基于S7—1200PLC的码头单向皮带输送机控制系统.docx

近年来，随着我国码头进出口货物量上升，码头的运输系统对于保证正常生产效率、生产安全的重要作用愈发明显。而皮带输送机作为散装物料运输、装卸环节中最关键的设备，具有运输距离长、运输速度快、运输量大等比较优势。为使码头的单向皮带输送机系统安全可靠运行，利用自动化技术对皮带输送机进行集中监视、控制及故障检测以保证运输系统正常安全地自动运转很有必要。本文以基于S7-1200PLC的码头单向皮带输送机控制系统展开，设计了控制器并通过SimatiCWinCC进行仿真实验。首先大致介绍了本研究选题相关背景、意义，当前国内外在该领域的技术差距和将来的发展趋势，以及皮带输送机传统控制方法和集中自动化控制方式的优缺点比较，然后简述整个控制系统的工作流程，进行硬件设备的选型、软件控制程序的编写和仿真页面的设计。仿真结果表明，本设计的码头单向皮带输送机控制系统可以有效监控皮带机运输系统的运行工况，并通过PLC进行远程集中控制，实现自动化生产，借助保护传感器装置提高现场安全性，满足控制系统的设计需求。关键词S皮带输送机；S7-1200；TIAPortalTheControlSystemofTerminalOne-wayBeltConveyorBasedonS7-1200PLCAbstract:Inrecentyears,withtheincreaseintheimportandexportvolumeofgoodsatportsinChina,thetransportationsystematportshasbecomeincreasinglyimportantinensuringnormalproductionefficiencyandsafety.Asthemostcriticalequipmentinthetransportationandloadingandunloadingofbulkmaterials,beltconveyorshavecomparativeadvantagessuchaslongtransportationdistance,fasttransportationspeed,andlargetransportationvolume.Inordertoensurethesafeandreliableoperationoftheone-waybeltconveyorsystematthedock,itisnecessarytouseautomationtechnologyforcentralizedmonitoring,control,andfaultdetectionofthebeltconveyortoensurethenormalandsafeautomaticoperationofthetransportationsystem.ThisarticlefocusesonthecontrolsystemofaunidirectionalbeltconveyorfordocksbasedonS7-1200PLC,designsacontroller,andconductssimulationexperimentsusingSimaticWince.Firstly,thebackgroundofthisdesignwasintroduced;Secondly,thestructureandbasicfunctions,parameterdetection,andsafetyprotectiondevicesoftheone-waybeltconveyorcontrolsystemweredesigned.Onthisbasis,useSiemensBotusoftwaretodesignthehardwareandsoftwareofthesystem,includingPLCmoduleconfiguration,externalwiring,andladderdiagramprogramming.Thesimulationresultsshowthatthedesignedone-waybeltconveyorcontrolsystemforthedockcaneffectivelymonitortheoperatingconditionsofthebeltconveyortransportationsystem,andachieveremotecentralizedcontrolthroughPLCtoachieveautomatedproduction.Withthehelpofprotectivesensordevices,theon-sitesafetyisimproved,meetingthedesignrequirementsofthecontrolsystem.Keywords:Beltconveyor；S7-1200；TIAPortal摘要IAbstractII1绪论11.1 本课题的研究背景及意义11.2 国内外研究动态及发展趋势11.3 本课题研究的主要内容32射电望远镜天线控制系统及数学模型的建立42.1 射电望远镜天线控制系统42.1.1 基本工作原理42.1.2 天线伺服系统的性能指标92.2 数学模型的建立152.3 本章小结错误!未定义书签。3射电望远镜天线控制系统算法研究161.1 PID控制161.1.1 基本原理错误!未定义书签。1.1.2 PI控制系统设计错误!未定义书签。1.2 LQG控制171.2.1 LQR控制错误!未定义书签。1.2.2 LQG控制错误!未定义书签。1.2.3 LQG控制器设计错误!未定义书签。1.3 PI+LQG控制器设计错误!未定义书签。1.4 本章小结错误!未定义书签。4 基于MATLAB的仿真实验184.1 MATLAB软件简介184.2 Pl控制仿真实验错误!未定义书签。4.3 LQG控制仿真实验错误!未定义书签。4.4 PI+LQG控制仿真实验错误!未定义书签。4.5 三种控制方法的对比分析错误!未定义书签。4.5.1 无扰动时三种控制方法的对比分析错误!未定义书签。4.5.2 扰动作用下三种控制方法的对比分析错误!未定义书签。4.6 本章小结错误!未定义书签。5 结论23致谢24参考文献241绪论1.1 本课题的研究背景及意义港口码头是水路运输和陆路运输的交汇集中点、货物多种方式联合运输的重要枢纽，是衡量国家经济建设水平和进出口贸易的重要标志。港口行业的发展不仅能解决我国工业、制造业对大宗物资的需求，还能有效加强我国在世界航运市场的竞争力。科学技术的日益提高以及现代农业、工业、运输业等生产规模的不断扩大，使得皮带输送机已经成为散装物料输送的重要设备。然而随着我国港口码头运输行业的高速发展以及货物进出口数量的急剧上升，原港口的操作人员数量多、自动化装备水平低下等作业特点和设备性能限制导致的在生产效率、生产安全性等方面的缺陷也日渐突出。以往在码头生产运输作业中对皮带输送机的控制方式多为人工就地分台控制，每台皮带输送机都需要操作工在生产现场就地控制，这种控制方式较为简单，且不需要增加额外的电气控制设备，在生产线建设初期可以节省一定的成本，但需要的司机人员较多，且在人工手动操作过程中可能会出现操作失误、控制不精准的情况，甚至导致生产事故发生，这种较原始的控制方式不仅限制了生产运输效率的上限，还严重影响了生产安全进行。而利用可编程逻辑控制器等先进设备对整个皮带输送机系统进行集中监控、控制、故障检测的控制方式，是在整个皮带输送机生产运输线上增加一套集中控制装置，由控制层进行集中操纵机构运行，并可以在上位机中实时监视各皮带输送机运行状况，监测有无故障出现，所有操作均可由一名司机单独完成。这种自动化控制方式不但节省了生产现场大量的司机人员，也为提高控制精度、准确性，减少误操作并及时发现故障、缩短停产维护时间创造了条件，大幅提升了综合自动化水平和生产效率。目前集中控制以及成为皮带输送机的主流控制方式之一。1.2 国内外研究动态及发展趋势目前，港口散货物料到达码头后，大多需借由皮带输送机来完成装卸货和运输，皮带输送机可以实现高速运转、长距离、自动地运输物料，这种方式可以节省一部分的车道、车辆成本，在经济性方面是一种可靠的选择。随着科学技术的进步以及现代农业、工业、运输业等生产规模的增大，且我国港口码头运输行业正在高速发展、货物进出口数量的急剧上升，现代码头的运输对皮带输送机也提出了更高的要求，以短距离运输向长距离运输、设备大型化、自动化方向为发展趋势，实现多条线路交互联通。经过多年的科学研究投入，我国在运输业方面已经取得了可观的进展，但不可否认的是国外在相关行业拥有更丰厚、更成熟的技术积累，且与我国有着一定差距。随着科学技术水平日益提高，设备自动化水平上升，皮带输送机的用途也得以拓宽，开发了更广泛、更全面的功能。当前已有大批量结合了新技术的皮带输送机投入到了实际生产和运输中，一定程度上弥补了部分在运输距离、运输量和运输速度等方面相较于国外的不足，同时也有效提升了装备的自动化水平，不断向着国外先进技术靠拢，改善了皮带输送机的运行稳定性、能效经济性，降低了故障率，大幅提升了码头散货物料的运输效率。不仅在港口码头运输中需要依靠皮带输送机，在散货的运输中皮带输送机也发挥着重要作用。皮带输送机也分化出了适用于多种场合的不同类型，并加入了一些新技术以提高皮带输送机的生产能力，同时改善皮带机的节能性、可靠性。在皮带输送机的初始电机功率方面，中国与国外也有着一定差距。国内皮带输送机最大多电机额定功率为4×750kw,而国外皮带输送机可达到4X970kw,且从数据上看，国内大部分电机额定功率约为国外的10%至20%。在皮带机输送能力方面，国外的皮带输送机也远优于国内的，这主要是受装机容量影响山。单向皮带输送机中的上下托根的作用是支撑皮带和物料，但由于托根与皮带间摩擦力不足和皮带打滑等原因导致的皮带与物料之间发生相对位移影响，国内皮带输送机运输速度多数低于国外的皮带机。同时，由于国内的皮带输送机连接技术较落后，在皮带机输送距离方面也较国外相对落后。在皮带长度方面，受限于材料水平，当前国内胶带长度最多只能达到9.8km,而国外皮带输送机的作业胶带长度可达到15kmO总体来看，国内在皮带输送机上与国外水平仍有较大差距，无论是在皮带输送机的硬件构造质量方面，还是布置安装技术方面，都仍有很大的发展进步空间。以往国内的皮带机种类少、功能性较弱等各种技术差距导致投入成本较大但经济效益低下，目前国内正致力于提高皮带输送机的种类和功用。国内外的皮带输送机除了在上述方面有差距外，国外的皮带输送机也拥有比国内皮带机更长的使用寿命，普遍能工作多年并保持较为良好的工作性能。此外，在实际的运输应用中，国内的皮带机也更容易出现诸如断轴、停机等故障问题，在设备运行可靠性方面依然不及国外。图1为码头皮带输送机。图1码头皮带输送机1.3 本课题研究的主要内容码头装卸货运输设备自动化控制已经成为未来趋势，而皮带输送机作为码头装卸货运输中重要的一环，实现集中自动控制可以有效改善工作效率。利用工业PLC对整个皮带输送机运输系统进行远程测量、远程信号、远程控制，使皮带输送机控制系统能够实现联锁、报警与显示以及在紧急情况下启动和停机的功能。提高工作效率、设备自动化水平，减少停产时间、减少现场操作人员、改善产能经济效益。本文以此为目的，以码头单向皮带输送机为背景，设计一种基于PLC的皮带机控制系统。主要内容分为以下部分：第一章绪论主要介绍本选题背景和意义，国内外在皮带输送机上的研究现状、技术差距和未来发展趋势，以及本文的主要研究内容。首先介绍了皮带输送机在当前生产运输中的重要作用，阐述了传统人工就地控制方式的优缺点，最后就皮带输送机的各项基本性能、特点进行国内外的对比以及本文内容的大致介绍。第二章以常见的散货码头装卸货工作为背景，概述皮带输送机控制系统的主要控制流程，设计其系统结构，进行传感器、CPU、触摸屏等硬件设备选型介绍，并简述其工作原理和优缺点。第三章进行单向皮带输送机控制系统的硬件设计，进行S7-1200PLC模块选型和计算本设计中所需的CPU配置。第四章利用TIAPortal软件对单向皮带输送机控制系统进行软件编程设计，介绍程序控制的大致原理和工作流程，同时用WinCC软件进行控制台页面的仿真测试，实现系统基本功能。第五章为结论，总结本文设计控制系统的仿真效果，体现出利用TIAPortal进行设计仿真的优势，同时对设计工作中的不足之处进行反思、总结。1.4 本章小结大致介绍了本研究选题相关背景、意义，当前国内外在该领域的技术差距和将来的发展趋势，以及皮带输送机传统控制方法和集中自动化控制方式的优缺点比较，并大致介绍本文的研究主要内容。2码头单向皮带输送机控制系统总体设计2.1系统功能设计本单向皮带输送机控制系统具有的主要功能如下所述：（1）本系统设置自动和手动两种工作模式。平时系统正常以自动模式工作，选定了工作流程后，按下启动按纽，皮带输送机系统实现逆料流延时自动启动；按下停机按纽，皮带输送机系统实现顺料流延时自动停机。皮带机根据前后联锁关系自动进行起保停动作，同时监测各检测保护传感器的工作状况。以手动工作模式运行时，每条输送机都可在中控室或生产线上单独启动或停机，同时所有的安全保护设备都正常投入运行，多在设备调试、检修、和故障时使用该工作方式。为保证安全起见，设定只有在皮带输送机停止运转时可以更改控制系统的工作模式，若当前皮带输送机正在运转，则不能更改系统的工作模式，并设置自动和手动模式的电路互锁。（2）在软件设计中，对故障信号设计自锁保持功能，即当系统发出报警停车等故障信号后，应自动保持该信号，即使经人工检修后故障排除，计算机内仍保持故障停机状态，需要通过复位按钮手动清除故障保持信号后系统才能恢复运行。由于在故障情况下，采用全线设备同时停机方案，故重新启动时，输送带上堆积着大量物料，全线设备均在重载下启动，容易产生故障。故障启动，采用全线启动。（3）各皮带输送机应按照逆物料流方向启动，顺物料流方向停止以保证安全性，是目前工业自动控制领域中非常重要的一种行为准则，是确保皮带输送机正常运行，保障生产环境安全的有效措施。相关企业安全管理部门和操作者，应当严格遵守各项操作要求，按照正确运行方式开停机，确保安全性及正常运行的效率。此外，应定期对皮带输送机进行检查保养，锁定合理的润滑油，确保皮带输送机处于理想运行状态，以便长期使用。（4）由于长期的使用和恶劣的工作环境，皮带输送机也容易出现一些故障。其中，常见的故障包括皮带打滑、物料堆积、温度过高、烟雾报警、皮带撕裂、跑偏等等。为了避免以上故障的发生，我们需要在运行皮带输送机时加强安全措施。例如，在输送物料过程中，不要让物料堆积太高，以免出现堆积堵塞的情况，导致物料无法正常转移。此外，我们也要经常检查和保养皮带输送机的设备，定期清理物料堆积和灰尘，及时更换磨损的部件，确保设备的正常运行。另外，在皮带运转过程中，温度过高也是一个比较常见的问题。如果皮带输送机长时间运转，可能会因为摩擦产生较高的温度，从而导致部件的烧损或者烟雾报警的情况。因此，我们需要及时加水喷淋或者冷却，及时维修损坏部件，从而降低设备故障的风险，确保生产的安全性。当然，在不幸的情况下，如果皮带出现撕裂和跑偏的情况，我们也需要通过保护装置、安全拉线开关、紧急按钮开关等措施来及时切断电源，停止传送物料，避免造成严重的生产事故。此外，堆料故障声光报警、急停指令、超温信号以及滚筒温度过高等报警信号也需要及时处理。最后，为了有效减少皮带输送机的故障率，我们需要加强维护和保养工作。在设备安装、调试、维护和转移的过程中，需要严格遵循相关要求和操作规范，定期对设备进行检查、修理和保养，及时发现和解决隐患，以确保皮带输送机的长期稳定运行。（5）系统显示对应故障点，更便于维护。近几年，越来越多的企业选择安装设备运行状况和工艺参数实时监控系统来提高设备的运行效率。该监控系统能够实时反映设备的运行状况和工艺参数状况，了解设备的变化趋势，及早发现和处理设备的异常和问题，为企业的可持续发展做出贡献。关于发现异常或故障问题时，设备实时监控系统能够及时发出声光报警，并立即在系统显示中提出原因和位置，使维护人员快速定位，节约时间和精力。而在解决问题时，维护人员对设备和工艺参数变化的及时调整和实时监控，可以最大程度保证设备的正常运行和正确性，有利于提高设备的可靠性和安全性。此外，设备实时监控系统也可以有效提高企业的信息化水平，使得企业的工艺流程和技术运行规范更加统一有序，并且能够更好地为技术管理、维护管理和生产分析提供支持。（6）可加入工业电视系统配合使用，工业电视系统可以将现场各重点部位的实时工作情况一目了然，维护安全操作环境。智能分析系统可以检测工作参数在指定范围内的变动，对偏离范围的工作参数立即发出预警，并将报警情况及时传输至管理端，为现场监控提供必要的保障。西门子工业电视系统还具备追踪目标实时定位功能，有效解决技术人员、工作人员、重要设备在区域外的无界监管问题；另外，它还具有喊话和打点通讯系统，可实现监控室和现场的音视频联系，以及其他模式的无人值守。且该系统支持实时状态检测以及历史纪录的查询，扩展性强。（7）在皮带输送机的现场就地控制箱上设置启停、预警按钮，设备发出预警信号后，现场工作人员应立即远离设备，以保障工作人员的安全。若设备起动，预警信号立即被触发，以距离较远的位置监测设备状态。此外，现场可以随时进行系统停车操作，这是一项及时有效的操作，具有最高优先级，即使已经进行了集控，这种操作也可行。系统安全设置可以根据实际情况而变换，适应不同的现场管理状况，确保安全可靠。（8）配备联网功能，能与码头的其他自动化监控系统连接，实现全局生产监控。控制系统工作流程图如图2.1所示。图2.1控制系统工作流程2.2 单向皮带输送机控制系统结构设计某中型散货码头皮带输送机布置如图2.2所示。Oooooo注：U-卸船机，L.装船机，D-斗轮机，B.皮带机；本次课程设计针对中型散货码头皮带输送机流程为UfBlfBufBI2-D2,按照控制要求实现流程的正常运行的启动、停止及故障后的启动、停止等控制要求。PLC通过监测传感器发出的信号、对各部件的工作情况和状态进行实时监控与检测，进而实现与上位机的通信，发出程序控制指令，将皮带输送机的工作集中在一起进行统一控制，使各个部件保持协调，从而完成预定的工作。PLC搭载系统可以有效地完善皮带输送机的故障自检和控制、信号报警等功能。此外，PLC同时可以将数据记录到内存，实现对数据的完整保存，满足不同现场环境对故障诊断的要求，可以极大地提高皮带输送机的运行效率，提高企业的生产管理水平，节约大量生产成本。集中控制操作台和HMI触摸屏是人机交互界面，控制操作台面板上设置有各皮带输送机的启停控制按钮，整个系统的总启动、停止按钮，起动预警按钮以及控制系统两种工作模式的切换开关，系统急停按钮。HMl触摸屏可以让工厂操作更加高效，它可以实时显示各皮带输送机的详细状况，并且可以监测每一台皮带输送机上的保护传感器的运作，在故障发生的时候能够准确地指出故障部位，从而缩短人工排查的时间。同时，工厂的现场管控箱内装有控制皮带输送机启停按钮和急停按钮，并配置有拉线开关，可以满足不同的生产需求。另外，HMl触摸屏的实时状态显示也可以极大地减少操作工人的疲劳度，比如当某台设备发生故障时，触摸屏会及时报警，这样，操作员就不用一直观察了，节省了大量的劳动力，也有效的减少了出错的可能性。2.3 单向皮带输送机控制系统设备组成皮带输送机的集中控制系统主要由PLC、HMl等部分组成，如图2.3所示，主要控制皮带输送机、故障保护传感器和参数监测装置，并将系统运行状况等信息集中显示在触摸屏上。以下是对皮带机控制系统各部件的详细介绍。图2.3控制系统主要组成2.3.1 单向皮带输送机皮带输送机是以皮带作为承载和牵引机构的连续运输机械，也成为胶带输送机,广泛应用于电子电器、机械、食品、印刷等各行各业。图2.4为皮带输送机基本结构图。图2.4皮带输送机基本结构图带式输送机主要由两个端点的滚筒及套合在滚筒上的闭合传送带构成，皮带同时作为承载机构和牵引机构，理想状态下工作时皮带与货载之间没有相对位移，共同在托辑上运行。托辑内设有滚动轴承，皮带通过滚动摩擦向托短传递动力，因此传动效率高、运行阻力较少，有效降低无用功耗的同时提升运输距离。在皮带输送机中，其牵引力的传递效率主要取决于皮带张力大小、驱动滚筒上皮带的围包角以及驱动滚筒与皮带之间的摩擦力大小。为尽量避免皮带输送机在运行中发生皮带与驱动滚筒间的打滑，在实际生产实践中常采取以下几种方法来提升牵引力传递效率：（1）增大初张力。皮带输送机在长时间运行过程中会使皮带发生形变拉长，造成皮带与传动滚筒间摩擦力下降，因此可以根据实际情况适当调整螺旋张紧装置以拉紧皮带，增大初张力从而提高牵引力传递效率。（2）增大摩擦系数。在传动滚筒上覆盖木或橡胶等材质的衬垫，增加摩擦系数。（3）增加围包角。当单传动滚筒不能满足工作所需牵引力时，可以采用双滚筒传动的方式，这种传动形式相较于单滚筒能传递更大的功率、带动较大的负载，且能增加围包角以加强牵引力，但可能会导致皮带机出现功率不平衡的问题从而增大电动机备用功率。2.3.2 故障保护及参数监测装置皮带输送机在使用中可能会出现一些故障，如电机故障、皮带破损、皮带紧松滑落等。在这些故障发生时，可以使用特殊设备以及故障保护系统，检测出这些故障，防止对设备的及时维修。此外，可以在控制系统中使用一些传感器，对皮带输送机上的一些参数进行实时检测，如带速、温度、振动、噪音、扭矩等，保证设备的正常运行，有效降低故障出现的风险。此外，皮带输送机的参数检测也可以反映出皮带机的能效情况，为优化制造工艺提供素材。因此，为皮带输送机配备参数检测和故障保护系统十分必要，不仅能够检测出可能发生的故障，同时可以确保设备的正常运行，使得生产过程更加安全有效。使用传感器对于控制系统来说，可以实时检测出设备的各项参数，以便更好及时发现故障，在损失降到最小的前提下，最大程度的实现生产过程的安全。1、皮带跑偏跑偏是皮带输送机上最常见的故障，若不及时处理，可能会由于皮带与输送机上其他部件剧烈摩擦导致皮带表面保护层磨损，带芯解除空气容易受潮而减短使用寿命，甚至因此造成断带事故。另外，皮带严重跑偏时也会导致撒料，因此采取防护措施防止皮带跑偏是必要的。目前针对皮带跑偏主要有两种解决办法：(I)人工调整驱动滚筒或托辑来对皮带进行调偏。(2)利用平行调偏托根或回转式槽型调偏托辑进行自动调偏。为实时监测皮带有无出现跑偏，通常需要安装防跑偏保护装置。跑偏开关的主要功能是监测皮带输送机上皮带的跑偏量，并在设备发生故障时主动报警、进行停车动作。通常在实际应用中将跑偏开关安装在皮带输送机两侧，当皮带机运行中皮带跑偏时，会触发跑偏开关的立辐，此时立根发生偏转，根据偏转角度大小设置对应的响应方式，当立辑偏转到一级角度时，触发声光报警信号提示工作人员，并将故障情况上报至PLC,当皮带跑偏程度较严重，触发二级角度时，直接进行停机动作，并将停机信号上传至PLC,同时在HMl触摸屏上故障指示灯亮起当跑偏故障完成维修后，可手动复位消除故障信号标志，回到初始工作状态。跑偏开关外形如图2.5所示。图2.5跑偏开关外形图2、带速检测通过对皮带输送机运行中的带速检测，可以推算出皮带打滑、超速、断带的故障。因此为每条皮带都配置一个速度传感器来检测运行带速。皮带速度检测器DH02E-1-TH可以通过监测单向皮带输送机运行时驱动滚筒与皮带之间有无发生打滑现象来避免严重生产事故的发生。作为保障皮带输送机安全运作的一种可靠手段，广泛应用于监测各种机械传动设备的故障。皮带速度检测器DH02E-1-TH工作原理是检测皮带输送机上皮带的实际运行速度，并将该运行速度与皮带机额定速度进行对比，从而计算比较得出皮带打滑的情况，当差值达到设定值时，触发报警和停车信号。另外，非接触式速度传感器可以通过接收被测物发出的磁、光等信号来实现速度的精准测量，避免了测量仪器与皮带接触可能造成的皮带损耗，也能提高测量精度。速度传感器外形如图2.6所示。图2.6速度传感器外形图3、皮带断带目前广泛采用断带信号采集方法如下：（1）张力检测法。皮带输送机是通过驱动滚筒与皮带间的摩擦力来进行传动的，皮带输送机通常设置有预拉紧装置来保证传动效率，因此可以借助拉力传感器来监测拉紧装置的工作状态，当发生断带故障时，拉力下降，断带传感器触发信号，从而实现断带监测。（2）悬垂度检测法。在皮带输送机工作区域沿线设置多点垂悬度传感器，用于检测该点皮带垂悬度，正常情况下皮带是被拉紧状态，垂悬度较低，当发生断带时，垂悬度增加至超过设定值，传感器发出断带信号，从而实现断带检测。（3）带速检测法。通过非接触式速度传感器检测皮带的运行带速，当皮带机出现断带故障时会导致带速降低，此时带速与皮带机额定运转速度出现差值，通过比较器后发出断带信号。为防止突发事故，在皮带输送机上采用DDZ-80型带式输送机用断带保护装置，当皮带输送机在运行中出现断带故障时，故障信号传送到PLC同时控制断带抓捕机构动作，及时控制事故损失。断带保护装置结构如图2.7所示。图2.7断带保护装置结构图一组左右对称的敞开式凸轮压带方式构成了抓捕皮带的执行机构，该结构体积小,紧凑实用。凸轮压带部分采用高分子复合材料一次注塑成型，拥有强度大、韧性好、重量轻等优点，保证与皮带紧密接触，防滑不损伤皮带，夹紧力随着皮带位移的增大而逐渐增加。装置沿线多点布置，使用速度传感器检测皮带运行状态，当皮带异常时,所有断带抓捕装置同时动作，抓捕指令准确无误，动作一致可靠。该产品还配备位置状态传感器，可实时监测装置工作状态。4、堆煤传感器非接触式堆料传感器的工作原理是，传感器持续发出超声波信号，信号碰到目标障碍物反射回传感器，通过两次的时间差来计算测量距离。当皮带机上出现堆料故障时，测量距离小于设定值，触发故障报警信号，使皮带输送机停止工作，并将故障情况上报至PLC。典型商用型号如：GUEl.5堆煤传感器，如图2.8所示。图GUE1.5型堆煤传感器图2.8堆煤传感器外形图5、拉线急停开关急停拉线开关的作用是在某些特殊情况下立即停止胶带输送机的运行，方便工作人员进行操作。它们分布在胶带输送机的行人侧，每50米安装一台，以便于观察和使用。所有的拉线开关都由钢丝绳连接，松紧适度，垂度一致。试验方法是在正常运行时拉紧钢丝绳，以停止胶带输送机的运行并且关闭胶带输送机开关。图2.8为急停拉线开关外形图。图2.8急停拉线开关外形2.3.3 HMI人机界面经过多年的实践验证，以西门子PLC为核心的智能自动化控制系统在各行业中的应用越来越广泛。SIMATICHMI面板的精心开发，不仅展现出无与伦比的创新设计和精湛制造精度，而且可以实施基于TIAPortal和SIMATICWinCC的自动化系统组态，极大的提升客户的工程搭建效率。SIMATICHMI面板拥有着完全相同的硬件功能的所有规格，只需要根据用户的应用需求而选择触屏式或者按键式等不同的显示屏规格便可实现正确的显示结果。用户可以根据直观的用户界面调用软件来进行灵活的应用扩展，无论是从小型解决方案开始，需要逐步进行进程变量操作等功能，还是为获得由更多变量组成的完整控制系统，SIMATICHMI的这种灵活性永远可以满足用户的各种需求。此外，SIMATICHMI面板还采用了更加现代化的图形界面，使得操作和监测变得更加可视化、便捷，从而显著提升了整个自动化系统的控制效率。西门子S7系列PLC是目前市场上应用最广泛的自动化控制设备之一，其模块化架构和高性能处理能力赢得了客户的信赖。在S7PLC的基础上，西门子还开发了S7J200系列，为小型自动化任务提供了高效可靠的解决方案。S7-1200PLC是一款紧凑型控制器，具备多种通信接口和控制功能，可广泛应用于各行业的小型自动化控制系统中。同时，S7-1200还配备了与之配套的面板和触控屏，方便用户进行操作和监测。该系列PLC可采用TIAPortal集成开发环境进行编程和组态，使得开发人员可以快速构建高效稳定的自动化控制系统。通过S7-1200PLC,用户能够实现对工业生产的高度自动化控制，提高生产效率和产品质量，同时降低成本。此外，S7-1200系列还具有出色的可靠性和实用性，适用于各种复杂环境和应用场景，满足客户不同需求的自动化控制要求。西门子为用户提供了完整的自动化控制解决方案，并为其提供技术支持和售后服务，为客户创造更大的价值。2.3.4 PLC简述可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController）简称PLC,是一种广泛应用于自动化控制领域的运算控制器，它使用一组存储在内存中的指令来控制机器和工厂自动化过程中的设备。PLC可以处理输入和输出信号，执行控制任务，并根据特定的程序来完成控制功能，也应用于控制各种复杂的过程，从单纯的开关控制到复杂的自动化系统。PLC通常由一个可编程的中央处理器（CPU）和多个输入/输出（I/O）模块组成。PLC的CPU的主要功能是控制I/O模块的运行，I/O模块的功能是接受外部设备的信号，以及在PLC的指令下发送控制信号。PLC的工作原理是通过PLC的CPU,用户可以编写程序来控制PLC的运行。这些程序和程序对应的I/O模块之间建立起连接，从而实现对机器的控制。当PLC接收到外部设备发出的信号时，CPU会读取程序，根据程序的指令发出控制信号，从而控制外部设备的运行。PLC基本结构如图2.9所示。扩展机架按钮选择开关限位开关电源其它PLC接触器 电磁阀指示灯电源计算机图2.9PLC基本结构2.4 本章小结简述了码头皮带输送机运输系统的大致工作流程，介绍本设计的系统构成、工作流程图，进行传感器、控制器、皮带机、触摸屏等硬件的选型介绍，分别说明了所选器件的优点。3单向皮带输送机控制系统硬件设计3.1 西门子s71200系列PLC简介SIMATICS7-1200小型可编程控制器充分满足于中小型自动化的系统需求，让自动化系统变得可实现、可靠和易用，便于大企业及中小企业的中小型自动化应用。S7-1200的研发过程中充分考虑了系统、控制器、人机界面和软件的无缝整合和高效协调性的需求。它集成了PROFINET接口，使编程、调试过程以及控制器和人机界面的通信能够完全利用PROFINET工业以太网技术,且还可以非常好地升级现有PRoFIBUS系统。S7-1200拥有优良的性能、完善的功能整合与机械安全使用，此外其可靠性更是优秀。因此，S7-1200非常适合各类生产企业的中小型自动化系统。它不但具备运行安全性和集成度高的特点，而且具有高可靠性，其低功耗也是理想之选，活用控制器的有效性增加了控制器的可用性。SIMATICS7-1200系统有5种不同的CPU型号：CPU1211C>CPU1212C、CPU1214C、CPU1215C和CPU1217Co这些CPU不仅存储控制程序，而且为增加数字或模拟I/O提供了一种机动，而且不必改变控制器的体积。比如，CPU1212C可以连接2个信号模块，而CPU1214C可以连接8个，以及最多3个通讯模块。SlMATlCS7T200系统还确保它们有一些特性以实现简便的安装即使在面板安装中。比如所有S7T200硬件都具有内置的夹子，这些夹子可以支持在标准的35DIN导轨组件中安装，另外每个CPU还带有能够伸缩至花孔层的安装孔。此外,微小的宽度也使SIMATlCS7-1200CPU能够节省许多安装空间，使其成为许多应用程序的理想之选。3.2 CPU选型经过对皮带机、传感器等工作器件输入输出的大致估算，本设计中需要数字量输入29点，数字量输出16点，模拟量输入通道6路，具体见下表3.1、3.2、3.3。表3.1模拟量输入通道分配模拟量输入通道数量皮带机速度1*3滚筒温度1*3总计6表3.2数字量输入点分配数字量输入点数操控制方式选择2作总启动按钮1台总停止按钮1急停按钮1皮带跑偏开关2*3烟雾传感器1*3断带传感器1*3拉线急停开关1*3就地箱启动按钮1*3就地箱停止按钮1*3就地箱急停按钮1*3总计29表3.3数字量输出点分配数字量输出点数皮带电机开1*3皮带电机关1*3警铃1状态指示灯1*3就地故障指示灯1*3洒水装置阀门1*3总计16在先前设计中输入输出点数量计算可能有误差，为避免实际应用过程中控制点数不足，通常应在统计得出的总点数基础上增加15%裕量。综上所述，在本设计中选择西门子S7J200系列中的CPUl214C,拥有100KB工作存储器；24VDC电源，板载DI14x24VDC漏型/源型，DQIOx24VDCAI2；板载6个高速计数器和4路脉冲输出；信号板扩展板载I/O；多达3个用于串行通信的通信模块；多达8个用于I/O扩展的信号模块；0.04ms1000条指令；PRoFINET接口，用于编程、HMl以及PLC间数据通信，满足本设计的要求。3.3 本章小结计算了本设计控制流程所需的CPU配置并进行相应的西门子S7-1200PLC选型。4单向皮带输送机控制系统软件设计4.1 控制流程控制系统启动后，首先检查故障标志位状况，如果故障标志位已被置位，说明上一次停机是紧急全线停机，启动时会选择全线启动的方式。没有故障标志位时，选择手动/自动控制模式，在有检修、调试等需求的情况下应选择手动控制，可以单台控制皮带机启停。正常情况下自动启动，皮带输送机由逆物料流方向依次延时启动，同时各保护传感器开始工作，当收到故障信号时，应全线停机并发出故障警告信号，同时置位故障标志位，以使下一次全线启动。若没有出现急停状况，则系统正常收到停机信号后，顺物料流依次延时停止皮带机。以上以为皮带输送机控制系统一次完整的工作流程。4.2 人机操作界面HMIHMI作为在现代工业生产现场自动化控制中的重要设备之一，可用于操作人员与PLC之间的联通。在本设计中，HMl在现场层设置就地控制箱，在控制层设置触摸屏控制台，其中触摸屏控制台选用西门子精智系列面板。现场控制箱主要用于监视故障情况、控制启停保护生产安全。控制台用于控制模式的切换、监视皮带输送机的运行工况，并对整个输送系统进行集中控制，同时在手动控制模式下可以通过按钮单台点动控制皮带机启停。图4.1、4.2分别为本设计中的操作台和就地控制箱界面，使用博途软件制作。图4.1控制台界面图4.2就地控制箱4.3 程序设计通过控制面板的两个控制方式按钮来选择自动或手动控制模式，且两种模式为互锁关系，只能同时启用一种模式。且出于安全起见，在有皮带输送机运行的状态下不能更改控制模式。同时在触摸面板上设置有对应指示灯显示当前控制状态。在集中自动控制模式下，按下自动启动按钮，经过启动预警后各皮带输送机依次启动，以下是程序