煤矿胶带输送机PLC控制的研究.docx
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煤矿胶带输送机PLC控制的研究
煤矿胶带输送机PLC控制的研究
摘要
大中型煤矿的井下煤炭运输大都采用以胶带输送机为主的运输方式。
胶带输送机是一种由电机驱动的连续运输设备,主要用来输送物料和成品,广泛应用于工业生产中。
以往的输送机控制大多采用就地控制,并且控制装置大都由继电器等组成,当输送机的数量增加时,会造成设备复杂,操作及维护困难的局面。
而在胶带输送机的连续运行中,经常会出现打滑、断带、划伤、过载、联轴器断开等现象,导致压矿的严重后果。
因此,对输煤系统的控制就具有重要的意义。
本文对煤矿主煤流远程控制系统信号检测部分、就地控制部分、远程控制上位机三部分组成及功能进行介绍的基础上,提出了基于西门子公司S7-200可编程序控制器和工业控制网网络的输煤控制系统实现方案。
并重点介绍PLC为主的电机控制系统,系统基本满足了带式输送机工作过程中控制、监测、保护、管理等功能。
对与上位机的相关通信问题也进行了分析介绍。
基于PLC控制的煤矿主煤流远程控制系统可有效的提高煤矿企业输煤系统的效率,在我国有很好的发展前景。
关键字:
输送机;S7-200PLC;控制;传感器;串口通信
目录
第1章绪论1
1.2系统的组成和功能1
1.2.1系统的组成1
1.2.2系统的功能2
第2章基于PLC的下位机控制系统设计3
2.1PLC概述3
2.1.1PLC的概念及发展3
2.1.2PLC的主要特点5
2.1.3PLC的应用范围6
2.1.4PLC的组成7
2.2S7-200PLC的概况9
2.2.1SIEMENSS7-200基本组成9
2.2.2SIEMENSS7-200的工作原理13
2.2.3PLC编程语言和程序结构16
2.3本例中基于S7-200PLC的设计18
3.3.1系统功能..............................................18
2.3.2系统控制..................................................19
第3章煤矿主煤流控制系统数据通信设计与实现23
3.1通信网络的基础知识23
3.2PLC通信程序设计28
3.3PLC端的通讯程序实现30
参考文献:
34
致谢34
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。
1.2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
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章基于PLC的下位机控制系统设计
2.1PLC概述
2.1.1PLC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。
2.1.2PLC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。
2.1.3PLC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。
2.1.4PLC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。
2.2S7-200PLC的概况
2.2.1SIEMENSS7-200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
1.中央处理单元CPU
CPU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
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