胶带输送机集中控制系统电气工程及其自动化论文

胶带输送机集中控制系统电气

毕业设计（论文）任务书

站名 年级专业

学生姓名

一、设计（论文）题目：

二、设计（论文）任务与要求

三、设计（论文）时间： 年 月 日至 年 月 日

指导教师 （签名）

成教院院长 （签名）

毕业设计（论文）评定书

站名 年级专业

学生姓名

一、设计（论文）题目：

二、设计（论文）共 页，附图 张

三、审阅意见及评语

根据学院教学管理的有关规定，同意（不同意）该生参加毕业

答辩

指导教师 （签名）

职 称

工作单位

毕业设计（论文）答辩委员会（小组）决议

站名 年级专业

学生姓名

该生于 年 月 日进行毕业设计（论文）答

辩

设计（论文）题目：

答辩委员会：主任委员（组长）

委 员（成员）

答辩学生向答辩委员会（小组）提交如下资料：

设计（论文）说明书 共 页

设计（论文）图纸 共 页

指导教师评阅意见 共 页

根据学生所提供的毕业设计（论文）材料和指导教师意见以及在

答辩过程中学生回答问题的情况，毕业设计（论文）答辩委员会（小

组）作出如下决议：

一、毕业设计（论文）的总评语

二、毕业设计（论文）的总评成绩：

毕业设计答辩委员会主席（组长） （签名）

委员（成员）

（签名）

年 月 日

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摘 要

摘 要

煤矿的运输系统对保证矿井正常生产起着非常重要的作用。为了保证煤矿运

输系统可靠安全运行，对带式输送机进行集中监视和控制很必要。本文以河南何

庄煤矿胶带输送机为背景，设计出了以PLC技术为核心的集中控制系统，提高了

运输系统的监测和控制水平。

文中首先介绍了本次设计的背景，然后设计了胶带输送机集中控制系统的结

构和应具有的控制功能，参数的检测和故障保护装置，确定了各故障检测传感器

的类型及安装位置。在此基础上采用SIEMENS的S7-300系列PLC对系统进行硬件

和软件设计，其中包括PLC的模块配置及外部连线，梯形图程序设计。最后提出PLC

控制系统的主要干扰源，并设计了抗干扰的措施。

关键词：胶带输送机； S7-300； 集中控制系统

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目录

目 录

1 引言 ............................................................. 0

1.1 引言 ........................................................ 0

1.2 胶带输送机集中控制系统 ...................................... 0

0

1

1.3 本课题研究的主要内容 ........................................ 2

2 胶带机集中控制系统的总体设计 ...................................... 4

2.1 课题背景介绍 ................................................ 4

2.2 胶带输送机集中控制系统的功能设计 ............................. 4

2.3 胶带输送机集中控制系统结构设计............................... 5

2.4胶带输送机集中控制系统设备构成 ............................... 7

7

8

16

20

3 胶带输送机集控系统硬件设计 ....................................... 23

3.1 SIMATIC S7-300 PLC简介 ..................................... 23

23

24

3.2 集控系统PLC的设计 ......................................... 25

25

28

31

32

3.3西门子ET200M与PROFIBUS-DP总线 ............................. 34

4 胶带集中控制系统软件设计 ......................................... 37

4.1 集中控制的流程图 ........................................... 37

4.2 系统软件实现 ............................................... 38

38

40

5 控制系统的抗干扰措施 ............................................. 42

5.1主要干扰源 .................................................. 42

5.2抗干扰措施 .................................................. 43

6 总结 ............................................................ 46

参考文献: ......................................................... 47

附录 .............................................................. 48

致谢 .............................................................. 51

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第1章 引言

1 引言

1.1 引言

煤炭运输是煤炭生产过程中不可缺少的一部分。矿井中，运输线路比较长，

巷道条件多种多样，运输若不通畅，采掘工作或是其它的工作都无法进行，整个

煤炭生产系统将处于瘫痪状态。矿井运输机械的类型很多，按运行方式不同，可

分为连续运行和往返运行两种。连续运行式运输设备的特点是，一经开动就不需

操作而连续运行。普通胶带机、钢绳芯胶带输送机、钢绳牵引胶带输送机等均属

于此类运输设备。往返运行式运输设备的特点是，在运行区间，以一定的方式，

作往返式周期性运行，运行中需要操作换向。机车运输及单绳牵引运输等属于此

类运输设备。

随着科学技术的不断发展，矿井生产规模的不断扩大，运输系统也经历了不

断的变革和进步，并以煤流运输的连续化（输送机化），设备大型化（使用长运距、

大运营、高运速、大功率输送机）、自动化、高可靠性与安全性能来保证矿井的连

续、高效生产。

矿井胶带运输系统，是由多条胶带搭接或由煤仓转载形成的煤流运输系统，

因此它内部的基本运输单元就是单台胶带机。胶带输送机是选煤广的主要运输设

备，它可用于物料的水平或倾斜运输上。由于胶带输送机的输送能力变化范围大、

运输距离长、货载和输送机间没有相对运动、运转时阻力小等，因而具有适应性

强、工作平稳可靠、动力消耗小、机件磨损小、使用维修方便等优点，在选煤厂

中得到广泛应用。

1.2 胶带输送机集中控制系统

矿井胶带运输系统是原煤运输的唯一途径，是矿井生产的重要环节，因此它

的安全高效运行受到很大程度的重视。由于矿井胶带运输系统分布广、信息分散

以及控制要求高的特点，随着矿井生产规模的不断扩大，以及技术水平的不断提

高，现代化矿井也需要现代化的管理，因此对胶带运输系统的控制和管理提出了

0

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第1章 引 言

更高的要求。

以往对胶带输送机都采用人工就地分台控制，即每台输送机的控制均由一名

司机就地操作，这是一种最原始的控制方式。这种控制方式是直接操作输送机的

控制开关，操作最简单，不增加任何的控制元器件，维护工作较少，但需要人员

太多，并因每个司机的思想素质和技术素质不等常有以外事故发生，影响生产的

正常进行。而集中控制方式，是在整个运输线上新增一套集中控制装置，在控制

室内集中操纵机构，由一名司机来完成操作。这不但节省了大量的司机人员，也

为及时发现故障，缩短停产时间和综合自动化创造了条件。目前，已经成为矿井

胶带运输的主要控制方式。

在煤矿中，煤流的运输一般在几百米到十几公里之间，因此它的运输系统要

有多台胶带输送机、给煤机、煤仓等构成，协调配合完成长距离运输任务。为保

证运输系统的安全可靠，提高运输效率，对其进行完善的管理和监控是现代矿井

煤流运输迫切需要的一项技术。

随着矿井功能和规模的不断扩大，计算机技术、网络技术、新的工业控制器

技术等新技术的应用，对胶带输送机的集中控制系统也得到了飞速发展。从单台

控制系统到多台的集中控制系统，有价格相对较贵的PLC构成的系统和低廉的单

片机应用系统。目前，虽然市场上有着各式各样方案构成的集控系统，但发展的

方向是一致的，那就是朝自动化、智能化、信息化的方向发展。

皮带机的综合自动化控制是整个矿井实现自动控制的重要组成部分。 目前

对胶带输送机集中控制系统存在的主要问题有：

（1）在安全保护方面，为提高胶带输送机运行的可靠性，安全性，减少故障，

提高效率，多种检测方法已应用于电动机、液力偶合器、减速器和胶带运行系统

故障检测，但是这些系统是相互独立的。

（2）故障检测系统误报率高。误报将造成胶带输送机不应有的停机，使全矿

井停产，对矿井生产造成极大影响。

（3）皮带机的控制、运行、保护等信息不能较好的与矿井其他控制系统共享，

1

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第1章 引 言

不能与整个矿井信息系统的集成。视频监视系统不规范，没有语音通讯功能，不

能实现无人值守。

1.3 本课题研究的主要内容

矿井生产自动化已经成为一种趋势，如何更好的实现矿井运输系统的集中安

全控制管理是现在迫切解决的问题。而皮带机集中控制系统可实现对整个皮带机

运输系统的遥测、遥信、遥控，提高生产效率、降低事故率，减少故障处理时间、

减少现场操作人员、提高经济效益。本论文正是以此为目的，以河南何庄煤矿主

斜井与地面胶带输送机为背景，设计一种基于PLC的运输皮带和给煤机的集中控

制系统。

本次设计主要内容如下：

（1）对胶带运输控制系统概述。

（2）以何庄煤矿主斜井与地面胶带输送机为背景，概述胶带输送机集中控

制系统的功能，设计其系统结构，讨论要监控的故障对象、传感器配置及对故障

的处理措施。

（3）胶带集控系统的硬件设计，进行S7-300 PLC模块选型和外部连线设计。

为了使集控系统更加完善，实现控制的可观化、清晰化，加入了触摸屏设计。它

可以实时显示系统的运行情况和各种故障情况，进行及时的报警显示和记录。

（4）进行系统的软件设计，实现系统功能。

（5）最后分析控制系统产生干扰的原因，提出对应抗干扰措施。

2

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第1章 引 言

3

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第2章 胶带机集中控制系统的总体设计

2 胶带机集中控制系统的总体设计

2.1 课题背景介绍

河南何庄煤矿是年产45万吨的中型煤矿，采用带式运输机及竖井箕斗提升作

为主要运输方式，其主运输系统包括带式输送机、转载机、竖井箕斗、原煤皮带、

振动筛、精煤皮带等。各条皮带机都由一台电动机驱动，正常运行速度为2m/s，

其中振动筛为双层的，每条皮带机均设置跑偏、堆煤、烟雾、拉线急停、打滑、

纵撕等保护。

煤炭从井底煤仓经上仓皮带运输到给煤机，然后经过竖井箕斗提升至地面的原

煤皮带，原煤皮带输送机转运到振动筛后转运至精煤皮带，然后运输到煤场。

2.2 胶带输送机集中控制系统的功能设计

本胶带输送机集中控制系统具有的功能如下所述：

（1） 本系统有集控、就地、检修三种工作模式。一般系统运行在集控工作

模式下，当组成生产流水线时，本机根据前后闭锁关系自动启停，同时检测各检

测保护设备的状况；运行就地工作模式时，操作员手动操作按钮启动/停止胶带

机，但所有保护设备均投入使用；运行检修工作模式时，操作员手动启动/停止

胶带，保护设备可有选择性的投入使用，在检修模式下，我们使胶带低速运行。

工作方式的改变，只有在胶带输送机不转时进行，胶带输送机运作时，不能改变

其工作方式；

（2） 程序设计中，报警停车等故障信号自动保持，即一旦发出故障信号，

即使经维修后信号消失，计算机内仍保留信号故障状态，这时复位指令可以清除

故障保持信号；

（3）皮带输送机按照逆煤流启动，顺煤流延时停车，并具有闭锁功能；

（4） 系统具有胶带机低速打滑、机头堆煤、超温洒水、烟雾、滚筒超温、

沿线急停和跑偏等多种保护。下面简单介绍它们信号发生后的动作情况：

a.拉线开关：信号发出后马上发出急停指令，系统可以识别哪个急

停开关动作，发出拉线开关声光报警。

4

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第2章 胶带机集中控制系统的总体设计

b.堆煤：信号发出后，执行堆煤声光报警指令和急停指令。

c.跑偏：信号发出后，执行跑偏声光报警指令，此为一级动作，当

报警时间超出一定时间段时，同时再执行急停指令，此为二级动

作。

d.打滑；信号发出后，执行打滑声光报警指令, 再执行急停指令。

e.超速：信号发出后，执行超速声光报警和急停指令。

f.断带：信号发出后，执行断带声光报警和急停指令。

g.纵撕：信号发出后，执行纵撕声光报警和急停指令。

h.滚筒超温：信号发出后，执行滚筒超温声光报警、洒水指令和急

停指令。

i.烟雾：信号发出后，执行烟雾声光报警、洒水指令和急停指令。

（5） 对设备故障和工艺参数的异常实时报警，并进行声光提示，系统状态

对位显示，更便于维护。

（6） 可与工业电视系统配合，实时监视皮带机重点部位运行情况，以确保

人员及设备的安全；具有喊话、打点通讯功能，基本实现无人值守。

（7） 胶带运输机就地控制箱上设启停、起动预警按钮，设备启动前发出预

警信号，提示有关人员应立即远离设备；现场可随时停车，若设备由集控启动，

控制系统接到现场停车信号后，可作急停处理，实施故障停车操作。

（8）具有联网功能，能与全矿井自动化监控系统可靠的联接、实现全局监

控。

2.3 胶带输送机集中控制系统结构设计

本次设计中需要集中控制的皮带共有7条，各条皮带分布较广，现场控制点

分散，并且现场的环境比较恶劣。所以，系统结构采用PROFIBUS-DP现场总线技

术，组成主从系统结构。根据工艺流程划分，系统以PLC为控制主站，以每条皮

带就地箱配备的远程I/O ET200M为从站，共设7个从站，这样就节约了大量电缆

等材料。本系统由集中控制台、PLC控制柜、触摸屏、就地箱、各种保护传感器

及执行器组成。完成一个系统内多条皮带多个设备全过程的控制、监测，构成一

个完善的集中控制系统。其系统结构如图2-1所示。

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第2章 胶带机集中控制系统的总体设计

控制级

现场级

就地控制箱1

ET200M

就地控制箱2就地控制箱7

ET200MET200M

传执传执传执

感行感行感行

器器器器器器

管理级

上位机

操作台触摸屏

PLC

PROFIBUS-DP

主提升皮带机走廊皮带机末煤刮板机

图2-1 系统结构图

以SIEMENS公司S7-300系列PLC作为核心控制器件，具有防潮、抗干扰能力

强、易扩展，基本免维护，实现与上位机的通信，以循环扫描的方式，检测传感

器及被控设备的信号，发出程序指令，完成对皮带机的集中监控，使各个皮带协

调完成工作。PLC控制柜内部由S7-300 PLC模块、接线端子、电源模块、变压器

及各种模块组成；集中控制台和触摸屏是人机的交流界面，控制台面板上有各条

皮带机的起停控制按钮，总启、总停按钮，起车预警按钮、集控/就地/检修工作

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第2章 胶带机集中控制系统的总体设计

方式的转换开关，系统紧急停车按钮；触摸屏则详细显示各条皮带及给煤机运行

情况，同时也显示出所有皮带上的各种保护传感器的动作情况、故障位置等。就

地控制箱上有控制皮带的启动、停止按钮，急停按钮，内部配SIMATIC ET200M

远程I/O，完成现场皮带的数据采集和控制。每个远程I/O站可以处理256个开

关量或64个模拟量，它与CPU的通信速率最高可达12Mbps，通信距离最远可达

1200米。ET200M 远程单元通过IM153-2总线接口模块连接到PROFIBUS总线上。

2.4胶带输送机集中控制系统设备构成

胶带输送机集中控制系统主要由PLC、人机界面等组成，它主要控制胶带输送

机、各种参数检测和故障保护装置，将各种信息在触摸屏上集中显示。下面我们

对集控系统各部分进行详细的介绍。

带式输送机是以胶带作为牵引机构和承载机构的连续运输机械，又称为胶带

输送机，它在矿山的物料运输，特别是煤的输送方面得到了广泛应用。带式输送

机主要由以下几种主要部件组成：传动装置、胶带、机架、滚筒、托辊、拉紧装

置、清扫器、装料和卸料装置等。

1-胶带；2-传动滚筒；3-尾部滚筒；4-上托辊；

5-下托辊；

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第2章 胶带机集中控制系统的总体设计

6-拉紧装置；7-给料装置；8排料装置；9-机架

图2-2胶带输送机

胶带输送机的基木结构见图2-2所示。胶带1绕过传动滚筒2及尾部滚筒3

形成无级循环的牵引机构，在滚筒2和3之间的机架上按一定距离安装着托辊4

和5，用来支承载有物料的胶带段（重段）和回空的胶带段（空段），传动滚筒

由电动机通过减速器带动，胶带与滚筒之间的摩擦力使胶带移动，这时，由给料

漏斗7（装载装置）加到胶带上的物料就和胶带一起移动。当胶带绕过传动滚筒

时，物料就在重力和离心力的作用下卸到排料漏斗8（卸料装置）中。小车和系

在它上面的重物是胶带输送机的拉紧装置，它的作用是通过安装在小车上的尾部

滚筒使胶带处于张紧的状态。这样，胶带在两托辊之间悬垂度不致过大，而传动

滚筒也能有足够的牵引力传送给胶带。

胶带是经主动滚筒和机尾改向滚筒形成一个无极环行带。它上下的两股胶带

分别由上下的托辊来支承。胶带机的传动装置一般位于输送带的头部、中部或是

尾部，它是带式输送机的重要组成部分。传动装置一般由驱动装置和传动滚筒组

成。驱动装置一般采用电动机、液力偶合器、减速器及制动轮、传动滚筒组成。

输送机的驱动有单滚筒驱动和多滚筒驱动，一般常采用单滚筒驱动，功率大

时可采用多滚筒驱动。多滚筒驱动的优点就是能够传递较大的功率，带动较大的

负载，并能降低输送带的张力；其缺点就是可能会出现功率不平衡问题，从而增

加了电动机的备用功率。本项目的胶带输送机都采用一台电机的单滚筒驱动。

胶带输送机向上运输物料的倾角不能过大，运输煤炭时的倾角一般为18—

O

2l。向下运输的倾角一般在15以下。超过这些数值，运输物料和胶带之间就会

有相对运动，使物料下滑。因此，在输送同样高度条件下，胶带输送机所需厂房

面积或成长度较大。

装置

为了能实时的掌握带式输送机的运行状况，需要对其一些参数如速度、滚筒

温度等进行检测。带式输送机在输送过程中也难免出现一些故障，如果这些故障

处理不当，可能会导致更大的事故，对生产造成重大损失。所以，对带式输送机

的参数检测和采取相关保护措施是必须的。下面简要介绍一下带式输送机出现的

O0

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第2章 胶带机集中控制系统的总体设计

一些常见故障及其参数的检测。

近年来，带式输送机在运转中最常见的故障是运输机跑偏，如果处理不及时，

因输送带边缘与托辊或机架剧烈摩擦，很快会把输送带边上的保护层磨掉，使带

芯受潮湿大气的侵蚀而迅速损坏，也可能扯坏输送带，造成断带事故；另外，皮

带严重跑偏时也会导致向外撒煤，造成浪费。因此，防护输送带跑偏是带式运输

机运行保护中的重要问题。

胶带输送机跑偏的根本原因是输送带在运行过程中，横向受力不平衡。主要

有以下几种原因：（1）安装质量原因：a机架、滚筒没有调整平直；b托辊轴线与

输送带中心线不垂直；c机架与地面连接强度不够，机架不稳定；d导料槽和卸料

槽的导料挡板安装位置不当，受力不均。（2）输送带质量原因：a输送带接头与

中心线不直；b输送带带边呈“S”型。（3）装载质量原因：装载点不在输送带中

央。（4）维护质量原因：滚筒清扫不干净，造成直径不等。

目前，对运输机跑偏的解决办法主要有两种：（1）通过人工调整滚筒或托辊

进行调偏；（2）使用回转式槽型调偏托辊（上胶带装）或平行调偏托辊（下胶带

装）进行自动调偏。为实现无人值守，多数都使用能自动调偏的托辊。

为实时监测运输皮带是否跑偏，一般在机头、机中和机尾皮带最容易跑偏的

地方分别安装一对防跑偏保护装置。本设计中采用煤炭科学总院常州自动化研究

所的KG1007A-2型胶带二级防跑偏开关，其跑偏信号通过接入临近拉线急停开关传

输。在皮带正常工作时，跑偏开关的探杆在竖直位置。当皮带跑偏时，皮带碰到

跑偏开关的探杆，并带动探杆轴转动，此时与探杆固定在一轴上的凸轮也同时转

动，拨动跑偏开关的微动开关发出跑偏信号。

图2-3 跑偏开关 图2-4

速度传感器

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第2章 胶带机集中控制系统的总体设计

KG1007A-2型胶带防跑偏开关为本质安全型电气设备，使用于煤矿有瓦斯、矿

尘爆炸危险的环境。它体积比较小、重量轻、密封性能好；触点动作后还留有较

大的探杆转动缓冲角，探杆上装有尼龙滚动护套，避免探杆和胶带之间的磨擦，

使本身不易损坏，输出开关量信号。它的转动角度可以通过改变微调开关的位置

来改变。在此设计中，我们要求跑偏信号发出传送给PLC，一级跑偏时发出声光报

警；二级跑偏时PLC发出急停指令，语音报警，同时触摸屏故障位置指示灯亮并启

动急停报警。

KG1007A－2型防跑偏开关技术参数如下所示：

胶带跑偏开关型号: KG1007A－2型

外壳防护等级: IP54

触点容量 AC380V、DC220V，5A，煤矿井下使用时必须和本质安全型电路

连接

探杆动作转动最大角度: 大于70°，双向转动

触点动作时探杆转动角度: 25°（一级）

40°（二级）

引入电缆外径: 6～12mm,两个出线口

重量: 2kg

速度检测

检测胶带打滑、超速和断带故障，均需要知道胶带的运行速度，因此我们给

每条皮带设置一个速度传感器来检测胶带的速度。本设计中，我们选用常州联力

的KJ5007A型速度传感器，输出频率信号，幅值5V，频率f=200V（V为胶带速度

值），输出电流信号4～20mA。其工作原理是：带式输送机运行时，速度检测传感

器由紧贴胶带的滚轮带动转盘（带有齿槽）在光电传感器凹槽内转动，光电传感

器光路通断受齿槽控制，输出相应的方波频率信号，频率信号经整形放大后，再

经频率/电压、电压/电流变换后输出4～20mA的电流信号。

转盘

光电传感器

电压

f

整形放大

f

频率/电压电压/电流

变换变换

v

电流输出

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第2章 胶带机集中控制系统的总体设计

图2-5 速度检测传感器部分电路方框图

打滑

驱动滚筒打滑的原因是滚筒的摩擦牵引力降低、超载或带子被卡住。摩擦牵

引力降低的原因是输送带或滚筒沾泥水、输送带张力下降。采用自动调整的拉紧

装置是防止驱动滚筒打滑的有效方法。滚筒持续打滑得不到纠正，则会招致输送

带着火，引起重大火灾事故。采用阻燃输送带，驱动滚筒持续打滑也会冒烟污染

空气。因此设置打滑保护装置，自动监视调整或停止。

在此设计中我们没有选用专门的打滑检测传感器，是通过检测胶带的速度，

把胶带速度和滚筒速度做比较来实现的。理论上我们是将胶带的实际运行速度与

滚筒实际速度作比较，但是实际上，在滚筒速度不容易获取的情况下，我们可让

胶带实际速度与滚筒的额定转速比较，监测传动滚筒和输送带之间的线速度之差，

当检测到输送机速度滑差率大于或等于8%时，立即发出声光报警：当测得输送机

速度滑差率大于或等于8%和运行时间大于或等于20秒时使带式输送机与给煤机紧

急停车，并发出声光报警；或当测得输送机速度滑差率大于或等于12%和运行时间

大于或等于5秒时使带式输送机与给煤机紧急停车，并发出声光报警。

超速

当胶带负载忽然变轻或是胶带忽然断带时，胶带运行速度会马上升高。胶带

一般正常运行速度是2m/s，如果速度太高，会对胶带旁边的矿工造成危险；同时

若胶带旁边有锋锐的物体，可能会挂破胶带，造成重大事故。同上，我们在此设

计中没有采用专门的超速传感器，通过胶带速度与设定值的比较，判定胶带是否

超速运行。当胶带速度达到标准带速的105%时，发出声光报警并命令皮带紧急停

车，这里标准带速为2m/s。

断带

从大量的断带事故分析可知，带式输送机断带原因大概有以下几种:

（1）齿轮减速器损坏，液力耦合器喷液或电动机逆转；

（2）输送带接头质量问题；

（3）运输中因其他东西卷入而引起运输载荷突然增加；

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第2章 胶带机集中控制系统的总体设计

（4）启动和停车时应力变化大；

（5）输送带自身质量不过关，输送带服务年限过长，输送带长时间超负荷

运输，日常维护不到位；

（6）物料分配不均，输送带跑偏。

为了防止由这些原因引起的断带事故，除了进行人为的检修和维护外，在输

送机沿线上布置断带保护装置尤为重要。因为它可以避免突发事故，随时处于待

命状态。在滚筒实际转速不能确定的情况下，我们通过检测胶带线速度与滚筒额

定线速度差确定是否断带，当差值大于设定值时，发出断带信号，命令皮带紧急

停车，同时停给煤机，并发出声光报警。

堆煤传感器

当煤仓内有大煤块塞住煤仓漏口时，会使煤流阻在煤仓内，无法向胶带投放。

由于煤仓特别大，如果没有人及时发现煤仓堆煤，煤在煤仓内会越堆越多，最后

会迫使使用大量人力物力来挖除煤仓内阻塞的大量煤，同时将运输系统全部停下。

这样不仅浪费时间降低工作效率，同时也费用大量人力物力，提高煤的生产成本。

因此加入堆煤传感器，及时报警危险煤位，处理煤仓内阻塞的煤。

此设计中我们采用常州自动化研究所的物料探测传感器。KG1006系列物料探

测传感器包括KG1006A型和KG1006C型，适用于煤炭、冶金、化工、建材的功能

行业恶劣环境，主要用途是监测料仓物料高度；检测输送机溜槽阻塞或转载点堆

积。传感器可以延时动作，延时时间可调，避免由于大块物料撞击引起误动作。

这里我们选用KG1006A型，输出触点容量是AC220V，1A，电阻性负载；延时时间

0.4～60s可调，瞬间复位，输出开关信号。

堆煤传感器一般安装在机头下方适当的位置，且不易碰坏或被水和煤尘污染

的地方。应保证正常煤流时不误动作，机器振动不误动作，不因滴水或煤尘集聚

而误动作，大块煤矸石碰撞后不能使其损坏。

烟雾检测传感器

由于打滑摩擦等原因，胶带机滚筒升高到一定温度时，会使胶带燃着，因此

我们在滚筒处设置烟雾传感器，当烟雾浓度大于一定值时，发出报警信号。烟雾

传感器可分为离子感烟式和光电感烟式两类，但不管是离子式还是光电式的，都

有一个共同的特点，即机电一体化。目前，烟雾传感器大都采用金属镅的离子式

12

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第2章 胶带机集中控制系统的总体设计

探测器，由不锈钢的外壳构成。

本设计我们采用常州自动化研究所的KGN1-1型烟雾传感器，它为矿用本质安

全型，用于监测煤矿井下因机械磨擦、电缆发热、煤层自然等原因引起的火灾事

故，输出0/5mA的开关量信号，红色LED电源指示，报警时闪烁，频率1Hz. 当检测

到烟雾浓度超过设定值时，发出洒水指令，启动洒水装置对主滚筒进行降温灭火，

并进行声光报警。

烟雾传感器应悬挂在输送机头风流方向后2-3米处，以保证主滚筒因摩擦产生

烟雾时立即起作用。若风速超过5m/s时应安装防风罩，根据实际情况而定。为保

证烟雾传感器正常工作，必须对其定期打扫和清洗。

拉线急停开关

在皮带输送机运行过程中，总有一些无法监测到而又非常恶劣的事情发生，

当遇到这种紧急情况时，可以采用手动的拉线急停开关，使输送带紧急停车，避

免发生重大事故。我们采用常州自动化研究所的KG9001A-C型编码式拉绳急停闭锁

开关，可用作输送机沿线电缆接线盒，并具有故障位置识别电路，识别各种不同

故障及故障发生的地点。沿输送机长度方向配置的跑偏、纵撕（或其它传感器）

等保护装置和起动预告、打点联络用的信号器均可通过它们与监控系统连接。拉

线急停开关沿输送机安装，一般每隔80-100米按一个，应安装在易于观察到、易

于操作的地方。

图2-6 烟雾传感器 图

2-7 拉线急停开关

KG9001A-C型拉线急停开关的技术参数如下所示：

13

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第2章 胶带机集中控制系统的总体设计

拉力 150±20N

行程 8～10mm

复位形式 人工复位

工作电压 DC10～15V，煤矿井下使用时，必须与本质安全型电路连接

工作电流 监控状态下不大于0.1mA;动态状态下不大于40mA

输出信号 2路集电极开路输出

位置识别地址 0～63

引入电缆外径

KG9001A-C 两侧出线口（2个）15～20mm；下部出线口（4个）6～12mm

出厂时拉绳配置长度 2×35m

外壳防护等级 IP54

重量 7.5kg

红外温度传感器

由于滚筒和胶带的摩擦作用，当滚筒温度过高时，会使胶带燃着。因此，我

们要及时监测滚筒温度，当温度达到一定值时报警。温度传感器从使用上可分为

接触式和非接触式两大类，接触式目前使用较为广泛，而非接触式测量是通过检

测被测物体所发出的红外线，来达到测温的目的。根据课题项目的具体要求，被

测对象是一直转动的滚筒表面，接触式温度传感器测量起来误差太大，响应时间

太长，温度变化的传递完全依靠空气为介质进行热交换，因而采用接触式测量不

适用于该次设计，为此，选用了RAYTEK非接触式红外热敏元件作为测温元件，温

度传感器的输出信号为0～10V模拟量电压信号，测量范围为-32～535度。它具有

响应速度快，测量精度高，安装维护简便等特点。我们将检测到的红外温度与设

定值比较，当温度大于设定值时，则发出报警指令，同时启动洒水阀洒水降温。

一般我们的设定值要根据考虑周边情况，如：胶带的制作材料，燃点等。

纵撕检测

钢线芯带式输送机以其强度高、运量大和运距长等优点，受到各企业的青睐，

也得到越来越广泛的应用。它之所以强度高是因为其内部纵向布置了许多钢丝绳，

但是在其宽度上，抗拉强度是很低的。因此正因为这一特点，使其容易发生纵向

撕裂事故，而且一旦事故发生，就会造成非常重大的经济损失，即使能修补，也

14

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第2章 胶带机集中控制系统的总体设计

浪费很长的时间，给生产造成损失。

纵向撕裂，其原因是多方面的，主要有：一些料棒插入到输送带中；大块长

型矸石掉到输送带上；机架上某些固定件挂住输送带；各种铁丝钩住输送带等。

就发生纵撕的地点来看，大部分是在装载处，因此纵撕检测传感器一般放在装载

点前10m处。

输送带纵撕事故如此严重，提出了多种检测和监视装置，下面我们收集多方

面资料比较详细的介绍几种常见类型。由于输送带被撕裂后，表现特征各不相同，

选用何种装置进行检测，要根据具体情况而定，一般要选用几种同时使用，以防

范重大事故的发生。

（1）漏料检测器。当输送带被撕裂后，物料会通过裂口掉到下面的托盘上，

根据平衡原理，当物料重量克服平衡锤的重量，使装置绕支点转动，迫使限位开

关动作（图2-8）。这种检测装置结构比较简单，检查方便，但是，只有物料落下

后才可检测到，当裂口因为拉力重合到一起，物料无法落下时，却无法检测的到。

1—回空带；2—托盘；3—支点：4—平衡锤；5

—承载带

图2-8 漏料检测器

（2）带宽检测器。它是利用与输送带边缘相接触的检测辊或是利用超音波距

离测量来检测输送带宽度。这就避免了上面漏料检测器的失误。当输送带宽度变

小时，两个检测辊之间的距离变小，通过万向节把撕带的信息传递给开关，开关

控制电动机停机。此外，带宽检测装置和时间继电器配合使用，当接受到信号后，

等待一段时间再发出动作指令，以区分是输送带撕裂或是撕边。

（3）超声波检测器。在输送带容易撕裂的地方的托辊之间安装能够产生超声

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第2章 胶带机集中控制系统的总体设计

波的波导管，使之产生超声波振荡，再通过检波器检波后发出。当输送带正常运

行时，超声波送波、受波正常，发出正常信号；如果输送带撕裂，波导管因弯曲

而破坏，这时送波和受波状态不同，发出输送带纵向撕裂信号，使输送机停机，

避免输送带纵向撕裂事故继续扩大。

（4）振动检测器。它的激振器是一个偏心圆盘，布置在两个承载托辊之间的

输送带上的无载边。在输送带的另一边安装振动接收器，它通过自由回转的辊轮

和输送带接触。带式输送机运转时，偏心激振器使输送带产生横向强迫振动，振

动接收器受输送带振动的作用，发出信号并输入放大器。当输送带发生纵向撕裂

时，振动接收器再受振动的作用，输出信号相应减弱，则放大器发出信号，继电

器动作，带式输送机停机。

在本设计中，我们选择使DJSBA-1型纵撕传感器。DJSBA-1型纵撕传感器为

矿用隔爆妆本质安全型，适用于煤矿井下有瓦斯、煤尘爆炸性气体环境中。安装

于输送机胶带下方，近落料点处。当胶带发生纵向撕裂时，物料洒落在传感器上

面，物料超过设定重量（0.2kg）时，传感器发出动作信号送至主控系统，立即

停车并声光报警。

随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展，计算机控制已经广泛应

用在所有的工业领域。可编程序控制器（Programmable Logic Controll er）正

是顺应这一潮流出现的，它是以微处理器为基础的通用工业控制装置。1987年，

美国电气制造协会（NEMA）对可编程序控制器下了定义：可编程序控制器是一种

带有指令存储器、数字的或模拟的输入输出接口，以位运算为主，能完成逻辑、

顺序、定时、计数和算术运算功能，用于控制机器和生产过程的自动控制装置。

可编程序控制器简称PLC，它的应用面广、功能强大、使用方便，已经成为当代工

业自动化的主要支柱之一。PLC已经广泛地应用在各种机械设备和生产过程的自动

控制系统中，PLC在其它领域，例如在民用和家庭自动化设备中的应用也得到了迅

速发展。

（1）PLC 的系统构成

PLC的硬件系统由CPU、I/O扩展机及外部设备组成。如图2-9所示。西门子PLC

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第2章 胶带机集中控制系统的总体设计

以其极高的性能价格比，在国内占有很大的市场份额，在我国的各行各业得到了

广泛的应用。本次设计所采用的S7—300属于模块式PLC，主要由机架、CPU模块、

信号模块、功能模块、接口模块、通信处理器、电源模块和编程设备组成，各种

模块安装到机架上。通过CPU模块或通信模块上的通信接口，PLC被连接到通信网

络上，可以与计算机、其它PLC或其它设备通信。

与继电器控制系统相比，PLC可以认为是由输入部分、控制部分和输出部分等

组成，但它是采用大规模的集成电路的微处理器和存储器来代替继电器控制线路，

控制作用是通过编制好并存入内存的程序来实现的。我们可以认为PLC的等效电路

如下：

输入部分：用于接受外部输入信号，与外部输入设备连接。可以等效为一个

受控于外部用户输入设备的继电器线圈（输入继电器）。

控制部分：等效于一个受控于内部逻辑的一个线圈，接点可用于驱动外部输

出设备的继电器。

输出部分：用于与外部输出设备连接。

按钮 接触器

电 源 接 口

输输

扩展机架

选择开关 电磁阀

入出

限位开关 指示灯

CPU

模块

模模

块 块

电源 电源

其它其它计算

图2-9 PLC控制系统示

17

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第2章 胶带机集中控制系统的总体设计

意图

（2）PLC的工作原理

CPU中的程序分为操作系统和用户程序。操作系统用来处理PLC的启动、刷新

输入/输出过程映像区、调用用户程序、处理中断和错误、管理存储区和通信等任

务。用户程序由用户生成，用来实现用户要求的自动化任务。STEP7将用户编写的

程序和程序所需的数据放置在块中，功能块FB和功能FC相当于用户编写的子程序，

系统功能SFC的系统功能块SFB是操作系统提供给用户使用的标准子程序，这些块

也通称为逻辑块。

PLC采用循环执行用户程序的方式，这种运行方式也称为扫描工作方式。OB1

是用于循环处理的组织块，相当于用户程序的主程序，它可以调用其它的块，或

被中断程序（组织块）中断。PLC得电或由STOP模式切换到RUN模式时，CPU执行启

动操作，清除没有保持功能的位存储器、定时器和计数器，清除中断堆栈和块堆

栈的内容，复位保存的硬件中断等。此外还要执行一次用户编写的“系统启动组

织块”OB100，完成用户指定的初始化操作，以后将进入周期性的循环运行。循环

程序处理过程可以被某些事件中断，如果有中断事件出现，当前执行的块将停止

执行，并调用分配给该事件的组织块。该组织块执行完毕后，被中断的块将从被

中断的地方开始继续执行。

在PLC的存储器中，设置了一片区域用来存放输入信号和输出信号的状态，它

们分别存放在输入过程映像区和输出过程映像区。PLC梯形图中的其它编程元件也

有对应的映像存储区。在循环程序处理中，CPU并不直接访问I/O模块中的输入地

址区域和输出地址区域，而是访问CPU内部的过程映像区。在读输入模块阶段，PLC

将所有外部输入电路的接通/断开状态读如输入过程映像区。在写输出模块的阶

段，CPU将输出过程映像区的状态传给输出模块。在程序执行阶段，即使外部输入

信号的状态发生了变化，输入过程映像位的状态也随之而变，输入信号变化了的

状态字能在下一个循环扫描周期的读输入模块阶段被读入。

PLC用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中顺序排列。在没有跳转指令

和块调用指令时，CPU从第一条指令开始，逐条顺序执行用户程序，直到用户程序

结束。在执行指令时，从输入过程映像区或别的存储区中将有关编程元件的0、1

状态读出来，并根据指令的要求执行相应的逻辑运算，运算的结果写入到对应的

18

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第2章 胶带机集中控制系统的总体设计

存储区中，因此，各编程元件的存储区（输入过程映像区除外）的内容将随着程

序的执行而变化。

输程出输

入序锁出

端执存端

子行子

134

刷刷输

新新出

输输

入出

映5映

像像

寄寄

存存

器器

5

读

读

2

写

输

电

路

图2-10 PLC对输入输出的处理规则

（3）PLC的特点

a灵活、通用

在继电器控制系统中，使用的控制装置是大量的继电器，整个系统是根据设

计好的电气控制图，由人工通过布线、焊接、固定等手段组装完成的，其过程费

时费力。如果因为工艺上少许变化，需要改变电气控制系统时，原先整个电气控

制系统将被全部拆除，而重新进行布线、焊接、固定等工作，耗费大量人力、物

力、和时间。而PLC是通过在存储器中的程序实现控制功能，若控制功能需要改

变，只需修改程序及少量接线即可。而且，同一台PLC还可用于不同控制对象，

通过改变软件则可实现不同控制的控制要求。因此，PLC具有很大的灵活性和通

用性，结构形式多样化，可以适用于各种不同规模、不同工业控制要求。

b可靠性高、抗干扰能力强

可靠性是工业控制器件的重要指标。因此，要求在各种恶劣工作环境和条件

（如电磁干扰、灰尘等）下可靠工作，将故障率降至最低。PLC具有很高的可靠

性和抗干扰能力，不会出现继电器一接触器控制系统中接线老化、脱焊、触点电

弧等现象，故被称为“专为适应恶劣工业环境而设计的计算机”。

c编程简单、使用方便

PLC采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程，容易掌握。目前，

PLC大多采用梯形图语言编程方式，它既继承了继电器控制线路的清晰直观感，

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第2章 胶带机集中控制系统的总体设计

又考虑到电气技术人员的读图习惯和应用实际，电气技术人员易于编程，程序修

改灵活方便。这种面向控制过程、面向问题的编程方式，与汇编语言相比，虽然

增加了解释程序和程序执行时间，但对大多数机电控制设备来说，PLC的控制速

度还是足够快的。此外，PLC的I/O接口可直接与控制现场的用户设备联接。如

继电器、接触器、电磁阀等联接，具有较强的驱动能力。

d接线简单

PLC只需将输入设备（如按钮、开关等）与输入端子联接，将输出设备（如

接触器、电磁阀等）与输出端子联接。接线极其简单、工作量极少。

e功能强

PLC不仅具有条件控制、定时、计数、步进等控制功能，而且还能完成A/D.

D/A转换、数字运算和数据处理以及通信联网、生产过程监控等。因此，PLC既

可对开关量进行控制，又可对模拟量进行控制。可控制一台单机、一条生产线，

也可控制一个机群、多条生产线。可用于现场控制，也可用于远距离控制。可控

制简单系统，又可控制复杂系统。

f体积小、重量轻、易于实现机电一体化

PLC具有体积小、重量轻、功耗低等特点。由于PLC是专为工业控制而设计

的专用计算机，其结构紧凑、坚固耐用，以及有很强的可靠性和抗干扰能力，易

于嵌入机械设备内部。因此，PLC在机电一体化产品中被广泛应用。

人机界面是操作人员与PLC之间进行对话和相互作用的接口设备。近年来人机

界面的应用越来越广泛，已经成为现代工业控制系统不可缺少的设备之一。这里

我们选用触摸屏和操作台。触摸屏用来监视带式输送机的运行工况。触摸屏可以

监视带式机速度、拉线急停和跑偏开关的动作位置等各种保护状况以及显示带式

输送机的正常运行工况和各种故障状态。通过操作台的各种控制按钮，可以进行

工作方式选择和就地控制带式输送机。图2-11和图2-12分别是本次设计的操作台、

就地控制箱面板。

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第2章 胶带机集中控制系统的总体设计

图2-11 操作台

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第2章 胶带机集中控制系统的总体设计

耐用和节省空间等优点。

在触摸屏上，我们主要显示皮带的运行状况和给煤机的运行信号，胶带的速

度和各个故障的状态及故障出现的具体位置，同时也可以查询到各皮带滚筒的温

度，以实时监测皮带，减少故障查找环节，提高工作效率。

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第3章 胶带机集中控制系统硬件设计

3 胶带输送机集控系统硬件设计

3.1 SIMATIC S7-300 PLC简介

SIMATIC S7—300系列PLC是模块化结构设计，各个单独模块之间可以进行单

独组合和扩展，从而使控制系统设计更加灵活满足不同的应用需求。编程器PG用

来为S7-300 PLC编制程序，使用编程电缆连接编程器和CPU。通过PROFIBUS电缆可

以实现S7-300 CPU之间的通讯，以及与其他SIMATIC S7 PLC进行通讯。一根

PROFIBUS总线电缆可以连接多个S7-300。S7-300 PLC的主要组成部分有导轨

（RACK）、电源模块（PS）、中央处理单元模块（CPU）、接口模块（IM）、信号

模块（SM）、功能模块（FM）等。它通过MPI网的接口直接与编程器PG、操作员面

板OP、和其它S7 PLC相连。

PS

307

CPU模块

处理部件

通信部件

IMSMSM

361321332

IMFMSMSM

360351331332

MPI网

背板总线

PGOP

其他PLC

图3-1 PLC系统构成图

导轨（RACK）：导轨是安装S7-300各类模块的机架，它是特制不锈钢异型板，

其长度有160、482、530、830、2000（mm）五种，可根据实际需要选择。电源模

块、CPU、及其它信号模块都可方便地安装在导轨上。除CPU模块外，每块信号模

块都带有总线处理器，安装时先将总线连接器装在CPU模块并固定在导轨上，然后

依次将各模块装入，通过背板总线将各模块从物理上和电气上连接起来。

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第3章 胶带机集中控制系统硬件设计

电源模块（PS）：电源模块用于将SIMATIC S7-300连接到120/230V交流电源

和24/48/60/110V直流电源。它与CPU模块和其它信号模块之间通过电缆连接，而

不是通过背板总线连接。

中央处理单元模块（CPU）：SIMATIC S7-300提供了多种不同性能的CPU，以

满足不同用户的需求，包括CPU312IFM、CPU313、CPU314、CPU315、CPU315- 2DP

等。CPU模块除完成执行用户程序的主要任务之外，还为S7-300背板总线提供5V

直流电源，并通过MPI接口与其它中央处理器和编程装置通信。S7-300的编程装置

可以是西门子专用的编程器，如PG705、PG720、PG740、PG760等，也可以用通用

微机，配以STEP7软件包，并加MPI卡和MPI编程电缆构成。

接口模块（IM）：接口模块用于多机架配置时连接主机架和扩展机架。S7-300

通过分布式的主机架和3个扩展机架，可操作多达32个模块。

信号模块（SM）：信号模块使不同的过程信号电平和S7-300的内部信号电平

相匹配，主要有数字量输入模块SM321、数字量输出模块SM322、模拟量输入模块

SM331、模拟量输出模块SM332.每个信号模块都配有自编码的螺紧型前连接器，外

部过程信号可以方便地连接在信号模块的前连接器上。特别指出的是，其模拟量

输入模块独具特色，可以接入热电偶、热电阻、4～20mA电流、0～10V电压等18

种不同的信号，输入量程范围很宽。

功能模块（FM）：用于实时性强、存储计数量较大的过程信号处理任务。如：

快给进和慢给进驱动定位模块FM351、电子凸轮控制模块FM352、步进电机定位模

块FM353、伺服电机位控模块FM354、智能位控制模块SINUMERIK FM-NC等。

通信处理器（CP）是一种智能模块，它用于PLC间和PLC与其它装置间连网以

实现数据共享。如：具有RS-232C接口的CP340，与现场总线连网的CP342 -5DP。

安装

S7-300可以水平安装也可以垂直安装，其允许的环境温度分别为0～40℃（垂

直安装）和0～60℃。电源和CPU必须安装在导轨的左侧（水平安装）或低部（垂

直安装）。

S7-300是模块化组合结构，根据应用对象不同，可选择不同型号和不同数量

的模块，并可以将这些模块安装在同一个机架上（导轨）或多个机架上。除电源

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第3章 胶带机集中控制系统硬件设计

模块、CPU模块和接口模块外，一个机架上最多只能安装八个信号模块或功能模

块。IM360/IM361接口模块用来将S7-300背板总线从一个机架连接到下一个机架。

在使用扩展机架时，除了另需模块机架和接口模块以外，可能还需要另加电源模

块。

中央处理单元总是在0号机架的2号槽位上，1号槽安装电源模块，3号槽

总是安装接口模块，槽号4到11，可自由分配信号模块，功能模块和通信模块。

需要注意的是槽号是相对的，每一个机架的导轨并不存在物理的槽位。

3.2 集控系统PLC的设计

经过对各输入输出的大略计算，本设计中需要数字量输入164点，数字量输

出69点，模拟量输入通道14路，其具体分配见表3-1，3-2，3-3。

表3-1模拟量输入通道统计表

模拟量输入 通道数

皮带机速度 1*7

滚筒温度 1*7

总计 14

表3-2数字量输入点数统计表

数字量输入 点数

控制方式选择 3

总启动按钮 1

总停止按钮 1

操

起车预警按钮 1

作

急停按钮 1

台

给煤机启停按钮 2

各皮带启停按钮 14

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第3章 胶带机集中控制系统硬件设计

堆煤传感器 1*7

主提升、走廊皮带跑偏

2*12

开关

其他皮带跑偏开关 8*6

表3-2数字量输入点数统计表（续表）

数字量输入 点数

纵撕传感器 1*7

烟雾传感器 1*7

走廊皮带拉线急停开

2

关

主提升皮带拉线急停

20

开关

其他皮带拉线急停开

1*5

关

就地箱启动按钮 1*7

就地箱停止按钮 1*7

就地箱急停按钮 1*7

总计 164

表3-3数字量输出点数统计表

数字量输出 点数

皮带电机开 7

洒水装置电磁阀 7

皮带电机关 7

警铃 1

给煤机启动、停止 2

状态指示灯 10

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第3章 胶带机集中控制系统硬件设计

就地箱故障显示灯 5*7

总计 69

考虑到前面的设计中I/O点数可能有疏漏，并考虑到I/O端的分组情况以及

隔离与接地要求，应在统计后得出的I/O总点数基础上，增加10％到15％的裕

量。考虑裕量后的I/O总点数即为I/O点数估计值。选定的PLC机型的I/O能力

极限值必须大于I/O点数估计值，并应尽量避免使PLC能力接近饱和，一般应留

有30％的裕量。

存储器容量选择

PLC的I/O点数估算值大小，在很大程度上反映了PLC系统的功能要求，因

此可以在I/O点数估算值的基础上计算对PLC存储器容量的需求。目前，大多用

统计经验公式进行存储器容量估算。这种方法是以PLC处理每个信息量所需存储

器数的统计平均经验值为依据，乘以信息量数再考虑一定的裕量计算得到存储器

需要容量。作为一般应用下的一种经验公式是：

存储器容量

(KB)(1.1~1.25)(DI10DO5AI/O100)/1024

其中：DI为数字量输入总点数；

DO为数字量输出总点数；

AI/O为模拟量I/O通道总数。

DI点数估计值为164×1.15=189，DO点数估计值为69×1.15=80，AI通道估计

值为14×1.15=17个。所以存储器容量为:

1.2×（189×10+69×5+17×100）/1024=4.62KB

工程实践中，大多采用粗略估算，加大裕量，实际选型时参考此值采用就高

不就低的原则。

响应速度

PLC是为工业自动化而设计的通用控制器，不同档次的PLC的响应速度一般

能满足起应用范围内的需要。如果要跨范围使用PLC，或者应用中的某些功能或

信号有特别的速度要求时，确定PLC的型号就应特别慎重。

通过上面的计算，考虑系统通讯和冗余的要求，选用SIMATIC S7-300系列

中的CPU315-2 DP是最合适的。其中最主要的原因是CPU315-2 DP是S7-300系

列中唯一带现场总线（PROFIBUS） SINEC L2-DP接口的CPU模块。内置80KB

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第3章 胶带机集中控制系统硬件设计

RAM，随机存储器为48KB，最大数字量I/O点数为1024个，最大模拟量I/O通

道数为128个。最大配置4个机架，32块模块。满足设计需要。

数字量输入模块的选择及外部连线

数字量输入模块SM321：数字量输入模块用于将现场过程送来的数字信号电平

转换成S7-300内部信号电平。数字量输入模块有直流输入方式和交流输入方式。

直流输入模块各输入点所对应的电路都相同，它们有一个公共的端子，即有一个

公共汇入集点，因此直流输入方式又称为直流汇点输入方式。交直流输入模块各

输入电路都相同，但它们各个输入电路可能有一个公共端子，称为汇点输入方式；

也可能没有公共端子，而是彼此独立，互不影响，称为分隔式输入方式。

输入信号进入模块后，一般都经过光电隔离和滤波，然后才送至输入缓冲器

等待CPU采样。采样时，信号通过背板总线进入到输入映像区。数字量输入模块

SM321有四种型号模块可供选择，即直流16点输入，直流32点输入，交流16点输入，

交流8点输入模块。模块的每个输入点有一个绿色发光二极管显示输入状态，输入

开关闭合即有输入电压时，二极管亮。

输入模块的选择时应注意以下几方面：a.根据现场设备与模块之间的距离来

选择模块电压水平，其传输距离不宜太远；b.模块的同时接通点数不宜太多，一

般来讲，同时接通点数不要超过输入点数的60%；c.为提高控制系统的可靠性，应

考虑其门槛电平的大小。门槛电平越高，抗干扰能力越强，传输距离也越远。

综合考虑以上几点，本次设计中选用直流32点输入的输入模块SM321（6ES7

321-1BL00-0AA0）。操作台输入开关量有23个点，远程I/O主提升皮带输入开关量

有38个，其他皮带输入开关量点数都少于20个。故操作台输入模块SM321选1块，

主提升皮带远程I/O选2块，其余皮带远程I/O各选1块，一共选9块输入模块SM321。

输入模块是通过输入端子与外部用户输入设备相连接的。输入模块通常有若

干个输入点。每一个输入点能接受一个来自用户输入设备所发出的开关信号。输

入模块与外部用户输入设备的接线分汇点式输入接线和分隔式输入接线两种基本

接线形式。汇点式输入接线如图3-2，各输入电路有一个公共端（汇集端）COM，

可以是全部输入端为一组，共用一个公共端和一个电源；也可以是将全部输入点

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第3章 胶带机集中控制系统硬件设计

分为几组，每组有一个公共端和独立的一个电源。汇点式输入接线即可以用于直

流输入模块，也可用于交流输入模块。直流输入模块的电源一般由PLC本身的电源

供给，交流输入模块的电源由用户提供。本项目输入模块的外部接线如附图所示，

它采用汇点式直流输入方式。

输入模块

用户接线

用户电源

输入模块

AC

24V

AC

用户电源

COM

（a）

（b）

图3-2 汇点式输入接线（a 直流模块 b 交流模

块）

数字量输出模块的选择和外部连线

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第3章 胶带机集中控制系统硬件设计

SM322数字量输出模块的作用是将S7-300的输出信号传给外部负载（即用户输

出设备），并将S7-300内部低电平信号转换成外部所需要电平的输出信号。因此

每一个输出点的输出电路可等效为一个输出继电器，可直接用于驱动电磁阀、接

触器、小型电机、灯和电动机启动器。按负载回路使用电源的不同，可分为直流

输出模块、交流输出模块和交直流两用输出模块三种。按输出开关器件的种类不

同又可分为晶体管输出方式、可控硅输出方式和继电器触点输出方式三种。晶体

管输出方式的模块只能带直流负载，属于直流输出模块；可控硅输出方式的模块

只能带交流负载，属于交流输出模块；继电器触点输出方式的模块可带直流负载，

也可带交流负载，属于交直流两用输出模块。从响应速度来看，晶体管响应最快，

继电器最慢；从安全隔离效果和应用灵活性角度来看，以继电器触点输出型最佳。

数字量输出模块SM322有七种型号输出模块可供选择，即16点晶体管输出、32

点晶体管输出、16点可控硅输出、8点晶体管输出、8点可控硅输出、8点继电器输

出和16点继电器输出模块。模块的每个输出点有一个绿色发光二极管显示输出状

态，输出逻辑“1”时，二极管发光。

本次设计中，数字量输出驱动的主要是指示灯和电磁阀，考虑到安全性和皮

带的不频繁启动的特性，故选用16点继电器输出的模块SM322（6ES7

322-1BH10-0AA0），输出16个点，带隔离，8点为一个组，24 VDC 额定负载电压。

操作台和各远程I/O分别选1块，共选用8块。

模块是通过输出端子与外部用户输出设备连接的。输出模块通常有若干个输

出点，每一个输出点能驱动一个用户输出设备（负载）。典型用户输出设备有继

电器、接触器、电磁阀线圈以及信号灯等。输出模块与外部用户输出设备的接线

分为汇点式输出接线和分隔式输出接线两种基本接线形式。

输出模块

COM

用户接线

AC

输出模块

COM

用户接线

AC

AC

AC

30

AC

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第3章 胶带机集中控制系统硬件设计

图3-3 汇点式输出接线

图3-4 分隔式输出接线

汇点式输出接线如图3-3所示，各输出回路有一个公共端，可以是全部输出信

号为一组，共用一个公共端和一个电源；也可以将全部输出点分为几组，每组有

一个公共端和独立的一个电源。负载电源可以是直流也可以是交流，但必须是有

用户提供。汇点式输出接线既可以用于直流输出模块，也可用于交流输出模块。

分隔式输出接线如图3-4所示，每个输出回路有两个接线端，由单独一个电源供电。

相对于电源来说，每个输出点之间是相互隔离的。负载电源可以是交流，也可以

是直流，它必须由用户提供。本项目输出模块的外部接线如附图所示，它采用汇

点式输出方式。

模拟量输入模块SM331的输入测量范围很宽，它可以直接输入电压、电流、电

阻、热电偶等信号，根据型号的不同，各模拟量输入范围的数字化表示以及数字

量与不同的模拟输出范围间的对应可以从技术手册中查到。模块与S7-300 CPU及

负载电压之间是光电隔离的。

SM331主要是由A/D转换部件、模拟切换开关、补偿电路、恒流源、光电隔离

部件、逻辑电路等组成。A/D转换部件是模块的核心，其转换原理采用积分的方法，

积分时间直接影响到A/D转换时间和A/D转换精度。所有模拟量的输入通道共用一

个转换部件，通过转换开关，将各通道按顺序一个个转换。输入模块的循环时间

是指这一通道开始转换模拟量输入值到下次开始转换的时间，它是模块中所有活

动的输入通道的转换时间的总和。因此为了缩短循环时间，应该使用S7组态工具

屏蔽不用的模拟量通道，使其不占用循环时间。

在此项目中，我们的模拟量信号7滚筒红外测温0～10V电压信号，7测速传感

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第3章 胶带机集中控制系统硬件设计

器4～20mA电流信号。模拟量输入模块的选择要考虑通道数。为了节约机架空间和

费用，我们选用8通道的模拟量输入模块SM331（6ES7 331-7KF02-0AB0），其端子

接线图和端子框图如附图所示。操作台处没有，各远程I/O分别设1块，共选用7

块。

SM331的每两个输入通道构成一个输入通道组，可以按通道组任意的选择测量

方法和测量范围。模块上需要接DC24V的负载电压L+，有反极性保护功能。

电源模块的选择很简单，只需考虑输出电流。电源模块的额定输出电流必须

大于CPU模块、输入输出模块、专用模块等消耗电流的总和。

S7-300各个模块使用的电源是通过S7-300的背板总线传送的，一部分模块还

需要从外部负载电源供电。在建立一个项目系统的时候，应充分考虑各个模块的

电流耗量和功率损耗，所有S7-300模块使用的从S7-300背板总线提供的总电流不

能超过1.2A。在S7-300的一个实际项目中，所有模块确定后，要选择合适的电源

模块。电源模块的输出功率必须大于CPU模块、所有I/O模块、各智能模块等总消

耗功率之和，并且要留有大约30%的余量。

S7-300的专用电源模块PS307用于将120/230V交流电转化为24V直流供电电

源，以作为CPU和其他模块所需电源。根据输出电流的不同，有3种规格的电源模

块可选：2A、5A、10A。综合考虑以上各点，本次设计选用10A的电源模块PS 307

（6ES7 307-1KA00-0AA0）。输出电压24VDC；具有防短路和开路保护； 连接单相

交流系统 （输入电压120/230 VAC，50/60Hz）； 可靠的隔离特性，符合EN 60 950；

可用作负载电源。

查阅西门子S7-300的硬件手册知道PS 307电源模块（10 A）的接线图如图3-5

所示。

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第3章 胶带机集中控制系统硬件设计

继电器１６点

直流３２点开

通信模块

ＣＰＵ模块

ＰＳ３０７

３１５－２ＤＰ

电源模块

关量输入模块

ＳＭ３２１RS-232C接口

IM153-2

接口

直流３２点直流３２点

开关量输入开关量输入

模块模块

ＳＭ３２１ＳＭ３２１

开关量输出模

块

ＳＭ３２２

CP340

通信模块

CP340

继电器１６点

开关量输出模

块

ＳＭ３２２

8X12模拟

量输入模块

SM331

P

R

直流３２点

继电器１６点

O

IM153-2

开关量输入

开关量输出模

F

模块

块

接口

ＳＭ３２１

ＳＭ３２２

I

B

U

直流３２点

继电器１６点

S

IM153-2

开关量输入

开关量输出模

综上所述，本次设计中我们选用的模块：

模块

块

-

接口

ＳＭ３２１

ＳＭ３２２

CPU315-2 DP处理器；

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第3章 胶带机集中控制系统硬件设计

图3-6 系统配置图

3.3西门子ET200M与PROFIBUS-DP总线

SIMATIC ET200M是采用模块化的设计，方便安装于控制柜。且与SIMATIC

S7-300 I/O模块及功能模块兼容，安全性高。支持 “热插拔”功能，适合过程控制

中危险区域使用，远程扩展使用等特殊情况。

ET200M是高密度配置的模块化I/O站，保护等级为IP20。它可用S7-300可

编程序控制器的信号、功能和通讯模块扩展。由于模块的种类众多，ET200M尤

其适用于复杂的自动化任务。可插入模拟量HART的输入和输出模块，意味着

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第3章 胶带机集中控制系统硬件设计

ET200M适用于过程工程。它也适宜于与冗余系统一起使用。ET200M是在

PROFIBUS-DP上的被动站（从站）。最大数据传输速率为12M位/S。ET200M

也可以在运行过程中，在有电源情况下配置S7-300 I/O模块的有源总线模块，其

余模块仍继续运行。

ET200M由以下部分组成 ：

（1）IM153接口：用于与PROFIBUS-DP现场总线的连接 ；

（2）各种I/O模块：用总线连接器连接或插入在有源总线模块内, 总线连接

器设计，在运行过程中不能更换模块； 有源总线模块设计，在运行过程中能更换

模块；

（3）电源（如有必要） ；

（4）S7-300自动化单元的所有I/O模块：都可应用（功能和通信模块只用

于SIMATIC S7/M7主设备）；

（5）HART模块 。

ET200M最多可扩展8个I/O模块，每个ET200M的最大地址区：128字节

输入和128字节输出。ET200M通过RPOFIBUS-DP与PLC控制柜连接通信。

PROFIBUS是世界上最大的开放式工业现场总线网络之一，它的的技术性能

使其可以用于工业自动化的一切领域。这种网络能够支持32个节点，最高运行速

度为12Mbps。与大多数现场总线系统一样，PROFIBUS能够减少运营成本，提

高生产效率，加快新品上市时间，并改善产品质量。与标准4～20mA 控制不同，

PROFIBUS能够在由一根双绞线电缆组成的单一总线网段上，支持32个工作站。

PROFIBUS-DP是PROFIBUS现场总线的三个兼容版本之一，它是专为自动

控制系统和设备分散I/O之间通信设计的，是经过优化的高速、廉价的通信连接。

PROFIBUS-DP 的特点：

（1）代替 PLC/PC 与 I/O 之间昂贵的电线；

（2）快速，传输 1 千字节的输入数据和 1千字节的输出数据所需时间<2

ms；

（3）强有力的工具，减少组态和维护费用；

（4）被所有主要的 PLC 制造商支持；

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第3章 胶带机集中控制系统硬件设计

（5）有广泛的产品：PLC, PC, I/O, 驱动器, 编码器等；

（6）允许周期性和非周期性的数据传输；

（7）单主和多主网络；

（8）每个站的输入和输出数据最多可达 244 字节。

（9）强大的三级诊断功能，CPU、模块、通道诊断一应俱全。

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第4章 胶带集中控制系统软件设计

4 胶带集中控制系统软件设计

4.1 集中控制的流程图

西门子的S7-300系列PLC所用的编程语言是西门子开发的STEP7，这是一种

可运行于通用微机中，在WINDOWS环境下进行编程的语言。将它通过计算机的串

行口和一根PC/MPI转接电缆与PLC的MPI口相连，即可进行相互间的通信。通

过STEP7编程软件，不仅可以非常方便地使用梯形图和语句表等形式进行离线编

程，经过编译后通过转接电缆直接送入PLC的内存中执行，而且在调试运行时，

还可以在线监视程序中各个输入输出或状态点的通断状况，甚至可以在线修改程

序中变量的值，给调试工作也带来极大的方便。