基于PLC的多级传送带控制系统.docx
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基于PLC的多级传送带控制系统
XXXX
本科毕业论文（设计）
题目基于PLC多级传送带
控制系统设计
院系机械学院
专业机械设计制造及其自动化
姓名
学号
实习年限2010年9月至2012年7月
指导教师
申请学位工科学士学位
2012年5月18日
基于PLC的多级传送带控制系统设计
学生姓名：
指导老师：
摘要：
皮带机运用输送带的连续或间歇运动来输送各种轻重不同的物品，既可输送各种散料，也可输送各种纸箱、包装袋等单件重量不大的件货，用途广泛。
它的控制形式也多种多样，它可以由单片机、PLC以及计算机来控制，由于PLC为主构成的控制系统具有可靠性高、控制功能强大、性价比高等优点，是目前工业自动控制的首选控制装置，故本设计中采用PLC集中控制的办法，利用PLC简单可视化的程序，自动控制的控制方式对皮带运输机进行控制。
关键词：
皮带机；PLC；自动控制
BasedonthePLCmulti-stageconveyor
controlsystemdesign
Author’sName:
Tutor:
ABSTRACT:
Belt conveyor uses belt machine with continuous or intermitten-t movement to transport a variety of different weight of items. It can transport avariety of bulk material or transport all kinds of cartons, bags or other piece g-oods of small weight, so it has been used widely. The control also has a variet-y of forms. It can be composed of a single chip computer, the PLC, as well as
the computers. The PLC has many characteristic, such as high reliability, stron-g control function and cost-effective. It is the first choice to industrial automati-c control device. So the design adopts PLC centralized control app-roach, usin-g the PLC simple visualization program and using the automatic control way
for beltconveyor.
KEYWORDS:
Conveyor;Programmablecontroller;Automaticcontrol
1概述
1.1选题的背景
近20年来，可编程控制器在我国已获得了极其重要和广泛的应用，它不仅可作为单一的机电控制设备，而且它作为通用的自动控制设备，也被大量的用于过程工业的自动控制。
可编程控制器与其他计算机控制装置，如集散控制系统、现场总线控制系统、计算机基础过程系统、信息管理系统等，一起已成为工业控制领域的主流控制装置。
本设计选择了西门子公司的可编程控制器作为样机。
西门子公司的PLC程序通俗易懂、操作方便、实用性强，简单易学。
它用梯形图（V4.0STEP7MicroWIN）编程语言编程，类似于继电器控制线路图。
只要具有继电器控制线路图这方面的知识，就可以很快学会编程和操作，不存在计算机技术和传统电器技术之间的专业“鸿沟”，系统扩展灵活，它具有各种I/O模块和A/D、D/A模块等，便于各种需要配置成各种不同模块的分布式或集中式的控制系统。
PLC的输入口可与触电式开关直接相连，输出口与执行元件（接触器、电磁铁）相连，即在PLC的端子上接相应的输入、输出信号线即可，使用非常方便。
当控制要求改变时，要变更控制系统的功能，可用编程器修改程序。
它还可以用于不同的受控对象只要输入、输出组件和应用的软件不同而已，可与强电相连，并有较强的带负载能力；体积小，重量轻便于安装，有自检和监控功能，能动态的监视控制程序的执行情况，为现场调试提供方便，由于接线少，维护方时只需更换插入式模块，维护方便。
用可编程序控制器来控制一台带式传送机，需要考虑到电动机正反转控制、与带之间启动的时间差、传送带的速度控制、传感器的输入、整个过程每一步输入输出的逻辑关系等一些问题，较以往的要求相比较是存在一些不同点，相对提高了少，为了实现任务要求的各项功能，还需在这个基础上进行部分功能扩展，使得整个统的功能更加完善。
当然，选择这个课题并非只运用可编程控制器的知识，还要结合电路基础和电子技术、电动机传动原理、继电器－接触器控制系统课程的知识，运用它们来将该课题设计完成。
1.2PLC介绍
1.2.1PLC的定义
PLC问世以来，尽管时间不长，但发展迅速。
为了使其生产和发展标准化，美国电气制造商协会NEMA（NationalElectricalManufactoryAssociation）经过四年的调查工作，于1984年首先将其正式命名为PC（ProgrammableController），并给PC作了如下定义：
“PC是一个数字式的电子装置，它使用了可编程序的记忆体储存指令。
用来执行诸如逻辑、顺序、计时、计数与演算等功能，并通过数字或类似的输入／输出模块，以控制各种机械或工作程序。
一部数字电子计算机若是从事执行PC之功能，亦被视为PC，但不包括鼓式或类似的机械式顺序控制器。
”
以后国际电工委员会（IEC）又先后颁布了PLC标准的草案第一稿，第二稿，并在1987年2月通过了对它的定义：
“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入／输出控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
”
总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。
它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。
但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。
1.2.2PLC的结构
PLC采用了典型的计算机结构，主要由CPU、RAM、ROM和输入输出接口电路等组成，如图1-1所示。
如果将PLC看作一个系统，该系统由输入变量和输出变量组成。
外部的各种开关信号、模拟量信号均作为PLC的输入变量，它们经PLC外部输入到内部寄存器中，经PLC运算处理后送到输出端子，它们是PLC的输出变量。
图1-1PLC结构简化框图
1.2.3PLC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
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结算结果，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。
PLC的工作过程如图1-2所示。
图1-2PLC的工作过程
1.2.4PLC的特点
根据IEC标准草案给PLC下的定义：
它是在工业环境中使用的数字操作的电子系统，它使用可编程存储器内部储存的用户设计的指令，这些指令用来实现特殊的功能，诸如逻辑运算、顺序操作、定时、计数以及算术运算以及通过数字或模拟输入，输出来控制各种类型的机械或过程。
不论是PLC还是与它有关的外部设备，都设计成容易集成在一个工业控制系统内，并且容易应用所有计划中的功能。
从上述PLC的定义，我们可以看到PLC的许多特点，概括起来有以下几点：
（1）高可靠性
①所有的I/O接口电路均采用光电隔离；
②各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10-20ms；
③各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰；
④采用性能优良的开关电源；
⑤对采用的器件进行严格的筛选；
⑥良好的自诊断功能，一旦电源或其他软、硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大；
⑦大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或由三CPU构成表决系统，使可靠性更进一步提高。
（2）丰富的I/O接口模块
PLC针对不同的工业现场信号，如：
交流或直流、开关量或模拟量、电压或电流、脉冲或电位、强电或弱电等。
有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如：
按钮、行程开关、接近开关、传感器及变送器、电磁线圈、控制阀等直接连接。
另外为了提高操作性能，它还有多种人－机对话的接口模块；为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块等等。
（3）采用模块化结构
为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。
PLC的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。
（4）编程简单易学
PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。
（5）安装简单，维修方便
PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。
使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。
各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。
由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。
1.2.5PLC的分类
PLC生产厂家及产品很多，为便于用户对一个已知应用来讲选择最合适的PLC，厂商通常通过杂志或其他途径，定期地将不同功能与特性的PLC列表进行比较，表中的内容大体有：
总的I/O点数，最多开关量I/O点数，最多模拟量I/O点数，继电器梯形逻辑图，高级语言（编程），PID功能，远动控制，文件编制功能，数据总线，接口类型，扫描速度，存储器类型与容量，以及CPU类型与工艺等。
为适应用户的不同应用要求，很多厂家均开发生产了相互有关联的系列产品，为区别PLC的综合特性，通常以下述两种办法分类：
（1）按I/O点数及存储器容量分类
①小型：
最多I/O为40/40，用户存储器1KB；
②中型：
最多I/O为128/128，用户存储器4KB；
③大型：
I/O>128/128，用户存储器>4KB。
上述分类法是1985年PLC国际会议上所介绍的，在此基础上，对大、中、小规模的PLC还要考察下列特点：
①结构和布线技术；
②处理机／功能存储器；
③编程技术。
（2）按I/O点总数分类
随着微型PLC技术的发展日趋成熟，售价也趋向合理，每台约（200～400）美元。
1986年国外亦提出按照I/O点总数、价格和尺寸，将PLC分类。
①微型：
I/O总点数（20～64）点，后上移到128点。
PLC的一个发展方向是越来越小，一些PLC只有手掌大小，使用起来灵活方便；
②小型：
I/O总点数为（65～128）点，后上移到5l2点。
其特点是体积小、结构紧凑，整个硬件融为一体，除了开关量I/O以外，还可以连接模拟量I/O以及其他各种特殊功能模块。
它能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术运算、数据处理和传送、通讯联网以及各种应用指令；
③中型：
I/O总点数为（129～512）点，后上移到2048点。
I/O的处理方式除了采用一般PLC通用的扫描处理方式外，还能采用直接处理方式，即在扫描用户程序的过程中，直接读输入，刷新输出。
它能联接各种特殊功能模块，通讯联网功能更强，指令系统更丰富，内存容量更大，扫描速度更快；
④大型：
I/O总点数为（513～1024）点，后上移到8192点。
大型PLC的软、硬件功能极强。
具有极强的自诊断功能。
通讯联网功能强，有各种通讯联网的模块，可以构成三级通讯网，实现工厂生产管理自动化。
大型PLC还可以采用三CPU构成表决式系统，使机器的可靠性更高；
⑤超大型：
I/O总点数>l02l4点。
PLC的另一个发展方向是大型和超大型，这些PLC具有上万个输入输出量，用于石化、冶金、汽车制造等领域。
下述两个方面应注意：
一是微型PLC的产量增长迅速，占领了整个PLC市场的25％。
主要使用于不连续I/O状况，不需在通信与其它先进功能，如应用于单台机床控制等场所；二是随着PLC技术的不断发展，划分PLC规模的I/O点数的界限不断向上增移。
这是由于PLC的结构没计是为了适应各种用户需要，通常是设计成可扩展性的，并且随着微电子技术与通信技术的发展，处理机的性能及其通信能力也在不断扩大所造成的。
1.2.6PLC的应用
随着PLC技术的飞跃发展，PLC系统已成为一种综合的控制系统，特别是PLC己经深入到智能控制领域中，如在机械手控制、机器人控制、实现离散数学模型等方面都获得广泛应用，使PLC技术已大大超出了过去仅代替继电器电路的范畴。
PLC的输入输出功能完善，性能可靠，能够适应于各种形式和性质的开关量和模拟量信号的输入和输出，从而使得PLC具备许多控制功能。
（1）取代继电器控制：
在灯光照明、机床电控、食品加工、印刷机械、电梯、自动化仓库、生产流水线等方面进行逻辑控制。
（2）过程控制：
对温度、压力、流量、物位高度等连续变化的物理量进行控制。
（3）位置、速度控制：
在机器人、机床、电机调速等领域进行位置、速度控制。
（4）数据监控：
在电力、自来水处理、化工、炼油、轧钢等方面进行数据采集、监控和控制。
（5）组成分散控制系统：
把PLC作为下位机，与上位机的计算机共同组成分散控制系统。
可以说PLC几乎应用到了工业控制的每一个领域，小到家庭的灯光照明，大到冶金、石化企业的生产过程都有PLC的应用。
1.3课题的研究目的和内容
皮带输送机控制系统的设计是一个很传统的课题，现在随着各种先进精确的诸多控制仪器的出现，皮带输送机控制的设计方案也越来越先进，越来越趋于完美，各种参考文献也数不胜数。
皮带输送机是在输送设备中是最常用的一种传输机构。
该机种具有结构简单，经济方便，使用可靠，传输平稳，输送量大，效率高，低噪音等优点。
其形式多样，适用范围广，特别适合一些散碎原料与不规则物品的输送。
广泛应用于轻工，电子，食品，化工，木业，机械等行业。
它具有输送平稳，物料与输送带没有相对运动，能够避免对输送物的损坏。
噪音较小，适合于工作环境要求比较安静的场合等特点。
结构简单，便于维护。
能耗较小，使用成本低。
由于可编程控制器（简称PLC）将其系统的继电器技术，计算机技术和通信技术融为一体，以其可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、以及编程简单、维护方便、通讯灵活等众多优点，广泛应用于工业生产过程和装置的自动控制中。
PLC不仅能实现复杂的逻辑控制，还能完成定时、计算和各种闭环控制功能。
设置性能完善、质量可靠、技术先进的可编程控制器PLC控制皮带运输机监控系统，可以实现高自动化的皮带机群的集中控制（包括遥控）及保护。
此次毕业设计的课题内容即为PLC在皮带输送机控制系统中的应用。
1.4课题研究的方案论证
对于该课题设计，基本上存在三种方案，但是针对设计的要求，对各个方案进行比较、选择，大致分析过程如下：
方案一：
利用强电电路，虽然强电电路也可以控制整个系统的运行，但是其电路连接复杂，不便直接操作且不能实现自动化，同时存在一个稳定性、可靠性的问题，而且很难制动继电器，不能够很好的完成所给定的任务。
方案二：
只利用PLC可编程控制器，若只利用PLC可编程控制器，其高可靠性是绝对可以保证系统的稳定性的，存在强电容易损坏PLC的问题。
而且程序复杂，控制器的运算时间变长。
方案三：
利用PLC可编程控制器来控制，再加上强电电路组成的控制部分。
这个方案是利用了PLC的高可靠性和强电电路的简单化，整个系统的动作均由可编程控制器控制，控制部分的信号通道由PLC和按钮开关来控制，这是为了保证电机动作的准确性。
这个方案包含了方案三的优点，从而保证了整个系统的可靠性之外，还可以简化程序。
与上面的三个方案相比较，方案三的可行性最高，也是最简单，可靠的。
所以采用方案三设计。
1.5系统设计的基本步骤
可编程控制器应用系统设计与调试的主要步骤，如图1-3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。
Y
N
N
图1-3可编程控制器应用系统设计与调试的主要步骤
（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。
（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。
2皮带传输机控制系统
2.1皮带输送机的电控原理及控制要求
皮带机运用输送带的连续或间歇运动来输送各种轻重不同的物品，既可输送各种散料，也可输送各种纸箱、包装袋等单件重量不大的件货，用途广泛。
某厂的生产工序有1组四级皮带输送机，其示意图如图2-1所示。
图2-1四级皮带输送机示意图
用PLC控制四级皮带运输机的传送系统，各级皮带分别由一台电动机带动，控制要求如下：
1.启动时先起动最后一级皮带运输机，经过10秒延时，再依次起动其它皮带各级延时均为10秒，待第一级启动5秒后货物开始装填。
2.停止时，货物应先停止装填，待料运送完毕后5秒后第一级皮带运输机停止再依次停止其它级，各级延时均为10秒。
3.当某级皮带机发生故障时，该皮带机及其前面的皮带机立即停止且停止装填货物，而该皮带机以后的皮带机待运完后才停止。
4.单动与循环控制连锁：
单动与循环控制连锁，任何一个单动按钮“ON”，循环控制不能建立，反之，如果循环控制已建立，单动按钮的动作对循环操作没有任何影响。
5.设有紧停按钮
不论循环控制还是单动控制，集中控制紧停按钮均起作用。
2.2传送系统的硬件选择
2.2.1电机的选择
本次设计中的电机采用普通的三相异步电动机，因为本系统中没有对电机的什么特别要求，因此选用普通的三相异步电机，本设计中选用Y2型异步电机。
Y2系列电动机是Y系列电机的更新换代产品，是一般用途的全封闭自扇冷式鼠笼型三相异步电动机如图2-2所示。
图2-2笼型三相异步电动机
它是我国九十年代最新产品，其整体水平已达到国外同类产品九十年代初的水平。
该产品应用于国民经济各个领域，如机床、水泵、风机、压缩机，也可适用于运输、搅拌、印刷、农机、食品等各类不含易燃、易爆或腐蚀性气体的场合。
Y2系列电机的安装尺寸和功率等级符合IEC标准，与德国DIN42673标准一致，也与Y系列电机一样，其外壳防护等级为IP54，冷却方法为IC41l，连续工作制（S1）。
Y2系列电动机额定电压为380V，额定频率为50Hz。
功率3kwt以下为Y接法，其他功率均为△接法。
电动机运行地点的海拔不超过1000m；环境空气温度随季节变化，但不超过40℃；最低环境空气温度为-15℃；最湿月月平均最高相对湿度为90%；同时该月月平均最低温度不高于25℃。
Y2系列电动机采用F级绝缘等级，但温升仍按B级绝缘考核（除机座为315部分及355部分规格外），故电动机的温升裕度较大。
防护等级提高到IP54，机座用平行垂直分布的散热筋，接线盒置于电动机机座的上方，以方便接线。
Y2系列电动机在Y系列电动机的基础上改进了电磁和结构设计，降低了电机的噪声及振动，节约了材料，并使电动机结构更合理，外形新颖
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