基于PLC的选煤传送带系统设计

重庆大学网络教育学院毕 业 设 计 （ 论 文 ）题目 基于 PLC控制的选煤传送带系统的设计 学生所在校外学习中心 四川 乐 山校外学 习 中心 批次 层次 专业 092专 升本 电 气工程及其自 动 化 学 号 W09200577 学 生 黎 先 指 导 教 师 刘 强 起 止 日 期 2011-9-1至 2011-11-30 基于 PLC 控制的选煤传送带系统的设计【摘要】 介绍了选煤厂选煤工业自动化控制系统，包括系统原理的设计、硬件组成、软件组成以及系统通信。采用监控软件组成上位机自动化监控系统，实现了对各个设备的运行情况的监视，实时显示各种工艺参数，并对整个系统实施远程控制。通过西门子编程软件 SETP7 实现 PLC 的各种罗技控制功能和各种设备的软件保护。采用该系统的设计将会大大提高生产效率和自动化程度。【关键词】 PLC，自动控制，监控系统，选煤控制 Based on the plc control of thecoal conveyor system design【Abstract】 Introduced coal dressing plant the coal industry, including the automatic control system design principles of the system of software, hardware, system of monitoring and communication.The use of machines automate the software upper monitoring system and realized for all the equipment of the operation of the real-time monitoring, displaying all kinds of technology and the whole system is implemented by remote control. Siemens setp7 plc programmable software for the various control function of equipment and software protection. This system design would greatly improve productivity and automation.【Key Words】 PLC，automatic control，Monitoring system，Control the choose of the coal， 目 录1 绪 论 .11.1 可编程控制器概论 .11.2 可编程控制器的特点 .11.3 可编程控制器的现状 .11.4 可编程控制器的发展趋势 .22 可编程控制器的结构及原理 .32.1 可编程控制器的基本组成及原理 .32.2 可编程控制器的工作原理 .43 PLC 控制系统的选煤传送带系统的设计与实现 .63.1 设计目的和设计要求 .63.2 设计思路 .63.3 实现的语言 .63.4 实现的算法 .74 结论 .10参考文献 .11致 谢 .121 绪 论1.1 可编程控制器概论可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，都按易于与工业系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计1.2 可编程控制器 的特点PLC 的主要特点是：可靠性高，抗干扰能力强 PLC 是专为工业环境设计的，其可靠性高，抗干扰能力强，其平均故障间隔时间可达 5 年以上，主要体现在：对元器件进行严格筛选和老化，I/O 接口电路采用光电隔离；结构上考虑耐热、防潮、防尘和抗震的要求；硬件上采用隔离、屏蔽、滤波和接地等措施；软件上采用数字滤波等抗干扰和故障诊断措施；工作方式采用循环扫描方式；PLC 除基本逻辑处理功能外，配合特殊的功能模块可用于数字控制领域，并可实现与上位机的通讯。程序输入和更改方便；多种程序设计语言可供使用；自诊断功能使维修方便；灵活性和可扩展性强。1.3 可编程控制器的现状PLC 产品可按地域分成三大流派：美国产品：代表性厂商有 A-B 公司、通用电气（GE）公司、莫迪康（MODICON）公司、德州仪器（TI）公司、西屋公司等。其中 A-B 公司是美国最大的 PLC 制造商，其产品约占美国 PLC 市场的一半。 欧洲产品：代表性厂商有德国的西门子（SIEMENS）公司、AEG 公司、法国的 TE公司是欧洲著名的 PLC 制造商。德国的西门子的电子产品以性能精良而久负盛名。在中、大型 PLC 产品领域与美国的 A-B 公司齐名。 日本产品：日本的小型 PLC 最具特色，在小型机领域中颇具盛名，某些用欧美的中型机或大型机才能实现的控制，日本的小型机就可以解决。在开发较复杂的控制系统方面明显优于欧美的小型机，所以格外受用户欢迎。日本有许多 PLC 制造商，如三菱、欧姆龙、松下、富士、日立、东芝等，在世界小型 PLC 市场上，日本产品约占有 70的份额。 我国 PLC 产品: 我国有许多厂家、科研院所从事 PLC 的研制与开发，如中国科学院自动化研究所的 PLC-0088，北京联想计算机集团公司的 GK-40，上海机床电器厂的 CKY-40，上海起重电器厂的 CF-40MR/ER，苏州电子计算机厂的 YZ-PC-001A，原机电部北京机械工业自动化研究所的 MPC-00l/20、KB-20/40，杭州机床电器厂的DKK02，天津中环自动化仪表公司的 DJK-S-84/86/480，上海自立电子设备厂的 KKI系列，上海香岛机电制造有限公司的 ACMY-S80、ACMY-S256，无锡华光电子工业有限公司（合资）的 SR-10、SR-20/21 等。1.4 可编程控制器的发展趋势目前，PLC 技术正在不断地向综合性的工业控制发展。随着科学技术的迅速发展，未来 PLC 将朝两极化、多功能、智能化和网络化的模式方向发展。 向高速度、大容量方向发展 向超大型、超小型两个方向发展 PLC 大力开发智能模块，加强联网通信能力 增强外部故障的检测与处理能力 编程语言多样化2 可编程控制器的结构及原理2.1 可编程控制器的基本组成及原理可编程控制器的结构多种多样，但其组成的一般原理基本相同，都是以微处理器为核心的结构，其功能的实现不仅基于硬件的作用，更要靠软件的支持，实际上可编程控制器就是一种新型的工业控制计算机。其结构如下图 2.1。2.1.1 CPU 运算和控制中心 当从编程器输入的程序存入到用户程序存储器中，然后 CPU 根据系统所赋予的功能（系统程序存储器的解释编译程序） ，把用户程序翻译成 PLC 内部所认可的用户编译程序。输入状态和输入信息从输入接口输进，CPU 将之存入工作数据存储器中或输入映象寄存器。然后由 CPU 把数据和程序有机地结合在一起。把结果存入输出映象寄存器或工作数据存储器中，然后输出到输出接口、控制外部驱动器。组成：CPU 由控制器、运算器和寄存器组成。这些电路集成在一个芯片上。CPU 通过地址总线、数据总线与 I/O 接口电路相连接。2.1.2 存储器具有记忆功能的半导体电路。分为系统程序存储器和用户存储器。系统程序存储器用以存放系统程序，包括管理程序，监控程序以及对用户程序做编译处理的解释编译程序。由只读存储器、ROM 组成。厂家使用的，内容不可更改，断电不消失。用户存储器：分为用户程序存储区和工作数据存储区。由随机存取存储器（RAM）组成。用户使用的。断电内容消失。常用高效的锂电池作为后备电源，寿命一般为 35 年。2.1.3 输入/输出接口输入接口：光电耦合器由两个发光二极度管和光电三极管组成。发光二级管：在光电耦合器的输入端加上变化的电信号，发光二极管就产生与输入信号变化规律相同的光信号。光电三级管：在光信号的照射下导通，导通程度与光信号的强弱有关。在光电耦合器的线性工作区内，输出信号与输入信号有线性关系。输入接口电路工作过程：当开关合上，二极管发光，然后三极管在光的照射下导通，向内部电路输入信号。当开关断开，二极管不发光，三极管不导通。向内部电路输入信号。也就是通过输入接口电路把外部的开关信号转化成 PLC 内部所能接受的数字信号。输出接口：PLC 的继电器输出接口电路工作过程：当内部电路输出数字信号 1，有电流流过，继电器线圈有电流，然后常开触点闭合，提供负载导通的电流和电压。当内部电路输出数字信号 0，则没有电流流过，继电器线圈没有电流，然后常开触点断开，断开负载的电流或电压。也就是通过输出接口电路把内部的数字电路化成一种信号使负载动作或不动作。2.1.4 编程器编程器分为两种，一种是手持编程器，方便。我们实验室使用的就是手持编程器。二种是通过 PLC 的 RS232 口。与计算机相连。然后敲击键盘。通过 NSTP-GR软件（或 WINDOWS 下软件）向 PLC 内部输入程序。2.2 可编程控制器的工作原理当 PLC 投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC 的 CPU 以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。2.2.1 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 映象区中的相应得单元内。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。2.2.2 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。即，在用户程序执行过程中，只有输入点在 I/O 映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在 I/O 映象区或系统 RAM 存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。2.2.3 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 的真正输出同样的若干条梯形图，其排列次序不同，执行的结果也不同。另外，采用扫描用户程序的运行结果与继电器控制装置的硬逻辑并行运行的结果有所区别。当然，如果扫描周期所占用的时间对整个运行来说可以忽略，那么二者之间就没有什么区别了。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。图 2.1 可编程控制器的组成3 PLC 控制系统的选煤传送带系统的设计与实现3.1 设计目的和设计要求（1） 煤块从煤仓出来经过 1#输送带送到振动筛；（2） 在经过振动筛筛选后小的煤块漏到 4#输送带送进洗煤厂，大的煤块则经过 3#输送带运送到粉碎机；（3） 经过粉碎机粉碎后在经过 2#输送带到达 4#输送带，再输送到洗煤厂；（4） 粉碎机由三个限位开关监管，若煤块过多，则将信号传给由 PLC 控制的变频器；（5） 变频器调节 1#输送带的给煤速度；（6） 启动有手动和自动两种，自动可自动完成输送任务；手动可单独运行单一电机，达到维修目的。3.2 设计思路针对上述的设计要求，主要考虑选煤传送带的逻辑顺序，即原煤由传送带出来后首先送入振动筛，经过振动筛的筛选，一部分直接通过 4#输送带进入洗煤厂；另一部分通过 3#输送带进入粉碎机进行粉碎，粉碎后再通过 2#输送带和之前筛选合格的煤在 4#输送带汇合然后进入洗煤厂。而粉碎机的控制部分需要输出信号进入 PLC控制系统。粉碎机的监控系统事先设计三种不同的信号输出接入 PLC 控制系统，而 PLC控制系统再直接控制 1#输送带的输送速度以完成整个选煤传送带的合理程序。当粉碎机中的煤达到设定值 A 时，接通第一个开关信号 a，当达到 B 时接通 a 和 b 信号，当达到 C 时接通 abc 三个信号(CBA) 。而通过 PLC 接收到的 3 种信号即：a、ab、abc、反馈三种不同的输送速度至 1#传送带达到变频调节，不至于让粉煤机超负荷工作的目的。由 PLC 分别控制输送带、粉碎机以进行自动和手动功能的切换，达到在特殊环境下工作的要求。设计梯形图如图 3.2。3.3 实现的语言不同厂家的 PLC 的编程语言各不同，但从总体形势上，可分为两大类：梯形图语言和语句表语言。本文采用梯形图语言3.3.1 梯形图语言梯形图语言采用的图形与实际继电接触器控制系统的梯形图（控制线路图）相似，具有很强的直观性和形象感。在 PLC 梯形图中，内部存储器单元也形象的称为原件，但这是一个软原件。实际上，一个原件的线圈或触点是内部存储器单元中的一位来储存其状态。储存至为“-1”，表示该元器件的线圈处于通电状态，原件的常开触点闭合，常闭触点断开。由于内部存储单元中的内容可被无限次调用（读取） ，因此在 PLC 中“线圈元件”的“触点个数”从理论上讲有无穷多个。由此可见，PLC 梯形图表示的逻辑控制，实际上是采用程序软件取代实际硬件的控制。PLC 梯形图中元件和连接线中实际并没有电流流过，编写程序时必须清楚这一点，它仅代表“线圈元件”与各“触点”间的逻辑关系。PLC 梯形图表示的元件种类主要有：继电器、定时/计数器以及其他功能元件。继电器元件最为简单，只有线圈和触点。定时/计数器元件除了线圈和触点外，还需要表示定时/计数值的参数，这时图形相当于汇编语言中的操作码，参数相当于操作数。PLC 梯形图中的其他功能（中端、跳转、子程序调用和返回，I/O 映像更新等） ，有的 PLC 还有高级指令功能。一般而言，功能元件（或称为功能指令）在 PLC 梯形图中也是用线圈符号加参数或带有参数的功能块来表示。有的 PLC 的一条功能指令可能用多个线圈表示，其中只有一个执行线圈，其他的都是参数设定线圈。3.4 实现的算法PLC 中无非就是三大量：开关量、模拟量（图 3.1） 、脉冲量。搞清楚三者之间的关系，就可为以上梯形图编写算法。3.4.1 开关量也称为逻辑量，指仅有两个取值，0 或 1、ON 或 OFF。它是最常用的控制，对它进行控制是 PLC 的优势，也是 PLC 最基本的应用。开关量控制的目的是，根据开关量的当前输入组合与历史的输入顺序，使 PLC产生相应的开关量输出，以使系统能按一定的顺序工作。所以，有时也称其为顺序控制。而顺序控制又分为手动、半自动或自动。而采用的控制原则有分散、集中与混合控制三种。3.4.2 模拟量是指一些连续变化的物理量，如电压、电流、压力、速度、流量等。PLC 是由继电控制引入微处理技术后发展而来的，可方便及可靠的用于开关量控制。由于模拟量可转换成数字量，数字量只是多位的开关量，固经转换后的模拟量，PLC 也完全可以可靠的进行处理控制。由于连续的生产过程常有模拟量，所以模拟量控制有时也叫做过程控制。模拟量多是非电量，而 PLC 只能处理数字量、电量。所有要实现它们之间的转换要有传感器，把模拟量转换成数电量。如果这一电量不是标准的，还要经过变送器，把非标准的电量变成标准的电信号，如 4-20mA、1-5V 等等。同时还要有模拟量输入单元（A/D） ，把这些标准的电信号变换成数字信号；模拟量输出单元（D/A） ，以把 PLC 处理后的数字量变换成模拟量标准的电信号。所以标准电信号、数字量之间的转换就要用到各种运算。这就需要搞清楚模拟量单元的分辨率以及标准的电信号。3.4.3 脉冲量是其取值总是不断在 0（低电平）和 1（高电平）之间交替变化的数字量。每秒钟脉冲交替变化的次数称为频率。PLC 脉冲量的控制目的主要是在位置控制、运动控制、轨迹控制等。在实际的算法编程过程中，可能用到的信号主要有速度信号、压力信号、流量信号，以及一些开关量。通过这些信号实现对传送带级粉碎机进行控制，从而达到设计目的。图 3.1 模拟量输入/输出接口原煤1#输送带振动筛4#输送带3#输送带2#输送带洗煤厂粉碎机图 3.2 PLC 选煤传送带控制系统梯形图4 结论总结本文的主要工作有以下几点：4.1 根据设计要求的及设计方法，基于 PLC 控制的选煤传送带系统主要由主操作系统、PLC 控制系统、变频调速系统等组成。4.2 系统的控制是通过操作系