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。
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(M1～M4)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........................................................................................................6
1.1 皮带运输机的基本结构............................................................................................6
1.2 皮带运输机系统的控制要求....................................................................................6
第2章 控制方案论证............................................................................................................7
2.1 继电器控制................................................................................................................7
2.2 微机控制....................................................................................................................7
2.3 PLC控制......................................................................................................................7
2.4 结论............................................................................................................................8
第3章 控制系统硬件设计....................................................................................................9
3.1 皮带运输机电动机主电路图....................................................................................9
3.2 皮带运输机控制系统设计........................................................................................9
3.2.1 配置皮带运输机和电器元件............................................................................9
3.2.2 皮带运输机的I/O接口电路..............................................................................10
第4章 控制系统程序设计....................................................................................................11
4.1 PLC控制软件的组成部分..........................................................................................11
4.2 主程序设计................................................................................................................11
4.3 手动子程序模块设计................................................................................................14
4.4 自动子程序模块设计................................................................................................14
4.5 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..............................................................................21
5.1 自动子程序调试........................................................................................................21
5.2 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(M1～M4)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
1
QS1
刀开关
1
HZ10-10/3

2
QS2
刀开关
1
HZ10-10/3

3
QF
断路器
1
QF-240

4
FR
熔断器
1
RL1-15

5
KM1-KM4
接触器
4
CJ20-25

6
FR1-FR4
热继电器
4
T16

7
SB1
控制按钮
1
LA10-1
绿色
8
SB2
控制按钮
1
LA10-1
红色
9
SB3、SB4
控制按钮
2
LA10-1
黑色
10
M1-M4
三相交流电动机
4
JQ2-Z1-4

11
PLC
可编程控制器
1
CPU224XP

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
M
A+
B+
1L
0.0
0.1
0.2
0.3
2L
0.4
0.5
0.6
3L
0.7
1.0
1.1

N
L1
AC
M

1M
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
2M
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
M
L+

SA

KM1
SB1
SB2
KM2
CPU 224XP CN
RELAY
SB3
KM3
SB4
FR1
KM4
FR2

FR3

FR4

PE

DC24V

N

总线接口
AC220V

L1
QS2
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，SB1～SB4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3
LD I0.5 LD I0.5 LD I0.6
O I0.6 O M6.1 O M6.2
O I0.7 AN I0.2 AN I0.2
O I1.0 AN M6.2 AN M6.3
O M6.0 AN M6.3 AN M6.4
AN I0.2 AN M6.4 = M6.2
= M6.0 = M6.1 R M2.0, 4
R M0.1, 8

网络4 网络5 网络6
LD I0.7 LD I1.0 LD SM0.0
O M6.3 O M6.4 CALL 公用子程序:SBR0
AN I0.2 AN I0.2 网络7
AN M6.4 = M6.4 LDN I0.0
= M6.3 R M2.0, 4 CALL 手动子程序:SBR1
R M2.0, 4 R M3.0, 3 EU
R M3.0, 3 R M4.0, 2 R Q0.0, 4

网络8 网络9 网络10
LD I0.0 LD M6.1 LD M6.2
AN M6.0 LPS LPS
CALL 自动子程序:SBR2 EU EU
S M2.0, 1 S M3.0, 1
LPP LPP
CALL M1故障处理:SBR3 CALL M2故障处理:SBR4

网络11 网络12
LD M6.3 LD M6.4
LPS LPS
EU EU
S M4.0, 1 S M5.0, 1
LPP LPP
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3
LD I0.1 LD I0.2 LD I0.3
AN I0.5 AN I0.6 AN I0.7
AN Q0.1 AN Q0.0 AN Q0.0
AN Q0.2 AN Q0.2 AN Q0.1
AN Q0.3 AN Q0.3 AN Q0.3
= Q0.0 = Q0.1 = Q0.2
网络4
LD I0.4
AN I1.0
AN Q0.0
AN Q0.1
AN Q0.2
= Q0.3

自动子程序：
网络1 网络2 网络3
LD M1.0 LD M0.0 LD M0.1 S Q0.2，1
AN Q0.3 A I0.1 A T37 TON T38，50
O M0.0 O M0.1 O M0.2
AN M0.1 AN M0.2 AN M0.3
= M0.0 = M0.1 = M0.2

网络4 网络5 网络6
LD M0.2 LD M0.3 LD M0.4
A T38 A T39 A I0.2
O M0.4 O M0.4 O M0.5
AN M0.5 AN 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9
LD M0.5 LD M0.6 LD M0.7
A T40 A T41 A T42
O M0.6 O M0.7 O M1.0
AN M0.7 AN M1.0 AN M0.0
= M0.6 = M0.7 = M1.0
R Q0.1, 1 R Q0.2, 1 R Q0.3, 1
TON T41, 50 TON T42, 50

M1故障处理
网络1 网络2 网络3 网络4
LD M2. LD M2.0 LD M2.1 LD M2.2
R Q0.0, 1 A T43 A T44 A T45
S Q0.1, 3 O M2.1 O M2.2 O M2.3
TON 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 M5.0
R Q0.0, 3 A Q0.3
S Q0.3, 1 R Q0.0, 4
TON T49, 50 R M5.0, 1
网络2
LD M4.0 R Q0.3，1
A T49
O M4.1
A Q0.3
= M4.1
R M4.0, 1

电气控制与PLC课程设计评分表
项