皮带运输机传输系统梯形图控制程序的设计与调试.docx
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皮带运输机传输系统梯形图控制程序的设计与调试
皮带运输机传输系统梯形图控制程序设计与调试
摘要：
皮带机是皮带输送机的简称，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，是目前工业自动的首选控制装置，故本设计中采用PLC集中控制的办法，本设计中利用PLC简单可视化的程序，采用了手动和自动控制的两种不同的控制方式。
关键词：
皮带机PLC手动控制自动控制
毕业设计说明书目录
第1章前言……………………………………………………………………24
第二章控制器选择方案确定…………………………………………………25
2.1方案比较………………………………………………………………25
2.2方案确定………………………………………………………………26
第三章硬件设计……………………………………………………………27
3.1设计可行性方案……………………………………………………27
3.2PLC选型……………………………………………………………27
3.2.1PLC的组成结构………………………………………………27
3.2.2PLC的工作原理………………………………………………29
3.2.3FX2N的性能及选型…………………………………………30
3.2.4PLC的端子分配及外部接线…………………………………31
3.3传感器的选择…………………………………………………………32
3.3.1传感器简介……………………………………………………32
3.3.2压力传感器……………………………………………………34
3.5控制电机的选型及主回路外部接线图………………………………37
3.5.1Y2系列三相异步电机………………………………………37
3.5.2主回路电机的外部接线图……………………………………38
3.6其它硬件选型……………………………………………………………38
3.6.1接触器选型………………………………………………………38
3.6.2热继电器选型……………………………………………………39
3.6.3空气开关选型……………………………………………………39
第四章软件设计……………………………………………………………………40
4.1控制要求分析…………………………………………………………40
4.2程序实现………………………………………………………………40
第一章前言
PLC即可编程控制器（ProgrammablelogicController），是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。
在1987年国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：
PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器，用来在其部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。
这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。
这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。
这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。
20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。
从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。
目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。
目前PLC已经渗透到生活的各个方面，尤其是自动化控制。
在工业生本次毕业设计的题目是基于PLC三台皮带机送料控制程序的设计。
皮带机广泛运用于我们的生活中，特别是工业生产中更是必不可缺。
它被广泛应用在港口、电厂、煤矿、钢铁企业、水泥、粮食以及轻工业的生产线。
即可以运送散状物料，也可以运送成件物品。
工作过程中噪音较小，结构简单。
皮带运输机可用于水平或倾斜运输。
皮带运输机还应用与装船机、卸船机、堆取料机等连续运输移动机械上。
皮带运输机由皮带、机架、驱动滚筒、改向滚筒、承载托辊、回程托辊、紧装置、清扫器等零部件组成。
在大型港口或大型冶金企业，皮带运输机得到最广泛的应用。
其总长度可达到十几千米。
本次设计选择了用PLC来控制皮带机的整个运行过程，PLC的运用使得系统的电路变得简明清楚，而且十分便于日后的运行维护，那么PLC究竟是什么呢？
世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司（DEC）研制的。
限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。
20世纪70年代初出现了微处理器。
人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。
为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。
此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。
20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。
更高的运算速度、超小型产过程中，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。
随着PLC的出现，PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。
PLC在皮带机上面的应用，使的皮带机的控制机构变得简单，运行更加可靠，同时维修起来也是十分的简单方便。
第二章总体方案的确定
2.1方案比较
就目前的现状有以下几种控制方式满足系统的要求：
继电器控制系统、单片机控制、工业控制计算机控制、可编程序控制器控制。
（1）继电器控制系统
控制功能是用硬件继电器实现的。
继电器串接在控制电路中根据主电路中的电压、电流、转速、时间及温度等参量变化而动作，以实现电力拖动装置的自动控制及保护，系统复杂，在控制过程中，如果某个继电器损坏，都会影响整个系统的正常运行，查找和排除故障往往非常困难，虽然继电器本身价格不太贵，但是控制柜的安装接线工作量大，因此整个控制柜价格非常高，灵活性差，响应速度慢。
（2）单片机控制
单片机作为一个越大规模的集成电路、机构上包括CPU、存储器、定时器和多种输入/输出接口电路。
其低功耗、低电压和很强的控制功能，成为功控领域、尖端武器、日常生活中最广泛的计算机之一。
但是，单片机是一片集成电路，不能直接将它与外部I/O接口电器上、硬件设计、制作和程序设计的工作量相当大。
（3）工业控制计算机控制
工控机采用总线结构，各厂家产品兼容性强，有实时操作系统的支持，在要求快速、实用性强、功能复杂的领域中占优势。
但工控机价格较高，将它用于开关量控制有些大材小用。
且其外部I/O接线一般都用于多芯扁平电缆和插头、插座，直接从印刷电路板上引出，不如接线端子可靠。
（4）PLC控制
可编程序控制器配备各种硬件装置供用户选择，用户不用自已设计和制作硬件装置，只须确定可编程序控制器硬件配制和设计外部接线图，同时采用梯形图语言编程，用软件取代继电器电器系统中的触点和热线，通过修改程序适应工艺条件的变化。
可骗程控制（PLC）从上个世纪70年代发展起来的一种新型工业控制系统，起初它主要是针对开关量进行逻辑控制的一种装置，可以取代中间继电器、时间继电器等构成开关量控制系统。
随着30多年来微电子技术的不断发展，PLC也通过不断的升级换代大大增强了其功能。
现在PLC已经发展成为不但具有逻辑控制功能、还具有过程控制功能、运动控制功能和数据处理功能、连网通讯功能等多种性能，是名符其实的多功能控制器。
由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，是目前工业自动的首选控制装置。
2.2方案确定
通过对多种设计方案的比较，决定选择可编程控制系统，相比于继电器系统，它性能可靠性高，接线很简单，系统不复杂，易于维护，性能先进，易于改造。
和单片机系统相比，它编程简单，易于掌握，连线简单。
工业控制计算机控制系统性能先进，但是价格昂贵，系统复杂，对于本系统而言实在是大材小用。
综上所述，本次设计应选择PLC控制更为合理。
第三章硬件设计
3.1设计可行性方案
本次课题是基于PLC三台皮带机送料控制程序的设计、安装与调试，根据要求我构想了下面的可行性的控制要求如下。
1、控制要求：
（1）某一生产线的末端有一台三级皮带运输机，分别由M1、M2、M3三台电动机拖动，有手动和自动两种控制方式。
（2）手动时，为了便于调试，每一台电机都可以单独启动，按停止按钮都可以停下。
（3）自动控制时，有料进皮带后，通过检测传感器让皮带运行，M1→M2→M3的顺序启动，间隔均为5秒，若无料进入皮带，通过安装在一号皮带机上的传感器，30秒钟后让皮带机按M3→M2→M1的顺序停止否则继续运行，如此循环往复；当某条皮带机发生故障时，该皮带机及其前面的皮带机立即停止，而其后的皮带机则待料运完后才停止，即仍为顺序停止。
（4）为防止在自动运行时传感器误动作，要求按下保护按钮（即后文中的SA2按钮）后，系统才处于待运行状态，否则传感器不动作。
（5）为保证意外发生时的安全，还要有急停按钮，当急停按钮按下时所有电机立即停止运行。
（6）要有必要的短路、过载、连锁保护。
2、设计任务：
（1）列出PLC控制I/O口（输入/输出）元件地址分配表；
（2）画出PLC输入/输出接线图和接触器的主电路原理图。
（3）尽量做到经济、合理、合用、减小设备成本。
在方案的选择、元器件的选型时更多的考虑新技术、新产品。
控制由人工控制到自动控制，使功能的实现由一到多而且更加趋于完善。
3.2PLC选型
3.2.1PLC的组成结构
PLC的一般结构如下图所示，由图可见主要有6个部分组成，包括CPU（中央处理器）、输入/输出接口电路、电源、外设接口、I/O扩展接口。
图
（一）
其核心主要有CPU,I/O模块,电源模块以及它的存储模块，它们各自的特点如下：
一、CPU
PLC中的CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每台PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。
进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路，与通用计算机一样，主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，还有外围芯片、总线接口及有关电路。
它确定了进行控制的规模、工作速度、存容量等。
存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。
CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。
但工作节奏由震荡信号控制；CPU的运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作；CPU的寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。
二、I/O模块：
PLC的对外功能，主要是通过各种I/O接口模块与外界联系的，按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。
I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。
三、电源模块：
有些PLC中的电源，是与CPU模块合二为一的，有些是分开的，其主要用途是为PLC各模块的集成电路提供工作电源。
同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。
电源以其输入类型有：
交流电源，加的为交流220VAC或110VAC，直流电源，加的为直流电压，常用的为24V。
四、存储模块：
PLC的存储器包括系统储存器和用户储存器两种。
系统储存器用于存储系统程序，用户存储器用于存放PLC的用户程序。
现在的PLC一般均采用可电擦除的E2PROM存储器来作为系统储存器和用户储存器。
3.2.2PLC的工作原理
一.PLC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式
1.每次扫描过程。
集中对输入信号进行采样。
集中对输出信号进行刷新。
2.输入刷新过程。
当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，
新状态不能被读入。
只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。
3．一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。
4．元件映象寄存器的容是随着程序的执行变化而变化的。
5．扫描周期的长短由三条决定。
（1）CPU执行指令的速度
（2）指令本身占有的时间（3）指令条数
6．由于采用集中采样。
集中输出的方式。
存在输入/输出滞后的现象，即输入/
输出响应延迟。
二．PLC与继电器控制系统、微机区别
1．PLC与继电器控制系统区别:
前者工作方式是“串行”，后者工作方式是“并行”，前者用“软件”，后者用“硬件”。
2．PLC与微机区别:
前者工作方式是“循环扫描”。
后者工作方式是“待命或中断”PLC编程方式PLC最突出的优点采用“软继电器”代替“硬继电器”。
用“软件编程逻辑”代替“硬件布线逻辑”。
PLC编程语言有梯形图、布尔助记符语言，等等。
尤其前两者为常用。
3.由于PLC是集中采样，在程序处理阶段即使输入发生了变化，输入映象寄存
器中的容也不会变化，要到下一周期的输入采样阶段才会改变。
4.由于PLC是串行工作，所以PLC的运行结果与梯形图程序的顺序有关，这与继电器控制系统“并行”工作有质的区别。
避免了触点的临界竞争，减
少繁琐的联锁电路。
3.2.3FX2N的性能及选型
三菱公司的PLC是最早进入中国市场的产品，小型机FX2N是近几年推出的高功能整体式小型机。
FX系列PLC具有庞大的家族。
基本单元（主机）有FX0、FX0S、FXON、FX1、FX2、FX2C、FX1S、FX2N、FX2NC9个系列。
每个系列又有14、16、32、48、64、80、128点等不同输入输出点数的机型，每个系列还有继电器输出、晶体管输出、晶闸管输出三种输出形式。
FX2N系列PLC是三菱公司高性能小型机的代表作，系统最大I/O点数为128点，配置扩展单元后可达256点。
FX2系列基本执行指令的速度为0.48μs/步，用户程序存储器的容量可扩展至8K步。
FX2N系列PLC在我国应用比较广泛。
通过对PLC的工作原理及性能的了解，并结合设计要求，设计中选择了FX2N系列的小型PLC。
分析要求，可以确定需要12个输入点，手动工作时，分别为M1,M2,M3启动按钮，停止按钮，通常用于系统的检测维护；一个急停按钮；自动工作时，传感器开与关时的两个不同信号输入以及停止按钮。
因为有三台皮带机，故需要三个输出点。
又为了便于日后的功能增加等因素，选择了48点的基本输入输出单元，因为输出的是220V的交流电，为了增加它的耐用性，采用了可控硅输出。
综上所述，设计中最终选择了FX2N-48MS的PLC，这种PLC技术成熟，性能好，故障少，价格低廉，对于本项目又留有一定的余量，可以为以后改进留下余地。
3.2.4PLC的端子分配及外部接线
PLC的I/O元件地址分配
功能描述
动作器件
I/O地址
急停
SB1
X0
工作方式
手动
选择开关SA
X1
自动
X2
手动
M1启动
SB2
X10
M1停止
SB3
X11
M2启动
SB4
X12
M2停止
SB5
X13
M3启动
SB6
X14
M3停止
SB7
X15
自动
压力传感器
传感器ST开
X20
传感器ST关
X21
停止
SB8
X22
皮带机1开
KM1
Y0
皮带机2开
KM2
Y1
皮带机3开
KM3
Y2
图
（二）
PLC的I/O外部接线图如下：
图（三）
3.3传感器的选择
3.3.1传感器简介
一、传感器的定义：
国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：
“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。
传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
它是实现自动检测和自动控制的首要环节。
二、传感器的性能
1、传感器静态特性
传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。
因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。
表征传感器静态特性的主要参数有：
线性度、灵敏度、分辨力和迟滞等。
2、传感器动态特性
所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。
在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。
这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。
最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。
3、传感器的线性度
通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。
在实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线、线性度（非线性误差）就是这个近似程度的一个性能指标。
4、传感器的灵敏度
灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化△y对输入量变化△x的比值，它是输出/输入特性曲线的斜率，如果传感器的输出和输入之间显线性关系，则灵敏度S是一个常数，否则，它将随输入量的变化而变化。
灵敏度的量纲是输出、输入量的量纲之比。
例如，某位移传感器，在位移变化1mm时，输出电压变化为200mV，则其灵敏度应表示为200mV/mm，当传感器的输出、输入量的量纲相同时，灵敏度可理解为放大倍数。
提高灵敏度，可得到较高的测量精度。
但灵敏度愈高，测量围愈窄，稳定性也往往愈差。
5、传感器的分辨力
分辨力是指传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力。
也就是说，如果输入量从某一非零值缓慢地变化。
当输入变化值未超过某一数值时，传感器的输出不会发生变化，即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。
只有当输入量的变化超过分辨力时，其输出才会发生变化。
通常传感器在满量程围各点的分辨力并不相同，因此常用满量程中能使输出量产生阶跃变化的输入量中的最大变化值作为衡量分辨力的指标。
上述指标若用满量程的百分比表示，则称为分辨率。
三、传感器的分类
1、电阻式传感器
电阻式传感器是将被测量，如位移、形变、力、加速度、湿度、温度等这些物理量转换式成电阻值这样的一种器件。
主要有电阻应变式、压阻式、热电阻、热敏、气敏、湿敏等电阻式传感器件。
2、电阻应变式传感器
传感器中的电阻应变片具有金属的应变效应，即在外力作用下产生机械形变，从而使电阻值随之发生相应的变化。
电阻应变片主要有金属和半导体两类，金属应变片有金属丝式、箔式、薄膜式之分。
半导体应变片具有灵敏度高（通常是丝式、箔式的几十倍）、横向效应小等优点。
3、压阻式传感器
压阻式传感器是根据半导体材料的压阻效应在半导体材料的基片上经扩散电阻而制成的器件。
其基片可直接作为测量传感元件，扩散电阻在基片接成电桥形式。
当基片受到外力作用而产生形变时，各电阻值将发生变化，电桥就会产生相应的不平衡输出。
用作压阻式传感器的基片（或称膜片）材料主要为硅片和锗片，硅片为敏感材料而制成的硅压阻传感器越来越受到人们的重视，尤其是以测量压力和速度的固态压阻式传感器应用最为普遍。
4、热电阻传感器
热电阻传感器主要是利用电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度及与温度有关的参数。
在温度检测精度要求比较高的场合，这种传感器比较适用。
目前较为广泛的热电阻材料为铂、铜、镍等，它们具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、使用温度围宽、加工容易等特点。
用于测量-200℃～+500℃围的温度。
5、温度传感器
（1）、室温管温传感器：
室温传感器用于测量室和室外的环境温度，管温传感器用于测量蒸发器和冷凝器的管壁温度。
室温传感器和管温传感器的形状不同，但温度特性基本一致。
按温度特性划分，目前美的使用的室温管温传感器有二种类型。
（2）、排气温度传感器：
排气温度传感器用于测量压缩机顶部的排气温度，常数B值为3950K±3%,基准电阻为90℃对应电阻5KΩ±3%。
（3）、模块温度传感器：
模块温度传感器用于测量变频模块（IGBT或IPM）的温度，目前用的感温头
的型号是602F-3500F，基准电阻为25℃对应电阻6KΩ±1%。
四、传感器的发展趋势
采用新原理、开发新型传感器；大力开发物性型传感器（因为靠结构型有些满足不了要求）；传感器的集成化；传感器的多功能化；传感器的智能化（SmartSensor）；研究生物感官，开发仿生传感器，传感器在我们的生活中用途可谓越来越广泛。
3.3.2压力传感器
本设计中因为考虑到经济节能等因素，在自动运行时要求皮带机在没用送料的情况下经过传感器的检测30秒钟后能够降序停止，故需要在无人值守的情况下能够自动停止，这样既能够节省能源，又能够保证接卸的安全，故需要选择一个适合的传感器来实现这一功能。
压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业，它们的应用十分广泛。
压力传感器又分为以下几种:
1、应变片压力传感器原理与应用
力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。
但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。
下面我们主要介绍这类传感器。
在了解压阻式力传感器时，我们首先认识一下电阻应变片这种元件。
电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。
它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。
电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。
金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。
通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，
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