XX 工 程 学 院 课 程 设 计 课程名称 电气控制与PLC 课题名称 皮带运输机电气控制系统设计 专业班级 机电一体化班 姓 名 学 号 指导教师 2014年X月X日 目 录 第1章 概述 1 1.1 皮带运输机用途、基本组成结构及工作过程 1 1.1.1 皮带运输机用途 1 1.1.2 皮带运输机概况及控制要求 2 第2章 控制方案论证 3 2.1 继电器控制方案 3 2.2 微机控制方案 3 2.3 PLC控制方案 4 2.4 结论 5 第3章 控制系统硬件设计 6 3.1 电动机主电路 6 3.2 PLC控制系统设计 7 3.2.1 PLC控制系统电气元件选择 7 3.2.2 PLC I/O 接线图设计 8 第4章 控制系统软件设计 9 4.1 软件的组成部分 9 4.2 主程序设计 9 4.2 手动子程序设计 11 4.3 自动子程序设计 11 4.4 公用子程序设计 15 4.5 故障处理子程序 15 第5章 软件的调试 21 5.1 自动子程序的调试 21 5.2 手动子程序的调试 22 5.3 故障子程序的调试 22 结束语 24 参考文献 25 附 录 26 第1章 概述 1.1 皮带运输机用途、基本组成结构及工作过程 1.1.1 皮带运输机用途 皮带运输机又称带式输送机，是一种连续运输机械，也是一种通用机械。皮带运输机被广泛应用在港口、电厂、钢铁企业、水泥、粮食以及轻工业的生产线。即可以运送散状物料，也可以运送成件物品。工作过程中噪音较小，结构简单。皮带运输机可用于水平或倾斜运输。皮带运输机还应用与装船机、卸船机、堆取料机等连续运输移动机械上。皮带运输机由皮带、机架、驱动滚筒、改向滚筒、承载托辊、回程托辊、张紧装置、清扫器等零部件组成。在大型港口或大型冶金企业，皮带运输机得到最广泛的应用。其总长度可大十几千米。

普通皮带运输机的提升角度一般不大20度,原因是当皮带运输机的倾角大于20度时对大多数的物料来讲都会发生物料下滑的情况，即物料在皮带上的摩擦力过小发生下滑。对输送煤炭的皮带运输机一般提升角度不大于15度，对输送烧结球团的皮带运输机提升角度不大于12度。如果物料相对粒度较小，其提升角度可选较大值。特殊的皮带运输机其提升角度可大于45度，其皮带的构造是特殊制造的。在此不做详述。

皮带运输机的驱动装置由单个或多个驱动滚筒驱动，驱动电机也可以是单个电机或多个电机驱动。一般驱动装置包括电动机、减速机、液力偶合器、制动器或逆止器等组成。偶合器的作用是改善皮带运输机的启动性能。制动器和逆止器是为了防止当皮带运输机停机时皮带向下滑动。

皮带运输机的电气保护和控制装置主要有：拉绳开关、皮带跑偏检测开关、皮带打滑检测、皮带防撕裂检测、料流检测、堵料检测、皮带秤。

皮带运输机所用的皮带有多种选择，如钢芯带，帆布芯带，尼龙带，聚脂带等。对载荷较小的皮带运输机一般选择帆布带。如果皮带的载荷较大时可采用钢芯带。所谓钢芯带是皮带中的芯部采用较细的钢丝绳承受载荷 皮带运输机的输送能力可以为几百千克/小时到万吨/小时，皮带的宽度可以从100-200mm到2600mm 皮带运输机的张紧装置有多种形式。如重锤张紧，螺旋张紧，液压张紧等。

皮带运输机的托辊一般采用槽形托辊组，个别情况采用吊挂式托辊组。

皮带运输机的承载托辊组的槽角一般选择为30-35度。个别情况选择40度槽角。较少选择大于或等于45度槽角的托辊组。

皮带运输机是散料连续运输机械，是应用于短距离连续运输的的重要机械设备。

1.1.2 皮带运输机概况及控制要求 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，控制要求如下：
图1-1 皮带运输机系统示意图 (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。

第2章 控制方案论证 2.1 继电器控制方案 继电器控制系统具有以下特点：
（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，想再改变或增加功能、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）灵活性及可扩展性 继电器安装后，受电气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、扩展性很差。

（5）计数功能 继电器控制可实现逻辑功能，但不具备计数的功能。

（6）可靠性和可维护性 继电器控制使用大量的机械触电，触电在开闭时会产生电弧，造成损伤并伴有机械磨损，使用寿命短，运行可靠性差，不易维护。

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的能力，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，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，其控制逻辑以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，因此灵活性和扩展性都很好。PLC由大、中规模集成电路组成，因而功耗较小。

（2）可靠性和可维护性 PLC配有自检和监督功能，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，扩展容易，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，远高于其他各种机型。

故选用PLC控制方案。

第3章 控制系统硬件设计 3.1 电动机主电路 电动机主电路原理图如图3-1所示，主电路采用380V三相交流电网。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 电动机主电路图 3.2 PLC控制系统设计 3.2.1 PLC控制系统电气元件选择 皮带运输机PLC电气控制系统电气元件选型如图3-2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 HZ10-10/2 2 QF 断路器 1 QF-240 3 FR 熔断器 1 RL1-15 4 KM1-KM4 接触器 4 CJ20-25 5 FR1-FR4 热继电器 4 T16 6 SB1 控制按钮 1 LA10-1 绿色 7 SB2 控制按钮 1 LA10-1 红色 8 SB3、SB4 控制按钮 2 LA10-1 黑色 9 M1-M4 三相交流电动机 4 JQ2-Z1-4 10 PLC 可编程控制器 1 CPU224XP 表3-2 皮带运输机PLC电气控制系统电气元件选型 3.2.2 PLC I/O 接线图设计 皮带运输机电气控制系统PLC I/O接线如图3-3所示。

图3-3 S7-200PLC I-O接线图 第4章 控制系统软件设计 4.1 软件的组成部分 皮带运输机PLC电气控制系统的软件主要分为以下4个部分：
（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 主程序梯形图设计如图4-1所示。

图4-1 主程序梯形图 4.2 手动子程序设计 当执行手动子程序时，SB1-SB4分别控制四个电机的运转，并形成电气互锁。

图4-2 手动子程序梯形图 4.3 自动子程序设计 当执行自动程序且没有发生故障时，按下启动按钮SB1，电机按顺序从M4到M1间隔5s依次起动并保持运转。启动完成，全部电机保持正常运转时，按下停止按钮SB2，电机由M1至M4按顺序间隔5s依次停止运行。

图4-3 皮带运输机自动子程序顺序功能图 图4-4自动子程序梯形图 4.4 公用子程序设计 图4-5 公用子程序梯形图 进入公用子程序后，M0.0置位，M0.1-M0.8复位，M2.0-M2.3复位，M3.0-M3.2复位，M4.0-M4.1复位，M5.0复位，T37-T48复位。

4.5 故障处理子程序 在皮带运输机自动运行的过程中，如果4台电机中的某一台出现故障，则自动进入故障处理程序。故障处理子程序分为4个部分：
（1） M1故障处理子程序 进入M1故障处理子程序后，首先复位Q0.0使电动机M1停止，并置位Q0.1-Q0.3使电动机M2-M4保持运转。5s后复位Q0.1使电动机M2停止。M2停止后再过5s复位Q0.2使电动机M3停止。M3停止后再过5s复位Q0.3使电动机M4停止。M4停止后程序退出运行。

图4-6 M1故障处理子程序顺序流程图 图4-7 M1故障处理子程序梯形图 （2） M2故障处理子程序 图4-8 M2故障处理子程序顺序流程图 进入M2故障处理子程序后，首先复位Q0.0、Q0.1使电动机M1和M2停止，并置位Q0.2-Q0.3使电动机M3-M4保持运转。5s后复位Q0.2使电动机M3停止。M3停止后再过5s复位Q0.3使电动机M4停止。M4停止后程序退出运行。

图4-9 M2故障处理子程序梯形图 （3）M3故障处理子程序 图4-10 M3故障处理顺序流程图 进入M3故障处理子程序后，首先复位Q0.0、Q0.1、Q0.2使电动机M1、M2和M3停止，并置位Q0.3使电动机M4保持运转。5s后复位Q0.3使电动机M4停止。M4停止后程序退出运行。

图4-11 M3故障处理子程序梯形图 （4）M4故障处理子程序 图4-12 M4故障处理子程序顺序流程图 进入M4故障处理子程序后，复位Q0.0、Q0.1、Q0.2、Q0.3使电动机M1-M4全部停止。M1-M4全部停止后程序退出运行。

图4-13 M4故障处理子程序梯形图 第5章 软件的调试 5.1 自动子程序的调试 将皮带运输机电气控制系统梯形图程序在西门子编程调试软件STEP7中编译完成，编译无错误后下载程序至PLC，设置PLC为RUN状态并打开程序状态监控。将SA开关拨到闭合，选择工作方式为自动工作方式。

按下SB1启动按钮，Q0.0-Q0.3触点按照Q0.3-Q0.2-Q0.1-Q0.0的顺序间隔5s依次闭合。直到Q0.0-Q0.3触点全部保持闭合，系统状态开始保持不变，皮带运输机启动完成。

启动完成后，全部电机保持正常运转且无故障信号时，按下停止按钮SB2，这时，Q0.0-Q0.3触点按照Q0.0-Q0.1-Q0.2-Q0.3的顺序间隔5s依次断开，直到Q0.0-Q0.3触点全部断开，系统状态开始保持不变，皮带运输机完成停止动作。

图5-1 自动子程序 5.2 手动子程序的调试 将皮带运输机电气控制系统梯形图程序编译完成下载至PLC后，设置PLC为RUN状态并打开程序状态监控。将SA开关拨到断开，选择工作方式为手动工作方式。

按下SB1按钮，Q0.0触点闭合；
松开SB1按钮，Q0.0触点断开。

按下SB2按钮，Q0.1触点闭合；
松开SB2按钮，Q0.1触点断开。

按下SB3按钮，Q0.2触点闭合；
松开SB3按钮，Q0.2触点断开。

按下SB4按钮，Q0.3触点闭合；
松开SB4按钮，Q0.3触点断开。

5-2 手动子程序 5.3 故障子程序的调试 系统工作在自动方式并完成启动后，按下用于模拟M1故障信号的按钮，使I0.5触点闭合，系统进入M1故障处理程序。首先，Q0.0触点断开，Q0.1-Q0.3触点保持闭合。5s后Q0.1触点也断开，Q0.2-Q0.3触点继续保持闭合。再过5s后Q0.2触点也断开，只有Q0.3触点继续保持闭合。Q0.2触点断开5s后， Q0.3触点也断开，这时，Q0.0-Q0.3触点全部断开，M1故障处理程序完成。

系统工作在自动方式并完成启动后，按下用于模拟M2故障信号的按钮，使I0.6触点闭合，系统进入M2故障处理程序。首先，Q0.0和Q0.1触点断开，Q0.2-Q0.3触点保持闭合。5s后Q0.2触点断开，只有 Q0.3触点继续保持闭合。再过5s后Q0.3触点也断开，这时，Q0.0-Q0.3触点全部断开，M2故障处理程序完成。

系统工作在自动方式并完成启动后，按下用于模拟M3故障信号的按钮，使I0.7触点闭合，系统进入M3故障处理程序。首先，Q0.0、Q0.1及Q0.2触点断开，Q0.3触点保持闭合。5s后Q0.3触点断开，这时，Q0.0-Q0.3触点全部断开，M3故障处理程序完成。

系统工作在自动方式并完成启动后，按下用于模拟M4故障信号的按钮，使I1.0触点闭合，系统进入M4故障处理程序。Q0.0、Q0.1、Q0.2及Q0.3触点全部断开，M4故障处理程序完成。

总结 在皮带运输机PLC电气控制系统设计过程中，主要进行了以下几个方面的工作：
1．分析控制系统的控制要求 熟悉皮带运输机的控制要求，确定必须完成的动作及动作完成的顺序，归纳出顺序功能图。

2．选择适当类型的PLC 根据生产工艺要求，选定合适的PLC型号，确定I/O点数和I/O点的类型（数字量、模拟量等），并列出I/O点清单。

3．硬件设计 根据所选用的PLC产品，了解其使用的性能。按照相关资料结合实际需求，同时考虑软件编程的情况进行外电路的设计，绘制电气控制系统原理接线图。

4．软件设计 软件设计的主要任务是根据控制系统要求将顺序功能图转换为梯形图。

5．调试。将设计好的程序下载到PLC主单元中。用按钮和小开关模拟输入信号，用指示灯模拟负载，通过各种指示灯的亮暗情况了解程序运行的情况，观察输入/输出之间的变化关系及逻辑状态是否符合设计要求，并及时修改和调整程序，直到满足设计要求为止。

本次皮带运输机PLC电气控制系统的设计各部分软硬件均调试成功，基本上达到了设计要求。通过本次PLC课程设计，不但巩固了所学过的PLC理论知识，更为重要的是通过实践训练使我们得到了工程技能的综合训练，获得了解决工程实际问题的能力。

参考文献 [1]廖常初.可编程序控制器的编程方法与工程应用[M].重庆：重庆大学出版社 [2]万太福.可编程序控制器及其应用[M]. 重庆：重庆大学出版社 [3]刘祖润.毕业设计指导.北京：机械工业出版社 [4]谢桂林.电力拖动与控制. 北京：中国矿业大学出版社 [5]工厂常用电气设备手册编写组.工厂常用电气设备手册. 北京：水利电力出版社 附 录 语句表程序清单：
1.主程序：
LD I0.5 O I0.6 O I0.7 O I1.0 O M6.0 AN I0.1 = M6.0 LD I0.5 O M6.1 AN I0.1 AN M6.2 AN M6.3 AN M6.4 = M6.1 LD I0.6 O M6.2 AN I0.1 AN M6.1 AN M6.3 AN M6.4 = M6.2 LD I0.7 O M6.3 AN I0.1 AN M6.1 AN M6.2 AN M6.4 = M6.3 LD I1.0 O M6.4 AN I0.1 AN M6.1 AN M6.2 AN M6.3 = M6.4 LD SM0.0 CALL SBR0 Network 7 LDN I0.0 CALL SBR1 LD I0.0 AN M6.0 CALL SBR2 LD M6.1 LPS EU S M2.0, 1 LPP CALL SBR3 LD M6.2 LPS EU S M3.0, 1 LPP CALL SBR4 LD M6.3 LPS EU S M4.0, 1 LPP CALL SBR5 LD M6.4 LPS EU S M5.0, 1 LPP CALL SBR6 2.公用子程序：
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 3.手动子程序 LD I0.1 AN Q0.1 AN Q0.2 AN Q0.3 = Q0.0 LD I0.2 AN Q0.0 AN Q0.2 AN Q0.3 = Q0.1 LD I0.3 AN Q0.0 AN Q0.1 AN Q0.3 = Q0.2 LD I0.4 AN Q0.0 AN Q0.1 AN Q0.2 = Q0.3 4.自动子程序 LD SM0.1 LD M1.0 AN Q0.3 OLD O M0.0 O I0.0 AN M0.1 = M0.0 LD M0.0 A I0.1 O M0.1 AN M0.2 = M0.1 S Q0.3, 1 TON T37, +50 LD M0.1 A T37 O M0.2 AN M0.3 = M0.2 S Q0.2, 1 TON T38, +50 LD M0.2 A T38 O M0.3 AN M0.4 = M0.3 S Q0.1, 1 TON T39, +50 LD M0.3 A T39 O M0.4 AN M0.5 = M0.4 = Q0.0 LD M0.4 A I0.2 O M0.5 AN M0.6 = M0.5 R Q0.0, 1 TON T40, +50 LD M0.5 A T40 O M0.6 AN M0.7 = M0.6 R Q0.1, 1 TON T41, +50 LD M0.6 A T41 O M0.7 AN M1.0 = M0.7 R Q0.2, 1 TON T42, +50 LD M0.7 A T42 O M1.0 AN M0.0 = M1.0 R Q0.3, 1 5.M1故障处理子程序 LD M2.0 A M6.1 AN M2.1 = M2.0 R Q0.0, 1 S Q0.1, 3 R M0.1, 8 TON T43, 50 LD M2.0 A T43 O M2.1 AN M2.2 = M2.1 R Q0.1, 1 TON T44, 50 LD M2.1 A T44 O M2.2 AN M2.3 = M2.2 R Q0.2, 1 TON T45, 50 LD M2.2 A T45 O M2.3 = M2.3 R Q0.3, 1 LD M2.3 AN Q0.3 R M2.0, 4 6.M2故障处理子程序 LD M3.0 A M6.2 AN M3.1 = M3.0 R Q0.0, 2 S Q0.2, 2 R M0.1, 8 TON T46, 50 LD M3.0 A T46 O M3.1 AN M3.2 = M3.1 R Q0.2, 1 TON T47, 50 LD M3.1 A T47 O M3.2 = M3.2 R Q0.3, 1 LD M3.2 AN Q0.3 R M3.0, 3 7.M3故障处理子程序 LD M4.0 A M6.3 AN M4.1 = M4.0 R Q0.0, 3 S Q0.3, 1 R M0.1, 8 TON T49, 50 LD M4.0 A T49 O M4.1 = M4.1 R Q0.3, 1 LD M4.1 AN Q0.3 R M4.0, 2 8.M4故障处理子程序 LD M5.0 A M6.4 = M5.0 R Q0.0, 4 R M0.1, 8 LD M5.0 AN Q0.0 AN Q0.1 AN Q0.2 AN Q0.3 R M5.0, 1