山东科技大学课程设计
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山东科技大学学生课程设计
速范围内的任意带速。 ③平稳的重载起动 皮带机在运煤过程中任意一刻都可能立即停车再重新起动，必须考虑“重载起 动”能力。由于变频器采用无速度传感器矢量控制方式，低频运转可输出 1.5-2 倍额定转矩，因此最适于“重载起动” 。 ④功率平衡 煤矿井下皮带机系统多为双滚筒驱动或多滚筒驱动， 为了保证系统内的同步性 能， 首先， 要求位于机头的各滚筒应同步启停， 在某一电机故障时能使系统停机， 同时为了保证系统的运输能力，应尽量保证各滚筒之间的功率平衡。通过调整相 应两变频器的速度给定来调整两电机之间的速度差， 便可以任意增大或减小两驱 动电机的电流差值的大小，因此可以通过单独的控制系统控制各电机的电流值， 通过调整各电机的速度来使各电机电流值逐步趋于平衡， 这便形成了一个动态的 功率平衡系统。 ⑤ 自动调速、节电效果明显 对应于煤矿的特殊生产条件，有时，煤的产量是极不均匀的，当然皮带机系统 的运煤量也是不均匀的，在负载轻或无负载时，皮带机系统的高速运行对机械传 动系统的磨损浪费较为严重，同时电能消耗也较低速运行大的多，但因生产的需 要皮带机系统又不能随时停车，采用单独的控制系统对前级运输系统的载荷、本 机运输系统的载荷进行分别丈量，这样可控制变频器降速或提前升速。对于载荷 不均的皮带机系统，可大大节约电能。 ⑥ 降低胶带张力 由于采用隔爆变频器所产生的良好起动特性，至少可降低起动张力 30%，如在 初期设计选择胶带强度时可降低一个标号。在实际应用过程中，由于降低了起动 冲击，皮带机机械系统的设备损耗也随之降低，尤其托辊及滚筒的寿命成几倍的 延长。 ⑦ 具有工频转换功能 为了不影响生产，万一有故障，可以转换到工频旁路工作，检验时间维护变频 器。在生产需要长期全速运行时，变频器起动后也可选择切换到工频运行，这样 可延长变频器内电解电容寿命。
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第一章
1.1 皮带机现状
随着国民经济的快速发展，煤矿、冶金、钢铁、化工、制药、仓储、电厂等方 面对于皮带输送机有了许多高新的要求。皮带输送机俗称带式运输机，是一种连 续性的带式运输机械，也是一种通用的机械，它既可以运送散状物料，也可以运 输件式成品物料。工作过程中噪音较小、结构简单，皮带输送机可用于水平或倾 斜运输。 皮带输送机还用于装船机、 卸船机、 堆取料机等连续运输移动的机械上。 以前的皮带输送机的电气控制部分为继电器和接触器控制，采用手工的操作方 式，存在劳动强度大、能耗高、维护量大、可靠性能差等缺点。随着工业大发展 继电器控制系统无法达到相应的要求，且使用元件过多，因此根据不同行业不同 用户的要求，采用 PLC 控制皮带输送机是十分必要的。
指导教师签字： 系主任签字：
指导教师对课程设计的评语
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指导教师签字：
年 月 日
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摘要
在各种规模的煤炭生产中， 皮带输送机以其大输送力、低投入高性价比的优 势，成为煤矿井上、井下主要的运输工具。皮带运输系统是否安全可靠，关系着 煤矿生产的高产高效。然而，皮带运输经常出现打滑、跑偏、撕裂等故障，传统 的运输控制方式————继电器控制，存在的可靠性差、劳动强度大及生产效率 低等问题，同时，皮带机对电机的起动、制动、换向以及调速控制要求也很高。 因此，本设计控制系统选用的是西门子 S7-200 系列 PLC 控制器进行控制电路的 控制，而在硬件电路设计中，完成 PLC 选型、外部低压电器的选用以及使用西门 子系列变频器 MM420 对电动机进行调速控制。 本设计中电动机运行时有工频与变 频两种方式。在报告书中，详细设计了硬件接线图，提出了接线要求，使之具有 控制和保护的功能；在软件设计中，给出了程序流程图，编程语言采用了梯形图 逻辑的方式，将硬件和软件有机的结合在一起，使控制系统运行可靠，达到了预 期的设计目的。 关键词：皮带机 PLC 变频器 故障保护
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
图 1.3.1 变频驱动时的三相异步电动机启动时的特征曲线
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第二章 总体方案的确定
2.1 方案比较
就目前的现状有以下几种控制方式满足系统的要求：继电器控制系统、单片 机控制、工业控制计算机控制、可编程序控制器控制。 (1) 继电器控制系统 控制功能是用硬件继电器实现的。 继电器串接在控制电路中根据主电路中的电 压、电流、转速、时间及温度等参量变化而动作，以实现电力拖动装置的自动控 制及保护，系统复杂，在控制过程中，如果某个继电器损坏，都会影响整个系统 的正常运行，查找和排除故障往往非常困难，虽然继电器本身价格不太贵，但是 控制柜的安装接线工作量大，因此整个控制柜价格非常高，灵活性差，响应速度 慢。 （2）单片机控制 单片机作为一个越大规模的集成电路、机构上包括 CPU、存储器、定时器和多 种输入/输出接口电路。其低功耗、低电压和很强的控制功能，成为功控领域、 尖端武器、日常生活中最广泛的计算机之一。但是，单片机是一片集成电路，不 能直接将它与外部 I/O 接口电器上、 硬件设计、 制作和程序设计的工作量相当大。 （3）工业控制计算机控制 工控机采用总线结构，各厂家产品兼容性强，有实时操作系统的支持，在要求 快速、实用性强、功能复杂的领域中占优势。但工控机价格较高，将它用于开关 量控制有些大材小用。 且其外部 I/O 接线一般都用于多芯扁平电缆和插头、 插座， 直接从印刷 电路板上引出，不如接线端子可靠。 （4）PLC 控制 可编程序控制器配备各种硬件装置供用户选择， 用户不用自已设计和制作硬件 装置， 只须确定可编程序控制器硬件配制和设计外部接线图，同时采用梯形图语 言编程， 用软件取代继电器电器系统中的触点和热线，通过修改程序适应工艺条 件的变化。 可骗程控制（PLC）从上个世纪 70 年代发展起来的一种新型工业控制系统，起 初它主要是针对开关量进行逻辑控制的一种装置，可以取代中间继电器、时间继 电器等构成开关量控制系统。随着 30 多年来微电子技术的不断发展，PLC 也通 过不断的升级换代大大增强了其功能。 现在 PLC 已经发展成为不但具有逻辑控制 功能、还具有过程控制功能、运动控制功能和数据处理功能、连网通讯功能等多 种性能， 是名符其实的多功能控制器。 由 PLC 为主构成的控制系统具有可靠性高、 控制功能强大、性价比高等优点，是目前工业自动的首选控制装置。
二、课程设计主要参考资料： （1） 徐文尚.电气控制技术与 PLC.机械工业出版社.2011 （2） 冯世刚.煤矿皮带运输集控系统的设计 （3） 廖常初.PLC 编程及应用. 北京：机械工业出版社，2003.
三、课程设计应解决主要问题： （1） 皮带机的平稳启动与停车 （2） 皮带机可进行正反转 （3） 皮带机可进行在额定转速之间的调速运行
四、课程设计相关附件（如：图纸、软件等） ： （1） 接线图两张（主电路图一张，控制电路一张） （2） 皮带机正反转源程序； 皮带机正转源程序； 去除 PID 的正转源 程序导出仿真文件 五、任务发出日期： 2014 年 06 月 16 日 课程设计完成日期： 2014 年 06 月 29 日
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山东科技大学学生课程设计
引言
1.2 采用可编程控制器（PLC）控制的优势
采用可编程控制器（PLC）控制的优势有如下几条： ①可靠性能高，皮带机的综合保护装置以 PLC 控制器为核心，系统具有高可 靠性和强抗干扰等特点，对环境要求不高，适用于较为恶劣的工作场所。 ②配置灵活，PLC 在组态系统时具有极大的灵活性，极强的处理能力，以及 极大的输入输出 I/O 扩容量，当现场发生变化时，只需改变程序即可，因此能够 方便灵活地进行系统配置，组成不同规模、不同功能的控制系统，即可控制一台 单机，也可控制一条生产线，即可现场控制，也可远程集中控制。 ③设备扩展性强，PLC 具有很强的组网能力和扩展能力，今后可以很方便的 添加新设备， 如果与计算机 PC 控制相结合， 则功能就更高了， 它既可一通过 MPI 又可以通过 BUS 总线与其它 PC 系统相连，从而避免了以前上套设备需要更换一 套控制设备的弊端，因此节省了大量的人力和财力。 ④维护方便，模块连接采用插拔式接线端子排，更换和维护都相当的方便快 捷。
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山东科技大学课程设计说明书
设计题目: PLC 皮带机变频调速设计 专 业: 自动化 班 级： 11-01
设计人:
山 东 科 技 大 学
2014 年 06 月 16 日
课程设计任务书
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山东科技大学学生课程设计
学院 电气与自动化工程学院 班级 姓名 专业 自动化
一、课程设计题目 基于西门子 S7-200 系列 PLC 设计的可变频调速 的双滚筒皮带机系统
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山东科技大学学生课程设计
目录
第一章 引言 …………………………………………………………………………6 1.1 皮带机现状……………………………………………………………… 6 1.2 采用可编程控制器（PLC）控制的优势…………………………………6 1.3 变频器在皮带机拖动上的应用特点…………………………………… 6 第二章 控制器选择方案确定 ………………………………………………………8 2.1 方案比较………………………………………………………………8 2.2 方案确定………………………………………………………………9 第三章 硬件设计 …… …… …… ………… … ……… …… …… … ……… … 9 3.1 系统功能设计分析 ……………………………………………………9 3.2 可编程控制 （PLC）……………………………………………………… 10 3.2.1 PLC 的简介……………………………………………………… 10 3.2.3 PLC 的工作原理………………………………………………… 10 3.2.3 PID 算法………………………………………………………… 11 3.2.4 PLC 的选型 ………………………………………………………12 3.3 变频器的选择与参数设置………………………………………………14 3.3.1 变频器的选择 …………………………………………………14 3.3.2 变频调速原理 ………………………………………………14 3.3.3 变频器工作原理………………………………………………15 3.3.4 变频器的快速设置………………………………………………15 3.4 传感器的选型与布置 …………………………………………………18 3.5 PLC 外围硬件电路的设计与硬件电路图……………………………… 19 3.5.1 PLC 的 I/O 点分配……………………………………………… 19 3.5.2 PLC 外部接线……………………………………………………20 3.5.3 实验总电路图……………………………………………………21 第四章 软件设计……………………………………………………………………23 4.1 STEP 7 编程软件简介 ………………………………………………23 4.2 PLC 程序编写 …………………………………………………………23 4.2.1 PLC 程序结构图……………………………………………………23 4.2.2 主程序流程图及内容…………………………………………… 24 4.2.2.1 主程序流程图…………………………………… 24 4.2.2.2 主程序…………………………………………… 25 4.2.3 子程序部分………………………………………………………30 4.2.4 中断程序部分……………………………………………………31 4.3 软件仿真…………………………………………………………………32 4.4 PID 参数整定……………………………………………………………40 第五章 总结…………………………………………………………………………42 致谢 …………………………………………………………………………………43 参考文献 ……………………………………………………………………………44
1.3 变频器在皮带机拖动上的应用特点
①优越的软起动、软停止特性。
隔爆变频器的起动、停止时间是任意可调（0-10min）的，也就是说起动时的 加速度和停车时的减速度任意可调，同时为了平稳起动，还可匹配其具备的 S 型 加减速时间，这样可将皮带机起停时产生的冲击减少至最小，这是其它驱动设备 难以达到的。如图 1.3.1 。 ②验带功能 煤矿的生产运输系统多以皮带机为主， 运输系统检验维护的主要工作是皮带机 的检验维护，低速验带功能是皮带机检验的主要要求，变频调整系统为无极调速 的交流传动系统，在空载验带状态下，变频器可调整电机工作在 5%-100%额定带
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速范围内的任意带速。 ③平稳的重载起动 皮带机在运煤过程中任意一刻都可能立即停车再重新起动，必须考虑“重载起 动”能力。由于变频器采用无速度传感器矢量控制方式，低频运转可输出 1.5-2 倍额定转矩，因此最适于“重载起动” 。 ④功率平衡 煤矿井下皮带机系统多为双滚筒驱动或多滚筒驱动， 为了保证系统内的同步性 能， 首先， 要求位于机头的各滚筒应同步启停， 在某一电机故障时能使系统停机， 同时为了保证系统的运输能力，应尽量保证各滚筒之间的功率平衡。通过调整相 应两变频器的速度给定来调整两电机之间的速度差， 便可以任意增大或减小两驱 动电机的电流差值的大小，因此可以通过单独的控制系统控制各电机的电流值， 通过调整各电机的速度来使各电机电流值逐步趋于平衡， 这便形成了一个动态的 功率平衡系统。 ⑤ 自动调速、节电效果明显 对应于煤矿的特殊生产条件，有时，煤的产量是极不均匀的，当然皮带机系统 的运煤量也是不均匀的，在负载轻或无负载时，皮带机系统的高速运行对机械传 动系统的磨损浪费较为严重，同时电能消耗也较低速运行大的多，但因生产的需 要皮带机系统又不能随时停车，采用单独的控制系统对前级运输系统的载荷、本 机运输系统的载荷进行分别丈量，这样可控制变频器降速或提前升速。对于载荷 不均的皮带机系统，可大大节约电能。 ⑥ 降低胶带张力 由于采用隔爆变频器所产生的良好起动特性，至少可降低起动张力 30%，如在 初期设计选择胶带强度时可降低一个标号。在实际应用过程中，由于降低了起动 冲击，皮带机机械系统的设备损耗也随之降低，尤其托辊及滚筒的寿命成几倍的 延长。 ⑦ 具有工频转换功能 为了不影响生产，万一有故障，可以转换到工频旁路工作，检验时间维护变频 器。在生产需要长期全速运行时，变频器起动后也可选择切换到工频运行，这样 可延长变频器内电解电容寿命。
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第一章
1.1 皮带机现状
随着国民经济的快速发展，煤矿、冶金、钢铁、化工、制药、仓储、电厂等方 面对于皮带输送机有了许多高新的要求。皮带输送机俗称带式运输机，是一种连 续性的带式运输机械，也是一种通用的机械，它既可以运送散状物料，也可以运 输件式成品物料。工作过程中噪音较小、结构简单，皮带输送机可用于水平或倾 斜运输。 皮带输送机还用于装船机、 卸船机、 堆取料机等连续运输移动的机械上。 以前的皮带输送机的电气控制部分为继电器和接触器控制，采用手工的操作方 式，存在劳动强度大、能耗高、维护量大、可靠性能差等缺点。随着工业大发展 继电器控制系统无法达到相应的要求，且使用元件过多，因此根据不同行业不同 用户的要求，采用 PLC 控制皮带输送机是十分必要的。
指导教师签字： 系主任签字：
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摘要
在各种规模的煤炭生产中， 皮带输送机以其大输送力、低投入高性价比的优 势，成为煤矿井上、井下主要的运输工具。皮带运输系统是否安全可靠，关系着 煤矿生产的高产高效。然而，皮带运输经常出现打滑、跑偏、撕裂等故障，传统 的运输控制方式————继电器控制，存在的可靠性差、劳动强度大及生产效率 低等问题，同时，皮带机对电机的起动、制动、换向以及调速控制要求也很高。 因此，本设计控制系统选用的是西门子 S7-200 系列 PLC 控制器进行控制电路的 控制，而在硬件电路设计中，完成 PLC 选型、外部低压电器的选用以及使用西门 子系列变频器 MM420 对电动机进行调速控制。 本设计中电动机运行时有工频与变 频两种方式。在报告书中，详细设计了硬件接线图，提出了接线要求，使之具有 控制和保护的功能；在软件设计中，给出了程序流程图，编程语言采用了梯形图 逻辑的方式，将硬件和软件有机的结合在一起，使控制系统运行可靠，达到了预 期的设计目的。 关键词：皮带机 PLC 变频器 故障保护
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
图 1.3.1 变频驱动时的三相异步电动机启动时的特征曲线
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第二章 总体方案的确定
2.1 方案比较
就目前的现状有以下几种控制方式满足系统的要求：继电器控制系统、单片 机控制、工业控制计算机控制、可编程序控制器控制。 (1) 继电器控制系统 控制功能是用硬件继电器实现的。 继电器串接在控制电路中根据主电路中的电 压、电流、转速、时间及温度等参量变化而动作，以实现电力拖动装置的自动控 制及保护，系统复杂，在控制过程中，如果某个继电器损坏，都会影响整个系统 的正常运行，查找和排除故障往往非常困难，虽然继电器本身价格不太贵，但是 控制柜的安装接线工作量大，因此整个控制柜价格非常高，灵活性差，响应速度 慢。 （2）单片机控制 单片机作为一个越大规模的集成电路、机构上包括 CPU、存储器、定时器和多 种输入/输出接口电路。其低功耗、低电压和很强的控制功能，成为功控领域、 尖端武器、日常生活中最广泛的计算机之一。但是，单片机是一片集成电路，不 能直接将它与外部 I/O 接口电器上、 硬件设计、 制作和程序设计的工作量相当大。 （3）工业控制计算机控制 工控机采用总线结构，各厂家产品兼容性强，有实时操作系统的支持，在要求 快速、实用性强、功能复杂的领域中占优势。但工控机价格较高，将它用于开关 量控制有些大材小用。 且其外部 I/O 接线一般都用于多芯扁平电缆和插头、 插座， 直接从印刷 电路板上引出，不如接线端子可靠。 （4）PLC 控制 可编程序控制器配备各种硬件装置供用户选择， 用户不用自已设计和制作硬件 装置， 只须确定可编程序控制器硬件配制和设计外部接线图，同时采用梯形图语 言编程， 用软件取代继电器电器系统中的触点和热线，通过修改程序适应工艺条 件的变化。 可骗程控制（PLC）从上个世纪 70 年代发展起来的一种新型工业控制系统，起 初它主要是针对开关量进行逻辑控制的一种装置，可以取代中间继电器、时间继 电器等构成开关量控制系统。随着 30 多年来微电子技术的不断发展，PLC 也通 过不断的升级换代大大增强了其功能。 现在 PLC 已经发展成为不但具有逻辑控制 功能、还具有过程控制功能、运动控制功能和数据处理功能、连网通讯功能等多 种性能， 是名符其实的多功能控制器。 由 PLC 为主构成的控制系统具有可靠性高、 控制功能强大、性价比高等优点，是目前工业自动的首选控制装置。
二、课程设计主要参考资料： （1） 徐文尚.电气控制技术与 PLC.机械工业出版社.2011 （2） 冯世刚.煤矿皮带运输集控系统的设计 （3） 廖常初.PLC 编程及应用. 北京：机械工业出版社，2003.
三、课程设计应解决主要问题： （1） 皮带机的平稳启动与停车 （2） 皮带机可进行正反转 （3） 皮带机可进行在额定转速之间的调速运行
四、课程设计相关附件（如：图纸、软件等） ： （1） 接线图两张（主电路图一张，控制电路一张） （2） 皮带机正反转源程序； 皮带机正转源程序； 去除 PID 的正转源 程序导出仿真文件 五、任务发出日期： 2014 年 06 月 16 日 课程设计完成日期： 2014 年 06 月 29 日
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1.2 采用可编程控制器（PLC）控制的优势
采用可编程控制器（PLC）控制的优势有如下几条： ①可靠性能高，皮带机的综合保护装置以 PLC 控制器为核心，系统具有高可 靠性和强抗干扰等特点，对环境要求不高，适用于较为恶劣的工作场所。 ②配置灵活，PLC 在组态系统时具有极大的灵活性，极强的处理能力，以及 极大的输入输出 I/O 扩容量，当现场发生变化时，只需改变程序即可，因此能够 方便灵活地进行系统配置，组成不同规模、不同功能的控制系统，即可控制一台 单机，也可控制一条生产线，即可现场控制，也可远程集中控制。 ③设备扩展性强，PLC 具有很强的组网能力和扩展能力，今后可以很方便的 添加新设备， 如果与计算机 PC 控制相结合， 则功能就更高了， 它既可一通过 MPI 又可以通过 BUS 总线与其它 PC 系统相连，从而避免了以前上套设备需要更换一 套控制设备的弊端，因此节省了大量的人力和财力。 ④维护方便，模块连接采用插拔式接线端子排，更换和维护都相当的方便快 捷。
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设计题目: PLC 皮带机变频调速设计 专 业: 自动化 班 级： 11-01
设计人:
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一、课程设计题目 基于西门子 S7-200 系列 PLC 设计的可变频调速 的双滚筒皮带机系统
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第一章 引言 …………………………………………………………………………6 1.1 皮带机现状……………………………………………………………… 6 1.2 采用可编程控制器（PLC）控制的优势…………………………………6 1.3 变频器在皮带机拖动上的应用特点…………………………………… 6 第二章 控制器选择方案确定 ………………………………………………………8 2.1 方案比较………………………………………………………………8 2.2 方案确定………………………………………………………………9 第三章 硬件设计 …… …… …… ………… … ……… …… …… … ……… … 9 3.1 系统功能设计分析 ……………………………………………………9 3.2 可编程控制 （PLC）……………………………………………………… 10 3.2.1 PLC 的简介……………………………………………………… 10 3.2.3 PLC 的工作原理………………………………………………… 10 3.2.3 PID 算法………………………………………………………… 11 3.2.4 PLC 的选型 ………………………………………………………12 3.3 变频器的选择与参数设置………………………………………………14 3.3.1 变频器的选择 …………………………………………………14 3.3.2 变频调速原理 ………………………………………………14 3.3.3 变频器工作原理………………………………………………15 3.3.4 变频器的快速设置………………………………………………15 3.4 传感器的选型与布置 …………………………………………………18 3.5 PLC 外围硬件电路的设计与硬件电路图……………………………… 19 3.5.1 PLC 的 I/O 点分配……………………………………………… 19 3.5.2 PLC 外部接线……………………………………………………20 3.5.3 实验总电路图……………………………………………………21 第四章 软件设计……………………………………………………………………23 4.1 STEP 7 编程软件简介 ………………………………………………23 4.2 PLC 程序编写 …………………………………………………………23 4.2.1 PLC 程序结构图……………………………………………………23 4.2.2 主程序流程图及内容…………………………………………… 24 4.2.2.1 主程序流程图…………………………………… 24 4.2.2.2 主程序…………………………………………… 25 4.2.3 子程序部分………………………………………………………30 4.2.4 中断程序部分……………………………………………………31 4.3 软件仿真…………………………………………………………………32 4.4 PID 参数整定……………………………………………………………40 第五章 总结…………………………………………………………………………42 致谢 …………………………………………………………………………………43 参考文献 ……………………………………………………………………………44
1.3 变频器在皮带机拖动上的应用特点
①优越的软起动、软停止特性。
隔爆变频器的起动、停止时间是任意可调（0-10min）的，也就是说起动时的 加速度和停车时的减速度任意可调，同时为了平稳起动，还可匹配其具备的 S 型 加减速时间，这样可将皮带机起停时产生的冲击减少至最小，这是其它驱动设备 难以达到的。如图 1.3.1 。 ②验带功能 煤矿的生产运输系统多以皮带机为主， 运输系统检验维护的主要工作是皮带机 的检验维护，低速验带功能是皮带机检验的主要要求，变频调整系统为无极调速 的交流传动系统，在空载验带状态下，变频器可调整电机工作在 5%-100%额定带