基于PLC自动加料机控制系统设计.docx

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基于PLC自动加料机控制系统设计

基于PLC自动加料机控制系统设计

毕业设计（论文）报告题目基于PLC自动加料机控制系统设计学院江苏信息职业技术学院专业电气自动化班级自动化171学生姓名蒋一鸣学号1702783130指导教师汪倩倩年月毕业论文（设计）承诺书本人郑重承诺：

 1、本论文（设计）是在指导教师的指导下，查阅相关文献，进行分析研究，独立撰写而成的。

2、本论文（设计）中，所有实验、数据和有关材料均是真实的。

3、本论文（设计）中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或机构已经撰写发表过的研究成果。

4、本论文（设计）如有剽窃他人研究成果的情况，一切后果自负。

在每次点火之前，锅炉必须在炉内均匀地覆盖0至13毫米的底部材料。

底部材料主要是锅炉炉渣过滤后的筛材。

自循环流化床锅炉开始投入运行以来，发电厂一直采用人工装载基料的方式进行手工包装，然后由人将袋装物料运输到高约3.5米的锅炉中。

这种方式导致工作效率很低，在整个运输过程中，底料也会不可避免的产生飞尘污染环境，危害工人的身体健康[1]。

为了解决上述问题，本文设计了循环流化床锅炉自动给料系统，根据系统的技术需求，进行了设备的选型，并且有机的结合了可编程控制器和继电器技术，对系统实现了全自动化控制。

本章主要介绍了自动上底料系统设计的研究背景和意义，在分析了目前所使用的国产75T/h循环流化床锅炉自动上底料系统的技术需求的基础上，提出了当前课题的研究内容。

1自动化控制概述1.1自动化控制的研究内容自动化控制可以直接实现预期的目标，在整个工作过程中不需要人工操作或者只需要少数人参与进来。

整个控制过程由机械设备或系统直接完成，从而可以实现生产或管理的目标。

随着社会的进步和科技的发展，自动化已经得到了越来越广泛的应用，逐渐渗透在了生活的方方面面。

而这些自动化技术的逐步完善也很好的提高了劳动生产率，改善了工人的工作环境，减少了生产过程对于环境的污染。

机械设备、系统和生产管理过程中，自动化控制直接根据人们的需求进行信息检测，自动化处理，分析，判断和运行控制，而不需要人工或者只需要几个人直接参与来实现目标。

自动化技术广泛的应用于各个领域，主要包括工农商业，军事保护，医学研究，交通运输，生产生活的各个方面。

自动化技术的发展在很大程度上扩大了人体各个器官的功能，并且逐步使人们摆脱沉重的体力劳动或者复杂的脑力劳动，改善了过去人们工作的恶劣环境[2]。

自动化在生产生活中的应用改善了人们的思维方式，提高了人们认识世界改造世界的能力。

因此可以说，自动化是现代社会进步的重要标志，也是科技、国防、工业、国家发展的重要标准。

从一个国家自动化程度的发展就可以看出国家的发展。

1.2自动化控制的研究现状自动化控制的发展是一个漫长的动态过程，他并非一直是静止不前的。

过去人们所理解的自动化，只是通过机械的动作而不是人为的劳动来实现自动化目标或综合特定的自动化任务，而实质上这只是手工劳动，并不是代替人类劳动的想法。

随着现代社会经济和科技的发展，计算机得到越来越广泛的应用，信息技术也得到了突飞猛跃的发展，现代的自动化技术已经不仅仅是可以代替简单的人类劳动。

结合与计算机技术，现在的自动化已经可以实现使用机器，或者特定的计算机指令来代替或者协助人类脑力的劳动，从而真正的实现自动化。

1.3自动化控制的发展趋势自动化控制目前正朝着更先进、更稳定、更可靠的方向发展，同时自动化生产线所面对的工艺也具有更高强度，更具有设计性的特点。

在机械制造业，自动化铸造、冲压、热处理、焊接、切割、装配都已经实现了自动化，并且可以实现综合的自动化生产线，包括钢坯制造、加工、装配、检验、包装等各种工艺。

自动化生产线的发展可以提高劳动生产率、提高产品的质量、提高整个生产工艺过程的稳定性，同时也有助于改善生产环境，保护员工的身体健康和防止周围的环境污染。

2自动上底料系统的设计方案2.1需求分析某煤矿火电厂共装备有两台循环流化床锅炉。

在生产过程中，两台锅炉均采用刮板运输机运输。

通过分析，循环流化床自动装卸系统可以充分利用刮板输送机作为将底部物料放置到锅炉底部的设备。

因此，只要底部材料可以从地面传送到刮板输送机，自动上底料系统就可以实现自动装载过程。

要求设计一台锅炉自动上底料系统，主要的设备有刮板运输机，斗式提升机，螺旋给料机，料仓四部分[5]。

所有的操作和控制都在主控室进行，每一个设备上都有启动和停止按钮，以及一个为PLC提供输入信号的开关。

上底料系统的的控制方式采用自动连锁和手动独立两种方式。

在煤炭开始或停止供应时，每台设备都遵循一定的顺序进行启动或者停止，同时在设备启动停止过程中设置合理的时间间隔。

启动时间隔时间设置为十二秒，停止时的要求根据不同的设备确定，分为十秒，二十秒，三十秒三种。

这样就可以确定停车之后各种设备中没有剩余的煤炭。

在实际运行过程中，当有一台设备发生故障的时候也要及时的报警并且停车，停车顺序从前往后，进给方向也就是前方的设备立即停止，后面的设备按照一定的延迟顺序连锁停车。

停车之后可以选择启用备用设备，特殊情况下也可以选择两台设备交叉供电这个时候也要能显示每个设备的运行及装载情况，出现问题时及时报警并停车。

2.2系统机械本体设计方案通过现场测量，锅炉刮板运输机要安装在离地面高度7米的工作平台上。

因此，自动化的上底料系统需要提升装置将底部材料输送到工作平台，然后通过相应的设备将底部材料从提升器位置输送。

通过对现有运输设备的研究，考虑物料运输过程中存在的粉尘污染，可使用斗式提升机将底部物料从地面提升至工作平台，然后将底部材料通过埋式刮板输送机运输。

在整个运输过程中，底部物料在密闭空间输送，因此大大降低了运输过程中的扬尘污染。

在地面上设计安装一个底料仓，然后将经过粉碎筛选后的底料通过叉车等存储在底料仓中。

为了实现斗式提升机的自动装载，结合底部物料的特点，螺旋给料机可以用来将底部料仓出口排出的底部物料输送到斗式提升机。

通过以上分析可以确定，火电厂所使用的循环流化床锅炉自动上底料系统主要有四部分组成，包括埋式刮板机、斗式提升机、螺旋给料机和料仓。

最终的底料通过埋式刮板输送机分配到炉前刮板机上进行自动加料，每台设备都采用埋式或箱式密封，这样可以很大的减少运输过程中对环境的污染，也可以保护工人的身体健康，提高周围的环境质量。

设计方案如图2-1所示。

1.进料平台2.料斗棚3.斗式提升机4.平台5.防雨棚6.爬梯7.埋式刮板机8.三角支架9.手动顶丝闸门10.下料漏槽11.螺旋给料机图2-1自动化上底料系统设备方案埋式刮板机:

通过输送带用于在封闭的料斗中输送散装物料，输送带连接到牵引链上。

输送机运输的物料中埋着牵引链和刮板,刮刀只占槽的横截面的一部分,材料占大多数的通道截面，可以水平,倾斜和垂直输送物料,在水平刮板输送中使用扁条的刮刀,松散材料可以随着刮板一起向前移动是由于，埋入材料中的链条和刮板的松散材料层之间存在着切割力，而这个切割力又大于凹槽壁松散材料阻力。

此时的材料层高度和凹槽宽度的比值在一定范围内，因此材料也可以稳定地流动。

斗式提升机:

通常用于各种物料的垂直输送。

斗提机可按牵引式分为带式、环型和板式。

考虑到国内经济水平、技术能力水平，以及结合自身使用习惯，国内的用户大多使用环链和带斗式提升机。

随着使用用户数量的增加，这两种斗提机的技术发展受到越来越高的重视。

高品质合金钢高圆链用于牵引组件，链轮具有可更换轮辋总成结构，使用寿命长，易更换。

为了避免出现滑移或者脱落现象，提升机的下部安装有重力装置，这个装置能够保持一定的张力，使斗提机可以自动张紧。

为了避免意外情况发生时对于斗提机的影响，料斗设计的具有一定的耐受性，发生故障时可以有效地保护零部件。

斗式升降机适用于输送粉状、粒状、小块状、体积密度小于1.5吨/立方米的粉类研磨材料，如煤、砾石、水泥、砂粒、颗粒、肥料等。

TH型斗式提升机适用于各种材料的垂直传送,适合各种粉末、颗粒状和小块状材料,材料温度低于250°C在同一时间。

螺旋给料机:

俗称“蛟龙”，是一种广泛应用于矿产、饲料、粮食、石油、建筑等行业的运输设备，适用于垂直、水平、倾斜输送各种颗粒状、粉末状、小批量的物料。

运输的距离为两米至七十米不等，具体的尺寸可以根据要求进行定制。

螺旋给料机的结构简单新颖，维修保养方便，密封性能好，各种操作指标也非常先进，因此非常适用于各种工艺设备。

外部还配有防尘罩装置，在工作的过程中也能有效的保护环境和工人的身体健康。

2.3控制系统设计方案随着现代社会经济和科学技术的发展，对工业自动化的要求也越来越高，传统的燃煤系统只能通过控制操作面板来实现目标，这种燃煤系统是手动的，并且基于继电器。

继电器的数量非常多，种类频繁，设备也非常陈旧，导致整个系统的故障率非常高[7]。

当有事故发生时不利于控制，严重影响了生产[14]。

而使用锅炉自动上底料系统时，以可编程控制器为系统核心，可以保证煤炭及时有序的运输，也可以保证锅炉的正常运行，在出现故障时能够自动进行检测并处理。

随着现代社会的发展和自动化技术的提高，工业锅炉的规模也在不断扩大，传动的送煤技术已经不能适应现代发展的需求，因此，研究锅炉的自动上底料系统是一个非常严重，并且极具现实意义的问题。

根据需要达到的系统自动化要求，以及埋式刮板机，斗式提升机，螺旋给料机的技术参数，工作过程中可以采用继电器控制系统或可编程控制器。

继电器控制系统的优点是价格低廉，电路设计简单，同时继电器的缺点也十分明显，继电器设备容易受外界的影响，使用寿命短，并且继电器的控制系统非常不易于维护，主要应用于早期的设备。

相比于继电器控制系统，可编程控制器具有更多的优点。

可编程控制器的环境适应性强，具有更好的性能指标，可以适应恶劣的环境。

可编程控制器以微处理器为系统核心，有机的结合了计算机技术，微电子技术，自动化技术等。

另外，可编程控制器的使用寿命也很长，便于维护保养，可以适用于多种自动化控制，比传统的继电器技术具有更好的兼容性，也区别于一般的微电脑控制系统，因此，目前工业中应用的大多数是可编程控制器系统。

除去以上介绍的优点外，可编程控制器在控制中还具有重要的作用，主要包括以下几方面：

（1） 可编程控制器具有灵活的结构，不容易受环境的影响。

只要在有电的情况下就可以进行可编程控制器的安装和设计。

在安装完成之后可以随机的改变接口的数目。

在这些因素的影响下，系统能够实现很高的工作效率，有效地防止了资源的浪费。

（2） 在传输时可编程控制器的带宽是稳定的，具有很高的传输速度，可以很流畅的在线观看DVD电影，可编程控制器能够为很多应用平台提供速度保证，主要原因在于可编程控制器可以提供高达14MPS的带宽。

（4）可编程控制器具有较低的成本。

在应用可编程控制器的时候不需要布线，可以直接利用现有的低压配电设施，有效地节省了资源。

使用可编程控制器不需要挖沟渠或者在墙上打洞，不会损坏公共设施或者地面，有效地节省了人力[8]。

和传统的控制器技术相比，可编程控制器大大降低了使用成本，并且可编程控制器的工期较短易于管理。

在带来便利性的同时也没有提高经济成本，目前接入宽带互联网的用户每月花费大约在七十元左右，这与很多地方的非对称数字用户线路也是相同的。

（5）可编程控制器的应用十分广泛。

可编程控制器以电力线作为通讯载体，为宽带用户提供最后一公里解决方案，广泛的应用于居民区，办公区，生活区等各种区域，能够为用户带来很多便利，只要房间有电源，就可以实现45MBPS高速上网冲浪，可以进行网页浏览，在线观看电影，视频拨号通话等各种功能。

实现了数据，语音，视频，电源的融合。

可编程控制器技术目前已经广泛地应用于电力电子技术和自动控制设备，这些新技术的应用提高了劳动生产率，减轻了人工的劳动强度，对产品质量的提高也有很大帮助。

而随着社会的发展及自动化控制的发展，代表现代电气技术的变频器也开始了广泛的应用。

变频机具有优良的控制特性，在实现功能的同时还能节省成本，因此变频器正起着越来越重要的作用。

变频器技术结合了计算机技术，相比于传统的技术，变频器技术能够更好地改进工艺流程，提高生产的自动化水平，实现绿色生产。

在实际的加工过程中，变频器技术的运行十分流畅，可以实现很快的运行速度，在结合了计算机技术的基础上，变频器技术的发展已经越来越快。

通过上述的比较分析可以确定，在循环流化床锅炉的设计过程中，选择可编程控制器为核心部件，从而实现控制三台变频器实现顺序启动，逆序停止。

同时也符合上底料系统自动化的要求。

根据自动化系统的生产工艺流程可以确定，启动顺序为刮板运输机、斗式提升机、螺旋给料机，停止顺序和启动顺序相反，控制系统原理图如图2-2所示。

图2-2自动化上底料系统控制原理3底料输送设备选型经过以下分析可以确定，循环流化床的三台输送设备的选型结果。

在整个进料过程中，首先需要考虑的是一次进料需要的数量。

只有计算出总量，才能确定每次进料过程中三台设备的总量，进而推算出所需设备的型号。

综合考虑各种因素可以知道，所需要的总量比上螺旋给料机上料需要的时间可以得到螺旋给料机的输送能力，确定好螺旋给料机的输送能力之后可以确定其他两台设备的型号。

为了使系统安全进行，其他两台设备的输送能力需要大于螺旋给料机的运输能力，这样才不会造成物料在其他机器上卡住，同时埋式刮板机的运输能力也要大于斗式提升机，料仓的容量要大于埋式刮板机的给料量。

其次需要考虑的是充分利用时间，尽量不要让系统有多余的工作时间，这样会造成资源的浪费，劳动生产率的降低。

根据实际情况，将设备的启动时间进行优化，从而可以充分地利用每台设备。

考虑到料斗仓结构的问题，每次送料可能会不均匀，因此设备的运输能力要大于基数。

通过统计和计算可以知道，循环流化床锅炉在每次点火之前需要铺设材料，铺设材料大约需要三个小时，共铺设8.64立方米的材料。

因此底料装载时间设置为半个小时，其中每台输送设备的运输能力都应该在20立方米/每小时之上。

在考虑了以上这些指标和每台机械设备的型号尺寸之后可以确定。

运输过程中需要的三台设备型号分别为MS250、TH250、LS250。

这些设备的具体参数可以通过设计说明书得到。

三台设备的外部都有外壳，可以有效的减少底料运输过程中对于环境造成的污染，减少了粉尘的挥发。

同时还可以很好地保护工人的身体健康。

3.1MS250埋式刮板上料机埋式刮板机的运输过程十分灵活，根据不同输送工艺的要求，他可以单机运输，也可以和其他机器组合运输，埋式刮板机在运输时可以水平或者倾斜，它通过在矩形的外壳内移动刮板链实现运输。

水平运输的情况下，刮板链条给一个压力，材料自身也有重力，这两种力的影响可以使材料在运动方向上产生一种摩擦力，摩擦力作用于刮板机的内部，从而可以保证材料各层之间的稳定性。

这种摩擦力可以克服机械运动过程中外部产生的摩擦阻力，保证了材料形成整体流，这个整体流就可以在刮板机内部进行运输。

本设计所选用的为MS250埋式刮板上料机，基本介绍如表3-1所示，MS250埋式刮板上料机的二维模型如图3-1所示，其中刮板机的长度为35米。

表3-1MS250埋式刮板上料机设备参数名称设备参数型号MS250设计长度m35输送量m3/h36-72输送距离m<80刮板形式T、U输送角度<150链速m/s0.2图3-1刮板机示意图3.2TH250斗式提升机斗式提升机安装在料斗之上，当料斗里出现底料时，斗式提升机将它提升到一定的高度。

主要是通过链条和顶轮实现，链条用于将底料传送到顶部，顶轮用于翻转，使提升机可以将底料倒入接收仓内部，从而实现运输[10]。

斗式提升机内部一般有两条平行的传送链，上边有一对传送链轮，下边有一对反向链轮，或上边有一对反向链轮，下边有一对传送链轮。

斗式提升机的外部一般有机壳，可以防止底料运输过程中粉尘的飞扬，从而减少对环境的污染。

本设计所选用的为TH250斗式提升机，基本介绍如表3-2所示。

TH250斗式提升机的二维模型如图3-2所示，其中提升机的高度为14米。

表3-2TH250斗式提升机设备参数名称设备参数型号TH250输送量m³/h3148料斗容量（l）3.04.6料斗型式ZHSH斗距（mm）500链条圆钢直径×节距（mm）14×50链条环数9斗宽mm250主链轮节圆直径（mm） 520料斗运行速度（m/s）1.2主轴转速（r/min）44.11物料上限块度（mm） 30图3-2斗提机示意图3.3LS250螺旋给料机螺旋给料机的输送物料主要是飞尘状、粒装、小块状物料，在输送时可选用水平、倾斜、竖直三种运输方案，一般运输距离在两米到七十米之间。

螺旋给料机的结构简单，设计新颖，操作维修也十分方便，因此广泛地应用于各种工业自动化。

本设计选用LS250螺旋给料机，基本介绍见表3-3。

LS250螺旋给料机的二维模型如图3-3所示，其中螺旋机的长度为3米。

表3-3LS250螺旋给料机设备参数名称设备参数规格型号250螺距250螺旋直径250n-转速r/min90Q-输送量m³/h22n71Q18n56Q14n45Q11图3-3螺旋机示意图4系统硬件设计4.1PLC选型随着现代社会科技和自动化水平的发展，市场上出现了越来越多PLC产品，可编程控制可以实现的功能也越来越完善。

在进行系统硬件设计，合理的选择PLC产品的型号也是非常重要的，选择合理可以提高整个控制系统的技术指标，既可以满足当前控制系统的需求，同时还可以满足未来发展的需要。

在选择PLC产品时，如果能够合理的考虑到以上情况，一旦未来需要来扩展内存就只需要简单的更改一个模块，想要满足增加外围的情况也只需要一个可用的通信接口。

相反的，如果不能全面的考虑当前和未来的目标，所选用的PLC系统可能很快就会被时代淘汰。

在考虑到自动上底料系统需要实现的功能之后，选择了德国西门子公司的S7-200型PLC，他在使用时可靠性较高，可以方便的扩展，具有较灵活的使用特性，完全可以适用于一些复杂的小中型控制系统。

基本的CPU单元选用CPI226，集成24输入/16输出，总共有四十个IO点。

在连接过程中可以扩展到七个模块，最大可以扩展到248个IO点。

4.2变频器选型作为当前社会发展最快的技术之一，变频器技术结合了电子信息技术、计算机技术以及自动控制原理等相关知识。

发展的趋势已经逐步变成交流调速取代直流调速，这对于电气技术来说是一场新的历史革命。

变频器的使用可以很好地改善工艺产品的质量，推动技术的进步。

通过合理的选择变频器的型号，最终可以实现系统的自动化控制。

该系统3台变频器的选型如表4-1所示。

表4-1变频器选型电动机容量/KW变频器型号设备11Omronsysdriveinverter400VMS250埋式刮板机5.5Omronsysdrive3G3MVA4055Inverter400VTH250斗式提升机2.2Omronsysdrive3G3MVA4022Inverter400VLS250螺旋给料机4.3I/O分配下表所示为输入输出的接口分配。

表4-2输入接口分配名称代码总启动按钮SB1I0.0手动运行开关SA1I0.1自动运行开关SA2I0.2刮板运输机开启按钮SB2I0.3刮板运输机停车按钮SB3I0.4斗式提升机开启按钮SB4I0.5斗式提升机停车按钮SB5I0.6螺旋给料机开启按钮SB6I0.7螺旋给料机停车按钮SB7I1.0总停止按钮SB10I1.3刮板运输机行程开关SQ1I1.4斗式提升机行程开关SQ2I1.5螺旋给料机行程开关SQ3I1.6表4-2输出接口分配名称代码运输电动机KM1Q0.0提升电动机KM2Q0.1给料电动机KM3Q0.2报警电动机KM5Q0.44.4外部接线图下图所示为PLC外部接线图，输入输出口分别对应于相应的按钮或开关、电动机等，外部电压为220V。

图4-1电动机外部接线图图4-2PLC外部接线图4.5设备顺序启停程序设计通过对设备的分析以及需要实现的功能，确定了如下的程序设计，其中包括顺序控制过程以及梯形图程序。

4.5.1顺序控制过程本节主要介绍了自动上底料系统目标动作需要进行的过程，分为自动和手动两条线路，可以分开运行也可以同时运行。

如图4-3所示。

图4-3顺序控制过程图4.5.2流程图设计本节主要是根据4.5.1所设计的流程图，将各个元器件的代码代入，从而实现一个顺序启停过程。

如图4-4所示。

I0.0得电、中间继电器M0.0得电并自锁、Q0.2得电并自锁；  I0.4得电、Q0.2被断开、Q0.0得电并自锁、Q0.3得电并自锁；  I0.2得电、Q0.0失电断开；  I0.5得电、Q0.1得电并自锁、中间继电器M0.1得电并自锁，使得开通延时继电器T37得电并开始计时；  I0.3得电、Q0.1失电断开、并使得Q0.2再次得电运行；  T37计时到后、断开Q0.3、并断开自身计时回路；  I0.1得电、中间继电器M0.0被断开、既I0.3得电后无法启动Q0.2。

上述过程中利用PLC开关量与软件模拟实际流程运行过程。

程序完成指定设计要求，能较好的完成工程任务，调试成功。

结论锅炉自动上底料系统在实际的工业自动化控制中具有很高的实用价值，目前只是采用可编程控制器和继电器技术对于控制系统进行了改造，随着自动化技术的发展，单机和整机容量的扩大，自动化上底料系统也在不断优化，主要体现在规模的逐步扩大、自动化程度的提高，控制器技术的发展等几方面[12]。

目前该系统可以达到的优点如下所示：

（1）结合现代自动化技术，很好的实现了自动上底料，解决了工人劳动强度大的问题，并且提高了生产的效率，为企业可以带来很高的经济效益，对于自动化控制的发展也具有很高的纪念意义。

（2）在系统的智能化和自动化方面，融合了PLC技术和变频器技术，实现了整个系统的全自动控制。

（3）系统中每台设备均采用埋式或箱式密封，减少了底料运输过程中对于外部环境的污染，有效地防止了粉尘的挥发，同时也减少了粉尘对于工人身体健康的危害，真正实现了清洁能源的要求。

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