基于PLC的供料控制系统设计.doc
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物理与电子工程学院
《PLC原理与应用》
课程设计报告书
设计题目：
基于PLC的供料控制系统设计
专业：
自动化
班级：
XXX
学生姓名:
XX
学号:
XXXX
指导教师：
XXXX
2013年12月17日
物理与电子工程学院课程设计任务书
专业：
自动化班级：
3班
学生姓名
XX
学号
XX
课程名称
PLC原理与应用
设计题目
基于PLC的供料控制系统设计
设计目的、主要内容（参数、方法）及要求
设计目的：
1、掌握PLC功能指令的用法
2、掌握PLC控制系统的设计流程
设计主要内容及要求：
1、设计一个驱动小车自动送料的控制程序，具体要求如下:
（1）运料小车负责向4个料仓送料，送料路上从左向右共有4个料仓（1号～4号）位置开关，当某个料仓位置开关检测为1状态时，说明运料小车到达相应料仓位置。
（2）料仓要料信号由4个手动按钮发出，从左到右（1号～4号）。
当要料信号发出后，运料小车根据料仓号，左行或右行自动送料。
（3）要料仓位与小车的车位相同时，小车停止。
（4）小车右行时不允许左行起动，同样小车左行时也不允许右行起动。
2、画出实现程序流程图。
3、列出输入、输出端口。
4、写出梯形图程序。
5、调试程序，直至符合设计要求。
工作量
2周时间，每天3学时，共计42学时
进度安排
第1天：
明确课程设计的目的和意义，根据课程设计要求查找相关资料
第2-3天：
学习课程设计中用到的PLC相关知识
第4-5天：
根据课程设计的要求画出程序流程图
第6天：
列出I/O分配表
第7-8天：
写出梯形图程序，并对程序进行注释
第9-10天：
学习西门子S7-200的编程软件STEP7MicroWINSP6，并在该软件中编写梯形图程序
第11天：
学习西门子S7-200仿真软件，并进行程序仿真和调试。
第12天：
将课程设计中用到的程序在PLC试验箱上进行运行和调试。
第13-14天：
撰写课程设计报告。
主要参考资料
[1]廖常初.S7-200PLC编程及应用[M].北京:
机械工业出版社,2013.8
[2]梅丽凤.电气控制与PLC应用技术[M].机械工业出版社,2012.3
[3]殷洪义.可编程序控制器选择设计与维护[M].机械工业出版社,2006.1
指导教师签字
教研室主任签字
摘要
随着社会的发展，冶炼厂的规模也随之扩大，对矿石的需求量大大提高，传统的供料是一种半自动化的系统，已经满足不了冶炼厂的需要。
对传统供料控制系统进行了认真的分析与研究后，结合相关理论和技术，制定出一套由PLC为控制核心的皮带传输供料控制系统。
为了实现供料系统的稳定运行，处理诸如皮带跑偏、打滑及撕裂等问题，在主电路中用传感器检测故障信号，软件中调用相应传感器检测到的故障信号处理子程序并执行处理。
运用皮带运输线进行矿石供料大大提高了工作效率。
在PLC中应用子程序的方式，不仅便于实现多种运行方式，而且大大提高了程序的可维护性和可靠性。
关键词：
PLC；供料系统；传感器
目录
1绪论 1
1.1课题的提出 1
1.2矿石供料系统技术发展前景 1
2系统总体方案设计 2
2.1矿石供料系统的工艺应用及特点 2
2.2矿石供料系统的组成 2
2.3供料系统工艺流程 3
3系统硬件设计 5
3.1系统主要设备选型 5
3.1.1PLC简介 5
3.1.2PLC及其扩展模块的选型 8
3.1.3皮带机的选型 8
3.1.4电动机的选型 8
3.1.5电机过流检测元件的选型 9
3.1.6称重传感器的选型 9
3.1.7皮带跑偏检测元件的选型 10
3.1.8皮带机打滑检测元件的选型 11
3.1.9皮带机撕裂元件的选型 11
3.2系统主电路设计 12
3.3系统硬件配置及I/O接线图 12
4心得体会 16
参考文献 17
1绪论
皮带运输是一种长距离、大批量、告诉运输货物原料的运输体系。
皮带传输系统因其结构简单，使用方便，造价低廉，被广泛应用于工业生产中，如冶金、煤炭、港口、建筑、食品加工等。
随着冶炼厂规模的逐渐扩大，矿石需求量逐渐提高，对冶炼厂供料系统的高效运输能力要求越来越高。
1.1课题的提出
传统的冶炼厂矿石供料控制系统是一种基于继电接触器人工手动方式的半自动化系统。
现场环境十分恶劣，对设备损伤较大，使得设备会经常出现一些故障，例如有皮带跑偏、打滑及撕裂等等。
供料系统由于处在一个电网中，设备不能同时启动，必须有次序的启动和停止。
如果供料系统在运行过程中某单体设备出现故障，则该设备及应按照顺序停止的设备同时停止，并给出故障指示信号供工人们能够准确的找出故障位置并排除故障，以减少供料系统设备维修时间。
随着冶炼厂规模的迅速扩大，供料控制系统的作用日益突出，而传统的控制系统已无法满足冶炼厂的需要，因此需要对传统的冶炼厂供料系统进行改造。
同时当今世界是一个信息技术高度发展的世界，信息贯穿社会的每个角落，现代化的工厂。
建立全自动化的供料系统，不仅可以让工人从恶劣的环境中、繁重的劳动中解放出来。
而且可以通过建立控制网络将相距较远的各输煤机架控制器相连，实现信息的相互传递，不仅保证了控制的时实性，可靠性，同时便于未来厂级或车间级的管理。
因此，冶炼生产应用自动化已经成为必然要求，其投入产出比显著，且逐渐成为冶炼工业现代化的标志。
1.2矿石供料系统技术发展前景
矿石供料系统是冶炼厂重要的矿石传输部分。
其后工序是冶炼厂冶炼炉，这些工序的控制都涉及过程控制技术。
随着科技的不断进步，电子技术的不断发展，过程控制技术经历了三四十年代单参数仪表控制、四五十年代的单元组合仪表综合参数仪表控制以及60年代兴起的计算机过程控制等几个阶段。
尤其是近一二十年来，随着微处理器、计算机技术和过程自动化控制理论的飞速发展，可编程控制器（PLC）性价比大幅提高，并得到了很快的普及和提高。
可编程控制器具有信息存储、逻辑判断、精确、快速和自动化程度高等特点。
将计算机技术应用于工业控制系统，既可大幅度地提高劳动效率，改善劳动条件，提高热效率，节约能源，降低成本，又具有结构简单、性价比高、使用方便的优点。
所以，PLC已成为工业自动化控制的有力工具，是工业自动化的发展方向。
1
2系统总体方案设计
2.1矿石供料系统的工艺应用及特点
矿石供料系统是冶炼厂的重要组成部分，其作用就是从矿石仓输送到冶炼炉。
由于将矿石输送到冶炼炉之间环节较多，人们从不同的工艺角度出发设计可以自行设计与实际需要相符合的供料系统。
PLC供料系统是在由继电器控制的基础上发展起来的。
由于供料系统的设备分散且与控制室相距较远，且整个矿石供料过程中，不可避免的矿石粉末飞扬，使得整个系统所处环境非常恶劣，这些都决定了必须提高矿石供料系统的自动化水平。
又因为它具有可靠性好、成本较低、运行周期长、更改方案灵活、节能和便于自动化管理等特点。
因此70年代已在欧洲大陆广泛使用。
90年代以来，我国新建的大、中型冶炼厂差不多都采用了PLC控制矿石供料工艺。
供料系统是冶炼厂冶炼工艺中的重要环节，而供料系统运行的稳定、可靠，是保证冶炼厂高效运行的关键。
若通过合理的设计，使供料系统经常处于最优条件下工作，既可以延长工作周期，提高工业生产量，也可以节能和减少劳动力等。
而采用PLC为核心控制系统的出现，从以下几方面改善了供料系统的输料性能：
（1）增加了供料系统调整的灵活性。
（2）增加了供料系统的可靠性。
（3）减少了供料系统的经济开支。
2.2矿石供料系统的组成
供料控制系统一般由PLC、电气执行机构和上位机组成。
电气执行机构负责控制的具体实施，它从PLC接收控制命令，然后相关的接触器接点闭合或断开，电路导通，设备获得动力继而进行动作。
如果单体设备故障，操作人员可以通过控制面板来进行紧急停车，也可对设备进行手动停车操作。
PLC是实现自动控制的核心，所有自动控制内容都通过对它的编程实现。
矿石供料系统的控制与其它车间略有不同，它的设备较多且重复，通过对PLC的编程来实现诸多设备的控制使得电气接线简单许多，这是供料控制系统发展的一种趋势。
本设计冶炼厂供料系统部分由4台皮带机、1台给料器、1台粉碎机、1台筛选机等，来完成给料、粉碎、筛选、冶炼炉的工艺流程。
矿石供料系统的作用就是将矿石经给料器给料、粉碎、筛选后送到冶炼炉。
由于其中的环节较多，所以不可能由一条皮带实现直接输送，应由多条皮带将各设备连接而成；同时供料系统是冶炼厂众多环节中的一个重要环节，矿石不经供料系统的运输，就不能到达冶炼炉的炉膛，就不能进行冶炼生产。
可见，冶炼厂矿石的供料是十分重要的，因此供料系统必须稳定、可靠。
为了提高系统的安全运行，采用传感技术及其它检测元件与PLC结合使用。
该供料系统由四条供料皮带机和粉碎机、筛选机连接组成的。
这四条机架的输料原理是完全一样的，都是机架上的皮带运输机。
其中的筛选机包含一台可以正反转转动的电动机，它与称重传感器及三皮带共同完成矿石筛选，并将不符合要求的矿料重新送回粉碎机粉碎。
国内矿石供料系统普遍采用皮带运输的方式，该方式结构简单、运输的长短便于调整、负荷便于分担、便于添加中间环节。
供料生产线基本工艺可分为给料、粉碎、筛选等环节组成等几个相关过程。
其中筛选过程又由称重传感器及可以正反转转动的电动机组成。
为了保证供料系统的可靠性，即不能间断输料，实际的供料系统采用每一机架两条皮带运输矿石（见图2-2-1），当其中一条皮带运输机出现问题时，另一台运输机接替运行工作；或者由于运行时间条件或电动机过热条件，两运输机轮流运行工作，但在这里只研究其简单运行方式暂不考虑复杂方式。
图2-2-1矿石供料系统工艺过程简图
2.3供料系统工艺流程
当检查好各设备正常情况后，按下启动按钮。
供料器开始向皮带一供料，皮带一把矿石输送到粉碎机，粉碎机把矿石料粉碎后经二皮带输送到筛选机，之后筛选机开始工作（筛选机内含有称重传感器），当矿石重量比设定值大时，其控制翻板的电动机正转，将大块的矿石通过三皮带送回粉碎机重新加工粉碎，然后控制翻板的电动机反转复位，规格符合要求的矿料直接通过四皮带输送到冶炼炉。
其工艺流程图如图2-3-1所示。
图2-3-1工艺流程图
系统处于正常状态下，当接收到启动及停止信号时，其动作如图2-3-2所示。
其停止过程则反之。
图2-3-2启动过程
当某设备需要临时检修时按下手动停止按钮，该设备之前的设备按顺序停止后该设备停止。
又当某设备出现意外紧急停车时，按下手动紧急停止按钮，此单体设备及其之前的设备同时紧急停止，并发出报警信号。
3系统硬件设计
3.1系统主要设备选型
根据对矿石供料控制系统的分析，画出系统电气控制总框图，如图3-1-1所示：
图3-1-1系统的电气控制总框图
根据对该供料系统工艺分析，确定该系统的主要硬件设备包括以下几部分：
PLC及其扩展模块、皮带机、电动机、电机过流检测元件、称重传感器、皮带跑偏检测元件、皮带机打滑检测装置、皮带机撕裂检测元件。
主要设备选型如表3-1-1。
表3-1-1主要设备选型表
3.1.1PLC简介
可编程控制器，简称PLC（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，用来在其内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。
”
PLC的基本组成可归为四大部件:
中央处理单元（CPU板）——控制器的核心；
输入部件（1/0部件）——连接现场设备与CPU之间；
输出部件——连接驱动或受控元件的接口电路；
电源部件——为PLC内部电路提供能源；
整体结构的PLC——四部分装在同一机壳内；
模块式结构的PLC——各部件独立封装，称为模块，通过机架和总线连接而成。
I/O的能力可按用户需要进行扩展和组合，另外，还必须有编程器将用户程序写进规定的存储器内。
用PLC设计的控制系统具有如下的优点：
（1）能适应工业现场的恶劣环境，能抗电磁干扰与电压冲击。
（2）简单，易于使用，不必要求微机软硬件方面的知识，编程不需要高级语言。
（3）可靠性高，平均故障间隔时间（MTBF）超过20000小时，罗克韦尔公司的产品MTBF达到50000小时。
（4）编程或修改程序容易，程序可以保存和固化。
（5）体积小，价格低。
（6）可直接将数据送入处理器中，可直接连接到现场。
（7）可在基本系统上扩展，系统容易配置，与负载最远距离可达10000英尺，内存可以扩展。
（8）有很强的通讯功能，可与多种支持设备连接。
（9）系统化，有标准外围接口模块。
（10）系统在一种现场不需要时，仍可改在另一现场使用等一系列优点。
本设计系统PLC采用的是梯形图编程语言。
梯形图在形式上类似于继电器控制电路图，它简单，直观，易读，好懂，是PLC中普遍采用的一种编程方式。
梯形图中沿用了继电器线路的一些图形符号，这些图形符号被称为编程元件，每一个编程元件对应有一个编号。
不同厂家的PLC，其编程元件的多少及编号方法不尽相同，但是基本的元件及功能很相近。
PLC的工作过程基本上是用户的梯形图程序的执行过程，是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的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，把现场工作状态、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出刷新，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。
一般是从用户出现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
将本次的扫描过程中解算最新结果送到输出模块取代前一次扫描解算的结果，也称为输出刷新。
解算用户逻辑到用户程序为止，每一步所得到的输出信号被存入输出信号寄存表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。
驱动用户输出设备即PLC的实际输出。
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、或出现故障。
3.1.2PLC及其扩展模块的选型
PLC是整个供料控制系统的核心，它要完成对系统中所有输入信号的采集、所有输出单元的控制以及对外的数据交换。
因此我们在选择PLC时，要考虑PLC的指令执行速度、指令丰富程度、内存空间、通讯接口及协议、带扩展模块的能力和编程软件的方便与否等多方面因素。
由于本设计矿石供料自动控制系统控制设备相对较少，因此选用德国SIEMENS公司的S7-200型PLC。
S7-200型PLC的结构紧凑，价格低廉，具有较高的性价比，广泛适用于一些小型控制系统。
SIEMENS公司的PLC具有可靠性高，可扩展性好，又有较丰富的通信指令，且通信协议简单等优点；PLC可以上接工控计算机，对自动控制系统进行监测控制。
PLC和上位机的通信采用PC/PPI电缆，支持点对点接口（PPI）协议，PC/PPI电缆可以方便实现PLC的通信接口RS485到PC机的通信接口RS232的转换，用户程序有三级口令保护，可以对程序实施安全保护。
根据控制系统实际所需端子数目，及考虑PLC端子数目要有一定的预留量，因此选用S7-200型PLC的主模块为CPU226，其开关量输出为16点，输出形式为AC220V继电器输出；开关量输入CPU226为16点，输入形式为+24V直流输入。
由于实际中需要模拟量输入点1个，模拟量输出点1个，所以需要扩展，扩展模块选择的是EM235，该模块有4个模拟输入（AIW），1个模拟输出（AQW）信号通道。
输入输出信号接入端口时能够自动完成A/D的转换，标准输入信号能够转换成一个字长（16bit）的数字信号；输出信号接出端口时能够自动完成D/A的转换，一个字长（16bit）的数字信号能够转换成标准输出信号。
EM235模块可以针对不同的标准输入信号，通过DIP开关进行设置。
3.1.3皮带机的选型
皮带机型号选择正确与否是供料系统中相当重要的一个环节，如果选择的型号过小则会因负荷过大而将电机烧毁或造成皮带的断裂，而如果选择的型号过大，不能完全发挥其负荷能力，造成电能和设备的经费浪费。
皮带机的选型基本原则：
根据该冶炼厂年消耗矿石量及其输送距离远近进行大体的选型及考虑每小时皮带机需要输送多少吨矿料，根据各滚筒相互之间受力比例关系算出皮带所承受的张力，据此选出皮带机的型号。
本设计中选用DSJ1200/3×355型皮带机。
3.1.4电动机的选型
电动机选型基本原则，一是要确保平稳运行；二是要确保其负载能力能满足现场需要，以达到较好的节能效果。
所选用的电动机必须与系统输料量的变化幅度相匹配。
则首先要了解工业现场输料量，然后根据输料量来确定电动机的机械负载能力，根据机械负载能力额定容量、额定转速、额定电压等来选择电动机的型号。
要为某一生产机械选配一台电动机，首先要合理选择电动机的功率。
通常根据生产机械负载的需要来选择电动机的功率，同时，还要考虑负载的工作制问题，也就是说，所选的电动机应适应机械负载的连续、短时或间断周期工作性质。
功率选用时不能太大，也不能太小。
选小了，保证不了电动机和生产机械的正常工作；选大了，虽然能保证正常运行，但是不经济，电动机容量不能被充分利用，而且电动机经常不能满载运行，使得效率和功率因数不高。
其次，根据电源电压条件，要求所选用的电动机的额定电压与频率同供电电源电压与频率相符合。
电动机的转速一定要按生产机械铭牌上的要求选择，否则可能改变生产机械的性能。
此外，电动机的结构、防护、冷却和安装形式，应适应使用环境条件的要求，并且要力求安装、调试、检修方便，以保证电机能安全可靠的运行。
由于设备处于众多矿料环境中，应选用防爆电动机，因此本设计中筛选机中用于带动翻板的电机选用功率为75KW的北京高压电机厂生产的YB2防爆电动机。
3.1.5电机过流检测元件的选型
开始考虑的是电流互感器。
电流互感器的工作原理，在测量交变电流大电流时，为了能够安全测量，在火线（或接地线）上串联一个变压器（接在变压器的输入端），这个变压器的输出端接入电流表，由于输入线圈的匝数小于输出线圈的匝数，因此输出电流小于输入电流（这时的输出电压大于输入电压，但是由于变压器是串联在电路中，所以输入电压很小，输出电压也不大），电流互感器就是升压（降流）变压器。
其输出的信号为模拟电信号。
SMD系列数字型电流传感器（电流互感器），能在电隔离的条件下测量电流，并在达到额定电流时输出开关量的驱动信号。
可直接连接PLC等控制部件，特别适合于功率器件和电路系统的过流、短路保护、电流检测等，响应速度极快，性能卓越。
经过比较发现电流互感器输出的信号为模拟量，不能直接驱动PLC，，不免有些麻烦，因此本设计中选用可以直接驱动PLC的SMD系列数字开关型电流传感器（电流互感器）。
3.1.6称重传感器的选型
称重传感器实际上是一种将质量信号转变为可测量的电信号输出的装置。
称重传感器按转换方法分为光电式、液压式、电磁力式、电容式、磁极变形式、振动式、陀螺仪式、电阻应变式等8类。
其中，电磁力式传感器准确度高，可达1/2000～1/60000，但称量范围仅在几十毫克至10千克之间。
磁极变形式传感器的准确度不高，一般为1/100，适用于大吨位称量工作，称量范围为几十至几万千克。
振动式传感器有振弦式和音叉式两种。
称量范围为100克至几百千克，但结构复杂，加工难度大，造价高。
电阻应变式传感器的称量范围为300g至数千kg，计量准确度达1/1000～1/10000，结构较简单，可靠性较好，大部分电子衡器均使用此传感器。
电阻应变式传感器利用电阻应变片变形时其电阻也随之改变的原理工作。
主要由弹性元件、电阻应变片、测量电路和传输电缆4部分组成。
电阻应变片贴在弹性元件上，弹性元件受力变形时，其上的应变片随之变形，并导致电阻改变。
测量电路测出应变片电阻的变化并变换为与外力大小成比例的电信号输出。
电信号经处理后以数字形式显示出被测物的质量。
根据实际现场要求及经济方面综合分析，这里选用电阻应变式传感器。
3.1.7皮带跑偏检测元件的选型
皮带运输机运行时皮带跑偏是最常见的故障，皮带跑偏轻则造成撤料、皮带磨损，重则由于皮带与机架剧烈摩擦引起皮带软化、烧焦甚至引起火灾，造成整个生产线停产，因而，正确地处理好皮带跑偏关系到整个生产系统的正常运转。
这里考虑选用光电式传感器，光电式传感器在受到可见光照射后即产生光电效应，将光信号转换成电信号输出。
它除能测量光强之外，还能利用光线的透射、遮挡、反射、干涉等测量多种物理量，如尺寸、位移、速度、温度等，因而是一种应用极广泛的重要敏感器件。
它是光照射到某些物质上，使该物质的电特性发生变化的一种物理现象。
其基于外光电效应的光电敏感器
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