控制 32第4章煤矿主煤流控制系统数据通信设计与实现 364．1通信网络的基础知识 364．2PLC通信程序设计 414．3PLC端的通讯程序实现 43第5章总结与展望 47参考文献： 48英文原文 49中文译文 59致谢 66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1200t/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。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。1.2.1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。系统整体框图如图1.1所示打印机打印机工业计算机屏幕RS485/RS232转换器编程器S7-200PLC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1.2.2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①带式输送机低速保护：监视输送带是否打滑；②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；③撕带保护：强力输送带上使用；④堆煤保护：在装煤点和机头设置；⑤超温保护：监视机头驱动轮温度；⑥超温自动洒水；⑦烟雾报警；⑧煤仓高、低煤位保护；⑨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：①显示各条输送带的状态；②显示各图形报表等；③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2.2.1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。2.2.2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。①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。

②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。

③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。

④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。2.3.1\o"返回页首"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．\o"返回页首"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。\o"返回页首"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．\o"返回页首"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．\o"返回页首"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。

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。2.3.2传感器的特性（1）\o"返回页首"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）\o"返回页首"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）\o"返回页首"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）\o"返回页首"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）\o"返回页首"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\o"返回页首"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。2.3.3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。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。2.3.4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。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。2.3.5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，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：

①

组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固；

②

两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路；

③

补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠；

④

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。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℃。

2.3.6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，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。第3章基于PLC的下位机控制系统设计3.1PLC概述3.1.1PLC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（ProgrammableLogicController），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（Reducedinstructionsetcomputer）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-integratedmanufacturingsystem）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（ProgrammableLogicController）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S7-200PLC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设计，具有就地集中控制、显示、远程通信等功能。3.1.2PLC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

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。3.1.3PLC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，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。

4过程控制

过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。

5数据处理

现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。

6通信及联网

PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。3.1.4PLC的组成从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。1CPU的构成

CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。

CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。

2.I/O模块

PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。

常用的I/O分类如下：

开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。

模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。

除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。

按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。

3.电源模块

PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VDC）。

4.底板或机架

大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。

5.PLC系统的其它设备

编程设备：编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、控制PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。也就是我们系统的上位机。3.2S7-200PLC的概况3.2.1SIEMENSS7-200基本组成SIEMENSS7-200可编程控制器是一种通用的工业控制装置，其组成与一般的微机系统基本相同。可编程序控制器主要由CPU模块、输入/输出模块和编程装置组成。硬件系统简化框图如图3.1所示图3.1硬件系统简化框图1.中央处理单元CPUCPU相当人的大脑，是PLC的核心部件，由大规模或超大规模的集成电路微处理器芯片构成。CPU的主要任务有:(l)接受并存储从编程器输入的用户程序和数据;(2)诊断电源、PLC内部电路的工作状态和编程的语法错误;(3)用扫描的方式通过I/O部件接受现场的输入信号，并存入输入映像寄存器或数据存储器中;(4)PLC进入运行状态后，根据存放的先后顺序逐条读取用户程序，进行解释和执行，完成用户程序中规定的各种操作:(5)将用户程序的执行结果经输出部件实现输出控制、制表打印或数据通讯等功能。不同型号的PLC其CPU芯片是不同的，有采用通用CPU芯片的，有采用厂家自行设计的专用CPU芯片的，如西门子系列的PLC。CPU芯片的性能关系到PLC处理控制信号的能力与速度，CPU位数越高，系统处理的信息量越大，运算速度也越快。PLC的功能是随着CPU芯片技术的发展而提高和增强。2.存储器PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两部分。系统存储器用来存放由PLC生产厂家编写的系统程序，并固化在ROM内，用户不能直接更改。它使PLC具有基本的功能，能够完成PLC设计者规定的各项工作。系统程序质量的好坏，很大程度上决定了PLC的性能，其内容主要包括三部分：第一部分为系统管理程序。它主要控制PLC的运行，使整个PLC按部就班的工作。第二部分为用户指令解释程序。通过用户指令解释程序，使PLC的编程语言变为机器语言指令，再由CPU执行这些指令。第三部分为标准程序模块与系统调用。它包括许多不同功能的子程序及其调用管理程序，如完成输入、输出及特殊运算等的子程序。PLC的具体工作都是由这部分程序来完成的，这部分程序的多少也决定了PLC性能的高低。用户存储器包括用户程序存储器（程序区）和数据存储器（数据区）两部分。用户程序存储区用来存放用户针对具体任务用规定的PLC编程语言编写的各种用户程序。用户程序存储器根据所选用的存储器单元类型的不同，可以是RAM、EPROM或EEPROM存储器，其内容可以由用户任意修改或增删。用户数据存储器可以用来存放（记忆）用户程序中所使用器件的ON/OFF状态和数值、数据等。它的大小关系到用户程序容量的大小，是反映PLC性能的重要指标之一。PLC使用的存储器类型有三种:（1）随机存取存储器（RAM）用户可以用编程装置读出RAM中的内容，也可以将用户程序写入RAM，因此RAM又叫读/写存储器。它是易失性的存储器，它的电源中断后，储存的信息将会丢失。RAM的共作速度高，价格便宜，改写方便。在关断可编程控制器的外部电源后，可用锂电池保存RAM中的用户程序和某些数据。锂电池可用2～5年，需要更换锂电池时，由PLC发出信号通知用户。现在大部分PLC已不用锂电池来完成掉电保护功能了。（2）只读存储器（ROM）ROM的内容只能读出，不能写入。它是非易失的，它的电源消失后，仍能保存储存的内容。ROM一般用来存放可编程控制器的系统程序（3）电可擦除可编程的只读存储器（EEPROM或PROM）它是非易失性的，但是可以用编程装置对它编程，兼有ROM的非易失性和RAM的随机存取优点，但是将信息写入它所需的时间比RAM长得多。EEPROM用来存放用户程序和需要长期保存的重要数据。3.输入/输出单元PLC的输入和输出信号类型可以是开关量、模拟量和数字量。输入/输出单元从广义上分包含两部分：一是与被控设备相连接的接口电路，另一部分是输入和输出的映像寄存器。输入单元接收来自用户设备的各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关、行程开关以及其它一些传感器的信号。通过接口电路将这些信号转换成中央处理器能够识别和处理的信号，并存到输入映像寄存器。运行时CPU从输入映像寄存器读取输入信息并进行处理，将处理结果放到输出映像寄存器。输出映像寄存器由输出点相应的触发器组成，输出接口电路将其由弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器、指示灯等被控设备的执行元件。输出接口电路通常有三种类型：继电器输出型、晶体管输出型和晶闸管输出型。每种输出电路都采用电气隔离技术，电源由外部提供，输出电流一般为0.5～2A，输出电流的额定值与负载的性质有关。为使PLC避免受瞬间大电流的作用而损坏，输出端外部接线必须采用保护措施：一是输入和输出公共端接熔断器；二是采用保护电路，对交流感性负载，一般用阻容吸收回路，对直流感性负载用续流二极管。由于输入和输出端是靠光信号耦合的，在电气上是完全隔离的，因此输出端的信号不会反馈到输入端，也不会产生地线干扰或其它串扰，因此PLC具有很高的可靠性和极强的抗干扰能力。4.电源部分PLC一般使用220V的交流电源，内部的开关电源为PLC的中央处理器、存储器等电路提供5V、±12V、24V等直流电源，使PLC能正常工作。电源部件的位置形式可有多种，对于整体式结构的PLC，通常电源封装到机壳内部；对于模块式PLC，有的采用单独电源模块，有的将电源与CPU封装到一个模块中。5.I/O扩展接口和模块扩展接口用于将扩展单元以及功能模块与基本单元相连，使PLC的配置更加灵活以满足不同控制系统的需要。输入和输出点是系统与被控对象的连接点。用户可以使用主机I/O和扩展I/O。S7-200系列CPU提供一定数量的主机数字量I/O点，但在主机点数不够的情况下，就必须使用扩展模块的I/O点。在这主要介绍模拟量扩展模块。在工业控制中，某些输入量(如压力、温度、流量、转速等)是模拟量，某些执行机构(如晶闸管调速装置、电动调节阀和变频器等)要求可编程控制器输出模拟信号，而可编程控制器的CPU只能处理数字量。模拟量首先被传感器和变送器转换为标准的电流或电压，如4～20mA，1～5V，0～10V，可编程控制器用A/D转换器将它们转换成数字量。这些数字量可能是二进制的，也可能是十进制的。D/A转换器将可编程控制器的数字输出量转换为模拟电压或电流，再去控制执行机构。模拟量I/O模块的主要任务就是实现A/D转换(模拟量输入)和D/A转换(模拟量输出)。S7-200有3种模拟量扩展模块:(l)模拟量输入扩展模块EM231:它有4路模拟量输入;(2)模拟量输出扩展模块EM232:它有2路模拟量输出;(3)模拟量输入/输出扩展模块EM235:有4路模拟量输入和1路模拟量输出。转换的时间小于250s，模拟量输模块中A/D、D/A转换器的位数均为12位。模拟量输入输出有多种量程供用户选用，如0～10V，0～20mA，0～100mV，±10V，±5V，±100mV等。A/D转换的时间小于250s，模拟量输入的阶跃响应时间1.5ms(达到稳定值的95%时)。单极性全量程输入范围对应的数字量输出为0～32000，双极性全量程输入范围对应的数字量输出为-32000～+32000。输入阻抗大于等于10M。6.通信接口为了实现“人—机”或“机—机”之间的对话，PLC配有多种通信接口。PLC通过这些通信接口可以与监视器、打印机和其它的PLC或计算机相连。当PLC与打印机相连时，可将过程信息、系统参数等打印输出；当与监视器（CRT）相连时，可将过程图像显示出来；当与其它PLC相连时，可以组成多机系统或联成网络，实现更大规模的控制；当与计算机相连时，可以组成多级控制系统，实现控制与管理相结合的综合控制。7.编程器编程器的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。编程器有简易型和管理型两类。简易型的编程器只能联机程序，且往往需要将梯形图转化为机器语言助记符（语句表）后，才能输入。它一般由简易键盘和发光二极管或其他显示器件组成。智能型的编程器又称图形编程器，它可以联机编程，也可以脱机编程，具有LCD或CRT图形显示功能，可以直接输入梯形图或通过屏幕对话。还可以利用PC作为编程器，PLC生产厂家配有相应的编程软件，如SIEMENS的STEP7–Micro/WIN32编程软件。3.2.2SIEMENSS7-200的工作原理各种PLC都采用扫描工作方式，具体工作过程大同小异。第一部分是上电处理。机器通电后，对PLC系统进行一次初始化工作，包括硬件初始化，I/O模块配置检查和其它初始化处理等。第二部分是扫描过程。PLC上电处理完成以后进入扫描工作过程。先完成输入处理，其次完成与其它外设的通信处理，再次进行时钟、特殊寄存器更新。当CPU处于STOP方式时，转入执行自诊断检查。当CPU处于RUN方式时，还要完成用户程序的执行和输出处理，再转入执行自诊断检查。如果对远程I/O特殊模块和其它通信服务暂不考虑，这样扫描过程就只剩“输入采样”、“程序执行”和“输出刷新”三个阶段:CPU运行方式CPU运行方式STOP电源ON内部处理输入处理（输入传送、远程I/O）通信服务（外设、总线服务、CPU）更新时钟、特殊寄存器执行程序输出处理执行自诊断PLC是否正常致命错误CPU强制为STOPYNYRUNN存放自诊断结果图3.2PLC运行框图1.输入采样阶段在PLC的存储器中，设置了一片区域来存放输入信号和输出信号的状态，它们分别称为输入映像寄存器和输出映像寄存器。在输入采样阶段，PLC把所有的外部输入电路的ON/OFF状态读入到输入映像寄存器，此时，输入映像寄存器被刷新。外部的输入电路闭合时，对应的输入映像寄存器为“1”状态，反之，外部的输入电路断开时，对应的输入映像寄存器为“0”状态。接着进入程序执行阶段，输入映像寄存器与外界隔离，即使输入状态发生变化，输入映像寄存器的内容也不变，直到下一扫描周期的输入采样阶段才读入这些变化。2.程序执行阶段PLC的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按顺序排列。根据梯形图程序扫描原则，PLC按先左后右、先上后下的顺序逐句扫描。程序执行时，若没有跳转和中断指令，CPU从第一条开始，逐条顺序的执行，直到遇到结束指令。3.输出刷新阶段CPU在执行完用户程序后，将输出映像寄存器的0/1状态传送到输出锁存器中，通过一定的方式输出，驱动外部负载。为“1”状态时，对应的线圈通电，其常开触点闭合，常闭触点断开。为“0”状态时，对应的线圈断电，其常开触点断开，常闭触点闭合。第三部分是出错处理。PLC每扫描一次，执行一次自诊断检查，PLC内部设置了一个监视定时器WDT，其定时时间可由用户设置为大于用户程序的扫描周期，PLC在每个扫描周期的公共处理阶段将监视定时器复位。正常情况下，监视定时器不会动作，当检查出异常时，监视定时器动作，运行停止，并显示出来。当出现致命错误时，CPU被强制为STOP方式，所有的扫描停止。PLC的扫描工作过程如图图3.3所示图3.3PLC的扫描工作过程3.2.3PLC编程语言和程序结构PLC为用户提供了完整的编程语言，以适应编制用户程序的需要。PLC提供的编程语言通常有以下几钟：梯形图，语句表，功能图和功能图。1．梯形图（LAD）梯形图（LADDER）编程语言是从继续电器控制系统原理图的基础上演变而来的。PLC的梯形图与继电器控制系统梯形图的基本思想是一致的，只是在使用符号和表达方式上有一定区别。下图3.4是典型的梯形示意图。左右两条垂直的线称为母线。母线之间是触点的逻辑连接和线圈的输出。图3.4梯形图举例(限于绘图工具影响，输出（）符号用0号代替，下同)梯形图的一个关键概念是“能流”（PowerFlow）,这只是概念上的“能流”。图中，把左边的母线假想为电源“火线”。而把右边的母线（省略未画）。假想为电源“零线”。如果有“能流”从左至右流向线圈，则线圈被激励。如没有“能流”，则线圈未被激励。“能流”可以通过激励（ON）的常开接点和未被激励（OFF）的常闭接点自左向右流。“能流”在任何时候都不会通过接点自右向左流。如图中，当A、B、C接点都接通后，线圈M才能接通（被激励）。只要其中一个接点不接通，线圈就不会接通；而D、E、F接点中任何一个接通，线圈Q就被激励。要强调指出的是，引入“能流“的概念，仅仅是为了和继电接触器控制系统相比较，来对梯形图有一个深入的认识，其实“能流”在梯形图中是不存在的。有的PLC的梯形图有两根母线，但大部分PLC现在只保留左边的母线了，在梯形图中，触点代表逻辑“输入”条件，如开关、按钮和内部条件等；线圈通常代表逻辑“输出”结果，如灯、电机接触器、中间继电器等。梯形图语言简单明了，易于理解，是所有编程语言的首选。2.语句表（STL）语句表（StatementsList）类似于计算机中的助记符语言。它是PLC最基础的编程语言。所谓语句表编程，是用一个或几个容易记忆的字符来代表PLC的某种操作功能。下图3.5是一个简单的PLC程序，图（A）是梯形图程序，图（B）是相应的语句表。一般来说，语句表编程适合于熟悉PLC和有经验的程序员使用。(A)梯形图LDI0.0OQ0.0AI0.1=Q0.0LDI0.2AI0.3=M0.1(B)指令表图3.5LAD和STL应用举例3.PLC的程序结构控制一个任务或过程，是通过在RUN方式下，使主机循环扫描并连续执行用户程序来实现的，用户程序决定了一个控制系统的功能。程序的编制可以使用编程软件在计算机或其他专用编程设备中进行（如图形输入设备），也可以使用手编器。广义上的PLC程序由三部分构成：用户程序、数据块和参数。1.用户程序用户程序是必选项，用户程序在存储器空间中也称为组织块，它处于最高层次，可以管理其他块，它是用各种语言编写的用户程序。不同机型的CPU其程序空间容量也不同。用户程序的结构比较简单，一个完整的用户控制程序应当包括一个主程序、若干子程序和若干中断程序三大部分。不同编程设备，对各程序块的安排方法也不同。2.数据块数据块为可选部分，它主要存放控制程序运行所需的数据。3.参数块参数块也是可选部分，它存放的是CPU组态数据，如果在编程软件或其他编程工具上未进行CPU的组态，则系统以默认值进行自动配置。3.3本例中基于S7-200PLC的设计3.3.1系统功能（1）控制功能操作人员能在CRT上对输送方式和控制方式进行选择，以实现对整个系统的设备进行控制，并用动画显示整个连锁流程，以箭头的方式指示连锁操作顺序。系统的控制方式分为集中自动、连锁手动、解锁手动及现场手动操作4种方式，通过各种方式选择启停系统。（2）保护功能系统能够自动实现胶带机控制的多种要求外，还可以实现地面集中控制，程序流程控制，井下集中控制和就地控制。实现自动控制时，计算机首先完成内部自检，沿线预警信号，执行开/停机及各种保护和信号的处理，系统具备故障状态下紧急停车功能。符合煤炭安全规程对皮带机保护的六项措施。系统具有胶带机低速打滑、机头堆煤，满仓，超温洒水，烟雾，滚筒超温，沿线急停和跑偏保护。(3)显示功能系统总体运行画面:通过系统总体运行画面,可以显示每一条输送机和辅助设备的工作状态。主控画面:通过主控画面动态地显示整个连锁流程及各条输送机的状态,并以箭头表示连锁操作顺序。辅助设备监控画面:通过辅助设备监控画面显示辅助设备的工作状态。带式输送机运行画面:通过状态信息浏览画面显示输送机的工作状态、控制状态、运行电流参数等工作状态。报警显示画面:通过报警显示画面显示输送机的跑偏、压煤、堵槽、速度、温度等状态,并自动进行相