皮帶輸送機控制器設計(可變速)

1、學 號： 課 程 設 計題 目皮帶輸送機控制器設計（可變速）學 院物流工程學院專 業(yè)物流工程班 級姓 名 同 組 者指導教師2015年1月20日課程設計任務書學生姓名： 專業(yè)班級： 指導教師： 工作單位： 物流工程學院 題 目: 皮帶輸送機控制器設計（可變速） 初始條件： 1)PLC型號：西門子公司S7系列，S7-300 2)編程環(huán)境：SIMATIC Manager /Step7 V5.4或更高版本 3)PLC的相關資料指導書 要求完成的主要任務: （包括課程設計工作量及其技術要求，以及說明書撰寫等具體要求） 1)基于西門子公司S7-300和SIMATIC Manager /Step7 V5.

2、4或更高版本的編程環(huán)境實現(xiàn)皮帶輸送機控制器設計（可變速）。 2)根據(jù)控制要求分配PLC I/O地址，畫出PLC與控制對象的接線圖，設計控制流程，按照模塊化的方式設計程序，既可以采用LAD編程，也可以采用STL編程，還可以采用組合方式編程。 3)編寫的程序需要輸入PLC，調(diào)試通過。時間安排：十九周到二十周設計，二十周答辯指導教師簽名： 年 月 日系主任（或責任教師）簽名： 年 月 日本科生課程設計成績評定表姓 名性 別專業(yè)、班級課程設計題目：皮帶輸送機控制器設計（可變速）課程設計答辯或質(zhì)疑記錄：成績評定依據(jù)： 1. 選題合理、目的明確 10分 2. 設計方案正確，具有可行性，創(chuàng)新性 20分 3.

3、 設計結果 20分 4. 態(tài)度認真、學習刻苦、遵守紀律 15分 5. 設計報告的規(guī)范化、參考文獻充分（不少于5篇） 10分 6. 答辯 25分最終評定成績（以優(yōu)、良、中、及格、不及格評定）指導教師簽字： 年 月 日摘 要PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC及其有關的外圍設備應該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則。針對中小型皮帶運輸機的控制系統(tǒng)采用繼電器控制，存在可靠性差、勞

4、動強度大、生產(chǎn)效率低的問題，開發(fā)一種基于PLC的皮帶運輸機控制裝置。本控制系統(tǒng)選用S7-300PLC和 MM44O變頻器作為控制器。在硬件電路設計中，完成PLC選型及外部電路的選用，設計了硬件接線圖，提出了接線要求，使之具有速度可調(diào)功能。在軟件設計中，給出了程序流程圖，并設計出梯形圖程序。將硬件和軟件有機結合，使控制系統(tǒng)運行可靠，達到了預期的設計目的。關鍵詞：PLC控制技術；皮帶輸送機；變頻調(diào)速19目錄1 前言- 1 -1.1設計的目的和意義- 1 -1.2皮帶運輸機的現(xiàn)狀- 1 -1.3交流調(diào)速的發(fā)展概況- 2 -1.4方案的確定- 2 -2 皮帶運輸機的PLC控制系統(tǒng)的組成- 3 -2.1

5、基本原理- 3 -2.2概述- 3 -2.3三相異步電動機的選擇- 3 -2.4變頻器的選擇- 5 -2.4.1工作原理和組成- 5 -2.4.2變頻器容量的選用- 7 -2.5 PLC控制器- 9 -3 皮帶運輸機的PLC控制系統(tǒng)軟件設計- 11 -3.1 控制系統(tǒng)軟件的功能- 11 -3.2 控制系統(tǒng)的主要指標- 11 -3.3 PLC程序設計- 11 -3.3.1 I/O分配表- 11 -3.3.2 PLC與MM440接線圖- 12 -3.3.3 梯形圖- 12 -3.3.4軟件仿真- 15 -4課程設計總結- 19 -參考文獻- 20 -19武漢理工大學物流自動化系統(tǒng)的設計與應用課程設

6、計報告1 前言1.1設計的目的和意義 冶金、煤礦、化工、機械、鋼鐵、建材、食品等工業(yè)生產(chǎn)中，需要廣泛使用皮帶運輸機，它為企業(yè)的生產(chǎn)承擔了絕大多數(shù)散料運輸任務?？删幊炭刂破?PLC)是以微處理器技術為基礎，綜合計算機技術和自動化技術發(fā)展起來的一種新型工業(yè)控制器，廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)的各個領域。由于PLC采用的控制系統(tǒng)或設備具有可靠性高,控制易于實現(xiàn)，系統(tǒng)設計靈括， 能在實驗室進行現(xiàn)場模擬調(diào)試，編程簡單，安裝方便，較好的抗干擾能力,被譽為當代工業(yè)生產(chǎn)自動化的支柱之一，正在得到越來越廣泛的應用。利用PLC可以使皮帶運輸機的傳動系統(tǒng)逐漸實現(xiàn)了全自動控制狀態(tài)，并且使皮帶運輸機具有完善的控制特性及簡易的操作

7、、基本免維護的工作量，達到一種經(jīng)濟、安全、可靠且運行效率高的狀況, 其獨特的易于使用性、可靠性和靈活性越來越受到廣大工程技術人員的青睞。對于港口、廠區(qū)廣泛使用的皮帶運輸機，應用PLC控制，可以使皮帶機生產(chǎn)線的控制更加靈活、可靠。通過PLC進行控制提高了企業(yè)生產(chǎn)的效率，為工業(yè)生產(chǎn)的進行節(jié)省了大量的人力、物力、財力。1.2皮帶運輸機的現(xiàn)狀電氣傳動技術以運動機械的驅(qū)動裝置-電動機為控制對象，以微電子裝置為核心，以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機構，在自動控制理論的指導下完成電氣傳動自動控制系統(tǒng)，控制電動機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，將電能轉(zhuǎn)換成機械能，實現(xiàn)工作機械的旋轉(zhuǎn)運動或反復運動。因電機的種類的不同，我們可以將分

8、為直流電動機傳動和交流電動機傳動。自19世紀80年代起至19世紀末，工業(yè)上傳動用的電動機一直被直流電機壟斷，到了19世紀末，出現(xiàn)了三相電源和結構簡單且堅固耐用的交流鼠籠型電機以后，交流電機才在不調(diào)速的領域代替了直流電動機傳動裝置。對生產(chǎn)過程的監(jiān)視和控制，在初級階段是由人工進行的。工作人員憑自己的感官或借助于儀表等來監(jiān)視生產(chǎn)過程，用頭腦做出判斷決策，并視情況進行必要的控制。在高級階段，這種監(jiān)視、判斷決策和控制由機器承擔，按照人們的意志自動完成，這是閉環(huán)自動控制。1.3交流調(diào)速的發(fā)展概況交流變頻調(diào)速的優(yōu)越性早在20年代就已被人們所認識，但受到器件的限制，未能推廣。50年代初，中小型感應電動機多采用

9、晶閘管調(diào)壓調(diào)速;大中型繞線式感應電動機采用晶閘管靜止型電氣串級調(diào)速系統(tǒng)。70年代發(fā)展起來的變頻調(diào)速，比上述兩種調(diào)速方式效率更高，性能更好。交流調(diào)速系統(tǒng)大致經(jīng)歷過三個階段:（1）異步電動機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)； （2）串級調(diào)速系統(tǒng)；（3）變頻調(diào)速系統(tǒng)。 80年代中期隨著第三代電力半導體器件如:門極可關斷晶閘管GTO、絕緣柵雙極晶體管IGBT的相繼出現(xiàn)，交流變頻調(diào)速技術得到了飛速發(fā)展。日、美、德、英等在結合現(xiàn)代微處理器控制技術、電力電子技術、電機傳動技術的基礎上，推出了一系列的變頻器，且不斷進行更新?lián)Q代.這些高精度、多功能、智能化的變頻器將調(diào)速效率提高到了前所未有的水平。1.4方案的確定隨著工業(yè)水平的發(fā)展

10、，人們對皮帶運輸機自動控制程度要求越來越高，一般的自動控制方案有繼電器控制、單片機控制、PLC控制等。但是用復雜的繼電器控制的，存在可靠性差、可塑性差、接線復雜、自動化程度低等一系列缺點，并且為了在日益激烈的競爭中提高市場競爭力，采用PLC的改造勢在必行；有的也采用單片機作為控制單元，但是單片機開發(fā)周期較長，抗干擾性差，可靠性低、靈活性差，選用PLC作為控制單元是較為合適的方案。本文提出了利用變頻器和PLC控制單元的伺服系統(tǒng)構成控制系統(tǒng)的見解與方法，給出了控制系統(tǒng)軟、硬件結構的設計方案。我認為本系統(tǒng)采用PLC軟件控制它具有以下優(yōu)點：(1) 抗干擾能力強、可靠性高；(2) 模塊化組合結構，使系統(tǒng)

11、構成十分靈活；(3) 編程語言簡單易學，便于掌握能進行在線修改；(4) 柔性好體積小，維護方便。2 皮帶運輸機的PLC控制系統(tǒng)的組成2.1基本原理采用礦用防爆本質(zhì)安全型交流變頻器進行啟動和調(diào)速控制，在皮帶機運行過程中，通過安裝在傳送帶上的轉(zhuǎn)速傳感器測定皮帶運輸機的轉(zhuǎn)速，再反饋到PLC，經(jīng)過程序運行處理后，再提供指令通斷信號給變頻器，調(diào)節(jié)電機工作的電源電壓和頻率。當出現(xiàn)擾動時，轉(zhuǎn)速傳感器將信號傳送到PLC，再進行程序運行對其進行調(diào)節(jié)，從而達到穩(wěn)定運行。2.2概述從圖2.1可看出，當利用變頻器構成自動控制系統(tǒng)進行控制時，采用的是和PLC配合使用。變頻器利用內(nèi)部繼電器接點或具有繼電器接點開關特性的元

12、器件(如晶體管)與PLC連接。PLC作為整個系統(tǒng)的“大腦”，負責接收外部信號(主令控制器、變頻器、轉(zhuǎn)速傳感器、限位等)，經(jīng)過程序運行處理后，再提供指令通斷信號(正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、檔數(shù)等)給變頻器和其它動作單元，由變頻器控制電機的轉(zhuǎn)向、速度(頻率)。整個系統(tǒng)接線見圖2.1。 圖2.1系統(tǒng)結構示意圖2.3三相異步電動機的選擇為生產(chǎn)機械的電力拖動系統(tǒng)選用電動機，主要內(nèi)容包括確定電動機的種類、電動機的型號、電動機的額定電壓、額定轉(zhuǎn)速和額定功率等。選擇電動機的基本原則如下：（1）電動機在工作過程中，其額定功率應得到充分利用。要求溫升接近但不超過規(guī)定的允許數(shù)值。（2）電動機應滿足生產(chǎn)機械需要的有關機械特性的要求

13、。保證一定負載下的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，有一定的轉(zhuǎn)速范圍及具有良好的啟動和制動性能。（3）電動機的結構型式應滿足設計提出的安裝要求和適應周圍的工作環(huán)境。例如防止灰塵進入電動機內(nèi)部，或者防止繞組絕緣受氣體腐蝕等。電力拖動系統(tǒng)應用電動機來拖動生產(chǎn)機械工作的，由于生產(chǎn)機械種類繁多，工藝要求不一，作為驅(qū)動電機的電動機分類也很多。按電流種類分，有直流電動機和交流電動機，交流電動機又有異步電動機和同步電動機兩種。為了合理選用電動機的種類，應同時考慮兩個方面的問題：一是電動機的性能，例如機械特性、啟動性能和調(diào)速性能等；二是要知道生產(chǎn)工藝的特點，要使所選電動機的性能滿足生產(chǎn)機械的工藝要求，具體從以下幾個方面考慮：（1）電

14、動機的機械特性；（2）電動機的啟動性能；（3）電動機的調(diào)速性能；（4）電動機的電源；（5）電動機的經(jīng)濟性；最后著重強調(diào)的是綜合的觀點：一方面是以上的內(nèi)容在選擇電動機時必須都考慮到都能得到滿足；另一方面能滿足以上條件的電動機可能不是一種類型，還應綜合其他情況，例如節(jié)能、貨源、技術情況等。綜上所述，經(jīng)過綜合考慮本系統(tǒng)采用YBSS-220型電機，是隔爆型三相異步電動機。2.4變頻器的選擇2.4.1工作原理和組成變頻器是指可以用于改變電源頻率，同時也能改變電源電壓的電能轉(zhuǎn)換的裝置。它是由電力電子器件（例如整流模塊、IGBT）、電子器件（集成電路、開關電源、電阻、電容器等）和微處理器等組成。變頻器使用時

15、串聯(lián)接在輸出端（R、S、T）和電動機輸出端（U、V、W）之間，通常變頻器的功率范圍為0.75-500KW（大于此功率值建議選用中壓電動機及中壓變頻器）。交流電動機調(diào)速控制變頻器的最早形式是用旋轉(zhuǎn)發(fā)電機組作為可變頻率的電源，供給交流發(fā)電機。隨著電力半導體器件的發(fā)展，靜止式的變頻電源以成為了變頻器的主要形式。 圖2.2變頻器的內(nèi)部框圖如圖2.2所示為MM440變頻器的內(nèi)部功能方框圖.其控制電路CPU、模擬輸入/輸出、數(shù)字輸入/輸出、操作面板等部分組成。分為4類：輸入信號端子、頻率模擬設定輸入端子、監(jiān)視信號輸出端子和通信端子。下圖2.3則表示各個控制端子的功能：圖2.2 MM440控制端子2.4.2

16、變頻器容量的選用變頻器容量的選用由很多因素決定，例如電動機的容量、電動機的額定電流、電動機加速時間等，其中，最主要的是電動機的額定電流。驅(qū)動一臺電動機時。對于連續(xù)運轉(zhuǎn)的變頻器必須同時滿足下列三項計算公式，即滿足負載輸出（kVA） 滿足電動機容量（kVA） 滿足電動機電流（A） 式中 變頻器容量，單位為kVA； 負載要求的電動機軸輸出功率，單位為kW； 電動機額定電壓，單位為V； 電動機額定電流，單位為A； 電動機效率（通常為0.85）； 電動機的功率因數(shù)（通常為0.75）； k電流波形補償系數(shù)。k是電流波形補償系數(shù)，由于變頻器的輸出波形并不是完全的正弦波，而是含有高次諧波的成分，其中電流應有所

17、增加。對于PWM控制方式的變頻器，k約為1.051.1。本系統(tǒng)采用西門子MM440變頻器。2.5 PLC控制器1.PLC概述可編程程序控制器(Programable controller )因為早期主要應用于開關量的控制，因此也稱為PLC(Programable Logic controller )即是可編程邏輯控制器?，F(xiàn)代的可編程控制器是以微處理器為基礎，高度集成的新型工業(yè)控制裝置，是計算機技術與工業(yè)控制技術相結合的產(chǎn)品。PLC自問世以來，經(jīng)過20年的發(fā)展，己經(jīng)成為最受歡迎的工業(yè)控制類產(chǎn)品。它之所以高速發(fā)展，除了工業(yè)自動化的客觀需求外，還有許多獨特的優(yōu)點。它較好的解決了工業(yè)控制領域中普遍關心

18、的可靠、安全、靈活、方便、經(jīng)濟等問題。2. 典型的PLC控制功能有以下幾點:（1）順序控制；（2）過程控制；（3）數(shù)據(jù)處理；（4）通信聯(lián)網(wǎng)和顯示打印。3. PLC的基本組成與各部分的作用PLC的類型繁多，功能和指令系統(tǒng)也不盡相同，但結構與工作原理則大同小異，通常由主機、輸入/輸出接口、電源、編程器擴展器接口和外部設備接口等幾個主要部分組成。PLC的硬件系統(tǒng)結構如圖2.3所示： 圖2.3 硬件結構圖（1）.主機主機部分包括中央處理器（CPU）、系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序及數(shù)據(jù)存儲器。CPU是PLC的核心，它用以運行用戶程序、監(jiān)控輸入/輸出接口狀態(tài)、作出邏輯判斷和進行數(shù)據(jù)處理，即讀取輸入變量、完成用

19、戶指令規(guī)定的各種操作，將結果送到輸出端，并響應外部設備（如編程器、電腦、打印機等）的請求以及進行各種內(nèi)部判斷等。PLC的內(nèi)部存儲器有兩類，一類是系統(tǒng)程序存儲器，主要存放系統(tǒng)管理和監(jiān)控程序及對用戶程序作編譯處理的程序，系統(tǒng)程序已由廠家固定，用戶不能更改；另一類是用戶程序及數(shù)據(jù)存儲器，主要存放用戶編制的應用程序及各種暫存數(shù)據(jù)和中間結果。（2）輸入/輸出（I/O）接口I/O接口是PLC與輸入/輸出設備連接的部件。輸入接口接受輸入設備（如按鈕、傳感器、觸點、行程開關等）的控制信號。輸出接口是將主機經(jīng)處理后的結果通過功放電路去驅(qū)動輸出設備（如接觸器、電磁閥、指示燈等）。I/O接口一般采用光電耦合電路，以

20、減少電磁干擾，從而提高了可靠性。I/O點數(shù)即輸入/輸出端子數(shù)是PLC的一項主要技術指標，通常小型機有幾十個點，中型機有幾百個點，大型機將超過千點。（3）電源 圖中電源是指為CPU、存儲器、I/O接口等內(nèi)部電子電路工作所配置的直流開關穩(wěn)壓電源，通常也為輸入設備提供直流電源。（4）編程器 編程器是PLC的一種主要的外部設備，用于手持編程，用戶可用以輸入、檢查、修改、調(diào)試程序或監(jiān)視PLC的工作情況。除手持編程器外，還可通過適配器和專用電纜線將PLC與電腦聯(lián)接，并利用專用的工具軟件進行電腦編程和監(jiān)控。（5）輸入/輸出擴展單元I/O擴展接口用于連接擴充外部輸入/輸出端子數(shù)的擴展單元與基本單元（即主機）。

21、（6）外部設備接口此接口可將編程器、打印機、條碼掃描儀等外部設備與主機相聯(lián)，以完成相應的操作。3 皮帶運輸機的PLC控制系統(tǒng)軟件設計3.1 控制系統(tǒng)軟件的功能控制系統(tǒng)軟件的功能和任務如下：（1）實現(xiàn)對電機的起動、制動；（2）能對傳送帶電機進行調(diào)速，控制皮帶輸送機在三段速間變換；3.2 控制系統(tǒng)的主要指標控制系統(tǒng)的主要指標如下：（1） 啟動：初始階段，按下SB1電機啟動；（2） 停止：當需要停止的時候，再次按下SB1停止；（3） 正反轉(zhuǎn)控制：按下SB2為正轉(zhuǎn)SB為反轉(zhuǎn)，同時按下會自鎖；（4） 傳送帶速度選擇：當按下SB3、SB4、SB5分別為選擇低中高三種速度。3.3 PLC程序設計3.3.1

22、I/O分配表編程元件I/O端子電路器件作用 輸入繼電器I0.0SB1總開關I0.1SB2正轉(zhuǎn)I0.2SB3反轉(zhuǎn)I0.3SB3傳送帶低速I0.4SB4傳送帶中速I0.5SB5 傳送帶高速 輸出繼電器Q0.0KM1傳送帶正轉(zhuǎn)Q0.1KM2傳送帶反轉(zhuǎn)Q0.2KM3傳送帶低速運行Q0.3KM4傳送帶中速運行Q0.4KM5傳送帶高速運行3.3.2 PLC與MM440接線圖3.3.3 梯形圖3.3.4軟件仿真1.正轉(zhuǎn)狀態(tài)2.反轉(zhuǎn)狀態(tài) 3.傳送帶低速反向運行 4.傳送帶中速反向運行5.傳送帶高速反向運行6. 傳送帶低速正向運行7. 傳送帶中速正向運行8. 傳送帶高速正向運行4課程設計總結 在這兩周的設計中我們不僅學到了關于自己課程設計題目方面的東西。同時我們也從課程設計中的相互交流和互幫互助中學到了很多關于PLC應用方面的其它知識，這些知識都是我們在這次實踐中一點一滴的積累下來的。 至于我的課程設計，我就有更多深切的體會了，我制作的是皮帶輸送機控制器設計（