基于S7-200的带式输送机控制系统的设计

1、 本科毕业论文（设计、创作）题目： 基于S7-200的带式输送机控制系统的设计 学生姓名： xxx 学号： xxxxxx 所在院系： 信息与通信技术系 专业： 电气工程及其自动化 入学时间： 2010 年 09 月 导师姓名： xxx 职称/学位： xxxx/xxx 导师所在单位： xxxxxxxxxxxxx 完成时间： 2014 年 5 月安徽三联学院教务处 制基于S7-200的带式输送机控制系统的设计 摘要：随着社会的发展，科学技术在人们的生活中的重要性越来越不容忽视，人类正在研究新能源来代替逐渐减少的煤矿能源，但煤矿在人们现代的生活中还无法替代。带式输送机运转效率以及稳定性为煤矿运送的关

2、键因素。 本文以矿下煤矿运送的输送机为专研目标，进行对输送机的监控及其段带保护两方面的专研。在段带保护方面，对几种段带保护张志德介绍及对这几种断带保护装置的比较，将撕裂传感器设置在监控系统中涉及对断带保护的功能。 利用组态王技术对输送机的现实运转状态举行模仿，输送机的监控系统的人机界面，实现对运行的实时反馈和数据的统计分析。 大型带式输送机的监控系统有效的提高了输送机的运转效率。关键词：输送机监控，输送机保护，安全隐患。Design conveyor control system based on the S7-200Abstract：As the social development imp

3、ortance of scientific and technological in peoples lives should not be overlooked, humans are studying new energy to replace dwindling coal energy, but a modern coal mines in peoples lives can not replace. Conveyor operating efficiency as well as a key factor in the stability of coal transported.In

4、this paper, under mine coal transport conveyor is designed research objectives, carried on the conveyor with monitoring and protection segment specializes in two areas. In paragraph with protection, protection of several segments with Chong introduce and compare these different kinds of broken belt

5、protection device, the sensor settings on suspicion of tearing off with a protective function in the monitoring system.The use of technology King View conveyor operation state of reality held imitate, HMI monitoring system planned conveyors achieve statistical analysis of the countys real-time feedb

6、ack and data Large belt conveyor monitoring system effectively improve the operation efficiency of the conveyors Keywords：conveyor control，conveyor protection，security risks 目录Design conveyor control system based on the S7-2003第一章 绪 论11.1.1研究的意义11.1.2可控起动技术11.1.3自动张紧技术11.1.4电控与监测自动化技术21.1.5本文主要工作2第二

7、章 带式输送机控制系统32.1带式输送机结构原理及特性32.2带式输送机常见启动制动方式及使用范围32.2 1软启动原理32.2 2软启动技术类型分析42.3带式输送机常见故障及处理方式72.3 1电动机发热72.3 2输送带跑偏72.3 3打滑问题82.3 4断带问题82.3 5带速异常82.4带式输送机控制系统82.4 1系统要求82.4 2控制量信号9第三章 S7-200PLC硬件系统设计103.1 PLC CPU及扩展模块选型103.1 1 PLC CPU选型103.1 2 PLC扩展模块选型113.2 变频器选型123.3 PLC I/O端口分配143.3 1 S7-200PLC I

8、/O端口分配图15第四章 s7-200PLC软件系统设计174.1 PLC流程图174.1 1 系统主程序174.1 2 初始化子程序174.1 3 备妥子程序184.1 4 起动调速子程序204.1 5故障判断子程序204.1 6 停机子程序：214.2 PLC梯形图程序22结论25参考文献26第一章 绪 论1.1.1研究的意义随着我国经济的高度发展，对于高速度、长距离、大功率的输送设备的需求量越来越大。对于带式输送机的运转，胶带中各点的速率、加速度、张力会转变很大，影响输送机的正常运行，所以，研究带式输送机的控制系统具有重要意义。在国外，300-500万吨/年矿井顺槽带式输送机主参数为运距

9、约为2000-3000m 带速约3.5-4m/s（最高达8 m/s）输送量约2500-3000t/h，驱动总功率约为1500-3000kW，当前国内带式输送机的主参数比国外要低得多，带速约为2.5-4m/s，输送量约为800-1800t/h，驱动总功率约为750-1500kW。从这可以看出，相对于国外，国内的输送机已不能满足高产高效矿井对矿石大运送量的需求，所以研制和出产大型带式输送机已成为必要。随着计算机和控制技术的飞速发展。PLC集中监控和上位机已在厂矿采用中变的普遍技术也越来越好。1.1.2可控起动技术当输送带速率越快、起动用时越短时，起动加速度和输送带变形程度就越大，动张力也就越大，产

10、生强大的瞬时力，容易毁坏输送机上的元部件。因而起动时间必须加以控制。所以在起动时，大型带式输送机需要有充足多的时间来保持起动加速度在安全范围内。所以，运送量越大，运送距离越远、输送带速度越高的输送机在起动时必要的起动时间就越长。1.1.3自动张紧技术升高输送机在运行时的安全性和可靠性，减少其的运转事故。对于大型输送机来说，自动张紧技术需要保证张紧装置保持带式输送机的输送带在规定的挠度。1.1.4电控与监测自动化技术电控与监测自动化技术的出现可以保证对输送机进行同步的监控和故障诊断。对于这方面，国内外差距较大，国外的电控和监测自动化系统很完整，国内的差强人意。这就造成国内的带式输送机在工作时安全

11、性差，发生的事故相对国外也多。1.1.5本文主要工作本文主要研究以下内容：带式输送机结构原理及特性、带式输送机常见启动制动方式及使用范围、带式输送机制动装置类型及特性、常见带式输送机故障类型及处理方法、s7-200PLC硬件选型以及 PLC软件系统设计。第二章 带式输送机控制系统2.1带式输送机结构原理及特性带式输送机是以输送带做承载及牵引构件，通过传送带的运动带动其上的物品运动从而达到运送效果的设备。输送带的形变与加载的很多方面都有关系。它的主要特性有：1.松弛特性； 输送带在加载后保持拉长量稳定时，所受载荷需要一定的时间才能达到一个稳定值。2.滞后特性 ；当输送带运行一个周期后，应变不会马

12、上随物品的卸载而规复到初始位置上，规复需要一定的时间。3.蠕变特性 ；当对输送带加载后，若是保持载荷不变，传送带的伸长需要一定的时间才能达到稳定值。4.应力和应变之间关系的非线性； 输送带在承受力的作用时，拉力呈现出明显的非线性特性。5.频率特性 ；输送带的变形量还和加载过程的频率大小有关。2.2带式输送机常见启动制动方式及使用范围2.2 1软启动原理随着社会的高度发展，带式输送机性能要求也随之提高, 对于大型带式输送机驱动装置软起动性能的要求需要满足如下几点:1. 驱动装置拥有充足的力矩, 使大型带式输送机在各种工作条件下做到满载起动。2. 输送机在起动时，加速度要足够小从而减小在起动时的输

13、送机的动载荷。3. 软起动必须具有过载保护功能, 避免事故的发生。4. 驱动装置的自动化程度可控性和程度要足够高，减少事故的发生概率。5. 通过对我国国情的考虑，软起动最好具有很高的性价比这样才能适应我国的国情。2.2 2软启动技术类型分析1、 变频调速装置 变频调速装置的组成部件包括绝缘栅极可控晶体管，功率器件GBT，控制器与电抗器。从公式n=60 f/P可以看出电动机的转速与交流电源频率成线性关系。电动机的转速随着交流电源频率的变化而变化，电源频率变大，电动机转速也随之变大，反之，亦然。所以，只须通过掌管电源频变的时间和范围, 就可以控制输送机根据设定的速度弧线平稳起动, 从而实现软起动。

14、1. 优点：a，起动时的调速精度高 b，可以进行变速运行c，可控制调速的范围大d，可提供低带速验带功能。2. 缺点：a，防爆产品需要从国外进口, 价格昂贵b，变频调速装置的使用对环境温度要求高c，在地下使用时, 功率器件的发热问题也很难解决。 2、 电软起动控制器 1. 优点：a，控制器的体积小,适应性较强b，低压价格便宜, 性价比高。2. 缺点：a，必须配合限矩型偶合器使用，不能单独产生作用，有一定的限制性b，控制器产生谐波影响c，由于是降压起动, 在低转速时, 电动机的输出转矩不大，无法完成满载起动, 所以并不是真正的软起动。3、 调速型液力偶合器调速型液力偶合器是通过变机械能为液能再为机

15、械能的方式从而完成原动机到工作机的能量传送。好处在于它的操作简单减少起动时间而且可以实现满载起动，还能控制输送带的起动拉力在安全范围里。缺点是调速耦合器占地较大，有一定的限制性。4、 液体黏性软起动装置 液体黏性可控软起动装置是通过调节磨擦片之间的油膜间隙从而实现扭矩传递。（1） 优点：电动机空载起动, 减小对电气和机械的冲击;（2） 缺点：对液压油要求条件比较高; 整机液压系统复杂, 安装维护难度大, 调节时需专业技术人员。5、 澳大利亚BOSS 系统（1） 优点在于专为重型带式输送机设计,易控制，可靠性高，可以实现匀加速度起动（2） 缺点：在软起动过程中,传动效率低且无法实现真正的空载起动

16、。由于是进口的，损坏后不易修理;6、 美国CST 系统优点：起动平稳, 起动斜率基本保持不变, 斜率时间长, 其形状为S 型;传动效率高, 可达99% ; 可调验带速度为30% 99% , 但发热量很大; 可以实现功率平衡; 保护功能齐全, 真正的机电一体化的产品。缺点：控制系统较为繁杂，不易操作; 在高速轴上装备逆止器和制动器比较不易;价格昂贵, 备品备件要靠进口。表1.1 常用软起动装置特性比较表性能指标 软启动特性 控制系统 功率均衡 低速运转传动功效 可靠性互换性体积运行资金价钱方面验带 应用于 调速型液力耦合器 好 简单 比较好 比较稳定 比较高 可靠好较大低低可以 功率小于 500

17、KW的输送机 CST 好 复杂 好 稳定 高 可靠差小高高可以 使用维护高，国内尚不普遍 电软启动 一般 简单 比较差 比较差 比较高 可靠好小低低不可以 不是真正意义上的软起动变频调速 好 较复杂 好 稳定 高 可靠好小高高可以 变频器自身可以实现软启动，可以自检电机装置 BOSS好较复杂 好 稳定 高 可靠差小高高可以 单机 200KW-500KW液体粘性传动装置 好 简单 好 稳定 较高 可靠好小低低可以 国内重型带式输送机 1. 机械制动装置其机械特性曲线见图1.1.2. 电气式制动装置动力制动的好处在于制动力矩大小可以调控，但缺点是不能使装置最后停止运行，所以需要配机械式的制动体系，

18、见图1.2。发电制动又称再生制动，它的优点是不需要任何专用设备，操作简单，但这种制动方式需设置其它制动装置，以配合其低速时制动，见图1.3。3. 液压式制动装置压式制动装置需配有油泵站和循环散热系统。在低速运行时，它的制动力矩下降会很大，所以也需要和其它的机械制动装置配合一起使用。图1.4是液压能耗制动系统的理想特性曲线。在高速区n1 n2掖力制动力系统应尽建立起制动力矩。在n2- n3区间，要求制动力矩恒定，这可通过调整系统参数压力、流量来达到。在低速区应施加机械闸。图1.1 机械制动特性曲线图 图1.2 动力制动特性曲线图1.3 发电制动特性曲线图 图1.4 液压制动特性曲线图2.3带式输

19、送机常见故障及处理方式2.3 1电动机发热当电动机运行一定时间后就会发热。当输送机输送时出现过载，运行阻力变大的情况时电动机发热情况尤其明显。传动部位缺少润滑以及风扇进风口堵塞也会造成电动机发热情况显著。2.3 2输送带跑偏传送带是否跑偏的判断依据是看传送带的纵向中心线是否偏离理想中心线，传送带的跑偏会造成传送带边胶损坏；大幅度的跑偏还可能使输送带翻边。引起输送带跑偏的原因主要有：输送带质量问题，输送带接头与中心不垂直，输送带边呈# 型，应重新做接头，保证接头与输送带中心线垂直，割去不直部分，重做接头。2.3 3打滑问题当滚筒与输送带之间压力或摩擦系数小到一定程度时就会呈现皮带打滑，想要避免打

20、滑的出现也需要从这两个方面出发，一是调节传送带张紧力，二是增加筒与输送带之间的摩擦系数。2.3 4断带问题带体材质不适应，遇水、遇冷变硬脆。应选用机械物理性能稳定的材质制作带芯。经常检查输送带是否损坏，定期更换老化的输送带都能减少断带的发生。2.3 5带速异常输送带受力不稳定时可能会出现带速异常的情况。启动装置的异常或者拉紧装置的张紧力变化时都会造成输送带受力不稳定。如果出现滚筒与输送带之间打滑时应及时处理，避免摩擦产生高温损坏输送带。2.4带式输送机控制系统 2.4 1系统要求1) 该系统具有集中控制运行方式，由监控中心下发命令控制指令并使系统起动时自动满足闭锁关系，同时将设备的运行状态及故

21、障情况以通讯方式传输给监控中心2) 配备跑偏、拉绳、纵向撕裂、堆煤、烟雾、打滑信号、温度、张力、带速等保护传感器 3) 在一般故障情况下最好只停止变频器的运行从而实现带式输送机的连续运行4) 同步显示各电机的工作情况包括电流、温度、带速和保护传感器的状态等5) 具有对输送机故障的报警与处理功能6) 要求系统具有一定的可扩展 I/O 口以便于以后添加设备2.4 2控制量信号1.起动、停机信号（开关量，无源常开接点）2.输送带速度信号（模拟量420mA）3.输送带张力信号（模拟量420mA）4.主电机电流信号（模拟量420mA）5.主电机温度信号（模拟量420mA） 6.过载、堵料、堆煤、撕裂、断

22、带信号7.预报信号（开关量，无源常开接点）8.运行、警告、停机报警信号（开关量，无源常开接点）9.变频器起动信号（开关量，无源常开接点）10.变频器控制信号（模拟量，频率信号）11.松闸信号（开关量，无源常闭接点）12. 闸松信号（开关量，无源常开接点）第三章 S7-200PLC硬件系统设计3.1 PLC CPU及扩展模块选型3.1 1 PLC CPU选型S7-200主机单元的 CPU共有CPU21X和CPU22X两种 1）CPU221无 I/O扩展能力 6kb的程序和数据存储区空间。 1个 RS-485通信/编程口。 具有多点接口通信协议。 具有点对点接口通信协议。 具有自由通信口。2）CP

23、U222 6kb的程序和数据存储区空间。 具有 PID控制器。 1个 RS-485通信/编程口。 具有多点接口通信协议。 具有点对点接口通信协议。 具有自由通信口。3）CPU224 可连接 7个扩展模块单元，最大可扩展至 168个数字量 I/O点或 35路模拟量13kb的程序和数据存储区空间。 具有 PID控制器。 1个 RS-485通信/编程口。 具有多点接口通信协议。 具有点对点接口通信协议。 具有自由通信口. 4）CPU226 可连接 7个扩展模块单元，最大可扩展至 248个数字量 I/O点或 35路模拟量13kb的程序和数据存储区空间。 具有 PID控制器。 2个 RS-485通信/编

24、程口。 具有多点接口通信协议。 具有点对点接口通信协议。 具有自由通信口. I/O端子排易于整体拆卸。 5)CPU226MX 与 CPU226相比，除了程序和数据存储区空间有 13KB增加到 26KB外，其余功能都不变。基于本控制系统输入输出点数，在不增加数字量扩展模版的情况下，应当选择CPU226完成带式输送机控制系统的设计。3.1 2 PLC扩展模块选型带式输送机控制系统需要有八路模拟量输入，所以应当对模拟量扩展模块进行选型。1）EM231：4路 12位模拟量输入（AI）模板 差分输入的输入范围：电压为010V，05V， 2.5V，5V；电流为020mA。 转换时间：250m s. 2）E

25、M232：2路 12位模拟量输出（AO）模板 输出范围：电压为10V，电流020mA。 图 3.1 PLC结构图3）EM235：模拟量混合输入/输出（AI/AO）模板 模拟量输入 4路，模拟量输出 1路。 差分输入的电压：010V，05V，01V，0500mV，0100mV，050Mv， 10V, 5V, 2.5V，1V，500mv，250mV，100mV， 50mv, 5mv。电流为020mA。转换时间：250m. 稳定时间：电压 100 ms，电流 2 ms。 本系统一共有8路模拟量输入和1路模拟量输出，因而选用一个EM231及一个EM235扩展模块。3.2 变频器选型通过对以上几种方案的

26、比较，在本系统中选用变频软起动。 图3.2 变频驱动的三相异步电动机起动时的特征曲线变频器的选型，根据生产机械，调速范围，静态速度精度，起动转矩要求的负载特性，确定选择哪个变频器控制模式。1）转矩特性、临界转矩、加速转矩。在同等电动机功率情况下，相对于高过载转矩模式，变频器规格可以降额选取。 2）电磁兼容性。变频器的选型应满足以下条件： 1）电压等级与驱动电动机相符； 2）额定电流为所驱动电动机额定电流的1.11.5倍； 图3.3 变频器电路图现假设该带式输送机共使用两台200KW电动机，对变频器进行选型： (1) 变频软起动装置容量的选择根据电动机的功率选择 变频器的容量 P变P电动机200

27、 kW (3-1)(2) 变频软起动装置工作电流的选择根据电动机的实际电流和适当的过载需求选择变频器的额定电流 I额I工频实际(115%) 801.1592 A (3-2)选择变频软起动装置长期允许工作电流为 130 A。 (3) 根据电动机的功率选择电抗器多台电动机联合运行，负荷电缆的累加长度需满足变频器的限定值。提高供电质量，减少对地耦合电容，必须安装电抗器加以抑制。 P抗P电动机200 kW (3-3)(4) 电动机电流的限幅电动机在起动时的电流值是正常运行时的 47 倍，会引起较大的机械冲击，必须对起动电流限幅。当变频实行加速运转时，因为加速过快或机电负载过高，输出电流I会急速高涨，选

28、择工作电流的 1.4 倍做为其最大值，当电动机电流达到这一设定点时，变频器停止加速自动降低输出频率，从而把起动负荷限定在带式输送机各部件允许的范围内。 现假设该带式输送机共使用两台200KW电动机，对变频器进行选型： (1) 变频软起动装置容量的选择根据电动机的功率选择 变频器的容量 P变P电动机200 kW (3-1)(2) 变频软起动装置工作电流的选择根据电动机的实际电流和适当的过载需求选择变频器的额定电流 I额I工频实际(115%) 801.1592 A (3-2)选择变频软起动装置长期允许工作电流为 130 A。 (3) 根据电动机的功率选择电抗器多台电动机联合运行，负荷电缆的累加长度

29、需满足变频器的限定值。提高供电质量，减少对地耦合电容，必须安装电抗器加以抑制。 P抗P电动机200 kW (3-3)(4) 限幅电动机在起动时的电流值是一般运行时的 4到7 倍，会引起较大的机械冲击，必须对起动电流限幅。选择工作电流的 1.4 倍做为其最大值，当电动机电流达到这一设定点时，变频器停止加速自动降低输出频率，从而把起动负荷限定在带式输送机各部件允许的范围内。 即 I起 = 1.4 I工 (3-4) 3.3 PLC I/O端口分配 3.3 1 S7-200PLC I/O端口分配图3.3.2 S7-200PLC I/O端口分配表输入端口： I0.0 起动信号 连接开关 SB1 I0.1

30、 正常停机信号 连接开关 SB2 I0.2 堵料故障信号 连接堵料检测传感器 I0.3 纵向撕裂故障信号 连接纵向撕裂检测传感器 I0.4 断带故障信号 连接断带检测传感器 I0.5 重跑偏故障信号 连接重跑偏开关 I0.6 轻跑偏故障信号 连接轻跑偏开关 I0.7 烟雾检测信号 连接烟雾检测传感器 I1.0 故障复位信号 连接开关 SB3 输出端口：模拟量扩展模块： AIW0 电机1电流 连接电机1电流表 AIW2 电机 1温度 连接电机 1温度传感器 AIW4 电机 2电流 连接电机 2电流表 AIW6 电机 2温度 连接电机 2温度传感器 AIW8 轻跑偏位置信号 连接轻跑偏跑偏开关 A

31、IW10 重跑偏位置信号 连接重跑偏跑偏开关 AIW12 皮带速度 连接速度传感器 AIW14 皮带张力 连接张力传感器 AQW0 变频器控制信号 连接变频器 第四章 s7-200PLC软件系统设计4.1 PLC流程图 4.1 1 系统主程序 图 4-1所示为带式输送机控制系统主程序，首先进行的是 PLC的初始化；如果检测到起动信号，则跳转到备妥起动子程序；备妥起动准备完成后，进入起动调速子程序，使用变频器逐渐调节电动机转速，使电动机转速沿着 S型曲线上升；电动机起动完成后，带式输送机进入正常运行阶段，程序转入故障扫描子程序，故障扫描子程序，通过对几种故障（堵料、撕裂、断带、跑偏、烟雾等）进行

32、扫描，并且对相应故障行处理，如果没有故障则继续进行故障检测；如果检测到停机信号，则跳转到停机子程序，进行正常停机操作。主程序进行不断循环。图 4-1带式输送机控制系统主程序4.1 2 初始化子程序 如图 4.2所示，初始化子程序，首先对故障信号进行复位，做起动前的预备；接着对计时器进行初始化，由于使用了三种计时器，所以要分别对三个计时器进行清零；清零完毕后，初始化结束。图 4.2初始化子程序4.1 3 备妥子程序 图 4.3所示，系统首先检测故障信号是否复位，如果信号没有复位，等待直至故障复位；检测到故障信号复位后，按下起动按钮 SB1并延时 10mS避免干扰，检测到起动信号后，Q0.0=1，

33、PLC发出预告信号，预告指示灯亮并延时30S，告知现场周边人员起动信息，注意安全；30S后，Q0.1=1,KM1闭合，起动拉绳开关，开始张紧皮带,延时 10S后，检测皮带张力是否在允许范围内，如果不在范围内则继续延时检测，如果在指定范围内，则Q0.2=1，电动机闸松开；延时 10S后，Q0.3=1,KM2闭合，主回路闭合；接着，Q0.4和 Q0.5口置“1”，KA1和 KA2线圈动作，对应继电器闭合，电机 1与电机 2起动，起动备妥结束。图 4.3备妥子程序流程图4.1 4 起动调速子程序图4.4 系统起动调速子程序流程图4.1 5故障判断子程序 图 4.5所示，带式输送机故障判断子程序。首先

34、检测是否有烟雾传感器信号，如果有信号，则 Q0.7和 Q1.1置“1”，警报声响，警告指示灯亮；接着对轻跑偏信号进行检测，如果轻跑偏开关闭合，则 Q0.7和 Q1.1置“1”，警报声响，警告指示灯亮，并且检测轻跑偏位置，通过通讯报告给上位机；接着检测重跑偏信号，如果检测到重跑偏信号，则停机处理并且停机指示灯亮，检测跑偏位置并通过通讯报告给上位机；如果没有检测到重跑偏信号，则继续检测纵向撕裂信号，如果检测到纵向撕裂信号，则做出停机处理并且停机指示灯亮，如果没有检测到故障信号，继续检测；断带故障和堵料故障的检测处理与纵向撕裂相似；带速检测，PLC读取带速传感器输入的带速模拟量信号，并与标准值比较，

35、带速上限一般为正常带速的120%，下限为80%。 图4.5 故障判断子程序4.1 6 停机子程序： 图 4.6所示，按下停止按钮以后，延时10ms 以防止干扰信号；Q0.4、Q0.5置“0”KA1、KA2断开，变频器控制停机；延时 10s后，Q0.3置“0”，KM2断开，主电路断开；延时 10S后，Q0.2置“0”，电机抱闸；延时 10S后，Q0.1置“0”，KM1断开，拉绳断开，停机结束。图 4.6停机子程序4.2 PLC梯形图程序 PLC梯形图程序是按照流程图进行编程，主要包括：主程序、初始化子程序、起动子程序、调速子程序、故障检测子程序与停机子程序。图 4.7所示为故障检测子程序中对烟雾信号的检测。 图 4.7 烟雾检测程序当检测到烟雾信号后，I0.7闭合，中间继电器 M0.0上电自锁，并且接通 Q1.1和Q0.7，报警灯响，报警指示灯亮。轻跑偏检测与烟雾检测相似。图 4.8所示为重跑偏故障检测子程序。图 4.8 重跑偏检测程序当检测到重跑偏故障信号后，I0.5