铁路抑尘站PLC喷洒控制系统的设计

铁路抑尘站PLC喷洒控制系统的设计

摘要：随着经济的快速发展，煤炭生产企业运量快速增长。在煤炭运量快速增

长的同时，煤炭运输和装车引起的扬尘影响铁路周边环境问题，一直是影响各局货场及运输周边环境环保问题的主要因素。为此，大力推动煤炭抑尘项目的发展，努力建设和探索运输与环境和谐的煤炭运输形式已经得到铁道部高度重视。 目前，抑尘剂喷洒多数企业采用人工上车喷洒的全手工作业方式，其效率低下，费时费力的，同时存在各种不安全隐患。少数企业新装了喷淋基站，但其喷洒量不能有效控制，没有完整的数据跟踪机制，不能对已经作业的信息进行查询和共享。目前针对抑尘剂喷洒现状开发出了一套全自动抑尘剂喷洒系统，此系统可以在车辆行进中喷洒，无需人工现场参与。大大提高作业效率，均匀控制喷洒流量，避免浪费等，便于数据跟踪和查询，完全可以作为喷洒收费的依据等。

在铁路煤炭运输过程中,吹落的煤尘不铁路抑尘站喷洒控制系统是在可编程PLC控制器的信号输入端连接与安装在喷洒机上的测算列车车速的三个红外光电开关；用于控制喷洒泵起动并控制流量变频调速器，用于转筒转动控制步进电机转动的交流接触器。本实用新型解决了铁路抑尘剂喷洒自动化的问题，而且计量准确，喷洒均匀，还避免遗漏到车厢空档的铁轨上。

关键字：变频调速； PLC；监控系统；伺服电机；

摘要..................................................................................................................................1 第1章 绪论 .................................................................................................................3 1.1抑制铁路运煤扬尘污染的方法 ............................................................................3 1.2 铁路抑尘站喷洒控制系统的背景和意义 ...........................................................3 1.3 国内研究概况 .......................................................................................................4 1.4 设计任务及要求 ...................................................................................................4 第2章 铁路抑尘站喷洒控制系统 .............................................................................6 2.1铁路抑尘站喷洒控制系统 ....................................................................................6 2.1.1 系统的组成.....................................................................................................6 2.1.2 系统的特点.....................................................................................................6 2.2 课题研究的对象 ...................................................................................................6 2.3铁路抑尘站喷洒控制系统的及工作原理 ............................................................7 2.3.1 系统的构成.....................................................................................................7 2.3.2 工作原理.........................................................................................................9 第3章 器件的选型及介绍 .......................................................................................11 3.1 可编程控制器 .....................................................................................................11 3.1.1简介PLC .........................................................................................................11 3.1.2 PLC的特点 .....................................................................................................12 3.1.3 PLC的主要功能 .............................................................................................13 3.1.4PLC的工作过程 ..............................................................................................14 3.1.5 PLC的经济分析 .............................................................................................15 3.1.6 PLC发展状况及趋势 .....................................................................................15 3.1.7 PLC的选型 .....................................................................................................16 3.1.8 PLC的接线 .....................................................................................................16 3.2 控制元件 .............................................................................................................18 3.2.1变频器............................................................................................................18 3.2.2伺服电机........................................................................................................22 3.3检测元件 ..............................................................................................................27 3.3.1超声波液位计................................................................................................27 3.3.2 温度变送器...................................................................................................27 3.3.3 压力变送器...................................................................................................28 3.3.4电磁流量计....................................................................................................28 3.4原件表 ..................................................................................................................29 3.4.2.硬件接线图 ...................................................................................................30 第4章 PLC控制及编程.............................................................................................32 4.1 PLC控制实现的控制功能和控制方法 ...............................................................32 4.2 PLC的I/O点分配 ................................................................................................32 4.3 PLC软件设计 ...................................................................................................33 4.3 PLC梯形图 ...........................................................................................................35 第5章 结论 ...............................................................................................................42

致 谢..........................................................................................................................44 参考文献........................................................................................................................45

第1章 绪论

1.1抑制铁路运煤扬尘污染的方法

在铁路煤炭运输过程中,吹落的煤尘不仅对沿线的生态环境造成严重的污染,而且对铁路线路内道床、铁路信号和接触电网等设备也会造成破坏,增加维修成本,对资源也造成不小的浪费。解决铁路扬尘污染问题刻不容缓。抑制铁路运煤扬尘污染的方法主要有以下两种：

1. 固体加盖法。在货运列车车厢上加盖或利用篷布等遮盖, 防止煤粉散落和吹入空气中。这种方法虽然简单, 防尘效果较好 ,但成本较高,且操作麻烦, 完善的测速系统、流量调控系统、钩挡识别及车辆之间。

2. 列车中煤层表面喷淋抑尘剂法。通过给列车煤层表面喷洒一层抑尘剂, 使煤层表面形成以煤块、煤粒和煤尘黏结在一起的直径较大的固化层, 以此达到防止扬尘污染的效果。

1.2 铁路抑尘站喷洒控制系统的背景和意义

煤炭运输引起的扬尘影响铁路周边环境，需要进行抑尘处理。设计全自动

抑尘剂喷洒系统，可以在车辆行进中喷洒，无需人工现场参与，起到抑制扬尘，保护环境及减少运输煤损的作用。

仅对沿线的生态环境造成严重的污染,而且对铁路线路内道床、铁路信号和接触电网等设备也会造成破坏,增加维修成本, 对资源也造成不小的浪费。解决铁路扬尘污染问题刻不容缓。

自从人类使用核能技术以来，放射性污染物质的消除问题就一直是人们所关注的世界性难题。传统放射性沉降物的消除技术在适用范围、功能、消除效果、作业效率或代价利益比上不同程度地存在这样或那样的缺陷，与核事故应急或反核恐怖行动的要求还不相适应。

目前在放射性非固定性污染物消除领域中，比较先进的技术是“剥离型膜体大面积压制去污方法”，这种技术在用于清除放射性气溶胶或沉降物时有喷洒作业、放射性颗粒与压制去污材料共聚膜体、膜体的剥离回收和膜体废物的运输4个阶段，其中完成喷洒作业阶段的喷洒作业机械是实现压制去污效果的重要手段。针对其作业环境恶劣、电磁干扰严重的情况，研制出集成性高、抗干扰能力强、操作简便的控制系统对有效地完成喷洒作业是十分关键的。使用抑尘剂后对改善铁路沿线的大气和路面污染可以起到明显作用。

1.3 国内研究概况

早在20世纪20年代,英国的学者就研究制作了一种湿润剂并应用于矿井。后来, 美国和苏联的学者及研究人员也参与了湿润剂的研究。20 世纪70 年代, 中国一些高校对化学抑尘剂进行了研制。近些年,抑尘剂的研究发展迅猛。目前的抑尘剂主要分为湿润型化学抑尘剂、强吸水型抑尘剂和黏结型化学抑尘剂。从成本、效果和适用范围等方面考虑,黏结型化学抑尘剂是一种不错的变废为宝的抑尘剂,在国内外得到广泛的应用。

考虑到铁路运输的特殊性,还必须研制出一种适合运煤列车的喷洒控制系统。该设备应针对铁路区段线路的特点,对于电力区间使用摆臂式喷洒设备,对于内燃牵引区间宜使用龙门式设备,对列车高速行驶情况宜使用对喷式设备,对铲车装车情况可使用移动车式喷洒设备。

由于运煤列车速度较快,按照喷洒要求,控制系统必须实现对机车和车辆车型的识别。摆臂式的还应能控制摆臂,在喷洒过程中自动完成回转和回位,要设有完善的测速系统、流量调控系统、钩挡识别及车辆之间的停喷装置等。固定喷洒设备中摆臂式喷洒最具代表性,下面主要分析这种摆臂式防尘喷洒智能控制系统的可行性。

1.4 设计任务及要求

1. 说明

铁路运输过程中，当列车经过喷洒设备时，首先进行雷达测速，之后根据火车速度的大小由PLC控制变频器调节频率，由此来控制喷洒量，使喷洒流量与车速符合铁道部规定的设计标准。

2. 设计内容

（1） 根据铁路抑尘剂喷洒控制系统，进行总体方案设计； （2） 根据PLC输入、输出点的点数，确定变频器的类型； （3） 信号传输部分采用光电信号隔离器；

（4） 喷洒部分的设计,储夜罐到喷洒为手动，液体检测采用超声波液位

计，液位计采集液位，低液位报警并参于计算喷洒量，以减少流量传感器采集误差。喷洒泵采用变频器驱动，速度由PLC给定；

（5） 检测部分分别由PLC采集传感器的信号，PLC进行量程转换后参于控

制。

3. 设计成果

（1） 毕业设计报告字数1.5-2万字； （2） 根据设计要求选择各种电气元件；

（3） 必须有PLC输入、输出点分配的定性分析； （4） 硬件电路图；

（5） 系统的结构和软件设计，提供PLC主程序清单；

（6） 1#设计图纸2张，一张为系统主电路原理图和传动控制电路原理图、一张为控制系统软件流程图； （7） 其它；

第2章 铁路抑尘站喷洒控制系统

2.1铁路抑尘站喷洒控制系统 2.1.1 系统的组成

该控制系统由监视管理层、中间控制层、现场执行层组成。监视管理层由工控计算机、可编程控制器PLC 及其配套设备构成,配以图形用户界面,负责监视PLC 摆臂式喷洒装置的参数设置和下层设备的状态、机车车辆识别工作,监视喷洒作业情况。中间控制层是核心层,负责控制现场执行设备和算法的执行,采用高性能可编程PLC ,对现场进行网络控制,控制变频器以实现喷洒流量的恒压和流量大小的调整。现场执行层由电机、变频器、测速雷达、视频头等基础设备成。

2.1.2 系统的特点

(1) 该系统采用计算机网络技术和自动化技术, 实现对各种设备的智能控制, 达到最佳工况要求;

(2) 通过变频技术, 实现车速和喷洒流量的匹配, 使用中节电效果显著; (3) 具有随时手动控制功能, 可与系统自动控制互补, 安全性能较高; (4) 保护功能齐全, 既可保护常规设备, 又能对突发事件进行自动巡检, 具有主动采取适当的保护措施及报警智能保护的能力, 辅助管理人员进一步提高管理能力;

(5)改善工作环境,提高作业人员生产效率;

(6)利用了变频技术, 使防尘喷洒智能控制系统的喷洒水泵具有显著的节能效果, 且实现了软启软停, 减少对电网的冲击, 操作简便, 能顺利实现喷洒液体恒压、恒流量控制。

2.2 课题研究的对象

煤炭运输引起的扬尘影响铁路周边环境，需要进行抑尘处理。设计全自动抑尘剂喷洒系统，可以在车辆行进中喷洒，无需人工现场参与，起到抑制扬尘，保护环境及减少运输煤损的作用。本毕业设计，涉及检测，PLC电气控制，器件选

型，各器件使用PLC进行控制。

铁路抑尘站PLC喷洒控制系统系统框图如图2.1所示。

图2.1铁路抑尘站喷洒控制系统系统方案图

工控机 监控设备 PLC 雷 光电检测 变频器 伺服电机 液压传动 回流泵 达测速 该系统使用前先对设备功能进行自检,完成变送器工作状态、模拟量的采集精度及检测结果状态的指示和报警的检测。自检正常后，当运煤列车通过时， 通过光电检测系统识别牵引机车， 牵引机车通过后，发出信号给PLC控制传动减速箱，与此同时PLC控制变频器启动喷洒泵，雷达测速仪检查列车速度，反馈给PLC， PLC控制变频器，给定电机不同频率，进行流量和恒压的控制。光电检测系统在列车钩档间发出信号给PLC，用以控制变频器输出，同时伺服电机通过传动连接装置， 旋转遮挡装置实现停喷和喷洒作业。 列车完全通过后系统自动切换至清洗泵，清洗完毕后清洗液回流到储液罐。至此，喷洒过程完成。

2.3铁路抑尘站喷洒控制系统的及工作原理 2.3.1 系统的构成

整个系统由两台喷洒泵，一台变频调速器、一台潜水泵、一台PLC和一个超声波液位检测计及若干辅助部件构成。两台水泵中每台泵的出水管均装有手动阀，以供维修和调节水量之用，两台泵协调工作以满足喷洒需要；喷洒系统中检测管路压力的压力表，一般采用电阻式传感器(反馈0～5V电压信号)或压力变送

器(反馈4～20mA电流)；变频器是喷洒系统的核心，通过改变电机的频率实现电机的无极调速、无波动稳压的效果和各项功能。

从原理框图，我们可以看出该系统由执行机构、信号检测、控制系统、人机界面、以及报警装置等部分组成。

(1)执行机构

执行机构是由一组水泵组成，它们用于将喷洒液供于抑尘喷洒机构，图2.3中的3个水泵分为二种类型:

喷洒泵: :喷洒泵是将具备压力的工作介质水，通过喷嘴向吸入室高速喷出，将水的压力能变为动能，形成高速喷出的流体，吸入室中的气体被高速喷射的流体强力压制带着与之混合，形成气液的混合体，流入扩压器从而使吸入室的压力减小，形成真空，在扩压器的扩张段内混合喷射的流体动能转变为压力能，速率减低，压力升高，气体被进一步压缩，与水一起排出泵外，在水箱中起水散，气体释放入大气，水由水泵循环，周而复始达到抽真空的目地。 (2) 信号检测

在系统控制过程中，需要检测的信号包括喷洒液的流量、压力、温度信号的检测。

① 水压信号:它反映的是系统内部管道的压力值，它是喷洒控制系统的主要反馈信号。

② 水温信号:它反映系统是否正常运行，伺服电机是否过载、变频器是否有异常。该信号为开关量信号。

③ 流量信号：它反映喷洒液流速的大小，它是系统喷洒量大小的主要反馈信号。

④ 超声波液位检测信号：通过检测液位的高低来控制喷洒速度，它是储液罐液位高低的主要反馈信号。 （3）控制系统

一般安装在PLC控制柜中，包括PLC控制器、变频器和电控设备三个部分。 ①PLC控制器:它是整个变频恒压喷洒控制系统的核心。PLC控制器直接对系统中的工况、压力、报警信号进行采集，对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过变频调速器和接触器对执行机构进行控制。

潜水泵: 潜水泵由水泵、潜水电机、输水管和控制开关四大部分组成。

②变频器:它是对喷洒泵进行转速控制的单元。变频器跟踪PLC控制器送来的控制信号改变喷洒泵的运行频率，完成对喷洒泵的速度控制。

③电控设备:它是由一组接触器、保护继电器、转换开关等电气元件组成。用于在PLC控制器的控制下完成对喷洒泵的切换、手/自动切换等。

(4)人机界面

人机界面是人与机器进行信息交流的场所。通过人机界面，使用者可以更改设定压力，修改一些系统设定以满足不同工艺的需求，同时使用者也可以从人机界面上得知系统的一些运行情况及设备的工作状态。人机界面还可以对系统的运行过程进行监示，对报警进行显示。

(5)通讯接口

通讯接口是本系统的一个重要组成部分，通过该接口，系统可以和组态软件以及其他的工业监控系统进行数据交换，同时通过通讯接口，还可以将现代先进的网络技术应用到本系统中来，例如可以对系统进行远程的诊断和维护等

(6)报警装置

作为一个控制系统，报警是必不可少的重要组成部分。由于本系统能适用于不同的喷洒领域，所以为了保证系统安全、可靠、平稳的运行，防止因电机过载、变频器报警、电网过大波动等等造成的故障，因此系统必须要对各种报警量进行监测，由PLC判断报警类别，进行显示和保护动作控制，以免造成不必要的损失。

2.3.2 工作原理

由加料机把原料加入搅拌罐与清水混合，然后由潜水泵提升至储液抽罐里，其过程为手动方式，人为操作按钮。喷洒时，当列车经过时，首先进行雷达测速，然后根据结果自动计数参数，使喷洒流量与车速符合设要求，整体控制示意图如下：

喷 喷 嘴 嘴 加料机 超声波液位检测 搅 雷 清拌 清水罐 达 储液罐 洗机 测 罐 潜水泵 速 器 搅拌罐 光电 检测 喷洒泵 流量压力温度检测 拌热带 图2.2铁路抑尘站喷洒控制系统 原理图 铁路抑尘站喷洒控制系统中电气系统主要为：配电部分，控制部分，操作部分，检测部分，视频部分组成。控制部分全部采用进口材料和部分国产材料，主要以法国施耐德产品为主，搅拌机的起停采用手动方式，配电回路采用软启动器，加料机和潜水泵的启停采用人工的方式，配电回路因功率较小而采用直接启动方式，清洗罐中的操作也全部分手动。储液罐到喷洒为手动/自动方式，液位检测采用超声音波液位计，液位计采集液位，低液位报警并参于计算喷洒量，以减少流量传感器采集误差。喷洒泵采用变频器驱动，速度由PLC给定。检测部分分别由PLC采集传感器的信号，PLC进行量程转换后参于控制。视频部分采用硬盘录像机，可以看到手动/自动录像，视频部分和控制系统是相互完全独立的两套系统。

1. 大型网络化

主要是朝DCS方向发展，使其具有DCS系统的一些功能。网络化和通信能力强是PLC发展的一个重要方面，向下可将多个PLC、I/O框架相连，向上与工业计算机、以太网、MAP网等相连构成整个工厂的自动化控制系统。

2. 多功能

随着自调整、步进电机控制、位置控制、伺服控制等模块的出现，使PLC控制领域更加宽广。

3.1.7 PLC的选型

潜水泵、喷洒泵可变频运行也可工频运行，需PLC的16个输出点，变频器的运行与关断由PLC的1个输出点，控制变频器使电机正转需1个输出信号控制，报警器的控制需要1个输出点，输出点数量一共9个。控制起动和停止需要2个输入点，变频器极限频率的检测信号占用PLC2个输入点，系统自动/手动起动需1输入点，手动控制电机的工频/变频运行需6个输入点，控制系统停止运行需1个输入点，检测电机是否过载需3个输入点，共需19个输入点。系统所需的输入／输出点数量共为35个点。本系统选用FXos-30MR-D型PLC。

3.1.8 PLC的接线

Y0接伺服电机控制M1的变频运行，Y1接潜水泵控制M1的工频运行；Y2接加料机控制M2的变频运行，Y3接清洗罐控制M2的工频运行；Y4接喷洒阀控制M3的变频运行，Y5接清洗阀控制M3的工频运行。

X0接伺服电源，X1接潜水泵，X2接变频器的FU接口，X3接变频器的OL接口，X4接M1的热继电器，X5接M2的热继电器，X6接M3的热继电器。

为了防止出现某台电动机既接工频电又接变频电设计了电气互锁。在同时控制M1电动机的两个接触器KM1、KM0线圈中分别串入了对方的常闭触头形成电气互锁。频率检测的上/下限信号分别通过OL和FU输出至PLC的X2与X3输入端作为PLC增泵减泵控制信号

U3-34U3-350VSB9SB8SB7SB6SB5SB4SB3X03X08X04X05X06X07X09X10X11X12X13X14X15X16X17SB2线号X00SB1SB18SB10SB14SB13SB19SB17SB16SB15X18X19X20X21X22X23SB12SB11X01X02A00A01A02A03A04A05A06A07注释液位清伺潜加洗服水料搅电泵机拌机喷洒电磁阀清洗电磁阀喷洒泵运行左出水阀泵本右电1地出热或或水丝泵远阀2程手动或自动手光光右左备急左右动电电点点复用停转转一二动动位变频故障一变频故障二压力流量温度+24VAC220V091002110003010406050709081011000102030405060708L1 L2/NCOM图3.3 PLC的接线图

CP1HXA40DT1-D02Y3Y6comcom0008Y7Y8Y9Y10Y11Y4Y50103040506070910111213Y12Y131415Y14Y15Y0Y1Y2OV加料机清洗搅拌喷洒电磁阀清洗电磁阀变频运行124V左出水阀右出水阀变频运行2伺服电机潜水泵速度1速度2速度3电热丝报警器备用

3.2 控制元件 3.2.1变频器

1. 变频器的构成

通常由变频器主电路（IGBT、BJT、或GTO作逆变元件）给异步电动机提供调压调频电源。此电源输出的电压或电流及频率，由控制回路的控制指令进行控制。而控制指令则根据外部的运转指令进行运算获得。对于需要更精密速度或快速响应的场合，运算还应包含由变频器主电路和传动系统检测出来的信号和保护电路信号，即防止因变频器主电路的过电压、过电流引起的损失外，还应保护异步电动机及传动系统等。

图3.4 变频器的构成

给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，称为主电路。图3.5所示是典型的电压逆变器的例子，其主电路由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸引在整流和逆变时产生的电压脉动的“平波回路”以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。另外，异步电动机需要制动时，有时要附加“制动回路”。

① 整流器

最近大量使用的是二极管的交流器，图3.5所示，它把工频电源变换为直流电源。可用两组晶体管交流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。

② 平波回路

在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电压吸收脉动电压（电流）。装置容量小时，如果电源和主电路的构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。

③ 逆变器

同整流器相反，逆变器的作用是将直流功率变换为所需要频率的交流功率，根据PWM控制信号使6个开关器件导通、关断，就可以得到三相频率可变的交流输出。

④制动回路

异步电动机在再生制动区域使用时（转差率为负），再生能量储存于平波回路电容器中，使直流电压升高。一般说来，由机械系统（含电动机）惯量积蓄的能量比电容能储存的能量大，需要快速制动时，可用由逆变流器向电源反馈或设置制动回路（开关和电阻）把再生功率消耗掉，以免直流电路电压上升。

图3.5 典型的电压型逆变器一例

2.变频器的特点

变频器具有过压、欠压、过流、过载、短路、失速等自动保护功能。能实现

电机软起动，减小电气和机械冲击噪音，延长设备使用寿命。

喷洒系统主要有以下几个特点:

（1） 节能：变频调速恒压喷洒设备使整个喷洒系统始终保持最优工作状态节电率可达35%—60% ，这一特点已被广大用户所认识并带来效益。

（2） 占地面积小，投人少，效率高。 （3） 配置灵活，功能齐全，自动化程度高。

（4） 由于变频恒压调速直接从水源喷洒，减少了原有喷洒方式的二次污染，大大降低水质污染的可能性。

（5） 通过通信控制，可以实现无人值守，节省了人力物力。 3.变频器的选型

根据设计的要求，本系统选用VFD450B43A系列变频器，如下图所示：

图3.6 R-A540的管脚说明

4. 变频器的接线

变频器的接线图如图3.7所示

管脚STF接PLC的Y7管脚，控制电机的正转。X2接变频器的FU接口，X3接变频器的OL接口。频率检测的上/下限信号分别通过OL和FU输出至PLC的X2与X3输入端作为PLC增泵减泵控制信号。

图3.7变频器接线图

C653P90AQF3L3L2L1变频U3-4U3-9U3-6U3-7U3-8FWDDCMMI1MI2MI3RA3RC3M51#喷洒泵器X22U3-13.2.2伺服电机

伺服电机在伺服系统中控制机械元件运转的发动机.是一种补助马达间接变速装置。伺服电机,可使控制速度,位置精度非常准确。将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。

伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲

的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到0.001mm。 1.伺服电机的原理

交流伺服电动机定子的构造基本上与电容分相式单相异步电动机相似.其定子上装有两个位置互差90°的绕组，一个是励磁绕组Rf，它始终接在交流电压Uf上；另一个是控制绕组L，联接控制信号电压Uc。所以交流伺服电动机又称两个伺服电动机。

交流伺服电动机的转子通常做成鼠笼式，但为了使伺服电动机具有较宽的调速范围、线性的机械特性，无“自转”现象和快速响应的性能，它与普通电动机相比，应具有转子电阻大和转动惯量小这两个特点。目前应用较多的转子结构有两种形式：一种是采用高电阻率的导电材料做成的高电阻率导条的鼠笼转子，为了减小转子的转动惯量，转子做得细长；另一种是采用铝合金制成的空心杯形转子，杯壁很薄，仅0.2-0.3mm，为了减小磁路的磁阻，要在空心杯形转子内放置固定的内定子，空心杯形转子的转动惯量很小，反应迅速，而且运转平稳，因此被广泛采用。

交流伺服电动机在没有控制电压时，定子内只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子静止不动。当有控制电压时，定子内便产生一个旋转磁场，转子沿旋转磁场的方向旋转，在负载恒定的情况下，电动机的转速随控制电压的大小而变化，当控制电压的相位相反时，伺服电动机将反转。

交流伺服电动机的工作原理与分相式单相异步电动机虽然相似，但前者的转子电阻比后者大得多，所以伺服电动机与单机异步电动机相比，有三个显著特点：

（1）起动转矩大 （2）运行范围较广 （3）无自转现象 2. 步进电机的性能比较

步进电机作为一种开环控制的系统，和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数

字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能作一比较。 (1)控制精度不同

两相混合式步进电机步距角一般为 1.8°、0.9°，五相混合式步进电机步距角一般为0.72 °、0.36°。也有一些高性能的步进电机通过细分后步距角更小。如三洋公司（SANYO DENKI）生产的二相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。

交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以三洋全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2000线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360°/8000=0.045°。对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360°/131072=0.0027466°，是步距角为1.8°的步进电机的脉冲当量的1/655。 (2)低频特性不同

步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。

交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整。 (3)矩频特性不同

步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300～600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。 (4)过载能力不同

步进电机一般不具有过载能力，交流伺服电机具有较强的过载能力。以山洋交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的

二到三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。 (5)运行性能不同

步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。 (6)速度响应性能不同

步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200～400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以山洋400W交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。

综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电机。 3.伺服电机接线图

其伺服电机的接线图如图3.8所示

QF2RSTL1L2PDCUVWFGRedwhiteblackgreenBASRL伺服电机VDDCOM+COM-Y16Y17Y18Y19Y20Y21Y22Y231711COM-45、47、49SONCTRGPDS0PDS1ARSTJDGUJDGDEMGS910348333231305479102A/AB/BZ/ZASD-A4523-B+24V1.5KSRDYX241.5KD01-ZSPDX251.5KD02-HOMEX261.5KD03-TPOSX271.5KD04-ALRMX28D05-765432126282714/16+5V13/15GND18T-REF13GND

图3.8伺服电机的接线图

3.3检测元件 3.3.1超声波液位计

超声波液位计是由微处理器控制的数字物位仪表。在测量中脉冲超声波由传感器（换能器）发出，声波经物体表面反射后被同一传感器接收，转换成电信号，并由声波的发射和接收之间的时间来计算传感器到被测物体的距离。 由于采用非接触的测量，被测介质几乎不受限制，可广泛用于各种液体和固体物料高度的测量。

超声波液位计工作时，高频脉冲声波由换能器（探头）发出，遇被测物体（水面）表面被反射，折回的反射回波被同一换能器（探头）接收，转换成电信号。脉冲发送和接收之间的时间（声波的运动时间）与换能器到物体表面的距离成正比，声波传输的距离S与声速C和传输时间T之间的关系可以用公式表示：S=CⅹT/2

SGM超声波液位计特点 ：

价格低，体积小，重量轻，可用于食品，化工，半导体等行业对液体和散装固体非接解式物位测量，可用于远程物位监控和泵的控制 。

机械安装时应注意：安装应垂直于测是物表面，避免用于测量泡沫性质物体，避免安装于距测量物体表面距离小于盲区距离（盲区：每台产品会有一个标准，随产品得知），应考虑束避开阴挡物质不与灌口和容器壁相遇，检测大块固体物应调整探头方位，减少测量误差。

传感器是能够受规定的被测流量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置的总称，通常由敏感元件和转换元件组成。当传感器的输出为规定的标准信号时，则称为变送器。

3.3.2 温度变送器

传感器是能够受规定的被测流量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置的总称，通常由敏感元件和转换元件组成。当传感器的输出为规定的标准信号时，则称为变送器。

温度变送器是一种将温度变量转换为可传送的标准化输出信号的仪表。主要用于工业过程温度参数的测量和控制。

带传感器的变送器通常由两部分组成：传感器和信号转换器。传感器主要是热电偶或热电阻；信号转换器主要由测量单元、信号处理和转换单元组成（由于工业用热电阻和热电偶分度表是标准化的，因此信号转换器作为独立产品时也称为变送器），有些变送器增加了显示单元，有些还具有现场总线功能。如下图 所示

显示单元 现场总线 热电偶或 信号处理和测量单元 转换单元 输出信号（M或V） 热电阻 图3.9温度变送器原理图

变送器如果由两个用来测量温差的传感器组成，输出信号与温差之间有一给定的连续函数关系。故称为温度变送器。

3.3.3 压力变送器

一般意义上的压力变送器主要由测压元件传感器、测量电路和过程连接件三部分组成。它能将测压元件传感器感受到的气体、液体等物理压力参数转变成标准的电信号，以供给指示报警仪、记录仪、调节器等二次仪表进行测量、指示和过程调节。

3.3.4电磁流量计

电磁流量计是一种根据法拉第电磁感应定律来测量管内导电介质体积流量的感应式仪表，采用单片机嵌入式技术，实现数字励磁，同时在电磁流量计上采用CAN现场总线。属国内首创，技术达到国内领先水平。 1.特点

(1) 管道内无可动部件，无阻流部件，测量中几乎没有附加压力损失。 (2) 测量结果与流速分布、流体压力、温度、密度、粘度等物理参数无关。 (3) 在现场可以根据用户实际需要在线修改量程。

2.工作原理

电磁流量计的工作原理是基于法拉第电磁感应定律。在电磁流量计中，测量管内的导电介质相当于法拉第试验中的导电金属杆，上下两端的两个电磁线圈产生恒定磁场。当有导电介质流过时，则会产生感应电压。管道内部的两个电极测量产生的感应电压。测量管道通过不导电的内衬（橡胶，特氟隆等）实现与流体和测量电极的电磁隔离。

3.4原件表

3.4.1

表3.1元件表总图

元件 可编程控制器 变频器 符号 PLC 型号 CP1HXA40DT1-D VFD450B43A 系列 LC1-D6511 LC1-D18 LC1-D09 40-160(I)A 40-160(I) HD11-100/18 RT18 6A RT18 8A TK-E02T-C K-E02U-C 个数 1 1 接触器 KM M1,M2 水泵 闸刀开关 熔断器 热继电器 按钮

3 5 3 2 1 1 2 1 2 1 10 M3 QS FU1，FU2 FU3 FR1 FR2 FR3 SB LAY3—11 表3.2喷洒泵的参数

符号 型号 (m3/h) 流量扬程 (m) (r/min) 转速 电机功率 (kw) 喷洒泵 M1 M2 40-160(I)A 40-160(I) 11 12.5 28 32 2900 2900 2.2 3.0 表3.3 变频器的参数

变频器 适用电机容量（KW) 输出额定容量(KVA) 输出额定电流（A） 过载能力 电源额定输入交流电压/频率冷却方式 VFD450B43A系列（台达） 通用 69.3 91 150í输出电流运行60秒 三相380-480Vac,50/60Hz 强制风冷 3.4.2.硬件接线图

硬件接线图如图3.10所示

FR4KM1KM2KM3KM4清洗搅拌停止L3L2L1FR2FR3FR4KM4清洗搅拌启动15KWM17.5KWM22.2KWM30.75KWKM4C653P90AQF3U3-4U3-9U3-6U3-7U3-8

变频FWD器DCMMI1MI2MI3RA3RC3M51#喷洒泵X22U3-1图3.1 铁路抑尘站喷洒控制系统硬件接线图

第4章 PLC控制及编程

4.1 PLC控制实现的控制功能和控制方法

PLC控制应用软件完成PLC系统的各种控制、运算、故障诊断与设备的保护等方面的功能。本系统PLC应用程序实现的主要功能：

(1)储液罐水位与潜水泵连锁控制，当储液罐水位达到水位下限时潜水泵自动停止运行，以保护电机。

(2)潜水泵与喷洒泵正常工作时，启泵，15s后，开阀；阀关到位后，停泵。工作泵与备用泵能够自动切换，当各泵组管远传压力达到最低时，备用泵启动，30s后，工作泵停止运行。喷洒泵要求采用变频器控制，可根据用量的多少调速，保证管道压力恒定。

(3)该系统监控级完成变频水泵系统、电磁阀系统，电动阀系统工艺参数的采集、设定、显示、声光报警级相关设备的操作和状态监控。 实现的主要功能：

①数据采集功能。监控系统采集的数据是工艺设备的实时数据，包括压力、液位、泵的运行状态等。这些数据通过通信网络最终连接到相关的工艺图形界面上显示出来。

②画面显示功能。该监控系统为用户提供了可视化的窗口进行过程信息的处理。以不同的颜色区分设备的运行状态以及检测设备是否正常运行。

③实时报警功能。本系统能自动检测系统的运行状态，一旦出现故障，画面将出现报警，以供操作人员查看，解决。

4.2 PLC的I/O点分配

根据设计要求和所需的现场设备数量，估算出数字量I／O点共需35个，其中输入19个。输出16个，模拟量输入点需3个，模拟量输出点需1个，综合考虑到系统的性价比和扩展性，PLc选用西门子s7—300 cPU224作为主控单元，再配置一块数字量扩展模块EM223(8DI／8DO)和一块模拟量扩展模块EM235。 PLC的I／O地址分配如表1所示。

地址 00000 00001 00002 00003 00004 00005 00006 00007 00008 00009 00010 00011 00100 00101 00102 00103 00104 00105 功能 伺服电机 潜水泵 加料机 清洗搅拌 喷洒阀 清洗阀 喷洒泵 左出水阀 右出水阀 电热丝 泵1/泵2 本地∕运程 手动∕自动 手动复位 右点动 左点动 急停 光电一 地址 00106 100.00 100.01 100.02 100.03 100.04 100.05 100.06 100.07 101.00 101.01 101.02 101.03 101.04 101.05 101.06 101.07 功能 光电二 伺服电源 潜水泵 加料机 清洗搅拌 喷洒阀 清洗阀 左出水阀 右出水阀 变频运行1 变频运行2 右出水阀 速度一 速度二 速度三 电热丝 报警器

4.3 PLC软件设计

PLC程序采用西门子公司提供的编程软件开发。主程序主要由系统初始化子程序、液泵电机启动程序、手动控制子程序、停机子程序和报警子程序、数据接收、发送子程序等构成。 程序流程如图2所示。

主程序主要用来完成设定中断方式、子程序的调用和输出点的控制，处理压力、流量等模拟量数据的计算和数据类型的转换，同时还用来完成与操作员界面的接口控制程序。系统设置有自动、手动2种工作方式，由主控面板上的“自动／手动”转换开关进行切换，但不可并存，在程序上设计了互锁功能的程序段。其中，自动工作方式用于正常防冻液喷洒控制，按预先输入的参数要求，如：温度设定值、压力设定值等，自动地完成全部操作。手动工作方式主要用于调试、检查维修、故障恢复等工作，操作人员可以通过操作面板上的按钮分别完成单独启动、停止液泵电机等相应操作。无论处于自动工作方式还是手动工作方式，检测程序都将随时检测发生的故障并立即终止当前操作。

4.3 PLC梯形图

（1）喷洒阀起停部分

I:0.02I:1.00手动/自动5.025.035.035.02I1.045.03KEEP(011)10.0110.015.03I:0.11本地/远程I0.02DIFU(013)5.02

启动伺服电源，进行加料搅拌，形成所需的抑尘剂，通过潜水泵的变频运行将抑尘剂引入储液罐，然后对其进行也为检测，达到一定的高度时，喷洒阀打开。 （2）喷洒泵的起停部分

喷洒泵9.045.065.075.075.06I1.04急停 I1.00I1.00手动/自动手动/自动I0.03I0.11I0.11本地/远程DIFU(013)5.065.07本地/远程5.07KEEP(011)I0.03

启动1#泵，

（3）喷洒速度给定部分

H0.00H0.01H0.02I0.03T06低速度常速度执行左转T0002Q101.02Q101.03Q101.04I0.10I0.10泵1/泵2泵1/泵2I1.04I1.04急停急停Q101.00Q101.01

起动1#、2#喷洒泵，接收光电检测信号，根据火车速度的大小通过PLC控制变频器调节频率以此来控制喷洒量的大小。 （4）反转

I0.069.036.036.066.06P1P1TIM0000#1T00006.07反转I1.00手动/自动I1.006.07手动/自动I0.11I0.11本地/远程本地/远程H0.11右转15.02DIFU(013)6.036.06

(5)左转入口

6.01DIFU(013)P06.06P112.1412.14DIFU(013)12.15H0.08关H0.09开H0.11右转DIFU(013)左转DIFU(013)12.05

I1.06I1.06I1.06I1.06I1.06I1.06I1.06I1.06I1.06I1.06I1.06I1.06I1.06I1.06I1.06I1.06I1.06I1.06I1.06I1.06I1.06I1.06I1.06I1.06I1.06I1.06I1.06I1.06I1.06I1.06I1.06I1.06I1.06I1.06I1.06I1.06I1.06I1.06I1.06I1.06I1.06

自动运行开始

I1.06I1.06I1.06I1.06I1.06I1.06I1.06I1.06I1.06I1.06I1.06I1.06I1.06I1.06I1.06I1.06I1.06I1.06I1.06I1.06I1.06I1.06I1.06I1.06I1.06I1.06I1.06

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