基于plc的皮带运输监控系统设计

基于plc的皮带运输监控系统设计内容摘要：

7 图 四级传送带视图 控制方案 选择 PLC 的依据 单片机控制虽然说是经济实惠，成本相对较低，但是用单片机制作的主控板受制版工艺、布局结构、器件质量等因素的影响导致抗干扰能力差，故障率高，不易扩展，对环境依赖性强 ,开发周期长。 并且单片机开发是底层开发，程序编写比较麻烦都用汇编或者 C 语言。 一个采用单片机制作的主控板不经过很长时间的实际验证很难形成一个真正的产品。 而相对来说 PLC 控制就有如下优点， （ 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 PLC 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。 PLC 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。 PLC 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，与外河南城建学院本科毕业设计（论文） 2总体方案设计 8 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。 PLC 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。 此次设计传送带是用来输送煤，环境相对恶劣一些，且要求有很高的可靠性和较强的控制功能，并且还要工人很容易的接受，所以选择用 PLC 来对运煤皮带机进行控制。 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。 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 河南城建学院本科毕业设计（论文） 2总体方案设计 9 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，对整个用户程序是一致的，不会造成结果混乱。 （ 5）输出刷新 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。 系统设计基本步骤 可编程控制器应用系统设计与调试的主要步骤，如图 所示。 （ 1）深入了解和分析被控对象的工艺条件和控制要求 ①被控对象就是受控的机械、电气设备、生产线或生产过程； ②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电器、接触器、指示灯、电磁阀等。 河南城建学院本科毕业设计（论文） 2总体方案设计 10 （ 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）进行软件调试 程序输入 PLC 后，应先进行调试工作。 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。 河南城建学院本科毕业设计（论文） 2总体方案设计 11 N N Y 图 可编程控制器应用系统设计与调试的主要步骤 开始 分析控制要求 确定 I/O 设备 选择合适的 PLC类型 将程序输入 PLC 分配 I/O 点 设计系统梯形图程序 软件调试 应用系统整体调试 投入运行 调试硬件 是否符合设计要求 河南城建学院本科毕业设计（论文） 3硬件分析 12 3 硬件分析 系统设备的选型 PLC 选型 PLC 输入点统计 根据对系统设计的要求需要有 21 个输入，分别为四个皮带机的单动按钮、四个皮带机的拉线开关、四个皮带机的撕裂开关、四个皮 带机的防偏开关、循环启动开关和单动启动开关、启动开关和停止开关以及紧停开关。 具体如表所示： 表 输入控制点统计表 名 称 地 址 号 数 量 循环启动开关 X0 1 个 各级皮带故障（拉线开关） X1— X4 各 1个 各级皮带故障（撕裂开关） X20— X23 各 1个 各级皮带故障（防偏开关） X30— X33 各 1个 停止按钮 X5 1 个 启动按钮 X6 1 个 单动启动开关 X10 1 个 一级皮带单动按钮 X11 1 个 二级皮带单动按钮 X12 1 个 三级皮带单动按钮 X13 1 个 四级皮带单动按钮 X14 1 个 河南城建学院本科毕业设计（论文） 3硬件分析 13 紧停开关 X17 1 个 PLC 输出点统计 根据系统设计要求输出点为 9 个，分别为四个皮带机所对应的继电器KM1— KM4 和各级皮带机故障报警灯 HL2— HL5，还有一个物料指示灯 HL1。 其具体如下表所示： 表 输出控制点统计表 名称 地址号 数量 一级继电器（ KM1） Y1 1个 二级继电器（ KM2） Y2 1个 三级继电器（ KM3） Y3 1个 四级继电器（ KM4） Y4 1个 物料指示灯（ HL1） Y5 1个 一级皮带故障报警（ HL2） Y6 1个 二 级皮带故障报警（ HL3） Y7 1个 三级皮带故障报警（ HL4） Y10 1个 四级皮带故障报警（ HL5） Y11 1个 综上所述，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 FX2n173。 48MR 型。 电动机 选型 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。 河南城建学院本科毕业设计（论文） 3硬件分析 14 本设计使用的电动机 本设计需要四个电动机来 带动四个皮带机来运输煤，这四个电动机都选用齿轮减速异步电动机，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/T6449－ 92。 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。 Y（ IP44）是指小型三相异步电动机（封闭式），标准编号 ZBK22020－ 88（ H80 － 315） JB5274－ 91(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Y112M2 型的电动机，技术指标如下： 额定功率： 4KW 效率： ％ 功率因数： Cos∮＝ 同步转速： 3000r/min 铁心长度： 105mm 气隙长度： 定子外径： 175mm 定子内径： 98mm 定子线规 nc－ dc： 1－ 每槽线数： 48 并联支路数： 1 绕组型式：单层同心 节 距： 1－ 16 槽数 Z1/Z2： 30/36 转动惯量： 质量： 45kg 其他 设备的选型 （ 1） 电流表 选用四。