内蒙古科技大学
本科生毕业设计说明书（毕业论文）
题 目：胶带输送机综合保护系统的研究学生姓名：学 号：专 业：自动化专业班 级：指导教师：
**** 0967106*** 09自动化 * 班
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胶带输送机综合保护系统的研究
摘 要
胶带输送机是一种以摩擦力驱动进行连续动作的运输物料的机械，随着机电一体化水平的逐渐提高，胶带输送机在矿业、电厂等企业的应用越来越广泛，使用的数量越来越多，传输距离也越来越长。然而，胶带输送机在使用的过程中会经常出现一些跑偏、撕裂、断带、堆煤、超温、烟雾、打滑等故障，影响企业的生产效益和安全。为了避免这些事故的发生，设计了胶带输送机保护系统。它可以对输送机的状态进行实时监视，还可以在出现故障时进行报警，并改变胶带输送机的状态，进行保护，使输送机有了更可靠的保护。
本文设计的胶带输送机综合保护系统主要用于对输送机的控制和保护，具有保护功能，分别是重载启动保护、紧急停车保护、跑偏保护、堆煤保护、撕裂保护、温度保护、速度保护、烟雾保护。通过信号灯可以显示所出现故障的类型，同时也具有手/自动切换功能。
本文结合PLC控制技术、变频调速技术和传感器技术，对胶带输送机综合保护系统进行设计。其中，PLC采用SIEMENS公司S7-300 PLC，用于接收和处理信号，并输出指示和控制信号；变频器采用SIEMENS公司MM 440，对驱动电机进行调速，改变皮带的传动速度；传感器负责采集数据。根据保护系统的工作原理，完成了系统的硬件和软件程序设计。经过实验分析，本文设计的胶带输送机综合保护系统能够实现系统保护，也可以有效地做到控制输送机，达到预期的效果。
关键词：胶带输送机； PLC；保护；变频器
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Research on compositive protection system of belt conveyor
Abstract
Belt conveyor is a kind of mechanical that transports materials in the friction driving continuous action. With the mechanical and electrical integration level is gradually improved. Belt conveyor is more widely used in mining, power plant and other enterprises. Belt conveyor used is more and more. The transmission distance is also more and more long. Belt conveyor will often appear some deviation, tearing, breaking, coal, temperature, smog, slip fault in the use process. Affect the production efficiency and safety. In order to avoid these accidents, people design the protection system of belt conveyor. Using this system, the conveyor has protected more reliable.
The compositive protection system of belt conveyor is mainly used for the control and protection of conveyor. Belt conveyor has eight protection functions, which are overload protection, emergency shutdown protection, deviation protection, coal pile protection, tear protection, temperature protection, speed protection, smoke protection. Using the signal lamp can indicate the type of the fault. At the same time, protection system has manual and automatic switching function.
The compositive protection system of belt conveyor which will be designed in this paper is combined with PLC control technology, variable frequency speed control technology and sensor technology. The S7-300 PLC is used for receiving and processing the signals, and output to indicate and control. Using MICROMASTER 440 adjust conveyor speed. Using sensors collect data. According to the working principle of protection system, the hardware and software is designed by the system. By testing and analysis, the compositive protection system of belt conveyor can achieve the desired effect.
Keywords: Belt conveyor；PLC；Protection；Frequency converter
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目 录
摘 要 ......................................................................................................................................... I Abstract ...................................................................................................................................... II 第一章 绪论 .............................................................................................................................. 1 1.1胶带输送机发展概况 ...................................................................................................... 1 1.1.1胶带输送机的分类 ................................................................................................... 1 1.1.2胶带输送机的发展状况 ........................................................................................... 1 1.2研究的目的和意义 .......................................................................................................... 2 1.3本文研究内容 .................................................................................................................. 3 1.4本文的组织安排 .............................................................................................................. 3 第二章 胶带输送机综合保护系统设计方案 .......................................................................... 4 2.1胶带输送机的介绍 .......................................................................................................... 4 2.2系统中的保护类型 .......................................................................................................... 4 2.3系统实现的功能 .............................................................................................................. 6 2.4可编程序控制器 .............................................................................................................. 7 2.4.1 PLC的生产与发展 ................................................................................................... 7 2.4.2 S7-300 PLC ............................................................................................................... 8 2.5变频器 .............................................................................................................................. 9 2.6 PID控制 ........................................................................................................................... 9 2.6.1比例、积分、微分控制 ........................................................................................... 9 2.6.2输送带的闭环调速 ................................................................................................. 10 第三章 胶带输送机综合保护系统硬件设计 ........................................................................ 12 3.1传感器的选型 ................................................................................................................ 12 3.1.1传感器供电电源 ..................................................................................................... 12 3.1.2跑偏传感器 ............................................................................................................. 12 3.1.3撕裂传感器 ............................................................................................................. 13 3.1.4堆煤传感器 ............................................................................................................. 14 3.1.5烟雾传感器 ............................................................................................................. 14 3.1.6速度传感器 ............................................................................................................. 15
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3.1.7温度传感器 ............................................................................................................. 17 3.1.8光电传感器 ............................................................................................................. 18 3.1.9双向拉线开关 ......................................................................................................... 18 3.1.10其它设备的选择 ................................................................................................... 19 3.2变频器的使用和参数的设定 ........................................................................................ 20 3.3控制器 PLC模块的选择 .............................................................................................. 22 3.4电路原理图设计 ............................................................................................................ 23 第四章 胶带输送机综合保护系统软件设计 ........................................................................ 26 4.1硬件组态 ........................................................................................................................ 26 4.1.1编程软件STEP 7 .................................................................................................... 26 4.1.2硬件组态 ................................................................................................................. 26 4.2地址的分配 .................................................................................................................... 27 4.3初始化程序设计 ............................................................................................................ 29 4.4其它中间变量 ................................................................................................................ 30 4.5故障检测程序设计 ........................................................................................................ 31 4.6主程序设计 .................................................................................................................... 33 4.7自动控制程序设计 ........................................................................................................ 35 4.8手动控制程序设计 ........................................................................................................ 36 4.9量程转换程序设计 ........................................................................................................ 36 4.10 PID控制程序设计 ....................................................................................................... 38 4.10.1 PLC实现PID控制的方法 .................................................................................. 38 4.10.2 PLC中PID控制器的实现 .................................................................................. 40 第五章 总结 ............................................................................................................................ 41 参考文献 .................................................................................................................................. 42 附录A PLC控制程序 ............................................................................................................ 44 致谢 ..........................................................................................................................................
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第一章 绪论
1.1胶带输送机发展概况
胶带输送机又称带式输送机，是一种以摩擦力驱动进行连续动作的运输物料的机械，主要用于输送沙石、矿石、煤料、谷物等散装物料。胶带输送机能实现连续运输，具有较高的生产率；输送机具有简单结构，费用低；工作平稳可靠、噪声小，输送的距离长且输送承载量大，对能源的消耗少；可以实现水平运输，也容易实现倾斜运输。因此，随着国民经济的发展，带式输送机的应用越来越广泛[1]。它可广泛应用于电力、交通、煤炭、冶金、轻工、化工、建材、机械和粮食等各个行业。 1.1.1胶带输送机的分类
胶带输送机种类繁多，具有多种分类方式。 1．按胶带种类的不同分为：
普通皮带输送机、钢丝绳芯皮带机、特种皮带输送机 2．按输送机机架与基础的连接形式分为： 固定式胶带输送机、移动式胶带输送机 3．按支撑装置的结构形式分为：
托辊支撑式输送机、平板支撑式输送机、起点支撑式输送机 4．按托辊槽角等结构的不同分为： 普通槽角皮带输送机、深槽角皮带输送机 5．按驱动滚筒数量的不同分为：
单驱动皮带输送机、双驱动皮带输送机、多驱动皮带输送机 1.1.2胶带输送机的发展状况
最早的输送机是用两个滚筒，在其上面绕上用棉织物和皮革缝制的输送带构成。大约在18世纪末期第一条带式输送机被制造出来，带子是在盘状槽内滑动进行输送，由于当时皮带的生产工艺粗糙，以及技术水平的落后，带子磨损非常严重，损耗量很大。
19世纪初期，采用托辊作为皮带支承后，大大降低了皮带输送时的摩擦系数，使胶带输送机的应用越来越广泛，也使输送机进入了突飞猛进的发展阶段。为了适应不同工
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作条件，出现了可移动式的胶带输送机、可逆式输送机、可伸缩的胶带输送机等。
50、60年代，高速度、大运量和长距离的胶带输送机，主要采用的是钢绳芯带式输送机或钢绳牵引式带式输送机。与普通带式输送机的工作原理相同，只是输送带的材料有所区别，具有更高的强度。这种输送带能长距离运输，因而简化了运输系统，提高了生产效率。但钢绳芯带式输送机还是具有一些缺点，在运行中如果被坚硬的物体卡住，就会造成输送带纵向撕裂。在当时，钢丝绳、轮衬等易损坏物件，严重影响这种输送带的使用和发展。
70年代，长距离的中间多级驱动的胶带输送机被研制出来。中间驱动有磁力驱动、充气轮胎驱动和直线摩擦驱动。直线摩擦驱动是借助多台短的胶带输送机上的胶带与长距离输送机的胶带相互紧贴产生的摩擦力，驱动长距离带式输送机。充气轮胎驱动是用两个自由转动的轮胎压在输送带上方的左右两侧，另两个驱动轮胎安装在输送带下方与自由轮胎相对，相互挤压输送带，驱动轮胎由电动机驱动，输送带和轮胎接触部位会产生摩擦力，从而带动输送带运行。磁力驱动和直线摩擦驱动的结构与原理相似。
随着输送机越来越广泛的应用在各个领域，带式输送机的结构越来越完善，使用更加的方便了，许多科研人员又开始研究不需要托辊，且摩擦系数较低的输送机。19年，我国煤炭总院合肥研究所开始研究滑槽胶带输送机，取得了较好的效果[2]。该种输送机具有结构简单，运行平稳，生产效率高、维护方便、适应性强等特点。
1.2研究的目的和意义
随着胶带输送机在采矿企业的使用越来越广泛，使用的数量越来越多，传输距离越来越长。胶带输送机在使用的过程中会经常出现一些跑偏、撕裂、断带、堆煤、超温、烟雾、打滑等故障，严重的影响企业的生产效益和安全。我国是一个煤炭大国，具有丰富的煤炭资源，因此也诞生出了很多煤炭企业，但由于技术问题、操作问题，矿难事故时有发生。从1981年以来仅因胶带着火事故死亡人数达到了200以上，给国家和人民造成了严重的损失和伤害。因此，保证胶带输送机在输送过程中的安全、可靠是极其重要的事。
因此，为了避免胶带输送机在运输过程中各类故障引起的损失和伤害，很多企业针对各故障类型设计出了许多不同性能的传感器，有跑偏传感器、撕裂传感器、堆煤传感器等。本设计就是通过将各类传感器组合与控制器和变频器一起使用，设计胶带输送机
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的综合保护与控制系统，不仅有助于保护输送机设备的安全，也能避免现场人员的生命安全受到伤害，使生产过程更安全、可靠，降低事故给企业带来的经济损失。
1.3本文研究内容
本设计系统的控制和保护对象是胶带输送机，研究的主要内容有： 1．用变频器启动、停止交流电动机。 2．带式输送机的集中控制和单机控制。
3．胶带输送机的故障检测和保护功能，包括重载启动保护、紧急停车保护、跑偏保护、堆煤保护、撕裂保护、温度保护、速度保护、烟雾保护及其软件程序的设计。
4．用PID调节输送带运行时的速度。
5．胶带输送机的无料自动停车和打滑时超温自动洒水。
1.4本文的组织安排
本文的组织安排如下：
第一章，介绍了胶带输送机的发展概况，本设计研究的目的和意义以及研究的主要内容。
第二章，介绍了胶带输送机综合保护系统的设计思想，保护系统中各故障保护的意义；输送机自动保护系统所具有的保护控制功能，为设备的选型提供了依据。
第三章，介绍了该保护系统中传感器的选择和工作原理；MM440变频器接线端子的使用和参数的设定；PLC中模块的选择及接线方式；该保护系统硬件电路原理图的设计。
第四章，介绍了胶带输送机综合保护系统的软件设计，包括在Step 7软件中的组态设计，PLC各地址的分配，以及软件程序各部分的编写的思想和实现的功能。
第五章，总结胶带输送机综合保护系统完成情况和设计保护系统时的感受。
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第二章 胶带输送机综合保护系统设计方案
2.1胶带输送机的介绍
胶带输送机是一种以摩擦力驱动进行连续动作的运输物料的机械。主要由机架、托辊、滚筒、输送带、传动装置等组成的。它可以将物料通过皮带沿着一定的运输线路从最初的供料点送到最终的下料点，形成一种物料运输流程。它不仅可以运输散料，也可以运输成件物品。胶带输送机通过与各工业企业的生产工业过程相配合，会使得流水作业运输线更具有节奏感。带式输送机既可用于水平运输，也可用于倾斜运输，使用十分方便。
本设计中胶带输送机是应用在散料运输过程中，采用的水平的多级运输形式。带式输送机的运行是由驱动滚筒靠与紧密套在滚筒上的输送带之间产生的摩擦力拖动皮带实现的。
2.2系统中的保护类型
胶带输送机只是一种运输设备，它是不具有故障检测功能的，故障信息就必须用各类开关或传感器进行检测。因此，将各类传感器结合在一起使用就可以构成了带式输送机的检测系统。本设计中使用的传感器构成了重载保护、跑偏保护、撕裂保护、堆煤保护、速度保护、温度保护、烟雾保护、紧急停车等。
1．防重载启动保护
防重载启动保护是带式输送机中十分重要的保护。带式输送机在启动时，皮带上可能存在物料，若输送带上面残存的煤量比较少时，启动不会出现太大问题。可是如果带上面的剩余物料很多时，此时若启动输送机，输送带和驱动滚筒就会打滑，不仅会加快输送带的老化程度，还会减少输送机的使用寿命。
2．跑偏保护
跑偏保护是指皮带在发生跑偏时使输送机执行自动停车动作。皮带跑偏在输送过程中产生的后果是非常严重的。若输送带跑偏，煤料就会洒落在下面的皮带上，使机尾处会堆积大量的煤；若煤料洒到巷道里，将会造成皮带拖地运行。同时，输送机出现跑偏时皮带运行的阻力会增大，输送机的使用寿命将会缩减，也可能会撕裂皮带。因次，跑偏保护是本保护系统必须具有的保护功能之一。
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3．撕裂保护
撕裂保护是在输送带出现撕裂时必须让输送机进行自动停车，避免输送带继续撕裂，防止撕裂事故进一步扩大。胶带输送机在运行时，由于运输的坚硬物品卡在输送带上、有物体直接砸在输送带上、输送带跑偏时在机架上卡刮、输送带在生产中长期使用出现老化、输送带的质量等原因，将会造成皮带撕裂事故的发生。因撕裂发生的位置是不确定的，工作人员很难发现，如果没用撕裂保护设备，就会导致皮带撕裂事故继续扩大，严重时会出现断带情况，增加输送带维护的难度和时间，影响生产，给企业带来严重的经济损失。
4．堆煤保护
堆煤保护是在输送机的机头出现煤量堆积时可以使输送机自动停车。当堆煤事故发生时，如果没及时发现或没及时处理，输送机的机头堆积的煤量会越来越多，将会堵住巷道，影响矿井里的正常通风，因而引起瓦斯积累及瓦斯超限事故。而且，输送带上堆积的煤太多就会增大输送机的负荷，引起打滑，轻则使输送带磨损，严重时会带来重大的经济损失。
5．速度保护
速度保护是输送带特别重要的一个保护功能，其中涉及到了输送带打滑保护和断带保护，以及判断输送机启动之后是否达到了正常运行状态等功能。速度保护中的这个速度取于输送带的运转速度，用速度传感器测量出的。在带式输送机运行中，输送带和驱动滚筒本就是两个体，最大的关系就是它们紧密接触。驱动滚筒是施力者，输送带是受力者，出现速度不同步也是会发生的，而这种速度不同步的现象就成为了输送机运行过程中的故障。有启动信号时，使输送机运行，当皮带运行速度达到一个设定值V1时，证明该输送机已经进入正常运行状态，可以投入使用。在此之后，如果输送带运行过程中出现速度降低，低于V1且大于V2（V1 > V2）时，说明输送带与驱动滚筒之间出现了打滑现象，必须让输送机停车，以避免事故的扩大，造成更严重的损失。当速度迅速降低到V2以下，就认为输送带直接断带，没办法再进行生产了，必须迅速的停止输送机的运行。速度保护中还有个功能是将检测得到的速度值作为对输送带进行闭环调速时的反馈环节，反馈输送带的运行速度。
6．温度保护和自动洒水
胶带输送机的运行是由驱动滚筒通过摩擦力带动紧密套在其上皮带实现运输，由于
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各种原因，可能会出现皮带在滚筒上打滑的现象，使得驱动滚筒与皮带之间产生剧烈的摩擦，驱动滚筒和皮带的温度升高，打滑处不断积累热量，严重时使用的非阻燃性的皮带会燃烧，引起火灾事故，威胁到人身安全。为了避免火灾事故的发生，需用温度传感器对驱动滚筒处的温度进行实时监测。
当温度升高时达到设定的温度报警限，就会发出报警信号，点亮对应的信号灯，以引起操作人员的注意。若温度继续上升，证明打滑现象没有改善，有引起火灾的可能，就应停止输送机，避免事故的严重化，并对打滑部位洒水降温，直至温度将至报警限以下后停止洒水。
7．烟雾保护
烟雾保护是检测工作现场是否有有毒有害气体，判断是否有火灾事故出现，发出报警信号，引起工作人员的注意，并能实现输送机自动停车。
8．急停保护
紧急停车保护的作用是输送机在运转的过程中，输送机已经或即将威胁到工作人员的人身安全时需要立即停车，避免伤害的加重。
2.3系统实现的功能
输送机的综合保护系统是以PLC为核心，变频器、传感器及其他设备相配合设计的。传感器是检测输送机在运输的过程中的各故障信号，如皮带的跑偏、断带、打滑、撕裂等信息，然后汇总到PLC中进行准确判断并处理做出正确的动作。PLC就是保护系统的大脑，用LAD语言编写程序，使得它具有故障判断能力、信号处理能力和控制信号输出能力，给变频器发出控制信号，控制输送机的启动与停止、调节输送带速度的快慢，变频器就PLC控制动作的执行器。同时PLC也控制各信号灯的亮与灭，便于在出现故障时维修人员快速、准确的维修，使设备能够快速的再次投入生产，降低系统停车后造成的效益损失。
本保护系统具有手/自动切换功能。自动运行是通过总的启动和停止按钮按顺序启动与停止各级输送机，是正常生产时使用的控制状态。手动运行是各级传送带都有其相应的启动和停止按钮，可以分开控制各级输送机，也可以由自动运行的停止按钮同时停止两级皮带的输送，该功能是为了方便在系统出现故障报警停车后对各级输送机的检修。手动状态下，若一级输送机有启动信号，只启动该级输送带，出现故障则停车，并且故
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障信号会保留下来，直至下次有启动信号时进行一次刷新。
保护系统还具有故障检测功能，分为启动故障检测和运行故障检测。启动故障检测是在系统自动或手动状态下有有效的启动信号时，对堆煤、撕裂、跑偏、重载、烟雾等故障信号的检测。启动时有故障则无法启动，并且点亮故障对应的信号灯；若无故障则点亮启动信号灯，并按照设计的控制程序启动相应的设备，执行运行状态的故障检测程序。系统进入运行状态后，关闭启动故障检测功能，执行运行状态的故障检测程序。若出现故障，判断各故障的类型，汇总后执行相应控制效果。胶带输送机运行时，由于会使整个现场发生震动，可能会影响到一些开关量传感器，使其产生误动作而导致停车，影响企业生产效益，那么此时就必须检测有效的故障信号。
输送带上有无物料的实时监测功能，分为防重载启动功能，运行时皮带上是否有物料的指示和无物料的自动停车功能。若启动时有物料信号，则无法启动，保护输送带使其不在重载状态下启动。输送机运行中是否有物料用信号灯进行指示，但在长期没有物料情况下，为了不让输送带空运行，设计的保护系统会发出普通的停车信号，经控制程序的判断使各输送机按顺序停车。
紧急停车功能，这个可以算是各类控制现场必须具备的功能，可以有效的避免或减小工作人员因操作不当而受到输送机带来的人身伤害。在这种具有滚动传动的工作现场中，工作人员的衣物被卷进设备中的现象也是时有发生，造成人员伤害的一个原因。有紧急停车功能时就可以让系统立即停止，避免伤亡的扩大化。
2.4可编程序控制器
可编程序控制器简称PLC，是随着科技的进步和生产方式的转变，为了适应生产需求，而产生并逐步发展起来的新型工控装置。因其通用性好，使用简单，工作可靠性高，在工业自动化领域得以广泛应用。 2.4.1 PLC的生产与发展
1．PLC的生产
最初人们使用的是电气控制装置，只能使用一些简单的控制，随着生产机械对控制要求的不断提高，演变出多种形式的电器自动控制系统，如继电-接触器控制系统，是通过各种控制元器件间不同的连接实现。虽然具有很多优异的特点，但还存在通用性、灵活性差，运行费用高、噪音大，体积大、消耗材料多，功能局限，可靠性低，不具有
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通信、网络控制功能等不足之处，极大的了其发展。
为了解决继电控制系统存在的这些问题，人们开始思考利用计算机灵活性强、通用性广、功能完善的特点解决存在的问题。但在当时计算机的原理很复杂，成本也高，编程难度大等条件的，这种设想最终也只能是设想而已。
1968年GM公司为了解决汽车生产线中的继电控制系统中存在的性问题，面向社会提出了一种有十大技术要求的新型控制器，进行公开招标。1969年，DEC公司研制出了第一台可编程控制器PDP-14，在美国通用汽车公司的生产线上试用成功，并取得了满意的效果，可编程控制器自此诞生[3]。
随着第一台PLC的产生，日本、德国、法国等通过引进美国的制造技术，相继研制出了自己的PLC。20世纪70年代，微处理器在PLC中开始被采用，将PLC最初的逻辑处理功能拓展到了数据处理。因此，NEMA在1980年对PLC进行了定义，“PLC是一种带有指令存储器、数字或模拟输入/输出接（I/O）口，以位运算为主，能完成逻辑、顺序、定时、计数和算术运算功能，面向机器或生产过程的自动化控制装置[4]。”
2．PLC的发展
PLC的发展大致可以分为4个阶段： 1970～1980年，结构定型阶段。 1980～1990年，普及与系列化阶段。 1990～2000年，高性能与小型化阶段。 2000年至今，高性能与网络化阶段。
从产品技术性能上看，PLC的发展趋势为小型化、高性能和网络化这三个方面。小型化是体积的小型化，是发展的必然结果。高性能化就是适当提高PLC的CPU和I/O两方面的性能，以适应不同控制系统的要求。网络化控制是信息技术发展的同时对自动化设备提的新要求，通过总线形式建立设备间的通信，以实现集中，统一控制。 2.4.2 S7-300 PLC
随着PLC功能的日益增多，它不仅可以用于单机控制，还实现多机群的网络控制系统；不仅可实现逻辑控制，还可以实现运动控制、过程控制和数据处理等，能满足工控领域的绝大数的控制要求。本设计中使用的是S7-300 PLC作为保护系统的控制器。
S7-300是西门子公司所生产的中型PLC，采用的是模块化结构，电源、CPU和其他模块都是的，模块间通过总线连接器来连接，PLC可直接安装在DIN标准导轨
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上。S7-300 PLC功能强、扩展性好、I/O点数多、使用方便灵活，还具有运算速度快、软件功能强、通信性能好、适用范围广等特点。
S7-300 PLC的CPU模块最多可直接连接8个I/O模块，I/O点数最多有256点。若想实现对大范围或更大范围的控制，需要选配IM360/361/365接口模块或PROFIBUS-DP总线。
2.5变频器
随着计算机控制技术、电力电子技术、微电子技术以及自动控制技术理论的不断发展，变频器的制造技术也有了跨越式的进步，使得以变频器为核心交流电机调速技术广泛应用在了国民经济的各个部门，在自动化工业领域，交流电机调速已取代了传统直流调速系统，并且大大的提高了技术经济指标。
本设计主要是针对两级输送带所设计的保护系统。在输送带上，有没有煤以及煤量的多少都会影响其运行速度，为了避免或缓解这种现象，需要用相应的设备来控制驱动电机以实现控制皮带的传送速度。为了能让皮带恒速运行或趋于恒速运行，本设计选用的是西门子的MM 440 变频器进行调速动作。
MICROMASTER 440是用于控制三相交流电动机速度的变频器系列。该系列具有多种型号，额定功率范围从0.12 kW到200 kW的恒转矩控制，可供用户选用[5]。
该变频器是由微处理器实现控制，并采用具有先进技术水平的IGBT用作功率输出器件。因此，MM 440的运行具有很高的可靠性与功能的多样性。其PWM的开关动作频率是可选的，因此能够降低电动机运行时产生的噪声。同时，它们还具有全面而完善的保护功能为变频器和电机提供了良好的保护。
MM 440具有缺省的参数设置，还具有全面而又完善的控制功能，用户可以根据现场控制的要求来设置相关的参数值，可以实现简单的电机控制，也可用在更高级的电机控制系统中。MM 440不仅能用在单独驱动系统中，也可集成到自动控制系统中使用。
2.6 PID控制
2.6.1比例、积分、微分控制
1．比例（P）控制
比例调节是一种最简单的连续控制方式[6]。比例控制器的输出信号和输入信号成正
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比例关系，具有以下几个特点。
① P调节的动作快，抗干扰能力强。一旦有偏差产生，比例作用就立即改变调节器输出的信号，能快速的克服干扰引起的被控参数的波动，且随着偏差的增大克服能力也会增强。
② P调节是种有静态误差的调节。也就是说，若调节器只采用比控制，就会使控制系统不可避免的存在静差。因为这种调节器是根据偏差信号调节的，偏差为零，调节器的输出也会为零，会使控制器系统失去调节作用。
③ 比例控制系统的静态误差会随比例度的增大而增大。要减小系统静差，就必须减小比例度，但同时也会降低系统的稳定性。
④比例度减小，不仅可以使系统的静态误差减小，而且还能让系统的惯性减小，系统的响应速度得以加快。比例度是具有临界值的，当其达到临界值时，系统处在稳定边缘，若比例度再减小，控制系统就不能稳定了。
2．积分（I）控制
控制器的输出信号与偏差信号的积分成正比关系。 ① I调节是一种无差调节。
② 与比例调节相比，其调节过程比较慢，系统的稳定性也比较差，这是积分调节所具有的最大缺陷。因此，在需要实现无静差调节时，P、I调节是一起使用的，组成调节性能更好的PI调节器。
③ 积分时间是积分调节的重要参数，当减小时，系统的响应速度虽然会有所提高，但却使系统的不稳定程度加剧。
3．微分（D）调节
微分调节的作用是根据被控参数变化的速度来调节的，在被控参数出现较大偏差前进行调节动作，也就是说在某种程度上给调节器赋予可预见功能。但单纯的微分调节是不能单独工作的，因为在实际中调节器都具有一定的不灵敏区。 2.6.2输送带的闭环调速
带式输送机运行中，空载时是一个速度，当输送带上面承载有煤料时，输送机的负荷增大，输送带的运行速度会降低。若不使用闭环调速，输送带上煤量的改变，会造成输送带传送速度时快时慢，不利于控制，容易给胶带输送机的输送过程带来一系列故障，降低工作现场的安全性。因此，必须使用闭环控制对调节输送带进行调速。
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图2.1 闭环控制图
用速度传感器连续的检测输送带运行的速度，并将传感器中对应的模拟量信号传送给PLC，在PLC中实现PID调节功能，输出相应的控制信号给MM440变频器，改变其输出电压频率值控制输送机的传送速度，实现对输送带速度的闭环PID控制，框图见图2.1，其中调节器用PLC实现，被控对象为变频器和输送机的组合。
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第三章 胶带输送机综合保护系统硬件设计
3.1传感器的选型
根据保护系统的需求选择传感器时，要尽量选择出自同一个生产商家的设备，这样便于批量订货；选择时还需要注意它们的正常工作电压，要选择尽量相同或档次最少，这样有利于供电电源的设计或选择；在同等保护效果下降低成本也是选择时需要参考的因素。
3.1.1传感器供电电源
由于传感器的生产商的不同，它们的参数也会有所不同。有些传感器不需要电源，有些需要接电源，而需要供电的传感器也会有其不同的额定工作电压，如果工作电压是24V可以接到PLC的电源模块上，其它的就需设计或选择适合的电源供电。
本设计选择的是久星的DHK-(B)型矿用本安电源，具有防爆标志Exib I。安装于安全场合或隔爆腔内，用于向I类的本质安全型设备提供电源，该电源装置具有双重化的过流过压保护，双重化的稳压输出功能。技术参数见表3.1。
表3.1 DHK-(B)技术参数表
输入 额定电压AC（V） 127 200 电压波动范围（V） 127波动范围95-140 220波动范围165-242 隔离 Va.c 本安输出 最高开路电压（V） 最大输出电流（A） 1.8 1.3 1.0 1.0 0.5 3000 5.5 12.5 15.5 18.5 24.5 3.1.2跑偏传感器
跑偏传感器是跑偏保护的重要设备，当输送带出现跑偏时会给PLC发出电平信号，便于及时的对输送带实施有效的控制。
1．技术参数
型式：矿用本质安全型，符合GB3836.4中对简单设备的规定。
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防暴标志：Exib I 品牌型号：润煤，GEJ30 动作角度：30°±3° 跑偏传感器动作级数：单级 输出：无源型，节点式 节点形式：常开型 接点容量：DC 24V/0.5A 2．工作原理
跑偏传感器安装于输送机的机头或机尾的两侧，也可以根据需要在输送带的中间适当位置进行安装。同时要调整好探杆与皮带之间的距离。本设计中该传感器安装在机头部位的两侧。
跑偏传感器是机械开关式的，本身不容易损坏，探杆上面装有滚动的护套，为了避免探杆与输送带间进行摩擦。当输送带正常运行时，跑偏传感器的探杆在竖直的位置。当输送带碰到跑偏传感器的探杆并且带动探杆轴旋转，当探杆偏转到一定角度时，拨动传感器内的行程开关，输出跑偏信号。 3.1.3撕裂传感器
防撕裂是本保护系统中非常重要的一项保护，是由撕裂传感器进行实时监控，当出现故障时，给PLC输出一个电平信号。
1．技术参数
防爆型式：本质安全型，Exib I 品牌型号：润煤，GVD30 动作角度：30° 输出：无源型，节点式 节点形式：常开型 触点容量：DC 24V/1A 2．工作原理
该传感器是由壳体、活动挡板（安装磁铁）、挡板轴及支架、干簧管及支架等组成。结构设计合理，安装使用方便，动作灵敏可靠。
该撕裂传感器安装于距离带式输送机装煤点落煤处适当位置皮带的下面，当皮带出
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现撕裂现象时，输送机上运载的煤就会有部分落在下运皮带上，当下运皮带上堆积的煤量达到一定量后，运行的皮带就会使活动挡板自动摆动，挡板（磁铁）摆动的位置接近干簧管的支架时，干簧管吸合，干簧管动作发出的信号可以输出给PLC等控制设备，实现对输送机自动停车保护，防止撕裂事故扩大，从而避免给企业造成更严重的硬件设备损失，使生产安全得以保证，当活动挡板前堆积的煤清除干净后，该装置的活动挡板自动复位正常的待机状态。 3.1.4堆煤传感器
堆煤传感器用于检测两级皮带搭接处或堆煤仓的煤位，当出现堆煤时，给PLC输出电平信号，控制输送机的状态，起到堆煤保护的作用。
1．技术参数
型式：矿用本质安全型 防爆标志：Exib I 品牌型号：润煤，GUJ30
触点动作时探杆摆动角度：30°±3°，任意方向（360°方向） 输出：无电位触点 触点形式：一常开、一常闭 接点容量：30V/0.5A 2．工作原理
该传感器在安装使用调整时十分方便，具有防护好、不易损坏等优点，在使用时能保证长时期可靠工作。
该传感器是机械开关式的，需要安装在输送带与储煤仓搭接的机头或两级输送带的搭接的机头处。当煤位升高推动传感器的触杆偏离中心线达到一定角度时，输出的常开接点闭合，当堆煤现象消失时，探杆自动返回原位经过复位角时立即复位，输出的常开节点断开。 3.1.5烟雾传感器
烟雾传感器用于检测和预报机械摩擦、电气设备故障引起的电缆起火和煤层中自燃等原因引起的火灾事故。它给PLC中输入的是开关量故障信号，便于PLC进行后续处理并做出相应控制动作。
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1．技术参数 型式：本质安全型 防爆标志：Exib I
品牌型号：煤安证，GQQ0.1 工作电压：DC 12-24 V 工作电流：≤ 100 mA 动作电流：≤ 150 mA 输出：继电器输出 线制：四线制
触点形式：一常开，一常闭
触点容量：AC220 V/1 A、DC28 V/3 A 2．工作原理
烟雾传感器安装在被测环境中，环境中的气体通过传感器上的气孔流入和流出，当经过烟雾探头的气体烟雾超标时继电器吸合，常开点闭合，当气体烟雾量正常时，继电器释放，常开点断开。 3.1.6速度传感器
速度传感器是用于检测输送带的速度，并把所检测出的数值传送到PLC中进行判断和处理。它的作用涉及到系统中打滑保护、断带保护、胶带输送带是否进入正常运行状态，以及PID闭环调速。因此，速度传感器也是十分重要的设备之一。
1．技术参数
防爆型式：本质安全型，Exib I 品牌型号：鑫煤，KG5007A 工作电压：15～18 V 工作电流：≤100 mA
电流输出：皮带速度0～Vs，对应的电流4～20 mA
Vs可以通过传感器内的拨动开关设定皮带速度的额定值 继电器接点输出接点容量：DC 27 V/1 A
设定额定的带速Vs范围：0.8～6 m/s，分20档，见表3.2
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表3.2 额定带速设定表
2．工作原理
速度传感器安装在输送机下面，当输送机运行时，紧贴在皮带上的滚轮会带动转盘在其内部光电传感器的凹槽内转动，而光电传感器的光路通断受到齿槽控制，输出相应的方波频率信号。该频率信号通过频率/电压变换后，再送到电压/电流变换电路中输出4～20 mA的电流信号。
3．接线
KG5007A速度传感器的接线排上14个接线端子，各端子分配见图3.1。 1 起动信 号输入
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 （地）
运行信号输出
断带保护输出
打滑保护输出
电流 输出
13 14 （地） 频率 输出
（+） （-） 直流电 源输入
图3.1 速度传感器端子分配图
该传感器电路板上有三个焊点组成的选择焊点，在使用时，若将焊点1、2短接，1、3断开，该传感器由电气控制装置给出起动信号；若将焊点1、3短接，1、2断开，选择使用内部启动检测电路进行启动。本设计中该传感器使用的是内部启动检测电路，与PLC连接时，因需要其输出的电流值，所以将11、12端子正确的接入PLC模拟量输入
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模块中。该传感器需用外部电源给其供电，则3、4两个端子接入DHK-(B)型矿用本安电源。
3.1.7温度传感器
在运行的过程中，驱动滚筒与输送带之间会因摩擦而产生热量的变化，当它们之间出现严重打滑时，会使驱动滚筒上的温度快速升高。温度传感器检测的就是驱动滚筒上的温度值，并传送给PLC进行处理，是超温报警和洒水降温功能的重要设备。
1．技术参数
防爆形式：矿用隔爆型，Exib I 型号：WED42-3
生产厂家：徐州中安机械制造有限公司 额定工作电压：9～24V 最大工作电流：≤50 mA 线制：三线制
电流输出：0～100℃，对应4～20 mA 2．工作原理
温度传感器的测温触头放置在被测设备恰当位置处，当被测设备温度变化时，传感器中的热敏元件跟着动作，特性发生相应的变化，影响其所在的回路中电流的变化，输出一个4～20 mA的电流值。
3.接线
WED42-3型温度传感器选用的是三线制的，如图3.2。 红线—电源正
黑线（或白线）—电源负
兰线—电流输出取样端，可以接PLC模拟量输入
图3.2 温度传感器接线端
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3.1.8光电传感器
光电传感器即光电开关，是一种接近开关，它是利用被测物体通过时对光束的反射或遮挡，由同步回路选通电路动作，从而检测是否有物体通过。物体不局限于金属，凡是能反射光线的物体都可被检测。在本设计中，光电开关的作用是检测输送带上是否有物料，它是实现防重载启动和长期无物料自动停车功能的重要组成设备。
1．技术参数
检测方式：直接反射式 品牌型号：VISI，VE-M18-30P1 检测距离：30 cm
输出方式：PNP，常开（接近开关） 电压：DC 10～30V 2．工作原理
该光电传感器中的主要器件是光电耦合器，它是一种以光为媒介传输电信号的电—光—电转换器件，由发光源（发光二极管）和受光器（光敏三极管）组成。接线端子分为棕色、黑色和蓝色三种颜色，分别对应+V、OUT和0V端口。在+V和0V端加上电压后，其中的发光二极管发光，发光的强度与激励电流大小有关，当此光遇见物体反射后进入在一起的封装受光器上，使光敏三极管导通，由受光器的输出端OUT输出相应的电压信号。 3.1.9双向拉线开关
1．技术参数
防爆型式：本质安全型，Exib I 品牌型号：润煤，SFDL-S 触点数量：常开2个，常闭2个 触点容量：AC 380V/5A 复位方式：手动复位 2．工作原理
该双向拉线开关是一种机械开关传感器，他即具有行程开关、微动开关的特性，又同时具有传感器的特性，还具有动作可靠、频率响应快、性能稳定、抗干扰能力强、使用寿命长、防水、防震、耐腐蚀等特点。
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拉线开关安装在输送机的一侧机架上，开关间的距离小于40m为宜，拉绳系在开关转臂拉环孔上。当发生人身伤害或设备故障时，拉动拉线，作用在凸轮上迫使微动开关动作，向PLC发出故障停机信号。拉线开关动作同时进行机械自锁，当故障排除后，必需人工按复位按钮进行复位。 3.1.10其它设备的选择
除了以上的这些传感器外，还需要选择启动、停止的点动按钮，手/自动切换的非点动按钮，水用电磁阀，信号灯，继电器和电位器等设备。
1．点动按钮
本保护系统中需要用6个按钮，分别用于自动时启动和停止，手动时输送机M1、输送机M2的启动和停止，启动统一用绿色按钮，停止用红色。
技术参数：
用途：适用于交流50Hz，交流电压380V及以下，直流电压200V及以下 品牌型号：森奥，LA39-11 出点形式：一常开，一常闭 颜色：红、绿、黄、白、蓝、黑 2．水用电磁阀
水用电磁阀用于驱动滚筒处洒水降温的管道上，由PLC输出信号控制洒水动作的启停，需要选择2个。
技术参数：
品牌型号：CNHUAL华龙，2W160-15 动作方式：分步直动膜片式 形式：常闭或常开 标准电压：DC 24V
最大耐压力：1.0Mpa（常开0.8Mpa） 3．信号灯
本设计中需要用20个信号灯，用来指示带式输送机的运行状况，以便于在出现故障时，准确并及时的进行维护，降低故障带来的经济损失。物料指示的信号灯选黄色，启动和正常运行用绿色，其他均用红色。
技术参数：
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型号：XDB-1 类型：LED信号灯 颜色：红、绿、黄 电压：24 V
3.2变频器的使用和参数的设定
本设计中用的是MM440变频器，想要使用这个变频器就必须先知道它输入输出电路是什么样的？控制电动机是需要设定那些参数？
1．MM440的输入输出电路图
图3.3 变频器控制电路输入输出电路简图
变频器输入输出电路如图3.3所示，根据输送系统的控制要求，需要用MM440变频器的模拟量输入1通道，调整变频器输出的频率，从而调节输送带的运行速度。还需要使用一个变频器的数字量输入端口5，用来接收控制输送机的启动和停止信号并执行相应动作。
2．MM440变频器参数的设置
对MM440进行调试时，首先，进行参数复位，将参数恢复到出厂状态的默认值。设置P0010=30，再设置P0970=1对变频器进行复位，复位过程大约需要3分钟。然后再进行快速调试，需要设置电机的相关参数和一些基本的驱动控制参数，使变频器可以
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良好的驱动电动机运行。最后进行功能调试，按照生产工艺的要求设置操作，一般需要在现场多次调试。
设置电动机参数，使电动机与变频器相匹配，电动机参数设置见表3.3。电动机的参数设置完后，设P0010=0，也可以设置P3900=3，结束快速调试，变频器处于准备运行状态。
表3.3修改电动机参数
参数号 P0003 P0010 P0100 P0300 P0304 P0305 P0307 P0308 P03010 P03011
描述 用户访问级为标准级 快速调试 功率以KW表示，频率为50Hz 选择电动机类型 电动机额定电压 电动机额定电流 电动机额定功率 电动机额定功率因数 电动机额定频率 电动机额定速度 出厂值 1 0 0 1（异步） 230 3.25 0.75 0.000 50.0 0 设定值 1 1 0 根据电动机的铭牌值设置 （P0010=1时才能进行设置） MM440模拟量信号的操作控制参数的设置，设置模拟量输入1通道可以接收相应的模拟量信号，调节变频器输出频率。数字量端口5（DIN1）控制输送机的驱动电动机正转启/停。参数设置时按照表3.4中参数的顺序进行设置。
表3.4 变频器驱动参数的设置
参数号 P0003 P0004 P0700 P0003 P0004 出厂值 设置值 说明 1 0 2 1 0 1 7 2 2 7 用户访问级为标准级 命令和数字I/O 命令源选择端子排输入 用户访问级为扩展级 命令和数字I/O 21
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P0701 P0003 P0004 P1000 P1080 P1082 P1120 P1121 P3900
1 1 0 2 0 50 10 10 0 1 1 10 2 10 50 10 10 3 ON接通正转，OFF停止 用户访问级为标准级 设定值通道和斜坡函数发生器 频率设定值选择为模拟量输入 电动机运行的最低频率（Hz） 电动机运行的最高频率（Hz） 斜坡上升时间（s） 斜坡下降时间（s） 结束快速调试，进行点击计算不复位I/O 3.3控制器 PLC模块的选择
根据上面所选择的设备型号及参数统计得出表3.5数据。胶带输送机综合保护系统总共用到22个数字量输入，25个数字量输出，5个模拟量输入和2个模拟量输出。根据统计数据选择PLC的模块有：
表3.5与PLC连接的设备信息统计
名称 启动按钮（点动） 停止按钮（点动） 手自动切换（非点动） 拉线开关 跑偏传感器 堆煤传感器 撕裂传感器 光电传感器 烟雾传感器 信号灯 电磁阀 I/O I I I I I I I I I O O AI/AO 22
数量 3 3 1 1 4 2 2 4 2 20 2 AI/AO的范围
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继电器 变 频 器 温度传感器 速度传感器 电位器
O O AO AI AI AI 1 2 2 2 2 1 0～10 V 4～20 mA 4～20 mA 0～10 V 电源模块PS307：型号6ES7 307-1EA00-0AA0，120/230 VAC输入，24 V/5A DC输出
CPU模块CPU315-2DP：型号6ES7 315-2AG10-0AB0，标准型，功耗4.5 W 混合数字量输入/输出模块SM323：型号6ES7 323-LBL00-0AA0，16点DC 24V输入，16点DC 24V/5A输出，功耗6.5W，选用2个
混合模拟量输入/输出模块SM334：型号6ES7 334-0CE01-0AA0，4个模拟量输入通道，输入范围0～20 mA（可选）电流，2个模拟量输出通道，输出范围0～10V（可选）电压，功耗3W，选用1个
模拟量输入模块SM331：型号6ES7 331-1KF01-0AB0，电压输入0～10V（可选），功耗0.4W，选用1个
3.4电路原理图设计
1．传感器的供电电路
本设计中，速度传感器、温度传感器和烟雾传感器都需要外接电源为其供电。速度传感器的工作电压为DC 15～18V，温度传感器的工作电压为DC 9～24V，烟雾传感器
图3.4烟雾传感器和速度传感器供电电路
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的工作电压为DC 12～24V。根据它们额定工作电压的不同，速度传感器和烟雾传感器用外接电源供18V电压，温度传感器用PLC的电源模块供24V电压。供电设计见图3.4和图3.5。
图3.5温度传感器供电电路
2．变频器的接线
图3.6变频器的接线电路
MM440变频器接线如图3.6所示。端口1输出的是10V电压，端口2为0V，由这两个端口给用作输送带速度给定电位器加上10V电压；端口3、4为变频器模拟量输入通道，接到PLC的模拟量输出通道控制变频器的输出频率；端口5为数字量输入，接PLC的数字量输出，控制变频器启/停输送机。端口9需接PLC的电源模块的0V这样就可以使PLC输出的数字量信号与变频器中的接受部分构成回路，变频器中输入的信号才能有效接受。
3．PLC输入输出模块的接线
图3.7是SM323、SM334、SM331模块的接线图，SM323、SM334都需要用PS307供电，SM331不需要接PS307。根据选用的设备的类型，正确的将其接入PLC中。
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图3.7 SM323\\SM334\\SM331的接线图
胶带输送机综合保护系统硬件电路的总体设计图见附页。其中变频器上接的断路器按驱动电动机额定电流的1.2～1.5倍选择，其它各断路器按各自电路中设备的额定电流选择合适的。
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第四章 胶带输送机综合保护系统软件设计
4.1硬件组态
S7-300 PLC编写程序是STEP 7编程软件中进行的。建立新项目后首先需要对PLC设备进行硬件组态，然后就可以在组织块、功能、功能块中编写相应的程序，主程序是在组织块OB1中进行编写。 4.1.1编程软件STEP 7
STEP 7软件是适用于S7-300 PLC、C7集成式PLC、M7工业控制系统，是提供了编程 、监控及参数设置的标准工具软件。它不仅是个编程软件，还可以对PLC进行硬件组态，根据需要选择合适的硬件配置。STEP 7还有网络组态的功能，提供了MPI、AS-i、PROFIBUS等子网络，可以构建复杂的网络体系。这个软件也能与S7-PLCSIM软件一起使用，构建仿真模拟，可以对程序进行调试，也可以诊断硬件配置等，用以避免错误的硬件组态带来的损失。
STEP 7软件可以在PC机上使用，但需在其上配置PC/MPI通信适配器或MPI通信卡，然后将PC机接入PROFIBUS或MPI网络中，便于用户程序与硬件组态的下载和上传，但不允许对多个程序和组态数据进行下载。 4.1.2硬件组态
在STEP 7中，硬件组态是基础，其它东西都是建立在正确的组态上实现的。首先，创建个新项目，这个项目中就有MPI网络，却缺少硬件配置等信息，只是个框架。下一步，就需要给新建的项目配置站点、模块等基本信息。在项目名上单机鼠标右键插入SIMATIC 300的站点信息，然后就可以进行硬件组态了。双击进入硬件，会弹出一个对话框，但对话框中的左边什么都没有，也没办法插入各模块的信息，这是由于没有Rail导轨。插入导轨后就可以插入各硬件模块了。上面的操作完成后，就可以进入程序块中编写程序了。
硬件模块插入Rail导轨中是有的，前三行只能按电源模块、CPU模块、接口模块放置，其它行就可以放置数字量输入/输出模块、模拟量输入/输出模块、功能模块、信号模块等，放置位置不固定，除了第一行和第三行可以空之外，其他相邻行间不能有空格，本设计的硬件组态如图4.1所示。
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图4.1 硬件组态
4.2地址的分配
本设计中有22个数字量输入、25个数字量输出、5个模拟量输入和2个模拟量输出，根据这些量选出了2个SM323（订货号6ES7 323-1BL00-0AA0）、1个SM334（订货号6ES7 334-0CE01-0AA0）和1个SM331（订货号6ES7 331-1KF01-0AB0）等模块。
1．模拟量输入/输出地址的分配，见表4.1。
表4.1 模拟量地址分配表
名称 地址 模拟量输入 名称 地址 M1温度传感器输入量 M1速度传感器输入量 电位器输入量 PIW288 PIW290 PIW304 M2温度传感器输入量 M2速度传感器输入量 PIW292 PIW294 模拟量输出 M1变频器输入量
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PQW288 M2变频器输入量 PQW290 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）
2．数字量输入地址的分配，见表4.2。
表4.2 数字输入量地址分配表
名称 总启动 总停止 紧急停车 M1跑偏传感器1 M1跑偏传感器2 M1堆煤传感器 M1撕裂传感器 M1光电传感器1 M1光电传感器2 M1烟雾传感器 手自动切换
地址 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 I1.0 I1.1 I1.2 名称 M1启动 M1停止 M2跑偏传感器1 M2跑偏传感器2 M2堆煤传感器 M2撕裂传感器 M2光电传感器1 M2光电传感器2 M2烟雾传感器 M2启动 M2停止 地址 I1.3 I1.4 I2.0 I2.1 I2.2 I2.3 I2.4 I2.5 I2.6 I2.7 I3.0 3．数字量输出地址分配，见表4.3。
表4.3 数字输出量地址分配表
名称 起动信号指示 M1载料信号指示 M2载料信号指示 停止信号指示 抱闸信号输出 M1堆煤信号指示 M2对没信号指示 M1撕裂信号指示 M2撕裂信号指示 M1跑偏信号指示 地址 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6 Q0.7 Q1.0 Q1.1 28
名称 M1温度报警指示 M2温度报警指示 M1正常运行指示 M2正常运行指示 M1断带信号指示 M2断带信号指示 M1打滑信号指示 M2大话信号指示 M1洒水电磁阀 M2洒水电磁阀 地址 Q1.5 Q1.6 Q1.7 Q2.0 Q2.1 Q2.2 Q2.3 Q2.4 Q2.5 Q2.6
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M2跑偏信号指示 M1烟雾信号指示 M2烟雾信号指示
Q1.2 Q1.3 Q1.4 M1变频器启动信号 M2变频器起动信号 Q2.7 Q3.0 4.3初始化程序设计
编写初始化程序是程序设计时一个良好的编程习惯。虽然初始化程序用处不大，但若缺少可能会使整个程序运行时出现不可预知性。初始化程序的作用是初始一些程序中需要用到的变量（清0或置1相关参数），也可以根据需要设置一些需多次使用的变量并赋以初值，便于后期进行修改。当需修改某一指令的操作数时，不至于找遍整个设计项目，却还漏掉一些参数没修改。本设计中，设计了两个初始化程序，一个是完成PLC上电后的初始化工作，初始一些变量值，在组织块OB100编写相关程序实现；另一个的作用是在有启动信号时给相关参数清0，在FC1中编写的。
1．FC1初始化程序
FC1初始化程序是在有启动信号是调用一次，初始化一些用在故障信号储存的M存储器，初始的变量及功能见表4. 4。
表4.4 FC1初始化变量
地址 MW0 MB2 MW98 MD100 QD0
初始值 0 0 0 0 0 注释 输送带运行时开关量故障存储的位置 输送带M1、M2故障信号汇总时存储的位置 启动时相关故障存储的位置 运行时用于去掉开关量故障抖动的数据存储位 存有故障信号输出位，输送带的启停位 2．OB100初始化程序
OB100初始化程序中除了初始与FC1中相同的变量外，还给与PID功能块、量程转换相关的一些参数进行赋值，赋值见表4.5，其中PID各参数可以根据需要进行重新赋值，使的PID改变参数更加方便。
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表4.5 OB100初始化变量
地址 MD4 MD18 MD22 MD46 MD50 MD74 M3.1 M3.2 M3.3 初始值 注释 地址 MD110 MD114 MD118 MD120 MD124 MD128 M3.4 M3.5 初始值 1 T#10MS T#0MS 1 T#10MS T#0MS 0 1 注释 M1比例增益 M1 积分时间常数 M1 微分时间常数 M2 比例增益 M2 积分时间常数 M2 微分时间常数 FC105\\FC106极性选择 PID 手动开关 T#100MS 采样周期 60.0 70.0 0.0 0.0 30.0 1 1 1 超温报警限 自动洒水限 M1 PID输出 M2 PID输出 最小给定值 比例开关 积分开关 微分开关
4.4其它中间变量
设计软件程序过程中，除了初始化了表4.4和4.5中的变量外，还用到了一些其他变量值，见表4.6。
表4.6 其他主要变量作用
地址 MD10 MD34 MD26 MD42 M3.0 说明 M1温度输入转换后的值 M1速度输入转换后的值 正常运行速度限 电位器转换后的值 PID手动开关 地址 MD14 MD38 MD30 M78 说明 M2温度输入转换后的值 M2速度输入转换后的值 断带速度限 PID给定值 FC105、FC106错误信息 MW60、MW62、MW、MW66、MW68、MW70、MW72 其中各变量值之间的关系为：
PID给定值：MD78 = 电位器MD42 + 最小给定值MD74，（MD78为0～100的值） 正常运行速度限：MD26 = MD78×0.8 断带速度限：MD30 = MD78×0.3
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4.5故障检测程序设计
故障检测部分的设计是整个保护系统中特别重要的组成部分，根据不同情况下故障检测的需要，这部分又分成两块进行设计，一个是有启动信号时的故障检测，一个是启动之后，运行时的故障检测。这两种状态的检测程序一般不同时使用，避免两者之间相互作用而出现检测错误。
1．启动状态的故障检测
启动时需要检测的故障信号有跑偏信号、撕裂信号、重载信号、烟雾信号、堆煤信号等。该程序是在FB1功能块中进行编写的，程序设计的结构框图如图4.2所示。
图4.2 启动故障检测结构框图
当有启动信号时，对启动信号进行延时处理如图4.3a，起动信号后面连接一个接通延时定时器（S_ODT）指令。当该定时器达到100MS后，证明该启动信号是有效的，然后进行故障信号的判断。如图4.3b故障判断程序，QW0中包含有需要判断的各故障信号，将其值传送到MW98中，再经过与#IN2中的值进行与运算后将不需要的位置0，然后与0进行比较。如果MW98等于0则没有故障，将输出信号#OUT1置1；若MW98不等于0，说明有故障，不对#OUT1操作。
2．运行状态的故障检测
运行时故障检测是在中断OB35组织块中编写的，包含了运行时所有故障信号的检测、判断，其中还有PID功能块的使用，程序结构框图见图4.4。
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a b
图4.3 启动时故障检测程序
图4.4 OB35中断程序结构框图
运行时在OB35中会检测所有的故障信号，但由于输送机运行时产生震动，会影响开关及开关量传感器，产生误动作而导致停车，因此需要对开关信号进行去抖动处理。去抖动程序如图4.5所示。当有有效的起动信号后，OB35中的开关量故障检测才能使
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用，检测的开关量信号储存MW0中。先判断MW0是否等于0，若等于0则系统中没
图4.5 开关量故障信号去抖动程序
有故障信号。若MW0不等于零，则表示此时有故障信号，但不确定是不是因为震动引起的，需进行去抖动处理。将MW0中的数据先移动到MW100中，等到100MS后中断程序再次执行故障检测，如果这次的MW0中的数值等于MW100中的值时，说明此故障信号是真实存在的，不属于误动作，然后将其传值给QW0，点亮相应的信号灯；若MW0中的值不等于MW100中的值时，则此故障是误动作引起的，过滤掉，不进行处理。
4.6主程序设计
主程序是整个胶带输送机综合保护系统的主干，连接了各个程序块，使之构成一个能够实现所需功能的完整的保护控制系统。在主程序OB1中，编写了手/自动切换和长期无煤料时输出自动停车信号的功能程序，还包含有初始化程序、自动控制程序、手动控制程序和量程转换程序，在满足设定条件时对它们进行选择性调用。主程序设计的结构框图见图4.6。
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图4.6 主程序结构框图
1．手/自动切换功能
手/自动切换功能也是综合保护系统中比较重要的一个功能。自动控制是实现输送带连续工作，进行连续生产，也可以称为集中控制。而手动控制是在控制对象出现故障后，使用的一种控制手段，是对单台输送机进行控制，适用于系统故障检修或维护时进行操作，可称之为单机控制。手/自动切换功能由图4.7中梯形图实现，只有在胶带输送机M1、M2都处在停止状态时才能进行切换。切换按钮没有按下时，对切换标志位M3.0清0，进入自动控制。
图4.7 手/自动切换程序
2．长期无煤料自动停车功能
在生产线上，胶带输送机运行中输送带上没有物料也是会出现的，但如果长时间没有物料，就有可能是上一级生产线由于故障等原因出现停车，为了避免带式输送机这种长期空转而没有实际生产效益，在设计中就加入了长期无物料状态时自动停车功能。功
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能程序如图4.8所示，此功能只是在自动运行状态下使用，当整个输送系统启动后，在中断OB35中检测输送带上载料的状态，如果10 min内两条输送带上都没有煤料，将M2.4这个标志位置1，在后面的控制程序中进行停车。
图4.8 无料时自动停车程序
4.7自动控制程序设计
图4.9 自动控制程序结构框图
图4.9为自动状态下输送系统的保护控制程序，其中包含了输送带的启动顺序、停止顺序和各类故障信号的处理等内容。当有启动信号后，先启动下层的输送机M2，10s后再启动输送机M1，此时若有故障信号出现，就会中断启动动作，按顺序停止M1、M2输送机。故障信号分为M1故障和M2故障，当M1故障时，M1立即停车，M2在
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10s后也停止运行；当M2故障时，M1、M2同时进行停车。当按下停止按键或有长期无物料的停车标志信号时，停车顺序按M1故障时停车顺序执行。若有紧急停车信号出现时，同时停止M1、M2运行，并输出抱闸信号。
4.8手动控制程序设计
当输送系统出现故障时，就需要进行单机操作，这样会使检修、维护更加方便，同时还能监控检修时的状态，使检修人员更有目的性，可以缩短检修时间，图4.10为手动
图4.10 手动控制程序结构框图
状态时系统的保护控制程序结构框图。当出现启动信号时，若是M1的，则只启动M1这个输送机。当出现M1故障停车信号或操作人员按下停止按钮发出的停止信号时，就只对M1输送带进行停车处理。M2输送机控制程序和M1的相同。如果有总停止信号或紧急停车，则同时停止M1、M2的运行。M1、M2都停止就关闭启动信号灯。
4.9量程转换程序设计
温度传感器和速度传感器输出的模拟量都是4～20 mA，由电位器输出给PLC的是0～10V 的电压信号，虽然量程都不一样，但经过SM334和SM331这两个模块A/D转换后，转换成了0～278这个量程，不便于在程序中进行计算处理。经过PLC中PID功能块得到的控制输出量需要输送给变频器，但变频器模拟量输入口接收的是0～10 V
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的电压信号，因此又涉及到量程的不对应。想要解决这些问题就需要将最初的量程范围进行转换，本设计程序中调用FC105和FC106进行需要的量程转换。
1．FC105
FC105是输入量程转换功能程序块，可以将一个整形的数转换为上下限之间的实数值，如图4.11所示。IN输入的是整型值，如PIW288，HI_LIM是转换的量程上限值，LO_LIM是转换的量程下限值。BIPOLAR决定量程转换功能是单极性还是双极性。RET_VAL是输出的是转换时的错误信息，OUT输出的是转换后的实数值。
OUT的计算公式：
（4.1） 单极性时：K1 = 0.0，K2 = +278.0 双极性时：K1 = -278.0，K2 = +278.0
图4.11 输入量程转换功能程序块
用FC105程序块将温度和速度的数字量转换为0～100的数值，而速度转换为0～100的值而不是实际的速度值，是为了在程序中便于与其他量进行计算。将电位器输入给PLC的电压值转换为0～(100-x)的数值。电位器是用来调节输送带运行时速度，为了避免将输送带的速度调节为0，给输送带设置了最低速度值为x，即额定转速的x%。电位器经过量程转换的值与x相加作为PID的速度给定值。x的值是可以人为根据需要设置的，并储存在MD74中。
2．FC106
FC106是输出量程转换功能程序块，可以将实数值转换成上下限之间的实际工程的整型值，如图4.12所示。其中IN输入实数型的值，OUT输出的是量程转换后的整型数字量，其他输入参数和输出参数与FC105的一样。
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OUT的计算公式：
（4.2）
图4.12 输出量程转换功能块
用FC106需要转换的是PID控制输出值，将实数值转换成0～+278的整型数，才能正确的由模拟量输出模块的端口输出给变频器来调节输送带的速度。
4.10 PID控制程序设计
在本设计中，PLC是整个设计的中枢，具有保护和控制功能，但由于输送带的速度会随着输送带上煤料量的多少而发生变化，容易使输送系统出现堆煤等故障，或操作人员想根据输送带上煤量的多少进行平稳的调节输送带的速度。因此PLC还要作为PID控制器使用，对输送带进行闭环调速。 4.10.1 PLC实现PID控制的方法
用PLC实现PID控制可以有几种方法： 1．利用PID指令实现
许多PLC中都提供PID指令，如在S7-200 PLC中就有PID指令，该指令在使用时用户填写一张PID的参数表，然后就可以执行指令PID TABLE, LOOP。其中TABLE需要在V变量存储区中指定一个参数控制表的起始地址，参数控制表结构见表4.7。LOOP选择0～7的整数，表示此PID所针对的控制环号。
2．利用PID功能块实现
PID功能块是生产厂家提前编好的带有背景数据的子程序，包含有采样周期、PID参数、给定值、过程值、PID输出值等参数，用户可根据需要选择该功能块中的P、I、D控制。调用该功能块，并赋予需要的各参数值，就能实现PID算法。S7-300/400中就
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提供了多个PID控制功能块，见表4.8。
表4.7 PID参数控制表
参数编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 地址编号 + 0 + 4 + 8 + 12 + 16 + 20 + 24 + 28 + 32 PVn SPn Mn Kc Ts Ti Td MX PVn-1 in in in/out in in in in in/out in/out 调节量，即被控对象输出量 给定量 控制量，输出到被控对象 比例增益 采样时间，单位s 积分时间 微分时间 累积误差 上次执行PID指令时的调节量 变量名 变量类型 注释
表4.8 PID控制功能块的作用
FB41“CONT-C” FB42“CONT-S” FB43“PULSEGEN” FB58 FB59 连续调节控制器 步进调节控制器 脉冲宽度调节器 连续或脉冲输入的温度控制器 步进温度控制器
3．利用程序设计PID功能
上述两种PID算法都是固定的，一般采用的都是标准的的位置型PID。如果想使用其他的改进型PID控制算法，用户就需要自己编写程序来实现。使用PLC中常用的指令编写PID功能也是比较容易做到的。
4．利用PID硬件模块实现
随着PLC用在模拟量控制方面的增加，许多PLC生产厂家都开发出了专门用于模拟量控制的硬件模块。这种模块带有自己的内存和CPU，PID程序存放在模块的内存中，使用时十分方便，一个模块就可以多路闭环控制。如OMRON 200系列的PLC就用的
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温度控制模块、C200H-PID模块等。 4.10.2 PLC中PID控制器的实现
输送带的闭环调速使用的是连续调节控制器FB41功能块实现的，各参数的设置如表4.9所示，其中MAN_ON是PID的手动开关，由控制按钮确定其状态。当为1时，控制器中MAN手动值是多少则PID输出值LMN就输出多少；当为0时，也就是使用的PID功能调节，比例增益、积分时间、微分时间需要操作人员根据现场设备的不同来设置。
表4.9 PID主要参数设定
参数类型 输入 参数名 MAN_ON P_SEL I_SEL D_SEL CYCLE SP_INT PV_INT MAN GAIN TI TD LMN_HLM LMN_LLM 输出 LMN 参数类型 BOOL BOOL BOOL BOOL TIME REAL REAL REAL REAL TIME TIME REAL REAL REAL 赋值地址/数值 M3.0 M3.1 M3.2 M3.3 MD4 MD78 MD34 / MD38 MD78 说明 手动开关，1时手动 P作用使能开关 I作用使能开关 D作用使能开关 采样周期 内部设定值（给定值） 过程变量输入（反馈值） 手动值 缺省值 TURE TURE TURE FALSE T#1S 0.0 0.0 0.0 2.0 T#20S T#10S 100.0 0.0 0.0 MD110 / MD120 比例增益 MD114 / MD124 积分时间 MD118 / MD128 微分时间 100.0 0.0 MD46 / MD50 控制器输出操作值上限 控制器输出操作值下限 控制器输出操作值
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第五章 总结
本设计是基于对胶带输送机输送工艺深入理解的基础上，通过深入学习PLC控制技术、传感器技术、变频调速技术等理论知识，对胶带输送机自动停车系统进行研究设计。本保护系统是基于S7-300 PLC控制器，通过用各传感器进行信号采集，进一步提高了胶带输送机自动停车系统的准确性和可靠性。本文完成的主要工作：
1）根据胶带输送机在生产中易出现的问题，系统的研究胶带输送机自动停车保护控制的意义，本文是结合PLC技术、变频调速技术和传感器技术等先进技术设计的，可靠的保障了生产过程中的安全。
2） 根据胶带输送机综合保护系统的原理及功能，对设计系统进行整体规划，提出需要实现的功能，选择合适的硬件设备，绘制各设备之间的电气连接，完成硬件电路的设计。
3）根据硬件电路图以及各保护功能和控制功能之间的关系，设计软件控制程序，经过调试后，能够正确且可靠的实现胶带输送机综合保护系统所需的各项功能，达到了预期的设计效果。
在刚拿到这个毕业设计题目的时候，觉得这会是一个比较简单的设计，可是在做的过程中，随着对胶带输送机输送系统了解的加深，慢慢的发现了那个想法是错误的。想要做好一个设计，就是要不断的想，不断的问还需要什么？还应该做什么？该怎么做？在一个个问题提出与寻找答案的同时会使自己思想更严谨、更全面，这是单纯的理论知识不能办到的，基于实践的学习才能让自己成长的更快。这次毕业设计也使我学到了在设计工程项目时需要注意的哪些问题，让我更自信的迎接工作生涯的到来，为以后的工作奠定了基础。
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附录A PLC控制程序
1．主程序 OB1:
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2．中断程序 OB35：启动状态时故障扫描
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3．初始化程序 OB100：PLC上电后执行一次，初始一些参数、变量
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4．启动信号监测 FB1：起动信号的防抖动，启动时的故障检测
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5．启动时初始化程序 FC1： 每次启动时，对一些参数进行初始化
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6．手动控制程序 FC2：单机控制
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7．自动控制程序 FC3：集中控制
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8．量程转换 FC4：
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致谢
本论文得以顺利完成，首先要感谢我的指导****老师，从论文的选题、收集资料，到设计思想的建立，再到实验与写稿，****老师都给予我极大的指导和帮助。她在我思想陷入僵局时及时点醒，在我设计不够严谨时提出自己的看法，在我设计出现错误时及时纠正。她还严格的要求我，给我设定每个阶段应该实现的任务，并检查任务完成情况。在指导设计时，****老师耐心认真，给我提供她的独到见解，在最后阶段对本论文进行了认真的审阅，提出了修改意见。****老师以她渊博的知识、开拓的思想、敏锐的目光和严谨的工作作风熏陶着我，使我在潜移默化中受益很多。在此我由衷的感谢****老师对我的关心和帮助，送上我最诚挚的祝福，祝****老师在今后的生活中身体健康，合家欢乐。
感谢刘丕亮老师，在我毕业设计中，刘老师给予了我极大的帮助，使我完成了软件程序设计中重要部分的内容。祝刘丕亮老师工作顺利，万事如意。
感谢我的同学及朋友们，你们在我设计遇见问题时给我耐心解答，也让我在最后毕业的日子里过的非常轻松愉快。
同时，感谢我的家人，是你们默默的支持着我，使我有了强大的精神支柱，这是动力，也是解决所有困难的源泉。
最后，对参加本论文评阅和答辩的各位老师致以崇高的谢意！
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