自动送料装车控制系统设计

自动送料装车控制系统设计

1．设计任务

（1）硬件设计自动送料装车系统控制电路

设计煤矿或沙场自动送料装车系统。完成工作流程图；主电路图；控制器接线图；元件选型；电机选择，有必要的设计计算。（给简易控制系统示意图。）

（2）软件设计自动送料装车系统控制程序

控制要求：能够控制启动/停止；装车完毕闪烁提示，汽车开走，进行下一轮的装载工作等。

（3）机械设计自动送料输送带机械结构。

2．要求

（1）绘制硬件接线框图；控制流程框图及其它原理图。

（2）撰写设计说明书，并附程序清单及其功能注释。

（3）调试控制程序。

二、进度安排及完成时间

1．设计时间三周（从2012年12月3日至2012年12月21 日）

2．进度安排

第1周：布置设计任务；补充相关知识；查阅资料；撰写绪论，确定系统组成方案。

第2周：输送带传动装置结构设计；绘制装配图、零件图。

控制系统硬件设计，选择电气元件，设计系统框图、外部电路接线图。

第3周：编写主程序、功能子程序并调试。并记录存在的问题和解决问题的方法；整理设计资料；按格式模版撰写设计说明书；上交设计作业（打印稿及电子文档）；并参加答辩。注：程序设计2人；硬件电路设计2人；机械结构设计2～3人。

目录

第1章绪论 (1)

1.1自动送料装车控制的发展 (1)

1.2自动送料装车控制系统设计的目的和意义 (1)

第2章确定课题设计方案 (3)

2.1 初定动力部分 (3)

2.2 初定传动部分 (3)

2.3 初定执行机构 (3)

2.4 控制器选型 (4)

2.5 系统总体工作流程 (5)

第3章机械结构设计 (6)

3.1系统设计的原始参数 (6)

3.2初选输送带 (6)

3.2带速和滚筒转速计算 (7)

3.3牵引力和电动机功率计算 (7)

3.4电机的选型和传动比的确定 (7)

3.4.1电机的选型 (7)

3.4.2传动比的确定 (7)

3.5传动装置的布置方式 (8)

3.6 传动滚筒的作用及类型 (8)

第4章硬件部分设计 (10)

4.1 主电路的设计 (10)

4.2 PLC机型的选择 (11)

4.4开关的选择 (11)

4.5熔断器的选择 (12)

4.6 接触器的选择（KM） (14)

4.7 传感器的选择 (14)

4.7.1称重传感器的选择 (14)

4.7.2霍尔传感器的选择 (14)

4.8 继电器的选择 (15)

4.9 行程开关的选择 (15)

4.10物位传感器的选择 (16)

4.10.1电容式物位传感器 (16)

4.10.2阻力式料位传感器 (17)

4.11 I/O地址表 (18)

第5章软件控制 (20)

5.1 PLC程序流程图设计 (20)

5.2 PLC程序框图 (21)

5.3 PLC程序 (23)

结论 (25)

参考文献 (26)

第1章绪论

1.1自动送料装车控制的发展

送料装车设备广泛地应用于建材、冶金、煤炭、电力、化工、轻工等工业生产部门。老式送料装车设备因为没有计量而存在多装、少装的问题。特别是在运输的过程中，不允许车辆超载，多装了，得卸掉，少装了，得进行二次装车，使得装车工作进行非常缓慢。

随着当今社会科学技术的发展，各类物料输送的生产线对自动化程度的要求越来越高，原有的生产送装料设备已经远远的不能满足当前高度自动化的需要。由于控制系统的不断发展和革新，使得生产线的运输控制也将得到不断的改善和生产效率的不断提高，送料装车的控制经历了以下几个阶段：

1.手动控制：在20世纪60年代末70年代初期，便有一些工业生产采用PLC 来实现送料装车的控制，但是限于当时的技术还不够成熟，只能采用手动的控制方式来控制机器设备，而且早期送料装车控制系统多为继电器和接触器所组成的复杂控制系统，这种系统存在设计周期长、体积大、成本高等缺陷，几乎无数据处理和通信功能，必须要有专人负责操作。

2.自动控制：在20世纪80年代，由于计算机的价格普遍下降，这时的大型工控企业将PLC充分的与计算机相结合，通过机器人技术，自动化设备终于实现了PLC在送料装车控制系统中自动控制方面的应用。

3.全自动控制：现阶段，由于PLC技术向高性能、高速度、大容量发展，大型PLC大多数采用多CPU结构，不断向高性能、高速度、大容量方向发展。将PLC运用到送料装车控制系统中，可实现送料装车的全自动控制，降低了系统的运行费用。PLC控制的送料装车自动控制系统具有连线简单、控制速度快、精度高、可靠性和可维护性好、维修和改造方便等优点。

1.2自动送料装车控制系统设计的目的和意义

送料装车控制系统的工作环境通常比较恶劣, 设备周围所处的环境一般粉尘比较大、空气湿度相对高且操作分散,所以对送料装车控制系统工作的安全性、可靠性、维护简便性要求比较高。在早期的送料装车控制中通常都采用继电器逻辑控制,继电器控制系统中大多数采用分立的继电器、接触器等电器元件作为控制元件,其控制系统复杂、操作难度大, 并且安装接线时工作量大、修改控制策略难、维护量大等问题，严重影响了正常的工业生产。PLC所控制的系统可以方便地通过改变用户程序，以实现各种控制功能，从根本上解决了电器控制系统控制电路难以改变的问题。同时，PLC控制的系统不仅能够实现逻辑运算，还具有数值运算及过程控制等复杂的控制功能。对于复杂的控制系统，使用PLC 后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，小型PLC的体积相当于几个继电器大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/2～1/10。PLC的配线比继电器控制系统的配线要少得多，从而可以节省下大量的配线和附件，减少了大量的安装接线工作时，可以减少大量费用。PLC不仅用于开关量控制，还可用于模拟量及数字量的控制，可采集与存储数据，还可对控制系统进行监控；还可联网、通讯，实现大范围、跨地域的控制与管理。PLC已日益成为工业控制装置家族中一个重要的角色。

第2章确定课题设计方案

总体方案包括：初定动力部分、初定传动机构、初定执行机构、初定控制系统。系统总的工作流程。

2.1 初定动力部分

输送机械设备要求动力部分具有启动扭矩大、有一定过载能力、能适应一定冲击载荷的影响、能够适应满载启动的要求，同时希望体积和重量不能太大，且能与工厂其他设备共用动力源（工厂大多设备用三相交流电作为动力源），所以动力部分初定为三相交流电机。

2.2 初定传动部分

带传动的优点有：

1.带传动可以缓和冲击和振动；

2.带传动中心距不受限制，只要陪以合适的紧链结构，理论可以很大；

3.可以通过打滑，提高设备的防过载能力；

4.传递效率较低，易出现皮带打滑造成皮带磨损剧烈；

5.传动比不明确。

齿轮传动的优点有：

1、承载能力高，尺寸紧凑；

2、传动效率高，一对润滑、加工良好；

3、传动精度高；

4、传递扭矩达；

5、使用寿命长；

自动送料装车系统对传动部分没有特殊的要求，为节约成本，获得一定减速比，传递较大扭矩，传动部分初定为带传动和齿轮减速机构的组合。

2.3 初定执行机构

首先是它运行可靠。在许多需要连续运行的重要的生产单位，如发电厂煤的输送，钢铁厂和水泥厂散状物料的输送，以及港口内船舶装卸等均采用带式输送

机。如在这些场合停机，其损失是巨大的。必要时，带式输送机可以一班接一班地连续工作。

带式输送机动力消耗低。由于物料与输送带几乎无相对移动，不仅使运行阻力小(约为刮板输送机的1/3-1/5)，而且对货载的磨损和破碎均小，生产率高。这些均有利于降低生产成本。

带式输送机的输送线路适应性强又灵活。线路长度根据需要而定.短则几米，长可达10km以上。可以安装在小型隧道内，也可以架设在地面交通混乱和危险地区的上空。

根据工艺流程的要求，带式输送机能非常灵活地从一点或多点受料.也可以向多点或几个区段卸料。当同时在几个点向输送带上加料(如选煤厂煤仓下的输送机)或沿带式输送机长度方向上的任一点通过均匀给料设备向输送带给料时，带式输送机就成为一条主要输送干线。

带式输送机可以在贮煤场料堆下面的巷道里取料，需要时，还能把各堆不同的物料进行混合。物料可简单地从输送机头部卸出，也可通过犁式卸料器或移动卸料车在输送带长度方向的任一点卸料。

带式输送机是煤矿最理想的高效连续运输设备，与其他运输设备（如机车类）相比，具有输送距离长、运量大、连续输送等优点，而且运行可靠，易于实现自动化和集中化控制，尤其对高产高效矿井，带式输送机已成为煤炭开采机电一体化技术与装备的关键设备。带式输送机主要特点是机身可以很方便的伸缩，设有储带仓，机尾可随采煤工作面的推进伸长或缩短，结构紧凑，可不设基础，直接在巷道底板上铺设，机架轻巧，拆装十分方便。当输送能力和运距较大时，可配中间驱动装置来满足要求。根据输送工艺的要求，可以单机输送，也可多机组合成水平或倾斜的运输系统来输送物料。

2.4 控制器选型

PLC是一种数字运算操作电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

PLC的特点：

（1）可靠性高，抗干扰能力强

（2）编程方法简单易学，使用方便

（3）功能完善，应用灵活

（4）环境要求低，适应性强，

（5）体积小，重量轻，能耗低

（6）维修工作量小，维修方便

（7）系统的设计，安装，调试工作量少

综上所述，控制器初定为可编程控制器（PLC）

2.5 系统总体工作流程

初始状态：绿灯（L1）亮，红灯（L2）灭，表示允许汽车开进装料，此时，进料阀门（K1），料斗阀门（K2），电动机（M1，M2，M3）皆为OFF状态。当汽车到来时，检测开关S3接通（负载板上未设，可从通用器件板选取），红色信号灯L2亮，绿色L1灭，传送带驱动电动机M3运行；2s后，电动机M2运行；再经过2s，M1运行，依次顺序起动送料系统。电动机M3运行后，进料阀门K1打开料斗进料，料斗装满时，检测开关S1=1，进料阀门K1关闭（设1料斗物料足够装满1车）；料斗出料阀门K2在M1运行及料满（S1=1）后，打开放料，物料通过传送带的传送，装入汽车。当装满汽车后，称重开关S2动作，料斗出料阀门K2关闭，同时电动机断电停止，2s后M2停止，再过2s，M1停止，L1亮，L2灭，表示汽车可以开走。

图 2.1 气相色谱装置框图

第3章机械结构设计

3.1系统设计的原始参数

带式输送机是目前煤炭的主要装车输送设备，其设计的自动化先进程度、结构布置方式、使用安全性、可靠性、连续性和高效运行将直接影响矿井生产成本。运煤车的吨位Q=10t,要求在2min中内装满一车煤块，煤块的密度ρ=1.05~1.1X103kg/m3 。三段输送带的有效总长度L=15m，滚筒的直径D=315mm。

3.2初选输送带

我国目前生产的输送带有以下几种:尼龙分层输送带、塑料输送带、整体带芯阻燃带、钢丝绳芯带等。

在输送带类型确定上应考虑如下因素：

1)为延长输送带使用寿命，减小物料磨损，尽量选用橡胶贴面，其次为

橡塑贴面和塑料贴面的输送带；

2)在同等条件下优先选择分层带，其次为整体带芯和钢丝绳芯带；

3)优先选用尼龙、维尼龙帆布层带。因在同样抗拉强度下，上述材料比

棉帆布带体轻、带薄、柔软、成槽性好、耐水和耐腐蚀；

4)覆盖胶的厚度主要取决于被运物料的种类和特性，给料冲击的大小、

带速与机长，输送石炭石之类的矿石，可以加厚2mm表面橡胶层，以延长使用寿命。

综合该机各类特性参数和技术特性，考虑到输送量较大，且为固定用输送机，为此初选输送带采用钢丝绳芯输送带，它既有良好的强度，又具有较好的防撕裂性能，是目前矿用带式输送机首选带型。可以初选输送带如下：

输送带型号：ST2500输送带

每节带长：l=6m

带宽：B=500mm

带高：H=200mm

带质量：qd=35.3kg/m2

3.2带速和滚筒转速计算

单位长度上的煤块质量m=ρv=1.1X103X0.5X0.2=0.11X103kg

因为要满足2min 中装满10t 矿车的要求，所以单位时间内的输送质量m1=10X103/120=83.33kg/s 。

带速V=m1/m=83.33/110=0.76m/s 。

滚筒转速nw=60x1000V/∏D=60x1000x0.76/3.14x315=46(r/min)

3.3牵引力和电动机功率计算

输送机总牵引力

F=gl(m+0.5 q d )w=10x6x(110+0.5x35.3)x0.025=191.475N

其中w 为阻力系数，取值0.025

电动机功率

P= = =0.203kw 其中

K —电机功率备用系数，取K=1.2

η—传动系统的工作效率。

3.4电机的选型和传动比的确定

3.4.1电机的选型

由于电动机所需功率P=0.203kw,可以选型号为Y90S-6的三相异步电动机，其额定功率为0.75kw,同步转速为910r/min 。

3.4.2传动比的确定

（1）传动装置总传动比

1000KFV 86

.0100076.05x 1.2x191.47x

i总=i电动/i滚筒=910/46=19.78（2）分配各级传动比

取V带传动的传动比i1=2.3,则两级齿轮减速器的总传动比为 i23=i/ i1=19.78/2.3=8.6

根据等效转动惯量最小原则，取第二级齿轮传动比i

3 =1.3i

2

，

又i

2xi

3

=8.6，所以i

2

=2.57， i

3

=3.34。

3.5传动装置的布置方式

电动机通过联轴器、减速器带动传动滚筒转动或其他驱动机构，借助于滚筒或其他驱动机构与输送带之间的摩擦力，使输送带运动。常见典型的布置方式如下图3.1所示：

图3.1典型的传动装置布置图

3.6 传动滚筒的作用及类型

传动滚筒是传动动力的主要部件，它是依靠与输送带之间的摩擦力带动输送带运行的部件。作为单点驱动方式来讲，可分成单滚筒传动及双滚筒传动。在本

课程设计中采用双滚筒传动，利用齿轮传动装置使两滚筒同速运转。

传动滚筒根据承载能力分为轻型、中型和重型三种。同一种滚筒直径又有几种不同的轴径和中心跨距供选用。

（1）轻型：轴承孔径80~100㎜。轴与轮毂为单键联接的单幅板焊接筒体结构。单向出轴。

（2）中型：轴承孔径120~180㎜。轴与轮毂为胀套联接。

（3）重型：轴承孔径200~220㎜。轴与轮毂为胀套联接，筒体为铸焊结构。有单向出轴和双向出轴两种。

第4章硬件部分设计

4.1 主电路的设计

主电路的设计对于本次设计小车自动送料装车系统设计相当重要,只有在主电路设计正确且简便的基础上,系统控制电路及软件设计才能精简方便。

根据系统的控制工艺要求，我所设计的电气控制系统主回路原理图如图4-1所示。图中，M1，M2，M3为三台皮带传输送料电动机，交流接触器KM1~KM3通过控制三台电动机的运行来控制三个传送带，从而进行对物料的传输。FR1，FR2，FR3为起过载保护作用的热继电器，用于物料传输过程中当传送带过载时断开主电路。FU1为熔断器，起过电流保护作用。（注意：FU和FR不能进行互换，它们在本设计电路当中所承担的任务不一样。FU起过流保护，FR起过载保护）主电路原理图如图4.1。

图4.1 自动送料装车系统主电路原理图

4.2 PLC机型的选择

在PLC控制系统设计时，应遵循以下基本原则：

（1）最大限度地满足被控对象或生产过程的控制要求。设计前，应深入现场进行调查研究，搜索资料，并与机械部分的设计人员和实际操作人员密切配合，共同拟定电气控制方案，协同解决设计中出现的各种问题。

（2）在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用及维修方便。（3）保证控制系统的安全可靠。

（4）考虑到生产发展和工艺的改进，在选择PLC容量时，应适当留有余量。

在该系统中，输入点数为3，输出点数为8，为继电器输出，则我可以选择

机型，由于此设计的系统要求不复杂，则可以选用小型控制系统中采用整体式PLC。

4.3 开关量输入/输出模块的选择

开关量输入模块的选择：选择三相交流输入电源AC380V，采用共点式输入接线方式，即三个电动机共用一个电源。

开关量输出模块的选择：该系统中开关输出模块的输出方式为继电器输出。

4.4开关的选择

在该系统的主电路中，采用三级的组合开关。

4.5熔断器的选择

在本系统中，熔断器保护三台异步电动机，且此三台电动机不同时启动，则熔断器的额定电流为，其中：

，则

，所以熔断器的额定电压为AC380V，则可选择型号为RT14-32的熔断器。

4.6 接触器的选择（KM）

额定电流为

则可以选择CJ10-5型号的交流接触器。

式中：

——电动机的额定功率

——经验系数，一般取1—1.4

——电动机的额定电压

4.7 传感器的选择

4.7.1称重传感器的选择

重量传感器又称称重传感器，是将压力信号转换成电压或电流控制信号。

其输出格式是标准的控制信号类型：0~10VDC，-10~10VDC，4~20mA，0~20mA。有的智能称重传感器也能输出开关量信号，但是其动作量（检测到的压力信号）是可调的。

本次设计中称重传感器选择CS-20型。

4.7.2霍尔传感器的选择

本次设计选用HAL815可编程线性霍尔传感器，其可用于角度或距离测量。HAL815是一个可编程的霍尔传感器，内置DSP，可设置的比例电压输出，具有

高精度，多个可编程磁特性存储在具有冗余和锁定功能的非易失性存储器(EEPROM)，多种保护功能如。开路（地和电源线突变检测）、过压和欠压检测，保证了传感器的高可靠性，可逐个编程或通过选择拉低输出脚来编几个并联在相同供电电压上的传感器，温度特性可编程可匹配所有常见的磁性材料。可编程的特性方便了客户的设计。

4.8 继电器的选择

继电器主要用于控制与保护电路或用于信号转换。继电器是一种根据特定形式的输入信号而发生动作的自动控制电器。它与接触器不同，主要用于反应控制信号，其触点一般接在控制电路中。当输入量变化到某一定值时，继电器动作，其触头接通或断开交、直流小容量的控制回路。

继电器的种类有很多，分类的方法也很多，常用的分类方法有：

1. 按输入量的物理性质可分为电压继电器、电流继电器、功率继电器、时间继电器和温度继电器等。

2. 按动作原理可分为电磁式继电器、感应式继电器、电动式继电器、热继电器和电子式继电器等。

3. 按动作时间可分为快速继电器、延时继电器和一般继电器。

4. 按执行环节作用原理可以分为有触点继电器和无触点继电器。

5. 按用途可分为电器控系统用继电器和电力系统用继电器。

继电器的主要特性是输入、输出特性、继电器的返回系数、吸合时间、释放时间。吸合时间是从线圈接收型号到衔铁完全吸和时所需要的时间，释放时间是从线圈失电导衔铁完全释放时所需要的时间。一般继电器的吸合时间与释放时间为0.05~0.15s，它的大小会影响继电器的操作频率。

本次设计所选择的继电器有：时间继电器JR0，热继电器JR16-20/3。

4.9 行程开关的选择

行程开关又叫限位开关，是用于控制机械设备的行程和限位保护。在实际生产应用中，将行程开关安装在预先要设置的位置，当装于生产机械运动部件上的

模块撞击到行程开关时，行程开关的触点动作，就实现了电路的切换。因此，行程开关是一种根据运动部件模块的行程位置而切换电路的电器，它的作用原理与按钮有些类似。行程开关广泛应用于各类机床和起重机械，用以控制其行程、进行终端限位保护。在电梯的控制电路中，还利用行程开关来控制开关轿门的速度、自动开关门的限位、轿厢的上、下限位保护。

主令电器应用广泛、种类繁多。按其工作可分为：按钮、行程开关、接近开关、万能开关及其它主令电器

行程开关按其结构可分为直动式、滚轮式、微动式和组合式。

本次设计我选用LX1-11型限位开关。参数如表4-1。

表4-1 LX1-11型限位开关主要参数

4.10物位传感器的选择

物位是指贮存容器或工业生产设备里的液体、粉粒壮固体、气体之间的分界面位置，也可以是互不相溶的两种液体间由于密度不等而形成的界面位置。根据具体用途分为液位、料位、界位传感器或变送器。物位不仅是物料耗量或产量计量的参数，也是保证连续生产和设备安全的重要参数。特别是在现代工业中，生产规模大，速度高，且常有高温、高压、强腐蚀性或易燃易爆物料，对于物位的监视和自动控制更是至关重要。

4.10.1电容式物位传感器

利用物料介电常数恒定时极间电容正比与物位的原理，可构成电

容式物位传感器。根据电机的结构可将电容式物位传感器分为三中：

（1）适用与导电容器中的绝缘性物料，且容器为立式圆筒形，器

壁为一极，沿轴线插入金属棒为另一极，其间构成的电容C与物位成比例。也可悬挂带重锤的软导线作为电机。

（2）适用与非金属容器，或虽为金属容器但非立式圆筒形，物料

为绝缘性的。这时在棒壮电极周围用绝缘支架套装金属筒，筒上下开口，或整体上均匀分布多个孔，使内外物位相同。中央圆棒和与之同轴的套筒构成两个电极，其间电容和容器形状无关，只取决于物位。所以这种电极只用于液位，粉粒体容易滞留在极间。

（3）用于导电性物料，起外形和（1）一样，但中央圆棒电极上

包有绝缘材料，电容是由绝缘材料的介电常数和物位决定的，与物料的介电常数无关，导电物料使筒壁与中央电极间的距离缩短为绝缘层的厚度，物位升降相当于电极面积改变。

电容式物位传感器无可动部件，与物料密度无关，但应注意物料中含水分时将对测量结果影响很大，并且要求物料的介电常数与空气介电常数差别大，需用高频电路。所以不予采用。

4.10.2阻力式料位传感器

阻力式料位传感器是指物料对机械运动所呈现的阻挡力。粉末颗

粒状物料比液态物质流动性差，对运动物体有明显的阻力，利用这一特点可构成各种料10 位传感器：

（1）重锤探索法：在容器顶部安装由脉冲分配器控制的步进电机，此电机正转时缓缓释放悬有重锤的钢索。重锤下降到与料面接触后，钢索受到的合力突然减小，促使力传感器发出脉冲。此脉冲改变门电路的状态，使步进电机改变转向重锤提升，同时开始脉冲计数。待重锤升至顶部触及行程开关，步进电机停止转动，同时计数器也停止计数并显示料位（料位值即容器全高减去重锤行程之差）。显示值一直保持到下次探索后刷新为另一值。开始探索的触发信号可由定时电路周期性地供给，也可以人为地启动。不进行探索时，重锤保持在容器顶部，以免物料将重锤淹埋。万一重锤被物位埋没，排放物料时产生的强大拉力就可能拉断钢索报警措施及出料过滤栅。但这种方法运用了逻辑电路和数字技术，可连续测量料位值并输出数字量，是数字传感器，但其采样是周期性的，对时间而言不连续，此设计不予采用。

（2）旋桨或推板法：这是一种位式传感器，或称料位开关。在容器壁的某一高度处装小功率电动机，其轴伸入容器内，末端带有桨状叶片。叶片不接触物料时，自由旋转的空载状态下电动机的电流很小，一旦料位上升到与叶片接触，转动阻力增加，甚至成堵转状态，电流显著加大。根据电流的大小使继电器的接点动作，