基于PLC的输煤机组的课程设计 电气控制技术DOC.docx

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基于PLC的输煤机组的课程设计电气控制技术DOC

课题：

基于PLC的输煤机组控制系统设计

专业：

班级：

学号：

姓名：

指导教师：

重庆大学城市科技学院电气学院

电气控制技术设计报告

一、设计目的作用

通过对输煤机组PLC电气控制系统设计，使我们进一步熟悉有关PLC电气控制的理论知识，PLC的结构、组成、工作原理，掌握根据生产工艺过程和自动控制要求用PLC进行控制的PLC系统及控制程序设计方法和步骤，培养我们的工程意识和工程实践能力。

初步掌握PLC电气控制系统的设计方法，编程技巧以及电气常用元器件的选型；初步具有控制系统主电路、控制程序的分析和设计方法；同时掌握电气线路原理图的绘制方法，为今后走上工作岗位应用PLC电气控制基本理论知识奠定良好的基础。

二、设计要求

（一）、系统组成

输煤机组控制系统示意图如图1所示，输煤机组控制信号说明见表1。

图1输煤机组控制系统示意图

表1输煤机组控制信号说明

输入

输出

文字符号

说明

文字符号

说明

SA1-1

输煤机组手动控制开关

KM1

给料器和磁选料器接触器

SA1-2

输煤机组自动控制开关

KM2

1#送煤机接触器

SB1

输煤机组自动开车按钮

KM3

破碎机接触器

SB2

输煤机组自动停车按钮

KM4

提升机接触器

SB3

输煤机组紧急停车按钮

KM5

2#送煤机接触器

SB4

给料器和磁选料器手动按钮

KM6

回收机接触器

SB5

1#送煤机手动按钮

HL7

手动运行指示灯

SB6

破碎机手动按钮

HL8

紧急停车指示灯

SB7

提升机手动按钮

HL9

系统正常运行指示灯

SB8

2#送煤机手动按钮

HL10

系统故障指示灯

SB9

回收机手动按钮

HA

报警电铃

KM

M1～M6，YA运行正常信号

HL1～6

输煤机组单机运行指示

FR

M1～M6，YA过载保护信号

输煤机组的拖动系统由6台三相异步电动机M1～M6和一台磁选料器YA组成。

SA1为手动/自动转换开关，SB1和SB2为自动开车/停车按钮，SB3为事故紧急停车按钮，SB4～SB9为6个控制按钮，手动时单机操作使用。

HA为开车/停车时的讯响器，提示在输煤机组附近的工作人员输煤机准备起动，请注意安全。

HL1～HL6为Ml～M6电动机运行指示，HL7为手动运行指示，HL8为紧急停车指示，HL9为系统运行正常指示，HL10为系统故障指示。

（二）控制要求

1、手动开车/停车功能SA1手柄指向左45º时，接点SA1-1接通，通过SB4～SB9控制按钮，对输煤机组单台设备独立调试与维护使用，任何一台单机开车/停车时都有音响提示，保证检修和调试时人身和设备安全。

2、自动开车/停车功能SA1手柄指向右45º时，接点SA1-2接通，输煤机组自动运行。

1）正常开车按下自动开车按钮SB1，音响提示5s后，回收电动机M6起动运行并点亮HL6指示灯；10s后，2#送煤电动机M5电动机起动运行并点亮HL5指示灯；10s后，提升电动机M4起动运行并点亮HL4指示灯；10s后，破碎电动机M3起动运行并点亮HL3指示灯；10s后，1#送煤电动机M2起动运行并点亮HL2指示灯；10s后，给料器电动机M1和磁选料器YA起动运行并点亮HL1指示灯；10s后，点亮HL9系统正常运行指示灯，输煤机组正常运行。

2）正常停车按下自动停车按钮SB2，音响提示5s后，给料器电动机M1和磁选料器YA停车并熄灭HL1指示灯，同时，熄灭HL9系统正常运行指示灯；10s后，1#送煤电动机M2停车并熄灭HL2指示灯；10s后，破碎电动机M3停车并熄灭HL3指示灯；10s后，提升电动机M4停车并熄灭HL4指示灯；10s后，2#送煤电动机M5电动机停车并熄灭HL5指示灯；10s后，回收电动机M6停车并熄灭HL6指示灯；输煤机组全部正常停车。

3）过载保护输煤机组有三相异步电动机M1～M6和磁选料器YA的过载保护装置热继电器，如果电动机、磁选料器在输煤生产中，发生过载故障需立即全线停车并发出报警指示。

系统故障指示灯HL10点亮，HA电铃断续报警20s，HL10一直点亮直到事故处理完毕，继续正常开车，恢复生产。

4）紧急停车输煤机组正常生产过程中，可能会突发各种事件，因此需要设置紧急停车按钮，实现紧急停车防止事故扩大。

紧急停车与正常停车不同，当按下红色蘑菇形紧急停车按钮SB3时，输煤机组立即全线停车，HA警报声持续10s停止，紧急停车指示灯HL8连续闪亮直到事故处理完毕，回复正常生产。

5）系统正常运行指示输煤机组中，拖动电动机M1～M6和磁选料器YA按照程序全部正常起动运行后，HL9指示灯点亮。

如果有一台电动机或选料器未能正常起动运行，则视为故障，系统故障指示灯HL10点亮，输煤机组停车。

3、相关参数

1）M1～M6及磁选料器YA功率如图1中所示。

2）指示灯HL：

0.25W，DC24V。

3）电铃HA：

8W，AC220V。

三、设计的具体实现

1、系统概述

1．1、系统设计思路

本设计首先阐述了自动输煤系统的基本构成及特点，然后通过对基于继电器输煤系统和基于PLC的输煤系统对比论证，根据控制要求，本设计采用PLC控制，实现自动化控制。

在硬件方面，着重对PLC、继电器、电动机等选型进行了设计，同时给出了各高级单元的使用及设定情况；在软件方面，提供了原理图、接线图和梯形图。

除此之外，也充分考虑了实际应用中的要求，设计时考虑到了成本、功耗、安全性、稳定性、等诸多问题，具有一定的合理性和可行性。

用PLC输煤程控系统，不但实现了设备运行的自动化管理和监控，提高了系统的可靠性和安全性，而且改善了工作环境，提高了企业经济效益和工作效率。

因此PLC电气控制系统具有一定的工程应用和推广价值。

PLC不仅能实现自动化控制，还具有快速响应，便于维修等诸多特点，比一般的继电器接触器控制系统优越了很多，而且单机运行时都有音响提示，因此安全性也较好，程序设计也不是十分复杂。

1.2、系统设计可行性论证

在PLC问世之前，工业控制领域中是继电器占主导地位。

但继电器控制领域有着十分明显的缺点：

体积大、耗电多、可靠性、寿命短、运行速度慢、适应性差、尤其当生产工艺发生变化时，就必须重新设计、重新安装，造成时间和资金的严重浪费。

为了改变这一现状，PLC控制系统产生了。

继1969年美国数字设备公司研制出世界第一台PLC，并在通用汽车公司自动装配线上试用，获得了成功，从而开创了工业控制新时期，从此，可编程控制器这一新的控制技术迅速发展起来了。

在许多领域都有广泛的应用。

PLC的优点是：

可靠性高，耗电少，适应性强，运行速度快，寿命长等，为了进一步提高输煤机的功能和性能，避免传统控制的一些弊端，就提出了用PLC来控制输煤机组这个课题。

2、 单元电路设计与分析

2.1、主电路的设计

按照设计要求，给料器M1、1#送煤机M2、破碎机M3、提升机M4、2#送煤机M5和回收电动机M6由6台三相异步电动机拖动。

磁选料器YA由三相电源提供。

负载M2-M6由接触器KM2-KM6控制，给料器M1和磁选料器YA共同由KM1控制。

由于破碎机M3功率为13KW和2#送煤机M5功率为75KW都比7.5KW大，所以采用星—三角降压启动。

其余负载均采用直接启动方式。

主电路图见图2-1.

电源

回收机

2#

提升机

破碎机

1#

给料器

磁选料器

图2-1主电路图

主电路说明：

1）主回路中交流接触器KM1、KM2、KM3（KM9、KM10）、KM4、KM5（KM7、KM8）、KM6分别控制三相异步电动机M1给料电动机，M2送煤电动机，M3破碎电动机，M4提升电动机，M5送煤电动机，M6回收电动机。

2）热继电器FR1、FR2、FR3、FR4、FR5、FR6的作用是对电动机M1、M2、M3、M4、M5、M6实现过载保护。

3）熔断器FU1、FU2、FU3、FU4、FU5、FU6分别实现各负载回路的短路保护。

2．2、电器元件的选择

2.2.1、元件选择概述

该控制系统由于控制输入点数较多，有2个输入开关分别控制手动控制，9个输入按钮分别为SB1和SB2为自动开车/停车按钮，SB3为事故紧急停车按钮，SB4～SB9分为6个电动机控制按钮。

输出点数也较多，有6个输出接触器KM1、KM2、KM3（KM9、KM10）、KM4、KM5（KM7、KM8）、KM6分别控制三相异步电动机M1给料电动机和磁选器，M21#送煤电动机，M3破碎电动机，M4提升电动机，M52#送煤电机，M6回收机；热继电器FR1、FR2、FR3、FR4、FR5、FR6的作用是对电动机M1、M2、M3、M4、M5、M6实现过载保护；熔断器FU1、FU2、FU3、FU4、FU5、FU6分别实现各负载回路的短路保护。

10个输出指示灯其中HL7手动运行指示灯、HL8为紧急停车指示灯、HL9为系统正常运行指示灯、HL10为统故障指示灯、HL1-6为输煤机组单机运行指示灯和1个输出HA电铃。

继电-接触器系统虽然有较好的抗干扰能力，但使用了大量的机械触点，使得设备连线复杂，且触电在开闭是易受电弧的危害，寿命短，系统可靠性差；所以如果采用继电-接触器控制方式，控制电路将会很复杂，而且可靠性难以保证。

而且按照本课题的控制要求，控制过程主要采用逻辑和顺序控制，而PLC恰能满足此控制要求。

所以，用PLC进行控制，不仅能满足控制要求、控制方便简单，而且具有较高的可靠性。

因此，本设计应采用PLC进行控制。

2.2.2、PLC的选择

PLC的选择主要应从PLC的机型、容量、I/O模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力等方面加以综合考虑。

PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下,力争最佳的性能价格比。

选择时应主要考虑到合理的结构型式,安装方式的选择,相应的功能要求,响应速度要求,系统可靠性的要求,机型尽量统一等因素。

（1）输入/输出接口（I/O）数量；输入端口14个，输出端口10个，SIMATICS7-200系列PLC硬件配置灵活，既可以用一个单独的S7-200CPU构成一个简单的数字量控制系统，也可通过扩展电缆进行数字量I/O模块、模拟量I/O模块或智能接口模块的扩展，构成较复杂的中等规模控制系统。

西门子S7-200CUP224/AC/DC/RLY有输入端口14个，输出端口10个，符合要求;所以采用西门子S7-200CUP224/AC/DC/RLY完成PLC硬件结构配置。

（2）因为负载有直流供电有交流供电，所以采用输出形式为继电器。

（3）对于CPU224模块，本机输入地址为I0.0-I0.7和I1.1-I1.5,输出地址为Q0.0-Q0.7和Q1.0-Q1.1。

因为基本单元自带的I/O接口不能满足控制系统要求，因此需要数字量I/O扩展单元。

，与基本的单元相连，并使基本单元的寻址功能对模块上的I/O接口进行控制。

S7-200系列PLC目前可以提供的有3种类型的数字量输入/输出模块，即EM221，EM222，EM223，查阅数字量输入/输出模块各类型型号特点，首先采用一个EM222的8继电器输出；扩展模块EM222的I/O地址范围是Q2.0-Q2.7,不能满足控制要求，又因为CPU224能够扩展7个模块，因为控制要求输出有21个，另需一个EM223的DI4/DO4*DC24V/继电器；扩展模块EM223的I/O地址范围是Q3.0-Q3.3;满足系统控制要求。

本机与扩展连接形式见图3-1模块连接图。

图2-1模块连接图

2.2.3、三相异步电机的选择

2.2.3.1、西门子电机1LG0系列简介

1、外型美观：

散热筋成水平垂直分布，端盖接线盒均为全新设计，外型美观别致，表面喷砂处理光洁度高，颜色全球统一，同时散热性能优良。

2、牢固的零部件连接：

执行西门子电机组装标准，模块化设计，模块化安装，提高零部件连接可靠性，大大降低了安装调试时间，缩短了交货期。

3、高性能防护等级：

所有电机均采用IP55防护等级进行设计，他们可用与户外或者含尘潮湿的环境中，用户不需要增加额外装置不影响正常使用。

并且还可按照用户要求提供更高的防护等级。

4、提高绝缘性能，增加了电机使用寿命：

所有标准电机均采用F级绝缘系统，并按照B级绝缘进行考核，增加了电机运行的可靠性，提高了电机寿命，并可按照用户要求提供更高的绝缘等级。

5、选用高性能轴承及润滑油脂：

轴承选用名牌厂家，并按照西门子要求定做，油脂选用EssoUnirexN3新型润滑油脂，耐高温不易挥发，保证关键部件连续长期可靠的运行；

6、宽电压，宽频：

实际使用电压可以在额定电压的5%范围内波动，不影响电机的正常使用，完全符合国内电压波动实际情况，并且同一个电机可以实现两种电压和两种频率（220v/380v50hz或者380v/660v50hz和440v60hz）

7、过载倍数：

所有电机都按照额定电压额定频率下承受1.5倍过载,持续两分钟时间进行设计.

表2-1：

电机选择型号

名称

要求功率

型号

功率

IN（A）

UN（V）

数量（台）

M1、M2、M6

3KW

1LG0107-4AA20

3KW

6.31

380

3

M4

5KW

1LG0130-4AA70

5.5KW

11.2

380

1

M3

13KW

1LG0166-4AA70

15KW

28.8

380

1

M5

75KW

1LG0280-4AA70

75KW

139.2

380

1

2.2.4、热继电器的选择

施耐德继电器LRD系列简介

TeSys热过载继电器，适合与TeSys系列接触器组合安装

应用范围：

设计用於保护交流电路和电动机，避免电动机过载、缺相、起动时间过长和堵转时间过长

表2-2：

热继电器的型号

名称

型号

IN（A）

UN（V）

数量（个）

FR0、FR3

LRD-32C

23-32

380

2

FR1、FR2、FR6

LRD-12C

5.5-8

380

3

FR4

LRD-16C

9-13

380

1

FR5

LRD-3363C

63-80

380

1

2.2.5、低压断路器的选择

施耐德C65N系列断路器简介：

C65系列小型断路器作为一种具有突破性意义的模数化产品诞生以来，经过不断的拓展完善，始终领先于市场，已经成为世界低压终端配电产品的典范。

应用范围：

可广泛应用于工业、商业及民用低压终端配电的需要。

性能描述：

具丰富的产品系列，根据分断能力的不同，C65N，C65H，C65L的分断能力覆盖了6~15KA的范围，额定电流1～63A，具B/C/D型脱扣曲线；可拼装丰富的电气附件、机械附件，实现功能的极大扩充和操作的便利。

全系列产品可拼装剩余电流动作保护附件，实现A/AC类剩余电流动作保护功能，额定剩余动作电流包括30mA，100mA，100mA延时，300mA和300mA延时型

表2-3：

低压断路器的型号

名称

型号

IN（A）

UN（V）

数量（个）

QF

C65N3P-D225A

225

380

1

QF0、FR3

C65N3P-D32A

32

380

2

QF1、QF2、QF6

C65N3P-D10A

10

380

3

QF4

C65N3P-D16A

16

380

1

QF5

C65N3P-D150A

150

380

1

2.2.6、继电器、接触器的选择

西门子3TF系列接触器的简介：

西门子系列交流接触器用于交流50Hz或60Hz，额定绝缘电压为690-1000V，在AC-3使用类别下额定工作电压为380V时的额定工作电流为9A-400A。

主要供远距离接通及分断电路之用，适用于控制交流电动机的起动、停止及反转。

表2-4：

继电器、接触器的型号

名称

型号

P（w）

IN（A）

UN（V）

数量（个）

KM0、KM10、KM3、KM9

3TF4422-*X**

15KW

32

380

4

KM1、KM2、KM6

3TF4022-*X**

3KW

9

380

3

KM4

3TF4122-*X**

5.5KW

12

380

1

KM5、KM7、KM8

3TF5122-*X**

75KW

140

380

3

2.2.7、磁选机

电磁铁的简介

内部带有铁心的、利用通有电流的线圈使其像磁铁一样具有磁性的装置叫做电磁铁,通常制成条形或蹄形。

铁心要用容易磁化,又容易消失磁性的软铁或硅钢来制做。

这样的电磁铁在通电时有磁性,断电后就随之消失。

电磁铁有许多优点:

电磁铁磁性的有无,可以用通、断电流控制。

磁性的大小可以用电流的强弱或线圈的匝数来控制。

电磁铁在日常生活中有极其广泛的应用。

电磁铁是电流磁效应（电生磁）的一个应用，与生活联系紧密，如电磁继电器、电磁起重机、磁悬浮列车等。

我们选的是郑州通用矿山机器有限公司的CTB6012，该款磁选机可以分选的矿物很多比如：

磁铁矿，褐铁矿，赤铁矿，锰菱铁矿，钛铁矿，黑钨矿，锰矿，碳酸锰矿，冶金锰矿，氧化锰矿，铁砂矿，高岭土，稀土矿等都可以用磁选机来选别。

磁选过程是在磁选机的磁场中，借助磁力与机械力对矿粒的作用而实现分选的。

表2-5磁选机

型号

筒径mm

筒长mm

圆筒转速r/min

给料粒度mm

处理量t/h

功率KW

CTB6012

600

1200

<35

2-0

10-20

1.5

2.2.8、开关、指示灯、蜂鸣器

名称

型号

颜色、特征

数量

UN（V）

急停开关

AH30-B4R11

蘑菇头、红色

1

220

SB1--SB9

AR22E0L-11M4R（G/Y/W）

红绿色带指示灯

9

220

SA1-1SA1-2

AR22PR-211B

手动、两极

1

220

HL1-HL10

DR22D0L-M4R（G/Y/W）

红色

10

220

HA

FNQ-3025

黑色大功率

1

220

2.3、控制电路的设计

2.3.1、CPU224的I/O口简介

由前面硬件系统的选择的是一个CPU224的PLC，但由于接口的数量不够，所以需要加两个扩展模块EM222、EM223,各模块各分配地址如下:

　CPU224基本单元的I/O地址如下：

输入接口（I）：

I0.0、I0.1、IO.2、I.3、I0.4、I0.5、I0.6、I0.7、I1.1、I1.2、I1.3、I1.4、I1.5、I1.6、I1.7、

输出接口（O）：

Q0.0、Q0.1、Q0.2、Q0.3、Q0.4、Q0.5、Q0.6、Q0.7、Q1.0、Q1.1

　第一个扩展模块EM222的I/O地址：

　　　Q2.0、Q2.1、Q2.2、Q2.3、Q2.4、Q2.5、Q2.6、Q2.7

　第二个扩展模块EM223的I/O地址：

　　　Q3.0、Q3.1、Q3.2

2.3.2、控制系统的I/O分配表

2.3.2.1、输入接口地址

序号

工作名称

文字符号

输入口

1

输煤机组手动控制开关

SA1-1

I0.0

2

输煤机组自动控制开关

SA1-2

I0.1

3

输煤机组自动开车按钮

SB1

I0.2

4

输煤机组自动停车按钮

SB2

I0.3

5

输煤机组紧急停车按钮

SB3

I0.4

6

给料器磁选料器手动按钮

SB4

I0.5

7

1#送煤机

SB5

I0.6

8

破碎机手动按钮

SB6

I0.7

9

提升机手动按钮

SB7

I1.0

10

2#送煤机

SB8

I1.1

11

回收机手动按钮

SB9

I1.2

12

M1-M6

KM

I1.3

13

M1-M6,YA

FR

I1.4

2.3.2.2、输出接口地址

序号

工作名称

文字符号

输出口

1

给料器磁选料器接触器

KM1

Q0.0

2

1#送煤机接触器

KM2

Q0.1

3

破碎机接触器

KM3

Q0.2

4

提升机接触器

KM4

Q0.3

5

2#送煤机接触器

KM5

Q0.4

6

回收机接触器

KM6

Q0.5

7

2#三角形启动接触器1

KM7

Q0.6

8

2#三角形启动接触器

KM8

Q0.7

9

破碎机三角形启动接触器1

KM9

Q1.0

10

破碎机三角形启动接触器

KM10

Q1.1

11

手动运行指示灯

HL7

Q2.0

12

紧急停车指示灯

HL8

Q2.1

13

系统正常运行指示灯

HL9

Q2.2

14

系统故障运行指示灯

HL10

Q2.3

15

报警电铃

HA

Q2.4

16

给料机运行指示

HL1

Q2.5

17

1#运煤机运行指示

HL2

Q2.6

18

破碎机运行指示

HL3

Q2.7

19

提升机运行指示

HL4

Q3.0

20

2#运煤机运行指示

HL5

Q3.1

21

回收机运行指示

HL6

Q3.2

2.3.3、PLC总控制电路接线图

2.3.4、系统工作流程图

2.3.5、系统控制程序设计（梯形图、指令表）

2.3.5.1、系统程序（梯形图）设计说明：

输煤机组的控制过程分为自动和手动控制方式。

在自动控制模式下，要求各负载从M6到M1逆序自动启动，并能从M1到M6顺序自动停止。

同时，该输煤机组还能在手动控制模式下进行点动，以便调试和维修。

而且，该系统还能实现过载保护、紧急停车和故障提醒功能，并有相应的指示报警功能。

所以，我们应该主要采用定时器指令和顺序控制指令对本控制系统进行程序设计。

2.3.5.2、部分指令说明

1）、SCRT顺序控制继电器转换指令，用于执行SCR（顺序控制指令）段的指令，SCRT包含两个方面：

一是通过置位下一个SCR段的S位，使下一个SCR段开始工作；二是使当前SCR段的S位复位，是该段停止工作。

SCRE是顺序控制继电器结束指令，是程序退出当前正在执行的SCR段，表示一个SCR段结束。

SCRE与SCRT一一对应。

2）、指令S为顺序控制继电器用于组织机器操作或进入等效程序段的步，多用于顺序控制程序。

3）、指令SM为特殊标志位存储器，其中常用的是SM0.0（始终未1），SM0.1（首次扫描为1）。

4）、指令M为位存储器，共256位。

2.3.5.3、梯形图程序

2.3.5.4、控制系统指令表

TITLE=PROGRAMCOMMENTS

Network1//NetworkTitle

//NetworkComment

LDSM0.1

SS0.0,1

RS0.1,14

Network2

//自动开车

LSCRS0.0

Network3

LDI0.1

AI0.2

AN