基于PLC原料自动分选系统控制部分的设计.docx

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基于PLC原料自动分选系统控制部分的设计

目录

摘要…………………………………………………………………………………………1

关键词………………………………………………………………………………………1

1前言………………………………………………………………………………………1

2设计内容…………………………………………………………………………………2

3整体方案的确定…………………………………………………………………………2

3.1初步方案…………………………………………………………………………2

3.2方案的确定………………………………………………………………………3

3.3电动机的选择……………………………………………………………………4

4继电接触器控制部分……………………………………………………………………4

4.1继电器控制的特点………………………………………………………………4

4.2主回路……………………………………………………………………………6

4.3控制回路…………………………………………………………………………6

5PLC控制部分……………………………………………………………………………6

5.1PLC的选型………………………………………………………………………6

5.2PLCI/O接口机电路设计………………………………………………………8

5.3PLC程序设计……………………………………………………………………10

5.3.1PLC程序设计说明………………………………………………………10

5.3.2PLC程序的编写…………………………………………………………11

6元器件的选择…………………………………………………………………………11

6.1接触器的选择…………………………………………………………………11

6.2热继电器的选择………………………………………………………………12

6.3时间继电器的选择……………………………………………………………13

6.4熔断器的选择…………………………………………………………………13

6.5断路器的选择…………………………………………………………………14

6.6控制按钮的选择………………………………………………………………15

6.7行程开关的选择………………………………………………………………15

7结论……………………………………………………………………………………15

参考文献……………………………………………………………………………………16

致谢…………………………………………………………………………………………17

附录…………………………………………………………………………………………18

附录1元器件明细表

基于PLC原料自动分选系统控制部分的设计

学生:

张炎军

指导老师:

蔡培中

（湖南农业大学东方学院,长沙410128）

摘要:

本文介绍了PLC在原料分选系统方面的发展及应用。

基于PLC的原料自动分选系统的控制部分的设计，主要是在8至10min内将苹果、土豆等原材料自动输送并按大小分为三级（按同时处理250kg设计）。

并且采用手动和自动控制方式。

关键词:

PLC；手动；自动分选

DesignofAutomaticControlPartOfPLC-basedRawMaterialsSortingSystem

Student：

ZhangYanjun

Tutor：

CaiPeizhong

（OrientalScience＆TechnologyCollegeofHunanAgriculturalUniversity,Changsha410128）

Abstract:

This article introduces the development and application of the PLC material sorting systems . The design of controlling systems of PLC-based automatic sorting of raw materials , mainly  making apples, potatoes and other raw materials automatic transferred, and dividing them into three levels according to their sizes within 8 to 10minutes （at the same time dealing with 250kg design）. And with manual and automatic  controlling ways. 

Keywords：

PLC;Manual;AutomaticSorting

1前言

原料自动分选系统的作用正日益为人们所认识并应用到各行各业中,而基于PLC的原料自动分选系统,不仅可以降低人工拣取搬运的劳动强度,提高劳动生产率,还能达到生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送。

加快了实现工业生产机械化和自动化的步伐。

受到各先进单位的重视并投入了大量的人力物力加以研究和应用。

尤其在高温、高压、粉尘、噪声的场合，应用得更为广泛。

在我国，近代几年来也有较快的发展，并取得一定的成果。

世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备（DEC）研制的。

20世纪80年代初，可编程控制器在先进的工业国家中已获得广泛应用。

我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产ahi伴随着改革开放开始的。

20世纪90年代以前，国内外对原料自动分选系统的研究也主要集中于工业，尤其是矿业。

各种选矿机、选煤机以及在煤冶炼过程中用到的选碳机等等技术都在此时达到了几经成熟的阶段。

60年代初，为解决难选和极难选煤的分选，我国陈清如院士研究开发了用于末煤分选的重介质旋流器并主持建立了中国首座末煤重介质旋流器选煤厂，指导设计了中国首台筛下空气式跳汰机。

这两项科技成果至今是我国选煤的主要工艺和设备，为我国选煤工业做出了重大贡献。

目前的分选技术，除了可以从外型大小上去分选原料之外，还可以分别对原料进行品质、颜色、优劣等多方面进行分选。

分选技术用于农业产品方面主要是在20世纪90年代。

我国哈尔滨长日圆葱研究所于2004年4月开发洋葱于柑橘类分级兼用的FK-56大型洋葱分选机。

它可以达到5吨/小时的分选速度。

我国龙口市机械厂也自主研发了大型苹果自动风选机。

从此可以看出，以后基于PLC的原料自动分选系统将得到更广泛的应用。

2设计内容

将苹果、土豆等圆形原材料自动输送并按大小分为三级（按同时处理250kg设计）。

电气控制采用自动控制（采用PLC控制）和手动控制（采用继电接触器控制，作为备用）。

电动机选择；继电接触器控制系统设计及元器件选择；PLC选型及硬件系统设计、PLC软件设计。

基于PLC的原料自动分选系统控制部分的设计，主要是在8至10min苹果、土豆等原材料自动输送并按大小分为三级（按同时处理250kg设计）。

并且采用手动和自动两种相互独立的控制方式。

现在能同时实现手动和自动独立控制的分选还比较少。

一般的分选都是通过机械手、电磁分离器等来实现的，而空过筛孔直径的大小而使对农产品达到大、中、小三级分选的系统也不多见。

这就是本次设计所涉及的两个问题。

3整体方案的确定

3.1初步方案

方案1通过机械手拣取

整体思路:

让原料通过小型自动重量测量仪。

当苹果或土豆由输送带上经过重量测量仪时，仪器自动称其重量，将所测重量与系统设定的三级重量范围比较，将比较结果信息进行处理，使机械手拣取原料放入三个不同的仓中。

方案2通过筛子筛选

整体思路：

当原料由进料仓进来时，通过皮带轮的传输送到1号筛子，通过筛选后筛上的经皮带轮送到1号货仓，筛下的经皮带轮送到2号筛子再次经过筛选，此时筛上的由皮带轮送到2号货仓，筛下的由皮带轮送到3号货仓，从而达到将苹果进行大、中、小三级分选的目的。

其中整个过程的控制由PLC自动控制和继电接触器手动控制两种方式。

3.2方案的确定

通过比较，方案1的重量测量仪与输送带布置不便，占地面积较方案2大，同时由于原料的处理是一个一个进行的，这样效率就比较低，且方案1中采用机械手拣取，对机械手的控制系统精度要求较高，同时对像苹果，土豆这样的材料表面还可能产生破坏，综合考虑采用方案2。

本次设计主要是针对原料分选系统的PLC控制部分，因此机械部分就只画了一个简单的示意图。

在此仅简单介绍其工作原理，如图1。

根据设计要求，系统采用继电器手动控制和PLC自动控制两个控制回路，两个控制回路相互独立，共用一个主回路。

主回路分别有驱动设备的10台电动机组成，采用熔断器短路保护、热继电器过电流保护和具有断相功能的断路器保护三种方式。

继电接触器控制回路由时间继电器和行程开关来实现控制要求，并同时进行熔断器保护和热继电器双重保护。

PLC自动控制回路主要是利用PLC的自动扫描功能实现系统的自动化控制要求。

根据工艺及系统设计要求：

系统启动时按逆料流方向延时10s的方式，停止时由顺料流方向也按延时10s的方式。

具体数据如下：

1号筛：

按250kg/8-10min设计，下设一凸轮机构，筛完时将筛上的原料由一侧倒出。

2号筛：

按200kg/8-10min设计，下设一凸轮机构，筛完时将筛上的原料由一侧倒出。

凸轮机构：

由行程开关控制，弧形运动轨迹，翻转角度设定为45度

储料仓：

设一活动底板，并在壁上加装一个感应片，进行重量监测，当仓内原料达到最大值时就自动报警同时停止前面皮带轮送料。

图1机械系统示意图

Fig1MechanicalSystemMap

3.3电动机的选择

3.3.1皮带轮电机

长时间工作，选用Y系列三相异步电机

假设300kg（任务书要求为250kg）苹果同时通过皮带（L=10m，r=0.1m），皮带运行线速度假定要求为V=1m/s，皮带电机其所需功率为：

P=w/t=mgl/t=mgv=300*10*1=3000wW=v/r=10rad/s=95.5r/min

选择Y132S-6型电机，额定功率3kw，满载转速960r/min

3.3.2储料斗电机及筛子电机

由于是短时工作制，所以选择冶金及起重用三相异步电动机

是用来驱动各种型式的起重设备和其它设备中的辅助机械的专用系列产品.它具有较大的过载能力和较高的机械强度,特别适用于短时或断续周期运行、频繁启动和制动、有时过负载及有显著的震动与冲击的设备。

假设所转速为10r/min，储料斗（筛子）长为5m

所需转矩T=GL=mgL=300*10*2.5=7500

P=T*N/9550=7500*10/9550=7.9kw

选择YZR160M2-6，断续周期工作制S3（6次/小时），其额定功率为11KW，转速908r/min。

4继电接触器控制部分

4.1继电器控制的特点

继电器我们生活中常用的一种控制设备，通俗的意义上来说就是开关，在条件满足的情况下关闭或者开启。

继电器的开关特性在很多的控制系统尤其是离散的控制系统中得到广泛的应用。

从另一个角度来说，由于为某一个用途设计使用的电子电路，最终或多或少都需要和某一些机械设备相交互，所以继电器也起到电子设备和机械设备的接口作用。

最常见的继电器要数热继电器，通常使用的热继电器适用于交流50Hz、60Hz、额定电压至660V、额定电流至80A的电路中，供交流电动机的过载保护用。

它具有差动机构和温度补偿环节，可与特定的交流接触器插接安装。

时间继电器也是很常用的一种继电器，它的作用是作延时元件，通常它可在交流50Hz、60Hz、电压至380V、直流至220V的控制电路中作延时元件，按预定的时间接通或分断电路。

可广泛应用于电力拖动系统，自动程序控制系统及在各种生产工艺过程的自动控制系统中起时间控制作用。

除了传统的继电器之外，继电器的技术还应用在其他的方面，比如说电机智能保护器是根据三相交流电动机的工作原理，分析导致电动机损坏的主要原因研制的，它是一种设计独特，工作可靠的多功能保护器，在故障出现时，能及时切断电源，便于实现电机的检修与维护，该产品具有缺相保护，短路、过载保护功能，适用于各类交流电动机，开关柜，配电箱等电器设备的安全保护和限电控制。

该技术安装尺寸、接线方式、电流调整与同型号的双金属片式热继电器相同。

是直接代替双金属片式热继电器的更新换代的先进电子产品。

而其真正的原理还是继电器技术。

继电器技术发展到现在，已经和计算机技术结合起来，产生了可编程控制器的技术。

可编程控制器简称作PLC。

它是将微电脑技术直接用于自动控制的先进装置。

它具有可靠性高，抗干扰性强，功能齐全，体积小，灵活可扩，软件直接、简单，维护方便，外形美观等优点；以往继电器控制的电梯有几百个触点控制电梯的运行。

有一个触点接触不良，就会引起故障，维修也相当麻烦，而PLC控制器内部有几百个固态继电器，几十个定时器/计数器，具备停电记忆功能，输入输出采用光电隔离，控制系统故障仅为继电器控制方式的10%。

正因为如此，家有关部门已明文规定从97年起新产电梯不得使用继电器控制电梯，改用PLC微电脑控制电梯。

4.2主回路

继电接触器控制主回路由10台电动机及其控制与保护电器组成.分别进行熔断器保护和具有断相功能的断路器保护.

4.3控制回路

继电接触器手动控制回路控制原理为:

系统在开启时,由操作工人人为的实现启动时逆料流方向，停止时顺料流方向，具体为：

启动时先启动5号和4号皮带轮，10s后再启动3号和2号皮带轮,10s后再启动1号皮带轮；停止时，先停止1号皮带轮，10s后再停止2号和3号皮带轮，10s后再停止4号和5号皮带轮。

储料仓活动底板的开与关也由操作工人来控制。

1号筛和2号筛的8min筛选时间由时间继电器控制。

当一次筛选完成时，有操作工人按下凸轮机构的动作按钮，凸轮机构的2min动作时间主要是由机械部分设计是设定的，这取决于它的动作速度。

两个凸轮机构的往复运动由行程开关控制。

由于继电器控制电路的条件有限，因此，系统的手动控制部分要求操作工人熟练掌握系统的启动和停止顺序，并同时非常熟悉筛选过程中设备动作的协调性和动作的先后性。

5PLC控制部分

5.1PLC的选型

在满足控制要求的前提下，选型时应选择最佳的性能价格比，具体考虑以下几点。

性能与任务相适应

对于开关量控制系统的应用系统，当对控制要求不高时，可选用小型PLC（如西门子公司S7-200系列PLC或OMON公司系列CPM1A/CPM2A型PLC）就能满足要求，如对小型泵的顺序控制、单台机械的自动控制等。

对于以开关量控制为主，带有部分模拟量控制的应用系统，如对工业生产中常遇到的温度、压力、流量、液位等连续量的控制，应选用带有A/D转换的模拟量输入模块和带有D/A转换的模拟量输出模块，配接相应的传感器、变送器和驱动装置，并且选择运算功能较强的中小型PLC，如西门子公司的S7-300系列PLC或OMRON公司的COM/CQM1H型PLC。

对于比较复杂的中大型控制系统，可选用中大型PLC（如西门子公司的S7-400系列PLC或OMRON公司的C200HE/C200HG/C200HX、CV/CVM1等PLC）。

当系统的各个控制对象分布在不同的地域时，应根据各部分的具体要求来选择PLC，一组成一个分布式的控制系统。

PLC的处理速度应满足时实控制的要求

PLC工作时，从输入信号控制存在着滞后现象，即输入量的变化，一般要在1～2个扫描周期之后才能反映到输出端，这对于一般工业控制是允许的。

但有些设备的实时性要求教高，不允许有教大的滞后时间。

例如，PLC的I/O点数在几十到几千点范围内，这时用户应用程序的长短对系统的响应速度会有较大的差别。

滞后时间应控制在几十毫秒之内，应小于普通继电器的动作时间。

PLC应用系统结构合理、机型系列应统一

PLC的结构分为整体式和模块式两种。

整体式结构把PLC的I/O和CPU放在一块电路板上，省去插接环节，体积小，每一I/O点的平均价格比模块式的便宜，适用于工艺过程比较稳定、控制要求比较简单的系统。

模块式PLC的功能扩展，I/O点数的增减，输入与输出点数的比例，都比整体式灵活。

维修更换模块、判断与处理故障快方便，适用于工艺过程变化教多、控制要求复杂的系统。

在使用时，应按实际具体情况进行选择。

结合以上几点，在设计基于PLC的原料自动分选系统控制部分的设计中用的PLC的型号选为FX2N系列的可编程控制器，FX2N系列的PLC采用一体化箱体结构，其基本单元将所有的电路，含CPU、储存器、输入输出接口及电源等都装在一个模块内，是一个完整的控制装置。

这样结构紧凑，体积小巧，成本低，安装方便。

FX2N系列PLCFX2N系列基本单元的输入输出比为1：

1。

为了实现输入输出点数的灵活配置及功能的灵活扩展，FX2N系列PLC还配有扩展单元、扩展模块及特殊功能单元。

FX2N系列PLC都是同宽同高不同长度的模块，这样几个模块拼装起来后就成了一个整齐的长方形结构。

根据输入和输出点的需要，即选择FX2N—48MR-001的PLC。

FX2N—48MR-001拥有24点输入、24点输出，在本系统中采用了20点输入、16点输出。

FX2N是FX系列中功能最强、速度最高的微型PLC。

下面来具体比较一下FX1S、FX1N、FX2N和FX2NC的性能，如下表所示

表1FX1S、FX1N、FX2N和FX2NC的性能比较

Table1ThePerformanceComparisonofFX1S，FX1N，FX2NandFX2NC

型号I/O总点数用户程序步数应用指令通信功能基本指令执行时间

FX1S10-302K步85条较强0.55-0.7微秒

EEPROM

FX1N14-1288K步89条强0.55-0.7微秒

EEPROM

FX2N16-256内置8K步

和RAM，最大128条最强0.08微秒

FX2N16K步

表2FX2N输入技术指标

Table2TheimportationSpecificationsofFX2N

输入输入电流输入ON电流输入OFF电流输入阻抗输入输入

电压X000X010X000X010X000X010X000X010隔离响应

-X007以内-X007以内-X007以内-X007以内时间

DC24V7mA5mA4.5mA3.5mA≤≤3.34.3光电

1.5mA1.5mA千欧千欧绝缘0-60ms

表3FX2N输出技术指标

Table3TheOutputSpecificationsofFX2N

项目继电器输出晶闸管输出晶体管输出

外部电源AC250V，DC30V以下AC85-240VDC5-30V

最电阻负载2A/1点；8A/4点共享；0.3A/1点0.5A/1点

大8A/8点共享0.8A/4点0.8A/4点

负感性负载80V·A15V·A/AC100V12W/DC24V

载30V·A/AC200V

等负载100W30W1.5W/DC24V

开路漏电流1mA/AC100V0.1mA以下/DC30V

2mA/AC100V

响应OFF到ON约10ms1ms以下0.2ms以下

时间ON到OFF约10ms最大10ms0.2ms以下

电路隔离机械隔离光电晶闸管隔离光电耦合器隔离

动作显示继电器通电时光电晶闸管驱动时光电耦合器驱动时

LED等亮LED等亮LED等亮

5.2PLCI/O接口机电路设计

根据输入电器和输出电器的数量，再考虑其报警控制，最终确定PLC的输入、输出点数：

20点输入，16点输出。

如下图2PLC控制原理图所示，PLC电路设计思路如下：

PLC输入端电源采用DC+24V，输出端电源接用AC220V。

X000设为系统的总启动按钮，

X001设为系统的总停止按钮，

X002设为系统的急停按钮，

X003设为系统控制方式的自动和手动的转换输入，

X010设为进料仓低料位报警，

X011设为储料仓高料位报警，

X012设为系统的运行指示灯，

X013设为1号皮带轮的输入，

X014设为2号皮带轮的输入，

X015设为3号皮带轮的输入，

X016设为4号皮带轮的输入，

X017设为5号皮带轮的输入，

X020设为1号筛子的输入，

X021设为2号筛子的输入，

X022设为储料仓正向输入，

X023设为储料仓反向输入，

X024设为凸轮机构1正向输入，

X025设为凸轮机构1反向输入，

X026设为凸轮机构2正向输入，

X027设为凸轮机构2反向输入，

PLC输出端电路设计:

Y000设为故障报警灯输出

Y001设为料位报警输出

Y002设为系统运行指示灯

Y003设为1号皮带轮输出

Y004设为1号筛子输出

Y005设为2号皮带轮输出

Y006设为2号筛子输出

Y007设为出料斗正向输出

Y010设为出料斗反向输出

Y011设为凸轮机构1的正向输出

Y012设为凸轮机构1的反向输出

Y013设为凸轮机构2的正向输出

Y014设为凸轮机构2的反向输出

图2PLC控制原理图

Fig2PLCcontroldiagram

5.3PLC程序设计

5.3.1PLC程序设计说明

在本系统中，PLC程序所要实现的动作：

1．5个皮带轮在系统启动和停止时的逆料流方向延时10s启动和顺料流方向延时10s停止；

2.两个筛子的筛选过程，以及与此配合一体的两个凸轮机构的运动；

3.储料仓活动底板的周期性来回往复运动，以及这三者之间的配合协调。

5.3.2PLC程序的编写

PLC的程序设计思路：

首先对系统进行启动——保护——停止电路的设计，之后再考虑储料仓、1号筛，2号筛的控制电路。

针对供料系统的启停控制要求，分别进行控制的实现逻辑控制。

按照工艺要求，各单体设备是按照逆料流顺序启动的，其启动的间隔时间设定为固定的10s；而在停止时，则是按照顺料流顺序依次停止各单体设备，其停止时间间隔设为固定的10s。

因此采用10s为间隔的脉冲发生器单元来实现启动停止时间的计数单元功能功能控制。

首先分析启动过程的控制:

按照以固定时间间隔启动的要求，设计在得到启动信号后，启动脉冲发生器，并同时对脉冲进行计数。

启动信号来时，先同时启动5号和4号皮带轮，计数器值为1时，启动3号和2号皮带轮，计数器值为2时,启动一号皮带轮,与此同时复位计数器并停止脉冲发生器，完成系统启动过程控制。

对于停止过程，基本的实现思路相同。

得到停车信号后，启动脉冲发生器和计数器。

停止信号来时，先停止1号皮带轮，计数器值为1时停止2号和3号皮带轮，计数器为2时停止4号和5号轮,这样就实现了对整个系统的顺料流停止。

对于储料仓、1号筛和2号筛的控制也主要是通过脉冲计数器来实现周期性运动的。

储料仓活动底板的关闭时间设定为10min，其中包括活动底板从开始运动，到地板最终关闭过程。

1号筛和2号筛的筛选时间均设为8min，停止时间为2min，以10min为一个周期。

具体见软件流程图。

6元器件的选择

6.1接触器的选择

接触器是一种用于远距离频繁的接通和分断交,直流主电路和大容量控制电路的电器.还具有低电压释放保护功能、使用安全方便等优点，主要用于控制交流