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基于PLC的原煤采样控制系统
河南工程学院毕业设计
基于PLC的原煤采样控制系统
学生姓名王红晓
系(部)机械工程系
专业机电一体化
指导教师李振杰
2010年05月25日
摘要
我国煤炭储存丰富,是煤炭资源的产、销大国。
针对当前煤炭行业发展中对原煤质量的要求不断提高,原煤采样技术在当今选煤行业也发挥着越来越重要的作用。
本设计就是为中小洗煤厂设计的工业生产流水线的自动控制系统。
在控制系统中采用的PLC技术,系统安全性能好,所采煤样代表性高,维护简单,不需人员看守,采样结果能正确指导选煤厂生产,提高工作效率和操作精度,也就保证正常工业生产中的最大产量和最佳产品质量。
物流配送是物流中一个重要的环节,对于一个大规模的物流集团来说,集约化的发展要使多个仓库、多个配送点(往往达到数以千计的规模)综合实行配送优化成为可能。
关键词:
可编程控制器,原煤采样,控制流程图,传感器
ABSTRACT
China'scoalstockpilesarerichincoalresourcesproduction,marketingpower.Inviewofthecurrentdevelopmentofthecoalindustryonthequalityofcoalrisingcoalsamplingtechnologyinthecoalpreparationindustrytodayisalsoplayinganincreasinglyimportantrole.Thedesignisdesignedforsmallandmedium-sizedcoalwasherofindustrialproductionpipelineControlSystem.InthecontrolsystemweusethePLCtechnology,bettersecuritysystem,thecoal-likerepresentation,maintainingsimple,PLCnosecurityguards,samplingresultswillcorrectmeaningtodifferentplantproduction.Improveefficiencyandaccuracyofoperation.Alsoensurenormalindustrialproductionwasthelargestyieldofthebestqualityproducts.
Toascaledlogisticcompany,assigningisanimportantpartoflogistic,andfurtherdevelopmentwillmaketheoptimizedassigningofwarehouseandmulti—taskpossible.
KEYWORDS:
programlogiccontroller,coalsampling,controlflowchart,laddergraphics,censors
前言1
1背景简介1
2系统概述1
第1章工艺流程2
§1.1初级采样机2
§1.2一次给料胶带3
§1.3破碎机3
§1.4二次给料胶带4
§1.5缩分器4
§1.6样品收集器4
§1.7斗提机4
第2章原煤采样控制系统5
§2.1控制系统分析5
§2.1.1运行过程5
§2.1.2控制系统功能5
§2.2系统硬件分析..6
§2.2.1控制单元6
§2.2.2PLC简介7
§2.3系统软件分析8
§2.3.1系统状态流程图设计8
§2.3.2PLC的I/O点地址分配及PLC选型8
§2.3.3I/O接点电气连接图9
§2.4PLC梯形图程序设计部分10
第3章系统干扰措施12
§3.1.抗电源干扰12
§3.1.1隔离变压器12
§3.1.2滤波器12
§3.1.3分离供电系统12
§3.2控制系统接地12
§3.3防I/O信号干扰12
第4章系统的不足之处及改善方法14
结论15
参考文献16
致谢17
附录18
前言
1背景简介
我国煤炭储存丰富,是煤炭资源的产、销大国,整个煤炭工业在中国的经济发展中发挥了重要的基础和支柱作用。
针对当前煤炭行业发展中对原煤质量的要求不断提高,原煤采样技术在当今选煤行业也发挥着越来越重要的作用,为了进一步了解原煤采样的过程,更好的提高所学专业知识在实际工业现场中的实际运用情况,结合了当前选煤领域广泛采用的原煤采样的控制技术,我选取了本设计题目,采用PLC来实现对原煤采样环节的控制。
希望通过此次设计可以真正把所学知识运用到实际工业现场,为将来参加工作做好铺垫。
我国是煤炭大国,但人均占有量都非常贫乏。
随着经济的飞速增长,冶金、化工、电力等行业对煤炭的需求越来越大,而我国的工业基础却相对比较薄弱。
就煤炭工业而言,只有一些大的企业才实现了原煤采样生产过程中的全部自动化。
一些中小企业,尤其是年产小于30万吨的小企业,却还使用着与时代技术不相称的老的生产方式。
这种生产方式不仅劳动是巨大的,对工人身体上有一定的危害性,而且产品的生产功耗大,生产成本高。
2系统概述
本次设计内容为基于PLC控制的原煤采样系统。
主要控制要求是利用可编程控制器控制各个部分的运行。
其主要设备有初级采样机,一次给料胶带,破碎机,二次给料胶带,缩分器,样品收集器,弃料提升机。
本系统的控制方面可分为自动和手动两种工作方式,就是通常我们所说的集中控制和就地控制两种方式。
选择集中控制方式操作人员可以在控制台上实现系统的正常开停;选择就地控制方式检修人员可在现场实现单机的检修和试运。
就自动工作方式来说,输入量有启动和停止两个开关,输入量主要是采样设备的电动机起停及继电器开关和电磁阀的开关。
正常工作后采用连续运行方式,采样机和胶带运输机连锁运行,对应的时间间隔、数量、缩分质量等参数有计算机输入,然后由PLC控制系统运行,人为干扰很难,采用全封闭共同监管,安全性好。
可编程控制器(PLC)是具有高可靠性的工业自动化产品,作为监控系统的一种现场设备,有出色的数据采集和可编程控制能力。
第1章工艺流程
本系统的工艺流程图如下图所示:
图1-1原煤采样系统流程图
§1.1初级采样机
作用是负责进行运煤带上的初级采样,选用带式输送机煤流采样的刮臂式采样机,刮臂的动作是横向扫过带式输送机的全宽刮出子样,子样的质量取决于胶带上负荷和采样铲的宽度和形状。
刮臂式采样机示意图如下图所示:
图1-2刮臂式采样机示意图
1—停止开关;2—蜗轮蜗杆减速机;3—电机;4—运输带;5—接样溜槽;6—取样机联杆刮臂;7—采样铲;8.—皮带托辊
§1.2一次给料胶带
作用是从初级采样机输出的煤均匀的撒到一次给料胶带上,运送到下一级,即破碎机。
胶带运输机的长短与现场工艺有关。
§1.3破碎机
滚筒破碎机又叫选择性破碎机,是利用煤和矸石在同一冲击破碎环境中,根据其可碎性的差异,把夹在煤中的矸石解离出来。
滚筒是靠拉轮和滚筒之间的摩擦力而转动。
在滚筒的一端,由给料溜槽给入一级的煤块,随着滚筒的旋转,给入的煤快被提升机顶起,转到一定高度后,煤块就顺着提升机从高出自由落下,由于滚筒的不断转动,煤快反复地被提起和落下。
在次过程中煤受到冲击而破碎,并透过筛孔排出,未被破碎的大块矸石、金属杂物和木块经筛子排矸槽排出,进入二次给料胶带。
§1.4二次给料胶带
其作用和上面一次给料胶带相同。
§1.5缩分器
缩分是指在煤样制备中,将试样分成具有代表性的几部分,一份或多份留下来的过程,目的在于从大量煤样中取出一部分煤样。
缩分器应尽量减少缩分误差,并能使保留煤样量尽量少。
在这里我们选用旋转式缩分器,示意图如下所示:
图1-3旋转式缩分器示意图
§1.6样品收集器
作用是将已经缩分好的煤样采集,送到实验室进一步制成分析所用煤样。
§1.7斗提机
斗提机又称为弃料提升机,因经过上述一系列生产过程中,设备的高度一级级降低,所以斗提机的作用就是把经过缩分剩余的余煤将通过斗提机送回到原煤输送带上。
第2章原煤采样控制系统
§2.1控制系统分析
这章我们将对这次设计的控制系统进行详细的分析。
§2.1.1运行过程
原煤采样系统启动后要求整个运行过程能自动运行,并在某一设备故障时能及时发出报警提示。
下面根据原煤采样系统流程图简述系统运行过程。
⑴启动过程:
按下启动按钮,受控设备按逆煤流方向依次起车,即由后向前启动。
在这里斗提机最先启动,其次为样品收集器、缩分器、二次给料胶带、破碎机、一次给料胶带,最后为初级采样机。
各个设备之间的启动间隔时间可以自己设定,这里设定为10秒。
系统停止时,与启动相反的方向顺序停止。
⑵初级采样机工作:
启动过程完成后,初级采样机开始进行采集煤样并送入一次给料胶带。
此时,初级采样机完成一次采样后将处于保持状态,等待整个原煤采样过程结束后,进行下一次采样过程。
⑶破碎煤快:
一次给料胶带把初级采样机采的煤样运送入破碎机。
破碎机的作用是把较大的煤块进行破碎,以便下一级使用。
破碎后的煤样落到二次给料胶带。
⑷缩分:
在二次给料胶带上有个缩分器设备,胶带上的煤样有一部分落入缩分器进行缩分,所谓缩分通俗的讲就是把煤样再次破碎到的供检验用的合适的大小。
缩分器缩分次数可以自己设定。
⑸样品收集:
由缩分器缩分的煤样已经达到煤样采集的标准,可以直接落入样品收集器,作为检验这批原煤参数的标准。
⑹弃料返回:
由于缩分器缩分只用到很少一部分原煤,所以剩余的煤样要返送回原煤运输带,这就用到斗提机。
二次给料胶带把剩余的煤样送入斗提机,通过斗提机把余料送回原煤运输带。
到这步算一个工作过程完成,若按下连续工作开关,系统将连续工作处于自动运行状态。
如果不按下连续工作按钮,各个设备将都将处于待命状态。
§2.1.2控制系统功能
1原煤采样装置的控制有两种控制方式,即“自动”控制与“手动”控制。
这两种控制方式可以转换,在转换过程中原受控设备的运行状态不受影响。
2“自动”状态时,按逆煤流方向程序起车和顺煤流方向按每台设备卸料完毕的时间程序停车。
3自动状态下的起、停车过程及自动运行过程中,均保证按逆煤流方向设备间的闭锁。
4现场和操作室操作人员均可解除设备的起动。
5无论“自动”或“手动”控制,现场都可以就地停车。
但在自动方式时,参加集控的设备不能就地开车。
6控制人员通过控制室内的模拟盘监视设备的运行情况,设备运行或故障时,均能在模拟盘上以指示灯的形式显示。
§2.2系统硬件分析
本系统是以可编程控制器PLC为核心,取得了提高生产效率、减少现场操作人员、提高安全性的良好效果。
硬件部分是不可缺少的,现就本系统的硬件做如下介绍:
硬件设备包括:
控制单元、输入输出单元、电源单元以及各种电气元件等,其硬件配置及系统监控内容如图:
图2-1硬件配置及系统监控
控制人员通过控制室内的工作台监视设备的运行情况,设备运行时在工作台上都有相应的指示灯显示。
现场的输入设备主要是手动开关,它们在自动状态下都直接受控于PLC,在工业生产流程控制中广泛采用可编程控制器。
§2.2.1控制单元
本系统选用日本三菱公司的FX2系列的PLC,指令简单易用,使用继电器符号语言和步进顺控指令编程,对基本指令处理速度为0.74毫秒/步,具有较高的指令处理水平,程序容量也较大,具有多种输入输出模块,并可支持特殊模块。
输入模块:
24V直流输入(16点、32点),110V交流输入,220V交流输入。
输出模块:
继电器输出,晶体管输出,可控硅输出,高速技术模块,通讯模块,数据处理模块。
输入及输出单元:
输入单元是由PLC配置的继电器输入模块,模拟量输入模块等组成。
输出单元是由PLC配置的数字量固态继电器输出。
系统配置的其他的硬件还有AC220/DC24V电源,中间继电器,控制室操作台等。
§2.2.2PLC简介
可编程控制器(PROGRAMMABLECONTROLLER,简称PC)。
与个人计算机的PC相区别,用PLC表示。
PLC是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置,目的是用来取代继电器、执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能,建立柔性的程控系统。
它具有通用性强、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。
可以预料:
在工业控制领域中,PLC控制技术的应用必将形成世界潮流。
国际电工委员会(IEC)颁布了对PLC的规定:
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境下应用而设计。
它采用可编程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令,并通过数字的、模拟的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。
可编程序控制器及其有关设备,都应按易于与工业控制系统形成一个整体,易于扩充其功能的原则设计。
PLC程序既有生产厂家的系统程序,又有用户自己开发的应用程序,系统程序提供运行平台,同时,还为PLC程序可靠运行及信息与信息转换进行必要的公共处理。
用户程序由用户按控制要求设计。
一般讲,PLC分为箱体式和模块式两种。
但它们的组成是相同的,对箱体式PLC,有一块CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等,当然按CPU性能分成若干型号,并按I/O点数又有若干规格。
对模块式PLC,有CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架。
无任哪种结构类型的PLC,都属于总线式开放型结构,其I/O能力可按用户需要进行扩展与组合。
PLC的基本结构框图如下:
接受驱动
现场信号受控元件
图2-2PLC基本结构框图
§2.3系统软件分析
§2.3.1系统状态流程图设计
根据启动运行过程可绘出控制系统状态流程图,如图所示,
M0
M1
M2
M3
M4
M5
M6
M7
M8
M9
M10
M11
M12
M13
M8002初始脉冲
初级采样机指示灯亮
延时10秒
斗提机提示灯亮一次给料胶带工作
延时10秒传感器1
样品采集器指示灯亮破碎机破碎样煤
延时10秒传感器2
缩分器指示灯亮二次给料胶带工作
延时10秒传感器3
二次给料胶带指示灯亮缩分器缩分煤样
延时10秒传感器4
破碎机指示灯亮样品收集
延时10秒
一次给料胶带指示灯亮弃料返回
传感器5
连续运行
图2-3控制系统状态流程流程图
图中M8002是三菱
PLC的特殊辅助继电器,他可以在PLC通电时为程序产生一个脉冲,激活程序处于开始运行状态。
为保证原煤采样过程中停电后恢复供电,能在原来的步骤继续运行,应选用M5OO~M1023范围的停电保持型辅助继电器。
§2.3.2PLC的I/O点地址分配及PLC选型
从图2-3系统状态流程流程图可知,原煤采样控制系统输入信号有15个,其中用于启动、停止、连续工作和手动开关的10个输入信号是开关量,而5个传感器输入信号是模拟量信号;输出信号有9个,均为模拟量信号。
根据I/O信号数量,类型以及控制要求,选择三菱
-32MR系列。
它有16个输入接点,16个继电器输出型接点,可以满足系统的控制要求,且留有一定的余量。
系统信号元件及驱动电器与PLC的I/O点地址分配,以及控制系统状态流程流程图中的13个步序与PLC内部使用的停电保持型辅助继电器编号如下表所示:
表1外部电器与PLCI/O口地址分配、步序与使用的辅助继电器编号对照表
输入信号
输出信号
辅助继电器
名称
功能
编号
名称
功能
编号
名称
编号
SB1
启动按钮
X000
KM1
初级采样机线圈1
Y000
第0步
M500
SB2
停止按钮
X001
KM2
一次给料胶带线圈2
Y001
第1步
M501
SB3
连续工作开关
X002
KM3
破碎机线圈3
Y002
第2步
M502
SB4
手动启动初级采样机开关1
X003
KM4
二次给料胶带线圈4
Y003
第3步
M503
SB5
手动启动一次给料胶带开关2
X004
KM5
缩分器线圈5
Y004
第4步
M504
SB6
手动启动破碎机开关3
X005
KM6
样品收集器线圈6
Y005
第5步
M505
SB7
手动启动二次给料胶带开关4
X006
KM7
斗提机线圈7
Y006
第6步
M506
SB8
手动启动缩分器开关5
X007
HL8
连续运行指示灯1
Y007
第7步
M507
SB9
手动启动样品收集器开关6
X008
HL9
故障指示灯2
Y008
第8步
M508
SB10
手动启动斗提机开关7
X009
第9步
M509
SQ11
一次胶带压力传感器1
X010
第10步
M510
SQ12
破碎机光电传感器2
X011
第11步
M511
SQ13
二次胶带压力传感器3
X012
第12步
M512
SQ14
缩分器光电传感器4
X013
第13步
M513
SQ15
斗提机光电传感器5
X014
§2.3.3I/O接点电气连接图
PLC的I/O接点电气连接图如图所示
图2-4I/O接线图
注释:
图中SB1、SB2分别为系统启动和停止按钮;SB3为系统启动后按下能连续工作的按钮;SB4~SB10分别为初级采样机,一次给料胶带,破碎机,二次给料胶带,缩分器,样品收集器,弃料提升机的手动启动按钮;传感器1和传感器3为测定一次给料胶带和二次给料胶带是否超重而设置的压力传感器;传感器2为测定破碎机是否正常工作而设置的光电传感器,其主要原理是测定破碎机转速是否在允许范围内,超出允许范围或低于允许范围则为故障状态;传感器4和传感器5分别为测定缩分器和斗提机是否正常工作而设置的光电传感器,其主要原理和传感器2的原理基本相同,都是通过测定转速的大小来判断是否出现故障。
§2.4PLC梯形图程序设计部分
控制程序的编写我们采用了Windows环境下的PLC编程软件Wingpc2.作为编程平台。
利用该编程平台以梯形平台和梯形图的形式编写控制程序。
该软件可以方便的进行程序的编写、联机查看PLC状态。
在联机时模拟PLC运行状态、在线修改、编写注释说明文档。
此外,该软件还具有在线/离线编辑功能、模块化、打印功能、在线修改参数功能、替换功能、强大的帮助功能以及适时通讯功能。
在程序设计中,我们按照工艺流程和控制的要求,把程序分为三个部分,分别为启动部分、运行部分和输出部分。
程序及梯形图见附录。
第3章系统干扰措施
PLC系统中混入输入、输出的干扰,或感应电压,容易引起错误的输入信号,从而引起错误的控制信号。
为了使控制器稳定地工作,提高整体控制系统的可靠性,在控制系统采取一些有效的抗干扰措施是非常必要的。
§3.1.抗电源干扰
§3.1.1隔离变压器
使用隔离变压器将屏蔽层良好地接地,对抑制电网中的干扰信号有良好的效果。
为了改善隔离变压器的抗干扰效果,必须注意两点:
一是屏蔽层要良好接地,二是次级连接线要使用双绞线。
双绞线能减少电源线间干扰。
§3.1.2滤波器
使用滤波器代替隔离变压器,在一定的频率范围内有一定的抗电网干扰作用,惯用的方法是既使用滤波器,同时使用隔离变压器。
§3.1.3分离供电系统
将控制器、I/O通道和其他设备的供电分离开来,也有助于抗电网干扰。
本系统采用分离供电系统措施,PLC控制器远离供电系统。
§3.2控制系统接地
控制系统的接地一般有如图3-2所示的三种方法:
图(a)为控制器和其他设备分别接地方式,这种接地方式最好;如果做不到每个设备专用接地,也可以使用图
(a)(b)(c)
图3-1接地方法
本系统采用图(b)的接地方式,将控制器和其他设备共用接地。
§3.3防I/O信号干扰
㈠防止输入信号的干扰除采用滤波器及使控制器良好接地来抑制干扰外,下面介绍几种抗输入干扰措施:
①如图3-3所示,在输入端有感性负荷时,为了防止反冲击感应电势,在负荷两端并接电容C和电阻R(为交流输入信号时),或并接续流二极管VD(为直流输入信号)。
交流输入方式时,C、R的选择要适当,才能起到较好的效果,一般参考值为:
负荷容量在20VA以下一般选用0.1µF
147Ω比较适宜。
如果与输入信号并接的电感性负荷较大时,使用继电器中转效果更好。
②防感应电压的措施在感应电压大的场合,如果可能的话,改交流输入为直流输入;在输入端并接浪涌吸收器(浪涌吸收器的作用是防止瞬间高压损坏设备);在长距离配线和大电流场合,感应电压大,可用继电器转换。
(a)(b)
图3-2与输入信号共接感性负载
⑵防止输出信号的干扰输出信号的干扰可采取以下措施:
①交流感性负载场合,在负载的两端并接C,R作为浪涌吸收器。
如图3-3中图a所示,C,R越靠近负载,其抗干扰效果越好。
②直流负载场合,在负载的两端并接续流二极管VD,如图3-3中图b所示,二极管也要靠近负载。
二极管的反向耐压应是负载电压的4倍。
③控制器触点(开关量)输出的场合,不管控制器本身有无抗干扰措施,都要采取图3-4中图a〔交流负载)和图b(直流负载)的抗干扰措施。
图(a)交流感应负载的抗干扰图(b)直流感应负载的干扰
图3-3
第4章系统的不足之处及改善方法
设计中虽做了大量的努力与思考,但因水平和时间有限,设计中难免存在不妥,疏漏甚至错误之处,针对这些不足还有待于进一步改善。
在原煤采样过程中,没有很好地实现系统的手动与自动之间的切换,没能对每个电机的运行情况进行检测与显示,没有对皮带的打滑进行检测与控制。
所以需要进一步考虑这些情况,设计出相对应的电路,并很好的运用PLC对其进行控制,做到系统的完整性。
对于整个系统的报警装置也做的不是很充分,只配备了光报警,相应的报警铃没有配备;另外对原煤采样七套设备的检测做的很不充分,只是加上了相应的传感器,细节部分没有处理。
今后有机会继续设计的话其主要工作就是这些细节部分的处理。
结论
在研究了我国的一些中小型选煤厂仍然存在着众多的人工进行原煤采样。
对工人来说,不仅劳动强度大,而且危险系数高,特别是在运行中的生产工具如火车顶部采样。
对整个原煤质量来说,由于是人工采样,采样地点不可能均匀分布,采样质量不高。
另外,人为因素太多,不能正确显示煤的质量的问题。
分析了如果能在其过程中实现自动控制,不但能够减轻劳动强度,而且还可以提高生产效率,提高采样精度。
由此,提出并设计了设计一套自动原煤采样装置。
由于PLC在工业控制中的优越性,它将与选煤工业紧密结合而实
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