毕业设计（论文）-基于三菱FX1N的皮带机保护系统设计.doc

毕业论文（设计）毕业论文（设计） 论文题目：基于三菱 fx1n 的皮带机保护系统设计 学生姓名： 学 号： 所在院系：电气信息工程学院 专业名称：电气工程及其自动化 届 次：2010 届 指导教师： 目 录 前言 3 1 皮带机保护设计方案及概述 4 1.1 皮带机保护设计方案 4 1.2 保护系统组成单元的概述 5 2 皮带机保护硬件设计 8 2.2 硬件保护设计 9 2.3 整体线路设计 9 2.4 系统整体接线原理图10 3 皮带机保护软件设计 .11 3.1 系统的软件保护设计 .11 3.2 plc 软件分块化设计12 3.3 mcgs 触摸屏组态设计.15 3.4 触摸屏 plc 联机程序设计 .17 4 系统调试及故障处理 .18 4.1 软件开发环境和调试环境简述18 4.2 硬件组成部分调试18 4.3 系统整体调试19 4.4 系统故障处理 .20 结论 .20 参考文献： .21 淮南师范学院 2010 届本科毕业论文 1 基于三菱 fx1n 的皮带机保护系统设计 学生：周毅（指导老师：苗磊） （淮南师范学院电气信息工程学院） 摘 要: 本设计以三菱 fx1n 为控制系统核心，其特点是稳定性好，数据处理速度快， 控制精度高，能适应复杂的运行环境。电机使用的是直流减速电机和直流自循 环水泵电机。其他的部件包括 mcgs 组态屏、模拟传感器以及开关电源和 led 灯 等组成。通过 mcgs 操作屏或者开关按钮给 plc 信号，plc 再将信号执行，实现 皮带机的启停和故障停机等功能，皮带机再将信号反馈给操作屏，plc 则判断反 馈的信号是运行信号还是故障信号，准确的对皮带机进行保护。 关键词:皮带机；传感器；三菱 fx1n；mcgs design of protection system for belt conveyor mitsubishibased on fx1n student: zhou yi(guidance teacher：miao lei) ( college of electric and information engineering ,huainan normal university ) abstract: the design of the control system of mitsubishi fx1n core, which is characterized by good stability, data processing speed, high precision control, can adapt to the complex operating environment. motor using a dc gear motor and dc from circulating pump motor. other components include mcgs configuration screen, analog sensors and switching power supplies and led lights and other components. through to the plc signal, plc signal then executed to achieve start-stop function and downtime belt conveyor, belt conveyor and then signal back to the operation panel, plc mcgs judged feedback signal switch button operation panel or run signal or malfunction signal, accurate belt machine protection. keywords: belt conveyer; sensor;mitsubishi fx1n; mcgs 基于三菱 fx1n 的皮带机保护系统设计 2 前言 在现代工业中，对于一个行业来说物料的传输至关重要，而传输通常用到的工具 就是皮带。这种皮带一般来说都是几百米甚至是几千米，由于传输长度的原因，在传 输过程中往往会出现皮带跑偏、撕裂等不正常工作的现象。还有就是物料在长距离传 输时会出现物料散落从而堆在皮带周围，影响皮带的传输；带动皮带的电机也会因为 长距离和长时间的工作而发热，从而使电机周围的物料发热冒烟，严重的会产生火灾， 造成巨大的经济损失。 在过去的几十年里，皮带机运输的距离不是很长，其保护系统很不完善，在出现 跑偏、冒烟、撕裂、堆料的情况时，往往需要人去停止皮带机，这样很容易出现更严 重的情况。而现在的皮带基本都是长距离、高负载的运输，要是投入大量的人力去看 管则不太合理，针对以上的情况，目前的皮带机保护已经使用以 plc 为核心控制系统 的智能保护取代了人工的保护，大大提高了保护系统的实时性和快速性1。而单独的 plc 并不能实现对皮带机的保护，还要配合传感器进行故障信号的采集，来实时检测皮 带机的运行情况，在检测到故障时及时停机。例如：带动皮带的电机因过载而发热， 使周围的烟雾浓度达到了传感器的检测量时，plc 控制电机立即停止工作，同时对电机 洒水降温和除烟。这样的保护系统不仅提高了生产效率，还减少了人力和财力的投入。 目前就我实习和工作的工厂来说，工厂生产的皮带机保护系统基本都是通过普通 的单片机显示屏与 plc 通讯，显示的效果并不是很理想，产品也更新换代几次，对屏 幕的显示以及通过上位机操作等方面的改进并没有实施，基于以上情况可知皮带机保 护可以向人工智能发展，可以通过添加上位机的方式来实现操作的方便性，报出故障 的实时性，在遇到可消除故障时，设备可以自行处理故障，继续运行，并能达到无人 化管理运行的模式。在我实习和工作的公司里用的最多的是北京昆仑通态的组态屏幕， 该屏幕性能稳定价格合理，能有效的对设备操作、故障报警和运行控制，因此本次论 文也将采用该屏来和 plc 配合，实现对皮带机的有效操控和保护。 今后在皮带机保护这块领域必将会朝着智能化的方向发展，特别是煤矿行业！而 智能化未来的发展趋势就是自动控制，必不可少的就是使用 plc，这也是本次设计的最 初想法。本文将从设计皮带机的方案到软硬件设计，以及整体的调试和故障处理等， 淮南师范学院 2010 届本科毕业论文 3 来设计保护系统。 1 皮带机保护设计方案及概述 1.1 皮带机保护设计方案 1.1.1 整体设计方案 本设计的保护系统总共可划分为两个大项：硬件设计和软件设计。硬件设计及通 过核心控制器件三菱 fx1n 来实现对皮带机的起停控制以及发生故障时及时给予保护8。 再由 mcgs 组态屏对三菱 fx1n 以及皮带运行状态的监视和故障的采集，来实时反应皮 带机当前的工作状态18。软件设计及通过实际要求对 fx1n 和 mcgs 组态屏进行程序的 编写。 皮带机保护系统硬件分为七个部分：主控三菱 fx1n、mcgs 组态屏、开关电源、继 电器组、电机、led 灯组、按钮。 设计思路：通过按钮或者 mcgs 组态屏幕来实现对三菱 fx1n 的控制，当 fx1n 得到 信号时及时给继电器组发出吸合信号，从而接通电机的电源使电机运转，同时高低速 流水灯也随电压的大小自行切换流动速度18。皮带的正反转则通过一个改变电机电源 进电正负极的换向小按钮来实现2。当 fx1n 采集到模拟故障传感器的信号时，及时给 fx1n 信号来停止对继电器组供电，让皮带机停止运行，mcgs 组态屏则通过 fx1n 实时 采集皮带机的运转和故障信号，再将这些信号反馈给操作人员，操作人员再对故障进 行排查。系统的硬件框图如图 1 框图所示。 基于三菱 fx1n 的皮带机保护系统设计 4 图 1 系统硬件框图 1.1.2 硬件布局设计方案 考虑到空间和重量因素，本次设计选择的底板为双层硬纸板，硬件布局遵循合理、 美观的要求，大致将硬件分为五个区，及开关电源区、继电器组区、三菱 fx1n 区、电 机区和按钮区，led 灯的放置则由皮带的放置区域来定。电源的供给采用的是插拔式接 头，并且配有保险，以保护整个系统的电路。 1.2 保护系统组成单元的概述 1.2.1 三菱 fx1n 本系统的主控部分采用的是三菱 fx1n，其性能稳定、可操作性高、并且便于维护； 相对于西门子的 s7-200 而言，其价格也便宜，在大批量生产皮带机保护设备时可以大 量减少成本18；三菱 fx1n 配备有一个 rs422 通讯接口，也可以添加 io 模块和通讯模 块等功能模块，可同时与上位机或者各类保护器进行通讯，符合本次设计系统对稳定 性以及可扩展性和便于维护的要求，因此本设计采用三菱 fx1n 系列 plc 作为核心控制 单元。三菱 fx1n-60mr 如图 2 所示。 图 2 三菱 fx1n-60mr 1.2.2 直流 12v led 灯 设计的时候考虑到皮带机的高低速检测以及判断皮带机的运行状态，一方面通过 上位机来实时监测，另一方面就是使用流水指示灯来反馈皮带机的速度和运行情况。 本次设计使用的是工作电压为 dc12v 的 dc5v 串电阻 led 指示灯。led 灯如图 dc12v led 所示。 淮南师范学院 2010 届本科毕业论文 5 图 3 dc12v led 灯 1.2.3 组态屏 mcgs 为了能方便操作皮带机的运行以及实时的监视皮带机的运行状况，本设计加入了 上位机控制和监视的功能，即使用 mcgs 组态触摸屏控制皮带机和监视皮带机的运行， 从而减少了人力的投入使用。mcgs 操作简便、可视性好，并且可以当做无纸化记录仪， 还可以进行数据采集工作，支持串行通讯和以太网通讯，能很好的兼容下行设备，结 合以上特点以及考虑到其他信号对保护系统的干扰，故选择 mcgs 作为本次设计的上位 机18。mcgs 组态触摸屏如图 4 所示。 图 4 mcgs 组态屏 1.2.4 开关电源和直流继电器 实际生产中皮带机的工作电压都往往高于民用电的，所以不可能直接通过开关来 控制，特别是智能皮带机控制系统，使用的基本都是弱电，这就需要利用直流继电器 的触点来实现“开关”功能，而直流继电器的工作电压为直流电压，所以就需要开关 电源把高电压转变为我们所需要的电压，以控制直流继电器的分断，来实现皮带机的 启 停 基于三菱 fx1n 的皮带机保护系统设计 6 720。开关电源如图 5 所示，直流继电器如图 6 所示。 图 5 开关电源 图 6 直流继电器 1.2.5 减速电机和直流水泵电机 皮带机保护系统的设计围绕的必然是皮带和带动皮带转动的电机，在工业生产中 电机的种类很多，工作电压和功率都不同，根据需要可以选择不同种类和型号的电机4 14。但是不管何种电机，对于其保护措施的理念基本都是一致的，即出现皮带撕裂、 打滑、跑偏以及皮带机的机头冒烟和堆料时及时停止电机，以保护皮带和电机，从而 实现皮带机的无人看管以至于皮带机的自保护和故障的自处理。本次设计使用的是模 拟皮带电机的 dc24v 减速电机，洒水电机使用的是 dc12v 水泵1013。设计的目的就是 当正常运转的电机出现撕裂、堆料、跑偏以及冒烟故障时能自动停止运行，尤其是出 现冒烟故障时能自行简单的自处理，即冒烟故障一发出洒水电机就启动，打开洒水阀 门进行除烟降温处理，这样就可以减少后期维修的任务。减速电机如图 7 所示，水泵 电机如图 8 所示。 图 7 dc24v 减速电机 图 8 dc12v 水泵电机 淮南师范学院 2010 届本科毕业论文 7 1.2.6 其他元器件的概述 本设计除了主控单元、监视单元、继电器组、led 灯组以及电源模块外，还需要的 是传感器模块和手动操作单元。考虑到实际传感器的体积庞大，影响整体器件的布局， 因此本设计使用的是小开关按钮来代替传感器，可以模拟实际生产中传感器采集到的 故障信号，然后反馈给 plc，经过 plc 的 cpu 处理对比，输出停机信号安原，使电机停 止运行，从而达到保护电机的目的6；手动操作单元使用的是普通按钮，使用的是其常 开点，通过按钮可以实现手动的起动、停止、急停、故障清除以及沿线紧急停机等功 能；本保护系统对于过流、过载等不正常工作情况的解决方案是在交流 220v 进电添加 熔断器单元，使用的熔断器最大通过电流为 2a 或 5a，可以有效的保护整个供电系统13 15。 2 皮带机保护硬件设计 2.1 各器件的布局设计 硬件的布局设计是建立在元器件的选型上，根据元器件的大小将元件整齐摆放， 模块化器件需排放在模块化区域内，摆放的同时不能影响到其他元件的正常工作，也 不能阻碍了后续的布线通道。硬件布局图如图整体器件布局所示。 基于三菱 fx1n 的皮带机保护系统设计 8 图 9 整体器件布局 淮南师范学院 2010 届本科毕业论文 9 2.2 硬件保护设计 在实际生产中各种干扰因素都有可能对 plc 的 cpu 产生影响，从而使软件功能出 现失灵或者误动作的现象，因此在硬件设计时使用了故障继电器的 2 个常闭点，一共 使用了四个继电器的 8 个常闭点，每个继电器的 2 个常闭点两两串联，当电机在运行 过程中出现故障时，任何一个故障继电器动作都会使电机停止运行，从而实现了对皮 带机的硬件保护16。 2.3 整体线路设计 根据器件的布局选择大小、厚度合适的纸板作为固定元器件的底板，考虑到所有 元件在一块的重量，底板只能选择重量较轻的纸板。本次设计选择的是国标 0.5 平方 毫米的软线，能够满足交流 220v 电压长时间工作不发热的要求。由于本设计不仅有软 件保护还有硬件保护，即出现故障时通过直流继电器来断开电机的电源，因此在对继 电器接线时有交错和横穿，并不影响整体的布线。按照布线“横平竖直”的原则，控 制按钮和故障模拟按钮的走线需和控制线路并行，led 灯为小线，与国标线相接时需使 用热缩管对其进行密封处理，处理完成的线路也需要和控制线路并行。焊接线路时要 确保不虚焊、连焊，结合以上要求完成保护系统整体设计。整体线路图如图 10 所示。 图 10 系统整体线路图 基于三菱 fx1n 的皮带机保护系统设计 10 2.4 系统整体接线原理图 图 11 皮带机保护系统接线图 淮南师范学院 2010 届本科毕业论文 11 3 皮带机保护软件设计 3.1 系统的软件保护设计 本系统最主要的保护即软件保护，它与硬件保护构成了本系同的双重保护，在电 机运行出现故障时可以有效的保护电机15。在设计本保护系统时使用了近端控制和上 位机控制，两种控制所使用的 plc 变量不同，因此在设计时需要使用双重变量，来实 现这两种方式的控制11。三菱 fx1n 的输入变量为 x,输出变量为 y，两种控制方式的共 同点都是使用了同一个输出变量 y,不同的是近端控制使用的是输入变量 x，上位机控 制使用的是中间变量 m，主要原因是三菱 fx1n 的输入变量在上位机编程环境中是只读 变量，而上位机控制变量必须是可读并且可写的变量，因此在对上位机编程时使用了 三菱 fx1n 中可以读写的中间变量 m 来进行编程。由于两种控制方式使用的是两种输入 变量，同一个输出变量，所以在使用 gx developer 对 plc 编程时采用了输入变量并联 的形式，即同一个功能的变量在梯形图中并接在一起，来实现对同一个输出变量的控 制。两种控制方式的切换主要是利用中间变量 m24 来实现，即在 plc 中把 m24 的常开 点和常闭点定义为屏幕控制和近端按钮控制1。例如：x7 代表的是模拟烟雾传感器按 钮，m23 代表的是屏幕的模拟烟雾故障按钮，而在 x7 和 m23 的前面必须添加一个 m24 的常开点和常闭点，形成一个互锁结构，即屏幕控制时按钮不能控制，反之亦然。正 常送电的情况下是屏幕控制，需要按钮控制时只需点击屏幕中的控制方式选择按钮即 可。x7 和 m23 模拟烟雾功能的测试截图如图 12 所示。 图 12 模拟烟雾故障测试 基于三菱 fx1n 的皮带机保护系统设计 12 3.2 plc 软件分块化设计 3.2.1 主控程序 皮带机保护的前提是实现对电机的起停控制，因此在编程时首先是主控程序的编 写，本次设计使用了四个输入变量 x0、x1、x2、x3 和 m14、m15、m16、m17 作为电机 的起动、停止、故障清除以及沿线急停按钮控制点，梯形图中按钮之间也添加了互锁 点，即在起动点之前添加了沿线急停的常闭点，在沿线急停触发后，电机是起动不了 的。同样，在任何一个故障触发后电机也是起动不了的，必须在排查完故障后才能使 用故障清除按钮将故障清除，然后重新起动，这样的设计一方面是防止在故障发生后， 人为的误操作导致电机的损毁19；另一方面是要求故障发生后必须先排查故障，否则 无法起动电机，一定程度上也可以避免元件的重复动作，从而延长元件的使用寿命。 主控的部分程序截图如图 13 所示。 图 13 主控部分程序截图 3.2.2 流水灯程序 本设计中所使用的流水灯主要是表现减速电机的当前运行状态是高速还是低速， 也作为电机是否在运转的一个依据。编程中编写流水灯程序的思路是使用循环语句， 由于 gx developer 中没有构建好的循环语句块，所以采用传统的语句循环，即多次使 用中间变量和定时器构成互锁结构来实现循环8。高速流水灯跟低速流水灯所使用的输 出变量都不同，高速和低速各使用了 5 个输出变量 y10、y11、y12、y13、y14 和 y15、y16、y17、y20、y21，作为五个 led 灯控制的端口。之所以高速和低速不使用五 个相同的变量的原因是在 gx developer 中编写程序不允许同一个输出变量被其他变量 多次使用，否则会出现一个变量动作，对应的输出变量不动作或者误动作，但是输出 变量的触点可以被多次使用111。同理，plc 内部的定时器也不能被多次使用。 淮南师范学院 2010 届本科毕业论文 13 3.2.3 单独高低速程序 在实际生产中对于物料的传输速度也有一定的要求，特别是煤矿行业，生产的速 度直接影响到效益，因此最常使用的就是全速运行。但是皮带机直接全速起动的话很 有可能直接将皮带撕裂，所以无法直接给电机通电运行，目前行业中解决该问题的方 法是使用软启动设备或者变频设备，可以实现电机的低速起动到全速运转，有效的解 决了直接起动所出现的一系列问题12。本设计解决该问题的方式是使用高低速的顺序 起动和单独起动来实现电机的全速运转，因此对于高低速程序的设计包含了顺序控制 和单独控制，顺序控制程序相对简单一点，就是使用两组定时器做一个延时动作即可5。 单独低速和单独高速程序相对复杂，在编写单独低速和单独高速程序时涉及到按钮起 动、单独起动的相互干扰，因此在编写梯形图中需要添加互锁，即按钮起动时单独起 动无法进行，本次设计单独低速和单独高速使用的按钮输入变量为 x10 和 x11，输出变 量为 y24 和 y25。单独高、低速程序设计的部分截图如图 14 所示。 图 14 单独高、低速程序部分截图 3.2.4 故障指示灯程序 在本设计中对于故障信息的传达不仅采用了故障继电器也采用了故障指示灯的方 式，两种方式都可以很直观的观察到皮带当前的运行状况3。是故障灯只使用了一个输 出端口 y22。故障灯实现闪烁功能的主要因素是使用了 plc 内部的中间变量 m11、m12、m13 和定时器 t20、t21、t22，在编写程序是添加了互锁机构，使得中间变 量和定时器的线包在 cpu 内部进行延时循环，这样就使得输出端口 y22 不断的延时通 断，实现了闪烁效果。如果故障一直触发并没有被排查掉，故障灯会一直闪烁，因为 在故障灯的梯形图中并接了所有故障的常开点，所以任何一种故障触发都会使故障灯 一直闪烁，只有当故障被清除了才能停止闪烁，这个设计主要是提示用户要注意故障 基于三菱 fx1n 的皮带机保护系统设计 14 的排查。 3.2.5 故障和洒水程序 皮带机保护主要是在故障状态时停止电机的运行，从而保护电机13。本设计设置 了常见的四种故障，即撕裂、堆料、跑偏、烟雾，任何一种故障被触发后都会使电机 停止运行，还添加了自处理功能，即在烟雾故障时能自行洒水降尘、降温，可以有效 的保护设备。故障程序的编写主要是利用 plc 的输入变量 x4、x5、x6、x7 和输出变量 y4、y5、y6、y7，在编写程序时使用到了三菱 fx1n 中的内部定时器来作为故障触发后 的延时停机功能，洒水程序的设计是配合烟雾故障的，即当烟雾故障触发后洒水开始， 12 秒后洒水停止，主要目的是除去周围的烟雾以及对电机进行降温处理，因为机头的 烟雾主要是电机高负荷运转产生大量的热而产生的13。烟雾故障、洒水程序截图如图 15 和 16 所示。 淮南师范学院 2010 届本科毕业论文 15 图 15 烟雾程序部分截图 图 16 洒水程序部分截图 3.2.6 沿线急停 沿线急停主要适用于煤矿的输送，因为皮带每隔一段距离都会有专人的看管并且 配有扩播电话，主要是通知皮带周围的人群皮带要运行了不能靠近。添加沿线急停就 是模拟实际生产时皮带在运行过程中可能会出现的一些特殊情况而要紧急停机。因此 对沿线急停的要求就是运行前按下后皮带不能起动，运行时按下后一条皮带都要停止， 所以编写沿线急停程序主要目的是使 plc 内部程序都停止工作并且不能断了控制回路 的电源。考虑到以上要求本次设计使用的是按钮的上升沿触发，用的是输入端口 x3 作 为按钮，控制中间变量 m3，其常闭点为动作点串接在每个语句中，即实现沿线急停功 能。 3.3 mcgs 触摸屏组态设计 本次设计使用的上位机是北京昆仑通态的组态屏，编程所用的开发环境是 mcgs 组 态软件 7.6 嵌入版，与三菱 fx1n 的通讯方式是串口通讯线转 rs422 通讯直连，通过上 位机控制 plc 的主要原理是寻地址方式，在 mcgs 组态开发环境中将三菱 fx1n 内部对 应的功能地址写入 mcgs 组态中对应的按钮、指示灯以及其他元件即可，使用屏幕控制 时只需触摸对应的功能按钮即可17。在组态编程时不仅设计了控制、故障、运行界面， 还设计了封面，主要是展示本次设计的方向以及设计人员信息，在编写封面、运行、 故障、控制画面组态程序时都使用到了组态的位图添加以及 mcgs 内部的时间函数 date、time，以及内部运行时间函数 runtime，主要是显示当前时间以及系统运行的时 基于三菱 fx1n 的皮带机保护系统设计 16 间，也方便了用户记录各个时间段对应的系统运行状态18。运行画面的设计主要是实 现对整个系统的监视，在系统出现故障或者不正常运行状态是能及时准确的显示故障 类型以及运行的状态；故障画面主要是对故障信息的采集以及故障的实时显示，并且 可以查询到一天内出现的故障；控制画面主要是实现对 plc 的控制，从而实现对电机 的控制以及故障的模拟，其布局设计主要是依照按钮控制对应功能来逐一排版的。 3.3.1 组态屏开机封面 封面设计主要使用了时间函数功能以及位图的插入。组态屏开机封面如图 17 所示： 图 17 组态开机封面 3.3.2 系统运行界面 运行画面组态设计主要是为了实时显示当前系统的运行情况，主要使用到的三菱 fx1n 内部的地址有流水灯的 y10、y11、y12、y13、y14、和 y15、y16、y17、y20、y21；故障的 y4、y5、y6、y7 以及洒水的 y3；电机运行的 y1 和 y2。通过对这些地址的监控从而实现对系统内部程序以及硬件状态进行监控。系统 的运行组态画面如图 18 所示。 淮南师范学院 2010 届本科毕业论文 17 图 18 运行画面组态 3.3.3 故障记录界面 故障记录画面主要是在组态时将 y4、y5、y6、y7 定义为报警类型变量，只要变量 触发就会在报警条内显示，可以快速知道当前系统的故障。故障画面组态如图 19 所示。 图 19 故障记录组态 3.3.4 主控界面 主控程序设计主要是方便用户的操作，不仅可以使用按钮控制，也可以使用屏幕 控制。主控画面的组态使用到了三菱 fx1n 内部的变量有 m14、m15、m16、m17、m18、m19 和 m20、m21、m22、m23、m24、m25，分别对应的是控 基于三菱 fx1n 的皮带机保护系统设计 18 制部分的按钮和模拟实验部分的按钮。控制方式选择采用的是 plc 中间变量 m24 来实 现的，在 plc 程序内部的功能按钮前端都添加了 m24 的常开点或者常闭点，在屏幕中 点击按钮的作用就是强制 m24 为常开或者常闭，从而实现控制方式的切换，默认的控 制方式是屏幕控制。系统的控制画面组态如图 20 所示。 图 20 控制画面组态 3.4 触摸屏 plc 联机程序设计 触摸屏与三菱 fx1n 通讯的硬件连接方式是使用串口通讯转 rs422 通讯线直连，组 态屏可以通过通讯线直接读写 plc 内部的变量1718。因此在编写组态程序时使用的基 本上是 plc 内部的功能变量，通过控制 plc 内部的变量来实现外部的硬件动作，从而 达到控制或保护的目的。由于屏幕控制和按钮控制使用的变量不同，故在 plc 程序编 写时也要将屏幕组态时使用到的中间变量添加到 plc 中，主要方式是在 plc 的功能变 量中并联一组中间变量，这样就可以实现两种方式同时使用，但是实际情况中不允许 多种控制方式同时使用，因此在编写程序时使用了中间变量 m24 作为控制方式切换的 功能变量，及在按钮和屏幕的功能变量前加入一 m24 的一个开点或者闭点，从而达到 单独控制的目的。 淮南师范学院 2010 届本科毕业论文 19 4 系统调试及故障处理 4.1 软件开发环境和调试环境简述 gx developer 是三菱 fx1n 系列 plc 的主要编程开发环境,编程方式有梯形图和指 令表两种，本次设计使用的是梯形图直接编写，然后转化为指令表保存，因此在编程 方面 gx developer 灵活性比较好，而且编程也相对简单1。由于没有模块化得语句， 本次编程主要是逻辑关系的编程，在语言结构上相对复杂一些，因此在检查程序问题 时会比较困难，但是 gx developer 内部有注释功能，所以在编写程序时可以对其进行 标注，节省了后续的程序检查时间。gx developer 还特有在线监控和诊断功能，联机 后可以实时观察到 plc 内部程序动作的情况，也可以对其进行在线修改，因此该开发 环境有很好的灵活性，在应对一些特定的问题时能准确定位并逐一排查。 gx simulator 是三菱 fx1n 系列 plc 的软件调试环境，它主要是通过计算机上的虚 拟 cpu 进行程序的模拟，进而对程序进行调试并且可以实时监测到程序的运行状态和 执行的流程，因此在实际编程时可以有效的将可能出现在实际运行时出现的问题解决 掉。在对程序中所使用的元件调试时基本上包含了所有的实际需要功能，例如：强制 on、off，强制取反等，在 plc 写入程序后会使调试更加快速有效。在 gx simulator 运行时可以看出程序执行所需的时间，也可以随时停止测试也不影响后续的编程，在 一定程度上提高了测试的效率，因此本次设计的所编写的程序都是先经过 simulator 调试后才写入 plc 中的，之后才进行整机的调试运行。 4.2 硬件组成部分调试 本次设计的皮带机保护系统硬件部分主要有 plc、mcgs 组态屏、直流电机、开关 电源、继电器组、led 灯以及按钮等。每个器件的测试都使用的是交流 220v 电源，其 中对 plc 的调试的方法是用一根导线将输入端子逐一与 com 端短接，观察输入端的亮 灯情况与实际点是否一致，输出端的调试是直接使用 x0 作为控制三菱 fx1n-60mr 所有 输出点的开关，触发 x0 后观察对应的输出端的指示灯的状态即可；mcgs 组态屏的测试 是与开关电源配合的，因为屏幕的供电电压是直流 dc24v，在接通 ac220v 后用万用表 测量开关电源的输出电压，然后才能接通屏幕，屏幕得电后即可用手触摸测试其性能； 直流电机、继电器组以及 led 灯也都是配合开关电源测试的，测试方法都是使用开关 电源的输出端来给器件通电，运行正常即可装入整机，由于继电器组是由 8 个直流继 电器组成，所以在对继电器组测试时采用的是并联供电方式，测试完成即可进入整机 基于三菱 fx1n 的皮带机保护系统设计 20 的调试9。 4.3 系统整体调试 系统整体的硬件跟软件全部调试完毕后进行整机的调试，plc 与上位机通过数据线 接通后对整个系统供电，通过屏幕控制皮带机的运行以及故障的模拟。首先是使用屏 幕翻到控制界面，将控制方式切换到屏幕控制，通过触摸虚拟按钮来控制电机，观察 电机的运转情况是否与操作功能相对应；之后是进行故障模拟，在故障触发后再进行 起动操作，观察电机是否能够运转，主要是测试运行前故障是否起到了闭锁作用，再 将故障清除重新启动电机，等电机运行起来后触发任意的故障，观察电机是否停止运 行，这主要是测试电机在运行时出现故障时是否能够正常保护；在屏幕功能测试完成 后使用按钮控制，使用屏幕把控制方式切换到按钮控制之后翻至运行界面，使用按钮 起动或者进行故障模拟再观察运行界面是否将实际的电机运行状态准确的反馈回来， 这是测试监视功能是否正常工作；通过以上测试后将屏幕翻至故障记录界面观察之前 出现的故障是否被记录了下来以及对应的故障开始时间和结束时间是否与实际时间一 致，这主要是测试故障的记录功能是否正常；通过以上测试后对系统进行通电老化实 验，及通电 24 小时后观察整个系统的硬件以及软件是否还能正常工作，如果出现问题 需及时更改继续老化试验，这主要是测试系统整体长时间运行的稳定性，到此整个系 统测试完毕。屏幕组态功能测试的部分截图如图 21 所示。 淮南师范学院 2010 届本科毕业论文 21 图 21 系统整体调试画面 4.4 系统故障处理 在系统运行过程中偶尔会出现一些问题，以下是本次设计在调试和运行时出现的 一些故障，在此也提出了一些对应故障的解决办法： （1）系统送电时屏幕和开关电源都亮了，但是突然又灭了？ 解决办法：由于本次设计对漏电、过载、短路的保护设计方法是在前级交流 220v 电源添加熔断器单元作为电流保护，所以在频繁送电时会出现保险熔断情况，从而会 出现屏幕和开关电源亮一下然后又熄灭的现象。 （2）触摸屏控制和按钮控制都无法让电机运转？ 解决办法：主要原因是通讯线接口没有插好，将通讯插头插好即可。因为本次设 计默认的控制方式是屏幕控制，主要目的就是检测通讯线是否插接到位。只要通讯线 接好就可以直接通过屏幕对电机进行起停控制，如果通讯线没有插好，则屏幕就无法 控制，此时也无法切换按钮控制，所以会出现屏幕和按钮都无法控制的情况。 （3）ac220v 供电正常运行继电器也亮了，但无法切换到低速或者高速运行状态？ 解决办法：检查高低速切换的继电器是否正常以及对应的供电电源是否有问题。 因为本次设计的低速高速切换使用的是 dc12v 和 dc24v，以及直流继电器，高低速切换 不了主要的问题就集中在电源和继电器上面，只要这两者有任意一个不正常工作都会 出现高低速无法切换的现象。 （4）系统运行时按钮的任意一个故障都无法使电机停止，但是屏幕可以？ 解决办法：使用短接线将故障输入点与 com 端短接，观察对应的指示灯是否亮， 以确认输入点是完好的。在调试时遇到该情况的原因是故障按钮的 com 端虚焊了，没 有与 plc 可靠连接，之所以没有一个按钮可以触发故障，是因为故障按钮的公共端是 短接在一起的，所以只要公共的 com 端断了或者虚焊了都无法触发故障，因此按钮无 法产生故障信号，电机也就无法停止。 结论 本设计主要是通过传感器采集故障信号来实现对皮带机的保护，并设计了开机前 故障闭锁功能和电机运转后故障的保护功能；控制方式设计分为屏幕控制和按钮控制 两种控制方式；主控部分的设计使用的是三菱 fx1n 和 mcgs 组态屏来对整个系统进行 控制和监测。整体的设计主要是通过两大方面来设计的，即系统的硬件设计和软件设 基于三菱 fx1n 的皮带机保护系统设计 22 计，硬件设计主要是硬件的布局和硬件的调试，完成以上两者后才进行软件设计；软 件设计分为两块，一块是三菱 fx1n 的程序编写，另一块是 mcgs 组态屏的画面组态， 两块程序编写完成后进行单个的程序调试，再程序都没有问题的前提下才能进行程序 的联调、老化；以上工作完成后进行软硬件联调，即通过实际操作来检测软件和硬件 的功能是否正常，完成整体的调试后也需要进行老化试验处理，之后才算整机调试完 成12。 在设计时使用的 plc 开发环境是 gx developer，mcgs 的编程软件是 mcgs 嵌入版 开发环境，原理图的绘制使用的是 autocad 绘图。利用以上软件完成了本设计的软件 设计和图纸的绘制，以及部分的硬件布局图的绘制。 系统整体调试的过程分为两个部分及硬件调试和软件调试。硬件调试主要是在测 试软件前对元件进行通电完好性测试，做好软件与硬件结合调试的准备；软件调试主 要是测试系统在各种工作状态中的工作情况是否符合软件编写的逻辑，以及测试软件 在应对强磁场等干扰信号时的抗干扰性。完成系统的整体调试后进行老化试验，此时 即完成了整个系统的设计。 综上所述，本设计基于三菱 fx1n 的皮带机保护系统在撕裂、堆料、跑偏、烟雾等 故障条件时能有效的保护电机，并能防止故障导致的其他伤害。在电机启动方面使用 了单机双速的运行模式，可以很好的防止皮带在突然的全压起动时造成的断裂情况， 从而消除了故障隐患。本设计通过使用按钮控制和屏幕控制的切换控制方式都实现了 系统的各项对应功能，完成了本次设计的最终目的。 参考文献： 1董爱华主编，李良，于琼芳副主编.可编程控制器原理及应用m.中国电力出版 社，2009:23-42. 2袁任光，张伟武.电动机控制电路选用与 258 实例m.机械工业出版社,2005:12-19. 3董景新.控制工程基础（第二版）m.清华大学出版社,2004:103-141. 4刘启新.电机与拖动基础(第二版)m.中国电力出版社,2007:56-67. 5邱光源等.电路基础m.高等教育出版社,1998:112-124. 6郁有文,常健.传感器原理及工程应用m.电子科技大学出版社,2008:9-16. 7刘金琨.智能控制m.电子工业出版社,2005:63-68. 8王宝银.三菱 fx 系列 plc 完全精通教程m.化学工业出版社,2012:34-40. 淮南师范学院 2010 届本科毕业论文 23 9祝志斌.新编中小微型电机技术数据大全m.中国电力出版,2001:21-25. 10kevin collins . plc programming for industrial automationj.exposure publishing ，2007:11-16. 11juha pyrhonen*;* 沿线急停沿线急停 0 ld m24 1 andp x003 3 ld m17 4 ani m24 5 orb 6 out m3 ;*;* 单独低速单独低速 7 ldi y004 8 ani y005 9 ani y006 10 ani y007 11 ldi x001 12 and m24 13 ldi m15 14 ani m24 15 orb 16 anb 17 ld m24 18 ani x000 19 ldi m24 20 ani m14 21 orb 22 anb 23 ld m24 24 ani x011 25 ldi m24 26 ani m19 27 orb 28 anb 29 ani m3 30 ld m24 31 and x010 32 or m5 33 ld m18 34 ani m24 35 orb 36 anb 37 out m5 38 out t14 k30 41 ldi y004 42 ani y005 43 ani y006 44 ani y007 45 ld m24 46 ani x001 47 ldi m24 48 ani m15 49 orb 50 anb 51 ani m3 52 ld m24 53 ani x000 54 ldi m24 55 ani m14 56 orb 57 anb 58 ani m6 59 and t14 60 out y024 ;*;* 单独高速单独高速 61 ldi y004 62 ani y005 63 ani y006 64 ani y007 65 ld m24 66 ani x001 67 ldi m24 68 ani m15 69 orb 70 anb 71 ld m24 72 ani x000 73 ldi m24 淮南师范学院 2010 届本科毕业论文 25 74 ani m14 75 orb 76 anb 77 ani m18 78 ld m24 79 ani x010 80 ldi m24 81 ani m18 82 orb 83 anb 84 ani m3 85 ld m24 86 and x011 87 or m6 88 ld m19 89 ani m24 90 orb 91 anb 92 out m6 93 out t15 k30 96 ldi y004 97 ani y005 98 ani y006 99 ani y007 100 ld m24 101 ani x001 102 ldi m24 103 ani m15 104 orb 105 anb 106 ani m3 107 ld m24 108 ani x000 109 ldi m24 110 ani m14 111 orb 112 anb 113 ani m5 114 and t15 115 out y025 ;*;* 主控开始主控开始 116 ldi m3 117 ld m24 118 ani x001 119 ldi m24 120 ani m15 121 orb 122 anb 123 ani y004 124 ani y005 125 ani y006 126 ani y007 127 ld m24 128 and x000 129 or y000 130 ld x010 131 and m24 132 orb 133 ld x011 134 and m24 135 orb 136 ld m18 137 ani m24 138 orb 139 ld m19 140 ani m24 141 orb 142 ld m14 143 ani m24 144 orb 145 anb 146 out y000 147 ldi m3 148 and y000 149 ani m5 150 ani m6 151 out t10 k30 154 ldi m3 155 ld m24 156 ani x001 157 ldi m24 158 ani m15 159 orb 160 anb 161 and t10 162 ani y002 163 ani m5 164 ani m6 基于三菱 fx1n 的皮带机保护系统设计 26 165 out y001 166 out t11 k90 ;*;* 主控结束主控结束 169 ldi m3 170 ani m5 171 ani m6 172 ani y004 173 ani y005 174 ani y006 175 ani y007 176 ani y003 177 ld m24 178 ani x001 179 ldi m24 180 ani m15 181 orb 182 anb 183 ld t11 184 or y002 185 anb 186 out y002 ;*;* 撕裂撕裂 187 ld m24 188 ani x002 189 ldi m24 190 ani m16 191 orb 192 ld m24 193 and x004 194 or m7 195 ld m20 196 ani m24 197 orb 198 anb 199 ani y005 200 ani y006 201 ani y007 202 ani y003 203 out t16 k20 206 out m7 207 ld t16 208 out y004 ;*;* 堆料堆料 209 ld m24 210 ani x002 211 ldi m24 212 ani m16 213 orb 214 ld m24 215 and x005 216 or m8 217 ld m21 218 ani m24 219 orb 220 anb 221 ani y004 222 ani y006 223 ani y007 224 ani y003 225 out t17 k20 228 out m8 229 ld t17 230 out y005 ;*;* 跑偏跑偏 231 ld m24 232 ani x002 233 ldi m24 234 ani m16 235 orb 236 ld m24 237 and x006 238 or m9 239 ld m22 240 ani m24 241 orb 242 anb 243 ani y005 244 ani y007 245 ani y004 246 ani y003 247 out t18 k20 250 out m9 251 ld t18 252 out y006 ;*;* 烟雾烟雾 253 ld m24 254 ani x002 255 ldi m24 淮南师范学院 2010 届