山东科技大学课程设计

1、 山东科技大学学生课程设计山东科技大学课程设计说明书 设计题目: PLC皮带机变频调速设计 专 业: 自动化 班 级： 11-01 设计人: 山 东 科 技 大 学2014年 06 月 16 日课程设计任务书学院 电气与自动化工程学院 专业 自动化 班级 姓名 1、 课程设计题目 基于西门子S7-200系列PLC设计的可变频调速的双滚筒皮带机系统 2、 课程设计主要参考资料：（1） 徐文尚.电气控制技术与PLC.机械工业出版社.2011 （2） 冯世刚.煤矿皮带运输集控系统的设计 （3） 廖常初.PLC编程及应用. 北京：机械工业出版社，2003. 3、 课程设计应解决主要问题：（1） 皮带机

2、的平稳启动与停车 （2） 皮带机可进行正反转 （3） 皮带机可进行在额定转速之间的调速运行 4、 课程设计相关附件（如：图纸、软件等）：（1） 接线图两张（主电路图一张，控制电路一张） （2） 皮带机正反转源程序；皮带机正转源程序；去除PID的正转源程序导出仿真文件 5、 任务发出日期： 2014年06月16日 课程设计完成日期： 2014年06月29 日 指导教师签字： 系主任签字： 指导教师对课程设计的评语 指导教师签字： 年 月 日 摘要在各种规模的煤炭生产中，皮带输送机以其大输送力、低投入高性价比的优势，成为煤矿井上、井下主要的运输工具。皮带运输系统是否安全可靠，关系着煤矿生产的高产高

3、效。然而，皮带运输经常出现打滑、跑偏、撕裂等故障，传统的运输控制方式继电器控制，存在的可靠性差、劳动强度大及生产效率低等问题，同时，皮带机对电机的起动、制动、换向以及调速控制要求也很高。因此，本设计控制系统选用的是西门子S7-200系列PLC控制器进行控制电路的控制，而在硬件电路设计中，完成PLC选型、外部低压电器的选用以及使用西门子系列变频器MM420对电动机进行调速控制。本设计中电动机运行时有工频与变频两种方式。在报告书中，详细设计了硬件接线图，提出了接线要求，使之具有控制和保护的功能；在软件设计中，给出了程序流程图，编程语言采用了梯形图逻辑的方式，将硬件和软件有机的结合在一起，使控制系统

4、运行可靠，达到了预期的设计目的。关键词：皮带机 PLC 变频器 故障保护目录第一章 引言 6 1.1 皮带机现状 6 1.2 采用可编程控制器（PLC）控制的优势6 1.3 变频器在皮带机拖动上的应用特点 6第二章 控制器选择方案确定 82.1方案比较82.2方案确定9第三章 硬件设计93.1 系统功能设计分析 93.2可编程控制（PLC） 103.2.1 PLC的简介 10 3.2.3 PLC的工作原理 103.2.3 PID算法 11 3.2.4 PLC的选型 12 3.3 变频器的选择与参数设置143.3.1 变频器的选择 143.3.2 变频调速原理 143.3.3变频器工作原理153

5、.3.4 变频器的快速设置153.4 传感器的选型与布置 183.5 PLC外围硬件电路的设计与硬件电路图 193.5.1 PLC的I/O点分配 193.5.2 PLC外部接线203.5.3 实验总电路图21第四章 软件设计234.1 STEP 7 编程软件简介 234.2 PLC程序编写 23 4.2.1 PLC程序结构图23 4.2.2 主程序流程图及内容 24 4.2.2.1 主程序流程图 24 4.2.2.2 主程序 254.2.3 子程序部分304.2.4 中断程序部分31 4.3软件仿真32 4.4 PID参数整定40第五章 总结42致谢 43参考文献 44第1章 引言1.1 皮带

6、机现状 随着国民经济的快速发展，煤矿、冶金、钢铁、化工、制药、仓储、电厂等方面对于皮带输送机有了许多高新的要求。皮带输送机俗称带式运输机，是一种连续性的带式运输机械，也是一种通用的机械，它既可以运送散状物料，也可以运输件式成品物料。工作过程中噪音较小、结构简单，皮带输送机可用于水平或倾斜运输。皮带输送机还用于装船机、卸船机、堆取料机等连续运输移动的机械上。以前的皮带输送机的电气控制部分为继电器和接触器控制，采用手工的操作方式，存在劳动强度大、能耗高、维护量大、可靠性能差等缺点。随着工业大发展继电器控制系统无法达到相应的要求，且使用元件过多，因此根据不同行业不同用户的要求，采用PLC控制皮带输送

7、机是十分必要的。 1.2采用可编程控制器（PLC）控制的优势采用可编程控制器（PLC）控制的优势有如下几条： 可靠性能高，皮带机的综合保护装置以PLC控制器为核心，系统具有高可靠性和强抗干扰等特点，对环境要求不高，适用于较为恶劣的工作场所。 配置灵活，PLC在组态系统时具有极大的灵活性，极强的处理能力，以及极大的输入输出I/O扩容量，当现场发生变化时，只需改变程序即可，因此能够方便灵活地进行系统配置，组成不同规模、不同功能的控制系统，即可控制一台单机，也可控制一条生产线，即可现场控制，也可远程集中控制。 设备扩展性强，PLC具有很强的组网能力和扩展能力，今后可以很方便的添加新设备，如果与计算机

8、PC控制相结合，则功能就更高了，它既可一通过MPI又可以通过BUS总线与其它PC系统相连，从而避免了以前上套设备需要更换一套控制设备的弊端，因此节省了大量的人力和财力。 维护方便，模块连接采用插拔式接线端子排，更换和维护都相当的方便快捷。1.3 变频器在皮带机拖动上的应用特点 优越的软起动、软停止特性。 隔爆变频器的起动、停止时间是任意可调（0-10min）的，也就是说起动时的加速度和停车时的减速度任意可调，同时为了平稳起动，还可匹配其具备的S型加减速时间，这样可将皮带机起停时产生的冲击减少至最小，这是其它驱动设备难以达到的。如图1.3.1 。 验带功能 煤矿的生产运输系统多以皮带机为主，运输

9、系统检验维护的主要工作是皮带机的检验维护，低速验带功能是皮带机检验的主要要求，变频调整系统为无极调速的交流传动系统，在空载验带状态下，变频器可调整电机工作在5%-100%额定带速范围内的任意带速。 平稳的重载起动 皮带机在运煤过程中任意一刻都可能立即停车再重新起动，必须考虑“重载起动”能力。由于变频器采用无速度传感器矢量控制方式，低频运转可输出1.5-2倍额定转矩，因此最适于“重载起动”。 功率平衡 煤矿井下皮带机系统多为双滚筒驱动或多滚筒驱动，为了保证系统内的同步性能，首先，要求位于机头的各滚筒应同步启停，在某一电机故障时能使系统停机，同时为了保证系统的运输能力，应尽量保证各滚筒之间的功率平

10、衡。通过调整相应两变频器的速度给定来调整两电机之间的速度差，便可以任意增大或减小两驱动电机的电流差值的大小，因此可以通过单独的控制系统控制各电机的电流值，通过调整各电机的速度来使各电机电流值逐步趋于平衡，这便形成了一个动态的功率平衡系统。 自动调速、节电效果明显 对应于煤矿的特殊生产条件，有时，煤的产量是极不均匀的，当然皮带机系统的运煤量也是不均匀的，在负载轻或无负载时，皮带机系统的高速运行对机械传动系统的磨损浪费较为严重，同时电能消耗也较低速运行大的多，但因生产的需要皮带机系统又不能随时停车，采用单独的控制系统对前级运输系统的载荷、本机运输系统的载荷进行分别丈量，这样可控制变频器降速或提前升

11、速。对于载荷不均的皮带机系统，可大大节约电能。 降低胶带张力 由于采用隔爆变频器所产生的良好起动特性，至少可降低起动张力30%，如在初期设计选择胶带强度时可降低一个标号。在实际应用过程中，由于降低了起动冲击，皮带机机械系统的设备损耗也随之降低，尤其托辊及滚筒的寿命成几倍的延长。 具有工频转换功能 为了不影响生产，万一有故障，可以转换到工频旁路工作，检验时间维护变频器。在生产需要长期全速运行时，变频器起动后也可选择切换到工频运行，这样可延长变频器内电解电容寿命。图1.3.1 变频驱动时的三相异步电动机启动时的特征曲线 第二章 总体方案的确定2.1方案比较 就目前的现状有以下几种控制方式满足系统的

12、要求：继电器控制系统、单片机控制、工业控制计算机控制、可编程序控制器控制。 (1) 继电器控制系统 控制功能是用硬件继电器实现的。继电器串接在控制电路中根据主电路中的电压、电流、转速、时间及温度等参量变化而动作，以实现电力拖动装置的自动控制及保护，系统复杂，在控制过程中，如果某个继电器损坏，都会影响整个系统 的正常运行，查找和排除故障往往非常困难，虽然继电器本身价格不太贵，但是控制柜的安装接线工作量大，因此整个控制柜价格非常高，灵活性差，响应速度慢。 （2）单片机控制 单片机作为一个越大规模的集成电路、机构上包括CPU、存储器、定时器和多种输入/输出接口电路。其低功耗、低电压和很强的控制功能，

13、成为功控领域、尖端武器、日常生活中最广泛的计算机之一。但是，单片机是一片集成电路，不能直接将它与外部I/O接口电器上、硬件设计、制作和程序设计的工作量相当大。 （3）工业控制计算机控制 工控机采用总线结构，各厂家产品兼容性强，有实时操作系统的支持，在要求快速、实用性强、功能复杂的领域中占优势。但工控机价格较高，将它用于开关量控制有些大材小用。且其外部I/O接线一般都用于多芯扁平电缆和插头、插座，直接从印刷 电路板上引出，不如接线端子可靠。 （4）PLC控制 可编程序控制器配备各种硬件装置供用户选择，用户不用自已设计和制作硬件装置，只须确定可编程序控制器硬件配制和设计外部接线图，同时采用梯形图语

14、言编程，用软件取代继电器电器系统中的触点和热线，通过修改程序适应工艺条件的变化。 可骗程控制（PLC）从上个世纪70年代发展起来的一种新型工业控制系统，起初它主要是针对开关量进行逻辑控制的一种装置，可以取代中间继电器、时间继电器等构成开关量控制系统。随着30多年来微电子技术的不断发展，PLC也通过不断的升级换代大大增强了其功能。现在PLC已经发展成为不但具有逻辑控制功能、还具有过程控制功能、运动控制功能和数据处理功能、连网通讯功能等多种性能，是名符其实的多功能控制器。由PLC为主构成的控制系统具有可靠性高、控制功能强大、性价比高等优点，是目前工业自动的首选控制装置。2.2 方案确定 通过对多种

15、设计方案的比较，决定选择可编程控制系统，相比于继电器系统，它性能可靠性高，接线很简单，系统不复杂，易于维护，性能先进，易于改造。和单片机系统相比，它编程简单，易于掌握，连线简单。工业控制计算机控制系统性能先进，但是价格昂贵，系统复杂，对于本系统而言实在是大材小用。 综上所述，本次设计应选择PLC控制更为合理。 第三章 硬件设计3.1 系统功能设计分析 随着电力电子技术以及控制技术的发展，交流变频调速在工业电机拖动领域得到了广泛应用；可编程控制器PLC作为替代继电器的新型控制装置，简单可靠，操作方便、通用灵活、体积小、使用寿命长且功能强大、容易使用、可靠性高，常常被用于现场数据采集和设备的控制。

16、在此，本次设计就是基于PLC的变频器调速系统来控制皮带机运动。将现在应用最广泛的PLC和变频器综合起来主要功能实现了变压变频调速。电机的正反转，加减速以及快速制动等。因此，该系统必须具备以下三个主体部分：控制运算部分、执行和反馈部分。控制运算主要由PLC和变频器来完成；执行元件为变频器和电机；反馈部分主要为速度反馈。 系统主要由三个部分构成，即可编程逻辑控制器件PLC、变频器和电机。首先通过设置给定输入给PLC，再通过PLC控制变频器，再经由变频器来控制电机，随后将电机的转速反馈给PLC，经比较后输出给变频器从而实现无静差调速。具体如下图所示：电机速度闭环控制的机构控制图-速度给定速度反馈信号

17、+PLC（PID）变频调速系统3.2 可编程控制器（PLC）3.2.1 PLC 的简介 PLC 即可编程逻辑控制器，是整个集控系统的核心。 伴随着计算机技术、通信网络技术、微处理器技术、自动控制理论以及半导体集成技术的快速发展，1969 年，首台可编程逻辑控制器（Programmable LogicController，PLC）在美国应运而生，并成功完成了对汽车制造中自动装配线上的试用。随后，PLC 开始广泛应用于食品、医疗、冶金、矿厂等工业领域。PLC 不仅能完成逻辑运算控制，还可以完成模拟量、脉冲量的算术运算，可以把它看做是专门为工业环境下应用而设计的执行数字运算操作的电子装置。 PLC

18、采用了典型的计算机结构，主要组成部分为：中央处理器(CPU)、存储器、输入/输出(I/O)接口、I/O 扩展接口和电源等部分组成。PLC 的基本组成结构如下图所示： 图 3.2.1 PLC 的基本组成结构3.2.2 PLC 的工作原理 PLC 的工作方式就是一个不断循环的顺序扫描方式。运行时，首先清除I/O映像区的内容，接着进行自我诊断，然后与外部设备进行通信连接，确认正常后开始扫描全部输入端口，获取并存储信号。再顺序执行程序，对输入信号进行运输后，再将结果输出给外部。每一个PLC 程序，CPU 都是从第一条指令开始，按顺序逐条地不断循环扫描用户程序直到最后一条32。通常，PLC 上电后对系统

19、进行一次初始化，包括硬件初始化和软件初始化，然后在运行状态(RUN)下开始进行扫描。一次扫描过程分为5 个阶段：自诊断处理阶段、通信处理阶段、输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段。PLC 的循环扫描过程如下图所示： 图3.1.2 PLC工作原理3.2.3 PID算法 PLC的PID控制器设计是以连续系统PID控制规律为基础，经采样将其数字化写成离散形式PID控制方程，再根据离散方程进行控制程序设计。典型的PID算法包括3项，比例项、积分项和微分项。即：输出比例项积分项微分项。计算机在周期性地采样并离散化后进行PID运算，算法如下： Mn=Kc*（SPn-PVn）+Kc*（Ts/Ti）*（S

20、Pn-PVn）+Mx+Kc*（Td/Ts）*（PVn-1-PVn） 比例项Kc*（SPn-PVn）：能及时地产生与偏差（SPn-PVn）成正比的调节作用，比例系数Kc越大，比例调节作用越强，系统的静态稳定精度越高，但Kc过大会使系统的输出量振荡加剧，稳定性降低。 积分项Kc*（Ts/Ti）*（SPn-PVn）+Mx：与偏差有关，只要偏差不为0，PID控制的输出就会因积分作用而不断变化，直到偏差消失，系统处于稳定状态，所以积分的作用是消除稳态误差，提高控制精度，但积分的动作较慢，给系统的动态稳定带来不良影响，很少单独使用。积分时间常数Ti增大，积分作用越强，消除稳态误差的速度减慢。 微分项Kc*

21、（Td/Ts）*（PVn-1-PVn）：根据误差变化的速度（即误差的微分）进行调节，具有超前和预测的特点。微分时间常数Td增大时，超调量减少，动态性能得到改善，但Td过大，系统输出量在接近稳态时可能上升缓慢。 许多控制系统内，可能只需要P、I、D中的一种或两种控制类型。如可能只要求比例控制或比例与积分控制，通过设置参数可对回路进行控制类型进行选择。 内存变量分配表1、程序地址分配地址说明VD238目标速度设定存放地址VD300当前实际速度存放地址2、 PID指令回路表地址名称说明VD100过程变量（PVn）必须在0.01.0之间VD104给定值（SPn）必须在0.01.0之间VD108输出值（

22、Mn）必须在0.01.0之间VD112增益（Kc）比例常数，可正可负VD116采样时间（Ts）单位为s，必须是正数VD120采样时间（Ti）单位为min，必须是正数VD124微分时间（Td）单位为min，必须是正数3.2.4 PLC的选型 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

23、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。综合了输入输出（I/O）点数、存储器容量、各项控制功能和机型的考虑以及性价比等各方面的因素，在此我为该系统设计选择了S7-200 PLC一台。 图3.1.3 S7-200 PLC CPU的外形模型图S7-200有5种CPU模块、6个有12种工作方式的高速计数器和两点高速计数器/和脉冲宽度调制器、直接读写的模拟量I/

24、O模块、先进的程序结构、灵活方便的寻址方式以及程序化的PID编程控制。强大的通讯功能，它支持多种通信协议。价格是它在所有品牌在同一功能区内很有竞争力的。最重要的是它还提供了完善的的网上支持。这些都为实现本系统的设计提供很好的条件和方便。例如，高速计数器可以用来测速从而实现速度反馈。而本实验中应用的输入端口很多，综合考虑选用S7-200系列的CPU226CN（AC/DC/继电器）作为其控制器，其中AC/DC/继电器表示该款CPU是交流电源供电，输入是24VDC，输出为是继电器输出。其本机集成了24点输入/16点输出，共有40点数字量I/O。它可以连接7个扩展模块，最大扩展至248点数字量I/O或

25、35路模拟量I/O。CPU226配有2个RS-485通信/编程口，具有PPI通信、MPI通信和自由方式通信能力，是具有较强控制能力的小型控制器。为了配合采集现场传感器的模拟量输入信号，还为PLC扩展了一个拥有4个模拟输入模块，1个模拟输出模块的EM235。3.3 变频器的选择和参数设置3.3.1 变频器的选择 正确选择通用型变频器对于传动系统能够正常运行时至关重要的，首先要明确使用通用变频器的目的，按照生产机械的类型、调速范围、速度响应和控制精度、启动转矩等要求，充分了解变频器所驱动负载特性，决定采用什么功能的通用变频器构成控制系统，然后决定选用哪种控制方式最合适。所选用的通用变频器应是既满足

26、生产工艺要求，又要在技术经济指标上合理。若对通用变频器选型、系统设计及使用不当，往往会使通用变频器不能正常的运行、达不到预期目标，甚至引发设备故障，造成不必要的损失。另外，为了确保通用变频器长期可靠的运行，变频器的地线的连接也是非常重要的。 在本系统中，选用了由西门子生产的通用变频器MM420。 变频器MM420 为我们提供了很好的BOP控制面板具体如下图：3.1.4 变频器面板3.3.2 变频调速原理 交流电机的调速一直是业界的难题，目前，使用最广泛，效果最好的还是变频调速。变频调速的本质就是改变电动机定子供电频率，以来改变同步转速，从而对交流电动机实现调速。交流异步电动机的同步转速为： (

27、3.1)交流异步电动机的轴转速为： (3.2) 转子与定子旋转磁场转差率： (3.3)上三式中： 异步电动机同步转速；异步电动机的轴转速；定子供电频率；电动机的磁极对数；转差率，通常为5%；定子固有角速度；转子相应角速度。由上式(3.1)、(3.2)和(3.3)可以看出，因为 与是定值，所以，如果能连续地改异步电动机的供电频率，就可以平滑地改变电动机的同步速度及轴转速，以此实现异步电动机的无级调速，这就是变频调速的基本原理。3.3.3 变频器的工作原理变频器的工作原理是把市电（380V 、50Hz）通过整流器变成平滑直流，然后利用半导体器件（GTO、GTR或IGBT）组成的三相逆变器，将直流电

28、变成可变电压和可变频率的交流电。3.3.4 变频器的快速设置（1）用基本操作面板（BOP）更改参数的数值。下面说明如何改变P0003“访问级”的数值。操作步骤如下： 表3.3.1 修改访问级参数P0003的步骤（2） 改变参数数值的操作 为了快速修改参数的数值，可以一个个地单独修改显示出的每个数字，操作步骤如下： 当已处于某一参数数值的访问级（参看“用 BOP 修改参数”）。 1）按 （功能键），最右边的一个数字闪烁。 2）按 ，修改这位数字的数值。 3）再按 (功能键），相邻的下一位数字闪烁。 4）执行 2 至 4 步，直到显示出所要求的数值。 5）按 ，退出参数数值的访问级。（3）快速调试

29、 如果所用的变频器刚刚出厂的变频器，则需对它进行快速调试（把参数P0700设置为1，并将P1000的参数设为1），试验中用到的变频器都已经完成了快速调试。如表3.3.2参数号出厂值设置值说明P000311设用户访问级为标准级P001001快速调试P010000工作地区：功率以KW表示，频率为50HzP0304230380电动机的额定电压（V）P03053.250.2电动机的额定电流（A）P03070.750.04电动机的额定功率（KW）P030800电动机额定功率因数（由变频器内部计算电机的功率因数）P000311设用户访问级为标准级P000407命令和数字I/OP070022命令源选择由端子

30、排输入P000312设用户访问级为扩展级P000407命令和数字I/OP070111ON接通正转，OFF停止P070212ON接通反转，OFF停止P000311设用户访问级为标准级P0004010设定值通道和斜坡函数发生器P100021由MOP（电动电位计）输入设定值P108000电动机的最低运行频率（Hz）P10825050电动机运行的最高频率（Hz）P1120105斜坡上升时间（s）P1121105斜坡下降时间（s）P000312设用户访问级为扩展级P0004010设定通道和斜坡函数发生器 表3.3.2 快速调试的内容注:（1）设置参数前先将变频器参数复位为工厂的缺省设定值 （2）设定P0

31、003=2 允许访问扩展参数 （3）设定电机参数时先设定P0010=1(快速调试),电机参数设置完成设定P0010=0(准备) 3.4 传感器的选型与布置 传感器用于实现对皮带输送机运行状态的检测，并将数据传送到PLC。作为保护系统的触角，传感器的可靠性、灵敏性的高低直接决定系统保护的成败，所以传感器选型在此皮带集控系统中占有十分重要的地位。以下的各个传感器均适用于煤矿井下有煤尘、瓦斯爆炸危险的环境中，也适用于煤炭、冶金、化工、建材、交通、电力、仓储等行业地面使用环境。 跑偏传感器：选用型号为 GEJ25-40。它有两级信号：1 级跑偏(轻跑偏)信号、2 级跑偏(重跑偏)信号，两级信号均会使电

32、动机停车。主要技术参数：立辊偏转角度：1 级角度分为100、120、200；2 级角度分为300、350、450；触点数量：一级和二级开关的动合、动断接点各一个；复位方式：自动复位；触点容量：DC24V，1A。速度传感器：选用测速发电机与可变电阻器构成回路。主要技术参数：工作电压：AC 110V；工作电流：0.21A；信号输出：05V电压信号；测速范围：01900r/min； 撕裂传感器：选用型号为 GVC20，提供堆煤检测功能。主要技术参数：动作力：20 N±6 N；工作电压：DC 20V；工作电流：40mA；工作温度：0 40 ；湿度： 95%（+25时） ；大气压力：80110

33、 kPa ；工作环境：无滴水、无显著振动和冲击。温度传感器（IRTP300L红外线测温传感器）主要技术指标：测温范围0150°C；响应时间150ms；距离系数8:1；信号输出420mA/05V/RS485；电源为DC24V；探头尺寸22mm×85mm；螺纹部分18mm×16mm。烟雾报警器SS-168P主要技术指标：工作电压 9VDC/12VDC ；工作电流 静电电流小于 10ua 报警工作电流 10 30ma ； 烟雾灵敏度 符合 ul217 号标准测试值每英尺 3.2% 微弱灰烟探测器有反应； 工作环境 -1050； 报警音量 10 英尺处为 85 分贝 ；

34、报警输出 有线方式：现场声光报警 / 有无输出，报警排除自动断开 无线方式：报警发射频率 F ： 315M/433M ， 无线发射距离（屏蔽距离）： 50M ，可定制 圆形尺寸 R=105mm,H=38mm ； 堆煤传感器：选用型号为 GUJ25。主要技术参数：工作电压：9.0V25.0 V DC；工作电流：10 mA；动作角度：与垂直方向夹角为25；复位角度：与垂直方向夹角10°；动作方向：水平方向 360° ；工作温度：0 40 ；湿度：95%；大气压力：80110 KPa。接近开关（Autewell LJ12A3-4-Z/BY）主要技术参数如下：电源电压范围为：直流1

35、030VDC、交流90250VAC；检测距离4mm ；输出电流200mA；输出模式可选NPN常开、NPN常闭、PNP常开、PNP常闭、二线常开、二线常闭、交流常开、交流常闭。3.5 PLC外围硬件电路的设计与硬件电路图3.5.1 PLC的I/O点分配本设计为可调速的双滚筒皮带机，包含工频运行与变频运行两种选择。运行过程 如下：A. 当皮带机需要在额定转速下运行时，可采用两种方式：a. 直接利用自耦降压的方式启动，电动机启动停止后将运行在额定转速下。这样可以使变频器不用一直工作，可延长使用时间。b. 调节变频器，使变频器的电动机运行的频率设为50HZ，通过变频器启动后，电动机同样会运行在额定转速

36、下，且利用变频器将对电动机进行闭环调节，使电动机运行的更加平稳。B.当皮带机需要运行在额定转速以下时，一定要用变频器启动，先在变频器中设定转速对应的相应频率再启动电路。C.当皮带机需要停止时，会出现两种状况：a. 电动机运行在工频状态下,应先将工频切换成变频状态，然后变频停车。b. 若电动机运行在变频状态下，直接进行变频停车。D.若皮带机发生故障时，运行状态会打断，进行紧急停车。 因此，PLC的I/O点分配如下表3.5.1与表3.5.2。西门子PLC S7200(CPU226)输入端口（I）输出端口(Q)I0.0工频正转I1.0公变变（反转）I2.0二号温升Q0.0一号工频正转（KM1）Q1.

37、0变频器复位I0.1变频正转I1.1变频复位I2.1二号过速Q0.1二号工频正转(KM2)Q1.1变频启动(KM5)I0.2紧急停止I1.2一号FR1I2.2皮带撕裂Q0.2一号工频反转(KM7)Q1.2KM3闭合I0.3工频反转I1.3一号烟雾I2.3皮带跑偏Q0.3二号工频反转(KM8)Q1.3KM4闭合I0.4变频反转I1.4一号温升I2.4皮带堆煤Q0.4自耦降压正转启动(KM6)Q1.4I0.5工频停车I1.5一号过速I2.5变频器报警Q0.5自耦降压反转启动(KM9)Q1.5I0.6变频停车I1.6二号FR2I2.6Q0.6变频正转|停车Q1.6I0.7工频边变频（正转）I1.7二

38、号烟雾I2.7Q0.7变频反转|停车Q1.7西门子PLC 扩展模块EM235(模拟输入)EM235（模拟输出）AIW0一号转速反馈AQW0变频器模拟控制信号AIW2二号转速反馈AIW4给定值AIW6备用表3.5.1 CPU226 I/O分布表表3.5.2 EM235I/O口分布表3.5.2 PLC外部接线 图3.5.1 PLC外部接线图 3.5.2 实验总电路图 实验总电路图 图3.5.2 实验总电路图 控制电路图 图3.5.3 控制电路图 （3）功能分析当按下工频正转按钮时，接触器KM3、KM4、KM6闭合，电机M1，M2开始进行正向自耦降压启动。延时10S后，接触器KM3、KM4、KM6断

39、开，KM1、KM2闭合，电动机M1，M2开始在额定转速下的运转。工频正转指示灯亮。当按下变频正转的按钮时，接触器KM3、KM4、KM5闭合，Q0.6上电，开始10S的变频启动，启动完成后，开始变频正向运转。变频工作指示灯亮。当按下紧急停止按钮时，KM1KM9所有接触器均断开，电动机自然停止。当按下工频反转按钮时，接触器KM3、KM4、KM9闭合，电机M1，M2开始进行反向自耦降压启动。延时10S后，接触器KM3、KM4、KM9断开，KM7、KM8闭合，电动机M1，M2开始在额定转速下的反向运转。工频反转指示灯亮。当按下变频反转的按钮时，接触器KM3、KM4、KM5闭合，Q0.7上电，开始10S

40、的变频启动，启动完成后，开始变频反向运转。变频工作指示灯亮。电动机处于工频运转状态，按下工频停车按钮，接触器KM1、KM2、KM7、KM8均断开，接触器KM3、KM4、KM5闭合，接入变频器，使电动机进入变频停车状态。电动机处于变频运转状态，按下变频停车按钮，Q0.6、Q0.7两个输出发生复位，进入10S的变频停车。按下变频复位按钮，变频器会发生复位。电动机处于工频运转状态，按下工频边变频按钮，接触器KM1、KM2、KM7、KM8均断开，接触器KM3、KM4、KM5闭合，接入变频器，若电动机正转，则为PLC输出端口Q0.6处于上电状态，经闭环调节作用，转速将稳定在变频标准值附近。同理，若电动机

41、反转，则为PLC输出端口Q0.7处于上电状态，经闭环调节作用，转速将稳定在变频标准值附近。若系统发生故障时，电动机将进行自由停车。同时PLC输出口Q1.3有电，故障指示灯亮。第四章 PLC 程序设计4.1 STEP 7 编程软件简介 STEP 7是用于SIMATIC S7系列PLC的可编程逻辑控制程序的标准应用软件， 本系统采用的PLC为S7-200。所以，其编程环境为SIEMENS STEP7-Micro/WIN，现在STEP 7的PLC程序的编写的都采用模块化方式，通常一个控制程序会根据功能作用与任务性质划分为一个主程序和多个子程序。主程序的作用主要是调度和统筹整个控制任务，而各个子程序则

42、相互独立，功能具体且专一，针对性强。这样实现具体的动作就是主程序调用具体的子程序，使结构清晰、思路简单、工作效率高，避免了重复劳动。模块化编程一般采用自上向下，逐步分解的步骤进行。 STEP 7主要有三种编程语言：LAD(梯形图)、FBD(功能块图)以及STL(语句表)。因为梯形图具有形象、直观、简单和实用的特点，使用最为普遍，所以本设计以它为主要的编程语言。程序编译完成后，通过PC/PPI电缆把程序下载到PLC，进而与计算机通信，执行系统的控制操作。4.2 PLC程序编写4.2.1 PLC程序结构图图4.2.1 PLC程序结构图4.2.2 主程序程序流程图及内容 4.2.2.1 主程序流程图

43、图4.2.2 电动机正转主程序流程图4.2.2.2 主程序自耦减压启动工频正转变频正转工频停车每10S进行一次采样，反馈进行PID运算从而更加接近目标给定值。变频复位故障指示给定值标准化PID初始化4.2.3 子程序部分4.2.4 中断程序输入值标准化启动PID运算4.3 软件仿真利用西门子仿真软件对各种状态进行模拟仿真，仿真结果如下：（1）不上电状态（Q0.0Q1.3均没输出）（2）闭合KM6 KM3 KM4 工频自耦正向启动Q0.5、Q1.2、 Q1.3导通。（3）工频运行（10S延时启动后）（4）变频运行（5）工频停车（按下I0.5，刀开关）（6）变频停车（按下I0.6，刀开关）（7）工频变变频（8）紧急停车（9）变频器复位（10）故障发生综上所述，本设计可以充分达到设计要求，功能完善。4.4 PID 参数整定PID参数整定方法就是确定调节器的比例系数P、积分时间Ti和和微分时间Td，改善系统的静态和动态特性，使系统的过渡过程达到最为满意的质量指标要求。一般可以通过理论计算来确定，但误差太大。目前，应用最多的还是工程整定法：如经验法、衰减曲线法、临界比例带法和反应曲线法。经验法又叫现场凑试法，它不需要进行事先的计算和实验，而是根据运行经验，利用一组