毕业设计（论文）-基于PLC的矿用挡车栏控制系统.doc

摘 要随着自动控制理论和 PLC 技术的发展，具有易于使用、功能强大、高可靠性、扩展能力强、广泛的适用性和组成控制系统的简洁性等诸多优点的PLC控制技术，得到了越来越广泛的应用。本论文以作者研究的基于PLC的矿用挡车栏控制系统项目为背景，从PLC控制系统设计的角度，探讨PLC控制技术的应用。本课题主要是对基于PLC的矿用挡车栏控制系统进行设计，以实现有效的对挡车栏进行手动控制和自动控制；并且能够对矿车的运行状态进行实时监控，当矿车运行出现问题时可及时报警并控制挡车栏对矿车进行拦截；能够实现与上位机进行通讯，可以在人机界面中观察矿车状态并进行手动操作。本次设计应用小型可编程控制器（西门子S7-200 CPU224）作为控制系统硬件部分控制核心，采用组态王设计人机界面，使用CAD制图软件绘制电气原理图，采用西门子STEP7-MicroWIN编程软件进行编程。程序调试结果表明本次设计的系统能够实现对矿用挡车栏的自动和手动控制，可与上位机进行通讯。本设计可应用于现场工作。关键词：PLC 挡车栏 控制系统 通讯ABSTRACTWith the development of the theory of automatic control and PLC technology, with easy-to-use, powerful, high reliability, scalability, broad applicability and composition of the simplicity of the control system, and many other advantages of PLC control technology, have been increasingly using. The thesis takes PLC-based mine cars blocked field control system project as the background, from the point of view of the PLC control system design, to explore the application of PLC control technology.The main subject of the PLC-based mining car retaining hurdle control system designed to achieve effective bar block car manual control and automatic control; and real-time monitoring of the operational status of the tramcar, when tramcar run problems timely warning and control block car field of tramcar intercept; able to communicate with the host computer, and can be observed in the man-machine interface the tramcar state and manual operation. The design application of small programmable controller (Siemens S7-200 CPU224) as control core hardware part of the control system, using King VIEW to design human-machine interface, CAD drawing software to draw electrical schematics, and Siemens STEP7-MICRO/WIN programming software to program. The tests show that the design can realize automatic and manual control to the car retaining hurdle, and can communicate with the host computer. This design can be applied with the field work. Key words： PLC Car retaining hurdle Control System Communications 目 录前 言1第一章 绪论21.1 PLC控制技术的产生和发展21.2 PLC控制技术国内外应用现状21.3 矿用挡车栏控制系统的研究背景、研究现状及研究意义31.4 矿用挡车栏系统功能介绍31.5 设计方案选择4第二章 PLC控制系统设计的方法52.1 PLC的结构和工作原理52.1.1 PLC的基本52.1.2 PLC的工作原理62.1.3 PLC的编程语言72.3 PLC控制系统的设计原则82.4 PLC控制系统的设计步骤92.5 PLC控制系统硬件设计102.5.1 PLC机型选择102.5.2 I/O模块及点数的选择102.5.3 存储容量的选择102.5.4 特殊功能模块的选择112.6 PLC控制系统软件设计112.6.1 PLC程序设计步骤112.6.2 PLC 程序设计方法122.6.3人机界面设计132.7 PLC控制系统通讯设计14第三章 矿用挡车栏控制系统的设计与实现153.1挡车栏系统简介153.1.1挡车栏系统组成153.1.2挡车栏系统工作原理163.2矿用挡车栏控制系统总体设计163.2.1速度检测原理163.2.2系统闭环控制原理173.3矿用挡车栏控制系统硬件设计173.3.1 PLC设备选型及I/O分配173.3.2 电气原理图183.4矿用挡车栏控制系统软件设计与实现193.4.1矿用挡车栏控制系统PLC程序193.4.2位置检测系统193.4.3挡车栏系统203.4.4声光语音报警系统213.5 矿用挡车栏控制系统人机界面213.5.1设计要求223.5.2数据的准备223.6 人机界面233.6.1登陆界面233.6.2手动模式界面243.6.3自动模式界面253.6.4参数设定界面253.7 挡车栏PLC控制系统通讯设计26结 论28谢 辞29参考文献30大连交通大学2013届本科生毕业设计（论文）前 言斜井轨道提升时煤矿提升系统中的一个重要组成部分，但目前斜井轨道提升系统在运行过程中跑车事故发生频率较高，是煤矿安全生产的薄弱环节。特别是一些煤矿由于资金匮乏、人为操作较多等原因，造成装置磨损老化，容易出现钢丝绳断裂，发生跑车事故。煤矿跑车事故危害严重，除了撞坏设施外，还会造成人员伤亡等严重后果。为了解决这一问题，多数煤矿选择在斜井中安装挡车栏装置，挡车栏装置可以有效的对发生跑车的矿车进行拦截，避免造成重大人员伤亡及财产损失。本文设计的就是一款基于PLC的矿用挡车栏控制系统。可编程控制器（简称PLC）是一种新型的具有极高可靠性的通用工业自动化控制装置。它具有控制能力强、可靠性高、配置灵活、编程简单、方便使用、易于扩展等优点，是当今工业控制的主要手段和重要的自动化控制设备。本设计选用西门子S7-200中CPU224系列PLC作为控制核心。要求设计一个由PLC自动控制的挡车栏系统，由位置传感器检测车辆有无并计算车速，若矿车超速则自动开启挡车栏拦截矿车，可有效的减少由矿车跑车造成的损失。29第一章 绪论随着微电子技术、控制技术及信息技术的不断发展，PLC（Programmable Logic Controller，即可编程逻辑控制器）控制技术也得到了迅速的发展。本章首先讲述了PLC控制技术的产生、发展、国内外应用现状；然后介绍了基于PLC的矿用挡车栏控制系统的来源、研究背景、研究现状、研究意义及本系统所实现的功能。 1.1 PLC控制技术的产生和发展 在早期的工业控制中，多采用继电器控制系统，这种系统体积大、耗电多，改变生产程序非常困难。为改变这种状况，20世纪60年代末期，美国通用汽车公司（GM）提出需求，公开招标。随后，美国数字设备公司（DEC）研制出了世界上第一台可编程控制器，并成功的应用于汽车生产线上1。随后，日本、德国等相继引入PLC 技术，许多知名公司的加入使得PLC技术得到了迅速的发展，如：日本的三菱、松下、OMRON；德国的西门子、BBC 等公司。目前，全世界约有200多家公司从事PLC的研究与制造，生产着400多个系列的产品。早期的可编程控制器指令系统简单，只能完成顺序控制，一般只具有逻辑运算、定时、计数等功能。随着微电子技术、控制技术与信息技术的不断发展， PLC也在不断发展。20世纪80年代后期，以16位和32位微处理器构成的微机化PLC得到了巨大的发展，使其在概念上、设计上、性价比等方面都有了很大的突破。可编程控制器具有了浮点运算、函数运算、高速计数、中断计数、PID控制及联网等功能2，这些都使得 PLC 技术的应用范围和领域不断扩大。 1.2 PLC控制技术国内外应用现状 世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司(DEC)研制的。限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传输及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能和产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升，这标志着可编程控制器已步入成熟。20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车和轻工业等领域的应用都得到了长足的发展3。我国可编程控制器的引进、应用、研制和生产是伴随着改革开放的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。目前，我国已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。1.3矿用挡车栏控制系统的研究背景、研究现状及研究意义目前我国矿山井下辅助运输绝大多数仍然以轨道运输为主要方式，斜巷轨道运输又是煤矿辅助运输的重要一环，其特点是工作范围广、战线长、占用设备多、设备设施流动性大、涉及人员多。在目前煤矿生产中，运输事故还占有很大的比例。在斜巷矿车移动中，由于绞车司机的违章作业、信号把钩工的不规范推车、连挂车和矿车连接装置的不完好等原因,易发生跑车事故。一旦发生跑车，就可能造成设备损坏、中断斜巷运输,造成严重的经济损失，严重的还会造成人员伤亡,对矿井的安全生产造成严重影响。在煤矿斜井绞车提升运输作业时，为保证斜井提升时绞车牵引的矿车（或箕斗）能安全、有效地运行，在斜井一定位置设置挡车栏跑车防护装置是较好途径。实践证实，当斜井发生跑车时，若挡车栏处于开启位置时，挡车栏能有效的将跑车挡住，防止跑车继续下坠造成重大人员伤亡及财产损失4。1.4矿用挡车栏系统功能介绍本设计任务是针对基于PLC的矿用挡车栏系统进行设计。该系统应实现以下功能要求：(1) 能够有效的对挡车栏进行控制，分为手动控制和自动控制两种方式；(2) 能够对矿车的运行状态进行实时监控，当矿车运行出现问题时可及时报警并控制挡车栏对矿车进行拦截；(3) 能够与上位机进行通讯，可以在人机界面中观察矿车状态并进行手动操作。本系统可在煤矿、金属矿山、非金属矿山等所有倾角在30以下的单轨提升运输斜巷中安装使用。当斜巷矿车发生跑车时，对发生跑车的矿车进行有效拦截以免扩大事故。 1.5设计方案选择通过查阅资料，认真分析，综合比较，最后确定了以下这种设计方案：应用小型可编程控制器（西门子S7-200中CPU224）作为控制系统硬件部分控制核心，采用组态王软件设计人机界面，使用CAD制图软件绘制电气原理图，采用西门子STEP7-MicroWIN编程软件进行编程。本设计方案简单易懂，所用到的软件和硬件技术发展成熟，便于查找相关资料、采集相关信息，而且实验室具备可编程控制器的应用条件，指导老师具有相关的工作基础和工作经验，毕业设计机房及实验室具备研究条件，综合以上所述，本设计方案完全可行，可以完成本课题的研究和设计任务。第二章 PLC控制系统设计的方法本章旨在探讨一种广泛适用的PLC控制系统设计方法，在完成本章内容的过程中参考了大量的国内外PLC控制系统设计的应用实例，同时结合了在实践项目中的一些设计经验。本章内容对于在工程应用中设计基于PLC的控制系统具有一定的指导意义。 2.1 PLC的结构和工作原理PLC 是基于PLC的控制系统的核心部分，设计基于PLC的控制系统先要理解PLC的结构和工作原理。 2.1.1PLC的基本组成PLC的组成与计算机十分相似，主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）接口、电源等部分组成，如图 2-1 所示。图2-1 PLC基本组成简图中央处理器（CPU）：CPU是PLC的核心，控制从编程器键入的用户程序和数据的接收与存储；用扫描的方式通过I/O部件接收现场的状态或数据；诊断PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等；执行用户程序、完成各种数据的运算、传递和存储等功能；根据数据处理的结果，刷新相关标志位的状态和输出状态寄存器的内容，实现输出控制、制表打印或数据通信等功能。现代PLC常用的CPU有通用微处理器、单片微处理器和位片式微处理器。 存储器：根据存储器在系统中的作用，PLC存储器包括系统存储器和用户存储器两部分。系统存储器用来存放系统程序，并固化在ROM中，用户不能直接更改。用户存储器包括用户程序存储器（程序区）和功能存储器（数据区）两部分。用户程序存储器用来存放根据具体的控制任务编写的PLC程序，需要经常 调试、修改，存储器类型一般为RAM（有掉电保护）、EPROM或EEPROM等。用户功能存储器则一般用来存放用户程序中使用的状态变量、数值数据等。 输入/输出（I/O）接口：PLC通过I/O接口与外界连接，输入接口接收和采集开关量输入信号或模拟量输入信号，如按钮、行程开关、电位器、传感器等；输出接口连接被控对象中的各种执行元件，如电磁阀、指示灯、电机等。 电源：小型PLC内部有一个开关式稳压电源，一般可以为输入电路和外部的电子传感器提供24V直流电源。 通讯：用户用HMI设备与PLC之间的通讯网络，一般用工业以太网。2.1.2 PLC的工作原理PLC从硬件结构上看与计算机组成相似，它也有中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）接口、电源等。PLC有两种操作方式：RUN方式与STOP方式。在RUN方式，通过执行用户程序来实现控制功能；在STOP方式，CPU不执行用户程序，可用编程软件创建和编辑用户程序，并将用户程序下载到PLC中。PLC的工作过程可以概括地归纳为上电初始化，CPU自诊断过程 ，网络通信处理，用户程序扫描，输入/输出信息处理等五个阶段。图2-2为PLC的工作过程示意图。图2-2 PLC的工作过程(1) 上电初始化：PLC上电后进行系统初始化，清除内部继电器区，复位定时器等，对电源、PLC内部电路、用户程序的语法进行检查。 (2) CPU自诊断：PLC在每个扫描周期都要进入CPU自诊断阶段，以确保系统可靠进行。自诊断程序定期检查用户程序存储器、I/O 单元的连接、I/O总线是否正常，定期复位监控定时器等。 (3) 网络通信处理：配有网络的PLC系统才有此处理过程。在这个阶段，进行PLC之间以及PLC与计算机或其他终端设备之间的信息交换。 (4) 用户程序扫描阶段：PLC靠执行用户程序来实现控制要求。PLC的CPU采用分时操作的原理，其工作方式是一个不断循环的顺序扫描过程，扫描从第一条用户程序开始，在无中断或跳转控制的情况下，按存储地址号递增的方式顺序逐条扫描用户程序，也就是顺序执行程序，直到程序结束，即完成一个扫描周期，然后又从头开始执行用户程序，并周而复始地重复。 (5) 输入/输出信息处理：PLC在正常运行状态下，每一个扫描周期都要进行输入、输出信息处理。PLC在内存中设置了两个映像区：一个为输入映像区，另一个为输出映像区。此过程以扫描的方式把外部输入信号的状态存入输入映像区；将运算后的结果存入输出映像区，直至传送到外部被控设备5。 2.1.3 PLC的编程语言PLC的逻辑控制功能是通过编程语言来实现的。一般来说，有五种PLC编程语言顺序功能图、功能块图、梯形图、指令表和结构文本，其中最常用的是顺序功能图编程语言和梯形图编程语言，下面具体介绍这两种编程语言。(1) 顺序功能图（SFC）图2-3 顺序功能表顺序功能图（Sequential Function Chart，SFC）是为了满足顺序逻辑控制而设计的编程语言。编程时将顺序的动作流程分成步和转换条件，如图 2-3 所示，根据转换条件一步一步的按照顺序动作来执行控制过程。图中每一步代表的是一个控制功能任务，每个控制任务可以有一个或者多个动作。每一步用一个方框表示，在方框内有用于完成相应控制功能任务的梯形图逻辑。顺序功能图使程序的结构清晰，易于阅读和维护，减轻了编程、调试的工作量，主要应用于系统的规模较大、程序关系较复杂的场合。(2) 梯形图（LD） 梯形图（Ladder Diagram，LD）是PLC程序设计中用得最多的一种编程语言。梯形图采用因果关系来描述事件发生的条件和结果。在PLC梯形图中使用的内部继电器、定时器、计数器等都是由软件来实现的，因而使用方便，修改灵活。梯形图与继电器控制系统的电路图非常相似，在工业过程控制领域，电气技术人员对继电器逻辑控制技术较为熟悉，因此，易于掌握和学习梯形图，使得梯形图得到了广泛的应用6。图2-4为一个简单的西门子S7-200系列PLC梯形图示例。 图2-4 西门子S7-200系列PLC梯形图2.3 PLC控制系统的设计原则PLC控制系统是为现场工艺控制服务的，其设计一般应遵循以下几个原则：(1) 根据工艺流程进行设计，保证能满足控制对象的工艺要求，能按照工艺流程准确、可靠的工作。 (2) 在满足控制要求的前提下，设计合理、经济，既要能发挥 PLC 控制技术的优点，又要尽量减少PLC系统硬件的费用。(3) 要考虑PLC控制系统未来的可扩展性。 (4) 控制系统的构成应力求简单、实用，操作、维护、检修方便，安全可靠。(5) PLC控制系统的可靠性、抗干扰性、接地系统的设计。2.4 PLC控制系统的设计步骤图2-5 控制系统设计步骤示意图图2-5为PLC控制系统设计的一般步骤，具体分析如下： (1) 分析控制要求：在设计PLC控制系统之前，要深入了解和分析被控对象的工艺要求和控制要求，设计出令人满意的控制系统。 (2) 确定输入/输出设备：根据控制要求选 择合适的输入 设备（控制按钮、开关、传感器等）和输出设备（接触器、继电器等），并确定PLC所需的I/O点数。 (3) 选择合适的PLC：根据所需的I/O点数和具体PLC控制系统的功能要求，选择类型合适的PLC，需要考虑PLC的机型、存储容量、电源模块和其他功能模块等。 (4) I/O分配：规定PLC的I/O端子和输入/输出设备之间的对应关系，绘制出I/O端子的连接图。 (5) PLC程序设计：根据控制对象和控制要求对PLC进行编程。在PLC程序设计阶段一般先画出程序流程图，再编写程序。(6) 模拟调试：可以用按钮、开关来模拟数字量，用电压源和电流源来代替模拟量，对程序反复调试、修改，直到满足控制要求。 (7) 现场安装与配线：将输入/输出设备与PLC之间的连线接好。 (8) 联机调试：将PLC程序与现场的输入/输出设备一起进行调试，解决发现的问题，使系统满足控制要求。 (9) 整理技术文档：要整理的技术文档包括设计说明书、I/O接线原理图、程序清单、元器件明细表、使用说明书等7。 2.5 PLC控制系统硬件设计在PLC控制系统的设计中硬件设计和软件设计是两个主要部分。 PLC控制系统的硬件设计主要指硬件的选型、外部电路的设计及PLC接线图的绘制等，其中PLC及其功能模块的选择又是硬件设计中首要考虑因素，也是本节PLC控制系统硬件设计的主要探讨内容。2.5.1 PLC机型选择 在考虑PLC机型时，在满足系统功能的前提下，选择最可靠、使用和维护方便及性价比最优的机型。PLC机型一般分为整体式和模块式结构，对于控制过程比较简单的系统一般选用低档整体式结构机型；对于控制过程比较复杂、控制功能要求较高的系统，如要求实现PID运算、环控制、通信联网等，可根据控制规模及复杂的程度，选用中档或高档模块式结构机型，便于功能的扩展。 另外，由于PLC是直接针对工业控制设计的一种控制器，生产厂家在设计时都把它考虑成能在恶劣的环境条件下可靠的工作。尽管如此，不同的PLC还是有不同的环境技术条件，因此，在设计控制系统时，对环境条件要进行充分的考虑。2.5.2I/O模块及点数的选择PLC控制系统与工业生产过程的联系是通过I/O接口模块来实现的。PLC输入端子从现场收集的信息及输出端子输出给外部设备的控制信号都需经过一定距离，为了确保这些信息的准确无误，PLC的I/O接口模块都具有较好的抗干扰能力。根据实际应用的不同，PLC相应有许多种I/O接口模块，包括开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块及模拟量输出模块，可根据实际需要进行选择使用。I/O点数的确定既要尽可能的降低费用，又要充分考虑一定的余量。一般I/O点数较多，PLC价格也较高，若备用的I/O点数量太多，将使成本增加。根据被控对象的输入、输出总点数，并考虑到今后的调整和扩充，通常I/O点数按实际需要的10%20%考虑备用量8。2.5.3存储容量的选择PLC用户程序所需的存储容量主要与系统的I/O点数、控制要求、编程者的编程水平等有关。一般情况下，PLC的存储容量随着机型的大小变化，小机型PLC的最大存储容量一般低于6KB，中等机型的PLC最大存储容量一般可到64KB，而大机型的PLC最大存储容量可达到上兆字节。 选择存储容量时一般只能做大致的估算：用户存储容量开关量输入点数10开关量输出点数5模拟量输入/输出点数100（字节）。为了使用的方便，一般也应留有估算容量的30%50%的余量，对于经验缺乏者，留有的余量应该更大些。2.5.4特殊功能模块的选择 模块式结构的PLC有许多扩展功能模块可供选择。在设计PLC控制系统时，可能会遇到用开关量I/O模块或模拟量I/O模块不能解决的问题，如A/D转换、D/A转换、高速计数、PLC通信、PID运算等，此时可根据控制系统的功能需求来选择合适的特殊功能模块。2.6 PLC控制系统软件设计 PLC控制系统软件的设计主要包括PLC程序设计和人机界面设计。2.6.1 PLC程序设计步骤 图2-6为PLC程序设计的基本步骤，具体分析如下： (1) 前期准备工作：这一步主要是详细分析控制系统的工艺流程和控制要求，了解各种被控设备的特性。如果控制系统比较复杂，可以将控制系统分成多个模块，这样有利于简化编程。 (2) 程序逻辑流程图设计：根据控制系统工艺要求和控制系统的具体情况，确定程序的逻辑流程图。如果是分模块设计，分别设计各模块的逻辑流程图，然后确定各模块之间的连接关系。程序流程图是PLC编程的主要依据，要尽可能详细。 (3) 编写程序：根据设计出的流程图来编写程序，这是整个PLC程序设计的核心部分。在保证程序准确、可靠的同时，要及时地对编出的程序进行注释，便于阅读、调试和修改程序。 (4) 模拟调试：程序编写完成后，可借助于电压源、电流源、开关等设备来进行程序的模拟调试。可分单元或分模块来调试程序，然后对整个程序进行调试。 (5) 现场联机调试：将PLC程序与现场的输入/输出设备一起进行调试，及时解决发现的问题，这是整个控制系统设计中的重要环节，只有经过现场调试，才能确定控制系统的设计是否满足控制要求。 (6) 整理技术文件：对软件部分来说，技术文件主要包括PLC程序、逻辑流程图、使用说明书和帮助文件等9。 图2-6 PLC程序设计图2.6.2 PLC程序设计方法在实际工程中，PLC程序设计有多种方法如：经验设计法、顺序功能图设计法、逻辑流程图设计法、解析法（逻辑设计法）、时序图设计法等，前三种方 法比较常用，也是本文在PLC程序设计中常用的方法。 (1) 经验设计法 经验设计法是根据系统工艺流程和控制要求，运用自己的或者别人的经验来设计PLC程序。有时为了得到一个好的设计结果，需要进行多次调试和修改。这种设计方法具有一定的局限性和随意性，设计所需的时间和设计的质量都与设计者的经验有很大的关系。经验设计法一般用于对简单的控制系统的PLC程序设计，可以收到快速完成的效果。对于比较复杂的控制系统，则很少采用经验设计法。 (2) 顺序功能图设计法 对于按动作的先后顺序进行控制的系统，适合使用顺序功能图法进行PLC程序设计。顺序控制就是按照生产工艺规定的动作顺序，在各个输入信号的作用下，根据内部状态和时间的顺序，各个执行机构有序的进行操作。 顺序功能图主要由步、有向连线、转换、转换条件和动作（或命令）组成，如图2-3所示为顺序功能图的表示方式。步又可称为工作步，它表示系统中的一个稳定状态；转换条件就是从一步向另一步转移时的触发条件；两步之间用有向连线表示转换；在每个稳定状态（即一个步）下，可以有一个或者多个PLC输出触点的动作。 采用顺序功能图设计法时，首先要理顺系统的工艺控制过程，明确 各步的转换条件；然后准确的画出顺序功能图，是使用这种设计方法的关键；最后根据顺序功能图来编程（一般用梯形图）。要用好顺序功能图设计法，重要的是熟练掌握功能图的画法及根据功能图编程的方法。 (3) 逻辑流程图设计法 流程图即流程框图或称为框图，它是用约定的几何图形、有向线和简单的文字说明来描述控制系统的处理过程和程序的执行步骤。流程图从结构上分有单一顺序流程图、并发顺序流程图及选择顺序流程图等。逻辑流程图设计法就是根据控制系统的工艺流程，首先画出系统的逻辑流程框图，然后根据流程框图进行PLC程序设计。这种设计方法类似于高级语言的编程方法。这种方法详细地描述了控制系统的控制过程，便于设计、调试和维护程序，是设计PLC程序的有力工具，也是本文项目中用得最多的一种设计方法10。 2.6.3人机界面设计 在某些场合的PLC控制系统的设计中，需要有方便用户操作的人机界面。人机界面的功能有：一是通过人机界面，满足用户方便的与机器交流；二是通过人机界面中诸如仿真动画、实时数据显示等，用户可以获得系统执行过程中的一些重要信息；三是用户可以通过人机界面选择命令、键入数据或设置参数等方式来调整控制系统的执行。 在人机界面设计时，通常需要考虑以下几点： (1) 使用对象：控制系统的使用对象不同，要求也会不同。在生产一线的工人通常要求设计的界面简单，容易掌握，提示功能丰富；具有一定专业技术知识的人员，通常要求界面尽可能多的包含有用信息量。 (2) 学习的难易程度：在人机界面设计时，要尽可能的有形象提示，让用户花少量的时间就能掌握。 (3) 人机界面的控制方式：人机交互方式有多种类型，如对话方式、命令语言方式、菜单界面方式、功能按键方式、填表式界面及图形符号界面等。通常在实际项目中用得最多的是菜单界面方式和功能按键方式。 (4) 编程语言的选择：人机界面的设计可使用常用的计算机语言，如VB、VC、DELPHI等，也可使用工业组态软件来设计。设计人员可根据实际情况来选择。 (5) 硬件的选择：人机界面的开发需要有硬件的支持，如计算机、触摸屏等，可根据系统的实际情况和要求来选择。 2.7 PLC控制系统通讯设计为了适应PLC网络化要求，扩大联网功能，几乎所有的PLC为了适应可编程控制器网络化的要求，扩大联网功能，几乎所有的可编程控制器厂家，都为可编程控制器开发了与上位机通讯的接口或专用通讯模块。一般在小型可编程控制器上都设有RS422通讯接口或RS232C通讯接口；在中大型可编程控制器上都设有专用的通讯模块。如：西门子S7-200系列都设有标准的RS485接口等。可编程控制器与计算机之间的通讯正是通过可编程控制器上的RS422或RS232C接口和计算机上的RS232C接口进行的。可编程控制器与计算机之间的信息交换方式，一般采用字符串、双工或半、异步、串行通信方式。因此可以这样说，凡具有RS232C口并能输入输出字符串的计算机都可以用于和可编程控制器的通讯。 运用RS232C和RS422通道，可容易配置一个与外部计算机进行通讯的系统。该系统中可编程控制器接受控制系统中的各种控制信息，分析处理后转化为可编程控制器中软元件的状态和数据；可编程控制器又将所有软元件的数据和状态送入计算机，由计算机采集这些数据，进行分析及运行状态监测，用计算机可改变可编程控制器的初始值和设定值，从而实现计算机对可编程控制器的直接控制。第三章 矿用挡车栏控制系统的设计与实现由于矿车在煤矿、金属矿山、非金属矿山等所有倾角在30以下的单轨提升运输斜巷中运行，当斜巷矿车发生跑车时，将会造成很大安全事故，造成人身设备伤亡。基于上述背景，本章探讨矿用挡车栏控制系统的设计与实现，该系统是对发生跑车的矿车进行有效拦截以免扩大事故，特别适合于复合型斜巷中。整个挡车栏系统主要包括控制系统部分和机械部分。 3.1挡车栏系统简介 3.1.1挡车栏系统组成挡车栏系统主要由核心控制器、位置检测系统、挡车栏系统、监控报警系统等部分组成。、图3-1 挡车栏系统结构图(1) 核心控制器 核心控制器是挡车栏系统的控制核心，主要包括PLC、计算机控制台等部分。PLC控制所有挡车栏系统的动作流程，计算机控制台实现各种运行模式的切换、接收数据的输入、实时动画和数据监控等功能。 (2) 位置检测系统 位置检测系统是挡车栏系统的重要组成部分，主要由位置传感器及 其工作电源两部分组成。在矿车上坡的过程中，PLC通过位置检测系统采集当前矿车的位置，计算出矿车运行的速度来决定挡车栏的后序动作。 (3) 挡车栏系统 挡车栏系统由挡车栏、起动器、电机、绞线轮、阻车器、钢丝绳、吸能器等部 分组成。在矿车运行的过程中，突然矿车跑车，阻车器立刻工作，同时挡车栏开启，矿车冲击钢丝绳网，吸能器吸收钢丝绳中的能量，使矿车平稳停车。 (4) 监控报警系统 监控报警系统由监控摄像头，声光语音报警器等部分组成。矿车在运行过程中，可以直接观察到矿车运行状况，发生跑车后，可以直接语音报警提示15。 3.1.2挡车栏系统工作原理 挡车栏的功能是为了保护人身设备安全，防止矿车跑车后造成重大事故图3-2 挡车栏系统工作原理图挡车栏系统采用PC机作为控制系统的上位机，完成初始数据的输入、矿车位置检测、实时数据和动画的监控以及工作模式的切换等功能；PLC接收上位机的信息控制挡车栏的动作。图3-2为挡车栏系统的工作原理图。挡车栏系统有两种工作方式，分别是手动模式、自动模式，通过上位机的人机界面切换控制。(1) 手动工作模式 手动工作模式下，控制系统驱动位置检测线系统、矿车绞车系统完成矿车速度检测挡车栏开启流程，防止跑车造成事故。 (2) 自动工作模式 在自动工作模式下，控制系统驱动位置检测线系统、矿车绞车系统完成矿车速度检测挡车栏开启流程，跑车后自动语音报警。首先矿车在斜坡上运行，通过速度3个传感器检测出矿车在一定时间内的不同位置，计算判断出此时矿车的速度，开启挡车栏，超速时关闭挡车栏声光语音报警。此工作模式下，PLC实时计算此模式下的各种数据，如每次矿车的速度斜井的深度等，根据计算结果实时检测值，挡车栏自动完成整个过程动作。 3.2矿用挡车栏控制系统总体设计 3.2.1速度检测原理 要检测矿车在斜井中的运行速度， 经过分析，提出了在斜井坡上，每隔一段距离安装一个位置传感器，用来检测矿车在某段时间内运动的距离，从而计算出矿车运行的速度。图3-3分多段检测矿车运行速度方案。 图3-3 传感器位置示意图图3-3中所示，斜井坡长分2段进行检测矿车运行的速度，一共装有3个位置检测传感器，相互之间的距离分别为L1和L2。矿车运行至拐点处，第一个传感器检测，运行时间T1，斜坡上的第二个传感器检测到矿车运行信号，此时计算出矿车速度V1,矿车继续运行至第三个传感器，运行时间为T2，从而可以再次计算出，此时的矿车运行的速度16。3.2.2系统闭环控制原理 由挡车栏的工作原理可知，每次挡车栏的开启，与矿车在斜坡上的运动速度有关，当速度大于某个设定值时，挡车栏自动启动。图3-4 挡车栏系统闭环控制原理图图3-4为系统闭环控制原理图。由图可知，PLC、绞车电机和速度检查检测三者构成一个闭环控制回路。PLC接收到矿车位置检测信号，计算出矿车的运行的速度，若矿车超速则控制绞车电机开启挡车栏，钢丝绳网将矿车的动能转换为弹性势能，然后通过吸能器把弹性势能吸收，矿车安全平稳停下，避免事故发生。3.3矿用挡车栏控制系统硬件设计 3.3.1 PLC 设备选型及 I/O 分配 合理选择PLC对于提高PLC控制系统的性价比起着重要作用，PLC的选择应包括机型的选择、容量的选择、I/O模块的选择、电源模块的选择等几个方面。在矿用挡车栏控制系统中，经过调研、分析，选择了德国西门子公司生产的S7-200系列PLC作为系统的控制器。西门子S7-200系列，是S7系列中最先进的超级微型PLC，除了具有一般输入输出的功能外，还具有模拟量控制、定位控制等特殊功能。 S7-224系列PLC产品性能说明如下： 控制点数(I/O)最大允许扩展到 256 点。 布尔量的运算速度(0.22s)。 内置6个高速计数器 。 辅助继电器：M,S,L等；计时器：256 点；计数器：256点；数据寄存器：VB,VW,VD等。 丰富的功能扩展模块(最大可扩展7个模块)。在挡车栏控制系统中，采用组态软件设计的人机操作界面，可节省许多PLC的输入/输出点数。经过分析，确定矿用挡车栏控制系统共需要5点输入和4点输出，为了以后的调整和工艺改进的需要，在实际统计的I/O点数基础上，一般应加上1020的备用量，因此选用了S7-00中CPU224 型PLC，它具有14点输入和10点输出14。3.3.2电气原理图图3-5 挡车栏控制系统电气原理图(1) 输入端：I0.0I0.2分别为三个传感器的检测信号。在程序中用于控制定时器T37与T38，通过定时器即可得出矿车运行时间，计算出矿车速度。I0.5I0.6为挡车栏开启上限和下限返回信号。在程序中设定一个开启信号返回时间，如果没有在规定时间内收到返回信号，则说明挡车栏由于某些原因并未完全开启或关闭，需要及时报警以免发生事故。(2) 输出端：Q0.0为电机正转输出，控制挡车栏开启。Q0.1为电机反转输出，控制挡车栏关闭。Q0.2为矿车电机输出，用于控制矿车的启动与停止。Q0.3为报警输出。表3-1 矿用挡车栏控制系统PLC输入/输出模块对应用途输入信号输出信号编号用途编号用途I0.0检测矿车位置传感器信号Q0.0档车栏提升电机正传KM1（开启）I0.1检测矿车位置传感器信号Q0.1档车栏提升电机反传KM2（关闭）I0.2检测矿车位置传感器信号Q0.2矿车电机回路驱动KM3I0.3备用Q0.3系统故障报警输出KM4I0.4备用Q0.4备用I0.5检测挡车栏提升信号开到位Q0.5备用I0.6检测挡车栏提升信号开到位Q0.6备用3.4矿用挡车栏控制系统软件设计与实现 根据设计要求，矿用挡车栏控制系统的软件设计主要包括PLC程序的设计和人机界面的设计两大部分。 3.4.1矿用挡车栏控制系统PLC程序经过详细研究挡车栏的工作原理和控制要求，该系统PLC程序设计采用了分系统设计的思想，主要包括三个部分：位置检测系统、挡车栏系统、监控报警系统。程序的编写采用梯形图编程方式。使用西门子公司的V4.0 STEP7-MicroWIN SP6编程软件。 3.4.2位置检测系统位置检测系统是矿车运行在斜坡导轨上重要的检测系统，实时反应矿车运行的状况，编程时将位置检测程序 置于自动控制挡车栏首位指令之前。位置检测系统需要完成的功能是将矿车的运行速度检测计算出来。图3-6为位置检测系统逻辑流程。图3-6 位置检测流程图3.4.3挡车栏系统自动挡车栏开启和关闭是是矿用挡车栏控制系统软件的核心部分。矿车在斜坡运行过程中，PLC根据检测出的矿车运行速度和用户设定的值进行对比，当矿车速度超过设定值时，挡车栏钢丝绳网提升开启，防止跑车造成的事故，反之关闭。经过仔细的调研、分析，设计出自动开启和关闭挡车栏动作的逻辑流程图，如图3-7所示图3-7 自动挡车栏控制功能图在自动挡车栏控制入口处，需满足一系列的条件才能启动矿车，矿车开始运行进入 自动控制流程。图3-8 为绞车启动条件。图3-8 矿车启动条件在自动控制挡车栏程序中必需考虑的另一个方面是矿车停止运行的条件， 当正常的绞车停止或者手动按下停止按钮，或者遇到一些故障情况，程序将自动停止绞车工作。图 3-9为绞车停止条件，图中满足任意条件时，绞车将停止工作。图3-9 矿车停止条件3.4.4 声光语音报警系统图3-10 报警系统逻辑流程图图 3-10为报警系统流程图，其功能是将矿车跑车后，将故障发送至监控平台，并语音提示，减少人身设备伤亡。 3.5 矿用挡车栏控制系统人机界面在该系统中，使用亚控科技公司开发的组态王6.55来设计人机界面。组态软件是面向监控与数据采集的软件平台工具，能以灵活多样的组态方式提供良好的用户开发界面和简捷的使用方法。3.5.1设计要求 （1） 手动模式：通过上位机人机界面应能手动控制绞车及挡车栏等部件的动作。 （2） 自动模式：在绞车启动条件满足的情况下，应能通过人机界面控制挡车栏的启、停；在挡车栏开启过程中，需实时监视矿车速度关键数据。（3） 参数设定功能：应能设定矿车超速的关键初始数据，并提供给 PLC 程序。 （4） 系统管理功能：应能设置管理员与普通用户的权限、密码等功能。3.5.2 数据的准备 在用组态软件设计上位机的人机界面之前，需要定义好上位机与 PLC 通信的必要数据变量。数值型变量主要用于动画的设计、监控数据及初始数据的输入等；开关型变量主要用于挡车栏各种动作的控制及相关动作的动画控制。挡车栏人机界面设计中主要用到的数据变量及其用途如表 3-3 和表 3-4 所示，为方便 PLC 与组态软件的联机，表中的变量名称均为与 PLC 程序中对应的寄存器名称。表3-3 数值型变量变量用途变量用途VD0矿车初始速度VD20传感器之间距离L1VD4矿车速度V1VD24传感器之间距离L2VD8矿车速度V2VD28矿车速度设定超限值VD12运行时间T1VW32开启限位返回时间设定值VD16运行时间T2VW36关闭限位返回时间设定值表3-4 开关型变量变量用途变量用途SA1第一个位置传感