基于PLC的皮带运输机电器控制系统设计.docx
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基于PLC的皮带运输机电器控制系统设计
XXXX职业技术学院
学生毕业设计（毕业论文）
系别：
机电工程学院
专业：
机电一体化
班级：
机电XXX
学生姓名：
学生学号：
设计（论文）题目：
皮带运输机电器控制系统设计
指导教师：
设计地点：
XXXX职业技术学院
起迄日期：
2013.09.08-2013.11.12
毕业设计（论文）任务书
专业机电一体化班级机电姓名XXX
一、课题名称：
皮带运输机电器控制系统设计
二、主要技术指标：
1.延时开关延时时间为5s，使皮带运输机能够按间隔5s时间相继运行，间隔5s相继停止
2.三菱FX2NPLC程序的设计，使皮带运输机能够自动循环的运行
3.电路及电路保护的设计，使皮带运输机能够防止短路、过载等危险，安全运行
三、工作内容和要求：
1.了解市场皮带运输机的优缺点，明确设计方向及要点
2.电路及保护电路的设计
3.PLC程序设计
4.皮带运输机电器系统的原理说明
四、主要参考文献：
1.王成福.可编程序控制器原理及应用[M].北京:
北京机械工业出版社，2006
2.李景学.可编程序控制器应用系统设计及方法[M].北京:
电子工业出版社，1995
3.陈新华.电工技术与可编程序控制器实践[M].北京：
北京机械工业出版社，2002
4.余雷声.电气控制与PLC应用[M].北京:
机械工业出版社，2001
5.三菱微型可编程控制器编程手册（手册）2000年
学生（签名）年月日
指导教师（签名）年月日
教研室主任（签名）年月日
系主任（签名）年月日
毕业设计（论文）开题报告
设计（论文）题目
皮带运输机电器控制系统设计
一、选题的背景和意义：
随着社会的发展、科技的进步，现代的工业生产中常常需要对物料进行加工、搬运，如果这繁杂的工作由人工完成的话不但效率低，而且劳动强度大，不适合现代化的生产需要。
因此，皮带运输系统应运而生。
它因具备长距离、大批量、高速、高效的有点而被广泛应用于冶金、煤炭、港口、建筑、食品加工等工业中。
但是因为皮带运输机控制系统的安全、操作难度等还不够完善，在工业生产中时常发生事故。
因此，设计出安全、高效的皮带运输系统以迫在眉睫。
它可使企业更高效、更安全的生产、增加效益、减少事故。
二、课题研究的主要内容：
1.皮带运输系统所使用的相关内容和领域
2.三菱FX2NPLC在皮带运输机电器控制系统中的应用
3.电工学在皮带运输机电器控制系统设计中的应用
三、主要研究（设计）方法论述：
1.通过网络、书籍了解皮带运输机控制系统存在的优缺点，明确设计方向
2.查阅电工学书籍，学习电路知识，完成电路图及电路保护的设计
3.学习、借助三菱PLC软件，完成PLC程序的设计
4.后期处理阶段，完成毕业设计工作
四、设计（论文）进度安排：
时间（迄止日期）
工作内容
2013.9.8-2013.9.15
确定论文题目，通过网络、资料等了解皮带运输控制系统存在背景、意义及优缺点
2013.9.16-2013.9.20
通过查找皮带运输机控制系统的相关资料和书籍，完成并且上交开题报告，模拟初稿
2013.9.21-2013.10.1
通过对皮带运输机控制系统设计的资料的研究，完成绪论部分和第一章的内容
2013.10.2-2013.10.10
研究PLC、皮带运输机控制系统设计的相关资料，确定最终设计方案的走向，完成第二章和第三章
2013.10.11-2013.10.21
深刻理解PLC、电工、皮带运输机控制系统设计的应用，并通过相关资料完成第四章内容
2013.10.22-2013.11.1
经指导老师提出意见，修改以前几章的不足之处并继续完成第五章的内容
2013.11.2-2013.11.12
完成设计剩余的内容，经过修改，审核完成设计并且打印论文，提交设计报告
五、指导教师意见：
指导教师签名：
年月日
六、系部意见：
系主任签名：
年月日
摘要................................................................1
0.绪论..............................................................1
1.皮带运输机的研究与设计............................................1
1.1简介............................................................1
1.2设计的内容......................................................2
1.3设计的要求......................................................2
2.元器件的选择......................................................3
2.1主元器件的选择..................................................3
2.2电路保护元器件的选择............................................4
3.PLC程序的设计....................................................7
3.1PLC的简介.......................................................7
3.2I/O口的选择.....................................................9
3.3PLC程序的设计...................................................9
4.电路的设计.......................................................10
4.1电路保护的设计.................................................10
4.2电路的设计.....................................................11
5.系统工作原理说明书..............................................12
结论与展望.........................................................12
致谢信.............................................................12
参考文献...........................................................13
皮带运输机电器控制系统设计
摘要：
本设计是设计一种用于皮带运输机的PLC电气控制装置，其中使用了交流接触器、熔断器和热继电器等电气元件，在控制电路上加强了保护，增强了控制系统的安全性和便捷性。
PLC控制系统具有工作较平稳、对空间要求低、性能可靠等优点，是一种较先进、较完善、适合于大型皮带运输机的控制系统。
关键词：
皮带运输机机；PLC控制系统；电气元件
Thedesignofelectricalcontrolsystemforbeltconveyor
Abstract：
ThisdesignistodesignaPLCelectriccontroldeviceforbeltconveyor,whichusedtheACcontactor,fusesandthermalrelaysandotherelectricalcomponents,thecontrolcircuitistostrengthentheprotection,enhancethesafetyandconvenienceofcontrolsystem.PLCcontrolsystemhasastablework,thespacerequirementsoflow,reliableperformance,isamoreadvanced,morecomplete,suitableforcontrolsystemforlargebeltconveyor.
Keywords：
beltconveyormachine;PLCcontrolsystem;electricalcomponents
0.绪论
随着科技的快速发展，工业领域已经引入自动化控制技术许多年历史了，它正推动着工业的快速发展。
然而，随着工业的迅猛发展，其对自动化控制技术的要求也越来越高，自动化控制技术也千变万化，向着更高端的方向发展。
自动化控制技术正在不断成熟，并已作为一门应用学问，形成了自己的体系和一套有效的分析和设计方法。
皮带运输机电器控制系统的设计，属于自动化控制的范畴。
如今，皮带运输因其长距离、大批量、高速、高效率等优点，在工业中正扮演这重要的角色。
本设计坚持理论与实际相结合，坚持符合机械制造生产情况，尽可能使设计做到技术先进、操作方便、生产可行、安全可靠及经济合理。
1.皮带运输机的研究与设计
1.1简介
用途：
皮带输送机是依靠摩擦传动来实现物料输送的运输设备。
适用于输送松散密度为0.5-2.5t/m3的各种粒状、粉状等散体物料，也可以输送成件物品。
工作环境温度为-25-60℃，普通输送带适用的物料温度不应该超过80℃。
技术参数：
带宽:
300mm
头尾滚筒中心距：
60400mm
带速：
0.3m/s
输送带型号：
EP-150
输送带规格长度：
1000X3（3+1.5）X128m（含硫化长度0.9m）
输送能力：
205m3/h
物料密度：
0.6t/m3
倾角：
0°
电机功率：
5.5kW
结构：
皮带运输机由皮带、机架、驱动滚筒、改向滚筒、承载托辊、回程托辊、张紧装置、清扫器等零部件组成。
工作原理：
系统启动后，电机转动带动滚筒转动，滚筒转动带动皮带运动运输物料，托辊承载输送带及上面输送的物料；到头时，物料落到下一环节，皮带有滚筒牵引改向循环。
故障排除：
1.输送带打滑：
输送带张力小或驱动滚筒表面粘有物料导致的。
应旋紧张紧螺杆，增大张力。
清理驱动滚筒并加大清扫力度。
2.输送带在两端跑偏：
原因是滚筒装配位置偏斜，应拉紧跑偏一侧的张紧装置的螺杆调整改向滚筒位置。
通过调整轴承座调整传动滚筒的位置。
3.输送带在中部跑偏：
原因是托辊安装位置不正。
应检查各托辊安装位置是否与输送带垂直，否则松开安装螺栓调整托辊位置。
调整完毕后旋紧各螺栓。
1.2设计的内容
本设计是以PLC软件及硬件相结合设计出的皮带运输机电器控制系统，达到了自动化、安全、高效生产的目的。
图1皮带运输机
1.如图1，本设计是一台两级皮带运输机，分别由M1、M2二台电动机拖动，有手动和自动两种控制方式。
2.手动时，按下启动按钮，要求按5s的时间间隔，并按M1、M2的顺序启动；按下停止按钮，按5s的时间间隔，并按M2、M1的顺序停止
3.自动控制时，要求按下启动按钮，按5s时间间隔顺序启动，经10s后，按5s的时间间隔顺序停止，完成了一个工作循环。
经5s后自动重复上述工作循环。
如在某一时刻，按下停止按钮，必须完成了一个工作循环后停止。
4.要有必要的短路、过载、连锁保护和急停按钮。
1.3设计的要求
1.设计的内容要求
（1）必须具备各种电路的设计及电路保护
（2）必须具备I/O表及PLC程序
（3）必须具备元器件的选型
（4）必须具备系统说明书
2.设计的原则要求
（1）尽可能地满足控制要求。
设计前，应深入现场进行调查研究，搜集资料，拟定电气控制方案，解决设计中出现的各种问题。
（2）首先要满足控制要求，然后力求控制系统安全、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）考虑研制和生产过程的改进，为PLC控制系统选择容量时，应适当的冗余。
2.元器件的选择
2.1主元器件的选择
1.电机的选择
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。
本系列采用B级绝缘，外壳防护等级为封闭式或防护式。
Y系列电动机额定电压380V，额定频率50HZ。
具体选型如下：
表1电机参数表
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*m*m
噪声
净重
kg
转速
r/min
电流
A
功率
%
功率因数
cosj
额定电流
额定转矩
额定转矩
同步转速
Y100L-2
5.5
2870
6.39
82
0.87
7.0
2.2
2.2
0.0029
79
33
图2Y100L-2电机
2.时间继电器的选择
表2继电器表
标志
型号
名称
功能
KT1
JSZ3A
通电延时继电器
通电延时5s
KT2
JSZ3F
断电延时继电器
断电延时5s
图3时间继电器
3.按钮的选择
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。
不同的颜色和结构型式所具备的作用也不一样。
通常情况下，绿色是起动按钮，红色是停止按钮，红色蘑菇头型式是紧急停止按钮；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，多对触头的按钮主要用来控制两个或两个以上的回路。
LA18、LA19、LA20等几种型号主要用在机械设备上的按钮。
它们的额定电压为：
交流500V、直流440V、额定电流为5A。
图4各式按钮
2.2电路保护元器件的选择
1.热继电器的选择
热继电器：
热继电器有双金属片式和电子式两种，主要用于对电动机过载保护。
电子式热继电器保护性能好，主要用于保护重要电动机。
若电气控制系统已使用自动开关，那热继电器可不再使用；像冷却泵电机等负载恒定、过载可能性很小的电动机，也可不用热继电器。
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。
电动机若采用星形连接，则采用两相或三相结构的热继电器；若采用三角形连接，则采用断相保护的热继电器。
热元件的额定整定电流值通常是电动机的额定电流的0.95-1.05倍。
选用型号如下：
表3热继电器参数表
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
图5热继电器
2.熔断器的选择
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
Ir=（2-3）lemaxaIed
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；
aIed——除容量最大的电动机之外，其余电动机的额定电流之和。
表4熔断器参数表
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
图6熔断器
3.交流接触器的选择
交流接触器的选用，应根据负荷的类型和工作参数合理选用。
具体分为以下步骤：
1.选择接触器的类型
交流接触器按负荷种类型一般分为一类AC1、二类AC2、三类AC3和四类AC4。
一类交流接触器控制的是白炽灯等无感或微感负荷；二类交流接触器主要控制绕线式异步电动机的起动和停止；三类交流接触器主要控制笼型异步电动机的运转和运行中分断；四类交流接触器主要控制鼠笼型异步电动机的起动、反转、反接制动和点动。
2.选择接触器的额定参数
接触器的额定参数主要依据被控对象和工作参数如电压、电流、功率、频率及工作制等来确定。
（1）接触器的线圈电压通常应该一些，这样可以降低接触器的绝缘要求，可以安全使用。
但为了方便和减少设备，通常选取按实际电网电压。
（2）电动机的操作频率不高，如压缩机、水泵、空调等，接触器额定电流应大于负荷额定电流。
接触器类型可选用CJl0、CJ20等。
（3）接触器控制变压器时，应考虑浪涌电流的大小。
例如交流电弧焊机、电阻焊机等，通常选取交流接触器电流是变压器额定电流的2倍，选CJl0、CJ20等型号。
（4）对于电热设备，如电阻炉、电热器等，负荷的冷态电阻较小，因此起动电流相应要大一些。
选用接触器时可不用考虑起动电流，直接根据负荷额定电流选取。
可选用CJl0、CJ20等型号。
（5）由于气体电灯起动电流大、起动时间长，对于照明设备的控制，交流接触器电流即为额定电流1.1-1.4倍，可选CJl0、CJ20等型号。
图7交流接触器
3.PLC程序的设计及I\O口的确定
3.1PLC的简介
1.PLC的基本概念
大型设备所需要的继电器众多，接线复杂无比，而且一旦更改逻辑控制方式，接线与安装方式必须更改，这一过程需要耗费大量人力物力，并且极易出错，一旦出错，检测问题更是一项体力活和耐力活，严重影响工业生产，大大降低了效率，这是亟待解决的问题，此时，PLC应运而生。
PLC不仅解决了继电器接线众多的问题，而且是无须更改现有接线方式，这极大的改善了工业生产方式，可以说是划时代的突破，这就是可编程控制器，同时为了不与个人电脑重名，改名为PLC,这就是PLC的诞生背景。
第一台PLC于1969年出现在美国，研发者是美国数据设备公司。
时至今日，各个国家都在大力发展这种方便的逻辑控制器，其中又以日本和德国的PLC最好，与美国成三足鼎立之势，它们三家生产的PLC种类众多，产品线齐全，可以较好地满足各个层次的需要。
2.PLC的基本结构
PLC由以下六大机构组成：
1.电源
PLC的电源是整个系统的动力源。
没有电源动力的驱动，PLC连开机都做不到，更不用说实现逻辑控制了。
PLC的电源品质无疑是十分重要的，必须要在大多数情况下都能稳定运行。
PLC使用的是220V电源。
2.中央处理单元
中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。
CPU由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集成在一个CPU内，是PLC的核心部件。
在向存储区中写入程序和数据后，开启电源，CPU按循环扫描的方式执行用户的程序。
3.存储器
存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。
存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。
4.输入输出接口电路。
输入/输出接口是PLC与其它设备实现连接的桥梁，外部信息通过输入接口写入PLC的CPU中，CPU经过运算处理，再通过输出接口传递给外部的机构。
各种PLC的输入接口都是差不多的，但是输出接口却迥然不同，因为负载的不同，PLC一般有三种类型的输出电路，分别是继电器输出、晶体管输出和晶闸管输出，它们的作用，简单来说，就是把PLC的标准信号转换成需要的信号。
5.功能模块
如计数、定位等功能模块。
6.通信模块
如以太网、RS485、Profibus-DP通讯模块等。
3.PLC的工作原理
PLC的工作原理很简单，只有三个状态：
1.输入采样阶段
PLC以扫描方式输入所有可以接收的外部信息，并将它们存入内部的存储器中，在此期间，无论外部信息如何改变，已扫描并且储存的数据是不会有任何改变的，不会有吃回头草现象。
2.用户程序执行阶段
用户程序执行阶段中，PLC的执行方式是按照从上到下、从左往右的顺序。
遇到跳转，先判断程序条件是否满足，再执行下一步。
程序执行过程中，PLC从映象中取出数据信息，然后按照程序确定的进行逻辑运算或其他运算，运算结束后将结果存入相应的内部继电器中。
这时信号就存放在输出映像区，输出映像寄存器的数据具有重大作用。
3.输出刷新阶段
在输出刷新阶段，CPU将所有输出继电器的状态在输出刷新阶段转存到输出锁存器中，通过输出端子和外部电源，驱动相应的外设。
4.PLC的特点
1.功能完善，通用性强，控制程序可变。
PLC品种齐全的硬件装置，可以组成能满足各种要求的控制系统，用户不必自己再设计和制作硬件装置。
用户在硬件确定以后，在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下，不必改变与PLC相连接的硬件设备，只需改编程序就可以满足要求。
2.安装简单，容易维修。
复杂的工业环境下PLC能够稳定工作，前提是各种设备与PLC的I/O口正确连接。
强大的自检功能为PLC维修提供了便利。
3.功能强，适应面广。
现代PLC不仅有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能，还具有数字和模拟量的输入输出、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录显示等功能。
既可控制一台生产机械、一条生产线，又可控制一个生产过程。
4.抗干扰能力和可靠性能力强。
PLC的内部电源采取了屏蔽、稳压、保护等措施，以减少外界干扰，保证供电质量。
除此之外，PLC的输入接口和输出接口的电源彼此独立，避免干扰，而正确的选择接地地点和完善接地系统是PLC抗电磁干扰的重要措施之一。
为适应工作现场的恶劣环境，PLC的外壳还采用密封、防尘、抗震的封装结构。
通过以上的种种措施，能够保证PLC稳定工作，可以达到平均故障间隔时间长，故障修复时间短的工业要求。
5.环境要求低。
PLC的技术条件能在一般高温、振动、冲击和粉尘等恶劣环境下工作，能在强电磁干扰环境下可靠工作。
6.易学易用。
PLC是一种工业设备，接口丰富，编程形式是直观易懂的梯形图，编程语言更易学习。
5.PLC的选型
PLC的厂商众多，有美国、欧洲和日本三家，无论是哪家的PLC，其产品质量都很可靠。
PLC的产品丰富，不胜枚举。
我学过的就有三菱Fx2N以及西门子S7300，其它的还有欧姆龙PLC和日立PLC。
本文选择的是三菱FX2N-32MR，如图5所示。
三菱FX2N-32MR是FX系列中最好的设备。
FX2N的规格：
FX2N-32MR含有16点继电器输出，使用220V的交流电压。
3.2I\O口的确定
表5I\O分配表
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