基于PLC的煤矿皮带控制系统_毕业设计

PAGE 中 国 矿 业 大 学 本科生毕业设计 学 院： 应用技术学院 专 业： 电气工程及其自动化 　 设计题目： 基于PLC的煤矿皮带控制系统 中国矿业大学毕业设计任务书 学院 应用技术学院 专业年级 电气05-1班 学生姓名 任务下达日期： 2009 年 3 月 8 日 毕业设计日期：2009 年 3月 9日至 2009 年 6 月 15 日 毕业设计题目：基于PLC的煤矿皮带控制系统 毕业设计专题题目： 毕业设计主要内容和要求： 在了解煤矿井下皮带运输机的控制要求基础上，基于PLC实现皮带及给煤机的集中监控系统。具体要求如下： 1. 在分析煤矿井下胶带运输机控制系统的功能需求基础上，基于PLC构造单条皮带控制系统框图； 2. 基于单条皮带控制系统构造多条皮带集控系统框图； 3. 完成单条皮带控制系统设备选型及PLC编程； 4. 基于组态软件构造集控系统主机界面。 院长签字： 指导教师签字： 中国矿业大学毕业设计指导教师评阅书 指导教师评语（①基础理论及基本技能的掌握；②独立解决实际问题的能力；③研究内容的理论依据和技术方法；④取得的主要成果及创新点；⑤工作态度及工作量；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）： 成 绩： 指导教师签字： 年 月 日 中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书 评阅教师评语（①选题的意义；②基础理论及基本技能的掌握；③综合运用所学知识解决实际问题的能力；④工作量的大小；⑤取得的主要成果及创新点；⑥写作的程度；⑦总体评价及建议成绩；⑧存在问题； eq \o\ac(○,9)是否同意答辩等）： 成 绩： 评阅教师签字： 年 月 日 中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书 评阅教师评语（①选题的意义；②基础理论及基本技能的掌握；③综合运用所学知识解决实际问题的能力；④工作量的大小；⑤取得的主要成果及创新点；⑥写作的规范程度；⑦总体评价及建议成绩；⑧存在问题； eq \o\ac(○,9)是否同意答辩等）： 成 绩： 评阅教师签字： 年 月 日 中国矿业大学毕业设计答辩及综合成绩 答 辩 情 况 提 出 问 题 回 答 问 题 正 确 基本 正确 有一般性错误 有原则性错误 没有 回答 答辩委员会评语及建议成绩： 答辩委员会主任签字： 年 月 日 学院领导小组综合评定成绩： 学院领导小组负责人： 年 月 日 摘 要 为了保证煤矿井下运输系统的安全、高效、可靠运行，对井下皮带输送机进行自动控制对提高煤矿自动化管理水平具有重要意义。 本设计在分析皮带输送机集中控制系统功能基础上，以S7-300型PLC为核心构造了单条皮带和单台给煤机的自动控制系统。该系统由操作台和PLC组成，操作台用来后台管理和实时显示运行信息，PLC主要来完成现场信号的采集和实时控制。 本文首先介绍了皮带控制系统的构成和功能，分析皮带输送机常见故障类型及保护，确定控制系统的硬件结构并完成了设备选型，然后对系统进行软件设计；最后提出了皮带控制系统的抗干扰措施。 关键词：煤矿；皮带；控制；PLC ABSTRACT To ensure the operation in underground transport system reliable and safe in coal mine, it is very important to carry out automatic control of belt conveyor for raising the level of automatic management. On the basis of analyzing centralized control function of belt conveyor,we design the automatic control system with the single belt and a single machine which based on S7-300 type PLC. The system is composed by the operation flat and the PLC, The operation flat is used to control flat and display running information real-time, and PLC is used to collect field information and control belt real-time. In this paper, the composition and function of the belt control system is introduced firstly. Structure of is also completed.Then the software design is conducted. At last,the anti-jamming measures of belt control system is represented. Keywords：coal mine；belt conveyor；control；PLC 目 录 1绪论 1 1.1概述 1 1.2矿井皮带运输系统的意义 1 1.3矿井皮带运输系统的控制要求 2 1.4国内外的研究现状 3 1.5本设计的主要内容 4 2．控制系统的功能及设备选型 5 2.1 设备构成 5 2.1.1带式输送机 5 2.1.2故障检测及保护 5 2.2.3 CST软启动 12 2.1.4 人机界面HMI[18] 14 2.2控制系统功能 15 2.2.1起动流程 15 2.2.2停机流程 15 2.2.3皮带运输机之间联锁 15 2.2.4皮带运输机与附属设备之间联锁 15 2.2.5皮带运输线运行故障联锁及其处理 16 3 基于PLC的皮带控制系统的硬件组态 18 3.1PLC简介 18 3.1.1PLC组成 18 3.1.2PLC特点 19 3.1.3PLC应用领域 20 3.1.4PLC的基本工作原理 21 3.2控制系统的总体结构 23 3.3控制系统的硬件组成 25 3.3.1控制系统IO点数的确定 26 3.3.2PLC的硬件配置 28 4基于PLC的皮带控制系统的软件设计 34 4.1控制系统程序及工作方式 34 4.2 系统软件实现 35 4.2.1 控制方式选择 35 4.2.2 各种常见故障的诊断 37 4.3触摸屏的软件实现 40 4.3.1触摸屏简介 40 4.3.2触摸屏系统的设计 41 5基于PLC的皮带控制系统的抗干扰措施 44 5.1干扰和干扰源 44 5.2系统抗干扰措施 44 参考文献 48 翻译部分 50 英文原文 50 中文译文 59 致谢 66 1绪论 1.1概述 煤炭运输是煤炭生产过程中不可缺少的一部分[1]。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。普通皮带机、钢绳芯皮带输送机、钢绳牵引皮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[4][7]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。正是在这种环境下，皮带输送机系统由于具有输送距离长、运量大、连续输送等优点，而且运行可靠，易于实现自动化和集中化控制，目前，特别是在高产高效矿井，它已成为煤炭开采机电一体化技术与装备的关键设备。 1.2矿井皮带运输系统的意义 矿井皮带运输系统，是由多条皮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皮带机。其具有以下特点： 1）结构简单，安全可靠 带式输送帆的结构由传动滚筒。改向液简、托辊、驱动装置和输送机等几大组建，仅有10余种部件，能进行标准化生产,并可酸需蛰进行组合装配；它的驱动部件自重轻，耐瞻耐用，工作过程中噪声较小．维修费用低；只要输送带不被撕破，就可安全使用几十年。 2）适用范围广、输送能力大 带式输送饥的输送带有各种宽度，其承裁断面有平型、槽型、波纹挡边型、管型等，因此可以输送各种粉料、散料、块料、矿石、各种生熟料，混凝土和包装好的成件物品，运量可从每小时几公斤引几万吨，在连续装载的条件下，能连续运输。井可在输送机的任何点上进行装、卸料，也可以在回程段上装、卸料。进行反向运输(钢丝绳牵引带式输送饥除外)这是机动车辆所望尘莫及的。 3）对线路适应性强、运距长 槽型带式输送机可以在大转弯半径条件下，实现水平转弯。带式输送机的单机长度可达十几公里，且中间无需任何载点。能进行水平或倾斜输送，爬坡能力大。在输送机的中间使用摩擦驱动万式，可使输送机长度不受皮带强度的限制。 4）基建投资省、运营费用低 由于实用皮带运输机可以缩短运输距离，与机动车相比，无需道路建设投资，大大节省了基建成本。皮带运输机的磨损件仅为托辊、皮带，它们的使用寿命长，且皮带运输机自动化程度高，使用人员少，能耗低，因而营运费用低廉。 带式输送机具有以上优良的性能，所以它在国民经济各个部门的企业中获得广泛的应用，近年来在矿山开采中皮带输送机已成为重要的组成合分，在矿山运输中发挥着十分重要的作用，因此它的运输系统要有多台皮带输送机、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。 1.3矿井皮带运输系统的控制要求 由于运输系统是煤矿生产的大动脉，因此对系统的有很高的要求。     (1) 实现运输系统集中监控，实时监控设备状态和运行参数，并显示数据曲线，对重要信息在硬盘记录；     (2) 控制方式分集控自动集控手动就地，三种方式可转换。正常生产时，使用集控自动方式，设备按工艺要求的顺序和流程由中央控制台自动启停；集控手动时，可在中央控制台操作各设备，无闭锁和联动关系；就地时，在现场操作；     (3) 启动设备前由集控台发预告信号，预告30秒后，若现场均满足集控自动启动条件，设备按顺序自动启动。现场可用停车钮停止启动过程；     (4) 现场信号箱设起停车按钮，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停号后，可作急停处理，实施故障停车操作；     (5)装设拉线开关、跑偏保护、低速保护等，这些信号均接入集控系统，参加设备的紧急停车和闭锁停车；     (6) 对设备故障和工艺参数的异常实时报警，并进行声光提示。一般故障只报警，现场非正常停车或严重故障时，故障设备及其上游设备紧急停车，下游设备顺煤流延时闭锁停车。 1.4国内外的研究现状 在80年代，国内开始了煤矿监测监控技术的研究，至今已得到了广泛的应用和发展。随着新材料技术、电子传感技术、数字通信技术、控制技术、微计算机技术、软件技术和网络技术的迅速发展，监测监控技术从其通讯方式上划分，先后经历了三个阶段。第一阶段是每个传感器需一对传感线连接到地面的星型结构。第二阶段是在一对传感线上实现多路频率分割的载波传输。第三阶段是目前应用最多的中心站和分站之间的半双工时分总线方式。 监测监控系统自中心站计算机向下，由接口装置、信号传输总线、井下分站和各类传感器、断电仪等组成。中心站计算机和各分站曾集散型积木结构。桌面部分有中心站计算机和交换机、交换机、集线器、双绞线、用户终端等组成实时快速100M以太网络或其它网络系统。目前国内KJ系列监测监控系统大都缺乏统一标准。这主要表现在通讯、分站、传感器和断电仪等设备外围接口方面；另外是监测监控系统软件。为适应现代工业控制的实际需要，工业组态软件的开发和使用将成为今后计算机监控系统软件的主流。组态软件具有良好的开放性、交互性和灵活性，用户可以继承性的开发。煤矿综合自动化监测监控系统和专家分析系统已成为一种发展趋势。 国外煤矿监控技术是20世纪60年代开始发展起来的，至今已有四代产品，基本上5～10年更新一代产品。从技术特性来看，主要是从信息传输方式的进步来划分监控系统发展阶段。80年代是计算机、大规模集成电路、数字通信等现代技术高速发展时期。由英国煤炭研究院推出的MINOS系统软件应用成功。美国以其拥有的雄厚高科技优势，率先把计算机技术、大规模集成电路技术、数字通信技术等现代高新科技用于煤矿监控系统，使煤炭监控技术跻身于高科技之列。这就形成了以分布式微处理机为基础的第四代煤矿监控系统。其中有代表性的是美国MSA公司的DAN6400系统，其信息传输方式仍属时分制范畴，但用原来的一般时分制的概念已不足以反映这种高科技的特点[3]。 1.5本设计的主要内容 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。本论文正是以此为目的，设计单条皮带和单台给煤机的监控系统。此监控系统是以西门子S7-200 PLC为核心，实现皮带输送机和给煤机多种工作方式下的启停控制和各种故障监测的皮带运输监测控制系统。它主要内容如下： 1)在分析煤矿井下皮带运输机控制系统的功能需求基础上，基于PLC构造单条皮带控制系统框图； 2)基于单条皮带控制系统构造多条皮带集控系统框图； 3)完成单条皮带控制系统设备选型及PLC编程； 4)基于组态软件构造集控系统主机界面。 2．控制系统的功能及设备选型 2.1 设备构成 皮带输送机控制系统主要由PLC控制系统、人机界面等组成，它主要控制皮带输送机、各种故障检测和保护装置，将各种信息在触摸屏上集中显示。 下面对监控系统各部分进行详细的介绍。 2.1.1带式输送机 带式输送机是以皮带作为牵引机构和承载机构的连续运输机械，又称为皮带输送机，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：输送带、驱动装置、托辊、机架、拉紧装置、制动装置和清扫装置。 皮带是经主动滚筒和机尾改向滚筒形成一个无极环行带。它上下的两股皮带分别由上下的托辊来支承。拉紧装置可以使皮带获得一定的张力，防止皮带松懈，引起不必要的麻烦。物料是经机尾装料口落到上股皮带上面，当皮带带着煤流运行到尾端时，自动将其卸落。主动滚筒与电机相连，当电机转动时，带动滚筒转动，皮带通过皮带和滚筒之间的摩擦力也被带动运行，从而实现运输功能。 皮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。 2.1.2故障检测及保护 皮带铺设长度较长，特别是在井下，工作条件差，很容易引起损坏。主要有以下几种损伤形式和原因[12]： (1)转载机与带式输送机机尾搭接高度不够，或机尾缓冲托辊失去弹性，当大块的物料从转载机上落下，形成较大的冲击力而装破皮带的上覆盖层，甚至破断带芯，形成窟窿。特别是当物料中夹带尖锐物体，很容易划破皮带，造成皮带纵斯。 (2)当皮带跑偏，会引起皮带和机架摩擦，产生带边拉毛开裂，带边磨损后，水从破损处渗入，时间久了，帆布层会逐渐腐烂。 (3)皮带搭接不符合要求。如果接头不齐，不平不直，造成皮带受力不均匀而破裂。 (4)皮带制造质量差或使用保管不当，如地面使用的皮带，夏季长期在烈日下曝晒，冬季皮带表面积水结冰造成皮带皮质变硬使皮带提前老化。如果使用中皮带张紧力过大或皮带铺设距离太短，挠曲次数超过了极限值，也容易造成皮带提前老化损伤。 带式输送机在输送过程中经常出现故障，除以上的一些原因外，还有许多其它的原因，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。下面简要介绍一下带式输送机出现的一些常见故障。 1) 跑偏 皮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。 我们一般在机头、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型皮带防跑偏开关，如图2.1.1所示，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。 2.1.1 跑偏开关 2.1.2 速度传感器 KG1007A型皮带防跑偏开关为本质安全型电气设备，使用于煤矿有瓦斯尘爆炸危险的环境。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，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后，使PLC给CST发出急停指令，同时触摸屏故障位置指示灯亮并启动急停报警。 2) 速度检测 检测皮带打滑、超速和断带故障，均需要知道皮带的运行速度，因此我们设置一个速度传感器来检测皮带的速度。本设计中，我们选用常州联力的KJ5007A型速度传感器，如图2.1.2所示，输出频率信号，幅值5V，频率f=200V(V为皮带速度值)，输出电流信号4～20mA。带式输送机运行时，速度检测传感器由紧贴皮带的滚轮带动转盘（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，频率信号再经频率电压、电压电流变换后输出4～20mA的电流信号，部分电路方框图如图2.1.3所示。 图2.1.3 速度检测传感器部分电路方框图 3） 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，是通过检测皮带的速度，把皮带速度和滚筒速度做比较来实现的。理论上我们是将皮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，我们可让皮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。 4） 超速 当皮带负载忽然变轻或是皮带忽然断带时，皮带运行速度会马上升高。皮带一般正常运行速度是4.5ms，如果速度太高，会对皮带旁边的矿工造成危险；同时若皮带旁边有锋锐的物体，可能会挂破皮带，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，通过皮带速度与设定值的比较，判定皮带是否超速运行。当皮带速度达到标准带速的105%时，发出声光报警并命令CST紧急停车，这里标准带速为4.5ms。 5） 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: (a)齿轮减速器损坏，液力耦合器喷液或电动机逆转； (b)输送带接头质量问题； (c)运输中因其他东西卷入而引起运输载荷突然增加； (d)启动和停车时应力变化大； (e)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； (f)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，我们通过检测皮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CST紧急停车，同时停给煤机，并发出声光报警。 6） 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，无法向皮带投放。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。堆煤传感器安装在带式输送机头部漏斗壁上，调节其固定位置，不要被煤流打到。 7） 烟雾检测传感器 由于打滑摩擦等原因，皮带机滚筒升高到一定温度时，会使皮带燃着，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。烟雾传感器采用金属镅的离子式探测器，其阴极和阳极之间为高电阻输出，一般大于101欧，输出电流只有10～11A左右，只有用高电阻的静电计才能测出。烟雾传感器由不锈钢的外壳构成，当烟雾进入不锈钢外壳时，收集极电压将从4.5V下降，下降程度随浓度大小而变化。 本设计我们采用常州自动化研究所的KGN1-1型烟雾传感器，如图2.1.4所示，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05mA的开关量信号，红色LED电源指示，报警时闪烁，频率1Hz，同时我们开启撒水灭火装置。 8） 拉线急停开关 当遇到紧急情况时，可以采用手动的拉线急停开关，如图2.1.5所示，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。 图2.1.4 烟雾传感器图 2.1.5 拉线急停开关 9） 红外温度传感器 由于滚筒和皮带的摩擦作用，当滚筒温度过高时，会使皮带燃着。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：皮带的制作材料，燃点等。 10） 定子温度检测 定子超温一般从电和磁两方面来讲。从电的方面来说，主要原因是(1)电机长时间过负荷；(2)线圈绕组中出现相间或匝间短路；(3)线圈绝缘层损伤；(4)内部放电；从磁的方面来说，主要原因是电磁磁耗、涡流损耗过大。 当定子温度过高时，会使绝缘层破坏，造成短路。我们监测定子温度是通过在定子绕组中放入PT100热敏电阻来实现的。当环境温度变化时，热敏电阻的阻值变化，输出电流也随着变化。在第三章模拟量模块选择及连线中，我们将介绍PT100的接线。定子温度的比较值设定与绕组的绝缘材料等有关。 11） 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，主要介绍几种常见类型。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2.1.6）。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，就无法检测的到。 1—回空带；2—托盘；3—支点：4—平衡锤；5—承载带 图2.1.6 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，我们选择使用安徽宝龙的BJSBA-1型纵撕传感器，输出开关量信号。 2.1.3 CST软启动 带式输送机正向高速度、大运量、大功率、长运距方向发展，三相交流异步电动机以运行可靠、控制方便和价格低廉等因素被广泛应用于带式输送机。但由于电机启动性能和调速性能差、启动转矩小，与带式输送机直接相连启动，会增加皮带的张力[9]。输送带是具有粘弹性的弹性体，带式输送机系统可以认为是弹簧一质量系统。由于电机速度快，且在重载和超载条件下工作，起动电流过大，对电网的冲击增大，压降增加，造成起动困难；且电机直接起动，输送机起动加速度过大，胶带产生的动张力就越大，瞬间引起的冲击力也相当大，会加速托棍、滚筒及其它部件的损坏，缩短胶带的使用寿命；同时使输送带松边拉紧装置反应速度滞后，输送带的垂度加大，造成功率传递不平衡，起动不平稳。软起动技术是改善起动条件的主要手段。软起动技术是在一定的起动时间内，控制起动加速度，确保带式输送机按所要求的加速度曲线平稳起动，达到额定的运行速度，同时使电机的起动电流和输送带的起动张力控制在允许范围内。目前大型带式输送机可控启动装置主要有：液力词速装置、CST装置、液体粘性传动装置、变频调速装置、交流电机软启动装置等几种。 CST（Controlled Start Transmission）可控启动装置是出自美国的一种为带式输送机设计使用的一套装置的总称。它是由多级齿轮减速器、湿式离合器及液压控制系统组成。 CST系统的主体是一个可控无级变速的减速器，其基本原理是在一级行星传动中，用控制内圈转速的办法调节行星架输出的转速，使负载得到所需要的启动速度特性，减速特性，并能以任意非额定的低速运行。内齿圈的转动用多片型液体粘滞离合器控制，多型液体粘滞离合器是由若干个动片和静片交叉叠合成，动片组经外齿花键与行星轮系的内齿圈连接，静片组经内齿花键与固定在减速箱体上的轴套连接，离合器的离合由环型液压缸操作。离合器的原理是依靠动静片之间的油膜剪切力传递力矩。资料表明，当两块盘状平行板之间充满了极薄的油膜（小于20μm）时，主动板依靠油膜的剪切力可以向从动板传递力矩，它所传递的力矩的大小与两板的间距（即油膜的厚度）成反比。据此调节离合器环型液压缸的压力，改变动静片间油膜的厚度，就能控制它所传递的转矩，当输出轴的转矩大于负载的静阻力时，负载就加速；转矩平衡时，负载就稳定运行[1]。 CST的输出转矩由液压控制系统控制。一台输送机可以由一台电机及一台CST驱动，也可以由多台电机及多台CST驱动。驱动电机时，CST的输出轴保持不动，当驱动电机达到全转速时输送机才逐渐加速到满速度。这使得输送机在被加速至全速运行前有一个平缓启动的过程。加速时间可以根据需要在规定范围内进行调整。CST系统控制主电机的起停，在启动时，驱动电机可以按顺序空载启动，所以电机的冲击电流非常小。由于驱动电机可以根据运行负载进行选择而不必根据启动负载选择，所以CST驱动系统可以选用功率较小的电机；在停车时，通过延长停车时间可以降低对胶带的动态冲击力。当一驱动系统中有多台CST时，控制系统可以确保每台驱动电机分担相同的负载，合理的功率平衡可以有效地延长整个驱动系统各部件的寿命。胶带正常运行时，根据系统中各CST的功率平衡要求，每台CST的离合器或者保持少量打滑状态，或者维持压力以无打滑方式输出所要求的扭矩。但系统中任何负载的增加都将引起离合器打滑，这种情况被称为“软锁定”。当离合器被软锁定时，任何瞬间的过载或冲击载荷都将引起离合器的打滑，这时驱动系统的所有部件，包括联轴器、轴承和齿轮等都将在冲击或过载时受到保护，从而延长其寿命[10]。 CST可提供给用户的信号有CST故障信号、CST报警信号和CST满速信号等，用户可以控制CST的信号有CST启动停止信号、CST急停信号、CST慢动信号、CST复位信号等。 (1)采用CST可降低30%的胶带张力； (2)采用CST后传动效率可以提高13%； (3)采用CST后，胶带的安全系数可降低1.9，但安全度不变。 图2.1.7 CST传动原理 2.1.4 人机界面HMI 人机界面[23]是工作人员与CPU进行交互的界面，这里我们选用触摸屏和操作台。触摸屏是对带式输送机实施控制操作和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。 触摸屏技术就是使用者只要用手指轻轻地触碰计算机显示屏上的图符或文字，就能实现对主机的操作或查询，这样就摆脱了键盘和鼠标操作，从而大大地提高了计算机的可操作性。触摸屏是一种最直观的操作设备，只要触摸屏幕上的图形对象，计算机便会执行相应的操作。触摸屏具有方便直观、图像清晰、坚固耐用和节省空间等优点。 2.2控制系统功能 2.2.1起动流程 在皮带机空载情况下，按照煤流顺序由首设备端或故障机端向尾设备端开机。其开机过程为本条皮带机接受到上游皮带机发出的开机指令后，延迟略小于上游整条皮带运行时间后开机，同时对下游皮带机发出开机指令。这种方式能够避免队列中多数皮带机电机长时间空转，达到节能的目的。 2.2.2停机流程 1)顺煤流停机 正常情况下，按照煤流顺序由首设备端向尾设备端逐台延时停机;故障情况下，按照煤流顺序，由故障机设备下游皮带机开始向尾设备端逐台延时停机，尽量保证多数设备空载停机。 2)逆煤流缓停机 3)逆煤流急停机 用于故障状态下的一种急停机方式，按逆煤流顺序，由故障机设备上游皮带机逐台传递停机信号向首设备端立即停机。皮带机停机后应联动皮带机制动器，使皮带机制动。 2.2.3皮带运输机之间联锁 每条皮带机的运行或停止状态要能够通知其上游皮带和下游皮带，并能够与之实现联锁。 1)下游皮带停机一一>上游皮带联锁停机; 2)上游皮带或给煤机停机一一>下游皮带继续运行本皮带等长距离后，联锁停机。 2.2.4皮带运输机与附属设备之间联锁 皮带输送线应与附属设备之间联锁，不同的皮带输送线具有的不同的附属设备，要根据实际情况具体考虑。例如皮带机启动前和皮带机停止后，应与皮带机制动器联动，使皮带机解除制动或使皮带机制动。监控系统要能够对这些附属设备进行控制。 2.2.5皮带运输线运行故障联锁及其处理 1)皮带跑偏 皮带轻跑偏 驱动警铃，打开警灯；皮带重跑偏 ①停本机②驱动警铃，打开警灯。 2)电机电流异常 电流应划分为3个等级:正常范围、报警范围、危险范围。 当电流处于报警范围时 驱动警铃，打开警灯；连续长时间处于报警范围时 ①停本机②驱动警铃，打开警灯。 (2)当电流处于危险范围时 ①停本机②驱动警铃，打开警灯。 3）皮带纵撕 皮带纵撕 ①停本机②驱动警铃，打开警灯。 4）断带 皮带断带 ①停本机②驱动警铃，打开警灯。 5）带松 带松 驱动警铃，打开警灯，提示操作员启动或调整皮带张紧装置，对皮带进行张紧。 6）皮带打滑 皮带打滑 驱动警铃，打开警灯；连续长时间处于皮带打滑时 ①停本机②驱动鳌铃，打开警灯。 7）皮带速度异常 皮带速度应划分为3个等级:正常范围、报警范围、危险范围 当皮带速度处于报警范围时 驱动警铃，打开警灯；皮带速度连续长时间处于报警范围时 ①停本机②驱动警铃，打开警灯。 当皮带速度处于危险范围时 ①停本机②驱动警铃，打开警灯。 8）滚筒温度过高 滚筒温度过高 ①停本机②驱动警铃，打开警灯。 9）皮带运输线出现烟雾 皮带运输线出现烟雾 ①停本机②驱动警铃，打开警灯，启动自动洒水装置。 10）堆煤 带头堆煤 ①停本机②驱动警铃，打开警灯。 11）煤仓煤位检测 12）无联锁。 13、急停开关动作 急停开关动作 ①停本机②驱动警铃，打开警灯。 14）皮带运输系统监控设备自身损坏 传感器损坏 屏蔽该传感器 系统降级使用 控制站损坏 系统停机 系统控制方式转为“现场手动控制” 3 基于PLC的皮带控制系统的硬件组态 3.1PLC简介 可编程序控制器（Programmable Logic Controller），简称PLC，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[16][17][20]。它专为在工业环境应用而设计，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。 3.1.1PLC组成 PLC由中央处理单元，输入输出单元高速计数单元组成。西门子研制的PLC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。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。 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。PLC的等效电路如下： 图3.1.1PLC等效电路图 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。 3.1.2PLC特点 PLC具有以下特点[21]： 1)灵活、通用 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。 2)可靠性高、抗干扰能力强 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，因此，在各种恶劣工作环境和条件下也可以可靠工作，将故障率降至最低。 3)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，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。此外，PLC的IO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。 4)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。 5)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AD. DA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。 6)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. 3.1.3PLC应用领域 1、开关量的逻辑控制：它是PLC最基本的功能。所控制的逻辑可以是各种各样的，如时序的、组合的、计数的、等待，控制的输入输出点数可以不受限制，少则10点，几十点，多则成千上万点，并可以通过联网来实现控制。 2、模拟量的闭环控制：PLC具有AD、DA转换及算术运算功能，一次可以实现模拟量控制，有的PLC还具有PID控制或模糊控制的功能。可用于闭环的位置控制、速度控制的过程控制。 3、数字量的智能控制：利用PLC能接受和输入高速脉冲的功能，再配备相应的传感器或脉冲伺服装置（如环形分配器、功放、步进电机），就能实现数字量的智能控制，较高级的PLC还专门开发了位控制单元模块、运动单元模块等，可实现曲线插补。现开发的运动单元模块还能识别数控技术的编程语言，为PLC进行数字量的智能控制提供了方便。 4、数据采集与监控：PLC实现控制时，可以把现场的数据实时现实出来或采集保存下来，供进一步分析研究。较普遍使用的是PLC加上触摸屏，可以随时观察采集来的数据及统计分析结果。 5、通信、联网及集散控制：PLC的通信联网能力很强，除了PLC和PLC之间的通信联网以外，PLC还可以与计算机进行通信和联网，由计算机来实现对其编程和管理。PLC也能与智能仪表、智能执行装置（如变频器）进行通信和联网，互相交换数据并对其实施控制。 利用PLC的强大的通信功能，把PLC分布到控制现场，并实现各站间及上、下层间的通信，达到分散控制、集中管理，即构成了集散型计算机控制系统(DCS)或现场总线控制系统。 3.1.4PLC的基本工作原理 PLC运行时，内部要进行四大类操作[28]：公共操作（以故障诊断、通信处理为主），数据输入和输出操作，执行用户程序的操作，以及服务于外部设备的操作（如果外部设备有中断请求）。其过程示意图如图所示。 图3.1.2过程示意图 PLC接通电源后，在进行循环扫描之前，PLC首先确定自身的完好性，这是起始操作的主要工作。PLC进行清零或复位处理，消除各元件状态的随机性；检查IO单元连接是否正确；启动监控定时器T0，执行一段涉及到各种指令和内存单元的程序，如果所用的时间不超过T0，则可证实自身完好，否则系统关闭。此后，将监控定时器T0复位，允许扫描用户程序。 1)公共操作 公共操作是在每次扫描程序前进行自检，若发现故障，除了故障灯外，还可判断故障性质：一般性故障，只报警不停机，等待处理；严重故障，则停止运行用户程序，此时PLC切断一切输出联系。 2)数据IO操作 数据IO操作也称为IO状态刷新。它包括两种操作：一个是采样输入信号，即刷新输入状态表的内容；二是送出处理结果，即用输出状态表的内容刷新输出电路。在PLC的存储器中，有一个专门存放IO的数据区，其中对应于输入端子的数据区，我们称之为输入映像存储器。当CPU采样时输入信号由缓冲区进入映像区，这就是数据输入状态刷新；同样道理，CPU不能直接驱动负载。当前处理的结果放在输出映像存储器区内，在程序执行结束后，才将输出映像区的内容通过锁存器输出到端子上。这步操作称为输出状态刷新。 3)执行用户程序操作 在程序执行前复位监控定时器T1，即执行程序并开始计时。监控定时器T1就是通常所说的“看门狗”，它是用来监视程序执行是否正常的，正常时，执行完用户程序所用的时间不会超过T1的设定值，执行完用户程序后立即使“看门狗”复位，表示程序执行正常。当程序执行过程中因某种干扰使扫描失控或进入死循环时，“看门狗”会发出超时报警信号，使程序重新开始执行。如果是偶然因素造成超时，重新扫描程序不会再遇到“偶然干扰”，系统便转入正常运行；若由于不可恢复的确定性故障，则系统会自动地停止执行用户程序、切断外部负荷、发出故障信号，等待处理。 4)处理外设请求操作 每次执行完用户程序后，就进入服务外设请求命令的操作，外设的请求命令包括操作人员的介入和硬件设备的中断。外设请求一般不会影响系统正常工作，而且可能更有利于系统的控制和管理。如果没有外设请求，系统则会自动循环地进行扫描。 3.2控制系统的总体结构 系统采用现场层(远程IO),控制层(PLC)和管理层(工业计算机)组成的三级控制系统来实现皮带的自动控制。工业计算机利用友好人机界面实现人机对话和远程监控功能，PLC作为控制器完成逻辑处理和控制任务，远程IO实现现场数据的采集和上传。 3.2.1系统结构图 下位机集控部分由PLC（可编程逻辑控制器）、触摸屏、检测部分（模拟量和开关量采集）和执行部分等组成。 图3.2.2 单条皮带下位机控制结构图 3.3控制系统的硬件组成 在整个系统的设计过程中，除了现场已有的设备之外，还需要相应的就地控制箱等现场设备，另外，还需要为现场的设备提供相应的保护设备。为实现集中监控的要求，完成实时数据采集、自动控制和上位监控的功能，将监控系统分成两大部分：下层的过程控制级，上层的监控管理级。 3.3.1控制系统IO点数的确定 表3.3.1 IO地址分配表[7][15] 序号 绝对地址 数据类型 注释 1 I 0.0 数字量输入 集控方式 2 I 0.1 数字量输入 就地方式 3 I 0.2 数字量输入 检修方式 4 I 0.3 数字量输入 CST启动按钮 5 I 0.4 数字量输入 CST停止按钮 6 I 0.5 数字量输入 CST慢动按钮 7 I 0.6 数字量输入 CST急停按钮 8 I 0.7 数字量输入 CST输出报警信号 9 I 1.0 数字量输入 停机信号 10 I 1.1 数字量输入 跑偏信号 11 I 1.2 数字量输入 拉线急停 12 I 1.3 数字量输入 纵撕信号 13 I 1.4 数字量输入 堆煤保护动作 14 I 1.5 模拟量量输入 速度检测 15 I 1.6 模拟量量输入 烟雾传感器 16 I 1.7 模拟量量输入 温度传感器 17 Q 0.0 数字量输出 扩音电话预警 18 Q 0.1 数字量输出 超温洒水 19 Q 0.2 数字量输出 CST启动停止 20 Q 0.3 数字量输出 CST急停 21 Q 0.4 数字量输出 CST慢动 22 Q 0.5 数字量输出 CST复位 23 Q 0.6 数字量输出 张紧控制 24 Q 0.7 数字量输出 CST急停指示灯 25 Q 1.0 数字量输出 CST启动指示灯 26 Q 1.1 数字量输出 给煤机启动指示灯 27 Q 1.2 数字量输出 烟雾报警 28 Q 1.3 数字量输出 堆煤报警 29 Q 1.4 数字量输出 跑偏报警 30 Q 1.5 数字量输出 拉线开关报警 31 Q 1.6 数字量输出 纵撕报警 32 Q 1.7 数字量输出 张力下降报警 33 Q 2.0 数字量输出 电机定子超温报警 34 Q 2.1 数字量输出 滚筒超温报警 35 Q 2.2 数字量输出 皮带打滑报警 36 Q 2.3 数字量输出 37 Q 2.4 数字量输出 皮带超速报警 3.3.2PLC的硬件配置 根据控制系统的要求及IO点数的估算系统PLC选用SIEMENS公司S7-300。 表3.3.2 PLC配置清单 名称 规格 注释 CPU模块 CPU315-2DP CPU自带存储器 电源框架 PS307-5A 数字量输入模块 SM321 每个模块有32个输入点 数字量输出模块 SM322 每个模块有32个输出点 模拟量输入模块 SM331 每个模块有8点输入 模拟量输出模块 SM332 1. CPU S7-300[21][22][27]CPU模块类型多种多样，有CPU312IFM、CPU313、CPU314、CPU314 IFM、CPU315315-2DP、CPU316-2DP、CPU318-2DP等8种不同的中央处理单元可供选择。CPU312IFM、CPU314IFM是带有集成的数字和模拟输入输出的紧凑型CPU，用于要求快速响应并具有许多特殊功能的装置。CPU313、CPU314、CPU315模块不带集成的IO端口，其存储容量、指令执行速度、可扩展的点数、计数器定时器数量、软件块数量等随序号的递增而增加[13]。315-2DP、CPU316-2DP、CPU318-2DP都具有现场总线扩展的功能。因此我们考虑系统以后的扩展，可选择带总线扩展功能的CPU，考虑它们的性价比，最终我们选用315-2DP。 CPU315-2DP是具有中到大容量程序存储器和PROFIBUS-DP主从接口的CPU，它用于包括分布式及集中式IO的任务中。CPU315-2DP具有48KB的RAM，内置80KB的装载存储器（RAM），可用存储器卡扩充装载存储器，最大容量为512KB，指令执行速度为0.1ms1000条，最大可扩展1024点数字量或128个模拟量通道，其他特性与CPU314相同。CPU315-2DP是带现场总线（PROFIBUS）SINEC L2-DP接口的CPU模块，其它特性与CPU315模块相同。 2. 电源框架 PS307是西门子S7-300的专配24V直流电源，这一系统共有2A、5A、10A三种不同额定输出电流的电源，其工作原理和备用参数均相同。在这个系统中，选择PS307 5A电源，它安装在导轨的1号槽，在CPU的左侧，用电源连接线连接到CPU上面。 图3.3.1供电系统电气图 PS307 5A负载电源模块连接单相交流系统，将120或是220伏交流电压变为24伏直流工作电压。具有防短路和开路保护的功能。一个带有保护罩的开关可用来选择120伏或220伏交流线电压。安装一小型断路器，以保护电源模块的电源进线电缆，断路器指标应是：220VAC时额定电流是10A，跳闸特性为C类。当输出正常额定电压24V时，绿色LED灯亮；当输出电路过载时，则LED灯闪烁，输出电流长期在5到6.5A之间时，输出电压下降，缩短电源的使用寿命，当输出电流超过6.5A时，电压跌落，过后可以自动恢复；当输出短路时，则LED灯暗下来，输出电压为0V，短路故障排除后，电压可以自动恢复；当一次侧低电压时，LED灯暗下，电源自动切断，电压自动恢复；当一次侧发生过压时，LED灯熄灭，电源可能会被彻底毁坏。电源输入功率为138W，效率是87%，功率消耗为18W，输出电压额定值是24VDC，允许误差是24V×5%，上升时间最大为2.5S。PS307 2A的输人功率是58W，效率是83%[22]。 3. 数字量输入模块 根据计算，系统的数字量输入点数为23，为了系统留有余量，选用SM321数字量输入模块。该模块具有32点输入，电气隔离为16组，额定输入电压24VDC，适用于开关及2-3-4线接近开关。 图3.3.2 SM321接线图及方框图 4. 数字量输出模块 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。 图3.3.3SM322接线图及方框图 5. 模拟量输入模块 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AD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。AD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AD转换时间和AD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。 图3.3.4 SM331接线图及方框图 6. 模拟量输出模块 模拟量输出模块选用SM332，该模块为8输入通道，可将输出通道编程为电压或电流输出。 图3.3.5SM332接线图及方框图 4基于PLC的皮带控制系统的软件设计 4.1控制系统程序及工作方式 S7-300的运行程序有两种，操作系统程序和用户程序。操作系统是固化在CPU中的程序，提供了一套系统运行和调度的机制；用户程序是用户自己编制的程序。S7的用户程序是结构化的用户程序，它主要由启动程序、主程序和各种终端响应程序等不同的程序模块组成。控制系统软件流程图如下： 图4.1.1 系统流程图 控制系统有三种工作方式：集控自动、集控手动和就地控制[22]。集控自动方式下，胶带机和给煤机根据生产工艺流程预先编制的程序来集中控制启停，各种保护均投入；集控手动方式下，胶带机和给煤机也采用手动按钮通过PLC分别控制启停，但是保护可根据需要有选择的进行投入，各故障的投入选择可在显示屏内进行控制；就地控制方式下，胶带机和给煤机由操作员控制手动按钮通过PLC分别控制它们的启停，保护也均投入。此时，其他控制方式闭锁，这也是按照现场情况优先考虑的结果，此时单条皮带闭锁运行，与其他皮带之间没有联锁关系。 4.2 系统软件实现 4.2.1 控制方式选择 我们通过控制台的三位置选择开关来选择系统的工作方式，任何时候只能处于一种工作方式。胶带和给煤机在运行的时候，工作方式不可改变。在触摸平屏上可以由显示灯来表示系统当前的工作方式。 监控系统是对单条皮带和与其配对的給煤机进行监控，集控方式下，按下显示屏上的启动停止控制按钮，允许胶带启动或停止。若是多条皮带集中控制，启动允许信号可以由逆煤流的前一条皮带启动一段时间后给出，停止信号可以由顺煤流的前一条皮带停止一段时间后给出，时间设定与胶带运行速度有关，以胶带上煤流全部卸载完毕为最佳。下面我们以工作方式选择和就地方式启停为例进行程序说明。 1. 工作方式选择 程序段1：工作方式选择。I0.0、I0.1、I0.2分别是集控方式、就地方式、检修方式信号，当在任一个工作方式下发出CST启动信号Q0.2后，不能再选择其它工作方式。M0.7、M0.6、M0.5分别是三种方式下的自保信号，起自保作用。 2. 就地方式启停控制 程序段1：I0.3是CST启动按钮，I0.4是CST停止按钮，M4.0是故障急停信号。有任何故障发出急停指令时不允许启动CST。 程序段2：启动报警信号。当M0.4闭合时，脉冲定时器T9开始计时，发出30S的报警指令Q0.0。同时启动接通延时定时器T10。 程序段3：当30S延时预警成功后，向CST正式发出CST启动指令Q0.2。I1.2、I1.3、I1.4分别是1#、2#、3#电机运行返回信号，起自保作用。Q1.0是操作台CST运行指示灯，PLC_D02是触摸屏CST启动指示灯。 程序段4：给煤机启动控制。I4.0是给煤机手动启动按钮信号，I4.2是给煤机运行返回信号。Q4.0是给煤机启动信号，Q1.1是给煤机启动指示灯。 程序段5：给煤机停止控制。I4.1是给煤机手动停止按钮信号，Q4.1是给煤机停止信号。 就地工作方式下，操作员通过控制台上的手动按钮来控制胶带启停。控制台共设置了四个手动控制胶带运行按钮：CST启动按钮，CST停止按钮，CST慢动按钮，CST急停按钮。在此工作方式下，只有CST启动按钮，CST停止按钮，CST急停按钮有效。按下启动按钮后给PLC送入启动允许信号，按下停止按钮给PLC送入停止允许信号。 检修工作方式下，我们也是通过操作台上的手动按钮来控制胶带，但是检修状态下，我们要求胶带运行速度比较慢，CST工作在慢动状态下，只有按下慢动按钮，胶带才可以运行。 启动允许信号发出后，根据现场环境和设备的工艺需求，在启动运行皮带沿线发出预警声响，时间一般是30秒。只有在无故障启动的情况下，预警才会成功。 4.2.2 各种常见故障的诊断 胶带在煤炭运输中的重要角色，让煤矿无法忽视它的运行状况，因此，有效的监测故障，及时采取预防措施，避免重大事故发生，或者尽量减少损失是非常必要的。胶带常见的故障有以下几种：跑偏、打滑、超速、断带、滚筒超温、张紧下滑、纵撕、烟雾、堆煤等，同时我们为了避免一些无法监测的而又非常恶劣的事故发生，在胶带输送机的沿线，我们每隔80～100米设置一个拉线急停开关。 在第二章我们已经确定了监测各种故障的传感器类型或方法，并确定了输出信号类型。故障信号分为两类：一类为数字信号，当输出为“1”时，即是报警信号， 收到信号后，对信号进行处理，或是CST紧急停机，或是只发出声光报警。当输出为“0”时，胶带运行正常，无故障发生；另一类为模拟量信号，传感器输出的模拟量信号是标准的电压或是电流信号，通过模拟输入模块，将电压或电流信号转化成数字形式，但是我们需要知道它所测的真实值，如温度传感器，输出9V，需要得到9V对应的温度值，因此需要对输入PLC的数值进行处理。下面简要介绍一下模拟量数值的采集及转换。 1.模拟量数据处理 程序段1：将采集到的数值current_value转化为实数型，并存在b3中。 程序段2：作b3与量程值相除运算，并将值放入输出值yunsuanzhi中。 2.调用模拟量数据处理块 程序段1：调用上面两段程序构成的FC块。PIW270是定子温度1的输入值存储地址，PT100测量的实际温度与PLC内数字表示值成100倍关系。AI_7是定子温度1实际温度存储地址变量。 在知道模拟量的真实值后，或将其直接输出到显示屏上直接显示出来，或是将其与设定值比较后再输出布尔变量“0”或者“1”。 3.故障信号处理 在上面我们已经提到，在不同的工作方式下，故障监测是不相同的。集控和就地方式下，所有的保护均投入使用，在检修方式下，各种保护可选择投入或是屏蔽掉，我们可以通过显示屏上的“XX屏蔽”或是“XX屏蔽取消”按钮来选择。下面我们以堆煤信号为例说明以下，对故障信号的处理。 程序段1：堆煤信号保持。I2.7是堆煤传感器信号，I3.2是系统复位信号。产生故障后，若系统不复位，故障信号无法消除。 程序段2：堆煤屏蔽状态。PLC_DO18是触摸屏堆煤保护屏蔽信号，PLC_DO18是触摸屏堆煤保护屏蔽取消信号。 程序段3：检修方式下允许堆煤信号屏蔽, 集控和就地方式不允许屏蔽。 4.拉线开关地址 拉线开关共有5根地址线，地址分别是I1.5、I1.6、I1.7、I2.0、I2.1，一根信号线，拉线开关信号保存在PLC_DI35。下给出了1、2、3号地址的确定方式。 4.3触摸屏的软件实现 4.3.1触摸屏简介 触摸屏是用来显示控制器的IO状态及各种系统信息，接收并执行操作人员发出的各种命令。触摸屏的按键在屏幕上，总的面积小，每个画面可以设置不同的按键，每个按键的意义可由用户设置，使用直观方便，可以在恶劣的工业现场环境下使用，在工业控制中得到广泛的应用[23][24]。 触摸屏是在操作人员和机器设备之间作双向沟通的桥梁，用户可以自由的组合文字、按钮、图形、数字等，来处理或监控不断变化的信息。过去的操作界面需要熟练的操作员才能操作，而且操作困难。使用触摸屏和计算机控制后，能明确告知操作员机器设备目前的状况，给出操作的提示，使操作变得简单生动，可以减少操作失误，即使是新手也可以很轻松的操作整个机器设备。使用触摸屏可以使机器的配线标准化、简单化，用画面上的按钮和指示灯等代替相应的硬元件，减少PLC需的IO点数，降低系统的成本。由于显示面板的小型化及高性能，提高了整套设备的附加价值。 触摸屏的基本原理如下：用户用手指或其它物体触摸安装在显示器前端的触摸屏时，所触摸的位置的坐标被触摸屏控制器检测，并通过通信接口（例如RS- 232C或RS-485串行口）送到CPU，从而得到输入的信息。触摸屏系统一般包括两个部分：触摸屏控制器和触摸检测装置。触摸屏控制器的主要作用是接收来自触摸点检测装置的触摸信息，并将它转换成触点坐标，再送给CPU，它同时能接收CPU发来的命令并加以执行，例如动态地显示开关量和模拟量。触摸检测装置安装在显示器的显示表面，用于检测用户的触摸位置，再将该处的信息传送给触摸屏控制器。 4.3.2触摸屏系统的设计 触摸屏采用西门子公司可以与STEP7软件集成的PROTOOL软件设计。画面选择基于WINDOWS系统的TP270“6”。SIMATIC TP270型触摸式面板，彩色STN触模屏（模拟耐磨），5.7英寸。SIMATIC TP270多功能面板属于SIMATIC HMI产品系列。所有SIMATIC面板都可使用基于Windows的软件SIMATIC PROTOOL，进行既简单又高效的组态。基于Windows CE操作系统，TP270提供有创新性的操作员控制和监视功能以及固有操作员面板的优点：坚固耐用，稳定可靠，简便易用。标准硬件软件接口保证了极高的柔性度和透明度以及办公环境的访问功能。 触摸屏主要显示胶带机和给煤机的运行状况和各种故障发生情况及具体的位置。为了监控系统可视化、明确化，我们的触摸屏共有7个画面，画面1为首页，画面2为启动控制显示画面，用指示灯和数字来显示胶带和給煤机的运行状况和当前的工作方式，如胶带当前的运行速度，CST启动停止、CST复位、CST急停、CST故障，CST报警，CST满速，CST慢动，给煤机启动，给煤机停止等, 同时在集控方式下, 通过控制屏上的集控启动或集控停止按钮控制胶带启停。 这些输入输出信号是通过设定变量，将PLC内部变量传递到显示屏上来显示或是将屏上的信号送到PLC内部。如指示灯是定义一个圆，通过设定圆变量在不同数字状态下显示不同颜色来实现，如：变量为“0”时，圆前景颜色显示为灰色，变量为“1”时，圆前景颜色显示为红色；数值显示是设置一个输出域，将PLC内部变量直接与输出域建立联系就可达到输出效果。 界面3是在按照胶带故障监测装置在胶带旁边放置的位置顺序排列显示各种故障信号，当监测到故障时，故障对应指示灯亮。明确了故障的位置，可以方便胶带的维护及故障的及时有效处理。 图4.3.1 触摸屏（界面2、界面3） 界面4可以具体显示9组各定子绕组的温度，其中1到3组分别是1#电机A相、B相、C相绕组温度，4到6组分别是2#电机A相、B相、C相绕组温度，7到9组分别是3#电机A相、B相、C相绕组温度。 界面5是红外测温监测到的前后滚筒温度。 图4.3.2 触摸屏（界面4、界面5） 界面6和7是检修状态下各种故障保护屏蔽选择界面，按下“XX屏蔽”，则此种故障保护屏蔽掉，再按下“XX屏蔽取消”，则屏蔽取消掉，保护投入使用。“传感器状态”是指故障监测的实际信号，“加入屏蔽”是指检修方式下，加入保护屏蔽或没有加入保护屏蔽时的故障信号输出。 当屏蔽没有投入时，两个输出是相同的，当屏蔽投入时，两个输出可能不同，如故障实际检测信号为“1”，若加入屏蔽，则“传感器状态”输出灯亮，“加入屏蔽”输出灯为灭。 图4.3.3 触摸屏（界面6、界面7） 5基于PLC的皮带控制系统的抗干扰措施 按照可靠性理论，程序设计最主要的任务是，确保应用程序按照给定的顺序有秩序地运行。有序运行的基础是硬件的可靠性，可靠性高的硬件基础可以保证不会出现硬件故障；但是，在工业现场使用时，大量的干扰源虽然不会造成系统硬件系统的破坏，却常常会破坏数字信号的时序，导致程序进入死循环。因此，在提高硬件可靠性的同时，也需要在程序设计中采取措施，提高软件的可靠性，减少软件错误的发生，并且在发生软件错误的情况下仍能使系统恢复正常运行。即要保证装置可靠工作,并能不间断地运行,就必须提高抗干扰能力,增强装置保护硬件的可靠性及完善软件性能。 5.1干扰和干扰源 干扰经过一定的耦合通道传输到被干扰的设备，从而对产品正常工作造成不良的影响。干扰的三要素：传导和辐射电磁能量的干扰源；干扰传递的途径；对干扰敏感的接受设备。如图5.1所示。 图5.1.1 干扰的三要素 根据产品性能要求采取有效措施，抑制干扰源，消除干扰的耦合通道，从而提高设备的抗干扰能力。 5.2系统抗干扰措施 为使系统能更加安全、可靠地工作，在系统中采取一些有效防干扰的措施来消除来自外界或自身的各种干扰是很有必要的。PLC控制系统的抗干扰是一个系统工程，要求制造单位设计生产出具有较强抗干扰能力的产品，且需要使用部门在工程设计、安装施工和运行维护中予以全面考虑，并结合具体情况进行综合设计，才能保证系统的电磁兼容性和运行可靠性。在进行设备选择时，首先选择较高抗干扰能力的产品，它包括电磁兼容性，尤其是抗外部干扰能力，如采用浮地技术、隔离性能好的PLC系统；其次应了解生产厂家给出的抗干扰指标，如共模抑制比、差模抑制比、耐压能力、允许在多大电场强度和多高频率的磁场强度环境中工作等[29]。本文将采取以下几种抗干扰措施。 1）电源干扰的抑制 为有效抑制电网中的干扰信号，可使用隔离变压器、滤波器或是频率抑制法等。本系统根据实际情况，在电源的入口使用隔离变压器，并将屏蔽层良好地接地，使系统的电气噪声降到最小。 2）接地防干扰 接地是抑制噪声和防止干扰的主要方法。接地的作用有:一是消除各电路电流经一个公共地线阻抗时所产生的噪声电压；二是控制器与控制盘柜与大地之间存在着电位差，良好地接地可以减小由电位差引起的干扰电流；三是混入电源和输入信号的干扰，可通过良好的接地引入大地，从而减少干扰的影响；良好的接地还可以防止由漏电流产生的感应电压。下面介绍两种接地方式抗干扰： a)系统一点接地方式 在微机监控系统中，应采用一点接地的方式进行接地。一点接地分为串联接地和并联接地两种:在串联接地方式中，由于三个电阻是串联的，所以各电路间会发生相互千扰，高电平回路将产生较大的地电流并干扰到低电平电路中。因此，应采用并联一点接地方式，即将系统各电路地线，如信号地线、噪声地线等并联后一点接地，这样各电路的地电位只与本电路的地电流和地线阻抗有关，不会因其他电路的电流而起引电路间的祸合干扰。 b)综合接地方式 从上面分析可知，采用并联一点接地方式对防止各电路间相互祸合是最有效的。但由于这种方式每个电路都要有一根接地线，而一个监控系统里的电路多达上百个，这样就要上百根的接地线，做起来比较麻烦。所以，应从实际出发，进行分组归类，如把各I0板弱信号模入、开出等低电平回路的接地线串联起来，作为一组:把较高的电平电路地线作为另一组串联起来，然后再进行并联一点接地，这样既简单方便，又因为使用串联方式的各电路电平相近，相互干扰甚微，所以能解决大部分接地问题。 接地还应注意接地点应尽是靠近控制器，接点与控制器间距离不大于50m；接地线应尽量避开强电回路。 3）屏蔽抗干扰 a) 屏蔽干扰源 由于电力线终止于屏蔽体内，所以只要将干扰源的周围加上屏蔽体，并让其一点接地，就可以把电场屏蔽掉，使它不对邻近的导线和回路产生干扰。为此，微机监控装置相邻的电气设备应有密封的金属外壳，以屏蔽自身的电场，并对磁场干扰也有一定的抑制作用。 b)使用双绞屏蔽线或电缆 一套监控系统总有许多外围采集电路和开出回路，它们一般沿着电缆盘遍布全厂各个角落，途中可能与严重的干扰设备或电缆紧挨着，这些都是监控系统引入干扰的主要途径。所以，虽然在现场已对许多干扰源进行屏蔽、接地等，但还应当使用双绞屏蔽线路，以提高自身的抗干扰能力。双绞屏蔽线或电缆集中了双绞线和同轴电缆的优点:首先，它引用了屏蔽体终止电力线的原理，很好地屏蔽了干扰电场，但这并不等于就能将电场干扰全部消除掉，其原因是电缆端部的引出线总是外露的，所以在现场安装电缆时，一是电缆两端引线要尽量短；二是电缆屏蔽层金属部分要包扎好，以免碰地造成两端接地，影响抗干扰效果。其次，双绞屏蔽线或电缆对磁场也有良好的抑制作用。 在实际应用中，所有的PLC机架与机柜柜体绝缘，PLC机柜配有专用接用母线，用以保证信号线屏蔽良好接地，减少各种电磁干扰。在电缆线敷设中，应尽量使过程信号线与动力线分开。 4）配线安排抗干扰 电气柜内配线安排应注意:只有带屏蔽的模拟量输入信号线才能与数字量信号线装在同一电缆槽内；直流电压数字量信号线和模拟量信号线不能与交流电压线同在一个电缆槽内；只有带屏蔽的220V电源线才能与信号线装在同一电缆槽内；电气柜外部应注意:在30M以上长距离配线时，输入信号线与输出信号线分别使用各自的电缆:控制器的接地线与电源线或动力线分开；输入输出信号线与高电压、大电流的动力线分开。 PLC控制系统中的干扰是一个十分复杂的问题，因此在抗干扰设计中应综合考虑各方面的因素，合理有效地抑制抗干扰，对有些干扰情况还需做具体分析，采取对症下药的方法，才能使PLC控制系统正常工作。控制系统中的抗干扰技术对系统能否可靠运行至关重要，必须依靠现有的理论和经验，结合现场实际情况，认真扎实地做好接地、屏蔽等每一个环节，把干扰抑制到最小程度，以保证系统的安全运行。通过实践证明，以上介绍的几种抗干扰措施是行之有效的。综合运用上述抗干扰措施可大大提高系统的可靠性和安全性，降低系统调试和维护的工作强度。 结论 煤矿井下皮带运输系统是生产的主要环节，保证其安全、高效运行具有重要意义。为提高井下皮带运输系统的自动化水平，本设计以PLC为核心构造了分布式皮带控制系统，主要工作如下。 1） 在分析煤矿皮带运输系统基础上，构造了皮带控制系统的构成和功能。 2） 在分析皮带输送机控制原理、常见故障类型及保护基础上，选择西门子S7-300型PLC为就地控制核心，设计了针对单台胶带输送机和给煤机的控制系统。 3） 完成了皮带控制系统的硬件设计，PLC和触摸屏的软件设计。 4） 提出了皮带控制系统的抗干扰措施。 本次设计是对大学所学知识的一次综合运用，锻炼了综合运用所学知识分析问题，解决问题的能力，为以后走向工作岗位打下了坚实的基础。 由于本人知识水平、时间、实验条件等方面所限，设计中难免会出现许多缺陷与不足。另外，本设计未能就多台皮带的集中控制进行设计，需要以后进一步完善与改进。 参考文献 [1] 王志甫. 矿山固定机械与运输设备. 徐州: 中国矿业大学出版社, 2006. 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In the field of Programmable Logic Controllers (PLCs), this is not the case. PLC programs can be developed using graphical languages, as Ladder Diagrams (LD) or Function Block Diagrams (FBD),but the standard libraries are very limited, so the programmer must develop libraries, building software objects from scratch. In this paper, a framework is presented for automatically building complex software modules using based on two key pillars: on the one , inheritance and generic programming, and, in the other one, closely following the physical model of the objects used in building electrical control cabinets (ECBs). I. INTRODUCTION The development of PLC programs is a crucial point in the construction of modern automation installations. As PLCOpen organization states in [1], “software plays an ever-increasing role in industrial automation. With this,the associated software costs increase, even to the point that it becomes the a nightmare. To solve this problem, a new standard established, the IEC-61131-3. It defines elements that can be used as blocks for building new programs, such as Function Blocks (FBs),and brings some of the benefits of OOP, such as encapsulation, as Lewis [2] or John and Tiegelkamp [3]point out. Nevertheless, other major OOP features like inheritance, generic programming and polymorphism are not supported in the standard. In spite of this limited support, Brendel [4] develops software components using IEC-61131 FB modules. Bonfe and Fantuzzi [5] present an object-oriented (OO) program for a manufacturing machine, and HVan der WalH [6] develops a complete OO library of motion control components, as a result of PLCOpen effort. OOP, besides being a way for developing well structured PLC programs, brings also added benefits as self-explanatory programs, Plomp et al.[7], or graphical programming, Lewis [8]. There are different approaches for choosing the software objects that can serve as the building blocks for constructing well structured, failure-proof PLC programs: • Mathematical methods, which formalize the structure of the software components and their relationship from a mathematical point of view. Feldmann et al.[9], Polic and Jezernik [10] use Petri nets as the tool for modeling discrete event systems (DES). • Bridge methods, which develop the control program using and Tracht [12] use Unified Modeling Language (UML). Jammes and Smith [13] follow instead the model of Web Services. • MIM (Model Integrated Mechatronics) considers each object as a complete unit which integrates the electrical mechanical and software aspects.Thramboulidis [14] [15] and Vyatkin[16] develop such Mechatronic components. An interactive“Intelligent Mechatronic Testbed” can be found at[17]. Archimedes [18], CORFU [19] and OONEIDA[20] are general frameworks built upon this concept. These approaches that develops PLC programs.Mathematical methods are often too abstract and difficult to track. Real time constraints are alien to general purpose language programs such as C or Java. And Mechatronics models tend to be far too complex, because they try to model all the behavioral aspects of a specific device. What it is needed is a simple, clear, robust and flexible OOP model that allows for the assembly of PLC programs following the same procedure used to build modern ECBs:by cabling pre-built, fully tested components. That’s way a new framework, Object Oriented Framework for PLC Software Development (OOPLC), developed and is presented in this paper. Its goal is to build PLC programs by assembling pre-built, fully tested software components in a simple, graphical way, analog to the drawing of electrical schemas. The structure of this paper is as follows: section I is the introduction. Section II establishes the main OOPLC framework features, which are fully developed in section III. In section IV an example program developed with the proposed method is shown, and in section V the conclusions are presented. II. OOPLC FEATURES OOPLC is founded on the physical components used to build ECBs. As Farins [21] points out, each idea must be related with the principle on a material system, which a variable solution could be based. The election of the ECB as the physical model also guarantees that the system can be easily understood by the personnel who will apply and maintain it. With OOPLC, building a new program is just a process of installing and connecting pre-built, fully tested software modules, in a graphical way (the same as drawing electrical control cabinet diagrams), instead of writing and debugging lines of code. As it is said, a short sketch is better than a long report. The basic element used for assembling ECBs is the relay. It a key component of industrial automation installations since its conception. In fact, the most widely used PLC programming language is the ladder one, built around the representation of relays coils and contacts, as in Fig. 1. Modern relays perform complex control tasks. There are even in the market small PLCs that are sold as “intelligent relays”. There are some common features to all this variety of relays: • Modular design. Modern relays are composed of two parts: the “base” contains the connections with the inputoutput conductors, and is common to all the relays from a given series. The other part is the“body” of the relay, which contains the elements that perform the desired functionality. Different bodies can be connected to the same base, which adds flexibility to the design and maintenance of ECBs.Besides, old elements can be replaced with more advanced ones without modifying the cabling of the cabinet. • Parallelism. ECB construction is speeded using arrays of relays, grouped in cards, interconnected with cables instead of single conductors. The use of standard array connectors allows for a fast, error-free assembly of the cabinet. • Communication capabilities. ECBs are not isolated elements in a modern automation installation. They must communicate with external devices, mainly computers, for the set-up of their operational device parameters and also for supervising the operation of the installation. Modern relays communication capabilities, and are able to communicate through standard industrial buses. There are some modules in the market that can even act as autonomous web servers. To implement these features, OOPLC defines three elements: relay, card and connectors, which are fully described in the next sections. Besides closely resembling their physical counterparts, OOPLC elements are built using a simple, error-free procedure, based on the features of OOP: • Encapsulation. Any object integrates both the data and the methods that process it. External inputs and outputs are accessible only through well documented interfaces. • Inheritance. New objects are derived from existing ones, adding new features to specialize them. • Polymorphism. Different objects can react to the same events in a different way. • Template programming. The use of generic objects and algorithms allows the generation of objects from predefined templates, with an automatic, error-free process. The present norm for PLC software development, the IEC 61131-3, offers a limited support for these features: • The FB definition establishes a clear distinction between the interface (which contains the external inputs, outputs, and the internal, variables of the function), and the body, (which contains the algorithm that operates on the interface elements).Only one program can be defined per FB. • There is a limited support of the polymorphism. Only some of the standard functions can process parameters of type “any” (a sum function, for example, can add integer and real numbers). • There is no support for inheritance or template programming.In OOPLC, these characteristics are implemented and used to build the objects that integrate the framework. III. OOPLC ELEMENTS A. Modular Design: the Relay Element The OOPLC model of a physical relay to every relay,and its internal components, or “body”, which is specific to each one. The base_relay element defines the common set of connections of every relay in OOPLC. Physical relays are connected using conductors, which can carry signals of different types (digital, analog), even mixed ones using time or frequency multiplexing technology. To mimic this behavior, a new data type is defined: the conductor data type, shown in Fig. 2, which can transport simultaneously data units of the most common types. The base_relay component defines the connections of the relay, and it is common to every specific relay. Having the same connector, all of them are interchangeable, from the point of view of their graphical interconnection. The definition and graphical representation of this element are shown in Fig. 3.The body of the base_relay is a program which only empty line (;). Any other relay is derived from this one by inheriting its interface, through a three-step process that constitutes the inheritance mechanism in OOPLC: 1) Duplicate the base_relay component with the name of the new relay (inheritance) 2) Add any necessary internal variables (data encapsulation) 3) Program the body of the new relay (method encapsulation) The fact that all the relays interface guarantees that any new relay derived from the base_relay can be substituted by another one, without needing to change any connections. Fig. 4 shows a timer relay with delay to the connection, which is generated using this algorithm. It encapsulates a standard FB of the IEC norm,the TON timer, which connected internally to the input and output conductors of the OOPLC base_relay. There is a major drawback with this method: any modification to the base_relay is not automatically propagated to the inherited relays, like a fully OOP language as C++ does. A manual, error-prone work is required to modify all the relays of the library (the children), if there is any modification of the base_relay(the parent). True inheritance could be achieved if a future addition to the IEC-61131-3 norm incorporates a constructor for deriving inherited objects, with syntax similar to the one presented in Fig. 5. B. Parallelism: the Card Element Parallelism is a common goal in the construction of ECBs, due to the the task of connecting the elements. Conductors are grouped forming cables, and relays are grouped in cards. Array connectors fasten the connection of the cards between them and with external inputs and outputs. A new element is used in OOPLC to represent a physical cable: the cable data type,defined as an array of ten conductors, as shown in Fig. 6. The OOPLC card is a template element which array of ten base_relays, where any OOPLC relay can be plugged in. Its algorithm connects the conductors of each of the relays to the corresponding conductors of the card’s cables, as shown in Fig. 7. To derive a new card with relays of a given type, as xx_relay, just a two steps process is needed, which constitutes the template mechanism in OOPLC: 1) Duplicate the template_card and give it a new name. 2) Change the word “base_relay” to “xx_ relay”. As an example of this process, in Fig. 8 it applied to generate a card that contains ton_relays.The template mechanism guarantees that any new card is error-free, because no modifications are done to the internal program of the template card. Only the symbol ‘base_relay’ must be substituted with the type of the desired relay (in this case a ton_relay).There is also a drawback in this method: a new card must be constructed for every type of relay. In real OOP languages, like C++, the compiler who builds automatically new components from templates when they are first declared. Should the IEC norm support this feature, the declaration of a new card, Card_1, with ton_relays would be: Card_1: template_card; C. Communications: the Connector Element OOPLC objects, like their physical counterparts, must be able to communicate with: • Each other, to perform the PLC control tasks. • The controlled process, via input and output signals. • Other control equipment, mostly computers, to supervise and adjust the process parameters. The interconnection of the objects inside an OOPLC program is achieved either graphically, using the tools provided by the vendors of IEC compliant PLCs, or in a textual way, with languages as STL. OOPLC facilitates this process because: • All the cards can be interconnected using the same data type element, the cable. • As a cable contains ten conductors, graphical schemas are greatly simplified, in the same way that unifilar electrical schemas allow for a greatly simplified representation of electrical installations. • As every card object inherits the same external interface, any given card can be replaced with another one without OOPLC card with the process input and output signals, news elements are needed: an input connector, which collect the inputs and feed them through cables to the card objects, and an output one. Their physical counter-part are the screw connectors used for coupling an ECB to a machine or process. A common practice in ECB construction is to group signals of the same type in a single connector (for example, onoff signals from end switches, or analog ones from temperature sensors). So, a different connector is built for each type of the cable’s data: bool, integer, time and real. Fig. 9 shows an input connector for bool signals. These connectors can be tailored to each installation, by representing only the physically connected pins and assigning them meaningful names. For example, an input bool connector a three-axis machine would be defined as in Fig. 10. The connection of OOPLC objects with external controllers and computers is made using OPC (Ole for Process Control) technology. OPC servers are provided by the vendors of every major PLC brand in the market.OPC clients can be embedded in most windows-based computer programs, including SCADAs, Worksheets,Data Bases, etc. Nevertheless, OPC : • Only data of elementary type (BOOL, INT, REAL,etc.) can be accessed. • Data must be located in the PLC global memory. • The data transmission rate is transferring multiple and contiguous units of data in one operation instead of exchanging single ones repeatedly, because of the overhead of the fixed frames that the system uses. • Data should be self-explanatory. If the user can get not only the actual values but also a description of them, then automatic presentation programs can be develop to act interactively upon them. To meet these constraints, OOPLC defines five arrays of elementary data types in global memory: VAR_GLOBAL mbool: ARRAY[1..1000,0..9] OF BOOL; mtim: ARRAY[1..1000,0..9] OF TIME; mint: ARRAY[1..1000,0..9] OF INT; mreal: ARRAY[1..1000,0..9] OF REAL; miden: ARRAY[1..1000] OF STRING; END_VAR The first four global arrays correspond to the data types that constitute the conductor element, and are organized by grouping the data in blocks of ten elements, following the cable structure. The fifth array the rest of arrays. Provision made for storing data of 1000 cables, althoughthis number can be adapted to fit the memory space of the target PLC. Memory connectors are used to connect the data of these arrays with the object cards. They purposes. The number must be assigned manually to the connector, which means that a fixed memory layout is needed before building the program. Further research is being carried out to develop a memory manager that can assign automatically memory resources to the cards when they are declared for the first time. As with the external connector, memory connectors can be defined either as input connector, transferring data from the memory to the card inputs for parameters setting, or as an output connector, moving data from the card to the memory for supervision purposes. The actual code and the graphical representation of an input memory connector is shown in Fig. 11. IV. APPLICATION OF THE PROPOSED METHOD TO IMPLEMENT ANEXAMPLE PLC PROGRAM In Fig. 12, a simple program which filters out digital signals with a duration less than a preset time is shown. It filters the signals from the end switches of a three-axis machine, a must in noisy environments. As it can be observed in this figure, specialized connectors are self explanatory. For example, the physical input signal corresponds to the end_switch (name of the connector) of axis number 2 (name of the connector’spin). So, there is no need of working with separate symbol lists that assign a name to every process signal. In this way, the possibilities of mismatches and lack of synchronization after the addition of new signals are greatly reduced. The communication with external computers, for example to set the filter time in a SCADA program, s achieved through the use of the memory connector, which assigns a fixed global memory space to the ten timers of the ton_card, accessible from OPC servers. The example program in Fig. 12 built like the electrical drawing of an ECB, in a graphical way. New,complex modules can be derived in the same way, and they can be reused to develop new programs, in the same way as pre-built IC chips are used to build this paper, a framework for graphically developing PLC control programs, using object oriented techniques, presented, OOPLC. The software objects are built within this framework following the physical model of the components of electrical control cabinets, with features such as modularity, parallelism and communication capabilities, both with the process and with external computers. To derive new objects from existing ones, OO techniques such as encapsulation, polymorphism,inheritance and templates applied. Limited support of the IEC-61131-3 norm of these techniques pointed out, and suggestions for future extensions to implement them presented. OOPLC enables the development of a PLC program in a graphical way, by interconnecting pre-built, fully tested software components, in the same way that modern ECBs are designed and built. A simple example of such a program given in this paper, but this framework also successfully applied for developing complex industrial programs 中文译文 可编程逻辑控制器图形软件的开发 摘要——在计算机编程领域图形语言是标准的。复杂的软件开发靠图形连接预先建立，充分测试和高度专业化的软件组件得到最佳处理，而不是靠编写和调试成千上万行的代码。现代编程环境包含了这些成分的完整库。在可编程逻辑控制器（PLC）领域中，情况并非如此。可编程控制器编程是用图形语言开发的，梯形图（LD）或功能块图（FBD） ，然而标准库是非常有限的，因此，程序员必须开发自己的库，以构建软件对象。本文提出了一种基于两个重要支柱的自动建立复杂软件模块的构架：一方面，使用面向对象的概念进行封装和通用编程，另外一方面，紧随对象的物理模型以建立电气控制柜（ECBs） 。 一、导言 在现代自动化装置的建设中，PLC编程的发展是一个关键点。正因为PLCOpen的开发[1]， “软件在工业自动化发挥了越来越多的作用。有了它， 相关软件的费用增加，甚至这成为整个系统最高的一部分”。老的编程语言对任务有局限性：代码往往令人费解，因为流量控制的能力很有限，并且内部的相互依存使得不能进行任何轻微修改。为了解决这一问题，一个新的准,IEC-61131-3已经确立。它定义了可以用作编程的模块元素，如功能模块，并给OOP带来了一些好处，比如Lewis [2]或John和Tiegelkamp [3]提出的封装。不过，其他主要面向对象的功能，比如继承，通用编程和多态性就不为这个标准所不支持。尽管有这种局限性，Brendel[4] 使用IEC-61131-3功能模块开发了软件组件。由于PLCOpen的作用，Bonfe和Fantuzzi [5] 为生产机器提出了一种面向对象的编程， Vander Wal [6] 为运动控制组件开发了一种完整的面向对象库。面向对象，除了是开发PLC合理结构编程的一种方式外，也有程序注释的优势， Plomp等，或图形化编程，Lewis [8]。 对于选择可以作为构建合理结构的PLC程序模块的软件对象，有许多种方法： •数学方法，运用数学观点形成软件组件的结构及其相互关系。 对于建模离散事件系统，Feldmann [9], Polic和 Jezernik [10]利用Petri网作为工具。 •桥式方法，使用高层次，面向对象的编程语言开发控制程序，并将产生的代码转换到IEC-61131-3功能模块中。Plaza和Medrano [11]使用C语言作为源程序， Heverhagen和Tracht使用统一建模语言（UML）。Jammes和Smith[13]用的是网络服务建模。 •MIM（模型集成机电）将每个对象作为一个完整的单元，集成了电气机械和软件方面的问题。Thramboulidis和Vyatkin研发了这种机电一体化的组成部分。一个互动的“智能机电试验”在[17]. Archimedes [18]中提及, CORFU [19]和OONEIDA[20]是建立在这一概念上的通用框架。 这些方法从开发PLC程序的技术观点来看存在缺点，数学方法往往过于抽象，并且很难跟踪。实时限制与通用语言程序不兼容，如C或Java语言。机电模型往往过于复杂，因为他们要对所有专用设备的行为进行建模。它所需要的是一个允许与构建现代ECBs的程序相同的简单，明确，强有力和灵活的面向对象编程的模式：由布线预先建立，经过全面测试的组成部分。这是一个新的PLC软件开发的面向对象的框架，已经开发并在本文提出。其目标是通过用简单，图形化方式汇集预建立，充分测试软件组件，类似于绘制电气架构。 本文的结构如下：第一部分是导言。第二节描述了主要OOPLC框架的功能，这在第三节中将全面介绍。在第四节中举例了一个程序，用的是上文提出的方法。第五节中阐述结论。 二、OOPLC特征 OOPLC是建立在用来构建ECBs物理成分之上的。正如Farins所指出的那样，每一个想法，必须与本身系统原则相关，不管它看上去如何简单而原始，总会有基于它的不同解决办法。作为物理模型的EBC的选择同样保证，该系统可很容易地被运用它的工作人员所理解。有了OOPLC ，建立一个新的程序只是安装和连接预置，充分测试的软件模块的过程，以图形方式（与绘图电器控制柜图表相同），而不是编写和调试代码行。 用于组装ECBs的基本要素是继电器。这是一个工业自动化装置的关键组成部分。事实上，使用最广泛的PLC编程语言是梯形图，如图1所示，有继电器线圈和接触器。现代继电器已经从原来的机电发展为可以执行复杂的控制任务电子设备，甚至有销售“智能继电器”的小型PLC市场。对所有不同种类的继电器有一些共同的特征： •模块化设计。现代继电器由两部分组成： “base”包含了输入输出导线的连接，并对所有继电器都适用。另一部分是 继电器的“body”，其中包含执行所需功能的内容。不同的body可连接到相同的base，以增加设计和维护ECBs的灵活性。此外，旧的元素在没有修改布线电缆情况下可改为更先进的。 •并行。ECB正在加快构建，使用了继电器，分组卡，电缆而不是单一导线的相互联接。使用标准阵列的连接器可使控制柜快速，无差错装配。 •通信能力。 在现代自动化装置中，ECBs不是独立的组成内容。为了操作装置参数的建立，并监督安装操作，他们必须与外部设备，主要是计算机，进行通信。现代继电器内置通信能力，并能透过标准工业总线通信。市场上有些模块甚至可以充当自主的网络服务器。 为了实现这些功能， OOPLC定义了三个内容：继电器，卡和连接器，这在以后的章节中将详细描述。除了类似于他们的物理特征，OOPLC内容是使用简单，无差错的程序，基于OOP的基础上所建立的： •封装。任何对象都集成了数据和处理方法。外部输入和输出通过接口进行装配。 •继承。新的对象是源于现有的，在此基础上增加新的功能。 •多态性。不同的对象对同样的事件有不同的方式。 •模板编程。使用通用对象和算法可以生成对象的预定义模板，并且进程自动，无差错。 PLC软件开发的现有标准，IEC 61131-3，给这些功能提供了有限的支持： •在功能模块定义提出了接口（包括外部输入，输出，和内部的，隐藏的功能参数）以及身体，（其中包含运行于接口元素的算法）之间的明确区别。每个功能模块只有一个程序可以被定义。 •对多态性有一个有限的支持。仅仅一些标准功能可以进行类型“any”(例如一个SUM 功能，可以添加整数和实数)参数的设定。 •不支持继承或模板编程。 在OOPLC ，这些特征得到执行，并用于建立集成框架的对象。 三、OOPLC内容 A.模块化设计：继电器元件 物理继电器的OOPLC模型有两个组成部分，正如它的物理模型：适于每一个继电器的外部接口，或“base” ，以及用于特定继电器的内部成分，或“body”。 在OOPLC中，Base继电器的元素定义了每一个继电器连接的通用设置。物理继电器用可携带不同类型的（数字，模拟）信号的导线连接，甚至使用时间或频率复用技术进行混合。为了模仿这一行为，定义了一个新的数据类型：如图2所示的导线数据类型，它可以同时传输通用类型的数据单位。 base_relay组件定义了继电器的连接，并且通用于任何一个继电器。有了同样的连接器，从图形互连的角度来看，它们都可以互换。这个元素的定义和图形描述如图3所示。 该base_relay的机构是一个只有一个空行的程序。在OOPLC中，任何其他继电器源于这个继电器，这要通过构成继承机制的三步进程： 1）用新继电器名称复制base_relay组件 2）添加任何必要的内部变量（数据封装） 3）对新继电器的机构进行编程（方法封装） 所有的继电器有一个共通用的接口，这保证了任何新的继电器都源自base_relay，无须更改任何连接可被另一个所取代。图4显示了有连接延迟的时间继电器，是由此算法产生的。它包含一个IEC的标准模块和TON定时器，已连接到OOPLC base_relay内部输入和输出导线。 这种方法有一个主要缺点：对base_relay的任何修改不会自动传到继承继电器，正如一个完整的OOP语言到C++。当有base_relay的任何修改时，手工，容易出错的工作需要修改所有的继电器库。当 IEC- 61131- 3标准纳入了源于继承对象的构造器，就实现了真正的继承，句法类似于图5所示的。 B.并行：卡元件 并行是构建 ECBs的一个通用目标，因为可以在连接元素的任务时节省大量的时间。导线集成于电缆，继电器集成于卡。阵列连接器加快了卡的连接以及外部输入和输出。在OOPLC中，一个新的元素用来代表物理电缆：电缆数据类型，如图6所示。 OOPLC卡是模板元素，拥有10个 base_relays的阵列， 任何OOPLC继电器都可以插入。算法将每个继电器的导线与卡电缆的相应导线连接，如图7所示。 为了用某一类型的继电器得到新卡，比如xx-继电器，需要进行两步进程，这构成了模板机制： 1 ）复制模板卡，并给它一个新名称。 2 ）将“ base_relay ” 改为“ xx_ relay” 。 作为这个进程的例子，图8应用它产生了包含ton_relays的卡。 模板机制可保证任何新卡是无差错的，因为在内部卡的模板程序中不进行任何修改。只有标志“ base_relay”必须替换为有理想继电器的类型（在此情况下是ton_relay ） 。 这种方法还有一个缺点：为了每一种继电器类型需要构建一种新卡。当模板被首次定义时，编程员用真正的OOP语言，如C ++，建立自动新组件。如果IEC标准支持这个功能，新卡Card_1的定义应该是Card_1: template_card; C．通信:连接器元件 OOPLC对象，正如它物理对象，必须能够进行通信： •对方，以执行PLC控制任务。 •控制过程，通过输入和输出信号。 •其他控制设备，主要是计算机，以监督和调整过程参数。 在OOPLC程序中对象之间的相互连接可以用IEC提供的工具以图形形式获得，也可以用诸如STL语言以文字形式得到。 OOPLC使这一进程得到便利，是因为： •所有的卡可以使用相同数据类型的元件，电缆，进行连接。 •由于电缆包含10个导线，图形架构极大地简化了，同样的方式，统一的电气架构极大地简化了电力装置。 •由于每一个对象继承了相同的外部接口，任何特定的卡可以被另一个所取代，而无需修改其连接。 为了连接一个OOPLC卡和过程输入和输出信号，需要新的要素：收集输入，让它们通过电缆连接卡的对象的输入连接器，和输出连接器。他们的物理连接是 将ECB连接到机器或进程的连接器。 一种构建ECB常用的做法是集同一类型的信号到一个单一的连接器（例如，结束开关的开关信号，或温度传感器的模拟量）。因此，不同的连接器建立依照的电缆数据类型也不同：布尔，整数，时间。图9显示了一个布尔信号的输入连接器。 这些连接器可以通过物理连接引脚和为其指定有意义的名称用到每个装置中。例如，输入布尔连接3维机器将在图10中显示。 OOPLC对象和外部控制器及计算机的连接器是用OPC技术所制成。 OPC服务器由由市场上每一个主要PLC的标牌供应商所提供。OPC技术的客户可以嵌入在基于Windows的大多数计算机程序中，包括SCADAs ，工作表，数据库等等。然而，OPC有一些制约因素,必须仔细匹配，以改善数据的传输性能。 •只有基本类型的数据（布尔，中断，等）可通过。 •数据必须设在全局内存中。 •因为系统使用的固定构架的架空，当传输多个连续的数据单元而不是重复改变单个单元时，数据传输速率较高。 •数据应该有注释。如果用户不仅可以得到实际价值，也得到价值描述，那么可以开发自动演示程序。 为了满足这些限制， OOPLC定义了全局内存5种基本数据类型的阵列： VAR_GLOBAL mbool: ARRAY[1..1000,0..9] OF BOOL; mtim: ARRAY[1..1000,0..9] OF TIME; mint: ARRAY[1..1000,0..9] OF INT; mreal: ARRAY[1..1000,0..9] OF REAL; miden: ARRAY[1..1000] OF STRING; END_VAR 对应数据类型的前四个全局阵列构成导线元件，并将10个元件的数据集成块，形成电缆构架。第五个阵列持有包含在其他阵列中的数据的认证名称。规定用于存储1000个电缆的数据，尽管这个数字可以调整以固定PLC的存储空间。 内存连接器用于连接阵列的数据和对象卡。他们有两个输入参数：一个是为了定位阵列元件便于传输的数，另一个是用于外部认定的名称。数必须手动分配给连接器，这意味着在编程之前需要一个固定的内存布局。进一步的研究正在开展，以开发一种内存管理器，当它首次定义时，可以将内存资源自动分配到卡上。 有了外部连接器，内存连接器可以定义为输入连接器，从内存到的卡输入传输数据，以进行参数设置，也可以定义为输出连接器，从卡到内存移动数据，达到监督的目的。输入内存连接器的实际代码和图形描述如图11所示。 四、应用提议的方法执行PLC程序 在图12中，显示了一个在少于预设时间的间隔内过滤数字信号的简单程序。它从三维机器的结束开关过滤信号，这在嘈杂的环境中必须要做。正如在图中看到的，专门的连接器有注释。例如，物理输入信号对应于维数2（连接器引脚的名称）的结束开关（连接器名称）。因此，没有必要研究将每个名字分配各个进程信号的独立象征列表。这样，在新信号的增加后，不匹配的可能性和同步的缺乏大大减少了。 与外部计算机的通信，例如在SCADA程序中设置过滤器的时间，通过使用内存连接器而得到实现，内存连接器分配固定的全局内存空间到ton_card的10定时器，它可从OPC服务器获得。 图12中举例的程序，就像ECB的电气绘图一样，以图形方式得到实现。新的，复杂的模块源于相同的方式，并且他们可重复使用以开发新程序，同样，预建立IC芯片用来建设硬件设备。 五，结论 本文提出了一种利用面向对象技术，图形开发PLC控制程序的框架。依据电气控制柜各组成部分的物理模型，在这一框架内建立了软件对象，与这一进程和外部计算机一起，有着诸如模块，并行和通信能力的特征。 为了从现有对象获取新的对象，面向对象技术，诸如封装，多态，继承和模板已经被应用。IEC- 61131- 3标准的有限支持已被提出，执行今后扩展的建议已经被提出。 通过互联预建立，充分的测试软件组件，OOPLC使用图形表示PLC程序成为可能，以同样的方式，现代ECBs正在设计和构建。一个程序的简单例子已经在本文中给出，但这个框架也已成功地应用于发展中的复杂工业编程中。 致 谢 本文是在刘建华老师的悉心指导下完成的，从论文的选题，方案的制定，工作的实施和论文的撰写都得到了刘老师的许多启发和指点。在设计期间，刘老师对我的设计表示了无微不至的关心，在我设计中遇到的每个问题和难点都得到了耐心、细致的指导和帮助，刘老师丰富的专业知识，精益求精，严谨治学的态度，求实的工作作风都使我受益匪浅。在论文成稿之际，谨向老师表示由衷的感谢和良好的祝愿。同时，感谢我的父母和亲人给予我的无私的关怀和支持。感谢中国矿大所有四年来所有在学习上和生活上关心过我的老师和同学。此外，还要特别感谢与我一组的同学：杨玲，吴江等，当我遇到难题时，我们会共同探讨，一起攻克难关。 最后，感谢各位专家师长在百忙之中审阅和指导。 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作 者 签 名：　　 　 　　日　 期：　　 　 　　 ​​​​​​​​​​​​ 指导教师签名：　　 　 　　 日　　期：　　 　 　　 使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名：　　 　 　　 日　 期：　　 　 　　 ​​​​​​​​​​​​ 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权　　 　 　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 指导教师评阅书 指导教师评价： 一、撰写（设计）过程 1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 二、论文（设计）质量 1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 三、论文（设计）水平 1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 建议成绩：□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 （在所选等级前的□内画“√”） 指导教师： （签名） 单位： （盖章） 年 月 日 评阅教师评阅书 评阅教师评价： 一、论文（设计）质量 1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 二、论文（设计）水平 1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 建议成绩：□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 （在所选等级前的□内画“√”） 评阅教师： （签名） 单位： （盖章） 年 月 日 教研室（或答辩小组）及教学系意见 教研室（或答辩小组）评价： 一、答辩过程 1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 2、对答辩问题的反应、理解、表达情况 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 3、学生答辩过程中的精神状态 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 二、论文（设计）质量 1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 三、论文（设计）水平 1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 评定成绩：□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 （在所选等级前的□内画“√”） 教研室主任（或答辩小组组长）： （签名） 年 月 日 教学系意见： 系主任： （签名） 年 月 日 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行的研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经特别注明引用的内容和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者（本人签名）： 年 月 日 学位论文出版授权书 本人及导师完全同意《中国博士学位论文全文数据库出版章程》、《中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程》(以下简称“章程”)，愿意将本人的学位论文提交“中国学术期刊（光盘版）电子杂志社”在《中国博士学位论文全文数据库》、《中国优秀硕士学位论文全文数据库》中全文发表和以电子、网络形式公开出版，并同意编入CNKI《中国知识资源总库》，在《中国博硕士学位论文评价数据库》中使用和在互联网上传播，同意按“章程”规定享受相关权益。 论文密级： □公开 □保密（___年__月至__年__月）(保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 作者签名：_______ 导师签名：_______ _______年_____月_____日 _______年_____月_____日 独 创 声 明 本人郑重声明：所呈交的毕业设计(论文)，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律后果由本人承担。   作者签名: 二〇一〇年九月二十日   毕业设计（论文）使用授权声明 本人完全了解滨州学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定。 本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计（论文）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。 （保密论文在解密后遵守此规定）   作者签名: 二〇一〇年九月二十日 致 谢 时间飞逝，大学的学习生活很快就要过去，在这四年的学习生活中，收获了很多，而这些成绩的取得是和一直关心帮助我的人分不开的。 首先非常感谢学校开设这个课题，为本人日后从事计算机方面的工作提供了经验，奠定了基础。本次毕业设计大概持续了半年，现在终于到结尾了。本次毕业设计是对我大学四年学习下来最好的检验。经过这次毕业设计，我的能力有了很大的提高，比如操作能力、分析问题的能力、合作精神、严谨的工作作风等方方面面都有很大的进步。这期间凝聚了很多人的心血，在此我表示由衷的感谢。没有他们的帮助，我将无法顺利完成这次设计。 首先，我要特别感谢我的知道郭谦功老师对我的悉心指导，在我的论文书写及设计过程中给了我大量的帮助和指导，为我理清了设计思路和操作方法，并对我所做的课题提出了有效的改进方案。郭谦功老师渊博的知识、严谨的作风和诲人不倦的态度给我留下了深刻的印象。从他身上，我学到了许多能受益终生的东西。再次对周巍老师表示衷心的感谢。 其次，我要感谢大学四年中所有的任课老师和辅导员在学习期间对我的严格要求，感谢他们对我学习上和生活上的帮助，使我了解了许多专业知识和为人的道理，能够在今后的生活道路上有继续奋斗的力量。 另外，我还要感谢大学四年和我一起走过的同学朋友对我的关心与支持，与他们一起学习、生活，让我在大学期间生活的很充实，给我留下了很多难忘的回忆。 最后，我要感谢我的父母对我的关系和理解，如果没有他们在我的学习生涯中的无私奉献和默默支持，我将无法顺利完成今天的学业。 四年的大学生活就快走入尾声，我们的校园生活就要划上句号，心中是无尽的难舍与眷恋。从这里走出，对我的人生来说，将是踏上一个新的征程，要把所学的知识应用到实际工作中去。 回首四年，取得了些许成绩，生活中有快乐也有艰辛。感谢老师四年来对我孜孜不倦的教诲，对我成长的关心和爱护。 学友情深，情同兄妹。四年的风风雨雨，我们一同走过，充满着关爱，给我留下了值得珍藏的最美好的记忆。 在我的十几年求学历程里，离不开父母的鼓励和支持，是他们辛勤的劳作，无私的付出，为我创造良好的学习条件，我才能顺利完成完成学业，感激他们一直以来对我的抚养与培育。 最后，我要特别感谢我的导师赵达睿老师、和研究生助教熊伟丽老师。是他们在我毕业的最后关头给了我们巨大的帮助与鼓励，给了我很多解决问题的思路，在此表示衷心的感激。老师们认真负责的工作态度，严谨的治学精神和深厚的理论水平都使我收益匪浅。他无论在理论上还是在实践中，都给与我很大的帮助，使我得到不少的提高这对于我以后的工作和学习都有一种巨大的帮助，感谢他耐心的辅导。在论文的撰写过程中老师们给予我很大的帮助，帮助解决了不少的难点，使得论文能够及时完成，这里一并表示真诚的感谢。 � EMBED Visio.Drawing.11 ��� � EMBED Visio.Drawing.11 ��� � EMBED Visio.Drawing.11 ��� � EMBED AutoCAD.Drawing.16 ��� 2 _1305478984.unknown _1305630146.vsd � 触摸屏 主 C P U 模 块 数 字 量 输 入 模 块 操作台控制信号 通 信 模 块 数 字 量 输 出 模 块 停止皮带电机 皮带制动器 启动皮带电机 声光报警 附属设备 1#远程扩展模块 数字输入模块 模拟输入模块 数字量输出模块 跑偏开关信号 纵撕开关信号 堆煤开关信号 拉绳开关信号 烟雾传感器 速度传感器 煤位传感器 温度传感器 就地箱报警装置 就地箱状态指示灯 监控系统 _1305651548.vsd � � � CPU模块 通信接口 输 出 模 块 输 入 模 块 接口模块 扩展机架 电源模块 接触器 电磁阀 指示灯 电源 其他设备 其他PLC 计算机 _1305547229.vsd � � 合上电源 I/O和内部继电器零， 所有定时器复位 检查I/O单元的连接 监控定时器复位T0 检查硬件和用户程序存储器 检查合格？ 采样输入信号，刷新I/O数据，更新输出信号 监控定时器复位T1 逐条执行用户程序的指令 程序结束？ 监控定时器复位T1 服务于外设命令 错误标志置位，故障灯亮 故障类型？ N Y Y 故障 报警 N PLC 的 扫 描 周 期 合 电 源 的 起 始 操 作 公 共 操 作 数据I/O操作 执行用户程序操作 处理外设请求操作 _1305554391.vsd � � 开始 检修方式？ 就地方式？ 集控方式 控制块 就地方式 控制块 检修方式 控制块 故障诊断 结束 N N Y Y _1275376644.vsd _1305478956.unknown _1212324117.vsd � 整形放大� 频率/电压变换� 电压/电流变换� 光电传感器 转盘 电压 f v f 电流输出 _1212412412.dwg _1212257006.vsd 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1—输入轴；2—主动齿轮；3—从动齿轮：4—内齿轮； 5—主动摩擦片；6—行星架；7—输出轴；8—从动摩擦片； 9—行星轮；10—太阳轮