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1、 课 程 设 计 学 期：20142015 学年 第一学期 课 程 名 称：综 合 训 练 年 级：2012 级 专 业：机电一体化技术 班 级：学 号:201211061308 学 生 姓 名：周山 院 系：机械工程与电气自动化学院 日 期：2014.11.26 目录 摘 要.1 绪 论.2 皮带运输机 PLC 控制设计.3 1.控制要求的分析设计思路.3 1.2 设计原则.4 1.3 实训目的.5 1.5 分析控制要求.6 1.6PLC 的选型.11 1.7 实训器材.11 2 输入输出分配.12 2.1 I/O 分配.12 2.2 外接线图.13 3 顺序功能图的设计.13 3.1 发分
2、步.13 3.2 动作的确定.14 3.3 转换条件的确定.15 3.4 顺序功能图.17 3.5 步进梯形图.18 3.6 指令表.20 4 系统的试调.22 5 发展前景.22 结束语.24 参考文献.25 摘 要 皮带运输机是一种有牵引件的连续运输设备,主要用在煤炭、冶金、有色金属和水泥等矿山中，车辆的运输成本快速增高。带式输送机越来越显示出它的集约化、自动化、连续化、高速化、简单化、清洁化、环保化、安全化等突出的综合优势。主要用来运送块状、粒状和散状等物料和成件的货物，广泛的应用于工业生产中。传统的皮带运输机调速系统大部分是人工手动或半自动调速的，应用在皮带运输机上的直流电机存在动态性
3、能差、故障率高、维护困难等缺点；本文就是采用 PLC 和变频器相结合的控制技术来提高生产效率的设计。本文针对系统的主令控制器、转速传感器和皮带运输机部分进行了阐述，变频器、可编程控制器、三相异步电机部分进行了设计。实现了转速传感器直接检测到皮带运输机的速度，通过信号传输线路传输到主令控制器中。主令控制器接收转速传感器的数据，按照一定的控制规律做出指示，对变频器进行动作，从而使三相异步电动机的转速发生变化的功能。关键词 PLC 皮带运输机 绪 论 传统的冶炼厂矿石供料控制系统是一种基于继电接触器和人工手动方式的半自动化系统。但随着冶炼厂规模的扩大，对矿石的需求量大大提高，传统的供料系统已无法满足
4、冶炼厂的需要。本文在对传统供料控制系统进行了认真的分析与研究后，结合相关理论和技术，制定出一套由 PLC 为控制核心的皮带传输供料控制系统。为了实现供料系统的稳定运行，处理诸如皮带跑偏、打滑及撕裂等问题，在主电路中用传感器检测故障信号，软件中调用相应传感器检测到的故障信号处理子程序并执行处理。运用皮带运输线进行矿石供料大大提高了工作效率。在PLC 中应用子程序的方式，不仅便于实现多种运行方式，而且大大提高了程序的可维护性和可靠性。经过实验室供料控制系统的仿真，表明了该供料控制系统运行的正确性、实用性。皮带运输机 PLC 控制设计 1.控制要求的分析设计思路 1.1 设计方案 传统的冶炼厂矿石供
5、料控制系统是一种基于继电接触器人工手动方式的半自动化系统。现场环境十分恶劣，对设备损伤较大，使得设备会经常出现一些故障，例如有皮带跑偏、打滑及撕裂等等。供料系统由于处在一个电网中，设备不能同时启动，必须有次序的启动和停止。如果供料系统在运行过程中某单体设备出现故障，则该设备及应按照顺序停止的设备同时停止，并给出故障指示信号供工人们能够准确的找出故障位置并排除故障，以减少供料系统设备维修时间。随着冶炼厂规模的迅速扩大，供料控制系统的作用日益突出，而传统的控制系统已无法满足冶炼厂的需要，因此需要对传统的冶炼厂供料系统进行改造。同时当今世界是一个信息技术高度发展的世界，信息贯穿社会的每个角落，现代化
6、的工厂。建立全自动化的供料系统，不仅可以让工人从恶劣的环境中、繁重的劳动中解放出来。而且可以通过建立控制网络将相距较远的各输煤机架控制器相连，实现信息的相互传递，不仅保证了控制的时实性，可靠性，同时便于未来厂级或车间级的管理。传统供料系统具有以下特点:（1）任务重。为了保证工业用料，供料系统必须始终处于运行状态。（2）运行环境差、劳动强度大。由于各种因素造成供料系统运行环境恶劣、脏污，需要占用大量的辅助劳动力。（3）一次起动设备多，安全联锁要求高。同时起动的设备可高达 4 台以上，在起动或停机过程中有严格的联锁要求。因此，冶炼生产应用自动化已经成为必然要求，其投入产出比显著，且逐渐成为冶炼工业
7、现代化的标志。1.2 设计原则（1）增加了供料系统调整的灵活性。供料系统现场空间条件不完全相同，决定了传输线的结构各异，大多冶炼厂需要专门订制一套适合自己供料线的系统，PLC 系统的设计、安装、调试简单，工作量小。（2）增加了供料系统的可靠性。供料系统所处现场一般条件较恶劣。PLC 用软件替代大量的继电接触器，外部仅剩下与输入和输出有关的少数硬件元件，且PLC 采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，因此可用于供料这种有强烈干扰的工业生产现场。（3）减少了供料系统的经济开支。供料系统选用 PLC 作为控制系统的核心可以节省大量的费用。因为复杂控制系统使用 PLC 后，可以减少大
8、量的继电接触器，故配线少了很多且开关柜体积的缩小都可以节省下大量费用。1.3 实训目的 1熟悉步进顺控指令的编程方法；2掌握选择性流程程序的编制；3掌握皮带运输机的程序设计及其外部接线。1.4 控制要求 设计一个用 PLC 控制的皮带运输机的控制系统。其控制要求如下：在建材、化工、机械、冶金、矿山等工业生产中广泛使用皮带运输系统运送原料或物品。供料由电阀 DT 控制，电动机 M1、M2、M3、M4 分别用于驱动皮带运输线 PD1、PD2、PD3、PD4。储料仓设有空仓和满仓信号，其动作示意简图如图7.1 所示，其具体要求如下：1正常起动，仓空或按自动起动按钮时的起动顺序为 M1、DT、M2、M
9、3、M4，间隔时间 5s；2正常停止，为使皮带上不留物料，要求顺物料流动方向按一定时间间隔顺序停止，即正常停止顺序为 DT、M1、M2、M3、M4，间隔时间 5s；3故障后的起动，为避免前段皮带上造成物料堆积，要求按物料流动相反方向按一定时间间隔顺序起动，即故障后的起动顺序为 M4、M3、M2、M1、DT，间隔时间 10s；4紧急停止，当出现意外时，按下紧急停止按钮，则停止所有电动机和电磁阀；5具有点动功能。1.5 分析控制要求 题目中要求电动机分为正常启动 故障启动和正常停止三部分组成。正常启动由初始脉冲作为起始布转化条件，根据正常启动电磁阀与电动机的启动顺序 DT M1 M2 M3 M4
10、来划分步，由于间隔时间为5S 中间要用到时间继电器，正常启动时要有启动按钮同时还要给一个空仓信号，到车厢满了时要有一个满仓信号。故障启动首先要有一个故障启动按钮，然后根据M4 M3 M2 M1 DT的启动顺序划分步，每一步之间要有一个定时器 同样当车厢满了时要给一个满仓信号。正常启动和故障启动电动机和电磁阀都要用到SET 指令，因为在正常停止时要让电动机和电磁阀复位刚好对应用RST 指令，正常停止根据停止顺序 DT M1 M2 M3 M4 来划分步，每一步都用到 RST 指令使电动机与电磁阀信号置 0 为 OFF 停止指令完成后回到起始步 S0 矿石供料系统是冶炼厂的重要组成部分，其作用就是从
11、：（1）增加了供料系统调整的灵活性。供料系统现场空间条件不完全相同，决定了传输线的结构各异，大多冶炼厂需要专门订制一套适合自己供料线的系统，PLC 系统的设计、安装、调试简单，工作量小。（2）增加了供料系统的可靠性。供料系统所处现场一般条件较恶劣。PLC 用软件替代大量的继电接触器，外部仅剩下与输入和输出有关的少数硬件元件，且PLC 采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，因此可用于供料这种有强烈干扰的工业生产现场。（3）减少了供料系统的经济开支。供料系统选用 PLC 作为控制系统的核心可以节省大量的费用。因为复杂控制系统使用 PLC 后，可以减少大量的继电接触器，故配线少了很
12、多且开关柜体积的缩小都可以节省下大量费用。矿石供料系统的组成 供料控制系统一般由 PLC、电气执行机构和上位机组成。电气执行机构负责控制的具体实施，它从 PLC 接收控制命令，然后相关的接触器接点闭合或断开，电路导通，设备获得动力继而进行动作。如果单体设备故障，操作人员可以通过控制面板来进行紧急停车，也可对设备进行手动停车操作。PLC 是实现自动控制的核心，所有自动控制内容都通过对它的编程实现。矿石供料系统的控制与其它车间略有不同，它的设备较多且重复，通过对 PLC 的编程来实现诸多设备的控制使得电气接线简单许多，这是供料控制系统发展的一种趋势。本设计冶炼厂供料系统部分由 4 台皮带机、1 台
13、给料器、1 台粉碎机、1 台筛选机等，来完成给料、粉碎、筛选、冶炼炉的工艺流程。为了保证供料系统的可靠性，即不能间断输料，实际的供料系统采用每一机架两条皮带运输矿石（见图 2.1），当其中一条皮带运输机出现问题时，另一台 运输机接替运行工作；或者由于运行时间条件或电动机过热条件，两运输机轮流运行工作，但在这里只研究其简单运行方式暂不考虑复杂方式。1.5.1 供料系统工艺流程 当检查好各设备正常情况后，按下启动按钮。供料器开始向一皮带供料，一皮带把矿石输送到粉碎机，粉碎机把矿石料粉碎后经二皮带输送到筛选机，之后筛选机开始工作（筛选机内含有称重传感器），当矿石重量比设定值大时，其控制翻板的电动机正
14、转，将大块的矿石通过三皮带送回粉碎机重新加工粉碎，然后控制翻板的电动机反转复位，规格符合要求的矿料直接通过四皮带输送到冶炼炉。当某设备需要临时检修时按下手动停止按钮，该设备之前的设备按顺序停止后该设备停止。又当某设备出现意外紧急停车时，按下手动紧急停止按钮，此单体设备及其之前的设备同时紧急停止，并发出报警信号。在中控室设置组态监控系统，其主要功能是负责和现场的 PLC 通信，实时监测整个系统的运行情况，并记录数据以供分析。1.5.2 系统控制方案的确定 所谓供料系统的正常运行过程，就是指矿石通过给料器经皮带机、粉碎机及筛选机将矿石粉碎为标准规格，继而运输到冶炼炉的过程。现将矿石供料系统的基本工
15、艺结构。矿石供料系统分为：执行机构、信号检测机构、控制机构三大部分，具体为：(l)执行机构：执行机构是由一组皮带机、给料器、粉碎机、筛选机组成，它们用于将矿料输送到冶炼炉，由多台电机组成，电机只运行于启、停，两种工作状态。(2)信号检测机构：在系统控制过程中，需要检测的信号包括电机过流、过载信号、皮带机跑偏、打滑、断裂信号和矿料质量检测信号。矿料质量检测信号反映的是矿料一次性是否粉碎合格的信号，它是供料控制的主要反馈信号。另外，报警信号反映系统是否正常运行：电机是否过流、皮带是否正常。(3)控制机构：供料控制系统一般安装在供料控制柜中，包括供料控制器(PLC 系统)和电控设备两个部分。供料控制
16、器是整个供料控制系统的核心。供料控制器直接对系统中的启动、停止、报警信号进行采集，对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过接触器对执行机构进行控制。根据本供料系统的结构，考虑到自动控制方式的先进性，稳定性，可靠性和连续不停运行的特点，提出如下自控方案:(1)为该供料系统配置一台 PLC，分别控制这个系统在正常输料状态和出现意外状态下的运行。(2)为该 PLC 编制运行程序，以保证每个单体设备按生产工艺的要求自动运行。(3)选取相关传感器与 PLC 连接，实时监测各设备是否正常运行。当出现意外情况时，通过传感器发出的信号与 PLC 共同使设备按顺序
17、停车。(4)每个单体设备均可在 2 种状态下进行：1、由 PLC 控制正常运行 2、出现意外时手动停车。(5)供料系统的控制操作和组态监控:使用一台 PC 机作为上位机，配有专为用户开发的监控软件。用户可以在 PC 机上控制供料系统以及监测系统的运行情况。矿石供料系统控制流程 矿石供料系统控制流程如下:(l)系统通电，当按下自动顺序启动按钮后，首先启动冶炼炉，当达到 PLC定时器所设置的延时时间时，四皮带开始工作，这期间冶炼炉一直处于运行状态，同理下去，直至给料器上电工作，到此整个系统启动完成。(2)给料器将矿料输出，后续设备依次负载运行，各检测器件将检测信号传送到 PLC，由其进行逻辑运算并
18、通过输出口输出对设备的执行信号。(3)系统处于自动运行状态时，若传感器检测到的信号超出安全设定值时，系统会发出报警信号并依次停车。如：给料器发生故障，直接停止给料器；粉碎机故障，停止给料器、一皮带、粉碎机；二皮带故障，停止给料器、一皮带、粉碎机、二皮带，其后类推。(4)系统处于手动状态时，若某设备发生意外情况，手动停车并将该设备的允许信号置 0，此单体设备之前应该停止的设备同时停止。1.6PLC 的选型 PLC 是整个供料控制系统的核心，它要完成对系统中所有输入信号的采集、所有输出单元的控制以及对外的数据交换。因此我们在选择 PLC 时，要考虑 PLC的指令执行速度、指令丰富程度、内存空间、通
19、讯接口及协议、带扩展模块的能力和编程软件的方便与否等多方面因素。三菱 FX2N、FX0N 可编程序控制器的功能比较强大，可分为基本指令、步进梯形指令、应用指令。该可编程序控制器是由电源+CPU输入输出+程序存储器（RAM）的单元型可编程序控制器。其主机称为基本单元，为主机备有可扩展其输入输出点的“扩展单元（电源+I/O）”和“扩展模块（I/O）”，此外，还可连接扩展设备,用于特殊控制。由于本设计矿石供料自动控制系统控制设备相对较少，因此选用三菱 FX2N 的结构紧凑，价格低廉，可靠性高，可扩展性好，具有丰富的通信指令。1.7 实训器材 1可编程控制器1 台(FX2N-48MR)；2皮带运输机模
20、拟显示模块1 块(带指示灯、接线端口及按钮等)；3实训控制台1 个；4电工常用工具1 套；5手持式编程器或计算机1 台；6连接导线若干。2 输入输出分配 2.1 I/O 分配 输入 输出 启动 X0 DT Y0 急停 X1 M1 Y1 满仓信号 X2 M2 Y2 空仓信号 X3 M3 Y3 故障启动 X4 M4 Y4 2.2 外接线图 3 顺序功能图的设计 3.1 发分步 划分步 （1）将整个工作过程按工序分解 正常启动 初始状态 S0 M1 启动 S20 DT 启动 S21 M2 启动 S22 M3 启动 S23 M4 启动 S24 故障启动 M4 启动 S25 M3 启动 S26 M2 启
21、动 S27 M1 启动 S28 DT 启动 S29 正常停止 DT 停止 S30 M1 停止 S31 M2 停止 S32 M3 停止 S33 M4 停止 S34 3.2 动作的确定(2)对应每一步的动作 正常启动 S0 S20 Y1 为 ON M1 转动 S21 Y0 为 ON DT 转动 S22 Y2 为 ON M2 转动 S23 Y3 为 ON M3 转动 S24 Y4 为 ON M4 转动 故障启动 S25 Y4 为 ON M4 转动 S26 Y3 为 ON M3 转动 S27 Y2 为 ON M2 转动 S28 Y1 为 ON M1 转动 S29 Y0 为 ON DT 转动 正常停止
22、S30 Y0 为 OFF DT 停止 S31 Y1 为 OFF M1 停止 S32 Y2 为 OFF M2 停止 S33 Y3 为 OFF M3 停止 S34 Y4 为 OFF M4 停止 3.3 转换条件的确定 S0 PLC 上电之初由初始脉冲 M8000 与开关 P0 S20 X12 给空仓信号 S21 T0 的常开触点 S22 T1 的常开触点 S23 T2 的常开触点 S24 T3 的常开触点 S25 X13 给故障信号 S26 T5 的常开触点 S27 T6 的常开触点 S28 T7 的常开触点 S29 T8 的常开触点 S30 X11 给满仓信号同时 X2 给正常停止信号 S31
23、T10 的常开触点 S32 T11 的常开触点 S33 T12 的常开触点 S34 T13 的常开触点 S0 T14 的常开触点 3.4 顺序功能图 3.5 步进梯形图 3.6 指令表 4 系统的试调 1 输入程序，按前面介绍的程序输入方法，用手持式编程器(或计算机)正确输入程序。2静态调试，按图 7.3 所示的系统接线图正确连接好输入设备，进行 PLC 的模拟静态调试，并通过手持式编程器(或计算机)监视，观察其是否与控制要求一致，否则，检查并修改、调试程序，直至指示正确。3动态调试，按图 7.3 所示的系统接线图正确连接好输出设备，进行系统的动态调试，先调试手动程序，后调试自动程序，观察指示
24、灯能否按控制要求动作，并通过手持式编程器(或计算机)监视，观察其是否与控制要求一致，否则，检查线路或修改程序，直至指示灯能按控制要求动作。5 发展前景 随着石油、劳动力、环保及各种费用的快速上涨，在煤炭、冶金、有色金属和水泥等矿山中，车辆的运输成本快速增高。带式输送机越来越显示出它的集约化、自动化、连续化、高速化、简单化、清洁化、环保化、安全化等突出的综合优势。近年来，比较大型的正规矿山，物料输送基本都采用了带式输送机。随着液压自动涨紧技术、转弯技术、胶带防跑偏技术、监控技术，尤其是变频技术在带式输送机的应用，长距离、大运量、高速度带式输送机的可靠性、安全性都得到了大幅度提高，转弯多，上运和下
25、运，胶带的翻转等关键技术都得到了很好的解决。国内近年来新安装运行数千米长的带式输送机已经很多，例如江苏句容台泥水泥有限公司矿山的带式输送机，总长 15.83km，带速 4.37 米/秒，1997 年开始运行至今，状况良好。进一步减小矿山长距离带式输送机的投资和运营成本，是需要继续探讨和研究的一个课题。我国加入 WTO 以后，带式输送机技术的引进吸收很快，已经基本与国外看齐，设计和实际应用技术已经日趋成熟。但是，带式输送机设计的配置功率都比较大。随着配置功率的增大，胶带、减速机、头架、尾架、托辊支架、变频装置等所有的相关部件和电器元件都需要增加强度和容量，就造成了投资成本的大幅度增加；运营时电力
26、的浪费、胶带的磨损、噪音的污染、维修的人力和物力耗费以及不可预测的故障停机等费用更高。这两种现象是一种“看不见的战线”，“偷走了”带式输送机大量的投资和运营费用，并且严重制约着整机性能参数和技术水平的提高。为了地球的绿色环保，为了企业的节能增效，为了行业的技术进步，为了社会的和谐安定，让我们一起转变旧的观念，开创新的科技，完成新的使命，将带式输送机的技术性能推向新的世纪。结束语 本论文设计的是一套基于PLC 的冶炼厂矿石供料系统，该设计主要是针对矿石供料系统正常情况下系统启动和停止环节的顺序控制方案的解决。当系统接收到顺序启动信号时，由于设备处于同一个电网中及工艺过程的实际需要，先启动冶炼炉然
27、后依次启动直至给料器启动完毕时整个启动过程完毕。顺序停止过程也类似，先停止给料器最后停止冶炼炉 当某单体设备需要临时检修时，系统将跳入执行手动停止子程序，在此手动停止子程序中，为了避免堆料现象发生应先停止该单体设备之前应顺序停止的设备然后再停止此设备。又当某单体设备处出现紧急意外情况时，系统将跳入执行紧急停止子程序，因为是紧急停止，所以在此紧急停止子程序中，就不像手动停止那样依次停止设备后再停止该设备，而是该设备及其之前应按顺序停止的设备同时停止，这样实现了最短时间内停止的问题，减小意外发生的程度。且意外发生按下紧急停止时，有相应的输出端口输出信号来启动报警指示灯，这样达到了报警的控制效果。毕
28、业设计作为本阶段的一个最重要的理论和实际相结合的学习过程，是检测自己对本专业知识及技能理解与掌握的综合汇总。设计中我发现自己学习还有欠缺，知识面有待提高，实际应用能力有待提高。在以后的工作和生活中，我会不断的完善自己，争取获得更好的成绩。参考文献 1 王炳实.机床电气控制.北京：机械工业出版社，2008 2 方程远.工厂电气控制.北京：机械工业出版社，2005 3 黄云龙.可编程控制教程.北京：科学出版社，2003 4 张进秋.可编程控制器原理与应用实例.北京：机械工业出版社，2004 5 廖常初.FX 系列 PLC 编程及应用.北京;机械工业出版社，2006 6 谢伟红等.可编程控制原理及应用.北京:中国电力出版社 2006 7 孙振强.可编程控制原理及应用教程.北京:清华大学出版社,2005 （注：专业文档是经验性极强的领域，无法思考和涵盖全面，素材和资料部分来自网络，供参考。可复制、编制，期待你的好评与关注）