工业矿砂自动装车送料系统设计毕业设计论文.docx
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工业矿砂自动装车送料系统设计毕业设计论文
毕业综合实践报告
工业矿砂自动装车送料系统设计
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5.装订顺序
1）设计（论文）
2）附件：
按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订
摘要
装车送料控制系统的工作环境通常比较恶劣，设备周围所处的环境一般粉尘比较大、空气湿度相对高且操作分散，所以对装车送料控制系统工作的安全性、可靠性、维护简便性要求比较高。
在早期的装车送料控制中通常都采用继电器逻辑控制,继电器控制系统中大多数采用分立的继电器、接触器等电器元件作为控制元件,其控制系统复杂、操作难度大,并且安装接线时工作量大、修改控制策略难、维护量大等问题，严重影响了正常的工业生产。
PLC控制是目前工业上最常用的自动化控制方法，由于其控制方便，能够承受恶劣的环境，并且具有功能强、通用灵活、可靠性高、环境适应性强、编程简单、使用方便以及体积小、重量轻、功耗低等一系列优点，因此在工业上的应用越来越广泛。
关键词:
装车送料，控制系统,可编程控制器
ABSTRACT
Loadingthefeedingcontrolsystemworkingenvironmentisverybad,thegeneralenvironmentofdustaroundtheapparatusisrelativelylarge,airhumidityisrelativelyhighandtheoperationisdispersed,sotheloadingandfeedingcontrolsystemforworksafety,reliability,convenientmaintenancerequirementsisrelativelyhigh.
Intheearlydaysoftheloadingandfeedingcontrolisoftenusedrelaylogiccontrol,relaycontrolsystemusedbymostoftherelays,electricalcomponentssuchasseparateasthecontrolelement,itscontrolsystemiscomplicated,difficultoperation,andinstallthewiringworkload,modify
thecontrolstrategy,themaintenanceofalargequantityofdifficultproblems,hasseriouslyaffectedthenormalindustrialproduction.
PLCcontrolisthemostcommonlyusedindustrialautomationcontrolmethod,becauseofitsconvenientcontrol,abletowithstandtheharshenvironment,andhasstrongfunction,universalandflexible,highreliability,strongenvironmentaladaptability,simpleprogramming,convenientandhastheadvantagesofsmallvolume,lightweight,lowpowerconsumption,aseriesofadvantagestouse,therefore,areappliedintheindustrymoreextensive.
Keywords:
Feedloadingcontrolsystem,PLC
绪论
装车送料控制系统的工作环境通常比较恶劣，设备周围所处的环境一般粉尘比较大、空气湿度相对高且操作分散，所以对送料装车控制系统工作的安全性、可靠性、维护简便性要求比较高。
在早期的装车送料控制中通常都采用继电器逻辑控制，继电器控制系统中大多数采用分立的继电器、接触器等电器元件作为控制元件，其控制系统复杂、操作难度大，并且安装接线时工作量大、修改控制策略难、维护量大等问题，严重影响了正常的工业生产。
PLC所控制的系统可以方便地通过改变用户程序，以实现各种控制功能，从根本上解决了电器控制系统控制电路难以改变的问题。
同时，PLC控制的系统不仅能够实现逻辑运算，还具有数值运算及过程控制等复杂的控制功能。
对于复杂的控制系统，使用PLC后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，小型PLC的体积相当于几个继电器大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/2～1/10。
PLC的配线比继电器控制系统的配线要少得多，从而可以节省下大量的配线和附件，减少了大量的安装接线工作时，可以减少大量费用。
PLC不仅用于开关量控制，还可用于模拟量及数字量的控制，可采集与存储数据，还可对控制系统进行监控；还可联网、通讯，实现大范围、跨地域的控制与管理。
PLC已日益成为工业控制装置家族中一个重要的角色。
第一章自动装车送料系统的设计
自动装车送料系统涵盖了PLC技术、传感器技术和WINCC监控技术等内容,本章主要介绍自动装车送料系统的工艺工程和控制要求。
1.1自动装车送料系统的概述
下图为系统的示意图
1.2系统工作过程
1、总控制：
按下启动按钮SB1所有传感器可以正常工作，按下停止按钮SB2整个系统停止工作。
2、放料过程：
当矿砂未到低位时，传送机工作运砂。
当矿砂在低位和高位之间时，传送机继续运砂。
当矿砂到达高位时，传送机关闭。
3、装砂过程：
当光电传感器1检测到有车辆通过时，则指示灯1红灯亮，表明车辆不允许进入。
当压力传感器1达到设定值（货车空载重量）时，则表明车辆已到规定位置处，可以开始装砂，电磁离合器打开，向货车内装砂。
当压力传感器2达到设定值（货车满载重量）时，电磁离合器关闭，同时指示灯2绿灯亮，表明货车司机可以开走货车。
当光电传感器2检测到货车驶出时，指示灯2绿灯灭，指示灯1红灯灭，表明下一辆货车可以开进装砂。
第二章控制系统的硬件设计
2.1PLC的选择
S7-300PLC的选型原则是据生产工艺所需的功能和容量进行选型，并考虑维护的方便性、备件的通用性，以及是否易于扩展和有无特殊功能等要求。
选型时具体注意以下两方面：
（1）有关参数确定。
一是输入/输出点数（I/O点数）确定。
这是确定PLC规模的一个重要依据，一定要根据实际情况留出适当余量和扩展余地。
二是PLC存储容量确定。
注意当系统有模拟量信号存在或要进行大量数据处理时，其存储容量应选大一些。
（2）系统软硬件选择。
一是扩展方式选择，S7-300PLC有多种扩展方式，实际选用时，可通过控制系统接口模块扩展机架、Profibus-DP现场总线、通信模块、运程I/O及PLC子站等多种方式来扩展PLC或预留扩展口；二是PLC的联网，包括PLC与计算机联网和PLC之间相互联网两种方式。
因S7-300PLC的工业通信网络淡化了PLC与DCS的界限，联网的解决方案很多，用户可根据企业的要求选用；三是CPU的选择，CPU的选型是合理配置系统资源的关键，选择时必须根据控制系统对CPU的要求（包括系统集成功能、程序块数量限制、各种位资源、MPI接口能力、是否有 PROFIBUS-DP主从接口、RAM容量、温度范围等），并最好在西门子公司的技术支持下进行，以获得合理的选型；四是编程软件的选择，这主要考虑对CPU的支持状况。
本次设计选用型号为CPU313C-2DP的PLC300，主要原因是这种型号的PLC在实验室可以找到，方便调试以及和WINCC进行组态。
2.2传感器的选择
2.2.1称重传感器
1原理
弹性体（弹性元件，敏感梁）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在它表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程。
2参数
额定载荷
50t
工作温度范围
-30℃~70℃
灵敏度
2.0±0.002mV/V
安全过载
120%F.S
综合误差
±0.03%F.S
极限过载
200%F.S
蠕变（30分钟）
±0.03%F.S
推荐激励电压
10~12VDC
零点平衡
±1%F.S
最大激励电压
15VDC
零点温度影响
±0.02%F.S/10℃
防护等级
IP68
输出温度影响
±0.02%F.S/10℃
材质
合金钢
输入阻抗
750±10Ω
电缆
Length:
16m
Diameter:
Φ6mm
绝缘电阻
≥5000MΩ
3特点
ZHQS50T型桥式汽车衡传感器可满足50t量程范围内的精确测量。
该称重传感器产品类型属于钢制传感器 采用不锈钢制作，防油、防水、防腐蚀性气体及介质，可用于多种环境。
结构设计为桥式，适用于汽车衡、轨道衡、配料秤及各种专用衡器。
◆合金钢材料制造
◆安装方便，性能稳定
◆量程：
50t称重范围
◆精度高
4图示
此次设计选择的是ZHQS50T型号的称重传感器，如图所示：
2.2.2光电传感器
1原理
反射式光电开关是把发光器和光接收器同装在一个侧面，并且离得很近（2mm左右）。
如图所示。
正常情况下在发射器前边放一个反射板，利用反射原理，光被反射到光接收器。
一旦光路被检测物体挡住，光接收器收不到光时，光电开关就输出一个开关控制信号。
反射型光电传感器安装接线简便，安装使用时便于光路对齐且不受被检物的形状、颜色和材质影响，相对于对射式光电传感器，节省安装使用空间。
2参数
检测方式
回归反射型
检测距离
4m
标准检测物体
Φ75mm以上的不透明物体
指向角
2~10°
光源（发光波长）
红色发光二极管（660nm）
电源电压
DC12~24V±10%
消耗电流
30mA以下
保护回路
电源逆接保护、输出短路保护、防止相互干扰功能、输出逆连接保护
响应时间
动作、复位：
各1ms以下
连接方式
导线引出型（标准导线长2m/500mm）
3特点
◆实现小型、长距离、节省电力和节省能源的光电传感器的标准型；
◆独特的防止外部乱光计算方法，变频荧光灯下也能工作；
◆最大限度降低电力消耗和含铅材质的使用；
◆IP67保护构造，防止相互干扰功能，EN规格标准；
◆光轴与机械轴的偏差控制在±2.5°以内，光轴对合更容易。
4图示
此次选择的是E3Z-R61型号的光电传感器，如图：
2.2.3物位开关
1原理
工作原理是基于射频（RF）电容技术。
将一个无线电频率施加在探头上，通过连续的分析，确定由周围环境造成的影响。
因所有材料均具有介电常数，而且其导电率都不同于空气，当探头与材料接触时由于微小电容量偏移所反映的总阻抗发生变化。
因为通电的探头和容器壁构成电容器的二块极板，探头的绝缘体和周围空气成为介电材料，当空气（其介电常数为1.0）被任何其它材料（介电常数>1）置换时，电容效应得以加强。
从而改变了应用场合的阻抗。
即电容值的变化造成了阻抗的变化。
这一影响被电路测量后,再与由灵敏度设置（电路）建立的参考基准相比较。
灵敏度正确设置会影响传感器输出正确变化。
探头的Null-KoTeTM电路可以使测量电路对探头上堆积的物料忽略不计，否则它会引起灵敏度的故障。
Null-KoTeTM电路用与加到传感探头同样的无线电频率电位激励。
由于电流不能在相同的电位下流动，Null-KoTeTM电路就隔断了通常从通电的探头经过堆积的物料到容器壁的电流流动。
这样测量到的是通电探头周围的物料，而不是堆积的物料料斗。
2参数
供 电
13VDC～35VDC
输 出
4～20mA
环境温度
-40℃～70℃
介质温度
-100℃～800℃
线性度
0.5%
重复性
0.1%
延时
1～30s可调
火花防护
内置火花防护电路（对传感器）
电气接口
M20*1.5
电缆
分体式电子单元与传感器之间的专用连接电缆标准5m，最长50m
过程连接
BSPT螺纹安装（标准）法兰安装（可选）
外壳防护
IP66
3特点
NYSP系列射频导纳物位计是基于射频导纳原理设计的连续物位测量产品。
该产品具有稳定性高、灵敏度高、应用场合广泛等优点。
相比传统的电容式物位计，NYSP采用模块化设计，能够简洁方便地实现仪表设定，一旦设定完成，即可正常使用并且终身免维护。
使用户能够直观地了解设备运行情况，并及时处理出现的问题，在复杂的工业场合也一样安全可靠。
4图示
此次设计选择的是NYSP-Z16型号的物位传感器，如图：
2.3电磁离合器的选择
1原理：
如图所示，主动轴1的花键轴端，装有主动摩擦片2，它可以沿轴向自由移动，因系花键联接，将随主动轴一起转动。
从动摩擦片3与主动摩擦片交替装叠，其外缘凸起部分卡在与从动齿轮4固定在一起的套筒5内，因而从动摩擦片可以随同从动齿轮，在主动轴转动时它可以不转。
当线圈6通电后，将摩擦片吸向铁芯7，衔铁8也被吸住，紧紧压住各摩擦片。
依靠主、从动摩擦片之间的摩擦力，使从动齿轮随主动轴转动。
线圈断电时，装在内外摩擦片之间的圈状弹簧使衔铁和摩擦片复原，离合器即失去传递力矩的作用。
线圈一端通过电刷和滑环9输入直流电，另一端可接地。
2选型
电磁离合器型号选型一般操作步骤如下：
◆根据实际情况确定电磁离合器工作类型，有断电工作与通电工作两种；
◆确定电磁离合器的类型，有干式单片电磁离合器、湿式多片电磁离合器、牙嵌式电磁离合器等。
◆电压、电流以及转矩的计算，在选型电磁离合器的同时，需要将计算出的电压、电流和转矩等信息告知电磁离合器生产厂家，让厂家帮忙选型。
◆技术参数与要求，期望电磁离合器能符合什么技术要求，以及性能等。
◆孔径与键槽规格的大小，有标准的规格，特殊的规格需要跟电磁离合器生产厂家进行协商。
3参数
·通过24V直流电控制动力传动的分离和吸合。
·轴—法兰（轮）结构，客户可自行安装带轮、链轮、齿轮等构件。
·应用于干式无油环境，反应时间灵敏，方便实现高频离合、切换。
·单摩擦片结构，可在高速旋转中吸合或分离。
·便捷安装型，客户几乎无需准备其他配件，方便直接安装。
本次设计选用VM1-5产品代号的单摩擦片电磁离合器（法兰型－1），参数如下：
产品代码
动摩擦扭矩（Nm）
静摩擦扭矩（Nm）
线圈（20℃）
最高转速
（转/分钟）
重量（kg）
电压
（V
DC）
功率
（W）
电流
（A）
电阻
（Ω）
VM1-5
5
5.5
24
11
0.46
52
3000
0.72
4图示
2.4电气原理图
2.5元件清单
元件清单
名称
型号
数量
空气开关
DZ47-63DZ47LE
2个
按钮
MP1-42G-01
2个
计算机
LENOVO
1台
SIEMENSS7-300
313-6CF03-0AB0
1个
传
感
器
称重传感器
ZHQS50T
2个
光电传感器
E3Z-R61
2个
物位开关
E3S-VS5E42R
2个
电磁离合器
VM1-5
1个
中间继电器
HG4123
1个
指示灯
SchneiderXB2BVB4LC
2个
熔断器
RL1-15
1个
矿砂输送机
Y3
1个
导线
若干
第3章控制系统的软件设计
3.1I/0分配表
I/0表
输入
输出
地址
符号
备注
地址
符号
备注
I0.0
SB1
启动按钮
Q0.0
输送机
I0.1
SB2
停止按钮
Q0.1
YC
电磁离合器
I0.2
低位开关
Q0.2
HL1
红指示灯
I0.3
高位开关
Q0.3
HL2
绿指示灯
I0.4
SQ1
光电传感器1
I0.5
SQ2
光电传感器2
I0.6
SP1
压力传感器1
I0.7
SP2
压力传感器2
3.2流程图
3.3SIEMENSS7-300中的程序设计（程序详见附录一）
1、按下I0.0，系统启动；按下I0.1，系统停止。
2、若物料在低位以下，则当M0.0接通时Q0.0得电自锁，输送机开始运砂；若物料在低位和高位之间，则I0.2断开，I0.3接通，则当M0.0接通时Q0.0得电自锁，输送机开始运砂；若物料达到高位，则I0.2接通，I0.3断开，M0.0接通时Q0.0不接通，不运砂。
3、当压力传感器1检测到货车时I0.6接通，Q0.1得电自锁；当按下按钮或压力传感器2检测到货车驶出时，Q0.1失电。
4、当光电传感器1检测到货车时Q0.2得电自锁；当按下停止按钮或光电传感器2检测到货车时，Q0.2失电。
5、当货车达到压力传感器的设定值时I0.7接通，Q0.3得电自锁；当按下停止按钮或光电传感器2检测到货车时，Q0.3失电。
3.4WINCC中的设计
WINCC（WindowsControlCenter/视窗控制中心）是一种工控组态软件，是西门子全集成自动化（TIA）系统的一个重要组成部分，是一个真正“开放的”HMI/SCADA软件，可在任何标准的PC上运行。
1、WINCC通讯
首先在创建好项目后在左边窗口中右键单机“变量管理”，在弹出来的对话框中左键单机“添加一个通讯驱动程序”再选择对应的驱动程序（如选择与我们PLC实验室对应的PLC驱动“SIMATICS7Protocol?
?
”）,再打开“SIMATICS7ProtocolSuite”右键单机MPI选择“新驱动程序和连接”，输入逻辑连接名，对属性进行设置，单击“确定”。
然后便是检查WINCC与PLC的连接状态：
首先激活WINCC,然后选择工具菜单下的“驱动程序连接状态”查看是否连上。
2、在WINCC软件中的设置
3、结构变量的创建
4、画面的绘制
第四章控制系统的调试
在PLC软硬件设计完后，应进行调试工作。
因为在程序设计过程中，难免会有疏漏的地方，所以必须进行软件测试，以排除程序中的错误。
4.1PLC程序调试
将所编写的梯形图程序编译，通过上下位机的连接电缆把程序下载到PLC中。
刚编好的程序难免有这样那样的缺陷或错误。
为了及时发现和消除程序中的错误，减少系统现场调试的工作量，确保系统在各种正常和异常情况时都能做出正确的响应，需要进行离线测试，既不将PLC的输出接到设备上。
按照控制要求在指定输入端输入信号，观察输出指示灯的状态，若输出不符合要求，则查找原因，并排除之。
4.2WINCC调试
将在S7-200软件中编写的程序通过软件连接到WINCC，并对PLC发出操作指令，观察PLC的输出信号，并观察是否与WINCC的画面相对应，如果不符合要求，则查找原因，并排除之。
4.3整体调试
将设备接入PLC，进行联机调试，看是否满足要求，如果不满足，可通过综合调整软件和硬件系统，直到满足要求为止。
4.4软件调试结果（详见视频）
按下启动按钮I0.0，若物料在低位以下，按下I0.2，Q0.0接通，开始装料；到达低位时，I0.2接通，Q0.0接通。
到达高位时，按下I0.3，则Q0.0失电断开，停止装料。
光电传感器检测到货车时，按下I0.4，Q0.2得电自锁，红指示灯亮；压力传感器1接通时，按下I0.6，Q0.1得电自锁，开始放料；压力传感器2接通时，按下I0.7，Q0.1失电，绿指示灯亮；光电传感器2检测到货车时，按下I0.5，Q0.2和Q0
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