多级皮带输送机控制系统设计.doc

辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 PLCPLC技术及应用技术及应用 课程设计（论文）课程设计（论文） 题目：题目：多级皮带输送机控制系统设计多级皮带输送机控制系统设计 院（系）：院（系）： 电气工程学院电气工程学院 专业班级：专业班级： 学学 号：号： 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： （签字） 起止时间：起止时间：2010.12.22-2010.12.312010.12.22-2010.12.31 课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电气工程学院 教研室：自动化 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算 学 号学生姓名专业班级 课程设计 （论文） 题目 多级皮带输送机控制系统设计 课程设计（论文）任务 课题完成的功能课题完成的功能、 三级皮带输送机，控制系统需完成以下功能： 1、按启动按钮，电动机 C 启动，C 运转 2 秒后，电动机 B 自动启动，B 运转 2 秒后，电动机 A 自动启动，A 运转 2 秒后，料阀 D 自动打开； 2、按停止按钮，料阀 D 关闭，延时 10 秒后，A 自动停运，A 停运 10 秒后 B 自动停运，B 停运 10 秒后 C 自动停运； 3、监控画面上可以启停各个皮带输送机，并能显示各个电机的速度。 设计任务及要求：设计任务及要求： 1、采用西门子公司 200 系列 PLC； 2、方案设计，I/O 分配表； 3、硬件设计和软件开发； 4、离线运行结果分析； 5、撰写课程设计说明书； 技术参数：技术参数： 1、电动机的额定功率 22Kw，额定电压 380V，额定电流 7A，额定转速 1450rpm。 2、各个皮带的长度为 2 米。 进度 计划 1、熟悉课程设计题目，查找及收集相关书籍、资料（2 天） ；2、设计系统的结构原理图（1 天） ； 3、仪表、控制系统等设备的选型（1 天） ；4、程序开发（4 天） ；5、撰写课设论文（1.5 天） ； 6、设计结果考核（0.5天） ； 指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日 摘 要 皮带运输机又称带式输送机，是一种连续运输机械，也是一种通用机械。皮 带运输机被广泛应用在港口、电厂、钢铁企业、水泥、粮食以及轻工业的生产线。 即可以运送散状物料，也可以运送成件物品。工作过程中噪音较小，结构简单。 皮带运输机可用于水平或倾斜运输。皮带运输机还应用与装船机、卸船机、堆取 料机等连续运输移动机械上。皮带运输机由皮带、机架、驱动滚筒、改向滚筒、 承载托辊、回程托辊、张紧装置、清扫器等零部件组成。在大型港口或大型冶金 企业，皮带运输机得到最广泛的应用。 利用 S7-200 系列的 PLC 控制皮带传输机，即方便又体积小，利用 PLC 的 输入，输出，直接连接电机，通过定时器逐台启动电机，这样可以防止物料的堆 积。通过利用物料过高报警系统，断带报警系统，越界报警系统，可以使系统正 常的运行，万一发生断带，越界，物料堆积，也不会造成太的危险和损失。 关键词：皮带运输机；S7-200；监控；MCGS 目 录 第 1 章 绪论 1 第 2 章 课程设计的方案 2 2.1 概述 .2 2.2 系统组成总体结构 .2 2.3 系统 I/O 分配 .2 第 3 章 硬件设计 4 3.1 系统的硬件设计 .4 3.2 主回路电机的外部接线设计 .4 3.3 系统电气原理设计 .5 3.4 驱动装置的选择 .5 3.4.1 电机的选用 .6 3.4.2 减速器的选用 .6 3.4.3 液力偶合器 .6 3.4.4 联轴器 .6 3.5 带式输送机部件的选用 .7 第 4 章 软件设计 8 4.1 系统的软件流程图 .8 4.1.1 系统的启动流程 .8 4.1.2 系统的停止流程 .9 4.2 程序编写 .9 4.3 组态监控 12 第 5 章 系统测试与分析/实验数据及分析 13 第 6 章 课程设计总结 .16 参考文献 17 第 1 章 绪论 本次设计选择了用 PLC 来控制皮带机的整个运行过程，PLC 的运用使得系统 的电路变得简明清楚，而且十分便于日后的运行维护。 带式输送机（Belt Conveyor）于 19 世纪初开始萌芽，而于 19 世纪 60 年代慢 慢地被人使用，早期之带式输送机其轮使用铸铁实心圆筒做成，笨重且耗电，直 到 19 世纪 90 年代，滚轮改造为空心并装上抗磨轴承之后，带式输送机才显示其 优势，一般而言，带式输送机具有以下之优点。 （1）信赖度高，安全可靠； （2）高度节省能源； （3）人工费用节省； （4）可连续大量的物料，且输送能量可大可小； （5）可配合多种原料输送设备，如堆取料机装船机卸料机等使用。 在工业应用上，输送机随处可见，从输送原材料，到输送产品，到组装产 品的流水线作业，无不要用到各种各样的输送机，现代工业的自动化已经离不开 输送机。 在农业上，输送机也得到了越来越多的应用，如收割稻谷等的联合收割机， 用于采摘水果的输送机，用于筛选农产品的输送机等等。农业规模化要依靠输送 机，农业现代化的进程中少不了输送机的重要作用。 从带式输送机的发展趋势来看，将走向更加环保化，自动化，计算机化控制。 带式输送机近年来的发展一直走向自动化，整个输送系统均可由控制中心来控制 及操作，但是操作员难免会产生误操作的情形，因此为摆脱这种人力上的局限， 今后的趋势是走向计算机化控制。 PLC 即可编程控制器（Programmable logic Controller） ，是指以计算机技术为 基础的新型工业控制装置。在 1987 年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的 PLC 标准草案中对 PLC 做了如下定义： PLC 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它 采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、 计数和算术运算等操作的指令，并能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。PLC 及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系 统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。 PLC 在皮带机上面的应用，使的皮带机的控制机构变得简单，运行更加可靠， 同时维修起来也是十分的简单方便。 第 2 章 课程设计的方案 2.1 概述 在本监控系统的设计中，最主要的控制对象是皮带机。带式输送机是一种 连续运输机械。带式输送机可用于水平或倾斜运输，还可用于装船机、卸船机、 堆取料机等连续运输机械上。在大型港口、矿山或冶金企业，带式输送机得到了 广泛应用。其单根皮带长度可以是几十米甚至几千米，运输线的总长度可达十几 千米。带式输送机输送机的输送能力可以为几百千克/小时到万吨/小时。带式输 送机是散料连续运输机械，是应用于短距离连续运输的重要机械设备。因此，在 实际生产应用中，对皮带运输过程进行监控显得尤为重要。 带式输送机由皮带、机架、驱动滚筒、该向滚筒、承载托辊、回程托辊、张 紧装置、清扫器等零部件组成。带式输送机的驱动装置由单个或多个驱动滚筒驱 动，驱动电机可以是单个电机或多个电机驱动。 三级皮带输送机，控制系统需完成以下功能： （1）按启动按钮，电动机 C 启动，C 运转 2 秒后，电动机 B 自动启动，B 运转 2 秒后，电动机 A 自动启动，A 运转 2 秒后，料阀 D 自动打开； （2）按停止按钮，料阀 D 关闭，延时 10 秒后，A 自动停运，A 停运 10 秒 后 B 自动停运，B 停运 10 秒后 C 自动停运。 2.2 系统组成总体结构 图 2.1 为多级皮带输送机控制系统总体设计。 图2.1 多级皮带输送机控制系统结构框图 2.3 系统 I/O 分配 多级皮带输送机控制系统采用三级皮带输送机控制，控制系统需完成以下功 皮带状态 PLC电动机动作 能： （1）按启动按钮，电动机 C 启动，C 运转 2 秒后，电动机 B 自动启动，B 运转 2 秒后，电动机 A 自动启动，A 运转 2 秒后，料阀 D 自动打开； （2）按停止按钮，料阀 D 关闭，延时 10 秒后，A 自动停运，A 停运 10 秒后 B 自动停运，B 停运 10 秒后 C 自动停运。 其 I/O 分配见表 2.1。 表2.1 三级皮带输送机控制系统I/O分配 功能I/O 分配 启动I0.0 停止I0.5 料阀Q0.1 电动机 AQ0.2 电动机 BQ0.3 电动机 CQ0.4 第 3 章 硬件设计 3.1 系统的硬件设计 本系统基于 S7-200PLC 控制，CPU 选择 CPU224，输入模块选择 EM221，输 出模块选择 EM222，其模块连接方式见图 3.1。 图3.1 模块连接方式 3.2 主回路电机的外部接线设计 图 3.2 为主回路的电机外部接线设计。本次设计因为有三级皮带机，故需要 三个电机来拖动，当然需要有一些短路、过载等保护。 图3.2 主回路的电机外部接线图 主机 CPU224 模块 1 EM221 DI8 DC24V 模块 2 EM222 DO8 DC24V 3.3 系统电气原理设计 根据系统设计要求，设计出如图 3.2 的系统电气原理图。 图3.2 系统电气原理图 3.4 驱动装置的选择 带式输送机的负载是一种典型的恒转矩负载，而且不可避免地要带负荷起动 和制动。电动机的起动特性与负载的起动要求在带式输送机上比较突出，一方面 为了保证必要的起动力矩，电机起动时的电流要比额定运行时的电流大 67 倍， 要保证电动机不因电流的冲击过热而烧坏，电网不因大电流使电压过分降低，这 就要求电动机的起动要尽量快，使起动过程不超过 35s。驱动装置是整个皮带 输送机的动力来源，它由电动机、偶合器，减速器 、联轴器、传动滚筒组成。 驱动滚筒由一台电机通过各自的联轴器、减速器、和链式联轴器传递转矩给传动 滚筒。 传动滚筒采用焊接结构，主轴承采用调心轴承，传动滚筒的机架与电机、减 速器的机架均安装在固定大底座上面，电动机可安装在机头任一侧。 3.4.1 电机的选用 电动机额定转速根据生产机械的要求而选定，一般情况下电动机的转速不低 500r/min，本设计皮带机所采用的电动机的额定功率 22Kw，额定电压 380V，额 定电流 7A，额定转速 1450rpm。拟采用 YB200JDSB型电机，该型电机转矩 大，可以满足要求。 3.4.2 减速器的选用 选取输送带宽为 800mm，传动滚筒的直径 D 为 500mm，则工作转速为， 6060 1.6 61.15 /min 0.5 w v nr D 已知电机转速为1450 r/min，则电机与滚筒之间的总传动比为： m n 1450 23.724 61.15 m w n i n 本次设计选用 JS30 型矿用减速器，传动比为 25。 3.4.3 液力偶合器 目前，在带式输送机的传动系统中，广泛使用液力偶合器，它安装在输送机 的驱动电机与减速器之间，电动机带动泵轮转动，泵轮内的工作液体随之旋转， 这时液体绕泵轮轴线一边作旋转运动，一边因液体受到离心力而沿径向叶片之间 的通道向外流动，到外缘之后即进入涡轮中，泵轮的机械能转换成液体的动能， 液体进去涡轮后，推动涡轮旋转，液体被减速降压，液体的动能转换成涡轮的机 械能而输出作功。 本次设计选用的 YOD400，输入转速为 1450rmin，效率达 0.96，起动系数 为 1.31.7。 3.4.4 联轴器 本次驱动装置的设计中，较多的采用联轴器，这里对其做简单介绍： 联轴器是机械传动中常用的部件。它用来把两轴联接在一起，机器运转时两 轴不能分离；只有在机器停车并将联接拆开后，两轴才能分离。 联轴器所联接的两轴，由于制造及安装误差、承载后的变形以及温度变化的 影响等，往往不能保证严格的对中，而是存在着某种程度的相对位移。这就要求 设计联轴器时，要从结构上采取各种不同的措施，使之具有适应一定范围的相对 位移的性能。 根据对各种相对位移有无补偿能力，联轴器可分为刚性联轴器（无补偿能力） 和挠性联轴器（有补偿能力）两大类。挠性联轴器又可按是否具有弹性元件分为 无弹性元件的挠性联轴器和有弹性元件的挠性联轴器两个类别。 3.5 带式输送机部件的选用 输送带在带式输送机中既是承载构件又是牵引构件，它不仅要有承载能力， 还要有足够的抗拉强度。输送带有带芯和覆盖层组成。输送机的带芯主要是有各 种织物或钢丝绳构成。按输送带带芯结构及材料不同，输送带被分成织物层芯和 钢丝绳芯两大类。 钢丝绳芯输送带是有许多柔软的细钢丝绳相隔一定的间距排列，用与钢丝绳 有良好粘合性的胶料粘合而成。钢丝绳芯输送带的纵向拉伸强度高，抗弯曲性能 好；伸长率小，需要拉紧行程小。同其它输送带相比，钢丝绳芯输送带的厚度小。 第 4 章 软件设计 4.1 系统的软件流程图 4.1.1 系统的启动流程 如图 4.1 为系统启动的软件流程。 图4.1 系统启动的软件流程 启动 电动机 C 转动 2s 到否？ 电动机 B 转动 2s 到否？ 电动机 A 转动 2s 到否？ 料阀开启 Y Y Y N N N 4.1.2 系统的停止流程 如图 4.2 为系统停止的软件流程。 图4.2 系统关闭的软件流程 4.2 程序编写 采用西门子 STEP7 软件进行梯形图编写，编写程序如图 4.3。 停止 料阀关闭 10s 到否？ 电动机 A 停止 10s 到否？ 电动机 B 停止 10s 到否？ 电动机 C 停止 Y Y Y N N N （a）系统梯形图（Network1-3） （b）系统梯形图（Network4-7） （c）系统梯形图（Network8） 图4.3 系统梯形图程序 4.3 组态监控 本系统采用 MCGS 组态软件进行组态，完成系统界面监控。其监控画面见图 4.4。 图4.4 监控画面 第 5 章 系统测试与分析/实验数据及分析 经 STEP-7 软件编程完毕后，在面板上进行程序仿真演示。图 5.1 为系统仿真 面板。 图5.1 系统仿真面板 图 5.2 为启动按钮按下后，启动电动机 C 的实景。 图5.2 电动机C启动实景 图 5.3 为 2s 定时时间到后，电动机 B 启动的实景，此时皮带 C 和皮带 B 正 常工作。 图5.3 电动机B启动实景 图 5.4 为电动机 B 启动后 2s，电动机 A 启动的实景，至此全部传送带工作。 图5.4 电动机A启动实景 再过 2s 后，料阀开启，原料从料阀送出，经传送带传送出去。 第 6 章 课程设计总结 本次设计我做的题目是多级皮带输送机控制系统设计 。 皮带运输机又称带式输送机，是一种连续运输机械，也是一种通用机械。皮 带运输机被广泛应用在港口、电厂、钢铁企业、水泥、粮食以及轻工业的生产线。 即可以运送散状物料，也可以运送成件物品。工作过程中噪音较小，结构简单。 皮带运输机可用于水平或倾斜运输。皮带运输机还应用与装船机、卸船机、堆取 料机等连续运输移动机械上。皮带运输机由皮带、机架、驱动滚筒、改向滚筒、 承载托辊、回程托辊、张紧装置、清扫器等零部件组成。在大型港口或大型冶金 企业，皮带运输机得到最广泛的应用。 利用 S7-200 系列的 PLC 控制皮带传输机，即方便又体积小，利用 PLC