皮带运输机PLC电气控制系统设计.docx
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皮带运输机PLC电气控制系统设计
皮带运输机电气控制系统设计
任务书
姓名：
覃光吉专业：
09机械1班
设计课题：
皮带运输机电气控制系统设计
设计条件及要求：
设计条件:
（1）起动：
起动时为了避免在前段运输皮带上造成物料堆积，要求逆物料流动方向按一定时间间隔顺序起动。
其起动顺序为：
（2）停止：
停止时为了使运输皮带上不残留物料，要求顺物料流动方向按一定时间间隔顺序停止。
其停止顺序为：
（3）紧急停止：
紧急情况下无条件地把PD-1、PD-2、YV全部同时停止。
（4）故障停止：
运转中，当M1过载时，应使PD-1、PD-2、YV同时停止。
当M2过载时，应使PD-2、YV同时停止；PD—1在PD-2停止后延迟10s后停止。
（5）M1和M2电机功率都是5.5KW。
设计要求:
1、掌握继电接触器控制系统基本分析和设计能力；2、掌握可编程控制器的工作原理及结构特点；3、熟练掌握基本逻辑指令的应用；4、绘制系统的主电路图、继电接触器控制线路图（一张）；5、编写设计说明书（一份）。
设计时间：
自20**年**月**日至20**年**月**日
设计指导人（签字）：
_________________________
教研室主任（签字）：
_________________________
年月日
前言
自动化控制技术被引入工业领域已经有一百多年的历史了，随着工业的迅猛发展自动化控制技术更加日新月异。
伴随着数学、控制理论计算机、电子器件的发展，出现了自动化控制技术系统，并作为一门应用科学已发展成熟，形成了自己的体系和一套行之有效的分析和设计方法。
电气控制与PLC课程是机电类高职工科专业开设的实践性很强的技术应用型课程。
它不仅为电机调速控制技术、机电传动与控制技术、电梯应用技术、楼宇自动化技术等后续课程、集中实训和毕业设计打下基础，而且为相关专业学生考初、中级电工资格证书做准备。
本课程的教学目的是让学生熟悉电气控制系统的基本控制电路，具有电气控制系统分析和设计的基本能力；掌握可编程控制器原理及编程方法，具备一定的PLC程序设计和PLC应用能力。
随着我国国民经济的飞速发展，机械在品种`规模`设计与制造技术等方面也得到了迅速的发展和提高。
目前全国各地均建有机械制造厂，并逐步走向专业化生产，以能独立自主地进行从单机到成套设备乃至自动生产线的设计与制造。
随着新材料`新工艺`新技术的发展，必须推动各种自动机械向电气控制化和智能化的方向发展。
通过设计学习，使学生熟悉常用低压电器的结构、工作原理、特性及应用；掌握继电接触器控制系统基本分析和设计能力，特别是掌握典型电气控制电路的分析和设计能力、可编程控制器的工作原理及结构特点、基本逻辑指令的应用、步进顺控指令编程方法及应用；进一步树立正确的设计思想。
在整个设计过程中，坚持实践是检验真理的唯一标准，坚持理论联系实际，坚持与机械制造生产情况相符合，使设计尽可能做到技术先进、经济合理、生产可行、操作方便、安全可靠。
由于时间和水平有限，本设计难免有不少缺点和错误，恳请老师批评指正。
一、机床电气控制技术课程设计的目的
机床电气控制技术课程设计是在学完电工学、机床设计、机床电气控制技术等课程后，进行的下一个实践教学环节。
它一方面要求通过设计能获得综合运用过去所学知识的能力，同时也培养自己独立查阅有关资料、独立思考、独立完成任务的能力。
通过这次设计能够很好提高分析问题和解决实际问题的能力，对于提高的综合素质是大有好处的，对即将走上工作岗位的毕业生具有一定的实际意义。
另一方面，通过本次设计也为以后作好毕业设计进行一次综合训练和准备。
因此，要求通过机床电气控制技术课程设计在以下几方面得到锻炼。
1、能熟练运用过去所学的理论知识和实践知识，按题目所提出的各项要求，正确设计主电路及控制线路设计。
主要完成继电器、接触器及PC控制线路设计、编写PC梯形图及语句表，正确选择电器元件，画出主电路及PC控制外部接线原理图，保证满足题目所提出的各项要求，提高学生继电器、接触器控制线路设计及PC控制线路设计的综合能力。
2、使用手册及图表资料。
掌握与本设计有关的各种资料名称、出处，并做到熟练运用，提高独立工作及分工协作能力。
二、设计的内容与步骤
（一）设计的基本原则
任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象（生产设备或生产过程）的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。
因此，在设计控制系统时，应遵循以下基本原则：
（1）最大限度地满足被控对象的控制要求。
设计前，应深入现场进行调查研究，搜集资料，并与机械部分的设计人员和实际操作人员密切配合，共同拟定电气控制方案，协同解决设计中出现的各种问题。
（2）在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济，一次性投资小，使用后节约能源。
（3）保证控制系统的安全、可靠，使用与维修方便。
（4）考虑到生产的发展和工艺的改进，对于PC控制系统，在选择PC容量时，应适当留有裕量。
（二）设计的内容
在建材、化工、食品、机械、钢铁、冶金、煤矿等工业生产中广泛使用皮带运输机运送原料或物品。
图一是某原料皮带运输机的示意图，原料从料斗经过PD-2、PD—1两台皮带运输机送出。
从料斗向PD-2供料由电磁阀YV控制，PD-1和PD-2分别由电动机M1和M2驱动。
三、系统传动方式的确定
传动方式包括驱动和调速两个方面。
它分为机械传动、电气传动和流体传动三种方式。
机械设备的传动方式直接影响设备的性能及结构。
在机械设备总体设计时，必须从机械性能和电气性能两方面综合考虑后确定其传动方式。
（1）往复运动工作机构传动方式的确定
对于仅有一两个简单往复动作的普通机械，可采用三相鼠笼式异步电动机拖动，经齿轮减速后用螺旋传动机构来传动。
如果机械设备具有多个往复运动工作机构，而且往复动作的调速性能和自动化程度有一定要求时，应采用电磁换向阀控制的液压传动或气压传动系统。
若往复运动的调速性能要求比较高，应采用电液比例控制系统来传动。
对于往复运动位移控制和速度控制要求比较高时，应采用步进电机、直流伺服电机或交流伺服电机家滚珠丝杠副来驱动和控制。
选择三相鼠笼式异步电动机拖动，Y系列电动机是笼型转子电动机，符合IEC标准和DIN42673标准。
本系列采用B级绝缘，外壳防护等级为封闭式（IP44）或防护式（IP23）。
Y系列电动机额定电压380V，额定频率50HZ。
具体选型如下：
型号
额定
功率
KW
满载时
堵转
电流
堵转
转矩
最大转矩
转动惯量
Kg.m2
躁
声
净
重
kg
转速
r/min
电流A
效率﹪
功率因数
cos
额定
电流
额定
转矩
额定
转矩
同步转速3000r/min
Y100L-2
5.5
2870
6.39
82
0.87
7.0
2.2
2.2
0.0029
79
33
（2）传动方式的选择应使调速性质与负载特性相适
调速性质是指电动机的转矩、功率与其转速的关系。
负载特性是指机械设备的负载属于恒功率负载（即功率不随转速变化而变化）还是恒转矩负载，（即转矩不随转速变化而变化）。
设计任何一个电力拖动系统，必须使调速性质与负载特性相适应。
也就是说，恒功率负载必须采用恒功率调速性质的传动方式，而转矩负载则必须采用恒转矩调速性质的传动方式。
（3）电动机起动方式的确定
对于起动性能要求不高的机械设备，电动机的起动可根据其容量决定，当电动机总容量不超过供电变压器容量的20%时，一般采用直接起动。
当容量大于该值时，可采用星—三角形降压起动或在定子中串电阻降压起动、也可采用自耦变压器降压起动。
如果机械设备要求电动机软起动，应采用软起动器起动或变频器控制的加速起动。
（4）电气系统的保护
电气保护是电气控制系统不可缺少的环节，在电路中正确设置保护环节，是确保电动机、其他用电设备、电器元件和电网安全运行的重要措施。
①短路保护
电路在发生短路时，由于短路线路的阻抗很小而产生很大的短路电流，在短路线路上的电器元件触头，会因此时流过的电流大大超过其额定容量而被烧毁回发生熔焊，导线的绝缘层也会因此被烧毁，甚至会导致火灾。
所以发生短路时必须瞬间切断电源，以保证电气线路的安全。
常用的短路保护措施有：
a.熔断器保护；b.自动开关的脱扣保护。
②过载保护
在电力拖动系统中，当负载转矩超过电动机额定转矩时，电动机绕组的温升会急剧升高并超过其额定值，轻者会使绕组的绝缘层老化变脆，寿命降低；重者会导致电动机绕组烧坏。
因此在电动机过载时必须及时切断电源，以保证电动机能在寿命期内安全运行。
常用的过载保护措施有热继电器保护、自动开关过载脱扣保护。
除此以外，还有以下一些过载保护的新措施，如电子式继电器过载保护、埋入电动机绕组的温度继电器（有双金属片式和热敏电阻式）过载保护，软起动器过载保护。
③零电压和欠电压保护
在电动机正常运行时，如果出现非正常停电后再恢复供电，电动机又自行起动，很可能会造成生产机械动作错乱，运动部件互相碰撞的设备事故，甚至酿成人身事故。
对电网来说，许多电动机及其他用电设备在恢复供电后同时自行起动，也会引起电网过大的瞬间压降。
为了防止电动机失电时停止且电压恢复时自行起动，须采取零电压保护措施。
在电动机运行过程中，如果电源电压过低，会导致电动机转速过低甚至停转，结果造成所拖动的设备不能正常运行，甚至可能酿成事故。
因此，需要在电源电压降到允许值以下时，降电源切断，实施欠电压保护。
电动机的零压保护和欠压保护无需特别的保护电器元件，只要降控制电动机的接触器控制电路连接成自锁电路即可。
④电气元件的选择
按钮：
按钮是用于人工操作瞬间接通和断开小电流（5A以下）控制电路的开关。
它有不同的结构型式和颜色。
一般情况下，起动按钮选用绿色，停止按钮选用红色，紧急停止按钮选用红色蘑菇头型式；需要显示按钮操作状态时选用带指示灯的按钮；大多数按钮的触头为一常开和一常闭，如果需要一个按钮控制两个或两个以上的回路，则选用多对触头的按钮。
机械设备上常用的按钮有LA18、LA19、LA20等几种型号。
它们的额定电压为：
交流500V、直流440V、额定电流为5A。
行程开关：
行程开关用于控制运动机构的行程。
它有触点式和无触点式两种类型。
有触点行程开关又分为直动式、杠杆式、微动式、组合式，常用的型号有：
LX2、LX19、JLXK1、JXW、LXK3、X2等。
无触点行程开关有接近开关、干簧管开关、霍尔开关等。
接触器：
选用主要考虑主触头的额定电流、额定电压、电磁线圈的额定电压，还应考虑常开和常闭辅助触头的数量和接触器的操作频率。
主触头的额定电压应等于或大于主电路的额定电压；电磁线圈的额定电压必须与控制电路的额定电压相同；主触头的额定电流可按以下公式计算确定：
式中Iec——所选接触器的额定电压（A）；
Ic——接触器主触头电流（A）；
Pe——被控电动机功率（kW）；
K——经验系数，一般取1~1.2；
Ue——电动机额定线电压（V）。
其选型如下：
型号
额定电流
额定操作频率（次/小时）
可控制电动机最大容量（kW）
主触点
辅助
触点
220V
380V
500V
CJ10-20
20
5
600
5.5
10
10
热继电器：
用于对异步电动机进行过载保护的热继电器有双金属片时和电子式两种。
电子式热继电器保护性能好，适用于重要电动机的保护。
如果电气控制系统已经采用自动开关，不必再采用热继电器；对负载恒定、过载可能性很小的电动机，如冷却泵电机，可不设热继电器。
选择热继电器时，要根据电动机的额定电流来确定其额定电流及热元件的电流等级。
对星形连接电动机，可使用两相或三相结构的热继电器，对三角形连接的电动机可采用断相保护的热继电器。
热元件的额定整定电流值通常按电动机的额定电流的0.95~1.05倍选用。
选用型号如下：
型号
额定电流
（A）
热元件等级
热元件额定电流
电流调节范围（A）
JR16B-20/3
JR16B-20/3D
20
0.35
0.50
0.72
1.1
1.6
2.4
3.5
5
7.2
11
16
22
0.25~0.35
0.32~0.50
0.45~0.72
0.68~1.1
1.0~1.6
1.5~2.4
2.2~3.5
3.2~5
4.5~7.2
6.8~11
10~16
14~22
熔断器主要类型有：
插入式、螺旋式、填料封闭管式等。
常用的有RL1系列。
选择熔断器时，应根据电流的特点及参数求出熔体电流，再根据熔体电流大小选择熔断器的额定电流并确定其型号。
①对负载电流稳定的电气设备，如照明灯、电阻炉等，可按额定电流选用。
②对具有冲击电流的电气设备如异步电动机，可按以下方法确定：
单台电动机长期工作时：
Ir=（2~3）Ied
电动机频繁起动时，上式的系数为3~4。
如果多台电动机共用一组熔断器保护，则
式中Ir——熔体额定电流；
Ied——电动机额定电流；
Iemax——容量最大的电动机的额定电流；
——除容量最大的电动机之外，其余电动机的额定电流之和。
型号
熔断器
额定电流（A）
熔体额定
电流等级（A）
交流380V时极限分断能力（A，有效值）
RL1-15
15
2、4、5、6、10、15
2000
四电气控制方案的确定
电气控制方案的合理性直接影响机械设备工作的可靠性、易维修性以及经济性。
设计电气控制系统时必须综合考虑，在保证机械设备要求的工作可靠性和易维修性的前提下，应采用简单、经济的电气控制方案。
机械设备电气控制系统通常包括电气调速系统、逻辑控制系统和数字控制系统。
（一）电气逻辑控制装置的选择
电气逻辑控制装置有继电器-接触器控制屏、顺序控制器和PLC。
继电器-接触器控制屏的电路结构简单，直观易懂，输出功率大，价格便宜。
其缺点是触头容易产生电磨损，工作时有机械振动，容易造成触头松动。
这几种情况的发生都会降低控制系统的工作可靠性，一旦出现故障，检查和维修很不方便。
顺序控制器是一种介于继电器-接触器控制屏和PLC之间的一种控制装置。
它具有改变容易的特点，尤其是采用插销板编程时，改变插销的位置就可以改变程序，使用很方便。
这种控制装置适用于动作顺序不太复杂的控制系统，特别适用于需要经常改变工作顺序的生产机械的自动控制。
但是这种控制系统由于插销比较多，接触不良的故障时有发生，可靠性不太高，而且这种产品由于没有专业厂生产，所以目前已很少应用。
PLC具有通用性强、应用控制系统设计组装周期短、编程简单、修改容易、调试直观、维护方便、可靠性高、体积小、重量轻等优点，目前以广泛应用于各行各业机械设备的自动控制。
但与继电器-接触器控制屏相比，PLC的价格比较贵。
如果机械设备执行机构比较少，工作程序和控制要求比较简单，无论采用电气传动还是液压传动或气压传动，其控制系统宜采用继电器-接触器控制屏。
对于执行机构比较多、工作程序和控制要求比较复杂的机械设备，其控制装置应采用PLC。
有些机械设备虽然执行机构少，工作程序也不复杂，但工作程序要求经常变动，这种设备应采用PLC控制。
（二）控制方式的选择
控制方式通常有行程控制、时间控制和其他物理量（压力、流量、电流、速度等）控制。
行程控制方式是利用机械设备运动部件上的碰块或感应头，触发在固定位置安装的行程开关或无触头行程开关，以此发出行程信号来实现位置控制。
凡是要求进行位置控制的执行机构都应采用行程控制方式。
时间控制方式是利用时间继电器或PLC的定时器，使控制系统按工艺要求的不同时段进行程序步切换，实现生产过程的自动控制。
因此，机械设备的工作程序如果要求要求延续一般时间后才切换的则应采用时间控制方式。
对于要求实现位置控制的执行机构，如果其行程很短，无法安装行程开关。
在运动速度比较稳定的情况下，根据运动速度与时间的乘积等于行程的原理，也可以采用时间控制方式来实现位置控制。
（三）系统动作要求
1、起动：
起动时为了避免在前段运输皮带上造成物料堆积，要求逆物料流动方向按一定时间间隔顺序起动。
其起动顺序为：
2、停止：
停止时为了使运输皮带上不残留物料，要求顺物料流动方向按一定时间间隔顺序停止。
其停止顺序为：
3、紧急停止：
紧急情况下无条件地把PD-1、PD-2、YV全部同时停止。
4、故障停止：
运转中，当M1过载时，应使PD-1、PD-2、YV同时停止。
当M2过载时，应使PD-2、YV同时停止；PD—1在PD-2停止后延迟10s后停止。
5、M1和M2电机功率都是5.5KW。
（四）确定I/O点数及PLC的选型
伴随着微电子技术和计算机技术的快速发展，PLC的成本不断下降，因为促进了PLC的应用。
但并不是所有的控制都必须使用PLC，可以使用计算机控制或继电接触器控制。
在确定控制系统方案时，首先应明确是否有必要采用PLC控制。
如果控制系统非常简单，所需I/O点很少，或者虽然I/O点需要较多，但控制关系非常简单，各部分之间联系很少，可以考虑不用PLC，而采用传统的继电接触器控制。
除此之外，只要满足下列情况之一，应该首选PLC。
1）系统所需I/O点数较多（比如在十几个点以上），控制要求比较复杂。
2）现场处于工业环境，而又要求控制系统具有较高可靠性。
3）系统的工艺流程可能经常发生变化，输入、输出控制量需经常调整。
4）要求完成多种定时、计数、甚至复杂的逻辑、算术运算，以及对模拟量的控制。
5）需要完成与其他设备实现通信或联网。
6）系统体积很小，要求控制设备嵌入系统设备之中等。
1、输入、输出设备的数量
根据示意图和控制要求可知，该系统需要5个输入点和3个输出点。
2、PLC的选择
此控制系统只有简单的开关量控制，没有模拟量的输入或输出，对系统的响应时间也没有特殊的要求，时间继电器的定时也是固定的，小型PLC即可满足要求。
因系统需要5个输入点和3个输出点，可选用三菱公司的整体式小型PLCF1-20M，它具有12个输入点和8个输出点，完全满足要求。
F系列PLC一共有三种不同单元，即基本单元、扩展单元和特殊单元。
基本单元内有中央处理器（CPU）、存贮器和输入/输出接口电路等，每个控制系统必须有一个基本单元。
要增加I/O的点数，可连接扩展单元。
要增加控制功能，则可连接相应的特殊单元，如高速计数单元、模拟量单元等。
①F系列PLC的型号
为了满足用户的不同要求，F系列PLC有多种型号规格，表示方法如下：
F—①②③④，其中：
①表示输入/输出总点数；②表示本单元的类型：
M为基本单元，E为扩展单元；③表示输出类型：
R为继电器输出，T为晶体管输出，S为晶闸管输出；④表示电源电压种类：
V为100/110V交流，E为220/240V交流，D为24V直流。
F系列PLC总体技术特性和数据如下：
项目
F—20M
F—40M
电源
功耗
<11VA
<25VA
电压
AC100~110V，AC200~220V
50/60Hz
计时
点数
8点
16点
设定位数
2位
3位
设定范围
0.1~99s
0.1~999s
计数
点数
8点
16点
设定方式
设定范围
1~99
1~999
辅助继电器
64个（其中16个有掉电保护功能）
192个（其中64个有掉电保持功能）
用户存贮器容量
数制
八进制
十进制
数量
477
890
运算
指令
继电器符号
速度
100
s/步序（平均）
45
s/步序（平均）
可
靠
性
施
和
情
况
电池保护
锂电池，可连续使用五年，保持RAM程序
瞬时停电补偿
<20ms瞬间停电可不出错继续运行
抗电平干扰能力
1000V，1
s
耐振动能力
10~55Hz,0.5mm,最大2g（重力加速度）
CPU出错自诊断
程序监视器，求和检验
电池电压监视
电压不足指示灯显示
一般
环境温度
0~+55℃（储存温度-15~+65℃）
环境湿度
85%RH以下（无结露）
绝缘电阻
>5M
（DC500V）
绝缘耐压
AC1500V1min
外形尺
255mm×80mm×100mm
305mm×110mm×110mm
重量
1.5kg
2.3kg
②常用PLC的编程指令系统
（1）LD指令LD（Load）：
取指令，适用于梯形图中与左母线相连的第一个常开触点，表示一个逻辑行的开始。
（2）LDN指令LDI（LoadInverse）：
取反指令，适用于梯形图中与左母线相连的第一个常闭触点。
（3）OUT指令OUT（Out）：
线圈驱动指令（又叫输出指令），适用于将运算结果驱动输出继电器、辅助继电器、定时器和计数器的线圈，但不能用于输入继电器。
OUT指令用于计数器和定时器时，必须有常数K值紧跟，K分别表示定时器时间或计数次数，它也作为一个步序。
（4）AND指令AND（And）：
“与”指令，适用于和触点串联的常开触点。
（5）ANI指令ANI（AndInverse）：
“与反”指令，适用于和触点串联的常闭触点。
（6）OR指令OR（Or）：
“或”指令，适用于单触点并联的常开触点。
（7）ORI指令ORI（OrInverse）：
“或反”指令，适用于单触点并联的常闭触点。
（8）RST指令RST（Reset）：
计数器和移位寄存器的复位指令，适用于将计数器的当前值回复到设定值或清除移位寄存器中所有位的信息，即清零。
计数器有计数输入和复位输入两个输入端。
当计数输入端触点每次从断开至接通时，计数器的值减1，当通断次数达计数值后，计数器的当前值减为0，此时计数器的线圈接通，其常开触点闭合。
如果要计数器从当前值回到最初设定值，则要接通复位输入端的触点，RST起复位作用，使计数器线圈断开，其常开触点断开。
RST指令总是优先执行的，因此当RST的输入保持时，对计数器或移位寄存器的输入不再接受。
所有的计数器和部分寄存器具有掉电保护功能，所以当不必再保持计数器原有状态时，在工作开始之前，要使用特殊辅助继电器M71，在主机投入运行的瞬时，产生的初始化脉冲，使计数器或位移寄存器复位。
（9）SFT指令SFT（Shift）：
移位指令，适用于将移位寄存器中的内容做移位操作。
可由8个或16个辅助继电器组成移位寄存器。
③移位寄存器三个输入端功能为：
数据输入端IN：
当连接IN端的触点接通时，表示把“1”送到移位寄存器的最低位，反之则把“0”送到此位。
移位信号输入端CP：
当连接CP端的触点每由断变通一次、来一个脉冲时，移位寄存器的内容从编号小的低位，向编号大的高位顺序移动一次，最高位原来的数据丢失。
复位信号输入端R：
当连接R的触点接通时，对应的辅助继电器全部断开，即移位积存器全部清零。
如果R端连接的触点一直处于接通状态，则数据输入和移位输入的信号全无效。
F系列指令系统如下：
指令
功能
指令
功能
LD
公共总线或支路的起始常开触点
PLS
脉冲产生指令
LDI
公共总线或支路的起始常闭触点
SFT
移位寄存器的移位指令
AND
串联的常开触点
NOP
空操作指令
ANI
串联的常闭触点
END
程序结束指令
OR
单个并联的常开触点
S
操作保持指令
ORI
单个并联的常闭触点
R
操作保持
复位指令
ANB
电路块的串联
连接
MC
主控转移指令
OR
升级会员 