中心传动刮泥机电气控制系统硬件软件设计说明书

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1、摘要传统的悬挂式刮泥机运行控制系统采用的是继电器逻辑控制线路。采用这种控制线路，存在易出故障、维护不便、运寿命较短、占用空间大等缺点。所以本课题采用PLC自动控制技术取代了传统继电器接触器电气控制系统，实现了对中心传动刮泥机的自动控制，可编程控制器是一种广泛应用于工业现场的新型控制器，具有结构简单，抗干扰性强，编程方便等特点，本课题所研究的利用电气控制系统的设计实现了的控制悬挂式中心传动刮泥机自动化，方便了工人实际操作。由于PLC电气控制系统与继电器接触器电气控制系统相比，具有结构简单，编程方便，调试周期短，可靠性高，抗干扰能力强，故障率低，对工作环境要求低等一系列优点。因此，本论文将把PLC

2、控制技术应用到控制刮泥机中去，从而大大提高刮泥机的工作性能。完成了电气控制系统硬件和软件的设计，其中包括PLC机型的选择、I/O端口的分配、I/O硬件接线图的绘制、PLC梯形图程序的设计。对PLC控制刮泥机的工作过程作了详细阐述，论述了采用PLC取代传统继电器接触器电气控制系统从而提高刮泥机工作性能的方法，给出了相应的控制原理图。关键词 可编程控制器；梯形图；电气控制系统AbstractThe traditional hanging mud scraper operating control system uses is the relay logic control line. Uses t

3、his kind of control line， exists easily to crash， the maintenance inconveniently， transports the life to be short， to take the space in a big way and so on the shortcomings. Therefore this topic used the PLC automatic control technology to substitute for the traditional relay - contact device electr

4、icity control system， has realized to the central transmission mud scraper automatic control， The programmable controller is one kind widely applies in the industry scene new controller， has the structure to be simple， anti-jamming， characteristics and so on programming convenience， this topic studi

5、es the use electricity control system design has realized the control hanging center transmission mud scraper automation， has facilitated the worker actual operation. Because the PLC electricity control system and the relay - contact device electricity control system compares， has the structure to b

6、e simple， the programming is convenient， the debugging cycle is short， the reliability is high， ant jamming ability， the failure rate is low， to working conditions request low status a series of merits. Therefore， the present paper will apply the PLC control technology controls in the mud scraper， t

7、hus will enhance the mud scraper greatly the operating performance Has completed the electricity control system hardware and the software design， including the PLC type choice， the I/O port assignment， the I/O hardware wiring diagram plan， the PLC trapezoidal chart procedure design. Has made the det

8、ailed elaboration to the PLC control radial drill drilling machine work process， thus elaborated has used the PLC substitution tradition relay - contact device electricity control system to enhance the engine bed operating performance the method， has given the corresponding control scheme.Keywords p

9、rogrammable controller trapezoidal chart electricity control system目 录1绪论11.1我国的环保形势11.2刮泥机11.2.1刮泥机的分类11.2.2各种类刮泥机的适用条件和优缺点21.3中心传动刮泥机41.3.1原理41.3.2产品特征41.4中心传动刮泥机参数：41.5 设计任务51.6研究意义52刮泥机总体构成62.1刮臂的形式92.2刮板102.3水下轴承112.4工作桥123动力系统设计与计算133.1传动装置的设计133.2电动机的选择133.2.1选择电动机的类型和结构形式133.2.2确定电动机的功率143.3

10、联轴器的设计163.4泵的选择183.4.1进水泵183.4.2出水泵193.5蜗轮、蜗杆的设计、计算203.5.1蜗轮、蜗杆材料及精度选择203.5.2涡轮、蜗杆计算和校核203.5.3计算和校核203.6传动立轴的设计与计算223.6.1轴的概述223.6.2轴的材料223.6.3轴的强度计算233.6.4轴的刚度计算233.2.5刮泥机传动立轴的计算244中心传动刮泥机电气控制系统硬件软件部分的设计254.1 PLC型号的选择254.1.1 根据PLC的物理结构264.1.2 根据PLC的指令功能264.1.3 根据PLC的输入输出点数264.1.4 根据PLC的存储容量274.1.5

11、根据输出模块的类型274.2刮泥机动力系统泥机总体方案说明274.3电气控制原理图的设计284.3.1主电路的设计284.3.2 交流控制电路的设计284.3.3 主要参数设计294.3.4 PLC的I/O端口分配表294.3.5 PLC的I/O电气接线图的设计304.4悬挂式中心传动刮泥机电气控制系统软件部分的设计31结论36致谢37参考文献38附录39附录139附录242531绪论1.1我国的环保形势 自从改革开放以来，我国科技，经济快速发展，工厂在各个城市林立，但随之而来的是环境污染。现在环境保护是我国的基本国策。世界经济发展的实践证明，为实现经济的持续稳定的发展，必须解决好发展与环境保

12、护的矛盾。随着我国社会和经济的高速发展，城市环境污染特别是水污染的问题日趋严重。城镇生活污水的排放量逐年增加，2002年全国工业和城镇生活废水排放总量为439.5亿吨，比上年增加1.5%。其中工业废水排放量207.2亿吨，比上年增加2.3%；城镇生活污水排放量232.3亿吨，比上年增加0.9%，其中仅有10%得到处理。生活污水中含有较高的氮、磷等营养物质，未经处理直接排入江河湖海，是导致水域富营养化污染的主要原因。2002年监测数据显示，辽河、海河水系污染严重，劣V类水体占60%以上；淮河干流水质以III-V类水体为主，支流及省界河段水质仍然较差；黄河水系总体水质较差，干流水质以III-IV类

13、水体为主，支流污染普通严重；松花江水系以III-IV类水体为主；珠江水系水质总体良好，以II类水体为主；长江干流及主要一级支流水质良好，以II类水体为主。由于“污染性”造成的水资源短缺，已成为严重制约我国社会经济持续发展的突出问题，有待解决。目前我国水污染控制的重点已从以工业点源为主，逐步转变为以城市污水污染为主的控制。国家非常重视环境污染问题，制定了相应的法律法规。从节约水资源和保护环境出发， 我国政府提出落实科学发展观，走可持续发展的道路。如果直接清理污染河道，代价肯定是巨大的，因此治污必须从源头抓起，污水必须经过净化方可排放。建设具有一定净水能力的污水处理厂势在必行。根据预测到2010年

14、我国城市污水排放总量为1050亿m3，城市污水处理率要达到50%，预计需新建污水处理厂1000余座，而决定城市污水处理厂投资和运行成本的主要因素是污水处理工艺和技术的选择，因此开发适合我国国情的、高效、低耗、能满足排放要求、基建和运行费用低的污水处理新技术，具有十分重要的现实意义。 刮泥机就是污水处理的一种重要设备。该设备在国外的应用较为广泛的一种。1.2刮泥机1.2.1刮泥机的分类表1-1 刮泥机的分类平流式沉淀池行车式吸泥机泵吸式单管扫描式多管并联式虹吸式虹吸泵吸式刮泥机翻板式提板式链板式单列链式双列链式螺旋输送式水平式倾斜式辐流式沉淀池中心传动式垂架式刮泥机双刮臂式四刮臂式吸泥机水位差自

15、吸式虹吸式空气提升式悬挂式周边传动式刮泥机吸泥机1.2.2各种类刮泥机的适用条件和优缺点我国有多种刮泥机，有行车式虹吸、行车式提板刮泥机、链板式刮泥机螺旋、输送式刮泥机泵吸泥机、悬挂式中心、传动刮泥机周边传动吸泥、刮泥机等。下表1-2是各种类刮泥机的适用条件和优缺点表1-2各种类刮泥机的适用条件和优缺点序号机种名称池形池径或池宽（ m ）池底坡度适用范围（吸）刮泥转速（m/min）优缺点1行车式虹吸、泵吸泥机矩形8 30平底（ 1 ）给水平流沉淀池。（ 2 ）排水二次沉淀池。（ 3 ）斜管沉淀池。（ 4 ）悬浮物含量应低于 5000mg/L 。（ 5 ）固体重量度不大于 2.5mg/ 粒0.6

16、1优点(1)边行进边吸泥，效果较好(2)根据污泥量多少，调节排泥次数(3) 往返工作，排泥效率高。缺点： (1)除采用液下泵外， 吸泥前须先引水，操作较麻烦。 (2) 池内不均匀沉泥，吸泥浓度不一致。 (3) 吸出污泥的含水率较高 续表1-22行车式提板刮泥机矩形4 300.0110.002（ 1 ）给水平流沉淀池。（ 2 ）排水初次沉淀池。0.6优点:(1)排泥次数可由污泥量确定.(2) 传动部件可脱离水面. 检修方便.(3) 回程时，收起刮板，不扰动沉泥缺点:电器原件如设在户外，易损坏3链板式刮泥机矩形 60.01(1) 沉砂池 (2) 排水初次沉淀池 (3) 排水二次沉淀池30.60.3

17、优点:(1)排泥效高，在循环的牵引链上，每隔2m左右装有一块刮板，因此整个链上的刮板较多，使刮泥保持连续(2)刮泥撇渣两用，机构简单 . 缺点:(1)池宽受到刮板的限制通常不大于 6m.(2) 链条易磨损，对材质要求较高 .4螺旋输送式刮泥机矩形或圆形 5 40长槽(1) 沉砂池 .(2) 初沉池 .(3) 最大安装角 30 . (4) 最大输送距离 : 水平布置为 20m 倾斜布置为 10m1040r/min(1)严禁较大或带状的悬浮物进入.(2) 中间支撑不得阻碍泥砂输送.(3) 池外传动密封要求可靠.(4) 泥砂沉积时间不宜超过8h5悬挂式中心传动刮泥机圆形 6 120.0830.1(1

18、) 给水幅流式沉淀池 (2) 排水初沉池 (3) 排水二次沉淀池刮泥 (4) 排水二次沉淀池吸泥(5) 污泥浓缩池最外缘刮板端 13优点:(1) 结构简单.(2) 运转连续，管理方便缺点:刮泥速度受刮板外缘的速度控制 .6垂架式中心传动吸泥机、刮泥机 14 600.0250.05最外缘刮板端 137周边传动吸泥、刮泥机 14 1000.250.167最外缘刮板端 138机械搅拌澄清池刮泥机圆形 36 7150.083 抛物线机械搅拌澄清池最外缘刮板端1.83.4优点:排泥彻底缺点:(1)水下传动部件的检修较困难.(2) 销齿磨损，不易察觉 . 续表1-29钢索牵引刮泥机矩形圆形40Z16434

19、2323121Z229362832275228725081288040所以传动比 I=n/n1=31查阅机械设计手册，取I=31查阅实用机械设计手册初选：动载荷系数，当涡轮圆周速度时，反之取1.11.2啮合质量系数，取值范围0.951.2；小时载荷率系数；环境温度系数（由表34.1-18）；工作情况系数（由表34.1-19）；风扇系数，（由图34.1-7）；综上，载荷系数载荷系数。3.5.3计算和校核由题意知：使用寿命10年，每年工作300天，每天工作16小时，每小时载荷时间为15分钟应力循环次数：N=60t =2.6，查阅机械传动设计第四卷图34.1-9 查得=0.9。以估算的蜗轮圆周速度，

20、确定采用浸油润滑，查得润滑速度影响系数=0.87，许用接触应力：=150=1151.00.9=103.5：N时涡轮材料的许用接触应力见表34.1-21；：滑动速度影响系数，又图34.1-8查取(侵油润滑曲线)：寿命系数，由N=2.6查图34.1-9 =152.3：传动效率取0.72 项目代号公式计算结果轴相角蜗杆的直径系数10变位系说取值（）中心距180(mm)模 数 10(mm)蜗杆头数涡轮齿数61传动比30.5蜗杆、涡轮分度圆直径50305蜗杆、涡轮节圆直径55305蜗杆分度圆导程角蜗杆、涡轮齿顶高57.5蜗杆、涡轮齿根高611蜗杆、涡轮齿顶圆直径60320蜗杆、涡轮齿根圆直径38298涡

21、轮宽度61蜗杆螺纹长度大于135.5校核 =7888齿根弯曲强度计算： a设计公式：，YFS为蜗轮复合齿形系数，按及变位系数x2=0.25查图2-3近似求得YFS =4.5 为蜗轮齿根许用应力按下式计算： =YN，其中为NL=106时的轮缘材料许用弯曲应力，蜗轮材料及NL=107时的许用接触应力 ，蜗轮材料及NL=106时的许用弯曲应力，查表取=35 ，YN为弯曲强度计算的寿命系数，查得YN=1计算得：158.33369.37 所以满足要求b验算公式：， 为导程角系数，用公式=1-计算得0.96，满足设计要求：蜗轮轮齿弯曲强度计算 4.6 =203.6传动立轴的设计与计算3.6.1轴的概述作为

22、回转运动的零件都要装在轴上来实现其回转，大多数轴起着转矩的作用，根据轴的承载情况可分为转轴、心轴和传动轴类。刮泥机传动立轴主要用于传动力矩，属于传动轴。3.6.2轴的材料 轴的材料主要采用碳素钢和合金钢。碳素钢比合金钢价廉，对应力集中的敏感较小，所以广泛应用。 常用的碳素钢有3050钢，最常用的是45钢。为保证其力学性能，应进行调质或正火处理。刮泥机的传动立轴采用45钢。3.6.3轴的强度计算轴的强度主要有三种方法：许用切应力计算；许用弯曲应力的计算；安全系数计算。许用切应力的计算只需知道转矩的大小，方法简便，但计算精度较低。它主要用于下列情况1）传递以转矩为主的传动轴；2）初步估算轴径以便进

23、行结构设计；3）不重要的轴。弯矩的影响，可在计算中适当降低许用应力。 许多弯曲应力的计算必须先知道作用力的大小和作用点的位置、轴承跨距、各段轴径等参数。为此，常先按转矩估算轴的结构。设计后，即可画出轴的弯矩合成图，然后计算危险截面的最大弯曲应力。它主要用于计算一般重要的、弯矩复合的轴，计算精度中等。安全系数校核计算也要在结构设计后进行，不仅要定出轴的各段直径，而且要定出过渡圆、轴配合、表面粗糙度等细节。它主要用于重要的轴，计算精度较高，但计算较复杂，且常需要足够的资料才能进行。安全系数校核计算能判断各危险截面的危险截面的安全程度，从而改善各薄弱环节，有利于提高轴的疲劳强度。刮泥传动立轴主要用于

24、传动扭矩，因此根据以上使用条件，只需进行许用切应力计算。受转矩T（Nm）的实心圆轴，其切应力为见式（3.1）。= 式（3.1）式中轴的抗扭截面系数，；P轴传递的功率kW；n轴的转速，r/min；许用切应力。3.6.4轴的刚度计算 轴受载荷以后要发生弯曲和扭转变形，如果变形过大，会影响轴上零件正常工作。例如，若车床丝杆扭角过大，会影响车刀进给，降低加工精度；发动机的凸轮轴扭转角过大，会影响气阀开关时间，镗床的主轴或磨床的传动轴如扭转角过大，将会引起扭转振动，影响工件的精度和光洁度。所以，要限制一些轴的扭转变形。轴的变形有三种：绕度、转角、和扭角。在各种机器中对轴的刚度要求不一致。刮泥机的传动立轴

25、在传动过程中要保证扭角。 受转矩T（Nm）作用，其扭角，由此可得单位轴长扭角为见式（3.2） 式（3.2）式中L轴受转矩作用长度；轴截面的极惯性矩；G轴材料的切变模量。3.2.5刮泥机传动立轴的计算刮泥机传动立轴采用45号钢，并采用实心轴。 1）按扭转强度计算，可有公式得d最小轴径（mm）；M轴所传递的扭矩（Nm）；许用扭转剪应力。根据表查得30；有公式N=带入数据得M4630 Nm，d92mm。2）按扭转刚度计算d最小轴径（mm）；M轴所传递的扭矩（Nm）；许用扭转角（）。根据表查得1.5（）；M4630 Nm带入数据得122mm；根据以上计算可得：采用45钢的传动立轴轴径选130mm。3）

26、 对传动立轴进行校核强度校核，其中，T=M，代入数据得=1.4Mpa，刚度校核，其中，G80Gpa，代入数据得0.12（） 。4中心传动刮泥机电气控制系统硬件软件部分的设计悬挂式中心传动刮泥机的电气控制系统的设计方案由两部分组成，一部分为电气控制系统的硬件设计，也就是PLC的机型的确定；另一部分是电气控制系统的软件设计，就是PLC控制程序的编写。具体方案如下：4.1 PLC型号的选择刮泥机电气控制系统普遍采用的是传统的继电器接触器控制方式。因其所要控制的电机较多所以电路较复杂，经常发生电气故障，从而影响处理污水。另外，一些复杂的控制，如：时间用继电器接触器控制方式较难实现， PLC电气控制系统

27、可以有效的弥补上述系统的这一缺陷。可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC，是从早期的继电器逻辑电气控制系统发展而来，它不断吸收微型计算机控制技术，使之功能不断增强，逐渐适合复杂的电气控制系统。PLC之所以有较强的生命力，在于它更加适应工业现场和市场要求。可靠性高，抗干扰能力强、编程方便、价格低、寿命长。与单片机相比，它的输入/输出端更接近现场设备，不需添加太多的中间部件，这样可以大大节省用户的开发时间与生产成本。现在应用于各种工业控制领域的PLC种类繁多，规模大小和功能强弱千差万别，但他们具有以下一些共同的特点。可靠性高。可靠性是用户的首选要求

28、，目前各厂家生产的PLC，平均无故障时间都大大超过IEC规定的10万小时，例如：西门子、ABB、松下、三菱等微小型PLC，而且都有完善的自诊断功能，判断故障迅速。 灵活组态。可编程控制器是系列化产品，通常采用模块化结构来完成不同的任务组合。输入输出端口选择灵活，有多种机型，组合方便。功能强大，除基本的逻辑控制、定时、计数、算术运算功能外，配合特殊功能模块还可实现点位控制、PTO运算、过程运算、数字控制等功能，为方便工厂管理又可以与上位机通信，通过远程模块可以控制远程设备。因此，PLC几乎是全能的工业控制计算机。编程方便，易于使用。PLC的编程可采用与继电器极为相似的梯形图语言，直观易懂，深受现

29、场电气人员的欢迎。近年来又发展了面向对象的顺控流程图语言（Sequential Function Chart），使编程更加简单方便。运行速度快。传统的机电接触电气控制系统通过大量触点的机械动作进行控制，速度很慢，而且系统愈大速度愈慢。PLC的控制速度则由CPU工作速度和扫描速度决定。因此更适合处理高速复杂的控制任务，它与微型计算机之间的差别越来越小。同时，PLC还具备了网络功能，能进行多台PLC或PLC与PC机之间的联网通讯，使用PLC可以很方便的构成“集中管理、分散控制”的分布式电气控制系统，通过现场总线的PLC通讯网络，可使工厂的各种资源共享，就更适合于工厂自动化的需要，为工厂自动化提供了

30、技术保证。此次设计提高PLC编程水平和实践能力，为今后在实际工作中熟练使用PLC进行工业系统的设计打好基础。 早在上世纪六十年代国外就已经出现了可编程序控制器（PLC）的应用，之后世界各国争相在该领域投入大量资金进行新产品的开发，在1995年西门子又成功地开发出了S7200、S7300系列，它具有 TD 200和 COROS OPS操作模板为用户提供了方便人机界面，用户程序三级口令保护，极强的计算性能，完善的指令集，MPI接口和通过工业现场总线PROFD3US以及以太网联网的网络能力，强劲的内部集成功能，全面的故障诊断功能；模块式结构可用于各处性能的扩展，脉冲输出晶闸管步进电机和直流电机；快速

31、的指令处理大大缩短了循环周期，并采用了高速计数器，高速中断处理可以分别响应过程事件，大幅度降低了成本。由于电气控制系统的可靠性日益受到人们的重视，一些公司己将自诊断技术、冗余技术、容错技术广泛应用到现有产品中，推出了高可靠性的冗余系统，并采用热备用或并行工作、多数表决的工作方式。由于PLC的众多优点，使其迅速在工业控制中得到推广。虽然国内PLC技术的应用前景很大，并且取得了一定的经济效益，而相比之下，由于受经济和技术水平的限制，很多厂家使用的刮泥机的电气控制系统，还是采用采用继电器接触器控制方式，而这种控制方式存在着明显的缺陷和隐患。极易发生故障。此次设计主要用PLC进行控制实现了对刮泥机系统的自动控制，从而提高了刮泥机的工作效率、工作稳定性和可靠性，而且，还大大降低了工人的劳动强度，降低了设备故障率。选择电气控制系统的PLC机型，应从以下几个方面来考虑：4.1.1 根据PLC的物理结构根据物理结构的不同，PLC分为整体式、模块式和叠装式。整体式的每一I/O点的平均价格比模块式便宜，小型电气控制系统一般使用整体式可编程控制器。此次所设计的电气控制系统属于小型开关量电气控制系统没有特殊的控制任务，整体式PLC完全可以满足控制要求，且在性能相同的情况下，整体式PLC较模块式和叠