基于PLC的原煤采样控制系统

1、河南工程学院毕业设计 基于PLC的原煤采样控制系统 学生姓名 王 红 晓 系 （部） 机械工程系 专 业 机电一体化 指导教师 李 振 杰 2010年05月25日摘 要 我国煤炭储存丰富，是煤炭资源的产、销大国。针对当前煤炭行业发展中对原煤质量的要求不断提高，原煤采样技术在当今选煤行业也发挥着越来越重要的作用。本设计就是为中小洗煤厂设计的工业生产流水线的自动控制系统。在控制系统中采用的PLC技术，系统安全性能好，所采煤样代表性高，维护简单，不需人员看守，采样结果能正确指导选煤厂生产，提高工作效率和操作精度，也就保证正常工业生产中的最大产量和最佳产品质量。 物流配送是物流中一个重要的环节，对于一

2、个大规模的物流集团来说，集约化的发展要使多个仓库、多个配送点(往往达到数以千计的规模)综合实行配送优化成为可能。关键词： 可编程控制器，原煤采样，控制流程图，传感器ABSTRACTChina's coal stockpiles are rich in coal resources production, marketing power. In view of the current development of the coal industry on the quality of coal rising coal sampling technology in the coal pre

3、paration industry today is also playing an increasingly important role. The design is designed for small and medium-sized coal washer of industrial production pipeline Control System. In the control system we use the PLC technology, better security system, the coal-like representation, maintaining s

4、imple, PLC no security guards, sampling results will correct meaning to different plant production. Improve efficiency and accuracy of operation. Also ensure normal industrial production was the largest yield of the best quality products.To a scaled logistic company，assigning is an important part of

5、 logistic，and further development will make the optimized assigning of warehouse and multitask possible .KEY WORDS： program logic controller, coal sampling ,control flow chart ,ladder graphics，censors目 录前言11背景简介12 系统概述1第1章工艺流程2§1.1初级采样机2§1.2 一次给料胶带3§1.3 破碎机3§1.4 二次给料胶带4§1.5

6、缩分器4§1.6 样品收集器4§1.7 斗提机4第2章原煤采样控制系统5§2.1控制系统分析5§2.1.1运行过程5§2.1.2控制系统功能5§2.2系统硬件分析.6§2.2.1控制单元6§2.2.2 PLC简介7§2.3系统软件分析8§2.3.1系统状态流程图设计8§2.3.2 PLC的I/O点地址分配及PLC选型8§2.3.3 I/O接点电气连接图9§2.4 PLC梯形图程序设计部分10第3章系统干扰措施12§3.1.抗电源干扰12§3.1.

7、1隔离变压器12§3.1.2滤波器12§3.1.3 分离供电系统12§3.2控制系统接地12§3.3防I/O信号干扰12第4章系统的不足之处及改善方法14结论15参考文献16致谢17附录18前 言1背景简介我国煤炭储存丰富，是煤炭资源的产、销大国，整个煤炭工业在中国的经济发展中发挥了重要的基础和支柱作用。针对当前煤炭行业发展中对原煤质量的要求不断提高，原煤采样技术在当今选煤行业也发挥着越来越重要的作用，为了进一步了解原煤采样的过程，更好的提高所学专业知识在实际工业现场中的实际运用情况，结合了当前选煤领域广泛采用的原煤采样的控制技术，我选取了本设计题目，采

8、用PLC来实现对原煤采样环节的控制。希望通过此次设计可以真正把所学知识运用到实际工业现场，为将来参加工作做好铺垫。我国是煤炭大国,但人均占有量都非常贫乏。随着经济的飞速增长，冶金、化工、电力等行业对煤炭的需求越来越大，而我国的工业基础却相对比较薄弱。就煤炭工业而言，只有一些大的企业才实现了原煤采样生产过程中的全部自动化。一些中小企业，尤其是年产小于30万吨的小企业,却还使用着与时代技术不相称的老的生产方式。这种生产方式不仅劳动是巨大的,对工人身体上有一定的危害性，而且产品的生产功耗大，生产成本高。2 系统概述本次设计内容为基于PLC控制的原煤采样系统。主要控制要求是利用可编程控制器控制各个部分

9、的运行。其主要设备有初级采样机，一次给料胶带，破碎机，二次给料胶带，缩分器，样品收集器，弃料提升机。本系统的控制方面可分为自动和手动两种工作方式，就是通常我们所说的集中控制和就地控制两种方式。选择集中控制方式操作人员可以在控制台上实现系统的正常开停;选择就地控制方式检修人员可在现场实现单机的检修和试运。就自动工作方式来说，输入量有启动和停止两个开关，输入量主要是采样设备的电动机起停及继电器开关和电磁阀的开关。正常工作后采用连续运行方式，采样机和胶带运输机连锁运行，对应的时间间隔、数量、缩分质量等参数有计算机输入，然后由PLC控制系统运行，人为干扰很难，采用全封闭共同监管，安全性好。可编程控制器

10、(PLC)是具有高可靠性的工业自动化产品，作为监控系统的一种现场设备，有出色的数据采集和可编程控制能力。第1章 工艺流程本系统的工艺流程图如下图所示：图1-1原煤采样系统流程图§1.1 初级采样机作用是负责进行运煤带上的初级采样，选用带式输送机煤流采样的刮臂式采样机，刮臂的动作是横向扫过带式输送机的全宽刮出子样，子样的质量取决于胶带上负荷和采样铲的宽度和形状。刮臂式采样机示意图如下图所示：图1-2刮臂式采样机示意图1停止开关；2蜗轮蜗杆减速机；3电机；4运输带；5接样溜槽；6取样机联杆刮臂；7采样铲；8.皮带托辊§1.2 一次给料胶带作用是从初级采样机输出的煤均匀的撒到一次

11、给料胶带上,运送到下一级，即破碎机。胶带运输机的长短与现场工艺有关。§1.3 破碎机滚筒破碎机又叫选择性破碎机,是利用煤和矸石在同一冲击破碎环境中,根据其可碎性的差异,把夹在煤中的矸石解离出来。滚筒是靠拉轮和滚筒之间的摩擦力而转动。在滚筒的一端,由给料溜槽给入一级的煤块,随着滚筒的旋转,给入的煤快被提升机顶起，转到一定高度后，煤块就顺着提升机从高出自由落下，由于滚筒的不断转动，煤快反复地被提起和落下。在次过程中煤受到冲击而破碎，并透过筛孔排出，未被破碎的大块矸石、金属杂物和木块经筛子排矸槽排出,进入二次给料胶带。§1.4 二次给料胶带其作用和上面一次给料胶带相同。§

12、;1.5 缩分器缩分是指在煤样制备中，将试样分成具有代表性的几部分，一份或多份留下来的过程，目的在于从大量煤样中取出一部分煤样。缩分器应尽量减少缩分误差，并能使保留煤样量尽量少。在这里我们选用旋转式缩分器，示意图如下所示：图1-3旋转式缩分器示意图§1.6 样品收集器作用是将已经缩分好的煤样采集，送到实验室进一步制成分析所用煤样。§1.7 斗提机斗提机又称为弃料提升机，因经过上述一系列生产过程中,设备的高度一级级降低，所以斗提机的作用就是把经过缩分剩余的余煤将通过斗提机送回到原煤输送带上。 第2章 原煤采样控制系统§2.1 控制系统分析这章我们将对这次设计的控制系

13、统进行详细的分析。§ 运行过程原煤采样系统启动后要求整个运行过程能自动运行，并在某一设备故障时能及时发出报警提示。下面根据原煤采样系统流程图简述系统运行过程。 启动过程：按下启动按钮，受控设备按逆煤流方向依次起车，即由后向前启动。在这里斗提机最先启动，其次为样品收集器、缩分器、二次给料胶带、破碎机、一次给料胶带，最后为初级采样机。各个设备之间的启动间隔时间可以自己设定，这里设定为10秒。系统停止时，与启动相反的方向顺序停止。 初级采样机工作：启动过程完成后，初级采样机开始进行采集煤样并送入一次给料胶带。此时，初级采样机完成一次采样后将处于保持状态，等待整个原煤采样过程结束后，进行下一

14、次采样过程。 破碎煤快：一次给料胶带把初级采样机采的煤样运送入破碎机。破碎机的作用是把较大的煤块进行破碎，以便下一级使用。破碎后的煤样落到二次给料胶带。 缩分：在二次给料胶带上有个缩分器设备，胶带上的煤样有一部分落入缩分器进行缩分，所谓缩分通俗的讲就是把煤样再次破碎到的供检验用的合适的大小。缩分器缩分次数可以自己设定。 样品收集：由缩分器缩分的煤样已经达到煤样采集的标准，可以直接落入样品收集器，作为检验这批原煤参数的标准。 弃料返回：由于缩分器缩分只用到很少一部分原煤，所以剩余的煤样要返送回原煤运输带，这就用到斗提机。二次给料胶带把剩余的煤样送入斗提机，通过斗提机把余料送回原煤运输带。到这步算

15、一个工作过程完成，若按下连续工作开关，系统将连续工作处于自动运行状态。如果不按下连续工作按钮，各个设备将都将处于待命状态。§ 控制系统功能1 原煤采样装置的控制有两种控制方式，即“自动”控制与“手动”控制。这两种控制方式可以转换，在转换过程中原受控设备的运行状态不受影响。2 “自动”状态时，按逆煤流方向程序起车和顺煤流方向按每台设备卸料完毕的时间程序停车。3 自动状态下的起、停车过程及自动运行过程中，均保证按逆煤流方向设备间的闭锁。4 现场和操作室操作人员均可解除设备的起动。5 无论“自动”或“手动”控制，现场都可以就地停车。但在自动方式时，参加集控的设备不能就地开车。6 控制人员通

16、过控制室内的模拟盘监视设备的运行情况，设备运行或故障时，均能在模拟盘上以指示灯的形式显示。§2.2 系统硬件分析本系统是以可编程控制器PLC为核心，取得了提高生产效率、减少现场操作人员、提高安全性的良好效果。硬件部分是不可缺少的，现就本系统的硬件做如下介绍：硬件设备包括：控制单元、输入输出单元、电源单元以及各种电气元件等，其硬件配置及系统监控内容如图： 传感器工作台PLC采样设备手动开关图2-1硬件配置及系统监控控制人员通过控制室内的工作台监视设备的运行情况，设备运行时在工作台上都有相应的指示灯显示。现场的输入设备主要是手动开关，它们在自动状态下都直接受控于PLC，在工业生产流程控制

17、中广泛采用可编程控制器。§ 控制单元 本系统选用日本三菱公司的FX2系列的PLC，指令简单易用，使用继电器符号语言和步进顺控指令编程，对基本指令处理速度为0.74毫秒/步，具有较高的指令处理水平，程序容量也较大，具有多种输入输出模块，并可支持特殊模块。输入模块：24V直流输入（16点、32点），110V交流输入，220V交流输入。输出模块：继电器输出，晶体管输出，可控硅输出，高速技术模块，通讯模块，数据处理模块。输入及输出单元：输入单元是由PLC配置的继电器输入模块，模拟量输入模块等组成。输出单元是由PLC配置的数字量固态继电器输出。系统配置的其他的硬件还有AC220/DC24V电源

18、，中间继电器，控制室操作台等。§ PLC简介 可编程控制器（PROGRAMMABLE CONTROLLER，简称PC）。与个人计算机的PC相区别，用PLC表示。PLC是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置，目的是用来取代继电器、执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能，建立柔性的程控系统。它具有通用性强、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。可以预料：在工业控制领域中，PLC控制技术的应用必将形成世界潮流。国际电工委员会（IEC）颁布了对PLC的规定：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在

19、工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按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设计。PLC程序既有生产厂家的系统程序，又有用户自己开发的应用程序，系统程序提供运行平台，同时，还为PLC程序可靠运行及信息与信息转换进行必要的公共处理。用户程序由用户按控制要求设计。一般讲，PLC分为箱体式和模块式两种。但它们的组成是相同的，对箱体式PLC，有一块CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，当然按CPU性能分成

20、若干型号，并按I/O点数又有若干规格。对模块式PLC，有CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架。无任哪种结构类型的PLC，都属于总线式开放型结构，其I/O能力可按用户需要进行扩展与组合。PLC的基本结构框图如下：中央处理单元CPU板接口部件输出输入接口部件 接受 驱动 电 源 部 件 现场信号 受控元件 图2-2 PLC基本结构框图§2.3 系统软件分析§ 系统状态流程图设计根据启动运行过程可绘出控制系统状态流程图，如图所示，M8002 初始脉冲M7M0 初级采样机指示灯亮M8M1 延时10秒 斗提机提示灯亮 一次给料胶带工作M9M2 延时10秒 传感器1 样品

21、采集器指示灯亮 破碎机破碎样煤M10M3 延时10秒 传感器2 缩分器指示灯亮 二次给料胶带工作M11M4 延时10秒 传感器3二次给料胶带指示灯亮 缩分器缩分煤样M12M5 延时10秒 传感器4 破碎机指示灯亮 样品收集M13M6 延时10秒 一次给料胶带指示灯亮 弃料返回 传感器5 连续运行图2-3 控制系统状态流程流程图图中M8002是三菱 PLC的特殊辅助继电器，他可以在PLC通电时为程序产生一个脉冲，激活程序处于开始运行状态。为保证原煤采样过程中停电后恢复供电，能在原来的步骤继续运行，应选用M5OOM1023范围的停电保持型辅助继电器。§ PLC的I/O点地址分配及PLC选

22、型从图2-3系统状态流程流程图可知，原煤采样控制系统输入信号有15个，其中用于启动、停止、连续工作和手动开关的10个输入信号是开关量，而5个传感器输入信号是模拟量信号；输出信号有9个，均为模拟量信号。根据I/O信号数量，类型以及控制要求，选择三菱-32MR系列。它有16个输入接点，16个继电器输出型接点，可以满足系统的控制要求，且留有一定的余量。系统信号元件及驱动电器与PLC的I/O点地址分配，以及控制系统状态流程流程图中的13个步序与PLC内部使用的停电保持型辅助继电器编号如下表所示：表1 外部电器与PLC I/O口地址分配、步序与使用的辅助继电器编号对照表输入信号输出信号辅助继电器名称功能

23、编号名称功能编号名称编号SB1启动按钮X000KM1初级采样机线圈1Y000第0步M500SB2停止按钮X001KM2一次给料胶带线圈2Y001第1步M501SB3连续工作开关X002KM3破碎机线圈3Y002第2步M502SB4手动启动初级采样机开关1X003KM4二次给料胶带线圈4Y003第3步M503SB5手动启动一次给料胶带开关2X004KM5缩分器线圈5Y004第4步M504SB6手动启动破碎机开关3X005KM6样品收集器线圈6Y005第5步M505SB7手动启动二次给料胶带开关4X006KM7斗提机线圈7Y006第6步M506SB8手动启动缩分器开关5X007HL8连续运行指示灯

24、1Y007第7步M507SB9手动启动样品收集器开关6X008HL9故障指示灯2Y008第8步M508SB10手动启动斗提机开关7X009第9步M509SQ11一次胶带压力传感器1X010第10步M510SQ12破碎机光电传感器2X011第11步M511SQ13二次胶带压力传感器3X012第12步M512SQ14缩分器光电传感器4X013第13步M513SQ15斗提机光电传感器5X014§ I/O接点电气连接图PLC的I/O接点电气连接图如图所示图2-4 I/O接线图注释：图中SB1、SB2分别为系统启动和停止按钮；SB3为系统启动后按下能连续工作的按钮；SB4SB10分别为初级采样

25、机，一次给料胶带，破碎机，二次给料胶带，缩分器，样品收集器，弃料提升机的手动启动按钮；传感器1和传感器3为测定一次给料胶带和二次给料胶带是否超重而设置的压力传感器；传感器2为测定破碎机是否正常工作而设置的光电传感器，其主要原理是测定破碎机转速是否在允许范围内，超出允许范围或低于允许范围则为故障状态；传感器4和传感器5分别为测定缩分器和斗提机是否正常工作而设置的光电传感器，其主要原理和传感器2的原理基本相同，都是通过测定转速的大小来判断是否出现故障。§2.4 PLC梯形图程序设计部分控制程序的编写我们采用了Windows环境下的PLC编程软件Wingpc2.作为编程平台。利用该编程平台

26、以梯形平台和梯形图的形式编写控制程序。该软件可以方便的进行程序的编写、联机查看PLC状态。在联机时模拟PLC运行状态、在线修改、编写注释说明文档。此外,该软件还具有在线/离线编辑功能、模块化、打印功能、在线修改参数功能、替换功能、强大的帮助功能以及适时通讯功能。在程序设计中,我们按照工艺流程和控制的要求,把程序分为三个部分，分别为启动部分、运行部分和输出部分。程序及梯形图见附录。第3章 系统干扰措施PLC系统中混入输入、输出的干扰，或感应电压，容易引起错误的输入信号，从而引起错误的控制信号。为了使控制器稳定地工作，提高整体控制系统的可靠性，在控制系统采取一些有效的抗干扰措施是非常必要的。

27、67;3.1. 抗电源干扰§ 隔离变压器 使用隔离变压器将屏蔽层良好地接地，对抑制电网中的干扰信号有良好的效果。为了改善隔离变压器的抗干扰效果，必须注意两点:一是屏蔽层要良好接地，二是次级连接线要使用双绞线。双绞线能减少电源线间干扰。§ 滤波器 使用滤波器代替隔离变压器，在一定的频率范围内有一定的抗电网干扰作用，惯用的方法是既使用滤波器，同时使用隔离变压器。§ 分离供电系统 将控制器、I/O通道和其他设备的供电分离开来，也有助于抗电网干扰。本系统采用分离供电系统措施，PLC控制器远离供电系统。§3.2 控制系统接地控制系统的接地一般有如图3-2所示的三种

28、方法:图(a)为控制器和其他设备分别接地方式，这种接地方式最好;如果做不到每个设备专用接地，也可以使用图<b)的共用接地方式;一般不采用图(c)的串联接地方式，特别应该避免与电动机、变压器等动力设备串联接地。 (a) (b) (c)图3-1 接地方法本系统采用图(b)的接地方式，将控制器和其他设备共用接地。§3.3 防I/O信号干扰 防止输入信号的干扰除采用滤波器及使控制器良好接地来抑制干扰外，下面介绍几种抗输入干扰措施： 如图3-3所示，在输入端有感性负荷时，为了防止反冲击感应电势，在负荷两端并接电容C和电阻R(为交流输入信号时)，或并接续流二极管VD(为直流输入信号)。交流

29、输入方式时，C、R的选择要适当，才能起到较好的效果，一般参考值为:负荷容量在20VA以下一般选用0.1µF147比较适宜。如果与输入信号并接的电感性负荷较大时，使用继电器中转效果更好。 防感应电压的措施 在感应电压大的场合，如果可能的话，改交流输入为直流输入;在输入端并接浪涌吸收器(浪涌吸收器的作用是防止瞬间高压损坏设备);在长距离配线和大电流场合，感应电压大，可用继电器转换。 (a) (b)图3-2 与输入信号共接感性负载 防止输出信号的干扰 输出信号的干扰可采取以下措施： 交流感性负载场合，在负载的两端并接C, R作为浪涌吸收器。如图3-3中图a所示，C, R越靠近负载，其抗干扰

30、效果越好。 直流负载场合，在负载的两端并接续流二极管VD，如图3-3中图b所示，二极管也要靠近负载。二极管的反向耐压应是负载电压的4倍。 控制器触点(开关量)输出的场合，不管控制器本身有无抗干扰措施，都要采取图3-4中图a交流负载)和图b(直流负载)的抗干扰措施。图(a) 交流感应负载的抗干扰 图(b)直流感应负载的干扰图3-3第4章 系统的不足之处及改善方法设计中虽做了大量的努力与思考，但因水平和时间有限，设计中难免存在不妥，疏漏甚至错误之处，针对这些不足还有待于进一步改善。 在原煤采样过程中，没有很好地实现系统的手动与自动之间的切换，没能对每个电机的运行情况进行检测与显示，没有对皮带的打滑

31、进行检测与控制。所以需要进一步考虑这些情况，设计出相对应的电路，并很好的运用PLC对其进行控制，做到系统的完整性。 对于整个系统的报警装置也做的不是很充分,只配备了光报警,相应的报警铃没有配备；另外对原煤采样七套设备的检测做的很不充分,只是加上了相应的传感器,细节部分没有处理。今后有机会继续设计的话其主要工作就是这些细节部分的处理。结论在研究了我国的一些中小型选煤厂仍然存在着众多的人工进行原煤采样。对工人来说，不仅劳动强度大，而且危险系数高，特别是在运行中的生产工具如火车顶部采样。对整个原煤质量来说，由于是人工采样，采样地点不可能均匀分布，采样质量不高。另外，人为因素太多，不能正确显示煤的质量

32、的问题。分析了如果能在其过程中实现自动控制,不但能够减轻劳动强度，而且还可以提高生产效率，提高采样精度。由此，提出并设计了设计一套自动原煤采样装置。由于PLC在工业控制中的优越性，它将与选煤工业紧密结合而实现原煤采样的自动化，解决了选煤过程的自动化和减少人体危害。最后使得选煤机械化采样，工人工作环境得到改善，劳动强度也大大减小。另外自动采样不存在人为误差，其结果比较接近入仓原煤的真实质量情况。参考文献1 王整风,可编程控制器原理与实践教程M,上海交通大学出版社, 2007;2 常晓玲,电气控制系统与可编程控制器M, 机械工业出版社, 2004;3 郁有文,传感器原理与工程应用（第二版）M,西安

33、电子科技大学出版社, 2004;4 栾桂冬 张金铎,传感器及其应用 M,西安电子科技大学出版社, 2004 ;5 许寥, 王淑英电气控制与PLC应用（第三版）M.机械工业出版社, 2005;6 韩安荣, 通用变频器及其应用 , 机械工业出版社,    2002       7 王兆义, 可编程序控制器实用技术  机械工业出版社编著 2003 ;8 章建民, 制冷机器 化学工业出版社    2004 9 邹金慧,

34、60;可编程序控制器（PLC）原理及应用, 云南科技出版社 ,   2005 10 朱寅生, 可编程控制器原理与应用 ,华南理工大学出版社 , 2003;致 谢经过了两个多月的学习和工作，我的毕业设计终于完成了。从论文的选题、开题、以及论文的完成，每一步对我来说都是新的尝试与挑战。毕业设计在李振杰老师的细心指导和严格要求下顺利画上句号。值此论文完成之际，我衷心感谢三年来在学习、生活等方面给予的谆谆教诲和培养的老师们，你们辛苦啦。本设计能顺利的完成也归功于各位老师的认真负责，使我能够很好的掌握和运用专业知识，并在设计中得以体现。在此向河南工程学院的全体老师表示由衷的谢意，感谢他们三年来的辛勤栽培。在做这次毕业设计过程中使我学到了很多，我感到不论做什么事都要真真正正用心去做，才会使自己更加的成长，没有学习就不可能有实践的能力，没有自己的实践就不会有所突破，希望这次的经历能让我们在以后的学习生活中不断成长与进步。附 录1启动部分：原煤采样启动部分梯形图对应启动部分程序指令表:0LDX00021ANIM5041OUTM5002