皮带传输机PLC控制系统.docx
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皮带传输机PLC控制系统
湖南工程学院
课程设计
课程名称电气控制与PLC
课题名称皮带运输机电气控制系统设计
专业班级
姓名
学号
指导教师赖指南、刘星平、谭梅、周向红
2013年7月5日
湖南工程学院
课程设计任务书
课程名称电气控制与PLC
课题名称皮带运输机电气控制系统设计
专业班级
姓名
学号
指导教师赖指南、刘星平、谭梅、周向红
审批黄峰、汪超、刘星平
任务书下达日期2013年6月22日
课程设计完成日期2013年7月5日
设计内容与要求
1.课程设计的性质与目的
本课程设计是自动化专业教学计划中不可缺少的一个综合性教学环节，是实现理论与实践相结合的重要手段。
它的主要目的是培养学生综合运用本课程所学知识和技能去分析和解决本课程范围内的一般工程技术问题，建立正确的设计思想，掌握工程设计的一般程序和方法。
通过课程设计使学生得到工程知识和工程技能的综合训练，获得应用本课程的知识和技术去解决工程实际问题的能力。
2.课程设计的内容
1.根据控制对象的用途、基本结构、运动形式、工艺过程、工作环境和控制要求，确定控制方案。
2.绘制皮带运输机电气控制系统的PLCI/O接线图和梯形图，写出指令程序清单。
3.选择电器元件，列出电器元件明细表。
4.上机调试程序。
5.编写设计说明书。
3.课程设计的要求
1.所选控制方案应合理，所设计的控制系统应能够满足控制对象的工艺要求，并且技术先进，安全可靠，操作方便。
2.所绘制的设计图纸符合国家标准局颁布的GB4728-84《电气图用图形符号》、GB6988-87《电气制图》和GB7159-87《电气技术中的文字符号制定通则》的有关规定。
3.所编写的设计说明书应语句通顺，用词准确，层次清楚，条理分明，重点突出，篇幅不少于7000字。
主要设计条件
1.PLC实验设备若干
2.参考文献若干。
设计说明书装订顺序
1.课程设计说明书封面。
2.课程设计任务书。
3.说明书目录。
4.正文（按设计内容逐项书写）
5.参考文献。
6.附录。
7.课程设计评分表。
设计进度安排
第1周：
1.星期一上午：
课题内容介绍。
2.星期一下午：
仔细阅读设计任务书，明确设计任务与要求，收集设计资料，准备设计工具。
3.星期二〜星期五：
确定控制方案。
绘制皮带运输机电气控制系统的PLCI/O接线图和梯形图，写出指令程序清单。
设计控制系统的工艺图纸。
选择电器元件，列出电器元件明细表。
第2周：
4.星期一：
上机调试程序。
5.星期二〜星期五：
编写设计说明书，答辩。
参考文献
[1]廖常初.可编程序控制器的编程方法与工程应用[M].重庆：
重庆大学出版社
[2]万太福.可编程序控制器及其应用[M].重庆：
重庆大学出版社
[3]刘祖润.毕业设计指导.北京：
机械工业出版社
[4]谢桂林.电力拖动与控制.北京：
中国矿业大学出版社
[5]工厂常用电气设备手册编写组.工厂常用电气设备手册.北京：
水利电力出版
社
课题：
皮带运输机电气控制系统设计
一.皮带运输机概况及控制要求
皮带运输机由4台皮带机组成，4台皮带机分别用4台电动机（M1〜
M4）拖动，如图1所示，控制要求如下：
M1
M4
图1皮带运输机系统示意图
（1）启动时先起动最末一台皮带机，经过5S延时，再依次起动其它
皮带机：
5S5S5S
M4、M3、M2M1
（2）停止时应先停止第一台皮带机（M1），待料运送完毕后再依次停止其它皮带机：
5S5S5S
M1?
M2sM3*M4
（3）当某台皮带机发生故障时，该皮带机及其前面的皮带机立即停
止，而该皮带机后面的皮带机待料运完后才停止。
例如当M2故障时，M1
M2应立即停，经过5S延时后，M3停，再过5S后M4停。
（4）要求皮带运输机控制系统具有手动和自动两种工作方式。
.设计任务
1.设计和绘制电气控制原理图或PCI/O接线图、功能表图和梯形图,编写指令程序清单。
2.选择电气元件，编制电气元件明细表。
4.上机调试程序
3.设计操作面板电器元件布置图。
5.编写设计说明书。
、八、■
前言
本次课程设计是在我们学习完了PLC这门课程后安排的，目的是为了更好地掌握PLC的知识，并且把所学的知识应用到实际中去，提高自己的
动手能力。
在当今的工业界，只要涉及控制的地方，都离不开PLC它涉
及到我们生活的方方面面，包括我们从超市买的任何商品，我们用的数码产品，开的车，看的书等其从生产、包装、传送、仓储、运输等等环节。
那么到底PLC是什么东西呢？
可编程控制器，简称PLC（ProgrammablelogicController）是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置，PLC是一种数字运算操作的电子装置。
本报告书包含了5个章节。
第1章是对皮带传输机的概述，概述了其结构、用途、工作原理及其过程。
第2章是各种方案的对比、认证，方案中包括单片机控制，继电器控制系统，最终结论还是PLC控制要比其他的好些。
3章是控制系统的硬件电路设计，包括皮带传输机电机、PLC型号
的选择。
还有PLCI/O接线图，各种开关、按钮等元件的选择。
第4章是程序设计部分，在这章中包括主程序，以及各种子程序的顺序功能图、梯形图的设计。
最后一章是程序的调试，把编好的程序，导出来用仿真软件模拟PLC进行仿真，采用的仿真软件是S7-200仿真。
这种方法又省时，又方便修改程序。
在本次PLC课程设计中，特别感谢赖老师的精心指导，教诲。
感谢帮助我的同学们。
限于编者的水平有限，报告书中难免有些不完善，不足和疏忽之处，希望读者批评指正。
谢谢！
肖锦朋
2013
年7月5日
第1章控制对象概述.1
1.1皮带运输机用途、基本组成结构及工作过程1
1.1.1皮带运输机用途.1
1.1.2皮带运输机组成及工作原理.1
1.2控制对象对控制系统的要求1
1.3本课题应完成的设计工作2
第2章控制方案论证.3
2.1继电器控制方案3
2.2单片机控制方案3
2.3PLC控制方案.4
2.4结论4
第3章控制系统硬件设计.5
3.1拖动电机主电路设计5
3.1.1电机及元件选择.5
3.1.2主电路的设计.5
3.2PLC控制系统设计.5
3.2.1PLC控制系统电气元件选择5
3.2.2PLCI/O接线图设计.7
第4章控制系统程序设计.8
4.1程序的组成部分8
4.2主程序设计8
4.3公用子程序设计8
4.4自动子程序设计9
4.4.1自动子程序顺序功能图.9
4.4.2自动子程序梯形图.10
4.5手动子程序设计12
4.6故障子程序设计1.12
4.6.1故障子程序1顺序功能图.12
4.6.2故障子程序1顺序功能图.13
4.7故障子程序设计2.13
4.8故障子程序设计3.15
4.9故障子程序设计4.15
第5章程序的调试.17
结束语.18
参考文献.19
致谢.20
附录（语句表）.21
第1章控制对象概述
1.1皮带运输机用途、基本组成结构及工作过程
1.1.1皮带运输机用途皮带输送机可以广泛应用于现代化的各种工业企业中，露天采矿场及选矿厂中，在矿山的井下巷道、矿井地面运输系统中，皮带输送机都得到了广泛应用，水平运输或倾斜运输，皮带输送机的使用都非常方便。
皮带输送机是以连续摩擦驱动的方式用来运输物料。
那么皮带输送机的主要是由输送带和驱动装置组成的。
皮带输送机具有输送量大、结构简单优点，它广泛地应用在矿山、冶金、煤炭等部门，用来输送松散物料或成件物品，根据输送工艺要求，可以单台输送，也可多台组成或与其他输送设备组成水平或倾斜的输送系统，以满足不同布置型式的作业线需要。
皮带运输机的驱动装置由单个或多个驱动滚筒驱动，驱动电机也可以是单个电机或多个电机驱动。
一般驱动装置包括电动机、减速机、液力偶合器、制动器或逆止器等组成。
偶合器的作用是改善皮带运输机的启动性能。
制动器和逆止器是为了防止当皮带运输机停机时皮带向下滑动。
皮带运输机是散料连续运输机械，是应用于短距离连续运输的的重要机械设备。
1.1.2皮带运输机组成及工作原理皮带输送机的主要是由输送带和驱动装置组成的。
主要介绍驱动装置即四台电动机的运动情况。
皮带运输机由4台皮带机组成，4台皮带机分别用4台电动机（M1〜M4施动。
皮带输送机是以连续摩擦驱动的方式用来运输物料，通过控制4台电动机的运动，来控制传输物料。
1.2控制对象对控制系统的要求
皮带运输机由4台皮带机组成，4台皮带机分别用4台电动机（M1〜
M4）拖动，如图1所示，控制要求如下：
M1
图1-1皮带运输机系统示意图
（1）
皮带机：
启动时先起动最末一台皮带机，经过5S延时，再依次起动其它
5S5S5S
M4hM3M2?
M1
（2）停止时应先停止第一台皮带机（M1），待料运送完毕后再依次停止
其它皮带机：
5S5S5S
M1?
M2hM3、M4
（3）当某台皮带机发生故障时，该皮带机及其前面的皮带机立即停
止，而该皮带机后面的皮带机待料运完后才停止。
例如当M2故障时，M1
M2应立即停，经过5S延时后，M3停，再过5S后M4停。
（4）要求皮带运输机控制系统具有手动和自动两种工作方式。
1.3本课题应完成的设计工作
（1）设计和绘制电气控制原理图或PCI/O接线图、功能表图和梯形图编写指令程序清单。
（2）选择电气元件，编制电气元件明细表。
（3）设计操作面板电器元件布置图。
（4）上机调试程序
（5）编写设计说明书
第2章控制方案论证
2.1继电器控制方案
继电器控制系统具有以下特点：
继电器，动作有寿命限制，一个元件故障可能造成整个系统崩溃，会将故障扩大化，成本最低，也最容易被伪劣产品冒充，可维修度最高，同时维修成本也低。
（1）继电器控制系统控制逻辑采用硬件接线，利用继电器机械触点的串联或并联等组合成控制逻辑，其连线多且复杂、体积大、功耗大，系统构成后，想再改变或增加功能、较为困难。
（2）继电器控制系统依靠机械触点的动作实现的，工作频率低，触点的开关动作一般在几十毫秒数量级，且机械触点还会出现抖动问题。
（3）继电器安装后，受电气设备触电数目的有限性和连线复杂等原因的影响，系统在今后的灵活性、扩展性很差。
（4）继电器控制可实现逻辑功能，但不具备计数的功能。
（5）触点在开闭时会产生电弧，造成损伤并伴有机械磨损，使用寿命短，运行可靠性差，不易维护。
2.2单片机控制方案
依据单片机目前的发展状况，该方案的优缺点是：
（1）成本较低。
由于现在单片机的价格相对都比较低，而且外围电路的元器件价格也不高，所以整体设计起来，成本比较低。
（2）可以对外部存储容量根据需要进行扩展，设计可以相对比较灵活。
（3）由于现存有许多已经设计很完善的子程序，在系统软件设计中可以直接调用，减少较大工作量。
其缺点为：
（1）系统硬件设计相对比较复杂，运用该方案，该系统硬件设计包含
扩展电路部分和系统配置电路部分，所以该系统电路设计工作量相对较
大，影响系统开发的时间
（2）系统的抗干扰能力相对较差，在系统设计中，虽然注意了芯片、器件选择、去耦滤波、电路板的布线，通道隔离以及屏蔽。
但由于工厂的条件比较差，很难保证系统的可靠性和稳定性。
（3）维护维修相对比较麻烦，维修需要的时间也相对较长。
但与此同时，由于微机控制系统所有的电路集中在一块电路板上，其实现的功能、输入输出的点数受到限制，而且系统的散热性，维护性受到考验，若其中一部分损坏，其只能全部更换。
另外，微机控制系统开发周期长，一旦要有变化修改比较麻烦。
2.3PLC控制方案
PLC的优点主要有：
（1）功能强，性能价格比高（可以相当于集成了很多继电器，大多数时候性价比并不低，除非是简单电路，只用少数继电器，那么可能就不太实用了。
）
（2）硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强
（3）可靠性高，抗干扰能力强
（4）系统的设计、安装、调试工作量少
（5）编程方法简单
（6）维修工作量少，维修方便
（7）体积小，能耗低
（8）与时俱变，能实现网络通讯
2.4结论
经过比较，我们发现PLC控制系统具有以下鲜明的特点：
10驱动能力强，易于扩展，图形化开发界面，价钱适中，抗干扰能力强，因此多用于工业设备上。
故选用PLC控制方案。
第3章控制系统硬件设计
3.1拖动电机主电路设计
3.1.1电机及元件选择
本课程设计采用的电动机是四台380V的三相笼式电动机，其型号为:
Y2-8OM2-4S150
在主电路中电路保护装置由刀开关QS1和自动空气断路器QF组成，用380V电网电压供电。
由PLC控制四个交流接触器的电磁线圈电路的通断，实现对四个电动机通断控制。
四个电动机电路都串联了热继电器对其进行保护，同时也是故障点。
3.1.2主电路的设计
QSlQF
3.2PLC控制系统设计
3.2.1PLC控制系统电气元件选择
因为本次设计中用到了11个输入点，4个输出点，故用西门子S7-200
CPU224
本设计用了刀开关、断路器、熔断器、热继电器、按钮、三相交流电动机、S7-200等电气元件，皮带运输机PLC电气控制系统电气元件选择如表所示：
表3-2皮带运输机PLC电气控制系统电气元件选型
序号
符号
名称
数量
型号
技术参数
1
QS1
刀开关
1
HZ10-10/2
2
QF
断路器
1
QF-240
3
FR
熔断器
1
RL1-15
4
KM1-KM4
接触器
4
CJ20-25
5
FR1-FR4
热继电器
4
T16
6
SA
模式转换开关
1
SA-3010D
7
SB5
启动按钮
1
LA10-1
8
SB6
停止按钮
1
LA10-1
9
SB1、SB2
手动按钮
2
LA10-1
10
SB3SB4
手动按钮
2
LA10-1
11
M1-M4
三相交流电动机
4
Y2-80M2-4S150
12
PLC
可编程控制器
1
CPU224
322PLCI/O接线图设计
皮带运输机电气控制系统PLCI/O接线如图所示:
图3-3S7-200PLCI-O接线图
第4章控制系统程序设计
4.1程序的组成部分
皮带运输机PLC电气控制系统的程序主要分为以下几个部分：
主程序、公用子程序、自动子程序、手动子程序、故障子程序1、故
障子程序2、故障子程序3、故障子程序4。
4.2主程序设计
图4-1主程序梯形图
4.3公用子程序设计
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1
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30.5
T1
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1
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Tn）
「A）
12
图4-2公用子程序梯形图
4.4自动子程序设计
441自动子程序顺序功能图
图4-3自动子程序顺序功能图
4.4.2
自动子程序梯形图
10.6
1015
M0.0
<5）
MD.7
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1
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T5
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1
137
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PT100ms
T37
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PT
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M0.1T3SI0.2I03
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PT
100ms
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TON
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100ms
1
M05
Ma）
1
M0.6
图4-4自动子程序梯形图
4.5手动子程序设计
图4-5手动子程序梯形图
4.6故障子程序设计1
4.6.1故障子程序1顺序功能图
图4-6故障子程序1顺序功能图
462故障子程序1梯形图
SMO.O
II
M20
r冷
11
M20
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T43
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INION
M23
50-
PT100ms
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IN
TON
50-
FT
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M2.2
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T45
I|
MZ3f\
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TON
II
II
50-
PT
100mss-
图4-7故障子程序1梯形图
4.7故障子程序设计2
图4-8故障子程序2顺序功能图
SMQO
M3.0
M2.3
M10
90-
Q01
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1
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TON
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100ms
M3.1
T47
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M3.0
T4B
M3.1
M2.2
图4-9故障子程序2梯形图
4.8故障子程序设计3
——T48
M4.1
RQ0.4
4__—J
图4-10故障子程序3顺序功能图
SM0.0
M4.0
M4.0
M3.3
Q0L1
—CR）
1
T37
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11
IN
TON
PT
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1
QQ.2
—O）
1
Q0.3
Y）
M4.0T48
HHpH
M4.1
图4-11故障子程序3梯形图
4.9故障子程序设计4
图4-12故障子程序4顺序功能图
iMU.U
QQ4
TO
1
QQ1
M5.0
TO
1
737
—CO
12
0Q2
—CA）
1
Q02
图4-13故障子程序4梯形图
第5章程序的调试
在程序设计完成了之后，就是程序调试了。
调试分为：
自动模式下的程序调试、手动模式下的程序调试以及故障情况下的程序调试。
自动模式调试：
按下模式选择开关SA（I1.O），并且按下SB5（IO.5）启动按钮，进入自动模式，M4马上启动每隔5s其他电机依次启动，同样按下SB6（IO.6）停止按钮，M1马上停止每隔5s其他电机依次停止。
SA打下来，进入自动模式，依次按SB1SB2SB3SB4分别启动和停止相应的电机。
例如按下SB1第一台电机开始运行，松开SB1第一台电机停止下来，其他的类似。
最后还有一个模拟故障点，进行程序调试。
按下SB5
启动所有的电机后，依次分别按下故障点I0.1、I0.2、10.3、I0.4。
看
是否相应的故障点和故障点之前的所有电机都停下来，同时这个故障点之后的电机每隔5s停下来。
仿真如图所示：
①RII-.
CPU23*
图5-1系统调试图
结束语
皮带运输机PLC电气控制系统设计过程中，可以分为PLC硬件接线、程序设计、调试三个主要部分。
程序设计是最难的环节，可以把程序设计分为主程序设计、各种子程序设计。
（1）PLC硬件接线：
设计中用到了11个输入点，4个输出点，所以用了CPU224勺PLCIO.1—IO.4为故障输入点，IO.5、IO.6为启动停止输入点。
I1.0为模式开关选择，I1.1--I1.4为手动模式下的操作按钮。
（2）主程序：
主程序调用其他子程序。
这样方便修改程序，一旦出错了，只要进相应的子程序修改即可。
包括调用公用子程序、自动子程序、手动子程序、故障1子程序、故障2子程序、故障3子程序、故障4子程序。
（3）各个子程序：
自动子程序：
启动时先起动最末一台皮带机，经过5S延时，再依次起动其它皮带机，停止时先停止第一台，经过5S延时，再依次停止其它皮带机。
手动子程序：
把模式选择开关打在手动模式下，能对每台电机启动停止控制。
故障子程序：
按下模拟故障输入点，使相应故障点和故障点之前的传输机停止，之后的每隔5S依次停止。
公用子程序：
把所有子程序都要执行的程序都写在其中。
这样可以简化子程序的编写，避免重复写相同的部分。
（4）调试：
通过仿真软件仿真，效率高，避免了繁琐的接线。
一定要执行监控按钮，这样能清晰的看到各个触点的通断情况，便于找到问题所在点，易于修改各个子程序。
参考文献
[1]廖常初.S7—200PLC编程及其应用[M].北京：
机械工业出版社
[2]陈伯时.电力拖动自动控制系统.北京：
机械工业出版社
[3]万太福.可编程序控制器及其应用[M].重庆：
重庆大学出版社
[4]刘祖润.毕业设计指导.北京：
机械工业出版社
[5]工厂常用电气设备手册编写组.工厂常用电气设备手册.北京：
水
利电力出版社
致谢
本次PLC课程设计是在赖老师的悉心指导下完成的，赖老师是一位要求严格、经验丰富、有耐心的老师。
在整个课程设计中，对我进行了耐心地指导，有什么不懂的去问他，哪怕最简单的问题，他都会耐心地一步一步的教我，为我答疑解惑。
在老师谆谆教导下，在我们这小组组员共同努力下，我才能顺利完成本次PLC课程设计。
为此，我向热心帮助过我的所有老师和同学表示由衷的感谢！
老师的严谨教学态度、求实的作风和他敏捷的思维给我留下了深刻的印象。
在课程设计中，难免会遇到一些问题，比如说软件不会使用，软件安装不成功，程序中没有设计起保停电路等，组员和赖老师都是很认真负责地教我。
再一次向赖老师及我的同学致以最诚挚的谢意！
附录（语句表）
主程序
LD
SM0.1
LD
M0.1
LD
SM0.0
O
I0.0
A
T38
O
M3.0
R
Q0.1,1
AN
I0.2
O
M3.3
R
Q0.2,1
AN
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