基于PLC皮带运输系统监控设计

1 基于 PLC 的皮带运输系统监控设计 第 1 章 绪 论 1.1 研究现状和研究意义 1.1.1 国内外皮带运输机的研究现状 国外在带式输送机动态分析研究方面开展得比较早,动态分析理论与研制的软件 已基本能够满足当前带式输送机发展之需；而我国相对较晚,与国外相比还存在一定 的差距,尤其是动态分析软件部分。为了尽快弥补这一差距,赶超世界水平,有必要研 究和分析当今国外带式输送机的动态分析软件。国外动态分析软件目前,美国、法国、 澳大利亚、意大利等国家在动态分析研究方面,已经达到国际领先地位 我国生产制造的上运带式输送机的品种、类型较多。在“八五”期间，通过国家 一条龙“日产万吨综采设备”项目的实施，带式输送机的技术水平有了很大提高，煤 矿井下用大功率、长距离带式输送机的关键技术研究和新产品开发都取得了很大的进 步。如大倾角、长距离带式输送机成套设备、高产高效工作面顺槽可伸缩带式输送机 等均填补了国内空白，并对带式输送机的主要元部件进行了理论研究和产品开发，研 制成功了多种软起动和制动装置以及以 PLC 为核心的可编程电控装置，驱动系统采 用调速型液力耦合器和行星齿轮减速器。 1.1.2 国内外运皮带运输机的技术的差距 1. 大型皮带输送机的关键核心技术上的差距 (1) 皮带输送机动态分析与监测技术 长距离、大功率皮带输送机的技术关键是 动态设计与监测，它是制约大型皮带输送机发展的核心技术。目前我国用刚性理论来 分析研究带式输送机并制订计算方法和设计规范，设计中对输送带使用了很高的安全 系统（一般取 n=10 左右） ，与实际情况相差很远。 (2) 可靠的可控软起动技术与功率均衡技术 长距离大运量带式输送机由于功率 大、距离长且多机驱动，必须采用软起动方式来降低输送机制动张力，特别是多电机 2 驱动时。国内已大量应用调速型液力偶合器来实现输送机的软起动与功率平衡，解决 了长距离带式输送机的起动与功率平衡及同步性问题。但其调节精度及可靠性与国外 相比还有一定差距。当单机功率500 kW 时，可控 CST 软起动显示出优越性。由于 可控软起动是将行星齿轮减速器的内齿圈与湿式磨擦离合器组合而成（即粘性传动） 。 通过比例阀及控制系统来实现软起动与功率平衡，其调节精度可达 98% 以上。但价 格昂贵，急需国产化。 2. 技术性能上差距 我国皮带运输机的主要性能与参数已不能满足高产高效矿井的需要，尤其是顺槽 可伸缩带式输送机的关键部件及其功能如自移机尾、高效储带与张紧装置等与国外有 着很大差距。 (1) 装机功率：我国工作面顺槽可伸缩带式输送机最大装机功率为 4250 kW， 国外产品可达 4970 kW，国产带式输送机的装机功率约为国外产品的 30%40%， 固定带式输送机的装机功率相差更大。 (2) 运输能力：我国带式输送机最大运量为 3000 t/h，国外已达 5500 t/h。 (3) 最大输送带宽：我国带式输送机为 1400 mm，国外最大 1830 mm。 (4) 带速：由于受托辊转速的限制，我国带式输送机带速为 4m/s，国外为 5m/s 以上。 (5) 工作面顺槽运输长度：我国为 3000 m，国外为 7300m。 (6) 自移机尾：国内自移机尾主要依赖进口。对自移机尾的要求是共同的，既要 满足输送机正常工作时防滑的要求，又要满足在输送机不停机的情况下实现快速自移。 (7) 高效储带与张紧装置：我国采用封闭式储带结构和绞车拉紧为主。国外采用 结构先进的开放式储带装置和高精度的大扭矩、大行程自动张紧设备，托辊小车能自 动随输送带伸缩到位。 (8) 输送机品种：国内机型品种少，功能单一，使用范围受限，不能充分发挥其 效能。 3. 可靠性、寿命上的差距 (1) 输送带抗拉强度：我国生产的织物整芯阻燃输送带最高为 2500 N/mm，国外 为 3150N/mm。钢丝绳芯阻燃输送带最高为 4000 N/mm，国外为 7000 N/mm。 3 (2) 输送带接头强度：我国输送带接头强度为母带的 50%65%，国外达母带的 70%75%。 (3) 托辊寿命：我国现有的托辊技术与国外比较，寿命短、速度低、阻力大。我 国输送机托辊寿命为 2 万 h，国产托辊寿命仅为国外产品的 30%40%。 (4) 输送机减速器寿命：我国输送机减速器寿命 2 万 h，国外输送机减速器寿命 7 万 h。 (5) 带式输送机上下运行时可靠性差。 4. 控制系统上差距 (1) 驱动方式：我国为调速型液力偶合器和硬齿面减速器，国外传动方式多样， 如 BOSS 系统、CST 可控传动系统等 。 (2) 监控装置：国外输送机已采用高档可编程序控制器 PLC。我国输送机仅采 用了中档可编程序控制器来控制输送机的启动、正常运行、停机等工作过程。 (3) 输送机保护装置：近年国外输送机先进保护装置技术是国内的空白。 1.2 课题的研究目的 皮带输送机控制系统的设计是一个很传统的课题，现在随着各种先进精确的诸多 控制仪器的出现，皮带输送机控制的设计方案也越来越先进，越来越趋于完美，各种 参考文献也数不胜数。 皮带输送机是在输送设备中是最常用的一种传输机构。该机种具有结构简单，经 济方便，使用可靠，传输平稳，输送量大，效率高，低噪音等优点。其形式多样，适 用范围广，特别适合一些散碎原料与不规则物品的输送。广泛应用于轻工，电子，食 品，化工，木业，机械等行业。它具有输送平稳，物料与输送带没有相对运动，能够 避免对输送物的损坏。噪音较小，适合于工作环境要求比较安静的场合等特点。结构 简单，便于维护。能耗较小，使用成本低。由于可编程控制器（简称 PLC）将其系 统的继电器技术，计算机技术和通信技术融为一体，以其可靠性高、稳定性好、抗干 扰能力强、以及编程简单、维护方便、通讯灵活等众多优点，广泛应用于工业生产过 程和装置的自动控制中。PLC 不仅能实现复杂的逻辑控制，还能完成定时、计算和各 种闭环控制功能。设置性能完善、质量可靠、技术先进的可编程控制器 PLC 控制皮 带运输机监控系统，可以实现高自动化的皮带机群的集中控制（包括遥控）及保护。 4 此次毕业设计的课题内容即为 PLC在皮带输送机控制系统中的应用。 1.3 研究内容 其设计内容和要求是：完成用四台电动机带动四条皮带运输机的传送控制系统， 控制要求：启动时先启动最末一条皮带机，经 5 秒延时，再依次启动其它皮带。停止 时应先停止最前一条皮带，待料运完毕再依次停止其它皮带；出现故障时，要求该皮 带机及其前面的皮带立即停止，而该皮带机后面的皮带机待运料完毕后才停止；当某 皮带载重时，该皮带前面的皮带机停止，该皮带机运行 5 秒后停，而该皮带以后的皮 带机待运料完毕后停止。 （1）拟定控制系统设计的技术条件。技术条件一般以设计任务书的形式来确定， 它是整个设计的依据； （2）选择电气传动形式和电动机、电磁阀等执行机构； （3）选定 PLC的型号； （4）编制 PLC的输入输出分配表或绘制输入输出端子接线图； （5）根据系统设计的要求编写软件规格说明书，然后再用相应的编程语言（常 用梯形图）进行程序设计 （6）了解并遵循用户认知心理学，重视人机界面的设计，增强人与机器之间的 友善关系； （7）设计操作台、电气柜及非标准电器元部件； （8）编写设计说明书和使用说明书； 根据具体任务，上述内容可适当调整。 1.4 技术路线 对于该课题设计，基本上存在三种方案，但是针对设计的要求，对各个方案进行 比较、选择，大致分析过程如下： 方案一：利用强电电路，虽然强电电路也可以控制整个系统的运行，但是其电路 连接复杂，不便直接操作且不能实现自动化，同时存在一个稳定性、可靠性的问题， 而且很难制动继电器，不能够很好的完成所给定的任务。 方案二：只利用 PLC 可编程控制器，若只利用 PLC 可编程控制器，其高可靠性 5 是绝对可以保证系统的稳定性的，存在强电容易损坏 PLC 的问题。而且程序复杂， 控制器的运算时间变长。 方案三：利用 PLC 可编程控制器来控制，再加上强电电路组成的控制部分。这 个方案是利用了 PLC 的高可靠性和强电电路的简单化，整个系统的动作均由可编程 控制器控制，控制部分的信号通道由 PLC 和按钮开关来控制，这是为了保证电机动 作的准确性。这个方案包含了方案三的优点，从而保证了整个系统的可靠性之外，还 可以简化程序。 与上面的三个方案相比较，方案三的可行性最高，也是最简单，可靠的。综合上 面的简单分析，本设计采用方案三进行设计。 6 第 2 章 PLC控制系统及程序的设计 可编程控制器技术最主要是应用于自动化控制工程中，如何综合地运用前面学过 知识点，根据实际工程要求合理组合成控制系统， 在此介绍可编程控制器控制系统 的定义及设计的一般方法。 2.1. PLC 的结构及工作原理 2.1.1 PLC的结构 PLC 采用了典型的计算机结构，主要由 CPU、RAM、ROM 和输入输出接口电 路等组成，如图 2.1 所示。如果将 PLC 看作一个系统，该系统由输入变量和输出变 量组成。外部的各种开关信号、模拟量信号均作为 PLC 的输入变量，它们经 PLC 外 部输入到内部寄存器中，经 PLC 运算处理后送到输出端子，它们是 PLC 的输出变量。 PLC系统各部分的作用说明如下： 图 2.1 PLC结构简化框图 （1）中央处理单元（CPU） 中央处理单元（CPU）是 PLC 的控制中枢。它按照 PLC 系统程序赋予的功能接 收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O 以及警戒定时器 的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当 PLC 投入运行时，首先它以扫描的方 编程器 中央处理单元 （CPU） 输 入 单 元 系统程序存储器 用户程序存储器 输 出 单 元 电源 7 式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入 I/O 映像区，然后从用户程序存储 器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送 入 I/O 映像区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将 I/O 映像区 的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停 止运行。为了进一步提高 PLC的可靠性，近年来对大型 PLC还采用双 CPU 构成冗余 系统，或采用三 CPU 的表决式系统。这样，即使某个 CPU 出现故障，整个系统仍能 正常运行。 （2）存储器 存储器是具有记忆功能的半导体电路，用来存放系统程序、用户程序、逻辑变量 和其它一些信息， PLC使用两种存储器：ROM和 RAM。ROM中存放系统程序，包 括检查档字、翻译程序和监控程序。RAM 中存放用户程序、逻辑变量和供内部程序 使用的工作单元。存放系统软件的存储器称为系统程序存储器，存放应用软件的存储 器称为用户程序存储器。 系统程序存储器 该存储器存放系统程序（系统软件）。系统程序是 PLC 研制者所编的程序，它 是决定 PLC 性能的关键。系统程序包括监控程序、解释程序、故障自诊断程序、标 准子程序库及其他各种管理程序等。系统程序由制造厂家提供，一般都固化在 ROM 或 EPROM 中，用户不能直接存取。系统程序用来管理、协调 PLC 各部分的工作， 翻译、解释用户程序，进行故障诊断等。 用户程序存储器 该存储器存放用户程序（应用软件）。用户程序是用户为解决实际问题并根据 PLC 的指令系统而编制的程序，它通过编程器输入，经 CPU 存放入用户存储器。为 便于程序的调试、修改、扩充、完善，该存储器使用 RAM。 变量（数据）存储器 变量存储器存放 PLC 的内部逻辑变量，如内部继电器、I/O 寄存器、定时器/计 数器中逻辑变量的现行值等，这些现行值在 CPU 进行逻辑运算时需随时读出、更新 有关内容，所以，变量存储器也采用 RAM。现今用户程序存储器和变量存储器常采 用低功耗的 CMOSRAM 及锂电池供电的掉电保持技术，以提高运行可靠性。通常 8 PLC 产品资料中所指的内存储器容量，是针对用户程序存储器而言的，且以字（16 位字）为单位来表示存储器的容量。 （3）输入输出单元 输入单元是 PLC 与工业生产现场的被控设备相连的输入接口，是现场信号进入 PLC 的桥梁。输入接口的主要作用是接收指令元件，检测元件传来的信号。输入接口 采用光电耦合电路，目的是把 PLC 与现场电路隔离，提高 PLC 的抗干扰能力。接口 电路内部有滤波，电平转移及信号锁存电路。各 PLC 生产厂家都提供了多种形式的 I/O 部件或模块供用户选用。 输出单元也是 PLC 与现场设备之间的连接部件，负责把输出信号送给控制对象 的输出接口。输出接口电路一般由微电脑输出接口和功率放大电路组成，其作用将中 央处理器送出的弱电信号转换成现场需要的电平信号，驱动被控设备的执行元件。输 出接口电路也采用光电耦合，每一点输出都有一个内部电路，由指示电路，隔离电路， 继电器组成。输出接口电路也有输出状态锁存、显示、电平转移和输出接线端子排， 输出部件或模块也有多种类型供选用。 （4）电源 PLC 的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠得电 源系统是无法正常工作的，因此 PLC 的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一 般交流电压波动在+10%（+15%）范围内，可以不采取其它措施而将 PLC 直接连接到 交流电网上去。 2.1.2 PLC的工作原理 PLC 虽具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很大的不同。微机一般 采用等待命令的工作方式，如常见的键盘扫描方式或 I/O 扫描方式，有键按下或 I/O 动作则转入相应子程序，无键按下则继续扫描。PLC 则采用循环扫描工作方式，在 PLC 中用户程序中有众多的操作需要执行，但是一个 CPU 每一个时刻只能执行一个 操作而不能同时执行多个操作，因此用户程序是按先后次序存放的，CPU 按程序的 顺序依次执行各个操作。即 CPU 从第一条指令开始执行，直到遇到结束符又返回第 一条执行，如此周而复始不断循环 10 。 PLC 的工作过程基本上是用户的梯形图程序的执行过程，即在系统软件的控制下 9 顺次扫描各输入点的状态，按用户程序解算控制逻辑，然后顺序向各个输出点发出相 应的控制信号。除此之外，为提高工作的可靠性和及时地接收外来的控制命令，每个 扫描周期还要进行故障自诊断和处理与编程器、计算机的通信请求，因此，PLC 工作 过程分为以下五步： （1）自诊断 自诊断功能可使 PLC 系统防患于未然，而在发生故障时能尽快的修复，为此 PLC 每次扫描用户程序以前都对 CPU、存储器、输入输出模块等进行故障诊断，若 自诊断正常便继续进行扫描，而一旦发现故障或异常现象则转入处理程序，保留现行 工作状态，关闭全部输出，然后停机并显示出错的信息。 （2）与外设通信 自诊断正常后 PLC 即扫描编程器、上位机等通信接口，如有通信请求便响应处 理。在与编程器通信过程中，编程器把指令和修改参数发送给主机，主机把要显示的 状态、数据、错误码进行相应指示，编程器还可以向主机发送运行、停止、清内存等 监控命令。在与上位机通信过程中 PLC 将接收上位机发出的指令进行相应的操作， 把现场状态、PLC 的内部工作状态、各种数值参数发送给上位机以及执行启动、停机、 修改参数等命令。 （3）输入现场状态 完成前两步工作后 PLC 便扫描各个输入点，读入各点的状态和数据，如开关的 通断状态、形成现场的内存映象。这一过程也称为输入采样或输入刷新，在一个扫描 周期内内存映象的内容不变，即使外部实际开关状态己经发生了变化也只能在下一个 扫描过程中的输入采样时刷新，解算用户逻辑所用的输入值是该输入值的内存映象值 而不是当时现场的实际值。 （4）解算用户逻辑 即执行用户程序。一般是从存储器的最低地址存放的第一条程序开始，在无跳转 的情况下按存储器地址的递增方向顺序的扫描用户程序，按用户程序进行逻辑判断和 算术运算，因此称之为解算用户逻辑。解算过程中所用的计数器、定时器、内部继电 器等编程元件为相应存储单元的即时值，而输入继电器、输出继电器则用的是内存映 象值。在一个扫描周期内，某个输入信号的状态不管外部实际情况是否己经变化，对 10 整个用户程序是一致的，不会造成结果混乱。 （5）输出结果将本次扫描过程解算得到的最新结果送到输出模块取代前一次扫描解 算结果，也称为输出刷新。解算用户逻辑时，每一步所得到的输出信号被存入输出映 像寄存器而并未发送到输出模块，相当于输出信号被输出门阻隔，待全部解算完成后 打开输出门一并输出，所用输出信号由输出状态表送到输出模块，其相应开关动作。 在依次完成上述五个步骤操作后 PLC 又开始进行下一次扫描。如此不断的反复 循环扫描，实现对全过程及设备的连续控制，直至接收到停止命令、停电、出现故障 或载物。PLC的工作过程如图 2.2 所示。 图 2.2 PLC的工作过程 2.2 系统设计的基本要求 编制一个较好的 PLC控制程序一般需要注意以下几个方面： 正确性 一个程序必须经过实际检验，以证明其运行的正确性，这是对 PLC 程序最基本 的要求。而正确，规范地使用各种指令，正确合理地使用各类部件，则是程序正确的 重要因素。 可靠性 PLC 程序不仅要正确，而且要可靠。可靠性反映了 PLC 在不同工作状态下的稳 自诊断 与外设通信 输入现场状态 解算用户逻辑 输出结果 11 定性，这也是对程序设计的基本要求。有的用户程序在正常的工作条件下，或合乎逻 辑要求的操作情况下能正常工作，但当出现非正常工作情况，或进行非法操作后，程 序就不一定能正常工作了。所以为保证 PLC 的正常工作，使 PLC 能应付各种非正常 的突发事件，提高实际应用中的可靠性是非常重要的。 合理性 PLC 程序的合理性主要表现在两个方面：一是应尽可能使用户程序简短；二是应 尽可能缩短扫描周期，提高输入输出响应速度。 可读性 系统的可读性好，是指程序要层次清晰，结构合理，指令使用得当，并按模块化， 功能化和标准化设计；在输入输出点及内部器件的分配和使用上要有规律性；还应 在一些功能段以一些特殊指令后作一些注释，以方便记忆和理解。一个可读性好的程 序不仅便于设计者加深对程序的理解，便于修改和调试，而且还便于使用者读懂程序， 便于调整功能和日常维护。 可塑性 程序的可塑性是指当控制方案稍作改动时，只需对已设计好的程序略作修改即可， 程序容易修改或控制方案容易改变是 PLC 的一大特点。因此，PLC 可广泛应用于各 种控制场合，特别适合在灵活多变的控制系统中应用。 2.3 系统设计的基本步骤 可编程控制器应用系统设计与调试的主要步骤，如图 2.3 所示。 （1）深入了解和分析被控对象的工艺条件和控制要求 被控对象就是受控的机械、电气设备、生产线或生产过程 ； 控制要求主要指控制的基本方式、应完成的动作、自动工作循环的组成、必要 的保护和联锁等。对较复杂的控制系统，还可将控制任务分成几个独立部分，这种可 化繁为简，有利于编程和调试。 （2）确定 I/O 设备 根据被控对象对 PLC 控制系统的功能要求，确定系统所需的用户输入、输出设 备。常用的输入设备有按钮、选择开关、行程开关、传感器等，常用的输出设备有继 12 电器、接触器、指示灯、电磁阀等。 （3）选择合适的 PLC类型 根据已确定的用户 I/O 设备，统计所需的输入信号和输出信号的点数，选择合适 的 PLC类型，包括机型的选择、容量的选择、I/O 模块的选择、电源模块的选择等。 （4）分配 I/O 点 分配 PLC 的输入输出点，编制出输入输出分配表或者画出输入输出端子的 接线图。接着就可以进行 PLC 程序设计，同时可进行控制柜或操作台的设计和现场 施工。 （5）设计应用系统梯形图程序 根据工作功能图表或状态流程图等设计出梯形图即编程。这一步是整个应用系统 设计的最核心工作，也是比较困难的一步，要设计好梯形图，首先要十分熟悉控制要 求，同时还要有一定的电气设计的实践经验。 （6）将程序输入 PLC 当使用简易编程器将程序输入 PLC 时，需要先将梯形图转换成指令助记符，以 便输入。当使用可编程序控制器的辅助编程软件在计算机上编程时，可通过上下位机 的连接电缆将程序下载到 PLC中去。 （7）进行软件测试 程序输入 PLC 后，应先进行测试工作。因为在程序设计过程中，难免会有疏漏 的地方。因此在将 PLC 连接到现场设备上去之前，必需进行软件测试，以排除程序 中的错误，同时也为整体调试打好基础，缩短整体调试的周期。 （8）应用系统整体调试 在 PLC 软硬件设计和控制柜及现场施工完成后，就可以进行整个系统的联机调 试，如果控制系统是由几个部分组成，则应先作局部调试，然后再进行整体调试；如 果控制程序的步序较多，则可先进行分段调试，然后再连接起来总调。调试中发现的 问题，要逐一排除，直至调试成功。 （9）编制技术文件 系统技术文件包括说明书、电气原理图、电器布置图、电气元件明细表、PLC 梯 形图。 13 图 2.3 可编程控制器应用系统设计与调试的主要步骤 2.4 系统构成 皮带运输系统示意图如下： 14 L1 L2 B3 B1 B2 Z B4 Y 车船 L1 L2 Z B1 B2 B3 B4 堆场 图 2.4 皮带运输系统示意图 L1、L2 气动料仓料斗 B1、B2 胶带运输机 B3、B4 制板运输机 Z 气动闸门 Y 压力传感器 气动料仓料 L1、L2 进料之后，把料卸在皮带机 B1 上，通过 B1 把料传到皮带 机 B2 上，然后再由 B2 传到 B3 上，B3 上安装了气动闸门 Z，当 Z 全关的时候， 所有的料都经过 B3 传到了车船；当 Z 全开的时候，所有的料都经过闸门 Z 传到 B4 上，然后再由 B4 传到堆场；当 Z半开时，料一部分经过 B3 传到了车船。另一部 分经过闸门 Z传到 B4 上，再传到堆场。当车船料装满之后，通过车船压力传感器 Y 15 传输一个料满信号给 PLC，然后由 PLC 控制料斗和输送机停止给料。 2.5 工艺要求 首先确定工艺过程 该系统的工艺过程主要是通过 皮带运输机 B1、B2、B3、B4 将仓料斗里的原 料分别运往堆场和车船或同时运往堆场和车船。 具体工艺过程如下： 工艺一：B1B2B3B4堆场 工艺二：B1B2B3装车船 工艺三：B1B2B3B4堆场（气动阀门Z 半开） 装车船 第一台输送机起动及输送机部分起动之前，应沿输送机线全长发出一个清楚的， 可听得见的，时间不少于 5 秒钟的自动警告信号，并应随着整个起动结束自动停止 信号。 起动时先起动最末一条输送机（B4 或 B3） ，经过 5 秒钟延时，再依次起动 5s 5s 5s B3 B2 B1 或 B2 B1，然后再打开阀门 L1 或（和）L2 。 输送机线正常停车应由操纵台进行，先停止 L1 或（和）L2， 经 4 秒钟延时，再依次停 4s 4s 4s 止 B1 B2 B3 B4 。 当某条输送机发生故障时，该输送机及其前面的输送机应立即停止。如 B2 有 故障，L1 或 L2 及 B1、B2 立即停止。在紧急切断任何一台输送机时，应给操纵台 一个自动音响信号。 在 B2 输送机上装有速度传感器（打滑 H，过速 G） ，拉线开关（L） ，跑偏开 关（P） ，撕带开关（S） 。 电动机应有一定的过热、过流保护。 在保护装置损坏而人们尚未把它恢复到正常状态之前，不能远距离再次接通有故 障的输送机。 系统能从自动控制转变成就地控制。 操纵台上装有系统的转换开关、操作开关、电流表、电压表（包括电动机和控制 回路） 、气压表、各种信号灯（各种事故停车原因的灯光信号应不同） 。 16 在 B2 输送机上配一只控制箱（就地控制） 。 当车船装满时，压力传感器 Y 动作使输送机及料斗停止给料。 2.6 本章小结 本章主要介绍了 PLC的基本原理，本设计的主要要求，以及针对要求的大概设 计思路，给出了本设计运输机的示意图。第二部分主要介绍了工艺要求以及工艺过程， 为后边的设计及编程做出要求。 17 第 3 章 系统设备的选型 3.1 可编程控制器的特点 (1)可靠性高。由于可靠性是用户选用的首位依据，因此，每个 PC 生产厂都将可 靠性作为第一指标而加以研制，以单片机为核心，在硬件和软件上采取大量的抗干扰 措施，使 PC 的平均无故障时间达到 30 万小时以上，使用寿命长。 (2)控制功能强。PC 具有逻辑判断、计数、定时、步进、跳转、移位、记忆、四则 运算和数据传送等功能，可以实现顺序控制、逻辑控制、位置控制和工程控制等等。 (3)编程方便，易于使用。PC 采用与继电器电路相似的梯形图编程，比较直观，易 懂易编，深受电气技术人员和电工的欢迎，容易推广应用。 (4)适用于恶劣的工业环境，抗干扰能力强。具有各种接口，与外部设备连接非常 方便。 采用积木式结构或模块结构，具有较大的灵活性和可扩性，扩展灵活方便。 维修方便。PC 上有 I/O 指示灯（LED） ，那个 I/O 元件有故障，一目了然。 可根据生 产工艺要求或运行情况，随时对程序进行在线修改，不用更改硬接线，灵活性大，适 应性强。 3.2 本设计采用的 PLC 根据实际情况，输入输出点数决定选用三菱公司生产的 FX2n系列微型可编程控 制器中的FX2n48MR型。 3.3 电动机 电动机是电力拖动系统中的原动机，它将电能转化为机械能，去拖动各种类型生 产机械的工作机构运动，以实现各种生产工艺的要求，如驱动轧钢机的轧辊、龙门刨 床的工作台、起重机的提升机及行走机构、风机的叶轮等等。 随着社会化大生产的不断发展，生产制造技术越来越复杂，对生产工艺的要求也 18 进一步提高，例如要求很高的加工精度和很高的效率等。这就要求生产机械能够在工 作速度、定位精度、快速启动和制动、反转等方面达到一定的水平，而作为系统原动 机的电动机则是实现这些要求的主体，因此提高电动机的调速技术对于整个电力拖动 系统的性能具有十分重要的意义。 电动机又分为直流电动机和交流电动机。由于此次设计主要采用的是交流电动机 所以，下面我们主要介绍交流电动机以及它的调速方法。 交流电动机分为异步电动机和同步电动机。如果三相交流电机的转速 n 与定子 电流的频率 满足方程式 = 60 / 的关系，这种电机就称之为同步电机。同步电机的负载改变时，只要电源频率不变， 转速就不变。反之，如果不满足上述关系的电机，就称为异步电动机。 异步电机主要用作电动机，去拖动各种生产机械。例如，在工业方面，用于拖动 中小型 轧钢设备、各种金属切削机床、轻工机械、矿山机械等；在农业方面，用于 拖动水泵飞脱粒机、粉碎机以及其它农副产品的加工机械等；在民用电器方面的电扇、 洗衣机、电冰箱、空 调机等也都是用异步电动机拖动的。 异步电动机的特点是结构简单、容易制造、价格低廉、运行可靠、坚固耐用、运 行效率 较高和具有适用的工作特性。所以我们主要研究异步电动机，下面以三相异 步电动机为例说明异步电动机的工作原理、调速方法等。 1. 基本工作原理 三相异步电动机定子接三相电源后，电机内便形成圆形旋转磁通势，圆形旋转磁 密，设其方向为逆时针转，如图 3.1 所示。若转子不转，转子鼠笼导条与旋转磁密 有相对运动，导条中有感应电动势 e ，方向由右手定则确定。由于转子导条彼此在 端部短路，于是导条中有电流 i ，不考虑电动势与电流的相位差时，电流方向同电动 势方向。这样，导条就在磁场中受力 f ，用左手定则确定受力方向，如图 3.1 所示。 转子受力，产生转矩 T ，便为电磁转矩，方向与旋转磁通势同方向，转子便在 该方向上旋转起来。 2.本设计使用的电动机 本设计需要四个电动机来带动四个皮带机，这四个电动机都选用齿轮减速异步电 19 动机，其新型号是 YCJ，旧型号是 JTC，型号的意义就是异齿减，标准编号是 JB/T644992。用于要求低速，大转矩的机械。如运输机械、矿山机械、炼钢机械、 造纸机械及其它要求低转速的械。结构特征是由 Y 系列（IP44）电动机与齿轮减速 器直接耦合而成的。所以还得选择 Y 系列 IP44 电动机的具体型号。 图 3.1 异步电动机工作原理 Y（IP44）是指小型三相异步电动机（封闭式） ，标准编号 ZBK2200788（H80 315） JB527491(H355)，结构特征是自扇冷却，封闭式结构，能防止灰尘，水 滴大量进入电机部。用途是，作一般用途的驱动电源，即用以驱动对起动性能、转差 率等无特殊要求的机器和设备，亦可用于灰尘较多，水土飞溅的场所。 选择 Y112M-2 型的电动机，技术指标如下： 额定功率：4KW 效率：85.5 功率因数：Cos0.87 同步转速：3000r/min 铁心长度：105mm 气隙长度：0.45mm 定子外径：175mm 定子内径：98mm 定子线规 ncdc：11.06 每槽线数：48 20 并联支路数：1 绕组型式：单层同心 节距：116 槽数 Z1/Z2： 30/36 转动惯量：0.0055kgm 质量：45kg 3.4 皮带运输机 1.皮带运输机的结构 皮带运输机具有结构简单，操作连续平稳，运输量较大的特点，又因各部分摩擦 阻力小，动力消耗也较低，运输距离不受限制，在机体全长中任何地方都能装料与卸 料可以水平也可 以倾斜运 送物料。皮带输送机由头部、中部、尾部组成。头部由头 辊及支承架成 ；中部由支承架、限位辊、导向辊、张紧辊等组成；尾部由尾辊及支 承架、调节装置等成 。此设备的特点是重、高、大，其设计紧凑合理、自动化程度 高、内部结构复杂、安装 精度高。 2.皮带运输机的调试 首先应检查运输机支架安装是否牢固，是否有遗漏的焊口，并逐个检查限位辊、 张紧辊、导向辊的转动是否灵活，主动辊、从动辊内是否注油。以上确定无误后，采 取点动的方式启动主动辊电机，若继电器跳闸，切不可强行启动，应检查主动辊电机 内是否进入雨水造成短路，点动无误后，可正常启动主动辊电机。正常运转时，调整 皮带是本部工作中的 一个难点，若皮带跑偏，应调整尾部的可调螺母；若调整无效， 则应检查导向辊的安装 是否正确 ，必要时，将导向辊一端 支架割开、移位、焊接。 如皮带过紧或过松，应调整张紧辊，使之松紧适宜。 3.5 其他 1.压力传感器 车船装满时压力传感器承受的压力值大概在 10Mpa 左右，所以料斗里的压力传 感器选择 CYYZ 型。 主要技术指标如下： 21 量程：020Mpa 精度：0.1FS 传感器输出：60mv 2.速度传感器 由于电动机的最高同步转速要求是 3000r/min，所以选择 RC 系列测速传感器， 主要技术指标如下： 供电电源：DC12V，60mA，纹波200mV 输出方式：集电极开路脉冲输出， 负载电流：30mA 每转输出的脉红外线通光 测速范围：03000 r/min 测量误差冲个数：120 检测方式： ：0.1% 使用温度：-555 环境湿度：85RH 特点与用途：本产品的测速范围宽，测量精度高，输出信号与转速成线性关系， 具有正反输出功能，该功能特别适用于需正反转控制的自控系统。传感器与变送器一 体化设计，其输出脉冲信号可直接与二次数字仪表或计算机相连，结构新颖，安装方 便，测速，测角准确，运行稳定，安全可靠，性价比高，配有数字显示表，供需要显 示的用户选用。RC 系列测速传感器除可直接使用其转分转角的输出脉冲信号进行反 馈控制外，也可应用它的基本功能进行长度、深度、高度的测量，还可将数个传感器 安装在同一个轴上组合成多功能传感器。 3. 气压表 因为料斗里的压力值大约在 0.2Mpa 左右，所以选择 Y200 型单圈弹簧管气压 表。 其规格参数如下： 测量范围：00.4Mpa 精度等级：1.5 22 连接螺纹：M201.5 结构特征：径向无边 环境温度：-40+70 产品用途：适用于测量对铜及其合金不起腐蚀作用的液体，气体和蒸汽的压力。 4.电流表 选用四个画框式交流电流表，型号是 59L19A，等级指数是 1.5，是电磁式电 流表，量限如下：在 0.120A 直接接通，大于 20A 配用电流互感器。外形尺寸是 12969（mm） 。 因 为 选 择 的 电 动 机 的 额 定 功 率 为 4000W ， UN =380V, COS =0.87, 可得 IN 7A。所以不需要配用电流互感器，量限直接选用 10 安。 5.电压表 采用四个画框式交流电压表，型号是 59L19V，等级指数是 1.5，是电磁式电 压表，量限如下：在 3600V 直接接通，380V，500V,1380KV，配用电压互感 器，次级为 100V。外形尺寸是 12969（mm） 。 由于电动机的额定电压最大为 380V,所以不用配用电压互感器，量限直接选用 380V 就可以了。 6.热继电器 电动机在运行过程中，如果长期过载、频繁起动、欠电压运行或断相运行，都可 能使电动机的电流超过它的额定电流。如果超过的额定值的量并不大，熔断器在这种 情况下不会熔断，这样将引起电动机过热，损坏绕组的绝缘，缩短电动机的使用寿命， 严重时甚至烧坏电动机，因此必须对电动机采用过热保护措施。所以用热继电器进行 过热保护。 热继电器一般用于小电流的电路，触点额定电流不大于 5 安。 所以选择 JR1-1 型热继电器四个，热元件额定电流是 0.6420 安培，热元件 编号是 136，触头额定电流是 2.5 安培，触头分断能力是 500 伏安，继电器重量 是 0.2 公斤。 7熔断器 熔断器串联在线路中，当线路或电器设备短路时，熔断器首先熔断，使线路或电 23 器设备脱离电源，起到保护作用。它是一种短路保护电器。 选择 RC1 系列瓷插式熔断器，额定电压是 380V，主要用途：用于交流分支路 的短路保护和过载保护。对于单台电动机熔断器的熔丝额定电流为 IFN 1.5 2.5 IN ,其中 IN 是电动机的额定电流，所以单个电动机的熔断器的额定电流 IFN 取 10.5 17.5A，四个电动机上的熔断器的量限选择 15A, 即选择 RC1-15 型熔断器 。 8交流接触器 接触器是一种用来频繁地接通或断开主电路及大容量控制电路地自动切换电器。 主要用于控制电动机、电热设备、电焊机等，是电力拖动系统中使用最广泛地电器元 件。接触器和开关一样，有接通和断开两种状态，称之为释放状态和动作状态。吸引 线圈断电时，接触器处于释放状态。吸引线圈接通电源时，接触器处于动作状态。 对于此次设计使用的四个电动机，采用四个交流接触器。交流接触器的电流应该 比电动机的额定电流稍微大一些，所以选择 CJ0 型交流接触器，它主要适用于 50 赫兹 380 伏的电器装置内，并适宜于频繁的起动和控制交流电动机，并可于热继电 器配合使用。其额定电压为 380V,额定电流为 10A. 9开关 拉线开关用于皮带机的紧急停机。本设计选用 SPS-2D（标准）型。 拉线开关的钢丝绳一端固定在一个固定的吊环上，另一端固定在开关臂杆上，钢 丝绳应粘一个支撑，端部固定在拉线开关臂杆的孔上，开关到固定端的距离通常不超 过 30 米，两开关之间的距离通常不超过 60 米，向上向下或拉动的力促使臂杆转动 到报警位置，触动微动开关并锁定直到人工手动复位。 标准拉线开关防护等级为 NEMA4 适应于室内或室外安装。FM 认证用于二级 1 类 E, F 和 G 组的开关。表面经特殊处理可用于盐性、碱性或酸性区域。对于腐 蚀特别严重的区域表面采用无电镀镍处理。 其特点是拉线开关是双向触动的，既可安装在输送机中间位置，也可安装在其两 端；通用的安装设计中拉线开关既可安装中输送机纵梁顶部也可安装在其两侧；坚固 的铸铝外壳，防护等级为 NEMA 4，特殊的环境可选择特殊的表面处理；整体式盖 板使得接线及开关调整方便简单，而不用拆卸开关；结构件设计紧凑；醒目的黑色臂 杆初托黄色或银色壳体，易于辨别报警或正常状态；提供完整的附件，包括钢丝绳、 24 绳夹及拉线支撑螺栓；手动杠杆复位。FM 认证用于二类区域，增加隔离罩后可用于 一类区域；可选红色小旗用于报警指示。 技术规格如下： 开关额定值：SPDT 开关，10A/380V 壳体：NEMA-4 防风雨 撕裂开关选用 DB-100 型撕裂开关。 在皮带出现撕裂、戳破、绞结处损坏或锐利物凸出皮事时，撕裂开关能给监视人 员提供报警信号或关掉输送机。 撕裂开关成对安装在皮带的两侧，由两段乙烯外套的航空钢丝绳连接起来。绳的 一端永久固定在支撑托架上，另一端连接在撕裂开关上的一个弹簧球上。两段线绳在 皮带下面形成了一个闭合的回路。当物体或撕裂的皮带悬吊下来，扫落一条或两条线 绳时，即探测出故障。因为线绳的脱离，它把弹簧球拉出底座，引起两个微动开关发 出报警或关掉输送机。 其特点是结构简单牢固、不需维护；铸铝外壳带防护层；整体式盖板，易于接线； 大容量微型触点；作用力只需 0.9kg即可触发开关。 主要技术指标如下： DB100 型，2 个 SPDT 微型开关，NEMA 4 壳体 1NPT 导线开口（标准型有两个，防爆型有一个） 外部零件用不锈钢制作 开关额定值为 20A/125，250 或 380V 交流，开关可根据需要接成常开或常闭 形式 锁定角度：20 拉力：3 到 8 公斤 导线开口：二个，螺丝孔 3/4-14NPT； 开关间最大距离：48 米（水平） 、36 米（倾斜） ，每 3 米缆绳有一支撑 安全停机要求符合 OSHA的要求 FM 认证，二级：1&2，E, F&G 组 应用范围：常规皮带输送机；梭式输送机；裙边式给料输送机；斗式提升机；包 25 装生产线；堆料/取料系统，起重机，挖掘机；轮船装卸系统；水平给料机皮带输送 机防偏开关用于皮带跑偏检测， 此设计采用 ROS2D（标准型） 。 防偏开关可固定在输送机纵梁的顶部或底部，动作臂距皮带边缘大约 25 到 75mm。通常安装在皮带两侧距头部或尾部滚筒 0.3 到 2 米的地方。皮带跑偏后，迫 使动作臂偏离，触动 DPDT 报警微动开关。如果继续偏停到停机触点，触动另一组 触点，输送机就会保护性停机。通用的安装设计可使防偏开关随意安装在输送机纵梁 顶部或底部。 其特点是坚固的铸铝外壳，防护标准 NEMA4，特殊的环境可选特殊的表面处理；整 体式盖板易于接线及调整；不需拆除动作杆就可拆掉盖板；动作杆轴承额定转速 5000 转/分，适合于皮带速度小于 6.35 米/秒；动作杆法向角调节范围为 22.5； 法向夹角为 10时报警触点动作，法向夹角为 20时停机触点动作。 技术规格如下： 开关触点额定值：2 个 SPDT,10A/380V，供报警及停机用 外壳：铸铝防风雨处壳，防护等级 NEMA 4 法向报警角度：在偏离垂直方向 22.5内可调 作用力：5 磅 导线开孔：3/4-14NPT FM II 级认证型号：1&2， E，F&G 组 带隔离罩可用于 I 级区域 型号：ROS2D（标准型） 应用范围：常规皮带输送机；地下、索道支撑皮带输送机；轮船装卸系统；堆垛 /取料输送机；倾斜和梭式输送机；起重机/挖掘机起重臂限位；裙边给料机/输送机； 重型极限开关。 转换开关选用 LW2 普通型，主要用作电器测量及其它线路的转换开关。 10信号灯 选用 ZSD48 型的信号灯。 11气动阀门 气动料仓料斗用二位三通阀，其中的气压值在 0.3Mpa 左右，所以选择 ZSAQ 26 163 型气动二位三通切断阀。规格参数如下： 公称通径：100mm 公称压力：0.6MPa 介质温度：-40+200 信号压力：0.350.5MPa 材质：铸铁，铸钢，铸不锈钢 产品用途：用于管道内介质的流通和切断。 气动闸门上的压力值在 1Mpa 左右需，所以气动闸门选用 ZSCWa6K（BCS） 型活塞调节蝶阀。规格参数如下： 公称通径：2000mm 公称压力：1.6MPa 介质温度：-20+200 输入信号：0.020.1MPa 阀板转角：060 流量特性：近似等百分比 材质：铸铁，铸钢，铸不锈钢 产品用途：主要用于调节介质的流量。 元件明细表见下表 表 3.1 原件明细表 序号 型号 名称 数量 1 FX2n48MR 可编程控制器 1 个 2 Y112M-2 电动机 4 个 3 CY-YZ 压力传感器 1 个 4 RC 速度传感器 4 个 5 Y200 型 单圈弹簧管气压表 2 个 6 59L19A 型 画框式电流表 4 个 7 59L19V 型 画框式电压表 4 个 27 3.6 本 章小结 本章主要介绍了本设计用到的各个设备的主要参数，根据本设计的要求选取了合 适的设备。具体选取了 PLC，电动机，皮带运输机以及其他附属设备，如压力传感 器，速度传感器，开关，信号灯等等。 8 JR1-1 型 热继电器 4 个 9 RC1-15 型 熔断器 4 个 10 RC1-60