用PLC实现三级皮带机论文.doc

（论文）
保护功能齐全的三级皮带运输机
作者金为维
摘要
在实践中通常应用到的三级皮带轮是单纯的运输工具，其电路是通过人工手动和半自动操作来完成整个系统的运行。

在电动机实际运行过程中，会遇到断相等其它特殊情况，而操作人员无法察觉，不能及时地进行检修，从而导致电动机毁损，对生产造成影响。

另外，在运输带的移动中，其载运的物体出现跑偏现象，而整个系统不能及时停止，使货物堆积，也造成影响。

为了解决断相、跑偏对生产造成的影响，我们对电路进行了重新设计。

最后用三菱可编程序进行了改造。

电路设计较为合理。

关键词：三级皮带电路设计电路保护PLC应用
目录
第一章绪论 (4)
(4)
(4)
线路的基本原则 (4)
1.4 设计线路应注意的问题 (5)
设计要求 (5)
第二章保护功能齐全的三级皮带顺序启动、逆序停止控制电路设计
(6)
工作原理分析 (6)
(7)
(8)
第三章 PLC的应用 (11)
3.1 概述PLC的发展史 (11)
3.2 PLC的应用和发展前趋势 (11)
3.3 PLC的工作原理 (12)
3.4 PLC的选型 (13)
3.5 PLC的安装 (15)
可编程控制器使用中注意的问题 (16)
第四章程序设计的梯形图................................ .21第五章结论 .. (22)
参考文献 (23)
第一章绪论
1.1引言
皮带运输机在工厂、码头、矿山等场所被广泛使用,我们仪征码头也有皮带运输机。

由于其生产设备陈旧，电路老化，导致生产过程中的设备的保护功能不全，故障率高，影响生产。

受码头管理处委托重新设计了一台功能较为全面的三级皮带运输机，我构思设想以下功能。

1．2 设计构思
皮带机运输往往是一个整体，如果有一台电动机出现故障就会造成货物的堆积，影响生产。

所以，我们在设计保护功能齐全的三级皮带顺序启动、逆序停止控制电路设计时，预先考虑皮带机应具有以下功能：
（1）顺序启动、逆序停止。

（2）具有短路、缺相、过载、急停功能为一体的保护功能。

（3）有手动/自动功能
（4）运输物料时，由于负载不均，可能出现皮带跑偏的问题，设计时还应考虑防跑偏的保护功能。

1. 3设计线路的基本原则
由于电器控制是为整个机械设备和工艺过程服务的，所以在设计前要深入现场收集有关资料，进行必要的调查研究。

电气控制线路的设计应遵循的基本原则是：（1）应最大限度的满足机械设备对电器控制线路的控制要求和保护要求。

（2）在满足生产工艺要求的前提下，应力求使控制线路简单、经济、合理。

（3）保证控制的可靠性和安全性。

（4）操作和维修方便。

1. 4设计线路应注意的问题
（1）尽量缩减电器的数量，采用标准件和尽可能选用相同型号的电器设计线路时，应减少不必要的触头以简化线路，提高线路的可靠性。

（2）尽量缩短连接导线的数量和长度
设计线路时，应考虑到各电器元件之间的实际接线，特别要注意电器柜、操作台和位置开关之间的连接线。

（3）正确连接电器的线圈
在交流控制电路的一条支路中不能串联两个电器的线圈。

（4）正确连接电器的触头
同一个电器的常开和常闭辅助触头靠得很近，如果接连不当，将会造成线路工作不正常。

（5）在满足控制要求的情况下，应尽量减少电器通电的数量
（6）应尽量避免采用许多电器依次动作才能接通另一个电器的控制线路
（7）在控制线路中应避免出现寄生回路
在控制线路的动作过程中，非正常接通的线路叫寄生回路。

在设计线路时要避免出现寄生回路。

因为它会破环电器元件和控制线路的动作顺序。

（8）保证控制线路工作可靠和安全
为了保证控制线路工作可靠，最主要的是选用可靠的电器元件。

如选用电器时，尽量选用机械和电气寿命长、结构合理、动作可靠、抗干扰性能好的电器。

在线路中采用小容量继电器的触头断开和接通大容量接触器的线圈时，要计算继电器触头断开和接通容量是否足够。

若不够，必须加大继电器容量或增加中间继电器，否则工作不可靠。

（9）线路应具有必要的保护环节，保证即使在误操作情况下也不致造成事故。

1．5设计要求
本电路设计要求：有手动、自动功能，有缺相、短路、过载、急停、防跑偏功能为一体。

动作要求是：自动启动；延时10秒，第一级皮带运输机KM 1吸合；再延时10秒，第二级皮带运输机KM 2吸合；再延时10秒后，第三级皮带运输机KM 3吸合。

故顺序启动。

停止；延时30秒，第三级皮带运输机KM 3停止；再延时30秒，第二级皮带运输机KM 2停止；再延时30秒后，第一级皮带运输机KM 1停止。

KA1为缺相保护，当电源L3熔断器熔断，3台电动机失电，停止运转；当3台电动机中的任何一台过载，3台电动机将全部停止。

当运输过程中皮带机发生故障，其将紧急停机，防止货物堆积。

有手动/自动选择功能
所有功能都能达到顺启逆停之要求
第二章保护功能齐全的三级皮带顺序启动、逆序停止控制电路设计2. 1三级皮带控制电路原理
2．2工作原理分析
线路工作原理如下：将手动/自动开关拨到手动位置；
合上电源开关QS ，
按下SB1，KM1线圈得电并自锁，第一级皮带机启动。

按下SB2，KM2线圈得电并自锁，第二级皮带机启动。

按下SB3，KM3线圈得电并自锁，第三级皮带机启动。

停止；按下SB2，KM3线圈失电，第三级皮带机停止运行。

按下SB1，KM2线圈失电，第二级皮带机停止运行。

按下SB3，KM1线圈失电，第一级皮带机停止运行。

手动启动按错按钮不起作用。

将手动/自动开关拨到自动位置；
合上电源开关QS ，启动
按下SB1，KM1接触器线圈得电并自锁，第一级皮带机启动。

KM1接触器常开辅助触头（16--17）闭合KT1时间继电器得电吸合，当延时值一到KA中间继电器得电吸合（16--19）KM2接触器线圈得电并自锁，第二级皮带机启动。

KA常开触头（16—18）闭合，KT2时间继电器得电吸合并自锁，当延时值一到KT2时间继电器延时常开触头（1—8）闭合，KM3接触器吸合，第三级皮带机启动。

停止；按下SB4停止按钮，KT3时间继电器得电吸合，它的瞬动常闭触头（9-10）断开KM3线圈失电，第三级皮带机停止运行。

KT3时间继电器延时触头（5-6）延时值到断开KM2接触器线圈失电，第二级皮带机停止运行。

同时KT3时间继电器延时触头（12-15）延时闭合的常开触头闭合使KT4时间继电器得电吸合，当延时值一到，KT4时间继电器的延时触头（20-21）断开，第三级皮带机停止运行。

整个皮带机停
止运行。

2．3电路中电器保护
（1）短路保护
当电动机绕组和导线的绝缘损坏或者控制电路发生故障时，线路将出现短路现象，产生大量短路电流，短路电流是电动机额定电流的十倍以上、造成电器及导线等电气设备严重损坏。

因此，在发生短路故障时，保护电器必须立即动作，迅速将电源切断。

（2）过载保护
当电动机负载过大、启动操作频繁或缺相运行时，会使电动机的工作电流长时间超过其额定电流，电动机绕组过热，温升超过其允许值，导致电动机的绝缘材料变脆，寿命缩短，严重时会使电动机损坏。

因此，当电动机过载时，保护电器应动作切断电源，使电动机停转，避免电动机在过载或故障下运行。

（3）欠压保护
“欠压”是指线路电压低于电动机应加的额定电压。

欠压保护是指当线路电压下降到某一数值时，电动机能自动脱离电源停转，避免电动机在欠压下运行的一种保护。

采用接触器线圈控制线路就可避免电动机欠压运行。

因为当线路电压下降到一定值（一般指低于额定电压85%以下）时，接触器线圈两端的电压也同样下降到此值，从而使接触器线圈磁通减弱，产生的电磁吸力减小到小于反作用弹簧的拉力时，动铁心被迫释放，主触头、自锁触头同时分断，自动切断主电路和控制电路，电动机失电停转，达到了欠压保护的目的。

（4）失压（或零压）保护
失压保护是电动机在正常运行中，由于外界某种原因引起突然断电时，能自动切断电动机电源；当重新供电时，保证电动机不能自行启动的一种保护。

接触器自锁控制线路也可实现失压保护。

因为接触器自锁触头和主触头在电源断电时已经断开，使控制电路和主电路都不能接通，所以在电源恢复供电时，电动机就不会自行启动运转，保证了人身和设备的安全。

（5）断相保护
一般来说，控制电路是受两相电源控制，而第三相是直接经熔断器接电动机。

如果第三相熔断器烧坏，就会造成电动机缺相运行，从而使电动机损坏。

我们在设计时
考虑了这一因素，在主电路设有一个接触器，当熔断器熔断后，接触器线圈失电，切断主电路和控制电路，起到保护电动机的作用。

皮带机断相保护采用主电路KA一个中间继电器它的辅助常开触头串接在控制回路中。

当合上SQ电源开关，KA线圈得电吸合，它的常开辅助触头（串接在控制回路中）闭合。

当任意一台电动机熔断器熔断，它的线圈释放在控制回路的辅助常开触头分断，控制电路失电。

这样便保证了三台皮带机整体动作的统一性。

KA中间继电器释放电压为240伏，经过试验可以达到控制要求。

（6）跑偏保护
皮带机在运行时可能由于负荷不均等原因造成皮带跑偏，使货物出现推积、落带等非正常状况，影响生产。

我们在设计过程中充分考虑这一因素，在皮带两侧分别设计了行程限位开关。

当皮带出现跑偏时，货物碰触到限位开关就会自动停机，提醒操作人员注意。

（7）急停保护
按下SB0急停按钮，控制电路失电紧急停机，防止意外事故发生。

2．4 元器件的选择
（1）电动机的选择
根据生产设备使用环境，所选三相异步电动机的型号为Y112M-4，定子绕组为△接法，额定功率为4KW,额定电流为8.8A,额定电压为380V。

转速为1440转
（2）热继电器的选择
选额定电流为11A的热继电器,其整定电流可取电动机的额定电流A则选用电流等级为6A的热元件,其调节范围为6.8A～保护的热继电器
（3）熔断器的选择
熔断器类型的选择：RL1系列螺旋式熔断器。

这种螺旋式熔断器可以防止振动。

熔断器额定电流；由于电动机需要经常启动，则熔断器额定电流为30A。

熔体额定电流为25A。

熔断器的额定电流和电压：选取RL1—30型熔断器，额定电压为500 V。

（4）交流接触器的选择
主触头的额定电压：380V。

接触器主触头的额定电压等于或大于控制线路的额定电压。

交流接触器主触头的额定电流选取20A
IC=PN×1000／KUN=11××389≈21
式中K—经验系数,一般取1～1.4:
UN—被控制电动机的额定功率〔KW〕;
PN—被控制电动机的额定电压〔V〕
IC—接触器主触头电流〔A〕。

接触器吸引线圈的电压380V。

当控制线路简单,使用电器较少时,为节省变压器,可直接选用380 V电压。

（5）时间继电器的选择
时间继电器类型的选择:JS7—2A系列时间继电器。

这种时间继电器价格低廉，使
用灵活，可以做通电延时和断电延时之用，维修也方便
时间继电器的组成元件是通用的。

如果将通电延时型时间继电器的电磁机构翻转
180安装即成为断电延时型时间继电器。

这种时间继电器安全可靠，使用方便。

（6）按钮的选择
按钮类型的选择：LA10—3N系列的按钮。

这种按钮为普通型的，应用较为广泛，
采购和维修也方便。

按钮的触头允许通过的电流较小，一般不超过5A，因此一般情况下它不直接控制
主电路的通断，而且在控制电路中发出指令或信号去控制接触器、继电器等电器，再
由它们去控制主电路的通断、功能转换或电器联锁。

（7）导线的选择
为了保证供电系统安全、可靠、经济、合理地运行，在选择导线截面是必须满足
下列条件：
（一）发热条件：
导线和电缆在通过最大负荷电流（即计算电流）时产生的发热温度，不应超过其
正常运行时的最高允许温度。

正常时短路时
橡皮绝缘电线和电缆 65ºC 150ºC
聚氯乙烯绝缘电线和电缆 65ºC 120ºC 交联聚乙烯电缆铜芯 80ºC 230ºC
交联聚乙烯电缆芯 80ºC 200ºC
油浸纸绝缘电缆1—3KV（铜芯） 80ºC 250ºC
（二）电压损失：
导线和电缆在通过最大负荷时产生的电压损失不应超过其正常运行时允许的电压损失。

（三）经济电流密度：
高压电路和电流较大的低压电路，应按规定的经济电流密度选择导线截面，要使电能耗小，又要节约有色金属。

（四）机械强度：
导线应满足机械强度的要求
主电路接线：由于控制柜内部连线是单根导线散热条件优于电缆，根据经济电流密度要求查手册可选平方毫米聚氯乙烯绝缘导线满足安全电流需要。

由于考虑电动机启动电流是额定电流4-7倍，我们选择了4平方毫米聚氯乙烯绝缘导线较为合理。

（五）环境因素：
导线在实际应用中还要考虑安装方式、环境温度等因素，不能一概而论。

元件明细表
第三章PLC的应用
可编程控制器应用到三级皮带改造中得到了良好的效果。

它稳定、安全、可靠，故障率低，维修方便，还省去了时间继电器和诸多的控制线路。

下面，我就简述可编程控制器（简称PLC）。

3 . 1 概述PLC的发展史
可编程序控制器（Programmable Logic Controller），简称PLC，是在继电顺序控制基础上发展起来的以微处理器为核心的通用的工业自动化控制装置。

20世纪60年代末期，美国汽车制造工业竞争激烈，为了适应生产工艺不断更新的需要，在1968年美国通用汽车公司（GM）首先公开招标，对控制系统提出的具体要求基本为：a。

它的继电控制系统设计周期短，更改容易，接线简单成本低。

b。

它能把计算机的功能和继电器控制系统结合起来。

但编程要比计算机简单易学、操作方便。

c。

系统通用性强。

1969年美国数字设备公司（DEC）根据上述要求，研制出世界上第一台PLC，并在GM公司汽车生产线上首次试用成功，实现了生产的自动化。

其后日本、德国等相继引入，可编程序控制器迅速发展起来，但是主要应用于顺序控制，只能进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制器，简称PLC。

其定义：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。

它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

随着电子技术和计算机技术的迅猛发展，PLC的功能也越来越强大，更多地具有计算机的功能，所以又简称PC（PROGRAMMABLE CONTROLLER），但是为了不和PERSONAL COMPUTER混淆，仍习惯称为PLC。

目前PLC已经在智能化、网络化方面取得了很好的发展，并且现今已出现SOFTPLC，更是PLC领域无限的发展前景。

3 . 2 PLC的应用和发展前趋势
PLC的应用是基于其以微处理器为核心，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置，它具有可靠性高、体积小、功能强、程序设计简单、灵活通用、维护方便等一系列优点，因而在制造、冶金、能源、交通、化工、电力等领域有着广泛的应用，成为现代工业控制的支柱之一。

根据这些特点，
可将其应用形式归纳为以下几种：开关量逻辑控制、模拟量控制、过程控制、定时和计数控制、顺序控制；、数据处理、通信和联网。

现代 PLC的发展有两个主要趋势：其一是向体积更小、速度更快、功能更强和价格更低的微小型方面发展，即现今开始发展的嵌入式PLC控制方式；其二是向大型网络化、高可靠性、好的兼容性和多功能方面发展。

1、大型网络化主要是朝DCS方向发展，使其具有DCS系统的一些功能。

网络化和通信能力强是PLC发展的一个重要方面，向下可将多个PLC、I/O框架相连；向上与工业计算机、以太网、MAP网等相连构成整个工厂的自动化控制系统。

2、多功能随着自调整、步进电机控制、位置控制、伺服控制等模块的出现，使PLC控制领域更加宽广。

如研制出了多回路闭环控制模块、步进电机控制模块、仿真模块和通信处理模块等。

并为用户提供了方便的人机界面，用户程序多级口令保护，极强的计算性能，完善的指令集，通过工业现场总线PROFIBUS以及以太网联网的网络能力，强劲的内部集成功能，全面的故障诊断功能；模块式结构可用于各处性能的扩展，脉冲输出晶闸管步进电机和直流电机；快速的指令处理大大缩短了循环周期，并采用了高速计数器，高速中断处理可以分别响应过程事件，大幅度降低了成本。

3、高可靠性由于控制系统的可靠性日益受到人们的重视，一些公司已将自诊断技术、冗余技术、容错技术广泛应用到现有产品中，推出了高可靠性的冗余系统，并采用热备用或并行工作、多数表决的工作方式。

PLC即使在恶劣、不稳定的工作环境下，坚固、全密封的模板依然可正常工作，在操作运行过程中模板还可热插拔。

3 .3 PLC的工作原理
由于PLC以微处理器为核心，故具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很大不同。

微机一般采用等待命令的工作方式，如常见的键盘扫描方式或I/O 扫描方，若有键按下或有I/O变化，则转入相应的子程序，若无则继续扫描等待。

PLC则是采用循环扫描的工作方式。

对每个程序，CPU从第一条指令开始执行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，则从第一条指令开始逐条执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，如此周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。

扫描周期的长短主要取决于以下几个因素：一是CPU执行指令的速度；二是执行每条指令占用的时间；三是程序中指令条数的多少。

一个扫描周期主要可分为3个阶段。

1．输入刷新阶段
在输入刷新阶段，CPU扫描全部输入端口，读取其状态并写入输入状态寄存器。

完成输入端刷新工作后，将关闭输入端口，转入程序执行阶段。

在程序执行期间即
使输入端状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会改变，而这些变化必须等到下一工作周期的输入刷新阶段才能被读入。

2．程序执行阶段
在程序执行阶段，根据用户输入的控制程序，从第一条开始逐步执行，并将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。

当最后一条控制程序执行完毕后，即转入输入刷新阶段。

3．输出刷新阶段
当所有指令执行完毕后，将输出状态寄存器中的内容，依次送到输出锁存电路（输出映像寄存器），并通过一定输出方式输出，驱动外部相应执行元件工作，这才形成PLC的实际输出。

由此可见，输入刷新、程序执行和输出刷新三个阶段构成PLC一个工作周期，由此循环往复，因此称为循环扫描工作方式。

由于输入刷新阶段是紧接输出刷新阶段后马上进行的，所以亦将这两个阶段统称为I/O刷新阶段。

实际上，除了执行程序和I/O刷新外，PLC还要进行各种错误检测（自诊断功能）并与编程工具通讯，这些操作统称为“监视服务”，一般在程序执行之后进行。

3. 4 PLC选型
查找了有关资料，决定采用三菱可编序控制器（FX2N系列），它有前面所述的优点而且价格便宜，指令较为熟悉。

一.PLC的选型一般从一下几个方面加以考虑：
I/O点数是PLC的一项重要指标。

合理选择I/O点数即可使系统满足控制要求，又可使系统总投资最少。

PLC的输出/输入总点数和种类应根据被控对象所需控制的模拟量、开关量、输入/输出设备情况（包括模拟量、开关量、输出类型）来确定，一般一个输入/输出元件要占用一个输入/输出点。

(1)I/O点数的估算
I/O点数是PLC的一项重要指标。

本方案总点数一共有13点，根据估计的总点数上再加上20%～30%的备用量的原则。

要选择总点数超过17点的PLC机型。

(2)用户存储器容量的估算
根据经验，每个I/O点及有关功能元件占用的内存量大致如下：开关量输入元件：10～20B/点；开关量输出元件： 5～10B/点；定时器/计数器：2B/个；模拟量：100～150B/点；通信接口；一个接口一般需要300B以上。

本方案根据上面算出总字节数共1040B，再考虑增加25%左右的备用量，总共大约1300B，所以要选择内存容量大于1300B的PLC机型。

(3)CPU功能与结构的选择
选型时要从一下几个方面来考虑：
1．功能与任务相适应
2．PLC的处理速度应满足实时控制的要求
3．PLC结构合理、机型统一
4．在线编程和离线编程的选择
根据以上几点要求，结合本设计的具体情况：系统控制要求较高，需要PID调节等等功能，PLC的处理速度要求较高，而且要离线编程，来进行选择PLC的硬件。

二. 开关量I/O模块的选择：
(1)开关量输入模块的选择
选择开关量输入模块时主要考虑以下几点：
1．
根据实际需情况，本方案选择的是PLC内部提供24V电源，用做集电极开路传感器的电源。

(2)开关量输出模块的选择
1．输出方式的选择
输出方式共有三种：晶闸管输出、晶体管输出、继电器输出。

本方案根据以上三种各自输出的特点，结合所需实际选择继电器输出的方式。

2．输出电流选择
模块的输出电流必须大于负载电流的额定值，且选用输出模块还应注意同时接通点数的电流累计值必须小于公共端所允许通过的电流值。

三. 模拟量I/O模块的选择：
(一)模拟量输入模块选择
1）模拟量值的输入范围。

模拟量的输入可以是电压信号或电流信号。

2）模拟量输入分辨率、精度、转换时间等参数指标应符合具体的系统要求。

3）在应用中要注意抗干扰措施
根据设计要求，再根据如果变送器离模拟量输入模块较远时，系统设计尽量选用0～20mA或4～20mA型的原则。

(二)模拟量输出模块的选择
模拟量输出模块的输出类型有电压输出和电流输出两种，输出范围有0～10V、-10V～10V、0～20mA、4～20mA等。

另外模拟量输出模块还有不同的输出功率，在使用时要根据情况来选择。

模拟量输出模块的输出精度、分辨率、抗干扰措施等都与模拟量输入模块情况类似。

3．5 PLC的安装
PLC正确接线：
1.电源连接
PLC通常采用单相交流电源。

接线时，要分清楚接线端子上“N”端（零线）和“接地”端。

PLC的供电线路要与其它大功率用电设备或会产生强干扰的设备分开。

采用隔离变压器好似一项有益的措施，它可以减少外界设备对PLC的影响。

PLC 的交流电源线应单独从机顶进入控制柜中，不能与其它直流信号线、模拟信号线捆在一起走线，以减少对其它控制电路的干扰。

2. 接地线
良好的接地是保证可编程控制器可靠工作的重要条件，可以避免偶然发生的电压冲击危害。

为了有效的减少干扰，应给PLC接专用的地线，接地点应于其它设备的接地点分开。

若做不到这一点也必须做到PLC与其它设备公共接地，禁止与其它设备串联接地，更不能通过水管、避雷线接地。

PLC的基本单元必须接地。

如果使用扩展单元，其接地点应于基本单元的接地点接在一起。

3. RUN端子的接线
PLC都RUN端。

在RUN端和COM端之间介入一个按钮或开关，可以控制PLC 进入运行状态，执行控制程序。

如果按钮或开关断开，则PLC停止运行。

4．紧急停止线路
在PLC控制系统中，应设置紧急停止线路，提供最高的安全性。

紧急停止应不受PLC控制。

5．减少PLC输入点的方法
控制系统有手动和自动的工作方式，因两种工作方式决不可能同时进行，因此，可以把手动信号和自动信号叠加起来，按不同控制状态分成两组输入PLC。

3．6可编程控制器使用中应注意的问题
一. PLC控制系统的抗干扰措施:
PLC是专为工业环境设计的装置，一般不需要采用什么特殊措施就可以直接用于工作环境，但为了保证PLC的正常安全运行，提高PLC控制系统工作的稳定性和可靠性，一般仍然需要采取抗干扰措施。