机电传动控制课程设计报
告
The Standardization Office was revised on the afternoon of December 13, 2020
引言
作为通用工业控制计算机，30年来，可编程控制器从无到有，实现了工业控制领域接线逻辑到存储逻辑的飞跃；其功能从弱到强，实现了逻辑控制到数字控制的进步；其应用领域从小到大，实现了单体设备简单控制到胜任运动控制、过程控制、及集散控制等各种任务的跨越。今天的可编程控制器正在成为工业控制领域的主流控制设备，在世界各地发挥着越来越大的作用。个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC），现在，仍常常将PLC简称PC。
可编程控制器的定义可编程控制器，简称PLC，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：“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都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而设计。
PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。
1 PLC控制系统设计
PLC控制系统设计的基本原则
任何一种控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。因此，在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则：
1.最大限度地满足被控对象的控制要求
2.C控制系统安全可靠
3. 力求简单、经济、使用及维修方便
4. 适应发展的需要
PLC机型选择
随着PLC的推广普及，PLC产品的种类和型号越来越多，功能日趋完善。从美国，日本、德国等国家引进的PLC产品及国内厂商组装或自行开发的PLC 产品已有几十个系列。上百种型号。其结构形式、性能、容量、指令系统，编程方法、价格等各有不同，适用的场合也各有侧重。因此，合理选择PLC产品，对于提高PLC控制系统的技术经济指标起着重要作用。一般来说，各个厂家生产的产品在可靠性上都是过关的，机型的选择主要是指在功能上如何满足自己需要，而不浪费机器容量。PLC的选择主要包括机型选择，容量选择，输入输出模块选择、电源模块选择等几个方面。
1、可编程控制器控制系统I/O点数估算
I/O点数是衡量可编程控制器规模大小的重要指标。根据被控对象的输入信号与输出信号的总点数，选择相应规模的可编程控制器并留有10%～15%的I/O 裕量。估算出被控对象上I/O点数后，就可选择点数相当的可编程控制器。如果是为了单机自动化或机电一体化产品，可选用小型机，如果控制系统较大，输入输出点数较多，被控制设备分散，就可选用大、中型可编程控制器。
2、内存估计
用户程序所需内存容量要受到下面几个因素的影响：内存利用率；开关量输入输出点数；模拟量输入输出点数。
（1）内存利用率用户编的程序通过编程器键入主机内，最后是以机器语言的形式存放在内存中，同样的程序，不同厂家的产品，在把程序变成机器语言存放时所需要的内存数不同，我们把一个程序段中的接点数与存放该程序段所代表的机器语言所需的内存字数的比值称为内存利用率。高的利用率给用
户带来好处。同样的程序可以减少内存量，从而降低内存投资。另外同样程序可缩短扫描周期时间，从而提高系统的响应。
（2）开关量输入输出的点数可编程控制器开关量输入输出总点数是计算所需内存储器容量的重要根据。一般系统中，开关量输入和开关量输出的比为6：4。这方面的经验公式是根据开关量输入、开关量输出的总点数给出的。
所需内存字数=开关量（输入+输出）总点数*10
（3）模拟量输入输出总点数具有模拟量控制的系统就要用到数字传送和运算的功能指令，这些功能指令内存利用率较低，因此所占内存数要增加。
在只有模拟量输入的系统中，一般要对模拟量进行读入、数字滤波、传送和比较运算。在模拟量输入输出同时存在的情况下，就要进行较复杂的运算，一般是闭环控制，内存要比只有模拟量输入的情况需要量大。在模拟量处理中。常常把模拟量读入、滤波及模拟量输出编成子程序使用，这使所占内存大大减少，特别是在模拟量路数比较多时。每一路模拟量所需的内存数会明显减少。下面给出一般情况下的经验公式：
只有模拟量输入时：
内存字数=模拟量点数*l00
模拟量输入输出同时存在时：
内存字数＝模拟量点数*200
这些经验公式的算法是在10点模拟量左右，当点数小于10时，内存字数要适当加大，点数多时，可适当减小。
综上所述，推荐下面的经验计算公式：
总存储器字数＝（开关量输人点数+开关量输出点数）*l0+模拟量点数
*150。然后按计算存储器字数的25%考虑裕量。
3、响应时间
对过程控制，扫描周期和响应时间必须认真考虑。可编程控制器顺序扫描的工作方式使它不能可靠地接收持续时间小于扫描周期的输入信号。例如某产品有效检测宽度为5cm，产品传送速度每分钟50m，为了确保不会漏检经过的产品，要求可编程控制器的扫描周期不能大于产品通过检测点的时间间隔60ms （T＝5cm ／50m／60s）。
系统响应时间是指输入信号产生时刻与由此而使输出信号状态发生变化时刻的时间间隔。系统响应时间＝输入滤波时间+输出滤波时间+扫描周期.
4、输入输出模块的选择
可编程控制器输入模块是检测并转换来自现场设备（按钮、限位开关；接近开关等）的高电平信号为机器内部电平信号，模块类型分直流5、12、24、
48、60V几种；交流115V和220V两种。由现场设备与模块之间的远近程度选择电压的大小。一般5、12、24V属低电平，传输距离不宜太远，例如5V的输入模块最远不能超过10m，也就是说，距离较远的设备选用较高电压的模块比较可靠。另外高密度的输入模块如32点、64点，同时接通点数取决于输入电压和环境温度。一般讲，同时接通点数不得超过60%。为了提高系统的稳定性，必须考虑门槛（接通电平与关断电平之差）电平的大小。门槛电平值越大，抗干扰能力越强，传输距离也就越远。
输出模块的任务是将机器内部信号电平转换为外部过程的控制信号。对于开关频繁、电感性、低功率因数的负载，推荐使用晶闸管输出模块，缺点是模块价格高；过载能力稍差。继电器输出模块优点是适用电压范围宽，导通压降损失小，价格便宜，缺点是寿命短，响应速度慢。输出模块同时接通点数的电流累计值必须小于公共端所允许通过的电流值。输出模块的电流值必须大于负载电流的额定值。
6、结构型式的考虑
PLC的结构分为整体式和模块式两种。整体式结构把PLC的I/O和CPU放在一块大印刷电路板上，节省了插接环节，结构紧凑，体积小，每一I/O点的平均价格也比模块式的便宜，所以小型PLC控制系统多采用整体式结构。模块式PLC的功能扩展，I/O点数的增减，输入与输出点数的比例，都比整体式方便灵活。维修时更换模块，判断与处理故障快速方便。因此，对于较复杂的要求较高的系统，一般选用模块式结构。
7、是否需要通讯联网的功能
大部分小型PLC都是以单机自动化为目的，一般没有和上位计算机通讯的接口。如果用户要求将PLC纳入工厂自动化控制网络，就应选用带有通讯接口的PLC。一般大、中型PLC都具有通讯功能。近年来，一些高性能的小型机（如FX、C40H、S5-100U等）也带有通讯接口，通过RS-232串行接口，与上位计算机或另一台PLC相连，也可以连接打印机、CRT等外部设备。
以上简要地介绍了PLC选型的依据和应考虑的几个问题，用户应根据生产实际的需要，综合考虑各种因素，选择性能价格比合适的产品，使被控对象的控制要求得到完全满足，也使PLC的功能得到充分发挥。
2 锅炉车间输煤机组控制PLC电气控制系统
锅炉车间输煤机组控制系统设计任务
锅炉车间输煤机组控制
输煤机组控制系统示意图如图2-1所示，输煤机组控制信号说明见表1。
图2-1 输煤机组控制系统示意图
表1 输煤机组控制信号说明
煤机组的拖动系统由6台三相异步电动机MA1～MA6和一台磁选料器MB1组成。SF0为手动/自动转换开关，SF1和SF2为自动开车/停车按钮，SF3为事故紧急停车按钮，SF4～SF9为6个控制按钮，手动时单机操作使用。PB 为开车/停车时讯响器，提示在输煤机组附近的工作人员物煤机准备起动请注意安全。PG1～PG6为MA1～MA6电动机运行指示，PG7为手动运行指示，PG8
为紧急停车指示，PG9为系统运行正常指示，PG10为系统故障指示。
输煤机组控制要求
(1) 手动开车/停车功能 SF0手柄指向左45o时，接点SF1-1接通，通过SF4～SF9控制按钮，对输煤机组单台设备独立调试与维护使用，任何一台单机开车/停车时都有音响提示，保证检修和调试时人身和设备安全。
(2) 自动开车/停车功能 SF0手柄指向右45o时，接点SF0-2接通，输煤机组自动运行。
1) 正常开车按下自动开车按钮SF1，音响提示5s后，回收电动机MA6起动运行并点亮PG6指示灯；10s后，2#送煤电动机MA5电动机起动运行并点亮PG5指示灯；10s后，提升电动机MA4起动运行并点亮PG4指示灯；10s 后，破碎电动机MA3起动运行并点亮HL3指示灯；10s后，1#送煤电动机
MA2起动运行并点亮PG2指示灯；10s后，给料器电动机MA1和磁选料器MB1起动运行并点亮PG1指示灯；10s后，点亮PG9系统正常运行指示灯，输煤机组正常运行。
2) 正常停车按下自动停止按钮SF2，音响提示5s后，给料器电动机MA1和磁选料器MB1停车并熄灭PG1指示灯，同时，熄灭PG9系统正常运行指示灯；10s后，1#送煤电动机MA2停车并熄灭PG2指示灯；10s后，破碎电动机MA3停车并熄灭PG3指示灯；10s后，提升电动机MA4停车并熄灭PG4指示灯；10s后，2#送煤电动机MA5电动机停车并熄灭PG5指示灯；10s后，回收电动机MA6停车并熄灭PG6指示灯；输煤机组全部正常停车。
3) 过载保护输煤机组有三相异步电动机MA1～MA6和磁选料器MB1的过载保护装置热继电器，如果电动机、磁选料器在输煤生产中，发生过载故障需立即全线停车并发出报警指示。系统故障指示灯PG10点亮，电铃PB断续报警20s，PG10一直点亮直到事故处理完毕，继续正常开车，恢复生产。
4) 紧急停车输煤机组正常生产过程中，可能会突发各种事件，因此需要设置紧急停车按钮，实现紧急停车防止事故扩大。紧急停车与正常停车不同，当按下红色蘑菇形紧急停车按钮SF3时，输煤机组立即全线停车，PB警报声持续10s停止，紧急停车指示灯PG8连续闪亮直到事故处理完毕，回复正常生产。
5) 系统正常运行指示输煤机组中，拖动电动机MA1～MA6和磁选料器MB1按照程序全部正常起动运行后，PG9指示灯点亮。如果有一台电动机或选料器未能正常起动运行，则视为故障，系统故障指示灯PG10点亮，输煤机组停车。
(3)相关参数
1)MA1～MA6及磁选料器MB1功率如图1-1中所示。
2)指示灯PG：，DC24V。
3)电铃PB：8W，AC220V。
锅炉车间输煤机组控制系统总体方案设计
为了保证输煤系统的正常、可靠运行，该系统应满足以下要求：
（1）供煤时，各设备的启动、停止必须遵循特定的顺序，即对各设备进行联锁控制；
（2）各设备启动和停止过程中，要合理设置时间间隔（延时）。启动，停车延时统一设定为10s。启动延时是为保证无煤堆积以发生故障；停车延时是为保证停车时破碎机等为空载状态；
（3）运行过程中，某一台设备发生故障时，应立即发出报警并自动停车，其整个输煤设备也立即停车。此外在现场也有控制系统装置运行的按钮；
（4）可显示各机电设备运行状况，在集中控制室即可控制系统设备启停。
锅炉车间输煤机组控制原理图设计
主电路设计
锅炉车间运煤机组系统主电路图如图2-2所示
图2-2锅炉车间运煤机组系统主电路图
1) 主回路中交流接触器QA1、QA2、QA3、QA4、QA5、QA5分别控制三相异步电动机M1～M6
2) 电动机M1、M2、M3、M4、M5、M6由热继电器FR1、FR2、FR3、FR4、FR5、FR6实现过载保护。
3) QF为电源总开关，既可完成主电路的短路保护，又起到分断三相交流电源的作用，使用和维修方便。
4) 熔断器FU1、FU2、FU3、FU4、FU5、FU6分别实现各负载回路的短路保护。
2.4PLC硬件控制电路设计
1 .硬件结构设计。
了解各个控制对象的驱动要求，如：驱动电压的等级为DC24~V；分析对象的控制要求，确定输入/输出接口（I/O）数量；输入端口12个输出端口19个，确定所控制参数的精度及类型，选择适合的PLC机型及外设，PLC选择三菱FX2N-48MR-001完成PLC硬件结构配置。
2. 根据上述硬件选型及工艺要求，绘制PLC控制电路接线图，编制I/O接口功能表。
图 2-3锅炉车间运煤机组系统硬件控制电路图
3. PLC输入回路中，信号电源由PLC本身的24V直流电源提供，所有输入COM端短接后接入PLC电源DC24V的（＋）端。输入口如果有源信号装置，需要考虑信号装置的电源等级和容量，最好不要使用PLC自身的24V直流电源，以防止电源过载损坏或影响其他输入口的信号质量。
表2和表3分别为输煤机组控制系统PLC输入和输出接口功能表。
输入接口地址：
表2输煤机组控制系统PLC输入接口功能表
序号工作名称文字符号输入口
1 输煤机组手动控制开关SF0-1
2 输煤机组自动控制开关SF0-2
3 输煤机组自动开车按钮SF1
4 输煤机组自动停车按钮SF2
5 输煤机组紧急停车按钮SF3
6 给料器磁选料器手动按钮SF4
7 1#送煤机手动按钮SF5
输出接口地址：
PLC控制程序设计
1.状态转移图设计
根据课本所学知识和查阅相关资料，利用单流程、选择性分支、并行分支实现了手动开/停车、自动开停车、过载保护、紧急停车、系统正常运行指示功能。设计如图2-4所示输煤机组控制系统状态转移图。表达出各控制对象的动作顺序，相互间的选择关系，并行关系和制约关系。
图2-4 车间运煤机组系统PLC控制顺序功能图
1.梯形图设计
锅炉车间运煤机组系统PLC控制程序梯形图如图2-6所示
图2-5 车间运煤机组系统PLC控制梯形图
2.指令表设计
车间运煤机组系统PLC控制指令表如图2-6所示
LD M8002 SET S0 STL S0
LD X0
AND X12 SET S21 AND X11 SET S22 AND X10 SET S23 AND X7 SET S24 AND X6 SET S25 AND X5 SET S26 LD X1
AND X2 SET S20 STL S20 RST Y7 RST Y17 OUT T0 K50 LD T0
SET S21 STL S21 SET Y5 SET Y15 LD X4
SET S35 SET S0
LDI Y5 SET S39
LD X13
SET S37
SET S0
OUT T1 K100
LD T1
SET S22
STL S22
SET Y4
SET Y14
LD X4
SET S35
SET S0
LDI Y4
SET S39
LD X13
SET S37
SET S0
OUT T2 K100
LD T2
SET S23
STL S23
SET Y3
SET Y13
LD X4
SET S35
SET S0
LDI Y3
SET S39
LD X13
SET S37
SET S0
OUT T3 K100
LD T3
SET S24
STL S24
SET Y2
SET Y12
LD X4
SET S35
SET S0
LDI Y2
SET S39
LD X13
SET S37
SET S0
OUT T4 K100
LD T4
SET S25
STL S25
SET Y1
SET Y11
LD X4
SET S35
SET S0
LDI Y1
SET S39
LD X13
SET S37
SET S0
OUT T5 K100
LD T5
SET S26
STL S26