基于PLC控制的物料提升机的应用设计毕业论文.docx

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基于PLC控制的物料提升机的应用设计毕业论文

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要

本文主要对物料提升机系统中的控制和调速部分进行研究，通过可编程控制器和双闭环直流调速系统实现对提升机的调速控制。

根据物料提升机的运行特点，可将该控制系统分为两部分，包括PLC控制部分和调速部分。

采用PLC作为主控系统具有调试方便、维护量小、硬件设计简单等优点，同统接触式继电器控制系统相比较，不光省去了它的中间环节、减少了线路的连接数目，还从很大程度上完善了现有系统的安全、可靠性水平。

最后，通过组态软件对构建的提升机系统进行画面仿真，实现提升机的启停、调速和升降功能。

关键词：

可编程控制器；提升机；直流电机调速；组态软件

Abstract

Thispapermainlyonthematerialhoistsystemcontrolandspeedcontrolpartofthestudy,throughtheprogrammablecontrolleranddoubleclosed-loopdcspeedregulationsystemtorealizethespeedcontrolofthehoist.Operatingcharacteristicsofthematerialhoist,theoperatingsystemcanbedividedintotwoportions,includingPLCcontrolpartandcontrolpart.AdoptingPLCasthemaincontrolsystemiseasytodebug,maintenancequantityissmall,theadvantagesofsimplehardwaredesign,comparedwithallcontactrelaycontrolsystem,itnotonlysavestheintermediatelinks,reducingthenumberofconnectionlines,alsotoalargeextentimprovethelevelofsafetyandreliabilityoftheexistingsystem.Finally,throughconfigurationsoftwaretotheconstructionofthehoistsystemforscreensimulation,toachievethehoiststartandstop,speedandliftingfunction.

Keywords:

PLC;hoist,;dcmotorspeedregulation,;configurationsoftware

引言

物料提升机是一种常用的机械输送设备,主要用于需要对粉状、颗粒状及小块物料的持续垂直提升的场合[1]。

提升机系统的电力传动部分是十分复杂的，电动机频繁的正反向，使其常常处于过负荷运行以及电动、制动状态不断进行转换的过程中[3]，这就要求系统必须具有足够的稳定性。

系统在运行过程中能够既安全又可靠，这对于提升机来说是首要要求。

若系统长时间保持在低安全性、低可靠性的状态运行时，不光可能直接影响整个工业场合的生产输送能力，导致其经济效益降低，还有可能危害到工作人员的人身安全。

所以，研究一种具有优良安全可靠性能的提升机是今后工业控制系统的一项重要内容。

在对现有调速系统进行了深入的了解和学习之后，最终决定运用PLC控制技术对提升机系统进行设计，并将其作为系统的核心部分，将双闭环直流调速系统作为本设计的电力拖动部分。

围绕课题的主要研究内容，论文的整体结构主要分成了七部分，对每部分结构的内容做了如下安排:

第一部分:

概述。

在本部分中主要对课题的研究背景、研究意义以及研究内容作了简要介绍，同时就提升机的国内外研究状况进行了分析。

第二部分：

直流调速系统。

本章主要对直流电机调速的基本调速方法进行了介绍，并对本课题拟采用的双闭环直流调速系统进行了具体分析。

第三部分：

PLC控制技术。

本章主要从PLC的基本结构、工作原理以及不同于其他控制技术的特点等方面进行了介绍，使之进一步了解PLC控制技术。

第四部分:

硬件部分的设计。

本章主要从硬件部分的设计进行介绍，首先对系统的整体硬件结构进行了概述，其次PLC的选型，之后按照系统的设计要求对I/O口进行了分配，最后介绍了硬件设计流程图以及整体的原理框图。

第五部分：

软件部分设计。

本章主要从程序的编写及仿真的角度进行介绍,首先从对编程软件进行了简要概述，然后对系统的部分程序进行了具体分析，列举了部分程序的流程图，最后介绍了组态的画面仿真过程。

第六部分：

结论。

总结在设计过程中主要研究内容，并对研究该系统所具有的现实意义进行了简要介绍，最后阐述了系统的不足之处。

第一章概述

1.1选题背景

物料提升机是一种固定的机械输送设备，主要用于需要对粉状、颗粒状及小块物料的持续垂直提升的场合[1]。

随着科学技术的不断发展，工业控制技术也在不断革新，不同场合、不同工况下对提升机的要求也存在些许差别。

由于电动机在系统运行过程中经常需要经常切换运行状态，导致提升机系统的电气传动部分需要设计的非常复杂。

所以对于提升机系统的运行过程来说能够安全可靠的运行是非常重要的，如果发生故障，不但会影响工业生产的经济性，而且还会对工作人员的人身安全产生威胁。

因此，研究安全可靠的提升机系统对当前工业生产来说是一项重要的课题。

1.2国内外研究状况

近四十年以来，国外提升机的发展速度可谓是如日中天，尤其是它的机械控制部分和电气传动部分简直可以说是日新月异的。

19世纪七十年代初，国外就已经开始在提升机的控制系统中运用可编程控制器了。

到19世纪八十年代，提升机又开始使用计算机进行系统的实时监视和可视化管理。

计算机和可编程逻辑控制器相结合的应用模式，给提升机系统提供了一种新型的、现代化的可视监管手段，不止是将提升机的控制技术提高到一个新的层次，还在一定程度上对了系统的安全可靠进行了完善。

与此同时，我国的提升机系统却没有多大成就，导致在很长一段时间里都处于停滞不前的状况。

和国外相比，我国的提升机控制系统还是存在很大距离的，需要加大研究的力度。

目前，我国还有80%以上的提升机仍在使用通过交流绕线式异步电机拖动的方式对电控系统进行控制。

它采取了串接附加电阻的方式实现电机的启动、调速功能。

串电阻调速方法作为常用的恒转矩调速方式，虽然这种方法具有经济性差、低速运行特性软以及稳定性差的缺点，但由于这种方法的比较简单方便实用，所以，在大型工业机械中依然被经常使用。

20世纪90年代初，在一些工业生产场合就开始使用由我国自主开发、制造的晶闸管-直流电动机控制系统了。

这种控制系统的对大部分场合都适用，体积小并且重量也很轻，所以不需要很大的占地面积，具有安装和建筑费用低、总效率高、电能损耗少、单机容量大的优点，首次实现了自动化控制。

由于物料提升机在安全性、可靠性以及调速性能这几方面有着独特的要求，因此，可以说提升机的电控技术水平几乎能代表一个企业乃至一个国家的电控技术水平。

近些年来，国外在电力拖动方面也取得了不小的进展，出现了许多新型的拖动方式，包括交—交变频、交—直—交变频等。

变频调速是一种和他励电动机调速非常相似的调速方式，具有较宽的调速能力、调速平滑性优良以及机械特性足够硬的优点，在工业生产中可表现出其独特的优越性。

1.3本文研究内容及意义

1.3.1论文主要研究内容

通过对当前提升机控制系统的研究，本文主要对物料提升机的控制系统部分进行了设计，以可编程控制器及直流电机相结合的方式，用于实现对物料提升机的起制动、升降速以及调速方面的控制。

系统主要是由PLC控制和直流电机调速两部分组成的。

PLC控制部分主要是用于编写提升机运动指令并进行数据打包等处理，实现对提升机的运行控制；直流电机调速系统主要是采用双闭环直流调速的方法，将其与控制部分连接，用于接受PLC的控制程序，实现电动机的启停、加减速等状态。

本课题主要从以下三个方面对提升机控制系统进行了研究：

（1）运用了PLC控制技术，进一步改善了提升机的安全可靠性问题。

设计编写了相应的程序使直流电机能够进行不同的状态变化，从而达到控制提升机系统运行的目的。

（2）通过对直流电机调速系统的学习，了解它的调速原理，并在现有基础上进行设计。

（3）采用组态软件进行仿真。

通过组态软件进行画面的制作和仿真，能够更加直观的看到提升机的状态变化过程。

1.3.2本文研究意义

本课题中采用目前工业当中普遍使用的可编程控制器作为物料提升机的主要控制单元，具备运行可靠、操作简单的特点；在电力拖动系统中，采用了调速范围宽、静差率小、稳定性能优良、具有良好动态性能的转速-电流双闭环直流调速系统，同时PLC的应用也一定程度上优化了调速系统性能。

以改进物料提升机系统的控制方式为目标，在传统调速方案的基础上对其控制方式部分进行了创新，不光可以起到降低成本的作用，还能够增强系统的稳定性。

能够安全、可靠的使用提升机是本系统研究与设计的主要目标。

第二章直流调速控制系统

3.1直流调速的基本方法

直流电动机电枢回路的电压平衡方程式表示为

（3-1）

电枢反电势表示为

（3-2）

将电枢反电势和电压平衡方程式联合进行求解，可得转速特性方程式如下所示：

（3-3）

由式3-3可以看出，直流电机的调速方法主要包括以下三种，包括：

（1）调节电枢电压调速

（2）改变电动机励磁调速

（3）改变电枢回路电阻调速[2]

图3-1他励直流电动机改变电枢电压时的人为机械特性

采用改变电枢电压的方式对速度进行调节时，可以在较宽的范围内实现无级平滑调速，其人为机械特性如图3-1所示。

虽然在对电枢电压做出改变时，n0会随之发生改变，但其机械特性的斜率却是固定值；通过改变电阻的方式对速度进行调节时，只能用来实现有级调速；采用变化磁通的方式进行调速时（即磁通降低），可以用来实现平滑调速。

但由于其较小的调速范围，通常只在用作配合调压调速的方案中使用，可以实现在电动机额定转速的小范围内调速的功能。

3.2转速一电流双闭环调速系统

如图3-2所示为转速-电流调速系统的稳态结构图，需要在系统中设置两个调节器，且两者之间采用通过串联的形式进行连接，两个调节器分别对主要被调量转速以及辅助被调量电流起进行调节，将电流调节器的输入部分用转速调节器的输出部分代替，之后再通过电流调节器的输出对晶闸管整流器的触发装置进行控制[7]。

从整体的闭环结构来看，内环是将电流调节套在里面的；外环是将转速调节套在外面的。

设计时，第一步先对电流调节器进行设计，之后把设计完成的电流环当成整个转速调节系统的一个部分，第二步再对转速调节器进行设计[7]；通常情况下，会选择PI调节器作为两个调节器使用，以此达到获取优良静、动态特性的目的。

图3-2双闭环调速系统的稳态结构图

（1）静态特性

图3-3双闭环直流调速系统的静态特性

双闭环系统的静态特性如图3-3所示。

当负载电流比Idm小时，转速调节器ASR处于不饱和状态，仅仅依靠ASR的调节作用，就能够保证系统具有转速无静差的特性，因此，认为此时电流调节器只起到辅助作用[4]。

负载电流在不断增大的同时，ASR的输出控制电压也会不断加大，当负载电流达到Idm时（电动机过载或被卡住堵转时），ASR输出的控制电压达到最大值，使其处于饱和状态，不再具有调节作用，此时转速环呈开环状态[5]。

在最大给定电流是恒定数值的条件下，依赖电流环对电流的调节作用，此时可将系统从