基于PLC的运料传送带的控制系统设计.docx
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基于PLC的运料传送带的控制系统设计
基于PLC的运料传送带的控制系统设计
摘要
针对中小型皮带运输机的控制系统采用继电器控制，致使生产效率低，生产成本高，企业的竞争能力差，本文利用三菱FX2N系列PLC控制皮带输煤机，有手动控制和自动控制两种控制方式，实现了软件与硬件相结合的控制方法，是皮带运输机自动化控制系统改善和提高的一条有效途径，用四条皮带运输机的传送系统，分别用四台电动机带动，具有较高的应用推广价值。
该系统用可编程序控制器（PLC）作为控制核心，结合电动装置、称重传感技术的自动运输。
在软件设计中，给出了程序流程图，并设计出梯形图程序，出现故障时可及时发出警报信息。
此外，研究了MCGS在皮带运输机控制系统中的应用。
利用组态软件MCGS设计了皮带运输机控制系统监控界面，进而为维修和故障诊断提供了多方面的可能性，充分提高了系统的工作效率。
关键词：
三菱PLC，皮带输送机，自动化
Abstract
Accordingtothecontrolsystemofsmallandmediumsizedbeltconveyorwithrelaycontrol,resultinginlowproductionefficiency,highproductioncost,theenterprisecompetitionability,thispapermakesuseoftheMITSUBISHIFX2NseriesPLCcontrolofbeltconveyer,amanualcontrolandautomaticcontroltwocontrolmode,controlmethodrealizesthecombinationofsoftwareandhardware,isabeltconveyoraneffectivewaytoimprovetheautomationcontrolsystem,transmissionsystemwithfourbeltconveyer,respectivelywithfourmotordrive,hasahigherapplicationvalue.Thesystemusesprogrammablelogiccontroller（PLC）asthecontrolcore,andcombinespneumatictechnology,sensingtechnologyandpositioncontroltechnologytocontroltheautomatictransportationofproductson-site.Inthesoftwaredesign,theprogramflowchartisgiven,andtheladderdiagramprogramisdesigned.Whenthefailureoccurs,thealarminformationcanbesentoutintime.Inaddition,theapplicationofMCGSinthecontrolsystemofbeltconveyerisstudied.ThemonitoringinterfaceofbeltconveyorcontrolsystemisdesignedbyusingconfigurationsoftwareMCGS,whichprovidesmanypossibilitiesformaintenanceandfaultdiagnosis,andimprovestheworkingefficiencyofthesystem.
Keywords:
MITSUBISHIPLC,beltconveyor,automation
1总体方案设计1
1.1皮带运输机的结构1
1.2运输机的工作流程2
1.2.1启动2
1.2.2停止3
1.3系统的设计内容3
2皮带运输机装置控制系统的硬件设计4
2.1可编程控制器（PLC）的选型4
2.2传感器的选择5
2.3电机选择5
2.4通信接口5
2.5触摸屏6
2.6中间继电器6
2.7热继电器6
2.8接触器7
3皮带运输机软件以及调试设计7
3.1运输机软件的流程图框架7
3.2电机正反转程序设计8
3.3运行和调试11
3.4组态MCGS界面运行的设计11
3.4.1MCGS的简介11
3.4.2建立MCGS组态画面11
结论17
致谢18
参考文献19
附录一PLC接线图20
附录二梯形图程序21
附录三输入/输出分配表30
本论文以矿用皮带机电气控制系统为研究对象，针对现有煤矿的需要，进行基于PLC的矿用皮带机电气控制系统的设计，使其达到高效率、高节能，高自动化的水平。
通过图书馆、网络、煤矿施工企业资料库等途径，获取研究需要的论文、数据、案例、文献、图书等相关资料，通过对资料的查阅、分析和整理，进行有效研究。
查阅现存的运输机控制系统的统计数据，分析运输机控制系统的现状以及技术在运输机控制系统控制中的优势。
并借鉴国内外在运输机控制系统技术，有依据的证明运输机控制系统。
结合皮带机的使用现状进行了分析，提出了集控改造的必要性和重要性。
对地面集控中心的建立所需设备，集控平台的建立，具备监控的功能，调试以及组态做了研究,。
其更重要的意义的在于这项技术的成功运用，大大的提高了工作效率，能使国内各行各业的运输装卸作业中节约大量资金。
1总体方案设计
1.1皮带运输机的结构
皮带运输机具有结构简单，操作连续平稳，运输量较大的特点，又因各部分摩擦阻力小，动力消耗也较低，运输距离不受限制，在机体全长中任何地方都能装料与卸料可以水平也可以倾斜运送物料。
驱动装置是带式输送机的动力源，电动机通过液力偶合器和减速器带动主动滚筒转动。
物料被连续地送到运输带上，并随着输送带一起运动，从而实现对物料的输送。
托辊安装在机架上。
托辊由轴、轴承和标准套筒等组成。
输送带既是承载机构，又是牵引机构。
其结构如下图1.1所示。
图1.1带式传送机整机结构
1.2运输机的工作流程
1.2.1启动
自动启动：
按下自动启动按钮，启动指示灯变亮且常亮，启动时先启动出料端（末端）皮带机M4，经过5s延时，再启动M3，经过5s延时，再启动M2，经过5s延时，再启动M1，即M4[启动]→5s延时→M3[启动]→5s延时→M2[启动]→5s延时→M1[启动]；M4手动激活:
点击开始按钮，开始光线明亮，通常情况下，启动皮带机M4，按钮然后点击M3，然后开始M3的带式输送机，然后单击按钮平方米，开始带式输送机M2，终于按下开始按钮M1，M1开始带式输送机。
系统启动流程图如图1.2所示
图1.2皮带启动流程图
1.2.2停止
自动停止：
自动停止按钮，停止灯照亮，正常情况下，停止停止送电端（头）皮带机，后安排再次装运，以阻止其他带式输送机；M1手动停止:
按下停止按钮，停止灯，在正常情况下，停止皮带机M1，刹车灯灯;停止按钮，然后单击平方米，然后停止皮带输送机M2，M3，然后单击停止按钮，然后停止皮带机M3，M4终于停止按钮，然后停止M4带式输送机。
系统停止流程图如图1.3所示。
图1.3皮带停止流程图
1.3系统的设计内容
使用PLC控制马达驱动完成煤炭运转的带式输送机控制系统，实现了相反的顺序启动、停止、故障停止、紧急停车等功能，有两种控制方式，手动控制和自动控制，实现煤炭输送系统的自动化功能。
出现故障时，需要前面的皮带输送机和皮带立即停止，启动自动控制当第一个开始最后的皮带机，5秒之后延迟，进而启动其他带；
手动启动和自动启动紧急开关，在失败的事件，应急开关动作，将停止所有正在运行的带式输送机，以维护设备。
每个皮带机的电动机上都会接有电压表和电流表并显示有相应的数据，人工可以对其监控，如果电流或电压过大，可手动停止皮带机的运行。
然后对其进行检查维护。
图1.1运输机装置控制系统框架
2皮带运输机装置控制系统的硬件设计
2.1可编程控制器（PLC）的选型
可编程序控制器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。
综合考虑后，系统选择了日本三菱公司生产的FX2N系列PLC。
它除了具有小型机所能实现的功能外，还具有更强大的通信联网功能、更丰富的指令系统、更大的内存容量和更快的扫描速度。
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。
可编程序控制器及其有关的外部设备，都应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而设计。
PLC耗电小，产生热量极小，电气柜可以设计密封，防灰尘不必经常维护。
表2.1FX2N-4AD模块的技术参数
项目
电压输入
电流输入
四通道模拟量电压或电流的输入，可通过对其输入端子的选择实现
模拟量输入范围
DC：
-10-10V（输入阻抗：
200kΩ）（绝对最大量程±15VDC）
DC：
-20～20mA（输入阻抗：
250Ω）（绝对最大量程±32mA）
数字量输出范围
12位转换结果，以16位二进制补码方式存储，其输出范围为：
-2048～+2047
分辨率
5mV（10V默认范围：
1/2000）
20μA（20mA默认范围：
1/1000）
转换速度
常速：
15ms/通道；高速；6ms/通道
外界输入电源
24（1±10﹪）V，55mA，可由PLC基本单元或扩展单元内部供电；5V，30mA
模拟量用电源
-10～10V
-4～20mA或-20～20mA
I/O占有点数
8个输入或输出点均可
隔离方式
模拟量与数字量之间为光电隔离；4个模拟通道之间没有隔离
2.2传感器的选择
传感器用来测量转轴的转速，由于测量的精度不需要太高，因此选用价格便宜的霍尔接近开关。
本设计在选择传感器的时候，采用压阻式压力传感器。
称重传感器就是将金属电阻应变片粘贴在金属称重梁上进行测量重量信号的。
称重传感器的外形构造随被测对象的不同，其外形构造也会不同。
送样做可避免人为控制的疏忽和不及时，减少机械的磨损，从而提高使用寿命。
同样的道理，在选择皮带电机的选型及其外部接线及其他的硬件时，都充分考虑到人性化的设计及社会经济效益。
2.3电机选择
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的控制元件。
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。
本次设计中传输机设置有四级皮带传送，故需要四个电机来拖动，同时需要有一些短路、过载等保护，具体的主电路接线图如图2.1。
图2.1四级电机接线图
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且Y5也立即停止装填货物，而该皮带机以后的皮带机待运完后才停止。
例如M2故障，Y5、M1、M2立即停，经过5秒延时后，M3停，再过5秒，M4停。
2.4通信接口
本设计中RS-232串口仅用于实现上位机与PLC控制模块之间的点对点异步串行短距离通信。
串行通信有两种方式，异步串行通信和同步串行通信，异步串行通信是设计中通常采用的方式。
异步通信的特点：
对收发双方的时钟一致要求不严格，容易实现，但传输速率不高，一般应用于50bit19200bit之间的数据传输。
本系统串行通信接口选用了最常用的9针RS-232接口。
由于串口线上电平较高，容易易损坏开发板接口电路芯片，为了达到异步串口通信接口的电气通信兼容，将5V逻辑与一个RS-232端口连接时需要电平转换，来实现与TTL电路的连接。
下面是串口电路结构，如图2.2所示：
图2.2串口电路结构图
2.5触摸屏
触摸屏作为一种新的电脑输入设备，是目前最简单的、方便、自然的一种人机交互方式，它可以用来监控系统的运行情况、发出相关命令、显示设定比例、实际流量等，这里考虑到与三菱系列PLC的通信，应选用三菱F940GOT触摸屏，它是用RS-232连接器与PLC进行通信，完成数据的传送。
2.6中间继电器
选择中间继电器时，首先要注意的线圈电流的种类，中间继电器的触点具有一定的带负荷能力，它的输人信号为线圈的通电或断电，当通电后电磁线圈产生的磁力便开始吸合触头。
在此过程中，继电器主要起了传递信号的作用。
本系统选用JZ15D-44，额定工作电压为AC380V。
2.7热继电器
热继电器的种类很多，我国生产的热继电器都是双金属片式，它常与接触器组合成电磁启动器。
依靠电流通过发热元件时所产生的热量，使双金属片受热弯曲而推动机构动作的一种电器。
投入使用前，必须对热继电器的整定电流进行调整，以保证热继电器的整定电流与被保护电动机的额定电流匹配。
由于电动机绝缘等级不同，其的容许温升和承受过载的能力也不同，其中对流具有方向性，热量自下向上传输，在电路中作电动机的过载保护。
热继电器只适用于不频繁启动、轻载启动的电动机进行过载保护。
在此系统中选用JR16-20型的热继电器。
2.8接触器
接触器按主触头通过电流的种类，可分为交流接触器和直流接触器两种。
是指工业电网中利用线圈流过电流产生磁场，使触头闭合，以达到控制负载的电器，接触器的接通电流大于负载的启动电流，分断电流大于负载运行时分断需要电流，适用于频繁地接通和断开主电路及大容量控制电路的电器。
为了使接触器不会发生触头粘连烧蚀，延长接触器寿命，接触器要躲过负载启动最大电流，所以必须按照变压器的额定功率下电极短路时一次侧的短路电流及焊接频率来选择接触器。
本课题中选用三菱MITSUBI接触器MSO-N10KP1.6AAC220，对油泵电机的启停控制用到2个接触器，供远距离接通与分断电路及频繁起动、控制交流电动机，并且可以和热继电器直接插接安装组成电磁起动器。
3皮带运输机软件以及调试设计
3.1运输机软件的流程图框架
本文的软件设计主要完成皮带运输机运行状态的控制和相应的故障处理、应急处理，同时响应人机交互指令，为上位机提供皮带运行中实时的状态信号与参数。
此程序是基于MCGS全中文组态软件开发的计算机监控PLC模拟试验系统中的运输机控制程序设计来编写的。
图3.1软启动程序设计流程图
3.2电机正反转程序设计
控制步进电机的运动方向是根据步进电机的型号和键盘输入的数据，产生相应的电脉冲信号，控制步进电机。
皮带运输机的启动加速度达到最大值，主电机的输出轴转矩也达到最大。
报警文档会出现相应的故障信息。
当出现故障，皮带机自动停止运行。
步进电机换向时，一定要在电机降速停止或降到突跳频率范围之内再换向以免产生较大的冲击而损坏电机。
换向信号一定要在前一个方向的最后一个脉冲结束后以及下一个方向的第1个脉冲前发出。
当按键的状态变化时，内部程序检测P0.0的状态来调用相应的来调用相应的启动和换向程序，实现步进电机的正反转控制。
将步进电机与电路连接时，保证四相线连接时正确的，确保步进电机正常运转；PLC输出信息通过P1口的P1.0，P1.1，P1.2，P1.3给驱动器件NLN2003A，然后驱动电机进行个状态间的转换。
在某一高速下的正、反向切换实质包含了降速→换向→升速三个过程。
图3.2换向信号起作用时刻
当系统运转时，用键盘来控制方向，同样由键盘来选择工作模式，对于两相四拍这种工作方式而言，步进电机的各相通电顺序为A→AB→B→AB，在某一高速下的正、反向切换实质包含了减速→换向→加速3个过程。
反向运动为AB→B→AB→A正反转流程图如图3.3所示：
图3.3正反转流程图
在这种控制模式下，主程序调用适当的服务程序，步进电机和换向逻辑关系。
P1口的低四位的输出接到UNL2003AN后经过放大实现相序的循环变化，驱动步进电机实现正传或反转。
见表3.1和3.2。
表3.1正转环形脉冲分配表
步数
P00
P01
P02
P03
A
AB
B
AB
1
1
1
0
0
2
0
1
1
0
3
0
0
1
1
4
1
0
0
1
表3.2反转环形脉冲分配表
步数
P00
P01
P02
P03
AB
B
AB
A
1
1
1
0
0
2
1
0
0
1
3
0
0
1
1
4
0
1
1
0
FX2N控制器在接收到键盘的指令后，通过驱动电路发出脉冲信号驱动电机，以使得步进电机能按照键盘的输入作出正确的转向。
以下给出的程序的功能就是通过FX2N控制器来控制步进电机转动方向。
3.3运行和调试
在皮带运输机监控界面的设计过程中，最终的调试是相当重要的，它对监控界面的设计起到及时的检测作用。
在完成皮带运输机的监控界面以后，首先要进行的是脱机调试，使皮带能够响应不同的启停信号，根据不同的信号可以实现皮带不同的启停方式。
在完成监控界面的脱机调试之后，开始进行上位机与之间的通信调试。
自动启停模式下工作人员通过控制柜操作面板上的各种操作按钮完成皮带的启动或停止。
手动启停模式下是工作人员在皮带运行的现场通过按钮盒对皮带就行启停或停止的操作。
实时报警模式是当皮带发生故障时，人机界面可以在第一时间发出报警预报。
3.4组态MCGS界面运行的设计
3.4.1MCGS的简介
MCGS（通用监控系统）是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件。
物料运输MCGS组态软件设计是对分拣系统的实时采集以及监控，从而实现操作者可以远离操作现场就能实现对生产线的控制。
用组态王设计一个远程操作界面。
在运行状态下可以看到温度和速度趋势曲线，通过调节滑块可以看到某一时刻的数值，还可以选择某一区域进行放大观察。
3.4.2建立MCGS组态画面
在图形编辑工具箱里有绘制图形所需要的工具，组态王自带的图库里有一些标准工业元件的图形，例如电机、按钮和指示表等。
首先双击桌面MCGS组态环境图标，进入组态环境，屏幕中间窗口为工作台。
将物理对象的特征参数以动画图形方式来进行描述。
如图3.4所示
图3.4MCGS组态画面
新建窗口并更改窗口属性如下图所示。
图3.5窗口属性设置
图3.6用户窗口列表添加
2．添加元件并分布好位置如图3.7所示：
元件添加如图3.8所示：
图3.7元件添加表
．元件选择
图3.8元件1
图3.9元件2
图3.10元件3
图3.11四级传送带监控模拟视图
1、电机M1属性设置如下图：
图3.12M1属性设置a
图2-13M1属性设置b
M2M3M4同M1类似相仿，依次做好即可。
结论
本系统设计的皮带综合保护系统主要包括若干台三相异步电机，小型皮带，控制箱，若干传感器等组成。
此设计中涉及了MCGS组态控制软件、PLC以及传感器的运用在模拟、监测、控制方面也体现了很大的应用。
计划对电气设备选择，如PLC的选型，传感器的选型，电机选型等。
最后进行了对本次设计中的系统流程图，PLC的外部接线图以及关于PLC的程序梯形图进行了初步设计。
在考虑了自己的兴趣和将来的工作后选择了基于PLC的生产线输送带控制系统设计，完成了开题。
认真学习了PLC的编程以及系统组态，努力达到能独立编程和做出系统模拟画面图程度。
先根据系统要求的需要，确定了PLC所需的I/O点数，从而对PLC进行了选型，然后对传感器也进行了选型，各类电机的选型。
然后按照系统的设计流程，对系统进行一步步设计。
结合目前的研究情况，对以后的工作有些许展望，通过对控制系统精确度要求不高的设备，适当选取精度低一点的元器件，实现PLC对皮带输送机的集中控制，同时提出抗电磁干扰系统开发，引入接地点和接地装置，进一步提高系统的安全可靠性，以加快矿产企业控制系统自动化步伐。
致谢
首先我要感谢的便是我的导师吴俊老师，在写作中遇到困难时，他总是能像知心朋友一样鼓励我。
从论文的选题、修改、措辞、定稿等方面，老师始终认真负责地对进行精心细致的指导，帮助我开拓写作思路，对任何提出的问题都给予耐心的解答。
最后感谢母校的栽培，学校为我们提供了应有的学习环境与各种学习生活设施。
最重要的是大学三年中给我们传授知识的教师们，他们为我们付出了很多心血，指导着我们不断学习新的技能与知识，教会我们成长。
相信多年后我还会记忆犹新，对这里的人和物，都心怀感恩。
参考文献
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附录一PLC接线图
附录二梯形图程序
附录三输入/输出分配表
输入
功能
输出
功能
X6
起动按钮（X1）
X1
一级故障A（SQ1）
Y1
一级继电器（KM1）
X2
二级故障B（SQ2）
Y2
二级继电器（KM2）
X3
三级故障C（SQ3）
Y3
三级继电器（KM3）
X4
四级故障D（SQ4）
Y4
四级继电器（KM4）
X5
停止接钮（SB2）
Y5
物料指示灯（HL2）
X0/X10
循环/单动转换开关（SQ5）
Y1
报警灯（HL1）
X17
紧停开关（SQ6）
Y2
报警灯（HL2）
X14
四级皮带单动按钮（SB3）
Y3
报警灯（HL3）
X13
三级皮带单动按钮（SB4）
Y4
报警灯（HL4）
X12
二级皮带单动按钮（SB5）
X11
一级皮带单动按钮（SB6）
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