斗轮堆取料机的PLC控制系统设计.doc

华北电力大学本科毕业设计（论文）斗轮堆取料机的PLC控制系统设计摘要斗轮堆取料机是现代化工业大宗散状物料连续装卸的高效设备，目前已经广泛应用于港口、码头、冶金、水泥、钢铁厂、焦化厂、储煤厂、发电厂等散料存储料场的堆取作业。随着社会发展，料场的吞吐量越来越高，斗轮堆取料机是料场工作运行的核心机械，斗轮堆取料机的生产力决定了料场的工作效率，因此有必要提高斗轮堆取料机工作效率。PLC集成控制技术发展迅速，应用于斗轮堆取料机能够大大提高工作效率，减少劳动成本。本设计对斗轮堆取料机的PLC控制系统进行了详细研究。应用PLC控制完成斗轮堆取料机的堆料取料等工作过程，设计程序包含了应有的限制保护等，简单安全。首先，讨论了斗轮堆取料机的工作流程，并选择最优堆取料工艺。然后选择适当PLC型号。了解斗轮堆取料机各部分动作原理，并给出了控制方案。为后面设计PLC控制程序打下了基础。经过系统分析设计要求，设计开发了斗轮堆取料机的PLC控制系统。该系统具有较好的稳定性、可靠性。关键词：斗轮堆取料机；PLC；自动控制A PLC CONTROL SYSTEM DESIGN OF STACKER-RECLAIMERSAbstractStacker-reclaimer is the efficient equipment of modern industrial for loading and unloading bulk disperses the shape material.At present it has been used widely in port and dock, metallurgy, cement, steel mills, coking plant, store yard, power plants and bulk material storage yard. With the development of society, throughput of yard becomes more and more higher. Stacker-reclaimer is the core of the operational concepts of machinery. The productivity of stacker-reclaimer determines the yard work efficiency. So it is necessary to improve the stacker-reclaimer work efficiency. PLC integration control technology is developing rapidly. In the application of stacker-reclaimer can greatly improve the work efficiency, and reduce labour cost. This issue makes a brief survey about PLC controlling system of stacker-reclaimer. PLC controlling helps finish feeding, material taking and some other process of stacker-reclaimer. The designing programs include the necessary limit, easy and safe.First, it refers to the working process of stacker-reclaimer, and determines the perfect working process of feeding and material taking. Then I choose the appropriate PLC type. Making sense of the moving principles of stacker-reclaimers every part, and coming up with the controlling design. And making the solid foundation of the following PLC programming design. After analysis the design requirements, I designed the PLC control system of stacker-reclaimer. This system has a good stability and reliability.Keywords: Stacker-reclaimer; PLC; Automatic controlI华北电力大学本科毕业设计（论文）目 录摘要IAbstractII1绪论11.1课题背景11.2斗轮堆取料机发展概况11.2.1国内斗轮堆取料机发展概况11.2.2国外斗轮堆取料机发展概况21.3 PLC发展概况21.3.1国内PLC发展概况21.3.2国外PLC发展概况31.4 斗轮堆取料机工作过程31.4.1斗轮堆取料机堆料工艺流程41.4.2斗轮堆取料机取料工艺流程51.4本文主要研究内容52斗轮堆取料机的PLC控制系统设计62.1电气元件选型62.1.1 接触器的选用62.1.2 继电器的选择72.1.3 熔断器的选择72.1.4 按钮、刀开关、组合开关、限位开关及自动开关的选择82.2 PLC机型选择82.2.1 输入输出（I/O）点数的估算92.2.2 存储器容量的估算92.2.3 控制功能的选择92.2.4 机型的选择112.3 PLC I/O节点分配122.4斗轮堆取料机自动堆取料工艺流程设计142.4.1 自动堆料工艺设计142.4.2自动取料工艺设计152.5 PLC控制程序设计19参考文献30附录A 欧姆龙PLC型号信息31附录B 程序指令表33致谢351绪论1.1课题背景科学技术的日新月异，自动化程度要求越来越高，市场竞争激烈、人工成本上涨，以往的人工操作方式已经无法满足社会的发展。轻劳动强度，保障生产的可靠性、安全性，降低生产成本，减少环境污染、提高产品的质量及经济效益是企业生成所必须面临的重大问题。斗轮堆取料机是现代化工业大宗散状物料连续装卸的高效设备，目前已经广泛应用于港口、码头、冶金、水泥、钢铁厂、焦化厂、储煤厂、发电厂等散料（矿石、煤、焦碳、砂石）存储料场的堆取作业。PLC集成自动控制技术、计量技术、新传感器技术、计算机管理技术于一体的机电一体化产品；充分利用计算机技术对生产过程进行集中监视、控制管理和分散控制；充分吸收了分散式控制系统和集中控制系统的优点，采用标准化、模块化、系统化设计，配置灵活、组态方便。1.2斗轮堆取料机发展概况目前斗轮堆取料机普遍采用PLC和变频器调速、液压驱动、网络控制等技术。其生产能力显著提升，造型得到了改进，产品向大型化、多样化、无人化、环保和配套国际化方向发展。国际市场对斗轮堆取料机需求量大。随着技术的发展和用户对产品性能、质量要求的提高，斗轮堆取料机还会不断发展和完善。通过技术进步和创新，会有更多更好的国产斗轮堆取料机产品问世，投向国内外市场。1.2.1国内斗轮堆取料机发展概况国内斗轮堆取料机的发展基本经历了三个阶段。20世纪60年代、70年代，国内开始设计小型斗轮堆取料机，典型机型有3025、8030等，取料出力分别为300t/h、800t/h，回转半径分别为25m和30m。20世纪80年代、90年代，是斗轮堆取料机发展的第二阶段。钢厂、电厂等新建设的散料堆场逐步采用了大型斗轮堆取料机，用于散料的堆取和转运，例如上海宝钢、秦皇岛码头料场，斗轮堆取料机取料出力达到2000t/h，回转半径达到40m。受当时国内条件的限制，这些料场输送设备的建设多是合作制造或者整机进口的，甚至整套散料输送系统都是引进国外的。2000年后，国内斗轮堆取料机发展到了一个新阶段。迄今为止，国内厂家具备了3006000t/h生产能力、2560m回转半径斗轮堆取料机系列产品的设计和制造能力。这一阶段中，国外厂商仍占据一定份额，但国内厂家掌握了相当的技术、生产能力，并凭借服务、价格优势占据了国内市场的主流地位，并逐渐走向国际市场。国内斗轮堆取料机的发展在近五六年里发展非常迅速。尤其受国民经济固定资产投资的影响，国内的需求量增长比较大，是近十几年来少有的，主要表现在港口、电厂、钢铁企业的煤炭和铁矿石的料场增长迅速，能源、原材料行业的发展也给斗轮堆取料机的产业发展创造了十分良好的发展环境。市场需求的增加，激发了国内制造企业对斗轮堆取料机研发和创新的信心，特别是一些大型堆取料机的研发，提高了国内企业自行设计制造大型设备的能力。国内的斗轮堆取料机不论在产量上还是在质量上都有非常大的提高，这五六年里新增的斗轮堆取料机的总和几乎达到之前所制造的斗轮堆取料机设备数量的总和。在斗轮堆取料机的整体上，设备的设计和制造的细节需要改进，尤其在产品的机构设计的细节处理上，与国外先进的公司产品存在较大的差距。因此提高产品细节方面的设计是国内产品制造商需要迫切解决的问题。电气与控制系统的硬件与国外公司的产品基本山没什么差别，而在PLC软件设计上存在一定的差距，其中也包括产品设计的可靠性，PLC程序编制的规范性，一次仪表的选型和设计的可靠性等。1.2.2国外斗轮堆取料机发展概况在国外，斗轮堆取料机作为散状物料装卸机械的使用是从上世纪初期开始的，它是由斗轮挖掘机演变而来的。计算机技术的发展使计算速度加快，数据存储和读取更加方便。各种网络技术使得数据传输更加容易，为斗轮堆取料机无人化打下了硬件基础。所谓斗轮堆取料机全自动无人化，概要的讲就是由操控人员在中控室选择堆料位置、按启动按钮，堆取料机自动寻位进行自动堆取料作业。国外的iSAM AG和西门子公司是从事料场设备无人化集成较早的公司。无人化斗轮堆取料机的操作是操作人员在中控室通过电脑屏幕监控堆取料机的各种运行和故障信息，必要时进行手动干预。堆取料机完全自动运行，设备上无人操作1。目前，西方发达国家港口用的斗轮堆取料机，大部分实现了全自动无人化运行，其他国家也在计划和准备订购全自动无人化的斗轮堆取料机。如韩国浦项制铁就计划采购该种斗轮堆取料机，印度巴西等用户也有使用无人斗轮堆取料机的意向。1.3 PLC发展概况自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）取代传统继电器控制装置以来，PLC得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。同时，PLC的功能也不断完善。随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。今天的PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。1.3.1国内PLC发展概况我国从1974年开始研制，1977年开始工业推广应用。进入20世纪70年代，随着微电子技术的发展，尤其是PLC采用通讯微处理器之后，这种控制器就不在不局限于当初的逻辑运算了，功能得到更进一步增强。进入20世纪80年代，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的迅猛发展，以16位和少数32位微处理器构成的微机化PLC，使PLC的功能增强，工作速度快，体积减小，可靠性提高，成本下降，编程和故障检测更为灵活，方便。近10年来，随着PLC价格的不断降低和用户需求的不断扩大，越来越多的中小设备开始采用PLC进行控制，PLC在我国的应用增长十分迅速。随着中国经济的高速发展和基础自动化水平的不断提高，今后一段时期内PLC在我国仍将保持高速增长势头。我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。1.3.2国外PLC发展概况1969年美国数字设备公司成功研制世界第一台可编程序控制器PDP-14，并在GM公司的汽车自动装配线上首次使用并获得成功。接着美国MODICON公司也研制出084控制，从此，这项新技术迅速在世界各国得到推广应用。1971年日本从美国引进这项技术，很快研制出第一台可编程序控制器DSC-18。1973年西欧国家也研制出他们的第一台可编程控制器。 在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable Controller（PC）。个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC）。上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。 1.4 斗轮堆取料机工作过程它有堆料和取料两种作业方式。堆料由带式输送机运来的散料经尾车卸至臂架上的带式输送机，从臂架前端抛卸至料场。通过整机的运行，臂架的回转、俯仰可使料堆形成梯形断面的整齐形状。取料是通过臂架回转和斗轮旋转连续实现的。物料经卸料板卸至反向运行的臂架带式输送机上，再经机器中心处下面的漏斗卸至料场带式输送机运走。通过整机的运行，臂架的回转、俯仰，可使斗轮将储料堆的物料取尽如图1-1。图1-1斗轮堆取料机料场作业1.4.1斗轮堆取料机堆料工艺流程堆料作业工艺有行走堆料、旋转堆料、定点堆料三种基本方式。1. 行走堆料堆料分数层、数列进行断续行走定点堆积。由料堆高度检测器检测出煤点的高度（或人工控制），发出指令，控制行走机构进行微动，一堆接一堆地进行堆积，达到设定位置，进行换列操作，反向堆积；当堆完第一层各列后，进行换层操作，继续第二层堆积，继而堆完最后一小堆。该工艺特点是，可把不同煤种进行混堆，这样堆放的煤堆，在采取回转取料时，入炉煤基本为混煤2。2. 旋转堆料臂架始终固定在预定堆积高度上往返旋转堆积，达到设定次数后（堆积到一定高度），图1-2 旋转堆料行走机构微动一个设定距离，依次进行作业。该工艺特点是，这样堆放出的煤场形状较好，便于碾压，但所需存煤场地要求较大。旋转堆料如图1-2所示。3. 定点堆料第一堆分数层进行堆积，待煤堆分数次堆积到一定高度时，臂架高度保持不变，按预先设定的旋转方向和角度旋转到第二个堆料点继续堆，达到旋转范围后，即开动行走机构微动一个设定距离，这样一直堆积到设定的堆料长度后停止作业。该工业特点是，需要存放场地小，当煤场存放空间小，新、旧煤分堆时适宜采用该堆料方式，但不利于煤场整形和碾压。1.4.2斗轮堆取料机取料工艺流程取料方法分为旋转分层取料和定点斜坡取料。旋转分层取料又分为分段和不分段两种。1. 分层分段取料把斗轮置于料堆顶层作业点上，然后旋转控制开始取料，每达到旋转范围时，行走机构微动一个设定距离，按照设定的供料段长度取完第一层后，进行换层操作。当取完最下一层后进行换段操作。把斗轮置于第二段最顶层的作业开始点上，重复进行取料。该工艺特点是，有利于煤场存煤实现存新取旧，防止煤存放时间较长，而出现存煤消耗。2. 分层不分段取料把斗轮置于堆料层最顶层作业点上，然后旋转控制开始取料，每达到旋转范围时，行走机构微动一个设定距离，开始反向旋转取料，直至取到尽头，随后大车返回开始作业点，同时臂架下降一个吃煤深度，继续上述过程取第二层煤。这种方式的特点是，取料后煤场煤堆形状较好，适用于汽车进煤的煤场，但不利于煤场存煤倒烧。3. 斜坡取料斗轮沿堆料的斜坡按照一定的进给量由上往下逐层旋转上煤，斗轮大臂每下降一次，大车都要后退一个距离，当取料达到要求的取料深度后，行走机构再向前走一个斗深，同时大臂抬起，进行第二个斜坡取料。这种方式适用于从煤堆中部取煤。1.4本文主要研究内容在斗轮堆取料机的PLC控制系统设计过程中主要进行了如下五个方面的工作：1）确定斗轮堆取料机对PLC控制系统的要求2）绘制斗轮堆取料机控制系统的工艺过程控制流程图3）确定输入、输出点数，绘制I/O分配表4）选定PLC型号5）设计控制系统梯形图并编制指令语句程序首先通过阅读相关资料了解斗轮堆取料机工作过程，然后设计自动控制流程，最后设计控制系统梯形图，实现对斗轮堆取料机的自动控制系统。2斗轮堆取料机的PLC控制系统设计本设计题目为斗轮堆取料机的PLC控制系统设计，主要目的是，应用PLC实现斗轮堆取料机的自动控制，提高斗轮堆取料机工作效率，减少劳动力。目前PLC发展迅速，国内近些年开始研究斗轮堆取料机的无人自动控制，在国外大部分斗轮堆取料机已经实现了无人自动控制。在程序优化方面国内还需进一步研究，在本设计中提出了简易高效的堆取料工艺，预期能编写出更加简易程序。2.1电气元件选型2.1.1 接触器的选用接触器的选用，应根据负荷的类型和工作参数合理选用。具体分为以下步骤：1） 接触器种类的选择：根据接触器控制的负载性质来相应选择直流接触器还是交流接触器；一般场合选用电磁式接触器，对频繁操作的带交流负载的场合，可选用带直流线圈的交流接触器。2） 接触器适用类别的选择：接触器按负荷种类一般分为一类、二类、三类和四类，分别记为AC-1、AC-2、AC-3和AC-4.一类交流接触器对应的控制对象是无感或微感负荷，如白炽灯、电阻炉等；二类交流接触器用于绕线式异步电动机的启动和停止；三类交流接触器典型用途是鼠笼式异步电动机的启动和运行中分段；四类交流接触器用于笼型异步电动机的启动、反接制动、反转和电动。可根据接触器所控制负载的工作任务来选择相应使用类别的接触器。对于生产中的广泛使用的中、小容量鼠笼型异步电动机来说，大多数负载是一般任务，故应选择AC-3使用类别；对于控制机床电动机用接触器，其负载情况较为复杂，如果负载明显属于重任务，则应选择AC-4类别，如果负载为一般任务与重任务混合时，则可根据实际情况选用AC-3或AC-4类接触器，如选用AC-3类时，应降级使用。3） 接触器额定电压的确定：接触器主触点的额定电压应根据主触点所控制负载电路的额定电压来确定，接触器的额定电压应等于负载电路的额定电压。4） 接触器额定电流的选择：一般情况下，接触器主触点的额定电流应大于等于负载或电动机的额定电流，当接触器用于电动机的频繁起动、制动或正反转场合，一般可将其额定电流降一个等级来选用。5） 接触器线圈额定电压的确定：接触器线圈的电流种类和电压等级应与控制电路相同。对于交流电路，为保持安全，一般接触器线圈选用110V、127V,并由控制变压器供电。但如果控制电路比较简单，所用的接触器数量较少时，为省去控制变压器，可选用380V、220V电压。6） 接触器触点数目的确定：在三相交流系统中一般选用三极接触器，即三对常开主触点，当需要同时控制中性线时，则选用四极交流接触器。在单相交流和直流系统中则常用两极或三极并联接触器。交流接触器通常有三对常开主触点和四到六对辅助触点，直流接触器通常用两对常开主触点和四对辅助触点。一般应根据系统控制要求确定所需的触点数及种类，同时应注意触点的通断能力和其他额定参数。7） 接触器额定操作频率：交、直流接触器额定操作频率一般有600次/h、1200次/h等几种，一般说来，额定电流越大，则操作频率越低、可根据实际需要选择。以行走电机为例，电机容量为22KW，电压为380V，K取1.2，即接触器的电流为1*22*1000/（380*1.2）=48.25A，主触头为3级，所以行走电机的接触器选用型号为：LC1-D1S1OM5N，其他接触器选择型号计算相同具体型号见表2-1。表2-1 接触器型号名称型号或代号额定电流数量行走电机接触器CJ10-60606夹轨器接触器CJ10-20204电缆卷筒接触器CJ10-202012.1.2 继电器的选择 1）电磁式继电器的选用 中间继电器、电流继电器、电压继电器都属于这一类。选用的主要依据是：被控制或被保护对象的特性、触头的种类、数量、控制电路的电压、电流、负载性质等因素。线圈电压、电流应满足控制线路的要求。如果控制电流超过继电器触头定额电流，可将触头并联使用，也可以采用触头串联使用方法来提高触头的分断能力。 2）时间继电器的选用 选用时应考虑延时方式(通电延时和断电延时)、延时范围、延时精度要求、外形尺寸、安装方式、价格等因素。常用时间继电器有气囊式、电动式及晶体管等，在延时精度要求不高，电源电压波动大的场合，宜选用价格较低的气囊式、电磁式时间继电器。当延时范围大，精度要求高时，可选用电动式和和晶体管式时间继电器。 3）热继电器的选用 对于工作时间短，停歇时间长的电动机，如机床的刀架或工作台的快速移动，横梁升降、夹紧等运动，以及虽长期工作但过载的可能性很小的电动机，如排风扇，可以不设过载保护，除此以外一般电动机都应考虑过载保护。 热继电器有两相式、三相式及三相带断相保护等型式。对于星形接法的电动机及电源对称性较好的可采用两相结构的热继电器。对于三角形接法的电动机或电源对称性不够好的情况则应选用三相结构的热继电器。而在重要场合或容量较大的电动机，可选用半导体温度继电器来进行过载保护。 热继电器发热元件额定电流，原则上按被控电动机的额定电流选取，并一次去选择发热元件编号和一定的调节范围。 根据要求选用NR2-36/Z型，保护整定值36A，型号CJX2-32。122.1.3 熔断器的选择 熔断器的选择主要内容是其类型、额定电压、熔断器额定电流等级与溶体额定电流。根据负载保护特性、短路电流大小、各类熔断器的使用范围来选用熔断器的类型，额定电压是根据被保护电路的电压来选择的 溶体的额定电流是选择熔断器的关键，他与负载大小、负载性质密切相关。对于负载平稳、无冲击电流，如照明、信号、电热电路可直接按负载额定电流选取。对于像电动机一类有冲击电流负载，溶体额定电流可按下列公式计算： 单台电动机长期工作 IR=（1.52.5）IN多台电动机长期共用一个熔断器保护 IR（1.52.5）INmax+IN 式中INmax为容量最大的一台电动机的额定电流；IN是除去容量最大的电动机之外，其余电动机额定电流之和。 轻载及启动时间短时，系数取1.5，启动负载较重及启动时间长，启动次数又3较多的情况，则取2.5。 熔体额定电流的选择还要照顾到上下级保护的配合，以满足选择性保护要求，使下一级熔断器的分断时间较上一级熔断器熔体的分断时间要小，否则将会发生越级动作，扩大停电范围。根据需要选取RL1-15型熔断器，具体参数为：熔断器额定电流：15A，熔断器额定电压：500V。 2.1.4 按钮、刀开关、组合开关、限位开关及自动开关的选择 1）按钮 按钮通常是用来短时接通或断开小电流控制电路的一种主令电器。其选用依 据主要是根据需要的触点对数、动作要求、是否需要带指示灯，使用场合以及颜色等要求。按钮产品有多种结构形式、多种触头组合及多种颜色，供不同使用条件选用。例如，紧急操作一般选用蘑菇型，停止按钮。常选用红色等，起额定电压有交流500v，直流440v，额定电流5A。 2）刀开关 又称闸刀，主要用于接通和切断长期工作设备的电源及不经常启动及制动、容量小于7.5KW的异步电动机。刀开关选用时，主要是依据电源种类、电压等级、断流容量及需要极数。当用刀开关来控制电动机时，其额定电流要大于电动机额定电流的3倍。 3）组合开关 主要用于电源的引入，所以又叫电源隔离开关。其选用依据是电源种类电压等级、触头数量以及断流容量。当采用组合开关来控制5KW以下容量异步电动机时，其额定电流一般为（1.52.5）IN，接通次数小于（1520）次/小时。 4）限位开关 主要用于位置控制或有位置保护要求的场合。选用时主要根据机械位置对开关形式的要求和控制线路对触头数量的要求，以及电压、电流来确定其型号。 5）自动开关 由于自动开关具有很好的保护作用，故在电气设计的应用中越来越多。自动开关的种类很多，有框架式、塑料外壳式、限流式、手动操作式和电动操作式。在选用时，主要从保护特性要求（几段保护）、分断能力、电网电压类型、电压等级、长期工作负载的平均电流、操作频繁程度等及方面去确定它的型号。在初步确定自动开关的类型和等级后，各级保护动作值的整定还必须和上、下级开关保护特性的协调配合，从总体上满足系统对选择性的保护的要求3。 根据要求，选取LX22-6型行程开关，其额定电压为交流380V，额定电流为20A，允许最大速度为300m/min。根据要求万能转换开关选取LW2-W型，额定电压为交流220V，允许最大分段电流正常情况为30A，故障情况为40A。2.2 PLC机型选择随着PLC技术的发展，PLC产品的种类也越来越多。不同型号的PLC，其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等也各有不同，适用的场合也各有侧重。因此，合理选用PLC，对于提高PLC控制系统的技术经济指标有着重要意义。在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。PLC及有关设备应是集成的、标准的，按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则选型所选用PLC应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统，PLC的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。熟悉可编程序控制器、功能表图及有关的编程语言有利于缩短编程时间，因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。2.2.1 输入输出（I/O）点数的估算 I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%20%的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。实际订货时，还需根据制造厂商PLC的产品特点，对输入输出点数进行圆整。本设计共28个输入点39个输出点。2.2.2 存储器容量的估算 存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的1015倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。2.2.3 控制功能的选择该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。1)运算功能：简单PLC的运算功能包括逻辑运算、计时和计数功能；普通PLC的运算功能还包括数据移位、比较等运算功能；较复杂运算功能有代数运算、数据传送等；型PLC中还有模拟量的PID运算和其他高级运算功能。随着开放系统的出现，目前在PLC中都已具有通信功能，有些产品具有与下位机的通信，有些产品具有与同位机或上位机的通信，有些产品还具有与工厂或企业网进行数据通信的功能。设计选型时应从实际应用的要求出发，合理选用所需的运算功能。大多数应用场合，只需要逻辑运算和计时计数功能，有些应用需要数据传送和比较，当用于模拟量检测和控制时，才使用代数运算，数值转换和PID运算等。要显示数据时需要译码和编码等运算。2）控制功能：控制功能包括PID控制运算、前馈补偿控制运算、比值控制运算等，应根据控制要求确定。PLC主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能，提高PLC的处理速度和节省存储器容量。例如采用PID控制单元、高速计数器、带速度补偿的模拟单元、ASC码转换单元等。3）通信功能：大中型PLC系统应支持多种现场总线和标准通信协议（如TCP/IP），需要时应能与工厂管理网（TCP/IP）相连接。通信协议应符合ISO/IEEE通信标准，应是开放的通信网络。PLC系统的通信接口应包括串行和并行通信接口（RS2232C/422A/423/485）、RIO通信口、工业以太网、常用DCS接口等；大中型PLC通信总线（含接口设备和电缆）应1：1冗余配置，通信总线应符合国际标准，通信距离应满足装置实际要求。PLC系统的通信网络中，上级的网络通信速率应大于1Mbps，通信负荷不大于60%。PLC系统的通信网络主要形式有下列几种形式：1）PC为主站，多台同型号PLC为从站，组成简易PLC网络；2）1台PLC为主站，其他同型号PLC为从站，构成主从式PLC网络；3）PLC网络通过特定网络接口连接到大型DCS中作为DCS的子网；4）专用PLC网络（各厂商的专用PLC通信网络）。为减轻CPU通信任务，根据网络组成的实际需要，应选择具有不同通信功能的（如点对点、现场总线、工业以太网）通信处理器。4） 编程功能 离线编程方式：PLC和编程器公用一个CPU，编程器在编程模式时，CPU只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。完成编程后，编程器切换到运行模式，CPU对现场设备进行控制，不能进行编程。离线编程方式可降低系统成本，但使用和调试不方便。在线编程方式：CPU和编程器有各自的CPU，主机CPU负责现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。这种方式成本较高，但系统调试和操作方便，在大中型PLC中常采用。五种标准化编程语言：顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、功能模块图（FBD）三种图形化语言和语句表（IL）、结构文本（ST）两种文本语言。选用的编程语言应遵守其标准（IEC6113123），同时，还应支持多种语言编程形式，如C，Basic等，以满足特殊控制场合的控制要求。5)诊断功能：PLC的诊断功能包括硬件和软件的诊断。硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。通过软件对PLC内部的性能和功能进行诊断是内诊断，通过软件对PLC的CPU与外部输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。PLC的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力的要求，并影响平均维修时间。6）处理速度PLC采用扫描方式工作。从实时性要求来看，处理速度应越快越好，如果信号持续时间小于扫描时间，则PLC将扫描不到该信号，造成信号数据的丢失。处理速度与用户程序的长度、CPU处理速度、软件质量等有关。目前，PLC接点的响应快、速度高，每条二进制指令执行时间约0.20.4Ls，因此能适应控制要求高、相应要求快的应用需要。扫描周期（处理器扫描周期）应满足：小型PLC的扫描时间不大于0.5ms/K；大中型PLC的扫描时间不大于0.2ms/K。2.2.4 机型的选择 1）PLC的类型 PLC按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。整体型PLC的I/O点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统；模块型PLC提供多种I/O卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的I/O点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。2）输入输出模块的选择：输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。例如对输入模块，应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。对输出模块，应考虑选用的输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点；可控硅输出模块适用于开关频繁，电感性低功率因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等，与应用要求应一致。可根据应用要求，合理选用智能型输入输出模块，以便提高控制水平和降低应用成本。考虑是否需要扩展机架或远程I/O机架等。3）电源的选择：PLC的供电电源，除了引进设备时同时引进PLC应根据产品说明书要求设计和选用外，一般PLC的供电电源应设计选用220VAC电源，与国内电网电压一致。重要的应用场合，应采用不间断电源或稳压电源供电。如果PLC本身带有可使用电源时，应核对提供的电流是否满足应用要求，否则应设计外接供电电源。为防止外部高压电源因误操作而引入PLC，对输入和输出信号的隔离是必要的，有时也可采用简单的二极管或熔丝管隔离。4）存储器的选择：由于计算机集成芯片技术的发展，存储器的价格已下降，因此，为保证应用项目的正常投运，一般要求PLC的存储器容量，按256个I/O点至少选8K存储器选择。需要复杂控制功能时，应选择容量更大，档次更高的存储器。5）冗余功能的选择 1控制单元的冗余 (1)重要的过程单元：CPU（包括存储器）及电源均应1B1冗余。(2)在需要时也可选用PLC硬件与热备软件构成的热备冗余系统、2重化或3重化冗余容错系统等。 2I/O接口单元的冗余 (1)控制回路的多点I/O卡应冗余配置。(2)重要检测点的多点I/O卡可冗余配置。3）根据需要对重要的I/O信号，可选用2重化或3重化的I/O接口单元。(六)经济性的考虑：选择PLC时，应考虑性能价格比。考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出较满意的产品。输入输出点数对价格有直接影响。每增加一块输入输出卡件就需增加一定的费用。当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量、机架、母板等也要相应增加，因此，点数的增加对CPU选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响。在估算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能价格比4。 根据本设计内容，首先选定欧姆龙PLC C系列P型机。P型机属小型PLC机，它由CPU单元（主机）、扩展单元（选用）、特殊单元（选用）和外部设备组成。根据I/O点数需求选定型号为C60P-CDR-AE，机型信息见附录A。2.3 PLC I/O节点分配表2-2 PLC输入点分配PLC地址连接的外部设备设备功能说明0000SB1复位按钮0001SB2开始按钮0002SB3停止按钮0003SB4自动取料按钮0004SB5自动堆料按钮0005SB6自动运行按钮0006SB7手动运行按钮0007SQ1俯仰上限位0008SQ2俯仰下限位0009SQ3料位检测器0010SQ4回转机构右限位0011SQ5回转机构左限位0012FU熔断器0013FR热继电器0014KCA1尾车皮带跑偏故障0015KCA2尾车皮带打滑故障0100KCA3尾车皮带撕裂故障0101SQ6尾车堆料到位0102SQ7尾车取料到位0103KCA4悬臂皮带跑偏0104KCA5悬臂皮带打滑0105KCA6悬臂皮带撕裂0106SB8堆取料初始位置到位0107SQ8夹轨器防松到位0108SQ9夹轨器夹紧到位0109SB9冲洗按钮0110SQ10水箱缺水0111SB10冲洗停止按钮表2-3 PLC输出点分配PLC地址连接的外部设备设备功能说明0501KM1悬臂皮带正向运行0502KM2悬臂皮带反向运行0503KM3悬臂皮带直接启动0504KM4悬臂皮带降压启动0505KM5尾车皮带直接启动0506KM6尾车皮带降压启动0507KM7斗轮直接启动0508KM8斗轮降压启动0509KM9尾车前进0510KM10尾车后退0511KM11尾车上升0512KM12尾车下降0513KM13大车前行0514KM14大车后退0515KM15大车慢速行走0600KM16大车快速行走0601KM17回转机构右回转0602KM18回转机构左回转0603KM19变幅机构上升0604KM20变幅机构下降0605KM21变幅机构制动0606KM22左夹轨器夹紧0607KM23左夹轨器放松0608KM24右夹轨器夹紧0609KM25右夹轨器放松0610KM26电缆卷筒放松0611KM27电缆卷筒收紧0612KM28尾车皮带制动0613BL动车电铃0614HL1堆料指示灯0615HL2取料指示灯0700HL3自动运行指示灯0701HL4手动运行指示灯0702HL5尾车堆料到位指示灯0703HL6尾车取料到位指示灯0704HL7夹轨器夹紧指示灯0705KM29洒水0706HL8水箱缺水指示灯0707HL9故障指示灯2.4斗轮堆取料机自动堆取料工艺流程设计PLC软件的编程，主要是根据堆取料工艺进行的。下面分别介绍了自动定点堆料和回转分层取料作业工艺8。堆取料准备过程流程图如图2-3所示。2.4.1 自动堆料工艺设计回转定点堆料工艺如图2-1所示。首先将斗轮机开到初始位置，使悬臂前端对准a点，然后开始堆料。当料位检测器碰到料堆时，悬臂提升一个角度。当料位检测器再次碰到料堆时，悬臂再提升一个角度，直到设定高度。然后悬臂旋转一个角度到b点。当料位检测器再次碰到料堆时，悬臂再旋转一个角度，直到回转设定次数c点。然后斗轮机大车后退一段距离到d点。当料位检测器再碰到料堆时，悬臂向左回转一个角度。逐次重复下去到e点。斗轮堆取料机控制系统的堆料工艺过程控制流程图如图2-4所示。图2-1 自动回转定点堆料工艺图 2.4.2自动取料工艺设计回转分层取料工艺如图2-2所示。首先将斗轮机对准a点，然后开始回转取料。先是右回转，当回转到b点后，取料机前进到c点，然后左回转取料，这样往复下去直到d点。本层取完之后斗轮机后退到e点。由于料堆是梯形，所以斗轮机先左转一小段距离到f点（为下层起点做准备）。然后下降到g点，开始第二层取料，逐次重复下去直到最后一层结束。斗轮堆取料机控制系统的取料工艺过程控制流程图如图2-5所示。图2-2 自动回转分层取料工艺图图2-3 准备过程工艺流程图图2-4 自动堆料工艺流程图图2-5 自动取料工艺流程图2.5 PLC控制程序设计斗轮堆取料机的PLC控制程序通过梯形图语言编写，便于阅读和理解，下面将详细说明。指令表见附录B。1） 自动堆料PLC控制程序设计首先将斗轮堆取料机开至堆料初始位置，进行堆料准备动作，尾车运行到堆料位置如图2-所示。然后悬臂皮带正向降压启动，开始堆料。当料位传感器检测到料位时（即料堆达到悬臂高度时），悬臂上升T1时间，并且计数一次。当悬臂上升到最高时，回转机构右回转T2时间，并计数一次。当回转机构右回转到设定值时，大车后退T3时间，并计数一次。大车后退T3时间后，悬臂开始左回转，同样当料位检测器检测到料位时，悬臂左回转T2时间，并计数一次。如上面次序往复堆料，当大车后退次数达到指定次数后，自动堆料结束。2） 自动取料PLC控制程序设计首先将斗轮堆取料机开始取料初始位置，进行取料准备动作，尾车运行到取料位置如图2-所示。然后悬臂皮带反向降压启动，斗轮降压启动，开始取料。悬臂开始右回转，回转T5时间后回转停止，大车前行T6时间并计数一次。悬臂开始左回转，回转T5时间后停止。大车再前行T6时间并计数一次。当大车前行次数到达指定次数后，大车后退到初始位置。悬臂左回转T时间，悬臂下降T7时间并计数一次，开始第二层取料。当取完最后一层（即悬臂下降次数到指定次数）后，取料结束。程序图如下所示：结论本次设计顺利完成，实现了运用PLC对斗轮堆取料机的自动控制运行。整个设计过程当中遇到了很多困难，查阅了很多资料，在导师的耐心指导下，完成了本次设计。国内在斗轮堆取料机自动控制方面的研究日渐成熟，许多大公司开始