车运原煤自动采样系统设计（控制系统设计）

1 绪 论 一 、 本论文研究的目的和意义 随着计算机技术的飞速发展，计算机在工业自动化领域中的应用越来越广泛。可编程控制器就是其中的佼佼者，它以其卓越的性能，高可靠性、能在恶劣环境下工作 、 维修使用方便、通讯 、 组网功能强和具有较高的性价比等特点，被广泛的应用于工业控制中。 火力发电厂、港口和煤矿等部门都要对出入煤的质量进行分析 ,分析检验结果作为生产成本核算、控制锅炉工况或作为商品煤结算的依据。煤的质量分析包括采集样品 (采样 ) 、制备试样、分析。用少量的样品的分析结果代表一批煤的质量必然会有偏差。此偏差由采样偏差 、制样偏差和分析偏差构成 ,其中采样偏差最大。因此 ,分析结果的精确度 ,很大程度上取决于所采样品的代表性。以前靠人工采样 ,很难保证样品的代表性。分析偏差太大时还可以重新分析 ,而样品无代表性时 ,则往往由于煤已运走或已入锅炉烧掉而无法重新采样。如果煤样品无代表性 ,则无论分析结果多么精确也毫无意义。国家标准 GB474 规定了各种情况下煤的采样方法。在流动的煤 (煤流 ) 中采样时 ,应将采样处煤流横截面 上的煤全部采出。 汽车入厂煤采样机是针对运煤汽车采样而设计的机械化采样设备。该设备集采样、破碎、缩分、集样于一体、结 构合理、运行可靠、操作方便。采样制样工艺过程符合 GB474，GB475国家标准。适用于电厂、煤矿、煤码头等进行煤质检验采样的场合。 汽车入厂煤采样机主要由采样头、给料机、破碎机、缩分集样器、余煤处理系统组成。首先由钻取式螺旋采样头提取煤样，通过密闭式给料机送放破碎机、破碎后进入缩分集样器，通过缩分的煤样进入集样器，多余的煤样由余煤处理系统反排回汽车或直接排回煤场。 采用 本采样系统的优点有： (1).可实现全断面采样，保证煤样代表性； (2).采用专利破碎机，水份适用范围广，减少堵煤可能性； (3).一体化设计，结构紧凑，采样时间短； (4).半封闭结构，减少人为与环境因素的影响； (5).设备自动化程度高，维护简单。 通过本 设计可以使整个系统不易堵煤、监测系统更加趋于完善， 程控特性更好，且易于安装和维护。 二、论文研究的主要内容 设计对汽车所运原煤进行采样的自动小车控制系统，实现小车的横向、大车的纵向移动以及采样螺旋探头的上升、下降过程。系统采用可编程控制器 进行控制。 具体内容如下： 1 车运原煤自动采样系统总体方案设计 ； 2 车运原煤自动采样控制系统 设计； 3 设计控制系统硬 件，包括控制器选型设计和控制接线图； 4 控制系统 软件设计，包括程序流程图和系统控制软件。 2 第一章 车运原煤自动采样 系统总体 方案 设计 车运原煤自动采样系统总体方案的 设计 应包括以下内容： 采制样装置结构型式 的确定， 采制样装置基本组成 、 采制样装置工作原理 、 采制样装置主要设备的技术参数及机构 的选择等内容。 一般应根据设计任务和要求提出数个总体方案，进行综合分析、比较和论证，最后确定一个可行的总体方案 。 一、 总体方案确定 （一） 概述 煤的计量及其机械自动采制样是火力发电厂实现计算煤耗的前提，电力部颁布的火力发电 厂按入炉煤量正平衡计算发电煤耗（试行）中指出 “机械自动采样装置是目前唯一能够采到具有代表性样品的手段 ”。 入厂煤机械自动采制样装置中机械结构设计新型实用，整体结构布局通畅，选取的技术参数合理，工艺调节方便，适应范围广。适用于火力发电厂的入厂煤采样及其它类似场合。机械可长期稳定运转，不堵煤，采样后的子样代表性强，满足现场实际需要。该装置作为现代化采制样设备，可为电厂，煤矿等有关单位提供煤质检测和监督的可靠依据，并且有助于燃煤管理的科学化和规范化。 电气控制部分采用目前国际上流行的可编程控制器作为主控元件， 在设计思想上力求与国际接轨。因此，可靠性显著增强，控制性能大为提高，而且具有智能化的优点。 该设备采样技术及工艺过程完全符合 GB475-96 商品煤样采取方法的规定，制样方案完全符合 GB474-96 煤样的制备方法 图 1-1 入厂煤机械自动采样装置 示意 图 3 （二） 采样装置结构型式 入厂煤机械自动采样装置依靠来煤运输方式可分为汽车采样装置和火车采样装置。而根据具体结构不同分为悬臂式，行车式；火车采制样装置根据跨车轨道数分为跨双轨龙门式，跨单轨悬单轨龙门式，悬双轨龙门式及其它派生结构。 悬臂式汽车采制样 装置为人工选点自动采制样，其它型式采制样装置均为全自动采制样。可选用工控机控制并进行软操作。 本设计采用的是行车式汽车采样装置。 （三） 采样装置基本组成 不论汽车采制样装置还是火车采制样装置，都由采样系统，制样系统，余煤返回系统和控制操作四大部分组成。采样系统主要由螺旋采样头，螺旋采样头升降机构，采样选点机构等组成；控制操作系统主要由控制系统，操作系统，检测系统等组成。 1 大车行走机构 它主要由大车、车轮及导轨等构成。 2 小车行走机构 它主要由小车、车轮及导轨等构成。 3 螺旋采样头 该机构主要 由液压驱动马达，轴承座，采样管，采样螺旋叶片轴，料仓，破碎刀头组成。 4 限位开关等 如：大车限位开关，小车限位开关，螺旋采样头升降限位开关等。 5 驱动电机 大车行走机构的驱动电机，小车行走机构的驱动电机，螺旋采样头正反转的驱动电机，螺旋采样头升降的驱动电机等。 6 PLC控制系统 采用可编程器和工控机进行联合控制，可实现自动和手动两种工作方式。 4 图 1-2 入厂煤机械自动采样装置 示意 图 汽车采样系统分悬臂式、桥式、龙门式采 样系统。该系统是按有关标准规定 选点采取煤样，并制成一定粒度要求供理化分析煤样的专用设备。在预先设定的程序的控制下，实现自动运行 。 5 图 1-3 入厂煤机械自动采样装置 示意 图 （ 四 ） 采 样装置工作原理 采 样装置到达预定采样点后，选点机构自动锁紧，启动采制样系统，并由螺旋采样头降机构驱动至预设煤层深处开始采样，集料仓关闭。到达采样深度后，螺旋采样头回至上部极限位置，选点机构行至放料点，集料仓自动开启，煤样经过给料机构送到制样系统内，经过破碎缩分，所需煤样进入集样瓶，余煤经过余煤返回系统排出。同时采样头放完煤样后，又返回到所设点，准备下一煤 车采样。 采样装置工作 流程图见后。 6 图 1-4 采样装置工作流程图 7 二 、 设计 采 样装置 及其 主要设备 （一） 采 样装置重要技术参数 表 1-1 汽车采制样装置主要技术性能参数 序号 项 目 悬 臂 式 行 车 式 适用车型 5T-20T 标准汽车 5T 20T 标准汽车 1 适用煤水分 14% 14% 2 单点采样时间 60S 60S 3 制样粒度 6mm 或按用户要求 6mm 或按用户要求 4 缩 分 比 1:41:40 1:41:40 5 系统水分损失 1% 1% 6 集样瓶 换取方式 自动换取 自动换取 7 集样瓶数量 4 个（标准） 4 个（标准） 8 最大回转半径 3.7m（标准） 9 回转角度范围 50 10 大车行走距离 20m 11 小车行走距离 10m 12 执行标准 GB474、 GB475 GB474、 GB475 13 装机总容量 40KW 40KW 14 装置总重量 20T 18T 本设计选用的是 行车式汽车采制样装置 。 8 （二） 采 样装置主要设备的技术参数及机构特点 1.螺旋采样头 （ 1） 液压传动式螺旋采样头 型号 采样头转速 液压系统压力 采样头驱动马达 YCT-250 200-300RPM 1.6MPa 10JM11-0.5 采样头根据螺旋垂直输送物料的原理设计而成，结构为液压螺旋钻取式，能用于煤面下较大深度的全面断面采样。采样头头部装有破碎刀刃能适应冬季冻煤，对大煤块有破碎作用。采用液压马达驱动螺旋采样头旋转，转速可调。当有异物进入螺旋采样头使 其实际扭矩超过额定扭矩时，螺旋采样头能自动停止转动，达到自我保护的目的，并能反转排除异物。 该机构主要由液压驱动马达，轴承座，采样管，采样螺旋叶片轴，料仓，破碎刀头组成。采样头转速在一定范围内无级可调。 （ 2）电力传动式采样头 型号 采样头转速 采样头功率 采样头驱动减速机 JCT-250 200-300RPM 7.5KW FAF77DV132M4 采样头根据螺旋垂直输送物料的原理设计而成，结构为电力螺旋钻取式，能用于煤面下较大深度的全断面采样。采样头头部装有破碎刀刃能适应冬季冻煤，对大煤块有 破碎作用。 该机构主要由 SEW 带电机减速机、轴承座、采样管、采样螺旋叶片轴、料仓、破碎刀头等组成。 本设计选用的是 液压传动式螺旋采样头 。 2.螺旋采样头升降机构 （ 1） 电液推杆推动式螺旋采样头升降机构 型号 额定输出力 （ KGF） 额定转速 （ MM/S） 电机型号 行程 （ MM） 推力 拉力 推速 拉速 XDGP2500-2000/80 2500 1900 80 100 Y100L-3-4KW 2000 电液推杆是一种机电液一体化的新型柔性传动机构，它由执行机构（油缸），控制机构（液压控 制阀组），和压力源（油泵，电机等）组成。接通电动机电源，通过控制电动机正反转，使双向油泵输出压力油，经液压控制阀送至油缸，实现油缸的往复。从而带动螺旋采样头沿导轨升降，实现全煤层采样。其升降速度一般为固定值。 （ 2）液压油缸推动式 压油站输出压力油，经液压控制阀送至油缸，实现油缸的往复运动。从而带动螺旋 9 采样头沿导轨升降，实现全煤层采样。其升降速度在一定范围内无级可调。 （ 3） 电动绞车驱动式 升降速度 驱动电机型号 减速机型号 刹车装置 100MM/（升） 70MM/S（降） YDEJI32S-4/6 XWD6-59-3/4 有 通过控制电动机绞车正反转，带动绞车钢丝绳上下运动，从而带动螺旋采样头沿导规升降，实现全煤层采样。其升降速度一般为固定值。 电液推杆推动式和电动绞车驱动式结构简单、可靠、控制方便；而液压油缸推动式需要配置液压站，控制较复杂，现场调试周期长。 本设计选用的是 电液推杆推动式螺旋采样头升降机构 。 3.选点机构 （ 1） 桥式采样选点机构 速度 功率 减速机型号 刹车装置 大车行走机构 0.65M/S 2.2KW BWY18-29 有 小车行走机构 0.32M/S 1.5KW BWY22-59 有 采用桥式行车梁箱式结构，此种方式能实现全自动随机选点。 （ 2）回转式 速度 功率 减速机型号 刹车装置 回转机构 1RPM 0.75KW BLY2215-43*11 有 小车行走机构 0.3M/S 1.1KW FA47DT90S4BMG 有 通过回转机构的小车行走机构的运动来实现采样选点。此种方式需人工操作选点。 本设计选用的是 桥式采样选点机构 。 （三） SDCY型 采制样装置 介绍 1 概述 SDCY采制样装置是在吸收国外先进经验基础上，根据国内工业现状设计的系列产品 ，它实现了采取具有代表性子样的目的。该采样装置根据使用不同，可分为皮带机头部、中部采制样系统和汽车、火车螺旋采制样系统。整个系统不易堵煤、报警监测系统完善，程控特性好，且易于安装维护。 10 2 采样系统 采样系统的工作过程一般如下：初级采样机按所编程序每隔一定的时间间隔采集一次子样，子样被放入样品给料机上，给料机将初级样品连续均匀地输入破碎机，破碎机按规定的粒度要求进行破碎，破碎后的物料经过初级采样机进行二次采样缩分，最终样品进入样品收集器内，系统中的余料经处理设备返回到物料流中。 3 汽车螺旋采制 样机系统 优点 可 快速、可靠地采样，小时取样能力高达 30车； 设计坚固、紧凑的结构，可使维护量减到最低限度； 全部预先安装接线，并经过严格的检测，可节省现场装配费用； 可保证均匀的给料流量和减少煤尘及堵塞问题； 一至两个采样点，可使余料降到最低限度。 11 第二章 车运原煤自动采样系统控制系统设计 一、 采 样装置 的 PLC 控制系统 组成 （一） 电源 动力回路：交流 380V 三相 50HZ 控制回路：交流 220V 单相 50HZ 采制样设备采用独立的配电系统，系统装有欠压、短路、过载、缺相等保护装置，具有良好的短路，过载及保护功能。装置 的 设备之间装有可靠的联锁及互锁功能。 控制系统采用 PLC 进行编程控制，系统具有现场手动和远程自动控制两种方式。现场手动用于调试，维修和单机启动。当选择自动工作方式时，采制样装置设备可按规定程序自动启动和停止，自动采制样品；也可以选择解锁，由操作人员根据现场实际情况，有选择的启动，停止采制样系统。 控制系统具有自动检索设备工作状况的功能，系统根据设在设备上传感器的信号，自动检查 设备工作正常与否，有故障即可报警。报警后鼓掌处上部设备即可停机，下部设备按程序延时停止，防止堵煤。 电气柜面板上设有用调整采样及缩分间隔的定时器，可根据不同煤种改变定时器的设定，使 PLC自动调整系统工作，确保采样的子样数，样品质量符合有关规定。 （二） 操 作 方式 电气控制系统采用可编程器和工控机进行联合。可实现自动和 手动 两 种工作方式。 自动工作方式：将电气柜控制面板上工作方式选择开关置于自动状态，按一下系统启动按钮，制样系统自动按顺序启停。启动过程完成后，如有汽车进入采样位置，再按一下系统启动按钮，采样系统即 自动定位、自动采样，然后自动都退回原位放料，制样系统制完样后自动按顺序停机。 手动工作方式：将电气柜控制面板上工作方式选择开关置于手动状态， 所有设备均需用相应操作开关启停，此方式用于平时维护和检修。 二、 PLC的工作原理和结构组成 （一） 硬件组成 PLC生产厂家很多，产品的结构也各不相同，但它们的基本构成相同，都采用计算机结构，如图 2 1所示。由图可见主要有 6个部分组成，包括 CPU（中央处理器）、存储器、输入 /输出接口电路、电源、外设接口、 I/O扩展接口。 12 图 2-1 PLC 结构示意图 1. 微处理器 (CPU 及其存储器 ) PLC 是一种数字运算的电子设备 ,它专为工业环境下应用而设计 ,微处理器及其存储器是 PLC 的心脏和管理、指挥中心 . 系统程序是由厂家编好并存入系统存储器中 ,接受用户通过外设输入的用户程序 ,并将它们存于用户程序存储器中 . 进入运行状态 ,操作系统先进行自我诊断 , 通过后转入用户程序运行 . 经过逻辑运算、算术运算等操作 . 并通过数字式 ,模拟式的输出控制各类型的相关设备或生产过程。 CPU 的主要功能： （ 1）接收输入信号，并送入存储器 存储起来； （ 2）按存入指令的顺序，从存储器中取出用户指令进行翻译； （ 3）执行指令规定的操作，并将结果输出； （ 4）接收输入、输出接口发来的中断请求，并进行中断处理，然后再返回主程序继续顺序执行。 2 存储器 存储器主要功能是存放程序和数据。程序是 PLC 操作的依据，数据是 PLC 操作的对象。根据存储器在系统中的作用，可分为系统程序存储器和用户程序存储器。 （ 1）系统程序存储器。系统程序是指对整个 PLC 系统进行调度、管理、监视及服务的程序，它决定了 PLC 的基本智能，使 PLC 能完成设计者要求的各项任务。系统 程序存储器用来存放这部分程序。 （ 2）用户程序存储器。用户程序是用户在各自的控制系统中开发的程序，是针对具体问题编制的。用户程序存储器用来存放用户程序，以及存放输入 /输出状态、计数 /定时的值、中间结果等，由于这些程序或数据需要经常改变、调试，故用户程序存储器多为随机存储器（ RAM）。 13 PLC 具备了系统程序，才能使用户有效地使用 PLC； PLC 系统具备了用户程序，通过运行才能发挥 PLC 的功能。 3. 输入和输出接口 输入、输出接口电路是 PLC 与现场 I/O 设备相连接的部件。它的作用是将输入信号转换为 CPU 能 够接收和处理的信号，将 CPU 送出的弱电信号转换为外部设备所需要的强电信号。因此，它不仅能完成输入、输出接口电路信号传递和转换，而且有效地抑制了干扰，起到了与外部电的隔离作用。 （ 1）输入接口电路。输入接口一般接收按钮开关、限位开关、继电器触点等信号。 （ 2）输出接口电路。输出接口电路按照 PLC 的类型不同一般分为继电器输出型、晶体管输出型和晶闸管输出型三类，以满足各种用户的要求。 4电源 PLC 的电源电路是将交流电源经整流、滤波、稳压后变换成供 PLC 的中央处理、存储器等电子电路工作所需的直流电压。为保证 PLC 工作可靠，一般采用的是开关型稳压电源，其特点是电压范围宽、体积小、重量轻、效率高、抗干扰性能好。 5. 通信接口、系统总线 通信接口是人与 PLC 进行信息交换的窗口和桥梁 ,通过它与计算机编程器等相连接 ,可以将用户程序送到 PLC 的用户程序存储器中 ,从而实现编程、调试、运行、监控等功能 . 系统总线把各独立的功能模块相互联结起来 . （二） 软件组成 PLC 控制系统的软件主要由系统软件、应用软件、编程语言和编程支持工具软件等组成 。 （三） 工作原理 PLC 采用一种叫做循环扫描的工作方式 ,在系统软件的支持下 ,PLC 对用户程序逐行进行解释并加以执行 ,直到用户程序结束 ,然后再返回程序的起始点又开始新一轮的扫描 . 扫描一次用户程序的时间即扫描周期一般为 0. 1ms几十 ms 不等 . 但其结果使人感觉到的效果如同继电器控制屏一样 . PLC 的工作方式为循环扫描方式。 PLC 的工作过程大致分为 3 个阶段，即输入采样、程序执行和输出刷新。 PLC 重复的执行上述 3 个阶段，周而复始。每重复一次的时间称为 一个扫描周期。 （ 1）输入采样 PLC 在系统程序控制下以扫描方式顺序读输入端口的状态（如开关的接通或断开），并写入输入状态寄存器 ，此时输入状态寄存器被刷新。接着转入程序执行阶段。在程序执行期间，即使输入状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会改变。输入状态的改变只能在下一个扫描周期输入采样到来时，才能重新读入。 14 （ 2）程序执行 PLC 按照梯形图先左后右，先上后下的顺序扫描执行每一条用户程序。执行程序时所用的输入变量和输出变量，是在相应的输入状态寄存器和输出状态寄存器中取用，运算的结果写入输出状态寄存器。 （ 3）输出刷新 将输出状态寄存器的内容传送给输出端口，驱动输出设备，这才是 PLC 的实际输出。 上述三个阶段构成了 PLC 的一个工作 周期。实际上 PLC 的扫描工作还要完成自诊断，与编程器、计算机等通信，如图 2 2 所示。如此 5 个工作阶段，构成了一个扫描周期。一般扫描时间长短主要取决于程序的长短，通常扫描周期为几十毫秒。 图 2-2 PLC工作过程图 （四） PLC 的性能和特点 由于引入了 PLC ,使系统较原系统具有如下优点 : (1) 电控系统中的继电器逻辑关系均可用编程器结合指令进行程序的编制 ,而且梯形图与控制电路图之间的转换十分方便 ; (2) 在不增加硬件的前提下 ,可增加许多种 保护 ; (3) 外线路控制执行继电器少 ,便于维护 ; (4) 系统内部故障可以直接在触摸显示屏或编程器上查出 ,处理方便 ; (5) 主控台能准确提供行程、速度、油压等数据 ,便于司机观察 ; (6) 控制精度高、扩展功能强。如需对系统的功能及参数进行改变 ,无须更改硬件接线 ,只要修改内部程序即可 ,真正实现了柔性控制。 （ 五 ）编程语言 PLC 是专为工业自动控制开发的装置。为利于推广普及，通常 PLC 不采用计算机的编程语言，而采用梯形图语言、助记符语言。除此之外，还可以使用逻辑功能图，而采用梯形图、逻辑方程等。有些 PLC可 使用 BASIC、 PASCAL、 C等高级语言。 1 梯形图语言 作为一种图形语言，它将 PLC内部的各种编程元件和各种具有特定功能的命令用专用图形符号定义，并按控制要求将有关图形符号按一定规律连接起来，构成描述输入、输出之间控制关系的图形。这种图形称为 PLC 梯形图。 PLC 梯形图表示的并不是一个实际电路，而是一个控制程序。 PLC 梯形图中的继电 15 器是广义的，除了有输出继电器线圈、内部继电器线圈，而且还有定时器、计数器以及各种运算等。 PLC 梯形图中继电器的触点对应的是存储器的存储单元，在整个程序运行中是对这个信息的读取、 可以多次重复使用。因此可认为 PLC内部的“软继电器”有无数个常闭或常开触点供用户使用，没有使用寿命的限制，无需用复杂的程序结构来减少触点的使用次数。 PLC 梯形图是串行工作方式，按梯形图先后顺序自左至右，自上而下执行，并循环扫描，不存在几条并列支路电器同时动作因素。如果逻辑继电器状态改变时，其许多触点只有被扫描的触点才会工作。这种串行工作方式可以在梯形图设计时减少许多有约束关系的连锁电路，使电路设计简化。 2 助记符语言 助记符语言类似于计算机的汇编语言。它采用一些简洁易记的文字符号表示各种程序指令，与梯形图语 言相互对应，而且可以相互转换。梯形图语言虽然直观、方便、易懂，但必须配有较大的显示器才能输入图形，一般多用于计算机编程环境中。而助记符语言常用于手持编程器，可以通过输入助记符语言在生产现场编制、调试程序。 助记符语言包含 2 个部分，即：操作码、操作数。操作码表明该条指令应执行的操作种类，如数据传送、算术运算、逻辑运算等；操作数一般由标识符和参数组成。标识符表明输入继电器、输出继电器、计数器、定时器等；参数可以是一个常数，如计数器、定时器的设定值等。与计算机相比， PLC 的硬件、软件体系结构都是封闭的，而不是开放 的。因此，各厂家生产的 PLC除梯形图相似，指令系统并不一致，使 PLC互不兼容。 三 、 PLC 的选择 随着 PLC 的推广普及， PLC 产品的种类和数量越来越多，而且功能也日趋完善。近年来，从美国、日本、德国等国引进的 PLC 产品及国内厂家组装或自行开发的产品已有几十个系列、上百种型号。 PLC 的品种繁多，其结构型式、性能、容量、指令系统、编程方法、价格等各不相同，适用场合也各有侧重。因此，合理选择 PLC，对于提高PLC 在控制系统中的应用起着重要作用。 根据 PLC 结构形式的不同， PLC 主要可分为整体式和模块式两类。 模 块式结构的 PLC 是由一些模块单元构成，如 CPU 模块、输入模块、输出模块、电源模块和各种功能模块等，将这些模块插在基板上即可。各模块功能是独立的，外形尺寸是统一的 ，可根据需要灵活配置。因此，较复杂的、要求较高的系统一般选用模块式的 PLC。 据 系统 的控制要求可以得知需设置 26 个输入量 ， 16 个输出量 ，选用输入点数为 48、输出点数为 32 的 CQM1HCPU21-E 型可编程控制器即可满足要求。 因此，选择为模块式的 PLC。 输入器件和 CQM1HCPU21-E 型 可编程控制器输入点的分配如 表 所示。 16 表 2-1 输入 信号 序号 名称 符号 1 半自动 SA1 2 自动 SA1 3 系统启动 SB1 4 系统停止 SQ2 5 大车原位 1 SQ8 6 大车计数 SQ9 7 小车原位 SQ10 8 小车计数 SQ11 9 采样头原位 SQ12 10 螺旋采样头计数 SQ13 11 汽车定位开关 KB 12 电铃按钮 SB3 13 急停 SB4 14 大车前进把手 SA2 15 大车后退把手 SA2 16 小车前进把手 SA2 17 小车后退把手 SA2 18 采样头上升把手 SA3 19 采样头下降把手 SA3 20 采样头料门开把手 SA3 21 采样头料门关把手 SA3 22 采样头正转按钮 SB5 23 采样头反转按钮 SB5 24 过载保护 FR2 25 大车原位 2 SQ14 26 破碎选择 SA4 17 表 2-2 输出 信号 （一）机型选择 PLC 机型选择的基本原则是，在功能满足要求的前提下，选择最可靠、维护使用最方便以及性能价格比的最优化机型。 在工艺过程比较固定、环境条件较好（维修量较小）的场合，建议选用整体式结构的 PLC；其它情况则最好选用模块式结构 的 PLC。 对于开关量控制以及以开关量控制为主、带少量模拟量控制的工程项目中，一般其控制速度无须考虑，因此，选用带转换、转换、加减运算、数据传送功能的低档机就能满足要求。 而在控制比较复杂，控制功能要求比较高的工程项目中（如要实现 PID 运算、闭环控制、通信联网等），可视控制规模及复杂程度来选用中档或高档机。其中高档机主要用于大规模过程控制、全 PLC 的分布式控制系统以及整个工厂的自动化等。根据不同的应用对象 。 对于一个大型企业系统，应尽量做到机型统一。这样，同一机型的 PLC 模块可互为备用，便于备品 备件的采购和管理；同时，其统一的功能及编程方法也有利于技术力量的培训、技术水平的提高和功能的开发；此外，由于其外部设备通用，资源可以共享，因此，配以上位计算机后即可把控制各独立系统的多台 PLC 联成一个多级分布式控制系统，这样便于相互通信，集中管理。 序号 名称 符号 1 采样头料门开 SQ1 2 采样头料门关 SQ2 3 电铃 B 4 大车前进 SQ3 5 大车后退 SQ4、 SQ5 6 采样头下降 KM3 7 采样头上升 KM3F 8 采样头正转 KM4 9 采样头反转 KM4F 10 小车前进 SQ6 11 小车后退 SQ7 12 挡车器抬 KA1 13 挡车器放 KA2 14 电源 HL1 15 大车后退破碎 SQ4 16 大车后退不破碎 SQ5 18 （二） 输入输出的选择 PLC是一种工业控制系统，它的控制对象是工业生产设备或工业生产过程，工作环境是工业生产现场。它与工业生产过程的联系是通过 I O接口模块来实现的。 通过 I O接口模块可以检测被控生产过程的各种参数，并以这些现场数据作为控制信息对被控对象进 行控制。同时通过 I O接口模块将控制器的处理结果送给被控设备或工业生产过程，从而驱动各种执行机构来实现控制。 PLC从现场收集的信息及输出给 外部设备的控制信号都需经过一定距离，为了确保这些信息的正确无误 ,PLC的 I O接口模块都具有较好的抗干扰能力。 根据实际需要，一般情况下， PLC都有许多 I O接口模块，包括开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块以及其它一些特殊模块，使用时应根据它们的特点进行选择 。 1 确定 I O 点数 根据控制系统的要求确定所需要的 I O 点数时 ， 应再增加 10 20的备用量，以便随时增加控制功能。对于一个控制对象，由于采用的控制方法不同， I O 点数也有所不同。 2 开关量输入输出 通过标准的输入输出接口可从传感器和开关（如按钮、限位开关等）及控制（开关）设备（如指示灯、报警器等）接收信号。典型的交流输入输出信号为 24 240，直流输入输出信号为 5 240。 尽管输入电路因制造厂家不同而不同，但有些特性是相同的。如用于消除错误信号的抖动电路；免于较大瞬态过电压的浪涌保护电路等。此外，大多数输入电路在高压电源输入和接口电路的控制逻辑部分之间都设有可 选的隔离电路。 3 模拟量输入输出 模拟量输入输出接口一般用来感知传感器产生的信号。这些接口可用于测量流量、温度和压力，并可用于控制电压或电流输出设备。这些接口的典型量程为 1010、 0 10、 4 20或 10 50。 从上面分析可以知道，系统共有开关量输入点 25个、开关量输出点 15个：模拟量输入点 1个，模拟量输出点 1个。参照欧姆龙系列产品目录及市场实际价格，选用主机为 CQM1H-CPU21-E型，加上两台输入扩展模块和一台输出扩展模块。这样的配置是最经济的。 19 （ 三 ） 存储器类 型及容量选择 PLC系统所用的存储器基本上由、 -及三种类型组成，存储容量则随机器的大小变化，一般小型机的最大存储能力低于 6，中型机的最大存储能力可达 64，大型机的最大存储能力可上兆字节。使用时可以根据程序及数据的存储需要来选用合适的机型，必要时也可专门进行存储器的扩充设计。 PLC的存储器容量选择和计算的第一种方法是：根据编程使用的节点数精确计算存储器的实际使用容量。第二种为估算法，用户可根据控制规模和应用目的，按照 相应的公式来估算。为了使用方便，一般应留有 25 30的裕量，获取存储容量的最佳方法是生成程序，即用了多少字。知道每条指令所用的字数，用户便可确定准确的存储容量。 在本设计中，由于 环境条件较 差， 维修量较 大， 所以 选用模块式结构的 PLC。 本系统是 以开关量控制为主、带少量模拟量控制的项目，其控制速度无须考虑，因此，选用带转换、转换、加减运算、数据传送功能的低档机就能满足要求。 根据控制系统的要求确定所需要的 I O 点数 分配 为 ： 输入点数为 26、输出点数为 16。所以，选用输入点数为 48、输出点数为 32 的 CQM1HCPU21-E 型 的模块式 可编程控制器即可满足要求。 20 四、 CPU 模块型式及电源模块型式 规格 表 2-3 CPU模块 规格 CPU 模块型式 CQM1CPU21 型 输入 /出点数 最大 128 控制方式 存储程序方式 输入 /出控制方式 循环扫描方式 /晶体管输出，中断处理 程序语言 梯形 图 方式 指令长度 1 步 /1 指令， 14WORD 指令 指令种类 118 种（基本指令 14 种，应用指令 104 种） 指令处理时间 基本指令 0.5-1.5us（ LD 指令： 0.5us， TIM 指令：1.5us）应用指令数 10us（ MOV 指令： 23.5us 程序容量（内藏 RAM） 用户程序记忆： 3.2K word 资料记忆： 6Kword 中断输入 4 点（ IN0000-00003） 停电保持功能 保持电驿（ HR）补助电驿（ AR）资料记忆（ DM）记时（ RTC）内容保持 电池寿命 电池有效期 5 年 没有通电时记忆时间因周围温度不同有差异 电池有异常时灯会亮，请在一周内更换（更换电池时间： 5 分钟内） 自诊断功能 CPU 异常（ WDT）、记忆复查、 I/O BUS 检查、电池异常 上位 Link 异常、 CPU BUS 异常 表 2-4 输 入 模块 规格 类别 DC 输入 型式 CQM1-CPU11/21 型 输入点数 16 点 输入电压 DC24V+10%-15% 输入电流 TYP.D24V IN04/05 10mA 其他 6mA 输入稳定性 IN04/05 2.2k 其他 3.9k 动用电压 ON 电压 最小 DC14.4 OFF 电压 最大 DC5.0V 输入应答时间 ON 响应 8ms 以下 OFF 响应 8ms 以下 绝缘方式 光电耦合方式 输入显示 LED 外部连接 端子台 共同点数 16 点 /共用 21 表 2-5 输出模块 规格 类型 型式 输出点数 最大开关能力 最小开关能力 输出响应时间 输出显示 外部连接 漏电电流 1共通点数 保险丝 外部供给电源容量 内部消耗电流 (DC5V) ON 响应 OFF 响应 晶体管输出 CQM1- OC222 型 16点 AC250 2A(COS =1) AC250 2A(COS =0,4 DC24V 2A(8A/模块 ) DC5V 10MS 10mA 以下 5mA 以下 LED 端子台 16点/共用 850mA以下 表 2-6 电源模块 规格 电源模块型式 CQM1-PA206 型 电源电压 /频率 AC100240V 50/60Hz 容许电压变动范围 AC85-264V 消耗电力 120VA 以下 电源输出容量 总共 30W DC5V： 6A D24V： 0.5A 绝缘阻抗 电源模块 AC 外部端子和 GR 端子间20M 以上 (在 DC500VMega) 耐电压 电源模块 AC外部端子和 GR端子间 AC 2300 50/60Hz 一分钟 ,漏电电流 10m 以后 电源模块 DC外部端子和 GR端子间 AC 1000V 50/60Hz 一分钟 ,漏电电流 20mA以下 抗干扰 1500Vpp 脉冲幅宽 100ns-1s 脉冲 (根据干扰模拟器 22 五 、变频器的选型 （一） 概述 变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。 20世纪 60年代以后，电力电子器件经历了 SCR（晶闸管）、 GTO（门极可关断晶闸管）、 BJT（双极型功率晶体管）、 MOSFET（金属氧化物场效应管）、 SIT（静电感应晶体管）、 SITH（静电感应晶闸管）、 MGT（ MOS控制晶体管）、 MCT（ MOS控制晶闸管）、 IGBT（绝缘栅双极型晶体管）、 HVIGBT（耐高压绝缘栅双极型晶闸管）的发展过程，器件的更新促进了电力电子变换技术的不断发展。20世纪 70年代开始，脉宽调制变压变频（ PWM VVVF）调速研究引起了人们的高度重视。20世纪 80年代，作为变频技术核心的 PWM模式优化问题吸引着人们的浓厚兴趣，并得出诸多优化模式，其中以鞍形波 PWM模式效果最佳。 20世纪 80年代后半期开始，美、日、德、英等发达国家的 VVVF变频器已投入市场并获得了广泛应用。 随着中国经济的飞速发展，交流调速技术得到了广泛的应用，变频调速在频率范围、动态响应、调速精度、低频恒转矩 、转差补偿、通信功能、智能控制、功率因数、工作效率和使用方便等方面是以往的交流调速方式无法比拟的，它具有能用性强、拖动领域宽、保护功能完善、可靠性高及操作简便等优点、深受钢铁、冶金、矿山、石油、化工、医药、纺织、机械、电力、轻工、建材、造纸、印刷、卷烟和来水等行业的欢迎，社会效益非常显著。 U/f=C 的正弦脉宽调制（ SPWM）控制方式的特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。 变频器是运动控制系统中的功率变换器。当今的运动控制系统 包含多种学科的技术领域，总的发展趋势是：驱动的交流化，功率变换器的高频化，控制的数字化、智能化和网络化。因此，变频器作为系统的重要功率变换部件，提供可控的高性能变压变频的交流电源而得到迅猛发展。 随着新型电力电子器件和高性能微处理器的应用以及控制技术的发展，变频器的性能价格比越来越高，体积越来越小，而厂家仍然在不断地提高可靠性实现变频器的进一步小型轻量化、高性能化和多功能化以及无公害化而做着新的努力。变频器性能的优劣，一要看其输出交流电压的谐波对电机的影响；二要看对电网的谐波污染和输入功率因数；三要看本身的 能量损耗（即效率）如何。 通常，把电压和频率固定不变的工频交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。为了产生可变的电压和频率，该设备首先要把电源的交流电变换为直流电（ DC），这个过程叫整流。把直流电（ DC）变换为交流电（ AC）的装置，其科学术语为“ inverter” (逆变器 )。一般逆变器是把直流电源逆变为一定的固定频率和一定电压的逆变电源。对于逆变为频率可调、电压可调的逆变器我们称为变频器。变频器输出的波形是模拟正弦波，主要是用在三相异步电动机调速用，又叫变频调速器由于变频器设备中产生变化的电 压或频率的主要装置叫“ inverter”，故该产品本身就被命名为“ inverter”，即：变频器。 （二） 变频器的分类 1 变频器按其供电电压分为：常压变频器 (220V 380V 400V 690V)，中高压变频器1.4KV 2.3KV 3.3KV 4.16KV 6KV 6.6KV 1OKV)。 23 2 变频器按其控制方式分为： V f控制、矢量控制和直接转矩控制三种。 3 变频器按其功能分为：恒转矩变频器、恒功率变频器、平方转矩型变频器、高性能通用变频器、专用变频器等。 4 变频器按有无中间直流环节分为：交一交变频器 和交一直一交变频器。 5 变频器按中间直流源的性质分为：电流型变频器和电压型变频器。 6 变频器按其输出功率大小分为：小功率变频器、中功率变频器和大功率变频器。 （三） 变频器的合理选用 1 变频调速原理 异步电动机的转速总是小于其同步转速。异步电动机的同步转速是由其磁极对数和电源频率所决定的。轴转速 公式： n=60f(1-S) p （ 2.1） 式中， f-供电频率 (Hz)； P-定子绕组的磁极对数，如 4极电机 P=2， 8极电机 P=4； S-转子的转差率， n-同步转速， r min； n-异步电动机转子的实际转速， r min。同步转速 no=6Of P，例如， f=50Hz， P=2， no=1500 r min。如果该电动机的空载转率差S=0.00267，该电动机的空载转速为： n=no(1 0.00267)=1500(1 0.00267)=1496 r min。 调节参数 f、 s和 P中的任意一个，即可达到改变异步电动机转速而对异步电动机进行调速控制的目的。变频器就是一个可以任意改变频率 f和输出电压可调的交流电源。 2 变频器 功率的选用 变频器负载率 B与效率 的关系：当 fl=5o时， 11=94；当 fl=mo时， 11： 96。虽然 增加 1倍，仅增加 2，但对大功率 (如几百 kW 至几千 kW)电动机而言还是可观的。系统效率等于变频器效率与电动机效率的乘积，只有两者都处在较高的效率下工作时，则系统效率才较高。从效率角度出发，在选用变频器功率时，要注意以下几点： (1)变频器功率值与电动机功率值相同时最合适，以利于变频器在高效率状态下运转。 (2)在变频器的功率分级与电动机功率分级不相同时，则变频器的功率要尽可能接近电动机的功率，并 且应略大于电动机的功率。 (3)当电动机属频繁起动、制动工作或处于重载起动且较频繁工作时，可选取功率大一级的变频器，以利于变频器长期、安全地运行。 (4)经测试，电动机实际功率确实有富余，可以考虑选用功率小于电动机功率的变频器，但要注意瞬时峰值电流是否会造成过电流保护动作。 (5)当变频器与电动机功率不相同时，则必须相应调整节能程序的设置，以达到较好的节能效果。 3 根据变频调速控制系统的控制方式选用通用变频器 由通用变频器和异步电动机构成的变频调速控制系统主要有开环控制和闭环控制两种方式。 (1)开环控制方式。一般采用普通功能的 v f控制通用变 频器 。 (2)闭环控制方式。一般采用带 PID控制器的 v f控制通 用变 频器 运行 。 24 4 选型原则 首先要根据机械对转速 (最高、最低 )和转矩 (起动、连续及过载 )的要求，确定机械要求的最大输入功率 (即电机的额定功率最小值 )。有经验公式： P=nT/9950(kW) （ 2.2） 式中 :P 机械要求的输入功率 (kW)； n 机械转速 (m/s)； T 机械的最大转矩 (N m)。 (1) 小车 110 . 3 / ; 4 9 5 0 .n m s T N m由式（ 2.2），得 111 0 . 3 4 9 7 5 0 1 . 5 ( )9 5 5 0 9 5 5 0nTP k W所以，选定小车得驱动电机功率为1 1.5P kW。 （ 2）大车 220 . 4 4 / ; 3 3 9 2 0 .n m s T N m由式（ 2.2），得 222 0 . 4 4 3 3 9 2 0 1 . 59 5 5 0 9 5 5 0nTP k W 所以，选定大车的驱动电机功率为2 1.5P kW。 然后，选 择电机的极数和额定功率。电机的极数决定了同步转速，要求电机的同步转速尽可能地覆盖整个调速范围，使连续负载容量高一些。为了充分利用设备潜能，避免浪费，可允许电机短时超出同步转速，但必须小于电机允许的最大转速。转矩取设备在起动、连续运行、过载或最高转速等状态下的最大转矩。最后，根据变频器输出功率和额定电流稍大于电机的功率和额定电流的原则来确定变频器的参数与型号。 需要注意的是，变频器的额定容量及参数是针对一定的海拔高度和环境温度而标出的，一般指海拔 1000m以下，温度在 40或 25以下。若使用环境超出该规定， 则在确定变频器参数、型号时要考虑到环境造成的降容因素。选择时应按实际的负载特性，以满足使用要求为准。 5 变频器容量的确定 (1)基 本原则 选择通用变频器时，应以电动机的额定电流和负载特性为依据选择通用变频器的额定容量。通用变频器的额定容量各个 l生产厂商的定义有些差异，通常以不同的过载能力，如 125 、持续 1min或 150、 1min为标准确定额定允许输出电流。由于通用变频器输出中包含谐波成分，其电流有所增力 l1 J缸适当考虑 J Jll大容 当电动机属频繁启动、制动工作或处于雨载起动儿较顿繁工作时， 町选取大一档的通用变频器以利于通用变频器 K期、安全地运行。其次应考虑最大和最小运行速度极限，满载低速运行时电动机可能过热。所