镁砂生产线斜桥上料控制系统设计

摘要本论文主要探讨了镁砂生产线斜桥上料控制系统设计与实现的方法。首先，论文设计了控制系统的原理图、PLC接线图，论述了控制系统原理图、PLC接线图的工作原理，同时对电气设备的型号及参数进行了选择，确保符合性能标准。其次，采用PLC、编码器及变频调速技术实现自动位置检测的上料控制系统设计，并介绍了卷扬机组的电机与编码器配置以及主控制器的选择。此外，还对制动系统的配置与操作进行了详细说明。在PLC控制软件设计中，论文设计了程序框图，阐述上料车运行的程序逻辑，设计并实现了PLC梯形图，通过信号处理与逻辑控制实现系统的自动化运行。最后，总结了设计成果并展望了未来的发展方向。通过本系统的设计，能够有效提高镁砂生产线的自动化程度与生产效率。关键词：镁砂；生产线；上料控制系统；PLC；ABSTRACTThisthesismainlyexploresthemethodsforthedesignandimplementationoftheinclinedbridgefeedingcontrolsysteminthemagnesiaproductionline.Firstly,thethesisdesignstheschematicdiagramofthecontrolsystemandthePLCwiringdiagram,andexpoundstheworkingprinciplesoftheschematicdiagramofthecontrolsystemandthePLCwiringdiagram.Atthesametime,themodelsandparametersofelectricalequipmentareselectedtoensurethattheymeettheperformancestandards.Secondly,thefeedingcontrolsystemdesignwithautomaticpositiondetectionisrealizedbyadoptingPLC,encoderandvariablefrequencyspeedregulationtechnology.Andtheconfigurationofthemotorandencoderofthehoistunitaswellastheselectionofthemaincontrollerareintroduced.Inaddition,theconfigurationandoperationofthebrakingsystemaredescribedindetail.InthedesignofthePLCcontrolsoftware,thethesisdesignstheprogramblockdiagram,elaboratestheprogramlogicoftheoperationofthefeedingcart,designsandimplementsthePLCladderdiagram,andrealizestheautomatedoperationofthesystemthroughsignalprocessingandlogiccontrol.Finally,thedesignachievementsaresummarizedandthefuturedevelopmentdirectionsareprospected.Throughthedesignofthissystem,thedegreeofautomationandproductionefficiencyofthemagnesiaproductionlinecanbeeffectivelyimproved.Keywords:Magnesia;ProductionLine;FeedingControlSystem;PLC;Automation目录TOC\o"1-3"\h\u摘要 IABSTRACT II1绪论 11.1课题研究的目的和意义 11.1.1目的 11.1.2意义 11.2国内外研究现状及发展趋势 21.2.1研究现状 21.2.2发展趋势 22斜桥上料控制系统的方案设计 42.1生产工艺过程及控制要求 42.1.1生产工艺过程 42.1.2设计要求 42.2上料系统的控制方案 63控制设备及工作原理 83.1西门子G120变频器 83.1.1变频器的类型 83.1.2G120模块化变频器的结构 93.2西门子S7-200SMART可编程控制器 103.2.1S7-200SMARTPLC的优点 113.2.2西门子S7-200SMART扩展模块 113.3光电编码器 133.4低压电器 134控制系统设计及设备选型 164.1控制系统设计 164.1.1主回路原理图设计 164.2主回路设备选型 184.2.1控制系统回路设计 184.3PLC接线图设计 194.4模拟量输出模块接线图设计 214.4.1变频器速度设定 214.4.2编码器检测斜桥位置 215控制系统软件设计 225.1编程软件 225.2程序框图设计 235.2.1自动程序框图 235.2.2手动程序框图 245.3梯形图设计 25结论 30参考文献 31致谢 32附录 33附录A：控制系统原理图 33附录B：程序梯形图 34 . 绪论课题研究的目的和意义目的 作为重要耐火材料的镁砂，普遍应用于钢铁、有色金属、玻璃等产业，随着这些行业的渐次发展，对镁砂质量及产量都提出了更高的要求例如，在钢铁行业，高级耐火镁砂用于炼钢炉的内衬，可以承受高温、腐蚀等恶劣条件，提高炼钢炉的使用寿命和生产效率。为了满足市场对高质量镁砂产品的需求，镁砂生产线需要不断优化升级，其中斜桥上料控制系统的设计是提高生产效率和产品质量的关键环节之一。精确控制上料过程，通过自动化的控制手段，根据镁砂生产线中各个生产环节的实际需求，如窑炉的进料速度、配料的比例要求等，精准地调节斜桥上料设备的运行参数，以确保镁砂原料能够以合适的流量和速度被输送到指定位置-窑顶料仓。实现自动化操作，减少人工干预是该控制系统的重要目的之一。设计控制系统是为了让上料过程能够自动完成，通过预设的程序和传感器反馈，使斜桥设备能够自动按照生产流程的要求进行工作，提高生产的自动化程度[1]。意义自动化上料斜桥控制系统可连续为生产线补充镁砂原料，与人工上料相比，它不受工人疲劳或工作时间影响，可24小时不间断地为生产线补充镁砂，且由于上料速度的精确控制，使生产线各环节均可保持最佳工作节奏，避免生产线缺料或过量造成的设备闲置或堵塞问题，使整个镁砂生产线的生产效率倍增。稳定的上料过程可确保镁砂生产线的生产质量。由于控制系统的上料过程严格按照既定配方和工艺要求精准上料，确保镁砂原料配比的准确。在实际生产过程中，布料小车无人值守控制方案可参考矿山无人驾驶矿车控制方案。某钢铁厂原料场长期以来采用布料小车人工布料的方式作业，不仅工作效率较低，而且工作环境恶劣，工人劳动强度大，安全风险极高。在引入布料小车无人值守控制方案后，通过安装导航与传感装置，实现小车对复杂原料场的自主精准布料。在原料场崎岖的环境下，布料小车像无人驾驶矿车一样行驶在矿山崎岖道路中，通过激光导航和视觉导航相结合，准确规避各种堆置的原料堆和障碍物等，按设定轨迹完成布料任务[7]。国内外研究现状及发展趋势研究现状近些年来，随着中国制造2025的推进，国内自动化控制技术等也得到很大的提升，部分镁砂生产企业在上料控制系统中也实现了自动化、智能化生产。营口金龙集团的智能车间就是全流程智能生产系统，具有自动上料等上料功能，实现了生产过程的智能化，提高了生产效率和产品生产质量。国外工业自动化技术比较国内工业自动化技术发展较早，技术相对比较成熟。部分发达国家的镁砂生产线斜桥上料控制系统设计中，就能应用先进的传感器、PLC、DCS控制等对整个斜桥上料系统进行控制，实现了远程监控。国外的控制系统主要是由德国、日本等部分企业所研发设计，其可靠性、稳定性和智能性都相对较高。对于斜桥上料装置的结构设计也有研究。例如某斜桥上料把卷扬装置装设在轨道结构下方，能更有效地利用车间高度，设置配重车跟上料车相衔接，起到减少卷扬装置负荷、节约能耗与成本的效果，在轨道顶部附近的地段单独设置倾翻装置，对车架及其液压系统相关的设施起到简化效果。发展趋势在环保政策日益严格的背景下，斜桥上料系统将配备更加完善的除尘设备和密封装置。同时，通过优化上料工艺和控制方式，减少物料的泄漏和扬尘，更加注重节能减排。不过，仍有一些镁砂生产线存在技术水平参差不齐的情况。在一些小型企业中，斜桥上料系统可能还较为传统，自动化程度低，导致生产效率低下、成本较高，且在环保方面也可能存在不足。在未来，上料控制系统的设计将更加注重能源的合理利用，镁砂生产线斜桥上料控制系统将具备具有显著提升的自主学习及决策能力，依托长期数据积累与实时监测结果，实时调整投料设定值，分析设备劣化趋势并实施预维护，动态采集斜桥上料系统各环节的设备状态、物料传输速率及运行指标，若发现异常状态，系统可自动触发警报并精准捕捉故障发生点，同步实施自动化保护响应，实施停机保护，以防损害扩散，实现更高水平的系统安全可靠，同时进一步提高生产效率和设备运行的稳定性。斜桥上料控制系统的方案设计生产工艺过程及控制要求生产工艺过程镁砂原料经矿山开采后，经初步破碎、筛分处理，进入原料仓储存，原料仓可以保证有足够原料供给生产不间断。斜桥底部料斗暂时储存经皮带输送机送来的原料给斜桥上料小车连续，料斗的容量需要满足一定时间内的上料，同时需要防止原料在料斗内结块、堵塞。斜桥卷扬机驱动装置根据控制系统的指令，由电机驱动减速机转动，减速机驱动卷扬机滚筒转动，卷扬机钢丝绳牵引斜桥上料小车运行斜桥上料小车在斜桥上向上运行，斜桥上料小车上安装位置传感器，位置传感器位置实时反馈控制系统，当小车运行到窑顶位置时，控制系统发出指令，卷扬机停止，小车卸料。设计要求斜桥上料系统各部分设计要求如下：上料车的几何尺寸需要按照单位时间内要求的上料量和料车的行驶速度来决定。料车采用锰钢、白口铸铁等耐磨金属制作内衬板，为杜绝料车拐角处的物料滞留，规定内衬连接界面须采用圆角过渡形式，后轮采用双踏面布局，两个踏面中间嵌有轮缘踏面，初始装料阶段由下部料坑向料车供料；料车的前后轮在斜桥直线段的主轨上移动，后轮内踏面紧密贴合主轨运行面，后轮在窑顶卸料区曲线轨段脱离主轨道，外踏面同辅助卸料轨相接触，完成翻转后物料卸出；料车复位前，后轮脱离辅轨返回主轨运行，空车沿主轨下降至料坑补充物料。主轨道结构分为3个段落，首段轨道对应料坑区域，中部的第2段采用直轨形式，第3段采用弯曲轨道作为卸料工位，料坑段：采用直轨段同等角度，借助底部行程开关实现下极限位检测，中间段：综合上料车外形测量数据和料坑-窑炉位置参数，计算主轨道分段的角度值与延伸距离，曲轨弯曲半径与安装距离要保障料车卸料角度达标，实现料车物料卸空无残留，给出卸料车工作区间，通过极限位限位开关与挡铁组合实现上位定位，防范料车脱离极限界限，安装牵引式断电开关，设备维修阶段可实时控制料车停车。窑炉顶部主曲轨外侧设有辅助轨道组件，添置一条辅助弯轨，主曲轨段的上方需安装辅助曲轨，较主曲轨段稍宽一些，料车借助卷扬机构与钢丝绳的配合被拉升，料车后轮沿曲轨上行，前轮刚进入卸料区域的瞬间，尾部车轮上升至行程终点；料车依靠自重进行物料卸载，完成物料卸载后，钢丝绳拉力与料车自重共同驱动空车退回辅助曲轨段，采用这种模式循环供料。根据上述要求设计镁砂生产线斜桥上料控制系统的工艺流程如图2.1所示：图STYLEREF1\s2.SEQ图\*ARABIC\s11重烧镁窑斜桥上料示意图根据工艺流程的设计需要，镁砂生产线斜桥上料控制系统采用斜桥上料形式，.斜桥长度77米，包括主轨道和辅助轨道，小车运行周期6~8分钟。在曲轨段上极限位置（77米处）设置极限开关极限位置。根据设计需要确定传动设备如下：减速机：ZSZ500-43规格输入转速：以990r/min的转速输入，经43倍减速：卷筒直径：670毫米圆径；物料承载体积：3.2立方空间，1.2米直径的绳轮；采用90kW电动机；每分钟旋转980次，采用每转输出600个方波的旋转编码器，减速器采用43的速比，卷筒外径达670mm，高速计数器采集的脉冲数为n，采用电机轴直连式编码器，进而推导出料车行程s的关系式：（1.1）上料系统的控制方案上料系统需要对三相异步变频电机进行调速控制，如要改变电机转速，就需改变磁极对数p，转差率s，电源频率f，在高炉斜桥上料控制系统中运用变频器调速控制，代替传统的串电阻调速控制，完成了生产工艺的要求，方便实现自动化控制[11]。在料车到达上料系统的斜桥上位置速度变化关系如下图2.2所示：图STYLEREF1\s2.SEQ图\*ARABIC\s12料车速度位置示意图设计要求的上料车运行包含加速、减速和匀速三个阶段，接近物料卸载位置时应降低车速，受重力作用形成下行加速度，采用反转制动技术维持料车匀速下行状态；驶达卸料点位前须调低速度，到达卸料位置后停车实施卸料，料车从斜桥底部启动时，需预留加速区间完成静止至运行速度的转换，料车行进至斜桥终点前，需安排从低速到完全停止的过渡带，料车行程中起点终点除外，移动过程需经历两次加速和两次减速阶段，料车应采用变频器进行调速，采用旋转编码器检测变速区段的位置，采用PLC可编程控制器执行位置判断与系统控制。上料小车在斜桥上位置与速度关系的直观示意图见图2.3所示图STYLEREF1\s2.SEQ图\*ARABIC\s13料车速度位置直观示意图参照生产标准及设计图纸，需在斜桥终点位置设置行程开关，起防护作用，防止料车跑偏脱轨，行程开关被安装在下极限位，作为编码器归零的基准点，以下极限位为参照对编码器进行复位清零操作，装料后的料车从下极限位沿斜桥路径运行到窑顶上限位置，为实现高炉高效生产，料车运行过程中速度不宜降低；然而在料车临近上下极限停车点时，需抑制惯性冲击，需按梯度减小车速。控制设备及工作原理变频器作为电力控制设备，其工作原理是调节电机电源频率以实现对交流电动机的操控，因西门子组件市场占有率高，上料控制系统的功能配置直接采用西门子G120的宏功能即可达成，采用西门子G120系列模块化变频器配置，采用的PLC设备为西门子S7-200SMART型可编程控制器。西门子G120变频器变频器的类型根据变换环节不同又分为交-直-交变频器以及交-交变频器，第一种先将交流电变换为直流电，然后将直流电变换为频率、电压均可调和改变的交流电。优点是控制精度高，调速范围大。应用较广。第二种将一种频率的交流电直接变换为另一种频率的交流电，没有中间直流环节。优点是效率高，输出波形好。缺点是结构复杂，成本高。一般应用于大功率、低转速的调速系统。镁砂生产线斜桥上料控制系统选用G120模块化变频器，变频器实物图如图3.1所示。图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s11G120变频器实物图G120模块化变频器的结构西门子G120模块化变频器主要由控制单元、功率模块、制动单元和操作面板部分构成。G120变频器中控制单元为集成电路，以CU250S-2控制单元为例，其内部具体集成接线图如图3.2所示。图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s12CU250S-2内部集成接线图功率模块用来对电机供电。电源模块PM250是西门子变频器SINAMICSG120系列中的一种功率模块。采用创新的电路设计，通过PM-IF接口和控制单元进行通讯，同时通过一个集成的电源插接口为控制单元提供电源。在实际应用中，PM250电源模块常与CU240E-2、CU250S-2等控制单元配合使用，适用于各种工业场合，如风机、泵类、输送带等设备的驱动控控制。如图所示为G120变频器功率单元集成接线（PM250为例）。图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s13功率模块PM250单元集成接线图主要接线方式为：L1、L2、L3接入工频三相交流电；U、V、W分别对应连接三相电机的A、B、C相，PE作为地线。制动单元处于能量再生状态时具有能量回馈功能，将电机产生的再生能量反馈给电网，而不是如传统模块中通过制动电阻将能量消耗掉，这样不仅节省了柜体的安装空间，接线少，安装调试时间短，而且降低了柜体散热方面的要求，长期使用可以节约运行成本。西门子S7-200SMART可编程控制器西门子S7-200SMART是西门子公司出产的小型可编程逻辑控制器（PLC），用于工业自动化控制、工业生产检测、监测、控制、自动化等众多领域。其在可编程存储器中存储程序的顺序，模拟定时器、计数器等的相应通道，按照程序指令完成对控制设备的控制，以数字化和模拟化数值作为控制设备的输入与输出。其结构如图3.4所示。图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s14S7-200SMART产品实物S7-200SMARTPLC的优点该PLC能够快速处理大量的控制指令，扫描周期短，对外界信号的响应及时，对于生产线上需要快速响应的控制，如物料分拣的自动化生产线上的机器人运动控制等，可以大大保证系统的实时性与有效性。以太网与RS485通信接口集成在CPU模块中，以太网通信接口集成TCP/IP与ModbusTCP协议栈，可高效实现与中控设备、操作界面及智能终端的网络互联，完成远距离数据传送与实时监测；该接口采用modbusrtu协议进行RS485通信，实现与modbusrtu兼容设备的无缝对接，诸如变频器与传感器这类设备。西门子S7-200SMART扩展模块主机CPU模块自身带有的端子型号不一样，数量也不一样，足以支撑一些简单设计的开展，S7-200SMART主机按使用电源划分有两种类型，分别为采用交流电源的SR系列跟使用直流电源的ST系列，要是存在端子数量不足或信号不吻合等情况，可添装扩展模块。本设计采用的CPU模块型号为SR40型，带有24个输入接点，要是有端子数量不够或者信号不相符等情形，可增添扩展模块，存在两类数字量输入模块，分别为EMDE08以及EMDE16，而EMDE08的输入点数为8位，EMDE16其输入点数为16位。数字量输出模块分为交流跟直流这两种，直流的有EMDR08与EMDT08，交流的模块有EMQR16以及EMQT16，EMDR/T08型输出点数设定成8位，EMDT/R16型其输出点数达16位，合计起来4种型号供选择，模拟量输入/输出模块可分为EMAM03与EMAM06，前者有2路输入，还有1路输出，后者带有4路输入及2路输出。斜桥上料系统中加装的模拟量输出模块为EM-AQ02如图3.5所示。图STYLEREF1\s3.5输出量模块EM-AQ02模拟量输入模块有EMAE04与EMAE08之分，其输入路数各为4路、8路，存在两种模拟量输出模块，分别是EMAQ02跟EMAQ04，它们的区别主要是输出路数不一样，EMAQ02的输出路数为两路，EMAQ04的输出路数为四路。数字量输入/输出模块同样划分成交流与直流，交流范畴的EMDR16与EMDR32，直流状态下的EMDT16与EMDT32，EMDR/T16型拥有8点输入以及8点输出，EMDR/T32型呈现的是16点输入16点输出模式，依据斜桥上料设计的实际需求来选择需加装的模块，若想知道具体型号或订货号，可查阅SMARTPLC。光电编码器在电机驱动系统、机器人、数控机床等领域，编码器可以精确测量旋转部件的位置和角度。它将机械运动转化为电信号，通过对信号的计数和处理，控制器能够实时了解运动部件的位置信息，从而实现精确的位置控制。通过欧姆容E6F-AG5C1024P1R2M编码器能确定斜桥上料系统料车位置，借助安装在电机轴上的编码器统计对应位置的脉冲数，并把这些脉冲数发送到PLC内部高速计数器中，采用对高速计数器进行编程方式，在内部计算得出料车在斜桥上所处的位置及速度。到达对应位置即加速减速点的时候，将预先存于寄存器中的0速、1速、2速取出，送往模拟量输出端，把数据发送到变频器模拟量输入端AI0+去操控变频器，编码器的A相跟B相之间相差90°相位，若A相排在B相的前面，编码器把它计作正转，A相在排列顺序上落后B相，编码器对反转做计数，图3-6所示正是欧姆容编码器。在工业生产和日常生活中，流量计量是一项至关重要的工作，涉及到能源、化工、水利等多个领域。准确的流量计量对于生产过程控制、能源管理、贸易结算等方面都有着重要的意义。高速编码器作为一种能够将机械位移量转换为数字信号的精密传感器，在流量计量中发挥着独特而重要的作用[2]。图STYLEREF1\s3.6编码器实物图低压电器空气开关也叫低压断路器，一般简称“空开”，手动与自动两种方式可实现主触点的闭合，主触点闭合这一状态达成后，若出现短路或者过载现象时，脱扣器动作令其“跳闸”。常见断路器如图3.7所示。图STYLEREF1\s3.7空气开关继电器作为一种电控制器具，要是输入量（像电压、电流、温度这些）达到规定数值，其触头（也就是输出电路）会在电气输出回路里按预先设定规则动作的电器，它拥有控制系统（又称输入回路）跟被控制系统（又称输出回路）之间的互动关系。镁砂生产线斜桥上料控制系统中，使用的是中间继电器，是电磁继电器的一种。图STYLEREF1\s3.8继电器接触器是一种用于频繁接通和分断交直流主电路及大容量控制电路的自动切换电器。线圈通电后产生磁场，磁场会使铁芯磁化，产生电磁吸力，吸引衔铁动作。衔铁通过传动机构与触头系统相连，当衔铁被吸合时，会带动触头系统的动触头与静触头闭合，使电器设备得电工作。当线圈断电时，磁场消失，铁芯的电磁吸力也随之消失。衔铁恢复到初始位置，触头系统的动触头与静触头分离，切断主电路或控制电路，使电器设备停止工作。图STYLEREF1\s3.9接触器4控制系统设计及设备选型控制系统设计4.1.1主回路原理图设计该设计主要包括信号采集、数据处理、控制决策和执行机构四大功能模块。原理图的设计为后续的硬件配置和软件编程提供了明确的指导依据。在上料的具体操作过程中，电机发挥动力驱动作用，带动卷扬机运转，卷扬机拉动钢丝绳，从而实现小车的移动。在电机持续工作时，会不可避免地产生热量。为保证电机能够正常运行，需要配备一个风扇对其进行降温处理。基于斜桥上料系统特定的工艺要求，设计主回路原理图如图4.1所示。图STYLEREF1\s4.SEQ图\*ARABIC\s11主回路原理图在设计斜桥上料系统主回路原理图时，是依据控制单元的宏功能以及电机带负荷的具体要求来开展的。功率单元选定为PM250，制动单元采用6SE6400-4BD26-0FA0，控制单元则选用CU250S-2。对于电机正反转的控制，借助继电器KA1-KA2来实现；抱闸与风扇的控制则通过接触器完成。为保障系统安全，在电网电能接入系统之前，设置空气开关进行隔离，起到保护作用。同样，风扇电机与抱闸也分别配备各自的空气开关，以实现对它们的保护。PLC控制变频器输出频率是通过端口完成的，而变频器抱闸与故障信号的选择则依据宏功能要求来确定。抱闸的控制信号由变频器抱闸输出端给定。当变频器出现故障时，变频器故障输出端会输出一个故障信号，该信号通过KA3传输至PLC，同时变频器故障指示灯L1点亮。当故障处理完成后，按下复位按钮SB4，PLC控制复位继电器KA13线圈通电，进而控制KA4实现复位操作。根据上述设计要求，控制单元接线端子选择按照宏17进行。宏指令17的接线图如下所示图STYLEREF1\s4.SEQ图\*ARABIC\s12宏指令17接线图主回路设备选型根据设计中负载的电机选择功率模块，电机的功率为90KW，功率因数取0.85，电机效率取0.85。则可得线电流如下式：（4.1）（4.2）变频调速三相电动机：（已给的型号及参数）型号：YZPBF315S-6；功率：90kw；额定转速：980r/min；输入电源：380v；1.在斜桥上料系统的设计中，变频器控制单元选用了CU250S-2型号。由于PM240模块不具备能量回馈制动功能，综合考虑系统的运行需求，最终选定了更适配该上料系统的PM250功率单元。2.继电器、接触器与空开的选择在斜桥上料系统中，主电机的电流数值为189A。而风扇电机以及抱闸机构所需求的功率，远不及90KW这般大，其中风扇电机的功率选取主电机功率的10%左右即可。鉴于上述情况，主回路的空气开关选用250A、380V的规格，具体型号为NSX250，这是施耐德品牌的250A、380V三极空气开关。至于风扇电机与抱闸机构，所选用的空气开关型号为DZ5-20，这是施耐德品牌、380V电压、25A额定电流的三极空气开关。在该系统的电路中，继电器与接触器起到开关的作用。其中，继电器的选型为JRS2-25/F，其额定电流为25A；接触器的型号为CJ20-20A，额定电流为20A。另外，抱闸机构的工作原理和电磁式接触器类似，在此就不再详细阐述了。4.2.1控制系统回路设计按工艺要求，主回路动作顺序为：当PLC信号使继电器K得电吸合，K触点接通，电流从火线经K触点（1-3）、行程开关SQ1(常闭触点)，到继电器KA1的线圈。KA1线圈得电后吸合，KA1用于控制变频器正转运行相关电路，实现设备正转运行。SQ1动作（设备到限位位置），其动合接通常闭触点，KA1线圈失电，停止正转运行，起保护作用。当PLC信号使对应的K继电器得电，其触点接通，电流经K触点（1-7）、行程开关SQ2(常闭触点)，到继电器KA2的线圈。KA2线圈得电后吸合，KA2用于控制变频器使设备反转运行。SQ2用于设备到对应限位位置时，断开KA2线圈电路，防止设备超限位运行。继电器KA1或KA2得电吸合时(KA1、KA2的接点并联)，电流由火线经KA1或KA2接点，至接触器KM1线圈，使KM1吸合，控制变频器风扇得电工作，为变频器散热。当变频器故障时，“变频故障”信号使对应继电器接点闭合，其后的电流经该接点(一13)，使继电器KA3线圈得电吸合。KA3吸合可用来触发报警装置或反馈故障信号至其它控制系统。当PLC输出的“自变频器”信号使对应的K继电器得电，其接点闭合，其后的电流经K(一15)、继电器KA4接点(一13，KA4与KA2接点并联)，至接触器KM2线圈，使KM2吸合。KM2吸合抱闸装置动作后，控制制动器制动，使设备停止时抱紧，防止设备移动。控制回路原理图的继电器、接触器部分设计如图4.3所示图4.3控制回路原理图PLC接线图设计在斜桥上料系统里，小车的位置依靠编码器来确定。该编码器每旋转一圈会产生600个脉冲，由此能够把料车行进的实际距离转化为编码器的旋转圈数，进而计算出对应的脉冲数。编码器的A相脉冲连接到PLC的I1.0端口，B相脉冲连接到I1.1端口，编码器的复位信号则连接到I2.4端口。编码器产生的脉冲会被输入到PLC内部的高速计数器中，随后通过编程手段，将高速计数器记录的脉冲数转换为小车的实际位置。在高速计数器中，预先设定了加速点和减速点。当小车行进至这些设定的位置时，系统会从PLC内部寄存器中提取事先存储好的速度值，再依据对应的地址号，将这些速度值传送到相应的PLC模拟量输出端子，以此实现对小车速度的精准控制。根据上述工艺设计PLC接线图如下图所示。图4.4PLC接线图I0.0接“机房操作（手动）”，由开关SA11接通，SA11导通时该点为高电平，PLC处于手动操作模式；I0.1接“集中操作（自动）”，由开关SB11接通，自动操作模式；I0.2接“正转（上升）”，按下开关SB12，指示设备运行正转或上升；I0.3接“反转（下降）”，由开关SB13控制。I0.4“停止”、I0.5“急停”由开关SB14、SQ1控制，用于设备运行停止，急停功能具有最高优先级，确保紧急情况下设备能停止运行。I0.6“上极限行程开关”SQ2，设备运行到上限位置时，SQ2动作，输入设备停止相关上升或正转指令，避免设备超上限运行；0.7“下极限行程开关”，同理，防止设备超下限。I1.0“编码器A相脉冲”与I1.1“编码器B相脉冲”连接编码器PG，用于检测机器运行速度、位置等，实现控制。I0.7“抱闸投入”、I1.0“风扇投入”、I1.1“变频故障”与分别连接对应控制元件或传感器，反馈设备抱闸投入状态、风扇运行状态与变频器故障与否等，使PLC能实时监控并做出反应。4.4模拟量输出模块接线图设计4.4.1变频器速度设定Plc内部存在设置速度的寄存器，用户可以根据使用需求自由切换不同的速度。图4.5模拟量输出模块接线图小车上行送料时到达8m，23m，53m，68m，76m时，切换不同的0，1，2三速。4.4.2编码器检测斜桥位置将编码器安装在斜桥驱动电机轴上，与小车移动同步移动，编码器随轴旋转输出脉冲信号，正向/反向脉冲对应小车上升/下降方向。卷扬机周长为π×直径，单脉冲位移为周长/编码器分辨率（脉冲数/圈，）那么总位移就是脉冲数×单脉冲位移，结合初始位置确定小车实时位置。根据上述过程经过计算可得8m时脉冲数约为20400个脉冲，23m时约为586500个脉冲，53m时约为1351500个脉冲，68m时约为1734000个脉冲，76m时约为1938000个脉冲。5控制系统软件设计编程软件针对S7-200SMART的专业编程软件为STEP7-MicroWINSMART，它的页面可分为四个区域。程序块区域：用于编写、编辑和管理用户程序，包括主程序、子程序和中断程序等。用户可以在该区域中进行指令的输入、删除、修改等操作，是编程的核心区域。符号表区域：可以定义和管理程序中使用的符号，将内存地址、输入输出点等与有意义的符号名称关联起来，使程序更易于理解和维护。通过符号表，能够方便地查找和替换符号，提高编程效率。状态图表区域：用于监视和修改程序运行时的变量状态。用户可以添加需要监视的变量，在程序运行过程中实时查看这些变量的值，也可以手动修改变量的值，以便进行调试和测试。输出窗口区域：显示编译结果、错误信息、调试信息等。当程序编译时，输出窗口会显示编译是否成功，以及如果存在错误，会详细列出错误的类型、位置和原因，帮助用户快速定位和解决问题。在程序调试过程中，也可以通过输出窗口输出一些自定义的调试信息，方便对程序的运行逻辑进行分析REF_Ref16153\r[13]。本文所使用的是V2.8版本，页面截图如图5.1所示。图5.1编程软件截图程序框图设计根据工艺设计以及plc接线图，设计了总程序框图如图5.2所示。图STYLEREF1\s5.2总程序框图5.2.1自动程序框图在设计中，综合考虑系统的功能需求和控制目标，将整个控制过程分解为若干功能模块。每个模块代表一个子系统或特定功能，如上料车运行、卷扬机操作、制动系统以及信号处理等。程序框图采用模块化设计方法，以便于逻辑梳理和后续调试。程序框图按控制要求可分为手动操作程序与自动操作程序两部分，首先先选择是否自动控制，否就按下手动按钮，是就按下自动按钮，完成对模式的选择。当进入自动操作系统后，只要接到上料系统启动信号，料车就以“0速”上行，编码器同时开始发送脉冲，PLC的高速计数器根据脉冲算出料车位置。达到10米位置时，给“1速”，未达到8米处则继续上行；同样的在23米、53米与63米位置要对料车位置进行判断，在保证小车移动到谢桥末端时，上料系统的料车抱闸停车卸料。为了让运料车在末端将镁砂卸净，设计使用定时器延时20s。定时时间到后，系统进入反转状态，料车以“2速”下行，到达23米、53米、68米和76米位置时，给定相应速度“0速”“1速”和“2速”。小车到达底部之后，设计定时器延时20s用来供上级系统装料。装料完毕后小车等待上料系统启动信号继续运料，反复如此。根据工艺以及plc接线图，设计了自动程序框图如图5.3。图5.3自动程序框图5.2.2手动程序框图按控制要求设计手动操作程序框图如图5.4。当手动按钮按下后，启动手动程序。图5.4手动程序框图梯形图设计在开展PLC系统相关操作时，首先开启STEP7-MicroWINSMART软件，此软件用于PLC系统组态。在软件中选定主机型号为SR40，其对应的产品编号是6ES7288-1ST40-0AA0。对于模拟量输出模块，选用的是EMAQ02。因为此次选用了两个该型号的模拟量输出模块，软件会按照规则自动生成输出号，分别为AQW16和AQW32。图STYLEREF1\s5.5模块选择SR40高速计数器配备了6个通道。在确定高速计数器的模式以及对应的输入通道时，需依据编码器的具体情况来进行选择。此次采用的计数方式为A、B相正交计数器，并且存在复位信号。在可供选择的HSC0-HSC5这6个通道里，HSC0、HSC2、HSC4以及HSC5能够满足实际需求，可从这4个通道中挑选合适的使用。所选用的编码器型号为OMRONE6F-AG5C1024PIR2M。本设计中使用的编码器的接线方式如下：其褐色线应连接到电源的（+VCC）端，黑色线连接A相输出端，白色线连接B相输出端，蓝色线则连接到接地端。表5.1速计数器器模式及输入点模式描述输入点HSC0I0.0I0.1I0.4HSC1I0.1HSC2I0.2I0.3I0.5HSC3I0.3HSC4I0.6I0.7I1.2HSC5I1.0I1.1I1.30带有内部方向控制的单相计数器时钟1时钟复位3带有外部方向控制的单相计数器时钟方向4时钟方向复位6带有增减计数时钟的双相计数器增时钟减时钟7增时钟减时钟复位9A/B相正交计数器时钟A时钟B10时钟A时钟B复位因此，编码器A相接I1.0，B相接I1.1。编写部分梯形图程序如下图所示：首先编写高速计数器梯形图，在PLC通电后的第一个扫描周期执行子程序。图STYLEREF1\s5.6高速计数器主程序电机转43圈，卷扬机转1圈。小车行走距离即卷扬机卷桶筒周长，在这一过程中编码器采600脉冲。由此设计小车行走距离梯形图程序如图所示。图STYLEREF1\s5.SEQ图\*ARABIC\s11小车行走距离梯形图图5.2为料车行走的距离换算成脉冲值程序。图STYLEREF1\s5.SEQ图\*ARABIC\s12距离与脉冲换算程序图5.3与图5.4为中断程序INT_0。图STYLEREF1\s5.SEQ图\*ARABIC\s13INT-0程序段1图STYLEREF1\s5.SEQ图\*ARAB