【正文】 保護、油溫高保護及短路保護等必要的保護環(huán)節(jié)。第二章 系統(tǒng)方案設計 設計依據(jù)鋁錠陽極組裝工藝是電解鋁行業(yè)中不可缺少的一種作業(yè)方式，其作業(yè)的勞動強度不大，但因該工藝主要任務是利用熔化的磷生鐵完成合格焙燒陽極塊與鋼導桿組裝成電解所需的陽極，所以常常要在高溫環(huán)境下工作。這種作業(yè)方式工作流程長。而將 PLC 應用到陽極組裝工藝的控制系統(tǒng)后，不僅實現(xiàn)了陽極小車的自動化控制，降低了系統(tǒng)的運行費用，而且采用 PLC 控制系統(tǒng)具有連線簡單，控制速度快，精度高，可靠性和可維護性好，安裝、維修和改造方便等優(yōu)點。軌道電機共 10 臺，分別驅(qū)動10 條軌道，由該 10 條軌道托運托盤。同時通過變頻器可實現(xiàn)對小車移動電機的啟動、變頻調(diào)速、正反轉(zhuǎn)等的控制。本次設計是根據(jù)鋁廠陽極組裝工藝的要求，完成托盤小車和軌道電機控制系統(tǒng)的電器控制電路設計和 PLC 控制程序的設計。系統(tǒng)以 PLC 為核心，配以合理的低壓電氣、先進的檢測元件、控制電動機，液壓閥、氣動閥等機構協(xié)調(diào)動作，實現(xiàn)陽極組裝工藝過程的自動化。本設計集機、電、液、氣于一體，按照工藝要求，現(xiàn)將各部分設計的工藝過程分別介紹如下： 托盤小車上料過程本設計中的陽極小車實際上是鋁廠生產(chǎn)線中的運料小車，設計中的托盤小車也稱為陽極小車，其運料過程分為兩個過程：上料過程和下料過程。每段都由一個電動機驅(qū)動，整個系統(tǒng)共有 10 臺軌道電機，分別拖動 10 條軌道，由該 10 條軌道托運托盤。在小車運行到上料過程的 3軌道和下料過程的 8軌道時，要等待有上料完或下料完信號的發(fā)出后，小車才能繼續(xù)向前運行。軌道示意圖 如下所示： 上料過程 1 2 3 4 5下料過程 10 9 8 7 6 圖 托盤小車上、下料軌道示意圖 小車上料的運輸過程如下：皮帶運輸機啟動，將托盤小車放到 1軌道上，光電檢測器檢測 2軌道上有無托盤，若無，則啟動 1軌道的電動機，小車運行至 2軌道；繼續(xù)檢測 3軌道上有無托盤，若無，則啟動 2軌道的電動機，小車運行至 3軌道；同樣檢測 4上有無托盤，無且 3軌道上料動作完后則啟動 3軌道的電動機，小車運行至4軌道；（根據(jù)工藝要求：3和 8軌道為托盤小車必須經(jīng)過的軌道 ），檢測 5軌道有無托盤，若無，則啟動 4軌道電動機，小車運行至 5軌道，此時，上料過程完成。該過程通過液壓的驅(qū)動，機械手夾具開始動作。氣缸的加緊和放松由電磁換向閥控制，兩塊夾板和一塊固定壓板與夾具之間都有絕緣板相隔，因為夾板與壓板上均接有電氣的接地線，用以控制夾具的到位。至此，殘陽極清理過程完成。 夾具小車運動圖從上圖很顯然地看出，夾具的運動包括下降、上升、右移、左移以及托盤的夾緊和放松。而夾緊和放松則由只有一個線圈的兩位式電磁閥驅(qū)動完成，線圈通電時托盤被夾住，線圈斷電時托盤被放松。 陽極小車下料過程托盤小車下料運輸過程如下：陽極小車經(jīng)過殘陽極的處理過程已經(jīng)運行到 6軌道上，光電檢測器檢測 7軌道上有無托盤，若無，則啟動 6軌道電動機，小車運行至 7軌道；繼續(xù)檢測 8軌道上有無托盤，若無，則啟動 7軌道電動機，小車運行至 8軌道；同樣檢測 9軌道上有無托盤，無且 8軌道小車下料動作完后則啟動 8軌道的電動機，小車運行至 4軌道；（根據(jù)工藝要求：3軌道和 8軌道為 陽極小車必須經(jīng)過的軌道），檢測 10軌道有無托盤，若無，則啟動 9軌道電動機，小車運行至 10軌道，此時，下料過程完成。 翻轉(zhuǎn)裝置 按照陽極組裝工藝的要求，當進行殘陽極處理時要對托盤進行反轉(zhuǎn) 180 度的裝置設計。只要托盤小車運行到 5軌道，經(jīng)過檢測，需要進行翻轉(zhuǎn)，復位清理殘陽極時，都按上述設計進行操作。常用技術方案選項有單片機（MCS） 、工業(yè)計算機（IPC ） 、可編程計算機控制器（PCC） 、可編程控制器（PLC）等。例如，從硬件的角度來看，它們都是由微電子元件，微處理器，大容量半導體存儲器和I/O模件等組成。因此，這三類自動化控制裝置在技術，功能和應用領域上不斷地相互滲透，在很多場合下可以相互補充或替代。（一）單片機所謂單片機系統(tǒng)就是采用單片機CPU及其它外圍芯片，根據(jù)不同系統(tǒng)設計電路板，最終設計成一臺簡易的計算機系統(tǒng)，并在此基礎上設計程序以達到所要求的控制功能。所以，單片機在模擬量處理、回路調(diào)節(jié)方面具有一定優(yōu)勢，主要用在連續(xù)過程控制，側重回路調(diào)節(jié)功能。而且一旦單片機系統(tǒng)出現(xiàn)故障，很難診斷出故障元件，操作人員必須翻閱說明書方能發(fā)現(xiàn)故障所在，按說明書指示排除故障，這樣排除故障的時間相對較長。總之，這樣的人機對話不夠友善。一般單片機系統(tǒng)的操作均采用自動設計的鍵盤，設定數(shù)據(jù)用撥碼開關，顯示用LED，整個面板顯得繁鎖，而且為了減少操作鍵，設計時往往一鍵多用，操作人員很難脫開說明書操作。單片機的顯著優(yōu)勢在于單片機要改變控制規(guī)律和被控參數(shù)，只需要改變其程序就可以了，但同時也是它的劣勢，因為工程技術人員必須具備有較高的計算機專業(yè)知識才能對控制規(guī)律和被控參數(shù)進行修改。（二）工業(yè)計算機（IPC）所謂IPC系統(tǒng)就是采用工業(yè)控制計算機系統(tǒng)，在此基礎上設計程序以達到所設計的功能。在硬件結構方面，總線標準化程度高，兼容性強；在軟件開發(fā)方面，軟件資源豐富，特別是有實時操作系統(tǒng)的支持。由于IPC的主要器件均不是工業(yè)級的，相對單片機系統(tǒng)，抗干擾性特別是抗電源干擾能力雖然有一定提高，但變頻調(diào)速對電源的干擾很大，因此也可能引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。系統(tǒng)若要增加一個功能就要重新設計對應的程序，而IPC的編程又相對比較復雜，這樣對于現(xiàn)場操作人員的要求就比較高，雖然操作的界面較為友善，但對于不熟悉計算機系統(tǒng)的人來說，仍然不夠簡便易學。但是 IPC 軟件開發(fā)周期長，接口模塊少，布線不靈活，安裝體積大，擴展性差，而且 IPC 主要通過接口模塊轉(zhuǎn)換各種信號，如何抗干擾也是個問題。顯然 IPC 可靠性差和對環(huán)境要求甚高的特點使它無法勝任。（三）可編程計算機控制器（PCC）PCC 是一種不同于 PLC 和 IPC 的新一代控制器，代表了當今工業(yè)控制技術。它采用了分時多任務操作系統(tǒng)，可十分靈活的利用操作系統(tǒng)調(diào)度和管理整個系統(tǒng)， PCC 模式和 IPC 模式相比，優(yōu)勢在于設計時能提供面向工業(yè)的專業(yè)化標準，符合軟件及硬件的模塊化的設計。 但作為新興的控制器，廣大工程技術人員對其可靠性和廠商能否提供優(yōu)良的后續(xù)服務和技術支持抱懷疑的態(tài)度。而 PCC 的技術成本也是我們不得不考慮的因素。PLC 是一種數(shù)字運算的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下而設計，采用了可編程的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作指令，并通過數(shù)字或模擬輸入和輸出，控制各種類型機械的生產(chǎn)過程。由于其面向用戶的指令系統(tǒng)、具有數(shù)字量或模擬量的輸入輸出能力，使得其應用非常方便，特別適用于各種工業(yè)設備的控制。（2）編程簡單、易于掌握. PLC 采用梯形圖方式的編程，與繼電器邏輯控制的設計相似，具有直觀、簡單、易于掌握等優(yōu)點。既可單機使用，也可聯(lián)網(wǎng)運行；既可集中控制，也可分布控制。（4）體積小、質(zhì)量輕、其體積小、 質(zhì)量輕、結構緊湊、功耗低。 方案論證及確定由于本次設計的系統(tǒng)要在現(xiàn)場使用，且通過對以上幾種控制方案的對比，我發(fā)現(xiàn)采用可編程序控制器(簡稱 PLC)不但能達到陽極組裝工藝控制系統(tǒng)需要的控制要求，而且控制精度和可靠性能也都令人滿意， PLC 這項控制技術在工程實際中應用的時間較長，范圍較廣，技術已經(jīng)相當成熟，在工程技術人員心目中有不可替代的地位。綜 合比較以上四種方案，從可實時性等方面考慮，本設計采用方案四較好，故我決定采用 PLC 控制。與其它傳動控制方式相比，液壓傳動與控制具有能量大，易獲得較大的力矩、結構簡單、緊湊，動態(tài)響應快，便于大范圍無級調(diào)速，易于實現(xiàn)自動控制及機電一體化，易于實現(xiàn)過載保護，有標準化、系列化、通用化程度高等技術優(yōu)勢，已成為現(xiàn)代機械裝備傳動與控制的重要技術手段及關鍵技術之一，其應用領域幾乎囊括了國民經(jīng)濟各個部門和領域，應用液壓技術的程度已成為衡量一個國家工業(yè)化水平的重要標志之一。硬件的設計則能體現(xiàn)出整個控制系統(tǒng)的流程。在本章主要是硬件設計及器件選擇。根據(jù)前面已經(jīng)確定了的方案來設計相關的硬件圖。供電系統(tǒng)的設定直接影響到控制系統(tǒng)的可靠性，故在設計硬件時是要據(jù)以下幾方面來設計：；，應不破壞控制器的程序和數(shù)據(jù)；，要考慮供電電源的冗余；，應不影響控制器的供電；綜合以上幾方面的考慮，可以把供電線路設計如下：供電直接采用市電網(wǎng)提供的 380V/AC 50HZ；配電方面主要是給 14 臺鼠籠式異步電動機、液壓系統(tǒng)中的加熱器和控制系統(tǒng)中 PLC 的電源模塊、輸入輸出模塊的電能分配，所用的 PLC 需要的電壓既有交流又有直流，交流電壓可以用照明電來供給，而直流電流則由電源模塊來供給。在整個供電系統(tǒng)中采取了很多的保護環(huán)節(jié)，如：熔斷器，熱繼電器、斷路器等等。主電路設計主要是選擇電機，計算和選擇導線，斷路器，接觸器等裝置的參數(shù)和型號。從圖中可體現(xiàn)出對電器接線圖的畫法標準，同時也體現(xiàn)了變頻器的接線方式、系統(tǒng)的控制流程。 （1）電器總配線主電路圖如下圖 （1）所示： 該電路圖中有四臺電機，M1 為油泵電機，拖動主軸旋轉(zhuǎn)； M2 為液壓站冷卻電機；M3 為小車移動電機；M4 為皮帶運輸機；5R 為油加熱器；5S 為小車抱閘出。FUFUFU3 為 M1 電動機的短路保護；FUFUFU6 為電動機 MMM4 的短路保護；電動機 MMM4 由于容量很小且小車快速移動電機 M3 短時工作，故不用設置過載保護。圖 （1）電器總配線主電路圖a) 油泵電機 M1 為整個控制系統(tǒng)提供潤滑油之用。b) 小車移動電機 M4: 由變頻器 UF 控制，變頻器的通電和斷電由空氣斷路器控制 QF6和接觸器 KM5 控制，前進、后退的轉(zhuǎn)速大小由電位器直接控制，正、反轉(zhuǎn)及點動則由 PLC 控制。（2）陽極小車總配電圖如下圖 （2）所示： 圖 （2）陽極小車總配電圖（3）軌道電機控制主電路圖下圖 （3）所示： 圖 （3）軌道電機控制主電路圖以上電路圖中設計的短路、過載保護雖然都是電流型保護，但由于故障電流、動作值、保護特性、保護要求以及使用元件不同，故它們之間是不能互相取代的。導線和電纜是分配電能的主要器件，選擇的合理與否，直接影響到有色金屬的消耗量與線路投資，以及電力網(wǎng)的安全經(jīng)濟運行。導線和電纜的選擇，必須滿足用電設備對供電安全可靠和電能質(zhì)量的要求，盡量節(jié)省投資，降低年運行費，布局合理，維修方便。：建筑物或車間內(nèi)采用的配電線路及從電桿上引進戶內(nèi)的線路多為絕緣導線。鑒于塑料絕緣的絕緣性能良好，價格低，可節(jié)約橡膠和棉紗，在室內(nèi)敷設可取代橡膠絕緣線，所以選擇了塑料絕緣導線。這里選用 BV 型。這就要求通過導線或電纜的最大負荷電流不應大于其允許載流量。① 油泵電機：線路中電流的計算：PC=Pe/k=15KW/=IC=Pe/3UNCOSφ=相線截面的選擇：因為是三相四線制線路，所以查 4 根單芯線穿鋼管的參數(shù)，查下表得，4 根單芯線穿鋼管敷設的每相芯線截面為 16mm178。39。? 導線的實際允許載流量為： ???180。mS??保護線 的選擇：PE按 ??216PEmS?所以選擇的導線 BV500316110。故選擇的導線型號均為：5 根:BV500341③ 配電總線的型號選擇線路中電流的計算：Ic 大約=29A+4+=因為是三相四線制線路，所以查 4 根單芯線穿鋼管的參數(shù)，查下表得，4 根單芯線穿鋼管敷設的每相芯線截面為 25mm178。所以選擇的導線 BV500325116。它是低壓配電重要保護元件之一，常作低壓配電盤的總電源開關及電動機、變壓器的合閘開關。本設計用的是低壓斷路器，低壓斷路器是指用于交流電壓 1200V、直流電壓1500V 及以下電壓范圍的斷路器，是低壓配電系統(tǒng)中的主要配電電器元件。Ⅰ.低壓斷路器結構低壓斷路器主要由觸點、操作機構、脫扣器、滅弧裝置等組成。脫扣器又分為電磁脫扣器，熱脫扣器，復式脫扣器、欠壓脫扣器、分勵脫扣器等五種。當有人觸電或回路泄漏電流超過規(guī)定值時，漏電保護斷路器能在 內(nèi)自動切斷電源，保障人身安全和防止發(fā)生因泄漏電流造成的事故。1. 若額定電流較?。?00A 以下） ，短路電流不太大，可選用塑料殼式斷路器；2. 若短路電流相當大的支路，則應選用限流式斷路器；3. 若額定電流很大，或需要選擇型斷路器時，則應選擇萬能式斷路器；4. 若有漏電電流保護要求時，應選用帶漏電保護功能的斷路器等；，應選用直流快速斷路器。計算負荷的確定方法有“需要系數(shù)法” 、 “二項式法” 、 “ABC 法”等，計算結果比較相近。1. 用電設備容量及單臺計算負荷的確定：(1) 設備的設備容量 PS： 指在長期工作制下的電動機的設備容量,是指其銘牌上的額定功率 PN(2) 成組用電設備的設備容量 PSΣ=ΣP SI(3) 照明設備容量 PS=AW (A 建筑物面積 W 單位容量)(4) 單臺用電設備的計算負荷 Pjs1=ps (對于不計及效率的單臺用電設備) 對于需要計及效率（η）的單臺用電設備，P js1=ps/η。用電設備組的計算負荷的計算公式如下：