hzs75型混凝土搅拌站的电气控制及电路分析

HZS75 型混凝土搅拌站的电气控制及电路分析 摘要：介绍 HZS75 型混凝土搅拌站自动化控制系统，此系统以工控机为上位、 配料控制器为下位机，基于操作平台，提供一种实用的混凝土搅拌站自动化控 制系统方案。论文主要对 HZS75 型混凝土搅拌机的电气控制元件及电路图进行 分析以及具体的操作流程。 关键词：自动化 电气控制元件 电路图 配料控制器 随着城市现代化建设及其大型水利等工程的不断发展，以往那种由工地自 行生产混凝土的方式由于其质量难以保证、噪声及粉尘污染大，因而必将为自 动控制的混凝土搅拌站所取代。HZS75 型混凝土搅拌站系统是一套用于生产混 凝土的自动化电子配料、控制装置，它由工控机、操作台基于 PLY1000 配料控 制器三部分组成，能够按照给定的配方，自动地控制各部分物料称量、投料、 搅拌和出料。其电气控制是搅拌站的重要的组成部分，下面就对电气元件和电 路进行分析。 一、 电气基本常识 与基本的电气传动系统一致，混凝土搅拌站的电气传动系统由： 电源部分 控制部分 执行电气元件部分 等构件 1、电源部件：主要是由电源开关及电源保护装置构成，它的任务是完成供 电能量的馈送、切断及对电源和用电设备进行保护等。电源部分涉及到供电开 关、空气开关、熔断器、漏电保护器等低压电器。 2、控制部分：是整个电气传动系统的中心，在它的控制指挥下，电动执行 元件才能按照人们的要求去完成各种复杂的动作。在 HZS75 系统中电气控制主 要由 PLY1000 配料控制器（微机控制系统）来实现。 3、执行电气元件：是电源部分和控制部分的最终服务对象，如：电机、电 磁阀及其它的执行电器。 （一） 常用低压电器概述 低压电器是指在交流 50HZ 额定电压交流 1200 以下或直流 1500 以下的电路 中起通断、保护、控制调节作用的电源。按照低压电器在在电气线路中的职能 和用途，一般分为以下几类： 1、低压配电电器：主要用于低压供电系统。这类低压电器有刀开关、自动 开关、隔离开关、转换开关以及熔断器等 2、低压主令电器：主要用于发送控制指令的电源。这类电器有按钮、主令 开关、行程开关和万能转换开关等。这类电器的主要技术要求是操作频率要高， 抗冲击，机械和电器寿命要长。 3、低压控制电器：主要用于电气控制系统。这类低压电器有接触器、继电 器等。对这类电器的主要技术要求是有一定的通断能力、操作频率要高，电器 和机械寿命要长。 4、低压保护电器：主要用于对电路和电器设备进行安全保护的电器。这类 电器有热继电器、安全继电器、电流继电器、电压继电器和避雷器等。 低压执行电器：主要用于执行某种动作和传动功能。 在这里先介绍常用的电气元件及其文字和基本图形符号 按钮 是一种专门发号施令的电器，用来接通或断开控制回路中的电流。 其代号 SB SB SB 启动按钮 停止按钮 万能转换开关 是由多组相同结构的触头叠装而成的多回路控制电器， 它能转换多种和多数量的线路 行程开关（线位开关）是用以反应工作机械的行程，接通或断开控制电 路，发出信号以控制机械运动方向和行程大小的开关。其行程开关的文字符号 为：SQ SQ SQ 常闭开关 常开开关 无触点行程开关（接近开关） 其功能是当某种物体与之接近到一定距离 时就发生动作信号，达到行程控制、记数及自动控制的作用。而不像机械行程 助力工程师论文 第 3 页 共 13 页 开关那样需要施加机械压力。接近开关是通过其感辩头与被测体间介质能量来 取得信号的。但接近开关在使用时，一般需要有触点是式继电器作为输出器。 其电路结构可以归纳为下图，当前应用最为普通 + 棕 BN 1 2 3 QF 黑 BK 蓝 BU _ 4 5 6 接近开关在电路中连接图 空气开关在电路图中的符号 空气开关（自动空气断路器） 当电路发生严重过载、短路及失压等故障 时，能自动切断电路，保护串联在它后面的线路和电气设备。在功能上，它相 当于刀闸开关、熔断器、热继电过电流电器和欠压继电器等的组合。主要有三 个基本部分组成，即触头和灭弧系统、各种脱扣器、操作机构。文字符号为 QF. 交流接触器：是一种用来频繁的接通或断开主电路及大量控制电路的自 动切换电源。其结构主要由电磁铁和触点两部分组成。接触器最主要的用途是 控制电机的启动、正反转、制定和调速。在 HZS75 型混凝土控制系统中，主电 路电机的启动均使用接触器控制切断、导通电路，并且与空气开关配合使用。 接触器触点分为主触点和辅助触点两种，其中有三对主触点接在主电路中， 起断开和接通主电路的作用，辅助触点接在控制线路中，可完成一定的控制要 求，如自锁、互锁等。触头还分为常开和常闭两类。它是由线圈、衔铁组成其 文字符号为：KM，如下图 KM 主触点 线圈 辅助触点 继电器：继电器是一种根据某种输入信号（电压、电流等或非电量）的 变化，接通或断开小电流控制电路，实现自动控制和保护电力拖动装置的电器。 一般情况下不直接控制电流较大的主电路，而是通过接触器或其他电器对主电 路进行控制。它可根据输入的信号达到不同的控制目的。 中间继电器：是用来增加控制电路中的信号数量或信号放大的继电器。其 输入信号使线圈通断，输出信号使触头动作，并能将信号同时传递给几个元件 和回路，其文字符号为：KA，下图为电路图形符号 继电线圈 常闭触点 常开触点 时间继电器 延时断开触点 延时闭合点 实践继电器：从得到输入信号（线圈的通电或断开）开始，经过一定的延 时后才输出信号（触点的闭合或断开）的继电器，称为时间继电器。其文字符 号为：KT，上图为电路图形符号，其在 HZS75 混凝土搅拌站中，主机采用 Y （星三角）延时降压启动。时间继电器的延时方式有两种： 通电延时：接受输入信号后延迟一定的时间，输出信号才发生变化，当输 入信号消失后，输出信号瞬间复原。 断电延时：接受输入信号时，瞬间产生相应的输出信号，当输入信号消失 时，延迟一定的时间，输出信号才复原。 固态继电器：是由半导体器件组成的继电器，它是一种无触点电子开关。 没有任何可动部件和触点，具有相当于电磁继电器的功能。 其它的电气元件文字符号 HL YM SA 指示灯 电磁阀线圈 转换开关 电机 电流表 电压 （二）交流接触器的常见故障及处理方法 交流接触器在长期使用过程中，由于自然磨损或使用维护不当，会产生故 障而影响正常工作，下面对交流接触器的常见故障进行分析。 1、触头的故障及维修 助力工程师论文 第 5 页 共 13 页 交流接触器在工作时往往需要频繁地接通和断开大电流电路，因此它的主 触点是较容易损坏的部件。交流接触器触点的常见故障一般有触头过热、触头 磨损和主触头熔焊等。 （1）触头过热 动、静触头间存在着接触电阻，有电流通过时便会发热， 正常情况下的温升不会超过允许值，但当动、静触头间的接触电阻过大或通过 的电流过大时，触头发热严重使触头温度超过允许值，造成触头特性变坏，甚 至产生触头熔焊。 （2）触头磨损 触头在使用过程中，其厚度越用越薄，这就造成触头磨损。 有两种：一种是电磨损，是由于触点间电弧或电火花的高温使触头金属氧化所 造成的；另外是机械磨损，是由于触头闭合时的撞击及触头接触而相对滑动摩 擦等造成的。一般当触头磨损至超过原有厚度的二分之一，应更换触头。 （3）触头熔焊 动、静触头接触而融化后焊在一起不能分不断的现象，称 为触头熔焊。发生触头熔焊常见的原因有：接触器容量选择不当，使负载电流 超过触头容量；触头压力弹簧损坏使触头压力过小；因线路过载使触头闭合时 通过的电流大等。实验证明，如果因为触头容量不够而产生熔焊，则应选用容 量较大的接触器。 2、电磁系统的故障及维修 （1）铁心噪声大：电磁系统在运行中发生轻微的嗡嗡声是正常的，若声音 过大或异常，可判定电磁系统发生故障，其原因有：衔铁与铁心的接触不良或 衔铁歪斜、短路环损坏、机械方面的原因。 （2）衔铁吸不上：当交流接触器的线圈接通电流后，衔铁不能被铁心吸合， 应立即断开电源，以免线圈被烧毁。衔铁吸不上的原因主要有：一、是线圈出 线的连接处脱落，线圈断线或烧毁。二、是电源电压过低或活动部分卡滞。 （3）衔铁不释放：当线圈断电后衔铁不释放，此时应立即断开电源，以免 发生意外事故。衔铁不能释放的原因主要有：触头熔焊、机械部分卡阻、反作 用弹簧损坏、铁心端有油垢、E 型铁心的防磁间隙过小导致剩磁增大等。 （4）线圈的故障及其修理：线圈的主要故障是由于所通过的电流过大导致 线圈过热甚至烧毁。线圈电流过大的原因主要有线圈匝间短路、铁心与衔铁闭 合时有间隙、线圈两端电压过高或过低 二、PLY1000 配料控制器概述 PLY1000 配料控制器主要使用于建筑行业中混凝土搅拌楼或站，用来控制 多秤（6 个，包括骨料、水泥秤、水秤、液外剂秤、粉煤灰秤、备用秤）多料 仓配料系统的自动称量自动配料自动拌合。 该控制器采用先进的集成电路及高可靠器件、模块化设计，具有称量精度 高、操作简便、价格合理、可靠性高等特点。硬件设计上采用了最新的高集成 度高速 CPU，保证了 PLY1000 配料控制器的可靠性与实时处理能力，数据采用 高速 24 位 A/D，大大提高了称量与配料的准确性。独特的抗干扰设计，使该控 制器能在恶劣的现场环境中可靠的使用。 1、控制器主要功能 物料重量的静态称量显示、单多物料重量的动态称量控制、物料混合流程 控制、搅拌卸料控制、配方管理、盘数控制、手动 自动方式配料控制、生产暂 停，启动后继续生产、数字校秤（包括校零点和校终点）方便快捷、固定落差 落差自动跟踪补偿、常用参数的直接设定、打印功能、骨料秤 4 种物料累加计 量，可以实现快慢速上料、水泥秤可以自动破拱、水可称量控制 时间控制、在 生产过程中更改盘数和水定值功能、通讯功能，RS-232 串行通讯口于 PC 机通 讯、生产总方量累计及控制功能等。 2、控制器组成 控制器主要有以下部分组成，如下图所示 控制器模块组成 主板 该板为控制器的中心处理部分，板上配有中央处理器（CPU）包含程序存储 器 EPROM、随机数据存储器 RAM、可编程控制器） ；高速 24 位 A/D 转换器，具有 助力工程师论文 第 7 页 共 13 页 6 路模拟量调理放大通道，允许使用 6 台配料秤；在线可修改掉电不丢失数据 存储器(EPROM)、RS-232C 串行通信口、并行打印机标准接口、自动复位电路； 并配有硬件时钟电路。 显示板 显示、按键管理板。具有 31 位数码管显示及 63 位发光二极管指示，48 个 按键。丰富的显示窗口可对多种配料提供独立显示，使各种数据一目了然。 I/O 板 具有 34 路开出驱动电路，8 路开入缓冲电路，开出开入均经光电隔离。 电源 将 AC220V 转换成控制器及外部传感器所需的直流电源。具有宽电压输入、 输出过载保护功能 3、主要技术性能 配方 控制器可同时存储 10 组配方，分别用配方号 09 表示，供随时调用和修 改，掉电不丢失。每种配方包括：骨料、水泥、粉煤灰、水、液外加剂等项。 称重显示性能 输入信号：DC 020mV 水泥显示： n=1000 检定分度： e=1 骨料显示：n=1000 检定分度：e=1 液外加剂显示：n=1000 检定分度： e=0.01 粉煤灰显示：n=1000 检定分度：e=0.1 水显示：n=1000 检定分度：e=0.1 落差自动修正 控制器具有两种落差补偿方式可供选择： 固定落差补偿：不能自动修正落差，要求落差值设置正确。 补偿落差修正：当前盘配料时采用上盘配料的实测落差值及落差补偿之平 均值进行落差补偿。可保证料门动作 23 次达到动态配料精度。 有关控制参数可随机修改 盘方量、搅拌时间、卸料时间、提升斗提升时间、投料时间、水滞后骨料 投料时间、水泥滞后骨料投时间、液外加剂滞后骨料投时间等，均可随机修改， 且掉电不丢失。 工作条件 电源电压：AC220V-15%220V+10%，50HZ 工作环境温度：0+40 度 相对湿度：85%RH 三、电气控制电路图的分析方法 电气控制电路是把某些电气元件（如接触器、继电器、按钮、行程开关） 和电机等用电设备按某种要求用导线联接起来的电气线路。为了设计、分析研究、安装 维修时阅读方便，电气控制电路图中各电气元件使用了国家统一规定的电气图 形符号和文字符号。 1、电路图一般具有下列特点： 为便于分析看图，电路或元件按功能布置，并尽可能按其工作顺序排列。 对因果次序清楚的其布局一般是从左到右和从上到下； 电路图一般分电源电路、主电路和辅助电路三部分，在电路图中它们分 开绘制： 电源电路：三相交流电源相序 L1、L2、L3 自上而下依次画出。画成水平线， 中线和保护地线 PE 依次画在相线之下。直流电源的“+”端画在上边， “”端 在下边，电源开关水平画出。 主电路：只受电的动力装置及控制、保护电器的支路等，它是由空气开关 或主熔断器、交流接触器主触头或（热继电器的热元件）以及电动执行元件等 组成。主电路通过的电流是电动机的工作电流，电流较大。主电路图画在电路 图的左侧并垂直电源电路。 辅助电路：一般包括控制主电路工作状态的控制电路、显示主电路工作状 态的指示电路。在 HZS75 控制系统中，它是由按钮开关、接触器线圈、继电器 线圈及触头、操作面板指示灯、配料控制器等组成。 2、电气控制电路图的分析方法 要读懂电路图，首先要搞清电路图中各个元件起什么样的作用。电路图中 （除了配电部分）的电器元件，基本可以分成三路： 执行元件：是用来操纵被控制对象的执行机构。在 HZS75 控制系统中，这 助力工程师论文 第 9 页 共 13 页 类元件包括电动机、接触器、电磁阀等。 检测元件：可以把系统工作过程中的一些参量（如机械位移、重量压力等） 的变化转换电信号。在 HZS75 控制系统中，这类元件有传感器、行程开关、按 钮、继电器等。 运算元件：用来对检测元件的信号进行逻辑运算，判断系统工作过程的各 个阶段，使每个阶段都有其所要求的执行元件工作。在 HZS75 系统中，这类元 件有配料控制器、时间继电器。 电路通常有三种状态：通路是指处处连通的电路简称闭路；开路是指电路 中某处断开、不成通路的电路简称断路；短路是指电路（电路中的一部分）被 短接。 下面对 HZS75 控制系统中，主机采用的 Y（星三角）延时降压启动 的电路图进行简单的分析 操作台上，接下主机启动按钮 SB，微机控制系统接受（按钮）开关量信号， 通过开关量输入接口进入内部电路，通过工作输出接口使执行元件继电器 KA、+24V 直流供电及外线导线三者构成通路（图 a） ，KA 常开触点闭合，使图 （b）电路构成通路，操作台上主机启动按钮指示灯 HL 亮，同时图（c）中时间 继电器 KT 得电延时，其得电延时动断触点使交流接触器 KM1 线圈这一路也构成 通路，KM1 线圈得电，KM1 和 KM2 互锁，KM2 这一路处于断路状态。主机实现星 形启动，延时时间到，KT 动合触点闭合，动断触点释放，KM2 线圈得电，主机 实现三角运转图（d） 。 一套设备或系统的工作过程，可以分拆成若干个时间上依次衔接的阶段， 如 HZS75 搅拌站生产工艺过程在时间上的衔接：配料计量卸料搅拌计 时，各个工艺过程还可以分为具体的工作步骤，可简称为“工步” 。在每一个 “工步”中，最终由某些执行元件（电机或电磁阀）确定正在进行某种特定的 工作。在自动工作状态下，每个“工步”的转换和衔接依控制系统内部程序进 助力工程师论文 第 11 页 共 13 页 行控制。 四、传感器的工作原理及检测 1、感器的定义及转换原理 凡接受外界刺激并能产生输出信号，即可定义为传感。传感器就是用来对 所测的量产生响应并提供可用的电信号的器件，即把输入信号变成不同形式输 出信号的装置。它的作用是接受外界信息，并将其变成信号。 HZS75 混凝土搅拌站计量用的传感器其转换原理：力电压转换。如下图 所示为应用力电压转换原理制作的压力传感器 线路图。 外力作用在电阻应变片，组成电桥的四个电 阻的阻值发生变化，R1、R2 电阻增大，而电阻 R3、R4 阻值减少，使电桥失去平衡，有信号输 出，输出电压与压力呈线性关系。 根据基尔霍夫定律和欧姆定律：I=I 1+I2 I1=E/R1+R3 I2=E/R2+R4 则 ab 两点之间的电压：Uab=Ua-Ub=IR 1=ER1/R1+R3 (1)式 Ac 两点之间的电压：Uac=Ua-Uc=I 2R2=ER2/R2+R4 (2)式 （2）式 （1）式：Ubc=E(R 2/R2+R4-R1/R1+R3) (3)式 （3）式中：当外供的电源 E 为恒定值时，bc 两点的电压 Ubc 的变化仅与 构成电桥的四个电阻 R1、R 2、R 3、R 4的变化有关。 在 HZS75 混凝土搅拌站中计量用的测力与称重传感器是一种将所受力或重 量转换成电压的部件。 一个测力与称重传感器包括两部 分：一是能根据所受力的大小而线性 变形的金属部件；二是可根据金属部 件的变形大小而改变其阻值的应变片， 称重传感器的连接如左图所示