对辊式破碎机控制系统设计方案说明书.docx

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对辊式破碎机控制系统设计方案说明书

学号：

200901050227

HEBEIUNITEDUNIVERSITY

毕业设计说明书

GRADUATEDESIGN

设计题目：

对辊式破碎机控制系统设计

学生姓名：

刘文杰

专业班级：

09电气2班

学院：

电气工程学院

指导教师：

王海群副教授

2013年05月29日

摘要

本说明书介绍了国内破碎机的发展现状及其存在的问题，同时介绍了可编程控制器PLC的工作原理及其编程软件STEP7的使用方法，另外说明书还介绍了西门子MM440变频器的使用。

本设计是一种基于PLC-300程序的全自动对辊式破碎机控制系统，本设计包括硬件设计、软件设计两部分。

本说明书第6章介绍了对辊式破碎机的硬件设计，硬件设计包括了对辊式破碎机的工艺、控制过程、硬件选择和硬件的接线。

其中重点介绍了对辊式破碎机的控制过程及其硬件接线，并且配有系统控制原理图跟PLC硬件接线图各一套。

本说明书第7章是对辊式破碎机的软件设计部分，软件设计包括了系统程序流程、PLC的输入输出I/O分配、系统程序的编程。

程序编程部分介绍了PLC编程软件STEP7的安装和系统程序的编程过程。

本章配有系统程序流程图、I/O符号表。

程序梯形图3套。

关键词对辊式破碎机；PLC-300；西门子MM440变频器

Abstract

ThemanualdescribesthedevelopmentofthedomesticstatusquoCrusheranditsproblems,atthesametimeintroducedthePLCprogrammablecontrolleranditsworkingprincipleSTEP7programmingsoftwaretouse,andspecificationalsodescribestheuseofSiemensfrequencyconverterMM440.ThedesignisaprocessbasedonthePLC-300automaticoppositelyrollingrollercrushercontrolsystem,thedesignincludeshardwaredesign,softwaredesignintwoparts.

Chapter5ofthismanualdescribestheoppositelyrollingrollercrusherhardwaredesign,hardwaredesign,includingtherollercrushertechnology,processcontrol,hardwareselectionandwiringhardware.Whichfocusesontheoppositelyrollingrollercrushercontrolwiringprocessanditshardware,andsystemcontrolwithschematicwiringdiagramwiththesetofhardware.

Chapter6ofthismanualisoppositelyrollingrollercrusherpartofsoftwaredesign,softwaredesignprocessesincludingthesystemprocedures,PLCinputandoutputI/Oallocation,thesystemprogramming.ProgrammingthePLCsectiondescribestheinstallationofSTEP7programmingsoftwareandsystemsprogrammingprocess.Proceduresinthischapterwithasystemflowchart,I/Osymboltable.3setsofproceduresladder.

Keywordsoppositelyrollingrollercrusher；PLC-300；SiemensMM440Inverter

第1章绪论

随着我国煤炭、矿山、建筑等行业规模的不断发展，破碎机呈现出种类、数目不断增多，机型不断丰富的局面。

随着各行业对破碎机产品质量要求的不断提高，对破碎机技术提出了更高的要求，特别是对辊式破碎机提出了更新更高的要求。

在当前各种多功能全自动破碎机逐渐进入各企业的情况下，人们有必要对国产破碎机的应用现状及发展作进一步研究。

对辊式破碎机适用于在水泥，化工，电力，冶金，建材，耐火材料等工业部门破碎中等硬度的物料，如石灰石，炉渣，焦炭，煤等物料的中碎，细碎作业。

对辊式破碎机两路齿辊由油泵润滑，物料进入破碎机后靠辊子的挤轧和磨剪力进行破碎，其结构简单、紧凑、轻便、工作可靠、破碎能力大。

对辊式破碎机齿形优化设计，拉剪力选择破碎，高效低耗，出粒均匀，将其应用在大块物料破碎至小块物料，是其他破碎机所望尘莫及的。

本课题将选用西门子的S7-300PLC程序，根据控制要求设计出对辊式破碎机的控制系统。

本控制系统应该有硬件设计和软件设计两部分。

第2章国产破碎机的背景

2.1国产破碎机的发展

1.在质量方面，由于破碎机是机械中较为复杂的机械，它包罗了机、电、气、光和其它技术于一体，而目前国内破碎机制造厂无论是产品的最初设计水平，还是后来的加工与装配水平，都与国外同行有着十几年的差距，无法生产出真正有竞争力的产品。

2.在适应性方面，国产自动破碎机的功能比较单一，适应面也比较窄，对待装破碎机的形状与体积等均有较严格的规定，一般只适用于一二种破碎机，而国内同一破碎机生产企业所生产的破碎机规格各不相同，产量也不同，这就给相关工作带来一定的困难。

而国外破碎机生产厂商特别注重这方面的问题，他们所生产的设备功能更加灵活多变，适用范围也更广。

3.在运行可靠性方面，进口自动也要高出国产一截，部分国产破碎机的故障率较高。

因此，许多破碎机生产企业不得不购买多台国产自动，以防因维修机器而影响正常生产。

4.在工作效率方面，由于国产破碎机的运行速度大多在中低档水平，且自动化程度一般，其生产效率自然不如以生产高档产品著称的国外同类产品，这样就等于无形中增加了企业的成本，降低了企业的利润，造成了极大的浪费。

总之，目前国产破碎机存在着适应物种类单一、纸盒尺寸的变化范围小、生产速度普遍停留在中低速水平等不完善之处。

2.2国产破碎机所存在的问题

1.破碎机的研制是一个复杂的系统工程，需要有雄厚的技术力量、精密的生产工艺等多方面的要求，而目前我国在这方面的投入甚少，行业中的产品生产与基础研究经费的投入比例严重失调，生产厂家只顾眼前利益，不愿投入资金进行基础研究。

可以说，破碎机的研发力量薄弱与经费严重不足造成其技术含量低下，无法与国外同类产品竞争，且只能靠低价维持其市场竞争力，无法长期占领市场的现状。

2.在行业中，破碎机低水平重复太多，应变能力不强，国内的大部分生产厂商规模都很小，且大多生产同种类型的设备，在市场上进行低价恶性竞争，而一旦遇上市场要求变动，又无法及时转型，从而极易被市场所淘汰。

2.3破碎机的发展趋势

人机工程学属于一种综合性的边缘学科，现已广泛地应用于产品设计中，使产品设计更注重人的因素，它的最终目的是达到“人—产品—环境”的和谐统一。

那么破碎机设备作为一种为了降低人的劳动强度的产品来说更应该考虑人的因素，且应该将这种观念贯穿于机械设计的每一个细节，如操作台面的高低、操作程序的合理化、操作界面的视觉效果（视疲劳的产生程度）、操作的安全性、维修的方便性、调整的方便性等。

制料厂家由于各种因素对破碎机更新换代比较频繁，那么一种型号的设备就不能只用于一种产品的。

由于不同破碎机的态、特性，即使工艺相同，也会涉及到模具不同、加料方式不同等问题。

现今市场上的破碎机设备兼容性较小，适用也不广泛，一般为一对一的，既使可以包不同的破碎机，更换模具也不是很方便。

如果把工序相同或类似的机械做成一种或几种标准设备，需要更换的部位做成能独立运行的基本单元体，通过接口相连实现和主机的连机，使其和主机成为一个共同体（类似积木的形式，可以根据要求进行组合），在实际应用中根据自己的需要对基本单元体进行自行组合就行了。

如果能实现这种设计，既方便操作者更换模具，又可以极大的减少浪费，同时增大了机器的灵活性和适用性。

2.4实现自动化

自动化已成为一种必然的趋势，而且我们也正朝着这个方向努力。

但现在的自动化只能说是相对的，要实现真正的自动化我们的路还很长，会碰到诸如检测、自动调整等一系列问题。

对形态各异、物理特性各不相同的破碎机在检测过程中所碰到的问题会更多，而检测之后数据的传输和处理，对控制系统的要求也不会就停。

留在当前的程度上。

这需要电子行业和行业的共同努力，需要医料机械能够将新的电子技术及时的应用到实践中来，需要两个行业的共同探索。

有些制料机械企业已经开始用伺服电机控制代替传统的传动系统，这种替代就是对传统框框的一种改革和突破。

用伺服系统控制的传动系统即可以通过程序的编写来控制整个动作的同步问题，又可以消除传统传动系统容易形成积累误差的缺点，在调试的过程还可以对每个动作单独控制，也节省了调试所形成的浪费。

在自动化的设计中我们强调“模块化”设计，将相关动作分解开来，由系统独立控制，并可方便地实现整体控制，实际上是增加了机械运行和调节的灵活性，提高了自动化。

在对医疗机械进行自动化上，我们对自动化定义越来越广，越来越细，研究的也越来越深，从一种机械自动化上升到整个车间的自动化，从的一部分工序到整个过程，整条生产线及整个车间的设计将成为一种必然的趋势。

整体自动化车间的设计，实际上是对破碎机提供一套完整的解决方案，是对自动化一种全新的飞跃，随着这种趋势的发展，工业也会加入其中，发挥它强大的功能。

从绿色设计的角度看待机械，我们需要改进的地方还很多。

泡罩采用的无边冲裁，就是成功的典型一例，它既是破碎机厂家的节约之举，也是社会资源的节约，同时还减少了环境污染。

刚刚修订过的《固体环境污染防治法草案》,草案的实施对过度问题提出了具体的限制，虽然仍不完善，但这说明国家已经将所引起的环境问题提到日程上来了。

据统计，垃圾已经占到生活垃圾的30%，而这些垃圾绝大部分都是过度。

顺着这个思路思考一下医料机械的整体状况，就会发现我们距离“绿色”有多远。

我们应当遵守这样一条原则：

减少一切可以避免的，一切废品都是浪费，都可能对环境造成污染。

在这条原则的下，我们可以从结构、工艺组合及原材料等方面来考虑我们的机械。

第3章可编程控制器PLC原理及选型

3.1PLC发展历程

在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。

传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。

1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称ProgrammableController（PC）。

个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为ProgrammableLogicController（PLC）。

上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。

在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。

　PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。

PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。

3.2PLC的应用现状

自20世纪60年代中期以来PLC产品在电力、冶金、化工等行业发挥了重大作用,尤其近20年来计算机和信息技术的飞速发展,不断成倍扩大的功能和成倍降低的价格,使PLC、通讯联网技术、过程控制软件都获得了长足进步,也使PLC的广泛应用成为可能。

下面通过两组数据（引自工控网）说明PLC的应用现状。

PLC在冶金行业的市场将持续增加2003年中国的工业出现了快速增长,工业产值同比增长在12%以上,而且中国的最大钢铁出口对象—美国在2003年下半年取消了钢铁附加税,中国钢材对其出口也将迅速回升。

这些有利因素刺激了中国冶金行业的投资。

据调查,中国冶金行业对设备的投资同比增长接近50%。

冶金设备的大量增长带动了PLC在该行业的增长,2003年PLC在冶金行业的市场达到216亿元,2004年有望达到3亿元。

PLC在纺织行业的应用分析。

在中国,PLC在纺织机械上的运用已经有17年的历史了,从最早的进口合成纤维生产设备到目前的中小型纺机,PLC无处不在。

占各类纺织机械60%以上的织机平均每台带有一个小型的PLC,主要用于检测、报警、速度控制和机器启停控制。

纺机的比例在纺织机械中不到5%,却用到更多的PLC,单台纺纱机最多用到17台PLC,主要是60个IO点以下的微型产品。

梳棉机也用微小型PLC控制。

其它各类纺织机械基本上都采用PLC控制,只有一些相对简单的设备采用单片机或者其它控制方式。

纺织机械的辅助设备也主要由PLC控制,如循环水系统、空调系统、蒸气系统、废水处理系统、线等。

实际上PLC在中国的应用已分布到各行各业,根据工控网的调查,2003年中国控制类产品市场PLC的占有率已超过50%,而且保持着10%～15%的发展速度。

3.3PLC控制系统的发展前景

现在,虽然出现了性能更加优越的DCS和FCS控制系统,PLC控制也终将会被先进的FCS控制所取代,但是目前以及今后相当长的一段时间,PLC还会与DCS和FCS共存,这主要基于以下原因:

（1）现在企业的确正在朝着自动化、信息化、开放化的方向发展,但这并不意味着要将现有控制系统推倒重来。

企业投入大量的人力和财力建立起来的PLC控制系统已经成型,如果要完全推翻再建立新的DCS或FCS控制系统,需要更大的资金投入,将造成很大的浪费。

（2）基于以上市场需求,许多软件厂商（例如:

华富惠通软件公司）正在考虑如何利用企业已经成型的控制系统及新建的厂级网络,开发控制系统软件,帮助企业实现工厂自动化、信息化,为企业提供控制系统与管理网络的集成。

（3）目前,PLC的功能增强、结构优化,IO模块趋向分散化、智能化,编程工具和编程语言更具标准化和高级化。

（4）PLC的联网通信能力增强,向高速度、多层次、大信息量、高可靠性及开放式的通信发展。

（5）现在的PLC系统与DCS技术、现场总线IO技术相结合,结构开放、扩展方便、技术先进、价格低廉。

由以上分析可以预见,未来PLC将朝着多功能化、集成化、智能化、标准化、开放化的方向发展,故PLC虽然面临其它自动化控制系统的挑战,但同时也在吸收它们的优点,互相融合,不断创新,在今后一段时间内将与其它先进控制方式并存,共同发展。

3.4可编程序控制器PLC的分类

PLC产品种类繁多，其规格和性能也各不相同。

对PLC的分类，通常根据其结构形式的不同、功能的差异和I/O点数的多少等进行大致分类。

（1）按结构形式分类根据PLC的结构形式，可将PLC分为整体式和模块式两类。

1.整体式PLC整体式PLC是将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内，具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。

小型PLC一般采用这种整体式结构。

整体式PLC由不同I/O点数的基本单元（又称主机）和扩展单元组成。

基本单元内有CPU、I/O接口、与I/O扩展单元相连的扩展口，以及与编程器或EPROM写入器相连的接口等。

扩展单元内只有I/O和电源等，没有CPU。

基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。

整体式PLC一般还可配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展。

2.模块式PLC模块式PLC是将PLC各组成部分，分别做成若干个单独的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块（有的含在CPU模块中）以及各种功能模块。

模块式PLC由框架或基板和各种模块组成。

模块装在框架或基板的插座上。

这种模块式PLC的特点是配置灵活，可根据需要选配不同规模的系统，而且装配方便，便于扩展和维修。

大、中型PLC一般采用模块式结构。

还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式PLC。

叠装式PLC其CPU、电源、I/O接口等也是各自独立的模块，但它们之间是靠电缆进行联接，并且各模块可以一层层地叠装。

这样，不但系统可以灵活配置，还可做得体积小巧。

（2）按功能分类根据PLC所具有的功能不同，可将PLC分为低档、中档、高档三类。

1.低档PLC具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少量模拟量输入／输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能。

主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。

2.中档PLC除具有低档PLC的功能外，还具有较强的模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序、通信联网等功能。

有些还可增设中断控制、PID控制等功能，适用于复杂控制系统。

3.高档PLC除具有中档机的功能外，还增加了带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其它特殊功能函数的运算、制表及表格传送功能等。

高档PLC机具有更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统，实现工厂自动化。

（3）按I/O点数分类根据PLC的I/O点数的多少，可将PLC分为小型、中型和大型三类。

1.小型PLC——I/O点数小于256点；单CPU、8位或16位处理器、用户存储器容量4K字以下。

2.中型PLC——I/O点数256～2048点；双CPU，用户存储器容量2～8K。

3.大型PLC——I/O点数>2048点；多CPU，16位、32位处理器，用户存储器容量8～16K。

3.5PLC的选型方法

在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。

工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。

PLC及有关设备应是集成的、标准的，按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则选型所选用PLC应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统，PLC的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。

熟悉可编程序控制器、功能表图及有关的编程语言有利于缩短编程时间，因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。

3.5.1PLC电源的选择

PLC的供电电源，除了引进设备时同时引进PLC应根据产品说明书要求设计和选用外，一般PLC的供电电源应设计选用220VAC电源，与国内电网电压一致。

重要的应用场合，应采用不间断电源或稳压电源供电。

如果PLC本身带有可使用电源时，应核对提供的电流是否满足应用要求，否则应设计外接供电电源。

为防止外部高压电源因误操作而引入PLC，对输入和输出信号的隔离是必要的，有时也可采用简单的二极管或熔丝管隔离。

PLC按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。

从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。

整体型PLC的I/O点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统；模块型PLC提供多种I/O卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的I/O点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。

3.5.2输入输出（I/O）点数的估算

I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%～20%的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。

实际订货时，还需根据制造厂商PLC的产品特点，对输入输出点数进行圆整。

3.5.3输入输出模块的选择

输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。

例如对输入模块，应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。

对输出模块，应考虑选用的输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点；可控硅输出模块适用于开关频繁，电感性低功率因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。

输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等，与应用要求应一致。

可根据应用要求，合理选用智能型输入输出模块，以便提高控制水平和降低应用成本。

考虑是否需要扩展机架或远程I/O机架等。

3.5.4存储器容量的估算 

存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。

设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。

为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。

存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的10～15倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。

3.5.5存储器的选择

由于计算机集成芯片技术的发展，存储器的价格已下降，因此，为保证应用项目的正常投运，一般要求PLC的存储器容量，按256个I/O点至少选8K存储器选择。

需要复杂控制功能时，应选择容量更大，档次更高的存储器。

第4章西门子STEP7软件介绍

4.1西门子STEP7的概述

STEP7是用于SIMATIC可编程控制器组态和编程的标准软件包，其用户接口是基于当前最新水平的人机控制工程设计，可以轻松方便的使用。

STEP7编程软件适用于SIMATICS7、M7、C7和基于PC的WinAC，是供其编程、监控和藏书设置的标准工具。

STEP7是一个强大的工程工具，用于整个项目流程设置。

从项目实施的计划配置、实施模块测试、继承测试调试到运行维护阶段，都需要不同功能的工程工具。

STEP7工程工具包含了整个羡慕流程的各种功能要求：

CAD/CAE支持、硬件组态、网络组态、仿真、过程诊断等。

4.2STEP7的构成组件

STEP7不是一个单一的应用程序，而是有一系列应用程序[工具]构成的软件包。

STEP7主要包括以下组件：

SIMATIC管理器，程序编辑器，符号编辑器，硬件组态，硬件诊断，网络组态。

SIMATIC管理器：

在SIMATIC管理器[SIMATICManager]环境中进行项目的编程和组态，每个操作所需的工具均由SIMATICManager自动运行，因此不需要用户分别启动各个不同的工具。

对于用户来说，SIMATICManager提供了STEP7标准软件包的集成，统一的界面。

SIMATICManager中可以同时打开多个项目，每个项目的