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任務書 學生姓名 學號 專業(yè)班級 電話 E-Mail 畢業(yè)設計（論文）題目 基于PLC的高速提升機控制系統(tǒng)設計 指導教師 職稱 部門 機電分院 電話 E-Mail 畢業(yè)設計（論文）的主要內容及要求： 主要內容： 以PLC和變頻器為核心，在基于“PLC控制+電機驅動器+拖動電機”的控制模式，完成礦井直流提升機控制系統(tǒng)、主井裝卸載系統(tǒng)和提升信號系統(tǒng)的設計，實現(xiàn)提升機的各種安全保護及自動開車功能，并實現(xiàn)提升機的全自動運行。 要 求： 某礦井設計年產量3.0M噸, 井口標高＋29.2m，井底水平標高約-960米。 （1）利用變頻技術實現(xiàn)節(jié)能降耗和靜音運行；利用交流電機+變頻器，并采用落地式多繩摩擦輪提升機，實現(xiàn)提升主電機的控制。 （2）提高提升的快速性和舒適感；最高提升速度: 11m/s，加減速度: 0.75m/s2，主井提升按五段速度運行，分為初加速段、加速段、等速段、減速段、爬行段五段。 （3）實現(xiàn)功能： 1、同時按下向上/向下按鈕時判斷提升機上下運動方向 2、實現(xiàn)電源安全 （冗余） 3、安全連鎖控制 4、原點檢測 5、回原點控制 6、手動/自動 7、報警、急停 推薦參考文獻： 指導教師對學生開題意見和進度要求： 指導教師簽名： 年 月 日 XXX系畢業(yè)論文 XX理工大學 畢業(yè)論文 課題：基于PLC的高速提升機控制系統(tǒng)設計 專 業(yè) 學生姓名 班 級 學 號 指導教師 完成日期 摘 要 礦井提升機是礦山最重要的設備，肩負著礦石、物料、人員等的運輸責任。傳統(tǒng)的礦井提升機控制系統(tǒng)主要采用繼電器-接觸器進行控制，這類提升機通常在電動機轉子回路中串接附加電阻進行啟動和調速。這種控制系統(tǒng)存在可靠性差、操作復雜、故障率高、電能浪費大、效率低等缺點。針對這種情況采用PLC與變頻器相結合的控制方案對原有電控系統(tǒng)進行改造，提高整個電控系統(tǒng)安全可靠性、控制精度及調速性能。因此，對礦井提升機控制系統(tǒng)進行研究具有現(xiàn)實意義，也是國內外相關行業(yè)專家學者的一個研究課題。 本文針對提升機控制系統(tǒng)中存在的上述問題，把可編程序控制器和變頻器應用于提升機控制系統(tǒng)上，并在可行性方面進行了相關的研究。事實表明 ，采用該控制系統(tǒng)，使提升機工作可靠，使用方便，同時具有動態(tài)顯示的功能，節(jié)能效果明顯。 關鍵詞：可編程控制器,提升機,變頻器,控制系統(tǒng) Abstract The shaft hoist is the foremost equipment of mines，it is widely used to transport the materials，staff and equipment. The traditional shaft hoist control system is always controlled by the relay-contactor，and adopts the methods of connect series additional resistant in rotors winding loop to start and adjust speed. The system has many disadvanges such as bad reliability，complicated operation，high fault rate，large energy –wasting and low efficiency. According to this kind of condition, we adopt PLC and Transducer to reform for original control system, so as to raise the safety, reliability, control precision and speed regulation performance of the whole electric controlled system. So, carrying on the research on the shaft hoist control system has realistic meanings，and it is a subject for research by relevant experts and scholars，both at home and abroad. To these questions existing in the shaft hoist contro1 system，the paper applied PLC(Programmable Logic Controller)and frequency converter to the system, and carried on related research in feasibility. The fact indicates，adopting control system，the shaft hoist works reliably，easy to use，energy-saving well，and have dynamical shown function. Key words: Programmable logic controller , Hoist , Inverter, Control system - I - 目 錄 摘 要 I Abstract II 第一章 緒論 1 1.1 礦井提升機簡介 1 1.2 礦井提升機的任務及其組成 1 1.3 礦井提升機的特點 1 1.4 礦井提升機的工作原理 2 1.5 國內外提升機研究狀況 2 1.6 本章小結 3 第二章 控制方案要求 4 2.1 該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)的功能 4 2.2 提升機運行曲線 4 2.3 提升機速度要求及計算 5 2.4 控制方案論證與選擇 6 2.5 本章小結 10 第三章 提升機控制系統(tǒng)的硬件設計 11 3.1 PLC控制系統(tǒng)結構組成 11 3.2 PLC的選型 11 3.3 PLC控制的優(yōu)點 11 3.4 旋轉編碼器及其接線方式 12 3.4 PLCI/0的分配 13 3.5 變頻器設計部分 14 3.6 系統(tǒng)電氣控制接線圖設計 14 3.7 本章小結 14 第四章 系統(tǒng)軟件設計 16 4.1 PLC的程序設計環(huán)境 16 4.2 系統(tǒng)程序設計 17 4.3 PLC控制系統(tǒng)軟件程序的編寫 19 5.4 本章小結 19 結論 20 致 謝 21 參考資料 22 附錄一 23 第一章 緒論 1.1 礦井提升機簡介 礦井提升機 (mine winder；mine hoist) 是安裝在地面，借助于鋼絲繩帶動提升容器沿井筒或斜坡道運行的提升機械。分“纏繞式提升機(mine drum winder)”和“摩擦式提升機(mine friction winder)”。它用鋼絲繩帶動容器（罐籠或箕斗）在井筒中升降，完成輸送物料和人員的任務。礦井提升機是由原始的提水工具逐步發(fā)展演變而來。現(xiàn)代的礦井提升機提升量大，速度高，已發(fā)展成為電子計算機控制的全自動重型礦山機械。 1.2 礦井提升機的任務及其組成 礦井提升機的任務: (1) 提升有用礦物，礦石、煤炭。 (2) 提升井下生產過程中產生的矸石、煤泥。 (3) 升降人員、運送設備和下放物料。 礦井提升設備的主要組成部分有：提升鋼絲繩、平衡鋼絲繩、提升容器、井架、天輪、井筒設備（包括罐道、罐梁）等組成。一般的礦井提升機都有兩個提升容器，并且兩個提升容器在礦井中做方向相反的直線運動，即一個提升容器以一定的速度上升時另一個提升容器以相同的速度下降。 1.3 礦井提升機的特點 (1) 安全性 所謂安全性就是不能發(fā)生安全事故。由于礦井提升設備在礦山生產中所占的地位十分重要,其運轉的安全性,不僅直接影響整個礦井的生產,而且還涉及人員的生命安全。因此全國都對礦井提升設備提出了極嚴格的要求,在我國這些規(guī)定包括在 ?煤礦安全規(guī)程?中。 (2) 可靠性 所謂可靠性,是指能夠可靠的連續(xù)長期運轉而不需在短期內檢修。礦井提升設備所擔負的任務十分艱巨,不僅每年要把數(shù)十萬噸到數(shù)百萬噸的煤炭和礦石從井下提升到地面,而且還要完成其他輔助工作。 (3) 經濟性 礦井提升設備是礦山大型設備之一,功率大,耗電多,大型礦井提升機的功率超過1000KW。因此礦井提升機的造價及其運轉費用,也就成為影響礦井生產技術經濟指標的重要因素之一。 1.4 礦井提升機的工作原理 纏繞式提升機是利用鋼絲繩在滾筒上的纏繞和放出，實現(xiàn)容器的提升和下放。鋼絲繩的一端固定在滾筒上，另一端繞過天輪與提升容器連接，當滾筒由電動機拖動以不同的方向轉動時，鋼絲繩或在滾筒上纏繞或放出，以帶動提升容器。 纏繞式雙卷筒提升機具有兩個卷筒，每個卷筒上固定一根鋼絲繩，鋼絲繩在兩卷筒上的纏繞方向相反。 摩擦式提升機的工作原理是利用摩擦傳遞動力。鋼絲繩搭放在摩擦輪的摩擦襯墊上，提升容器懸掛在鋼絲繩的兩端，在容器底部還懸掛平衡鋼絲繩。提升機工作時拉緊的鋼絲繩以一定的正壓力緊壓在摩擦襯墊之間便產生摩擦力。在這種摩擦力的作用下，鋼絲繩便跟隨摩擦輪一起運動，從而實現(xiàn)容器的提升或下放。 1.5 國內外提升機研究狀況 近幾十年來，國外提升機機械部分和電氣部分都得到了飛速的發(fā)展，而且兩者相互促進，相互提高。與此同時，電子技術和計算機技術的發(fā)展，使提升機的電氣控制系統(tǒng)更是日新月異。早在上世紀七十年代，國外就將PLC應用于提升機控制。上世紀八十年代初，計算機又被用于提升機的監(jiān)視和管理。計算機和PLC的應用，使提升機自動化水平、安全、可靠性都達到了一個新的高度，并提供了新的、現(xiàn)代化的管理、監(jiān)視手段。就在國外科學技術突飛猛進發(fā)展的時候，我國提升機電控系統(tǒng)很長時間都處于落后的狀況。直到目前為止，我國正在服務的礦井提升機電控系統(tǒng)大多數(shù)還是轉子回路串金屬電阻的交流調速系統(tǒng)，設備陳舊、技術落后。國產提升機安全性、可靠性差，在關鍵部位——上下兩井口減速區(qū)段沒有配套的有效的速度監(jiān)視裝置，就提升機控制技術而言，依然是陳舊的，和國外相比，我們存在很大的差距。 目前我國提升機90％以上均采用交流繞線式異步電動機的拖動方式，其電控系統(tǒng)用于單繩纏繞式提升機的有TKD系列，多繩磨擦式提升機的有JKM、K／J系列。這幾種提升機通常在電動機轉子回路中串接附加電阻進行起動和調速。盡管轉子串電阻調速方法很不經濟，低速特性也很軟，穩(wěn)定性差，但是由于這種調速方法比較簡單易行，起動轉矩較大在拖動起重機等中、小容量的繞線式異步電動機中仍然應用廣泛。20世紀80年代，我國從瑞典、西德等國引進20多套晶閘管——直流電動機控制系統(tǒng)。我國自己生產的晶閘管——直流電動機控制系統(tǒng)應用于20世紀90年代。這種控制系統(tǒng)的優(yōu)點是：體積小、重量輕、占地面積?。换A省、安裝方便、建筑費用低；無齒輪傳動部分、總效率高、電能消耗少；單機容量大，適用范圍廣；調速平穩(wěn)、調速范圍廣、調速精度高；易于控制，能實現(xiàn)自動化，安全可靠；節(jié)約電能。 礦井提升機對安全性、可靠性和調速性能的特殊要求，使得提升機電控系統(tǒng)的技術水平在一定程度上代表一個廠或國家的傳動控制技術水平。而在電力拖動方面，近幾年國外出現(xiàn)了不少新拖動方式，交-交變頻供電方式就是最有前途的一種。20世紀80年代西歐一些工業(yè)先進國家將交流變頻調速技術應用于提升機，有代表性的是西門子公司和ABB公司。我國在20世紀90年代也引進了交流變頻調速提升機控制系統(tǒng)。變頻調速方式類似于它勵直流電動機取得很寬的調速范圍、很好的調速平滑性和有足夠硬度的機械特性，在提升機應用中顯示了其獨特的優(yōu)勢。 1.6 本章小結 本章主要介紹了礦井提升機的一些基本信息，包括提升機的定義及其分類,提升機的主要任務和組成,此外還介紹了提升機的基本工作原理,國內外的研究狀況。 - 22 - 第二章 控制方案要求 2.1 該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)的功能 本設計是通過PLC來控制變頻器實現(xiàn)提升機的變頻調速，可實現(xiàn)功能： 1、同時按下向上/向下按鈕時判斷提升機上下運動方向：通過上升、下降指示燈來判斷其運行的方向，避免誤操作。 2、實現(xiàn)電源安全：通過保護回路來保證系統(tǒng)的用電安全。 3、安全連鎖控制：報警后，整個系統(tǒng)停止，變頻器復位。 4、原點檢測：通過旋轉編碼器檢測其在任何位置和原點的距離。 5、回原點控制：在任何位置按下回原點按鈕，提升機可以回到原點。 6、手動/自動：有點動和單次循環(huán)操作 7、報警、急停 2.2 提升機運行曲線 礦井提升機的工作過程是提升容器在井筒中往返運動的過程，通常以提升容器的運動速度或電動機的運行頻率與時間的關系來表示其運動規(guī)律，稱為速度圖或運行曲線圖。如圖2-1所示為本設計系統(tǒng)提升機的運行曲線。 圖2-1 高速提升運行曲線 在圖2-1中，提升機無論正轉、反轉其工作過程是相同的，都有初加速運行、加速運行、等速運行、減速運行、爬行、制動停車六個階段。每提升一次運行的時間，與系統(tǒng)的運行速度，加速度及立井的深度有關，各段加速度的大小，根據(jù)工藝情況確定，運行狀況由程序來控制。圖中各個階段的工作情況說明如下： (1) 初加速階段0～t1：提升容器和平衡物離開卸載曲軌，電機以較小的加速度帶動提升機運行。。 (2) 加速階段t1～t2：再次加速到最高速度。 (3) 第二次加速階段t2～t3: 此時電機以最高轉速平穩(wěn)運行。 (4) 高速階段t3～t4: 此時提升機運行到減速點(本設計中假設運行至150m時開始減速)，電機開始以一定的加速度減速運行。 (5) 減速階段t4～t5：此時提升機低速爬行 (6) 低速階段t5～t6：。此時提升機剎車，停止運行(制動) 以上為PLC自動操作程序工作,其中加速和減速段的時間均在變頻器上設置。 2.3 提升機速度要求及計算 2.3.1要求 某礦井設計年產量3.0M噸, 井口標高＋29.2m，井底水平標高約-960米。 （1）利用變頻技術實現(xiàn)節(jié)能降耗和靜音運行；利用交流電機+變頻器，并采用落地式多繩摩擦輪提升機，實現(xiàn)提升主電機的控制。 （2）提高提升的快速性和舒適感；最高提升速度: 11m/s，加減速度: 0.75m/s2 2.3.1計算 在本設計中,礦井為立井,且深度為990米,假設：提升機的最大速度為11m/s,即當電機以50Hz 高速運行時,其轉速為1500rpm,也就是提升機的運行速度為11m/s。 假設初段加速時間為10s ,加速度為0.5m/s2 ，則： （初加速速度） （初加速移動距離） 即： （加速時間） （加速移動距離） 假設平穩(wěn)運行時間為71s ,速度為11m/s ，則： （ 平穩(wěn)移動距離） 假設減速運行時間為20s ,減速度為0.5m/s2 ，則： （ 爬行速度） （減速移動距離） 假設爬行時間為10s ,速度為1m/s ，則 （減速移動距離） 2.4 控制方案論證與選擇 2.4.1 PLC與其它工業(yè)控制裝置的比較 可編程控制器與繼電器控制的區(qū)別 在可編程控制器的編程語言中，梯形圖是最為廣泛使用的語言。通過可編程控制器的指令系統(tǒng)將梯形圖變成可編程控制器能接收的程序。由編程器將程序鍵入到可編程控制器的用戶存儲區(qū)中去。 可編程控制器的梯形圖與繼電器控制線路圖十分相似，主要原因是可編程控制器梯形圖的發(fā)明大致上沿用了繼電器控制的電路元件符號，僅個別地方有些不同。同時，信號的輸入/輸出形式及控制功能也是相同的，但可編程控制器的控制與繼電器的控制還是有不同之處，主要表現(xiàn)在以下幾個方面： 1.可靠性高，抗干擾能力強 這是PLC用戶關心的首要問題。為了滿足PLC專在工業(yè)環(huán)境下應用的要求，PLC采用了如下硬件和軟件措施： （1）光電耦合隔離和R-C濾波器，有效的防止了各類電磁干擾信號的進入。 （2）采用內部電磁屏蔽，防止輻射干擾。 （3）采用優(yōu)良的開關電源，防止電源線引入的干擾。 （4）具有良好的自診斷功能?？梢詫PU等內部電路進行檢測，一旦出錯，立即報警。 （5）程序及有關數(shù)據(jù)用電池供電進行備份，一旦電源斷電或運行停止，有關狀態(tài)及信息不會丟失。 （6）采用了冗余技術進一步增強可編程序控制器的可靠性。對于某些大型的PLC，采用雙CPU構成冗余系統(tǒng)，或三CPU構成表決式系統(tǒng)。 （7）對采用的器件都進行嚴格的篩選和老化處理，排除了因器件可靠問題而造成的故障。 隨著構成PLC的元器件自身性能的提高，PLC整體的可靠性也在相應提高。一般PLC的平均無故障時間可達到幾萬小時以上。某些PLC的生產廠家甚至宣布，今后生產的可編程序控制器不再標明可靠性這一指標，因為對可編程序控制器這一指標已毫無意義了。經過大量實踐，人們發(fā)現(xiàn)PLC系統(tǒng)在使用中發(fā)生的故障，大多是由于PLC的外部開關、傳感器、執(zhí)行機構引起的，而不是PLC自身的問題產生的。 2.通用性強，使用方便 現(xiàn)在的PLC產品都已系列化了，PLC配備有各種各樣，種類齊全的I/O模塊和配套部件用戶選用，可以很方便地搭建成可滿足不同控制要求的控制系統(tǒng),用戶不再需要自己設計和制作相應的硬件裝置。在確定了PLC的硬件配置和I/O外部接線后，用戶所做的工作只是程序設計而已。 3．程序設計簡單，易學易懂 PLC是一種工業(yè)自動化控制裝置，其主要的使用對象是廣大電氣技術人員。PLC生產廠家大都根據(jù)這種實際情況，一般不采用微機所用的編程語言，而采用與繼電器控制原理圖非常相似的梯形圖語言，工程技術人員學習和使用這種語言十分方便。 4．采用先進的模塊化結構，系統(tǒng)組合靈活方便 PLC的各個部件，包括CPU、電源、I/O通道等均采用模塊化設計，由機架和電纜將各模塊連接起來。系統(tǒng)的功能和規(guī)模可根據(jù)用戶的實際需求自行組合，這樣便可滿足用戶要求的合理的性能價格比。 5．系統(tǒng)設計周期短 由于系統(tǒng)硬件的設計任務僅是依據(jù)對象的要求配置適當?shù)哪K，如同吃飯從菜單中點菜一樣方便，這就大大縮短了整個設計所花費的時間，加快了整個工程設計的進度。 6．安裝簡便、調試方便、維護工作量小 可編程序控制器一般不需要專門的機房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運行。使用時只需將現(xiàn)場的各種設備與PLC相應的I/O端子相連，系統(tǒng)便可以投入運行，安裝接線工作量比繼電器控制系統(tǒng)小得多。PLC軟件的設計和調試大都可以在實驗室里進行，用模擬實驗開關代替輸入信號，其輸出狀態(tài)可以觀察PLC上的相應發(fā)光二極管顯示，也可以另接輸出模擬實驗板。模擬調試完成后，再將本身故障率很低，又有完善的自診斷能力和顯示功能，一旦發(fā)生故障可以根據(jù)PLC上發(fā)光二極管或編程器提供的信息，迅速查明原因或直接找到發(fā)生故障的外圍設備。如果是PLC本身故障，則可用更換模塊的方法迅速排除故障。這樣既提高了維護的工作效率，使故障造成的對工業(yè)生產的影響降低到最低程度，也保證了生產的正常進行。 PLC是以微處理器為核心，綜合了計算機技術、自動控制技術和通信技術而發(fā)展起來的一種新型、通用的自動控制裝置，具有結構簡單、可靠性高、靈活通用、易于編程、使用方便等優(yōu)點，近年來在工業(yè)自動控制、機電一體化、改造傳統(tǒng)產業(yè)方面得到了廣泛應用。 近年來，隨著微處理器芯片及其有關元器件的價格大幅度下降，使得PLC成本也隨之下降。與此同時，PLC的性能卻在不斷完善，功能也在增多增強，應用領域也在逐漸拓寬，使PLC的應用已由早期的開關邏輯到現(xiàn)在工業(yè)控制的各個領域。根據(jù)PLC的特點，可以將應用形式歸納為如下幾種類型： 1.開關邏輯控制 這是PLC的最基本最廣泛的應用領域。PLC具有較強的邏輯運算能力，可以實現(xiàn)各種開關量從簡單到復雜的邏輯控制。 2.模擬量控制 在現(xiàn)代工業(yè)生產過程中，除必不可少的開關量和數(shù)字量外，還有許多連續(xù)變化的模擬量，如溫度、壓力、流量、液位等都是模擬量。而PLC所處理的量為數(shù)字量，為了能接受模擬量輸入和輸出模擬量信號，PLC配置有A/D和D/A轉換模塊，現(xiàn)將現(xiàn)場的溫度、壓力等模擬量經過A/D模塊轉換為數(shù)字量，送入微處理器進行處理，微處理器處理過的數(shù)字量，又經D/A模塊轉換為模擬量后，去控制被控對象，這樣就可實現(xiàn)PLC對模擬量的控制。 3.順序控制 在工業(yè)控制中，用PLC實現(xiàn)順序控制，可以用移位寄存器和步進指令編寫程序。也可采用IEC規(guī)定的用于順序控制的標準化語言——順序功能圖SFC編寫程序，使得PLC在實現(xiàn)按照事件或輸入狀態(tài)的順序，控制相應輸出更加容易。 4.定時控制 PLC具有定時控制的功能，它可以為用戶提供幾十甚至上百個計時器，其計時的時間可由用戶根據(jù)控制時間要在編寫用戶程序時設定，定時時間可以從0.1秒至若干小時，時間長短可任意設定，也可以由操作人員在工業(yè)現(xiàn)場通過編程器進行修改或重新設定，實現(xiàn)定時或延時的控制，通過編程既可以實現(xiàn)通電延時功能，也可以實現(xiàn)斷電延時的功能。 5.計數(shù)控制 計數(shù)控制也是控制系統(tǒng)不可缺少的，PLC也同樣為用戶提供了幾十甚至上有個計數(shù)器，實現(xiàn)對某些信號的計數(shù)功能。其設定方式如同定時器一樣，可實現(xiàn)增計數(shù)控制，也可實現(xiàn)減計數(shù)控制，若用戶需要對頻率較高的信號進行跟蹤計數(shù)，可選用高速計數(shù)模塊。 6．閉環(huán)過程控制 運用PLC不僅可以對模擬量進行開環(huán)控制，而且還可以進行閉環(huán)控制?，F(xiàn)代大中型的PLC及部分小型的PLC配備有專門的PID控制模塊，當控制過程中某一個變量出現(xiàn)偏差時，PLC就按照PID算法計算出正確的輸出去控制被控制量，把被控制量保持在整定值上。PLC的PID控制已廣泛地應用在洗煤、釀酒、反應堆、鍋爐以及位置和速度等控制中。 7．數(shù)據(jù)處理 現(xiàn)代PLC都具有數(shù)據(jù)處理的能力。它不僅能進行算術運算、數(shù)據(jù)傳送，而且還能進行數(shù)據(jù)比較、數(shù)據(jù)轉換、數(shù)據(jù)顯示和打印以及數(shù)據(jù)通信等.對于大中型PLC還可進行浮點運算、函數(shù)運算等。 8．通信和聯(lián)網 PLC的控制已從早期的單機控制發(fā)展到了多機控制，實現(xiàn)了工業(yè)自動化?，F(xiàn)代的PLC一般都具有通信功能，應用遠程I/O模塊，可實現(xiàn)遠程控制，應用通信模塊，可實現(xiàn)PLC與PLC、PLC與計算機之間的通信。也可以構成“集中管理，分散控制”的分布式控制系統(tǒng)。因此，PLC是實現(xiàn)工業(yè)生產自動化的理想工業(yè)控制裝置。 本調速系統(tǒng)選用日本三菱公司生產的FX2N-32M PLC，屬于整體式PLC。整體式PLC提供多種不同的I/O點數(shù)的基本單元和擴展單元供用戶選用，基本有CPU模塊，I/O模塊和電源，擴展單元內有I/O模塊和電源。一般配有許多專用的特殊功能單元，如模擬量I/O單元、位置控制單元、和通信單元等使PLC的功能得到擴展。 主要的控制功能有如下幾項：主令操作控制和保護監(jiān)視控制。 FX2n系列是FX系列PLC家族中最先進的系列，其功能最強、速度最快。由于FX2n系列具備如下特點：最大范圍的包容了標準特點、程式執(zhí)行更快、全面補充了通信功能、適合世界各國不同的電源以及滿足單個需要的大量特殊功能模塊，它可以為你的工廠自動化應用提供最大的靈活性和控制能力。為大量實際應用而開發(fā)的特殊功能開發(fā)了各個范圍的特殊功能模塊以滿足不同的需要－－模擬I/O。定位控制達到16軸，脈沖串輸出或為J和K型熱電偶或Pt傳感器開發(fā)了溫度模塊。對每一個FX2n主單元可配置總計達8個特殊功能模塊。網絡和數(shù)據(jù)通信連接到世界上最流行的開放式網絡 CC-Link，Profibus Dp和DeviceNet或者采用傳感器層次的網絡解決您的通信需要。 其它功能內置式24V、400mA直流電源可用于外圍設備，如傳感器或其它元件?？焖贁嚅_端子塊因為采用了優(yōu)良的可維護性快速斷開端子塊，即使接著電纜也可以更換單元。時鐘功能和小時表功能在所有的FX2NPLC中都有實時時鐘標準。時間設置和比較指令易于操作。小時表功能對過程跟蹤和機器維護提供了有價值的信息。持續(xù)掃描功能為應用所需求的持續(xù)掃描時間定義操作周期。輸入濾波器調節(jié)功能可以用輸入濾波器平整輸入信號（在基本單元中x000到x017）。注解記錄功能元件注解可以記錄在程序寄存器中。在線程序編輯在線改變程序不會損失工作時間或停止生產運轉。RUN/STOP 開關面板上運行/停止開關易于操作。遠程維護遠處的編程軟件可以通過調制解調器通信來監(jiān)測、上載或卸載程序和數(shù)據(jù)密碼保護使用一個八位數(shù)字密碼保護您的程序。? 2.4.2 系統(tǒng)方案的確立 在此綜合各種方面因素選擇PLC作為提升機控制系統(tǒng)的核心,如2.4.1小節(jié)所分析的,PLC具有其他任何一種控制器所不具備的優(yōu)點,更符合設計要求。 2.5 本章小結 本章主要介紹了提升機控制系統(tǒng)的功能要求,運行曲線,速度要求及計算和控制方案的論證選擇。? ? 第三章 提升機控制系統(tǒng)的硬件設計 3.1 PLC控制系統(tǒng)結構組成 本設計的提升機控制系統(tǒng)硬件主要由PLC、變頻器、旋轉編碼器、聲光報警模塊、電源模塊等組成。 3.2 PLC的選型 選擇能滿足本提升機控制要求的適當型號的PLC是應用設計中至關重要的一步，合理選擇PLC，對于提高PLC控制系統(tǒng)的技術經濟指標有著重要作用。PLC的選擇包括機型，容量，I/O模塊的選擇等幾個方面。 3.2.1 機型的選擇 本系統(tǒng)選取的是三菱公司生產的小型整體式可編程控制器FX2N-32MT-001系列，輸入輸出端子選擇32點,它的性能價格比很高，在小規(guī)?？刂浦蝎@得廣泛應用。三菱FX2N-32MT-001的CPU單元規(guī)格是:輸入16點,輸出16點,輸入、輸出為晶體管型形式,電源DC24V。 3.3 PLC控制的優(yōu)點 ① 高可靠性； （1）所有的I/O接口電路均采用光電隔離，使工業(yè)現(xiàn)場的外電路與PLC內部電路之間電氣上隔離。 （2）各輸入端均采用R-C濾波器，其濾波時間常數(shù)一般為10~20ms. （3）各模塊均采用屏蔽措施，以防止輻射干擾。 （4）采用性能優(yōu)良的開關電源。 （5）對采用的器件進行嚴格的篩選。 （6）良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟，硬件發(fā)生異常情況，CPU立即采用有效措施，以防止故障擴大。 （7）大型PLC還可以采用由雙CPU構成冗余系統(tǒng)或有三CPU構成表決系統(tǒng),使可靠性更進一步提高。 ② 豐富的I/O接口模塊； PLC針對不同的工業(yè)現(xiàn)場信號，如：交流或直流；開關量或模擬量；電壓或電流；脈沖或電位； 強電或弱電等。有相應的I/O模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設備，如：按鈕；行程開關；接近開關；傳感器及變送器；電磁線圈；控制閥等直接連接。 另外為了提高操作性能，它還有多種人-機對話的接口模塊; 為了組成工業(yè)局部網絡，它還有多種通訊聯(lián)網的接口模塊，等等。 ③ 采用模塊化結構； 為了適應各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型PLC以外，絕大多數(shù)PLC均采用模塊化結構。PLC的各個部件，包括CPU，電源，I/O等均采用模塊化PLC，由機架及電纜將各模塊連接起來，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。 ④編程簡單易學； PLC的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式，對使用者來說，不需要具備計算機的專門知識，因此很容易被一般工程技術人員所理解和掌握。 ⑤安裝簡單，維修方便； 工業(yè)環(huán)境下直接運行。使用時只需將現(xiàn)場的各種設備與PLC相應的I/O端相連接，即可投入運行。各種模塊上均有運行和故障指示裝置，便于用戶了解運行情況和查找故障。 由于采用模塊化結構，因此一旦某模塊發(fā)生故障，用戶可以通過更換模塊的方法，使系統(tǒng)迅速恢復運行。 3.4 旋轉編碼器及其接線方式 旋轉編碼器是一種光電式旋轉測量裝置，它將被測的角位移直接轉換成數(shù)字信號（高速脈沖信號）。因些可將旋轉編碼器的輸出脈沖信號直接輸入給PLC，利用 PLC的高速計數(shù)器對其脈沖信號進行計數(shù)，以獲得測量結果。不同型號的旋轉編碼器，其輸出脈沖的相數(shù)也不同，有的旋轉編碼器輸出A、B、Z三相脈沖，有的只有A、B相兩相，最簡單的只有A相。如圖4-2所示是輸出兩相脈沖的旋轉編碼器與FX2N系列PLC的連接示意圖。編碼器的電源可以是外接電源，也可直接使用PLC的DC24V電源。電源“-”端要與編碼器的COM 端連接，“+ ”與編碼器的電源端連接。編碼器的COM端與PLC輸入COM端連接，A、B兩相脈沖輸出線直接與PLC的輸入端連接，連接時要注意PLC輸入的響應時間。有的旋轉編碼器還有一條屏蔽線，使用時要將屏蔽線接地。其與PLC的接線圖如圖3-1所示: 圖3-1 旋轉編碼器接線 3.4 PLCI/0的分配 分配輸入/輸出點信號、輸出點與輸出控制是一一對應的。分配好后，按系統(tǒng)配置的通道與接點號，分配給每一個輸入信號和輸出信號，即進行編號。FX2N型PLC的輸入/輸出通道號采用自由配置、固定通道方式。輸入輸出繼電器可自由選擇，與輸入點對應的即為輸入繼電器，與輸出點對應的即為輸出繼電器。礦井生高速提升機控制系統(tǒng)輸入輸出接口如表3-1所示。 表3-1 I/O接口分配 輸入 輸出 名稱 接口 名稱 接口 旋轉編碼器 X0 正轉 Y0 近點接近開關 X1 反轉 Y1 回原點按鈕 X2 高速RH Y2 啟動 X3 中速RM Y3 手動 X4 低速RL Y4 自動 X5 復位RSE Y5 手動上升 X6 變頻器啟動 Y6 手動下降 X7 正轉檢測 Y7 急停 X10 反轉檢測 Y10 停止 X11 報警繼電器輸入 X12 自動上升 X13 自動下降 X14 3.5 變頻器設計部分 變頻調速單元選用三菱FR-A740，該變頻器具有低噪音,高性能,以及帶有RS-485通信接口等特點。配以旋轉編碼器反饋完成高精度速度控制。要達到相應的控制條件，必須要設置好參數(shù)（詳見手冊） 3.6 系統(tǒng)電氣控制接線圖設計 系統(tǒng)供電電源采用三相四線制上機供電。供電電源等級為AC380±5％，50Hz。其中QF1給變頻器提供電源， QF2給24V開關電源提供電源，和PLC供電，電機的主回路熱繼電器，制動電機還包括制動單元的輔助回路。整機的接地保護與系統(tǒng)的接地保護網相聯(lián)接。變頻器電氣控制主電路圖見3-2。PLC的接線圖如圖3-3所示。 3.7 本章小結 本章是本文的重點,主要介紹了提升機控制系統(tǒng)的硬件設計部分,分小節(jié)介紹了各子模塊的功能, ,能讓人清晰直觀的了解,此外在本章開始幾個小節(jié)還介紹了PLC的選型,變頻器,編碼器接線等,思路清晰,目的明確。 3-2 主接線圖 圖3-3 PLC接線圖 第四章 系統(tǒng)軟件設計 4.1 PLC的程序設計環(huán)境 PLC的編程主要是通過編程器或用PLC生產廠家提供的編程軟件來完成的。每個PLC公司都有自己的編程器，一般比較小，而且比較輕，適合在現(xiàn)場使用。但是這種編程器只能使用助記符語言對PLC進行編程，而且由于屏幕較小，每次只能顯示一、兩行程序，難于對程序從整體上分析。PLC公司提供的編程軟件則能使用梯形圖、助記符或功能圖語言等進行編程。通過編程軟件，不僅能從宏觀上對程序進行編輯和分析，而且還能對程序的運行情況進行監(jiān)視。 4.1.1 PLC公司的編程軟件 編程軟件的作用是編輯、調試、輸入用戶程序，也可在線監(jiān)控PLC內部狀態(tài)和參數(shù)，與PLC進行人機對話，它是開發(fā)、應用、維護PLC不可缺少的工具。編程軟件一般由PLC生產廠家提供，各家用各家，不通用，而且多是商品化的。這些軟件一般功能都差不多，大體上有以下幾種功能。 (1) 脫機編程: 可用梯形圖語言或助記符語言編程。這兩者可相互轉換。另外，程序還可加注解。 (2) 文件管理: 對所編程序可存儲為磁盤文件，還可建立數(shù)據(jù)庫文件以及與PLC工作相關的系統(tǒng)設計軟件。 (3) 文件的上傳與下載: 程序文件、數(shù)據(jù)文件等可在計算機與PLC建立起通信聯(lián)系后下載給PLC，也可從PLC中上傳，將PLC的程序、數(shù)據(jù)上傳到計算機中，然后計算機在對其做相應管理。 (4) 監(jiān)控運行: PLC與計算機建立通信后，計算機可監(jiān)視PLC的工作，觀察任何工作位的狀態(tài)，可讀所有的數(shù)據(jù)，可強置某些工作位處于ON或OFF狀態(tài)，還可修改一些參數(shù)。 (5) 在線更改。監(jiān)視運行時發(fā)現(xiàn)程序存在問題，有兩種解決的辦法。⑴ 脫機更改。即先回到脫機狀態(tài)修改程序，然后再聯(lián)機，重新把程序下載到PLC。⑵ 在線更改。在問題不太多，又是允許的情況下可在線更改程序。這種邊運行、邊監(jiān)視、邊更改的方式，既不耽誤PLC的工作，可直接地發(fā)現(xiàn)與排除故障，是較為方便的調試與完善程序的方法。 (6) 其他功能。編程軟件還有一些其他功能。如可用來進行只讀存儲器的程序寫入。有的還可進行對PLC作組網參數(shù)的設定等。 4.1.2 三菱的GX Developer 編程軟件簡介 進入GX Developer初始界面后，在【文件】下拉菜單中，單擊“新建”菜單項，選擇創(chuàng)建一個新文件。在【設備名稱】中填寫設備名稱，設備類型選擇PLC的類型，然后單擊設定按鈕選擇CPU的類型，單擊確定后，即可進入梯形圖編程界面，開始編程，如圖4-1所示界面。 圖4-1 編程界面 程序編寫完成后，下一步就可進行編譯、鏈接和調試了。如果編譯沒有錯誤，就可以進行在線運行。在編譯過程中，如果出現(xiàn)錯誤要進行修改時，我們既可以在梯形圖編程下修改，也可在助記符方式下修改。編譯完成，沒有語法錯誤，可加載程序到PLC，進行在線運行。 4.2 系統(tǒng)程序設計 4.2.1 程序設計方法及語言 工程設計中，可編程控制器應用程序的設計大體上有三種方法，也是使用最多的方法。這些方法的應用，也因不同設計人員有著不同的技術水平和習慣存在著差異。下面介紹一下常用的幾種應用程序的設計方法，以便對下面的設計更有一個清晰的認識，也使讀者更加明白可編程控制器的設計方法和技巧。 1、經驗設計法 經驗設計法也叫湊試法。在掌握一些典型控制環(huán)節(jié)和電路設計的基礎上，根據(jù)被控對象對控制系統(tǒng)的具體要求，憑經驗進行選擇、組合。這種方法對于一些簡單的控制系統(tǒng)的設計是比較湊效的，可以收到快速、簡單的效果。但是它沒有一個普遍的規(guī)律可遵循，具有一定的試探性和隨意性，最后得到的結果也不是唯一的，設計所用的時間、設計的質量與設計者的經驗的多少有關。 經驗設計法的具體步驟如下： （1）確定輸入/輸出電器； （2）確定輸入和輸出點的個數(shù)、選擇PLC機型、進行I/O分配； （3）做出系統(tǒng)動作工程流程圖； （4）選擇PLC指令并編寫程序； （5）編寫其它控制控制要求的程序； （6）將各個環(huán)節(jié)編寫的程序合理地聯(lián)系起來，即得到一個滿足控制要求的程序。 2. 邏輯設計法 工業(yè)電氣控制線路中，有很多是通過繼電器等電器組件來實現(xiàn)的。而繼電器、交流接觸器的觸點都只有兩種狀態(tài)即：斷開和閉合，因此用“0”和“1”兩種取值的邏輯代數(shù)設計電氣控制線路是完全可以的。該方法法是根據(jù)數(shù)字電子技術中的邏輯設計法進行PLC程序的設計，它使用邏輯表達式描述問題。在得出邏輯表達式后，根據(jù)邏輯表達式畫出梯形圖。因此用邏輯設計法也可以適用于PLC應用程序的設計。 順序控制法 對那些按動作的先后順序進行控制的系統(tǒng)，非常適合使用順序控制設計法進行編程。順序控制法規(guī)律性很強，雖然編程相當長，但程序結構清晰、可讀性。在用順序控制設計法編程時，功能圖是很重要的工具。功能圖能夠清楚地表現(xiàn)出系統(tǒng)各工作步的功能、步與步之間的轉換順序及其轉換條件。 功能圖由流程步、有向線段、轉移和動作組成，在使用時它有一些使用規(guī)則，具體如下： （1）步與步之間必須用轉移隔開； （2）轉移與轉移之間必須用步隔開； （3）轉移和步之間用有向線段連接，正常畫順序功能圖的方向是從上向下或則從左向右。按照正常順序畫圖時，有向線段可以不加箭頭，否則必須加箭頭。 （4）一個順序功能圖中至少有一個初始步。 可編程控制器設計語言也有多種形式，因其在繼電器的基礎上研制而成，所以大部分都是以開關量為主的控制方式。很多表達形式也都是電氣符號的沿用，或直接使用。這樣，PLC的語言就有所不同。梯形圖語言是設計中使用最多的，還有流程圖，語句表，這些都為程序的閱讀提供了不同形式的方法，適合電氣方面的工程人員閱讀，也適合電子方面的工程人員進行參考使用。 本控制系統(tǒng)采用經驗設計法。 4.3 PLC控制系統(tǒng)軟件程序的編寫 礦井高速提升機控制系統(tǒng)是基于PLC集成控制的系統(tǒng)，根據(jù)本節(jié)敘述的內容中的系統(tǒng)整體控制流程圖及系統(tǒng)的輸入和輸出信號，來編制PLC的梯形圖。PLC采用循環(huán)掃描方式，按梯形圖從上而下，從左而右的先后順序予以執(zhí)行。下面給出的是程序的梯形圖，使用三菱公司編程軟件GX Developer軟件進行編輯，編程方式是梯形圖，見附錄梯形圖一。 5.4 本章小結 本章主要介紹了PLC控制提升機系統(tǒng)設計的具體流程，其中包括PLC編程軟件的介紹、程序設計、梯形圖設計等內容，使讀者對該系統(tǒng)設計的方法和具體步驟有了詳細的了解。 結論 本文是以達到實現(xiàn)提升機速度的方便可調、運行可靠、適應生產需要的目的而進行的設計。在本次設計中經過對礦井提升機調速要求的分析，選用變頻器實現(xiàn)提升機的變頻調速運行。采用可編程控制器（PLC）,實現(xiàn)對電控系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)突發(fā)事件的監(jiān)測處理，減少了硬件和控制線，克服了傳統(tǒng)繼電器-接觸器系統(tǒng)的不足，系統(tǒng)安全可靠，且控制程序可根據(jù)需要進行修改。本文旨在按實際生產要求進行理論上的設計，并未在實際應用中得到驗證，在實際應用之前還需經過反復的調試實驗，以確保系統(tǒng)安全可靠的運行，從而達到實際生產中的要求。 當然，鑒于本人水平有限，在設計過程中難免有不足之處，希望您能諒解并提出寶貴意見，以便我對其進行改正。 致 謝 本論文的設計是在XXX老師的精心指導下完成的。論文的每一步進展都傾注著X老師的關懷，教導和幫助，X老師知識淵博、經驗豐富、嚴謹求實的工作態(tài)和誨人不倦的工作作風都使我受益匪淺。X老師對待工作嚴肅認真的態(tài)度、求實創(chuàng)新的精神深深地激勵著我，在為人處世上和藹、謙遜、踏實、積極的態(tài)度將會影響我一生。在他耐心細致的指導下，我的專業(yè)知識得以擴充，論文的工作也得以順利地進行。每一個細節(jié),每一個過程都凝聚著邢老師的心血,讓我很感動。所以,在此首先向X老師表達我最誠摯的感謝。 與此同時,我向所有給予我關心、支持和幫助的其他老師和同學們也致以深深的謝意。設計中正是有他們的陪伴以及細心的幫助，我才能順利的完成這次論文的設計，在此我也要說聲謝謝！ 參考資料 [1] 阮毅, 陳伯時. 電力拖動控制系統(tǒng)-運動控制系統(tǒng). 北京: 機械工業(yè)出版社, 2009 [2] 段波, 李明偉. 電機及電力拖動基礎. 北京: 人民郵電出版社, 2009 [3] 陳伯時. 電力拖動自動控制系統(tǒng). 北京: 機械工業(yè)出版社, 1992 [4] 陳伯時, 陳敏遜. 交流調速系統(tǒng). 北京: 機械工業(yè)出版社, 2005 [5] 許期英, 劉敏軍. 交流調速技術與系統(tǒng). 北京: 機械工業(yè)出版社, 2010 [6] 宋書中, 常曉玲. 交流調速系統(tǒng). 北京: 機械工業(yè)出版社, 2006 [7] 王占奎等. 變頻調速應用百例. 北京: 科學工業(yè)出版社, 1994 [8] 胡崇岳. 現(xiàn)代交流調速系統(tǒng). 北京: 機械工業(yè)出版社, 2004 [9] 劉敏. 可編程控制技術. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2001 [10] 王時軍. 輕輕松松學三菱PLC. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2011 [11] 楊青杰. 三菱FX系列PLC應用系統(tǒng)設計指南. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2008 [12] 高春甫, 賀新升, 陸爽, 鄂世舉. 三菱可編程序控制器應用技術. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2010 附錄一