皮带输送机控制器设计(可变速)

学号：

课程设计

题目皮带输送机控制器设计（可变速）

学院物流工程学院

专业物流工程

班级

姓名

同组者

指导教师

2015 年 1 月20 日

课程设计任务书

学生姓名：专业班级：

指导教师：工作单位：物流工程学院

题目: 皮带输送机控制器设计（可变速）

初始条件：

1)PLC型号：西门子公司S7系列，S7-300

2)编程环境：SIMATIC Manager /Step7 V5.4或更高版本

3)PLC的相关资料指导书

要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）

1)基于西门子公司S7-300和SIMATIC Manager /Step7 V5.4或更高版本的编程环境实现皮带输送机控制器设计（可变速）。

2)根据控制要求分配PLC I/O地址，画出PLC与控制对象的接线图，设计控制流程，按照模块化的方式设计程序，既可以采用LAD编程，也可以采用STL 编程，还可以采用组合方式编程。

3)编写的程序需要输入PLC，调试通过。

时间安排：十九周到二十周设计，二十周答辩

指导教师签名：年月日

系主任（或责任教师）签名：年月日

本科生课程设计成绩评定表姓名性别专业、班级

课程设计题目：皮带输送机控制器设计（可变速）

课程设计答辩或质疑记录：

成绩评定依据：

1. 选题合理、目的明确10分

2. 设计方案正确，具有可行性，创新性20分

3. 设计结果20分

4. 态度认真、学习刻苦、遵守纪律15分

5. 设计报告的规范化、参考文献充分（不少于5篇）10分

6. 答辩25分最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）

指导教师签字：

年月日

摘要

PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则。

针对中小型皮带运输机的控制系统采用继电器控制，存在可靠性差、劳动强度大、生产效率低的问题，开发一种基于PLC的皮带运输机控制装置。本控制系统选用S7-300PLC 和MM44O变频器作为控制器。在硬件电路设计中，完成PLC选型及外部电路的选用，设计了硬件接线图，提出了接线要求，使之具有速度可调功能。在软件设计中，给出了程序流程图，并设计出梯形图程序。将硬件和软件有机结合，使控制系统运行可靠，达到了预期的设计目的。

关键词：PLC控制技术；皮带输送机；变频调速

目录

1 前言 (1)

1.1设计的目的和意义 (1)

1.2皮带运输机的现状 (1)

1.3交流调速的发展概况 (2)

1.4方案的确定 (2)

2皮带运输机的PLC控制系统的组成 (3)

2.1基本原理 (3)

2.2概述 (3)

2.3三相异步电动机的选择 (3)

2.4变频器的选择 (5)

2.4.1工作原理和组成 (5)

2.4.2变频器容量的选用 (7)

2.5 PLC控制器 (9)

3 皮带运输机的PLC控制系统软件设计 (11)

3.1 控制系统软件的功能 (11)

3.2 控制系统的主要指标 (11)

3.3 PLC程序设计 (11)

3.3.1 I/O分配表 (11)

3.3.2 PLC与MM440接线图 (12)

3.3.3 梯形图 (12)

3.3.4软件仿真 (15)

4课程设计总结 (19)

参考文献 (20)

1 前言

1.1设计的目的和意义

冶金、煤矿、化工、机械、钢铁、建材、食品等工业生产中，需要广泛使用皮带运输机，它为企业的生产承担了绝大多数散料运输任务。

可编程控制器(PLC)是以微处理器技术为基础，综合计算机技术和自动化技术发展起来的一种新型工业控制器，广泛应用于工业生产的各个领域。由于PLC 采用的控制系统或设备具有可靠性高,控制易于实现，系统设计灵括，能在实验室进行现场模拟调试，编程简单，安装方便，较好的抗干扰能力,被誉为当代工业生产自动化的支柱之一，正在得到越来越广泛的应用。

利用PLC可以使皮带运输机的传动系统逐渐实现了全自动控制状态，并且使皮带运输机具有完善的控制特性及简易的操作、基本免维护的工作量，达到一种经济、安全、可靠且运行效率高的状况, 其独特的易于使用性、可靠性和灵活性越来越受到广大工程技术人员的青睐。对于港口、厂区广泛使用的皮带运输机，应用PLC控制，可以使皮带机生产线的控制更加灵活、可靠。通过PLC进行控制提高了企业生产的效率，为工业生产的进行节省了大量的人力、物力、财力。

1.2皮带运输机的现状

电气传动技术以运动机械的驱动装置---电动机为控制对象，以微电子装置为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下完成电气传动自动控制系统，控制电动机的转矩和转速，将电能转换成机械能，实现工作机械的旋转运动或反复运动。

因电机的种类的不同，我们可以将分为直流电动机传动和交流电动机传动。自19世纪80年代起至19世纪末，工业上传动用的电动机一直被直流电机垄断，到了19世纪末，出现了三相电源和结构简单且坚固耐用的交流鼠笼型电机以后，交流电机才在不调速的领域代替了直流电动机传动装置。

对生产过程的监视和控制，在初级阶段是由人工进行的。工作人员凭自己的感官或借助于仪表等来监视生产过程，用头脑做出判断决策，并视情况进行必要的控制。在高级阶段，这种监视、判断决策和控制由机器承担，按照人们的意志自动完成，这是闭环自动控制。

1.3交流调速的发展概况

交流变频调速的优越性早在20年代就已被人们所认识，但受到器件的限制，未能推广。50年代初，中小型感应电动机多采用晶闸管调压调速;大中型绕线式感应电动机采用晶闸管静止型电气串级调速系统。70年代发展起来的变频调速，比上述两种调速方式效率更高，性能更好。交流调速系统大致经历过三个阶段: （1）异步电动机调压调速系统；

（2）串级调速系统；

（3）变频调速系统。

80年代中期随着第三代电力半导体器件如:门极可关断晶闸管GTO、绝缘栅双极晶体管IGBT的相继出现，交流变频调速技术得到了飞速发展。日、美、德、英等在结合现代微处理器控制技术、电力电子技术、电机传动技术的基础上，推出了一系列的变频器，且不断进行更新换代.这些高精度、多功能、智能化的变频器将调速效率提高到了前所未有的水平。

1.4方案的确定

随着工业水平的发展，人们对皮带运输机自动控制程度要求越来越高，一般的自动控制方案有继电器控制、单片机控制、PLC控制等。但是用复杂的继电器控制的，存在可靠性差、可塑性差、接线复杂、自动化程度低等一系列缺点，并且为了在日益激烈的竞争中提高市场竞争力，采用PLC的改造势在必行；有的也采用单片机作为控制单元，但是单片机开发周期较长，抗干扰性差，可靠性低、灵活性差，选用PLC作为控制单元是较为合适的方案。本文提出了利用变频器和PLC控制单元的伺服系统构成控制系统的见解与方法，给出了控制系统软、硬件结构的设计方案。

我认为本系统采用PLC软件控制它具有以下优点：

(1) 抗干扰能力强、可靠性高；

(2) 模块化组合结构，使系统构成十分灵活；

(3) 编程语言简单易学，便于掌握能进行在线修改；

(4) 柔性好体积小，维护方便。

2皮带运输机的PLC控制系统的组成

2.1基本原理

采用矿用防爆本质安全型交流变频器进行启动和调速控制，在皮带机运行过程中，通过安装在传送带上的转速传感器测定皮带运输机的转速，再反馈到PLC，经过程序运行处理后，再提供指令通断信号给变频器，调节电机工作的电源电压和频率。当出现扰动时，转速传感器将信号传送到PLC，再进行程序运行对其进行调节，从而达到稳定运行。

2.2概述

从图2.1可看出，当利用变频器构成自动控制系统进行控制时，采用的是和PLC配合使用。变频器利用内部继电器接点或具有继电器接点开关特性的元器件(如晶体管)与PLC连接。PLC作为整个系统的“大脑”，负责接收外部信号(主令控制器、变频器、转速传感器、限位等)，经过程序运行处理后，再提供指令通断信号(正转、反转、档数等)给变频器和其它动作单元，由变频器控制电机的转向、速度(频率)。整个系统接线见图2.1。

图2.1系统结构示意图

2.3三相异步电动机的选择

为生产机械的电力拖动系统选用电动机，主要内容包括确定电动机的种类、电动机的型号、电动机的额定电压、额定转速和额定功率等。选择电动机的基本原则如下：

（1）电动机在工作过程中，其额定功率应得到充分利用。要求温升接近但不超过规定的允许数值。

（2）电动机应满足生产机械需要的有关机械特性的要求。保证一定负载下的转速稳定，有一定的转速范围及具有良好的启动和制动性能。

（3）电动机的结构型式应满足设计提出的安装要求和适应周围的工作环境。例如防止灰尘进入电动机内部，或者防止绕组绝缘受气体腐蚀等。

电力拖动系统应用电动机来拖动生产机械工作的，由于生产机械种类繁多，工艺要求不一，作为驱动电机的电动机分类也很多。按电流种类分，有直流电动机和交流电动机，交流电动机又有异步电动机和同步电动机两种。

为了合理选用电动机的种类，应同时考虑两个方面的问题：一是电动机的性能，例如机械特性、启动性能和调速性能等；二是要知道生产工艺的特点，要使所选电动机的性能满足生产机械的工艺要求，具体从以下几个方面考虑：（1）电动机的机械特性；

（2）电动机的启动性能；

（3）电动机的调速性能；

（4）电动机的电源；

（5）电动机的经济性；

最后着重强调的是综合的观点：一方面是以上的内容在选择电动机时必须都考虑到都能得到满足；另一方面能满足以上条件的电动机可能不是一种类型，还应综合其他情况，例如节能、货源、技术情况等。

综上所述，经过综合考虑本系统采用YBSS-220型电机，是隔爆型三相异步电动机。

2.4变频器的选择

2.4.1工作原理和组成

变频器是指可以用于改变电源频率，同时也能改变电源电压的电能转换的装置。它是由电力电子器件（例如整流模块、IGBT）、电子器件（集成电路、开关电源、电阻、电容器等）和微处理器等组成。变频器使用时串联接在输出端（R、S、T）和电动机输出端（U、V、W）之间，通常变频器的功率范围为0.75-500KW （大于此功率值建议选用中压电动机及中压变频器）。交流电动机调速控制变频器的最早形式是用旋转发电机组作为可变频率的电源，供给交流发电机。随着电力半导体器件的发展，静止式的变频电源以成为了变频器的主要形式。

图2.2变频器的内部框图

如图2.2所示为MM440变频器的内部功能方框图.其控制电路CPU、模拟输入/输出、数字输入/输出、操作面板等部分组成。分为4类：输入信号端子、频率模拟设定输入端子、监视信号输出端子和通信端子。

下图2.3则表示各个控制端子的功能：

图2.2 MM440控制端子

2.4.2变频器容量的选用

变频器容量的选用由很多因素决定，例如电动机的容量、电动机的额定电流、电动机加速时间等，其中，最主要的是电动机的额定电流。

驱动一台电动机时。对于连续运转的变频器必须同时满足下列三项计算公式，即

满足负载输出（kVA ）

cos P kP CM M η?≥

满足电动机容量（kVA ）

3103P kU I CM E E -≥

满足电动机电流（A ） I kI CM E ≥ 式中

CM P ——变频器容量，单位为kVA ；

M P ——负载要求的电动机轴输出功率，单位为kW ； E U ——电动机额定电压，单位为V ； E I ——电动机额定电流，单位为A ； η——电动机效率（通常为0.85）； ?cos ——电动机的功率因数（通常为0.75）； k ——电流波形补偿系数。

k 是电流波形补偿系数，由于变频器的输出波形并不是

完全的正弦波，而是含有高次谐波的成分，其中电流应有所增加。对于PWM 控制方式的变频器，k 约为1.05－1.1。本系统采用西门子MM440变频器。

2.5 PLC 控制器

1.PLC 概述

可编程程序控制器(Programable controller )因为早期主要应用于开关量的控制，因此也称为PLC(Programable Logic controller )即是可编程逻辑控制器。现代的可编程控制器是以微处理器为基础，高度集成的新型工业控制装置，是计算机技术与工业控制技术相结合的产品。

PLC 自问世以来，经过20年的发展，己经成为最受欢迎的工业控制类产品。它之所以高速发展，除了工业自动化的客观需求外，还有许多独特的优点。它较好的解决了工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。

2. 典型的PLC 控制功能有以下几点: （1）顺序控制； （2）过程控制； （3）数据处理；

（4）通信联网和显示打印。 3. PLC 的基本组成与各部分的作用

PLC 的类型繁多，功能和指令系统也不尽相同，但结构与工作原理则大同小异，通常由主机、输入/输出接口、电源、编程器扩展器接口和外部设备接口等几个主要部分组成。

PLC 的硬件系统结构如图2.3所示：

图2.3 硬件结构图 （1）.主机

主机部分包括中央处理器（CPU ）、系统程序存储器和用户程序及数据存储

输

入模块

CPU 模块

输出模块

可编程序控制器

编程装置

接触器电磁阀指示灯电源

电源 限位开关选择开关按钮

器。CPU是PLC的核心，它用以运行用户程序、监控输入/输出接口状态、作出逻辑判断和进行数据处理，即读取输入变量、完成用户指令规定的各种操作，将结果送到输出端，并响应外部设备（如编程器、电脑、打印机等）的请求以及进行各种内部判断等。PLC的内部存储器有两类，一类是系统程序存储器，主要存放系统管理和监控程序及对用户程序作编译处理的程序，系统程序已由厂家固定，用户不能更改；另一类是用户程序及数据存储器，主要存放用户编制的应用程序及各种暂存数据和中间结果。

（2）．输入/输出（I/O）接口

I/O接口是PLC与输入/输出设备连接的部件。输入接口接受输入设备（如按钮、传感器、触点、行程开关等）的控制信号。输出接口是将主机经处理后的结果通过功放电路去驱动输出设备（如接触器、电磁阀、指示灯等）。I/O接口一般采用光电耦合电路，以减少电磁干扰，从而提高了可靠性。I/O点数即输入/输出端子数是PLC的一项主要技术指标，通常小型机有几十个点，中型机有几百个点，大型机将超过千点。

（3）．电源

图中电源是指为CPU、存储器、I/O接口等内部电子电路工作所配置的直流开关稳压电源，通常也为输入设备提供直流电源。

（4）．编程器

编程器是PLC的一种主要的外部设备，用于手持编程，用户可用以输入、检查、修改、调试程序或监视PLC的工作情况。除手持编程器外，还可通过适配器和专用电缆线将PLC与电脑联接，并利用专用的工具软件进行电脑编程和监控。

（5）．输入/输出扩展单元

I/O扩展接口用于连接扩充外部输入/输出端子数的扩展单元与基本单元（即主机）。

（6）．外部设备接口

此接口可将编程器、打印机、条码扫描仪等外部设备与主机相联，以完成相应的操作。

3 皮带运输机的PLC控制系统软件设计

3.1 控制系统软件的功能

控制系统软件的功能和任务如下：

（1）实现对电机的起动、制动；

（2）能对传送带电机进行调速，控制皮带输送机在三段速间变换；

3.2 控制系统的主要指标

控制系统的主要指标如下：

（1）启动：初始阶段，按下SB1电机启动；

（2）停止：当需要停止的时候，再次按下SB1停止；

（3）正反转控制：按下SB2为正转SB为反转，同时按下会自锁；

（4）传送带速度选择：当按下SB3、SB4、SB5分别为选择低中高三种速度。

3.3 PLC程序设计

3.3.1 I/O分配表

编程元件I/O端

子

电路器

件

作用

输入继电器I0.0 SB1 总开关

I0.1 SB2 正转

I0.2 SB3 反转

I0.3 SB3 传送带低速I0.4 SB4 传送带中速I0.5 SB5 传送带高速

输出继电器Q0.0 KM1 传送带正转

Q0.1 KM2 传送带反转

Q0.2 KM3 传送带低速运行Q0.3 KM4 传送带中速运行Q0.4 KM5 传送带高速运行

3.3.2 PLC与MM440接线图

3.3.3 梯形图

3.3.4软件仿真

1.正转状态

2.反转状态