组态控制皮带运输机系统设计

毕业设计

设计课题组态控制皮带运输机系统设计专业

姓名

学号

指导教师

年月

摘要

井下胶带机的运输系统复杂，环节多，运量大，所用的设备种类多，要求高。对于高产高效的现代化矿井的运输系统就必须做到减少环节，消除煤流的停顿，实行不间断的运输连续化、控制、检测自动化，才能达到高产高效减员提效的目的。

随着计算机技术的飞速发展，90年代以来国外先进的矿井采用了工业电视以及运输系统的综合保护，利用现代信息技术与网络技术，传送胶带运输机的各种参数以及图像。实现井下皮带运输的集中监控、监测系统。这样，除了安排少量的巡检人员外，没有胶带运输机的操作人员和管理人员。目前，将计算机控制技术、网络技术、工业电视技术、通信技术、电力电子技术，用于井下胶带运输机实现自动控制，自动测量，不紧大大的提高生产效率，增加了煤炭产量而且使设备的可靠性和利用率得到有效提高，劳动人员的安全得到可靠保证，工作环境得到进一步的改善，实现了安全、可靠、经济的运行。

近年来，国内自动化研究单位在胶带运输机控制方面作大量的工作。研制出以单片机和可编程序控制器为主的主控机。以灯光、模拟盘、控制台等屏幕显示的胶带动输机监控监测装置。该系统是由PLC （Programmable logic controllr 程序逻辑控制）和MCGS组态控制软件控制自动化及远程控制的胶带控制系统。

关键词：胶带机，MCGS组态软件

Abstract

Underground tape machine transportation system construction, links, complex, the equipment used more kinds, the demand is high. For high yield and high efficiency of the modernization of the mine transportation system must do reduce link, eliminate coal flow pause, execute uninterrupted transportation continuous and control, test automation, high production and efficiency to achieve the purpose of downsizing to mention effect.

Along with the rapid development of computer technology, advanced since the nineties of mine used industrial TV and transportation system of comprehensive protection, using modern information technology and network technology, and transmit the various parameters and adhesive tape transportation image. Realize the downhole belt transport centralized monitoring and monitoring system. So, in addition to arrange a small amount of inspection personnel outside, no tape transport operators and managers. At present, the computer control technology, network technology, industrial TV technology and communication technology, power electronic technology, used for the realization of automatic control downhole tape transporters, automatic measurement, not tight greatly improve the production efficiency, increased its coal production and make the equipment reliability and efficiency effectively improve, labor safety of personnel have been assured, the working environment to further improve, achieve the safe, reliable, economic operation.

In recent years, domestic automation research unit in tape transport control a lot of work. Developed by single-chip microcomputer and PLC control machine mainly. With lamplight, simulated disk, console, etc ShuJi screen display glue drive monitoring monitoring devices. This system is by PLC (Programmable logic control controllr program questions and MCGS control software control automation and remote control tape control system.

Keywords: tape machine, MCGS software

目录

一、可编程序控制器概述 (4)

1、可编程控制器的产生和发展 (4)

2、可编程序控制器发展趋势及特点 (5)

3、可编程序控制器的应用 (5)

4、可编程序控制器的结构 (6)

5、可编程序控制器的工作原理 (7)

6、可编程序控制器在煤矿胶带运输机中的应用 (8)

二、MCGS组态控制软件的概述 (8)

1、MCGS与PLC的通讯 (9)

2、通讯设备 (9)

三、皮带运输机系统简介 (10)

1、胶带运输机的类型及适用条件 (10)

2、皮带运输机的结构 (11)

3、皮带运输机的原理 (15)

4、控制功能 (15)

5、主要控制设备 (15)

6、胶带运输机PLC控制I/O分配及程序 (16)

7、胶带运输机PLC程原理 (19)

8、胶带控制系统的MCGS组态控界面 (22)

四、综合网络平台 (23)

五、设计总结 (27)

一、可编程控制器的概述

1、可编程控制器的产生和发展

在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。

1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，1969年，美国数字设备公司（GEC）首先研制成功第一台可编程序控制器，称Programmable Controller（PC）。并在通用汽车公司的自动装配线上试用成功，从而开创了工业控制的新局面。接着，美国国MODICON公司也开发出可编程序控制器084. 个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC），现在，仍常常将PLC简称PC。

1971年，日本从美国引进了这项新技术，很快研制出了日本第一台可编程序控制器DSC-8。1973年，西欧国家也研制出了他们的第一台可编程序控制器。我国从1974年开始研制，1977年开始工业应用。早期的可编程序控制器是为取代继电器控制线路、存储程序指令、完成顺序控制而设计的。主要用于：1. 逻辑运算 2. 计时，计数等顺序控制，均属开关量控制。所以，通常称为可编程序逻辑控制器（PLC—Programmable Logic Controller）。

进入70年代，随着微电子技术的发展，PLC采用了通用微处理器，这种控制器就不再局限于当初的逻辑运算了，功能不断增强。因此，实际上应称之为PC——可编程序控制器。

至80年代，随大规模和超大规模集成电路等微电子技术的发展，以16位和32位微处理器构成的微机化PC得到了惊人的发展。使PC在概念、设计、性能、价格以及应用等方面都有了新的突破。不仅控制功能增强，功耗和体积减小，成本下降，可靠性提高，编程和故障检测更为灵活方便，而且随着远程I/O和通信网络、数据处理以及图象显示的发展，使PC向用于连续生产过程控制的方向发展，成为实现工业生产自动化的一大支柱。

PLC的定义有许多种。国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可

编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，立体停车库组态控制，它是一个集PLC（Programmable Logic Controller可编程逻辑控制器的缩写词）控制、位置控制、检测、工控组态等技术于一体的控制系统。

控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。

2、发展趋势及特点

（1）发展趋势

①与计算机联系密切

②发展多样化急停

③网络与通信能力增强

④工业软件发展迅速

（2）特点

①可靠性高

②功能强大

③简单方便

3、应用

（1）工业

①开关量控制，如逻辑、定时、计数、顺序等；

②模拟量控制，部分PLC或功能模块具有PID控制功能，可实现过程控制；

③监控，用PLC可构成数据采集和处理的监控系统；

④建立工业网络，为适应复杂的控制任务且节省资源，可应用于煤矿及现代工业的控制系统。

（2）其他行业

可编程序控制器在其他行业的应用也日益广泛：在国防和民用，如建筑，环

保，家用电器等。

4、结构

PLC 专为工业场合设计，采用了典型的计算机结构，主要是由CPU 、电源、存储器和专门设计的输入输出接口电路等组成。图（1）为一典型PLC 结构简图。

图1 结构简图

（1） 中央处理单元

中央处理单元（CPU ）一般由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集成在一个芯片上。 CPU 的主要功能：

①从存储器中读取指令 ②执行指令 ③顺序取指令 ④处理中断 （2）存储器

①只读存储器堆煤保护 ②随机存储器RAM （3）输入输出单元 ①输入接口电路 ②输出接口电路急停

通常PLC 的输入类型可以是直流、交流和交直流。输入电路的电源可由外部

按钮接触器电磁阀

指示灯

行程开关

供给，有的也可由PLC内部提供。

图（2）和图（3）分别为一种型号PLC的直流和交流输入接口电路的电路图，采用的是外接电源。图（2）描述了一个输入点的接口电路。

其输入电路的一次电路与二次电路用光耦合器相连，当行程开关闭合时，输入电路和一次电路接通，上面的发光管用于对外显示，同时光耦合器中的发光管使三极管导通，信号进入内部电路，此输入点对应的位由0变为1。即输入映像寄存器的对应位由0变为1。

图2 直流输入电路图

图3 交流输入电路图

5、工作原理

（1）循环扫描

PLC采用循环扫描工作方式，这个工作过程一般包括五个阶段：内部处理、与编程器等的通信处理、输入扫描、用户程序执行、输出处理，其工作过程如图（4）所示。

图（4）中当PLC方式开关置于RUN（运行）时，执行所有阶段；当方式开关置于STOP（停止）时，不执行后3个阶段，此时可进行通信处理，如对PLC 联机或离线编程。

图4 可编程控制器的工作原理

6、可编程序控制器在煤矿胶带运输机中的应用

在现代工业中可编程控制器控制正在一步一步地代替继电器控制，由于可编程控制器使用方便、操作简单等优点越来越多的工厂和企业使用可编程控制器，在煤矿中也越来越多地场合使用可编程控制器，在煤矿胶带运输机中也起着启动、控制和保护等功能，在本系统中起了四种保护跑偏保护、烟雾保护、堆煤保护和急停。

二、MCGS组态控制软件的概述

计算机技术和网络技术的飞速发展，为工业自动化开辟了广阔的发展空间，用户可以方便快捷地组建优质高效的监控系统，并且通过采用远程监控及诊断、双机热备等先进技术，使系统更加安全可靠，在这方面，MCGS工控组态软件将提供强有力的软件支持。

MCGS工业自动化控制组态软件（以下简称MCGS工控组态软件或MCGS）为用户建立全新的过程测控系统提供了一整套解决方案。MCGS工控组态软件是一套32位工控组态软件，可稳定运行于Windows95/98/NT操作系统，集动画显示、流程控制、数据采集、设备控制与输出、网络数据传输、双机热备、工程报表、数据与曲线等诸多强大功能于一身，并支持国内外众多数据采集与输出设备，广

泛应用于石油、电力、化工、钢铁、矿山、冶金、机械、纺织、航天、建筑、材料、制冷、交通、通讯、食品、制造与加工业、水处理、环保、智能楼宇、实验室等多种工程领域。

1、MCGS与PLC设备的通讯

MCGS支持国内外常见的PLC设备，包括西门子，欧姆龙，莫迪康，三菱，GE，富士，松下，LG，何利时等。本系统使用的是西门子S7-200PLC设备，使用西门子PPI通讯协议，采用西门子标准的PC\PPI通讯电缆或通用的 RS232/485转换器，方便、快速的和PLC通讯。如图（5）通过简单的操作和属性的设置就可以与PLC完成通讯。

图5

2、通讯设备

（1）硬件设备

必须具备两个MODEM，两个程控电话号码，若用专线拨号，则还要有一个交换机。一个485/232转换器，通信电缆。

（2）软件设备

软件有MCGS组态软件，S7200编程软件等，本设备只支持上位机主动查

询拨号，而不能响应PLC往上位机拨号，必须安装MODEM的驱动程序，以便使MODEM工作正常。

三、皮带运输机系统简介

随着计算机工业控制技术的不断发展，计算机监控技术日趋完善，PLC （Programmable logic controllr程序逻辑控制）工业控制系统为各式各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用，其主要原因在于它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案。本系统又有MCGS组态控制软件的结合更方便可靠，可以通过计算机实现远程控制和监控，可以通过计算机时刻监控到皮带的运行状态，也可以将皮带运输机运行过程的数据记录下来。

带式输送机是煤矿井下和地面生产系统中应用最多的一种连续运输设备。它具有运输能力大、工作阻力小、耗电量低、运输离长、使用寿命长，且对煤的破碎作用小、噪音低、安全可靠优点，得到了广泛使用。因此，大家很有必要了解和掌握井下带式运输系统的结构和原理。

1、胶带运输机的类型及适用条件

(1) 带式输送机的类型

①按牵引方式不同

可分为滚筒驱动式和钢丝绳牵引式两类，本系统介绍的是滚筒驱动式通用型胶带运输机。

②按输送带的强度不同

可分为通用型和强力型

③按带式输送机作用不同

可分为转载式、伸缩式和固定式

④按式输送机的安装方式不同

可分为落地式、吊挂式和组合式

(2) 皮带运输机的适用条件

带式输送机既可用于水平运输，又可用于倾斜运输。当用于倾斜运输时其倾角受到一定限制。通常情况下，倾斜向上运输时的倾角不超过18°，向下运输时的倾角不超过15°。目前国内已生产出一种适应倾角大于30°的特殊带式输送机。为减小输送带的严重磨损，带式输送机不宜运送有棱角的货物。此外，通

用型带式输送机不能弯曲。

2、皮带运输机的结构

皮带运输机主要结构有：机架、皮带（或输送带）、机头滚筒、机尾滚筒、驱动装置、上下托轮、拉紧装置及清扫装置等组成。

（1）输送带

输送带既是承载机构，又是牵引机构。常用的输送带有3 种类型，即普通输送带、钢丝绳芯输送带和钢丝绳牵引输送带。在这里使用的是普通输送带的结构。输送带用数层帆布做带芯，层与层之间用橡胶粘合在一起，然后在外表面周围用橡胶盖层加以保护。帆布由棉、尼龙等纤维织成或为混纺物。帆布层用来承受载荷并传递牵引力，而橡胶保护层用来防止外界物体对帆布层的损伤及有害物质的腐蚀。输送带强度按帆布层的拉断力来计算。国产橡胶带有两种：一种为普通型，每层帆布的径向拉断力为56oN / cm ；另一种为强力型，每层帆布的径向拉断力为960N / cm 。保护层的厚度是：上层（与货载接触面）厚度为3mm ；下层厚度为lmm 。

（2）托轮和机架

托轮是用来支承输送带，减少输送带阻力，并使输送带悬垂度不超过一定限度，以保证输送带运行平稳。

托轮由轴、轴承和标准套筒等组成。托辊按用途可分为槽型托轮、平型托轮、调心托轮和缓冲托轮四种，在这里使用的是槽型托轮。槽型托辊用于输送散装，一般由3个托轮组合而成，槽角一般为30 °，其结构如图（6）所示，可折式带式输送机的槽型托轮中的3个托轮是相互相接的，其中两个侧托轮挂在机架上；通用固定式带式输送机的槽型托辊是固定在机架上的。上下托辊的间距一般为1.5m。

图6 托轮的结构

机架按结构可分为落地式和绳架吊挂式两种。落地式机架又分为固定式和可拆移式两种。固定式是将机架固定在地基上，而拆移式是在机架与机架之间、托辊与机架之间的连接都采用插入式，用销钉固定，整个机架没有一个螺栓。绳架吊挂式的钢丝绳机架由两根纵向平行布置的钢丝绳组成，每隔60m 安装一个落地式紧绳托架。这种机架的结构简单，节省钢材，又便于拆装。

（3）驱动装置

驱动装置是带式输送机的动力源.驱动装置的组成由电动机、液力偶合器、减速器和主动滚筒等部分组成。若是双滚筒单电动机传动，则还有一对传动齿轮。

（4）拉紧装置

拉紧装置的作用，一是保证输送带有足够的张力，使滚筒与输送带之间产生必要的摩擦力；二是限制输送带在各托辊之间的悬垂度，确保输送机的正常运转。拉紧装置分为机械拉紧式和重砣拉紧式两种。图（7）为机械螺杆式拉紧装置。调节螺杆可以调节皮带的张力，但要调节平衡否则就会跑偏，若出现跑偏也可以调节螺杆使皮带保持平衡安全运转。

图7 螺杆式拉紧装置

（5）清扫装置

清扫装置主要安装在卸载端和靠近机尾换向滚筒的内侧回空段输送带的上面。用来清扫胶带表面的黏附物，防止输送带损坏。

清扫装置安设在卸载端，用来清扫胶带表面的粘附物料。目前我国带式输送机上使用较多的是刮板式清扫器。其刮板（用橡胶带制成）靠重砣的重量紧贴在输送带上，将卸载后输送带表面的粘附物料刮掉。这种重砣刮板式清扫装置的使

用效果不好。近年来，各部门已广泛使用弹簧式清扫刮板，其效果较好。除在输送机的卸载端外，还在靠近机尾换向滚筒内侧处安设有清扫装置，一般为犁形清扫装置，使刮板紧贴输送带的内表面（回空段输送带的上表面），清扫运输时撒落和粘附的物料。

皮带输送机的保护和控制装置有：急停开关、跑偏传感器、烟雾传感器、堆煤传感器及本安型网络控制箱等组成。

如图(6)是皮带运输机的结构和外形。

图6

3、皮带运输机的原理

（1）皮带运输机的基本原理

输送带连接成封闭环形，用张紧装置将它们张紧，在电动机的驱动下，靠输送带与驱动滚筒（或驱动轮）之间的摩擦力，使输送带连续运转，从而达到将煤炭由装载端运到卸载端的目的。

（2）提高摩擦牵引力的途径

①增大输送带的初张力：在生产实际中通过拉紧装置适当地增大初张力，以提高牵引力

②增大摩擦系数：在主动滚筒表面上包覆一层摩擦系数大的木衬或橡胶等衬

垫（包胶或铸胶），以增大摩擦系数。

③增大围包角：当所需的牵引力较大时，采用双滚筒传动，使其围包角可达480°左右。

4、控制功能

为了满足日常运行、检修、故障处理等需要，系统具有远程启动、停止、保护和测试功能，并可进行地面远程编程、故障（保护）屏蔽及控制方式转换、给煤机点动操作等功能控制。操作人员可采用不同方式控制皮带运输机的启动和停止。控制方式主要有两种:

（1）地面远程集中控制

在这种方式下，操作人员只需在地面控制中心操作键盘或鼠标，控制井下各条胶带机和给煤机的起、停以及故障解除等。并且通过计算机控制发布开机指令。

（2）人工就地控制

当日常检修或故障处理以及特殊需要时，操作人员可分别在各条胶带机头通过皮带运输机手动控制装置控制胶带机的起、停。

5、皮带保护功能

（1）堆煤保护

（2）急停

（3）跑偏保护

（4）烟雾保护

6、主要控制设备

该装置控制核心部分采用德国西门子公司生产的S7-200可编程控制器，其他主要元件均采用进口元件，外型如图（8）所示。通过装置可以实现胶带机的就地自动控制和远程自动控制两种控制方式。

采用就地自动控制方式时，通过就地开停控制器的指令输入，自动启动或停止各台运输机。采用远程自动控制方式时，通过传输线路接收控制中心的控制指令，自动启动或停止各台皮带运输机。

该装置亦可同时完成多台皮带机控制、保护动作及相关数据的处理。其主要功能和特点如下：

（1）可以采集或接入各种参数、保护信号（开关量和模拟量），并具有扩展

性。

（2）可以方便定义和修改所有被测模拟参数的报警值、保护动作值。

（3）实现多路控制输出，启动或停止有关设施（有的输出带延时，且延时时间可调）。

（4）实现采集数据、参数、运行状态的就地显示，并可上传地面中心站。

（5）实现故障位置、原因、类型等的就地显示，并可上传地面中心站。

（6）具有检修时的安全闭锁功能。

（7）具有运行方式选择及防止非规定操作人员随意操作的保护措施。

（8）与地面断开后系统仍能正常运行在就地或自动方式下。

（9）控制装置可接收各类传感器信号。

（10）提供电流和温度的时实监测。

（11）具有以太网接口功能。

图8 网络控制装置

7、胶带运输机PLC控制I/O分配及程序

（1）I/O分配

PLC的I/O分配

表格（1）（2）胶带输送机PLC控制程序

下面的程序是本系统的PLC程序：

胶带输送机PLC控制程序

①胶带运输机PLC程序原理

启动：

当PLC的I0.0口有外部模拟量或数字量输入时（即人工操作手动启动按钮或通过MCGS组态控制远程控制发出启动指令）接通内部继电器M0.0，M0.0的常开触点闭合接通Q0.1输出高电平，外部继电器闭合使1号胶带机电动机运转，胶带输送机开始正常运转，同时M0.0的另一个常开触点实现连锁使胶带机连续运转。

当PLC的I0.5口有外部模拟量或数字量输入时（即人工操作手动启动按钮或通过MCGS组态控制远程控制发出启动指令）接通内部继电器M0.1，M0.1的常开出点闭合接通Q0.2输出高电平，外部继电器闭合使2号胶带机电动机运转，胶带输送机开始正常运转，同时M0.1的另一个常开触点实现连锁使胶带机连续运转。

停止：

当有操作人员操作停止按钮或通过远程控制发出停止指令时，接通PLC的I0.1（或I0.6）输入端，其常闭触点断开电路内部中间继电器M0.0（或M0.1）失电，M0.0（或M0.1）的常开触点失电，输出端，外部继电器也失电，1号（或2号）电动机停止运转，胶带输送机停止运行。

②保护控制

急停：

胶带机运行过程中会出现故障和异常，当出现故障和异常的时候需要紧急

停车，操作人员可以按下急停开关或拉开拉线式急停开关或通过计算机远程控制