电气论文-码头物料运输机的plc控制系统设计

吴飞：码头物料运输机的PLC控制系统设计辽宁石油化工大学（论文）PAGE62PAGE631绪论1.1课题的背景现代工业生产中，有许多场合需要皮带运输机，用于运送生产原料和产品。在现实中码头物料搬运系统就是运用了皮带运输机，从而节约了大量的人力和物力，提高了劳动生产率。码头货船装料的皮带运输机系统是由料库、卸料电磁阀YA和多条连续排列的皮带运输机组成。待装船的物料贮存于料库内，装船用的末端皮带运输机是移动式的，卸料端伸入船上料仓。而采用多条皮带运输机，这主要原因是因为输送路程远，路径变化大，难以采用直线传送的单皮带输送机系统。故采用多条皮带输送机系统，方便系统的灵活组合。虽说码头物料搬运运用皮带运输机系统提高了劳动生产率，但如果不能实现完全的自动化，操作维护还将会很困难，因为码头场地大，设备多，粉尘大，过去的继电器，接触器控制系统故障率高，检查线路，排除故障费时费力，影响生产的正常进行。根据实际码头货船装料的工艺布置，本文采用对4条皮带运输机装料控制设计。4条皮带运输机供给货船装料的工艺布置图如图1-1所示。图1-1物料皮带运输机运送系统示意图Fig.1-1Conveyorbeltmaterialtransportationsystemdiagram皮带运输机的工作流程：需装船的物料(例如：粮食、花生、大豆、煤炭等散装粉状或颗粒状物料)应先贮存在料库内，尽量装满，保持适当物料位置的高度，保证系统可连续稳定地进行生产，不跑料，不扬尘。物料装船现场应有声光报警装置，警告或提醒现场人员注意行走和工作的安全。四皮带物料输送系统有驱动电动机4台(M1，M2，M3和M4)，其控制回路分别由交流接触器KMl，KM2，KM3和KM4和各过载保护热继电器FRI，FR2，FR3和FR4组成。皮带机会因物料性状造成过载停机，比如因某段皮带上堆积原料过多。过载电动机以及上游皮带电动机和电磁阀均应停电处理以免系统堵塞，扩大故障范围。1.2继电器控制与PLC控制的比较针对此码头皮带运输机控制系统中，控制系统有很多种，比如说单片机、继电器、PLC等系统。而在实际中绝大多数皮带运输机系统应用继电器和PLC来控制。下文对继电器控制和PLC控制进行比较，选择出一种控制方式。1.2.1继电器控制为接线程序控制，它是由分立元件（继电器、接触器、电子元件等）用导线连接起来加以实现的。继电器在控制皮带运输机时有自己的优点及存在的问题。运输机继电器控制系统的优点如下[1]：1）所有控制功能及信号处理均由硬件实现，线路直观，易于理解和掌握，适合于一般技术人员和技术工人所掌握。2）系统的保养、维修及故障检查无需较高的技术和特殊的工具、仪器。3）大部分电器均为常用控制电器，更换方便，价格便宜。4）多年来我国一直生产这类运输机，技术成熟，已形成系列化产品，技术资料图纸齐全，熟悉掌握的人员较多。运输机继电器控制系统存在的问题如下：1）系统触点繁多接线线路复杂，且触点容易烧坏磨损，造成接触不良，因而故障率较高。2）普通控制电器及硬件接线方法难以实现较复杂的控制功能，使系统的控制功能不易增加，技术水平难以提高。3）电磁机构及触点动作速度比较慢，机械和电磁惯性大，系统控制精度难以提高。4）系统结构庞大，能耗较高，机械动作噪音大。5）由于线路复杂，易出现故障，因而保养维修工作量大，费用高；而且检查故障困难，费时费工。运输机继电器控制系统故障率高，大大降低了运输机的可靠性和安全性，经常造成停机，给工作人员带来不便和惊扰。且运输机一旦发生跑偏、过快等问题，不但会造成运输机机械部件损坏，还可能出现人身事故。1.2.2运输机继电器控制系统PLC控制为存储程序控制，其工作程序存放在存储器中，系统要完成的控制任务是通过存储器中的程序来实现的。PLC控制皮带运输机的特点如下：1）在运输机控制中采用了PLC，用软件实现对运输机运行的自动控制，可靠性大大提高。2）去掉了大部分继电器，控制系统结构简单，外部线路简化。3）PLC可实现各种复杂的控制系统，方便地增加或改变控制功能。4）PLC可进行故障自动检测报警显示，提高运行安全性，并便于检修。5）用于群控调配和管理，并提高了运输机运行效率。6）更改控制方案时不需改动硬件接线。总之，PLC控制皮带机运输系统结构简单、操作方便、故障率低，大大提高了运输机的可靠性和安全性，且运输机一旦发生跑偏、打滑等问题，可自动报警并能及时可靠的发出信号和自动保护，从而降低了系统及人身事故的发生率。综合以上所述，在对此码头的皮带运输机系统设计时，由于需要稳定性高、可靠性强、控制灵敏、安全系数高并且具有集散控制网络管理等要求的运输系统，而PLC控制系统大大地优越继电器控制系统，去掉了大部分继电器，使得控制系统结构简单，外部线路简化，提高了系统的安全性和效率。因此本文设计需要采用PLC控制。1.3交流变频器调速的介绍随着电力电子技术、微电子技术和计算机控制技术的飞速发展，交流变频调速技术的发展也十分迅速。电动机交流变频技术是当今节电，改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种手段。交流变频器是一种微处理器，它在控制三相电机时产生三相P、W、M信号，调节输出频率和电压，控制电机的转速和转矩时具有无与伦比的可靠性，在任何负载条件下，都能调节输出使电机处于最佳运行状态。变频调速以其优异的调速性能和起制动平稳性能、高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。变频调速控制的特点如下：1）变频调速运输机使用的是异步电动机，比同容量的直流电动机具有体积小、占空间小、结构简单、维护方便、可靠性高、价格低等优点。2）变频调速电源使用了先进的SPWM技术SVPWM技术，明显改善了电动机运行质量和性能；调速范围宽、控制精度高，动态性能好，已逐渐取代直流电机调速。3）变频调速运输机使用先进的SPWM和SVPWM技术，明显改善了电动机供电电源的质量，减少谐波，提高了效率和功率因数，节能明显。本文设计利用PLC和变频器对自动皮带运输机控制系统进行改造，不但可以增加皮带机的安全性和可靠性，还可以降低能耗，节约能源，减少运行费用。

2皮带运输机与可编程控制器PLC介绍2.1皮带运输机发展与辅助系统2.1.1带式运输机的发展输送机是在一定的线路上连续输送物料的物料搬运机械，又称连续输送机。输送机可进行水平、倾斜和垂直输送，也可组成空间输送线路。输送机输送能力大，运距长，还可在输送过程中同时完成若干工艺操作，所以应用十分广泛。带式输送机则是其中最好的代表，应用于装船机、卸船机、堆取料机等连续运输机械上等，在大型港口、矿山或冶金企业，带式输送机得到了广泛应用。随着科学技术的发展，工业自动化得到了进一步发展。从而对控制系统提出了更高的要求。上世纪继电器控制系统曾起这非常重要的作用，但随着生产规模的扩大，市场经济竞争日益激烈，它以不在适应。可编程控制器（PLC）的出现正逐渐取代之,它采用可编程序的存储器，用来在其内部进行逻辑运算，顺序控制，定时，计数和算术运算等操作指令并通过数字式的模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。它是综合了计算机技术，自动控制装置，具有功能强，可靠性高，使用灵活方便，维护方便，易于编程以及适应工业环境应用等一系列特点，近年来在工业自动化，传统产业技术改造等方面应用越来越广泛，成为现代工业控制三大支柱之一。20世纪传统的工业生产线多是继电器控制系统，其性能差，容易出错且不易修改，一旦生产流程改变就必须重新设计，布线，调试等。显然这样的系统不满足现代化生产的需要。因此我们采用PLC控制系统。通过改变其内部的程序便可改变生产流程，通过网络控制还可已进行异地控制，增强了控制的多样性；另外由于可编程体积小，灵活多样，因此可以节约占地；低廉的价格可以节约投资。现在所要做的系统是一种由带式运输机（又称皮带输送机）系统，是一种平移的连续运输机械。即可以运送散状物料，也可以运送成件物品。皮带运输机可用于水平或倾斜运输。带式运输机还应用与装船机、卸船机、堆取料机等连续运输移动机械上。带式运输机由皮带、机架、驱动滚筒、改向滚筒、承载托辊、回程托辊、张紧装置、清扫器等零部件组成。带式运输机被广泛应用在长途运输设备，库房，料仓，港口、电厂、钢铁企业、水泥、粮食，矿业以及轻工业的生产线。在大型港口或大型冶金企业，带式运输机得到最广泛的应用，其总长度可达十几米甚至千米。近年来，可编程控制器在广大企业技术改造中迅速得到应用和推广，深入到过程控制、位置控制等场合，其独特的易于使用性、可靠性和灵活性越来越受到广大工程技术人员的青睐。对于港口、厂区广泛使用的带式运输机，应用PLC控制，可以使皮带机生产线的控制更加灵活、可靠。我们所研究的是一个小型的皮带机控制系统，不过它具有一般交通运输设备应该有的各项功能和要求，例如：顺序起动，过载保护，适时检测、报警功能以及各种保护功能。2.1.2带式运输机辅助系统皮带机运输自动化系统作为生产中的必不可少的辅机系统，其安全可靠运行对于厂家的经济效益具有较大影响，由于皮带机运输系统分布广泛（长达数百米甚至上千米），皮带机系统工作环境恶劣，工艺流程复杂，参与程控对象多，可靠性要求高。皮带机运输自动化系统运行不理想，与传感器的选型、物流、撕裂、阻旋料位计、连续料位计、跑偏、拉绳等均有自动保护功能，任意传感器故障都会影响小、系统的正常运行，轻则造成系统频繁误动作，加速系统老化，重则造成设备和人身事故。故传感器选型与质量尤为重要。传感器必须选用具有低故障率、高灵敏度、长寿命，具有三防功能的产品。对如跑偏等频繁动作的传感器选型时应关注其机械寿命，对无法确保能长期可靠动作的（如行程开关）可靠率替代，选择国产传感器以降低成本、维修方便为原则[4]。皮带运输机自动系统控制对象既有简单的低压装置对象又有复杂的高压装置，线路分布广泛，容易造成系统感应电压过高，有时甚至发生现场高压电回馈至程控装置的事故，系统的隔离显得尤为重要。对于进入系统的现场开关量信号和发往现场的信号均应加以隔离，以防止现场电返回而烧坏程控装置。原则上程控装置与现场之间互相提供的信号都应为无源节点，以提高系统安全性和检修人员的安全性。此外，程控装置各个子系统应相对独立。减少事故时故障面。对有远程站间通讯应先考虑双路冗余，距离较长时通讯电缆的敷设应与强电电缆分开走线，无法分开的应考虑穿管敷设，以防干扰。不可在毫无平屏蔽的高处架设线路，以防打雷等意外情况造成系统的损坏。2.2可编程控制器PLC的基本概念2.2.1PLC的一般定义PLC是“可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController）”的简称[1]，是60年代末在美国首先出现的，目的是用来取代继电器。PLC的一般定义：为了使PLC生产和发展标准化，国际电工委（IEC）先后颁布了PLC标准草案第一稿，第二稿，并在1987年2月通过对它的定义：“可编程控制器”是一种数字运算操作电子系统，专为在工业环境应用而设计的，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计的。总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。2.2.2PLC的基本特点现代可编程序控制器在控制领域越来越受到人们的重视，并得到广泛的应用，过去许多采用微型计算机、单板/单片计算机和集散控制系统的场合己逐渐被可编程序控制器及其网络控制系统所取代，这是和PLC自身的优点分不开的。以下是可编程序控制器的特点[2]：1）编程方法简单易学。PLC中配备了易于接受和掌握的梯形图语言。梯形图语言的电路符号和表达方式与继电器电路原理图相当接近，只用PLC的20多条开关量逻辑控制指令就可以实现继电器的功能。2）硬件配套齐全，用户使用方便。PLC配有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户不必自己设计和制作硬件装置。PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。3）通用性好，适应性强。由于PLC的系列化和模块化，硬件配置相当灵活，可以组成能满足各种控制要求的控制系统。硬件配置确定后，可以通过修改用户程序，方便快速地适应工艺条件的变化。4）可靠性高，抗干扰能力强。PLC用软件取代了继电器系统中容易出现故障的大量触点和接线。除此之外，PLC还采取了一系列抗干扰的措施。5）系统设计、安装、调试工作量少。PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜设计、安装、接线工作量大大减少。2.2.3PLC的编程语言梯形图是PLC的编程语言，它在形式上类似于继电器控制电路图，它简单、直观、易读、好懂，是PLC中普遍采用的一种编程方式。梯形图中沿用了继电器线路的一些图形符号，这些图形符号被称为编程元件，每一个编程元件对应有一个编号。不同厂家的PLC，其编程元件的多少及编号方法不尽相同，但基本的元件及功能很相近。梯形图特点如下[3]：1）梯形图是按自上而下、从左到右的顺序排列。每一个继电器为一个逻辑行，称为一个梯形。每一个逻辑行起始于左母线，然后是触点的各种联接，最后是线圈，整个图形呈梯形。2）梯形图中的继电器不是继电器控制电路中的物理继电器，它实质上是变量存储器中的位触发器，因此称为软继电器，相应的某位触发器为真态，表示该继电器通电，其常开触点闭合，常闭触点打开。梯形图中的继电器的线圈的定义是广义的，除了输出继电器、内部继电器以外，还包括定时器、计数器等。3）梯形图中，一般情况下某个编号的继电器线圈只能出现一次，而继电器的触点是可以被无限制的引用，既可是常开触点也可以是常闭触点。4）梯形图是PLC形象化的编程方式，其左右两侧的母线不接任何电源，因而图中各个支路也没有真实的电流通过，但是为了方便，常用有电流或得电来形象地描述运算中满足输出线圈的动作条件。所以仅仅是概念上的电流，而且认为它只能从左向右流动，层次的改变只能是先上后下。5）输入继电器用于接收PLC的外部输入信号，而不能由内部继电器的触点驱动。因此，梯形图中只出现输入继电器的触点而不出现输入继电器的线圈。输入继电器的触点表示相应的外部输入信号的状态。6）输出继电器供PLC做输出控制，但它只是输出状态寄存表的相应位，不能直接驱动现场的执行部件，而是通过PLC开关量输出模块相应的功率开关去驱动现场的执行部件。当梯形图中的输出继电器得电接通后，则相应的模块上的功率开关闭合。7）PLC的内部继电器不能做输出控制使用，它们只是代表一些逻辑运算中用到的中间存储单元的状态，其触点可供PLC内部使用。2.3PLC控制系统的组成2.3.1硬件组成PLC控制系统像一般的计算机一样，也是由硬件和软件两大部分构成。硬件是指PLC本身及其外围设备，软件是指管理PLC的系统软件，PLC的应用程序，编程语言和程序支持工具软件。典型的PLC控制系统的硬件组成框图，如下图所示：图2-1PLC控制系统硬件组成框图Fig.2-1PictureofhardwarecomponentsinPLCcontrolsystem可编程控制器PLC控制系统的硬件是由微处理器（CPU）、存储器、I/O接口电路、电源及外围设备等组成的。系统的规模可根据实际应用的需要而定，可大可小。下面是对系统的主要部分简要的介绍[4]。1）微处理器（CPU）CPU是PLC控制中枢，他由控制器和运算器组成。其中控制器是用来统一指挥和控制PLC工作的部件。运算器则是进行逻辑，算术等运算的部件。PLC在CPU控制下使整个机器有条不紊的协调工作，以实现对现场各个设备的控制。CPU的具体作用如下：（1）接收存储用户程序的操作命令。（2）描的方式接收来自输入单元的数据和状态信息，并且存入相应的数据存储区。（3）行监控程序和用户程序。完成数据和信息的处理，产生相应的内部控制信号完成用户指令的各向操作。（4）应外部设备（如编程器，打印机）的要求。目前，一些厂家生产的PLC中还有采用了冗余技术，即采用双CPU或更多CPU来工作，进一步提高了系统的稳定性，他可以使系统的平均无故障工作时间达到几十万小时以上。2）存储器可编程控制器的存储器按用途可分为以下两种：系统程序存储器，用来固化PLC生产厂家在研制系统时编写的各种系统工作程序。系统程序相当于个人计算机的操作系统，决定了PLC具有的基本智能，不同厂家、不同型号的PLC系统程序也不同，但都在不断地改进，以提高性价比，增强市场竞争力。可编程控制器厂家常用只读存储器ROM或可擦除可编程的只读存储器EPROM来存放系统程序。用户存储器，用来存放从编程器或个人计算机输入的用户程序和数据，因而又包括用户程序和数据存储器两种。用户存储器的内容由用户根据控制需要可读可写，可任意修改、增删；另一方面在一定时期内又具有相对稳定性，所以适宜使用EPROM、EEPROM、FLASHMEMORY或带后备电池的CMOSRAM来储存用户程序。在PLC技术指标中的内存容量就是指用户存储器容量，是PLC的一项重要指标，内存容量一般以“步”为单位。3）I/O接口电路PLC的基本功能就是控制，他采集被控对象的各种信号。经过PLC处理后，通过执行装置实现控制。输入电路就是对被控对象进行检测、采集、转换和输入的。另外，安装在控制台上的按钮、开关等也可以向PLC送控制指令。输入输出的功能就是接受PLC输出的控制信号，对被控对象执行控制任务。PLC的控制对象是工业生产过程，它与工业生产过程的联系是通过I/O模块实现的。生产过程有许多控制变量，如：温度、压力、液位、速度、电压、开关量、继电状态量等，因此，需要有相应的I/O模块作为CPU与工业生产现场的桥梁。且模块应具有比较好的抗干扰能力。4）电源该模块将交流电源转换成为供CPU存储器等所需的直流电源，是整个PLC系统的能源供给中心，它的好坏直接影响到PLC的功能和可靠性。目前，大多数PLC采用高质量的开关式稳压电源，与普通电源相比，PLC的电源工作稳定性好，抗干扰能力强，有些机器的电源除了供内部电路使用外，还向外提供24伏直流稳压电源，用于外部传感器的需要，这样就避免了因外部电源不合格而引起的外部故障。5）PLC外围设备PLC的外围设备很多，但基本功能不外乎是对信息和数据的处理。常用的有编程器、可编程终端、打印机、条码读入机等等。编程器是PLC的重要外围设备之一，他可以将用户编写的程序送到PLC的用户存储器。因此，它的主要任务就是输入程序、调试程序和监控程序的执行过程。可编程终端是兼有I/O功能的PLC人机界面产品。人可以通过触摸屏将信息输入到PLC中，同样可编程终端也可以将PLC的输出数据和信息显示在屏幕上。2.3.2软件组成1）PLC系统软件与工作过程PLC系统软件是PLC工作所必须的软件[7]。在系统软件的支持下，PLC对用户程序进行逐步的解释，并加以执行，直到返回到程序的起始又开始新一轮的扫描。PLC的这种工作方式就是循环扫描。值得注意的是在继电器的一个线圈被接通或断开时其他所有触点都会立即动作，但是PLC中，由于采用循环扫描的工作方式，所以只有扫描到线圈时，触点才会动作，没有扫描到就不会动作。并且PLC扫描一次用户程序的时间即是扫描周期与用户程序的长短和扫描速度有关，一般为1到几十毫秒。2）应用软件PLC控制系统的应用软件是指为了完成PLC实际控制任务而编制的各种软件。随着PLC的应用领域范围不断扩大，应用水平的提高，PLC应用软件也大大的丰富起来了。PLC应用软件与一般计算机信息处理软件相比，有很大的不同，PLC应用软件有以下几个特点：应用软件必须和生产工艺紧密相连。生产工艺不同则要求有不同的应用软件相配，所以程序人员必须深入现场，严格遵守生产工艺的具体要求进行相应的程序设计。应用软件与硬件紧密相关，设计程序时必须根据硬件系统、接口的实际情况进行相应的程序设计。PLC的应用软件设计需要计算机、自动控制技术甚至网络通讯技术等多种知识。特别是PLC网络的出现，PLC控制系统不再是一个独立的装置，在控制系统中可能包括不同的PLC或计算机、外围设备等。因此在软件设计时，实现和处理某种控制时都离不开计算机、自动控制和通讯技术。因此应用程序中不仅有PLC程序，还有计算机程序和通讯网络程序等。3）编程语言及编程支持工具软件PLC有多种编程语言：梯形图语言、助记符语言、逻辑功能图语言和某些高级语言如（BasicC语言）等。但是使用最广泛的是梯形图语言和助记符语言。如今各生产厂家在研制自己的PLC编程工具软件（如西门子的SETP7，OMRON的CPT等）和监控软件。我们可以根据自己的需要利用这些软件来提高我们的编程效率。2.4PLC控制系统的发展趋势1）小型化、高性能、低成本、简单实用近年来，小型PLC的应用十分广泛，超小型PLC的需求日益增多。据统计美国机床行业超小型PLC几乎占据了市场的1/4，国外许多的PLC厂家在积极的研制开发各种超小型微型的PLC。例如德国的西门子公司的S7-200即可以单机运行也可以实现连网实现复杂的控制。它的最小配置是8个数字量输入和6个数字量输出，还可以根据实际情况扩展模块，最多可达128输入和120输出，此外它还可以进行模拟量控制，是一种性能价格比较好的微型PLC[6]。2）大型化、网络化、多功能化多层次分布式控制系统与集中型相比，具有更高的安全性和可靠性。系统设计、组态也更为灵活方便，地域分布也广，是当前控制系统发展的主要潮流。为了适应这种发展，实现工厂自动化，世界上各PLC厂家不断的研制开发功能更强的PLC网络系统。这种PLC网络一般是多级的，网络的最底层是现场执行级，中间是协调级，网络的最上层是组织管理级。现场执行级可以由多个PLC或远程I/O工作站组成，中间一级由PLC或计算机组成。最高一级一般由高性能的计算机组成。他们之间采用工业以太网，MAP网和工业现场总线相连构成一个多级分布式PLC。随着自动控制系统技术的发展，这种多级分布式PLC控制系统功能不再是单一的，除了控制功能外，还可以实现在线优化、统计管理等功能，成为一种测、控、管一体化的多功能综合系统。3）PLC控制系统将与智能控制系统更进一步地相互渗透和结合目前，PLC与计算机已经成功的结合并广泛使用，PLC不在是一个孤立的装置，它已经成为控制系统中一个重要的组成部分和环节。随着集成电路和计算机技术的发展，今后的PLC将更加注重和其他智能控制系统的结合。许多PLC开发商已经注意到PLC的兼容性，不仅是PLC与PLC之间的兼容，而且注意到PLC与计算机的兼容。使之可以充分发挥计算机现有的软件资源。例如西门子的S7-300采用SIMATICS7的模块，它的软件编程以可以在Windows操作平台上进行，今后PLC将采用速度更快、功能更强的CPU容量更大的存储器，并将充分的利用计算机资源。PLC将与工业控制计算机、集散控制系统、嵌入式计算机控制系统等将进一步渗透与结合，这将更进一步拓宽PLC的应用领域和空间。

3码头物料输送系统的工艺分析3.1码头物料输送系统的概述码头货船装料用的是皮带运输机系统，该系统是由料库、卸料电磁阀YV和4条连续排列的皮带运输机组成。待装船的物料贮存于料库内，装船用的末端皮带运输机是移动式的，卸料端伸入船上料仓。本文采用四条皮带运输机组成，因采用多条皮带输送机系统，方便系统的灵活组合。实际的工艺布置图如图1-1所示。码头货船装料皮带运输机系统的工作流程：需装船的物料(例如：粮食、花生、大豆、煤炭等散装粉状或颗粒状物料)应先贮存在料库内，尽量装满，保持适当物料位置的高度，保证系统可连续稳定地进行生产，不跑料，不扬尘。物料装船现场应有声光报警装置，警告或提醒现场人员注意行走和工作的安全。四皮带物料输送系统有驱动电动机4台(M1，M2，M3和M4)，其电动机控制回路分别由交流接触器KMl，KM2，KM3和KM4和各过载保护热继电器FR1，FR2，FR3和FR4组成。当料库的电磁阀YA打开时，物料从料库流到由驱动电动机驱动的皮带机上，通过皮带的传输，最终流入船舱。3.2码头物料输送系统的工艺要求码头物料输送系统的工艺控制过程主要是通过运输机的皮带1、皮带2、皮带3、皮带4将料库中物料运往船舱中。物料输送的工艺过程如图3-1所示。图3-1码头物料输送工艺过程示意图Fig.3-1Terminalmaterialhandlingprocessdiagram根据工艺控制过程，码头物料输送系统的控制要求如下：1）初始状态料斗电磁阀YA、皮带1、皮带2、皮带3和皮带4全部处于关闭状态。2）启动操作启动时为避免在前段运输皮带上造成物料堆积，要求逆送料方向按一定的时间间隔顺序启动[8]。其操作步骤为：皮带4→延时5s→皮带3→延时5s→皮带2→延时5s→皮带1→延时5s→料斗电磁阀YA。3）停止操作停止时为使运输机皮带上不留剩余物料，要求顺物料流动的方向按一定时间间隔顺序停止。其停止顺序为：料斗电磁阀YA→延时5s→皮带1→延时5s→皮带2→延时5s→皮带3→延时5s→皮带4。4）在每台输送机上装有速度传感器，拉线开关，跑偏开关，撕带开关。5）电动机应有一定的过热、过流保护。6）故障停车在皮带运输机的运行中，若皮带4出现故障或过载，应把料斗电磁阀YA、皮带1、皮带2、皮带3和皮带4都关闭；若皮带3出现故障或过载，应把料斗电磁阀YA、皮带1、皮带2和皮带3同时关闭，皮带4应在皮带3停止后5s停止；若皮带2出现故障或过载，应把料斗电磁阀YA、皮带1和皮带2同时关闭，然后延时5s→皮带3→延时5s→皮带4；若皮带1出现故障或过载，应把料斗电磁阀YA和皮带1同时关闭，然后延时5s→皮带2→延时5s→皮带3→延时5s→皮带4；7）事故停车在皮带运输机的运行中，若皮带出现打滑、撕裂、跑偏、过速及变频器故障等时，应将料斗电磁阀YA、皮带1、皮带2、皮带3和皮带4都关闭。8）多段速运行根据输送的物料种类及物料的量不同，需要驱动电机带动皮带的速度不同。当物料较散或物料的量较大时，应将皮带的速度调慢一些；当物料较规则或物料的量较少时，应将皮带的速度调快一些。9）操纵台上装有系统的操作开关、电表、各种信号灯（各工艺指示灯与故障报警灯应不同）。

4码头物料皮带运输机系统各硬要想使整个系统能够正常、安全、可靠的运行，在各个部件的选择时必须做到慎重，周全。而且先要做到对各个型号的部件的价格、性能深入了解；以及每一个部件与其他部件是否配套等一系列问题。4.1皮带输送机及辅助设施的选型皮带运输机可分为平型、槽式和特殊类型，又可分为移动式和固定式两种。皮带运输机由头部、中部、尾部组成。头部由头辊及支承架组成；中部由支承架、限位辊、导向辊、张紧辊等组成；尾部由尾辊及支承架、调节装置等组成。此设备的特点是重、高、大，其设计紧凑合理、自动化程度高、内部结构复杂、安装精度高。带式输送机是化工、煤炭、冶金、矿山、建材、电力轻工，粮食及交通运输等部门广泛使用的运输设备。适用于运送松散度为0.5~2.5/m的各种粒状等散体物料，也可以运送成件物品。输送量大、输送带较宽时应选用较高的带速。较长的水平输送机，应选用较高的带速；输送机倾角愈宽输送距离愈短，则带速愈底。物料易滚动，粒度大，磨琢性强的或容易扬尘的以及环境卫生条件较高的宜选用较底的带速。一般用于给料或输送粉尘量大的物料时带速可取0.8~1米/秒。或根据具体物料的特性和工艺要求再决定。人工配料称重时，带速不宜超过皮带运输机的选型1）输送带的选择带式输送机使用的输送带有橡胶带，塑料带，钢带，金属网带等，最常用的是橡胶带，橡胶带输送带有棉芯、合成纤维芯、钢丝绳芯等多种，塑料输送带有层芯和整芯之分。输送带跑偏的原因与处理方法如下：（1）安装时引起的皮带跑偏与处理方法皮带运输机安装质量的好坏对皮带跑偏的影响最大，由安装误差引起的皮带跑偏最难处理，安装误差产生原因主要有以下几方面[7]：a.输送带接头不平直，造成皮带两边张力不均匀，皮带始终往张紧力大的一边跑偏。b.机架歪斜，包括机架中心线歪斜和机架两边高低倾斜，这两种情况都会造成严重跑偏，并且很难调整。c.导料槽两侧的橡胶板压力不均匀，造成皮带两边运行阻力不一致，引起皮带跑偏。针对安装误差引起的跑偏，首先要消除安装误差，对皮带接头进行检查，使输送带接头平直，对机架歪斜严重的必须重新安装。（2）运行中引起的皮带跑偏主要有以下几类：a.滚筒、托辊粘料引起的跑偏：皮带机在运行一段时间后，由于矿料具有一定的黏性，部分矿粉会粘在滚筒和托辊上，使得滚筒或托辊局部直径变大，引起皮带两侧张紧力不均匀，造成皮带跑偏。b.皮带松弛引起的跑偏：调整好的皮带在运行一段时间后，由于皮带拉伸产生永久变形或老化，会使皮带的张紧力下降，造成皮带松弛，引起皮带跑偏。c.运行中振动引起的跑偏：皮带机在运行时的机械振动是不可避免的，其运行速度越快，振动就越大，造成皮带跑偏的可能性也越大。d.矿料分布不均匀引起的跑偏：矿料下落方向和位置不正确会引起皮带跑偏，矿料下落位置偏到左侧时，则皮带向右跑偏，反之亦然。（3）对运行中跑偏的处理方法如下：a.调整承载托辊组：皮带机的皮带在整个皮带运输机的中部跑偏时可通过调整托辊组的位置来调整跑偏，具体调整方法是皮带偏向哪一侧，托辊组的哪一侧朝皮带前进方向前移，或另外一侧后移。b.安装调心托棍组：调心托辊组有多种类型，如中间转轴式、四连杆式、立辊式等，其原理是采用阻挡或产生横向推力使皮带自动向心，达到调整皮带跑偏的目的。c.调整传动滚筒和改向滚筒的位置：每条皮带运输机至少有2个~5个滚筒，所有滚筒的安装轴线必须垂直于皮带运输机长度方向的中心线，若偏斜过大必然发生跑偏。对于头部滚筒，如果皮带向滚筒的右侧跑偏，则右侧的轴承座应当向前移动，也可将左侧轴承座后移，反之亦然，尾部滚筒的调整方法与头部滚筒刚好相反。d.张紧处的调整：皮带张紧处的调整是皮带运输机跑偏调整的一个非常重要的环节。重锤张紧处上部的两个改向滚筒应垂直于皮带长度方向，还要垂直于重力垂线，即保证其轴线水平。当使用螺旋张紧或液压油缸张紧时，张紧滚筒的两个轴承座应当同时平移，以保证滚筒轴线与皮带纵向方向垂直，具体的皮带跑偏的调整方法与滚筒处的调整类似。f.进料斗位置和落料点位置调整：进料斗位置不对或者是落料点位置不合适，容易造成料流偏斜，从而出现皮带向一边跑的现象。如物料偏右侧，则皮带向左侧跑偏，反之亦然，这将要求对其采取措施，多数采取在进料斗中增加挡料板，改变料流方向，以保证料流位置适中的方法。（4）皮带打滑的原因与处理方法皮带打滑的原因：皮带传动是一种摩擦传动，皮带打滑是由于主动带轮摩擦力小，不能克服工作阻力而出现主动带轮与皮带之间的相对滑动。引起打滑的原因有皮带松弛、带轮与皮带之间的摩擦系数小、超载等。对于皮带松弛要分以下几种情况进行相应的处理[8]：a.使用重锤张紧装置的皮带运输机可添加配重来解决。b.使用螺旋张紧或液压张紧的皮带运输机可调整张紧行程，增大张紧力。c.如果张紧行程不够，皮带出现了永久性变形，可将皮带截去一段后重新进行硫化。对于带轮与皮带的摩擦系数变小，可以对主动带轮表面进行处理以增大摩擦系数。对于超载的情况,应直接减少输送带上物料的重量，这可通过调节装料口的大小得到解决。（5）异常噪声产生的原因与处理方法皮带运输机运行时，引起异常噪声的原因是其驱动装置、驱动滚筒和改向滚筒以及托辊组不能正常工作。应根据异常噪声判断设备的故障,针对故障进行处理。（6）托辊严重偏心时引起的噪声皮带运输机运行时托辊常会发生异常噪声,并伴有周期性的振动。引起噪声的原因主要有两个：一是制造托辊的无缝钢管壁厚不均匀；二是在加工时两端轴承孔中心线与外圆面轴线偏差较大。要解决这种问题,只有从托辊的加工制造与安装上着手（7）联轴器两轴不同心引起的噪声在驱动装置的高速端电机与减速器之间的联轴器处发出异常噪声，这种噪声伴有与电机转动频率相同的振动。发生这种噪声时应及时对电机和减速器的位置进行调整，保证电机输出轴与减速器输入轴的同轴度，以减小噪声，同时也可避免减速器输入轴的断裂。（8）改向滚筒与驱动滚筒的异常噪声改向滚筒与驱动滚筒正常工作时噪声很小，发生异常噪声时一般是轴承损坏，此时要更换轴承并保证轴承的润滑（9）减速器的断轴原因与处理方法减速器断轴常发生在减速器输入轴上。发生断轴主要有两个原因：a.减速器输入轴设计强度不够，这种情况一般发生在轴肩处，发生这种情况应当更换减速器或减速器输入轴。b.电机输出轴与减速器输入轴不同心时会使减速器输入轴增加径向载荷，加大了轴上的弯矩，长期运转会发生断轴现象，在安装与维修时应仔细调整其位置，保证两轴的同轴度。（10）皮带使用寿命短的原因与处理方法皮带的使用寿命和皮带的使用状况与皮带的质量有关，用户在购买皮带时注意其制造质量，国家有专门的质量鉴定机构可对其进行检验。皮带运输机在运行时应保证清扫器可靠工作，回程皮带上应无物料，否则至行程末端时，油缸不动作，压力达到溢流阀设定的压力,油泵卸荷运转。各种芯材和不同的覆盖胶可组成各种类型的光面或花纹输送带。如表所示：表4-1与各类运送物料和不同环境相适宜的输送带Tab.4-1Andthedeliveryofvariousmaterialsanddifferentenvironmentsuitablefortheconveyorbelt物料及工作条件特性宜选用输送带类型芯层代号覆盖胶带号松散度较小摩擦性小的物料，如谷物、纤维、木屑、粉末及包装物品等轻行CCVVNNNRPVC松散度较小的中、小的矿石、焦碳、原煤和砂石等对带子磨损不太严重的物料普通型CCVVNNEPNRSBR密度较大的中、小块矿石原煤等冲击力较大磨损较重的物料输送量较大、输送距离较远物料强力型EPSTNNEPNRSBRIR矿井下运送物料工作区域易于爆炸易于燃烧井巷型CCVVNNEPCRCPENBR高温的焦碳、水泥、化肥难燃型CCNNEPPVCPVGPVCCPENBR烧结矿和铸件等耐热型CCVVEPNNSTSBRCR倾角度较大花纹型CCVVNNEPNRSBR输送量大输送距离长高强力型STNRIRSBR由于本设计没有涉及到具体的工程，因此没有原始数据可以计算。但根据使用环境及具体用途，本设计采用普通型输送带，选用输送带的芯层代号为NN、覆盖胶带号为NR。2）皮带机的基础装置（1）电动滚筒：电动滚筒是将电机、减速齿轮装人传动滚筒，因其结构紧凑、外型大小尺寸小适于短距离及较小功率的单机驱动带式传输机。功率范围是2.2~55KW，用于环境温度不超过40℃（2）传动滚筒：传动滚筒是传递动力的主要部件。根据承载能力分为小型、中型、重型三种，滚筒直径有500、630、800、1000米等。（3）拖辊：拖辊是用于支撑输送带及传输带上所承载的物料，保证输送带稳定运行的装置。（4）拉紧装置：拉紧装置使输送带具有足够的张力，保证输送带和传动滚筒之间产生摩擦力，使输送带不打滑。a.使输送带具有足够的张力，保证输送带和传动滚筒间产生摩擦力使输送带不打滑，并限制输送带在各拖辊间的垂度，使输送机正常运行。b.本系列拉紧装置有螺旋式，垂直重锤式，重锤车式，固定绞车式。拉紧装置应该尽量布置在输送带张力最小的位置上，并尽量可能的靠近滚筒从而便于维护。（5）机架：机架是支撑滚筒及承受输送带张力的装置。我才用了结构紧凑，钢性好，强度高的三角形机架。4.1.2皮带运输机安全设施带式输送机侧边应装设拉绳事故开关或固定式拉绳开关。为了确保安全，还应装设跑偏开关，断带控制器和打滑检测器；防堵检测器；过载保护和纵向撕裂保护。1）双向拉绳开关拉绳开关的选择的参数如下表4-2：表4-2KLTZ系列拉绳开关参数Tab.3-4KLTZSeriesLashengswitchparameters型号触电容量常开常闭动作力复位形式环境KLT2-1＜380v1190±10自动复位-25~50℃＜3AKLT2-Ⅱ＜380v1190±10手动复位三防，户外型＜3AKLT2-Ⅲ＜380v2290±10手动复位IP65＜3AKLTZ系列一般沿绳固定在带式输送机的两侧，当带式输送机出现故障时，操作人员可在输送机的任何部位拉动开关，切断电源使设备停车；此外当当发生开车信号时，如现场不容许开车，也可立即拉动开关停止起动，避免人身事故发生。安装时使拉绳开关低于输送带面，开关的拉绳采用PESG—25型的覆塑钢丝绳（外径4.5mm），用绳夹固定在拉环上，每隔50米2）跑偏开关KPT1系列两极跑偏开关通过检测带式输送机的跑偏状态发出信号，实现输送带跑偏自动报警和停机功能。一级动作用于报警，二级动作于停机。安装时应将跑偏开关成对安装，保证开关触辊与输送带边垂直，并使触辊与输送带接触部位于触辊高度的1/3处，在机的头尾各装一对，每隔50米表4-3KPT1系列技术指标Tab.4-3KPT1SeriesSpecifications型号触电容量常开常闭立辊动作角度结构环境寿命一级二级三级自动复位-25~5010万次KPT1-12-30＜380v2212℃30℃75℃＜3AKPT1-10-45＜380v2210℃45℃75℃自动复位-25~5010万次＜3AKPT1-20-35＜380v2212℃35℃75℃自动复位-25~5010万次＜3A3）无料检测器此系列料流检测器用来检测带式输送机输送物料的瞬间状态，如：空载、满载或超载。信号可接至控制室通过指示等显示现场带式传输机的工作状态。4）打滑检测器DH-Ⅲ型打滑检测器用于检测带式输送机在运行时出现的输送带与主动滚筒之间的打滑，防止打滑所造成的恶性事故，该打滑检测器可用于多带式输送机连锁和停机，低速抱闸和超速保护。打滑检测器的主要技术指标见表4-4，安装方式一般有两种，一是安装在带式输送机上输送带下面，保证输送带有料时使检测器与输送带面平行；另一种是将检测器输出和从动滚筒采用柔性联柱器连接起来。打滑检测器技术指标如下表4-4：表4-4DH-Ⅲ型打滑检测器技术指标Tab.4-4DH-ⅢSkiddetectorSpecifications额定电压/V额定电流/A带速范围打滑率/%触电数量环境电阻常开常闭38020.3~625~3011-25~50℃＞20三防户外22040.3~625~3011-25~50℃＞20三防户外5）纵向撕裂开关ZL—K型纵向撕裂开关用于各种型号的带式输送机输送带的纵向撕裂保护。纵向撕裂是一种恶性事故，任其发展将会造成巨大的经济损失，使用纵向撕裂开关，可以及时检测并发出停机信号，防止故障扩大，减小损失。6）速度传感器由于电动机的额定转速要求是2890r/min，所以选择RC系列测速传感器，其特点与用途：此测速传感器的测速范围宽，测量精度高，输出信号与转速成线性关系，具有正反输出功能，该功能特别适用于需正反转控制的自控系统。传感器与变送器一体化设计，其输出脉冲信号可直接与二次数字仪表或计算机相连，结构新颖，安装方便，测速，测角准确，运行稳定，安全可靠，性价比高，配有数字显示表，供需要显示的用户选用。其主要技术指标如下表[9]。表4-5RC系列测速传感器技术指标Tab.4-5RCSeriesSpeedSensorSpecifications供电电源DC12V，﹤60mA，纹波﹤200mV测量误差冲个数120输出方式集电极开路脉冲输出检测方式±0.1%负载电流﹤30mA使用温度-5－55测速范围0－3000r/min环境湿度﹤85％RH7）压力传感器由于到煤矿中载煤的车一般满载时大概是8-30吨，所以压力传感器选择HBM称重传感器1-C16AD1/40T型[9]。C16AD1型称重传感器量程为0到40t，这种自复位称重传感器最高精度为5000d，结实耐用，防护等级为IP68。此传感器具有自恢复功能，并且安装简单。综上，在皮带机上都装有拉线开关、跑偏开关、打滑开关、撕带开关和速度传感器。拉线开关、跑偏开关、撕带开关和速度开关都对皮带起保护作用，控制系统安全运行。皮带机上的拉线开关、跑偏开关、撕带开关、打滑开关、速度开关和船舱的压力开关都与PLC相连，作为皮带机故障信号和停机信号的输入。4.2电动机的选型电机是指依据电磁感应定律实现电能的转换或传递的一种电磁装置。电机按工作电源种类划分为直流电机和交流电机，即直流电机的工作电源是直流电，交流电机的工作电源是交流电。交流电源较直流电源丰富多了，且交流电机与直流电机相比，交流电动机的结构简单，制造、使用、维护方便，运行可靠性高，重量轻，成本低，尤其异步电动机。因此本设计选用异步电动机。4.2.1异步电动机的介绍异步电动机的种类繁多，有防爆型三相异步电动机、ys系列三相异步电动机、y、y2系列三相异步电动机、YVP系列变频调速电动机等等.异步电动机又称感应电动机,是由气隙旋转磁场与转子绕组感应电流相互作用产生电磁转矩,从而实现机电能量转换为机械能量的一种交流电机。异步电机主要用做电动机，去拖动各种机械。例如在工业方面，用于推动各种轧钢设备，各种金属切削机床，轻工机械，矿山机械等；在农业方面，用于拖动水泵，脱粒机，粉碎机以及其他农副产品的加工机械；在民用电器方面的电扇，洗衣机电冰箱，空调机等也都用到异步电动机拖带。异步电动机的特点是，转子绕组不需与其他电源相连，其定子电流直接取自交流电力系统；与其他电机相比，结构简单，容易制造，价格低廉，运行可靠，坚固耐用，运行效率较高和具有适用的工作特性。异步电动机还容易按不同环境条件的要求，派生出各种系列产品。它还具有接近恒速的负载特性，能满足大多数工农业生产机械拖动的要求。其局限性是，它的转速与其旋转磁场的同步转速有固定的转差率（见异步电机），因而调速性能较差，在要求有较宽广的平滑调速范围的使用场合（如传动轧机、卷扬机、大型机床等），不如直流电动机经济、方便。缺点是功率因数较差。异步电动机运行时，必须从电网里吸收落后性的无功功率，它的功率因数总是小于1。由于电网的功率因数可以用别的办法进行补偿，这并不影响电动机的广泛使用。对那些单机容量较大、转速又大的生产机械一般采用同步电动机较好。因为同步电动机功率是可调的。但并不是异步电动机就不能拖带这类机械，而是根据具体情况进行分析以确定采用哪种电机。异步电机运行时，定子绕组接到交流电上，转子绕组自身短路，由于电磁感应的关系，在转子绕组中产生电动势，电流从而产生电磁转距。所以异步电动机又叫感应电动机。异步电动机的种类很多，从不同角度看，有不同的分类。例如：按定子相数分：a单相异步电动机；b两相异步电动机；c三相异步电动机。按转子分：绕线式异步电动机、鼠笼式异步电动机（其中包括单鼠笼异步电动机、双鼠笼异步电动机、深槽式异步电动机）。按有无换相器分：无换相器异步电动机、换相器异步电动机，此外根据电机绕组上的电压大小，有高压电动机、低压电动机。从他的角度分还有高启动转距异步电动机，高转差率异步电动机等等。异步电动机也可作为异步发电机使用。单机使用时，常用于电网未到达的地区，又找不到同步电动机的情况，或用于风力发电的情况，在同步电动机的电力拖动中，有时利于异步电动机回馈制动，既运行在异步发电状态。三相异步电动机的结构：异步电动机是主要由定子和转子两大部分组成，定子和转子之间是空隙。此外还有端盖机座、风扇等部件。异步电动机的部件主要有机座，定子铁心和钉子绕组三个部分组成。定子铁心是电动机磁路的一个部分，装在机座里。为了减低钉子铁心里的铁磁损耗，定子铁心用厚的钢硅片叠加而成，两面还涂上绝缘漆。图4-1异步电动机定子铁心Fig.4-1Asynchronousmotorstatorcore定子铁心直径小于1M时用整圆的硅钢片叠成，大于1M时用扇形硅钢片。在定子铁心内圆上开有槽，槽内放有定子绕组（也叫电枢绕组）。图4-2异步电动机Y接Fig.4-2Ytoasynchronousmotor高压大中型容量的异步电动机定子绕组常采用Y接，只有三根引出线如图4-2所示，对中小容量低压异步电动机通常把定子三相绕组的六根出线头都引出来，根据需要可接成Y与△形，如图4-1所示定子绕组用绝缘的铜或铝导线制成嵌在定子草内。绕组于槽壁用绝缘隔开。异步电动机的气隙比同容量的同步电动机小的多，在中小型的异步电动机中，气隙一般为0.2～1.5mm左右。异步电动机的转子是由转子铁心、转子绕组和转轴组成，转子铁心也是电动机磁路的饿一部分。他用0.5毫米4.2.2电动机的选择原则1）电动机额定电压的选择直流电动机与交流电动机额定电压的选择方法是不一样的，因为设计中我用到的是交流电动机，这里主要介绍交流电动机额定电压的选择。交流电动机额定电压与供电电网电压一致。一般车间电网电压为380V，因此，中小型异步电动机额定电压为220/380V（角/星联结）及380/600V（角/星联结）两种。2）电动机结构形式的选择按电动机工作的环境条件的不同，有不同的防护型式电动机可供选择，如防护式、封闭式、防爆式等，可根据电动机的工作条件来选择。本设计由于是码头场地大，设备多，粉尘较大，采用封闭式电动机。4.2.3本设计需要四台电动机来带动四台皮带机，考虑到以上因素，这四个电动机均选用齿轮减速异步电动机，其型号是YCJ，型号的意义就是异齿减。YCJ系列齿轮减速三相异步电动机是按JB/T6442－92标准设计、制造，并符合IEC标准的最新产品。它由拖动电动机与齿轮减速装置耦合而成，具有结构紧凑、体积小、重量轻、噪声低、振动小、效率高等特点，是理想的低速力源。广泛用于运输机械、矿山机械、炼钢机械、造纸机械及其它要求低转速的机械。因为结构特征是由Y系列（IP44）电动机与齿轮减速器直接耦合而成的。所以还得选择Y系列IP44电动机的具体型号。Y（IP44）是指小型三相异步电动机（封闭式），标准编号ZBK22007－88（H80－315）JB5274－91（H355），结构特征是自扇冷却，封闭式结构，能防止灰尘，水滴大量进入电机内部，是作一般用途的驱动电源，即用以驱动对起动性能、转差率等无特殊要求的机器和设备，亦可用于灰尘较多，水土飞溅的场所。选择Y112M-2型的电动机，技术指标如下：表4-6Y112M-2型的电动机技术指标Tab.4-6MotortechnologytargetofY112M-2type额定功率4KW堵转转矩/额定转矩2.2额定电流8极数2极效率85.5％总传动比152.11功率因数Cos∮＝0.87槽数Z1/Z230/36额定转速2890r/min质量45kg额定电压380V转动惯量0.0055kgm24.3调速变频器的选型4.3.1变频调速控制的介绍异步电机的转速方程是，可以看出分别改变、、均可调速。所以调速方法有三种：变极对数调速（即改变）、变频调速（即改变）和串级调速（即改变）。1)变极对数调速方法这种调速方法是用改变定子绕组的接线方式来改变笼型电动机定子极对数达到调速目的，特点是具有较硬的机械特性，稳定性良好；无转差损耗，效率高；接线简单、控制方便、价格低；有级调速，级差较大，不能获得平滑调速；可以与调压调速、电磁转差离合器配合使用，获得较高效率的平滑调速特性。2)变频调速方法变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流－直流－交流变频器和交流－交流变频器两大类，目前国内大都使用交－直－交变频器。其特点是效率高，调速过程中没有附加损耗；应用范围广，可用于笼型异步电动机；调速范围大，特性硬，精度高；技术复杂，造价高，维护检修困难。3)串级调速方法串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机的转差，达到调速的目的。其特点为可将调速过程中的转差损耗回馈到电网或生产机械上，效率较高；装置容量与调速范围成正比，投资省，适用于调速范围在额定转速70％－90％的生产机械上；调速装置故障时可以切换至全速运行，避免停产；晶闸管串级调速功率因数偏低，谐波影响较大。变频调速具有较好的调速性能，是现代交流调速方法中具有重要意义的一种调速方法，在很多领域都获得了广泛的应用。所以本设计采用变频调速。变频器的基本运行方式1)正反转运行异步电动机本身可以正反转运行，对于使用工频供电的电动机只需改变电动机电源的相序，即可改变电动机的转向。当使用变频器作为电动机的电源时，有些变频器具有控制电动机正反转的功能有的不具备此功能。对具有正反转控制功能的变频器，用变频器的正转或反转控制信号直接控制电动机正反转。对于不具备正反转控制功能的变频器，可以利用接触器切换变频器输出相序。在设计它的控制电路时，需要考虑不可将电动机直接从正转切换到反转，应该在确保电动机已经停止，在切换到反转，否则切换过程中会产生很大的电流，将会对变频器和电机造成损坏。2)多级速度运行多级速度运行主要用再生产过程中对应不同状况要求不同转速的场合。例如运输车在运输物品时低速行驶，卸载后高速返回。多级速度运行是一种简单的顺序速度控制，每一过程的频率及其运行时间可以自由设定。不同变频器可以设定的级数不同，通常有7级。3)自动频率调整运行控制对象不是电动机速度，而是风机、水泵等流体机械的流量、压力，或湿度、温度，通过控制变频器的频率，来控制这些物理量，使之为设定值。变频器的频率随着系统的运行条件自动调整，这就是自动频率调整运行。调节器常采用PID控制，检测控制对象的变化，将调节器的输出作为变频器的频率设定信号。4)多台电机运行使用一台变频器拖动两台以上电机时，应根据电机的启动方式确定变频器的容量。如果多台电机是同时由低频启动，那么变频器的容量应该大于或等于多台电机的容量和。即使这样，在加速时仍要防止变频器过载。如果多台电机不是同时启动而是顺序启动，首先将一台电机从低频启动，之后变频器已经工作在某一频率，其余电动机则是全压启动。每启动一台电机，变频器都会出现一次电流冲击，这是应保证变频器的电流能够承受电动机全压启动所带来的电流冲击。如果多台电机的容量不同，应尽可能先启动容量大的电机，最后在启动容量小的电机。尽管如此，此时变频器的容量仍应比电机的总容量大。4.3.2本设计变频器的选型由于本设计的控制要求，我们采用变频器来调节电动机的速度，使电动机在较低的能耗下运行，从而可以节省能源。本设计选用安川公司的VS-616G5系列变频器来控制电动机。VS-616G5系列变频器属于电压型变频器，它包括了4种控制方式：标准V/F控制、带PG反馈的V/F控制、无传感器的磁通矢量控制和带PG反馈的磁通矢量控制。

VS-616G5作为通用变频器适合任何应用场合，在低速下能够实现平稳启动（1%额定转速），并且极其精确地运行。它的自动调整功能可使世界各地生产的电动机达到高性能运行。它在精密机械及驱动多台电机的任何应用中，都可以实现极佳的驱动效果。由前面的分析可知本设计应该按照恒转矩负载选择变频器规格，所以，设计中采用一台变频器来控制四台电动机，且四台电动机采用顺序启动，对于额定功率为4千瓦，额定电流为8.2安培的电机，则变频器的额定功率，式中为电动机的额定功率，计算得变频器的额定功率不少于17.6KW；则变频器的额定电流，式中为最大电动机的起动电流（5-7倍的额定电流），为其余各台电动机额定电流之和，计算得变频器额定电流不少于65.6A。所以，根据计算及本设计的具体情况，并查看VS-616G5变频器规格参数表，我们选择VS-616G5系列变频器中的400V级的4030型号。下表是VS-616G5系列变频器技术数据：表4-7VS-616G5系列变频器技术数据Tab.4-7TechnicaldataofVS-616G5seriesinverter电压200V级400V级容量范围0.4—110KW0.4—300KW电源电压频率200V：三相200/208/220/230V400V：三相380/400/415/460V电压允许变动+10%-15%频率允许变动5%过载能力150%额定输出电流1分钟控制方式正弦波PWM（V/f控制、带PG反馈的V/F控制、开环矢量、闭环矢量控制4种控制方式任选性）启动力矩150%/1Hz（带PG，150%/0rmin）速度控制范围1：100（带PG，1：1000）速度控制精度±0.2%（带PG，±0.02%）速度响应5Hz（带PG，30Hz）频率设定信号-10～10V，0～10V，4～20mA电机保护电子式热继电器保护瞬时过电流200%额定电流时电机自由停机(18.5KW以下)；180%额定电流时电机自由停车(22KW以上)保险丝熔断保护电机在保险丝熔断后自由停车过负荷电机在额定输出电流的150%

1分钟后,自由停车过电压约820V以上电机自由停车低电压约380V以下电机自由停车接地保护电子回路保护4.4常用低压电器的选型1）交流接触器接触器是电力拖动和自动控制系统中使用量大，涉及面广的一种低压控制电路，用来频繁地接通和分断交直流主回路和大容量控制电路的，具有控制容量大，可远距离操作，配合继电器可以实现定时操作，联锁控制，各种定量控制和失压及欠压保护，广泛应用于自动控制电路，其主要控制对象是电动机，也可用于控制其它电力负载，如电热器、照明、电焊机、电容器组等。本设计中使用了四台电动机，需要采用五个交流接触器。间断运行的设备，接触器按大约80%算，即24A的交流接触器，只能控制最大额定电流是20A以下的设备。所以选择四个CJ20-16型交流接触器和一个CJ20-40型交流接触器，主要用于交流50Hz或60Hz，额定电压至3802）热继电器热继电器是专门用来对连续运行的电动机进行过载及断相保护，以防止电动机过热而烧毁的保护电器件。热继电器一般用于小电流的电路，根据电动机实际负载选取热继电器的整定电流值为电动机额定电流的0.95～1.05倍。由于本设计中选用的电动机的额定电流为8.2A，所以热继电器的额定电流应为7.79～8.62A。考虑到与前面所选取的交流接触器相匹配，所以选择JR20-10型热继电器四个和JR20-30型热继电器一个，JR20-10型热元件整定电流范围为0.1-11.63）熔断器熔断器是一种当电流超过规定值一定时间后，以它本身产生的热量使熔体熔化而分断电路的电器，是一种短路保护电器。选择RC系列插入式熔断器，额定电压是380V，主要用途：用于交流分支线路的短路保护和过载保护。保护一台异步电动机时，考虑电动机冲击电流的影响，电动机熔断器熔体的额定电流为，式中的为电动机的额定电流，所以保护一台电动机时的熔断器的额定电流取10.5～17.5A，每台电动机上的熔断器的量限选择15A，即选择RC-15A型熔断器。主回路的熔断器的额定电流取，其中为变频器的额定电流，所以主回路的熔断器的量限选择100A，即选择RSO-100A型快速熔断器。4）电流表电流表选用59L19-A型号的画框式交流电流表1个，等级指数是1.5，为电磁式电流表，适用于安装在各控制系统和配电系统的显示面板和大型开关板指示相关电参数，量限如下：在0.1～20A直接接通，大于20A配用电流互感器。外形尺寸是129×69（mm）。由于前面所选择的电动机的技术数据中显示额定电流为7A，而且考虑到起动电流的冲击，一般起动电流为额定电流的5-7倍，量限选用50安，所以需要配用电流互感器。5）频率表频率表选用D3-HZ型电动系频率表1个，等级指数是0.2，额定电压（V）：100/220/380V。可进行开关的通和断测量，适用于安装在各控制系统和配电系统的显示面板和大型开关板指示相关电参数。可进行步进和零、满点的快速操作6）信号灯与电铃选用AD11-16/41-6GZ

220V

型的红色信号灯6个，绿色信号灯11个；选用UCZ4-75MM

220V型号和UCZ4-45MM

220V型号电铃4.5可编程控制器PLC的选型随着PLC技术的发展，PLC产品的种类也越来越多，而且功能也日趋完善。近年来，从德国、日本、美国等引进的PLC产品和国内厂家组装自行开发的产品，已有几十个、上百种型号。PLC的品种繁多，其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等各有不同，适用的场合也各有侧重。因此，合理选择PLC，对于提高PLC控制系统技术经济指标有着重要意义。4.5.1P1）机型选择机型选择的基本原则是在功能满足的前提下，保证可靠、维护方便以及最佳的性价比。具体考虑以下几个方面[13]：（1）结构合理。对于工艺过程比较固定，环境条件较好的场合，选用整体式结构的PLC，复杂系统选用模块式结构PLC。（2）功能相当。对于只需要开关量控制的设备，一般小型PLC即可满足要求。如果被控对象以开关量为主，同时需要少量的模拟量控制，则可考虑选用小容量、高性能的机型，如FX2、C40H等系列的机型。对于模拟量控制，PLC的扫描速度必须考虑。对于较复杂的控制系统，需要开关量点数较多，模拟量控制要求较高时，考虑选用中档和高档机型。（3）机型统一。一个企业的控制系统设计时，PLC应尽量做到机型统一，这样有利于技术力量的培训，技术水平的提高和功能的开发，便于备用器件的采购和管理，以及PLC间的通信和集中管理。2）PLC容量的选择[8]PLC容量包括I/O的点数和用户存储器的容量两个方面的选择。(1)I/O点数。根据被控对象的输入信号与输出信号的总点数，在考虑分别留有10%～15%的余量。(2)用户存储器的容量。除满足控制要求外应留有25%的余量。3）输入输出模块选择输入输出模块选择应考虑与应用要求统一。例如对输入模块，应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。对输出模块，应考虑选用输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点；可控硅输出模块适用于开关频繁，电感性低功率因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等，与应用要求应一致。可根据要求，合理选用智能型输入输出模块，提高控制水平和降低应用成本。4）经济性考虑选择PLC时，应考虑性能价格比。考虑经济性时，应同时考虑应用可扩展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出较满意产品。输入输出点数对价格有直接影响。每增加一块输入输出卡件就需增加一定费用。当点数增加到某一数值后，相应存储器容量、机架、母板等也要相应增加，点数增加对CPU选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响。估算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理性能价格比。

4.5.2本设计PLC的选型基于以上原则，本设计选用三菱公司生产的FX2n系列微型可编程控制器。由于PLC是采用软件编制程序来实现控制要求的，编程时要使用到各种编程元件，它们可提供无数个动合和动断触点。编程元件是指输入继电器、输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器、通用寄存器、数据寄存器及特殊功能继电器等。PLC内部这些继电器的作用和继电接触控制系统中使用的继电器十分相似，也有“线圈”与“触点”，但它们不是“硬”继电器，而是PLC存储器的存储单元。当写入该单元的逻辑状态为“1”时，则表示相应继电器线圈得电，其动合触点闭合，动断触点断开。所以，内部的这些继电器称之为“软”继电器。FX2n系列小型PLC基本逻辑指令如下表[16]表4-8FX2n系列小型PLC基本逻辑指令表Tab.4-8Basiclogicinstructiontableofsmall-sizePLCinFX2nseries名称符号功能操作元件加载指令LD开始一个常开触点X、Y、MS、T、CLDI开始一个常闭触电串联指令AND串联一个常开触点ANI串联一个常闭触点并联指令OR并联一个常开触点ORI并联一个常闭触点块指令ANB并联电路块的串联无ORB串联电路块的并联无椎栈指令MPS将分支处的逻辑压入椎栈无MRD读栈无MPP将堆栈中的逻辑从分支处弹出无输出指令OUT输出使线圈得电Y、M、TS、C、F结束指令END程序结束无置位/复位指令SET/RST触发后得电并保持/复位YMS/YMSTCD微分指令PLS上升沿微分Y、MPLF下降沿微分传送指令MOV将源数送入目标地址无移位指令SFTL在起始继电器起的N位继电器向左移位无FX2n系统PLC具有以下几方面的优点[15]：1）FX2n配置灵活，除主机单元外，还可扩展I/0模块，A/D模块，D/A模块及其它特殊功能模块。2）FX2n指令功能丰富，有各种指令107条，且指令执行速度快。3）FX2n可用内部辅助继电器M，状态继电器S，定时器T，寄存器D，计数器C的功能和数量满足了系统控制要求的需要，尤其是高速计数器（C251等）能接受脉冲编码器脉冲。4）FX2n的编程可用编程器，也可以在PC机上使用三菱公司的专用编程软件MELSEMEDOC来进行。编程语言可用梯形图或指令表。尤其是可用PC机对系统实时进行监控。为调试和维护提供了极大的方便。由PLC的I/O分配情况可知，设备大概有20个输入点，20个输出点需要进行控制，考虑到留有一定的裕量，并且前面设计中提到PLC的输出方式为继电器输出方式，故选用三菱FX2n-48MR型PLC

5码头物料5.1系统结构分析本文设计的码头物料输送系统是采用可编程控制器PLC对皮带运输机进行自动控制，而皮带运输机采用的是四条皮带输送。四台皮带机设置四台交流异步电动机驱动，采用变频器供电。为了系统安全运行，每个电动机上都装有熔断器和热继电器起到过流、过热保护作用，在每个皮带机上都装有拉线开关、打滑开关跑偏开关、撕带开关和速度传感器。拉线开关、跑偏开关、撕带开关、速度开关和打滑开关都对皮带机起保护作用。在料仓门上装设无料检测开关，来检测带式输送机输送物料的瞬间状态，如：空载、满载或超载。以上传感开关对PLC控制而言，可做为开关量处理，并且都与PLC相连，作为每台皮带机故障报警的输入。此外，皮带机控制系统配有音响装置。图5-1系统结构框图Fig5-1Systemblockdiagram如图图5-1所示：上位机、可编程控制器PLC、变频器和皮带机构成了一个皮带运输机的PLC控制系统,并PLC可与上位机相互通信，PLC的各种指令或梯形图输入给上位机，上位机发出的操作命令也可通过PLC来执行；变频器由PLC控制，它们之间可相互通信，可编程控制器PLC发出操作命令，通过变频器来执行，当变频器出现故障时，变频器可将信息发给PLC，由PLC来执行相关的动作；变频器与皮带机相连，通过变频器可以调节皮带机的速度。集控台的控制面板与PLC、变频器、皮带机机相连，可通过在控制面板上进行操作来控制PLC的输入端口的开闭，反而PLC、变频器和皮带机出现的信息能在控制面板上显示；由此PLC控制系统可完成设计要求。5.2PLC硬件设计5.2.1PLC的根据皮带机控制系统的设计要求，定义PLC的输入输出端口功能分配如表5-1所示。表5-1PLCI/O分配表Tab.5-1AllocationtableofPLCI/O输入端口说明输出端口说明X0逆序启动按钮SB1Y0继电器线圈KM5X1顺序停止按钮SB2Y1继电器线圈KM4X2调速段1按钮SB3Y2继电器线圈KM3X3调速段2按钮SB4Y3继电器线圈KM2X4皮带打滑信号Y4继电器线圈KM1X5皮带撕裂信号Y5电磁阀线圈YAX6皮带跑偏信号Y6电动机正转X7皮带过速信号Y7变频器故障复位X10总电路过载信号Y10速度1信号灯HL1X111号电机过载信号Y11速度2信号灯HL2X122号电机过载信号Y12速度3信号灯HL3X133号电机过载信号Y13启动电机信号灯HL4X14