皮带传输机设计.doc

电气控制课程设计
说明书

皮带传输系统设计
学 院：机电工程学院
专 业：09农电一班
姓 名：祁飞 马菊梅
学 号：090514200，090518129
指导教师：李海军 刘宇

设计完成日期：2012.05.06

目 录
第一章．控制要求 3
1.1 设计要求 3
1.2 设计目的意义 3
1.3 课程设计的基本要求 3
第二章．方案设计 4
2.1 设备的选择 4
2.1.1 空气断路器 4
2.1.2 接触器 4
2.1.3 热继电器 5
2.1.4 中间继电器 5
2.1.5 时间继电器 5
2.2 元件清单 6
2.3 硬件设计 6
2.3.1 要求分析 6
2.3.2 电气控制原理图 7
2.3.3 控制过程 10
1.手动控制 10
2.自动控制 10
2.3.4 设计实图 11
2.3.5 电路故障分析 12
第三章 .PLC设计 12
3.1 PLC选型 12
3.1.2 I/O接口数的选择 12
3.1.3 PLC选择 13
3.1.1 I/O设备及其地址分配 13
3.2 PLC的外部接线 14
3.3 PLC梯形图 14
3.5 梯形图错误分析 16
第四章 .总结 17
4.1 PLC与继电器控制系统、微机区别 17
4.2 设计总结 17
参考文献 19

第一章．控制要求
1.1 设计要求
本次课题是三级皮带运输机控制程序的设计、安装与调试，要求如下：
（1）某一生产线的末端有一台三级皮带运输机，分别由M1、M2、M3三台电动机拖动，有手动和自动两种控制方式。15KW
（2）手动时，为了便于调试，每一台电机都可以单独启动，单独停止。
（3）自动控制时，M1→M2→M3的顺序启动，间隔均为10秒，若需要停止，则M3→M2→M1的顺序停止。
（4）电路有紧急情况总停按钮。
（6）要有必要的短路、过载等保护。

1.2 设计目的意义
现代工厂及车间，发电厂等已经开始进行自动化建设，通过自动控制技术逐渐取代人力的运输。皮带传输机便是发展的成果之一。通过1个或者1个以上的电动机带动皮带转动，达到传输物品的功能，取代人为的运输。达到省时省力的双重目的。并且使工厂，车间和发电厂等的效率大大提高。

1.3 课程设计的基本要求
1. 绘制电气控制原理图（A2图幅）、PLC外围接线图（A3图幅）、编写PLC控制程序。
2.制作电路板：按照设计指导书要求的控制功能，制作安装电动机的主回路、控制回路。
3. 完成设计说明书
第二章．方案设计
2.1 设备的选择
2.1.1 空气断路器
1、根据空气开关额定电压大于等于线路额定电压的原则，本线路额定电压为220V，则选择的空气断路器额定电压应比220V大。
2、空气开关额定电流和过电流脱扣器的额定电流大于等于线路计算负荷电流。
I=P/U, P=1500W,U=220V.
I=1500/220=6.8A. 由于电动机不属于纯电阻性负载，因此粗略计算线路计算负荷电流应该为2*I=13.6A.因此选择的空气断路器额定电流应该大于13.6A。
综上所述，选择DZ47-20A C25.
2.1.2 接触器
(1)选择接触器的类型：
　　根据电路中负载电流的种类选择。交流负载应选用交流接触器，直流负载应选用直流接触器，如果控制系统中主要是交流负载，直流电动机或直流负载的容量较小，也可都选用交流接触器来控制，但触点的额定电流应选得大一些。
(2)选择接触器主触头的额定电压：
　　应等于或大于负载的额定电压。
(3)选择接触器主触头的额定电流：
被选用接触器主触头的额定电流应不小于负载电路的额定电流。也可根据所控制的电动机最大功率进行选择。
根据以上原则，选择CJX1-16
相关元件主要技术参数及原理如下：
(1) 操作频率为1200/h
(2) 机电寿命为1000万次
(3) 主触头额定电流为20A
(4) 额定电压为380/220V
(5) 控制容量为360VA
2.1.3 热继电器
在非频繁其动的场合，必须保证电动机的起动不致使热继电器误动。当电动机起动电流为额定电流的6倍、起动时间不超过6S、很少连续起动的条件下，一般可按电动机的额定电流来选择热继电器。
根据以上原则，选择NR3-45 电流范围：27-45A。
2.1.4 中间继电器
根据控制回路额定电压220V，选择JXZ-22F/4Z型中间继电器。
额定电压为220V，额定电流为3A。

2.1.5 时间继电器

根据控制回路额定电压220V，选择JS14P型中间继电器。
额定电压为220V，延时99s。

2.2 元件清单

序号
元器件名称
元器件规格
数量
备注
1
空气断路器
DZ47-20A C25
3

2
接触器
CJX1-16
3

3
热继电器
NR3-45
3

4
时间继电器
JS14P
4

5
中间继电器
JXZ-22F/4Z
3

6
按钮开关
LAY37
3

7
转换开关
BE101
3

2.3 硬件设计
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，可以直观的看清电路的结构及其原理。是最初常用的控制方式。缺点是系统复杂，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。
2.3.1 要求分析
本控制电路要求对三台电机实现顺序启动，顺序停止，单启，单停功能。顺序控制的控制原理是将前一台电机的常开触点串联到下一台电机的线圈前，若对启动或者停止有时间的要求，则将时间继电器的线圈与前一台电机的线圈并联，实现同时得电，以控制后一台电机启动的时间。单独启动和单独停止需要使用开关直接对各个电机的接触器实现控制。相应开关闭合即相应接触器触点闭合，其控制的电机启动，若相应开关闭合，则控制相应电机也停止运行。根据此要求的分析及其逻辑关系，需要的器件大概有控制自动启动和自动停止的按钮开关，控制三台电机手动停止和启动的旋转开关，控制顺序停止和启动的时间继电器，及中间继电器，和控制三台电机运行或者停止的接触器。

2.3.2 电气控制原理图
1. 主回路
设计思路：
根据设计要求，主回路中连接三台电动机，分别是M1，M2，M3.用以带动三条皮带分级运输物品。电路要求有必要的短路保护和主开关。如果用刀开关，则需要在每条电动机控制线路上装设熔断器。所以本设计直接采用具有短路保护功能的空气断路器作为主开关。电路还需要有必要的过载保护。方法是在每台电动机前加设热继电器，以达到过载保护的目的。当过载产生热时，热继电器内部双金属片便会玩去，使导板运动。起到保护电路的作用。为了对三台电动机进行控制，在空开和熔断器之间增设接触器的常开触点。通过控制电路的接触器线圈得电与否，决定触点的闭合与否，进而决定电动机是否运行。本设计无反接制动及其星三角启动等控制要求。综上所述，绘制主电路图如下：

2 控制回路
设计思路：手动控制电机的启动停止通过三个旋转开关实现，SB3，SB4，SB5。旋转开关是控制线路通断并且可以保持动作不变的一类开关。其优越性就在于不需要线圈的自锁就可以控制电路持续接通。本设计为了使电路更加简单明了，不采用线圈的自锁而直接用旋转开关进行关断控制与自动控制电路是独立的，互不影响。自动控制电路采用两个按钮开关进行启动和停止，SB1，SB2。但是SB1，SB2无保持功能，处理：如果用KM1的触点进行自锁，那么当手动按钮SB3闭合时，线圈KM1通电，则其触点KM1闭合，导致自动控制电路通电，违背了设计的初衷。如果将SB1也设置为旋钮，自锁可以取消，但是由于其自保持功能，当顺序停车的时候，如果不手动将SB1断开，电路会一直通电，同样违背了设计初衷，因此需要用中间继电器进行自锁。自动启动和自动停止需要用时间继电器来进行控制。顺序启动时用时间继电器KT1，KT2进行控制，按要求定时为10S。停止的时候用时间继电器KT3，KT4进行控制，定时为15S。通过SB1接通KT1，通过KT1接通KT2，启动过程完毕。再通过SB2接通KT3，通过KT3接通KT4。通过KT4将整个控制电路断开。综上所述，绘制控制回路如下：

2.3.3 控制过程
1.手动控制

2.自动控制

2.3.4 设计实图

2.3.5 电路故障分析
故障一：控制电路接通电源后无法通电。
处理：1.可能是电源进线与空气断路器未接触好，导致电流无法进入。
2.可能是总停开关SB0存在断路的情况。
3.可能是未形成回路。
故障二：正常启动，并且电路得电的情况下，KM3电机无法正常控制
处理：手控正常但是自控不正常，可能是自控电路出现接触不良或者控制开关故障。同理于自控正常手控不正常。若手控和自控均不正常，极有可能是接触器故障。
第三章 .PLC设计
3.1 PLC选型
1.对I/0接口数的选型
在先弄清楚控制系统的I／O总点数基础上，按实际所需总点数的15～20％留出备用量后确定所需PLC的点数。
2.根据负载输出特性选型
（1）频繁通断的感性负载，应选择晶体管或晶闸管输出型的PLC。
（2）动作不频繁的交、直流负载可选择继电器输出型的PLC。
3.1.2 I/O接口数的选择
本设计需要I/O点共10个，增加10%到15%的余量。选择14点的欧姆龙系列PLC。
3.1.3 PLC选择

根据I/O设备及接口数，并且本程序动作不频繁。
综上所述
选择CP1L-L14DR-A 14点CPU单元, AC100-220V 8入 6点继电器输出。

输

入
功能描述
动作器件
I/O地址
总停
SB0
00000
手动
M1启动
SB3
00003
M1停止
M2启动
SB4
00004
M2停止
M3启动
SB5
00005
M3停止
自动
顺序启动
SB1
00001
顺序停止
SB2
00002
输

出
电机控制
电动机1开
KM1
01000
电动机2开
KM2
01001
电动机3开
KM3
01002

内

部

中间
继电
器
自锁
KA1
20000
自锁
KA2
20001
自锁，切断KT3
KA3
20002
隔离
KA4
20003
隔离
KA5
20004

时间
继电
器
M2启动计时
KT1
TIM001
M3启动计时
KT2
TIM002
M2停止计时
KT3
TIM003
M1停止计时
KT4
TIM004
3.1.1 I/O设备及其地址分配

注：隔离指由于同一线圈有两种不同的控制方式，即手动，自动。所以需要加入中间继电器使两种控制方式独立且互不影响。

3.2 PLC的外部接线
根据所选择的PLC型号，点数为14。分别在输入侧设置SB0，SB1，SB2，SB3，SB4，SB5（其中SB2为一对联动开关）共6个开关设备。输出侧为KM1，KM2，KM3三个接触器线圈。两侧电源皆为AC 220V。综上所述，绘制外围接线图如下。

3.3 PLC梯形图
通过CPM1A的自带软件进行梯形图的绘制。梯形图跟控制回路图的运行过程答题相似。需要将控制回路图中的按钮开关常开和常闭的符号转化成梯形图的表示方式。将时间继电器转化成计时器，其触点也做相应的变化。区别就在于将手动和自动两控制方式分离的方式不同，此问题在本节末会给予分析。

3.5 梯形图错误分析
本设计在梯形图的编写中遇见若干问题，现依次分析如下：
1.梯形图与电气控制原理图的区别与联系：
梯形图是PLC编程中不可缺少的表示程序内部逻辑关系的一种最直白的表示方法。不同于PLC指令的繁杂，可以直接反应出所控制程序的方式。电气控制原理图是继电器控制时所绘制的图形，用来表示控制内容。不可以通过它反应指令语言。电气控制原理图中的符号都代表着具体的器件，梯形图则不是。梯形图中每一个符号代表一种功能。通过逻辑1,0反应出来。注意，梯形图和电气控制原理图是截然不同但又不乏联系的两种反应同一内容的表达方式。
2.绘制梯形图所遇到的问题：
梯形图不允许两线之间垂直接入触点。本设计要求实现手动和自动双重控制。为了使手动和自动不互相影响，相互独立，需要进行不同于电气控制原理图的改造。方法是在梯形图中添加中间继电器，利用内部辅助触点，将控制某一线圈的手动旋转开关和顺序启动按钮隔离。例如：手动控制M1电机的开关SB3闭合，在接通KM1线圈同时不可以同时接通KA1和TIM001两分支。因此需要添加一受SB3控制的中间继电器KA4，并且在TIM001 前串联KM4的常闭触点，这样KA4持续通电后，保证TIM001前的常闭KA4持续断开。单纯的在KA1前方也串联KA4的常闭的话，手动启动还能正常隔离，但是按下顺序启动SB1按钮时，KA4也会同时通电，KA1失效。若在KA4前方加KA1的常闭触点，顺序启动时KA4会先于KA1得电，还是会使得KA1失效。而在KA4前方串联按钮SB1的常闭，只能瞬时断开KA4，很快又会复位，而又重复上面的错误。所以，不能用KA1和KA4互相制约，于是在KA1支路上串联一SB3的常闭按钮。当手动时，SB3常开闭合，常闭断开，隔离KA1，KA4的常闭又将TIM001隔离。自动时，SB3常开断开，常闭闭合，KA4前方的常闭断开使得KA1先得电，KA4前方串联的KA1常闭断开，则达到理想效果。
第四章 .总结
4.1 PLC与继电器控制系统、微机区别

1．PLC与继电器控制系统区别:

前者工作方式是“串行”，后者工作方式是“并行”，前者用“软件”，后者用“硬件”。
2．PLC与微机区别:

前者工作方式是“循环扫描”。后者工作方式是“待命或中断”
PLC 编程方式
PLC最突出的优点采用“软继电器”代替“硬继电器”。用“软件编程逻辑”代替“硬件布线逻辑”。
PLC编程语言有梯形图、布尔助记符语言，等等。尤其前两者为常用。
3. 由于PLC是集中采样，在程序处理阶段即使输入发生了变化，输入映象寄存
器中的内容也不会变化，要到下一周期的输入采样阶段才会改变。
4. 由于PLC是串行工作，所以PLC的运行结果与梯形图程序的顺序有关，这与继电器控制系统“并行”工作有质的区别。避免了触点的临界竞争，减
少繁琐的联锁电路。

4.2 设计总结
本设计通过对皮带输送机的实际要求的分析和理解，通过两种不同的控制方式对于皮带输送机进行相同的控制。总结出了两种控制方式各自的优缺点及其各自的发展前景。特制表格如下比较。

特点

方式

优点

缺点

传统
继电器
控制
广泛用于强电领域，是早期实现电气自动控制的方式。通过接触器，继电器使电路实现
所需要的自动控制功能。没有辅助器件的限制，通过实际器件之间导线的连接实现对电机或者其他用电器的控制。
在实际应用中,由于电弧,机械等原因,其可靠性要差很多,并且维护复杂,维修成本高.由于其实际器件受限于制造工艺的影响，触点数有限制。传统的继电器控制，器控制线路复杂，维护起来也是十分困难。

基于
PLC
控制
1，反应速度快，噪音低，能耗小。体积小。
2，功能强大，编程方便，可以随时修改程序，
3，控制精度高，可进行复杂的程序控制。
4，能够对控制过程进行自动检测。功能强,性能价格比高.
5，系统稳定，安全可靠。
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.
PLC控制需要画出梯形图，根据梯形图写出指令语句输入进辅助工具（如电脑，对应的编程工具等）。如没有辅助工具，则无法顺利的进行PLC控制。

参考文献
[1]．田瑞庭.可编程控制器应用技术.1994
[2]．曲非非、杨长能.PLC应用技术200例.2003
[3]．MITSUBISHI 三菱微型可编程控制器编程手册.2000年
[4]．张运波. 工厂电气控制技术. 北京：高等教育出版社.2001
[5]．余雷声. 电气控制与PLC应用. 北京：机械工业出版社.2001
[6]．王兆义. 小型可编程控制器实用技术. 北京：机械工业出版社，2002

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