带式输送机控制系统的总体设计

2带式输送机控制系统的总体设计方案带式输送机又叫胶带输送机，是目前最重要的物料输送设备之一，在18世纪末发明以后，很快就被广泛的应用在煤炭、矿山、化工等等多种生产领域。当前，带式输送机已成为煤矿企业生产运输系统中重要的组成部分，并且随着煤矿生产企业规模和技术不断发展，带式输送机向着大运量、大功率、高速度的方向发展，而且零部件也向着高寿命、低能耗和智能化等方向发展。本章节主要介绍了带式输送机的结构及工作原理，对带式输送机驱动装置以及软起动技术进行介绍分析后，给出了带式输送机控制系统总体设计方案。图1DSJ型带式输送机实物图2.1带式输送机的结构及工作原理图2带式输送机的结构简图尽管带式输送机的样式众多，但是其基本结构都大同小异。带式输送机主要由输送带、托辊、滚筒、驱动装置、制动装置、张紧装置和清扫装置等部件所组成[7]。在带式输送机运行时，输送带通过驱动滚筒和尾部滚筒形成闭合的环形带，托辊支撑起输送带，拉紧装置为输送带提供张力。启动时，通过电动机带动减速器来驱动传动滚筒（也称驱动滚筒），并且利用滚筒和输送带之间的摩擦力来带动输送带持续运行，运送的物料靠着自身与输送带之间的摩擦力，将其通过输送带运送到指定的地点，最后从驱动滚筒（一般安装在卸料端，以增大牵引力且有利于拖动）处卸货。2.2带式输送机的驱动装置及软起动分析2.2.1驱动装置对控制系统的影响驱动装置不仅是带式输送机获得动力的源泉，而且是整个控制系统中重要的组成部分。因此为了实现带式输送机的变速运行，找到合适的驱动装置也是解决问题的关键，并且驱动技术也是衡量带式输送机控制技术发展的一项重要指标，标志着整个控制系统的生产效率及安全可靠程度，常见的驱动装置有液力耦合器、CST和变频调速等等。1.液力耦合器驱动系统液力耦合器主要由耦合器、电动执行器、油润滑装置、油箱等组成。工作原理是通过调节耦合器工作室的液体填充量，去控制输出转速，从而实现带式输送机的可控软起动[3]。采用这种控制方法：可以实现电机的空载启动，并且利用它产生的峰值力矩来提高启动能力，大大缩短启动时间，但启动过程的效率为零；自带有隔离扭矩，减少缓冲的同时预防过载情况，保护了电机及输送机的关键部件；结构简单、无机械磨损，可在复杂环境下稳定运行，可以实现带式输送机的自动控制。尽管有如此优点，但是在单机功率大于500Kw以上时，就不能满足工作的需求，并且它的设备占地面积较大。因此对于现代化矿井来说，一般都不采用。2.CST驱动系统CST驱动系统是美国道奇电气公司研发的用于大惯性负载（比如带式输送机）的驱动系统。它由多级齿轮减速器、湿式线性离合和液压控制系统所组成。工作原理是操作员可根据现场实际情况，通过控制器去设置所需要的加速度和起动时间。当系统接收到起动信号后，电机先空载起动，到达额定的速度后，液压系统当中的离合器反应盘系统的压力开始增加。当反应盘彼此相互作用时，输出力矩与液压系统压力成比例。安装在输出轴的速度传感器将检测的带速反馈到控制系统，将此速度信号将与控制系统设置的加速度信号进行比较，其差值信号用于调节反应盘的压力，以确保稳定的加速度斜率[9]。相反，当系统接收到停车信号后，液压系统当中的离合器反应盘系统的压力开始降低，通过调节整个系统的液体压力，可以获取稳定的减速信号以实现停车。采用此控制方式：可实现S型曲线起动，起动过程更平稳；稳定运行阶段传动效率很高，保护功能齐全；但是设备体积庞大，机电一体化程度高，大多数依赖进口，成本太高；在软起动和调速阶段，发热严重并且传动效率低。3.变频调速装置它是利用电力半导体器件的通断作用，将工频电源转化为另一种频率的电能控制方法。主要由功率器件（IGBT）、绝缘栅可控晶体管、控制器和电抗器所组成。原理是通过控制器来调整IGBT中的绝缘栅，以改变进入IGBT的交流电源频率。该方法具有调速范围宽、精度高的特点，可以实现真正的软起动和多级功率平衡，从而满足整个系统的动态稳定性和可靠程度。随着科技水平的发展，此方法已占据主导地位。2.2.2带式输送机软起动分析传统的带式输送机都是用电机直接驱动的方式进行起动，它不能将动力快速直接地传到输送带上，而是因为输送带的粘弹性质和阻力的作用，缓慢的传到输送带上，这就导致输送带初张力下降，如果达不到起动时所需的张力，就不能正常起动。因此必须要有足够大的起动加速度和时间，故采取软起动的方式。带式输送机的软起动指的是，当输送机处于重载时，可以通过控制局部来克服整个系统的惯性，从而平稳地起动输送机。它可以减小起动初的巨大力矩，降低输送带接头的损坏和其他部件的冲击。查阅了相关资料后，软起动的速度曲线如下图所示：图1带式输送机S型速度、加速度模型因为起动初皮带处于松弛状态，为了防止产生冲击，需将皮带拉紧再起动，故需要一段时间延迟，并且延迟段内的带速一般都是设计带速的10%左右。延迟结束后，加速度开始起作用，并且以最小加速度完成剩余的过程。这样一来就能最大程度的减少起动惯性和起动冲击的影响。2.3带式输送机控制系统设计的总体结构2.3.1控制系统设计的背景杭来湾煤矿井下的带式输送机是由三台异步电机驱动，配有三台6ES71变频器，并由S7-300PLC来控制。但是随着企业生产需求增长，现有的输送机控制系统已不能满足生产需求。一方面由于原有的控制系统变频器输出频率恒为40Hz,在输送机空载或轻载运行时，皮带仍然维持高速转行，不仅增加了机械磨损还浪费了巨大的电能；在输送机满载时，系统也没有达到额定的输出功率，造成系统利用率很低，严重时还可能导致电机过热而烧坏设备。另一方面由于原有控制系统不能对煤流量、带速以及电能消耗之间建立起联系，不能进行实时监测，带速都是根据工程师的经验给定，而且也不能随着煤流量的变化而进行改变，整个控制系统的智能化水平很低，因此对此系统进行改造刻不容缓。本课题就是将以上的各种问题，运用可编程逻辑控制技术、智能控制技术、变频控制技术以及检测传感器技术等对输送机控制系统进行设计，让带式输送机在正常运转中，实现对带速、煤流量和电量消耗等参数的精准监测和记录，对系统进行节能优化，来实现智能控制的目标。2.3.2控制系统结构的设计在带式输送机运行过程中，通过调节变频器的输出电压和频率，以实现对皮带的调速，但是还需对带速、煤流量和电量消耗等参数进行精确的检测和记录。煤运量可由电子秤实时监测，带速可由速度传感器采集得到，对这些所获取的数据进行分析、处理，得到的信号发送给PLC控制器，PLC去控制变频器进而带动电动机，让输送机始终处在最优的运行状态，以此来实现带式输送机的节能优化。在本课题中，带式输送机的控制系统主要由上位机、基于PLC的模糊控制器、变频器、电动机和各类传感器所组成。其控制系统结构图如下所示：图5控制系统结构简图此控制系统中，PLC控制器是核心，它可以通过工业以太网连接到上位机，也可以通过PROFIBUS通讯协议连接到变频器，来完成实时通讯。系统在运行时，由上位机发出相关指令传输给PLC控制器，PLC通过控制变频器进而带动电机来使输送机运行起来。各类传感器可实时的获取输送机运行时的各种参数并发送给PLC控制器，再经过PLC控制器处理后发送到上位机，操作人员就可以实时的监控输送机的运行状态，而且上位机还能对数据进行记录，方便人员查看和管理。此系统可实现带式输送机的节能运行、智能控制、各类保护以及数据管理等功能。3带式输送机能耗分析及模糊控制器设计3.1带式输送机的节能分析到目前为止，带式输送机所面临的两大难题是：一动态分析和监测技术；二可靠的软启动和功率平衡技术，绪论中都给出了简要说明。但煤矿企业实际生产过程中，因为技术条件和地质条件的影响，煤的产量始终是发生变化的，就会造成输送机在运行过程中存在着运量的波动。然而目前我国绝大多数的输送机都是在工频运行（一般采用恒速运行），因此就出现了两种问题：（1）输送机处在空载或者轻载运行时，恒速运行就会降低电机的效率、功率因数低、造成大量的电能消耗；（2）输送带与机械之间的摩擦阻力系数很高。所以，为了提高带式输送机的工作效率，降低电能的消耗，就需要彻底分析带式输送机的运行过程。本节就对带式输送机的节能优化控制进行分析后，提出了根据不同的运量调节相对应的带速的思想，从而达到节约电能，延长设备使用寿命的目标。3.1.1影响带式输送机功耗的各种因素影响带式输送机功耗的原因非常之多，在实际工业现场环境中，把物料从输送机机尾运送到机头，此过程中输送带对物料做的功变成了物料的势能，因此无论带速和物料流量怎样改变，这部分的能量都是固定不变的。但是因为此过程中输送机运行条件和周围环境的改变，会对皮带克服各个阻力做功和电机能耗产生影响。所以为了实现输送机的节能运行，在不影响企业正常生产的情况下，尽可能的降低各个阻力做功和电机能耗。1.运行阻力分析带式输送机在运行过程中都会产生阻力，例如滚筒、托辊之间的摩擦等，因此根据阻力产生的原因分为：主要阻力、倾斜阻力、附加阻力和特种阻力[2]。（1）主要阻力；主要是在输送机运行过程中，由输送带、物料和托辊之间相互摩擦所引起的阻力。并且物料流量越大，阻力就越大。其计算公式如下：（1）公式(1）中：li为皮带长度，fi为摩擦阻力系数，g为重力加速度，qo、qu分别为上、下行段单位长度皮带的托辊部分重量，qB为单位长度皮带的重量，qG为物料重量，βi为皮带的倾角。（2）倾斜阻力；对于具有一定倾斜度的输送机，由于重力作用所引起的阻力。它与物料的重量和输送带倾斜度有关。其计算公式如下：（2）公式（2）中：Hi为皮带的垂直高度。（3）附加阻力；主要由受料区物料和输送带之间的摩擦力、导料槽和输送带之间的摩擦力以及输送带在滚筒处弯曲的阻力所组成。但是，在远距离、大功率的输送机运行阻力分析过程中，一般都将附加阻力算到主要阻力中。（4）特种阻力；并非所有的带式输送机都有，仅当采取某些措施或者安装一些装置才会有。例如清扫装置的阻力、导料槽的阻力等，但是对于大型带式输送机来讲，这部分阻力通常可以忽略不计。2.功率消耗分析影响输送机功率消耗的原因非常之多，一方面带式输送机在设计安装过程中，如托辊的直径、托辊的间隔、皮带宽度以及下垂度等自身结构所产生的功耗；另一方面是在输送机运行过程中电动机的能耗（如定子、转子和铁心铜耗、机械损耗等）以及环境温度的改变都会影响带式输送机的功耗。但在实际生产中，输送机的带速和物料运量也会影响其功耗，具体关系如下：（3）公式（3）中：Q为物料的运量，v为带速。综上，由将式（1）、（2）、（3）进行整理可得：（4）因为皮带长度li，重力加速度g，上、下行单位长度皮带的托辊部分重量qo、qu，单位长度皮带的重量qB，单位长度物料重量qG，皮带的倾角βi均为固定值。在查阅了相关资料后，对于运行稳定的带式输送机而言，fi摩擦阻力系数是固定不变的，电机的功率只与物料运量Q和带速v有关。但实际情况并非如此，故输送机的带速v、摩擦阻力系数fi和物料运量Q是功率消耗的主要因素，四者之间有着较为复杂的数学关系，因此很难建立精准的模型进行分析。3.1.2带式输送机的带速与运量匹配原理通过上节分析，在查阅了相关资料后，功率、带速与运量之间的关系如下图：图3功率与带速关系图4带速与运量关系假如只单方面考虑节能，设计输送机时应该考虑使用高带强、高带宽、低带速，但是这样以来设计成本加倍。综合考虑分析后，都是按照最大输送量来设计，而在实际中又很难满载。因此，当运量较小时，可采取调整带速的方式来达到节能的目的。如上图3中曲线所示，当运量Q恒定时，输送机的功率P与带速v成正比，故降低带速就能达到节能的目的。但带速也不是一味的降低，它受到带宽、带强和输送量等因素的制约。因此，当其它因素都满足时，可以选择较低的带速以达到节能的目的。由公式（3）可得出：（5）如上图4中曲线所示，在一定带速范围内，当单位长度物料重量qG不变时，带速v与运量Q成正比。当运量Q为零时，带速可以为零，但在实际生产过程中，带式输送机肯定不能频繁的启动、停止。因此，当运量Q较小时，带速可以以最小设计值运行；当运量Q增加时，通过增大变频器的频率f（即增大电机转速）来增大带速v,始终让其达到最优的匹配关系，就可以实现节能的目的。3.2带式输送机的模糊控制器设计在第三节中，对带式输送机功耗进行分析后，输送机的带速v、摩擦阻力系数fi和物料运量Q是功率消耗的主要因素，四者之间有着较为复杂的数学关系，并且在查阅了带式输送机相关资料后，其动态模型非常复杂，具有高阶次、参数多的特点，因此难以建立精准的模型进行分析，而且在带速与运量匹配图中，关系也并非线性，其中受到带宽、带强和输送量等因素的制约因此难以实现智能控制。模糊控制器也称为模糊逻辑控制器（FuzzyLogicControllor），它基于规则控制，不需要建立精准的数学模型，本质上是一种非线性控制，并且具有很强的鲁棒性，其属于智能控制的领域。因此，将其应用在带式输送机的控制中就能达到智能控制。模糊控制理论是以模糊数学为基础，使用语言形式的表示，由模糊推理实行判决的高级控制方法。而且将此方法应用在计算机控制技术中，可以组成一个具有反馈的闭环数字控制系统。它与常规的计算机控制系统的主要区别是运用了模糊控制器，所以模糊控制器的设计是整个模糊控制系统的关键。3.2.1模糊控制器的原理及组成模糊控制（FuzzyControl）是基于模糊集理论、模糊语言变量和模糊逻辑推理的控制，它是模糊数学在控制系统中的应用，是一种非线性智能控制方法。它从行为上模仿了人的模糊推理和决策过程。该控制方法是将人的经验汇编成模糊规则，然后对自传感器的实时信号进行模糊化，然后将模糊信号用作模糊规则的输入，以完成模糊推理，然后将推理后的输出给到执行器。微机经过中断采样来获得控制量的精确值，然后将其与给定值比较，以获得误差E，通常以E作为输入量。将E的精确值模糊化为模糊量，E的模糊量可以用对应的模糊语言表示，得到E的模糊语言集合的子集e,然后e和模糊关系R，根据推论的合成规则进行模糊决策组合，以获得模糊控制量U[9]。其控制原理图如下所示：E图5模糊控制原理图E模糊控制器由四部分所组成：模糊接口、知识库、推理机和解模糊接口。模糊控制器是模糊控制系统的核心，模糊推理是模糊控制的核心，模糊化是将被控对象的输出值的偏差或偏差变化从给定值转化为模糊语言的隶属度向量，模糊推理是使用知识库来模拟人类的推理过程，并将输入的模糊量转化为输出的模糊量，解模糊是将输出的模糊控制量转换为执行器接收的精确量。其结构图如下：图6模糊控制器的组成图3.2.2模糊控制器的设计（1）定义带式输送机模糊控制器输入与输出通过第二节的分析，为了达到节能运行，就得合理的匹配带速v和运量Q。因此，以PLC为控制核心，引入了模糊控制理论，可以将给定带速v0和实际带速v的偏差值e和偏差变化率ec作为模糊控制器的输入，以变频器的频率f作为模糊控制器的输出，它们的模糊语言变量分别为E、EC、和F。通过这种方式，便建立了基于PLC的具有两输入一输出的模糊控制器。（2）建立模糊控制器论域及隶属函数在模糊控制理论领域，每个变量都有其基本论域，这就是系统的实际范围。在带式输送机模糊控制器中，e的基本论域为[-e,e],ec的基本论域为[-ec,ec],f的基本论域为[-f,f]。每个变量都需要从基本论域转化为模糊域，E，EC的输入论域为{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}，相应的子集为{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}，选择三角形函数作为隶属度函数；输出量F的论域为{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6,}，相应的子集为{NB,NM,NS,Z,PS,PM，PB},选用三角形函数作为隶属度函数。图7到图9为隶属度函数图。在设计模糊控制算法过程中，为了提高控制的准确性，有必要使论域的量化等级越细。但是等级越精细，算法过程就越复杂。确定好模糊控制算法的每个变量的基本论域和模糊域后，就可以计算出比例因子。其如下所示：（其中n1=n2=n3=6）（6）图7E的隶属度函数图8EC的隶属度函数图9F的隶属度函数（3）建立模糊控制规则根据人们的思维推理，通过输入偏差和偏差变化率，设计消除系统偏差的模糊控制规则。模糊控制规则的设置将直接影响控制的性能，因此必须遵守某些规则：当偏差较大时，应该调整控制器以减小偏差；当偏差较小时，控制器在消除系统偏差的同时，还应该防止系统产生超调，并确保系统的稳定性。在带式输送机模糊控制器设计中，可以根据现场经验来制定模糊规则。如下表所示：表1模糊控制规则表上表可以用下列的模糊规范语句表示：IFE=NBandEC=NBthenF=PB；IFE=NBandEC=NMthenF=PB；IFE=NBandEC=NSthenF=PB；…IFE=PBandEC=PSthenF=NB；IFE=PBandEC=PMthenF=NB；IFE=PBandEC=PBthenF=NB；一共有49条模糊规则，每条语句之间都是“或”的关系[2]。（4）模糊推理模糊推理是模糊控制的核心，它是使用某种模糊推理算法和模糊控制规则，通过推理获得的最终控制量。即模糊控制规则被建立后，需要通过模糊推理来获得控制量的模糊子集。该模糊子集是一个模糊量，而不是需要控制的对象，并且需要将该模糊量进行反模糊化（将模糊结果转换为精确值的过程）被转换为精确量，这样才完成了模糊推理。带式输送机模糊控制器中最终的精确量是频率F，将该信号给变频器，以改变电机的转速，由此来达到节能的目标[3]。模糊控制推理最常用的方法有三种：最大隶属度法、重心法和加权平均法。其中加权平均法在工业控制中被广泛使用。（5）建立查询表当给出偏差和偏差变化率时，可以使用模糊控制查询表来获得相应的输出量。在带式输送机的模糊控制系统中，可以预先准备好控制量F查询表并存储在PLC的存储器中，当需要实时控制时，只需从查询表中查取所需的控制策略。如下表所示：表2模糊查询表（响应表）续表2模糊查询表（响应表）3.2.3模糊控制器的实现通过第二节的分析设计，设计了一种基于PLC的模糊控制器。假设在某段时间内，运量Q在[q0,q1]内变化，此时相应的带速为v0，传感器获取的实际带速为v，经过模糊控制器进行处理后，得到了带速偏差e和偏差变化率ec，将二者作为模糊控制器的输入，经过处理分析后，输出变频器需要的频率f,然后将该信号输入到变频器控制器中，通过调节变频器的电压和频率，进一步带动电机转动，以此来控制带式输送机的速度。其控制系统原理图如下：图10带式输送机模糊控制系统原理图为了确保设计的基于PLC模糊控制器的实时性和可靠性，可以采用离线方式获取模糊查询表并将其存储在PLC的存储器中。在系统运行过程中，PLC通过采样得到e和ec的量化值，通过查询表获得输出的量化值，最后将其乘以比例因子以获得变频器的频率值f，由此来实现带式输送机的智能控制。其模糊控制器实现的过程如下图所示：图11模糊控制流程图

4带式输送机控制系统硬、软件设计4.1控制系统的硬件设计自1960年代末以来，电气控制技术已进入以PLC为主的时代，取代了传统继电器接触器控制系统，PLC在世界范围内得到了迅速的发展和应用。同时，随着信号处理技术、计算机技术、控制技术和网络技术的不断发展，PLC的功能也在不断提高和完善。具有通用性强、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、使用方便等特点。在控制系统设计过程中，控制器的稳定性和可靠性直接影响着控制系统的性能。在本课题中，选用西门子S7-1214PLC作为主控制器，整个控制系统的硬件主要有PLC控制器、变频器、电动机、煤流量监测以及各种传感器。其中所包括的技术主要有PLC控制技术、智能控制原理、传感器技术等等。其控制系统硬件结构图如下：图12控制系统硬件结构图在上图中，PLC控制器是整个带式输送机控制系统的核心，PLC控制器从上位机接收指令，并通过控制变频器的输出来实现电动机的控制，从而来控制输送机。速度传感器可实时监测带速，并将其反馈给PLC控制器；电子皮带秤可实时监测煤流量，并将其反馈给PLC控制器；各种保护传感器（如堆煤、防滑、撕裂等）可实时监测输送机的运行状态，并将其反馈给PLC控制器，最后PLC将各种数据进行处理并发送给上位机，通过上位机可以实现实时监控输送机的运行状态。4.1.1PLC控制作为整个控制系统的核心，直接影响着系统的安全可靠。因此在设计时不仅满足设计的目标，而且要留有一定的裕量，方便今后维修和扩展。主要设计点包含三大模块即：输入输出点数统计、PLC的选型和I/O地址的分配。1.输入输出点数统计根据现场设备状态，需逐个统计点数。首先统计数字量输入，三个变频器对应三个配电柜，故有三个数字量，分别是1#，2#，3#三个电源；因为输送机需在启动时监测制动器是否工作，故有一个数字量“制动开关状态”信号；根据系统运行情况，分三种方式即：集控、检修和就地，由三个开关实现三个数字量，集控即由上位机控制输送机，检修状态下输送机处于维护状态，就地即进行现场操作，其中包括打点、启动、停止和急停四个数字量；为了安全稳定的运行还需各种保护类传感器包括：堆煤、烟雾、撕裂、跑偏、防滑、拉绳和温度，其中前六个为数字量输入到PLC；速度传感器用来测速一个数字量；共计18个输入数字量。再统计数字量输出，由于输送机运行时制动器需达开启状态，故有制动开关一个数字量；皮带在开车时需有打点预警，故有一个数字量“打点控制”信号。共计2个输出数字量。最后统计模拟量的输入输出，因有温度保护传感器来监测三个电机的温度，故有三个模拟量输入；共计3个输出模拟量。2.PLC模块的选型按照输入输出点数的统计结果，在遵循设计原则的同时，留有一定的裕量，并且尽可能的降低成本。1）CPU模块作为PLC控制系统的核心设备，此设计系统选用S7-1200系列中CPU1214CDC/DC/DC，它使用直流24V电源供电，自带有14点板载数字量输入和10点输出，以及板载模拟量2点输入，6个高速计数器和4个脉冲输出，可扩展多个模块，如8个信号模块扩展和3个通信模块扩展，1个以太网通信端口，支持POROFINET通信[2]。并且具有结构紧凑、集成度高和扩展灵活等特点，得到了广泛的使用。2）电源模块选用PM1207专为1200系列所设计，给系统及扩展模块提供稳定电源，输入120/230VAC，输出24VDC/2.5A。3）输入扩展模块数字量输入选用SM1221DI8×24VDC，提供8路数字量输入，且输入电压为24VDC，主要用于连接传感器来接收现场信号，并传给控制器CPU；模拟量输入选用SM1231AI4×13bit，提供4路模拟量输入且精度为12位+符号位。主要用于监视电源电压和断线故障。4）通信模块选用CM1243-5可以连接到PROFIBUES，有９针D型母接头，可以与其他CPU、设备、人机界面之间实现通讯；选用CM1241RS485/422，可用于执行强大的点对点（PtP）通信，可用于与电子皮带秤建立通信，并支持PROFIBUS通讯协议。因此，可将CPU1214CDC/DC/DC、SM1221DI8×24VDC、SM1231AI4×13bit、CM1241RS485/422、CM1243-5和PM1207模块，分别标记为1U、2U、3U、4U、5U、6U、7U，将所有模块和PLC控制器安装在标准导轨上，如下图：图13各个模块与PLC连图3.I/O地址的分配在选型完成之后，接着就进行地址分配，并且合理的地址分配对于硬件安装和软件设计非常之重要。先将PLC的地址进行划分，如图所示：图14PLCI/O地址划分图其中：CPU1214CDC/DC/DC模块中I0.0-I1.7为数字量输入地址，Q0.0-Q0.7为数字量输出地址，AI64-AI66为模拟量输入地址；SM1221DI8×24VDC模块中I2.0-2.7为数字量输入地址；SM1231AI4×13bit模块中AI112-AI118为模拟量输入地址。对以上划分的地址进行分配，如有多余，留着备用。其分配地址见下表：表3各模块I/O地址分配4.1.2变频器控制1.变频器的控制方式随着电力电子技术的进步和电力器件生产工艺的提升，变频技术得到了飞速发展，变频器已广泛应用于煤矿电气设备的拖动上，它是通过改变电源频率来进行速度调节,因具有稳定性、快速性、节能最优等特点，它已得到广泛应用。其有三种控制方式：U/f恒定控制、转差频率控制和矢量控制。U/f恒定控制属于恒磁通调速，即控制变频器的恒压频比和转矩，使用此控制方法可以使电源频率变化时电压也跟随着变化，并且两者之比保持恒定，在低频时需提高电压来提升转矩，基频以下属于恒转矩调速，基频以上属于恒功率调速，并且压频比越大越精准。转差率控制是对检测出的电机转速进行速度闭环控制，将速度给定信号与电机转速信号比较，然后通过调节器得到转差频率，再将电机转速所对应的频率和转差频率两者之和作为变频器的输入频率。此控制方式能提高控制精度，但通用性不好。矢量控制是通过测量和控制异步电机定子电流矢量（大小和相位），并根据磁场定向原理控制异步电机的励磁电流和转矩电流，从而实现了对异步电机的高精准控制，能够获得与直流调速系统相同的性能。2.6ES71变频器本课题所选用的是西门子6ES71变频器，订货号码为6SE7138-6HG62-3BA0，输入电压范围为660V-690V，输出电流为860A，额定功率为800KW，负载电流为783A，短时间内允许通过最大电流为1170A。其中所包含的SIMOVERTMASTERDIVES矢量控制非常强大，它能携带“CUVC”模板并处理与电机相关的控制，是变频器控制的核心；“CBP2”和“CBC”通讯模块都是用来提供通讯连接，其中，“CBP2”支持PROFIBUS-DP通讯，“CBC”支持CAN总线通讯；“EB1”和“EB2”用于扩展I/O端口。3.变频器的外电路和控制电路设计变频器的输入电源通过电网连接，并通过断路器进行切换，三台变频器分别控制三台电机。如下图所示：图15变频器的外电路设计图因为6ES71变频器中“CBP2”模块支持PROFIBUS-DP通讯，所以能实现跟PLC的连接。故控制电路设计采用PROFIBUS-DP总线控制且是主从方式，将PLC设置为主站点，三台变频器作为从站点。可以通过软件编程完成通讯网络，来实现变频器的控制。如下图所示：图16变频器控制电路设计图4.1.3煤流监测本课题选用ICS-ST矿用电子皮带秤，它具有安全性能好、可靠性能高、测量精度高。其结构如左图所示，主要由四大部分组成：秤支架、称重传感器、测速传感器和智能采集模块。称重传感器是将煤流的重量转化为电量信号，测速传感器用来获取带速，智能采集是将获得的各种数据进行计算并处理。其原理是根据一段时间内累计流过的煤流量和时间的比值，以获得到瞬时平均量，更加准确的反映煤流的大小。用于煤矿井下煤流的监测，将使用本安加隔爆型电源和本安传感器型ICS-ST矿用电子皮带秤。当煤流量在变化时，动态累计误差小于±0.125%，带速在0.1-5m/s之间，称重范围可达10000t/h。由于机头和皮带下凹处将会产生零点漂移，因此皮带秤通常安装于机尾附近，数显分机安装于皮带秤附近，可以通过RS485串口通讯传输到PLC控制器。但是，由于复杂的现场环境和较长的传输距离，必须增加485中继器以延长通信距离。其通信路径如下图所示：图17电子皮带秤通信路径结构图4.1.4速度和各项保护传感器选用GSH5（A）本质安全型速度传感器，用于矿用带式输送机的带速监测。其工作电压为DC12V，电流≤80mA，测速范围0-5m/s，误差≤2.5%。其工作原理是当传感器的旋转部件在外部驱动下旋转时，它将驱动磁铁旋转通过霍尔元件的磁场以产生周期性变化，来引起霍尔元件的电压变化，然后经过处理以获得脉冲电压信号，作为速度传感器的输出信号。根据《煤矿用带式输送机安全规程》的要求，必须配备各项保护传感器。如防堆煤、防滑、防撕裂等，通过相应的传感器获得各种保护信号，PLC控制器实时采集这些信号，并且在发生报警时可立即停车，以确保输送机安全平稳的运行。4.2控制系统的软件设计完整的控制系统不仅需要硬件的设计，还需要软件系统的设计。软件系统设计的目标是将每个独立的硬件设备连接到一个完整的系统，以实现数据采集、处理、控制命令发送、运行状态监控和接受数据的记录等。本课题的控制系统软件设计主要包括PLC控制程序设计和上位机的实现。使用TIAPortalV13软件进行PLC控制程序的编写，使用WinCC7.3软件进行上位机的实现。4.2.1PLC控制程序设计1.编程软件介绍TIAPortal（博途）是西门子公司发布的一款全新的高度集成的软件，是业内第一个采用统一的组态和软件项目环境的自动化软件。它适用于几乎所有的自动化工程任务，集成了所有的功能化软件包、各种类型的自动化任务、HMI和其他工业控制的工具。使用方便、简洁，用户可以快速直接地开发和调试系统。它可支持西门子S7-1500、S7-1200、S7-400和S7-300系列的PLC硬件组态及软件编程，并且能够很好的满足工程设计的需求。TIAPortalV13有如下的优势：=1\*GB3①有起视图和项目试图两种优化视图，简单清晰、方便组态；=2\*GB3②与HIM结合组态构成项目方式简单；=3\*GB3③能够进行功能型的模块化程序编写，编写与分析简单化。2.控制系统程序设计常见的编程方法有三种即：结构化、线性化和模块化。TIAPortalV13可提供线性结构和模块化结构，根据实际设计的需要来选取合适的编程方法。线性结构通俗讲就是只有一个主程序块OB，将所有梯形图指令按顺序排列，逐条执行下去。此方法结构简单、易编程，但是CPU负担加重，且不利于后期程序修改和扩充，一般不采用这种编程方法；模块化结构是将各种想完成的任务分为功能块FC和FB，可以在主程序块OB中添加指令，去调用各个功能块。此方法不仅使CPU效率提高，设计思想简单清晰、便于调试，且有利于程序的扩充，是工程中常用的编程方法。带式输送机PLC控制系统程序设计主要包括：启动程序、调速程序和各类保护程序。（1）启动程序设计为了使输送机的启动过程更加平稳顺滑，采取“S”型曲线去启动变频器，“S”型曲线启动第二章第二节已做过介绍。在刚启动时，频率信号缓慢增加，10s后进入加速阶段，当带速大于或等于设定的带速时，开始进入恒速运行阶段，并输出皮带转速信号以完成启动。图18输送机启动程序设计流程图（2）调速程序设计在煤矿的实际生产过程中，煤流量是不断发生变化的。如果控制器设计的太灵敏，则会导致皮带速度随煤流量改变而不断变化，从而难以稳定的运行。因此为了避免这种现象，可将煤流量划分为各个区间，在某一区间内可以维持某一速度运行。煤流量区间划分如[Q0,Q1]、[Q1,Q2]、[Q2,Q3]……[Qn-1,Qn]，在每一个区间上对应一个带速v0、v1、v2……vn-1。但是当煤流量从这个区间变化到另一个区间时，就需进行煤流量的判断。假设3s后煤流量大于此区间的极值，则记为有效值需跳变到下一区间，其带速也应改变；若3s后又回到此区间，则记为外界的干扰无效值，皮带仍维持原速运行，以此来达到节能优化的目的。但是当煤流量超过输送机的额定容量时，控制系统将发出报警信号并立即停车。图19输送机调速程序设计流程图（3）各类保护程序设计根据《煤矿带式输送机安全规定》的要求，必须配有各类保护传感器，以确保输送机的安全平稳运行。其中包括防堆煤、防烟雾、防撕裂、防跑偏、防打滑、拉绳保护和温度保护。在输送机运行过程中，当PLC检测到保护类信号时，则需发出警报并且立即停车，以确保输送机安全平稳运行。图20输送机各类保护程序设计流程图4.2.2上位机软件设计1.上位机概述及软件设计所谓上位机就是为下位机提供人机界面接口并向下位机下发命令的计算机，常用的是PC机或者具有图形界面的其他类计算机。它能动态显示出控制系统各个运行参数，比如温度、压力、液位、各种故障、电机运行的状态等等。并且具有强大的通讯能力，能实现管理系统与控制现场之间的通讯链接，就能对整个控制网络的远程控制和生产的每个环节实时监控。提高了各个生产设备之间的交互性，降低了工作人员的劳动强度，提到了企业的生产效率，保证了工作人员的生命财产安全。在此控制系统中，使用西门子WinCC7.3组态软件进行上位机设计。WinCC（视窗控制中心）是西门子研发的强大的监测控制和数据采集系统。它集成了图形编辑器、报警记录、报表编辑器、归档脚本等部件，可以和数据库进行连接，功能齐全、使用方便灵活，用来模拟、监控工业生产现场环境，完成数据的存储归档等。并且WinCC组态软件自带有S7-1200PLC的通信驱动程序，具有强大网络管理能力，高性能的可视化界面和企业级数据归档系统。上位机通过工业以太网和PLC控制器建立通讯，由上位机发出控制指令，来实现对带式输送机的远程控制；它还可以监视带式输送机的整个运行状态及各种参数的变化；并且在发生故障或意外情况下，能够及时发出警报。这些信息都可以通过可视化界面显示在控制屏幕上，供操作人员查看、管理。上位机的软件设计主要由三大部分所组成：系统总体管理、监控界面和数据管理。其结构图如下所示：图21上位机软件设计结构图2.实现的功能=1\*GB3①可视化监控界面通过上位机界面组态和相关辅助软件的设计，可以实现带式输送机控制系统的可视化监控，输送机的运行状况和每个生产环节的相关量参数，可以通过图形化界面和数据显示更直观的动态显示出来，以此来了解带式输送机的运行状态。=2\*GB3②数据的归档将采集的数据用数据库进行处理、编译，并且分为各类进行保存，数据归档后可通过报表、趋势曲线来输出数据，供人查看。=3\*GB3③报警系统管理根据《煤矿用带式输送机安全规程》要求，必须配有各类保护传感器来确保输送机安