7.皮带运输机PLC电气控制系统设计

前言自动化控制技术被引入工业领域已经有一百多年的历史了，随着工业的迅猛发展自动化控制技术更加日新月异。伴随着数学、控制理论计算机、电子器件的发展，出现了自动化控制技术系统，并作为一门应用科学已发展成熟，形成了自己的体系和一套行之有效的分析和设计方法。电气控制与PLC课程是机电类高职工科专业开设的实践性很强的技术应用型课程。它不仅为电机调速控制技术、机电传动与控制技术、电梯应用技术、楼宇自动化技术等后续课程、集中实训和毕业设计打下基础，而且为相关专业学生考初、中级电工资格证书做准备。本课程的教学目的是让学生熟悉电气控制系统的基本控制电路，具有电气控制系统分析和设计的基本能力；掌握可编程控制器原理及编程方法，具备一定的PLC程序设计和PLC应用能力。随着我国国民经济的飞速发展，机械在品种`规模`设计与制造技术等方面也得到了迅速的发展和提高。目前全国各地均建有机械制造厂，并逐步走向专业化生产，以能独立自主地进行从单机到成套设备乃至自动生产线的设计与制造。随着新材料`新工艺`新技术的发展，必须推动各种自动机械向电气控制化和智能化的方向发展。通过设计学习，使学生熟悉常用低压电器的结构、工作原理、特性及应用；掌握继电接触器控制系统基本分析和设计能力，特别是掌握典型电气控制电路的分析和设计能力、可编程控制器的工作原理及结构特点、基本逻辑指令的应用、步进顺控指令编程方法及应用；进一步树立正确的设计思想。在整个设计过程中，坚持实践是检验真理的唯一标准，坚持理论联系实际，坚持与机械制造生产情况相符合，使设计尽可能做到技术先进、经济合理、生产可行、操作方便、安全可靠。由于时间和水平有限，本设计难免有不少缺点和错误，恳请老师批评指正。一、机床电气控制技术课程设计的目的机床电气控制技术课程设计是在学完电工学、机床设计、机床电气控制技术等课程后，进行的下一个实践教学环节。它一方面要求通过设计能获得综合运用过去所学知识的能力，同时也培养自己独立查阅有关资料、独立思考、独立完成任务的能力。通过这次设计能够很好提高分析问题和解决实际问题的能力，对于提高的综合素质是大有好处的，对即将走上工作岗位的毕业生具有一定的实际意义。另一方面，通过本次设计也为以后作好毕业设计进行一次综合训练和准备。因此，要求通过机床电气控制技术课程设计在以下几方面得到锻炼。1、能熟练运用过去所学的理论知识和实践知识，按题目所提出的各项要求，正确设计主电路及控制线路设计。主要完成继电器、接触器及PC控制线路设计、编写PC梯形图及语句表，正确选择电器元件，画出主电路及PC控制外部接线原理图，保证满足题目所提出的各项要求，提高学生继电器、接触器控制线路设计及PC控制线路设计的综合能力。2、使用手册及图表资料。掌握与本设计有关的各种资料名称、出处，并做到熟练运用，提高独立工作及分工协作能力。二、设计的内容与步骤（一）设计的基本原则任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象(生产设备或生产过程)的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。因此，在设计控制系统时，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。设计前，应深入现场进行调查研究，搜集资料，并与机械部分的设计人员和实际操作人员密切配合，共同拟定电气控制方案，协同解决设计中出现的各种问题。（2）在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济，一次性投资小，使用后节约能源。（3）保证控制系统的安全、可靠，使用与维修方便。（4）考虑到生产的发展和工艺的改进，对于PC控制系统，在选择PC容量时，应适当留有裕量。（二）设计的内容在建材、化工、食品、机图一：某原料皮带运输机示意图械、钢铁、冶金、煤矿等工业生产中广泛使用皮带运输机运送原料或物品。图一是某原料皮带运输机的示意图，原料从料斗经过PD-2、PD—1两台皮带运输机送出。从料斗向PD-2供料由电磁阀YV控制，PD-1和PD-2分别由电动机M1和M2驱动。三、系统传动方式的确定传动方式包括驱动和调速两个方面。它分为机械传动、电气传动和流体传动三种方式。机械设备的传动方式直接影响设备的性能及结构。在机械设备总体设计时，必须从机械性能和电气性能两方面综合考虑后确定其传动方式。（1）往复运动工作机构传动方式的确定对于仅有一两个简单往复动作的普通机械，可采用三相鼠笼式异步电动机拖动，经齿轮减速后用螺旋传动机构来传动。如果机械设备具有多个往复运动工作机构，而且往复动作的调速性能和自动化程度有一定要求时，应采用电磁换向阀控制的液压传动或气压传动系统。若往复运动的调速性能要求比较高，应采用电液比例控制系统来传动。对于往复运动位移控制和速度控制要求比较高时，应采用步进电机、直流伺服电机或交流伺服电机家滚珠丝杠副来驱动和控制。选择三相鼠笼式异步电动机拖动，Y系列电动机是笼型转子电动机，符合IEC标准和DIN42673标准。本系列采用B级绝缘，外壳防护等级为封闭式（IP44）或防护式（IP23）。Y系列电动机额定电压380V，额定频率50HZ。具体选型如下：型号额定功率KW满载时堵转电流堵转转矩最大转矩转动惯量Kg.m2躁声净重kg转速r/min电流A效率﹪功率因数cosj额定电流额定转矩额定转矩同步转速3000r/minY100L-25.528706.39820.877.02.22.20.00297933（2）传动方式的选择应使调速性质与负载特性相适调速性质是指电动机的转矩、功率与其转速的关系。负载特性是指机械设备的负载属于恒功率负载（即功率不随转速变化而变化）还是恒转矩负载，（即转矩不随转速变化而变化）。设计任何一个电力拖动系统，必须使调速性质与负载特性相适应。也就是说，恒功率负载必须采用恒功率调速性质的传动方式，而转矩负载则必须采用恒转矩调速性质的传动方式。（3）电动机起动方式的确定对于起动性能要求不高的机械设备，电动机的起动可根据其容量决定，当电动机总容量不超过供电变压器容量的20%时，一般采用直接起动。当容量大于该值时，可采用星—三角形降压起动或在定子中串电阻降压起动、也可采用自耦变压器降压起动。如果机械设备要求电动机软起动，应采用软起动器起动或变频器控制的加速起动。（4）电气系统的保护电气保护是电气控制系统不可缺少的环节，在电路中正确设置保护环节，是确保电动机、其他用电设备、电器元件和电网安全运行的重要措施。①短路保护电路在发生短路时，由于短路线路的阻抗很小而产生很大的短路电流，在短路线路上的电器元件触头，会因此时流过的电流大大超过其额定容量而被烧毁回发生熔焊，导线的绝缘层也会因此被烧毁，甚至会导致火灾。所以发生短路时必须瞬间切断电源，以保证电气线路的安全。常用的短路保护措施有：a.熔断器保护；b.自动开关的脱扣保护。②过载保护在电力拖动系统中，当负载转矩超过电动机额定转矩时，电动机绕组的温升会急剧升高并超过其额定值，轻者会使绕组的绝缘层老化变脆，寿命降低；重者会导致电动机绕组烧坏。因此在电动机过载时必须及时切断电源，以保证电动机能在寿命期内安全运行。常用的过载保护措施有热继电器保护、自动开关过载脱扣保护。除此以外，还有以下一些过载保护的新措施，如电子式继电器过载保护、埋入电动机绕组的温度继电器（有双金属片式和热敏电阻式）过载保护，软起动器过载保护。③零电压和欠电压保护在电动机正常运行时，如果出现非正常停电后再恢复供电，电动机又自行起动，很可能会造成生产机械动作错乱，运动部件互相碰撞的设备事故，甚至酿成人身事故。对电网来说，许多电动机及其他用电设备在恢复供电后同时自行起动，也会引起电网过大的瞬间压降。为了防止电动机失电时停止且电压恢复时自行起动，须采取零电压保护措施。在电动机运行过程中，如果电源电压过低，会导致电动机转速过低甚至停转，结果造成所拖动的设备不能正常运行，甚至可能酿成事故。因此，需要在电源电压降到允许值以下时，降电源切断，实施欠电压保护。电动机的零压保护和欠压保护无需特别的保护电器元件，只要降控制电动机的接触器控制电路连接成自锁电路即可。④电气元件的选择按钮：按钮是用于人工操作瞬间接通和断开小电流（5A以下）控制电路的开关。它有不同的结构型式和颜色。一般情况下，起动按钮选用绿色，停止按钮选用红色，紧急停止按钮选用红色蘑菇头型式；需要显示按钮操作状态时选用带指示灯的按钮；大多数按钮的触头为一常开和一常闭，如果需要一个按钮控制两个或两个以上的回路，则选用多对触头的按钮。机械设备上常用的按钮有LA18、LA19、LA20等几种型号。它们的额定电压为：交流500V、直流440V、额定电流为5A。行程开关：行程开关用于控制运动机构的行程。它有触点式和无触点式两种类型。有触点行程开关又分为直动式、杠杆式、微动式、组合式，常用的型号有：LX2、LX19、JLXK1、JXW、LXK3、X2等。无触点行程开关有接近开关、干簧管开关、霍尔开关等。接触器：选用主要考虑主触头的额定电流、额定电压、电磁线圈的额定电压，还应考虑常开和常闭辅助触头的数量和接触器的操作频率。主触头的额定电压应等于或大于主电路的额定电压；电磁线圈的额定电压必须与控制电路的额定电压相同；主触头的额定电流可按以下公式计算确定：310eeccePIIAKU´?式中Iec——所选接触器的额定电压（A）；Ic——接触器主触头电流（A）；Pe——被控电动机功率（kW）；K——经验系数，一般取1~1.2；Ue——电动机额定线电压（V）。其选型如下：热继电器：用于对异步电动机进行过载保护的热继电器有双金属片时和电子式两种。电子式热继电器保护性能好，适用于重要电动机的保护。如果电气控制系统已经采用自动开关，不必再采用热继电器；对负载恒定、过载可能性很小的电动机，如冷却泵电机，可不设热继电器。选择热继电器时，要根据电动机的额定电流来确定其额定电流及热元件的电流等级。对星形连接电动机，可使用两相或三相结构的热继电器，对三角形连接的电动机可采用断相保护的热继电器。热元件的额定整定电流值通常按电动机的额定电流的0.95~1.05倍选用。选用型号如下：型号额定电流额定操作频率（次/小时）可控制电动机最大容量（kW）主触点辅助触点220V380V500VCJ10-202056005.51010型号额定电流（A）热元件等级热元件额定电流电流调节范围（A）JR16B-20/3JR16B-20/3D200.350.500.721.11.62.43.557.21116220.25~0.350.32~0.500.45~0.720.68~1.11.0~1.61.5~2.42.2~3.53.2~54.5~7.26.8~1110~1614~22熔断器主要类型有：插入式、螺旋式、填料封闭管式等。常用的有RL1系列。选择熔断器时，应根据电流的特点及参数求出熔体电流，再根据熔体电流大小选择熔断器的额定电流并确定其型号。①对负载电流稳定的电气设备，如照明灯、电阻炉等，可按额定电流选用。②对具有冲击电流的电气设备如异步电动机，可按以下方法确定：单台电动机长期工作时：Ir=(2~3)Ied电动机频繁起动时，上式的系数为3~4。如果多台电动机共用一组熔断器保护，则max(2~3)reedIII?å式中Ir——熔体额定电流；Ied——电动机额定电流；Iemax——容量最大的电动机的额定电流；edIå——除容量最大的电动机之外，其余电动机的额定电流之和。型号熔断器额定电流（A）熔体额定电流等级（A）交流380V时极限分断能力（A，有效值）RL1-15152、4、5、6、10、152000四电气控制方案的确定电气控制方案的合理性直接影响机械设备工作的可靠性、易维修性以及经济性。设计电气控制系统时必须综合考虑，在保证机械设备要求的工作可靠性和易维修性的前提下，应采用简单、经济的电气控制方案。机械设备电气控制系统通常包括电气调速系统、逻辑控制系统和数字控制系统。（一）电气逻辑控制装置的选择电气逻辑控制装置有继电器-接触器控制屏、顺序控制器和PLC。继电器-接触器控制屏的电路结构简单，直观易懂，输出功率大，价格便宜。其缺点是触头容易产生电磨损，工作时有机械振动，容易造成触头松动。这几种情况的