皮带运输机控制系统设计设计.doc

29成绩优 良 中 及格 不及格课 程 设 计课程名称电气控制与PLC课程设计课题名称皮带运输机控制系统设计专 业班 级学 号姓 名指导老师2015年7月3日 电气信息学院课程设计任务书课题名称皮带运输机控制系统设计姓 名专业班级学号指导老师课程设计时间2015年6月2日2015年7月3日一.任务及要求设计任务：以PLC为核心，设计一个皮带运输机控制系统，为此要求完成以下设计任务：1.根据皮带运输机的基本组成、工作过程和控制要求，确定控制方案。2.配置电器元件，选择PLC型号。3.绘制皮带运输机拖动电机主电路的原理图和控制系统的PLC I/O接线图。设计PLC梯形图程序，列出指令程序清单。4.上机调试程序。5.编写设计说明书。设计要求1.一般要求：（1）所选控制方案应合理，所设计的控制系统应能满足皮带运输机的工作过程要求，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GB472884电气图用图形符号、GB698887电气制图和GB715987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。2.具体要求：（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：（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：（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。二.进度安排1.第一周星期一：布置课程设计任务，讲解设计思路和要求，查阅设计资料。2.第一周星期二星期四：详细了解皮带运输机的基本组成结构、工作过程和控制要求。确定控制方案。配置电器元件，选择PLC型号。绘制皮带运输机拖动电机的主电路原理图和控制系统的PLC I/O接线图。设计PLC梯形图程序，列出指令程序清单。4.第一周星期五：上机调试程序。5.第二周星期二星期四：编写设计说明书。6.第二周星期五：答辩。三.参考资料1 刘星平.PLC原理及工程应用M.北京：中国电力出版社，2014年。2 廖常初.S7-200 PLC编程及应用M.北京：机械工业出版社，2014年。3 王阿根.西门子S7-200 PLC 编程实例精解M.北京：电子工业出版社，2013年。4 赖指南.PLC原理与应用补充教材（内部使用），本校自编教材，2010年。设计的原始资料皮带运输机的基本组成结构和工作过程皮带运输机由4台皮带机组成，4台皮带机分别用4台电动机(M1M4)拖动，如图1所示。图1 皮带运输机系统示意图皮带运输机的工作过程如下：（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：（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：（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。目 录第1章 皮带运输机概述.61.1 皮带运输机的基本结构.61.2 皮带运输机系统的控制要求.6第2章 控制方案论证.72.1 继电器控制.72.2 微机控制.72.3 PLC控制.72.4 结论.8第3章 控制系统硬件设计.93.1 皮带运输机电动机主电路图.93.2 皮带运输机控制系统设计.93.2.1 配置皮带运输机和电器元件.93.2.2 皮带运输机的I/O接口电路.10第4章 控制系统程序设计.114.1 PLC控制软件的组成部分.114.2 主程序设计.114.3 手动子程序模块设计.144.4 自动子程序模块设计.144.5 故障处理程序模块设计.17 4.5.1 M1故障处理.17 4.5.2 M2故障处理.19 4.5.3 M3故障处理.20 4.5.4 M4故障处理.20第5章 皮带运输机系统的PLC程序调试.215.1 自动子程序调试.215.2 手动子程序调试.21 5.3 故障处理子程序调试.21第6章 总结.22附录.23第1章 皮带运输机概述1.1 皮带运输机的基本结构1.1.1 基本结构 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(M1M4)拖动，如图1所示。图1.1 皮带运输机系统结构示意图1.2 皮带运输机系统的控制要求1.2.1 控制过程 （1）启动： （2）停止： （3）故障处理： 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。第2章 控制方案论证2.1 继电器控制方案 继电器控制的特点： (1) 逻辑控制 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者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，想改变或者增加功能、较为困难。 （2）控制速度 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）顺序控制 继电器控制是利用时间继电器的滞后动作来完成时间上的顺序控制。时间继电器内部的机械结构容易受环境温度变化的影响，造成定时的精度不高。 （4）灵活性及可拓展性 继电器安装后，受电器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和拓展性很差。2.2微机控制方案 微机控制具有体积小、功耗低、性能可靠、价格低廉、使用方便灵活、易于产品化等诸多优点，特别是强大的面向控制能力，使它在工业控制、智能仪表、外设控制、家用电器、机器人、军事装置等方面得到了极为广泛的应用。 但与此同时，当、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，若其中一部分受到损坏，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，修改起来比较麻烦。2.3 PLC控制方案 PLC种类繁多，但其结构和工作原理基本相同。PLC其实就是专为工业现场应用而设计的计算机，采用了典型的计算机结构，主要是由中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出单元，电源及编程器几大部分组成。PLC控制具有以下特点： （1）控制逻辑 PLC采用存储器逻辑，其控制逻辑一程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑只需改变程序即可，故称“软接线”。其接线少，体积小，因此功耗较小。 （2）可靠性与可维护性 PLC配有自荐和监督功能，能检查出自身的故障并随时显示给操作人员，还能动态地监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。 （3）控制速度 PLC由程序指令控制半导体电路来实现控制，属与无触点控制，速度极快，一条用户指令的执行时间一般在微秒数量级，且不会出现抖动。 （4）定时控制 PLC使用半导体集成电路做定时器，时基脉冲由晶体振荡产生，精度相当高，且定时时间不受环境的影响，定时范围一般从0.001S到若干天或更长。用户可根据需要在程序中设置定时值，然后用软件来控制定时时间。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： （1）系统构成灵活，拓展容易，以开关量控制为其特长。 （2）使用方便，编程简单，采用简明的梯形图、逻辑图或者语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。另外，可以在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。 （3）能适应各种恶劣的运行环境，抗干扰能力强，可靠性强，远高于其他各种。 故选用PLC控制方案。第3章 控制系统硬件系统设计3.1 皮带运输机电动机主电路图 电动机主电路图如图3.1.1所示，电路保护装置由刀开关和自动空气断路器QF组成。四个三相380V交流电动机均采用Y型连接。由PLC控制四个交流接触器的电磁线圈电路的通断，实现对四个电动机的控制。四个电动机电路都串联了热继电器以实现对电动机故障的报警。 图3.1.1 主电路图3.2 皮带运输机控制系统设计3.2.1 配置皮带运输机和电器元件电气元件选图如图3.1.2所示：序号代号名称数量规格型号备注1QS1刀开关1HZ10-10/32QS2刀开关1HZ10-10/33QF断路器1QF-2404FR熔断器1RL1-155KM1-KM4接触器4CJ20-256FR1-FR4热继电器4T167SB1控制按钮1LA10-1绿色8SB2 控制按钮1LA10-1红色9SB3、SB4控制按钮2LA10-1黑色10M1-M4三相交流电动机4JQ2-Z1-411PLC可编程控制器1CPU224XP 图3.1.2 电气元件选图3.2.2 皮带运输机的I/O接口电路通信端D0通信端D1 I V MA+B+1L0.00.10.20.32L0.40.50.63L0.71.01.1NL1AC M1M0.00.10.20.30.40.50.60.72M1.01.11.21.31.41.5ML+SA KM1SB1SB2KM2CPU 224XP CNRELAYSB3KM3SB4 FR1 KM4FR2FR3FR4PEDC24VN 总线接口AC220VL1QS2 FR 图3.2.2 I/O接口电路图第4章 控制系统程序设计4.1 PLC控制软件的组成部分（1) 主程序（2) 手动子程序（3) 自动子程序（4) 故障处理程序4.2 主程序设计主程序设计如图所示 图4.2.1 主程序梯形图4.3 手动子程序模块设计手动子程序执行时，SB1SB4控制着四个电机的运行，形成互锁。 图 4.3.1手动子程序的梯形图手动子程序的调试分为以下几步（1） 按下SB1按钮，Q0.0触点闭合，松开SB1按钮，Q0.0触点断开（2） 按下SB2按钮，Q0.1触点闭合，松开SB2按钮，Q0.1触点断开（3） 按下SB3按钮，Q0.2触点闭合，松开SB3按钮，Q0.2触点断开（4） 按下SB4按钮，Q0.3触点闭合，松开SB4按钮，Q0.3触点断开4.4 自动子程序模块设计 按下启动开关SB1后，电机从M4到M1以间隔5S依次启动，该过程完成后，按下停止按钮SB2后，点击从M1到M4以间隔5S依次停止运行。 图4.4.1 自动子程序梯形图 按下启动开关SB1后，电机从M4到M1以间隔5S依次启动，该过程完成后，按下停止按钮SB2后，点击从M1到M4以间隔5S依次停止运行。4.5公用子程序模块设计图4.5.1 公用子程序模块梯形图 进入公用子程序后，先M0.0置位，M0.1到M0.8复位，M2.0到M2.3复位，M3.0到M3.2复位，M4.0到M4.1复位，M5.0复位，T37-T48复位4.5 故障处理程序模块设计 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4.5.1 M1故障处理设计 当系统在自动方式并完成启动后，按下M1故障检测按钮，这时I0.5触点闭合，系统进入M1故障处理程序。先是Q0.0触点断开，Q0.1-Q0.3触点保持闭合，5秒的间隔过后，Q0.1触点断开Q0.2和Q0.3触点继续保证闭合，再一个5秒过后,Q0.2触点也断开，Q0.2触点断开后5秒后，Q0.3触点也断开，这个时候M1的故障处理程序结束 图4.5.1 M1故障处理程序梯形图4.5.2 M2故障处理设计 图4.5.2 M2故障处理程序梯形图 按下M2故障处理的检测按钮，I0.6触点闭合，开始检测，此时，Q0.0和Q0.1触点断开，Q0.2和Q0.3保持闭合，5秒过后，Q0.2也断开，Q0.3继续保持闭合，Q0.2断开后，5秒钟过后，Q0.3也开始断开，这时Q0.0到Q0.3全部断开，M2的故障处理程序完成。4.5.3 M3故障处理设计 图4.5.3 M3故障处理程序梯形图 按下模拟M3故障处理的按钮，此时I0.7触点闭合，开始检测，首先，Q0.0和Q0.1还有Q0.2触点断开，Q0.3触点保持闭合，5秒过后，Q0.3触点也断开，即Q0.0到Q0.3的触点全部断开，M3的故障处理程序完成4.5.4 M4故障处理设计 图 4.5.4 M4故障处理程序梯形图按下M4的故障处理程序的按钮，使I1.0触点闭合，开始检测，Q0.0、Q0.1、Q0.2和Q0.3触点都已经断开，M4的故障检测程序完成。第5章 皮带运输机系统的PLC程序调试5.1 自动子程序调试 通过使用西门子编程调试软件STEP7，可以使PLC程序在PC端实现模拟仿真，开始仿真的时候，拨动SA开关，再按下SB1启动按钮，可以观察到从Q0.3到Q0.0以间隔5S依次亮起绿灯，直到系统的状态保持不变，即皮带运输机启动完成。 启动完成后，再按下停止按钮SB2，此时从Q0.0开始到Q0.3依次熄灭绿灯，分别持续的时间间隔为5S，全部熄灭后，皮带运输机完成了停止动作。5.2 手动子程序调试 手动子程序的调试分为以下几步：（5） 按下SB1按钮，Q0.0触点闭合，松开SB1按钮，Q0.0触点断开（6） 按下SB2按钮，Q0.1触点闭合，松开SB2按钮，Q0.1触点断开（7） 按下SB3按钮，Q0.2触点闭合，松开SB3按钮，Q0.2触点断开（8） 按下SB4按钮，Q0.3触点闭合，松开SB4按钮，Q0.3触点断开5.3 故障处理子程序调试 当系统在自动方式并完成启动后，按下M1故障检测按钮，这时I0.5触点闭合，系统进入M1故障处理程序。先是Q0.0触点断开，Q0.1-Q0.3触点保持闭合，5秒的间隔过后，Q0.1触点断开Q0.2和Q0.3触点继续保证闭合，再一个5秒过后,Q0.2触点也断开，Q0.2触点断开后5秒后，Q0.3触点也断开，这个时候M1的故障处理程序结束。按下M2故障处理的检测按钮，I0.6触点闭合，开始检测，此时，Q0.0和Q0.1触点断开，Q0.2和Q0.3保持闭合，5秒过后，Q0.2也断开，Q0.3继续保持闭合，Q0.2断开后，5秒钟过后，Q0.3也开始断开，这时Q0.0到Q0.3全部断开，M2的故障处理程序完成。按下模拟M3故障处理的按钮，此时I0.7触点闭合，开始检测，首先，Q0.0和Q0.1还有Q0.2触点断开，Q0.3触点保持闭合，5秒过后，Q0.3触点也断开，即Q0.0到Q0.3的触点全部断开，M3的故障处理程序完成。按下M4的故障处理程序的按钮，使I1.0触点闭合，开始检测，Q0.0、Q0.1、Q0.2和Q0.3触点都已经断开，M4的故障检测程序完成。第六章 总结在为期两个礼拜的PLC的程序课程设计中，课题是皮带运输机控制系统，主要采用的是PLC的类型是CPU 224XP,主要是因为采用的是用PLC控制的方案，然后根据皮带运输机控制系统的具体要求，确定了要实现课题要求时，必须要完成的步骤及其顺序，理清头绪，归纳出顺序功能图。然后根据顺序功能图，画出梯形图。可以具体为以下几个过程。（1） 选择皮带运输机控制系统的控制方案，确定使用的是PLC控制的方案。然后再确定皮带运输机控制系统执行时需要完成的步及步完成的顺序，确定顺序功能图的流程。（2）根据控制系统的要求，确定使用合适的PLC型号，及其I/O接口数量和类型，并列出清单，。（3）查阅相关资料后，根据实际需求，与所选用型号的PLC相匹配，设计出相应的电路图，并绘制出接线图。（4）根据各个步的顺序功能图，转换成与之相对应的梯形图，并用模拟软件检查是否出错，发现错误及时改正。（5）开始使用模拟仿真软件仿真各个模块的梯形图，并观察仿真的结果，不断修改调试，直到出现令人满意的结果。程序课程设计的目的是为了通过动手实践来巩固我们学习过的PLC知识，并且提高我们运用所学知识来解决具体问题的能力，从而了解自己的不足之处，并且加以提升是自己的知识得到加强和巩固。附录主程序语句表：网络1 网络2 网络3LD I0.5 LD I0.5 LD I0.6O I0.6 O M6.1O M6.2O I0.7 AN I0.2 AN I0.2O I1.0 AN M6.2AN M6.3O M6.0 AN M6.3AN M6.4AN I0.2 AN M6.4= M6.2= M6.0 = M6.1R M2.0, 4R M0.1, 8网络4 网络5 网络6LD I0.7LD I1.0LD SM0.0O M6.3O M6.4CALL 公用子程序:SBR0AN I0.2AN I0.2 网络7AN M6.4= M6.4LDN I0.0= M6.3R M2.0, 4 CALL 手动子程序:SBR1R M2.0, 4R M3.0, 3EUR M3.0, 3R M4.0, 2 R Q0.0, 4网络8 网络9 网络10LD I0.0 LD M6.1LD M6.2AN M6.0 LPSLPSCALL 自动子程序:SBR2 EUEU S M2.0, 1S M3.0, 1 LPPLPP CALL M1故障处理:SBR3 CALL M2故障处理:SBR4 网络11网络12 LD M6.3LD M6.4 LPS LPS EUEU S M4.0, 1S M5.0, 1 LPPLPP CALL M3故障处理:SBR5 CALL M4故障处理:SBR6 公用子程序语句表： LD SM0.1 ON I0.0 S M0.0, 1 R M0.1, 8 R M2.0, 4 R M3.0, 3 R M4.0, 2 R M5.0, 1 R T37, 12 手动子程序：网络1网络2网络3LD I0.1LD I0.2LD I0.3AN I0.5AN I0.6AN I0.7AN Q0.1AN Q0.0AN Q0.0AN Q0.2AN Q0.2AN Q0.1AN Q0.3AN Q0.3AN Q0.3= Q0.0 = Q0.1 = Q0.2网络4LD I0.4AN I1.0AN Q0.0AN Q0.1AN Q0.2= Q0.3 自动子程序：网络1网络2网络3LD M1.0LD M0.0LD M0.1 S Q0.2，1AN Q0.3A I0.1A T37TON T38，50O M0.0O M0.1O M0.2AN M0.1AN M0.2 AN M0.3= M0.0 = M0.1 = M0.2 网络4网络5 网络6LD M0.2LD M0.3 LD M0.4A T38A T39 A I0.2O M0.4O M0.4 O M0.5AN M0.5AN M0.5 AN M0.6= M0.4= M0.4 = M0.5= Q0.0 = Q0.0 TON T40, 50网络 7 网络8 网络9LD M0.5LD M0.6 LD M0.7A T40A T41 A T42O M0.6O M0.7 O M1.0AN M0.7AN M1.0 AN M0.0= M0.6= M0.7 = M1.0R Q0.1, 1 R Q0.2, 1 R Q0.3, 1TON T41, 50 TON T42, 50M1故障处理网络1 网络2 网络3网络4LD M2. LD M2.0 LD M2.1 LD M2.2R Q0.0, 1 A T43 A T44 A T45S Q0.1, 3 O M2.1 O M2.2 O M2.3TON T43, 50 AN M2.2 AN M2.3 A Q0.3 = M2.1 = M2.2 = M2.3 R M2.0, 1 R Q0.2, 1 R Q0.3, 1 R Q0.1, 1 TON T45, 50 TON T44, 50 M2故障处理 网络1网络2网络3 LD M3.0 LD M3.0 LD M3.1 R Q0.0, 2 A T46 A T47 S Q0.2, 2 O M3.1 O M3.2 TON T46, 50 AN M3.2 A Q0.3 = M3.1 = M3.2 R M3.0, 1 R Q0.3, 1 R Q0.2, 1 TON T47, 50 M3故障处理 M4故障处理网络1网络1 LD M4.0 LD M5.0R Q0.0, 3 A Q0.3S Q0.3, 1 R Q0.0, 4TON T49, 50 R M5.0, 1网络2LD M4.0 R Q0.3，1A T49O M4.1A Q0.3= M4.1R M4.0, 1电气控制与PLC课程设计评分表项