选煤厂原煤系统设计毕业设计论文.doc

中国矿业大学毕业设计论文
目 录

第1章 绪论．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．（1）
第1.1节 钱家营选煤厂的背景和选题研究的意义．．．．．．．．．．．．．．．（1）
第1.2节 选煤厂原煤控制系统的发展与趋势．．．．．．．．．．．．．．．．．．．（2）
1.2.1 我国的洗煤厂原煤车间发展．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．（2）
1.2.2 原煤系统需解决的问题及应用．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．（2）
1.2.3 PLC在原煤准备系统中的应用．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．（3）
第1.3节 课题来源和本文主要内容．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．（5）
第2章 选煤厂原煤控制系统的总体设计方案．．．．．．．．．．．．．．．．．．．（6）
第2.1节 原煤系统的组成和设备的应用．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．（6）
2.1.1 系统的组成．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．（6）
2.1.2 给煤机．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．（8）
2.1.3 筛分机．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．（9）
2.1.4 破碎机．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．（10）
2.1.5 分煤器．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．（11）
2.1.6 除铁器．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．（12）
2.1.7 皮带运输机．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．（12）
第2.2节 原煤控制系统的特点及控制方式选择．．．．．．．．．．．．．．．．（14）
第2.3节 原煤准备系统设计中需解决的技术问题．．．．．．．．．．．．．．（15）
第3章 洗煤厂原煤控制系统的控制选型和硬件电路设计．．．．．．．（17）
第3.1节 PLC的定义特点．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．（17）
3.1.1 PLC的基本概念和发展．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．（17）
3.1.2 PLC的工作原理和I/O系统．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．（18）
第3.2节 原煤系统PLC的选型及硬件结构．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．（19）
3.2.1 系统PLC的选择．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．（19）
3.2.2 系统PLC编程软件STEP 7．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．（20）
3.2.3 本系统现场就地保护元件的选型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．（22）
第3.3节 系统方案综述及研究．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．（29）
3.3.1 系统的组成．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．（29）
3.3.2 系统可编程逻辑控制PLC的模块选择．．．．．．．．．．．．．．．（30）
3.3.3 PLC下位机组成及功能描述．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．（38）
3.3.4 集成控制系统的控制方式．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．（39）
3.3.5 系统下位机的编程实现．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．（40）
第4章 洗煤厂原煤系统上位机监控软件及通讯设计．．．．．．．．．．．（48）
第4.1节 基于WinCC软件设计理念．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．（48）
第4.2节 WinCC组态软件概述．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．（50）
4.2.1 组态软件WinCC特点．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．（50）
第4.3节 设计总方案．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．（51）
第4.4节 上位机监控画面．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．（52）
第4.5节 WinCC组态软件与PLC之间的通讯．．．．．．．．．．．．．．．．．（55）
第5章 洗煤厂原煤控制系统的抗干扰措施和开发理念．．．．．．．（57）
第5.1节 PLC控制系统的主要干扰源．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．（58）
5.1.1 电源干扰．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．（59）
5.1.2 辐射干扰．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．（59）
5.1.3 接地混乱干扰．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．（60）
第5.2节 抗干扰的硬件措施．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．（60）
5.2.1 供电电源抗干扰措施．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．（60）
5.2.2 防电磁辐射干扰的措施．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．（61）
5.2.3 防接地混乱干扰的措施．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．（62）
5.2.4 对输入/输出信号传输线外围设备的抗干扰．．．．．．．．．．（62）
第5.3节 软件措施及方案．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．（63）
结论．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．（66）
参考文献．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．（68）
附录．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．（72）
翻译部分．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．（80）
英文原文．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．（80）
中文译文．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．（93）
致 谢．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．（104）

第1章 绪论

本章主要介绍本课题的选题背景和来源，以及国内选煤厂原煤系统的现状和发展趋势，阐述了本文研究的内容和所做的主要工作，并对本文的章节做了具体的安排。

第1.1节 钱家营选煤厂的背景和选题研究的意义

开滦钱家营洗煤厂是一个年生产能力约为699万吨的矿井型动力煤选煤厂，包括原煤、洗煤、末煤、检修四个车间。本课题就是根据技术改进和自动化的具体要求为背景所设计。
随着工业自动化水平的不断提高，大型选煤厂电机组主机各设备均配备了先进可靠，协调统一，高度自动化的极其完善的控制系统。其良好的人机界面，优越的控制性能，准确的故障诊断与显示，大大提高了机组的运行效率，降低了劳动强度，简化了操作，也提高了故障处理速度。上世纪九十年代选煤厂，控制方式多为集中就地控制方式，采用继电器和按钮组成逻辑电路[3-5]。这种传统的控制方式与集中控制方式相比，具有以下特点：
（1）任务重。为了保证工业用煤，原煤系统必须始终处于完好的状态。日累计运行时间达8-10小时以上。
（2）一次起动设备多，安全联锁要求高。同时起动的设备高达10-20台以上，在起动或停机过程中有严格的联锁要求。
传统方法之所以不能得到满意的测控效果，究其根本原因主要是由于没有一个统一的监视、管理平台，从而无法施以科学有效的控制方法
随着煤炭体制改革的不断深化，，持续提高设备的管理水平，提高设备的自动化程度及可靠性程度，从而达到减员增效，降低成本的目的将是对煤炭企业走入市场，适应竞争的客观要求[4]。，由于原煤集控系统控制设备多，工艺流程复杂，系统设备分散，粉尘、潮湿、振动、噪音、电磁干扰等比较严重，如果任意一个现场元件如传感器、防护罩、通讯电缆等选择不当，会直接影响整个系统的安全、稳定和可靠运行。因此该系统必须与完善的工艺、合理可靠的控制对象、可靠准确的保护监视传感设备以及严格的运行管理等密切配合起来，整个系统才能正常投运[7]。
第1.2节 选煤厂原煤控制系统的发展与趋势

1.2.1 我国的洗煤厂原煤系统的发展
煤炭行业经过多年不断的努力，自动化、仪表检测、计算机应用等方面取得了较大的进步，使多年来传统的集中控制系统有了根本意义的改变。生产过程各参数实时检测、分析、管理系统、生产局部环节自动化系统、生产工艺系统的数字模拟及智能系统为一体的高度自动化系统，是基于计算机网络技术、控制技术、通信技术及电气技术之上的网络化、智能化系统。一个成功的选煤厂设计,不仅要有一个好的选
国内大多数选煤厂原煤准备系统主要由给煤机、分煤器、破碎机、除铁器、筛分机和各阶段的转载皮带等设备组成。旧系统采用继电器接触器控制，电气设备体积大、控制很分散，覆盖距离远，故障率高、维修量大、工作效率低[1-2]。由于选煤厂对原煤准备系统自动控制要求比较高，决定采用可编程控制器（PLC）和组态软件对此系统进行技术改造，与接触器相结合进行控制，建立人机对话界面，解决了传统继电器接触器控制的诸多问题。
1.2.2 原煤系统需解决的问题及应用
（1）各控制设备及元件监测参数的确定。本集控系统中需要监测的关键参数有各台设备的起停，皮带上煤位的高度，烟雾的浓度、皮带撕裂、皮带打滑、皮带跑偏等。
（2）自动运行稳定性及冗余设计。选煤厂原煤准备系统，是一个大型的皮带运输系统，工作任务重，其设备大多数为强电设备，且分布分散，所以系统抗干扰能力差，运行过程中的稳定性、及时性、准确性，直接关系和影响着选煤厂的生产效益，所以必须要求这套系统在运作过程中安全可靠，而且整个系统应配备冗余设备，防止一个设备出现故障时，整个系统出现瘫痪，所以设计时应有设备的并行运行，交叉运行等运行方式。
1.2.3 PLC在原煤准备系统中的应用
可编程控制器是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。
可编程控制器（PLC）是具有高可靠性的工业自动化产品，作为监控系统的一种现场设备，因其出色的数据采集和可编程控制能力而受到了众多用户的青睐。尤其是PLC与其它智能仪表作为现场设备，通过现场总线与工业控制计算机进行通信构成的监控系统，更是当今流行的监控方案
随着PLC技术的迅猛发展和广泛应用，其高度的工作可靠性得到了广泛的认同，国内普遍采用了PLC进行程序控制，但仍采用模拟屏加按钮式控制台操作方式。进入二十一世纪，原煤系统的集控多采用PLC集散控制方式，所有操作均在上位机上进行，甩掉了模拟屏和按钮式控制台，可实现按流程的联锁集控起停，也可实现解除联锁的手动控制。典型的集中控制系统框图见图1.1所示：
工控机
工控机
隔离继电器
现场监测/控制设备
1＃PLC分站
2＃PLC分站
3＃PLC分站
隔离继电器
现场监测/控制设备
隔离继电器
现场监测/控制设备

图1.1 典型集控系统图
图 1.1 所示原煤集中控制系统由上位监控计算机系统，PLC集控系统及传感器检测保护装置三部分组成。PLC集控系统由若干个PLC分站组成。
目前，国内原煤集控系统控制器一般都以PLC为主，它有以下特点：（1）能够承受恶劣的工业环境，具有很强的抗干扰性；（2）结构模块化，系统配置简单；（3）可与工业现场信号直接输入输出连接，针对不同的现场信号有相应的I/O模块；（4）编程简单且具有在线编程功能；（5）可靠性强。
基于以上优点，原煤系统采用PLC集控能够方便地实现多种运行方式的选择，使整个系统功能更为合理，更加完备，运行更可靠、更灵活，可维护性、自检能力、安全保障能力及通信能力等也都得到了进一步的提高，有利于解决过去原煤系统投运后易出现的现场问题，从而大大提高了原煤系统的自动化水平[1-5]。
近年来，随着可编程控制器（PLC）及其网络的迅猛发展，PLC不但在现场控制级使用，而且深入到生产监控级及生产管理级中。PLC网络己成为具有3-4级子网的多级分布式网络。特别是在其工作站，操作站或终端设备中配置FactoryL ink-IV，Control View，WinCC等类高级组态工具软件，可以提供多种功能及各式各样生动的画面。伴随着这种发展。原煤控制技术也将朝着管理一体化及高度自动化，高度智能化，信息化方向发展。原煤控制将不再仅仅是控制系统的生产运行，而将更多地开发出设备故障检测及诊断功能，更多的设备信息管理功能等等，并将与厂级MIS系统联网，实现更加远程的监控管理功能[11-14]。

第1.3节 课题来源和本文主要内容

一个典型的原煤集中控制系统，主要分上位机监控管理子系统，下位PLC程序控制子系统，现场传感子系统，控制箱子系统，工业电视子系统等五部分构成。
原煤准备系统主要由给煤机、分煤器、破碎机、除铁器、筛分机和各阶段的转载皮带等设备组成。
对原煤控制系统自动控制要求比较高，决定采用可编程控制器（PLC）和组态软件对此系统进行技术改造，与接触器相结合进行控制，建立人机对话界面，解决了传统继电器接触器控制的诸多问题。新系统具有体积小，故障少，接线简单，安装维护方便，抗干扰能力强，运行安全可靠，并具有故障诊断功能等特点。[1-2]

第2章 选煤厂原煤控制系统的总体设计方案

本章主要对钱家营洗煤厂原煤车间系统进行总体设计，首先对原煤系统的主体设备进行了简要的介绍，其次分析了存在的不足和缺陷，提出了改进方案，而且对该方案的控制特点和控制方式的选型做了详细的阐述，最后研究了控制系统中所存在的一些技术问题。

第2.1节 原煤系统的设备组成和应用

2.1.1 系统的组成
原煤系统主要由给煤机、破碎机、筛分机、分煤器、除铁器和各阶段的转载皮带等设备组成。本系统的控制方式主要采用计算机控制方式、操作台控制方式和现场控制方式。3种控制方式可能通过选择开关选择。通过整体的构思和实际考察画出系统算法图。如图2.1示

图2.1 系统工艺流程图

根据工艺流程图简明深刻的对本系统的整体构造得到充分的诠释和研究，通过工艺流程图也得了其算法和实物流程图。如图2.2所示

图2.2 实物流程图

2.1.2 给煤机
给煤机适用于洗煤厂原煤制动系统，连续给煤，称量准确，工作稳定，节能高效，也是制动系统中与磨煤机相配的先进的计量给煤设备。
工作原理：
储煤仓中的煤通过煤闸门进入给煤机，由给煤机内部的输送计量胶带连续均匀输送磨煤机中，在输送计量胶带的下面装有电子称重装置，该装置主要由高精度的电子皮带秤组成，称重传感器产生一个与煤的重量成比例的电信号和速度传感器检测到的皮带速度信号，同时送入计算器,经计算后得到瞬时流量和累计量[16]。
结构特点：
　（1）圆筒密封结构,提高耐压力，减少内部粉尘堆积；
　（2）采用性能卓越的ST2，ST4系列电子皮带称，确保计量准确和长期稳定；
　（3）变频（或滑差）无级调速,运行平稳,节能隆耗；
　（4）链条刮板清扫装置自动清扫机内的积尘和余煤；
　（5）完善的报警系统可及时发现和排除堵煤、断煤过载和皮带跑偏等故障；
（6）配置的高温隔离闸门，可防止热风回流，安全性高，检修方便。
图2.3给煤机结构示意图
1. 头部箱体 2. 进煤口箱体 3. 中间箱体 4. 驱动装置 5. 出煤口箱体
2.1.3筛分机
筛分就是用带空的筛面把物料分成不同粒度级别或达到脱水、脱泥、脱介目的。筛分机械被广泛用于许多工业部门，种类繁多，一般按筛面的结构和运动形式分类。
洗煤厂使用的是振动筛。振动筛的筛箱与摇动筛相似，但是支撑和吊挂筛箱采用的是弹簧组件，筛箱的振动是依靠激振器。激振器是一个弹性振动系统，其振幅受给料量和其他动力学因素的影响可以改变。振动筛的运动特点是频率高、振幅小，物料在筛面上做跳跃运动，因而生产能力和筛分效率都较高。振动筛适合于煤矿的各筛分作业。

1. 下箱体 2. 方钢 3. 篦条组合件 4. 篦条 5. 锤头 6. 锤体7. 侧衬板
8. 轮鼓 9. 第二细碎腔 10. 锤头螺栓11. 顶衬板 12. 第一破碎腔
图2.4 筛分机结构示意图
2.1.4破碎机
矿井开采的煤炭最大粒度一般在300-600mm，露天矿开采的煤炭最大粒度甚至达到600-1500mm，而一般选矿机械对入料粒度要求要小得多。因此，煤炭分选前，必须破碎到合适的粒度。常用的破碎机是锤式破碎机。
锤式破碎机是以冲击形式破碎物料的一种设备，分单转子和双转子两种形式。单转子又分为可逆式和不可逆式两种。目前单转子锤式破碎机和环锤式破碎机获得广泛的应用。
工作原理：
在电动机的驱动下，破碎机转子高速旋转。物料进入破碎机后，立即受到高速旋转的锤头的冲击而粉碎。破碎后的物料借锤头的冲击力高速向机壳内的衬板和篦条冲击而受到二次破碎。小于篦条缝隙的物料便从缝隙中排出，块度较大的物料则在破碎腔内继续遭到锤头的冲击直至破碎，通过篦条的缝隙排出。
结构特点：锤式破碎机主要由箱体、转盘、轴、锤头、篦条、调整架和联轴器等组成。锤式破碎机的壳体是用钢板焊接的箱体结构，沿轴线中心分成上、下两部分，其间由螺栓连接，机壳上方有给料口。为避免箱体内壁在物料的冲击下磨损和变形，机壳内部均镶有保护衬板。转盘有三角形和圆形两种，三角形转盘的三个棱角极易磨损，若发现不及时，容易掉锤子，其使用寿命不如圆形转盘。在转盘上穿有6根心轴，锤头通过心轴分别交错在转盘上，各锤头间有隔离套隔离。当转子高速旋转时，锤头在离心力作用下击碎物料。转动轴靠两端轴承支承，轴承座分别安装在箱体的两侧，并用螺栓与之固定。篦条以转子轴为中心分别排列在篦条架上，篦条架由螺栓固定在箱体上。箱体下部装有带两个偏心轮的通轴。转动机器两侧的手柄，使偏心轮转一个角度，便就可得到所需要的产品粒度。调整时可不必停车[12-15]。
2.1.5分煤器
煤矿用隔爆型电动装置，是在原普通隔爆型阀门电动装置的基础上专业改造而成，又称为ZB型隔爆型阀门电动装置。适用于启闭件做直线运动的阀门，如闸阀、截止阀、隔膜阀、水闸阀等。如增加二级减速后可用于蝶阀、风门和风道阀等。用于阀门的开启、关闭或调节，是实现阀门远控、集控必不可少的驱动装置。
整体型电装是在Z普通型基础上派生而成，增加了不少电器和电子元件，整体普通型电气部分主要由多功能模块MK1远程控制模块MK2按钮盒指示灯、开度表、接触器等组成。多功能模块MK1又由相位识别器XS、接触器互锁保护器HB和直流电源DC三部分组成。远程模块MK2由四个固态继电器和三个拨码开关组成。整体调节型电气部分由调节模块TMK、接触器等组成。控制线为220V，50Hz；远程控制为24VDC。
2.1.6除铁器
除铁器是将混入煤中的铁器、金属、雷管等予以除掉的设备。除铁器一般在皮带运输机中部或头部，或头部、中部联合采用，以保证最大限度地将煤中混入的铁器等除掉。
电磁激磁线圈和铁心组成的磁心，被外部非磁性结构件封闭。电磁场吸上来的杂铁吸附在非磁性外壳结构件上，再配上电动行走装置，可以实现集控程控，达到自动或手动卸铁的目的。如果增加金属探测仪配套使用，可以显示出除铁效果，达到节电目的。
图2.5 除铁器结构示意图
2.1.7皮带输送机
带式输送机包括通用带式输送机、气垫式带式输送机、波状挡边带式输送机、圆管带式输送机等几种结构形式。通用带式输送机由于其结构简单、输送量大、使用维护方便等特点在系统中被广泛使用
工作原理：由挠性输送带作为物料承载件和牵引件的连续输送设备，根据摩擦传动的原理，由传动滚筒带动输送机进行物料的传递与运输。选煤厂系统的前三级皮带是气垫式带式输送机，它与通用带式输送机不同的是：它将通用带式输送机的托辊用带孔的气室盘槽代替。当气源向气室内提供一定压力和流量的空气后，气室内的空气经盘槽上的小孔逸出，在输送带与盘槽之间形成一层具有一定压力的气膜（气垫）支承输送带及其上物料。这样把按一定间距布置的托辊支承变成为连续的气垫支承，使输送带与托辊间的滚动摩擦变为输送带与盘槽间以空气为介质的流动摩擦，减小了运行阻力。
与通用带式输送机相比，气垫带式输送机的主要特点有：（1）运行平稳，工作可靠，输送量大，加料时无跑偏现象；（2）运行阻力小，输送带张力小，输送功率消耗小10%-20%，总功耗较低；（3）输送许用倾角大；
对于上行运输，逆止安全可靠；对于下行运输，停机后输送带也无下滑现
图2.6 皮带输送机结构示意图

第2.2节 原煤控制系统的特点及控制方式选择

选煤厂的原煤准备系统是比较典型的以离散量控制为主的系统，控制多以顺序控制和单个对象的开关量控制为主。
本系统的控制方式主要采用计算机控制方式、操作台控制方式和现场控制方式。3种控制方式可能通过选择开关选择。计算机控制方式就是操作人员通过工控机的键盘鼠标选择和启停原煤系统，将指令传送到PLC系统，PLC系统按照梯形图程序启停有关设备，并将设备的状态传递给工控机。操作台控制方式就是操作人员通过操作台上的开关和按钮进行选择和控制，同时相关信息通过上位机进行显示。现场控制方式是通过位于电机旁的就地控制箱进行现场控制，主要用于故障维修或紧急停车等操作。对原煤控制系统的要求主要是根据生产工艺注意原煤设备顺序之间的连锁和原煤系统各电机启动和停止的顺序，遇有紧急情况时能紧急停车。[4]
控制系统是为工艺系统服务的，必须适应工艺系统的特点和需要，找寻到最佳的控制方案，最合适的性价比。
洗煤厂原煤系统是比较典型的以离散量控制为主的系统，控制多以顺序控制和单个对象的开关量控制为主，而主厂房区域热力生产过程则是连续的条件性控制占主导地位。
一般来说，原煤系统的设备物理位置分散，且相对位置较远，原煤系统中控制对象间通讯距离有的相距甚远。
设备种类和数量较多，系统中一般有数条皮带输送机，破碎机和筛分机，各种辅助设备，如除铁器，堆煤传感器，烟雾传感器，皮带跑偏开关等等数套设备组成，其中辅机的控制系统不少是由辅助系统集成商和辅机厂家来随系统成套供货的。
现场环境恶劣，由于以转动机械为主，原煤系统中振动较大，粉尘浓度高，对控制设备要求较高。设备连锁要求高，由于设备数量多，线路选择的范围灵活，最终各设备间的连锁要求也非常严格。
综上所述，如果以集中控制系统对原煤系统进行监控的话没有一种方案的性价比会比采用PLC的方案高。传统的产品实现辅助控制系统的控制无论从经济性、可靠性还是可实施性上考虑，目前存在或多或少的问题。

第2.3节 原煤准备系统设计中需解决的技术问题

（1）各控制设备及元件监测参数的确定。本集控系统中需要监测的关键参数有各台设备的起停，皮带上煤位的高度，烟雾的浓度、皮带撕裂、皮带断裂、皮带跑偏等。
（2）自动运行稳定性及冗余设计。选煤厂原煤准备系统，是一个大型的皮带运输系统，工作任务重，其设备大多数为强电设备，且分布分散，所以系统抗干扰能力差，运行过程中的稳定性、及时性、准确性，直接关系和影响着选煤厂的生产效益，所以必须要求这套系统在运作过程中安全可靠，而且整个系统应配备冗余设备，防止一个设备出现故障时，整个系统出现瘫痪，所以设计时应有设备的并行运行，交叉运行等运行方式。
（3）系统中需引入互锁装置。首先是除铁器起停的检测，在筛分机前级皮带上装有除铁器，由于煤中混有易燃易爆的金属物质，如果这些金属物质进入筛分机等后续设备，有可能会造成一些设备的过度磨损或引起危险事故的发生。由于这些金属物质具有磁性，除铁器可以将其吸附，阻止这些金属物质等进入后续设备，引起事故的发生，造成不必要的损失。所以除铁器不开启，皮带不允许开启。其次是原煤皮带运输机起停检测，原煤皮带运输机没有开启，不允许开启给煤机，如果给煤机先开启，皮带上的煤越积越多，导致皮带被压死，无法正常启动。最后，两台振动给煤机，一台正常使用一台备用，相互独立不可同时开，要求加互锁[1-2]。
（4）控制设备的起停控制。要求原煤准备系统从煤流开始的第一个设备到煤流结束的最后一个设备，按“逆煤流”顺序启动，中间加可靠的互锁、延时环节，停车时，要求按“顺煤流”顺序停车，在皮带上装有煤流传感器，要求煤流传感器精度要高，当煤流走完后，通过煤流传感器把皮带停下来。先停振动给煤机，再停下一级皮带，按煤流走完的顺序停皮带，上一级皮带煤流未走完，下一级皮带不允许停下，不能误动作，加必要的互锁、延时保护[3]。
（5）故障自诊断、故障报警及指示。在考虑集中控制的同时，也要考虑现场手动控制，以免现场发生故障，不能立即停车，要增设现场急停开关。系统设有故障诊断及报警系统，对相关设备的电流、煤仓煤位、烟雾、堵煤、皮带，带度，撕裂、皮带称重等进行监控，若某一设备发生故障时，应立即对该设备逆煤流方向的所有设备紧急停车，如有备用线路，转换成备用线路，以至于不影响生产。系统设有多种报警方式，如指示灯报警、语音报警

第3章 洗煤厂原煤控制系统的控制选型和硬件电路设计

本章主要对系统的硬件电路进行设计，首先对PLC的发展和应用情况做了简单的介绍，然后针对本课题，对PLC进行了选型，并对硬件结构做了详细的阐述，包括现场检测保护元件的选型安装和PLC模块的选型，最后提出了整个系统的控制方式，并设计了整个下位机，包括下位机的组成和实现的主要功能，下位机程序的编程。

第3.1节 PLC的定义特点

3.1.1 PLC的基本概念和发展
PLC是一门综合技术，其发展与微电子技术和计算机技术密切相关。随着可编程序控制器应用领域的不断扩大，它本身也在不断向两个主要趋势发展。其一是向小型方向发展，体积更小、速度更快、功能更强和价格更低。其二是向大型网络化、高可靠性、好的兼容性和多功能方面发展[11]。
1、大型网络化:主要是朝DCS方向发展，使其具有ocs系统的一些功能。网络化和通信能力强是PLC发展的一个重要方面，向下可将多个PLC、I/0框架相连;向上与工业计算机、以太网、撇P网等相连构成整个工厂的自动化控制系统。
2、高可靠性:由于控制系统的可靠性日益受到人们的重视，一些公司己将自诊断技术、冗余技术、容错技术广泛应用到现有产品中，推出了高可靠性的冗余系统，并采用热备用或并行工作、多数表决的工作方式。 57400PLC即使在恶劣、不稳定的工作环境下，坚固、全密封的模板依然可正常工作，在操作运行过程中模板还可热插拔
3、多功能:随着自调整、步进电机控制、位置控制、伺服控制等模块的出现，使PLC控制领域更加宽广。
4、编程软件的多样化和高级化:采用多种编程语言，有面向顺序语言和面向过程控制系统的流程图语言;还有与计算机兼容的高级语言，如BASIc，C及汇编语言;另外还有专用的高级语言， PLC也将具有数据库，并可实现整个网络的数据库共享[19]。
3.1.2 PLC的工作原理
(1) 输入采样阶段：在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应的单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。
(2) 用户程序执行阶段：在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
(3) 输出刷新阶段：当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。
一般来说，PLC的扫描周期包括自诊断、通讯等，即一个扫描周期等于自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间的总和。值得提的是，随着技术的发展，输出刷新排在了扫描周期的最前面，即新的扫描时序为：输出刷新，程序执行，输入采样[22]。

第3.2节 原煤系统PLC的选型及硬件结构

3.2.1系统PLC的选择
为了实现系统功能，下位机PLC的选型尤其重要，根据现场和设备的要求以及在日常生产实践中得到的经验本系统选择SIMATIC S7-300一种通用型PLC及相关配件，能适合自动化工程中的各种应用场合，尤其是在生产制造工程中的应用。模块化、无排风扇结构、易于实现分布式配置、以及用户易于掌握等特点，使得S7-300在生产制造、汽车工程、机械制造、工艺过程工程等工业部门中实施各种控制任务时，成为一种既经济又切合实际的解决方案。
由于S7-200是小型紧凑型的PLC控制器，S7-300是中型的PLC,S7-400是大型的PLC。在通信能力上，200 通信一般，300 通信很强，支持profibus现场总线，400通信最强。再就是扫描速度和支持指令数也是越来越大。另外200和300.400的编程语言有较大的区别，使用不同的编程软件，300和400 几乎一样，他们使用同一款编程软件。因此更加说明选择SIMATIC S7-300对本中小规模的原煤准备系统再合适不过。
S7-300其优越的性能价格比，使之成为中小规模控制系统理想的选择。其主要特点为：
（1）多种规格的处理器，系统采用独特的导轨安装；
（2）高速的指令处理，可满足快速程序控制要求；
（3）浮点数运算，可有效地实现更为复杂的数学运算；
（4）CPU内集MPI接口，多种通讯模块能用来连接AS-i接口、PROFIBUS和工业以太网总线系统；
（5）具有时间/中断驱动、开环定位和PID等高级控制功能；
（6）I/O模块采用前连接器方式，维修或更换十分方便；
（7）系统自行组态，信号或通讯模块不受限制地随意安放；
（8）具有满足高速计数、步进电机和伺服定位控制等特殊应用的I/O模块；
S7-300 PLC功能强、速度快、扩展灵活，它具有紧凑的、无槽位限制的模块化结构。它的主要组成部分有导轨（DIN）、电源模块（PS）、中央处理单元CPU模块、接口模块（IM）、信号模块（SM）、功能模块（FM）等。
3.2.2 系统PLC编程软件STEP 7
STEP 7是用于SIMATIC可编程逻辑控制器组态和编程的标准软件包。它是SIMATIC工业软件的组成部分。
本系统编程软件选用西门子SIMATIC STEP 7 V5.3。STEP 7中集成的SIMATIC编程语言和语言表达方式，符合EN 61131-3或IEC 1131-3标准。
（1）SIMATIC 管理器
SIMATIC Manager（SIMATIC管理器）可以管理一个自动化项目的所有数据，可为任何可编程控制系统（S7/M7/C7）设计。编辑所选数据所需要的工具由SIMATIC Manager自行启动。
（2）符号编辑器
使用Symbol Editor（符号编辑器），可以管理所有的共享符号。具有以下功能：
为过程信号（输入/输出）、位存储和块设定符号名和注释；
分类功能；
从/向其它的Windows程序导入/导出。
使用这个工具生成的符号表可供其它所有工具使用。因而，对一个符号特性的任何变化都能自动被其它工具识别。
（3）诊断硬件
这些功能可以向你提供可编程控制器的状态概况。这个概况中可以显示符号，指示每个模板是否正常或有故障。双击故障模板，可以显示有关故障的详细信息。信息的范围视各个模板而定：
显示关于模板的一般信息（例如，定货号、版本、名称）以及模板状态（例如，故障）；
显示中央I/O和分布式从站的模板信息（例如，通道故障）；
显示来自诊断缓存区的报文。
（4）编程语言
梯形逻辑图（LAD）是STEP 7编程语言的图形表达方式。它的指令语法与一个继电器的梯形逻辑图相似：当电信号通过各个触点、复合元件以及输出线圈时，使用梯形图，可以追踪电信号在电源示意线之间的流动。
语句表（或STL）是STEP 7编程语言的文本表达方式，与机器码相似。如果一个程序是用语句表编写的，CPU执行程序时则按每一条指令一步一步地执行。为使编程更容易，语句表已进行扩展，还包括一些高层语言结构（例如，结构数据的访问和块参数）。
功能块图（FBD）是STEP 7编程语言的图形表达方式，使用与布尔代数相类似的逻辑框来表达逻辑。复合功能（如数学功能）可用逻辑框相连直接表达。
（5）硬件组态
使用这个功能，可以为自动化项目的硬件进行组态和参数赋值。
（6）NetPro（网络组态）
通过MPI，可以实现使用NetPro时间驱动的循环数据传送[18]。
3.2.3 本系统现场就地保护元件的选型
本系统煤的运输环境没有矿井下恶劣，毕竟洗煤厂在矿井上面，所以煤矿的皮带输送机需要考虑器七大保护：
（1）堆煤保护。监测上煤点是否堵塞,出现故障能控制胶带机紧急停车；
（2）烟雾保护。监测驱动部因机械摩擦产生的烟雾，并能提供信号控制胶带机紧急停车；
（3）智能跑偏/拉线保护。对胶带机运行当中的跑偏故障进行保护和沿线出现紧急情况时进行紧急停车；
（4）打滑保护。胶带机上安装测速传感器，连续监测胶带机的速度，并提供打滑保护信号；煤位监测。通过监测传感器可以连续监测煤仓的煤位信号；
（6）断带保护。通过断带保护传感器监测胶带是否断裂，并能提供信号控制胶带机紧急停车；
（7）撕裂保护。通过纵撕保护传感器监测胶带是否纵向撕裂，并能提供信号控制胶带机紧急停车；
具体现场保护检测装置选型如下：
（1）非接触式智能打滑检测器
本系统中选用XLDH-F-Ⅱ型非接触式智能打滑检测器。该检测器是最新研制开发的一种新型非接触式胶带机打滑检测设备。它是较为理想的胶带输送机失速保护装置。该检测器采用目前最先进的单片机，用模糊控制原理，自动设定检测器的初始参数。检测器面板设有带速显示指示器和带速设置按键，便于调试和观察带速。本机带有4-20mA模拟量输出，主要用于与变频调速器，可编程控制器（PLC）等构成闭环控制系统。
该检测器可用于胶带输送机在运用过程中的带速进行检测。对失速、断带等生产事故进行报警，可广泛应用于对胶带机运行速度进行检测的场所。

主要参数如表3.1所示：