皮帶輸送機控制器設(shè)計(可變速)

1、學(xué) 號： 課 程 設(shè) 計題 目皮帶輸送機控制器設(shè)計（可變速）學(xué) 院物流工程學(xué)院專 業(yè)物流工程班 級姓 名 同 組 者指導(dǎo)教師2015年1月20日課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級： 指導(dǎo)教師： 工作單位： 物流工程學(xué)院 題 目: 皮帶輸送機控制器設(shè)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(guān)資料指導(dǎo)書 要求完成的主要任務(wù): （包括課程設(shè)計工作量及其技術(shù)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(shè)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(shè)計控制流程，按照模塊化的方式設(shè)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(shè)計，二十周答辯指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日本科生課程設(shè)計成績評定表姓 名性 別專業(yè)、班級課程設(shè)計題目：皮帶輸送機控制器設(shè)計（可變速）課程設(shè)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(shè)計方案正確，具有可行性，創(chuàng)新性 20分 3.

3、 設(shè)計結(jié)果 20分 4. 態(tài)度認真、學(xué)習(xí)刻苦、遵守紀(jì)律 15分 5. 設(shè)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(dǎo)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(yīng)用而設(shè)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(shù)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(guān)的外圍設(shè)備應(yīng)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(shè)計中，完成PLC選型及外部電路的選用，設(shè)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(shè)計中，給出了程序流程圖，并設(shè)計出梯形圖程序。將硬件和軟件有機結(jié)合，使控制系統(tǒng)運行可靠，達到了預(yù)期的設(shè)計目的。關(guān)鍵詞：PLC控制技術(shù)；皮帶輸送機；變頻調(diào)速19目錄1 前言- 1 -1.1設(shè)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(shè)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(biāo)- 11 -3.3 PLC程序設(shè)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(shè)計總結(jié)- 19 -參考文獻- 20 -19武漢理工大學(xué)物流自動化系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用課程設(shè)

6、計報告1 前言1.1設(shè)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(dān)了絕大多數(shù)散料運輸任務(wù)?？删幊炭刂破?PLC)是以微處理器技術(shù)為基礎(chǔ)，綜合計算機技術(shù)和自動化技術(shù)發(fā)展起來的一種新型工業(yè)控制器，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域。由于PLC采用的控制系統(tǒng)或設(shè)備具有可靠性高,控制易于實現(xiàn)，系統(tǒng)設(shè)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(dāng)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(yīng)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(shù)人員的青睞。對于港口、廠區(qū)廣泛使用的皮帶運輸機，應(yīng)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(shù)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(gòu)，在自動控制理論的指導(dǎo)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(fù)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(jì)80年代起至19世紀(jì)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(jì)末，出現(xiàn)了三相電源和結(jié)構(gòu)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(lǐng)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(dān)，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(yīng)電動機多采用

9、晶閘管調(diào)壓調(diào)速;大中型繞線式感應(yīng)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(dǎo)體器件如:門極可關(guān)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(shù)得到了飛速發(fā)展。日、美、德、英等在結(jié)合現(xiàn)代微處理器控制技術(shù)、電力電子技術(shù)、電機傳動技術(shù)的基礎(chǔ)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(fù)雜的繼電器控制的，存在可靠性差、可塑性差、接線復(fù)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(gòu)成控制系統(tǒng)的見解與方法，給出了控制系統(tǒng)軟、硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)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(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)

11、構(gòu)成十分靈活；(3) 編程語言簡單易學(xué)，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(dāng)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(dāng)利用變頻器構(gòu)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(guān)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(zé)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(yīng)滿足生產(chǎn)機械需要的有關(guān)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(jié)構(gòu)型式應(yīng)滿足設(shè)計提出的安裝要求和適應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)綜合其他情況，例如節(jié)能、貨源、技術(shù)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(guān)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(dǎo)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(shè)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(yīng)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(yīng)用于開關(guān)量的控制，因此也稱為PLC(Programable Logic controller )即是可編程邏輯控制器。現(xiàn)代的可編程控制器是以微處理器為基礎(chǔ)，高度集成的新型工業(yè)控制裝置，是計算機技術(shù)與工業(yè)控制技術(shù)相結(jié)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(lǐng)域中普遍關(guān)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(jié)構(gòu)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(shè)備接口等幾個主要部分組成。PLC的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2.3所示： 圖2.3 硬件結(jié)構(gòu)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(jié)果送到輸出端，并響應(yīng)外部設(shè)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(yīng)用程序及各種暫存數(shù)據(jù)和中間結(jié)果。（2）輸入/輸出（I/O）接口I/O接口是PLC與輸入/輸出設(shè)備連接的部件。輸入接口接受輸入設(shè)備（如按鈕、傳感器、觸點、行程開關(guān)等）的控制信號。輸出接口是將主機經(jīng)處理后的結(jié)果通過功放電路去驅(qū)動輸出設(shè)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(shù)指標(biāo)，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(guān)穩(wěn)壓電源，通常也為輸入設(shè)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(shè)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(shè)備接口此接口可將編程器、打印機、條碼掃描儀等外部設(shè)備與主機相聯(lián)，以完成相應(yīng)的操作。3 皮帶運輸機的PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)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(wù)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(biāo)控制系統(tǒng)的主要指標(biāo)如下：（1） 啟動：初始階段，按下SB1電機啟動；（2） 停止：當(dāng)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(dāng)按下SB3、SB4、SB5分別為選擇低中高三種速度。3.3 PLC程序設(shè)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(guān)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(shè)計總結(jié) 在這兩周的設(shè)計中我們不僅學(xué)到了關(guān)于自己課程設(shè)計題目方面的東西。同時我們也從課程設(shè)計中的相互交流和互幫互助中學(xué)到了很多關(guān)于PLC應(yīng)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(shè)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(shè)計（