铁路抑尘站PLC喷洒控制系统的设计

铁路抑尘站PLC喷洒控制系统的设计

摘要：随着经济的快速发展，煤炭生产企业运量快速增长。在煤炭运量快速增

长的同时，煤炭运输和装车引起的扬尘影响铁路周边环境问题，一直是影响各局

货场及运输周边环境环保问题的主要因素为此，大力推动煤炭抑尘项目的发

展，努力建设和探索运输与环境和谐的煤炭运输形式已经得到铁道部高度重视。

目前，抑尘剂喷泗多数企业采用人工上车喷泗的全手工作业方式，其效率

低下，费时费力的，同时存在各种不安全隐患。少数企业新装了喷淋基站，但其

喷洒量不能有效控制，没有完整的数据跟踪机制，不能对已经作业的信息遂行查

询和共享。目前针对抑尘剂喷洒现状开发出了一套全自动抑尘剂喷洒系统，此系

统可以在车辆行进中喷洒，无需人工现场参与。大大提高作业效率，均匀控制喷

洒流量，避免浪费等，便于数据跟踪和查询，完全可以作为喷洒收费的依据等。

在铁路煤炭运输过程中，吹落的煤尘不铁路加尘站喷洒控制系统是在可编程

PLC控制器的信号输入端连接与安装在喷洒机上的测算列车车速的三个红外光电

开关；用于控制喷洒泵起动并控制流量变频调速器，用于转筒转动控制步进电机

转动的交流接触器。本实用新型解决了铁路抑尘剂喷洒自动化的问题，而且计量

准确，喷洒均匀，还避免遗漏到车厢空档的铁轨上。

关键字：变频调速；PLC；监控系统；伺服电机;

摘要...................................................................1

第1章绪论..........................................................3

1.1抑制铁路运煤扬尘污染的方法......................................3

1.2铁路抑尘站喷洒控制系统的背景和意义..............................3

13国内研究概况.....................................................4

1.4设计任务及要求...................................................4

第2章铁路抑尘站喷洒控制系统.......................................6

2.1铁路抑尘站喷洒控制系统...........................................6

2.1.1系统的组成..............................................................................................................6

2.1.2系统的特点..............................................................................................................6

2.2课题研究的对象...................................................6

2.3铁路抑尘站喷洒控制系统的及工作原理..............................7

2.3.1系统的构成..............................................................................................................7

2.3.2工作原理..................................................................................................................9

第3章器件的选型及介绍.............................................11

3.1可编程控制器....................................................11

3.1.1简介PLC...................................................................................................................11

3.1.2PLC的特点.............................................................................................................12

3.1.3PLC的主要功能.....................................................................................................13

3.1.4PLC的工作过程.....................................................................................................14

3.1.5PLC的经济分析.....................................................................................................15

3.1.6PLC发展状况及趋势............................................................................................15

3.1.7PLC的选型.............................................................................................................16

3.L8PLC的接线.............................................................................................................16

3.2控制元件........................................................18

3.2.1变频器.....................................................................................................................18

3.2.2伺服电机................................................................................................................22

3.3检测元件........................................................27

3.3.1超声波液位计.......................................................................................................27

3.3.2温度变送器...........................................................................................................27

3.3.3压力变送器...........................................................................................................28

3.3.4电磁流量计............................................................................................................28

3.4原件表..........................................................29

3.4.2.硬件接线图...........................................................................................................30

第4章PLC控制及编程................................................32

4.1PLC控制实现的控制功能和控制方法...............................32

4.2PLC的I/O点分配.................................................32

4.3PLC软件设计.....................................................33

4.3PLC梯形图......................................................35

第5章结论.........................................................41

致谢..............................................................43

参考文献.............................................................44

第1章绪论

1.1抑制铁路运煤扬尘污染的方法

在铁路煤炭运输过程中，吹落的煤尘不仅对沿线的生态环境造成严重的污染,

而且对铁路线路内道床、铁路信号和接触电网等设备也会造成破坏,增加维修成

本,对资源也造成不小的浪费。解决铁路扬尘污染问题刻不容缓。抑制铁路运煤

扬尘污染的方法主要有以下两种：

1.固体加盖法。在货运列车车厢上加盖或利用篷布等遮盖，防止煤粉散落

和吹入空气中。这种方法虽然简单，防尘效果较好，但成本较高，且操作麻烦,

完善的测速系统、流量调控系统、钩挡识别及车辆之间。

2.列车中煤层表面喷淋抑尘剂法。通过给列车煤层表面喷洒一层抑尘剂，

使煤层表面形成以煤块、煤粒和煤尘黏结在一起的直径较大的固化层，以此达到

防止扬尘污染的效果。

1.2铁路抑尘站喷洒控制系统的背景和意义

煤炭运输引起的扬尘影响铁路周边环境，需要进行抑尘处理。设计全自动

抑尘剂喷洒系统，可以在车辆行进中喷洒，无需人工现场参与，起到抑制扬尘，

保护环境及减少运输煤损的作用。

仅对沿线的生态环境造成严重的污染,而且对铁路线路内道床、铁路信号和

接触电网等设备也会迨成破坏，增加维修成本，对资源也造成不小的浪费。解决

铁路扬尘污染问题刻不容缓。

自从人类使用核能技术以来，放射性污染物质的消除问题就一直是人们所关

注的世界性难题。传统放射性沉降物的消除技术在适用范围、功能、消除效果、

作业效率或代价利益比上不同程度地存在这样或那样的缺陷，与核事故应急或反

核恐怖行动的要求还不相适应。

目前在放射性非固定性污染物消除领域中，比较先进的技术是“剥离型膜体

大面积压制去污方法”，这种技术在用于清除放射性气溶胶或沉降物时有喷洒作

业、放射性颗粒与压制去污材料共聚膜体、膜体的剥离回收和膜体废物的运输4

个阶段，其中完成喷洒作业阶段的喷洒作业机械是实现压制去污效果的重要手

段。针对其作业环境恶劣、电磁干扰严重的情况，研制出集成性高、抗干扰能力

强、操作简便的控制系统对有效地完成喷洒作业是十分关键的。使用抑尘剂后对

改善铁路沿线的大气和路面污染可以起到明显作用。

1.3国内研究概况

早在20世纪20年代,英国的学者就研究制作了一种湿润剂并应用于矿井。后来,

美国和苏联的学者及研究人员也参与了湿润剂的研究。20世纪70年代，

中国一些高校对化学抑尘剂进行了研制。近些年，抑生剂的研究发展迅猛。目前

的抑尘剂主要分为湿涧型化学抑尘剂、强吸水型抑尘剂和黏结型化学抑尘剂。从

成本、效果和适用范围等方面考虑，黏结型化学抑尘剂是一种不错的变废为宝的

抑尘齐U,在国内外得到广泛的应用。

考虑到铁路运输的特殊性，还必须研制出一种适合运煤列车的喷洒控制系

统。该设备应针对铁路区段线路的特点,对于电力区间使用摆臂式喷洒设备,对于

内燃牵引区间宜使用龙门式设备,对列车高速行驶情况宜使用对喷式设备,对铲车

装车情况可使用移动车式喷泗设备。

由于运煤列车速度较快,按照喷洒要求，控制系统必须实现对机车和车辆车型

的识别。摆臂式的还应能控制摆臂,在喷洒过程中自动完成回转和回位,要设有完

善的测速系统、流量调控系统、钩挡识别及车辆之间的停喷装置等。固定喷洒设

备中摆臂式喷洒最具代表性，下面主要分析这种摆臂式防尘喷洒智能控制系统的

可行性。

1.4设计任务及要求

1.说明

铁路运输过程中，当列车经过喷洒设备时，首先进行雷达测速，之后根

据火车速度的大小由PLC控制变频器调节频率，由此来控制喷洒量，使喷洒

流量与车速符合铁道部规定的设计标准。

2.设计内容

（1）根据铁路抑尘剂喷洒控制系统，进行总体方案设计；

（2）根据PLC输入、输出点的点数，确定变频器的类型；

（3）信号传输部分采用光电信号隔离器；

（4）喷洒部分的设计，储夜罐到喷洒为手动，液体检测采用超声波液位

计，液位计采集液位，低液位报警并参于计算喷洒量，以减少流量

传感器采集误差。喷洒泵采用变频器驱动，速度由PLC给定；

（5）检测部分分别由PLC采集传感器的信号，PLC进行量程转换后参于控

制。

3.设计成果

（1）毕业设计报告字数L5-2万字；

（2）根据设计要求选择各种电气元件；

（3）必须有PLC瑜入、输出点分配的定性分析；

（4）硬件电路图；

（5）系统的结构和软件设计，提供PLC主程序清单；

（6）1#设计图纸2张，一张为系统主电路原理图和传动控制电路原理图、

一张为控制系统软件流程图：

（7）其它；

第2章铁路抑尘站喷洒控制系统

2.1铁路抑尘站喷洒控制系统

2.1.1系统的组成

该控制系统由监视管理层、中间控制层、现场执行层组成。监视管理层由工

控计算机、可编程控制器PLC及其配套设备构成，配以图形用户界面，负责监视

PLC摆臂式喷洒装置的参数设置和下层设备的状态、机车车辆识别工作，监视喷

洒作'业情况。中间控制层是核心层,负责控制现场执行设备和算法的执行,采用高

性能可编程PLC,对现场进行网络控制J,控制变频器以实现喷洒流量的恒压和流量

大小的调整。现场执行层由电机、变频器、测速雷达、视频头等基础设备成。

2.1.2系统的特点

(1)该系统采用计算机网络技术和自动化技术，实现对各种设备的智能控制,

达到最佳工况要求；

(2)通过变频技术，实现车速和喷洒流量的匹配，使用中节电效果显著；

(3)具有随时手动控制功能，可与系统自动控制互补，安全性能较高；

(4)保护功能齐全，既可保护常规设备，又能对突发事件进行自动巡检，具

有主动采取适当的保护措施及报警智能保护的能力，辅助管理人员进一步提高管

理能力；

(5)改善工作环境,提高作业人员生产效率；

(6)利用了变频技术，使防尘喷洒智能控制系统的喷洒水泵具有显著的节能

效果，且实现了软启软停，减少对电网的冲击，操作简便，能顺利实现喷洒液体

恒压、恒流量控制。

2.2课题研究的对象

煤炭运输引起的扬尘影响铁路周边环境，需要进行抑尘处理。设计全自动抑

尘剂喷洒系统，可以在车辆行进中喷洒，无需人工现场参与，起到抑制扬尘，保

护环境及减少运输煤损的作用。本毕业设计，涉及检测，PLC电气控制，器件选

型，各器件使用PLC进行控制。

铁路抑尘站PLC喷洒控制系统系统框图如图2.1所示。

图2.1铁路抑尘站喷洒控制系统系统方案图

该系统使用前先对设备功能进行自检，完成变送渊工作状态、模拟量的采集

精度及检测结果状态的指示和报警的检测。自检正常后，当运煤列车通过时，

通过光电检测系统识别牵引机车，牵引机车通过后，发出信号给PLC控制传动

减速箱，与此同时PLC控制变频器启动喷洒泵，雷达测速仪检查列车速度，反

馈给PLC,PLC控制变频器，给定电机不同频率，进行流量和恒压的控制。光

电检测系统在列车钩档间发出信号给PLC,用以控制变频器输出，同时伺服电

机通过传动连接装置.，旋转遮挡装置实现停喷和喷洒作业。列车完全通过后系

统自动切换至清洗泵，清洗完毕后清洗液回流到储液罐。至此，喷洒过程完成。

2.3铁路抑尘站喷洒控制系统的及工作原理

2.3.1系统的构成

整个系统由两台喷洒泵，一台变频调速器、一台潜水泵、一台PLC和一个超

声波液位检测计及若干辅助部件构成。两台水泵中每台泵的出水管均装有手动

阀，以供维修和调节水量之用，两台泵协调工作以满足喷洒需要；喷洒系统中检

测管路压力的压力表，一般采用电阻式传感器（反馈0〜5V电压信号）或压力变送

器（反馈4〜20mA电流）；变频器是喷洒系统的核心，通过改变电机的频率实现电

机的无极调速、无波动稳压的效果和各项功能。

从原理框图，我们可以看出该系统由执行机陶、信号检测、控制系统、人机

界面、以及报警装置等部分组成。

⑴执行机构

执行机构是由一组水泵组成，它们用于将喷洒液供于抑尘喷洒机构，图2.3

中的3个水泵分为二种类型：

喷泗泵：：喷泗泵是将具备压力的工作介质水，通过喷嘴向吸入室高速喷

出，将水的压力能变为动能，形成高速喷出的流体，吸入室中的气体被高速喷射

的流体强力压制带着与之混合，形成气液的混合体，流入扩压器从而使吸入室的

压力减小，形成真空，在扩压器的扩张段内混合喷射的流体动能转变为压力能，

速率减低，压力升高，气体被进一步压缩，与水一起排出泵外，在水箱中起水

散，气体释放入大气，水由水泵循环，周而复始达到抽真空的目地。

潜水泵：潜水泵由水泵、潜水电机、输水管和控制开关四大部分组成。

（2）信号检测

在系统控制过程中，需要检测的信号包括喷洒液的流量、压力、温度信号的

检测。

①水压信号:它反映的是系统内部管道的压力值，它是喷洒控制系统的主要

反馈信号。

②水温信号:它反映系统是否正常运行，伺服电机是否过载、变频器是否有

异常。该信号为开关量信号。

③流量信号：它反映喷洒液流速的大小，它是系统喷洒量大小的主要反馈

信号。

④超声波液位检测信号：通过检测液位的高低来控制喷洒速度，它是储液

罐液位高低的主要反馈信号。

（3）控制系统

一般安装在PLC控制柜中，包括PLC控制器、变频器和电控设备三个部分。

①PLC控制器:它是整个变频恒压喷洒控制系统的核心。PLC控制器直接对系

统中的工况、压力、报警信号进行采集，对来自人机接口和通讯接口的数据信息

进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过变频调速器和接触

器对执行机构进行控制。

②变频器:它是对喷洒泵进行转速控制的单元。变频器跟踪PLC控制器送来的

控制信号改变喷洒泵的运行频率，完成对喷洒泵的速度控制。

③电控设备:它是由一组接触器、保护继电器、转换开关等电气元件组成。

用于在PLC控制器的控制下完成对喷洒泵的切换、手/自动切换等。

(4)人机界面

人机界面是人与机器进行信息交流的场所。通过人机界面，使用者可以更改

设定压力，修改一些系统设定以满足不同工艺的需求，同时使用者也可以从人机

界面上得知系统的一些运行情况及设备的工作状态。人机界面还可以对系统的运

行过程进行监示，对报警进行显示。

(5)通讯接口

通讯接口是本系统的一个重要组成部分，通过该接口，系统可以和组态软件

以及其他的工业监控系统进行数据交换，同时通过通讯接口，还可以将现代先进

的网络技术应用到木系统中来，例如可以对系统进行远程的诊断和维护等

(6)报警装置

作为一个控制系统，报警是必不可少的重要组成部分。由于本系统能适用于

不同的喷洒领域，所以为了保证系统安全、可靠、平稳的运行，防止因电机过

载、变频器报警、电网过大波动等等造成的故障，因此系统必须要对各种报警量

进行监测，由PLC判断报警类别，进行显示和保护动作控制，以免造成不必要的

损失。

232工作原理

由加料机把原料加入搅拌罐与清水混合，然后由潜水泵提升至储液抽罐里，

其过程为手动方式，人为操作按钮。喷泗时，当列车经过时，首先进行雷达测

速，然后根据结果自动计数参数，使喷洒流量与车速符合设要求，整体控制示意

图如下：

图2.2铁路抑尘站喷洒控制系统

铁路抑尘站喷洒控制系统中电气系统主要为：配电部分，控制部分，操作部

分，检测部分，视频部分组成。控制部分全部采用进口材料和部分国产材料，主

要以法国施耐德产品为主，搅拌机的起停采用手动方式，配电回路采用软启动

器，加料机和潜水泵的启停采用人工的方式，配电回路因功率较小而采用直接启

动方式，清洗罐中的操作也全部分手动。储液罐到喷洒为手动/自动方式，液位

检测采用超声音波液位计，液位计采集液位，低液位报警并参于计算喷洒量，以

减少流量传感器采集误差。喷洒泵采用变频器驱动，速度由PLC给定。检测部分

分别由PLC采集传感器的信号，PLC进行量程转决后参于控制。视频部分采用硬

盘录像机，可以看到手动/自动录像，视频部分和控制系统是相互完全独立的两

套系统。

第3章器件的选型及介绍

3.1可编程控制器

3.1.1简介PLC

可编程控制器是60年代末在继电器系统上发展起来的，当时称作可编程逻

辑控制器(ProgrammableLogicController),简称PLC。可编程控制器的产生和发

展与继电器控制系统有很大的关系。继电器是一种用弱电信号控制强电信号的电

磁开关，但在复杂的控制系统中，故障的查找和徘除非常困难，不适应于工艺要

求发生变化的场合。由此，产生了可编程控制器，它是以微处理器为基础，综合

了计算机技术、自动控制技术和通讯技术，用面向控制过程、面向用户的简单编

程语句，适应工业环境，是简单易懂，操作方便、可靠性高的新一代通用工业控

制器，是当代工业自动化的主要支柱之一。可编程控制器具有丰富的输入/输出

接口，并具有较强的驱动能力，但它的产品并不针对某一具体工业应用，其灵活

标准的配置能够适应工业上的各种控制。在实际应用中，其硬件可根据实际需要

选用配置，其软件则需要根据要求进行设计。

电源模块

不

工

(小

输

输

出

入通信模块

小

4小

模

模

块

1块

工GOT

舞

作

控制对犊覆

图3.1PLC的硬件结构框图

可编程逻辑控制器，采用的是计算机的设计思想，最初主要用于顺序控制，

只能进行逻辑运算。随着微电子技术计算机技术和通信技术的发展，以及工业自

动化控制愈来愈高的需求，PLC无论在功能上、速度上、智能化模块以及联网通

信上，都有很大的提高。现在的PLC已不只是开关量控制，其功能远远超出了顺

序控制、逻辑控制的范闱，具备了模拟量控制、过程控制以及远程通信等强大功

能。美国电气制造商物,会(NEMA)将其正式命名为可编程控制器(Programmable

Controller),简称PC,但是为了和个人计算机(PersonalComputer)的简称PC相区

别，人们常常把可编程控制器仍简称为PLC。

事实上与所有的器件一样，PLC本身也有其局限性，它无法向操作者显法方

便、快速地改变相关参数、配方。因此，在现今的稍微复杂一些的控制系统中，

PLC通常与工业控制计算机配合使用，实现完整的控制功能。

3.1.2PLC的特点

现代可编程控制器不仅能实现对开关量的逻辑控制，还具有数学运算、数学

处理、运动控制、模拟量PID控制、通信网络等功能。在发达的工业化国家，

可编程控制密已经广步的应用在所有的工'也部门，其应用已扩展到楼宇自动化、

家庭自动化、商业、公用事业、测试设备和农业等领域。归纳可编程控制器主要

有以下几方面的优点：

1.灵活、通用

在继电器控制系统中，使用的控制器件是大量的继电器，整个系统是根据设

计好的电器控制图，由人工布线、焊接、固定等手段组装完成的，其过程费时费

力。如果因为工艺上的稍许变化，需要改变电器咨制系统的话，那么原先的整个

电器控制系统将被全部拆除，而重新进行布线、焊接、固定等工作，浪费了大量

的人力、物力和时间。而可编程控制器是通过存储在存储器中的程序实现控制功

能的，如果控制功能需要改变的话，只需要修改程序以及改动极少量的接线即

可。而且，同一台可编程控制器还可以用于不同的控制对象，只要改变软件就可

以实现不同的控制要求，因此具有很大的灵活性、通用性。

2.可靠性高、抗干扰能力强

对于机械手系统来说，可靠性、抗干扰能力是非常重要的指标，如何能在各

种工作环境和条件(如电磁干扰、低温潮湿、灰尘超高温等)下，平稳可靠的工

作，将故障率降至最低，是研制每一种控制系统必须考虑的问题。现代PLC采

用了集成度很高的微电子器件，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，

其可靠性程度是使用机械触点的继电器所无法比拟的。为了保证PLC能在恶劣

的工业环境可靠的工作，在其设计和制造过程中采取了一系列硬件和软件方面的

抗干扰措施，使其可以适应恶劣的工业应用环境。

3.操作方便、维修容易

PLC采用电气操作人员熟悉的梯形图和功能助记符编程，使用户十分方便

的读懂程序和编写、修改程序。对于使用者来说，几乎不需要专门的计算机知

识。工程师编好的程序十分清晰直观，只要写好操作说明书，操作人员经短期的

学习就可以使用。

4.功能强

现代PLC不仅具有条件控制、计时、计数却步进等控制功能，而且还能完

成A/D、D/A转换、数字运算和数据处理以及通信联网和生产过程监控等。因

此，它既可控制开关量，又可控制模拟量；既可左制一个机械手，又可控制一个

机械手群；既可控制简单系统，又可控制复杂系统；既可现场控制，又可远程控

制。

5.体积小、重量轻和易于实现机电一体化

由于PLC采用了半导体集成电路。因此具有体枳小、重量轻、功耗低的特

点。且PLC是为工业控制设计的专用计算机，其结构紧凑、坚固耐用、体积小

巧，并由于具备很强的可靠性和抗干扰能力，使之易于装入机械设备内部，因而

成为实现机电一体化十分理想的控制设备1刈。

同样，可编程序控制器控制也有其不足的地方，在性价比上要高于继电器控

制和单片机控制，其开发潜力要差于单片机，并且通用性不好，不同厂家的可编

程序控制器以及其附属单元都是固定专用等等。

3.1.3PLC的主要功能

PLC是一种应用面很广、发展非常迅速的工业自动化装置，在工厂自动化

（FA）和计算机集成制造系统（CIMS）内占重要地位。

PLC系统主要有以下功能：

（1）多种控制功能；

（2）数据采集、存储与处理功能；

（3）通信联网功能；

（4）输入、输已接口调理功能；

（5）人机界面功能；

（6）编程、调试功能。

PLC的重量、体积、功耗和硬件价格一直在降低，虽然软件价格占的比重

有所增加，但是各厂商为了竞争也相应地降低了价格。另外，采用PLC还可以

大大缩短设计、编程和投产周期，使总价格进一步降低。PLC产品面临现场总

线的发展，将再次革新，满足工业与民用控制的更高需求⑴L

3.1.4PLC的工作过程

।扫描周期।

r--------------------------------------------------------H

I输入采样阶段I程序执行阶段」输出刷新阶段」

程

序

图3.2PLC的扫描工作过程

PLC是在系统软件的控制和指挥下，采用循环顺序扫描的工作方式，其工作

过程就是程序的执行过程，它分为输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段，如

图3.2所示。

PLC在I/O处理方面必须遵守的规则如下：

①输入映像寄存器的数据，取决于输入端子板在上一个刷新时间的状态；

②程序如何执行，取决于用户所编的程序和瑜入映像寄存器、元件映像寄存

器中存放的所需软元件的状态；

③输出映像寄存器（包含在元件映像寄存器中）的状态，由输出指令的执行

结果决定。

④输出锁存器中的数据，由上一个刷新时间输出映像寄存器的状态决定；

⑤输出端子上的输出状态，由输出锁存器中的状态决定。

3.1.5PLC的经济分析

综上所述，在各种环境中，使用PLC控制机构设备，生产流水线和生产过

程的自动化控制将越来越广泛。

对PLC的经济分析，应从以下几方面考虑：

1.从影响成本的各个因素综合考虑

对目前生产设备控制装置来说，有三种类型：①继电器控制；②半导体器

件控制；③PLC控制。价格仅是选择PLC品牌的一个因素，而可靠性是选择控

制装置时需要考虑的又一个重要因素。

2.从设计、生产周期长短考虑

不论是对旧设备进行改造，还是设计新的生产机械设备。毫无疑问，生产、

设计周期越短越好，甚至希望边设计、边安装、边调试和边生产，特别是产品更

新换代，生产工艺改造，不需改动现有生产设备及其外部接线，就能马上组织生

产，这不仅节约了劳动力，而且新产品能尽快投入市场。这无疑给企业增加了活

力，提高了经济效益。如果把这些要求得以实现，继电器或半导体都不能满足，

而PLC则完全可以实现。这是因为使用PLC不必改动外部设备接线，只要对软

件进行一些改变就可以了。也就是说只要改变梯形图，按照新工艺要求重新输入

新程序或修改原程序即可。这既经济又简捷，可以达到事半功倍的效果。

据调查，目前我国70%的机械生产设备，都是采用继电器进行控制的，除

了可靠性差外，程序设计也很繁杂。从方案的确立到技术条件的设计以及施工的

设计，图面的工作量很大，这势必造成设计周期长。而采用PLC控制可以大大

缩短设计周期，甚至有些文件资料也不必绘制成图。设计人员完全可以利用编程

器上屏幕显示来输入，或修改程序使得梯形图能准确无误地反映生产要求。编程

人员也可根据新产品对生产提出的新工艺要求，重新编写程序并把它存储在

EEPROM模块中去，需要加工哪种产品的程序，操作人员可以随时调用，这既

简单、方便又保密。

3.1.6PLC发展状况及趋势

现代PLC的发展主要有两个趋势：一是向体积更小、速度更快、功能更强

和价格更低的微小型方面发展；二是向大型网络叱、高可靠性、好的兼容性和多

功能方面发展。

1.大型网络化

主要是朝DCS方向发展，使其具有DCS系统的-一些功能。网络化和通信能

力强是PLC发展的一个重要方面，向下可将多个PLC、I/O框架相连，向上与工

业计算机、以太网、MAP网等相连构成整个工厂的自动化控制系统。

2.多功能

随着自调整、步进电机控制、位置控制、伺服控制等模块的出现，使PLC

控制领域更加宽广。

3.1.7PLC的选型

潜水泵、喷洒泵可变频运行也可工频运行，需PLC的16个输出点，变频器的

运行与关断由PLC的1个输出点，控制变频器使电机正转需1个输出信号控制，报

警器的控制需要1个输出点，输出点数量一共9个。控制起动和停止需要2个输入

点，变频器极限频率的检测信号占用PLC2个输入点，系统自动/手动起动需1输

入点，手动控制电机的工频/变频运行需6个输入点，控制系统停止运行需1个输

入点，检测电机是否过载需3个输入点，共需19个输入点。系统所需的输入/输

出点数量共为35个点。本系统选用FX°s・30MR-D型PLC。

3.1.8PLC的接线

Y0接伺服电机控制Ml的变频运行，Y1接潜水泵控制Ml的工频运行；Y2接

加料机控制M2的变频运行，Y3接清洗罐控制M2的工频运行；Y4接喷洒阀控制

M3的变频运行，Y5接清洗阀控制M3的工频运行。

X0接伺服电源，XI接潜水泵，X2接变频器的FU接口，X3接变频器的0L接

口，X4接Ml的热继电器，X5接M2的热继电器，X6接M3的热继电器。

为了防止出现某台电动机既接工频电又接变频电设计了电气互锁。在同时控

制Ml电动机的两个接触器KM1、KMO线圈中分别串入了对方的常闭触头形成电

气互锁。频率检测的上/下限信号分别通过0L和FU输出至PLC的X2与X3输入端

作为PLC增泵减泵控制信号

---------------ov

,

/1)3-34U3-35

E/E/E/EZE/E/E/E/.SSSSSSSSS

sssBBBBB

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一

一

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一

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67oc4;一

。236789

3.2控制元件

3.2.1变频器

i.变频器的构成

通常由变频器主电路（IGBT、BJT、或GTO作逆变元件）给异步电动机提

供调压调频电源。此电源输出的电压或电流及频率，由控制回路的控制指令进行

控制。而控制指令则根据外部的运转指令进行运算获得。对于需要更精密速度或

快速响应的场合，运算还应包含由变频器主电路和传动系统检测出来的信号和保

护电路信号，即防止因变频潜主电路的过电压、过电流引起的损失外，还应保护

异步电动机及传动系统等。

电源速出器

图3.4变频器的构成

给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，称为主电路。图3.5所示

是典型的电压逆变器的例子，其主电路由三部分沟成，将工频电源变换为直流功

率的“整流器”，吸引在整流和逆变时产生的电压脉动的“平波回路”以及将直

流功率变换为交流功率的“逆变器”。另外，异步电动机需要制动时，有时要附

加“制动回路”。

①整流器

最近大量使用的是二极管的交流器，图3.5所示，它把工频电源变换为直流

电源。可用两组晶体管交流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行

再生.运转。

②平波回路

在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器

产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电压吸收脉

动电压（电流）。装置容量小时，如果电源和主电路的构成器件有余量，可以省

去电感采用简单的平波回路。

③逆变器

同整流器相反，逆变器的作用是将直流功率变换为所需要频率的交流功率，

根据PWM控制信号使6个开关器件导通、关断，就可以得到三相频率可变的交

流输出。

④制动回路

异步电动机在再生制动区域使用时（转差率为负），再生能量储存于平波回

路电容器中，使直流电压升高。一般说来，由机械系统（含电动机）惯量积蓄的

能量比电容能储存的能量大，需要快速制动时，可用由逆变流器向电源反馈或设

置制动回路（开关和电阻）把再生功率消耗掉，以免直流电路电压上升。

交

工不公

Ru流

频V

隔

s一

一

电W

T出

源ia

p4r

2、玄R!

—

平波回路逆变器

制动回路

图3.5典型的电压型逆变器一例

2.变频器的特点

变频器具有过压、欠压、过流、过载、短路、失速等自动保护功能。能实现

电机软起动，减小电气和机械冲击噪音，延长设备使用寿命。

喷洒系统主要有以下几个特点：

(1)节能：变频调速恒压喷洒设备使整个喷洒系统始终保持最优工作状

态节电率可达35%—60%,这一特点已被广大用户所认识并带来效益。

(2)占地面积小，投人少，效率高。

(3)配置灵活，功能齐全，自动化程度高。

(4)由于变频恒压调速直接从水源喷泗，减少了原有喷洒方式的二次污

染，大大降低水质污染的可能性。

(5)通过通信控制，可以实现无人值守，节省了人力物力。

3.变频器的选型

根据设计的要求，本系统选用VFD450843A系列变频器，如下图所示：

电魏

Lpi级//_短路片

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直流2懒出利卜部晶傩馍斜「）PC

।------------------------------1tlL（g）-m.

IIIf当用FR-ABR时翻擀梅路片

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ESW

50o>（-）

图3.6R-A540的管脚说明

4.变频器的接线

变频器的接线图如图3.7所示

管脚STF接PLC的Y7管脚，控制电机的正转。X2接变频器的FU接口，X3接

变频器的0L接口。频率检测的上/下限信号分别通过0L和FU输出至PLC的X2与

X3输入端作为PLC增泵减泵控制信号。

C653P90A

///QF3

L3L2L1

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变-1M5；

频1#喷洒泵

ITQ4FW媚

TTQQDCM

TUTJQ-OAMil

RA3

IUTJQ-7/MI2

RC3-------------U3-1

U3-8----------------MI3

图3.7变频器接线图

3.2.2伺月艮电机

伺服电机在伺服系统中控制机械元件运转的发动机.是一种补助马达间接变

速装置。伺服电机，可使控制速度,位置精度非常准确。将电压信号转化为转矩和

转速以驱动控制对象。

伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就

会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲

的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺

服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少

脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这洋，就能够很精确的控制电机的

转动，从而实现精确的定位，可以达到0.001mm。

1.伺服电机的原理

交流伺服电动机定子的构造基本上与电容分相式单相异步电动机相似.其定

子上装有两个位置互差90°的绕组，一个是励磁绕组Rf,它始终接在交流电压Uf

上；另一个是控制绕组L,联接控制信号电压Uc。所以交流伺服电动机又称两个

伺服电动机。

交流伺服电动机的转子通常做成鼠笼式，但为了使伺服电动机具有较宽的调

速范围、线性的机械特性，无“自转”现象和快速响应的性能，它与普通电动机

相比，应具有转子电阻大和转动惯量小这两个特点。目前应用较多的转子结构有

两种形式：一种是采用高电阻率的导电材料做成的高电阻率导条的鼠笼转子，为

了减小转子的转动惯量，转子做得细长；另一种是采用铝合金制成的空心杯形转

子，杯壁很薄，仅0.2-0.3mni,为了减小磁路的磁阻，要在空心杯形转子内放置

固定的内定子，空心杯形转子的转动惯量很小，反应迅速，而且运转平稳，因此

被广泛采用。

交流伺服电动机在没有控制电压时，定子内只有励磁绕组产生的脉动磁场，

转子静止不动u当有控制电压时，定子内便产生一个旋转磁场，转子沿旋转磁场

的方向旋转，在负载恒定的情况下，电动机的转速随控制电压的大小而变化，当

控制电压的相位相反时，伺服电动机将反转。

交流伺服电动机的工作原理与分相式单相异步电动机虽然相似，但前者的转

子电阻比后者大得多，所以伺服电动机与单机异步电动机相比，有三个显著特

点：

（1）起动转矩大

（2）运行范围较广

（3）无自转现象

2.步进电机的性能比较

步进电机作为一种开环控制的系统，和现代数字控制技术有着本质的联系。

在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺

服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数

字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机

作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似(脉冲串和方向信号)，但在使用

性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能作一比较。

(1)控制精度不同

两相混合式步进电机步距角一般为1.8。、0.9°,五相混合式步进电机步

距角一般为0.72°、0.36。。也有一些高性能的步进电机通过细分后步距角更

小。如三洋公司(SANYODENK1)生产的二相混合式步进电机其步距角可通过拨

码开关设置为1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、

0.0360,兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。

交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以三洋全数字式

交流伺服电机为例，对于带标准2000线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用

了四倍频技术，其脉冲当量为360°/8000=0.04500对于带17位编码器的电机而

言，骈动器每接收131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360。

/131072=0.0027466°,是步距角为1.8。的步进电机的脉冲当量的1/655。

(2)低频特性不同

步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能

有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原

理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速

时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动

器上采用细分技术等。

交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服

系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机

能(FFT),可检测出机械的共振点，便于系统调整。

(3)矩频特性不同

步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以

其最高工作转速一般在300〜600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定

转速(一般为2000RPM或3000RPM)以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为

恒功率输出。

(4)过载能力不同

步进电机一般不具有过载能力，交流伺服电机具有较强的过载能力。以山洋

交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的

二到三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种

过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而

机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。

(5)运行性能不同

步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的

现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好

升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈

信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲

的现象，控制性能更为可靠。

(6)速度响应性能不同

步进电机从静止加速到工作转速(一般为每分钟几百转)需要200〜400毫

秒。交流伺服系统的加速性能较好，以山洋400W交流伺服电机为例，从静止加速

到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。

综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不

高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。所以，在控制系统的设计过程中要

综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电机。

3.伺服电机接线图

其伺服电机的接线图如图3.8所示

QF2

R

s

T

Ln

L2

□

□

□

9□

□

□

□

□5A

□4/A

□7B

9/B

□10Z

□2/Z

D23B14/16+5V

AsA■445■I3/I5GND

18F-REF

13GND

图3.8伺服电机的接线图

3.3检测元件

3.3.1超声波液位计

超声波液位计是由微处理器控制的数字物位仪表。在测量中脉冲超声波由传

感器（换能器）发出，声波经物体表面反射后被同一传感器接收，转换成电信

号，并由声波的发射和接收之间的时间来计算传感器到被测物体的距离。由于

采用非接触的测量，被测介质几乎不受限制，可广泛用于各种液体和固体物料高

度的测量。

超声波液位计工作时，高频脉冲声波由换能器（探头）发出，遇被测物体

（水面）表面被反射，折回的反射回波被同一换能器（探头）接收，转换成电信

号。脉冲发送和接收之间的时间（声波的运动时间）与换能器到物体表面的距离

成正比，声波传输的距离S与声速C和传输时间T之间的关系可以用公式表不：

S=CXT/2

SGM超声波液位计特点：

价格低，体积小，重量轻，可用于食品，化工，半导体等行业对液体和散装

固体非接解式物位测量，可用于远程物位监控和泵的控制。

机械安装时应注意：安装应垂直于测是物表面，避免用于测量泡沫性质物

体，避免安装于距测量物体表面距离小于盲区距离（盲区：每台产品会有一个标

准，随产品得知），应考虑束避开阴挡物质不与灌口和容器壁相遇，检测大块固

体物应调整探头方位，减少测量误差。

传感器是能够受规定的被测流量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器

件或装置的总称，通常由敏感元件和转换元件组成。当传感器的输出为规定的标

准信号时，则称为变送器。

3.3.2温度变送器

传感器是能够受规定的被测流量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器

件或装置的总称，通常由敏感元件和转换元件组成。当传感器的输出为规定的标

准信号时，则称为变送器。

温度变送器是一种将温度变量转换为可传送的标准化输出信号的仪表。主要

用于工业过程温度参数的测量和控制。

带传感器的变送器通常由两部分组成：传感器和信号转换器。传感器主要是

热电偶或热电阻；信号转换器主要由测量单元、信号处理和转换单元组成(由于

工业用热电阻和热电偶分度表是标准化的，因此信号转换器作为独立产品时也称

为变送器)，有些变送器增加了显示单元，有些还具有现场总线功能。如下图

所示

现场总线

输出信号(M或V)