基于PLC的煤矿自动装车控制系统设计.doc

摘要：通过学习的PLC知识,以及查阅相关资料,利用PLC设计出一个基于PLC的自动装车系统。目前与之类似的系统在沙石场,煤矿场和其他非煤矿场已经开始大量运用,但由于技术问题并未全面普及,而本论文是设计一款煤矿自动装车系统。与煤矿自动装车控制系统相近的系统在我国大部分煤矿场和非煤矿产业都有相应的运用,但是都处于半自动状态,需要很多人手操作,这样比较费人力和物力,不利于生产效率的提高。本文设计的煤矿自动装车系统可以对此进行改观。该系统是将煤矿等矿物用传送带形式传送到一大型存储器内,车辆到达存储器下方自动开始装车,达到一定重量自动停止装车,具有一次称量、一次装载、速度快、精度高等特点。整个系统利用西门子S7-200实现自动控制,西门子S7-200是一款结构简单、价格适宜、运用普遍的控制软件,用它作为该系统的控制核心比较合理。该系统在理论上已实现全自动装车效果,也达到了这次设计的要求。但在实际生产运用中还存在一些不足,不过我相信,在科学技术日益更新的情况下,将来解决相关技术难题后,该系统会得到优化加强并广泛运用。 关键词：自动装车系统、传送带、存储器、西门子S7-200、控制核心 、设计要求、全自动 Abstract: by learning the knowledge of PLC, and access to relevant information, using PLC to design an automatic loading system based onPLC. At present, the similar system in the quarry, mine field and other non coal field has been widely used, but due to technical problems have not been popularized, and this thesis is to design an automatic loading systemin coal mine.And the coal mine automatic loading control system similar to the system areused in most coal mines in our country and non coal industry, but in thesemi automatic state, requires a lot of manual operation, so the cost of manpower and material resources, is not conducive to the improvement of production efficiency. Automatic coal loading system is designed in this paper can make change.The system is the coal and other mineral belt conveyor to form a largememory, vehicle arrival memory below the automatic start loading, reached a certain weight automatic stop loading, with a weighing, a loading, high speed, high precision. The whole system uses the Siemens S7-200 to achieve automatic control, Siemens S7-200 is a simple structure,reasonable price, using the control software generally, use it as the control core of the system is reasonable.The system has realized the automatic loading effect in theory, but also has reached the design requirements. But in some deficiencies still exist in theactual production, but I believe that, in the science and technology increasingly updated situation, will solve related technical problems, the system will be optimized to strengthen and widely used . Keywords: automatic loading system, a conveyor belt, memory, S7-200,Siemens control , design requirements, automatic目录第一章 引言1第二章 方案设计22.1、设计题目22.2、设计目的和意义22.3、系统组成32.4、系统控制要求32.5、系统结构图4第三章 硬件部分53.1、原件选型53.1.1 PLC可编程控制器的选型53.1.2 电机的选型63.1.3 接触器的选型73.1.4 光电开关选型73.1.5 压力控制器选型93.1.6 电磁离合器的选型和介绍93.1.7 其他原件选型93.2、原件清单103.3、系统电气原理图10第四章 软件部分124.1、程序流程图124.2、I/O分配表134.3、程 序144.4、程序调试16第五章 设计中存在的问题及解决办法20结论21致谢22参考文献23第一章 引言 根据课题要求,利用PLC设计一款自动装车系统。一开始,拿到这个课题根本不知道如何进行,唯一可以做的就是查阅网上的相关知识。在我查阅大量资料后,我发现网上很多论文都达不到我需要的效果。不过,通过网络我知道了我需要做什么以及该怎样做。通过了解,我知道自动装车系统在我国大部分煤矿场都有相应的运用,但是都处于半自动状态,还需要很多人手操作,这样比较费人力和物力,因此我决定以煤矿自动装车系统作为我的研究内容,对该系统进行进一步研究。其实,大部分利用PLC控制的自动装车系统的原理基本相近。我研究的煤矿自动装车系统需要用到传送带、电机、大型存储器等设备,其核心是利用相关的光电传感器和压力传感器进行检测,并利用西门子S7-200进行控制传送带电机的启停和常速和加速,以及送料阀门的打开和吸合。该系统原理相对简单,但是工作量并不简单,首先遇到的难题便是结构图和原理图的制作,所用绘图软件CAD以前并未涉及过。一个简单的结构图花了我3天时间,不过这三天,我对CAD有了相关的学习,画图效果越来越好越来越快了,后来原理图也只花了1天时间而已。总的来说该系统优缺点并存,相关的技术问题在实际运用中还需改善。最后感谢各位老师和同学对我的帮助,该论文才得以完成。该论文存在的不足之处还需各位朋友多多指点。谢谢大家！ 苗平 20XX1月第二章 方案设计2.1、设计题目煤矿自动装车控制系统2.2、设计目的和意义 该煤矿自动装车系统是一个较为简单的控制系统,利用结构简单的西门子S7-200PLC作为系统的控制核心,不仅结构简单,操作方便,更具有很高的性价比,在该系统运用比较合适,与之类似的系统在我国的矿石、煤矿、沙石等诸多领域都有一些运用,但大多都是处于半自动状态,还需要很多人工,那样既浪费人力还浪费财力,产业的效率相对较低。因此,我觉得本论文设计的这个系统在将来会广泛运用,具有较大的现实意义,这也是我选择此课题的真正目的。当然,该系统是一个理论上是可以实现的,总体设计思路是利用相关的光电开关和压力开关进行检测,并利用西门子S7-200进行控制传送带电机的启停和常速和加速,以及送料阀门的打开和吸合。具体的控制要求在下文2.4中有详细叙述。该系统能够实现也确属不不易,不过最终能得以完成是值得自豪的。完成这个系统设计让我新学会了很多东西,比如CAD画图软件,同时也把我么学过的PLC知识进行巩固,还学会了怎样在网络上快速寻找所需的信息等。我想这是我最大的收获,也为以后的人生有重大的帮助！2.3、系统组成本系统主要由下面设备组成：三相异步交流电机、光电开关、压力控制器、存储设备、传送带、西门子PLC-200该系统的系统示意图如下： 图2-1 系统示意图2.4、系统控制要求该系统应该达到的控制要求如下： 传送带送料控制和存储器物料检测控制： 1当系统总开关SB1I0.5后,电机常速转动,如果物料低位光电传感器I0.1处于得电检测到物料状态,电机一直常速运行,向存储器内送料；如果I0.1处于失电未检测到物料状态,电机在延时0.5s后开始高速运行送料。 2 电机高速送料时延时30s<为了演示缩短了时间,实际延时3分钟,I0.1还未得电则红灯亮报警,继续延时到60s为了演示缩短了时间,实际延时5分钟依然未得电则整个系统停止,表示无货源。 3当物料高位检测光电传感器I0.2得电后,电机停止,传送带停止送料。表示存储器内物料已满。 装车和电磁离合器的控制： 1当I0.0检测到车辆通过,开始延时30s后电磁离合器Q0.2>失电打开,开始装料；延时到8分钟I0.0未再次检测到车辆到来则系统停止,表示暂时无车辆来装料。 2矿车装料时,当压力控制器检测到压力达到指定值时,绿灯亮,表示车辆装满。电磁离合器吸合,停止下料。该车离开,第二辆车进站,如此循环。2.5、系统结构图图2-2 系统结构图第三章 硬件部分3.1、原件选型3.1.1 PLC可编程控制器的选型 PLC可编程序控制器其实就是工业控制计算机,用以取代传统的中间继电器、时间继电器、计数器等,并具有一切计算机控制系统的功能。目前PLC已成为工业控制的标准设备,其应用面几乎覆盖了整个工业企业,广泛应用于化工、石油等企业的现代过程控制中。 采用PLC可编程序控制器,其优点如下： 1具有高可靠性。 2灵活性高、扩展性好、通用性强。 3功能强。 由于生产线上的恶劣环境和电磁干扰,一般的电子仪器都会受到干扰。而 PLC是从取代工厂内继电器线路、进行顺序控制发展开来的工业控制产品。PLC由于具有可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强,以及编程简单,维护方便,通讯灵活等优点。在电器控制系统中得到广泛应用。PLC不仅能实现复杂的逻辑控制,还能完成定时、计算、计数和各种闭环控制功能。整个控制系统利用PLC的控制实现了空箱传送、产品运输、产品计数等功能。并且有手动控制和自动控制两种控制方式。在生产线自动装箱控制的控制系统应用,可使生产线的控制更加灵活、可靠；因此,本文选择PLC控制系统。因为本系统是对开关量进行控制的应用系统,而且对控制速度要求不高。相比之下,西门子S7-200系列CPU224的可编程控制器具有结构简单、性价比高的特点,所以本系统选用西门子S7-200系列的CPU224型可编程控制器PLC作为控制核心,该单元为23点I/O,13点输入,10点输出,满足系统输入、输出点需要。 3.1.2 电机的选型本系统所用电机是可以进行两个速度的控制,即一个常速,一个高速。根据三相异步电机的速度公式：n=1-s60f/p 其中s是转差率,f是电源频率,p是定子绕组极对数,电机的调速方式大概有下面几种： 1、变极对数调速方法 2、变频调速方法 3、串级调速方法 4、绕线式电动机转子串电阻调速方法 5、定子调压调速方法 6、电磁调速电动机调速方法 7、液力耦合器调速方法由于变极对数调速是用改变定子绕组的接线方式来改变笼型电动机定子极对数达到调速目的,具有较硬的机械特性,稳定性良好；无转差损耗,效率高；接线简单、控制方便、价格低。所以本系统电机采用变极对数调速方法。 该方法的定子绕组连线图如下： 图3-1 三相笼型异步电机Y/YY变极调速接线方式如图3-1所示,左图是Y型连接,每相的两个"半相绕组"是顺串的,是倍极数；右图的两个"半相绕组"是反并的,极数减少一半,形成两个并联的Y型连接,所以 这叫做Y/YY变极调速。 本系统选择的电动机是XX丰速三相异步交流电动机YDT180L；它的部分技术参数如表3-1所示。 表3-1 YDT180L电机部分参数额定电压：380V额定功率：13KW型号：YDT180L极数：6产品类型：三相笼型异步电动机品牌：XX丰速产品认证：CCC应用范围：机械设备额定转速：960rpm3.1.3 接触器的选型接触器是一种用来接通或断开带负载的交直流主电路或大容量控制电路的自动化切换器,主要控制对象是电动机。通用接触器可大致分以下两类。 1>交流接触器 主要有电磁机构、触头系统、灭弧装置等组成。常用的是CJ1、0CJ12、CJ12B等系列。 2>直流接触器 一般用于控制直流电器设备,线圈中通以直流电,直流接触器的动作原理和结构基本上与交流接触器是相同的。 接触器的选型有诸多因素外与负载密切相关一般三相异步电机的起动电流为额定电流的3-5倍。所以接触器的额定电流为: 4IN=36A综上所述,本系统选用CJ10-40接触器,额定电流为40A,额定电压为380V。3.1.4 光电开关选型针对本文设计要求,我们可采用光电开关来对物料高低位和货车的准确停车进行检测。这类光电开关利用光电元件受光照或无光照时"有""无"电信号输出的特性将被测量转换成断续变化的开关信号。为此,要求光电元件灵敏度高,而对光照特性的线性要求不高。 如图3-2所示,其动作原理如下：光电原件VD在无光照时,VT处于截至状态；有光照时处于导通状态,继电器K得电后动作,实现光电开关控制。图3-2 光电开关的内部接线图 该系统选择的反射式光电开关型号为PM2-LF10,其性能参数如表3-2所示。性能参数检测距离2.58mm<中心:5mm>白色无光泽纸<15×15mm>最小检测物体 0.05mm铜线<设定距离:5mm>应差使用白色无光泽纸<15×15mm>工作距离的20%以下重复精度<垂直于检测轴>0.08mm以下电源电压524V DC±10% 脉动P-P5%以下消耗电流平均25mA以下峰值80mA以下输出NPN开路集电极晶体管·最大流入电流100mA·外加电压30V DC以下<输出和0V之间>·剩余电压1V以下<流入电流为100mA时>0.4V以下<流入电流为16mA时>反应时间0.8ms以下 表3-2 PM2-LF10反射式光电传感器的性能参数3.1.5 压力控制器选型 压力控制器的工作原理:当系统内的压力高于设备要求的安全压力时,控制气内的压力感应器立即动作,使控制器内的微动常闭开关断开,常开闭合,此时设备停止工作,当系统内的压力回到设备的安全压力范围时,控制器内的压力感应器立即复位,设备开始正常工作。 本设计根据相关参数,选定的是PC-X可调式压力控制器。3.1.6 电磁离合器的选型和介绍电磁离合器的工作原理：电磁离合器的主动部分和从动部分借接触面间的摩擦作用,用磁力传动电磁离合器来传递转矩,使两者之间可以暂时分离,又可逐渐接合,在传动过程中又答应两部分相互转动。电磁离合器是靠线圈的通断电来控制离合器的接合与分离。可分为：干式单片电磁离合器,干式多片电磁离合器,湿式多片电磁离合器,磁粉离合器,转差式电磁离合器等。电磁离合器工作方式又可分为通电结合和断电结合两种。电磁离合器的特点：高速响应、耐久性强、散热情况良好,使用板状弹片,虽有强烈震动亦不会产生松动。 根据要求,本系统选用的电磁离合器是DDC系列的。3.1.7 其他原件选型 1熔断器主要是短路和过电流保护,本系统选用RL1-15型熔点器,熔体的额定电流为30A。2) 本系统中中间继电器的线圈电压要成受24V电压和5V电压,我选用的是AHK215YO型号的中间继电器。 3热继电器在控制线路中起过载和缺相保护的功能,本系统的热继电器FR可以选用JR16,热元件电流为20A,电流整定范围为14-22A工作时将额定电流调整为15A。3.2、原件清单表3-3 原件清单序号 名称 符号 型号个数1传送带电机M0YDT180L12电磁离合器H0DDZ系列13光电开关X0,X1,X2PM2-LF1034压力控制器X3PC-X15熔断器FURL1-1526热继电器FRJR1627中间继电器KA AHK215YO98接触器KMCJ10-40 29三极隔离开关QSHZ10-25/3110按钮SB0,SB1LA-2211灯泡L1,L2 ZSD-0212传送带CSD-113PLCPLCS7-200 CPU224AC/DC/RAY114计算机COMPLENOVO115货车HC载重4.95T若干3.3、系统电气原理图电气原理图是该系统的关键部分,它可以把整个电气的连接体现出来,同时也体现了整个控制系统的可行性。完成了这个关键工作之后剩下的事就迎刃而解了。本系统的电气原理图如下：图3-3 系统原理图第四章 软件部分4.1、程序流程图程序流程图就是控制程序运行流程也是控制内容的具体体现。编写程序前构思好程序流程图,再根据程序流程图编写程序,相对来说就简单多了。 本系统的程序流程图如下：图4-1 程序流程图4.2、I/O分配表 I/O分配表是对该系统的输入输出点的地址分配,有了I/O分配表,能够反映程序里的地址分别代表什么,如果没有I/O分配表,就不知道程序写的是什么了,如果出错更不好修改。 本系统的程序的I/O分配表如下： 序号符号地址序号符号地址1M0常速Q0.0 , 高速Q0.12YCQ0.23X0I0.04X1I0.15X2I0.26X3I0.37FRI0.48L0,L1 Q0.3 , Q0.4 9QS启I0.5,停I0.6 表4-1 I/O分配表4.3、程 序常速Q0.0和高速Q0.1控制,由常速转换成高速需延时0.5s。I0.2:光电3高位检测检测到物体,和加速送料30S低位未检测到物体,Q0.4得电,红灯亮。I0.4：热继电器过载和断相保护,I0.5：启动,i0.6：停止。当光电1检测到有车通过,分别延时30s和8min.高速送料后30s内,存储器内物料未达到最低限位红灯亮,60s依然未达到最低限位,则系统停止。当压电开关I0.3得电后,Q0.3得电,绿灯亮,表示车辆装满,同时T39和T40停止计时并清零。T39得电则Q0.2得电,电磁离合器打开。T40得电,系统停止。4.4、程序调试 本系统的程序在西门子S7-200的编程软件编程,在其仿真软件上进行调试,仿真软件上可以随意修改程序再调试,通过多次调试和多次修改程序,避免在真正硬件设备上出错,达到节省材料和时间的效果。该系统需要打到的运行演示过程和需要达到的目的如下： 1、按下按钮SB1<系统启动按钮>后,I0.5瞬时得电,系统指示灯Q0.0亮电机常速转动,按下I0.1<物料低位检测,30s后q0.4亮报警灯提示物料没有了,60s后整个系统停止；若60s内I0.1底限位检测到物料时则报警取消。 2、若光电开关X0I0.0检测到物体时,延时30s,q0.2亮电磁离合器得电,直到I0.3<压电开关检测到信号之后,q0.2电磁离合器关断；同时q0.3得电装满提示灯。按下I0.2高限位光电开关,电机停止。 3、按下SB2系统停止按钮,I0.6断开,系统停止。值得称赞的是,通过调试完全可以达到上面的效果。调试画面如下：1.当让I0.5瞬时得电,Q0.0得电。 2.把I0.1置0后,0.5s后Q0.1得电,Q0.0失电,30s后Q0.4得电,60s后系统停止。 3、电机正常运行时,I0.0瞬时得电,30s后Q0.2得电。8分钟内I0.0未再次得电则系统停止。4、I0.3得电,Q0.2失电,Q0.3得电。 5、I0.6瞬时得电,系统停止。第五章 设计中存在的问题及解决办法 问题1：方案制定无从下手,怎么办？ 解决办法：大量阅读网上相关论文,结合分析,确定基本思路,在基础构思上将系统简单化,合理化,画出基本结构图,最后确定方案。 问题2：由于之前没有接触过CAD绘图软件,绘图成为大问题,怎么办？ 解决办法：同组其他同学和指导老师是解决该问题的关键,通过他们的帮助,虽然花费大量时间,但我能自己绘制本论文中的结构图和原理图感到颇有收获。 问题3：整个系统需要的小器件比如接触 器、继电器等的确定和选用。 解决办法：在确定了该系统的主要组成后,参照其他论文中的原件清单和电气原理图,再结合本系统的需要,确定小器件的选用。 问题4：在编程时发现光电传感器1不好放位置,给编程造成很多麻烦。 解决办法：放在距离出料口一段距离,程序中用延时加互锁。 问题5：调试过程中,发现按下启动后,有个延时器就开始延时了,这是不应该出现的问题,这怎么办？ 解决办法：出现这种问题,不是启动时把常开置为常闭,就是程序的问题,最后确定是把I0.1置为了常避。 在整个过程中还出现过很多问题,最后通过多次查询资料和请教老师同学得以解决。最终完成该系统就像是完成一件大事情一样兴奋激动。结论对于本次设计,经过六周时间,搜集大量资料以及老师和同学的帮忙,在完成过程中的棘手问题得以解决,最后完成的比较成功,基本达到了预期的效果。本系统采用PLC控制传送带电机和电磁离合器的工作,经过多次的调试,该系统性能稳定、可靠、冗余性强,可以很好地适用于连续工作。本次设计的PLC控制煤矿自动装车系统,其硬件结构简单,成本低廉,响应速度快,性能、价格比很高,和单片机系统相比具有极高的可靠性,具有良好的市场应用价值。本系统解通过软件的方式控制硬件电路。由于PLC具有可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强,以及编程简单,维护方便,通讯灵活等优点。但是该设计尚有不足,还有很多的扩展功能没有实现,如果时间足够的话一定改正不足之处 。同时该系统在实际运用中或许还不能完成完全自动,这都是将来相关科学技术需要解决的问题,我相信将来该系统会得到优化并在诸多领域运用。通过这次设计,使我对PLC的功能也有了进一步的认识,了解了不同型号的PLC以及相关的编程软件。也使自己的动手能力和方案设计的思路有了更进一步的提高,相信对将来工作也会有很大的帮助。不论怎样,该系统经过六周时间完成的还算不错,我也为能顺利完成该系统感到颇具成就感。参考文献1 廖常初, PLC编程及应用, 北京：机械工程出版社,2008.2 姜秀英, 传感器与自动检测技术,北京：中国电力出版社,2009.3 孟宪芳, 电机及拖动基础,XX：XX电子科技大学出版社,2009.4 王兆安 刘进军, 电力电子技术, 北京：机械工程出版社,2009.5 陈忠华, 可编程控制器与工业自动化, 北京：机械工业出版社,2005. 6 王化祥,张淑英, 传感器原理及应用,天津：天津大学出版社,2005 .7 于庆广,可编程控制器原理与系统设计,北京：清华大学出版社,2004. 8 殷佳琳,电工技能与工艺,北京：电子工业出版社,2011.