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1、本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）基于PLC的礦井提升機后備保護系統(tǒng)設(shè)計學(xué) 院（系）： 機電信息工程學(xué)院 專 業(yè)： 電子信息工程 學(xué) 生 姓 名： 學(xué) 號： 06021629 指 導(dǎo) 教 師： 評 閱 教 師： 完 成 日 期： 2010-6-4 基于PLC的礦井提升機后備保護系統(tǒng)設(shè)計摘 要礦井提升機是礦山的大型固定設(shè)備之一。主要提升煤炭、矸石、升降人員、下放物料和設(shè)備等，它連通礦井上、下的樞紐。它能否正常運行，對礦井的煤炭生產(chǎn)及井下礦工的生命安全起著重要的作用。因此，礦井提升機要求配備良好的控制設(shè)備和保護裝置。通過分析監(jiān)控系統(tǒng)的特點及需求，采用西門子公司的S7-200系列的最高級型號CPU22
2、6 PLC作為系統(tǒng)的主控裝置，還采用了與處理器配套的擴展模塊。系統(tǒng)主要實現(xiàn)功能為：通過編碼器進行行程與速度的監(jiān)測；為提升機整個運行過程提供超速保護；提供過卷、松繩、提升錯向等多個保護；可以實現(xiàn)誤差校正；在安全制動時可以實現(xiàn)恒減速制動文中著重對綜合后備保護裝置的硬件和軟件設(shè)計進行了分析和說明，其中軟件設(shè)計是該裝置的核心部分。該套基于PLC技術(shù)的礦井提升機綜合后備保護裝置，經(jīng)實驗證明完全達(dá)到了設(shè)計的要求，且操作界面直觀而友善，擴展性強，為礦井提升機的安全有效運行提供了可靠的保障。關(guān)鍵詞：PLC 提升機 后備保護 - I -基于PLC的礦井提升機后備保護系統(tǒng)設(shè)計The Design of the B
3、ackup Protective System of Mine Hoist Based on PLCAbstractMine hoister is one of the big equipmentIt mainly lifts coal mineral lifts people and puts matter and equipmentIt connects the crossing of mine If it can work well ，It is importan t to the producing of coal and the safety of workersSo it asks
4、 good equipment and protecting equipment.The hard core of this equipment is the design of softwareThis paper first introduced the composition of the mine hoist and the requirements of the electric control system.Then we analyze the characteristics and needs of mine hoist monitoring system.Based on t
5、he requirements of the project we choose CPU226 PLC which is the most senior model of Siemens S7-200 series as the main system control device,and select the extended modules which support the processors expansion.Aiming at the deficiency of monitor strategy and protecting function of domestic monito
6、ring devices,this system adds some new protection functions and creates a new method by changing the position of Speed-Reducing Point to control the hoisters speed.At the same time,combining the powerful functions of the processor as well as the convenience to directly collect field signal.This inte
7、grated backup protective equipment for PLC which is based on virtual instrument has been proved by experiment to achieve the requirement of design.The equipment,which has a clear and amicable interface and great expansibility,provides the operation ofmine hoister with safeguardKeyword: PLC hoister b
8、ackup- IV -目 錄摘 要IAbstractII1.系統(tǒng)方案設(shè)計- 1 -1.1 方案背景- 1 -1.2 方案論證- 1 -1.3 課題主要內(nèi)容- 2 -1.4 課題研究的意義- 2 -1.5 礦井提升機及后備保護系統(tǒng)概述- 2 -1.5.1 礦井提升系統(tǒng)的分類- 2 -1.5.2 礦井提升機系統(tǒng)的構(gòu)成- 2 -1.5.3 后備保護- 3 -2后備保護系統(tǒng)硬件設(shè)計- 4 -2.1 總體方案- 4 -2.2 可編程控制器CPU226- 4 -2.3 I/O模塊- 6 -2.3.1 數(shù)字模塊- 6 -2.3.2 模擬模塊- 6 -2.4 傳感器- 7 -2.4.1 光電編碼器- 7 -2
9、.4.2 光電編碼器在本系統(tǒng)中的應(yīng)用- 7 -2.4.3 PLC高速計數(shù)器原理- 8 -2.4.4 高速計數(shù)器在提升機速度檢測中的應(yīng)用- 8 -2.5 觸摸屏- 9 -2.6 液壓油壓力檢測- 10 -2.7 PLC對模擬信號的處理- 10 -2.7.1 模擬量輸入模塊- 10 -2.7.2 PLC對液壓油壓力的測量- 11 -2.7.3 PLC對電動機電樞電流的測量- 11 -2.8 PLC控制系統(tǒng)硬件連接- 11 -2.8.1 PLC的輸入輸出信號分析- 14 -3軟件設(shè)計- 15 -3.1 總體方案- 15 -3.2 計數(shù)值處理- 17 -3.3 S7-200編程環(huán)境使用方法- 17 -
10、3.4 各模塊程序梯形框圖- 19 -3.4.1 位置計算- 19 -3.4.2 速度計算- 19 -結(jié)論- 21 -參考文獻- 22 -附錄A PLC原理圖- 23 -附錄B 程序梯形圖- 24 -致謝- 26 -1.系統(tǒng)方案設(shè)計1.1 方案背景礦井提升機是礦山生產(chǎn)過程中的大型關(guān)鍵設(shè)備，其任務(wù)是用于升降人員和設(shè)備、提升礦石以及下放材料等。礦井提升機的工作特點是在一定的距離內(nèi)，以較高的速度往復(fù)運行，完成提升或下放任務(wù)。因此，礦山提升設(shè)備應(yīng)具有良好的機械特性、先進的控制設(shè)備和晚上的保護裝置。它的性能和安全性之際營銷采礦生和工人生命安全，工作過程中一旦發(fā)生機械或電氣故障，就會嚴(yán)重地威脅礦井的安全。
11、損害設(shè)備，影響生產(chǎn)，甚至造成人身傷亡事故。雖然礦井提升機本身有一些保護措施，但由于采礦作業(yè)的復(fù)雜性，環(huán)境的惡劣性和研究的局限性，有些保護措施未達(dá)到預(yù)期效果，致使煤礦生產(chǎn)中仍有 不少由于提升系統(tǒng)造成的重大人員傷亡和設(shè)備損壞事故的發(fā)生，因此，素有“礦山咽喉”之稱。隨著技術(shù)的進步?，F(xiàn)代話礦井的建設(shè)和對人生命的重視，人們對礦井提升機的安全可靠性提出了更高的要求。在我國，礦井提升機及其控制技術(shù)的安全性問題，雖然一直被作為第一原則強調(diào)，然而在很長的時間內(nèi)，由于在理論研究上的差距，許多方面缺乏具體的技術(shù)措施，因而安全性得不到根本性的保障1。1.2 方案論證提升機后備保護器是確保煤礦安全生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備之一，它
12、起到了運行監(jiān)控保護作用。提升機后備保護系統(tǒng)的研究與設(shè)計中有兩種可行方案。這兩種方案分別是：方案一是以單片機為核心的控制系統(tǒng)，目前大多數(shù)企業(yè)均采用都是以MCS系列單片機為核心，裝置由8031單片計算機、固化控制程序和擴展輸入/輸出口、傳感器、顯示部分、執(zhí)行機構(gòu)和電源等部分組成，能獨立于原提升系統(tǒng)，增加了多項后備保護功能。方案二是以PLC為核心的控制系統(tǒng)，這種由PLC（可編程序控制器）構(gòu)成的提升機后備保護系統(tǒng)的主要特點是：可高精度地實現(xiàn)對提升過程的程序控制；可實現(xiàn)對速度、電流矢量的數(shù)字變化，對提升機進行閉環(huán)調(diào)節(jié)；可實現(xiàn)行程、速度等重要參數(shù)及提升狀態(tài)的監(jiān)視；提高了系統(tǒng)的安全可靠性，降低了電力消耗2。
13、與單片機相比PLC的功能完善，擴展性能良好，易更新，且抗干擾能力強。正因為PLC可靠性高，控制功能強，適用于惡劣的工業(yè)環(huán)境，并且維護方便，功能更改靈活，編程方便易學(xué)，本設(shè)計采用方案二。1.3 課題主要內(nèi)容本次設(shè)計的PLC采用西門子公司生產(chǎn)的SIMATIC S7-200系列，S7-200系列在集散自動化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強大功能。使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復(fù)雜的自動化控制。應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測，自動化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域?；赑LC的礦井提升機后備保護系統(tǒng)硬件設(shè)計主要有以下幾部分組成：主控PLC單元，軸編碼器，壓力互感器，軟件設(shè)計當(dāng)面實現(xiàn)速度及行程監(jiān)控并顯示出數(shù)據(jù)
14、，并采用PLC語言進行編程，實現(xiàn)了對提升機容器實時位置、運行速度、提升法相、抱閘間隙等參數(shù)的監(jiān)控，并可將故障記錄分類存儲到專用數(shù)據(jù)庫中。1.4 課題研究的意義目前國外研制的后備保護裝置雖然性能好，不過價格上卻是一般煤礦企業(yè)所難以承受的。擁有這門技術(shù)的企業(yè)少之又少，鑒于東北地區(qū)僅有一家企業(yè)制造礦井提升機及其后備保護裝置，由此可見掌握這門技術(shù)是必不可少的。以PLC為核心的礦井提升機采用PLC語言來編寫的后備保護裝置，抗干擾能力強，性能穩(wěn)定，而且開發(fā)周期短，成本低，且靈活性能好，裝置保密性能強，人機界面采用觸摸鍵的形式，監(jiān)測保護功能完善，因此本文才用PLC作為核心來設(shè)計開發(fā)新型的提升機后備保護裝置。
15、 1.5 礦井提升機及后備保護系統(tǒng)概述1.5.1 礦井提升系統(tǒng)的分類礦井提升設(shè)備的主要組成部分是：提升容器、提升鋼絲繩、提升機及拖動控制系統(tǒng)、井架、天倫及裝載設(shè)備等3。由于提升容器及提升機的結(jié)構(gòu)和原理不同，礦井提升設(shè)備可構(gòu)成不同提升系統(tǒng)，常見的提升系統(tǒng)有：主井箕斗提升系統(tǒng)、副井箕斗提升系統(tǒng)、多繩摩擦提升系統(tǒng)、斜井串車提升系統(tǒng)、斜井箕斗提升系統(tǒng)。1.5.2 礦井提升機系統(tǒng)的構(gòu)成礦井提升機的系統(tǒng)并非只是相面所示的提升機部分，還包括潤滑系統(tǒng)、機械傳動系統(tǒng)、觀測和操縱系統(tǒng)、拖動控制和自動保護系統(tǒng)以及制動系統(tǒng)等。1）潤滑系統(tǒng)：再提升機運行過程中不間斷的給軸承以及齒輪嚙合面壓送潤滑油，保證軸承和齒輪的正常
16、工作。2）機械轉(zhuǎn)動系統(tǒng)：由減速器和連軸承器組成。減速器用來減速并傳遞動力；聯(lián)軸器用來連接提升機3）的旋轉(zhuǎn)部分，并向其傳遞動力。4）觀測與操縱系統(tǒng)：包括操作臺、深度指示器等裝置。其中深度指示器可以顯示提升容器的所處的深度位置。5）拖動控制和自動保護系統(tǒng)：包括主拖動電機和微拖動電機、電器控制系統(tǒng)以及由PLC控制的保護系統(tǒng)。6）制動系統(tǒng)：一般都是液壓制動系統(tǒng)，包括制動器和液壓傳動裝置兩部分。制動系統(tǒng)的功能就是使提升機卷筒剎車，停止提升機的運行，它的可靠性直接關(guān)系到提升機的安全運行4。制動系統(tǒng)不但需要提升機停車時牢固的閘住提升機卷筒，還需要參與提升機的速度控制，保持提升運行的速度不偏離預(yù)設(shè)的數(shù)值，同時
17、在雙滾筒提升機中，制動系統(tǒng)還被用來調(diào)節(jié)鋼絲繩的長度5。1.5.3 后備保護礦井提升機本身帶有一些保護裝置，但由于監(jiān)控方法和手段的局限性以及礦井中相對惡劣的環(huán)境，常使這些保護裝置失效，人們?yōu)榱嗽鰪妼μ嵘龣C的保護，做出了許多嘗試，經(jīng)理論與實踐的證明，為提升機增加一套后備保護裝置是提高其安全性的非常有效的方法6。國內(nèi)外的后備保護裝置產(chǎn)品有許多種，但其都具備以下的后備保護功能：1）顯示功能提升容器位置(深度、斜坡長)顯示對容器在井筒中運行位置進行動態(tài)顯示。速度顯示一動態(tài)顯示提升容器在整個過程中的瞬時速度。提升次數(shù)顯示自動記錄顯示提升機次數(shù)。2）保護功能等速段超速保護在等速段的瞬時速度超過最大提升速度1
18、5時，保護儀發(fā)出聲光報警信號，并發(fā)出制動信號。自動減速容器到達(dá)減速點時，保護裝置發(fā)出自動減速控制信號并有聲光提示。減速段保護在減速段對提升機瞬時速度實行包絡(luò)線保護，近井口實現(xiàn)限速保護。深度指示器失效保護深度指示器失效后，保護裝置發(fā)出聲光報警信號，并且在接近井口時發(fā)出制動信號。卡箕斗保護當(dāng)提升箕斗卡阻時發(fā)出保護控制信號，并伴有聲光報警。過卷保護當(dāng)提升容器超過正常終端位置的O5米時，發(fā)出制動信號并有聲光信號提示。2后備保護系統(tǒng)硬件設(shè)計2.1 總體方案在工業(yè)控制中，PLC其應(yīng)用范圍廣、功能強大、使用方便。后備保護系統(tǒng)由PLC做主控制器，可編程控制器是有各模塊組成，這樣就可使后備保護系統(tǒng)的硬件組成模塊
19、化，通過增加或減少模塊來滿足設(shè)計要求。礦井提升機后備保護系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。在本次設(shè)計提升系統(tǒng)后備保護裝置中，根據(jù)工程及性價比的要求，確定選用西門子公司生產(chǎn)的SIMATIC S7-200系列PLC。S7-200系列在集散自動化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強大功能。使用范圍可覆蓋從替代繼電器的肩帶控制到更復(fù)雜的自動化控制。圖2.1 提升機后備保護系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖2.2 可編程控制器CPU226可編程控制器PLC(Programmable Logic Contrller)是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的一種以微處理器為基礎(chǔ)，帶有指令存儲器和輸入輸出接口，綜合了微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)
20、的工業(yè)控制裝置，用于邏輯控制具有運算功能強、控制精度高、擴展容易、體積小、安裝調(diào)試方便等一系列優(yōu)點。S7-200系列是一種可編程序邏輯控制器（Micro PLCs）。它能夠控制各種設(shè)備以滿足自動化控制需求。S7-200的用戶程序中包括了位邏輯、計數(shù)器、定時器、復(fù)雜數(shù)學(xué)運算以及與其它智能模塊通訊等指令內(nèi)容，從而使它能夠監(jiān)視輸入狀態(tài)，改變輸出狀態(tài)以達(dá)到控制目的，CPU226是200系列中的最高系列，它包含有如下特性：1）它的指令集中提供了立即讀寫物理I/O點的指令。盡管通常情況下我們使用映像寄存器作為源地址和目的地址來訪問I/O，但這些立即I/O指令卻允許我們直接訪問真正的輸入、輸出點。2）如果使
21、用了中斷，與中斷事件相關(guān)的中斷服務(wù)程序作為程序的一部分被保存。中斷程序并不作為正常掃描周期的一部分來執(zhí)行，而是當(dāng)中斷事件發(fā)生時才執(zhí)行（可能在掃描周期的任意點）。3）可以設(shè)定一個掃描周期的百分比用來處理運行模式編輯或執(zhí)行狀態(tài)相關(guān)的通訊請求。4）它的輸出表允許您選擇STOP模式下的輸出狀態(tài)，是將已知值傳送到數(shù)字量輸出點，還是使輸出保持STOP模式之前的狀態(tài)。5）模擬量輸出表可以用來設(shè)置模擬量輸出點，指明在從運行模式進入停止模式后，是將已知值傳送至模擬量輸出點，還是使輸出保持停止模式之前的狀態(tài)。6）在掉電后仍然保持存儲區(qū)中的數(shù)據(jù)，您可以定義最多六個掉電保持區(qū)的地址范圍。7）為某些或者全部本機數(shù)字量輸
22、入點選擇輸入濾波器，并為濾波器定義延遲時間（從0.2ms到12.8ms可選）。這一延遲時間有助于濾除輸入雜波，從而減小了輸入狀態(tài)發(fā)生意外改變的可能。8）為每個本機數(shù)字量輸入提供脈沖捕捉功能。脈沖捕捉功能允許PLC捕捉到持續(xù)時間很短的高電平脈沖或者低電平脈沖。9）提供了一個可以發(fā)紅光（系統(tǒng)故障LED）或黃光（診斷LED）的LED（SF/DIAG）。在用戶程序的控制下，或在某些特定情況下，診斷LED都能點亮，這些情況包括：I/O點或數(shù)據(jù)值被強制，或模塊發(fā)生I/O錯誤。10）保留一份關(guān)于主要CPU事件的歷史歸檔，該歸檔帶有時間標(biāo)記，所歸檔的內(nèi)容包括：何時上電、CPU何時進入運行模式，以及何時出現(xiàn)致命
23、錯誤。在設(shè)置了實時時鐘之后，歸檔條目就會帶有正確的時間和日期。11）提供密碼保護功能，用以限制對特殊功能的訪問。12）提供模擬電位器，模擬電位器位于模塊前蓋下面。您可以調(diào)節(jié)這些電位器來增加或者減小存于特殊存儲器中的值（SMB）。這些只讀值在程序中可用作很多功能，如更新定時器或計數(shù)器的當(dāng)前值，輸入或修改預(yù)置值、限定值等。13）具有集成的高速計數(shù)功能，它能夠?qū)ν獠扛咚偈录嫈?shù)而不影響性能，支持高速脈沖輸出功能，其輸出點Q0.0和Q0.1可形成高速脈沖串輸出（PTO）或脈寬調(diào)制（PWM）。允許最大擴展7個I/O模塊，有兩2個RS-485接口，緊湊的結(jié)構(gòu)、靈活的配置和強大的指令集使S7-200成為各種
24、控制應(yīng)用的理想解決方案7。2.3 I/O模塊2.3.1 數(shù)字模塊本系統(tǒng)選用西門子EM223系列的數(shù)字量模塊作為輸入/輸出數(shù)字量模塊，此系列有多個型號，根據(jù)設(shè)計PLC控制系統(tǒng)的一般思路，要為系統(tǒng)的輸入和輸出留出一定得余量，所以本系統(tǒng)選用EM 223的16輸入/16輸出數(shù)字量混合模塊。EM223數(shù)字量輸入/輸出模塊主要功能包括：最大連續(xù)電壓30DC，浪涌電壓35V DC時0.5秒；數(shù)字量輸入采用光電隔離，避免各通道間的互相干擾；采用非屏蔽電纜時傳輸長度可以達(dá)到300m；采用屏蔽電纜時傳輸長度可以達(dá)到500m；邏輯0信號最大5V DC，1mA；邏輯1信號最小15V DC，2.5mA；2線接近傳感器的
25、連接最大1mA等。2.3.2 模擬模塊CPU226允許最大7個擴展模塊的連接，為了滿足項目的實際需求，在實際應(yīng)用中總是數(shù)據(jù)的采集量多于輸出的控制量，所以選用模擬量通道數(shù)最多的輸入/輸出混合模塊EM235，它含有4個輸入通道和1個輸出通道。此模塊的輸入屬于高速12位模擬量輸入，它可以在149us內(nèi)將模擬信號輸入轉(zhuǎn)換成其對應(yīng)的數(shù)字量值。EM235提供一個未經(jīng)處理的數(shù)字值（未經(jīng)線性化或濾波），它對應(yīng)于模擬量輸入端處出現(xiàn)的模擬量電壓或電流8。由于這種模塊是高速模塊，它們可以跟蹤模擬量信號中的快速變化（包括內(nèi)部和外部噪聲）。對一個恒定或緩慢變化的模擬量輸入，由噪聲引起的信號讀數(shù)之間的差異，可通過對讀數(shù)值
26、取平均值的方法使其影響為最小。但由于計算平均值而增加讀取信號的次數(shù)（即采樣次數(shù)），會相應(yīng)地降低對外部輸入信號的響應(yīng)速度。2.4 傳感器2.4.1 光電編碼器光電編碼器是一種新型的住宿及定位控制傳感器，它通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量，是目前應(yīng)用最多的傳感器9。光電編碼器是有光電碼盤和光電檢測裝置組成，光電碼盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個方形或圓形孔，發(fā)光元件和光敏元件 分置在光電碼盤兩側(cè)，而這組成的光電檢測裝置。光電編碼器結(jié)構(gòu)示意圖2.2所示：圖2.2 光電編碼器結(jié)構(gòu)示意圖光電碼盤與電動機軸，電動機旋轉(zhuǎn)時光電A盤與電動機同速旋轉(zhuǎn)，發(fā)光二極管發(fā)出的光時通過小孔照
27、到光敏元件上，時而被圓盤阻擋，這樣光敏檢測元件就輸出若干脈沖波形的信號，經(jīng)放大、整形，通過高速計數(shù)器的對脈沖個數(shù)的監(jiān)測，計算出轉(zhuǎn)速及唯一。通過測量單位時間內(nèi)光電編碼器輸出脈沖的個數(shù)就能算出當(dāng)前電動機的轉(zhuǎn)速，測量光電編碼器輸出脈沖的總數(shù)就能得到電機帶動物體運動的行程。此外，為判斷選裝方向，碼盤還可以提供香味900的兩路脈沖信號裝置，兩臺光電裝置產(chǎn)生的脈沖相位有一定的差別，這也就是產(chǎn)生了方向信號，如A裝置產(chǎn)生脈沖相位超前于B相時時正轉(zhuǎn)的話，反轉(zhuǎn)時，B裝置產(chǎn)生的脈沖相位就會超前于A裝置產(chǎn)生的脈沖相位10。光電編碼器的工作原理如圖2.3所示。根據(jù)光電編碼器刻度方法及信號輸出形式，可分為增量式、絕對式以
28、及混合式三種。2.4.2 光電編碼器在本系統(tǒng)中的應(yīng)用在本系統(tǒng)中，光電編碼器主要應(yīng)用在測速、定位等方面，使用增量式編碼器就可以滿足要求。在本系統(tǒng)中增量式光電編碼器用于行程及速度的監(jiān)測。選用PIE系列PIE一512一G05E型編碼器，光電編碼器與拽引機同軸旋轉(zhuǎn)，拽引機直徑1.85m，拽引機旋轉(zhuǎn)一周罐籠運行5.812m，光電編碼器旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生512個脈沖，一個脈沖對應(yīng)罐籠運行 0.01135m。2.4.3 PLC高速計數(shù)器原理計數(shù)器是PLC的編程軟元件，有普通和高速之分。普通計數(shù)器的過程與掃描工作方式有關(guān)，CPU通過每一掃描周期讀取一次被測信號的方法來捕捉被測信號的上演，被測信號的頻率較高時，會對視
29、技術(shù)脈沖，因此普通計數(shù)器的工作效率很低，一般僅有幾十赫茲。高數(shù)計數(shù)器不受CPU掃描周期的影響，可以對普通計數(shù)器無能為力的高速脈沖進行技術(shù)，工作頻率可以達(dá)到上萬赫茲，因此常用于頻率高于內(nèi)CPU掃描頻率的機外計數(shù)器。圖2.3 光電編碼器判斷旋轉(zhuǎn)方向工作原理高速計數(shù)器與增量式編碼器一起使用，后者安裝在卷筒的轉(zhuǎn)軸上，編碼器沒權(quán)發(fā)出一定數(shù)量的計數(shù)始終脈沖和一個復(fù)位脈沖，作為高數(shù)計數(shù)器的輸入。高數(shù)計數(shù)器有一組預(yù)置值，開始運行裝入第一個預(yù)置值，當(dāng)前計數(shù)值效益當(dāng)前預(yù)置值時，設(shè)置的輸出有效。當(dāng)前計數(shù)值等于預(yù)置值時，產(chǎn)生中斷。在當(dāng)前計數(shù)值等于預(yù)置值的中斷程序中，裝載入新的預(yù)置值，并設(shè)置下一階段的輸出。在復(fù)位中段發(fā)
30、生時，設(shè)置第一個預(yù)置值和第一個輸出狀態(tài)，循環(huán)又重新開始11。PLC的高速計數(shù)器都是可編程的。S7-200系列的PLC高速計數(shù)器有12中不同的工作模式共4大類。結(jié)合對提升機的控制，選用高速計數(shù)器HSC1作為提升機罐籠的定位計數(shù)器。配置為A/B相正交計數(shù)器，工作模式11。光電編碼器的A相及B相計數(shù)信號分別接入PLC的I0.6及I0.7，外部復(fù)位信號I1.0，外部啟動信號接入I1.1。2.4.4 高速計數(shù)器在提升機速度檢測中的應(yīng)用在礦井提升機的安全生產(chǎn)中，對提升機速度的要求很高，如果速度過快，有可能造成抱閘失靈，發(fā)生沖頂?shù)陌踩鹿?。因此，選擇合理精確的測速方式非常重要。在測速環(huán)節(jié)的設(shè)計中，我們選用光
31、電編碼器和高速計數(shù)器結(jié)合的方式12。設(shè)計每20ms讀取一次高數(shù)計數(shù)器，設(shè)20ms輸出脈沖數(shù)為N，光電編碼器旋轉(zhuǎn)一種的脈沖數(shù)Z=512，則卷筒轉(zhuǎn)速n與20ms輸出脈沖數(shù)N的關(guān)系為：n=60N1000/(Z20)=5.86N將卷筒轉(zhuǎn)速n轉(zhuǎn)換為罐籠的提升速度v：v=Dn/60=3.141.855.86N/60=0.567N，式中，D為卷筒直徑，單位：m；為卷筒轉(zhuǎn)速，單位為：r/min；v為罐籠速度，單位：m/s。2.5 觸摸屏 觸摸顯示是目前國際上較流行的一種集控制與顯示于一體的專用計算機產(chǎn)品，被稱為可編程序控制器的臉面。它是替代傳統(tǒng)控制面板和鍵盤的智能化操作顯示器。它負(fù)責(zé)處理現(xiàn)場與運行操作有關(guān)的人
32、機界面，使操作員通過觸摸屏實時了解現(xiàn)場運行狀態(tài)，各種生產(chǎn)數(shù)據(jù)的當(dāng)前值以及是否有觸摸屏中具有內(nèi)部編程指令（宏命令），可以減輕PLC的編程負(fù)擔(dān)，甚至有些簡單的設(shè)備中可以取代PLC，由觸摸屏編程直接和其它設(shè)備通訊。本系統(tǒng)采用西門子4行觸摸屏TD400C系列，秉承TD200的有點，四行中文文本顯示，與S7-200PLC通過高速PPI通訊，速率可達(dá)187.5kbaud.堅固耐用，性能可靠并且具有多種保護功能。圖2.4 西門子觸摸屏TD400C2.6 液壓油壓力檢測在礦井生產(chǎn)過程中，液壓站主要為制動提供不同油壓值，使得制動器生產(chǎn)不同的制動力矩，保證提升機在提升過程中不會出現(xiàn)過卷、過速運行等不安全因素13。
33、在現(xiàn)代控制系統(tǒng)中，對油壓的監(jiān)測應(yīng)經(jīng)非常普遍，常用的是選用液壓傳感器。利用液壓傳感器檢測液壓軸壓力的工作原理如下：油壓傳感器中由四個電阻應(yīng)變片構(gòu)成電橋電路，電阻應(yīng)變片受力產(chǎn)生應(yīng)變時，其阻值隨之產(chǎn)生變化，繼而電橋電路輸出電壓發(fā)生改變14。輸出電壓為模擬量，輸入至PLC的模擬量輸入模塊中，經(jīng)過PLC北部計算，檢測出油壓壓力值。2.7 PLC對模擬信號的處理在提升機系統(tǒng)中，輸入量是模擬量，這些模擬量首先被互感器和傳感器轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)量程的直流電流和電壓，PLC用A/D轉(zhuǎn)換器將他們轉(zhuǎn)換成數(shù)字量15。2.7.1 模擬量輸入模塊S7-200有3種模擬量輸入模塊，本系統(tǒng)中PLC只對模擬量進行監(jiān)測，因此選用只有4路
34、模擬量輸入的EM231即可。模擬量輸入模塊有多種單極性、雙極性直流電流、電壓輸入量，量程模塊上的DIP開關(guān)來設(shè)置16。模擬量輸入模塊范圍對應(yīng)的數(shù)字輸出為-32000+32000,電壓輸入時輸入電阻大于等于10M，電流輸入時（0-20mA）輸入電阻為250。模擬量轉(zhuǎn)換后得到的12位有效數(shù)字存放在16位的字中，有效數(shù)字是左對齊的，最高位為符號，0表示證書。在單極性格式中，最低位是3個連續(xù)的，相當(dāng)于A/D轉(zhuǎn)換值被乘以8。在雙極性格式中，最低位是4個連續(xù)的0 ，相當(dāng)于A/D轉(zhuǎn)換值被乘以16。模擬量輸入數(shù)據(jù)字的格式如圖2.5所示。圖2.5 模擬量輸入數(shù)據(jù)字的格式2.7.2 PLC對液壓油壓力的測量Js一
35、2型濺射薄膜壓力傳感器的測量范圍為O-10MPa，輸出范圍為0.5一10V。EM231模塊的DIP開關(guān)設(shè)置為單極性量程。EM231模塊將0一10V轉(zhuǎn)換為0一32000的數(shù)字，0.5一10V的輸出范圍對應(yīng)于數(shù)字1600一32000。設(shè)A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字為N，則壓力P的計算公式應(yīng)為:P=(10-0)/(32000-1600)*(N-1600)(Mpa)電壓模擬信號被EM231模塊采集后 ，模擬量轉(zhuǎn)化為整形數(shù)字AIWO（AIWO=N）根據(jù)公式可以得到壓力值，其中壓力值為VD30。2.7.3 PLC對電動機電樞電流的測量電樞電流經(jīng)過兩級互感輸出0-5mA的輸出范圍對應(yīng)與于數(shù)字08000。設(shè)A/D轉(zhuǎn)
36、換后得到的數(shù)字為N，則電樞電流P的計算公式應(yīng)為：P=(5-0)/(8000-0)*N*10 (A)電流模擬信號被EM231模塊采集后，模擬量轉(zhuǎn)化為整形數(shù)字AIW2（AIW2=N）根據(jù)公式可以得到壓力值，其中壓力值為VD50。2.8 PLC控制系統(tǒng)硬件連接圖2.6 PLC輸入部分圖2.7 PLC輸入（IN1-IN8）圖2.8 PLC輸入（IN9-IN14）圖2.9 PLC輸出部分圖2.10 PLC輸出（OUT1-OUT7）圖2.11 PLC輸出（OUT8-OUT10）2.8.1 PLC的輸入輸出信號分析在PLC控制系統(tǒng)設(shè)計中，確定輸入、輸出吸納后的點數(shù)非常重要。輸入到PLC的信號主要有：終端信號
37、、同步信號、深指示檢測、故障復(fù)位、過卷信號、停車、松繩、滿倉、扎故障。PLC的 輸出信號為：安全回路、安全停車、超速警告、故障警示、深指示故障測速、故障減速、減速警告、減速回路、禁提回路、禁放回路。3軟件設(shè)計軟件設(shè)計是礦井提升機監(jiān)控系統(tǒng)的另一個重要組成部分，是控制策略和方法應(yīng)用的載體，系統(tǒng)運行和性能的優(yōu)劣主要取決于軟件設(shè)計的應(yīng)用。礦井提升機后備保護器的軟件部分主要為PLC程序。3.1 總體方案本系統(tǒng)軟件設(shè)計主要為PLC編程，系統(tǒng)能否很好的運行，一方面要看其硬件設(shè)計的合理性和可靠性，另一方面要看其軟件系統(tǒng)是否能夠可靠運行，能否滿足用戶的需要。PLC程序的功能主要是完成信號的采集，提升速度、行程的
38、實時計算，初始參數(shù)的設(shè)置，故障的判斷，輸出控制，它包括主程序和若干個子程序。首要的設(shè)計重點是如何有效地實行速度保護（特別是減速段），要保證這一點，需要做好兩方面的工作：一是對提升速度、行程的準(zhǔn)確測量，二是限速包絡(luò)線的合理選擇。其次是在某些特殊情況下要采用減速點變化的場合，要有專門的模塊處理在每一次提升或下放要得到一個唯一確定的減速點。再次是如何有效的控制好液壓制動系統(tǒng)，要專門為它編輯好專用的智能控制模塊。在編程過程中采用模塊化的編程技術(shù)，對所有項目分模塊完成后，再進行整體調(diào)試，完成系統(tǒng)的標(biāo)定功能。PLC程序設(shè)計的模塊劃分如下：(1)主程序：完成PLC主程序循環(huán)調(diào)用其他應(yīng)用程序；(2)初始化：用
39、于系統(tǒng)程序運行之前完成系統(tǒng)功能參數(shù)的初始化；(3)參數(shù)設(shè)置：完成用戶參數(shù)的設(shè)定；(4)故障處理：綜合所有故障檢測并形成監(jiān)控系統(tǒng)的總安全回路；(5)數(shù)據(jù)處理及轉(zhuǎn)換：完成所有必要數(shù)據(jù)的處理，主要包括必須的中間變量值和不同量綱之間的轉(zhuǎn)換，以便于程序隨時使用；(6)計數(shù)值處理：將脈沖計數(shù)值轉(zhuǎn)換成速度、高度等值，供其他程序使用；(7)開關(guān)量處理：處理所有輸入/輸出開關(guān)量；(8)模擬量處理：處理所有輸入/輸出模擬量；(9)同步比較及校正：完成數(shù)字監(jiān)控器自身的同步比較及校正任務(wù)；(10)速度保護曲線形成：根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)(如高度、最大速度、加減速距離、加減速度等等)形成速度保護曲線，完成PLC與觸摸屏之間的數(shù)據(jù)
40、交流及數(shù)據(jù)處理，包括從觸摸屏收取數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)及給觸摸屏發(fā)送必要的顯示數(shù)據(jù)；(11)軟行程點形成：主要完成行程開關(guān)點的形成。各點距離可通過觸摸屏由用戶自由設(shè)置，用戶不必直接接觸PLC程序；(12)工藝操作控制：完成數(shù)字監(jiān)控器對提升機的所有工藝控制，形成數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)各工況下條件的判斷。(13)減速點判斷：程序通過讀取編好的模糊查詢表得到實際減速點；(14)恒減速制動控制：根據(jù)實際測量值讀音取模糊查詢表得到實際輸出值；(15)串行通訊：與深度批示器進行通訊；(16)以太網(wǎng)通訊：將本機設(shè)置成服務(wù)器端供系統(tǒng)外部裝置進行通信。循環(huán)主程序如下圖3.1所示：圖3.1 PLC控制系統(tǒng)主程序流程圖3.2 計數(shù)值處
41、理前面已經(jīng)分析了提升機行程值如何進行記算，只要得到計數(shù)值就能經(jīng)過運算得出容器在井底深度，所以主要研究如何得到計數(shù)值和速度，采用旋轉(zhuǎn)編碼器的數(shù)字測速方法有三種：M法、T法和M/T法。M法測速前面已經(jīng)分心了提升機行程值如何計算，只要得到技術(shù)值就能經(jīng)過運算得出容器再井底深度，所以主要研究如何得帶計數(shù)值和速度，采用光電編碼器的數(shù)字測速方法有三種：M法、T法和M/T法。M法測速適合高速段，T法測速使用一低速段，采用M/T法測速時，應(yīng)保證高頻時鐘脈沖計數(shù)器與旋轉(zhuǎn)編碼器輸出脈沖計數(shù)器同時開啟與關(guān)閉，以減小誤差，只有等到編碼器輸出脈沖前沿到達(dá)時，兩個計數(shù)器才同時允許開始或停止計數(shù)。由于M/T法的計數(shù)值M1和M
42、2都隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化，高速時，相當(dāng)于M法測速，最低速時，M=1，自動進入T法測速。因此，M/T法測速能適用的轉(zhuǎn)速范圍明顯大于前兩種，是目前廣泛應(yīng)用的一種測速方法。圖3.2 M/T法測速3.3 S7-200編程環(huán)境使用方法STEP7一Micro/WIN是專門為57一200設(shè)計的、在個人計算機上運行的編程軟件，它的功能強大、使用方便、簡單易學(xué)。本設(shè)計使用的是V4.O中文版。編程軟件界面如圖3.3所示:圖3.3 STEP7一Micro/WIN的界面用計算機編程時，用間隔較便宜的PC/PPI電纜將計算機和PLC鏈接起來。為了實現(xiàn)PLC和計算機的通信，還需要完成下列設(shè)置：1）雙擊左側(cè)指令樹中的“設(shè)置
43、PG/PC接口”圖標(biāo)，在“PC/PPI”選項打開的對話空中設(shè)置編程軟件的通信參數(shù)。2）與PLC通信成功后，雙擊左側(cè)指令樹“系統(tǒng)塊”中的“通信端口”圖標(biāo)，修改PLC通信接口的參數(shù)。3）用PPI電纜上的DIP開關(guān)設(shè)置PPI電纜的參數(shù)。使DIP 設(shè)置的波特率與編程軟件和PLC的波特率一致。完成以上設(shè)置后，就可以在計算機上進行軟件編程了，當(dāng)軟件完成編譯成功后，由計算機下載到PLC中去。具體操作如下：單擊工具欄的“下載”按鈕，或執(zhí)行菜單命令“文件”一“下載”，出現(xiàn)下載對話框，用戶選擇是否下載程序塊、數(shù)據(jù)塊和系統(tǒng)塊等，單擊“下載”按鈕，開始下載數(shù)據(jù)。S7-200的通訊端口為RS一485接口，RS一485接
44、口為半雙工接口，因此，編寫PLC程序的關(guān)鍵是避免在通訊端口上同時發(fā)送和接收。自由口通訊程序可以有效的避免因同時發(fā)送和接收造成的通訊沖突，從而保證程序的正常運行。3.4 各模塊程序梯形框圖速度、行程的監(jiān)控在礦井提升機后備保護系統(tǒng)中居于核心地位，只有實時監(jiān)控出行程、速度才能準(zhǔn)確的判斷此時是否需要執(zhí)行相應(yīng)的保護動作，因此本次設(shè)計主要實現(xiàn)位置行程計算以及速度測量。3.4.1 位置計算圖3.4 位置計算梯形圖3.4.2 速度計算圖3.5 速度測量梯形圖（1）圖3.6 速度測量梯形圖（2）圖3.7 速度測量梯形圖（3）圖3.8 速度測量梯形圖（4）結(jié)論礦井提升機作為監(jiān)控系統(tǒng)的一部分，特別對設(shè)備改造有極大的
45、使用價值，針對這種情況，通過大量的研究前人的成果以及跟蹤當(dāng)今技術(shù)的發(fā)展，專門針對礦井提升機的監(jiān)控設(shè)計了整套裝置，系統(tǒng)設(shè)計是基于專門用于工業(yè)環(huán)境使用的高可靠性的可編程控制器（PLC）。采用PLC組成提升機監(jiān)控系統(tǒng)，是現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展的趨勢，保證提高這類裝置的安全可靠性，是十分必要的。監(jiān)控系統(tǒng)作為行程監(jiān)測及綜合后備保護裝置，在其主控器PLC內(nèi)，將部分操作信號、部分保護信號以及設(shè)定的一些行程參數(shù)與軸編碼器信號結(jié)合起來進行邏輯運算處理，自動產(chǎn)生提升機所需的速度給定信號（即運行曲線）。本系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能為：1）對提升行程、提升速度、加速度的全程動態(tài)監(jiān)測，對速度的動態(tài)跟蹤顯示，對過速、過卷、錯向、加速度過大
46、等故障進行預(yù)測和保護。2）保護系統(tǒng)硬件部分實現(xiàn)了應(yīng)用PLC作為中央控制器，系統(tǒng)簡單方便易于工業(yè)生產(chǎn)。保護系統(tǒng)軟件部分用PLC語言編程，此種語言的有點是運行效率高，程序占用空間小，控制過程簡潔。2）控制算法的研究針對礦山生產(chǎn)過程中，提升機所承受的載荷不同及提升機的行程，提升的方式不同，牽引提升機的鋼絲繩的拉伸所產(chǎn)生的變形也有很大不同，所以對軟件在糾正運行中系統(tǒng)行程、速度的偏差要求極高，本文采用多種控制算法來提高控制精度，提高控制性能，改善控制品質(zhì)。參考文獻1劉冠華提升機監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用研究：碩士學(xué)位論文吉林：吉林大學(xué)，20072陳有兵于Internet的提升機狀態(tài)監(jiān)測虛擬儀器技術(shù)研究：碩士學(xué)位論文
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48、.4，434510季海明，戰(zhàn)仕發(fā)，廖玉波礦井提升機智能數(shù)字監(jiān)控器的設(shè)計煤礦機電，2007.3，252711曹姣賽使用PLC計數(shù)比較功能實現(xiàn)提升絞車的松繩保護科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2006.12，26026112曹喜生數(shù)字式提升機監(jiān)控器的設(shè)計思路電氣傳動自動化，2004.4，242613趙立新，丁筱玲提升機后備保護中PLC的應(yīng)用農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2006.4，16416614Jerome T M. Automatic rapid transit system. Canada Vancouver: The Greater Vancouver Transportation Authority，199315
49、 He Wanku. An improvement on safety braking Performance of mine hoisting system. Colliery Mechanism，2003，37(l):60一6216 J. Harley. The Linear Transformer Tree. IEEE Transactions on Computers，1968，17(8):85一89附錄A PLC原理圖附錄B 程序梯形圖致謝本論文是在*老師的悉心指導(dǎo)下完成的。*老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和諄諄教誨，就是一盞明燈，照亮我前進的方向，讓我逐漸成長起來。值此論文完成之際，向恩師致以最深的感謝。對所有在我求學(xué)歷程中培養(yǎng)和教導(dǎo)過我的老師、幫助過我的同窗和朋友們、多年來一直默默支持我的親友們深表謝意。對評審論文的各位老師表示衷心的感謝- 27 -
畢業(yè)設(shè)計---基于PLC的礦井提升機后備保護系統(tǒng)設(shè)計.doc
