毕业设计（论文）-基于S7-1200 PLC的带式输送机控制系统设计

-PAGEII--PAGEI-摘要随着煤矿行业对生产效率、安全运行与智能管控的日益重视，传统人工控制的带式输送机系统逐渐暴露出响应滞后、协调性差、事故频发、管理成本高等一系列问题。为适应现代煤矿对输送设备在自动化、智能化方面的迫切需求，本文以西门子S7-1200系列PLC为核心控制器，设计并开发了一套基于PLC的带式输送机集中控制系统。该系统集成了软启动、智能调速、故障诊断、远程通信及人机交互等关键功能，具备高可靠性、高响应性与高扩展性，能够有效提升物料输送的稳定性与安全性，为煤矿井下物料运输的智能化升级提供了技术支撑。本设计在硬件选型方面，结合煤矿输送系统的实际需求，选用了西门子S7-1200PLC、MD200矢量变频器、KTP700触摸屏以及多种工业级传感器，构建起完整的控制与感知网络。同时采用PROFINET工业以太网技术和SCALANCE交换机，实现主站、上位机与分站之间的数据高速交互。软件编程方面，利用博途TIAPortal平台编写主控程序，涵盖顺序启停、故障联锁、状态监测等功能模块，并通过WinCC组态实现可视化监控界面。实验结果表明，该系统在提高煤矿带式输送机运行效率、降低能耗、减少人力干预方面效果显著，具有良好的应用推广价值。关键词：PLC控制；带式输送机；集中控制系统；变频器-PAGEIV-DesignofbeltconveyorcontrolsystembasedonPLCAbstractAsthecoalminingindustryplacesincreasingemphasisonproductionefficiency,safeoperation,andintelligentmanagement,traditionalmanuallycontrolledbeltconveyorsystemshavegraduallyrevealedaseriesofissuessuchasdelayedresponse,poorcoordination,frequentaccidents,andhighmanagementcosts.Tomeettheurgentneedsofmoderncoalminesforautomationandintelligenceinconveyingequipment,thispaperdesignsanddevelopsacentralizedcontrolsystemforbeltconveyorsbasedonSiemensS7-1200seriesPLCs.Thesystemintegrateskeyfunctionsincludingsoftstart,intelligentspeedcontrol,faultdiagnosis,remotecommunication,andhuman-machineinteraction,offeringhighreliability,responsiveness,andscalability.Iteffectivelyenhancesthestabilityandsafetyofmaterialconveyance,providingtechnicalsupportfortheintelligentupgradeofmaterialtransportationinundergroundcoalmines.Thisdesign,intermsofhardwareselection,combinestheactualneedsofcoalmineconveyingsystems,optingforSiemensS7-1200PLC,MD200vectorfrequencyconverter,KTP700touchscreen,andvariousindustrial-gradesensorstobuildacompletecontrolandperceptionnetwork.ItalsoemploysPROFINETindustrialEthernettechnologyandSCALANCEswitchestoachievehigh-speeddatainteractionbetweenthemainstation,upper-levelcomputer,andsub-stations.Insoftwareprogramming,themaincontrolprogramiswrittenusingtheBTRTIAPortalplatform,coveringfunctionssuchassequentialstart-stop,faultinterlock,andstatusmonitoring,withavisualmonitoringinterfaceachievedthroughWinCCconfiguration.Experimentalresultsshowthatthissystemsignificantlyimprovestheoperationalefficiencyofcoalminebeltconveyors,reducesenergyconsumption,andminimizeshumanintervention,demonstratingexcellentapplicationandpromotionvalue.KeyWords：PLCcontrol;beltconveyor;centralizedcontrolsystem;frequencyconverter目录32724摘要 I11350Abstract II154351绪论 179801.1研究背景 112121.2选题意义 156671.3国内外研究现状 255331.3.1国外研究现状 2200481.3.2国内研究现状 3184921.4研究内容 4210172带式输送机控制系统总体设计 6252352.1煤矿井下输送机系统构成 6102812.2带式输送机系统控制方案 7119763基于PLC的带式输送机控制系统硬件设计 1180513.1PLC选型 11245243.2电动机的选型 13184043.3传感器选型 14132233.3.1温度传感器 14260873.3.2烟雾感应器 1524273.3.3撕破感应器 16243133.3.4跑偏感应器 1641593.3.5测速传感器 17204383.3.6拉线开关 1773673.3.7煤堆防护感应器 18166433.4变频器选型 18267713.5触摸屏选型 21217033.6主网设备的选择 21185463.7上位设备的选择 22250393.8主电器原理图 2384584系统软件设计 24184514.1编程软件概况 24206654.2主程序设计 24311554.3梯形图设计 25167545组态界面设计 36163535.1WinCC简介 36108765.2HMI项目创建 36174415.3HMI设备配置 3723725.4上位机与PLC通讯设置 37267095.5组态界面 3820895结论 413195参考文献 426442附录 435893致谢 44PAGE2–PAGE15–1绪论1.1研究背景在科技迅猛发展和工业化步伐加快的背景下，煤矿行业展现出强劲的增长势头，生产规模不断扩大，产能稳步提升。在矿井煤炭生产过程中，输送机的运行表现对矿井的生产效益和安全性具有决定性作用。由于井下环境恶劣且受地理位置、传输距离和传输量等多重因素限制，通常需要配置多个输送设备，形成完整的输送系统以完成物料传输任务。传统的带式输送机主要依赖现场工作人员的手动操作与控制，这种方法存在诸多不足。例如，信号传输偏差常导致操作失误，可能引发生产事故；手动启停设备难以精确协调各输送机的启停顺序和时间间隔，可能导致物料溢堵，严重影响矿井正常生产；此外，每条带式输送机都需要专职操作人员，这大幅增加了劳动力需求，导致人工成本显著上升。随着社会对自动化需求的持续增长，集散控制技术已广泛应用于煤矿皮带运输系统中。本研究聚焦于煤矿井下带式输送机传统人工控制方法的问题，并利用PLC技术对其电气控制系统进行了集中与分散控制的改进。通过此次改进，输送机能够自动按顺序启动和停止，确保其稳定可靠运行。这不仅显著减少了现场操作人员数量，降低了人工成本，还有效提升了煤矿生产效率，推动了煤矿产业向智能化方向升级。1.2选题意义在过去的几年中，煤炭行业经历了持续的技术革新，新技术、新设备和新工艺不断涌现。工业自动化的发展已经超越了传统的手工操作模式，正朝着连续化生产工艺的方向迈进。随着这一发展阶段的推进，对生产的安全性和稳定性要求愈发严格，同时对系统控制能力和自动化水平的期望也不断提升。带式输送机的保护设备逐渐完善，监测系统的应用也日益普及。可编程控制器（PLC）作为自动控制领域的核心设备，以计算机技术为基础，具有极高的通用性。该技术已被广泛应用于多个行业，并逐步取代传统的“继电器-接触器”控制模式，极大地简化了设备之间的联锁控制流程。如果将PLC应用于煤矿井下的带式输送机控制系统，不仅可以显著提高控制系统的稳定性，减少事故发生率，还能减轻维护负担、降低人工成本并减轻员工的工作强度。此外，它还能够显著提升矿井运输系统的自动化程度，为数字化矿山建设做出贡献，带来显著的经济和社会效益，具有明显的优势。具体而言：（1）PLC具备丰富多样的I/O接口选项。由于带式输送机只是煤炭生产过程自动控制系统的一部分，为了完成整个生产过程的控制任务，需要与现场其他设备连接。因此，PLC不仅需要具备基础功能如CPU和存储器，还必须配备足够的I/O接口模块，以便与现场的各种器件或设备（如按钮、行程开关、传感器等）建立连接。某些PLC还配备了通讯模块和特定功能模块。（2）PLC采用模块化设计方式。为了更好地满足工业生产控制需求，许多PLC采用了模块化设计，并通过支架和电线将模块连接在一起。（3）PLC具有高度的适应性。使用PLC时，电气工程师无需为每套设备配置专用硬件，只需编写不同的应用程序即可实现控制任务。此外，单一PLC可同时控制和操作多种不同类型的设备。（4）PLC支持模拟调试过程。PLC能够在实验室环境中对其控制功能进行仿真测试，从而缩短生产现场的调试周期。1.3国内外研究现状1.3.1国外研究现状随着现代工业技术的迅猛发展，传统的生产线输送机已无法满足各行业对高效运输的需求。当前，生产线上的输送机正经历快速发展的阶段，其传输能力可达数千米，最大传输速度甚至可达到数万吨/小时，而输送机本身的运行速度可高达8米/秒。西班牙西撒哈拉的输送机生产线是该领域的标志性案例之一。自1972年起，该输送机被广泛应用于工业生产中，用于将布克拉岩石区的磷灰石矿石从露天矿井运输至艾尔阿雍港口，每月运输量高达96万吨。该运输路线由11条长度介于6.9公里至11.8公里之间、宽度为1000毫米、速度为4.5米/秒的输送带组成。为确保输送带在运输过程中的安全性，并解决现有技术在纵向撕裂检测方面的不足，研究人员建议采用多光谱可视化方法精确识别输送带的纵向撕裂情况。实验验证表明，该技术不仅能精确检测输送带上的纵向裂痕，还能评估其断裂状况，其准确性分别高达90.06%和92.04%，显示出极高的实时处理能力和稳定性。MBajda深入研究了与磨损相关的多种问题，例如穿孔和纵向切割方式。研究发现，在未进行维护的情况下，输送带的运行周期与其停工时长密切相关，这对提升其使用过程中的安全性至关重要。弗罗茨瓦夫工艺研究所开发的试验设备和检测手段能够有效评估输送机的能源效率及其在磨损失效时的抗磨损性能。Fries对生产线上输送机的驱动滚轮进行了详尽研究，并指出其磨损和损害显著削弱了设备的整体表现，因此建议停止使用。此外，设备在启动过程中尺寸的变化以及输送机与传动滚轮之间的速度差异可能引发滑移现象，因此寻找有效的滑移避免策略对于生产线上输送机的启动控制显得尤为重要。随着时间的推移，生产线上的输送机种类逐渐增多，涵盖了管状皮带、U型皮带、大倾角皮带以及平面转角皮带等多种类型。这些新型输送机的设计目标是满足高效率和高产出的需求，并在关键性能指标方面寻求进一步优化。与此同时，这类机械正逐步向智能化和自动化方向发展，这有助于减少对人力资源的依赖，并确保操作流程高效进行。为了更好地适应不断变化的工作环境，大多数运输机械都配备了可调整的运行方向和电机功率平衡功能，以确保它们能够适应各种应用场景并保持稳定运行状态。未来的发展方向将聚焦于采用创新、高度稳定且使用寿命更长的部件技术，以进一步提升输送机系统的整体性能和可靠性。1.3.2国内研究现状我国生产线输送机设计方法自解放初期以来经历了显著变革，目前已具备自主研发适应多种环境设备的能力。例如，在矿井等特殊环境下，高功率和远程操作能力的生产线输送机已广泛应用，能够独立设计长距离、大倾角输送机，并展现高效性能，如可伸缩输送机等。孙贵生深入探讨了皮带机的核心工艺参数与设备选择，提出了一种合理的皮带选择策略，明确了关键工艺参数，并强调了使用过程中需特别注意的核心问题，以确保产品安全性和经济效益。刘利云及其团队针对井下胶带输送机驱动辊的实际使用进行了优化研究，认为在高摩擦和高压力环境中，驱动辊的基本设计参数尤为重要。他们根据具体需求调整了转盘支点位置、壳体厚度及轴体直径等关键参数，以提高传动效率并保证设备稳定运行。张梦超团队通过有限元模拟和数值模拟等技术手段，成功实现了技术标准化和优化目标。朱增宝团队利用SolidWorks公司提供的3DCAD工具创建了适合外部组装的电动滚柱3D模型，并通过有限元软件对其进行了模态分析，确定了固有频率和振动模式。研究表明，随着振动频率升高，圆柱体主要表现为弯曲形态，并在中心区域出现明显形变。这一研究成果为外接式电动滚柱的结构设计提供了理论依据。在新型生产线输送机研发阶段，软启动器、输送机制动器和PLC自动化控制设备等多种技术相继出现。传统传输系统主要控制流体偶合器转速等关键参数，而现代系统则更多集中于这些参数的控制。尽管我国皮带运输产业近年来取得显著进步，但与国际先进标准相比仍存在较大差距。在输送能力、速度、覆盖范围、操作方式以及各组成部分的稳定性、使用寿命和自动化控制技术等方面，仍需进一步科学研究和技术完善。随着生产线输送机技术的不断进步，产品质量也需要持续优化和更新。在此过程中，应积极吸收国外先进技术，不断进行技术革新，提升我国能力，确保生产线输送机技术更快对接国际标准。1.4研究内容本课题围绕煤矿井下带式输送机系统的自动化、智能化改造目标，设计并实现了一个完整的基于PLC控制的集中控制系统。主要研究内容包括以下三方面：（1）系统结构设计与硬件选型对煤矿输送工艺流程及设备布局进行分析，构建以“主站系统—上位机监控系统—分站系统”为核心的三层结构控制架构。选用西门子S7-1200系列PLC作为核心控制器，配置MD200变频器、KTP700触摸屏、SCALANCE工业交换机及多种工业传感器，完成系统硬件选型与集成设计，确保系统具备高可靠性、可扩展性与环境适应性。（2）控制程序开发与通信网络构建采用博途TIAPortal平台进行PLC逻辑编程，开发顺序启停、智能调速、软启动、故障处理、紧急停机等功能模块，并实现集中控制、就地控制与检修控制三种模式自由切换。通过PROFINET工业以太网与SCALANCE交换机构建高速通信网络，确保主站与各分控单元间数据实时交互，提高系统运行效率与稳定性。（3）上位机监控系统组态与安全策略设计基于WinCC与ForceControl平台进行上位机监控系统开发，实现系统可视化界面设计、状态实时显示、历史数据记录、报警提示与权限管理等功能。系统引入多种传感器构建安全监测机制，对温度、烟雾、撕裂、跑偏、堆煤等状态进行实时监控，并在异常时触发声光报警与自动停机，增强系统整体安全防护能力。

2带式输送机控制系统总体设计2.1煤矿井下输送机系统构成煤矿输送机系统在煤矿生产活动中具有关键作用，其主要职责是将煤炭及其他物料从矿区运输至处理或储存地点。根据不同的使用环境和需求，煤矿输送机系统可分为井下输送和地面输送两大类，每种系统均具备独特的构造和功能特性。井下带式输送机系统通常由输送带、传动滚筒、尾部滚筒以及上下托辊等部件组成，这些组件共同构成了一个封闭的循环传输系统。在机架上，传动滚筒、改向滚筒及托辊被精确安装，以确保输送过程的稳定性和效率。在操作过程中，物料通过导料槽进入输送机，驱动装置中的传动滚筒旋转，利用摩擦力将物料连续且安全地输送到指定位置。当需要卸载时，可安装专用卸料装置进行操作，但根据实际需求，也可选择不安装该装置。1.传动滚筒2.安全保护装置3.承载托辊4-输送带5.缓冲托辊6.导料槽7.改向滚筒8.螺旋拉紧装置9.尾架10.空段清扫器11.回程托辊12.中间架13.头部漏千14.头架15.头部清扫器16-电动机17.液力藕合器18.制动器19.减速器20.联轴器图2.1带式输送机整机结构（1）输送带作为带式输送机的核心部件，由带芯、上下覆盖胶和边胶三部分组成。其中，带芯是输送带的骨架，主要承担牵引力传递和物料承载的功能。覆盖胶直接与物料接触，起到支撑物料并确保其在传输过程中稳定和安全的作用。下覆盖胶与传动滚筒外侧紧密结合，通过摩擦力驱动输送带向前移动，实现物料的连续输送。边胶则主要保护带芯并减少磨损。（2）托辊组位于输送带下方，其主要功能是支撑输送带及其所承载的物料。托辊与输送带之间的移动依靠滚动摩擦实现，其性能优劣直接影响整个输送机系统的运行效率。值得注意的是，输送带的主要阻力来源于工作时的摩擦阻力和挤压力。（3）滚筒在带式输送机系统中具有重要作用，分为传动滚筒和改向滚筒两类。传动滚筒负责传递动力，确保输送带正常运转；改向滚筒则调整输送带的方向，形成封闭循环系统。在特定情况下，改向滚筒与传动滚筒可配合使用，以增大输送带在传动滚筒上的包围角，从而提高传动效率。（4）驱动装置是带式输送机的主要动力来源，通常由电动机、联轴器、减速器、液力耦合器等关键组件构成。根据输送机规模的不同，小型设备一般采用单驱动单元，而大型设备则倾向于使用双驱动或多驱动单元配置，以满足更高的动力需求。（5）机架是带式输送机的核心结构，不仅支撑整个设备，还确保各部分及物料的稳定运行。机架主要由钢架构成，并通过焊接槽钢、角钢、方钢和钢板等多种材料制成，以保证整体结构的稳固性和承重能力。（6）张紧装置在带式输送机中至关重要，其作用是为输送带提供所需的初始张力，确保输送带与传动滚筒紧密接触，避免滑动现象的发生。此外，张紧装置还能补偿输送带在运行过程中可能出现的伸长和变形。（7）辅助设备在带式输送机系统中发挥不可替代的作用。例如，导料槽由前、中、后三部分组成，其核心作用是确保物料精确落入输送带中心，防止装料时散落。清扫器通常设置在卸料点的返回分支，用于清理输送带上的残余物料，确保输送流程的清洁与高效。2.2带式输送机系统控制方案在现代煤矿生产过程中，带式输送机作为物料输送的核心设备，其运行的稳定性与智能化水平直接关系到整个生产系统的效率与安全性。传统的输送机控制系统多采用简单的PLC控制方式，控制功能单一、自动化程度不高，难以满足当前煤矿对高效、智能、安全生产的需求。为解决这一问题，本文结合火电厂皮带输送机系统控制方案的设计思路，提出了一种基于PLC控制器与变频器相结合的带式输送机集中控制系统，系统集成了软启动技术、智能调速功能、实时监控与远程通信等模块，能够有效提升输送系统的自动化水平和运行稳定性，极大减少设备故障率与运行维护成本。基于PLC的带式输送机控制系统采用三级架构设计，系统具体组成见图2.2。三级系统分别为主站系统、上位机监控系统与分站系统。其中主站系统位于煤矿调度中心，承担整个输送系统的运行调度与数据管理功能；上位机监控系统则作为中间桥梁，连接主站与分站系统，负责各类设备运行状态的可视化展示、历史数据记录、报警信息处理等功能；分站系统则布设在输送现场，以PLC控制器为核心，配合现场传感器、变频器、电机驱动电路等，实现对各类输送设备的精确控制与实时状态采集。在电机控制方面，系统创新性地摒弃了传统的直接启动方式，转而采用软启动技术。传统的电机直接启动会产生巨大的涌流电流，不仅对电机本体造成严重冲击，还可能引发电网电压波动，干扰其他设备的正常运行。而软启动技术则通过变频器平缓地提升电机供电电压，使电机转速逐步上升，有效降低了启动电流冲击，就如同为电机启动加上了一层“缓冲垫”，不仅延长了电机的使用寿命，也大大减少了设备的维护成本与停机风险。在实际应用中，软启动还能实现多段速控制，有效配合现场输送需求，提升系统运行的柔性与适应性。为了实现对整个输送系统的全面掌控，本系统特别加强了通信网络的构建。通过引入工业以太网与现场总线（如PROFIBUS-DP）技术，系统实现了从驱动装置到传感器节点的全方位数据采集与传输。所有传感器采集的数据——包括输送带速度、温度、位置偏移、烟雾浓度、煤堆状态、撕裂检测等——均通过四路检测电路实时传入PLC控制器，PLC在对数据进行逻辑判断与处理后，将结果上传至上位机系统，并同步反馈控制指令至各执行器。整个通信过程高效、稳定，实现了“千里眼”与“顺风耳”的功能，使操作人员在控制室即可全面掌握设备运行状态。一旦出现设备故障或异常，例如输送带跑偏、烟雾报警，系统会立即触发声光报警装置，并启动应急停机程序，极大提升了系统的安全性与响应速度。图2.2系统总体方案系统的另一个核心优势在于智能调速功能的实现。通过PLC与变频器的密切配合，系统能够根据输送带的负载情况、物料输送量、设备工艺流程要求等动态参数，自动调节电机输出频率，从而实现输送带运行速度的智能调控。在物料输送量较少时，系统会自动降低输送速度，以节约能源；当输送量增大时，系统则迅速提升运行速度，以满足生产节拍。这种按需调速的运行方式不仅大幅提升了能源利用效率，还有效避免了因输送速度不匹配而导致的物料堆积、堵塞或磨损等问题，优化了整个煤炭输送流程。此外，系统还具备良好的扩展性与易操作性。各类输入控制单元如手动启动按钮、自动启停控制、拉绳急停开关等均可灵活配置，方便现场操作人员进行本地操作与设备调试。PLC控制器支持多种通信协议，便于后期增加新设备或升级控制策略。上位机系统则采用图形化人机界面设计，可实时显示各段输送机的运行状态、电机电流、电压、频率等关键数据，同时支持历史数据回溯与导出，便于运维人员进行趋势分析与故障追踪。在系统安全性方面，控制系统引入了多重保护机制。一方面，通过PLC对各类传感器数据进行实时监控，并设定多级报警阈值，实现提前预警；另一方面，通过电源模块与执行装置联动控制，一旦检测到重大故障（如煤堆起火、皮带撕裂等），系统会自动切断电源、停止设备运行，并启动声光报警提示，确保人员与设备安全。

3基于PLC的带式输送机控制系统硬件设计3.1PLC选型在选择PLC型号的过程中，对多个备选方案进行了详细对比分析，包括施耐德M241系列和三菱FX3U系列。施耐德M241系列以其开放的编程环境和卓越的网络通信能力而受到广泛认可，特别适合需要复杂控制逻辑和多样化通信协议的应用场景；然而，三菱FX3U系列在响应速度和处理性能方面表现优异，但其扩展能力相对较弱。为了满足输送机控制系统特定的需求，本课题选用了西门子S7-1200系列PLC作为核心控制器。西门子S7-1200系列PLC不仅功能全面，配置灵活，而且性能卓越。该系列PLC具有高度紧凑的设计，将电源、微处理器及输入输出电路集成于一个小型机箱中，从而构建了一个功能强大的PLC系统。此外，S7-1200系列PLC支持多种信号模块和信号板，并允许CPU扩展以及额外通信模块的安装，以适应RS232、RS485等其他通信协议。S7-1200PLCCPU支持在信号板上添加I/O模块，并可在CPU前方安装信号板。同时，其左侧和右侧分别连接数字或模拟I/O、信号单元以及通信单元。关于S7-1200PLC的实体图片，请参考图3.1。图3.1西门子S7-1200实物图输送机控制系统PLC接线图见图3.2。图3.2PLC接线图该输送机控制系统所设计的输入输出分配表包括了对整个输送机系统的全方位控制和监控功能。输入部分含有用于控制系统启动和停止的启动按钮；入料感应器被布置在多个不同的区域，以实时监控物料是否已经进入到相应的输送机中，从而为后续电机的启动和停止操作提供科学依据；撕裂感应器与跑偏感应器各自负责监控输送机是否出现撕裂或偏离轨迹的情况，以便能够迅速地采取相应的应对措施；紧急停机按钮能在紧急状况发生时迅速暂停系统的运作，以确保操作的安全性；复位按钮的主要功能是在故障得到解决后，帮助系统恢复到正常工作状态；烟雾和温度感应器的主要职责是监控环境中烟雾的浓度和温度波动，以预防可能出现的火灾和其他安全风险。在输出方面，多个皮带电机的控制输出分别对应不同的输送机段，根据入料感应器的信号，依次启动或停止相应的电机，从而实现物料的有序传输；运行指示的输出功能是为了展示系统的当前运行状况，从而使操作人员能够更直观地理解。从总体上看，这个分配表对输入和输出进行了合理的规划，确保了输送机系统能够高效、稳定和安全地运作。表3.1I/O分配表项目编号项目名称输入注释输出注释I0.0启动按钮Q0.01A皮带电机I0.1停止按钮Q0.11B皮带电机I0.21A入料感应器Q0.22A皮带电机I0.31B入料感应器Q0.32B皮带电机I0.42A入料感应器Q0.43A皮带电机I0.52B入料感应器Q0.53B皮带电机I0.63A入料感应器Q0.64A皮带电机I0.73B入料感应器Q0.74B皮带电机I1.04A入料感应器Q1.0运行指示I1.14B入料感应器Q1.1I1.2撕破感应器I1.3跑偏感应器I1.4急停按钮I1.5复位按钮IAW96烟雾感应器IAW98温度感应器3.2电动机的选型在综合考虑输送方法的基础上，根据输送机的长度、倾角以及煤炭运输量，并参照电动机选型指南，对不同输送方式进行了全面评估与选择。对于1A和1B给煤机，其中1A皮带机负责煤炭的输送；而2A和2B给煤机中，1B皮带机则承担煤炭输送任务。这些设备所使用的电动机型号为Y100L2-4，其额定功率为3kW。此外，1A、1B皮带机的倾斜角度为α=0°，长度为L=35m，其配套电机型号为Y132M-4，额定功率为7.5kW；2A、2B皮带机的倾斜角度范围为α=0°~17°，长度为L=127m，选用的电动机型号为Y225M-4，额定功率为45kW；3A、3B皮带机的倾斜角度范围同样为α=0°至17°，长度为L=180m，选用的电动机型号为Y280S-4，额定功率为75kW；4A、4B皮带机的倾斜角度为α=0°，长度为L=65m，配套电机型号为Y200L-4，额定功率为30kW。在输煤皮带机的双路配置中，1A、1B、2A、2B、3A、3B皮带机的头部均配备了叉溜槽，并通过电动三通挡板调整煤流方向。其中，电机型号为Y90S-4，额定功率为1.1kW；在2A和2B皮带机的头部，各安装了一台永磁带式除铁器，其配套电动机型号为Y100L1-4，额定功率为2.2kW。经过除铁处理后的原煤被送入筛煤机进行筛选，较大块的煤则进入破碎机。筛煤机所用电机型号为Y180L-4，额定功率为22kW；破碎机所用电机型号为Y315S-4，额定功率为110kW。在本输煤系统中，配煤环节共使用了16台犁煤器，以满足8个煤仓的配煤需求。这些设备的规格尺寸适合于带宽B=800mm的皮带机，配套电机型号为Y90L-4，额定功率为1.5kW。所有电机均配备380V的标准工作电压，标准频率为50Hz，并具有B级绝缘等级。在功率小于5kW的情况下采用Y型连接方式，在功率大于5kW的情况下则选择△型连接方式。表3.2详细列出了每台电动机的型号、数量及其主要性能参数。表3.2各电动机型号参数电机型号额定功率（kW）额定电流（A）额定转速（r/min）效率（%）功率因数Y100L2-436.8143082.50.81Y132M-47.515.4144087.00.85Y225M-44584.2148092.30.88Y280S-475140148092.70.88Y200L-43056.8147092.20.87Y100L1-42.25143081.00.82Y180L-42242.5147091.50.86Y315S-4110201148093.50.89Y90S-41.12.7140078.00.78Y90L-41.53.7140079.00.793.3传感器选型3.3.1温度传感器热电式传感器是一种将温度变化转换为电量变化的装置，其工作原理基于材料或元件的电磁参数随温度变化的特性。在众多热电式传感器技术中，将温度转化为电势和电阻值的方法最为普遍。其中，热电偶和热电阻是两种最常见的技术。热电偶通过将温度转换为电势实现测量，而热电阻则利用导体或半导体的电阻随温度变化的特性进行测量。这两种传感器在工业领域得到了广泛应用。鉴于输送机控制系统需要将温度转换为电流信号，因此选择了PT100铂热电阻传感器。该传感器的阻值会随着温度的变化而改变，其测量范围为-20°C至500°C，最大允许电流为5mA，供电电压范围为14-34VDC，额定电压为24VDC。关于传感器的实物图片，请参考文献中的图3.3。图3.3PT100铂热电阻实物图3.3.2烟雾感应器在基于PLC的输送机控制系统设计中，烟雾传感器是确保系统安全的关键设备之一。输送机运行环境复杂，存在物料粉尘累积和通风不良等问题，这些因素显著增加了火灾风险。为了实现火灾的早期预警，最终选用SD119系列光电烟雾探测器作为烟雾传感器。该探测器是一种光电式传感器，对慢燃型火灾产生的大颗粒烟雾具有高度敏感性，这正是输送机环境中火灾的显著特征。此外，其光电设计能够有效抵抗粉尘干扰，在高粉尘环境中提供可靠的监测效果。SD119系列光电烟雾探测器支持9-35VDC供电电压范围，与西门子S7-1200PLC完全兼容。其报警输出采用继电器形式，可直接连接至PLC系统，无需额外接口转换设备。这一设计不仅加快了报警信号的传播速度，还简化了系统架构并提升了整体稳定性。从灵敏度来看，SD119满足EN54-7标准，并能准确响应火灾早期迹象。同时，该设备的工作温度范围为-10°C至+50°C，完全覆盖了输送机运行过程中可能出现的温度变化，确保传感器在各种环境下均能稳定工作。图3.4SD119系列光电烟雾探测器实物图3.3.3撕破感应器为了实现生产线输送机的撕裂检测功能，选用GVD1200撕裂传感器作为检测设备，其具体实物图可参考图3.5。在正常运行状态下，该传感器的信号端与PLC输入回路连接，且传感器处于未激活状态。当输送机发生撕裂时，传感器被触发并发送信号至PLC，从而迅速停止控制系统运行，以避免运输过程中的意外事故。在与PLC连接时，需将传感器接入数字量DI端口。图3.5GVD1200撕裂传感器3.3.4跑偏感应器该输送机的控制系统采用了GEJ30型跑偏感应器，其主要功能是精确检测和保护皮带跑偏现象。该感应器需安装于输送机两侧，并确保牢固固定，以保证补偿杆始终处于可接受范围内。在正常运行状态下，探杆不会与偏离轨道的组件接触，也不会产生感应信号。当皮带发生偏移时，探杆会倾斜至特定角度，触发电感输出功能，向系统发送停止指令。此外，在与PLC连接时，感应器需接入数字量DI端口，以实现信号的有效传输。图3.6GEJ30型跑偏感应器3.3.5测速传感器该测速感应器系统采用了GSH5型号的转速传感器，用于监测皮带输送机的运行速度，以防止因打滑、失速或超速等问题导致设备损坏。在皮带机运行过程中，若检测到一段时间内的转速异常，系统将触发故障警告信号。该传感器输出开关量信号，当检测到滑动现象时，会将警告信号传递至PLC，并通过PLC连接DI接口进行处理。图3.7GSH5测数传感器3.3.6拉线开关SPS-2D型拉绳开关是一种用于紧急停机的双向触动装置，其工作原理是通过拉动钢丝绳触发开关臂杆转动，进而驱动微动开关动作并锁定，直到人工复位为止。该设备广泛应用于输送机系统中，如煤炭、冶金、电力等行业，用于紧急情况下快速停止设备运行，以保障人员和设备的安全。当输送机发生故障或紧急情况时，现场工作人员可通过拉动拉绳触发开关动作，使输送机停止运行，并发出报警信号。此时，需要手动复位开关臂杆至初始位置，才能重新启动设备。在与PLC控制系统连接时，拉绳开关需接入DI接口，以便将紧急停止信号传输至控制中心。此外，拉绳开关还支持ModbusRTU协议，可实现远程监控和状态扫描。图3.8SPS-2D型拉绳开关3.3.7煤堆防护感应器GUJ35型煤粉传感器被选用于监控和保护输送过程中的堆煤现象。在煤层未发生堵塞的情况下，该传感器的输出信号不会干扰PLC的操作。当出现堵煤情况时，传感器能够正常工作并输出数据，随后将这些数据传输至PLC进行延时控制，从而实现对煤堆的保护。在传感器与PLC连接的过程中，DI数字信号的输入端与堆煤保护传感器电路的连接方式如图3.9所示。图3.9GUJ35型煤粉传感器3.4变频器选型随着数控伺服系统在工业设备中的广泛应用，人们对其可靠性、性价比以及适应多种机器的能力需求日益增长。伺服电机驱动器和运动控制模块的研发已由专业制造商完成。在实际工程应用中，通常采用“PLCCPU+运动控制单元”的组合来实现对伺服电机的控制，而本输送机控制系统则采用脉冲控制作为其控制方式。脉冲控制涉及运动控制器向伺服驱动器发送脉冲序列，即通过脉冲的频率和数量来决定伺服电机的转速和转动量，从而指导执行机构根据PLC指令进行相应操作。然而，由于脉冲控制技术的应用，伺服电机在性能方面存在一定的局限性。例如，在脉冲模式下运行时，伺服驱动器仅能实现位置控制模式，这限制了其灵活性。因此，如何选择合适的脉冲大小以实现PLC与伺服驱动器之间的通信，成为亟待解决的问题。由于这些根本性缺陷，脉冲控制方式对伺服电机的控制受到较大制约，同时显著降低了系统的灵活性。脉冲信号具有正向与负向两种模式，其中正向逻辑信号是在脉冲信号从低电平切换到高电平时被激活；而负向逻辑信号则是在高电平信号转化为低电平时触发信号输入到驱动器中。（a）负逻辑脉冲信号（b）正逻辑脉冲信号图3.10脉冲信号图如图3.11所示，PLC通过发送一系列脉冲信号，利用精确控制脉冲的数量，实现了对伺服电机角度位移的精准定位。此外，通过调整脉冲的频率，可以实现对电动机旋转速度和加速度的调节，从而达到调整电动机转速的目的。当伺服电机的位置发生变化时，其自身能够产生反馈脉冲，并通过相应的脉冲数量和频率将旋转的角度或移动的距离反馈给系统，从而构建一个完整的闭环控制系统。图3.11PLC利用脉冲控制伺服示意图变频器是一种用于电气控制的设备，其核心功能是通过功率半导体元件的开关作用，将工频电源（50赫兹或60赫兹）转换为不同频率的交流电源，从而实现电动机的变速运行。其工作原理包括整流、滤波和逆变三个主要过程：首先，整流电路将交流电转换为直流电；然后，中间电路对整流后的直流电进行平滑处理；最后，逆变器将直流电转换为可调频率和电压的交流电，以驱动电动机。变频器的主电路由控制电路指挥，控制电路负责接收输入信号并输出控制指令，以调节变频器的工作状态。整流电路的作用是将交流电源转换为直流电源，中间电路则对整流后的电压进行滤波和平滑处理，而逆变器则将直流电逆变为交流电，以满足电动机运行的需求。此外，变频器还配备多种保护机制，如过流、过压和过载保护，以确保系统的稳定性和安全性。MD200型变频器作为带式输送机控制系统的核心部件，以其卓越的调速能力和强大的控制功能著称。它采用先进的矢量控制技术，能够在广泛的转速范围内实现高效和高转矩输出，从而提升整体输送系统的效率和稳定性。MD200变频器还支持多种通信接口，能够与PLC进行数据交换，实现智能控制和远程监控。MD200型变频器由控制单元、整流反馈单元、电机单元、传感器单元及编码单元组成，这些组件通过高效的互联和通信技术实现协同工作。MD200型变频器凭借其出色的性能和可靠性，特别适用于带式输送机的控制系统中。其直观的操作界面和丰富的保护功能为用户提供了便捷的操作体验，并显著延长了设备的使用寿命。如图3.12所示，为变频器控制回路的展示内容。图3.12变频器控制回路3.5触摸屏选型触摸屏作为一种新型的人机交互方式，具有良好的人机交互效果。在未来，这一技术必将在有关产品及行业中得到广泛的应用。它的本质是一个以触摸屏为主的传感器。当操作者触摸屏幕时，屏幕将接触讯号传递给控制装置，将接触讯号转换为接触坐标，并将该接触讯号转换为接点坐标，然后将该接点讯号传递给执行该操作的控制器。根据检测原理，触摸屏可以分为电阻型，电容型，红外型。本设计选用KTP700Basic触摸屏，实现屏幕显示、监测、数据采集、报警、通信等功能。图3.13KTP700Basic触摸屏3.6主网设备的选择为了实现主站系统（PC上位机）与PLC控制系统之间的高速、稳定通信，本系统主网通讯采用基于PROFINET协议的工业以太网架构。具体配置为：选用西门子PROFINET工业以太网通信模块作为PLC主站网络接口，并配套配置西门子SCALANCEX-300系列工业以太网交换机共两台，分别部署于主控室与关键分站节点之间，构建一套高带宽、低延迟的工业以太网主网通信系统。所选交换机支持10/100/1000Mbit/s自适应速率，具备VLAN划分、端口镜像、广播风暴抑制等功能，可有效提升网络的可用性和抗干扰能力。交换机之间通过光纤互联，速率可达1Gbit/s，形成高速传输通道，确保主站系统与PLC之间的数据采集、命令下发实现实时性与高稳定性。此外，交换机具备SNMP诊断功能与WEB诊断功能，便于系统管理人员进行远程网络维护与状态监测。通过PROFINET工业以太网的技术支持，集控系统实现了PLC主站与上位PC机之间的高速数据通讯，支持多任务并发与通讯链路冗余机制，有效保障了输送系统在恶劣工业环境下的持续稳定运行，满足煤矿智能化输送的应用需求。3.7上位设备的选择在本带式输送机集中控制系统中，上位设备主要由三台工业控制计算机（IPC）组成，部署在煤矿中央控制室，通过工业以太网与PLC主站实现高速通信。这些上位计算机负责对煤矿输送现场各段输送设备（如驱动电机、传感器、报警模块等）进行远程监控、指令下发、数据记录与系统管理，是系统运行信息的集成与展示平台。为了保障通信的可靠性与系统的可扩展性，输煤计算机所连接的网络设备采用与PLC主站相同的西门子SCALANCEX-300工业以太网交换机，通过光纤通信、电缆布线与各个分站形成完整的以太网络体系，支持异地部署与远程数据访问，构建了一个安全、冗余、可扩展的工业通讯平台。上位机所用计算机硬件配置满足高性能实时监控要求，每台工业PC均搭载WinCC组态监控软件作为SCADA平台，通过OPC接口与PLC实时通讯，实现对传感器数据、输送设备状态、报警信息等的动态监测与图形化展示。系统可设置权限分级，支持历史数据查询、趋势分析、故障追踪等高级功能。除WinCC外，系统还集成了力控ForceControl工业自动化监控软件作为辅助平台，支持多种工作模式切换（集中控制、单机就地、检修模式），并实现以下功能：（1）顺序启动/停止逻辑：根据“逆煤流启动、顺煤流停止”原则，自动控制各段输送机的启动顺序；（2）故障诊断与报警处理：实时监测来自PLC的传感器信号，故障时自动报警、停机，并在人机界面上显示故障类型与位置；（3）模式切换与权限控制：支持操作员、维修员、管理员三级权限分配，便于系统运行与维护管理。此外，系统支持远程访问与远程维护功能，技术人员可通过VPN或安全网络连接至上位机，对系统参数进行远程修改、程序升级与实时监控，极大提升了系统的维护效率与响应速度。3.8主电器原理图输送机控制系统的主电气原理图展示了系统的核心电气连接和关键组件，保障了输送机设备的稳定运行与安全控制。电源经航空插头接入后，通过导轨安装型熔断器座进行过载保护，再经2P断路器开关分配到各电路部分。电源旋转开关控制主电路的通断，交流接触器的主触头负责控制电机的启动和停止，其线圈控制电路经过辅助触头实现自锁功能。24V直流电源模块为控制系统提供稳定的低压电源，确保PLC和其他控制元件正常工作。此外，电路中设置了熔断器进行短路保护，断路器用于切断电路，接触器控制电机的主电路通断，继电器实现控制信号转换与传输。各组件通过合理线路布局连接，保障输送机电机的有序启动、停止和运行监控，实现高效的物料传输与设备的安全防护。图3.14主电气原理图

4系统软件设计4.1编程软件概况本系统采用博途编程软件进行软件设计，其是一款专业的PLC编程软件，由西门子公司开发。它是西门子SIMATIC系列软件的一部分，主要用于工业自动化控制领域，为用户提供了丰富的PLC编程功能和工具，方便用户进行PLC程序开发和调试。博途编程软件主要有以下特点和功能：（1）支持多种PLC型号：博途编程软件支持西门子公司生产的多种PLC型号，包括S7-200、S7-300、S7-400、S7-1200、S7-1500等多款PLC，同时还支持多种通讯接口，如Ethernet、Profibus、Profinet等。（2）强大的编程功能：博途编程软件提供了丰富的编程功能，包括Ladder、FBD、SCL等多种编程语言，且支持多种调试方式，如在线调试、离线调试等。（3）图形化界面：博途编程软件采用图形化界面设计，操作简单方便，同时提供了多种主题皮肤，用户可以根据自己的喜好进行选择。（4）大量的示例程序：博途编程软件内置大量的示例程序，方便用户对各种PLC编程语言进行学习和参考。（5）支持多国语言：博途编程软件支持多国语言，可以方便地切换成多种语言版本，以满足全球用户的需求。4.2主程序设计该输送机控制系统的主程序设计依托于博途编程软件，通过逻辑优化实现了对输送机系统的高效控制与实时监控。程序首先启动初始化阶段，确保系统参数与状态恢复至初始设定值，为后续操作提供坚实基础。随后，系统进入入料检测阶段，通过实时监测判断是否有物料进入输送机，并据此决定是否启动后续动作。当检测到物料进入时，系统依据预设的运行参数（如速度和给料量）执行相应的物料传输任务，以确保物料高效传送。在传输过程中，程序持续进行安全监测，通过传感器信号全面检查系统是否存在异常情况（如撕裂、跑偏、过热或烟雾等）。若系统处于安全状态，则继续正常运行；若检测到异常，则根据故障类型和严重程度迅速切换至紧急停止模式，中断物料传输并触发报警机制，以保障设备和人员的安全。整个主程序逻辑清晰、结构合理，从初始化到入料检测、再到运行指令执行及安全监控，各环节紧密衔接，不仅确保了输送机系统的高效运行，还能够及时应对潜在风险，展现了该控制系统在工业自动化领域的可靠性和实用性。图4.1主程序流程图4.3梯形图设计图4.2是输送机控制系统的调用程序，主要实现调用子程序的功能。程序中依次调用了两个子程序，分别对应不同的控制功能模块，用于实现输送机系统的各项操作和控制逻辑，确保系统按照预定的流程和要求运行。图4.2调用程序图4.3是该输送机控制系统的初始程序。软停止功能可在特定条件下使输送机停止运行，并复位相关自动运行状态；启动和停止操作可控制输送机自动运行，还能设置相关设备停止标志；故障报警功能通过各类感应器监测输送机断破、跑偏、温度和烟雾异常，触发报警保障安全；运行灯在自动运行且无故障时点亮，指示运行状态；初始数据程序则在首次扫描或满足软停止条件时，将特定存储位置数值设为0，初始化自动运行相关参数。图4.3初始程序图4.4实现输送机状态监测功能，将不同位置的断破、跑偏感应器信号进行逻辑整合，实时监测输送机是否出现断破或跑偏状况，并将信号传递给对应的总感应器信号，为故障判断提供依据。程序段7则是输送机启动相关功能，当输送机处于自动运行状态且满足特定条件时，通过数据传送指令，将数值10分别传送给与自动运行步骤相关的存储位置，初始化或更新自动运行的相关参数，为输送机按预定步骤启动和运行做准备。图4.4状态监测图4.5为该输送机控制系统启动程序，可对设备状态参数进行初始化，在满足自动运行条件时为运行步骤赋予初始值。还能在特定时机将与仓物料、仓和皮带状态相关存储位置归零。启动自检程序在自动运行且条件合适时触发，结合定时器和各类感应器信号，根据不同情况更新运行步骤数值，以此保障输送机启动安全准确。图4.5启动程序图4.6是该输送机控制系统自动运行程序，能在特定条件下实现物料输送，根据入料感应器信号及相关参数变化，更新仓物料移动和仓状态数据，并通过定时器和故障信号调整自动运行步骤；仓接受物料程序在相应条件下，重置仓物料移动数据，处理仓状态数据，根据仓状态和故障信号调整自动运行步骤；可实时监测输送机断破、跑偏状态，出现异常时更新皮带状态数据；当自动运行步骤满足特定数值时，执行软停止相关操作；在自动运行中，可控制多个皮带电机开启，实现输送机物料传输。图4.6自动运行程序图4.7该程序实现输送机温度和烟雾报警功能。在自动运行时，当实际温度达到或超过设定温度，触发温度超高故障报警；当实际烟雾浓度达到或超过设定烟雾浓度，触发烟雾超高故障报警，从而保障输送机运行安全，及时提示异常状况。图4.7报警程序

5组态界面设计5.1WinCC简介WinCC是一款功能强大的工业级HMI开发平台，主要服务于SIMATIC系列的工业人机界面终端和工业控制计算机系统。该系统拥有极为出色的异构系统集成本领，能够毫无压力地将各式各样的工业控制软件以及多种不同类别的工业控制设备融合在一起。如此一来，用户在使用时不仅能拥有便捷的操作感受，还能体验到丰富多样的交互界面。从系统核心架构来看，它把SCADA技术、组态技术、脚本语言技术还有OPC技术融合在了一起，这就有力保障了SIMATIC和各个PLC之间能够进行高效的通信，数据传输快速又稳定。在实际应用环节，考虑到实际的使用需要，特意选用了西门子的KTP700精密显示板。借助它所具备的复合画面组态框架，成功实现了人机交互界面的动态数据绑定，还能让工艺过程以可视化的形式呈现出来，方便操作人员实时监控和管理。系统的上位机配置是以PLC数据存储架构为基础搭建的，这样做的目的是保证HMI（也就是人机交互界面）和操作流程之间可以进行有效的信息交流，让操作指令能准确传达，设备运行状态也能及时反馈。针对本设计的实际需求，选择了西门子的KTP700高级显示屏，并利用WinCC的高级组态功能，开发了上位机的人机交互界面。该系统的上位机组态设计旨在通过PLC的内存实现HMI与工业过程之间的数据通讯，其中图5.1展示了系统组态的框架结构，I/O模块将过程值存储于PLC中，而HMI设备则通过变量读取PLC中的相应数据。图5.1系统组态的基本结构5.2HMI项目创建利用TIA软件，实现人机界面的直接生成。首先用鼠标单击“开始”的“所有程序”中“SiemensAutomation”下的“TIAPortalV16”，则可打开Portal视图界面。在Portal视图中，单击左下角的“项目视图”按钮，即将Portal视图切换至项目视图，双击项目树中的“添加新设备”，单击打开对话框中的“SIMATICHMI”按钮选择，勾选“启动设备向导”或者保持默认，单击“确定”，即可添加HMI设备，完成项目创建。5.3HMI设备配置在增加新的设备的时候，使用“启动设备向导”来配置HMI设备，具体如下：在HMI设备导向窗口中，配置HMI设备项目的PLC连接、画面布局、报警、画面、系统画面、按钮。左侧的橙色圆球代表目前的设定进程，帮助使用者完成项目建立。以上的组态均是基于项目的具体要求，组态相对较为容易，本课题主要以PLC连接配置为例进行说明。在“浏览”按钮选择框下，选择与HMI设备所连接的PLC，即CPU为1214C-1PN的PLC主站，通讯驱动程序采用SIMATICS71500，接口端使用HMI设备的PROFINET（X1）。图5.2设备配置5.4上位机与PLC通讯设置首先在项目中打开HMI的设备组态，在“常规”选项卡的“PROFINET接口”属性中，对HMI的以太网地址进行设置，将HMI连接到子网“PI/NE_1”中，设置HMI的IP地址为0；子网掩码为，此IP地址与HMI设备上设置的IP地址一致。当HMI装置的IP地址被设定好后，在“HMI_1”里点击“连接”按钮，然后在通信连接编辑器窗口中点击“添加”按钮，添加连接，设置HMI设备与PLC之间的连接方式，本课题中，对HMI设备所设置的访问点为S7ONLINE，与设置PG/PC接口的访问点参数设置保持一致。如图5.3所示。图5.3通信连接5.5组态界面图5.4是输送机控制系统登录界面。主画面展示输送机系统工作场景。“进入系统”按钮用于进入控制系统操作界面。“启动”按钮可启动输送机系统运行，“停止”按钮用于停止运行。“返回”按钮能返回上一级界面或退出当前操作。下方功能键F1-F8预留了快捷操作功能，可根据实际需求进行功能设定。图5.4登录界面图5.5是输送机控制系统运行界面，“运行”标识显示输送机当前运行状态。下方有感应器状态显示，可查看撕破、跑偏感应器及电机的工作状态，还能通过对应按钮手动触发感应器状态。实际温度和烟雾数值及设定值实时显示，便于监控和调整。“启动”“停止”按钮用于控制输送机启停，“返回”按钮可回到上一级界面。该运行界面能直观展示输送机系统运行状态，呈现仓状态便于掌握物料存储情况。可实时显示撕破、跑偏感应器及电机工作状态，及时发现异常。能监控实际温度和烟雾数值并与设定值对比，保障安全运行。通过启动和停止按钮可直接控制输送机运行。还提供返回功能方便用户切换界面，同时预留功能键可设置快捷操作，提升操作效率。图5.5运行界面

结论本课题围绕煤矿井下带