煤场取料机的plc控制系统设计学位论文.docx

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煤场取料机的plc控制系统设计学位论文

本科毕业设计（论文）

煤场取料机的PLC控制系统设计

燕山大学

2013年6月

本科毕业设计（论文）

煤场取料机的PLC控制系统设计

学院：

电气工程学院

专业：

工业自动化仪表

学生姓名：

学号：

指导教师：

答辩日期：

2013.06.23

燕山大学毕业设计（论文）任务书

学院：

电气工程学院系级教学单位：

自动化仪表系

学

号

学生

姓名

专业

班级

题

目

题目名称

煤场取料机PLC控制系统设计

题目性质

1.理工类：

工程设计（）；工程技术实验研究型（√）；

理论研究型（）；计算机软件型（）；综合型（）。

2.文管类（）；3.外语类（）；4.艺术类（）。

题目类型

1.毕业设计（）2.论文（√）

题目来源

科研课题（√）生产实际（）自选题目（）

主

要

内

容

1、研究煤场取料机工艺流程

2、设计煤场取料机电气系统和PLC控制系统的硬件

3、编写煤场取料机PLC控制系统软件。

基

本

要

求

1、方案设计合理、查阅文献充分；

2、理论分析正确、论证严密；

3、实验结果可靠，与理论相符；

4、毕业设计论文符合撰写规范、符合要求。

参

考

资

料

1、查阅相关文献

2、AB公司PLC的使用手册

3、《电气控制及PLC》机械工业出版社作者：

周军.2001年

周次

1—4周

5—8周

9—12周

13—16周

17—18周

应

完

成

的

内

容

查阅资料

阅读文献

方案论证

建立模型

理论分析

算法设计

软件学习

仿真实验

撰写论文

准备答辩

指导教师：

职称：

教授年月日

系级教学单位审批：

年月日

摘要

在码头、港口、煤场等大型散装货物现场，把散货从一个地方连续高效地转移到另一个地方的机械化设备叫做取料机。

取料机机械设备是现代化大宗散货工业现场不可或缺的高效设备，目前，取料机已经广泛应用于各种大型的码头、港口、冶金、水泥等散料的取料作业，取料机的使用，使得现代工业能够高效的运转，大大的提高了现场工作效率。

取料机的生产效率决定了散装货物的流转速度，因此提高取料机的生产效率就是提高现代工业现场的工作效率。

PLC控制技术在取料机领域的大规模应用，使这一愿想得以实现，大大提高了工作效率，降低了劳动成本。

本次设计完全由个人进行设计，对取料机PLC控制系统进行了详细的介绍和研究，尤其是应用PLC的取料过程做了比较系统的分析，在设计取料的过程中，充分考虑了现场的实际环境，简单而且安全。

首先，充分讨论了取料机取料的工艺流程，设计最佳的取料方案，使得资源最优化。

然后根据现场的控制要求选择PLC的机型。

把取料机的各个环节的动作原理作充分的了解，确定取料机的设计方案，最后编写控制程序并作上位机的上位仿真测试系统的正确性。

由此开发了取料机的PLC控制系统，该系统具有较强的可靠性和稳定性。

关键词煤场；取料机；PLC；自动控制

Abstract

Inthedock,harbor,coalyardandotherlargebulkcargoscene,thebulkefficientcontinuousfromoneplacetoanotherplacecalledreclaimermechanizedequipment.

Reclaimermachineryandequipmentisamodernindustrialfieldofbulkcargoindispensableefficientequipment,atpresent,reclaimerhasbeenwidelyusedinvariouslargepier,port,metallurgy,cementandotherbulkmaterialsreclaimingoperationsreclaimer,itallowsefficientoperationofmodernindustrycangreatlyimprovetheefficiencyoffieldwork.Reclaimerproductivitydeterminestheflowrateofbulkcargo,thusincreasingreclaimeristoimproveproductionefficiencyofmodernindustrialfieldworkefficiency.PLCcontroltechnologyinthefieldofreclaimerslarge-scaleapplications,makethiswishwouldberealized,greatlyimprovingtheworkefficiency,reducelaborcosts.Thisdesignisdesignedentirelybyindividuals,pairsreclaimerPLCcontrolsystemforadetailedpresentationandstudy,especiallytheapplicationofPLCreclaimingprocessmade​​moresystematicanalysis,designreclaimingprocess,fullaccountoftheactualfieldenvironment,simpleandsafe.

First,afulldiscussionofthereclaimerreclaimingprocessflow,designthebestprogramreclaimer,makingresourceoptimization.ThenaccordingtothesiteofthecontrolrequirementsofPLCmodels,thereclaimerforallaspectsoftheoperationprincipleoffullunderstanding,determinereclaimerdesign,preparationofthefinalcontrolproceduresandmakethehostPCsimulationtestsystemcorrectness.ThusdevelopingthereclaimerPLCcontrolsystem,whichhasreliabilityandstability.

Keywords　coalfield;reclaimer;PLC;automaticcontrol

第1章绪论

1.1课题研究背景及意义

煤是现代化建设和人们社会生活不可或缺的资源，随着我国现代化建设步伐的持续加快，城镇化建设的不断推进，基础设施建设的不断完善，煤的生产量和出口量大大增加，人工劳作的成本日益上涨，企业间的竞争越来越激烈，使得单一简单的人工操作设备已经不能满足工业现场散货的流转效率，煤的大量使用对煤场散货的流转速度提出了更高的要求，煤场的生产量已经大大超出了煤料的流转速度，大量的煤料堆在工业现场而不能持续高效地运往需要它的地方，这间接的阻碍了工业的发展，而取料机这一高效设备的应用就充分解决了这一难题，它代替了人工劳动，降低了企业的生产成本，提高了企业的经济效益，而最重要的是取料机的工作过程是环保的，具有很强的可靠性和稳定性。

PLC控制技术是解决大宗散货现场设备高效性的核心技术，PLC技术[1]是集成自动控制技术、计量学测试技术、新型传感器应用技术、计算机自动管理技术于一体的机电一体化技术；它充分利用了计算机对设备工作过程进行集中监视、控制管理和分散控制；充分吸收了分散式控制系统和集中控制系统的优点，采用标准化、模块化、系统化设计，配置灵活、组态方便。

所谓取料机实现全自动化，概要的讲就是由操控人员在中控室选择按启动按钮，取料机按要求寻位进行自动取料作业。

目前，先进的无人自动控制取料机的在国外的生产线上已经广泛使用，受限于技术的瓶颈，国内大型散装货物现场应用的取料机大部分还是引进国外的设备，或者是购买国外的模块组装而成，国内的取料机无论是从机械结构的设计细节上还是从完整系统的设计理念上都和国外有一定差距，很多技术都是国外垄断的，国人无法自行设计。

由于取料机的现实应用比较广泛，越来越向着大型化、无人化、多样化、环保化[11]和配置国际化的方向发展，作为大学毕业生，就业以后可能接触到取料机，因此了解取料机的工作原理以及系统设计很有必要。

取料机的PLC控制系统设计的设计过程中应用到了许多我大学专业课程的知识，这次毕业设计是我对大学知识的一次很好的回顾和系统知识的整理，根据所学过的PLC、传感器，以及其它的相关知识设计取料机的控制系统，能够使我学以致用，把理论知识付诸实践，要在以后遇到类似的系统，能从原理上了解它，在修理及维护时，做到随心应手，更好的面对工作中的挑战。

因此，这次毕业设计具有十分重要的意义。

1.2煤场取料机控制系统研究现状和成果

取料机是煤场煤料流转现场的核心高效设备，是煤料从生产现场运往使用现场的关键设备，这个环节的稳定性和可靠性直接影响到工业现场的效率和企业的经济效益，因此许多专家和学者对取料机的研究和改造始终没有停止过，他们有的从取料机的机械结构进行改造，使取料机的结构更加适合工业现场的实际环境；有的从取料机的控制系统进行设计和改造，利用多种型号的PLC，诸如西门子S7-300、欧姆龙、三菱、罗克韦尔等对取料机进行编程，继而从中找到最优的、相对简洁的程序对取料机进行控制，取得一定的研究成果。

闫军、周志霞对取料机的工作过程和主要工艺流程进行了分析，对整个取料机工艺及流程进行了全方位的自动控制，设计了功能相对齐全的监控系统。

该监控系统可以对整个取料机的工作状态进行实时监控。

应用西门子S7-300作为PLC控制器，组态王作为上位机的监控软件，有效地提高了取料机的工作效率，改善了工作环境[2]。

张子才等人认为料场无人化系统是散货运输行业的一项全新技术，采用先进的工业自动化控制技术、检测技术、测绘技术、计算机图像图形处理技术以及网络通讯技术，可以实现堆取料机的自动化堆取料作业利用激光扫描技术，对料堆进行动态实时扫描，并进行仿真处理，形成三维图像及料堆信息数据库，将取料作业设计计划自动转化为PLC控制指令，控制取料机自动寻址，然后根据设定的数据，如堆形、堆高、堆宽等，根据指定的料堆，自动寻找料对切入点，完成自动取料[3]。

张松认为对QQL130042型混匀取料机的主梁结构、取料斗、滚轮系统以及小车运行机构进行改进，可以使取料设备的可靠性显著提高，故障率降低70%左右，能够使设备的维修费用大幅度降低，同时备品备件费用降低[4]。

张鼎祥认为一个好的总体设计决定了一台斗轮取料机的优劣。

选择合适的机型，采用现代设计方法和设计手段，对不同的机构形式进行优化组合，合理设计，就可以满足各项功能的技术要求[5]。

刘伟峰针对斗轮堆取料机的取料能力偏低而无法适应运煤系统处理的问题，分析了斗轮取料机取料能力关联因素提出了提升取料能力的改造方案，通过计算斗子容量与取料能力的变化关系、斗轮转速、工进的距离论证了斗容变化与取料能力的关系及改造实施后可以产生的经济效益。

研究结论为增大斗子容量是提升斗轮堆取料机取料能力的经济易行的改造方案，具有一定的推广价值[15]。

对于取料机的研究和改造许多专家和学者从模型设计和控制算法两个方面的理论研究取得一定的进展，已经有部分国外的企业将理论用用到为实际的取料机设备当中去，在现场的实际控制中取得了不错的成效，国内受限于技术开发的瓶颈，目前尚且止步于理论阶段。

1.3取料机取料工艺流程

取料机主要由行走装置、刮板、耙车、悬臂皮带四部分构成。

行走装置是架设在轨道上的带有四个车轮的装置，它的作用主要是在控制系统的驱动下实现取料设备的行走和换堆取料。

刮板是紧贴着煤料低端负责把煤料运转到悬臂皮带上的带有刮槽的装置。

耙车是对煤料进行松动并控制煤料下滑流量的左右摆动的辅助装置。

悬臂皮带承接着刮板，是把刮板送来的煤料利用皮带转动输送到下一站。

设备主要是在耙车的摆动下依靠煤料的重力使得煤料自动下滑到刮板上，随着行走装置的慢速前进，刮板把煤料运转到侧旁的悬臂皮带上，依靠悬臂皮带的滚动把煤料运走。

根据设计要求，现场为取料机的工作设计5个限位开关，开始取料机停在初始位置，即两个料堆的中间限位开关5处，根据取料信号，取料机可以选择去左右两个料堆进行取料，假如控制系统给取料机去左堆进行取料，则取料机将会快速向左堆行走，并在触及限位开关1时，向左快速行走停止并启动悬臂皮带转动5S后刮板进行转动，5S后耙车1进行摆动，再5S后行走装置慢速向左驱动，取料开始。

到达限位开关2时，慢速驱动、耙车停止工作，10S后刮板和悬臂皮带停止工作，行走装置快速向右驱动，这使得刮板和皮带上的煤料能够充分运走，降低能耗。

行走装置碰到限位开关5时停止驱动，继续等待取料信号。

假如控制系统给取料机去右堆进行取料，则取料机将会快速向右堆行走，并在触及限位开关3时，向右快速行走停止并启动悬臂皮带转动5S后刮板进行转动，5S后耙车2进行摆动，再5S后行走装置慢速向右驱动，取料开始。

到达限位开关4时，慢速驱动、耙车停止工作，10S后刮板和悬臂皮带停止工作，行走装置快速向左驱动，这使得刮板和皮带上的煤料能够充分运走，降低能耗。

行走装置碰到限位开关5时停止驱动，继续等待取料信号。

取料机具体的工艺流程图如图1-2所示。

取料机的工作过程只是一系列生产传输流程中的一小部分，取料机设备相当于一个大型的机车，骑跨在煤堆两侧的轨道上在两个轨道之间存放着大量的散煤料，这些煤料堆是由堆料机堆料而成，取料机和堆料机之间有联锁信号，可以保证两个设备不会同时到一个料堆进行作业，由于我设计的是取料机的控制系统，在此堆料机的设计不再赘述。

取料机位于两个煤料堆之间，它的行走范围也是有限的几十米，在系统的信号驱动下工作，往返于两个料对之间进行取料，耙车有前后两个，分别在左堆和右堆工作，它不仅可以把较大的煤料碎成小块的散料，更可以控制煤料的大量下滑，减轻刮板和悬臂皮带的负荷。

现场的取料机机械设备如图1-1所示。

图1-1现场装备

图1-2取料机工艺流程图

1.4主要研究内容及组织结构安排

本文主要研究内容是取料机外部控制电路的设计、PLC控制程序设计和上位组态界面的制作，以及对控制程序的组态仿真。

第二章主要介绍取料机的硬件电路设计，主要包括取料机的电气回路和控制回路设计，以及一些PLC输入输出与处理器之间的连线关系。

第三章主要是输入输出标签的绘制以及PLC逻辑控制梯形图的编程及调试。

第四章主要是介绍上位组态界面的绘制和系统的通讯连接，最后完成对控制指令的测试。

第2章取料机控制系统硬件设计

2.1设计任务要求

（1）行走装置电机的正常运转控制。

由于初始取料信号的不同，行走电机的转动方向相反，因此要使左右行进驱动的电机进行互锁，已确定取料机动作的唯一性和确定性。

（2）耙车电机的摆速控制。

耙车电机的作用是驱动耙车在一定的范围内进行摆动，左右都有极限位开关，摆动的速度要和慢速电机的转速和刮板的速度进行协调，摆动过快或过慢都会导致系统负荷过大而出现故障。

（3）刮板电机的控制。

刮板电机的转速需和悬臂皮带电机的转速进行协调，过多的输出煤料可能会导致皮带的断裂。

（4）悬臂皮带电机的控制。

悬臂皮带电机工作的异常直接会导致系统的瘫痪，大量煤料的堆积会对系统造成超大的负荷，而且会降低煤料的输送效率。

2.2取料机硬件系统电气回路及技术参数

取料机由机械部分和电气控制部分两部分组成，机械部分主要由车架、耙车、刮板、轮子等部分组成。

与电气传动有关的技术的参数如下：

（1）行走快速电机的技术参数

电气回路如图2-1：

电机型号为YA132S-4电压AC380V的电机，功率5.5kW。

断路器型号为DZ47-63。

主回路中的低压断路器和热继电器起过热过载保护电路的作用。

当电机在运行过程中电压、电流或电机主回路的温度出现异常时，主回路中的断路器和热继电器就会起到保护电路的作用，防止电机在异常条件下工作运行，以免损坏电机的寿命。

当主回路中KM1闭合时，快速电机将会正转，此时对应取料机快速左行，取料机将在接下来的一段时间内在左堆取料。

由于在控制电路中KM1和KM2的继电器进行了互锁，电气回路中的KM1、KM2不会同时闭合，这对电机也起到了一定的保护作用。

（2）行走慢速电机的技术参数

电气回路如图2-2：

型号为YA801-4额定功率0.55KW电压AC380V

图2-1行走快速电机电气回路图2-2行走慢速电机电气回路

的电机。

断路器型号为DZ47-63。

主回路中的低压断路器和热继电器起过热过载保护电路的作用。

在慢速电机的控制回路里也设置了电机正反转互锁，其动作机制和快速电机一样。

（3）耙车1电机的技术参数

电气回路如图2-3：

额定功率18.5KW电压AC380V。

断路器型号为DZ47-63。

主回路中的低压断路器和热继电器起过热过载保护电路的作用。

在耙车1电机的控制回路里也设置了电机正反转互锁，其动作机制和快速电机一样。

（4）耙车2电机的技术参数

电气回路如图2-4：

额定功率18.5KW电压AC380V。

断路器型号为DZ47-63。

主回路中的低压断路器和热继电器起过热过载保护电路的作用。

在耙车2电机的控制回路里也设置了电机正反转互锁，其动作机制和快速电机一样。

图2-3耙车1电机电气回路图2-4耙车2电机电气回路

（5）刮板电机的技术参数

电气回路如图2-5：

电机型号YA280M-4电压AC380V，功率为90kW。

断路器型号为CM1-225L。

主回路中的低压断路器和热继电器起过热过载保护电路的作用。

（6）悬臂皮带电机的技术参数

电气回路如图2-6：

电机型号YA280S-4电压AC380V，功率为55kW。

断路器型号为DZ47-63。

主回路中的低压断路器和热继电器起过热过载保护电路的作用。

图2-5刮板电机控制回路图2-6悬臂皮带电机电气回路

2.3主要硬件电路控制设计

（1）行走快速电机的电气控制

电气控制回路如图2-7所示。

快速电机采用直接启动方式。

控制回路是一个典型的正反转电路，当快速电机上电后，开关打到中控位，PLC会收到快速电机的备妥信号，系统发出驱动命令，它等待系统给它的驱动信号，当系统的快速正转驱动信号发出后，继电器1K得电，1K得电后使得浮点1K闭合，浮点闭合后使得继电器KM1得电，KM1的浮点是控制快速电机正转的开关，KM1得电使得它的浮点闭合，快速电机正转，快速电机正转对应取料机向左行走。

在正转电路里加入了一个反转接触器的常闭触点，这样就保证了正转时不能反转。

当系统的快速反转驱动信号发出后，继电器2K得电，2K得电后使得浮点2K闭合，浮点闭合后使得继电器KM2得电，KM2的浮点是控制快速电机正转的开关，KM2得电使得它的浮点闭合，快速电机反转，快速电机反转对应取料机向右行走。

在反转电路里加入了一个正转接触器的常闭触点，这样就保证了反转时不能正转。

在取料完成后，即碰到限位开关2和限位开关4后，会有定时器进行计时，在保证煤料已经彻底取完后，计时结束时会驱动快速电机正转或反转，其启动原理和上述过程一致。

图2-7行走快速电机电气控制电路

（2）行走慢速电机的电气控制

电气控制回路如图2-8所示。

慢速电机也是采用直接启动方式。

控制回路也是一个典型的正反转电路，当慢速电机上电后，开关打到中控位，PLC会收到慢速电机的备妥信号，进而系统发出驱动命令，它等待系统给它的驱动信号，当取料机碰到限位开关1，并且悬臂皮带、刮板和耙车都启动后，系统的慢速正转驱动信号发出，继电器3K得电，3K得电后使得浮点3K闭合，浮点闭合后使得继电器KM3得电，KM3的浮点是控制慢速电机正转的开关，KM3得电使得它的浮点闭合，慢速电机正转，慢速电机正转对应取料机向左行走。

在正转电路里加入了一个反转接触器的常闭触点，这样就保证了正转时不能反转。

当取料机碰到限位开关3，并且悬臂皮带、刮板和耙车都启动后，系统的慢速反转驱动信号发出，继电器4K得电，4K得电后使得浮点4K闭合，浮点闭合后使得继电器KM4得电，KM4的浮点是控制慢速电机正转的开关，KM4得电使得它的浮点闭合，慢速电机反转，慢速电机反转对应取料机向右行走。

在反转电路里加入了一个正转接触器的常闭触点，这样就保证了反转时不能正转。

图2-8行走慢速电机电气控制电路

（3）耙车1电机的电气控制

电气控制回路如图2-9所示。

耙车1电机也是采用直接启动方式。

控制回路还是一个典型的正反转电路，当耙车1电机上电后，开关打到中控位，PLC会收到耙车电机的备妥信号，进而系统发出驱动命令，它等待系统给它的驱动信号，当取料机碰到限位开关1，并且悬臂皮带和刮板都启动后，系统的耙车正转驱动信号发出，继电器5K得电，5K得电后使得浮点5K闭合，浮点闭合后使得继电器KM5得电，KM5的浮点是控制耙车1电机正转的开关，KM5得电使得它的浮点闭合，耙车1电机正转，耙车1电机正转对应取料机耙车1向前摆动。

在正转电路里加入了一个反转接触器的常闭触点，这样就保证了正转时不能反转。

当碰到耙车1前限位开关，系统的耙车1反转驱动信号发出，继电器6K得电，6K得电后使得浮点6K闭合，浮点闭合后使得继电器KM6得电，KM6的浮点是控制慢速电机正转的开关，KM6得电使得它的浮点闭合，慢速电机反转，慢速电机反转对应取料机向后摆动。

在触碰到耙车1后限位开关时，耙车1正转启动，由此往复运行，直到左料堆取料结束。

在反转电路里加入了一个正转接触器的常闭触点，这样就保证了反转时不能正转。

图2-9耙车1电机电气控制电路

（4）耙车2电机的电气控制

电气控制回路如图2-10所示。

耙车2电机也是采用直接启动方式。

控制回路还是一个典型的正反转电路，当耙车2电机上电后，开关打到中控位，PLC会收到耙车电机的备妥信号，进而系统发出驱动命令，它等待系统给它的驱动信号，当取料机碰到限位开关1，并且悬臂皮带和刮板都启动后，系统的耙车正转驱动信号发出，继电器5K得电，5K得电后使得浮点5K闭合，浮点闭合后使得继电器KM5得电，KM5的浮点是控制耙车2电机正转的开关，KM5得电使得它的浮点闭合，耙车2电机正转，耙车2电机正转对应取料机耙车2向前摆动。

在正转电路里加入了一个反转接触器的常闭触点，这样就保证了正转时不能反转。

当碰到耙车2前限位开关，系统的耙车2反转驱动信号发出，继电器6K得电，6K得电后使得浮点6K闭合，浮点闭合后使得继电器KM6得电，KM6的浮点是控制慢速电机正转的开关，KM6得电使得它的浮点闭合，慢速电机反转，慢速电机反转对应取料机向后摆动。

在触碰到耙车2后限位开关时，耙车2正转启动，由此往复运行，直到右料堆取料结束。

在反转电路里加入了一个正转接触器的常闭触点，这样就保证了反转时不能正转。