第四章系统硬件电路设计.doc

目 录 第一章 绪论 1 1 1 课题的提出及意义 1 1 2 研究现状及发展趋势 2 1 3 设备的结构及工作原理 3 1 3 1 圆锥破碎机的结构 3 1 3 2 HP 液压圆锥液压系统介绍 5 1 3 3 圆锥破碎机的工作原理 6 1 4 PLC 简介 6 1 4 1 PLC 特点及应用 6 1 4 2 PLC 的工作原理 8 1 5 课题的主要研究内容 10 第二章 HP 液压圆锥破碎机自动控制系统总体方案设计 12 2 1 系统控制分析 12 2 1 1 排矿口调整 12 2 1 2 主电机恒电流控制 14 2 1 3 组态监控站功能 14 2 2 课题研究的目标和控制任务 15 2 2 1 课题研究目标 15 2 2 2 系统方案设计 15 第三章 HP 液压圆锥破碎机控制系统硬件选型 17 3 1 PLC 的选型及其扩展模块的选择 17 3 1 1 PLC 型号选择 17 3 1 2 通信模块的选择 19 3 2 变频器的选择及其与 PLC 的连接 19 3 2 1 变频器的选择 19 3 2 2 变频器的接线电路 21 3 3 电流检测装置选择及电路设计 23 3 3 1 主电机简介 23 3 3 2 电流互感器选择 23 3 3 3 电流变送器的选择 24 3 4 温度检测装置选择及电路设计 25 3 4 1 温度传感器 26 3 4 2 温度变送器 27 3 4 3 温度变送器与温度传感器的连接 27 3 5 液压传感器选择及电路设计 28 3 6 过铁振动检测装置 29 3 7 接近开关选择 30 3 8 工控机的选择 33 3 9 触摸屏的选择 33 第四章 系统硬件电路设计 35 4 1 主电路设计 35 4 2 液压手动控制电路 37 4 3 PLC 主电路 39 4 4 数字量扩展模块连接电路 39 4 5 辅助继电器控制电路 40 4 6 模拟量输入输出连接 42 4 7 变频器电路设计 42 4 8 PLC 通讯连接 43 第五章 软件设计 45 5 1 主程序 45 5 2 启动子程序 46 5 3 温度判断控制子程序 46 5 4 主电机电流判断控制子程序 47 5 5 排矿口调整控制子程序 48 5 6 过铁控制子程序 49 第六章 总结 50 附 录 系统电路 51 参考文献 52 英文资料 54 中文翻译 61 致 谢 66 江西理工大学 2010 届本科生毕业设计 论文 1 第一章 绪论 圆锥破碎机在选矿厂中广泛运用 将大矿石破碎成矿粒 圆锥破碎是磨矿 作业前的准备作业 破碎的粗细程度直接影响磨矿作业产品的好坏 众所周知 选矿厂磨矿作业能耗约占总能耗的 50 入磨粒度越大能耗越大 因此 降低 破碎最终产品粒度对降低磨矿能耗十分重要 也是选矿厂实施节能降耗 提高 经济效益的一个重要环节 实现 多碎少磨 是选矿厂设计和改造的基本原则 随着电子技术的发展 运用先进的电力电子器件对圆锥破碎机的控制和检 测 能提高破碎机稳定性 提高稳定运行时间 有效的提高选矿厂的生产及经 济效益 1 1 课题的提出及意义 破碎机为矿山主要生产设备之一 它涵盖冶金 有色 建材 化工等多种 行业 近年来 国内外众多厂商从产品结构上对该类设备不断地进行改进 完 善 取得了比较好的效果 并相继推出众多高效 可靠 节能的新产品 相比 较而言 因受自动化发展水平的影响 国内在破碎机控制方面的研究相对落后 设备的控制与操作 几乎全部由人工进行 现有控制方式严重影响设备的可靠 性 破碎过程是选矿过程的一道重要工艺 其能耗非常大 破碎产品粒度直接 影响后续磨矿作业 且破碎效率影响整个选矿厂的生产效率 从而影响选矿厂 的经济效 HP 液压圆锥破碎机是选矿厂中广泛使用的破碎设备 长期以来 一 直采用人工调整方式控制破碎机的矿石处理量 在圆锥破碎机的电气控制中 仅仅实施了简单的开启及必要的电气保护 由于受外部供料条件的限制 当进 入破碎机的矿石性质发生变化时 如粒级较大 给料不均 矿石硬度大 混有 难碎物料等 造成破碎机的负荷波动大 表现为运行电流大幅度波动 且经常 处于超载状态 影响电动机及传动机械的正常运行 电动机烧损故障时有发生 岗位操作难度很大 靠人工调节无法准确和动态地控制最佳给料量 有时很长 一段时间内被迫将给料量调至很小 负荷虽控制住了 但是给料量小 生产效 率低 常无法满足供料需要 使下道工序出现待料情况 延长了设备的运转时 间 浪费了能源 因此对现今广泛使用的 HP 液压圆锥破碎机进行控制系统自动 化改造 实现自动控制在矿山具有广阔的前景 HP 液压圆锥破碎机采用先进的液压技术 实现了液压保护和液压调整排矿 口 并且易于实现破碎机的自动控制 因此 对 HP 液压圆锥破碎机进行自动控 制 对提高设备作业效率 减少能耗 降低工人的劳动强度具有重要意义 本 文基于西门子 S7 200 PLC 设计了 HP 液压圆锥破碎机的自动控制系统 实现了 江西理工大学 2010 届本科生毕业设计 论文 2 破碎机的恒电流自动控制 使破碎机工作在最佳负荷状态 1 2 研究现状及发展趋势 近年来随着电子技术和计算机技术的发展 PLC 在现代工业中得到广泛的 应用 西门子 PLC 自动控制系统以其优越的技术在工业控制领域处于世界领先 地位 PLC 以其优越的性能在自动控制系统中广泛应用 PLC 可靠性高 抗干扰 能力 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 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 PLC 发展到今天 配套设备齐全 功能完善 适用性强 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 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 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 在工业生产过程当中 有许多连续变化的量 如温度 压力 流量 液位和速 度等都是模拟量 为了使可编程控制器处理模拟量 必须实现模拟量和数字量 之间的 A D 转换及 D A 转换 PLC 厂家都生产配套的 A D 和 D A 转换模块 使 可编程控制器用于模拟量控制 使用 PLC 对 HP 液压控制系统改造技术成熟 也 可以添补该领域在国内的空白 国外公司已经生产了带有该控制系统的圆锥破 碎机 国外 HP 圆锥破碎机采用 PLC 控制系统的主要优点 1 过载报警和保护 2 全面的完整的破碎机控制系统 3 PLC 控制系统可以适用于任何工厂的控制系统 4 无需离开控制室即可对衬板磨损进行监测 5 监控主电机电流 使破碎发挥最大效益 6 自动调整排料口 无需操作人员调整 7 PLC 中的诊断系统将监测每一个故障 江西理工大学 2010 届本科生毕业设计 论文 3 8 全方位的保护 减小故障停机时间 HP 系列多缸液压圆锥破碎机采用 PLC 和计算机为基础的自动控制系统 全 面对破碎机及相关设备设施进行检测 并通过对检测信号进行分析处理 用于 对破碎进行控制 自动控制系统不仅有自动控制功能 而且可以记录各种信息 包括排矿口 电流 油温 油压 过负荷振动 报警等信号 同时 还设有通 信接口 便于高层管理直接在办公室调用查看现场数据 该自动控制系统有四 个子控制方面 分别是破碎机恒电流控制 破碎机运行和破碎机给料控制 润 滑油路油温 油压 油清洁控制和液压排矿口调整清仓过铁释放控制 破碎机 在四个子控制的支持下 通过工业计算机优化处理 对破碎机进行自动控制 自动控制系统设有排矿口控制和恒电流控制二种控制模式 电流控制模式可以 对排矿口 给料等多因素进行控制 保证破碎机最大优化工作 自动控制系统 是将先进的智能化控制技术与破碎机复杂的运行工况进行有效实时监控的最先 进的控制系统 它能实时显示并调整排矿口 电机运行电流等信息并自动进行 补偿 使排矿口保持设定值运行 它能针对不同物料性质预设定各种运行工况 最大限度实现无人操作 采用 PLC 控制的系统可以在通过工业控制计算机进行组态 运用现代的先 进通讯技术远程控制及检测 HP 圆锥破碎机的运行 报表生成 报警指示 处理 量调节 在安全和管理方面便利的条件 1 3 设备的结构及工作原理 HP 液压圆锥破碎机结构复杂 在自动控制系统的设计中 首先对 HP 液压 圆锥结构和破碎原理有深刻的认识 在设计中的破碎机恒电流控制 破碎机运 行和破碎机给料控制 润滑油路油温 油压和液压排矿口调整清仓过铁释放控 制有清晰的认识 1 3 1 圆锥破碎机的结构 HP 液压圆锥破碎机结构如图 1 1 所示 该机是由 6 个 过铁 释放液压缸 8 个锁紧液压缸组成的多缸液压圆锥破碎机 主要结构有水平轴 大小伞齿轮 主轴 偏心套 球面瓦架 球面瓦 动锥总成 定锥总成 调整环 主机架等 结构简单 紧凑 能自动调节排矿口的大小 高压电机拖动水平轴运转 水平 轴端部的小齿轮驱动装于偏心套的大齿轮 大齿轮带动偏心套围绕主轴高速运 转 动锥球面轴承坐在主轴顶部的球面瓦凹面上 而动锥下衬套则套在偏心套 上 在偏心套的偏心或旋回运动过程中 借助动锥衬套与偏心套间的接触来驱 动动锥 当动锥靠近定锥时则矿石处于被挤压和破碎过程 而动锥的另一面离 开定锥 此时 碎矿靠自重从两锥体底部排出 江西理工大学 2010 届本科生毕业设计 论文 4 1 锁紧螺钉 2 给料斗 3 定锥 4 调整环 5 动锥球体 6 主机架 7 球面瓦 8 动锥上衬套 9 传动轴 10 传动轴外轴套 11 大小齿轮 12 主轴 13 偏心套止推轴承 14 配重护板 15 过铁释放总成 16 偏心套衬套 17 偏心套 18 动锥下衬套 19 动锥 20 动锥衬板 21 定锥衬板 22 液压调整马达 23 锁紧缸 24 切割环 25 给料盘 图 1 1 HP 圆锥破碎机结构示意图 诺德伯格是在弹簧圆锥破碎机的基础上 开发了型圆锥破碎机第一代产品 HP 型圆锥破碎机 主轴固定式液压式 HP 型圆锥破碎机机械性能好 便于维修 保养 更加安全可靠 HP 型圆锥破碎机的主要特点 1 HP 型圆锥破碎主轴采用下端过热配合固定在破碎机底座中 动锥通 过球面瓦放置在主轴上 偏心总成绕主轴转动驱动动锥摆动挤压破碎矿石 HP 型圆锥破碎机液压阀在破碎过程中不总是动作 只有当较长时间后液压缸压力 有变化时才会动作进行补压 因此故障率极低 HP 型圆锥破碎机即使有一缸发 生故障 由于还有其它液压缸在发生作用 可以一缸带故障生产 在交班时进 行维修 2 HP 型圆锥破碎机主轴粗而短 承受的破碎力更大 3 HP 型圆锥破碎机动锥夹角大 坡度可能影响通过量 HP 型圆锥破碎 机采用大偏心 弥补了破碎机结构的不足 该系列圆锥破碎机的大偏心 高转 速 缓坡度巧妙结合 不仅保证了破碎机的生产能力大 同时也保证了破碎产 品的细度 4 HP 型圆锥破碎机主轴由于没有顶部支承点 不仅给矿口大 破碎流 畅 而且有利于破碎机保护 当有大的脉动峰值破碎力时 周围液压缸可以弹 动 避免破碎机机架主轴等大件内应力累积 不易造成大件破坏 江西理工大学 2010 届本科生毕业设计 论文 5 5 HP 多缸型破碎机多个液压缸和锁紧缸并没有实质性使设备复杂 相 反可以保护破碎机 并且清腔便利 另外专门配有液压马达 自动调整排矿口 自动撤装定锥和动锥 1 3 2 HP 液压圆锥液压系统介绍 HP液压圆锥破碎机的液压系统控制3个基本回路的动作 一是过铁释放和清 理时液压缸的动作 二是调整动 定锥间隙的液压马达的动作 三是锁紧缸动 作 锁紧缸装在锁紧环和调整环之间 它可将位于调整环上部的锁紧环支起 保证破碎过程中液压缸加压时 使定锥位于调整环里的破碎位置 当需要调整 动 定锥之间的间隙时 将锁紧液压缸的压力释放 装在调整环上的马达开始 起动 马达上的齿轮使驱动环与调整帽啮合 以转动定锥 可自动调节 过铁释放缸和主机架下部相连 并与调整环固定在一起 使调整环与主机 架稳固接触以克服正常的破碎力 不正常的操作或非破碎物通过破碎机时产生 过大的破碎力是调节环上升 一旦过载消失或铁块通过破碎机 破碎机回复正 常 为清理破碎机 需将调整环脱离机架 图 1 2 液压系统图 江西理工大学 2010 届本科生毕业设计 论文 6 1 3 3 圆锥破碎机的工作原理 HP液压圆锥破碎机的工作机构是由带有锰钢衬板定锥和动锥两大部分组成 其中动锥通过偏心套装在主轴上 偏心轴套通过锥齿轮啮合与水平轴连接 由 电机带动水平轴旋转从而驱动偏心轴套旋转 迫使动锥做旋摆运动 从而使破 碎腔内的矿石受到挤压和弯曲而破碎 HP液压圆锥破碎机破碎时 首先开启主 电机 驱动传动机构物 传动机构带动偏心动锥高速旋转 料加人破碎腔内 由于重力的作用往下掉 动锥高速偏心旋转 定锥静止 从而被挤压碎 液压 圆锥破碎机底部有一套液压传动装置 用于调整动锥的上下运动从而实现排矿 口的调整 具体过程如下图1 3所示 1 动锥 2 固定锥 图 1 3 物料的破碎过程 1 4 PLC 简介 1 4 1 PLC 特点及应用 1 可靠性高 抗干扰能力强 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 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 江西理工大学 2010 届本科生毕业设计 论文 7 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 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 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 目前 PLC 在国内外已广泛应用于钢铁 石油 化工 电力 建材 机械 制造 汽车 轻纺 交通运输 环保及文化娱乐等各个行业 PLC 的应用领域 情况大致可归纳为如下几类 1 开关量的逻辑控制 开关量的逻辑控制是 PLC 最基本 最广泛的应用领域 它取代传统的继电 器电路 实现逻辑控制 顺序控制 既可用于单台设备的控制 也可用于多机 群控及自动化流水线 如注塑机 印刷机 订书机械 组合机床 磨床 包装 生产线 电镀流水线等 2 模拟量控制 在工业生产过程当中 有许多模拟量 如温度 压力 流量 液位和速度 等都是模拟量 为了使可编程控制器处理模拟量 必须实现模拟量 Analog 和数字量 Digital 之间的 A D 转换及 D A 转换 PLC 厂家都生产配套的 A D 和 D A 转换模块 使可编程控制器用于模拟量控制 3 运动控制 PLC 可以用于圆周运动或直线运动的控制 从控制机构配置来说 早期直 接用于开关量 I O 模块连接位置传感器和执行机构 现在一般使用专用的运动 控制模块 如驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块 世界上各 江西理工大学 2010 届本科生毕业设计 论文 8 主要 PLC 厂家的产品几乎都有运动控制功能 广泛用于各种机械 机床 机器 人 电梯等场合 4 过程控制 过程控制是指对温度 压力 流量等模拟量的闭环控制 作为工业控制计 算机 PLC 能编制各种各样的控制算法程序 完成闭环控制 PID 调节是一般闭 环控制系统中用得较多的调节方法 大中型 PLC 都有 PID 模块 目前许多小型 PLC 也具有此功能模块 PID 处理一般是运行专用的 PID 子程序 过程控制在冶 金 化工 热处理 锅炉控制等场合有非常广泛的应用 5 数据处理 现代 PLC 具有数学运算 含矩阵运算 函数运算 逻辑运算 数据传送 数据转换 排序 查表 位操作等功能 可以完成数据的采集 分析及处理 数据可以与存储在存储器中的参考值比较 完成一定的控制操作 也可以利用 通信功能传送到别的智能装置 或将它们打印制表 数据处理一般用于大型控 制系统 如无人控制的柔性制造系统 6 通信及联网 PLC 通信含 PLC 间的通信及 PLC 与其它智能设备间的通信 随着计算机控 制的发展 工厂自动化网络发展得很快 PLC 厂商都十分重视 PLC 的通信功能 纷纷推出各自的网络系统 新近生产的 PLC 都具有通信接口 通信非常方便 初始化 CPU 自诊断 通讯信息处理 与外部设备交换信息 执行用户程序 输入输出信息处理 江西理工大学 2010 届本科生毕业设计 论文 9 图 1 5 PLC 工作过程 1 5 课题的主要研究内容 1 主电机恒电流控制 主电机的电流影响要有两个方面 破碎原矿的大小 物料处理量和破碎粒 度 在实际的工作中 排矿口已经设置好了 并且原矿大小也相对稳定 主要 是影响主电机电流的是处理量 即给矿皮带的转速是影响主电机的电流的主要 因素 为满足圆锥破碎机工作负荷稳定 主要控制给矿量恒定 采用变频调速 来控制给矿电机 根据要求的破碎量 来调节给矿电机转速 要维持主电机电 流恒定 采用电流互感器先检查电流 为保持其电流稳定 使 PID 调节 计算 结果来控制给矿电机转速 2 排矿口调整 由 HP 液压圆锥破碎机的结构可以知道 排矿口的大小为动锥和定锥之间的 间隙 液压的压力大小可以改变排矿口的大小 给排矿口的调整带来了一定的 麻烦 系统采用归零法 使用液压系统 将排矿口调节为零 PLC 记住压力的 大小 并保持压力不变 再调节定锥 定锥调节使用液压马达 液压马达功率 大 并且惯性小 停止时不会由于惯性引起排开口误差 调节时使用接近开关 来计算液压马达转过的齿数了确定实际排矿口的大小 3 油压系统的控制 液压圆锥破碎机的一个重要方面液压系统 液压系统的油温 油压 油量 都是液压系统工作的控制的 根据工作经验液压系统的油温应该保持在 25 摄氏 度 由于油箱较大 采用电阻式加热只能加热局部的油 采用两个温度检测装 置 一个检测加热器的旁边油的温度 一个检测回油管的温度 刚开机时 油 体没有运动 油温不均匀 因此使用两个温度传感器分别采集两个温度 根据 加热器旁边的温度来控制加热器 根据回油温度来控制风扇 江西理工大学 2010 届本科生毕业设计 论文 10 第二章 HP 液压圆锥破碎机自动控制系统总体方案设计 2 1 系统控制分析 2 1 1 排矿口调整 根据图2 1可知 圆锥破碎机动锥位置上升 其排矿口间距减少 主轴下降 则排矿口间距增大 主轴位置上升到动锥 定锥重合时 则排矿口间距为零 在正常的运行过程前 适当下降主轴 使排矿口间隙值为生产工艺要求的大小 控制系统通过调整主轴位置 间接控制排矿口大小 实际运行过程中 随着圆 锥破碎机衬板的磨损 若主轴位置不变 则排矿口间距增大 为保证工艺要求 需要定期 每周一次 调整主轴位置 使动锥 定锥重合 并将此排矿口置为零 此时零位排矿口所对应的主轴位置较调整前有变化 然后将主轴下降 至排矿 口间距相同时 其主轴位置不能直接反映出来 在实际操作过程中 需要人为 记忆零位排矿口的主轴位置 因此 根据以上调整的变化过程 主轴位置由液 压缸的压力决定 只需要记忆零位时液压缸的压力 保持该压力不变 则主轴 的位置也是不变的 针对衬板磨损 使得排矿口增大的问题 系统根据实际的 耐磨度再次确定定时零位 或手动零位检测 在日常的运行时 不需要排矿口 调整 于是在决定主电机电流的主因素为矿石处理量 图2 1 圆锥破碎机主轴位置与排矿口关系示意图 当主轴位置不变时 排矿口如图2 2所示 排矿口为定锥衬板和动锥衬板之 间的间隙 排矿口调整是通过下降或上升调整环内的定锥来改变的 下降时顺 时针方向转动定锥总成 而上升时逆时针方向转动 江西理工大学 2010 届本科生毕业设计 论文 11 1定锥衬板 2 调节环 3 定锥 4 排矿口 5 动锥衬板 6 动锥 图 2 2 排矿口示意图 破碎机排料口依靠液压马达进行调整 设计的液压马达调整机构可以在进 行给料和不进行给料时进行调整 控制电磁阀 使的液压马达正转或反转 驱 动环齿也随着一起转动 从而使排矿口增大或较小 根据所转过的齿数换算成 实际排矿口尺寸 换算关系要在实际机械关系计算 排矿口调整如图2 3所示 1 转动支架 2 驱动环齿 3 液压调整机构 4 调小排矿口 5 调小排矿口 6 在驱动环上做 初始位置记号 7 计算并计算第一套衬板初始位置 记好转过的齿数 调大排矿口 9 调 整帽 图 2 3 排矿口调整图 江西理工大学 2010 届本科生毕业设计 论文 12 2 1 2 主电机恒电流控制 圆锥破碎机恒电流控制方案即采用计算机控制技术 通过一台过程控制处 理器对HP液压圆锥破碎机主要参数进行检测及控制 调节圆锥破碎机调节给矿 量 其目标是圆锥破碎机工作时排矿口尺寸一定 调节给矿量 以使圆锥破碎 机驱动电机达到控制系统给定电流条件下的恒电流控制要求 并通过对其破碎 腔压力及润滑系统的检测 实现过程的自动化操作和负荷的优化控制 提高破 碎机的处理能力 达到稳定生产的目的 同时将系统接入到监控系统中 对圆 锥破碎机的主电机电流 给矿量 润滑系统油温等主要参数进行实时监控 实 现其过程由上位机直接管理 利用上位机良好的人机对话界面 实现根据实际 设备及工艺状况对控制参数的设置 圆锥破碎机恒电流控制系统的主要组成部分是给矿回路控制 根据系统的 控制模型 控制要求和系统的实际运行参数进行系统分析 由PLC程序控制 保 持排矿口大小一定 自动增减给矿量等手段进行实时动态控制 恒电流控制方 框图见图2 4所示 主电流 给定电流 图 2 4 主电机恒电流控制方框图 2 2 课题研究的目标和控制任务 2 2 1 系统方案设计 根据破碎机自动控制的要求 并适应当今矿山企业的工业自动化发展方向 本控制系统采用分散控制与集中管理的方式 系统配置结构可分为两级 过程 控制级和监控级 即由过程控制处理器控制设备运行的下位机结构和监控站实 现编程 组态 监控及操作的上位机结构组成 第一级为过程控制级 主要由 现场检测仪表 执行机构 控制设备组成 可独立进行自动工作的过程控制 控制器使用 PLC 作为基本主控设备 同时设置小型触摸屏进行现场参数监控 第二级为监控级 主要由一台工业计算机组成 工业计算机与可编程控制器之 控制器变频器给矿机破碎机 电流检测机变送器 江西理工大学 2010 届本科生毕业设计 论文 13 间进行数据通讯 实现对生产过程的数据采集 管理和监控 监控软件人机界 面友好 系统开放 易于扩展 根据系统控制功能要求和硬件实现方案 系统 硬件结构框图如图 2 5 所示 系统主要由两大部分组成 现场过程控制级和远 程监控级 两部分之间通过 PROFIBUS 现场总线进行数据通信 其中 现场过程 控制级是以 PLC 为核心控制器 通过温度变送器检测润滑油的温度 压力变送 器检测油缸的压力 电流变送器检测主电机的电流 PLC 根据采集的数据 按 照控制模型输出一定的控制量 通过变频器控制给矿电机的转速 从而控制给 矿量的大小 最终达到电动机电流恒定不变 即控制破碎机工作负荷稳定 另 一方面 根据要求设定的排矿口大小 通过液压系统的电磁阀调整动锥的升降 从而调整排矿口的大小 远程监控级主要通过设计监控界面对破碎机现场检测 的各参数及工作状态进行监测 并可对参数进行设置及控制破碎机的工作 PLC 报 警 装 置 变频器给矿电机 排矿口调整电机 圆锥破碎机电动机 各 种 开 关 触摸屏 电 流 互 感 器 压 力 变 送 器 温 度 变 送 器 油箱 加热 器 油泵 电涡流传感器 电磁阀门 图 2 5 系统结构图 第三章 HP 液压圆锥破碎机控制系统硬件选型 3 1 PLC 的选型及其扩展模块的选择 3 1 1 PLC 型号选择 PLC 是 HP 液压圆锥破碎机控制系统的核心控制设备 所有元器件的驱动和 管理都是由 PLC 来完成的 PLC 的内部资源和外部模块要能满足控制系统的要 求 江西理工大学 2010 届本科生毕业设计 论文 14 3 1 2 通信模块的选择 PLC 要和工业 PC 通信 并在工业 PC 上组态画面 S7 200 系列的 PLC 需要 添加通信模块才能完成与工业 PC 通讯 为满足控制系统的要求 在设计中增加 相应的通信模块 西门子公司为 S7 200 系列 PLC 设计了专用通信模块 EM277 通信线缆使用 PROFIBUS 总线 使用 EM277 连接到 PROFIBUS 总线 工业 PC 通过 PROFBUS 总线读书 PLC 的数据 EM277 具有 PROFIBUS DP 通讯接口 通过其 PROFIBUS DP 通讯端口连接到由工业 PC 和 PROFIBUS 组成的 DP 网络中 该端口 可以运行在 9600 波特率和 12M 波特率之间的任何 PROFIBUSB 波特率作为 DP 从 站 EM277 模块接收从主站发来的多种不通的 I O 配置 从主站发送和接收不同 的数据 3 2 变频器的选择及其与 PLC 的连接 3 2 1 变频器的选择 在本设计系统中 采用变频器控制给矿电机的转速 给矿电机的转速决定 着给矿量的大小 原矿石的大小不一 影响主电机的电流波动 为控制液压圆 锥破碎机的电流恒定 需调节给矿电机的转速 调节给矿量 维持主电机电流 恒定 采用变频器可以解决此难题 从而维持主电机电流恒定 表3 2 SINAMICS V10 变频器 技术信息 电压范围 3AC 380V 15 至 20 15 至 20 功率范围0 55 kW 至 22 kW 工作环境0 C 至 60 C 控制方式 线型 V f 特性 可设置电压提升 平方 V f 特性 磁通电流控制 FCC 输出频率0Hz 至 300Hz 载波频率2kHz 至 16kHz 数字量输入 输出 3DI 1DO 模拟量输入 输出1AI 1A0 可设置为电流或电压型 过载能力 150 额定电流持续 60 秒 间隔时间 300 秒 内置功能 PI 控制器 快速电流限制功能 转矩 提升 自动再起动 捕捉再起动等功 能 西门子SINAMICS V10 变频器用于驱动小功率三相鼠笼式异步电动机 输入 江西理工大学 2010 届本科生毕业设计 论文 15 电压为工频50HZ 三相380AC 多种控制方式 输出为三相交流 频率为0 300hz 通过外部电压来控制输出交流电的频率 SINAMICS V10有四种外形尺寸 可供选择 其功率范围覆盖0 55kW到22kW 变频器四种不同的外形尺寸 每种变 频器的额定输出功率也不相同 并且变频器与电源之间必须安装熔断器 SINAMICS V10外形尺寸选择和断路器规格选择参照表3 3 江西理工大学 2010 届本科生毕业设计 论文 16 表3 3 SINAMICS V10 变频器外形尺寸 变频器类型变频器额定功率 KW 熔断器类型熔断器额定电流 0 553NA380310 0 753NA380310 1 13NA380310 外形尺寸A 1 53NA380310 2 23NA380516 33NA380516 外形尺寸B 43NA380720 5 53NA380720 7 53NA381025 外形尺寸C 113NA381435 153NA381740 18 53NA382050 外形尺寸D 223NA382263 由表3 5中可知 在实际的选型中 给料皮带的功率为5KW 从而确定选用外 形尺寸为C的SINAMICS V10 变频器和3NA3807断路器 3 2 2 变频器的接线电路 确定变频器的型号后 应合理选择它的工作方式 设计其与PLC的连接线 路 该型号的变频器内部结构如图3 1所示 图3 1 SINAMICS V10 变频器的内部结构和外界端口 1 SINAMICS V10 变频器的1脚和2脚数字量继电器常开点输出 江西理工大学 2010 届本科生毕业设计 论文 17 2 7 8 9脚是数字量输入 用来控制变频器的起停和正反转 也可用来设置 输出频率 3 15和16脚为模拟量输入 根据外部输入的电压值来设定输出交流电的频率 4 17和18脚为模拟量输出 可以供给转速计 5 可以使用操作面板设置参数 使用前必须要先设置好各个参数 才能是变频 器按需要的工作方式运行 6 变频器先将电源的三相交流整流成直流 再使用逆变器将其逆变成需要频率 的交流 频率由CPU控制 能达到较高的V F线性 在控制系统中 PLC通过EM235输出模拟信号0 5V电压信号 变频器根据数 入的信号从而控制输出频率的变化 三相电源输入给变频器必须先经过熔断器 和接触器 能有效的保护变频器并使电网免受干扰 变频器主接线如图3 2所示 图3 2 电源和电机与变频器的连接线路 变频器需要选择合适的接线方式 PLC输出模拟电压信号给变频器 变频器 由此电压变换成相应的载波频率 得到相应的主电路频率 选择变频器接线方 式C9 具体接线电路在第四章介绍 在该接线方式下需要以下设置 1 在 本地 模式下 电机的启停 旋转方向及转速可以通过操作面板控制 2 在 远程 模式下 电机的启停可以通过与数字量输入端子DI1相连的外部 信号源控制 电机的转速可以通过外部电位计控制 电机的点动 JOG 旋转可 以通过与数字量输入端子DI2及DI3相连的外部信号源控制 3 DIP开关设置 DIP开关 AO 其位置设置取决于外部的转速计 DIP开关 AI 必须将该开关设置在电压 V 模式上 在 设置与接线方式相关的参数 模式中设置与本接线相关的参数如表3 4所列 江西理工大学 2010 届本科生毕业设计 论文 18 表3 4 SINAMICS V10 变频器参数设置 3 3 电流检测装置选择及电路设计 3 3 1 主电机简介 在实际工况中 HP 液压圆锥破碎机由于破碎量较大 主电机的容量也要比 较大 其主电机为 380V AC 160KW cos 0 8 可以计算出该主电机的额度 电流 电压 380V 额定功率 160KW 的电机额定电流 I P 1 732 U cos 160 1 732 0 38 0 8 304 A 一般电机的额定电流并不是其最大电流 需要用电流刻度为500A的电流互感器 3 3 2 电流互感器选择 由电机的额定电流的计算可知 选择的电流互感器要能在500A 5A左右的 电流比 考虑到电机的一次电流高达304A 根据铜线电缆载流量可知 供电线 缆的线径应该在185平方毫米左右 并考虑电流互感器的额定电流比 对照下表 选择出相应的型号电流互感器 电流互感器参数如表3 5所列 根据以上考虑到 的因素选择互感器型号为LMZ1 0 5 额定电流比为500 600 5A的电流互感器 能 的满足电流检测的要求 并且尺寸也能支持设备的安装 参数号名称缺省值范围单位 P1080 最小功率 0 000 00 0300 00Hz P1082 最大功率 50 000 00 0300 00 P1120 斜坡上升时间 10 000 00 0300 00S P1121 斜坡下降时间 10 000 00 0300 00S P1200 快速启动 00 6 P1210 自动再启动 10 6 P1300 控制方式 00 2 江西理工大学 2010 届本科生毕业设计 论文 19 表3 5 电流互感器型号参数 外型尺寸 mm 型 号 额定电流比 A 额定 电压 KV 准确 级 额定负 荷 VA 宽厚高 穿孔 尺寸 mm 5 5 10 5 15 20 5 30 40 5 50 5 75 100 5 150 5 200 5 9045115 30 38 8 300 59545125 42 8 400 5 LMZ1 0 5 500 600 5 0 50 510 10045130 52 10 3 3 3 电流变送器的选择 为将所检测的电流供给PLC 互感器输出的信号不是标准信号 要选择合适 的变送器 对其电信号变换成标准信号 主电机是三相异步电机 在本设计中 指检测一个电流 选择帕罗肯科技生产的PA 23系列三相交流电流互感器 具体型号为PA 23 A2 04 P6 PA 23为主型号 A2 表示输入量程为0 5A 04为输出形式代码 表示输出为4 20MA电信号 P6为电源代码 表示输入电源为220VAC PA 23三相 交流电流变送器技术指标 输入负载 电流互感器 CT 0 2VA 输入过载 750Vrms 持续 超负荷能力 可承受 2 倍额定值 连续 10 倍额定值 10s 精度 交流 0 2 0 5 江西理工大学 2010 届本科生毕业设计 论文 20 响应时间 400ms 输出电压 0 10Vdc 0 5Vdc 负载电阻 输入电压 10mAdc 输出电流 0 20mAdc 4 20mAdc 负载电阻 10Vdc 输出电流 输出波纹 0 5 RO 工作环境温度 0 50 小于 80 相对湿度 无冷凝状态 贮存环境温湿度 20 70 小于 70 相对湿度 无冷凝状态 电源消耗 约 2VA 该型号的电流变送器能完全满足 PLC 的输入要求 为三相输入三相输出 PA 23 A2 04 P6 引脚如图 3 3 所示 12345678 111213141516 AlAk 输入输入 BkBl 输入 ClCk 输出输出 输出 工作 电源 ABC 910 图3 3 PA 23 A2 04 P6引脚 电流互感器检测到的电流经过 PA 23 A2 04 P6 由于系统只需要检测一相 电流 在主电机在运行时 三相电流为平衡的 电流信号整形变换后要输出给 PLC 的模拟量输入模块 与 EM235 的连接电路如图 3 4 所示 PA 23 C 1 2 3 4 5 6 EM235 AC220V BA 图3 4 电流互感器 变送器与EM235的连接 3 4 温度检测装置选择及电路设计 江西理工大学 2010 届本科生毕业设计 论文 21 在HP液压圆锥破碎机自动控制系统中 润滑系统对油温有很严格的要求 由于油箱的体积很大 加热器只用一个 加热的时候 在短时间内不能使整个 油箱的温度达到一致 容易引起加热器局部高温 烧坏圆锥破碎机器件 在本 系统中采用两个温度传感器 检测加热器旁边油的温度和回油温度 当加热器 旁边温度升高到设定温度时停止加热 当回油温度过高时启动风扇冷却 从而 很好的使温度控制在润滑系统的要求范围内 3 4 1 温度传感器 HP液压圆锥破碎机自动控制系统的油温变化范围小 最高温度要控制在四 十五摄氏度 最低为室温 在本控制系统中采用pt100温度传感器 该温度传感 器采用不锈钢外壳封装 内部填充导热材料和密封材料灌封而成 尺寸小巧 适用于精密仪器 恒温设备 流体管道等温度的测量 非常经济实用 PT100温 度传感器0 时电阻值为100 电阻变化率为0 3851 由于其电阻值小 灵敏度高 引线的阻值不能忽略不计 三线制PT100要求引出的三根导线截面 积和长度均相同 测量铂电阻的电路一般是不平衡电桥 铂电阻作为电桥的一 个桥臂电阻 将导线一根接到电桥的电源端 其余两根分别接到铂电阻所在的 桥臂及与其相邻的桥臂上 当桥路平衡时 导线电阻的变化对测量结果没有任 何影响 从而消除了导线线路电阻带来的测量误差 工业上一般采用三线式接 法可消除引线线路电阻带来的测量误差 PT100引出的三根导线截面积和长度均相同 即r1 r2 r3 测量铂电阻的电 路一般是不平衡电桥 铂电阻 Rpt100 作为电桥的一个桥臂电阻 将导线一根 r1 接到电桥的电源端 其余两根 r2 r3 分别接到铂电阻所在的桥臂及与其 相邻的桥臂上 两桥臂都引入了相同阻值的引线电阻 电桥处于平衡状态 引 线电阻的变化对测量结果没有任何影响 PT100原理如图3 5所示 当R1 Rx r2 r3 R2 Rpt100 r2 r1 电桥平衡时 U 0 Rpt100受温度 变化后 电桥不平衡 U 0 电压信号经过调理电路后得到标准的4 20mA标准 电流信号 rpt100 r1 r2 r3 R2 R1 U E RX 江西理工大学 2010 届本科生毕业设计 论文 22 图3 5 PT100温度传感器工作原理图 3 4 2 温度变送器 温度信号由PT100温度传感器采集后 温度只是引起了传感器电阻的变化 EM235模拟量模块不能识别电阻变化 需要温度变送器量将其引起的电阻变化转 化成PLC能识别的4 20mA标准信号 温度变送器可以接收热电阻输入 可直接安 装于温度传感器接线盒内 并输出标准电压电流信号 选好了PT100温度传感器 作为温度采集器件 要求所选的温度变送器也能支持该型号的温度传感器 JK 10 P温度变送器就是为pt100温度传感器专门设计的变送器 选用它是因为它通 用性强 二线制4 20mA DC输出 传输距离远 抗干扰能力强 测量精度高 长 期稳定性好 免维护 温度模块内部采用环氧树脂浇注工艺 适用于各种恶劣 和危险场所使用 该表技术参数如表3 6所列 表3 6 温度变送器主要技术指标 输出4 20mA 极限28mA 输入范围热电阻 Pt100 200 500 熔断检测上限 标准 测量精度热电阻 0 25 FS 热电偶mV 0 3 FS 0 5 FS 温度漂移 0 02 FS 冷端补偿 0 50 10 调整方式电位器 3 4 3 温度变送器与温度传感器的连接 JK 10 P温度变送器需要24v直流供电 PT100与变送器的连接如图3 6所示 图3 6变送器与温度传感器PT100的连接图 江西理工大学 2010 届本科生毕业设计 论文 23 根据上图给出的JK 10 P温度变送器与EM235的连接 温度变送器与EM235的 连接如图3 7所示 A A EM235 温度变送器 ABC 24V OUT pt100 图3 7温度传感器与EM235的连接图 3 5 液压传感器选择及电路设计 液压系统为是控制系统的重要组成部分 液压系统的最大压力为300bar 压力传感器很多 选择时要注意 HP液压圆锥破碎机的液压系统是使用油压系 统 选择的时候一定要选择是用于油压系统的 针对以上情况选用江门安泰电 子公司的MSP 400系列的液压传感器 该传感器是集压力采集和变送一体压力传 感器 MSP 400系列的液压传感器主要特点 不锈钢单件一体化结构 抗电磁 射频干扰 抗冲击 抗振动 耐热性能好 放大输出 高精度 工作温度范围宽 MSP压力传感器为低成本 民用及工业用产品建立了新的性价比标准 该系 列广泛适用于气压 液压的检测 甚至较恶劣的介质环境 如污水 蒸汽 轻 度腐蚀性气体和液体 MSP压力传感器为的压力腔有一块单件17 4PH不锈钢加 工而成 产品采用M20 1 5mm螺纹接头 提供防泄漏 全金属的封闭系统 此 压力传感器的特点是无 O 型圈 焊缝 硅油 机体完全不须与压力介质接触 MSP采用的微熔技术 引进航空应用技术 利用高温玻璃将微加工硅压敏电阻 江西理工大学 2010 届本科生毕业设计 论文 24 应变片固化在不锈钢隔离膜上 玻璃粘接避免了温度 湿度 机械疲劳和介质 对胶水和材料的影响 从而加强了传感器在工业环境中的长期稳定性 同时也 避免了传统微机械传感器的P N节效应 MSP 400性能指标如表3 7所列 表3 7 MSP25 时性能指标 压力范围 0 700bar 精度 0 5 FS 介质兼容性17 4PH不锈钢 压力接口1 4NPT M20 1 5mm 压力循环大于108满压循环 压力限值2倍标称压力 破坏压力5倍标称压力或20000psi 供电电源 5VDC 10 30VDC 输出4 20mA 两线制 输出负载30V 对4 20mA型 由于该压力传感器直接输出的为标准信号 只需直接模拟输入点 MSP 400 与EM235的连接如图3 8所示 C C EM235 红色 黑色 MSP 400 图 3 8 MSP 400压力传感器与EM235接线图 3 6 过铁振动检测装置 在圆锥破碎机工作过程中 矿石中会混有铁块或硬度很强的矿石 圆锥破 碎机的无法将其破碎 为使系统的稳定运行 要求控制系统过铁检测和破碎机 调整 在圆锥破碎机遇到铁矿或硬度很强的矿石时 会引起破碎机定锥强烈振 动 本设计选用过振动开关 破碎机遇到铁块时 过振动开关闭合 PLC调用过 振动程序 完成过铁控制 考虑到实际的工作情况和设备的结构 而且要远程复位过振动触点 本设 计选用美国摩菲公司生产的VS2EXR 该型号的含有一个常开点一个常闭点 并且 带有一个远程复位线圈 便于远程控制 其引脚如图3 9所示 江西理工大学 2010 届本科生毕业设计 论文 25 图 3 9 VS2EXR出线引脚图 VS2EXR振动检测开关复位要提供24V直流电 其与PLC的连接电路 与PLC的 连接电路如图3 10所示 PLC的M端 PLC的L 端 远程复位 KA13 KA13 L 常开触点 I0 0 PLC及其扩展块 L Q2 4 图3 10 VS2EXR与PLC的连接电路图 3 7 接近开关选择 HP液压圆锥破碎机自动控制系统要求能自动调整排矿口的大小 根据其机 械系统和液压系统可知 排矿口的调整要借助液压马达来驱动定锥的旋转来调 整排矿口的大小 为精确控制排矿口的调整 选用了液压马达 该马达惯性小 当需要停止排矿口的调整时能避免由于点击惯性多带来的误差 调整排矿口时 本设计通过接近开关来检测液压马达所转过的齿数 从而精确控制排矿口的大 小 液压马达链接件是用钢铸齿轮 本设计选用欧姆龙公司生产的H JK系列霍 江西理工大学