毕业设计（论文）-水泥回转窑电气控制系统设计.doc

（括号里填学校名称）本科毕业论文 3.5/360m 水泥回转窑电气控制系统 设计 学 生 姓 名： * 学 生 学 号： 0000000 院 （系）： *学院 年 级 专 业： *级* 指 导 教 师： * 助理指导教师： 二一一年六月 *本科毕业论文 摘要 i 摘 要 在建材、冶金、化工、矿物加工和环保等许多行业中，广泛地使用回转圆筒 型设备对散装或浆状物料进行物理或化学处理，这种回转圆筒设备被称为回转窑。 水泥生产是由原料预处理(均化、破碎、烘干等)、生料制备(配料、粉磨、 均化)、熟料锻烧(分解预热、锻烧、煤磨)、水泥制成(水泥配料、粉磨、包装) 四大部分组成，其中水泥熟料的煅烧是水泥生产中最重要的过程，所用的设备水 泥回转窑，常被称为水泥厂的心脏。水泥回转窑由机械、电气、液压等部分组成。 通过研究设计主要用plc为核心控制水泥回转窑系统，主要包括有: 回转窑辅 助电机的正常运转控制。主电机的变频调速控制。燃烧器移动小车的正反转 运行控制。主减速机润滑站的控制应按te525润滑站的压力、温度、液位等控 制。挡轮液压站te326的控制。 结论控制方案包括: 主电机为变频调速电机，故采用变频器控制其调速运 行。辅助电机、燃烧小车的控制比较简单，直接用继电接触器控制其运行。 挡轮液压站、主减速机润滑站因控制内容多，工艺复杂，两者均采用由 plc 控制 的方式，利用 plc 的硬件电路与软件结合，实现挡轮液压站、主减速机润滑站的 正常运转与故障报警等控制功能。 关键词 水泥，回转窑，plc，控制系统 *本科毕业论文 abstract ii abstract in building materials,metallurgy,chemical,mineral processing,environmental pr- otection,and many other industries,people widespread use of rotating cylindrical d evice on the bulk or slurry material to do physical or chemical treatment,which-h is known as rotary kiln that with rotating cylinder device. cement production is composed by the raw material pretreatment (homog-e-n izing,crushing,drying,etc.),raw material preparationing redients,grinding,homogeniz-a tion),clinker calcination(decomposition and preheating,calcination,coal mill),ceme-nt products (cement batching,grinding,packaging).and calcining cement clinker which is the most important cement production process,so its equipmentcement rotary kiln,often referred to as the heart of cement.cement kiln consist of mec-hanical,e lectrical,hydraulic and other components.by studying and the design of cement ro tary kiln system we will use plc as the main core of the control.tha-t includin g: firstly, rotary control of the normal operation of auxiliary motors.s-condly, th e main motor of the variable frequency control.thirdly, move the car reversing t he burner operation control. the fourth is the main reducer lubrication station co ntrol stations shall te525 lubrication pressure,temperature,liquid level control. the fifth is gear wheel hydraulic te326 control. conclusions control program include: first of all, main motor for frequency conversion motor,which inverter control its speed operation.secondly,auxiliary m-o tors,combustion cars control is relatively simple,which direct contacts with the re lay control its operation. last but not least,because of gear wheel hydraulic s-tati on,the main gearbox lubrication stations control contents and more complex proc ess,both adopted by the plc control method,the use of plc combination of hard ware and software to achieve gear wheel hydraulic station,the main gearbox lubri cation stop the normal operation and fault alarm control functions. key words cement,kiln,plc,control system *本科毕业论文 目录 i 目目 录录 摘摘 要要i abstract.ii 1 1 绪论绪论 .1 1.11.1 水泥生产工艺水泥生产工艺.1 1.1.1 水泥熟料的煅烧2 1.1.2 回转窑的发展.2 1.1.3 回转窑的性能和特征.3 1.21.2 水泥回转窑硬件系统技术参数水泥回转窑硬件系统技术参数3 2 2 总体方案设计总体方案设计 .4 2.12.1 设计任务要求设计任务要求.4 2.22.2 电气控制方案电气控制方案.6 3 3 水泥窑控水泥窑控制制方式方式 .9 3.13.1 操作方式操作方式9 3.1.1 dcs 介绍.9 3.1.2 操作方式设计.9 3.23.2 与外界的连锁信号与外界的连锁信号10 3.33.3 配电系统配电系统11 4 4 硬件电路设计硬件电路设计13 4.14.1 辅助电机的控制辅助电机的控制.13 4.24.2 燃烧小车的控制燃烧小车的控制.13 4.34.3 plcplc 硬件配置硬件配置13 4.3.1 plc 基本知识13 4.3.2 plc 机型选择15 4.44.4 模块连线图模块连线图17 4.54.5 plcplc 输入输出端子设计输入输出端子设计18 4.64.6 功能梯形图设计功能梯形图设计.20 4.6.1 闪烁信号的产生20 4.6.2 主减速机润滑站起动及抗干扰措施21 4.6.3 主减速机润滑站冷却水的投入和关闭.21 4.6.4 润滑站综合起停22 4.6.5 主减速机润滑站油泵电机的工作22 4.6.6 主减速机润滑站加热器的运行.23 4.6.7 挡轮液压站的正常工作23 4.6.8 挡轮站加热器的工作.25 4.6.9 声光报警程序26 4.74.7 设计小结设计小结26 5 5 控制电路设计控制电路设计28 5.15.1 i/oi/o 表设计表设计.28 *本科毕业论文 目录 ii 5.25.2 硬件电路设计硬件电路设计.29 5.2.1 回转窑电机控制电路.29 5.2.2 电磁球阀和滤油器的控制电路.31 5.2.3 plc 供电模块图.32 5.2.4 plc 输入模块图.33 5.2.5 plc 输出模块图.35 5.35.3 梯形图程序设计梯形图程序设计.36 5.3.1 综合启动控制程序.36 5.3.2 综合指示灯程序37 5.3.3 三级操作控制程序.37 结论结论39 参参 考考 文文 献献40 致致 谢谢41 *本科毕业论文 1 绪论 1 1 绪论 1.1 水泥生产工艺 水泥生产是由原料预处理(均化、破碎、烘干等)、生料制备(配料、粉磨、 均化)、熟料锻烧(分解预热、锻烧、煤磨)、水泥制成(水泥配料、粉磨、包装) 四大部分组成，其中水泥熟料的煅烧是水泥生产中最重要的过程，所用的设备 水泥回转窑，常被称为水泥厂的心脏。一般采用的主要原料是石灰石、粘土和 铁粉，将这些原料按一定的比例配合在一起，经粉磨、均化后，用回转窑锻烧制 成熟料。熟料经再次配料后，先由辊压机将进料压成实饼(小型的水泥厂一般不 另设辊压机)，再送入水泥磨，磨成粉状的水泥。经包装机打包后，制成水泥成 品。水泥生产工艺流程图见图 1.1。 - 图 1.1 水泥生产工艺流程图 回转窑的造型是一个倾斜的圆筒(本系统中回转窑筒体长 60 m，大圆筒直径为 3.5m，小圆筒直径 3m)，生料由圆筒的高端加入，由于圆筒具有一定的倾斜度并 在不断地回转，因此物料由高端向低端逐渐运动，在这个过程中煤粉在窑内燃烧， 对其物料加热锻烧，从而制成水泥熟料。水泥回转窑机械设备造型见图 1.2。 *本科毕业论文 1 绪论 2 图 1.2 水泥回转窑机械设备 1.1.1 水泥熟料的煅烧 熟料煅烧：将生料制备过程中制得的生料送入煅烧窑，经高温煅烧，发生一 系列物理的、化学的和物理化学变化后形成熟料的工艺过程。 熟料煅烧物料可分为：水分蒸发生料预热生料分解熟料煅烧熟料冷 却五个功能单元。相应分为干燥带、预热带、分解带和放热带，烧成带和冷却带。 回转窑一方面是燃烧设备，煤粉在其中燃烧产生热量；同时也是传热设备， 原料吸收气体的热量进行煅烧。另外有时输送设备，将原料从进料端输送到出料 端。而燃料燃烧、传热及原料运动三者间必须合理配合，才能使燃料燃烧所产生 的热量能在原料通过回转窑的时间内及时传给原料，已到达高产、优质、低消耗 的目的。 水泥回转窑内的煤粉燃烧特点： 具有一定动量的空气(一次风)携带一定量的煤粉喷入水泥回转窑内实现着火 燃烧。煤粉喷入水泥回转窑内后，再与大量来自于水泥熟料冷却机的预热空气 (二次风)相接触，在二次风的助燃下，煤粉实现完全燃烧，从而形成了一个具有 一定长度、刚度和形状的稳定火焰。 1.1.2 回转窑的发展 回转窑的应用起源于水泥生产，1824 年英国水泥工 j 阿斯普发明了间歇操作 的土立窑；1883 年德国狄茨世发明了连续操作的多层立窑；1885 英国人兰萨姆 (eransome)发明了回转窑，在英、美取得专利后将它投入生产，很快获得可观的 经济效益。回转窑的发明，使得水泥工业迅速发展，同时也促进了人们对回转窑 应用的研究，很快回转窑被广泛应用到许多工业领域，并在这些生产中越来越重 要，成为相应企业生产的核心设备。 它的技术性能和运转情况，在很大程度上决定着企业产品的质量、产量 *本科毕业论文 1 绪论 3 和成本。 “只要大窑转，就有千千万”这句民谣就是对生产中回转窑重要程度的 生动描述。在回转窑的应用领域，水泥工业中的数量最多。 水泥的整个生产工艺概括为“两磨一烧” ，其中“一烧”就是把经过粉磨 配制好的生料，在回转窑的高温作用下烧成为熟料的工艺过程。因此，回转窑是 水泥生产中的主机，即水泥工厂的“心脏 ” 。 1.1.3 回转窑的性能和特征 回转窑作为水泥煅烧的关键装备，它的功能特征如下： 作为燃料燃烧装置。它具有广阔的空间和热力场，可以供应足够的空气， 装设优良的燃烧装置，保证燃料充分燃烧，为水泥煅烧提供必要的热量。 作为热交换装备，它具有比较均匀的温度场，可以满足水泥熟料生产过 程各个阶段的换热要求。 作为化学反应器，随着水泥熟料矿物形成不同阶段的不同需要，它既可 分阶段地满足不同矿物形成对热量、温度的要求，又可以满足它们对时间的要求。 作为输送设备，它具有更大的潜力。 1.2 水泥回转窑硬件系统技术参数 水泥回转窑由机械、电气、液压等部分组成。机械部分由筒体、支承装置、 挡轮、传动装置、减速器、活动窑头、窑头窑尾密封装置、喷煤管装置等部分组 成。与电气传动有关的技术的参数如下： 主电机：型号为 ypg315l-6 的高转矩变频调速电机，功率 110 kw，额定 转速 100 r/min。 辅助电机：型号为 y180l-6，功率 15 kw，转速 9000 r/min，制动开关型 号为 ywe3-315/25-12.5，限位器型号为 lx2-121。 主减速机润滑站：型号为 te525，它是为主减速机提供润滑的保护设备。 稀油润滑站是稀油循环润滑系统的心脏，用来将润滑油液强制地压送到机械的摩 擦部位，在相对运动的机器零件间形成油膜，减少零件的摩擦、磨损，同时对摩 擦部位进行冲洗，并带走摩擦产生的热量，保证机械正常运转，延长机械寿命。 稀油润滑站由油站和仪表盘组成，通常安装在保护设备附近的地下油库或地坑中。 挡轮液压站：型号为 te326，液压站的功能是利用液压的作用驱动回转窑 筒体上下运行，并保证挡轮液压站具有正常的压力、温度和液位。 燃烧器移动小车：电机型号 bwy12-43-1.1，功率为 1.1 kw，转速为 1400 r/min。 *本科毕业论文 1 绪论 4 *本科毕业论文 2 总体方案设计 5 2 总体方案设计 2.1 设计任务要求 回转窑辅助电机的正常运转控制。辅助电机的作用是在检修时低速驱动 筒体旋转，工艺要求主电机与辅助电机之间必须互锁，即主电机运行时，辅助电 机禁止运行；辅助电机运行时，主电机禁止转动。主电机、辅助电机运行的切换 还应由限位器的相应位置决定。辅助电机应配有备用电源，以备停电时在瞬间自 动切换，由备用电源供电。 主电机的变频调速控制。主电机的作用是驱动筒体按一定的转速旋转， 与水泥生料下料量、风量和给煤量协调运行。高转矩变频调速电机采用变频器调 速，变频范围为 0100 hz。 燃烧器移动小车的正反转运行控制。燃烧器移动小车是辅助移动燃烧的 设备，煤粉在其内部燃烧，对水泥生料加热锻烧。 主减速机润滑站的控制应按 te525 润滑站的压力、温度、液位等控制要 求实现。te525 系列润滑装置均设有两台油泵电机机组，其中一台供正常使用， 另一台供应急时备用。控制的具体要求如下： 1) 油压控制：在润滑装置出油口处设有油压控制点，有 3 个压力控制器参 与压力设置点的控制，当出油口油压下降到 0.1 mpa 时，一个压力控制器发出声 光报警信号，同时启动备用油泵投入工作。当备用油泵投入工作后，油压恢复到 0.3 mpa 时，另一个压力控制器发出正常工作信号，切断备用泵。第三个压力控 制器用于控制系统最高压力设定，当油压达到 0.5 mpa 时，发出声光报警信号。 2) 油温控制：用两个电接点温度计测量油箱内油液温度的变化情况以及对 电加热器和电磁水阀实施控制。当油箱内油液温度低于 15时，电加热器自动投 入工作状态，当达到 25时，电加热器自动切断。另一个电接点温度计用于电磁 水阀的控制，当温度达到 45时，电磁水阀打开，投入冷却水用于降温；当油温 达到 35时，关闭电磁水阀，冷却水自动停止供应。温度控制器用于出油口处最 高油温值的控制，当油温达到 55时，发出声光报警信号。 3) 液位控制：在油箱内设有浮球式液位计一个，用于显示油箱内油液位置 上下极限和信号控制。当液位超上限或低于下限时，应发出油箱内缺油的声光报 警信号。 4) 双筒过滤器压差显示：在双筒过滤器上设有压差信号开关，当通过双筒 过滤器两端压差达到或超过 0.5 mpa 时，发出滤芯堵塞声光报警信号。 te525 主减速机润滑站含有如下电气组件： *本科毕业论文 2 总体方案设计 6 a.油泵电机：y112m-6-b8，2 台，2.2kw，ac 380v，50hz。 b.电加热器：sry2-220/2，3 件，ac 220v，2kw。 c.液位控制器：vqk-02，1 件，ac 220v：200a，dc 24v：0.5a。 d.电接点温度计：wtz-288，2 件，ac 2438v，10a。 e.温度控制器：ywk-50-c，1 件，ac 380v：3a，dc 220v：2.5a，阻性负载， 温度设定范围 5060。 f.电磁水阀：zcs-25p，1 件，ac 220v，650ma。 g.压力控制器：ywk-50-c，3 件，ac 380v：3a；dc 220v：25a，阻性负载， 压力设定范围 01mpa。 h.压差开关：cs-，2 件，ac 220v：0.25a；dc 24v：0.05a， p=0.05mpa。 主减速机润滑站见图 2.1。 图 2.1 主减速机润滑站 挡轮液压站 te326 的控制。 控制要求为： 1) 回转窑在窑体上行时，其中一台油泵电机通电，油泵打出的液压油进入 2 挡油缸中，驱动窑体上行。当碰到上限行程开关时，发出声光报警信号，使油 泵电机断电，同时电磁球阀通电。窑体靠自重把油缸中的油压回到油箱，窑体向 下滑行。碰到下限行程开关时，发出声光报警信号，使油泵电机通电，同时电磁 球阀断电，窑体再次上行。液压站这样循环工作，使得窑体实现按上行下行 *本科毕业论文 2 总体方案设计 7 上行下行的方式运动。 2) 超压控制：当液压系统的油压达到系统中的一个压力控制器的设定值时， 发出声光报警信号。 3) 油温控制：用温度控制器监控油箱中的油温。当油箱内油液温度低于 12时，电加热器进入工作状态，当油温升到 15时(利用该温度控制器的切换 差)，电加热器自动切断。 4) 压差控制：本液压站设有 3 个滤油器，当滤油器进出口两端压差达到或 超过 0.35 mpa 时，发出滤芯堵塞声光报警信号。 型号为 te326 型的挡轮液压站，含有如下的电器组件： a.油泵电动机：yb100l1-4-v1，2 件，2.2kw，ac 380v，50hz。 b.电磁球阀：23qdf6b/31.5e24，1 件，dc 24v。 c.电加热器：sry2-220/1，1 件，1kw，ac 220v。 d.压力控制器：d505/18d，1 件，压力设定范围 2.525mpa，ac 220v：3a。 e.温度控制器：wtzk-50-c，1 件，温度设定范围 1040，ac 380v：3a；dc 220v：2.5a(阻性负载)。 f.压差开关：cs-v，3 件，dc 24v：2a，ac 220v：0.25a，p=0.35mpa。 挡轮液压站见图 2.2。 图 2.2 挡轮液压站 2.2 电气控制方案 攀枝花学院本科毕业论文 2 总体设计方案 8 根据生产工艺和电气控制目标，可以看出水泥回转窑传动系统属典型的小型 开关量输入/输出控制系统，控制要求和连锁要求较多，且与回转窑其它控制系 统之间关联密切，在调试中需不断对其改进和扩充。若采用继电接触器控制，则 只能接成固定线路，灵活性太差，也不能满足水泥窑车间煅烧关键设备的核心作 用，故采用 plc 为核心的电气控制方案。电气总图如图 2.1 所示。 3 m m ax1 ax3 al1al0 ax2 4 m al0 al1plc ax1 ax2 ax3 图 2.1 电气总图 如图中所示，水泥窑主要分为三段控制：进料端、电机端、燃烧小车端。这 三个端子在水泥窑上由挡轮液压站；电机包括主电机、主减速电机和辅助电机组 成；燃烧小车接触器。 具体方案如下： 主电机为变频调速电机，故采用变频器控制其调速运行。 辅助电机、燃烧小车的控制比较简单，直接用继电接触器控制其运行。 挡轮液压站、主减速机润滑站因控制内容多，工艺复杂，两者均采用由 plc 控制的方式，利用 plc 的硬件电路与软件结合，实现挡轮液压站、主减速机 润滑站的正常运转与故障报警等控制功能。本套电控系统共设电控柜 2 个，电控 箱 3 个。分别为al0(主电机变频调速控制柜)、al1(plc、液压站及润滑站控 制柜)，ax1(辅助电机控制箱)、ax2(燃烧小车控制箱)、ax3(主减速机润 滑站现场控制箱)。 控制箱框图及其相关参数如图 2.2 所示： 攀枝花学院本科毕业论文 2 总体方案设计 9 图 2.2 回转窑控制箱框图 *本科毕业论文 3 水泥窑控制方式 10 3 水泥窑控制方式 3.1 操作方式 3.1.1 dcs 介绍 dcs 是分布式控制系统的英文缩写（distributed control system） ，在国内 自控行业又称之为集散控制系统。即所谓的分布式控制系统，或在有些资料中称 之为集散系统，是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统，它是 在集中式控制系统的基础上发展、演变而来的。它是一个由过程控制级和过程监 控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机，通信、显示和 控制等 4c 技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及 组态方便。 dcs 的特点 dcs 是计算机技术、控制技术和网络技术高度结合的产物。dcs 通常采 用若干个控制器（过程站）对一个生产过程中的众多控制点进行控制，各控制 器间通过网络连接并可进行数据交换。操作采用计算机操作站，通过网络与控 制器连接，收集生产数据，传达操作指令。因此， dcs 的主要特点归结为一 句话就是：分散控制集中管理。 dcs 的结构 从结构上划分， dcs 包括过程级、操作级和管理级。过程级主要由过程控 制站、i/o 单元和现场仪表组成，是系统控制功能的主要实施部分。操作级包 括：操作员站和工程师站，完成系统的操作和组态。管理级主要是指工厂管 理系统（mis 系统），作为 dcs 更高层次的应用，目前国内纸行业应用到这一 层的系统较少。 dcs 的控制程序 dcs 的控制决策是由过程控制站完成的，所以控制程序是由过程控制站执 行的。 过程控制站的组成 dcs 的过程控制站是一个完整的计算机系统，主要由电源、cpu（中央处 理器）、网络接口和 i/o 组成。 3.1.2 操作方式设计 集中/现场操作。 大型水泥厂的控制系统现在均采用的是计算机集散型控制系统(dcs)，总厂 控制室内是 dcs 系统的操作站(大多数由工业控制计算机、计算机网络系统组成)， *本科毕业论文 3 水泥窑控制方式 11 而分厂或车间的控制属二级控制系统，现场设备属三级控制系统。这三级控制系 统之间可互相传递参数，其中总厂的 dcs 可直接发送命令启动现场设备，而现场 设备的重要参数又可传递到总控室，并在计算机屏幕上显示其实时的状态信息。 所以该系统设计了集中和现场两种操作方式，集中操作适用于水泥窑接收来自于 总控制室的启动/停止信号(以无源接点的方式)，控制水泥窑、挡轮液压站、主 减速机润滑站的启停；现场操作方式用于车间控制室内的操作。 现场控制站的主要任务是进行数据采集及处理； 根据控制程序来实施实时 的过程量的控制；进行设备监视和系统的测试与诊断。 现场控制站主要含以下 内容：原料制备和石灰石预均化；生料粉磨；生料配料；废气处理；窑尾分解； 筒体温度扫描；烧成窑头控制；窑头看火；煤磨控制；熟料配料；水泥粉磨和输 送等等。根据具体情况由它们组成若干个现场控制站。 本柜/机旁操作。本柜操作适用于在车间控制柜的面板上进行操作，机旁 操作适用于检修时用现场操作箱的控制装置进行操作。 水泥窑三级操作方式示 意图见图 3.1。 dcs al0al1 ax2ax1ax3 图 3.1 水泥窑三级操作方式示意图 机旁操作站全厂设若干套操作员站，它是对全生产线工况进行监视、控制及 操作的人机接口，主要完成数据、图形及状态的显示，历史数据的存档，故障记 录，故障状态显示，报表打印以及工艺设备选择，电机成组或单机的启动、停车、 急停、复位和数据给定等控制操作。各个操作站可以互为备用。 3.2 与外界的连锁信号 水泥窑与其它设备及全厂总控制室之间有相当多的连锁控制，这些连锁都是 *本科毕业论文 3 水泥窑控制方式 12 从各自电控柜中的端子板上引入或引出的。水泥窑向外界提供的连锁信号有： 主电机运行、跳闸信号。 辅助电机运行信号。 主减速机润滑站正常信号。 挡轮液压站、主减速润滑站备妥信号、故障信号。 来自于外界的连锁信号有： 1) 来自于总控制室的挡轮液压站、主减速机润滑站启动/停止信号。 2) 来自主电机控制柜的主机运行信号(因这部分图纸省略，暂将其作为外 部信号)。 3.3 配电系统 由三相四线制取一相和地所得控制电压为交流 220v，ac 220v 经变压器、一 体化电源等装置后获得控制系统所需各种等级的电压。因为挡轮液压站的电磁球 阀工作电压为 dc 24v，挡轮液压站与减速机润滑站的压差开关工作电压均为 ac 24 v，plc 输入模块电压为 ac 100v，plc 输出模块需 dc 24v 的电压，所以要求 配电系统输出以上几种等级的电压，以满足不同的需要。ac 220v 经变压器 tc1 获得 ac 110 v 的供电电源(注：因无二次侧为 ac 100 v 的变压器，故选用二次 侧 ac 110 v，也可满足 plc 输入模块 ac 100v 电压的要求)，ac 220v 经变压器 tc2 后变为 ac 24v。ac 220v 经一体化电源 q 获得 dc 24v，可供 plc 输出模块 z- 16td2(接 dc 24 v 指示灯)使用。plc 另一输出模块 z-8tr1 要求电压为 ac 200v，可直接用 ac 220 v 替代。在配电回路中均加低压断路器 qf1、qf2、qf6 进行保护。 该水泥窑的电气设计按设计内容可分为如下几部分： 主回路设计、控制回路设计。 plc 硬件配置。 梯形图软件设计。 在下面的章节中将作详细的介绍。 *本科毕业论文 3 水泥窑控制方式 13 l1 n 1 -qf1 2 l11 3 4 n11l11 n11 l12 n12 220 v110 v -tc1 l11 n11 l13 n13 220 v24 v -tc2 l11n11 1 -qf2 2 l21 3 4 n21 220 v -q - 24vl- 24vl 1 -qf6 2 l l- 34 图 3.2 水泥窑配电原理图 *本科毕业论文 4 硬件电路设计 14 4 硬件电路设计 4.1 辅助电机的控制 辅助电机主要是为防止突然断电，窑体在高温、重载(窑内有较多的余料)的 情况下发生变形，目前回转窑中都设有余热发电及重油发电设备，停电后自发的 电还可以利供窑系统工作用，停电对窑内生产的影响小一些。在砌砖或检修时要 用辅助电机进行带动。开窑时也要用辅助马达来帮助起动，这样可以减少开窑起 动时的能耗。辅助马达与主减速机之间还设有一个辅助减速机。回转窑系统一般 布置了一到两台汽油电机的寸步电机。 辅助电机可通过两条途径启动运行： 当转换开关 3sa 处于现场操作位置时，通过辅助电机现场操作箱上的起 停按钮直接控制电机运转。 在主减速机润滑站工作正常时，表示主减速机润滑站工作正常的接触器 2ka5 常开触点闭合。ls 是主电机/辅助电机的限位器，当它打在闭合端时，表示 辅助电机处于工作状态。此时按下起动按钮 3sb1，3km 接触器线圈得电，辅助电 机运转。3km 常开触点是为自保而设计的。辅助电机主控回路和控制回路中低压 断路器 3qf1、3qf2 及热继电器 3kr1、3kr2 主要起过热过载的保护作用。当按下 停止按钮 3sb2 时，接触器 3km 线圈失电，辅助电机停止运行。 4.2 燃烧小车的控制 燃烧小车电机同样采用直接起动方式。控制回路是一个典型的正反转电路， 当正转按钮 4sb1 按下时，4km1 接触器线圈带电吸合。4km1 常开触点是为自保而 设计的。在正转电路里加入了一个 4km2 反转接触器的常闭触点，这样就保证了 正转时不能反转。反转电路同正转电路原理相同，但是串入了正转接触器 4km1 的常闭触点，从而保证正转和反转之间的互锁。正转(或反转)接触器线圈带电后， 通过主回路中相应的主触点 4km1(或 4km2)吸合，使电机带电后正转(或反转)。 主回路及控制回路中的低压断路器 4qf1、4qf2 及热继电器 4kr 起过热过载保护 作用。 4.3 plc 硬件配置 4.3.1 plc 基本知识 plc 的特点 1) 可靠性高，抗干扰能力强 *本科毕业论文 4 硬件电路设计 15 高可靠性是电气控制设备的关键性能。plc 由于采用现代大规模集成电路技 术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的 可靠性。例如三菱公司生产的 f 系列 plc 平均无故障时间高达 30 万小时。一些 使用冗余 cpu 的 plc 的平均无故障工作时间则更长。从 plc 的机外电路来说，使 用 plc 构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点 已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，plc 带有硬件故障自 我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编 入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除 plc 以外的电路及设备也获得故障自 诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。 2) 配套齐全，功能完善，适用性强 plc 发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于 各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代 plc 大多具有完善的数 据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来 plc 的功能单元大量涌现，使 plc 渗透到了位置控制、温度控制、cnc 等各种工业控制中。加上 plc 通信能力 的增强及人机界面技术的发展，使用 plc 组成各种控制系统变得非常容易。 3) 易学易用，深受工程技术人员欢迎 plc 作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易， 编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器 电路图相当接近，只用 plc 的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器 电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从 事工业控制打开了方便之门。 4) 系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造 plc 用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系 统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设 备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。 5) 体积小，重量轻，能耗低 以超小型 plc 为例，新近出产的品种底部尺寸小于 100mm，重量小于 150g， 功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设 备。 plc 控制系统设计步骤 1) 分析被控对象，提出控制要求。 2) 确定输入、输出设备。 3) 确定 plc 的 i/o 点数，选择 plc 机型。 4) 分配 i/o 点数，绘制 plc 控制系统输入、输出端子接线图。 *本科毕业论文 4 硬件电路设计 16 5) 程序设计，绘制工作循环图或状态转移图。 a.初始化程序；b.控制程序；c.检测、故障诊断和显示等程序；d.保护和联 锁程序。 6) 程序调试。先进行模拟调试，再进行现场联机调试；先进行局部、分段 调试，再进行整体、系统调试。 7) 调试过程结束，整理技术资料，投入使用。 plc 模块的选择 1) 远程 i/o 模块：输入、输出装置比较分散，工作现场远离控制站。 2) 高速计数器模块：当 plc 内部的高速计数器的最高计数频率不能满足要 求时，可选择使用。 3) 定位模块：在机械设备中，保证加工精度进行定位。 4) 通信联网模块：plc 与 plc 之间，或 plc 与计算机之间的通信与联网。 5) 模拟输入模块、输出模块：把流量、速度、压力、风。 6) 力、张力等变换成数字量，及把数字量变换成模拟量，进行输入、输出。 电源电压的选择 我国优先选择 220v 的交流电源电压，特殊情况可选择 24v 直流电源供电。 输入信号电源，一般利用 plc 内部提供的直流 24v 电源。对于带有有源器件的接 近开关可外接 220v 交流电源，提高稳定避免干扰。选用直流 i/o 模块时，需要 外设直流电源。 4.3.2 plc 机型选择 plc 机型、i/o 模块选择。根据水泥回转窑工艺和控制要求，列出该系统的 输入/输出表。从表中可得出该系统输入、输出数总和为 110 点，并且全为数字 量输入/输出，属于小型的控制系统。这种系统用一般的 plc 均可满足要求，选 型时应将性价比作为重点考虑因素。经计算各种机型和方案的投入费用，依经济 性原则选择最优方案为无锡华光电子公司的光洋可编程控制器，型号为 sz-3。光 洋可编程控制器是国产 plc 的佼佼者，比国外著名公司的 plc 价格低，但功能相 似。sz-3 属紧凑组合式小型 plc，价格便宜，易于操作，结构小巧，可靠性高， 适宜于点数较少的单机控制场合。在此基础上，选择数字量输入模块 a0a3 四 块，输出模块 a4a7 四块。因 sz-3 为组合式 plc，故还应选择电源框架和编程 器。 表 4.1 plc 机型、i/o 模块选择 序号 电器设备、 组件 输入 点数 输出 点数 i/o 总数 序号 电器设备、 组件 输入 点数 输出 点数 i/o 总数 1 y-启动的 笼型电动机 43712 光电管开关 22 *本科毕业论文 4 硬件电路设计 17 2 单向运行笼型 电动机 41513 信号灯 11 3 可逆运行的笼 型电动机 52714 拨码开关 44 4 单向运行的直 流电动机 53815 三挡波段开关 33 5 单线圈电磁阀 641016 行程开关 11 6 单向运行的直 流电动机 961517 接近开关 11 7 单线圈电磁阀 1282018 抱闸 11 8 双线圈电磁阀 21319 风机 11 9 双线圈电磁阀 32520 位置开关 22 10 比例阀 35821 动能控制单元 20（6，32，48， 64，128） plc 配置说明。 1) sz-3 的 cpu 模块自带 e2prom，故不需另选存储器。若 cpu 不带存储器， 则应注意组合型的 plc 需另配 e2prom 模块，以备永久存放调试好的最终程序。 2) 该系统对 plc 输入的总需求为 60 点。因此本系统采用 16 点输入模块 4 块，其中 4 点作为裕量，以备日后对系统改进和扩充时使用。 3) 本系统对可编程控制器输出数的总需求为 44 点。由于输出电流的额定值 与负载的性质有关，其中 16 点用于对挡轮液压站和主减速器润滑站的动作控制， 需 ac 220 v 电压控制接触器线圈及中间继电器线圈的吸合。其余 28 点用于各指 示灯(指示灯额定电压为 dc 24 v)的输出控制，电压要求为 dc 24 v。故采用 z- 8tr 继电器输出模块和 z-16td2 集电极输出模块各两块。 4) sz-3 系统配备的电源框架有 2 槽、3 槽、5 槽、8 槽四种，因该系统选用 的 i/o 模块为 8 块，故确定本系统选用 8 槽电源框架 z-08b。在系统连线时，将 各个模块直接插入电源框架插槽中即可。 5) 指令编程器主要是为输入程序指令准备的。若实验室计算机配备有通信 适配器，则可将梯形图直接变成语句表自动传送至 plc。这种情况下，指令编程 器可省略。但在为用户开发电气控制系统时，应为用户订购指令编程器一台，以 备用户扩充和修改程序之用。 plc 模块配置图见图 4.1。 *本科毕业论文 4 硬件电路设计 18 85-264vac - 24vdc out cpu 1 -qf5 2 l12 34 n12n22 z-16na1 l22 a0 z-16na1 a1 z-16na1 a2 z-16na1 a3 z-8tr1 a4a5 z-16td2 a6a7 z-8tr1 z-16td2 n22 l22 图 4.1 plc 模块配置图 4.4 模块连线图 在做硬件连接图前，应在 plc 用户手册上查出所用各模块的接线图，严格按 连接图接线。 输入模块 z-16na1 的接线图如图 4-2 所示。 从接线图中可看出，本模块在连接时可将输入点分为两部分，每部分含有 8 个输入点，输入点的一端接 ac 100v 电源的一相(如本系统线路图中的 l22)，另 一端分别接 z-16na1 的 07 端。两部分的公共端 ca 和 cb 都与 ac 100v 电源的 地(如线路图中的 n22 端)相连接。 ac 100 v ca 0 4 1 5 2 6 3 7 ac 100 v cb 0 4 1 5 2 6 3 7 图 4.2 z-16na1 接线图 具体线路图见硬件电路设计。 输出模块 z-8tr1 和 z-16td2 的硬件连接图分别见图 4.3、图 4.4。 *本科毕业论文 4 硬件电路设计 19 这两个模块的接线方法与输入模块接线原理相似，但应注意 z-8tr1 有两个 公共端 c，均应连接电源端。z-16td2 也是分为两部分，第一部分公共端 c 接 dc 24 v 的负极(即本系统线路图中的 l)，第二部分公共端 c 悬空。输出点的一端 接 dc 24v 的正极(线路图中的 l)，另一端分别接 z-16td2 的 07 端。 ac 100 / 200 v dc 12 / 24 v c 0 4 1 5 2 6 3 7 c l l l l l l l l 图 4.3 z-8tr1 接线图 0 4 1 5 2 6 3 7 c l l l l l l l l dc 24 v 0 4 1 5 2 6 3 7 c l l l l l l l l v 图 4.4 z-16td2 接线图 4.5 plc 输入输出端子设计 plc 输入 *本科毕业论文 4 硬件电路设计 20 i000i007 的输入有：挡轮液压站油泵起动、停止按钮信号，1#油泵与 2# 油泵主/辅开关信号，手动加热与自动加热操作方式的转换开关信号。i006 与 i007 是来自总厂中控室的油泵起动与停止信号的无源接点。用于接收 dcs 系统的 集中远程控制信号。 i010i013 输入的是挡轮液压站的上限位、上极限限位与下限位、下极限限 位行程开关信号，用于控制回转窑窑体的上行下行上行下行循环控制，并 实行上极限限位和下极限限位的声光报警，上极限限位和下极限限位是为防止上 限位和下限位行程开关失控而设置的多重保护。 i020i026 用于挡轮液压站油温、油压检测信号，1#、2#、3# 滤油器堵塞 的压差信号及 1#泵、2#泵电机过热、过载保护信号的引入。其中 1st 是温度控制 器的常开触点，1sp1 为压力控制器的常开触点，挡轮液压站滤油器是否堵塞是靠 1sp2、1sp3、1sp4 的压差开关检测的，因压差开关的额定电压为 ac 24