矿井提升机系统介绍

摘 要矿井提升机是矿井运输的重要设备，是沟通矿井上下的纽带的。矿井提升机的可靠运行直接关系到煤矿生产的安全，矿井提升机信号系统的可靠性和准确性是矿井提升和安全运输的重要保证。本设计主要完成的矿井提升机信号系统设计和组态设计。设计中运用PLC控制技术，PLC系统采用三菱公司的FX2N系列作为主控制器，对井口、井底、机房信号台进行信号联络。组态设计使用WINCC完成，能够实现上位监控功能。使用编程软件实现信号的联络。采用PLC控制不但提高了信号传输的可靠性和准确性,而且具有极大的灵活性和扩展性。在不改变系统硬件的前提下,仅靠改变PLC内部的程序就可满足用户要求。有效地解决了信号系统中的远距离传输和可靠性问题。 整个控制系统自改造完成投入运行以来，运行平稳安全、节电效果十分显著，不但对提高矿山提升系统工业的现代化装备水平有推动作用，而且产生了显著的经济效果，极大地提高了煤矿的生产效率。关键词：矿井提升机信号系统；PLC；上位监控; WINCCAbstractMine hoist is the important equipment of transportation, its the links that throughout the mine. The reliability and accuracy of signal system of mine hoist is an important guarantee for the upgrading and safe transport.The completion of the design is the signal system of mine hoist and configuration design. PLC control use of the design of technology, PLC system uses Mitsubishi FX2N series as the main controller, to contact the wellhead, bottom, and the engine room system. WINCC completed configuration design, to achieve the top monitoring.The use of software programming signal contact PLC control not only improve the use of the signal transmission reliability and accuracy, but also has great flexibility and scalability. Without changing the systems hardware, only change the program of PLC will meet users requirements. Effective solution to the signal system of long-distance transmission and reliability issues.The whole control system has run after self-alteration. The whole systemruns steadily and safely with efficient electrical effects. It has great promotionfunctions for industrial automatic equipments level in mine hoisting system, andachieves distinct economic effects and improves mine production efficiency.Keywords: signal system of mine hoist; PLC; the top monitoring; WINCC目录 引 言2第1章矿井提升机系统简介.2 1. 1矿井提升机的工作原理.21. 2系统的基本构成及功能.3 1.2.1 系统基本构成3 1.2.2 功能.4第2章可编程控制器简介.52. 1PLC的由来62. 2PLC的优点62. 3PLC的应用领域72. 4PLC的工作原理82. 5PLC的编程语言11 第3章控制方案论证与选择.12 3. 1可编程控制器与其它工业控制装置的比较.12 3. 2系统总体设计思想.153. 3方案的确立. 163. 4 通信系统的主要技术指标 23第4章硬件及控制系统设计 .25 4. 1提升机主回路部分设计. 254. 2制动回路设计.274. 3行程检测与显示.284. 4主控PLC路设计.304. 5 PLC控制软件设.314. 6可编程控制系统的保护环节.34 第5章系统调试软件和PLC程序设计365. 1系统调试软件GX Developer.365. 2PLC梯形图（附录一）.375. 3系统抗干扰措施.37第6章设计心得.38第7章致谢.39参考文献.40引言 问题的提出：矿井提升机是联系井下与地面的重要工具。矿井提升机启动频繁，负荷变化大，运行速度要求严格，这就必须配备良好性能的控制设备和保护装置。在接触器控制系统中，电阻的切除由时间继电器控制，而时间继电器计时时，往往不能做到十分准确，即有一定的范围误差。这种控制受外界干扰大，接触器、继电器磨损快，易产生火花，给提升机的运行带来了很多困难。另外还需解决对提升机机械设备故障的及早检测和报警。第1章矿井提升机系统简介 矿山多中段提升竖井，一般都是副井或混合井，其提升任务繁重,作业种类复杂，中途停靠频繁。因此，需要一个高度安全可靠、功能完善,由可编程序控制器 PLC为控制核心的提升信号系统。国内多数矿山的竖井提升信号系统，一般由各种控制继电器和主令开关构成，且多为20世纪50年代的仿苏产品。它的突出特点是用“点信号”(即电铃振响或指示灯明灭的次数)来代表各种提升信号。例如有的公司以一长点表示要罐,一长两短表示上行，一长三短表示下行，两短表示提物，三短表示提人等等。各提升中段发出的点信号直接传递到井口总信号房，再由井口总信号工转发到提升机房。这种系统信号简洁,操作方便,快慢自如，多年来已沿用成习，尽管各单位点信号的组合方式有所不同，但原理是相同的。虽然这种信号系统结构简单、操作方便,但存在如下缺点：(1由于无法保留和复现点数,所以信号识别全凭操作者的听觉和视觉，容易造成信号的误认和误传,因信号的误认和误传而导致的提升事故屡见不鲜。(2信号之间、信号系统与提升机电控系统之间没有联锁，井口总信号工和司机的操作不受制约，很容易因误操作而引发事故。(3)声光信号一瞬即逝，无据可查，一旦发生事故，给事故分析带来困难,很难找出真正的事故原因，致使同类事故重复发生。(4) 由于信号稍纵即逝，操作人员的精力必须高度集中，加重了工人的负担。近年来,研制成功的、且已为许多矿山实际应用的PLC信号系统，能够克服上述缺点。它不但完全符合冶金矿山安全规程中有关提升信号的各项规定，而且保留了原信号系统的特点和操作习惯，技术改造方便，功能齐全。新型矿井提升机信号装置的使用有效地解决了在微机系统中信号的远距离传输和可靠性问题。1.1矿井提升机的工作原理 目前,国内多数矿山传统的竖井提升信号系统，一般由各种控制继电器和主令开关构成，它的突出特点是用“点信号”。矿井提升机的信号系统包括声、光信号、辅助信号、电话等,信号种类一般有:工作执行信号、提升去向信号、罐位信号、提升种类信号、检修信号、事故信号、联络信号等。为便于操作,各个矿山企业均制定了相应的信号规定，如规定声音一长为要罐、二短为上行、三短为下行等,并辅之以电话联系。 但是，信号规定仅仅从制度上保证操作安全，实际上并不能保证生产中不发生事故。近年来，研制成功的、且已为许多矿山实际应用的PLC信号系统，能够克服上述缺点。它不但完全符合冶金矿山安全规程中有关提升信号的各项规定，而且保留了原信号系统的特点和操作习惯，技术改造方便，功能齐全。采用PLC控制的电控系统,能按照国家安全规程的有关规定，来设计电控或信号系统的硬件和软件，并可对系统进行显示和控制,只有当提升机司机和信号人员都严格按规定程序进行操作无误,才能解除对提升机的闭锁。一套完备的PLC系统，通常由竖井信号、工业电视监控、数字深度指示器、有关计算及程控电话交换机等部分组成。1.2系统的基本构成及功能 1.2.1基本构成 该信号系统的关键是信号联络，在井底信号台只能进行按钮输入操作，车房信号台只能显示输出结果，井口信号台既能输入又能进行信号转发，在各自灌位只能进行一些特定的操作，例如在井口只能进行井口发灌，要灌，下行等操作。若操作不正常或误操作，信号将解除，不能发送出去，只能是井底、井口信号一致且无误时，才能在井口进行信号确认，而后信号转发出去。（注：运行时安全门打开时信号发不出去，一切信号将解除。） 设计中我用了指示灯、响铃、蜂鸣器作为输出显示。用不同声次的响铃分别代表上行、下行、慢上、慢下。同时代表各自运行的指示灯亮，并且有文字显示（文字注释在指示灯的下面，灯亮时文字即显示出来）。报警时蜂鸣器响，且代表不同故障的各自故障指示灯亮，同样有输出文字显示。由于在设计中除了电流检测、电压检测两个模拟量输入外其余的全是数字量（开关量），因此信号采集非常简单，可直接由开关量送给PLC，电流和电压的信号由电量变送器（再加个模拟块）传送给PLC。1.2.2 功能本次设计的功能包括车房信号台、井口信号台、井下信号台三部分的各自功能以及它们之间的相互联络：车房信号台功能：井口、井下提升信号的数字显示及文字显示。包括运人、运物、检修等工作方式的灯光显示信号，上行、下行，满上，满下，停车，急停等工作执行信号的灯光和数显信号。存储井口信号台本次、前次的打点信号。在极短的时间内响应井口信号台发出的指令,控制绞车的运行或停止。完成急停信号对安全回路的闭锁、停车信号,闭锁等内容。井口信号台功能：完成各种提升信号的按钮检测、显示及声音提示，包括运人、运物、检修，水平联系等选择按钮；上行、下行，满上，满下，停车、急停等信号按钮，完成水平及井下各种信号的闭锁和监控。完成向车房发送信号的功能，完成本次、前次的打点信号的存储。语言报警功能。井下信号台功能：完成各种信号的按钮检测、显示及声音提示，包括工作方式信号，工作执行信号及其他信号；完成本水平各种信号的闭锁功能，完成向井口发送信号的功能。完成对信号的存储记忆功能。这种系统有如下特点：(1) 提升系统增加了自动控制的功能。例如，当井下发出紧急停车信号时，能自动使提升机停车并进行停车闭锁。除此之外，还能实现对提升机过负荷和各种故障的检测、保护、联锁及罐笼对位等功能。(2) 显示方面具有特色。能根据需要显示井下各个中段的情况和显示信号种类。(3) 具有“记忆”功能。能“记忆”地面及井下各中段发出的信号，包括各种检修信号。(4) 工作可靠性高。由于PLC为无触点系统,可靠性更高,尤其是近年来PLC 方面的技术发展迅速,使由PLC 组成的系统的抗干扰能力越来越强,它能在恶劣的环境中可靠地工作,较为适合矿山环境不佳的特点。(5) 控制程序可变,具有很好的柔性。对于分期投产的矿山企业,这一点是十分重要的，因为，井下中段等工艺条件变化之后，不需改变信号系统的硬件，只需修改原有程序就可满足新的要求。 图1-1 设备配置示意图第2章 可编程序逻辑控制器简介 可编程序逻辑控制器（PLC）是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。2. 1 PLC的由来 1969年美国数字设备公司成功研制世界第一台可编程序控制器PDP-14，并在GM公司的汽车自动装配线上首次使用并获得成功。接着美国MODICON公司也研制出084控制，从此，这项新技术迅速在世界各国得到推广应用。1971年日本从美国引进这项技术，很快研制出第一台可编程序控制器DSC-18。1973年西欧国家也研制出他们的第一台可编程控制器。我国从1974年开始研制，1977年开始工业推广应用。进入20世纪70年代，随着微电子技术的发展，尤其是PLC采用通讯微处理器之后，这种控制器就不在不局限于当初的逻辑运算了，功能得到更进一步增强。进入20世纪80年代，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的迅猛发展，以16位和少数32位微处理器构成的微机化PLC，使PLC的功能增强，工作速度快，体积减小，可靠性提高，成本下降，编程和故障检测更为灵活，方便。2. 2 PLC的优点 1. 可靠性高，抗干扰能力强PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少到继电器控制系统的1/101/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。 2. 硬件配套齐全，功能完善，适用性强PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品，并且已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。PLC有较强的带负载能力，可直接驱动一般的电磁阀和交流接触器，可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强技术及人机界面的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。3. 易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。4. 系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便，容易改造。 PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。5. 体积小，重量轻，能耗低以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，仅相当于几个继电器的大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/21/10。它的重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。2. 3 PLC的应用领域目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类： 1. 开关量的逻辑控制这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。 2. 模拟量控制在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。 3. 运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。 4. 过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。 5. 数据处理现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可于造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。 6. 通信及联网PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。2. 4 PLC的工作原理 1. PLC的构成从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。 2. CPU的构成CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。 3. I/O模块PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。常用的I/O分类如下：开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。 4. 电源模块PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VDC）。 5. 底板或机架大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。 6. PLC系统的其它设备 编程设备：编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。也就是我们系统的上位机。 人机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。 7. PLC的通信联网依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出网络就是控制器的观点说法。PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC 之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。多数PLC具有RS-232接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。PLC的通信现在主要采用通过多点接口（MPI）的数据通讯、PROFIBUS 或工业以太网进行联网。图2-1 PLC组成示意图 图2-2PLC工作流程2. 5 PLC的编程语言 可编程控制器PLC中有多种程序设计语言，它们是：梯形图语言、布尔助记符语言、功能表图语言、功能模块图语言及结构化语句描述语言等。梯形图语言和布尔助记符语言是基本程序设计语言，它通常由一系列指令组成，用这些指令可以完成大多数简单的控制功能，例如，代替继电器、计数器、计时器完成顺序控制和逻辑控制等，通过扩展或增强指令集，它们也能执行其它的基本操作。功能表图语言和语句描述语言是高级的程序设计语言，它可根据需要去执行更有效的操作，例如，模拟量的控制，数据的操纵，报表的报印和其他基本程序设计语言无法完成的功能。功能模块图语言采用功能模块图的形式，通过软连接的方式完成所要求的控制功能，它不仅在可编程序控制器中得到了广泛的应用，在集散控制系统的编程和组态时也常常被采用，由于它具有连接方便、操作简单、易于掌握等特点，为广大工程设计和应用人员所喜爱。 PLC梯形图具有以下特点： 1. 它是一种图形语言，沿用传统控制图中的继电器触点、线圈、串联等术语和一些图形符号构成，左右的竖线称为左右母线。2. 梯形图中接点（触点）只有常开和常闭，接点可以是PLC输入点接的开关也可以是PLC内部继电器的接点或内部寄存器、计数器等的状态。3. 梯形图中的接点可以任意串、并联，但线圈只能并联不能串联。4. 内部继电器、计数器、寄存器等均不能直接控制外部负载，只能做中间结果供CPU内部使用。5. PLC是按循环扫描事件，沿梯形图先后顺序执行，在同一扫描周期中的结果留在输出状态暂存器中所以输出点的值在用户程序中可以当做条件使用。6. 语句表语言，类似于汇编语言。7. 逻辑功能图语言，沿用半导体逻辑框图来表达，一般一个运算框表示一个功能左边画输入、右边画输出。第3章 控制方案论证与选择3. 1可编程控制器与其它工业控制装置的比较 1. 可编程控制器与继电器控制的区别 在可编程控制器的编程语言中，梯形图是最为广泛使用的语言。通过可编程控制器的指令系统将梯形图变成可编程控制器能接收的程序。由编程器将程序键入到可编程控制器的用户存储区中去。 可编程控制器的梯形图与继电器控制线路图十分相似，主要原因是可编程控制器梯形图的发明大致上沿用了继电器控制的电路元件符号，仅个别地方有些不同。同时，信号的输入 / 输出形式及控制功能也是相同的，但可编程控制器的控制与继电器的控制还是有不同之处，主要表现在以下几方面： 1. 1控制逻辑。 继电器控制逻辑采用硬接线逻辑，利用继电器机械触点的串联或并联及延时继电器的滞后动作等组合成控制逻辑，其接线多而复杂，体积大，功耗大，一旦系统构成后想再改变或增加功能都很困难。另外，继电器触点数目有限，每只有 48 对触点，因此灵活性和扩展性很差。而可编程控制器采用存储器逻辑，其控制逻辑以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序，故称为 ” 软接线 ” ，其接线少，体积小，而且，可编程控制器中每只软继电器的触点数在理论上无限制，因此灵活性和扩展性很好。可编程控制器由中大规模集成电路组成，功耗小。 1. 2 工作方式。 当电源接通时，继电器控制线路中各继电器都处于受约束状态，即该吸合的都应吸合，不该吸合的都因受某种条件限制不能吸合。而可编程控制器的控制逻辑中，各继电器都处于周期性循环扫描接通之中，从宏观上看，每个继电器受制约接通的时间是短暂的。 1. 3控制速度。 继电器控制逻辑依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低。触点的开闭动作一般在几十毫秒数量级。另外，机械触点还会出现抖动问题。而可编程控制器是由程序指令控制半导体电路来实现控制，速度极快，一般一条用户指令执行时间在微秒数量级。可编程控制器内部还有严格的同步，不会出现抖动问题。 1. 4限时控制。 继电器控制逻辑利用时间继电器的滞后动作进行限时控制。时间继电器一般分为空气阻尼式，电磁式，半导体式等，其定时精度不高，且有定时时间易受环境湿度和温度变化的影响，调整时间困难等问题。有些特殊的时间继电器结构复杂，不便维护。可编程控制器使用半导体集成电路作定时器，时基脉冲由晶体振荡器产生，精度相当高，且定时时间不受环境影响，定时范围一般从 0.001s 到若干分钟甚至更长。用户可根据需要在程序中设定定时值，然后由软件和硬件计数器来控制定时时间。 1. 5计数限制。 可编程控制器能实现计数功能，而继电器控制逻辑一般不具备计数。 1. 6设计和施工。 使用继电器控制逻辑完成一项控制工程，其设计、施工、调试必须依次进行，周期长，而且维修困难。工程越大，这一点就越突出。而用可编程控制器完成一项控制工程，在系统设计完成以后，现场施工和控制逻辑的设计 ( 包括梯形图设计 ) 可以同时进行，周期短，且调试和维修都很方便。 1. 7可靠性和可维护性。 继电器控制逻辑使用了大量的机械触点，连线也多。触点开闭时会受到电弧的损坏，并有机械磨损，寿命短，因此可靠性和可维护性差。而可编程控制器采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，它体积小，寿命长，可靠性高。可编程控制器还配有自检和监督功能，能检查出自身的故障，并随时显示给操作人员，还能动态地监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。 1. 8价格。 继电器控制逻辑使用机械开关，继电器和接触器，价格比较低。而可编程控制器使用中大规模集成电路，价格比较高。 从以上几个方面的比较可知，可编程控制器在性能上比继电器控制逻辑优异，特别是可靠性高，设计施工周期短，调试修改方便，而且体积小，功耗低，使用维护方便，但价格高于继电器控制系统。从系统的性能价格比而言，可编程控制器具有很大的优势。 2. 可编程控制器与微机系统的区别 简言之，微型计算机计算机是通用的专用机，而可编程控制器则是专用的通用机。 从微型计算机的应用范围来说，微型计算机是通用机，而可编程控制器是专用机。微型计算机是在以往计算机与大规模集成电路的基础上发展起来的，其最大特征是运算快，功能强，应用范围广。例如，近代科学计算，科学管理和工业控制等都离不开它。所以说，微型计算机是通用计算机。而可编程控制器是一种为适应工业控制环境而设计的专用计算机。选配对应的模块便可适用于各种工业控制系统。而用户只需改变用户程序即可满足工业控制系统的具体控制要求。如果采用微型计算机计算机作为某一设备的控制器，就必须根据实际需要考虑抗干扰问题和硬件软件设计，以适应设备控制的专门需要。这样，势必把通用的微型计算机计算机转化为具有特殊功能的控制器而成为一台专用机。 可编程控制器与微型计算机计算机的主要差异及各自的特点主要表现为以下几个方面： 2. 1 应用范围 微型计算机除了控制领域外，还大量用于科学计算，数据处理，计算机通信等方面。而可编程控制器主要用于工业控制。 2. 2 使用环境 微型计算机对环境要求较高，一般要在干扰小，具有一定的温度和湿度要求的机房内使用。可编程控制器则使适用于工业现场环境。 2. 3 输入 / 输出 微型计算机系统的 I/O 设备与主机之间采用微电联系，一般不需要电气隔离。而可编程控制器一般控制强电设备，需要电气隔离，输入输出均用光电耦合，输出还采用继电器，可控硅或大功率晶体管进行功率放大。 2. 4 程序设计 微型计算机具有丰富的程序设计语言，如汇编语言， FORTRAN 语言， COBOL 语言， PASCAL 语言， C 语言等，其语句多，语法关系复杂，要求使用者必须具有一定水平的计算机硬件知识和软件知识。而可编程控制器提供给用户的编程语句数量少，逻辑简单，易于学习和掌握。 2. 5系统功能 微型计算机系统一般配有较强的系统软件，例如操作系统，能进行设备管理，文件管理，存储器管理等。它还配有许多应用软件，以方便用户。而可编程控制器一般只有简单的监控程序，能完成故障检查，用户程序的输入和修改，用户程序的执行与监视。 2. 6 运算速度和存储容量 微型计算机运算速度快，一般为微秒级，因有大量的系统软件和应用软件，故存储容量大。而可编程控制器因接口的响应速度慢而影响数据处理速度。一般可编程控制器接口响应速度为 2 ms ，巡回检测速度为 8ms/K 字。可编程控制器的软件少，所编程序也简短，故内存容量小。 2. 7 价格 微型计算机机是通用机，功能完善，故价格较高，而可编程控制器是专用机，功能较少，其价格是微型计算机的十分之一左右。 从以上几个方面的比较可知，可编程控制器是一种用于工业自动化控制的专用微型计算机系统，结构简单，抗干扰能力强，价格也比一般的微型计算机系统低。3. 2 系统总体设计思想 3.2.1矿井提升机信号系统的控制系统 我们在对矿井提升机信号系统的控制系统进行选择之前先了解一下其组成及工作原理：矿井提升机在矿山、建筑等行业应用非常广泛, 是集机、电于一体的大型复杂系统矿井提升机是矿井生产中极其重要的环节, 是矿井生产的关键的设备之一。矿井提升机是联系矿山井上和井下的“ 咽喉” 设备, 主要用于提运煤炭和煤研石、运送物料、提升人员和设备。提升系统的工作任务是安全、快速、可靠、高效地完成提升运输任务, 而安全运行是最重要的。矿井提升机信号系统是矿井提升机的重要组成部分，提升机的运行全靠信号系统的信号发出。该系统工作的关键是信号如何联络。 矿井提升机的信号系统包括声、光信号。辅助信号、电话等。信号种类一般有：工作执行信号提升去向信号罐位信号、提升机种类信号、检修信号、故障信号、联络信号等。首先我们应清楚提升机给信号系统的信号以及提升机从信号系统所得到的信号,由此而进行各种操作。图3-1 控制系统内容3.2.2系统总体设计本设计以某矿山提升机信号系统工程实例基础。信号系统有保护系统、信号系统、和信号输入。信号系统有功能信号（运人、运物、运矿、检修、上行、下行），罐笼去向（井口、井底），罐位（井口、井底）。注：本设计罐位不包括井下各中段，只有井口、井底两罐位。如2-1图所示。设计内容包括三大部分：井口信号台、井底信号台、以及车房信号台。系统设计要求能实时反映提升机的各种状态及罐位。且井口井底的输出一致经信号确认后，方可发送信号到车房信号台。两罐位信号部一致或误操作，信号会解除。不能发送。需重新进行信号联络。3. 3方案的确立 根据设计要求，要完成任务有多种选择方案，可以由各种控制继电器和主令开关构成，它的突出特点是“点信号”（电铃震响或指示灯明灭的次数）来代表各种提升信号。各提升中段的点信号直接传送到井口总信号房，再由井口总信号工转发到提升机房。也可以采用单片机作为主控制系统。控制台通过单片机的串行口来实现主从式多级通讯,系统以上井口控制台作为主控制台,下井口、绞车房控制台为从控制台。也可以采用PLC作为信号系统的控制系统，可在井口、井底、车房信号台给用一个PLC亦可以只在井口使用PLC，原理和使用继电器的一样，都通过井口信号工的信号确认以及转发，完成信号系统的功能。 3.3.1方案一 采用继电器和主令开关构成主回路。采用点信号来代表各种提升信号。例如以一长点表示要罐,一长两短表示上行,一长三短表示下行,两短表示提物,三短表示提人等等。 这种信号系统结构简单、操作方便,但存在如下缺点: (1) 由于无法保留和复现点数,所以信号识别全凭操作者的听觉和视觉,容易造成信号的误认和误传,因信号的误认和误传而导致的提升事故屡见不鲜。 (2) 信号之间、信号系统与提升机电控系统之间没有联锁,井口总信号工和司机的操作不受制约,很容易因误操作而引发事故。 (3) 声光信号一瞬即逝,无据可查,一旦发生事故,给事故分析带来困难,很难找出真正的事故原因,致使同类事故重复发生。 (4) 由于信号稍纵即逝,操作人员的精力必须高度集中,加重了工人的负担。 以上缺点严重影响了提升机运行的安全，传统的继电器信号系统为有触点系统，元件易发生故障。工作可靠性差，一旦控制或闭锁失灵，则事故将不可避免。此信号系统正在被淘汰。3.3.2方案二该控制系统采用了先进的数字通信技术,该系统分上井口、下井口和绞车房三个控制台,各控制台采用MCS89C51 单片机作CPU ,控制台通过单片机的串行口来实现主从式多级通讯,系统以上井口控制台作为主控制台,下井口、绞车房控制台为从控制台。下井口到上井口需两对电缆。各控制台还配有数字、汉字提示,语音提示,这样既照顾了操作人员的习惯操作,又减轻了工作人员的负担。同时,增加了信号的存储功能,便于以后的查证。系统采用分时的半双工通讯电路,通过改变电平来分时完成对下井口和绞车房的通讯。其原理框图见下图所示。3-2系统原理框图新型矿井提升机信号装置在系统设计中应用了先进的单片机技术、数字通信技术和汉字显示技术, 具有声光兼备、汉字显示、数字存储、故障诊断、安全闭锁保护等特点。尤其在通信方面, 采用了数字通信技术, 只需两对普通电缆, 且信号种类和数量不受限制, 提高了信号传输的可靠性和灵活性, 功能灵活多样, 扩展方便。新型矿井提升机信号装置的使用有效地解决了在微机系统中信号的远距离传输和可靠性问题。 该控制系统功能齐全，下井口到上井口只需两对电缆,既方便又经济。各控制台还配有数字、汉字提示,语音提示,这样既照顾了操作人员的习惯操作,又减轻了工作人员的负担。同时,增加了信号的存储功能,便于以后的查证。 但煤矿工作环境恶劣,各种电机的频繁启动与运行引起的电磁干扰以及电网的不稳定,对通讯信号和通讯装置都将产生巨大的影响。3.3.3方案三在井口信号台使用PLC，井底只进行按钮操作，车房只能显示输出结果：如文字显示各种工作执行信号和罐位信号，声音提示运行状态及故障。各部分的逻辑控制中心均由日本三菱公司生产的PLC 所构成。信号有模拟信号和数字信号，大部分是开关量，可直接传送给PLC，模拟信号由电量变送器再用模拟输入模块FX2N-2AD传送给PLC。各部分之间的信号经信号确认，直接转发到PLC。车房信号台安装在绞车司机房内,井口、井下信号台分别安装在井口、井下的信号房内。井口、井下罐位信号由光电开关采集。该控制系统原理框图见下图2-3所示。 该系统的信号的发送方式： (1) 转发方式。井下的信号必须经由井口转发,不得越过井口信号工直接向车房发送,井口信号工必须在井下信号发出后,才能发出信号。当井口信号和井下信号一致时,该信号才能传到车房,否则无效,需井口信号工重发。在信号发出的同时,井口、井下均有灯光显示、声音提示、数字记忆。记忆的数字直到下一个信号发出才会消失。 (2) 直发方式。停车(急停) 信号采用直接向车房发送的方式,不经上井口转发以保证快速停车。当急停信号发出后,其他指令信号均不能发出,并能闭锁提升机安全控制回路。当信号为慢上、慢下时能闭锁提升机的高速运转控制回路。 该控制系统对对信号系统进行检测和控制，增加并完善信号装置的功能，使提升设备的工作更加安全可靠。 方案二和三的控制系统都比较安全、可靠，且能够实现设计要求。两者的控制系统一个为单片机，另一各为PLC。为了进行方案确定，我们首先看一下两者的区别： PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设3-3 PLC控制系统原理框图图3-4 PLC控制系统示意图计。通过以上几种方案综合考虑，但由于煤矿工作环境恶劣,各种电机的频繁启动与运行引起的电磁干扰以及电网的不稳定,对通讯信号和通讯装置都将产生巨大的影响。它具以下特点： （1）可靠性高，抗干扰能力强。高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的FX系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性。 (2）配套齐全，功能完善，适用性强 。PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。（3） 易学易用，深受工程技术人员欢迎 PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不