【導(dǎo)讀】1了解煤礦皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)行工藝；3用AUTOCAD繪制系統(tǒng)的相關(guān)圖紙；4用PLC語言編制控制系統(tǒng)軟件；5翻譯電氣自動(dòng)化方面的專業(yè)英文資料約3000字。煤礦的運(yùn)輸系統(tǒng)對(duì)保證礦井正常生產(chǎn)起著非常重要的作用。系統(tǒng)可靠安全運(yùn)行，對(duì)帶式輸送機(jī)進(jìn)行集中監(jiān)視和控制很必要。本文以新疆哈密煤。礦主斜井及地面膠帶輸送機(jī)為背景，設(shè)計(jì)出了以PLC技術(shù)為核心的集中控制系統(tǒng)，提高了運(yùn)輸系統(tǒng)的監(jiān)測和控制水平。在此基礎(chǔ)上采用SIEMENS的S7-300系列PLC對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行硬件和軟件。設(shè)計(jì)，其中包括PLC的模塊配置及外部連線，梯形圖程序設(shè)計(jì)。最后提出PLC控制系。統(tǒng)的主要干擾源，并設(shè)計(jì)了抗干擾的措施。

　　

【正文】 積小、重量輕、功耗低等特點(diǎn)。由于 PLC 是專為工業(yè)控 制而設(shè)計(jì)的專用計(jì)算機(jī)，其結(jié)構(gòu)緊 湊、堅(jiān)固耐用，以及有很強(qiáng)的可靠性和抗干擾能力，易于嵌入機(jī)械設(shè)備內(nèi)部。因此， PLC 在機(jī)電一體化產(chǎn)品中 被廣泛應(yīng)用。 人機(jī)界面 HMI 人機(jī)界面是操作人員與 PLC之間進(jìn)行對(duì)話和相互作用的接口設(shè)備。近年來人 機(jī)界面的應(yīng)用越來越廣泛，已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)不可缺少的設(shè)備 之 一 。這里我們選用觸摸屏和操作臺(tái)。觸摸屏 用來 監(jiān)視帶式輸送機(jī)的運(yùn)行工況。 觸摸屏可以監(jiān)視帶式機(jī)速度、拉線急停和跑偏開關(guān)的動(dòng)作位置等各種保護(hù)狀況以及顯示帶式輸送機(jī)的 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 18 頁 正常運(yùn)行工況和各種故障狀態(tài)。通過操作臺(tái)的各種控制按鈕，可以進(jìn)行工作方式選擇和就地控制 帶式輸送機(jī)。 圖 、就地控制箱面板。 圖 操作臺(tái) 圖 就地控制箱面板 觸摸屏技術(shù)就是使用者只要用手指輕輕地觸碰計(jì)算機(jī)顯示屏上的圖符或文字，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)主機(jī)的操作或查詢，這樣就擺脫了鍵盤和鼠標(biāo)操作，從而大大地提高了計(jì)算機(jī)的可操作性。觸摸屏是一種最直觀的操作設(shè)備，只要觸摸屏幕上的圖形對(duì)象，計(jì)算機(jī)便會(huì)執(zhí)行相應(yīng)的操作。觸摸屏具有方便直觀、圖像清晰、堅(jiān)固耐用和節(jié)省空間等優(yōu)點(diǎn)。 在觸摸屏上，我們主要顯示皮帶的運(yùn)行狀況和給煤機(jī)的運(yùn)行信號(hào)，膠帶的速度和各 個(gè)故障 的狀態(tài)及故障出現(xiàn)的具體位置，同時(shí)也可以查詢到各皮帶 滾筒的溫度，以實(shí)時(shí)監(jiān)測皮帶， 減少故障查找環(huán)節(jié) ，提高工作效率。 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 19 頁 3 膠帶輸送機(jī)集控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) SIMATIC S7300 PLC 簡介 SIMATIC S7300 PLC 簡介 SIMATIC S7— 300系列 PLC是模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，各個(gè)單獨(dú)模塊之間可以進(jìn)行單獨(dú)組合和擴(kuò)展，從而使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加靈活滿足不同的應(yīng)用需求。編程器 PG用來為 S7300 PLC編制程序，使用編程電纜連接編程器和 CPU。通過 PROFIBUS電纜可以實(shí)現(xiàn) S7300 CPU之間的通訊，以及與其他 SIMATIC S7 PLC進(jìn)行通訊。一根 PROFIBUS總線電纜可以連接多個(gè) S7300。 S7300 PLC的主要組成部分有導(dǎo)軌（ RACK）、電源模塊（ PS）、中央處理單元模塊（ CPU）、接口模塊（ IM）、信號(hào)模塊（ SM）、功能模塊（ FM）等。它通過 MPI網(wǎng)的接口直接與編程器 PG、操作員面板 OP、和其它 S7 PLC相連。 圖 PLC系統(tǒng)構(gòu)成圖 導(dǎo)軌（ RACK）：導(dǎo)軌是安裝 S7300各類模塊的機(jī)架，它是特制不銹鋼異型板，其長度有 160、 48 5 8 2021（ mm）五種，可根據(jù)實(shí)際需要選擇。電源模塊、CPU、及其它信號(hào)模塊都可方便地安裝在導(dǎo)軌上。除 CPU模塊外，每塊信號(hào)模塊都帶有總線處理器，安裝時(shí)先將總線連接器裝在 CPU模塊并固定在導(dǎo)軌上，然后依次將各模塊裝入，通過背板總線將各模塊從物理上和電氣上連接起來。 電源模塊（ PS）：電源模塊用于將 SIMATIC S7300連接到 120/230V交流電源和24/48/60/110V直流電源。它與 CPU模塊和其它信號(hào)模塊之間通過電纜連接，而不是通過背板總線連接。 IM361FM351SM332SM321IM360PS307SM332SM331CPU 模塊處理部件通信部件PG OP 其他 PL CMPI 網(wǎng) 背板總線 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 20 頁 中央處理單 元模塊（ CPU）： SIMATIC S7300提供了多種不同性能的 CPU，以滿足不同用戶的需求，包括 CPU312IFM、 CPU31 CPU31 CPU31 CPU315 2DP等。CPU模塊除完成執(zhí)行用戶程序的主要任務(wù)之外，還為 S7300背板總線提供 5V直流電源，并通過 MPI接口與其它中央處理器和編程裝置通信。 S7300的編程裝置可以是西門子專用的編程器，如 PG70 PG7 PG7 PG760等，也可以用通用微機(jī)，配以 STEP7軟件包，并加 MPI卡和 MPI編程電纜構(gòu)成。 接口模塊（ IM）：接口模塊用于多機(jī)架配置時(shí)連接主機(jī)架和擴(kuò)展機(jī)架。 S7300通過分布式的主機(jī)架和 3個(gè)擴(kuò)展機(jī)架，可操作多達(dá) 32個(gè)模塊。 信號(hào)模塊（ SM）：信號(hào)模塊使不同的過程信號(hào)電平和 S7300的內(nèi)部信號(hào)電平相匹配，主要有數(shù)字量輸入模塊 SM32數(shù)字量輸出模塊 SM32模擬量輸入模塊 SM33模擬量輸出模塊 ，外部過程信號(hào)可以方便地連接在信號(hào)模塊的前連接器上。特別指出的是，其模擬量輸入模塊獨(dú)具特色，可以接入熱電偶、熱電阻、 4～ 20mA電流、 0～ 10V電壓等 18種不同 的信號(hào)，輸入量程范圍很寬。 功能模塊（ FM）：用于實(shí)時(shí)性強(qiáng)、存儲(chǔ)計(jì)數(shù)量較大的過程信號(hào)處理任務(wù)。如：快給進(jìn)和慢給進(jìn)驅(qū)動(dòng)定位模塊 FM35電子凸輪控制模塊 FM35步進(jìn)電機(jī)定位模塊FM35伺服電機(jī)位控模塊 FM35智能位控制模塊 SINUMERIK FMNC等。 通信處理器（ CP）是一種智能模塊，它用于 PLC間和 PLC與其它裝置間連網(wǎng)以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。如：具有 RS232C接口的 CP340，與現(xiàn)場總線連網(wǎng)的 CP342 5DP。 模塊 安裝 S7300 可以水平安裝也可以垂直安裝，其允許的環(huán)境 溫度分別為 0～ 40℃（垂直安裝）和 0～ 60℃。電源和 CPU 必須安裝在導(dǎo)軌的左側(cè)（水平安裝）或低部（垂直安裝）。 S7300 是模塊化組合結(jié)構(gòu)，根據(jù)應(yīng)用對(duì)象不同，可選擇不同型號(hào)和不同數(shù)量的模塊，并可以將這些模塊安裝在同一個(gè)機(jī)架上（導(dǎo)軌）或多個(gè)機(jī)架上。除電源模塊、CPU 模塊和接口模塊外，一個(gè)機(jī)架上最多只能安裝八個(gè)信號(hào)模塊或功能模塊。IM360/IM361 接口模塊用來將 S7300 背板總線從一個(gè)機(jī)架連接到下一個(gè)機(jī)架。在使用擴(kuò)展機(jī)架時(shí)，除了另需模塊機(jī)架和接口模塊以外，可能還需要另加電源模塊。 中央處理單元總是在 0 號(hào) 機(jī)架的 2 號(hào)槽位上， 1 號(hào)槽安裝電源模塊， 3 號(hào)槽總是安裝接口模塊，槽號(hào) 4 到 11，可自由分配信號(hào)模塊，功能模塊和通信模塊。需要注意的是槽號(hào)是相對(duì)的，每一個(gè)機(jī)架的導(dǎo)軌并不存在物理的槽位。 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 21 頁 集控系統(tǒng) PLC 的設(shè)計(jì) CPU 的選擇 （ 1） I/O 點(diǎn)數(shù)的確定 經(jīng)過對(duì)各輸入輸出的大略計(jì)算，本設(shè)計(jì)中需要數(shù)字量輸入 164 點(diǎn)，數(shù)字量輸出69 點(diǎn)，模擬量輸入通道 14 路，其具體分配見表 3. 2， ， 。 表 模擬量輸入通道統(tǒng)計(jì)表 模擬量輸入 通道數(shù) 皮帶機(jī)速度 1*7 滾筒溫度 1*7 總計(jì) 14 表 數(shù)字量輸入點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)表 數(shù)字量輸入 點(diǎn)數(shù) 操 作 臺(tái) 控制方式選擇 3 總啟動(dòng)按鈕 1 總停止按鈕 1 起車預(yù)警按鈕 1 急停按鈕 1 給煤機(jī)啟停按鈕 2 各皮帶啟停按鈕 14 堆煤傳感器 1*7 主提升、 走廊皮帶跑偏開關(guān) 2*12 其他皮帶跑偏開關(guān) 8*6 縱撕傳感器 1*7 煙霧傳感器 1*7 走廊皮帶拉線急停開關(guān) 2 主提升皮帶拉線急停開關(guān) 20 其他皮帶拉線急停開關(guān) 1*5 就地箱啟動(dòng) 按鈕 1*7 就地箱停止按鈕 1*7 就地箱急停按鈕 1*7 總計(jì) 164 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 22 頁 表 數(shù)字量輸出點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)表 數(shù)字量輸出 點(diǎn)數(shù) 皮帶電機(jī) 開 7 灑水裝置電磁閥 7 皮帶電機(jī)關(guān) 7 警鈴 1 給煤機(jī) 啟動(dòng)、 停止 2 狀態(tài)指示燈 10 就地箱 故障顯示燈 5*7 總計(jì) 69 考慮到前面的設(shè)計(jì)中 I/O 點(diǎn)數(shù)可能有疏漏，并考慮到 I/O 端的分組情況以及隔離與接地要求，應(yīng)在統(tǒng)計(jì)后得出的 I/O 總點(diǎn)數(shù)基礎(chǔ)上，增加 10％到 15％的裕量?？紤]裕量后的 I/O 總點(diǎn)數(shù)即為 I/O 點(diǎn)數(shù)估計(jì)值。選定的 PLC 機(jī)型的 I/O 能力極限值必須大于 I/O 點(diǎn)數(shù)估計(jì)值，并應(yīng)盡量避免使 PLC 能力接近飽和，一般應(yīng)留有 30％的裕量。 （ 2） 存儲(chǔ)器容量選擇 PLC 的 I/O 點(diǎn)數(shù)估算值大小，在很大程度上反映了 PLC 系統(tǒng)的功能要求，因此可以在 I/O 點(diǎn)數(shù)估算值的基礎(chǔ)上計(jì)算對(duì) PLC 存儲(chǔ)器容量的需求。目前，大多用統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行存儲(chǔ)器容量估算。這種方法是以 PLC 處理每個(gè)信息量所需存儲(chǔ)器數(shù)的統(tǒng)計(jì)平均經(jīng)驗(yàn)值為依據(jù)，乘以信息量數(shù)再考慮一定的裕量計(jì)算得到存儲(chǔ)器需要容量。作為一般應(yīng)用下的一種經(jīng)驗(yàn)公式是： 存儲(chǔ)器容量 ( ) ( 1 . 1 ~ 1 . 2 5 ) ( 1 0 5 / 1 0 0 ) / 1 0 2 4K B D I D O A I O? ? ? ? ? ? ? 其中： DI 為數(shù)字量輸入 總點(diǎn)數(shù)； DO 為數(shù)字量輸出總點(diǎn)數(shù)； AI/O 為模擬量 I/O 通道總數(shù) 。 DI 點(diǎn)數(shù)估計(jì)值為 1641 .15=189， DO 點(diǎn)數(shù)估計(jì)值為 69=80， AI 通道估 計(jì)值為 14 =17 個(gè)。所以存儲(chǔ)器容量為 : (18910+695+17100)/1024= 工程實(shí)踐中，大多采用粗略估算，加大裕量，實(shí)際選型時(shí)參考此值采用就高不就低的原則。 （ 3） 響應(yīng)速度 PLC 是為工業(yè)自動(dòng)化而設(shè)計(jì)的通用控制器，不同檔次的 PLC 的響應(yīng)速度一般能滿足起應(yīng)用范圍內(nèi)的需要。如果要跨 范圍使 用 PLC，或者應(yīng)用中的某些功能或信號(hào)有特別的速度要求時(shí)，確定 PLC 的型號(hào)就應(yīng)特別慎重。 通過上面的計(jì)算，考慮系統(tǒng)通訊和冗余的要求，選用 SIMATIC S7300 系列中的 CPU3152 DP 是最合適的。其中最主要的原因是 CPU3152 DP 是 S7300 系列中 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 23 頁 唯一帶現(xiàn)場總線 (PROFIBUS) SINEC L2DP 接口的 CPU模塊。內(nèi)置 80KB RAM，隨機(jī)存儲(chǔ)器為 48KB，最大數(shù)字量 I/O 點(diǎn)數(shù)為 1024 個(gè)，最大模擬量 I/O 通道數(shù)為 128個(gè)。最大配置 4 個(gè)機(jī)架， 32 塊模塊。滿足設(shè)計(jì)需要。 數(shù)字量輸入模塊的選擇及外部連線 數(shù)字量輸入模塊 SM321：數(shù)字量輸入模塊用于將現(xiàn)場過程送來的數(shù)字信號(hào)電平轉(zhuǎn)換成 S7300內(nèi)部信號(hào)電平。數(shù)字量輸入模塊有直流輸入方式和交流輸入方式。直流輸入模塊各輸入點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電路都相同，它們有一個(gè)公共的端子，即有一個(gè)公共匯入集點(diǎn)，因此直流輸入方式又稱為直流匯點(diǎn)輸入方式。交直流輸入模塊各輸入電路都相同，但它們各個(gè)輸入電路可能有一個(gè)公共端子，稱為匯點(diǎn)輸入方式；也可能沒有公共端子，而是彼此獨(dú)立，互不影響，稱為分隔式輸入方式。 輸入信號(hào)進(jìn)入模塊后，一般都經(jīng)過 光電隔離和濾波，然后才送至輸入緩沖器等待 CPU采樣。采樣時(shí)，信號(hào)通過背板總線進(jìn)入到輸入映像區(qū)。數(shù)字量輸入模塊 SM321有四種型號(hào)模塊可供選擇，即直流 16點(diǎn)輸入，直流 32點(diǎn)輸入，交流 16點(diǎn)輸入，交流8點(diǎn)輸入模塊。模塊的每個(gè)輸入點(diǎn)有一個(gè)綠色發(fā)光二極管顯示輸入狀態(tài)，輸入開關(guān)閉合即有輸入電壓時(shí)，二極管亮。 輸入模塊的選擇時(shí)應(yīng)注意以下幾方面： 擇模塊電壓水平，其傳輸距離不宜太遠(yuǎn)； ，一般來講，同時(shí)接通點(diǎn)數(shù)不要超過輸入點(diǎn)數(shù)的 60%； ，應(yīng)考慮其門檻電平的大小。門檻電平越高，抗干擾能力越強(qiáng)，傳輸距離 也越遠(yuǎn)。 綜合考慮以上幾點(diǎn)， 本次設(shè)計(jì)中選用直流 32點(diǎn)輸入的輸入模塊 SM321（ 6ES7 3211BL000AA0）。 操作臺(tái)輸入開關(guān)量有 23個(gè)點(diǎn)，遠(yuǎn)程 I/O主提升皮帶輸入開關(guān)量有 38個(gè)，其他皮帶輸入開關(guān)量點(diǎn)數(shù)都少于 20個(gè)。 故操作臺(tái)輸入模塊 SM321選 1塊，主提升皮帶遠(yuǎn)程 I/O選 2塊，其余皮帶遠(yuǎn)程 I/O各選 1塊，一共選 9塊輸入模塊 SM321。 輸入模塊是通過輸入端子與外部用戶輸入設(shè)備相連接的。輸入模塊通常有若干個(gè)輸入點(diǎn)。每一個(gè)輸入點(diǎn)能接受一個(gè)來 自用戶輸入設(shè)備所發(fā)出的開關(guān)信號(hào)。輸入模塊與外部用戶輸入設(shè)備的接線分匯點(diǎn)式輸入接線和分隔式輸入接線兩種基本接線形式。匯點(diǎn)式輸入接線如下圖，各輸入電路有一個(gè)公共端（匯集端） COM，可以是全部輸入端為一組，共用一個(gè)公共端和一個(gè)電源；也可以是將全部輸入點(diǎn)分為幾組，每組有一個(gè)公共端和獨(dú)立的一個(gè)電源。匯點(diǎn)式輸入接線即可以用于直流輸入模塊，也