目 录
第1章 控制对象概述 ······················ 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 皮带运输机组成及工作原理 ··············· 1 1.2 控制对象对控制系统的要求 ················ 1 1.3 本课题应完成的设计工作 ················· 2 第2章 控制方案论证 ······················ 3 2.1 继电器控制方案 ····················· 3 2.2 单片机控制方案 ····················· 3 2.3 PLC控制方案 ······················ 4 2.4 结论 ·························· 4 第3章 控制系统硬件设计 ···················· 5 3.1 电机及元件选择 ····················· 5 3.2 电路设计 ························ 5 3.2.1 主电路设计 ····················· 5 3.2.2 PLC I/O 接线图设计 ················· 6 第4章 控制系统程序设计 ···················· 7 4.1 程序组成部分 ······················ 7 4.2 主程序 ························· 7 4.3 公用子程序 ······················· 8 4.4 手动公用子程序 ····················· 8 4.5 自动公用子程序 ····················· 9 4.6 M1电机故障子程序 ··················· 10 4.7 M2电机故障子程序 ··················· 11 4.8 M3电机故障子程序 ··················· 12 4.9 M4电机故障子程序 ··················· 12 第5章 程序调试 ······················· 13 第6章 体会心得 ······················· 14 附 录 ····························· 15 参考资料 ···························· 18
第1章 控制对象概述
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
皮带输送机可以广泛应用于现代化的各种工业企业中，露天采矿场及选矿厂中，在矿山的井下巷道、矿井地面运输系统中，皮带输送机都得到了广泛应用，水平运输或倾斜运输，皮带输送机的使用都非常方便。皮带输送机是以连续摩擦驱动的方式用来运输物料。那么皮带输送机的主要是由输送带和驱动装置组成的。皮带输送机具有输送量大、结构简单优点，它广泛地应用在矿山、冶金、煤炭等部门，用来输送松散物料或成件物品，根据输送工艺要求，可以单台输送，也可多台组成或与其他输送设备组成水平或倾斜的输送系统，以满足不同布置型式的作业线需要。
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 皮带运输机组成及工作原理
皮带输送机的主要是由输送带和驱动装置组成的。主要介绍驱动装置即四台电动机的运动情况。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。皮带输送机是以连续摩擦驱动的方式用来运输物料，通过控制4台电动机的运动，来控制传输物料。
1.2 控制对象对控制系统的要求
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。
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M1M2M3M4
图1 皮带运输机系统示意图
皮带运输机的工作过程如下：
（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：
5S5S5SM4M3M2M1
（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：
5S5S5SM1M2M3M4
（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。
1.3 本课题应完成的设计工作
（1）设计和绘制电气控制原理图或PC I/O接线图、功能表图和梯形图 编写指令程序清单。
（2）选择电气元件，编制电气元件明细表。 （3）设计操作面板电器元件布置图。 （4）上机调试程序 （5）编写设计说明书
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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：
继电器，动作有寿命，一个元件故障可能造成整个系统崩溃，会将故障扩大化，成本最低，也最容易被伪劣产品冒充，可维修度最高，同时维修成本也低。
（1）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）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）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。
（4）继电器控制可实现逻辑功能，但不具备计数的功能。
（5）触点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 单片机控制方案
依据单片机目前的发展状况，该方案的优缺点是：
(1)成本较低。由于现在单片机的价格相对都比较低，而且外围电路的元器件价格也不高，所以整体设计起来，成本比较低。
(2)可以对外部存储容量根据需要进行扩展，设计可以相对比较灵活。
(3)由于现存有许多已经设计很完善的子程序，在系统软件设计中可以直接调用，减少较大工作量。
其缺点为：
(1)系统硬件设计相对比较复杂，运用该方案，该系统硬件设计包含扩展电路部分和系统配置电路部分，所以该系统电路设计工作量相对较大，影响系统开发的时间。
(2)系统的抗干扰能力相对较差，在系统设计中，虽然注意了芯片、器件选择、去耦滤波、电路板的布线，通道隔离以及屏蔽。但由于工厂的条件比较差，很难保证系统的可靠性和稳定性。
(3)维护维修相对比较麻烦，维修需要的时间也相对较长。但与此同时，由于微机
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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，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的优点主要有：
(1)功能强，性能价格比高（可以相当于集成了很多继电器，大多数时候性价比并不低，除非是简单电路，只用少数继电器，那么可能就不太实用了。）
(2)硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强 (3)可靠性高，抗干扰能力强
(4)系统的设计、安装、调试工作量少 (5)编程方法简单
(6)维修工作量少，维修方便 (7)体积小，能耗低
(8)与时俱变，能实现网络通讯
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：I/O驱动能力强，易于扩展，图形化开发界面，价钱适中，抗干扰能力强，因此多用于工业设备上。
故选用PLC控制方案。
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第3章 控制系统硬件设计
3.1电机及元件选择
本课程设计采用的电动机是四台380V的三相笼式电动机。在主电路中电路保护装置由刀开关QS1和自动空气断路器QF组成，用220V电网电压供电。由PLC控制四个交流接触器的电磁线圈电路的通断，实现对四个电动机通断控制。四个电动机电路都串联了热继电器对其进行保护，同时也是故障点。
3.2 电路设计
3.2.1 主电路设计
依靠PLC的输出Q0.0、Q0.1、Q0.2、Q0.3所接的KM1、KM2、KM3、KM4控制电
机M1、M2、M3、M4的运转。电机图如下：
图3 1 主电路
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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接线如图所示：
图3 2 I/O接线图
本设计用了刀开关、断路器、熔断器、热继电器按钮、S7-200等电气元件。
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第4章 控制系统程序设计
4.1 程序组成部分
皮带运输机PLC电气控制系统的程序主要分为以下几个部分：主程序、公用子程序、自动子程序、手动子程序、M1电机故障子程序、M2电机故障子程序、M3电机故障子程序、M4电机故障子程序。
4.2 主程序设计
控制系统主程序主要包括：与外部的信息交流，故障子程序的发生，自动手动的选择，然后对其各种子程序的跳转。程序图如下：
图4 1 主程序
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4.3 公用子程序设计
公用子程序主要是：在手动操作下，置位自动子程序和故障子程序的所有操作，以
防发生冲突。程序图如下：
图4 2 公用子程序 4.4 手动子程序设计
控制系统进入手动模式执行的程序。程序图如下：
图4 3 手动子程序
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4.5 自动子程序设计
控制系统的自动子程序主要控制自动模式下系统正常的启动和停止。 (1)系统启动
按下I0.1 →接通KM4→起动M4 →5s 后T37 动作→进入状态M0.1→置位Q0.3,起动定时器T38 →接通KM3 →起动M3 →5s 后T38 动作→进入状态M0.2→启动定时器T39 , 置位Q0.2 →接通KM2 →起动M2 →5s 后T2 动作→进入状态M0.3→置位Y3 →接通KM1 →起动M1 →起动M4 。至此, M1～M4按控制要求全部起动起来, 进入正常运行状态。 (2)系统正常停止
应先停止第一台皮带机(M1电机)，待料运送完毕后（经过5S延时）,再依次停止其它皮带机。
图4 4 自动子程序
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4.6 M1电机故障子程序设计
控制系统M1故障子程序主要是控制自动模式下，M1电机故障的处理。 程序故障控制：在自动模式下，按下I0.5→进入状态M2.0 →启动定时器T43, 复位Q0.1→断开KM1→停止M1→5s 后T43 动作→进入状态M2.1→启动定时器T44 , 复位Q0.2→断开KM2 →停止M2 →5s 后T44动作→进入状态M2.3 →启动定时器T45 ,复位Q0.3 →断开KM3 →停止M3 →5s 后T45 动作→进入状态S34 →复位Q0.4→断开KM4 →停止M4 。等待下次操作。至此, M1～M4按控制要求全部实现停车。
图4 5 M1故障子程序
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4.7 M2电机故障子程序设计
控制系统M21故障子程序主要是控制自动模式下，M2电机故障的处理。
程序故障控制：在自动模式下，按下I0.6→进入状态M3.0 →启动定时器T46, 复位Q0.1、Q0.2→断开KM1、KM2→停止M1、M2→5s 后T46 动作→进入状态M3.1→启动定时器T47 , 复位Q0.3→断开KM3 →停止M3 →5s 后T47动作→进入状态M3.2 →复位Q0.4 →断开KM4 →停止M4 .等待下次操作。至此, M1～M4按控制要求全部实现停车。
图4 6 M2故障子程序
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4.8 M3电机故障子程序设计
控制系统M3故障子程序主要是控制自动模式下，M3电机故障的处理。
程序故障控制：在自动模式下，按下I0.7→进入状态M4.0 →启动定时器T48, 复位Q0.1、Q0.2、Q0.3→断开KM1、KM2、KM3→停止M1、M2、M3→5s 后T46 动作→进入状态M4.1→复位Q0.4→断开KM4 →停止M4。等待下次操作。至此, M1～M4按控制要求全部实现停车。
图4 7 M3故障子程序
4.9 M4 电机故障子程序设计
控制系统M4故障子程序主要是控制自动模式下，M4电机故障的处理.
程序故障控制：在自动模式下，按下I0.8→进入状态M5.0 →启动定时器T49, 复位Q0.1、Q0.2、Q0.3、Q0.4→断开KM1、KM2、KM3、KM4→停止M1、M2、M3、M4。等待下次操作。至此, M1～M4按控制要求全部实现停车。
图4 8 M4故障子程序
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第5章 程序的调试
在程序设计完成了之后，就是程序调试了。调试分为：自动模式下的程序调试、手动模式下的程序调试以及故障情况下的程序调试。
自动模式调试：按下模式选择开关SA（I1.0），并且按下SB5（I0.1）启动按钮，进入自动模式，M4马上启动每隔5s其他电机依次启动，同样按下SB6（I0.2）停止按钮，M1马上停止每隔5s其他电机依次停止。SA打下来，进入自动模式，依次按I0.1、I0.2、I0.3、I0.4分别启动和停止相应的电机。例如按下SB1第一台电机开始运行，松开SB1第一台电机停止下来，其他的类似。最后还有一个模拟故障点，进行程序调试。按下SB5启动所有的电机后，依次分别按下故障点I0.5、I0.6、I0.7、I1.0。看是否相应的故障点和故障点之前的所有电机都停下来，同时这个故障点之后的电机每隔5s停下来。
仿真图如下：
系统调试图
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第6章 心得体会
经过这次的论文使我更加的了解到PLC对电器控制的主要过程，以及PLC在生产中可能遇到的种种事故以及对应措施，也让我了解了关于运输机的基本原理与设计理念，要设计一个实物总要先用仿真仿真成功之后才实际接线的。但是最后的成品却不一定与仿真时完全一样，因为，再实际接线中有着各种各样的条件制约着。而且，在仿真中无法成功的电路接法，在实际中因为软件本身的特性而能够成功。所以，在设计时应考虑两者的差异，从中找出最适合的设计方法。通过这次学习，让我对坐而言不如立而行有了深刻的认识，对于这些程序编写等还是应该自己动手实际操作才会有深刻理解。
在本次设计中对我们进行综合训练，着重训练我们查阅资料的能力、工程制图的能力、计算机运用能力、元件选择能力、软件开发使用能力以及文字表达的能力。同时，让我们回顾已学过PLC的知识，并对知识重新组合、灵活运用。使我们能够通过对PLC应用技术的了解更加深刻；也为我们今后从事工业自动化及自动线方面的设计工作提供了宝贵的经验。成功地实现使控制系统满足工艺流程要求以及设计任务书上提出的所有控制、保护和显示要求，并且力图使所设计的控制系统做到了工作稳定可靠、技术性能先进、操作灵活方便。通过顺序功能图的循环，重点解决了连续工作方式的顺序功能图的设计过程中遇到的各种复杂问题。
在这次设计当中，得到了赖老师的悉心指导，使我从对课题的茫然无知到课题的顺利完成，课题的每一步的进展都凝聚着赖老师的心血。因此特在此向赖老师致以诚挚的谢意。
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附 录
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参考资料
[1] 刘星平.PLC原理及工程应用[M].北京：中国电力出版社，2014年。 [2] 廖常初.S7-200 PLC编程及应用[M].北京：机械工业出版社，2014年。
[3] 王阿根.西门子S7-200 PLC 编程实例精解[M].北京：电子工业出版社，2013年。 [4] 赖指南.PLC原理与应用补充教材（内部使用），本校自编教材，2010年。
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