基于PLC運輸機

1、0 緒論運輸帶輸送是基于PLC的自動控制系統(tǒng)，具有功能全面，靈活性強，性價比高等特點，受到連續(xù)配料系統(tǒng)集成商和用戶的歡迎。該系統(tǒng)集現(xiàn)代物流技術(shù)、倉儲技術(shù)、自動化技術(shù)于一體，是CIMS中的重要環(huán)節(jié)，在國外已經(jīng)得到較廣泛的應(yīng)用，該技術(shù)也正在逐漸地應(yīng)用于我國許多行業(yè)中。自動配料車是物流體系中運輸分配的重要組成部分，它是能自動地存儲和取出物料的系統(tǒng)。主要為自動控制式的三段皮帶輪的輸送系統(tǒng)，采用PLC進行控制，能滿足簡單的傳送帶控制，操作簡便，簡單易懂?，F(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，有許多場合需要皮帶運輸機，如建材、化工、冶金、礦山、紡織、印染、造紙、機械等工業(yè)領(lǐng)域，是不可缺少的運輸工具，用于運送生產(chǎn)原料和產(chǎn)品。很多

2、部門和企業(yè)還在使用的控制系統(tǒng)是傳統(tǒng)的繼電接觸器控制方式，長期的使用運行，具有故障率高，各種元器件包括繼電器老化，維護和檢修困難等缺點。本文將用可編程控制器對運送物料的皮帶機進行控制，較常規(guī)的繼電器控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)大為簡化。同時，由于采用的是“軟接線”的控制程序，系統(tǒng)的可靠性和靈活性都大為提高，也就是說可以使勞動生產(chǎn)率成倍增長。在科技發(fā)達的今天，采用先進的生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)方式才能提高效率，降低成本，適應(yīng)社會發(fā)展的需要。由于控制對象的復(fù)雜性, 使用環(huán)境的特殊性和運行的長期連續(xù)性, 使PLC在設(shè)計上有自己明顯的特點: 可靠性高, 適應(yīng)性廣, 具有通信功能, 編程方便, 結(jié)構(gòu)模塊化。在現(xiàn)代集散控制系統(tǒng)中

3、, PLC已成為一種重要的基本控制單元, 在工業(yè)控制領(lǐng)域中應(yīng)用前景極其廣泛。1 總體設(shè)計圖1.1三級運輸帶系統(tǒng)構(gòu)成圖1.1 工藝過程圖1中的三條運輸帶順序相連，三條運輸帶系統(tǒng)有兩個運行狀態(tài)：手動狀態(tài)和自動狀態(tài)。1手動狀態(tài)：系統(tǒng)進入手動狀態(tài)，可單獨啟動和停止某運輸帶。2自動狀態(tài)：（1）啟動操作：為了避免運送的物料在1號和2號運輸帶上堆積，起動時應(yīng)先起動下面的運輸帶，再起動上面的運輸帶。有料進皮帶后，通過檢測傳感器讓皮帶運行，1號運輸帶開始運行，延時5s后2號運輸帶自動起動， 5s后3號運輸帶自動起動。（2）停止操作：停機時為了避免物料的堆積，并盡量將皮帶上的余料清理干凈，使下一次可以輕載起動，停

4、機的順序與起動的順序應(yīng)相反。若無料進入皮帶，通過安裝在一號皮帶機上的傳感器，30秒鐘后，先停3號運輸帶，5s后停2號運輸帶，再過5s停1號運輸帶。操作人員在順序起動3條運輸帶的過程中如果發(fā)現(xiàn)異常情況，可能需要立即停車。按下停止按鈕后，將已起動的運輸帶停車，仍采用后起動的運輸帶先停車的原則。（3）故障停車：在皮帶運輸機的運行過程中，若3號運輸帶故障，應(yīng)將其停止，5s后2號運輸帶停止，再過5s后1號運輸帶停止；若2號運輸帶發(fā)生故障，則應(yīng)把2、3號運輸帶停止，1號運輸帶5s后停止；若1號運輸帶故障，則應(yīng)把三個運輸帶都停止，以免發(fā)生物料堆積。（4）急停操作：若發(fā)生意外，需停止一切操作，按下急停按鈕，3

5、個運輸帶全部停止。1.2系統(tǒng)功能和特點皮帶運輸機由皮帶、機架、驅(qū)動滾筒、承載托輥、張緊裝置等零部件組成，既可以運送散狀物料，又可以運送成件物品，工作過程中噪音較小，結(jié)構(gòu)簡單，可編程序控制器配備各種硬件裝置供用戶選擇，同時采用梯形圖語言編程，用軟件取代繼電器電器系統(tǒng)中的觸點和熱線，通過修改程序適應(yīng)工藝條件的變化?？删幊炭刂葡到y(tǒng)，相比于繼電器系統(tǒng)，它性能可靠性高，接線很簡單，系統(tǒng)不復(fù)雜，易于維護，性能先進，易于改造。和單片機系統(tǒng)相比，它編程簡單，易于掌握，連線簡單。圖1.2PLC工作原理圖1.3 控制要求1某一生產(chǎn)線的末端有一臺三級皮帶運輸機，分別由M1、M2、M3三臺電動機拖動，有手動和自動兩種

6、控制方式。2手動時，為了便于調(diào)試，每一臺電機都可以單獨啟動，按停止按鈕都可以停下。3.要有必要的短路、過載、連鎖保護。1.4 設(shè)計任務(wù)1.列出PLC控制I/O口（輸入/輸出）元件地址分配表；2.畫出PLC輸入/輸出接線圖和接觸器的主電路原理圖。3.盡量做到經(jīng)濟、合理、合用、減小設(shè)備成本。在方案的選擇、元器件的選型時更多的考慮新技術(shù)、新產(chǎn)品?？刂朴扇斯た刂频阶詣涌刂?，使功能的實現(xiàn)由一到多而且更加趨于完善。 2 硬件設(shè)計2.1 PLC選型與接線2.1.1 PLC的組成結(jié)構(gòu)PLC 的一般結(jié)構(gòu)如下圖所示，由圖可見主要有6個部分組成，包括CPU（中央處理器）、輸入/輸出接口電路、電源、外設(shè)接口、I/O擴

7、展接口。圖2.1 PLC結(jié)構(gòu)圖FX2N系列PLC是三菱公司高性能小型機的代表作，系統(tǒng)最大I/O點數(shù)為128點，配置擴展單元后可達256點。FX2系列基本執(zhí)行指令的速度0.48s/步，用戶程序存儲器的容量可擴展至8K步。 FX2N系列PLC在我國應(yīng)用比較廣泛。FX2n系列是FX系列PLC家族中最先進的系列。由于FX2n系列具備如下特點：最大范圍的包容了標準特點、程式執(zhí)行更快、全面補充了通信功能、適合世界各國不同的電源以及滿足單個需要的大量特殊功能模塊，它可以為你的工廠自動化應(yīng)用提供最大的靈活性和控制能力。24V、400mA直流電源可用于外圍設(shè)備，如傳感器或其它元件。因為采用了優(yōu)良的可維護性快速斷

8、開端子塊，即使接著電纜也可以更換單元。在所有的FX2NPLC中都有實時時鐘標準。時間設(shè)置和比較指令易于操作。小時表功能對過程跟蹤和機器維護提供了有價值的信息。 通過對PLC的工作原理及性能的了解，并結(jié)合設(shè)計要求，設(shè)計中選擇了FX2N系列的小型PLC。分析要求，可以確定需要15個輸入點，手動工作時，分別為M1,M2,M3啟動按鈕，停止按鈕，通常用于系統(tǒng)的檢測維護；一個急停按鈕；自動工作時，傳感器開與關(guān)時的兩個不同信號輸入以及停止按鈕；三個熱繼電器動斷觸電，控制故障電動機。因為有三臺皮帶機，故需要三個輸出點。又為了便于日后的功能增加等因素，選擇了48點的基本輸入輸出單元，因為輸出的是220V的交流

9、電，為了增加它的耐用性，采用了可控硅輸出。綜上所述，設(shè)計中最終選擇了FX2N-48MS的PLC，這種PLC技術(shù)成熟，性能好，故障少，價格低廉，對于本項目又留有一定的余量，可以為以后改進留下余地。2.1.2 I/O口分配PLC的I/O元件地址分配功能描述動作器件I/O地址急停SB1X0工作方式手動選擇開關(guān)SAX1自動X2手動M1啟動SB2X10M1停止SB3X11M2啟動SB4X12M2停止SB5X13M3啟動SB6X14M3停止SB7X15自動壓力傳感器傳感器ST開X20傳感器ST關(guān)X21停止SB8X22皮帶1故障FR1X31皮帶2故障FR2X32皮帶3故障FR3X33皮帶機1開KM1Y0皮帶

10、機2開KM2Y1皮帶機3開KM3Y2圖2.2 I/O地址分配2.1.3 PLC的I/O外部接線圖圖2.3 外部接線圖2.2皮帶電機的選型及其外部接線2.1.1 Y2系列異步電機 本次設(shè)計中的電機采用普通的三項異步電動機，因為本系統(tǒng)中沒有對電機的什么特別要求，因此選用普通的三相異步電機，本設(shè)計中選用Y2型異步電機。Y2系列電動機是我國20世紀90年代中期最新設(shè)計的三相異步電動機基本系列產(chǎn)品，為全封閉自扇冷式籠型電動機，包括基本設(shè)計系列（Y2系列）和提高效率設(shè)計系列（Y2E系列）兩個系列產(chǎn)品，產(chǎn)品的技術(shù)性能指標達到國外同類產(chǎn)品20世紀90年代的水平，是用以替代Y系列的更新?lián)Q代產(chǎn)品，從90年代末期起

11、我國已開始實現(xiàn)由Y系列向Y2系列過渡Y2系列電動機是我國20世紀90年代中期最新設(shè)計的三相異步電動機基本系列產(chǎn)品，為全封閉自扇冷式籠型電動機，包括基本設(shè)計系列（Y2系列）和提高效率設(shè)計系列（Y2E系列）兩個系列產(chǎn)品，產(chǎn)品的技術(shù)性能指標達到國外同類產(chǎn)品20世紀90年代的水平，是用以替代Y系列的更新?lián)Q代產(chǎn)品，從90年代末期起我國已開始實現(xiàn)由Y系列向Y2系列過渡。Y2系列電動機額定電壓為380V，額定頻率為50Hz。功率3kwt以下為Y接法，其他功率均為接法。電動機運行地點的海拔不超過1000m；環(huán)境空氣溫度隨季節(jié)變化，但不超過40；最低環(huán)境空氣溫度為-15；最濕月月平均最高相對濕度為90%；同時該

12、月月平均最低溫度不高于25。Y2系列電動機采用F級絕緣等級，但溫升仍按B級絕緣考核（除機座為315部分及355部分規(guī)格外），故電動機的溫升裕度較大。防護等級提高到IP54，機座用平行垂直分布的散熱筋，接線盒置于電動機機座的上方，以方便接線。Y2系列電動機在Y系列電動機的基礎(chǔ)上改進了電磁和結(jié)構(gòu)設(shè)計，降低了電機的噪聲及振動，節(jié)約了材料，并使電動機結(jié)構(gòu)更合理，外形新穎、美觀。Y2系列電動機（除個別延伸的機座和規(guī)格外）的功率等級與安裝尺寸的對應(yīng)關(guān)系與Y系列電動機完全相同，有利于Y2系列電動機逐步取代Y系列電動機。Y2E系列電機是為了提高電動機效率而設(shè)計的系列產(chǎn)品，其滿載效率比Y2系列提高1.79%，主

13、要適用于運行時間長，負載率較高的各種機械設(shè)備上。Y2系列電機的安裝尺寸和功率等級符合IEC標準，與德國DIN42673標準一致，也與Y系列電機一樣，其外殼防護等級為IP54，冷卻方法為IC41l，連續(xù)工作制（S1）。采用F級絕緣，溫升按B級考核(除315L2-2、4，355全部規(guī)格按F級考核外)，并要求考核負載噪聲指標。Y2系列電動機是Y系列電機的更新?lián)Q代產(chǎn)品，是一般用途的全封閉自扇冷式鼠籠型三相異步電動機。其整體水平已達到國外同類產(chǎn)品九十年代初的水平。該產(chǎn)品應(yīng)用于國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域，如機床、水泵、風(fēng)機、壓縮機，也可適用于運輸、攪拌、印刷、農(nóng)機、食品等各類不含易燃、易爆或腐蝕性氣體的場合。Y2系

14、列電動機有兩種設(shè)計，一種是適用于一般機械配套和出口需要，在輕載時有較高效率，在實際運行中有較佳節(jié)能效果，且具有較高堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，此設(shè)計稱為Y2-Y系列。中心高63355mm，功率從0.12315kW。電動機符合JB/T8680.1-1998 Y2系列(1P54)三相異步電動機（機座號63355）技術(shù)條件。型號含義：如Y2-200L1-2Y：“Y2”表示異步電動機第二次改型設(shè)計，“200”表示中心高，“L”表示機座長短號，“1”表示鐵心長度序號，“2”表示極數(shù)，“Y”表示第一種設(shè)計（可省略）。 第2種設(shè)計是滿載時有較高效率，更適用于長期運行和負載率較高的使用場合，如水泵、風(fēng)機配套，此設(shè)計稱為Y2-E

15、系列，中心高80280mm，功率從0.5590kW。電動機符合JB/T8680.2-1998 Y2系列(1P54)三相異步電動機（機座號80280）技術(shù)條件。 型號含義：如Y2-200L2-6E：“Y2”表示異步電動機第二次改型設(shè)計，“200”表示中心高，“L”表示機座長短號，“2”表示鐵心長度序號，“6”表示極數(shù)，“E”表示第二種設(shè)計。Y2系列電動機機座外輪廓呈四方形兼圓形，散熱片呈垂直，水平平行分布，全部采用鑄鐵結(jié)構(gòu)。另外H63112還兼有鋁合金壓鑄結(jié)構(gòu)。本系列電動機采用淺端蓋結(jié)構(gòu)，增加了內(nèi)部加強筋的數(shù)量和尺寸，全部采用鑄鐵結(jié)構(gòu)，另外H63112還兼有鋁合金壓鑄結(jié)構(gòu)。為方便用戶使用和檢修，

16、H180及以上增設(shè)了不停機的注油裝置。接線盒防護等級為IP55。為了減輕電機重量，H63280接線盒用鋁合金壓鑄(也可用鑄鐵件)，H315355使用鑄鐵件。且盒內(nèi)設(shè)有專用的接地裝置，H160及以上機座考慮有熱保護裝置的安裝位置，電源進線孔采用雙孔進線，并有兩種密封結(jié)構(gòu)：一種為加密封蓋，另一種為鎖緊密封。接線盒一般位于機座頂部，并可以四面出線，另外H80355鑄鐵機座的接線盒還可以位于機座側(cè)面。2.1.2 主回路電機的外部接線圖 本次設(shè)計因為有三級皮帶機，故需要三個電機來拖動，當(dāng)然需要有一些短路、過載等保護，繼電器、空開的選型后面后詳細介紹，具體的主電路接線圖如下：圖2.4 主回路電機外部接線圖

17、2.3皮帶運輸機結(jié)構(gòu)皮帶運輸機具有結(jié)構(gòu)簡單，操作連續(xù)平穩(wěn)，運輸量較大的特點，又因各部分摩擦阻力小，動力消耗也低，運輸距離不受限制。皮帶輸送機由頭部、中部和尾部組成。頭部由頭輥及支撐架組成；中部由支撐架、限位輥、張緊輥等組成；尾部由尾輥、支撐架及調(diào)節(jié)裝置組成。其設(shè)計緊湊合理，自動化程度高，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝精度高。(1)輸送帶帶式運輸機使用的運輸帶有橡膠帶、塑料帶、鋼帶等。橡膠帶工藝簡單、生產(chǎn)率高、成本低、質(zhì)量好，工作環(huán)境溫度在-10+40；塑料輸送帶具有耐油、酸、堿等特點；金屬帶結(jié)構(gòu)工藝比較復(fù)雜，價格較高。這里選擇橡膠帶作為輸送帶。(2)托輥托輥是帶式輸送機輸送帶及貨載的支撐裝置，托輥隨輸送帶

18、的運行而運轉(zhuǎn)，以減小輸送機的運行阻力，要求結(jié)構(gòu)合理，經(jīng)久耐用，回轉(zhuǎn)阻力系數(shù)小，密封可靠。(3)頭架頭架用來安裝驅(qū)動滾筒和改向滾筒，其側(cè)面與驅(qū)動裝置架組裝在一起。頭架有平行輸送機頭架及槽形輸送機頭架兩種。前者不能安裝卸料斗及護罩，供輸送成件物品時選用，后者可以安裝卸料斗及護罩。這里選用槽形輸送機頭架。(4)拉緊裝置在各種具有撓性牽引構(gòu)件的構(gòu)件的輸送機中，必須裝有拉緊裝置，拉緊裝置使輸送機具有足夠的初張力，保證輸送帶與驅(qū)動滾筒之間所必須的摩擦力，補償牽引構(gòu)件在工作過程中的伸長，保證輸送機正常平穩(wěn)地運行。(5)電動滾筒根據(jù)不同的使用條件和工作要求，帶式輸送機的驅(qū)動方式，可分為單電機驅(qū)動、多電機驅(qū)動、

19、單滾筒驅(qū)動，雙滾筒驅(qū)動幾種。本設(shè)計采用的電動滾筒，是將電動機和減速器裝入驅(qū)動滾筒內(nèi)。2.4傳感器的選擇力學(xué)傳感器的種類繁多，如電阻應(yīng)變片壓力傳感器、半導(dǎo)體應(yīng)變片壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器及電容式加速度傳感器等。但應(yīng)用最為廣泛的是壓阻式壓力傳感器，它具有極低的價格和較高的精度以及較好的線性特性。電阻應(yīng)變片是一種將被測件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成為一種電信號的敏感器件。它是壓阻式應(yīng)變傳感器的主要組成部分之一。電阻應(yīng)變片應(yīng)用最多的是金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩種。金屬電阻應(yīng)變片又有絲狀應(yīng)變片和金屬箔狀應(yīng)變片兩種。通常是將應(yīng)變片通過特殊的粘和劑緊密的粘

20、合在產(chǎn)生力學(xué)應(yīng)變基體上，當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時，電阻應(yīng)變片也一起產(chǎn)生形變，使應(yīng)變片的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。這種應(yīng)變片在受力時產(chǎn)生的阻值變化通常較小，一般這種應(yīng)變片都組成應(yīng)變電橋，并通過后續(xù)的儀表放大器進行放大，再傳輸給處理電路（通常是A/D 轉(zhuǎn)換和CPU ）顯示或執(zhí)行機構(gòu)。因為本系統(tǒng)中的傳感器只是檢測有無重物，精度靈敏度要求并不是很高，故采用經(jīng)濟實用的壓阻式壓力傳感器。2.5其他硬件選型2.5.1 接觸器選用CJ29-10/16型接觸器其中“C”表示接觸器，“J”表示交流，20為設(shè)計編號，10/16為主觸頭額定電流相關(guān)元件主要技術(shù)參數(shù)及原理如下：(1) 操作頻率為12

21、00/h(2) 機電壽命為1000萬次(3) 主觸頭額定電流為10/16（A）(4) 額定電壓為380/220（V）(5) 功率為2.5KW2.5.2 熱繼電器選用JR16B-60/3D型熱繼電器其中“J”表示繼電器，“D”帶斷相保護相關(guān)元件主要技術(shù)參數(shù)及原理如下：（1） 額定電流為20A（2） 熱元件額定電流為32/42.5.3 空氣開關(guān)市面上的空氣開關(guān)多種多樣，以“DZ10-100/330 Ie=60A ”來說明各個參數(shù)的含義所在：DZ“自動”的反拼音10設(shè)計序號100是它的殼架等級3表示極數(shù)即三相3脫扣形式（0無脫扣器，1熱脫扣器式，2電磁脫扣器式，3復(fù)式）0有無輔助觸頭（0無輔助觸頭，

22、2有輔助觸頭）Ie=60A過電流調(diào)節(jié) 額定電流。要點：1、空氣開關(guān)額定電壓大于等于線路額定電壓2、空氣開關(guān)額定電流和過電流脫扣器的額定電流大于等于線路計算負荷電流。 通過比較認識，以及對實際系統(tǒng)中的要求分析，本系統(tǒng)中選用“DZ10-100/330 Ie=20A”的空氣開關(guān)。3 軟件設(shè)計3.1 控制要求（1）某一生產(chǎn)線的末端有一臺三級皮帶運輸機，分別由M1、M2、M3三臺電動機拖動，有手動和自動兩種控制方式。（2）手動時，為了便于調(diào)試，每一臺電機都可以單獨啟動，按停止按鈕都可以停下。（3）自動控制時，有料進皮帶后，通過檢測傳感器讓皮帶運行，M1M2M3的順序啟動，間隔均為5秒，若無料進入皮帶，通

23、過安裝在一號皮帶機上的傳感器，30秒鐘后讓皮帶機按M3M2M1的順序停止否則繼續(xù)運行，如此循環(huán)往復(fù)；當(dāng)某條皮帶機發(fā)生故障時，該皮帶機及其上面的皮帶機立即停止，而其下的皮帶機則待料運完后才停止，即仍為順序停止。（4）為防止在自動運行時傳感器誤動作，要求按下保護按鈕(即后文中的SA2按鈕)后，系統(tǒng)才處于待運行狀態(tài)，否則傳感器不動作。（5）為保證意外發(fā)生時的安全，還要有急停按鈕，當(dāng)急停按鈕按下時所有電機立即停止運行。（6）要有必要的短路、過載、連鎖保護。3.2 程序的實現(xiàn)在3.2.4PLC外部接線的分析過程中已經(jīng)列出了PLC的I/O分配表，外了使程序的過程更為明了，采用子程序跳轉(zhuǎn)的方式將程序分為三大

24、塊，即公共程序，手動和自動子程序。一、公共程序： 在該程序中輸入點X1執(zhí)行調(diào)用手動子程序P0,輸入點X2執(zhí)行調(diào)用手動子程序P1。圖3.1公共程序二、手動程序：手動程序相對比較簡單，一般采用經(jīng)驗設(shè)計法進行設(shè)計，手動控制子程序見下圖，手動按鈕X10X15,分別控制M1 M2 M3電機的啟動和停止。圖3.2手動程序三、自動程序：自動程序相對比較復(fù)雜，對于順序控制系統(tǒng)一般采用順序控制設(shè)計法，其流程圖如下： 圖3.3順序功能圖對于順序控制可用多種方法進行編寫，本系統(tǒng)的梯形圖程序采用截圖形式如下：程序運行如下： 傳感器檢測到物料，X20接通，Y0啟動并保持，定時器T0定時，5秒后，T0接通，Y1啟動并保持，定