皮带运输机PLC自动控制项目设计方案.docx

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皮带运输机PLC自动控制项目设计方案

皮带运输机PLC自动控制项目设计方案

1前言

1.1设计的目的和意义

冶金、煤矿、化工、机械、钢铁、建材、食品等工业生产中，需要广泛使用皮带运输机，它为企业的生产承担了绝大多数散料运输任务。

可编程控制器（PLC）是以微处理器技术为基础，综合计算机技术和自动化技术发展起来的一种新型工业控制器，广泛应用于工业生产的各个领域。

由于PLC采用的控制系统或设备具有可靠性高,控制易于实现，系统设计灵括，能在实验室进行现场模拟调试，编程简单，安装方便，较好的抗干扰能力,被誉为当代工业生产自动化的支柱之一，正在得到越来越广泛的应用。

利用PLC可以使皮带运输机的传动系统逐渐实现了全自动控制状态，并且使皮带运输机具有完善的控制特性及简易的操作、基本免维护的工作量，达到一种经济、安全、可靠且运行效率高的状况,其独特的易于使用性、可靠性和灵活性越来越受到广大工程技术人员的青睐。

对于港口、厂区广泛使用的皮带运输机，应用PLC控制，可以使皮带机生产线的控制更加灵活、可靠。

通过PLC进行控制提高了企业生产的效率，为工业生产的进行节省了大量的人力、物力、财力。

1.2皮带运输机的现状

电气传动技术以运动机械的驱动装置---电动机为控制对象，以微电子装置为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下完成电气传动自动控制系统，控制电动机的转矩和转速，将电能转换成机械能，实现工作机械的旋转运动或反复运动。

因电机的种类的不同，我们可以将分为直流电动机传动和交流电动机传动。

自19世纪80年代起至19世纪末，工业上传动用的电动机一直被直流电机垄断，到了19世纪末，出现了三相电源和结构简单且坚固耐用的交流鼠笼型电机以后，交流电机才在不调速的领域代替了直流电动机传动装置。

对生产过程的监视和控制，在初级阶段是由人工进行的。

工作人员凭自己的感官或借助于仪表等来监视生产过程，用头脑做出判断决策，并视情况进行必要的控制。

在高级阶段，这种监视、判断决策和控制由机器承担，按照人们的意志自动完成，这是闭环自动控制。

1.3交流调速的发展概况

交流变频调速的优越性早在20年代就已被人们所认识，但受到器件的限制，未能推广。

50年代初，中小型感应电动机多采用晶闸管调压调速;大中型绕线式感应电动机采用晶闸管静止型电气串级调速系统。

70年代发展起来的变频调速，比上述两种调速方式效率更高，性能更好。

交流调速系统大致经历过三个阶段:

（1）异步电动机调压调速系统；

（2）串级调速系统；

（3）变频调速系统。

80年代中期随着第三代电力半导体器件如:

门极可关断晶闸管GTO、绝缘栅双极晶体管IGBT的相继出现，交流变频调速技术得到了飞速发展。

日、美、德、英等在结合现代微处理器控制技术、电力电子技术、电机传动技术的基础上，推出了一系列的变频器，且不断进行更新换代.这些高精度、多功能、智能化的变频器将调速效率提高到了前所未有的水平。

1.4方案的确定

随着工业水平的发展，人们对皮带运输机自动控制程度要求越来越高，一般的自动控制方案有继电器控制、单片机控制、PLC控制等。

但是用复杂的继电器控制的，存在可靠性差、可塑性差、接线复杂、自动化程度低等一系列缺点，并且为了在日益激烈的竞争中提高市场竞争力，采用PLC的改造势在必行；有的也采用单片机作为控制单元，但是单片机开发周期较长，抗干扰性差，可靠性低、灵活性差，选用PLC作为控制单元是较为合适的方案。

本文提出了利用变频器和PLC控制单元的伺服系统构成控制系统的见解与方法，给出了控制系统软、硬件结构的设计方案。

我认为本系统采用PLC软件控制它具有以下优点：

（1）抗干扰能力强、可靠性高；

（2）模块化组合结构，使系统构成十分灵活；

（3）编程语言简单易学，便于掌握能进行在线修改；

（4）柔性好体积小，维护方便。

1.5主要任务

皮带运输机的PLC控制系统，主要分变频器、PLC、主令控制器、三相异步电动机等四部分构成。

在本文中，主要对其各个组成部分进行的介绍，并作出PLC运行控制程序，使其符合该系统的控制要求。

2皮带运输机的PLC控制系统的组成

2.1基本原理

采用矿用防爆本质安全型交流变频器进行启动和调速控制，在皮带机运行过程中，通过安装在传送带上的转速传感器测定皮带运输机的转速，再反馈到PLC，经过程序运行处理后，再提供指令通断信号给变频器，调节电机工作的电源电压和频率。

当出现扰动时，转速传感器将信号传送到PLC，再进行程序运行对其进行调节，从而达到稳定运行。

2.2概述

从图2.1可看出，当利用变频器构成自动控制系统进行控制时，采用的是和PLC配合使用。

变频器利用内部继电器接点或具有继电器接点开关特性的元器件（如晶体管）与PLC连接。

PLC作为整个系统的“大脑”，负责接收外部信号（主令控制器、变频器、转速传感器、限位等），经过程序运行处理后，再提供指令通断信号（正转、反转、档数等）给变频器和其它动作单元，由变频器控制电机的转向、速度（频率）。

整个系统接线见图2.3。

图2.1系统结构示意图

2.2.1三相异步电动机的选择

为生产机械的电力拖动系统选用电动机，主要内容包括确定电动机的种类、电动机的型号、电动机的额定电压、额定转速和额定功率等。

选择电动机的基本原则如下：

（1）电动机在工作过程中，其额定功率应得到充分利用。

要求温升接近但不超过规定的允许数值。

（2）电动机应满足生产机械需要的有关机械特性的要求。

保证一定负载下的转速稳定，有一定的转速范围及具有良好的启动和制动性能。

（3）电动机的结构型式应满足设计提出的安装要求和适应周围的工作环境。

例如防止灰尘进入电动机内部，或者防止绕组绝缘受气体腐蚀等。

电力拖动系统应用电动机来拖动生产机械工作的，由于生产机械种类繁多，工艺要求不一，作为驱动电机的电动机分类也很多。

按电流种类分，有直流电动机和交流电动机，交流电动机又有异步电动机和同步电动机两种。

为了合理选用电动机的种类，应同时考虑两个方面的问题：

一是电动机的性能，例如机械特性、启动性能和调速性能等；二是要知道生产工艺的特点，要使所选电动机的性能满足生产机械的工艺要求，具体从以下几个方面考虑：

（1）电动机的机械特性；

（2）电动机的启动性能；

（3）电动机的调速性能；

（4）电动机的电源；

（5）电动机的经济性；

最后着重强调的是综合的观点：

一方面是以上的内容在选择电动机时必须都考虑到都能得到满足；另一方面能满足以上条件的电动机可能不是一种类型，还应综合其他情况，例如节能、货源、技术情况等。

综上所述，经过综合考虑本系统采用YBSS-220型电机，是隔爆型三相异步电动机。

表1YBSS-220隔爆型三相异步电动机主要技术数据：

功率

kW

额定电压

V

满载转速r/min

满载电流

A

满载效率

%

功率因数cos

额定电流

额定转矩

额定转矩

绝缘

等级

220

660

1140

1480

154.2267.2

93.5

0.88

6.0

2.3

2.2

F、H

2.2.2变频器

1.构成

包括主控制电路、信号检测电路、门极驱动电路、外部接口电路以及保护电路等几个部分，是变频器的核心部分。

控制电路的优劣决定了变频器性能的优劣。

控制电路的主要作用是完成对逆变器开关控制、对整流器的电压控制以及完成各种保护功能。

图2.2变频器的结构图

2.变频器容量的选用

变频器容量的选用由很多因素决定，例如电动机的容量、电动机的额定电流、电动机加速时间等，其中，最主要的是电动机的额定电流。

驱动一台电动机时。

对于连续运转的变频器必须同时满足下列三项计算公式，即

满足负载输出（kVA）

满足电动机容量（kVA）

满足电动机电流（A）

式中

——变频器容量，单位为kVA；

——负载要求的电动机轴输出功率，单位为kW；

——电动机额定电压，单位为V；

——电动机额定电流，单位为A；

——电动机效率（通常为0.85）；

——电动机的功率因数（通常为0.75）；

k——电流波形补偿系数。

k是电流波形补偿系数，由于变频器的输出波形并不是完全的正弦波，而是含有高次谐波的成分，其中电流应有所增加。

对于PWM控制方式的变频器，k约为1.05－1.1。

本系统采用安川CIMR—G5A4011型变频器。

安川CIMR—G5A4011型变频器，控制和保护功能相当丰富，配有参数设置面板，可读写各种参数，显示屏可监视变频器的运行状况，并能实现PID控制、DWELL控制、节能控制、转矩限定、转差补偿控制、高速滑差制动、防止失速、瞬停电故障处理后平衡恢复、错误诊断等一系列功能。

变频器的控制模式有无PGV／F控制、带PGv／F控制、无PG矢量控制1、带PG矢量控制、无PG矢量控制2共5种控制模式。

变频器运行指令共有数字操作器、控制回路端子、MEMOBUS通信、选择卡4种模式。

此变频器调速范围宽，精度高，无级变速，高效率，高可靠性，保护功能完善，故障率低，特别适用于起重机械的电机控制。

G5系列的变频器，运用16段的频率指令和一个点动频率指令，可以切换最多17段速的速度。

根据皮带运输机的运行需要，在变频器输入端功能中，运用多段速指令1～3及点动频率选择四个功能，实现6段速（零位+四档+点动）运行。

端子多功能接点（指令）输入和组合如表2所示。

其外部端子见图2.3（变频器部分）。

注：

虚线为未接端子

图2.3系统接线图

表2端子多功能接点输入

2.2.3PLC控制器

1.PLC概述

可编程程序控制器（Programablecontroller）因为早期主要应用于开关量的控制，因此也称为PLC（ProgramableLogiccontroller）即是可编程逻辑控制器。

现代的可编程控制器是以微处理器为基础，高度集成的新型工业控制装置，是计算机技术与工业控制技术相结合的产品。

PLC自问世以来，经过20年的发展，己经成为最受欢迎的工业控制类产品。

它之所以高速发展，除了工业自动化的客观需求外，还有许多独特的优点。

它较好的解决了工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。

2.典型的PLC控制功能有以下几点:

（1）顺序控制；

（2）过程控制；

（3）数据处理；

（4）通信联网和显示打印。

3.PLC的基本组成与各部分的作用

PLC的类型繁多，功能和指令系统也不尽相同，但结构与工作原理则大同小异，通常由主机、输入/输出接口、电源、编程器扩展器接口和外部设备接口等几个主要部分组成。

PLC的硬件系统结构如图2.4所示：

图2.4硬件结构图

（1）.主机

主机部分包括中央处理器（CPU）、系统程序存储器和用户程序及数据存储器。

CPU是PLC的核心，它用以运行用户程序、监控输入/输出接口状态、作出逻辑判断和进行数据处理，即读取输入变量、完成用户指令规定的各种操作，将结果送到输出端，并响应外部设备（如编程器、电脑、打印机等）的请求以及进行各种内部判断等。

PLC的内部存储器有两类，一类是系统程序存储器，主要存放系统管理和监控程序及对用户程序作编译处理的程序，系统程序已由厂家固定，用户不能更改；另一类是用户程序及数据存储器，主要存放用户编制的应用程序及各种暂存数据和中间结果。

（2）．输入/输出（I/O）接口

I/O接口是PLC与输入/输出设备连接的部件。

输入接口接受输入设备（如按钮、传感器、触点、行程开关等）的控制信号。

输出接口是将主机经处理后的结果通过功放电路去驱动输出设备（如接触器、电磁阀、指示灯等）。

I/O接口一般采用光电耦合电路，以减少电磁干扰，从而提高了可靠性。

I/O点数即输入/输出端子数是PLC的一项主要技术指标，通常小型机有几十个点，中型机有几百个点，大型机将超过千点。

（3）．电源

图中电源是指为CPU、存储器、I/O接口等内部电子电路工作所配置的直流开关稳压电源，通常也为输入设备提供直流电源。

（4）．编程器

编程器是PLC的一种主要的外部设备，用于手持编程，用户可用以输入、检查、修改、调试程序或监视PLC的工作情况。

除手持编程器外，还可通过适配器和专用电缆线将PLC与电脑联接，并利用专用的工具软件进行电脑编程和监控。

（5）．输入/输出扩展单元

I/O扩展接口用于连接扩充外部输入/输出端子数的扩展单元与基本单元（即主机）。

（6）．外部设备接口

此接口可将编程器、打印机、条码扫描仪等外部设备与主机相联，以完成相应的操作。

本系统采用三菱FX2N一128MR一001型PLC。

三菱FX2N一128MR一001型PLC将一体式PLC和模块式PLC的优点巧妙而完美的结合在一起，不仅方便了系统的扩展，而且与用户的实际需求也更为贴近，丰富的指令集，较好的调试和故障诊断功能，便捷的通讯，严格的口令保护，灵活的中断处理，高速计数等多项功能的组合，更使其无论在独立运行中或是连成网络皆能实现复杂控制功能，以满足用户的多种需求。

外部端子接线见图2.3（可编程控制器部分）

2.2.4其余部件

1.A/D和D/A转换部件

A/D和D/A转换原理：

（1）模拟量转换成数字的基本原理:

输入信号是现场物理参数（如温度、压力和流量等）经传感器检测变成电信号（弱信号），再经过放大、滤波之后成为连续变化的波形。

根据事先确定的频率对波形采样。

将每次的采样值（如模拟电压值）送给A/D变换器，则对应每次采样的电压值转换成的数字信号（H进制数字）。

（2）将数字信号转换成为模拟量的原理:

首先将数字信号并行输入给D/A转换器，经转换后输出一个矩形波，经过放大滤波之后即变成一个连续变化的模拟量输出信号。

2.转度传感器

它是一种将皮带的运行速度检测出来，变成电脉冲信号输送给保护装置，使装置能够根据速度大小来确定运行状态，可同时解决胶带低速运转、打滑和断带等问题的智能传感器。

将两个磁缸分别装在皮带运输机滚筒和皮带托辊上，利用两个霍尔传感器将滚筒和托辊的转速分别传送给PLC系统，经系统判断，输出、打滑、低速运行、断带等数字信号，经控制器进一步处理，达到保护设备的目的。

3.急停开关

它是通过拉线来使设备立即停止的一种保护装置。

急停开关为双向拉线式。

当皮带机正常工作时，急停开关处于正常位置；当出现事故，任意拉动拉线上的拉环，使装在两端的微动开关动作，发出动作信号并切断控制回路，保护系统安全。

3皮带运输机的PLC控制系统软件设计

3.1控制系统软件的功能

控制系统软件的功能和任务如下：

（1）实现对电机的软启动；

（2）能自动或者手动的对电机进行调速，控制系统在最高转速和最低转速的范围内自动调节速度，平滑的无级调速特性；

（3）能自动检测到系统是否过载，并自动停止；

（4）实现快速的起制动及正反转运行；

（5）并要求在不同转速下工作时，速度稳定；系统在某一转速上稳定运行时，能克服负载的扰动、电源电压波动等因素对系统的影响。

3.2控制系统的主要指标

控制系统的主要指标如下：

（1）初始状态：

初始阶段，电机定义为正转，并设定电机的转速设定为一档；

（2）停止：

当需要停止的时候，适当的进行延时之后再停止；

（3）故障停止：

紧急情况下无条件下通过急停开关把电机停止。

3.3PLC程序设计

3.3.1PLC编程器

1.概述

编程器是PLC的最重要外围设备，它一方面对PLC进行编程，另一方面又能对PLC的工作状态进行监控。

FX系列PLC的编程设备可分为FX-20P-E简易编程器，GP-80FX-E图形编辑器，还可以用编辑软件MELSEC-MEDOC在个人计算机上进行编程。

FX-20P-E简易编程器可以用于FX系列FX2、FX0、FXON、FX2C型PLC，也可以通过FX-20P-E-FKIT转换器用于F1和F2系列PLC。

FX-20P-E和一般编程器一样，有在线编程器和离线编程器两种方式。

在线编程也叫联机编程。

编程器和FX系列型PLC直接相联。

简易编程器对PLC用户程序存储器直接操作。

在写入程序时，若未在PLC内装上EEPROM卡盒时，程序就会写入PLC内部的RAM；若PLC装有EEPROM卡盒时，则程序就写入该存储器卡盒。

离线编程方式，编制的程序先写入编程器内部的RAM中，在成批的传送到PLC的存储器，也可以在编程器和ROM写入器之间进行程序传送。

2.简易编程器

FX系列的简易编程器也有很多种，功能也有差异，这里以有代表性的FX-20P-E简易编程器为例，介绍其结构、组成和编程操作。

（1）FX-20P-E的结构

FX-20P-E简易编程器由液晶显示屏、ROM写入器接口、存储器卡盒的接口及由功能键、指令键、元件符号键、数字键等键盘组成。

简易编程器配有专用电缆与PLC主机连接。

主机的系列不同，电缆型号也不同。

还有系统存储器卡盒，用于存放系统软件。

其他如ROM写入器模块和PLC存储器卡盒等为选用件。

（2）FX-20P-E的操作面板

先把键盘上各键的作用说明下：

功能键三个。

RD/WR：

读出/写入键；INS/DEL：

插入/删除键；MNT/TEST：

监视/测试键。

三个功能键都是复用键，交替起作用，按第一次时选择键左上方表示的功能，按第二次时则选择右下方表示的功能。

执行键GO：

此键用于指令的确认、执行、显示画面和检索。

清除键CLEAR：

如在按执行键前按此键，则清除键入的数据。

该键也可以用于清除显示屏上的错误信息或恢复原来的画面。

其它键OTHER：

在任何状态下按此键，将显示项目方式单菜单。

安装ROM写入模块时，在脱机方式项目单上进行项目选择。

辅助键HELP：

显示应用命令一览表。

监视时，进行十进制和十六进制数的转换。

空格键SP：

在输入时，用此键指定元件号和常数。

步序键STEP：

设定步序号时按此键。

两个光标键↑、↓：

用该键移动光标和提示符，指定已指定元件前一个或后一个地址号的元件，做行滚动。

指令键、元件符号键、数字键：

这些都是复用键。

每个键的上面为指令符号，下面为元件符号或者数字。

上、下的功能是根据当前所执行的操作自动进行切换，其中下面的元件符号Z/V、K/H、P/I又是交替起作用，反复按键时，互相切换。

指令键共有26个，操作起来方便、直观。

3.3.2MELSEC-F/FX系统编程软件

三菱FX2N、FX0N可编程序控制器的功能比较强大，可分为基本指令、步进梯形指令、应用指令。

该可编程序控制器是由电源+CPU＋输入输出+程序存储器（RAM）的单元型可编程序控制器。

其主机称为基本单元，为主机备有可扩展其输入输出点的“扩展单元（电源+I/O）”和“扩展模块（I/O）”，此外，还可连接扩展设备,用于特殊控制。

3.3.3安装FXGP-WIN-C编程软件

将存有MELSEC-F/FX系统编程软件的软盘插入软驱，在WINDOWS条件下起动安装进入MELSEC-F/FX系统，选择FXGP-WIN-C文件双击鼠标左键，出现如下界面方可进入编程，如图3-1所示。

图3-1

3.3.4FXGP-WIN-C编程软件的应用

FXGP-WIN-C编程软件的界面介绍见图3-2。

图3-2

界面包含：

a.当前编程文件名,例如标题栏中的文件名untit101

b.菜单:

文件（F）、编辑（E）、工具（T）、PLC、遥控（R）、监控/测试（M）等等。

c.快捷功能键:

保存、打印、剪切、转换、元件名查、指令查、触点/线圈查、刷新等等。

d.当前编程工作区:

编辑用指令（梯形图）形式表示的程序。

e.当前编程方式:

梯形图。

f.状态栏:

梯形图。

g.快捷指令:

F5常开、F6常闭、F7输入元件、F8输入指令等等。

h.功能图:

常开、常闭、输入元件、输入指令等等。

菜单操作：

FXGP-WIN-C（以下统一用简称FXGP）的各种操作主要靠菜单来选择，当文件处于编辑状态时，用鼠标点击想要选择的菜单项，如果该菜单项还有子菜单，鼠标下移，根据要求选择子菜单项，如果该菜单项没有下级子菜单，则该菜单项就是一个操作命令，单击即执行命令。

3.3.5设置编辑文件的路径

首先应该设置文件路径，所有用户文件都在该路径下存取。

假设D：

\PLC*设置为文件存取路径。

操作步骤：

首先打开Windows界面进入“我的电脑”，选中D盘，新建一个文件夹，取名为[PLC1]确认，然后进入FXGP编程软件。

3.3.6编辑文件的正确进入及存取

正确路径确定后，可以开始进入编程﹑存取状态。

1、假设首次程序设计：

首先打开FXGP编程软件，点击〈文件〉子菜单〈新文件〉或点击常用工具栏

弹出[PLC类型设置]对话框，供选择机型。

本实验指导书提供的为FXON、FX2N二种机型，实验使用时，根据实际确定机型，若FX2N即选中FX2N，然后[确认]，就可马上进入编辑程序状态。

注意这时编程软件会自动生成一个〈SWOPC-FXGP/WIN-C-UNTIT***〉文件名，在这个文件名下可编辑程序。

2、文件完成编辑后进行保存:

点击〈文件〉子菜单〈另存为〉，弹出[FileSaveAs]对话框，在“文件名”中能见到自动生成的SWOPC-FXGP/WIN-C-UNTIT***〉文件名，这是编辑文件用的通用名，在保存文件时可以使用，但我们建议一般不使用此类文件名，以避免出错。

而在“文件名”框中输入一个带有（保存文件类型）特征的文件名。

保存文件类型特征有三个：

（1）WinFiles（*.pmw）；

（2）DosFiles（*.pmc）；

（3）AllFiles（*.*）。

一般类型选第一种，例：

先擦去自动生成的“文件名”，然后在“文件名”框中输入（ABC.pmw）、（555.pmw）、（新潮.pmw）等等。

有了文件名，单击“确定”键，弹出“另存为”对话框，在“文件题头名”框中输入一个自己认可的名字，单击“确定”键，完成文件保存。

注：

如果点击工具栏中“保存”按键只是在同名下保存文件。

3、打开已经存在的文件:

首先点击编程软件FXGP-WIN-C，在主菜单〈文件〉下选中〈打开〉弹出[FileOpen]对话框，选择正确的驱动器、文件类型和文件名，单击“确定”键即可进入以前编辑的程序。

3.3.7文件程序编辑

当正确进入FXGP编程系统后，文件程序的编辑可用二种编辑状态形式：

1.指令表编辑

“指令表”编辑状态，可以用指令表形式编辑一般程序。

“指令表”程序编辑结束后，应该进行程序检查，FXGP能提供自检，单击[选项]下拉子菜单，选中[程序检查]弹出[程序检查]对话框，根据提示，可以检查是否有语法错误，电路错误以及双线圈检验。

检查无误可以进行下一步的操作〈传送〉、〈运行〉。

2.梯形图编辑

梯形图编辑状态，可以用梯形图形式编辑程序。

“梯形图”程序编辑结束后，应该进行程序检查，FXGP能提供自检，单击[选项]下拉子菜单，选中[程序检查]弹出[程序检查]对话框，根据提示可以检查是否有语法错误，电路错误以及双线圈检验。

进行下一步<转换>、<传送>、<运行>。

注意：

“梯形图”编辑程序必须经过“转换”成指令表格式才能被PLC认可运行。

但有时输入的梯形图无法将其转换为指令格式。

梯形图转换成指令表格式的操作用鼠标点击快捷功能键:

转换或者点击工具栏的下拉菜单〈转换〉，梯形图和指令表编程比较：

梯形图编程比较简单、明了，接近电路图，所以一般PLC程序都用梯形图来编辑，然后，转换成指令表，下载运行。

3.3.8设置通讯口参数

在FXGP中将程序编辑完成后和PLC通讯前，应设置通讯口的参数。

如果只是编辑程序，不和PLC通讯