利用PLC控制洗砂機的電氣控制系統設計方案
摘要：原公司項目部根據鐵路建設標準要求，需對鐵路建設用的砂石清洗后再進行拌合站配比，以達到高速鐵路要求的混凝土標準。故我部將自行制作一臺供砂石清洗的設備。本文是對洗砂設備（以下稱洗砂機）電氣部分的設計。本設計根據控制要求等因素確定使用PLC（可編程控制器）作為核心控制器，用以替代復雜的繼電邏輯電路。本設計主要內容包含：洗砂機設備簡介、洗砂機電氣控制要求、電氣主回路設計、PLC輸入與輸出端子分配表、PLC梯形圖程序、控制系統原理圖與端子接線圖、電氣元件型號表等。關鍵字：洗砂機 PLC控制一、洗砂機設備簡介洗砂機設備的組成：儲料箱、干砂輸送斜皮帶、砂料清洗滾籠、濕砂輸出斜皮帶、水泵、空壓機、照明燈等。各組成部分的作用：① 儲料箱：存放待洗砂料的裝置，當清洗時使用氣缸打開出料口，砂料即可漏出。② 干砂輸送斜皮帶：運送干料滾籠的裝置，砂料從出料口漏出后落到斜皮帶上，由斜皮帶運送干料到滾籠中進行清洗。③ 砂料清洗滾籠：清洗砂料用傾斜安裝的圓柱形旋轉裝置，表面用鋼絲網籠罩。④ 濕砂輸出斜皮帶：將清洗后的砂料運送砂料運輸車上的裝置。砂料經過清洗后滾落到斜皮帶上，由斜皮帶運砂料車上。⑤ 水泵：清洗用水的動力裝置。⑥ 空壓機：為出料口氣缸提供動力的裝置。⑦ 照明燈：夜間工作時使用的場地照明裝置。二、洗砂機的電氣控制要求① 輸送、清洗系統自動順序啟動、順序停止。啟動順序為濕料斜皮帶——水泵——洗砂滾籠——干料斜皮帶。停止順序為干料斜皮帶——洗砂滾籠、水泵——濕料斜皮帶。② 輸送、清洗系統須在儲料箱出料口關閉狀態下才可進行順序停止。③ 出料口的打開、關閉由手動控制。出料口的打開須在輸送、清洗系統正常運行后才可以進行。緊急停止時應能立刻關閉出料口。④ 當輸送、清洗系統某一環節出現故障時，應盡可能不出現砂料積壓等情況，保證整個系統能夠安全有序的完成停止工作。⑤ 洗砂機檢修時應分別能對水泵、干料斜皮帶、滾籠、濕料斜皮帶進行點動控制，方便維護與檢修。⑥ 洗砂機非正常停止時發出聲光報警，報警時間為20秒。⑦ 安裝必要的電氣保護裝置，以保護電動機的安全運行。⑧ 裝設夜間工作照明燈。三、洗砂機主回路的設計洗砂機所用電氣負載表：
設備名稱
代號
功率（KW）
數量（臺）
使用場合
輸送電動機
M1
3
1
干料輸送斜皮帶
滾籠電動機
M2
3
1
旋轉滾籠
輸出電動機
M3
3
1
濕料輸出斜皮帶
水泵
M4
3
1
清洗供水
空壓機
M5
5.5
1
出料口氣動裝置供氣
照明燈
H
0.45
2
夜間照明
主回路原理圖如下： 如上圖所示，所有電氣設備由QF1作為總電源。其中M1、M2、M3三臺電動機為輸送系統由QF2控制，水泵M4為供水設備由QF3控制，空壓機M5由QF4控制。另外，照明燈H由QF5控制，控制回路由QF6控制。所有電氣負載由交流接觸器作為控制手段，除照明燈外，其他電動機安裝熱繼電器，以便在其出現過載的情況下通過PLC控制接觸器斷開，達到保護電動機的目的。關于主回路的設計PLC控制和繼電控制的主回路并沒有什么區別。PLC作為一種控制手段，主要作用是體現在控制回路當中。相對于繼電控制故障多、可靠性差、工作壽命短、不利于檢修等缺點，PLC的高可靠性及便于維修、便于更改控制過程等特點，恰恰是取代傳統繼電控制的主要目的。四、洗砂機PLC控制系統的設計方案4.1PLC控制系統設計的基本原則① 限度地滿足被控對象的控制要求。考慮將來發展的要求，選擇PLC時，在I/O點數和內存容量上留有適當的余量。② 保證控制系統安全可靠。③ 在滿足控制要求的前提下，力求使控制系統簡單、經濟、使用與維修方便。④ 設計合理、經濟，使系統具有較高的性價比。4.2洗砂機PLC控制方案通過分析洗砂機的電氣控制要求，現設計具體控制：輸入側設計一個停止按鈕SB1和一個啟動按鈕SB2來完成輸送、清洗系統的自動順序啟動與停止；設計一個旋轉按鈕SA1來完成自動與檢修的狀態轉換，利用四個按鈕SB3、SB4、SB5、SB6來完成對各個電機的點動控制；設計一個旋轉按鈕SA2和空壓機的氣壓開關SP來完成空壓機的啟動與停止；設計一個旋轉按鈕SA3控制場地照明燈；設計一個旋轉按鈕SA4來完成出料口的打開與關閉，利用兩個接近開關SQ1、SQ2來判斷出料口的開閉位置。利用熱保護器FR1、FR2、FR3、FR4、FR5的常閉觸點作為各電動機過載保護的分斷條件。輸出側有六個交流接觸器KM1、KM2、KM3、KM4、KM5、KM6和兩個小型繼電器KA1、KA2，它們的線圈兩端各并聯一組RC浪涌吸收器，以保護PLC的輸出觸點。KA1、KA2是出料口氣動電磁閥的開/閉動作繼電器，它們之間裝設聯鎖保護。裝設一個聲光報警器HL作為洗砂機故障時的提示裝置。另外，急停按鈕SBJ的常閉觸頭控制PLC的電源，常開觸頭與KA2的觸頭并聯控制關門電磁閥，以便進行緊急停止時使出料口關閉，防止砂料堆積。4.3根據I/O接點數確定PLC的機型根據確定的I/O設備統計出輸入點為18個，輸出點為9個。根據I/O點數等因素決定采用三菱公司生產的FX2N-48MR-001作為洗砂機的控制器。該控制器為AC100/200V電源、外部接點DC24V輸入（內部供電），I/O點數分配為：24輸入24輸出，8000步存儲容量，繼電器輸出型。對于洗砂機來說該型號完全滿足工作要求。4.4編制I/O點分配表洗砂機I/O點分配表：輸入點分配表
輸入設備
輸入端子號
輸入設備
輸入端子號
輸入電動機熱保護FR1
X0
自動運行停止按鈕SB1
X11
滾籠電動機熱保護FR2
X1
自動運行啟動按鈕SB2
X12
輸出電動機熱保護FR3
X2
輸入電動機點動按鈕SB3
X13
水泵熱保護FR4
X3
滾籠電動機點動按鈕SB4
X14
空壓機熱保護FR5
X4
輸出電動機點動按鈕SB5
X15
檢修/運行旋鈕SA1
X5
水泵點動按鈕SB6
X16
空壓機啟/停旋鈕SA2
X6
空壓機氣壓開關SP
X17
照明開/關旋鈕SA3
X7
出料口打開限位SQ1
X20
出料口開/關旋鈕SA4
X10
出料口關閉限位SQ2
X21
輸出點分配表
輸出設備
輸出端子號
輸出設備
輸出端子號
輸送電動機接觸器KM1
Y0
照明燈接觸器KM6
Y5
滾籠電動機接觸器KM2
Y1
出料口開門繼電器KA1
Y6
輸出電動機接觸器KM3
Y2
出料口關門繼電器KA2
Y7
水泵接觸器KM4
Y3
聲光報警器HL
Y10
空壓機接觸器KM5
Y4
4.5繪制梯形圖根據I/O接點分配表和控制方案設計梯形圖。 圖 4.5——1圖 4.5——1的梯形圖包含三個方面的內容：① 洗砂機的延時順序啟動當X5轉換為運行檔位時，啟動信號X12接通，Y2輸出繼電器工作，同時T0定時器工作。T0的設定時間為3s，這段時間是輸出電動機的啟動時間。延時3s后T0的常開觸點閉合控制Y3輸出繼電器工作，同時T1定時器工作。啟動過程依次進行下去，直T3定時器的延時時間到達設定值。此，輸送、清洗系統的順序啟動過程結束，洗砂機進入運行狀態。② 洗砂機的手動控制當X5轉換為檢修檔時，點動信號X15（或X16、X14、X13）輸入，輸出繼電器Y2（或Y3、Y1、Y0）工作，雖然定時器同時工作，但是由于后續環節達不到啟動條件，所以不用擔心下一環節的非正常啟動。③ 洗砂機的熱過載分斷控制熱過載的分斷控制的設計原則是根據《洗砂機的電氣控制要求》第四條的規定。分析如下：當輸送電機出現過載時，則熱繼電器信號X0分斷，斷開Y0的回路控制，使輸送電動機退出運行。Y1、Y2、Y3繼續運行直將清洗過的砂料運送完畢。避免同時停止造成砂料堆積在皮帶上的現象。如此，當后續的環節出現故障時，不但本環節停止工作，而且前一環節也會立即停止運行。但當輸出電動機過載時，為了防止更多的砂料落到地上，不可避免的將立刻停止整個環節的運行。這時，排除故障后，運用點動手段，逐步清除皮帶上的余料后才可繼續正常運行。 圖4.5——2圖4.5——2的梯形圖包含四個方面的內容：① 洗砂機的順序停止洗砂機的順序停止需要結合圖4.5——1來分析，當儲料箱出料口關閉后，接通X11停止信號，輔助繼電器M0、定時器T4、T5開始工作。M0常閉信號控制Y0輸出繼電器斷開，使輸送電動機停止運行；當T4設定時間6s到達后，滾籠電動機Y1和水泵Y3同時分斷，停止運行；當T5設定時間11s到達后，輸出電動機Y2分斷，停止運行。同時，T5常閉分斷，復位停止時間設定程序。② 空壓機的運行與停止當空壓機運行信號X6給定后，空壓機進入預備運行狀態。當壓力低于設定值時，壓力開關X17接通，輸出繼電器Y4工作，空壓機啟動運行。當壓力高于設定值時，壓力開關X17分斷，輸出繼電器Y4斷開，空壓機停止運行。當空壓機出現熱過載時，輸入信號X4迫使運行程序中止，直到熱過載故障解除后方可恢復運行。③ 場地照明燈的開/關當夜間工作時，需要開啟場地照明。接通X7信號后，輸出繼電器Y5工作，照明燈開啟。斷開X7信號后，輸出繼電器Y5斷開，照明燈關閉。④ 出料口的開/閉出料口的開/閉遵循的程序為：洗砂機輸送電動機啟動后才可以打開；輸送電動機停止前或出現故障時關閉。出料口的打開：當輸送電動機啟動延時T3閉合后，接通X10信號，輸出繼電器Y6工作，出料口打開。當打開限位X20信號接通后，輸出繼電器Y6斷開，出料口保持開啟狀態。出料口的關閉：斷開X10或輔助繼電器M1（安全輔助繼電器，見圖4.5——3）信號后，輸出繼電器Y7工作，出料口關閉。當關閉限位X21信號接通后，輸出繼電器Y7斷開，出料口保持關閉狀態。 圖4.5——3圖4.5——3的梯形圖是洗砂機的保護報警程序，M1為安全輔助繼電器，當輸送電機、滾籠電機、輸出電機、水泵或空壓機的熱保護開關動作后，輔助繼電器M1便分斷。接通輸出繼電器Y10，發出聲光報警信息，同時接通定時器T6，設定時間為20s，當時間到達后控制Y10分斷，結束報警提醒。4.6繪制控制系統原理圖、端子接線圖見圖4.6——14.7編制主要電氣元件型號表名稱
代號
型號
備注
斷路器
QF1
CDM1L-100M/mA
額定電流：50A
QF2
DZ47-32/3P D25
額定電流：25A
QF3
DZ47-32/3P D10
額定電流：10A
QF4
DZ47-32/3P D25
額定電流：25A
QF5
DZ47LE-32/2P C16 30mA
額定電流：16A
QF6
DZ47LE-32/2P C630mA
額定電流：6A
接觸器
KM1
CJX2-09/10M
線圈電壓：220V 50HZ
KM2
CJX2-09/10M
線圈電壓：220V 50HZ
KM3
CJX2-09/10M
線圈電壓：220V 50HZ
KM4
CJX2-09/10M
線圈電壓：220V 50HZ
KM5
CJX2-25/10M
線圈電壓：220V 50HZ
KM6
CJX2-18/10M
線圈電壓：220V 50HZ
熱繼電器
FR1
JRS1D-25
整定電流范圍：5.5～8A
FR2
JRS1D-25
整定電流范圍：5.5～8A
FR3
JRS1D-25
整定電流范圍：5.5～8A
FR4
JRS1D-25
整定電流范圍：5.5～8A
FR5
JRS1D-25
整定電流范圍：12～18A
小型繼電器
KA1
JZX-22F(D)/220～4Z6
觸電容量：240V3A
KA2
JZX-22F(D)/220～4Z6
觸電容量：240V3A
聲光報警器
HL
ND16-22FSAC220V
紅色、斷續報警型
可編程控制器
PLC
FX2N-48MR-001
額定電壓：220VAC
熔斷器
FU1
RT18-32
熔體：2A
FU2
RT18-32
熔體：2A
FU3
RT18-32
熔體：2A
按鈕、旋鈕
SBJ
LAY7-11ZS42
緊急停止鈕、紅色
SA1
LAY7-11X2022
旋鈕、黑色
SA2
LAY7-11X2022
旋鈕、黑色
SA3
LAY7-11X2022
旋鈕、黑色
SA4
LAY7-11X2022
旋鈕、黑色
SB1
LAY7-11BN42
平鈕、紅色
SB2
LAY7-11BN32
平鈕、綠色
SB3
LAY7-11BN22
平鈕、黑色
SB4
LAY7-11BN22
平鈕、黑色
SB5
LAY7-11BN22
平鈕、黑色
SB6
LAY7-11BN22
平鈕、黑色
接近開關
SQ1
E2EQ-X15X1
DC：12-24V(脈動)
SQ2
E2EQ-X15X1
DC：12-24V(脈動)
圖4.6——1五、結束語通過兩年的運行實踐來看，采用PLC控制的洗砂機在電氣上的故障非常少。在故障后檢測及維修的效率非常快。由此可見，PLC在新設備制造、舊設備改造中，正不斷地得到人們的認可。PLC的廣泛應用將為各行業在工作效率、產品質量等方面帶來更多的穩定效益。鑒于本人的水平有限，敬請各位專家和評委給予指導。參考文獻[1] 建主編 . 維修電工：技師、技師 . 北京：中國電力出版社，2009[2] 韓曉新主編 . 三菱FX系列PLC基礎及應用 . 北京：機械工業出版社，2010.8本文作者：張新忠創作原因：職業鑒定（電工技師）聲明：未經作者本人同意不得更改作者署名
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