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采煤机电气控制系统设计,采煤,机电,控制系统,设计
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辽宁工程技术大学 本科毕业设计（论文）开 题 报 告 题 目 采煤机电气控制系统设计 指 导 教 师 田 立 勇 院（系、部） 机械工程学院 专 业 班 级 矿电11-1 学 号 1107250118 姓 名 隋 然 日 期 2015年03月28日 教务处印制4 一、选题的目的、意义和研究现状随着科学技术的发展和矿井生产现代化要求的不断提高，绿色煤矿安全煤矿是对现代化煤矿的要求。采煤机在煤矿开采中起到重要作用，人们对采煤机工作特性的认识也在逐步深化，采煤机控制系统也逐步趋于完善，各种新技术、新工艺逐步应用于矿井采煤机中。 1设计目的：本次毕业设计的题目是“采煤机电气控制系统设计”，为了提高采出率减少资源浪费，高效安全开采。2设计意义：研究采煤机电气系统有助于提高煤炭资源利用率；有助于工作面的生产效率；工作面自动化程度；采煤工作的劳动安全；降低劳动工人的劳动强度。3设计现状：目前，国外比较先进的采煤机控制系统有德国Eickhoff的IPC控制系统，美国JNY网络结构系统及日本三井三池的微机控制系统这些系统实现了采煤机的牵引系统控制，司机操作控制，关键系统的故障自诊断和保护。这些先进的系统在提高生产效率的同时可减少维护工作量，对生产流程的变更提供了相当的灵活性。早期国产采煤机控制系统经历了继电器控制，中小闺蜜集成控制等阶段。上世纪90年代开始发展以单片机和PLC为核心的采煤机操作控制系统。煤科院上海分院采煤机械研究所在90年代后期开发了以PLC为核心的采煤机控制系统。2000年太原矿山机械厂开发了以8051单片机为核心的煤机控制系统。2002年中国矿业大学为太原矿山机械厂开发了以嵌入式单板计算机为核心的采煤机监控及故障诊断系统，该系统采用i586商业单板机，windows操作系统环境，监控及故障诊断软件采用标准C+开发。2004年鸡西煤机厂开发的以嵌入式一体化工控机为核心，外配基于485总显得IO模块的工控机控制系统。目前国内用的较多的是以PLC和单片机集中控制系统.由于PLC不防爆，抗振动冲击能力不强，在煤矿井下适应性差。功能强的PLC又往往在结构上因为其通用性不够紧凑。现有的单片机集中控制系统，受单片机性能和芯片资源的限制，实现的功能过于简单，难以胜任现代化采煤机日益复杂和高级的控制要求。二、研究方案及预期结果（设计方案或论文主要研究内容、主要解决的问题、理论、方法、技术路线及论文框架等）设计的内容是通过采煤机电气控制系统实现采煤机的控制。本次论文采用电气原理图为主体，组成采煤机电气控制系统。在其主电气系统内，将部分操作信号、部分保护信号以及设定的一些行程参数与PLC信号结合起来进行逻辑运算处理，从而控制整个采煤机的运行。1设计内容：（1） 首先介绍本文的研究背景和意义，其次分析国内、外的研究现状，最后给出了本文的研究内容、研究方法和结构组织。（2） 主要介绍采煤机以及电动机选型。（3） 从总体上介绍采煤机电气控制系统设计，包括传感器，PLC，变频器等硬件选型。（4） 通过PLC控制实现采煤机电气控制系统智能化。（5） 主电路图接线设计以及PLC接线设计（6） 对本文的工作进行总结，并在总结的基础上对下一步工作进行展望。2设计步骤：第一步:明确设计任务。第二步:确定系统总体设计方案,硬件选型设计。 第三步:详细采煤机电气控制系统设计。PLC接线图设计，主电路图设计，然后是软件设计，最后进行整体设计。3预期结果 在本系统中对MG500/1130采煤机电气控制系统的设计是通过对系统的硬件以及软件部分进行系统设计，对采煤机控制原理与特点进行了深入的分析和研究。结构合理，具有很强的功能特性，设计中重视硬件性能，以硬件设计简化软件设计。在性能上满足基本使用要求，且具有良好的可扩展性能和移植能力。三、研究进度在整个的毕业设计期间，我对自己的设计做如下安排： 第 1-2 周：文献综述，查阅相关文献，对基于采煤机电气控制系统设计的相关知识有所了解。第 3-4 周：调研并搜集资料，熟悉研究方向，确定毕业设计论文题目，整体规划论文结构。 第 5 周：整理资料，完成开题报告。 第 6 周：确定整体设计方案，系统流程图； 第 7-9 周：进行各信号采集方案设计，确定信号采集项目和方法。 第10-13周：进行采煤机电气控制系统设计。 分析和研究确定的方案，以保证可靠性。 第14-15周：软件设计：程序流程图，程序编制，调试，书写论文。 第 16 周：总体分析，准备答辩。四、主要参考文献1康建安.我国煤矿机械发展现状及发展趋势J.山西煤矿，2005,25（2）:32-33.2史国华.采煤概论M.徐州：中国矿业大学出版社，20053GB3836.1-4-2000.爆炸性气体环境用电气设备第四部分：本质安全型“i”S.北京：中国标准出版社，2000：4GB3836.1-1-2000.爆炸性气体环境用电气设备第一部分：通用要求S.北京：中国标准出版社，2000：5MT 476-1996 YBC系列采煤机用隔爆型三相异步电动机. 6MT 111-1998 矿用防爆型低压交流真空电磁起动器 7GB 14048.4-2003 低压开关设备和控制设备 机电式接触器和电动机起动器（IEC 60947-4-1：2000，IDT）. 8 GB/T 4942.1-2001 旋转电机外壳防护分级（IP代码）（idt IEC 60034-5:1991）.9西安煤矿机械有限公司生产的MG500/1130-WD型采煤机10谢子殿，沈显庆，王蕴恒电牵引采煤机电气控制技术C东南大学出版社，2011.7 11王占全.电牵引采煤机牵引调速特性及原理J山西焦煤科技，2005（12）：3-6.12王福兴，宋伟堂.变频调速技术在采煤机中的应用J.煤矿自动化，2001（3）：29-30.13张崇巍，李汉强。运动控制系统M.武汉：武汉理工大学出版社，2002:159-170.14张纯，张纯宪，徐晓宇，等.思想先交流变频调速技术在电牵引采煤机上的应用J.煤矿机电，2002（4）：1-415ABB电气传动系统有限公司.ACS811硬件手册Z.北京：北京ABB电气传动系统有限公司，2005:75-78.16谢子殿，沈显庆，王蕴恒.电牵引采煤机电气控制技术C.东南大学出版社.2011.17Chen,Switched Reluctance Motors Drive for the Electrical Traction in Shearer.2006:1-418Karasakal,I.Eksin,E.Yesil.Implementation of a new self-tuning fuzzy PID contoller on PLCJ.Turkish Journal of Electrical Engineer.2005:277-28619S.Gupta,N.Ramkrishna,J.Bhattacharya.Replacement and maintenance analysis of longwall shearer using fault tree techniqueJ.Mining Technology.2006:49-5920Mo Jamshidi,Fuzzy control of complex systems.Soft Computing,1997(1):42-56 五、指导教师意见 指导教师签字：中文题目：采煤机电气控制系统设计外文题目：DESIGN OF ELECTRICAL CONTROL SYSTEM OF SHEARER毕业设计（论文）共 83 页（其中：外文文献及译文 28 页）图纸共 2 张完成日期2015年6月 答辩日期2015年6月摘要煤炭是目前乃至未来相当长的一段时间内我国的主要能源，也是重要的生产原料。占我国可燃矿产资源可采储量的90%以上，在我国目前的能源消费中占70%以上。一直以来，我国的燃料结构长期以直接烧煤为主，燃料煤的耗用量占我国原煤产量的84%左右。在能源结构中约占58.8%。由于我国的燃烧技术滞后，大部分都是直接燃烧原煤，对燃料煤质量无统一标准。因而，燃烧效率低，污染严重，不但浪费煤矿，而且经济效益差。采煤机是主要机械之一，提高设备效能，对于保证矿山生产的发展方向，人身和设备安全，提高经济效益，都具有深远影响。本文针对采煤机电气控制系统中存在的有关问题，把可编程序控制器，变频调速技术等应用到采煤机电气控制系统中。通过电机和变频器的选定，再通过PLC进行编程，实现对采煤机的控制。本文采用西门子系列的PLC对采煤机电气控制系统进行编程，编写梯形图，再采用STEP 7-Mircro/WIN 32 编程软件实现对编完的PLC进行监测等过程。采用PLC后，克服了原继电器系统的不足，系统安全可靠，性价比提高，且控制程序可根据需要修改，对提高控制技术水平具有广阔的应用前景。关键词：采煤机；自动化控制；PLC；电气控制IAbstractCoal is Chinas primary energy in the present and future for a long period of time, it is an important raw material. Combustible mineral resources in China accounted for more than 90% of recoverable reserves, in our current energy consumption accounts for more than 70%. All along, Chinas fuel mix of long-term direct coal-based, around 84% of the fuel consumption of coal accounts for Chinas coal production. Accounting for 58.8% of the energy mix. As Chinas combustion technology lags behind, most of them are the direct combustion of coal, fuel coal quality without uniform standards, let alone to implement the right path supply depending on the furnace. Thus, combustion efficiency, pollution is serious, not only a waste coal, and poor economic performance.Shearer is one of the main machinery, improve equipment performance, to ensure the development direction of mine production, personnel and equipment safety, improve economic efficiency, have a profound impact. In this paper, issues related to the electrical control system shearer exist, the programmable controller, frequency conversion technology applications to Shearer Electrical Control System. Selected by the motor and the inverter, and then through the PLC programming, control of the shearer. In this paper, Siemens series PLC Shearer electrical control system is programmed to write the ladder, and then using STEP 7-Mircro / WIN 32 programming software to the PLC End programmed to monitor other processes. With PLC, to overcome the shortcomings of the original relay system, the system is safe and reliable, cost increase, and the control program can modify if necessary, to improve the control technology has broad application prospects.Key words:coal mining machine;automatic control;PLC;Electrical controlI目录1 绪论11.1 电牵引采煤机国内外发展及特点11.1.1 电牵引采煤机国外发展状况11.1.2 电牵引采煤机国内发展状况11.2 研究背景和意义21.3 本设计主要设计内容32 采煤机介绍42.1 采煤机主要结构42.1.1 采煤机截割部42.1.2 采煤机牵引部52.1.3 采煤机电气部分52.1.4 采煤机辅助装置52.2 采煤机工作原理62.3 采煤机电机选型62.3.1 截割电机选型72.3.2 牵引电机选型72.3.3 泵电机选型72.4 采煤机控制系统特殊要求83 采煤机电气控制系统总体设计方案93.1 控制系统总体方案设计93.2 监测系统硬件设计93.2.1 温度传感器的选择与应用103.2.2 压力与流量传感器的选择与应用113.2.3 瓦斯传感器的选择与应用133.2.4 电压传感器的选择与应用143.2.5 电动机振动传感器的选择与应用163.2.6 电动机电压、电流检测系统设计173.2.7 电动机过载保护183.3 PLC中央处理模块的选型设计213.3.1 PLC的CPU模块选择214.2.2 扩展模块的选择253.4 PLC控制系统接线设计263.4.1 按键和PLC接线设计263.4.2 传感器和PLC接线设计273.4.3 继电器接触器和PLC接线设计283.5 采煤机电控系统主接线图设计283.5.1 截割电机接线图293.5.2 泵电机接线图303.5.3 牵引电机接线图303.5.4 变频器选型313.6 电源选型324 软件系统设计354.1 软件介绍354.1.1 新建354.1.2 编辑程序354.1.3 输入编程元件364.2 牵引电动机启动停止控制374.3 牵引电动机正反转控制384.4 牵引电动机Y降压启动395 技术经济分析416 结论42致 谢43参考文献44附录A 采煤机电气控制系统主接线图设计45附录B 采煤机电气控制系统控制原理图47附录C 译文48附录D 外文文献63辽宁工程技术大学毕业设计（论文）1 绪论1.1 电牵引采煤机国内外发展及特点电牵引采煤机是采煤机在机械与电子信息融合方面的一个典型应用，电牵引采煤机是采用电动机直接驱动采煤机的牵引机构，使电牵引采煤机能够在刮板运输机上按照采煤的工艺要求自行变速行进。1.1.1 电牵引采煤机国外发展现状现如今，国外较为先进的采煤机电器控制系统有德国Eickhoff的IPC控制系统，该公司在1976年研发直流电牵引采煤机，并且大体上终止了液压牵引采煤机的研制。20世纪90年代研发的SL系列横向布置交流电牵引采煤机，把截割电机布置在摇臂内部。该采煤机控制系统具备设备状态监控以及故障预报、交互式人机直接对话、在线控制、数据传输等性能。美国JOY公司在20世纪70年代研发1LS多电机横向布置直流电牵引采煤机。该采煤机具备故障诊断图形显示与储存、无线电控制、人机通讯界面、牵引控制和保护等性能。英国LONG-AIRDOX公司在1984年成功研发出首台在摇臂上布置截割电机的多电机横向布置的ELECTRA55V型直流电牵引采煤机，而后又研制出很大功率的直流电牵引采煤机。该系列机型上装置的Impact集成保护及监控系统具备机器监控、负荷控制、采煤机自动走位、区域控制、自动调高、智能化安全联锁、随机故障诊断和数据传输等性能。日本三井三池公司在1987年研发出多种截割电机纵向布置的MCLE-DR系列交流电牵引采煤机。这些系统完成了采煤机的牵引系统控制，司机操作控制，关键系统的故障自诊断和保护。这些优秀的系统不仅可以提高生产效率而且可减少维护工作量，对生产流程的变更提供了可能。1.1.2 电牵引采煤机国内发展现状我国从80年代后期开始研制交流电牵引采煤机，借鉴国外先进的采煤机技术，通过二次开发实现采煤机的研发。1991年煤炭科学总院上海分院与波兰合作，研发出我国首台利用交流变频调速技术的薄煤层爬底板采煤机，随后研发出截割电机纵向布置的交流电牵引采煤机、适用于中厚煤层和较薄煤层的截割电机横向布置的交流电牵引采煤机。研发出全中文界面的PLC控制系统可以与各种机型相匹配，实现无线遥控、端头站控制、电控箱面板控制和变频器箱面板直接控制，电机温度检测和热保护，功率检测、恒功率控制和过载保护。太原矿山机械厂与上海分院合作，在AM500液压牵引采煤机现在有技术基础上改造成MG375/830-WD型交流电牵引采煤机。不久后研发出MGTY400/900-3.3D型和MG750/1800-3.3D型及交流变频调速链轨式电牵引采煤机。到2000年为止国内使用的采煤机以液压牵引为主，技术限制明显，很难满足煤矿高产高效生产要求，因此电牵引采煤机已经成为发展的必要要求。刚开始国产采煤机控制系统经历了继电器、中小规模集成控制等时期。上世纪90年代研发出以单片机和PLC为主要部件的采煤机操作控制系统。煤科院上海分院采煤机械研究所在90年代末期研制出以PLC为主要控制部件的采煤机控制系统。2000年太原矿山机械厂研发了以8051单片机为主要控制部件的煤机控制系统。2002年中国矿业大学为太原矿山机械厂开发了以嵌入式单板计算机为核心的采煤机监控及故障诊断系统，此系统利用i586商业单板机，windows操作系统环境，监控及故障诊断软件利用标准C+开发。2004年鸡西煤机厂开发的以嵌入式一体化工控机为主要部件，外配基于485总显得IO模块的工控机控制系统。目前国内经常使用的是以PLC和单片机集中控制系统。考虑到PLC不防爆，抗振动冲击能力较弱，在煤矿井下适应性弱。功能强的PLC又往往在结构上因为其通用性不够紧凑。目前的单片机集中控制系统，受单片机性能和芯片资源的限制，实现的功能非常简单，难以胜任现代化采煤机日益复杂和高级的控制要求。现阶段我国采煤机主要研制方向有：1）进一步完善、升华交流变频调速牵引系统的安全可靠性；2）研发可靠地危机电气控制系统；3）增强电控系统的监控能力；4）研发四象限运行的矿用交流变频调速装置；5）研发装机功率大、采高大的采煤机以提高煤炭产量和回采率：6）增加采煤机开机率和可靠性的研究。1.2 研究背景和意义采煤机是煤炭机械化生产中最要设备，其能否稳定运行对煤炭生产有着重大影响。研究采煤机电气系统有助于提高煤炭资源利用率；有助于提高工作面的生产效率；提高工作面自动化程度；提高采煤工作的劳动安全性；降低劳动工人的劳动强度。为保证采煤机无故障运行，在采煤机有可能出现故障的各个重要环节上，并在系统的各个环节上设有各种检测、控制、自检测以及记录和保护装置。传统控制系统使采煤机运行的可靠性和安全性不能得到有效的保障。因此，制定一个更加安全可靠的控制系统有必要。在采煤机控制系统，计算机控制技术和变频技术，原有的煤炭开采机控制系统升级改造中的应用。可编程控制器（PLC）是工业控制最为理想的模式。而在PLC的基础与变频调速装置控制系统，采用先进的矢量控制技术，不仅适合挖掘过程的要求，也将解决采煤机控制电源的整个系统驱动器的一系列问题。1.3 本设计主要设计内容本设计的完成，为采煤机的安全、稳定、经济运行提供保证保障，有效解决了劳动强度高，数据、状态的准确性、可信性要受人为因素的影响这一根本问题。本设计重点对采煤机电气控制系统进行设计，该设计主要内容包括：1） 介绍采煤机应用及其概述。2） 系统总体设计。3） 对采煤机电气控制系统硬件进行设计; A)电动机选型设计，包括截割电机，牵引电机，泵电机选型设计； B)采煤机电气系统启动器及原件选型设计； C)主控模块选型设计；4）软件系统设计。2 采煤机介绍采煤机械是机械化采煤工作面的主要机械设备，担负落煤和装煤任务。本设计以张家口煤机厂为实验平台，选用MG500/1130-WD型电牵引采煤机。如图2-1所示。图中：1-左截割部；2-右截割部；3-左牵引部；4-右牵引部；5-滚筒；6-调高油缸；7-液压传动及电控部分；8-拖缆装置图2-1 滚筒采煤机结构图Figure 2-1 roller shearer structure chart2.1 采煤机主要结构本设计涉及的采煤机为MG500/1130-WD电牵引采煤机。滚筒式采煤机主要由截割部、牵引部、电气系统、辅助装置等构成。其整机主要参数如下： 采高范围 1.83.6m 机面高度 1625mm 滚筒直径 1800 mm 下 切 量 370 mm 铲 间 距 258mm 过煤高度 730mm 装机功率 2500 +255+20 kW 摇臂摆动中心距 7600 mm 截 深 800 mm2.1.1 采煤机截割部采煤机截割机构由左右摇臂、左右滚筒构成，其主要作用是实现采煤机工作面的落煤，向工作面运输机装煤和喷雾降尘。左右摇臂完全相同，一台500KW截割电机横向安装在摇臂内，其动力透过两级直齿轮减速和两级行星齿轮减速传给出轴方法兰驱动滚筒旋转。摇臂减速箱内具有离合装置，冷却润滑装置，喷雾降尘装置等。摇臂减速箱壳体与一连接架铰接后再与牵引部机壳铰接，通过与连接架铰接的调高油缸实现摇臂的升降。摇臂和滚筒之间采用方榫连接。2.1.2 采煤机牵引部采煤机牵引部由左右牵引部和左右行走箱构成，位于机身的左右两端，是采煤机行走的动力传动机构。传动装置主要是进行能量转换，即将电动机的电能转换为传动主链轮或者驱动轮的机械能，牵引机构是协助采煤机沿采煤工作面行走的装置。左右两个牵引部内各有一台用于采煤机牵引的55KW交流电动机，其动力通过二级直齿轮传动和二级行星齿轮传动减速传至驱动轮，驱动轮驱动齿轨轮，使采煤机沿工作面移动。左右两个牵引部内部传动元、组件完全相同。左右行走想内部传动元、组件完全相同，和互换。2.1.3 采煤机电气部分采煤机电气控制部分是采煤机主要组成部分。该系统包括电动机及其箱体和装有各种电器元件的中间箱。该系统的主要作用是为采煤机提供动力，并对采煤机进行各种保护及控制器动作。该部分在结构上由三个独立的电控箱共同组成，系统采用可编程控制器(PLC),控制两台500KW的截割电机、两台55KW的牵引电机、一台20KW的泵电机的运行状态。牵引驱动系统采用了“一拖一”，即两个变频器分别拖住两个牵引电动机提高了采煤机牵引行走系统的可靠性。2.1.4 采煤机辅助装置辅助装置包括挡煤板、底托架、电缆拖拽装置、供水喷雾冷却装置，以及调高、调斜等装置。该装置的主要作用是同各主要部件一起构成完整的采煤机功能体系，以满足高效、安全采煤的要求，改善采煤机工作性能。（1） 机身联接采煤机机身联接主要由平滑靴及其支撑架、液压拉杠、高强度螺栓、高强度螺母、调高油缸、铰接摇臂的左右连接架以及各部位联接零件构成。（2） 拖缆装置拖缆装置用一组螺栓固定在采煤机中部连接框架和右牵引部的老塘侧。采煤机的主电缆和水管从侧顺槽进入工作面。从工作面端头到工作面终点的这一段电缆和水管固定铺设在输送机电缆槽内，从工作面中点到采煤机之间的电缆和水管则需要随采煤机往返移动。为避免电缆和水管在拖缆过程中受拉受挤，将它装在一条电缆夹板链中。（3） 冷却喷雾系统来自泵站的高压水由软管经拖缆装置进入安装在左牵引部正面的自清洗过滤装置，由自清洗过滤装置经过过滤后的高压水进入安装在左牵引部煤壁侧的水分配阀，有水分配阀分配出六路水，其中两路分别进入左右摇臂进行滚筒内喷雾及左右摇臂的水冷却系统后进入外喷雾。第三路水进入左牵引电机和泵电机冷却，出来后进入流量传感器，从流量传感器出来再进入左截割电机冷却，然后泄出。第四路水进入变压器箱和右牵引电机冷却，出来后进入流量传感器，从流量传感器出来后进入右截割电机中冷却，然后泄出。第五路水进入泵箱冷却，出来后泄出。第六路水进入变频器箱冷却，出来后泄出。2.2 采煤机工作原理采煤机沿刮板输送机的轨道左右行走的同时，由于采煤机的滚筒装有截齿，滚筒旋转截割煤层并将落煤装进刮板输送机。刮板输送机将煤运往工作面以外的运输系统，液压支架组的作用是为采煤机、刮板输送机支撑出一个工作空间。每个液压支架和刮板输送机之间有推进油缸，可以推动刮板输送机和拉液压支架，起到将整个采煤工作面向前推进的目的。为适应煤层厚度的变化，可以通过控制调高油缸的伸缩来改变摇臂摆角以实现滚筒高度的改变。2.3 采煤机电机选型MG500/1130-WD型电牵引采煤机，装机总功率为600KW，截割电机功率为2500KW，牵引功率为255KW，泵电机功率为20KW，整机供电电压为1140V。除牵引电机外，其余电机均为1140V供电。2.3.1 截割电机选型根据设计要求，采煤机截割功率占装机功率的80%90%；采煤机截割滚筒转速为28r/min，截割机构总传动比，故采煤机截割功率：Nj=（0.80.9）N0=0.851130=960.5kW根据计算结果，要按采煤机配备电动机的标准功率进行圆整。故截割电机功率取500kW两台。根据煤矿电工手册选择 YBC-500G型电动机。表2-1 YBC-500G型电动机主要技术参数表Table 2-1 The main technical parameters of YBC-500G motor型号额定功率（KW）额定电压（V）额定电流（A）额定转速（r/min）冷却方式绝缘等级YBC-500G500114013.31470水冷H级2.3.2 牵引电机选型牵引电动机功率：牵引机构总传动比，最大牵引速度，采煤机最大牵引力为。故电动机牵引功率为故根据煤矿电工手册，选择YBQYS-55型电动机。表2-2 YBQYS-55型电动机主要技术参数表Table 2-2 The main technical parameters of YBQYS-55 motor型号额定功率（KW）额定电压（V）额定电流（A）额定转速（r/min）冷却方式绝缘等级YBQYS-55553801051470水冷H级2.3.3 泵电机选型 泵的转速n=1470r/min，水压P=1.5MPa，流量Q=10L/min，效率=0.4.因此，扬程生产机械效率查煤矿电工手册，选用型号为YBCB-20电动机。P=20kw。表2-3 YBCB-20型电动机主要技术参数表Table 2-3 The main technical parameters of YBCB-20 motor型号额定功率（KW）额定电压（V）额定电流（A）额定转速（r/min）冷却方式绝缘等级YBCB-202011402451475水冷H级2.4 采煤机控制系统特殊要求由于采煤机是一种特殊的工业设备，采煤机在井下工作环境极其复杂恶劣，电磁干扰、急剧的颤抖、煤尘、爆炸性气体和潮湿对采煤机控制系统的设计提出严格要求。因此，在煤炭开采过程中对采煤机控制提出了一系列特殊要求。(1) 考虑到采煤机在爆炸性气体和粉尘的条件下工作，控制系统务必具备防爆性能，符合煤矿安全要求，可在煤尘和瓦斯爆炸性条件中使用。(2) 随着采煤机装机功率增加，用户对自动化程度要求不断提高，因此控制系统在满足采煤机控制操作和系统保护的基础上，还要考虑为以后新技术的应用提供足够硬件平台。(3) 高度可靠性和较强的容错能力。随着电牵引技术的广泛使用，电气控制系统故障在采煤机总故障中站得比例越来越大。(4) 足够灵活性。由于采煤机使用环境不同，用户经常要定制系统，或在使用过程中对系统提出修改意见。在设计时要注意软件系统配置的灵活性和扩展性。(5) 结构应坚固耐用，在可能的情况下采取高级别的抗机械振动冲击和电磁冲击的措施。综上所述，采煤机控制系统应满足采煤机控制功能的要求，而且还要想到煤矿井下工作面的工作环境的特殊性，针对特殊工作环境和要求开发相应的控制系统和软件系统。3 采煤机电气控制系统总体设计方案3.1 控制系统总体方案设计电气控制系统由控制器、传感器、外部接线和操作机构组成。在控制系统中，根据现场数据采集数量和加工工艺要求，设置多组不同用途和型号的传感器，用于现场数据采集，并将采集到的数据送到控制器(PLC) 中进行分析处理，最终得出分析果，通过输出端口输出控制命令，控制命令对应的模拟量信号经外部线路传递给执行机构执行，完成对加工过程的控制与调节。采煤机的检测与控制系统是为了保证采煤机的正常工作而设计和研制的，该系统应具有对采煤机正常启、停控制和非正常停机操作；历史和实时工作状态数据的采集、记录与显示、系统参数的设置与修改、工作状态、数据超限报警等功能。因此，应当选择合理的控制流程和方法来对采煤机进行控制。图3-1 采煤机控制系统总体方案图Fig.3-1 Overall plan for coal winning machine control system如图3-1所示，整个采煤机检测与控制系统大致可以分为3个层次：第一级为现场数据信息采集系统，第二级为系统的控制核心层，第三级为远程监测与控制层。第一级主要对现场的数据进行采集，第二级是对检测到的各项采煤机参数进行采集、数据处理。第三级主要负责对采煤机各项参数进行远程实时显示，并可实现对采煤机的远程启动停止控制以及数据、故障的实时存储。3.2 监测系统硬件设计本设计需要对采煤机进行检测和保护的项目有电动机温度、冷却水进水压力与流量、易燃易爆气体瓦斯浓度、整机输入电压、牵引传动箱振动等方面进行监测与保护因此，需要选择合适的传感器对以上各项目进行检测和保护。3.2.1 温度传感器的选择与应用温度传感器用于采煤机电机、变压器和油箱等部件的实时工作温度监测，对系统进行热保护。本设计采用SBWZ(R) 系列一体化温度传感器。如图3-2所示。a) 型号：SBWZ(R) 系列一体化温度变送器图3-2 SBWZ(R) 系列一体化温度变送器实物图Fig.3-2 SBWZ (R) series of integrate temperature transmitterb) 工作原理： 变送器电路模块由放大单元、线性化单元、电压/电流转换、自较正电路、电压调整单元和反向保护电路等构成。对以热电偶为测温部件的变送器还包括有冷端补偿器。c) 技术规格：热电偶测量范围：B分度：0350 输出信号：4-20mA(四线) 测量精度：0.2%，0.5% 温度漂移：0.025%/,年漂移小于0.5% 工作电源：1236VDC 工作环境：1) 液体温度：-25+85；2) 环境温度：-30+1203) 相对湿度：595%RH，无冷凝 储存环境：-40+85 负载能力：0600 防爆等级：隔离防爆ExiaCT6 d) SBWR(Z) 系列温度变送器具有以下特点： 1) 工作环境温度宽2) 具有高精度冷端补偿电路，全温度范围绝对偏差0.5(S热电偶0.8) 。3) 先进的非线性较正电路，输出信号与被测温度成线性关系。4) 内带漂移自校系统，在整套工作温度范围内保证测量精度。5) 附有特殊的控热机构，有效的控制热传导作用。6) 采用环氧树脂封装，耐腐蚀，抗震功能好，可靠性高。3.2.2 压力与流量传感器的选择与应用压力传感器用来检测液压系统的工作情况，分为高压、低压压力表，分别显示高压和控制油源的压力。同时采煤机要用压力传感器检测制冷却水压力以及使用流量计监测水流量。（1）流量传感器的选择与应用本设计选用型号为GLC250/500防爆流量计传感器。矿用超声波流量传感器（以下简称流量传感器）是利用低电压多脉冲平衡发射接收专利技术设计原理的一种崭新通用时差型多功能超声波传感器，适用于煤矿井下连续测量不含大浓度悬浮粒子或气体的绝大多数清洁均匀液体的流量和热量。防爆流量计使用了国内外优秀半导体厂商推荐的元器件，具有低功耗、高可靠性、抗干扰、适用性好等优点。优化的智能信号自动适应处理，用户无需任何电路调整。先进的电路设计、元件使用、优秀的硬件、软件设计，使流量传感器成为国内当前矿山行业的主要产品。1)GLC250/500防爆流量计技术参数电压：本安DC18V；电流：100mA；输出信号：4-20mA，200-1000Hz，RS485三种；安装方式：外贴式、插入式两种；管径范围：DN50DN500；传感器电缆：15m。图3-3 GLC250/500防爆流量计实物图Figure 3-3 GLC250/500 explosion-proof flow meter physical map2)GLC250/500防爆流量计使用环境条件 环境温度540； 海拔高度不超过2000m； 空气相对湿度不大于95（25时）。（2）压力传感器的选择与应用本设计选用型号为HDP501的压力传感器。如图3-4所示。HDP501压力传感器/变送器运用全不锈钢封焊结构，具备良好的防潮能力及优异的介质兼容性，测量精度高，反应时间短等优点。大规模应用于工业设备、水利、化工、医疗、电力、空调、金刚石压机、冶金、车辆制动、楼宇供水等压力检测与控制。a) 型号：HDP501压力传感器/变送器b) 技术参数：量 程:01.5MPa综合精度:0.2%FS、0.5%FS、1.0%FS输出信号:420mA(二线制) 供电电压:24DCV(936DCV) 介质温度:-2085150环境温度:常温(-2085) 负载电阻:电流输出型：最大800绝缘电阻:大于2000M(100VDC) 密封等级:IP65 长期稳定性能:0.1%FS/年图3-4 HDP501压力传感器Fig.3-4 HDP501 press.sensor3.2.3 瓦斯传感器的选择与应用 瓦斯传感器是采煤机必备的，用于检测采煤机附近的瓦斯浓度。当检测到瓦斯浓度超过1%时，传感器发出声光报警信号；当检测到瓦斯浓度大于限定值时，采煤机就会断电停机。本设计选用GJ4型甲烷传感器。如图3-5所示。图3-5 GJ4型甲烷传感器实物图Figure 3-5 Type of GJ4 methane sensor in kindGJ4型甲烷传感器是为了满足我国煤矿监测井下沼气的需要而研制，它可以连续自动的将沼气浓度转换成标准电信号输送给关联设备，并显示沼气浓度值，超限声光报警及断电。适宜在煤矿采掘工作面、机电硐室、回风巷道等地点固定使用。主要技术指标: 1)工作环境条件： 温度：040 相对湿度：98% 大气压力：86116kPa 风速：08m/s 2)测量范围：04.004 基本误差：01.00%CH4时，0.10%CH4 1.002.00%CH4时，0.20% CH4 2.004.00% CH4时，0.30% CH4 3）报警方式：二级间歇式声光报警 声强85dB，光强：能见度20m 4）报警点范围：04%CH4可调 5）催化元件使用寿命：1年 6）工作电压：24V 7）工作电流:85mA 8）防爆型式：矿用本质安全兼隔爆型； 隔爆标志：BxibdI 9）外形尺寸：19011457， 重量：700g3.2.4 电压传感器的选择与应用电压传感器用于测量采煤机整机输入电压和部分用电设备的输入电压，检测输入的三相电压的过、欠电压情形，当输入的三相电压不在整定范围时，保护动作使真空接触器断电。本设计选用HV100-4000系列霍尔电压传感器。如图3-6所示。霍尔电压传感器是一种采用霍尔效应，利用原边电压通过外置或内置电阻，将电流限制在10mA,此电流经过多匝绕组过后，经过聚磁材料将原边电流产生的磁场被气隙中的霍尔元件检测到，并感应出相应电动势，该电动势经过电路调整后反馈给补偿线圈进而补偿，该补偿线圈产生的磁通与原边电流（被测电压通过限流电阻产生）产生的磁通大小相等，方向相反，从而在磁芯中保持磁通为零。事实上霍尔电压传感器采用的是与磁平衡闭环霍尔电流传感器一样的技术，即零磁通霍尔电压传感器。HV100-4000系列霍尔电压传感器技术参数：额定输入电压1004000V测量电压范围2006000A总输入功耗0.2510W额定输入电流 2.5mA额定输出电流500.5%FS mA测量电阻15V Vpn 50(min) 200(max) 2XVpn0(min) 100(max) 24V Vpn100(min) 330(max) 2XVpn100(min) 200(max)电源电压 15-24(10%) V失调电流0.25 mA失调电流漂移 -4085 0.6 mA响应时间 200 S工作温度-40+85 储存温度-40+125 图3-6 HV100-4000系列霍尔电压传感器实物图Figure 3-6 HV100-4000 series Holzer voltage sensor physical map3.2.5 电动机振动传感器的选择与应用采煤机振动传感器主要针对采煤机现实工作中常出现故障的轴承、齿轮箱、摇臂、牵引行走轮等几个位置监测振动参数，可以实现采煤机比较全面的工况监测和故障诊断，增强工作可靠性。电动机的振动检测是设备维修及预防设备故障的大前提。有效地监控电动机的运行情况，防止电动机的过修与失修可以降低检修费用，缩短检修时间，保证生产的安全运行，不时提高电动机的利用率及使用效益率。国家标准电动机的振动标准合格为4.5mm/s。振动传感器的机电变换原理:大体而言，振动传感器在机械接收原理方面，只有相对式、惯性式两种，但在机电变换方面，出于变换方法和性质不同，其种类层出不穷，应用范围也相当广泛。在目前振动测量中所用的传感器，早就不是传统概念上独立的机械测量装置，它不仅是整个测量系统中的一个环节，而且与后续的电子线路关系密切。考虑到传感器中机电变换原理的不同，输出的电量也各不相同。有的是采用机械量变化变换为电动势、电荷的变化，还有的是采用机械振动量变化变换为电阻、电感等电参量的变化。大体而言，这些电量并不能直接被后续的显示、记录、分析仪器所接受。因而对于不同机电变换原理的传感器，务必附以专配的测量线路。测量线路的作用是将传感器的输出电量最终变为后续显示、分析仪器所能接受的常用电压信号。本设计采用BVM-200B一体化型振动变送器。如图3-7所示。图3-7 BVM-200B一体化型振动变送器实物图Figure 3-7 BVM-200B integrated type of vibrating transducer in kindBVM-200B一体化型振动变送器，广泛应用于在线监测各种大型设备运行时的机械振动及设备状态，例如机壳振动、轴瓦振动、轴系振动等。监测由于转子的不均匀，不对中、机件松动、滚动轴承破坏、齿轮破坏等引起的振动变化。应用于汽轮机、水轮机、风机、压缩机、制氧机、电机、泵、齿轮箱等大型旋转机械。一体化相对于分体式而言，就是将传感器与变送器合二为一。 BVM-200B一体化型振动变送器可输出振动的振动速度有效值，振动速度有效值的测量范围为0200 mm/s，相对应输出420mA的电流信号。尤其适合恶劣环境的长时间状态监测。3.2.6 电动机电压、电流检测系统设计本设计采用EDA9033A 三相电参数采集模块进行三相电参数采集，EDA9033A模块是一智能型三相电参数数据综合采集模块；三表法准确测量三相三线制或三相四线制交流电路中的三相电流、三相电压（有效值）、有功功率、无功功率、功率因数、有功电度等电参数。其输入为三相电压（0500V）、三相电流（01000A）；输出为RS-485或RS-232接口的数字信号，支持的通讯规约有3种：ASCII码协议、十六进制 LC-01协议、MODBUS-RTU协议，3种协议可同时识别使用，无需配置。 EDA9033A 模块可大规模应用于各种工业控制与测量系统以及各种集散式/分布式电力监控系统。EDA9033A 模块是一款性价比较高的智能化电参数变送器，它能替代以前的电流、电压、功率、 功率因数、电量等一系列变送器及测量这些变送器标准输出信号的输入模块，在很大程度上降低系统成本, 方便现场布线，提高系统的可靠性。其可与其他厂家的控制模块挂在同一RS485总线上，且便于计算机编程，可以轻松构建自己的测控系统。利用电磁隔离和光电隔离技术，电压输入、电流输入及输出三方完全切断。EDA9033A 模块的主要功能及技术指标：输入信号：三相交流50/60Hz电压、电流。输入频率：4575Hz。 电压量程（相电压）：60V500V。 电流量程：1A1000A。 信号处理：16位A/D转换，6通道，每通道均以4KHz速率同步交流采样，真有效值测量。 数据更新：模块实时数据的更新周期可设置（40ms1000ms，每步为10mS）。此功能可通过“E系列产品测试软件”MODBUS-RTU协议中的配置界面进行配置；更新周期默认为250ms。 过载能力：1.4倍量程输入可科学衡量；瞬时(10周波)电流5倍，电压3倍量程不损毁。 输出数据：三相相电压 Ua、Ub、Uc；三相电流 Ia、Ib、Ic；有功功率 P、无功功率 Q、功率因数 PF、各相有功功率Pa、Pb、Pc；正反向有功电度等电参数。2）外置互感器EDA9033A外置互感器的电流量程范围：40A1000A。量程有：40A1000A，也可根据要求订制。互感器的外型有3种：C-26、C-30、C-64。 C-26的内径为26mm，电流范围0300A。 C-30的内径为30mm，电流范围0400A。 C-64的内径为64mm，电流范围01000A。 考虑到本设计电动机主机电压为500V，可知相电压为380V，因此EDA9033A 三相电参数采集模块的电压量程选择500V。我们可根据实际现场的电流导线粗细及电流大小选择合适的互感器及量程。考虑到本设计截割电动机主机电压为3300V，电动机功率为500KW，已知计算公式: （3-1）将已知各项带入式（3-1），得：因此，选用电流范围为0300A的C-26作为外置互感器，量程选择100A，互感器与EDA9033A的电流系数比为100:5,即外置互感器测得电流为100A时，EDA9033A测得电流为5A，因此EDA9033A电流量程选择5A。3.2.7 电动机过载保护考虑到电动机在过载、绕组短路、超压、失压、过流等状况下都会引起通过绕组的电流增加，大于额定电流，而绕组的线径在设计时是根据额定电流设计的，如果实际电流大于额定电流，那么绕组就会产生大量的热，最后由于温度过高而引起绕组及电机烧毁。因此我们需要对采煤机截割电机、牵引电机、泵电机进行过载保护。电动机过载包括截割电机、牵引电机、泵电机过载。电动机的过载的原因有：a）自行调整排气压力，系统调整不当（人为原因）；b）机械故障：电动机内部毁坏。电动机欠相工作；安全阀不工作；系统设定失败；油气分离器隔阂；c）电器故障：电压过低，虚接导致电流过大；d）机头里面有异物卡住机头造成电动机负载过大。风冷机电机的过载原因有：a）风扇变形，风冷机电机热继电器故障（老化），风扇电机故障；b）接线松动；c) 冷却器堵塞；d) 排风阻力大。 热继电器的选择：当今普遍采用热继电器来保护电动机的过载，热继电器是利用进入热元件的电流产生热能，使有不同膨胀系数的双金属片发生变形，当变形值达到额定距离时，就带动连杆工作，使控制电路切断，从而使接触器断电，主电路断开，实现电动机的过载保护。继电器作为电动机的过载保护部件，以其体积小、结构简单、成本低等特点在实际生产中获得了大规模应用：1）理论上应使热继电器的安秒特性在很大程度上接近乃至重合电动机的过载特性，或者在电动机的过载情况下，同时在电动机短时过载和启动的一瞬间，热继电器应不受影响。2）当热继电器用于保护长期工作制或间断长期工作制的电动机时，大体按电动机的额定电流来选择。比如，热继电器的整定值可等于0.951.05倍的电动机的额定电流，或者取热继电器整定电流的中值等于电动机的额定电流，而后进行调整。3）当热继电器使用在保护经常瞬时工作制的电动机时，热继电器只有一定范围的适应性。若短时间内操作次数过多，则就要挑选带速饱和电流互感器的热继电器。4）对于正反转和通断次数很多的特殊工作制电动机，不适合选用热继电器作为过载保护装置，反而应使用埋人电动机绕组的温度继电器或热敏电阻来保护。综上所述，并考虑到本设计的环境因素等实际要求，选用T系列热继电器对采煤机主机截割电动机、采煤机牵引电动机以及采煤机调高泵电动机进行过载保护。T系列热继电器适用于交流50或60HZ，电压至660V，电流至500A的电力线路中。一般用作三相感应电动机的过载与断相保护。当热继电器对电动机进行过载保护时，如图3-8所示，将热元件与电动机的定子绕组串联，将热继电器的常闭触头串联在交流接触器的电磁线圈的控制电路中，并适当调节整定电流调节旋钮，使人字形拨杆与推杆相距一适当距离。当电动机正常工作时，通过热元件的电流即为电动机的额定电流，热元件发热，双金属片受热后弯曲，使推杆刚好与人字形拨杆接触，但又不能推动人字形拨杆。常闭触头处于闭锁状态，交流接触器保持吸合，电动机正常运行。如果电动机出现过载情况时，绕组中电流变大，通过热继电器元件中的电流变大使双金属片温度急剧上升，弯曲程度变大，推动人字形拨杆，人字形拨杆推动常闭触头，使触头隔断而切断交流接触器线圈电路，使接触器释放、切断电动机的电源，电动机停车而得到保护。图3-8 热继电器原理图Fig.3-8 Thermal relay diagram3.3 PLC中央处理模块的选型设计PLC是一种专门应用在工业环境下而设计的数字运算操作的电子装置。它利用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储实现逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的命令，并能透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及其相关的配套设备都应按照便于与工业控制系统形成一个整体，便于扩展其功能的原则而设计。3.3.1 PLC的CPU模块选择1）PLC的结构 由于微处理器、计算机和数字通信技术的快速发展，计算机控制已经大规模应用在全部工业领域。当今社会要求制造业对市场需求做出快速的反应，生产出批量小、品种多、样式多、成本低和质量高的产品。为了实现这一要求，生产设备和自动生产线的控制系统务必具备比较高的可靠性和灵活性。可编程序控制器正是为实现这一要求出现的，它是以微处理器为核心的通用工业控制装置。可编程序控制器又名PLC，它的应用广泛、性能强大、使用方便，已经成为现代工业自动化的重要组成部分。PLC大规模地应用在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中。国际电工委员会（IEC）在1985年11月1985年1月对可编程序控制器作了以下的定义：“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。”它利用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等动作的命令，而且通过数字式模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按有助于与工业控制系统联成一个整体，有助于扩充功能的原则而设计。具有其它工业设备没有具备的特点。2）PLC的特点1)高可靠性。在I/O部分，PLC利用了光电隔离、滤波的多种措施。系统程序和绝大部分的用户程序都利用E2PROM存储，大部分PLC的平均无故障工作时间可大于几万小时。2)强控制功能。PLC所采用的CPU很多都有比较强位处理功能的位处理机，为了增强其复杂控制功能和联网通信等管理功能，可以利用双CPU的运行方式，使其功在某种程度上得到增强。3)编程方便易学。梯形图是一种图形编程语言，和多年来工业现场使用的电器控制图非常相近，理解方式也相同，非常适宜现场人员学习。4)模块化结构、强扩展能力。根据现场需要进行不同功能的扩展和组装，一种型号的PLC可用于控制从几个I/O点到几百个I/O点的控制系统。5)与外部设备连接方便。采用统一接线方式的可拆装的活动端子排，提供不同的端子功能适合用于多种电气规格。6)适用在恶劣的工业环境。采用封装的方式，适合于各种震动、腐蚀、有毒气体等的应用场合。7)小体积、轻质量、低功耗、高性价比。维修方便快捷，功能改变灵活。3）PLC的选型原则:在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。PLC及有关设备应是集成的、标准的，按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则选型所选用PLC应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统，PLC的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。熟悉可编程序控制器、功能表图及有关的编程语言有利于缩短编程时间，因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。因此，合理选择PLC机型，对于提高PLC控制系统的技术经济指标起着重要的作用。在满足PLC功能要求的前提下，机型选择是要保证系统可靠、使用维护方便以及最佳的性价比。具体应结合以下几个方面：a）性能与任务相适应对于以开关量控制为核心，伴随有少数模拟量控制的应用系统，如工业生产中遇到次数较多的温度、压力、流量、液位等连续量的控制，应选择带有A/D转换的模拟量输入模块和带有D/A转换的模拟量输出模块，匹配相应的传感器、变送器和驱动装置，并且使用运算功能很强的小型PLC(如OMRON公司的CQM型PLC)。除此之外，西门子公司S7-200系列PLC在进行小型数字-模拟混合系统控制时具有较高的性能价格比，实施起来也比较便宜。 b）PLC的处理速度应满足实时控制的要求PLC工作时，从输入信号到输出控制存在落后现象，即输入量的变化一般要经过l2个扫描周期之后才能反馈到输出端，这对于一般的工业控制是允许的。但不包括对实时性要求较高的控制系统。c）PLC机型尽量统一相同机型的PLC，其模块可互为备用，易于备件的采购和管理，这不但让模块通用性变得更好，减少备件量，而且给编程和维修带来很大的方便，也给扩展系统更新换代留有余地;其功能及编程方法统一，有助于技术力量的培训，技术水平的提高和功能的研发。3）确定输入/输出设备按照系统的控制要求，确定系统所需的所有输入设备（如：按纽、开关、及各种传感器等）和输出设备（如：接触器、电磁阀、信号指示灯及其它执行器等），因此确定与PLC相关的输入/输出设备，以确定PLC的I/O点数，如表3-1所示。本设计共对三台电动机进行检测和控制，其输入和输出设备如下：输入设备：26个按钮开关，12个模拟量输入，共38个输入设备。 输出设备：27个输出设备。4）PLC容量的选择用户程序所需内存容量受到下面几个因素的影响：内存利用率；开关量输入/输出点数；模拟量输入/输出点数；用户的编程水平。a） 内存利用率。用户程序通过编程器键入主机内，最后是以机器语言的形式存放在内存中。我们把一个程序段中的接点数与存放该程序段所代表的机器语言所需的内存字数的比值称为内存利用率。高的内存利用率给用户带来好处。 b）开关量输入/输出点数。PLC开关量输入/输出总点数是计算所需内存容量的重要依据。开关量输入/输出点数占用内存容量的关系为：所需内存字数=开关量输入点数10+开关量输出点数8c）模拟量输入/输出点数。只有模拟量输入时:所需内存字数=模拟量点数100表3-1 PLC输入输出模块I/O点数Table 3-1The I/O points of Input and output module序号I/O类型输入量I/O类型输出量1开关量总停 I0.0开关量自保 Q0.02左升 I0.1预警 Q0.13左降 I0.2左绝缘检测 Q0.24右升 I0.3右绝缘检测 Q0.35右降 I0.4左截割 Q0.46左牵 I0.5右截割 Q0.57右牵 I0.6总线复位 Q0.6 8牵停 I0.7左升 Q0.79左截启 I1.0左降 Q1.010左截停 I1.1右升 Q1.111右截启 I1.2右降 Q1.212右截停 I1.3抱闸 Q1.313复位 I1.4泵 Q1.414水流量 I1.5牵引 Q1.515电缆保护 I1.6泵绝缘 Q1.616破升 I1.7COM0/COM3 Q1.717破降 I2.0宏调 Q2.018左变频器故障 I2.1左右 Q2.119右变频器故障 I2.2加速 Q2.220牵送 I2.3减速 Q2.321牵断 I2.4复位 Q2.422泵启 I2.523泵停 I2.624自动/手动 I2.725远程/本地 I3.026记忆/学习 I3.127模拟量右绝缘 AIO左截割U相电流 DI028左绝缘 AI2左截割V相电流 DI129瓦斯超限 AI4左截割W相电流 DI230泵绝缘 AI6 右截割U相电流 DI331VINO/IIN0a AI8右截割V相电流 DI432COMO AI10右截割W相电流 DI533VIN1/IIN1 AI1234COM1 AI7 AI1435VIN2/IIN2 AI1636COM2 AI1837VIN3/IIN3 AI2038COM3 AI22当模拟量输入和输出同时存在时：所需内存字数=模拟量点数200d）程序编写质量。用户程序好坏对程序长短和运行时间都有深远影响。对初学者应为内存多留些余量。总而言之，采用下面的经验计算公式：总存储器字数=（开关量输入、输出点数）10+模拟量点数150然后按计算存储器字数的25%考虑余量。则：总存储器字数=(5410+12150)(1+0.25)=2954.5字节按照上面的算法，本设计所需的存储容量最少为3000字节。根据本设计实际要求并综合各方面对比，决定选用西门子公司14输入10输出的S7-200系列224XP的PLC进行设计。这种型号的PLC是具有较强控制功能的控制器，并且支持扩展功能，在运动控制、过程控制、位置控制、数据监视和采集（远程终端应用）以及通信方面的功能都有所加强。4.2.2 扩展模块的选择虽然CPU上已经提供了一定数量的输入/输出接点，当用户需要多余CPU单元的I/O点数时就要进行I/O的扩展。CPU不同，扩展规范也不同，它主要是受CPU的功能限制的。表3-2典型的数字量输入/输出扩展模块Table 3-2 The typical expansion module of digital input / output数字量扩展型号输入、输出种类EM22116入 24VDC，开关量8入 24VDC，开关量8入 120/230VAC，开关量EM2228出 24VDC，开关量8出 120/230VAC，0.5A 开关量8出 继电器EM2234入/4出 24VDC，开关量4入 24VDC/4出，开关量8入/8出 24VDC，开关量8入 24VDC/8出，继电器1）数字量I/O扩展模块S7-200系列CPU提供一定数量的主机数字量I/O点，但在主机I/O点数不足的状况下，就必须考虑到使用扩展模块来扩展I/O点数。常用的数字量输入/输出扩展模块如表3-2所示。本设计采煤机输出点数共有29点，由于PLC的CPU为14输入，10输出。因此需要进行数字量模块进行扩展，通过对比，本设计采用两个8输入/8输出出的EM223模块进行扩展。2）模拟量扩展模块模拟量I/O扩展模块可分为EM231、EM232、EM235三种型号，其具体种类及型号如表3-3所示：表3-3 模拟量输入/输出扩展模块Table 3-3 The expansion module of analog input / output模拟量扩展型号输入、输出种类EM2314入*12位精度，模拟量2入*热电阻，模拟量4入*热电阻，模拟量EM2322出*12位精度，模拟量EM2354入/1出*12位精度，模拟量本设计选择三个4输入的EM231模拟量扩展模块。3.4 PLC控制系统接线设计PLC控制系统设计要根据控制对象的功能和工艺要求，明确系统要做的工作和必备的条件。然后进行PLC控制系统功能分析，结构形式，信号种类、数量等。3.4.1 按键和PLC接线设计本设计按键模块为本安型，由电池供电，分左右两只，与内置在电控箱中的接收器装置组成无线遥控系统，实现滚筒升降、破碎升降、牵引电动机启动，急停等操作。其接线图如图3-9所示。图3-9 按键和PLC接线原理图Figure 3-9 buttons and PLC wiring diagram3.4.2 传感器和PLC接线设计电控系统中使用了甲烷传感器、流量传感器、电机振动传感器、温度传感器以及压力传感器等各种检测设备，它们将压力，温度，瓦斯含量等信号送入主控器，由主控器进行数据处理，实现采煤机自动控制和工矿监测以及故障诊断技术，对煤矿安全高效生产具有重要意义。如图3-10所示，为各传感器与PLC系统接线图。图3-10 传感器和PLC接线原理图Figure 3-10 sensor and PLC wiring diagram3.4.3 继电器接触器和PLC接线设计每台电动机的启动运行需要通过继电器的控制来完成，其接线图如图3-11所示。图3-11继电器接触器和PLC接线原理图Figure 3-11 relay contactor and PLC wiring diagram3.5 采煤机电控系统主接线图设计图3-12 采煤机电控系统主接线图Figure 3-12 main wiring diagram of the electric control system of the shearer3.5.1 截割电机接线图1) 截割电机接线图截割电机直接安在摇臂箱体内部，机械减速系统成套集中在摇臂箱体及行星机构内。摇臂通过销轴与连接架，然后再与牵引部机壳铰接。摇臂通过连接架回转臂上的销轴与安装在牵引部上的调高油缸缸座铰接，通过油缸的伸缩完成截割滚筒的升降。图3-13 截割电机接线图Figure 3-13 cut motor wiring diagram2） 截割电动机升降控制电路图截割电动机的升降控制主要是通过三位四通阀控制液压泵的液压系统实现的。其控制电路如图3-14所示。图3-14 截割电机升降控制原理图Figure 3-14 cutting motor control diagram3.5.2 泵电机接线图泵电动机带动调高齿轮泵转动，齿轮泵通过吸油滤油器吸油，在摇臂调高换向阀没有动作的情况下，大泵排油通过两个调高换向阀返回油池，小泵排油经背压阀返回油池。左右滚筒升降时，大泵排油通过调高换向阀进入调高油缸，调高油缸排油腔的油液，经过调高换向阀回油池，直到调高换向阀停止动作。图3-15 泵电机接线图Figure 3-15 pump motor wiring diagram3.5.3 牵引电机接线图牵引电机的供电带动由交流变频调速电控装置提供，经过变频器改变供电频率，达到改变电动机转速的目的。牵引电机出轴外花键与电动机齿轮轴花键相联，将电动机输出转矩经过两级减速器传递给双行星机构，在经过双行星减速后由行星架输出，传给驱动轮至齿轨轮与销轨啮合，实现采煤机来回行走。图3-16牵引电机接线图Figure 3-16 traction motor wiring diagram3.5.4 变频器选型三菱变频器体积小，能够并排安装，可以减少控制柜的体积，性能好，质量高，所以本设计选择三菱变频器。考虑到在第二章已经选择了电动机，额定功率为Pg=55KW，所以根据功率选择变频器，选择变频器的系列为FR-A700L系列。如图3-11所示。FR-A700L的运行功能为上，下限频率设定，频率跳变运行，外部热继电器输入选择，极性可逆选择，瞬时停电再启动运 行，工频电源一变频器切换运行，正转/反转限制，转差率补偿，运行模式选择，离线自动调整功能，在线自动凋整功能，PID控制，程序运行，计算机网络运行。FR-A700L系列变频器拥有较多可供选择接线方式的设备:有将整流部分与逆变部分装于一体的变频器、用于变频器的制动电阻和制动单元、单独的整流单元、整流回馈单元和单独的逆变器。制动运行的方式:对于很少制动的设备可以选择变频器+制动单元+制动电阻的方式;对于经常制动的设备采用整流回馈单元向公共直流母线供电，再由直流母线向多台逆变器供电;对于不同时制动的逆变器可以在直流母线上交换能量，当制动功率大时从回馈单元向电网回馈能量；还可以将多台变频器的直流母线直接连接，形成公共直流母线，再接入制动单元与制动电阻，当制动功率大时由制动电阻消耗能量。图3-17 FR-A700L系列变频器实物图Figure 3-17 The physical map of FR-A700L series inverter变频器的容量应该与电动机的功率优化结合，而且不应该仅由电动机的功率来确定变频器的容量。变频器的额定输出电流同样是选择变频器的容量时，务必参考的一部分。选择变频器时，反映半导体变频器装置负载能力的一个主要物理量只有变频器的额定电流量。变频器容量选择的基本原则是负载电流不大于变频器额定电流。 经过选型和容量的确定，三菱变频器根据电动机的额定功率Pg=55KW，最终确定变频器的类型为FR-A700L-K，能够应用于选定的电动机。如图3-17所示。3.6 电源选型 电源作为电路工作的供能部分，所以电源的稳定性对于设计电路的正常工作是至关重要的。SITOP PS 207 电源模块有60W和100W两种功率，其功能和设计能够实现与SIMATIC S7-200 CN系统完美结合。也可同时向其他负载提供24V供电，如传感器等。电源安装快捷灵活，即可通过标准导轨安装，也可使用螺钉墙面安装。广泛应用于小型OEM设备控制系统，配电箱或开关柜中。交直流宽范围输入性能能够让它适应多供电网络。其主要技术参数如表3-4所示。表3-4：SITOP PS200型电源模块主要技术参数表：Table 3-4:PS200 SITOP power supply module main technical parameter list:SITOP PS20024V/4A额定输入电压100240V AC(宽范围)-范围85264V AC/110300V DC电源缓冲时间40ms（187V时）额定线路频率50/60HZ额定输入电流1.950.97A额定输出电压24V DC-误差3%-设定范围22.226.4V DC额定输出电流4.0A额定效率89%电子短路保护可选择恒定电流或关机尺寸（WHD）909058防护等级EN60529 IP 20重量约0.34kg图3-18所示为采煤机电气控制系统电源模块接线图。图3-18所示为采煤机电气控制系统电源模块接线图Figure 3-18 power supply module wiring diagram of coal winning machine electrical control system.4 软件系统设计4.1 软件介绍打开STEP 7-Mircro/WIN 32 编程软件，其主界面外观如图4-1所示。主界面大体可以分为以下几个菜单：主菜单、工具条、浏览条、指令树、用户窗口、输出窗和状态条。除菜单外，用户可以根据需要通过检视菜单和窗口菜单决定其它窗口的取舍和样式的设置。图4-1 STEP 7-Mircro/WIN 32 编程软件主界面图Figure 4-1 STEP 7-Mircro/WIN 32 programming software master interface4.1.1 新建建立一个程序文件，可用菜单File|New，在主窗口中显示新建的程序文件主程序区；或者通过工具条中的New按钮来实现。图4-2所示为一个新建程序文件的指令树，系统默认初始设置如下。4.1.2 编辑程序用指令树窗口中的Instructions所列的一系列命令，双击要输入的命令，再根据命令的类别将命令分编排在下拉菜单中的子目录中，如图4-3所示。图4-2 新建程序文件的指令树图Figure 4-2 instruction tree for the new program file如图4-3 编辑程序示意图Figure 4-3 edit program diagram4.1.3 输入编程元件使用工具条上的一组编程按钮，单击触点、线圈或命令盒按钮，在弹出的窗口中从下拉菜单所列出的指令中挑选要输入的指令单击即可。按钮和弹出的窗口下拉菜单如图4-4和图4-4所示。图4-4 按钮菜单示意图 图4-5弹出的窗口下拉菜单示意图 Figure 4-4 button menu Figure 4-5 pop-up window drop-down menu diagram图4-6 顺序输入元件示意图Figure 4-6 Diagram of sequence input element 4.2 牵引电动机启动停止控制采煤机牵引电动机启动、停止控制是电动机最基本的控制。如图4-7所示，为采煤机牵引电动机启动停止控制程序梯形图。如图4-7 电动机启动停止控制程序梯形图Figure 4-7 motor start stop control program ladder diagram4.3 牵引电动机正反转控制如图4-8所示为电动机正反转启动控制程序梯形图。电动机正反转是通过正反向控制接触器改变定子绕组的相序来实现的。其中重要的问题是确保任何时刻、任何情况下，正反转控制接触器都不能在相同时间接通。因此，梯形图中采用正反转互锁，即将动断触点X000串入输出继电器Y001的回路，将动断触点X001串入输出继电器Y000的回路，和两个输出继电器Y000、Y001的动断触点互锁，保证输出继电器Y000、Y001不同时为“1”。如图4-8 电动机正反转启动控制程序梯形图Figure 4-8 The ladder diagram of the motor starting control program4.4 牵引电动机Y降压启动考虑到本设计采用的电动机为三相异步电动机，利用的是星形-三角形降压启动，Y降压启动如图4-9所示，是指启动电动机时，把定子绕组接成星形，这时启动电流数值是三角形接线直接全电压启动时启动电流的三分之一，待电动机启动完毕后再将电动机定子绕组改接为三角形，使电动机在全电压下运行。图4-9 Y降压启动Figure 4-9 Y- Voltage Starting Y降压启动是电动机常用的启动控制电路。如图4-10所示为电动机Y降压启动控制程序梯形图。其电动机起启动过程如下：按下启动按钮，动合触点X000为“1”，输出继电器Y000为“1”并保持，Y000为“1”使Y001也为“1”，接触器断电形成星形连接，电动机工作的同时导致继电器T0开始计时。当计时器T0延时时间到后，T0动断触点使Y001为“0”，切断星形连接接触器，电动机失电，T0动合触点使M为并保持，定时器T1开始计时。经过延时后，T1动合触点使输出继电器Y002为“1”，使三角形连接接触器闭合，电动机成三角形连接继续启动到额定转速后进入正常运行，Y002动断触点使定时器T1复位。如图4-10电动机Y降压启动控制程序梯形图Figure 4-10YDeltamotorstep-down startcontrol programof ladder diagram5 技术经济分析本论文的设计，将变频调速设计和可编程控制器技术应用于采煤机电气控制系统中，减少了能源上的消耗。在工业发展的社会，变频器也得到了大规模的应用，矢量控制方式更加能够得到工业方面的认可。PWM变频器有很多的优点，通过PWM变频器可同时调节电压和频率，结构简单。利用全控制的功率开关部件，通过驱动电压脉冲进行控制，电路简单，高效率。结构简单，操作方便，进而能够很好的应用于采煤机电气控制系统中，使采煤机控制系统能够调节更加简便。将西门子PLC技术应用到采煤机电气系统中，更加减少了采煤机控制系统操作上带来的麻烦，PLC原本就是体积小，价格低廉，人们也能够很容易理解，操作简单，而且PLC有多个功能，能够进行编程，诊断等，通过PLC与组态等进行连接，更能够对采煤机系统进行监测，更加加强了采煤机工作的安全。经过上述分析，我认为无论是在经济方面还是在技术方面，PLC控制系统在各方面都优于继电器控制系统，对于企业的生产是经济、效益的。6 结论煤炭是我国工业消耗的主要能源，在现代化的这个时代，各个产业都进行着现代化的改进。矿井产业也面临着技术和设备更新的情况，矿井设备陈旧老化，不能满足现代生产要求，需要将现代化的生产设备和技术系统的在矿井安装和使用。本设计针对矿井的采煤机电气控制系统进行了改进，采用传感器采集采煤机各种参数，并通过PLC、触摸屏等对采煤机进行检测和控制。采煤机电气控制系统设计包括了电机的选型，变频器的选型，传感器的选型以及主控模块设计，在进行选定的过程中，在选定变频器时扩展了我更多的知识。也要考虑许多的因素，需要对于多方面进行陈述，在这过程中，增加了我的眼界，让我学到了很多知识。PLC维护方便，动作快，操作简单，对采煤机电气控制系统起到新的作用，达到了生产的要求。通过西门子PLC对矿井采煤机进行控制，本系统还存在不完善的地方，一方面是在控制方面考虑就不会那么周全，另一方面对PLC梯形图程序的设计考虑的不周全，可能会有重复的地方，这些还需要进一步的研究和实践来解决。致 谢采煤机电气控制系统是在田立勇老师的指导下进行的。经过这么长时间的毕业设计，我学到了许多书本之外知识，在临近毕业设计完成之际，在这里要对于关心及对于我有很多帮助的老师及同学表示深深的感谢。在他们的帮助下，我在做毕业设计的时候，学到了许多，使我受益匪浅，为我今后的学习过程中打下了牢固的基础。同时巩固了课本所学，并且将一些遗落的知识捡起来，再学一遍。首先要感谢我的导师田老师。田立勇老师平时工作非常繁忙，但在我做毕业设计的每个阶段，从实习到查阅资料，设计草案的确定和修改，中期检查，后期详细设计，绘图等所有过程中都给予了我专心的指导。我的设计比较复杂烦琐，但是田立勇老师一如既往的细心地纠正图纸中的错误。除了敬佩田立勇老师的专业水平外，他的治学兢兢业业的态度和科学研究的精神也是我一直学习的榜样，同时也会影响我今后的学习和工作。我要感谢所有关心、爱护、帮助过我完成毕业设计的老师、同学、朋友，在整个计算过程中，我们一直互相探讨，互相鼓励，互相借鉴更好的方法，互相分享各自的收获，使得我在毕业设计的过程中一直保持着积极的心态。最后感谢对本设计进行阅读和评判的各位老师。参考文献1康建安.我国煤矿机械发展现状及发展趋势J.山西煤矿，2005,25（2）:32-33.2史国华.采煤概论M.徐州：中国矿业大学出版社，20053GB3836.1-4-2000.爆炸性气体环境用电气设备第四部分：本质安全型“i”S.北京：中国标准出版社，2000：4GB3836.1-1-2000.爆炸性气体环境用电气设备第一部分：通用要求S.北京：中国标准出版社，2000：5MT 476-1996 YBC系列采煤机用隔爆型三相异步电动机. 6MT 111-1998 矿用防爆型低压交流真空电磁起动器 7GB 14048.4-2003 低压开关设备和控制设备 机电式接触器和电动机起动器（IEC 60947-4-1：2000，IDT）. 8 GB/T 4942.1-2001 旋转电机外壳防护分级（IP代码）（idt IEC 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绪论控制工程随着时间的演变。过去的人们主要致力于控制方面研究。最近电力已被应用于控制，早期电气控制是基于继电器的。这些继电器使其可以在没有机械开关的情况下被开动和关闭。这是通常使用继电器进行简单的逻辑控制的方法。低成本计算机的发展带来了新的革命，可编程逻辑控制器（PLC）出现于70年代，它已成为制造控制的最常见选择。PLC的功能受到越来越多的工厂欢迎并可能作为主要控制手段再今后的一段时间内。而这其中绝大部分原因是因为PLC它的优点很多。1.1梯形逻辑梯形逻辑编程法是主要的PLC编程方法。正如之前所说，梯形逻辑已发展到模仿继电器逻辑。通过选择简单的梯形逻辑编程法，培训工程师和商人所需要的金钱极大的减少。现代控制系统仍然包括继电器，但这些都是很少的逻辑使用。字母a继电器是一个简单的装置，它使用一个磁场来控制开关，如图图1.1。当电压作用于输入线圈产生的磁场，产生电流领域。拉起磁场的金属开关，再实现它的接触和联系，关闭开关。图1.1 简单的布局和继电器电路图Figure 1.1 simple layout and relay circuit diagram继电器的工作方式，让一个电源开关关闭另一（通常是高电流）电源，同时保持他们孤立。一个简单的例子，控制继电器应用，见图1.2。在这方面，左边第一个接力是通常使得系统关闭，并允许电流流动，直到电压加到输入端甲，第二个中继器通常是开放的，不会允许目前的速度，目前的输入二是流经前两个继电器然后电流流通过在第三继电器线圈，并关闭输出C.此电路的开关会通常应用在制定阶梯逻辑形式。这可以被解释为将C逻辑作用，如果A关闭B合上的话。图1.2一个简单的继电器控制器Figure 1.2 a simple relay controller图1.2中的例子没有显示整个控制系统，只有逻辑。当我们考虑一个PLC有输入，输出，和逻辑。图1.3显示的更全面。这里有两个按钮的输入。我们可以想像激活24V直流在PLC继电器线圈的输入。反过来驱动器是一个输出继电器，开关115伏交流电，结果打开了一盏灯。请注意，在实际情况下PLC的输入继电器，常常又是输出继电器。PLC梯形图逻辑其实一种计算机程序，用户可以输入和更改它。注意，两个输入的推按钮常开，但里面的PLC梯形图逻辑有一个常开触点，和一个常闭触点。在PLC梯形逻辑图不需要匹配输入或输出。许多初学者会被抓住这点试图使阶梯逻辑匹配它的输入类型。图1.3继电器PLC的简图Fig. 1.3 sketch of the relay PLC许多继电器也有多个输出（抛出），这允许输出继电器可以同时输入。图1.4所示的电路是一个例子，它是在电路里称为印章。此电路的电流流过两个电路的分支，通过接触标签A或B的输入端，B只相对乙输出。如果B是关闭的，而A是通电，那么B将打开。如果B打开，然后输入，B将打开。打开后，乙在输出，乙将不会关闭。图1.4电路Figure 1.4 circuit编程控制器是60年代末在美国首先出现的，当时叫可编程逻辑控制器PLC（Programmable Logic Controller），目的是用来取代继电器。以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能。提出PLC概念的是美国通用汽车公司。PLC的基本设计思想是把计算机功能完善、灵活、通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，控制器的硬件是标准的、通用的。根据实际应用对象，将控制内容编成软件写入控制器的用户程序存储器内,使控制器和被控对象连接方便。 70年代中期以后，PLC已广泛地使用微处理器作为中央处理器，输入输出模块和外围电路也都采用了中、大规模甚至超大规模的集成电路，这时的PLC已不再是仅有逻辑(Logic)判断功能，还同时具有数据处理、PID调节和数据通信功能。国际电工委员会(IEC)颁布的可编程控制器标准草案中对可编程控制器作了如下的定义：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的设计。 可编程控制器对用户来说，是一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺。目前，可编程控制器已成为工厂自动化的强有力工具，得到了广泛的普及推广应用。 可编程控制器是面向用户的专用工业控制计算机，具有许多明显的特点。 可靠性高，抗干扰能力强； 编程直观、简单； 适应性好； 功能完善，接口功能强。可编程逻辑控制器（ PLC ）的计算模块是由理查德.e.莫雷在1968年发明的，现在已广泛应用于工业中的制造系统，运输系统，化工过程控制，以及许多其他领域。PLC使用软连线逻辑或所谓的梯形图取代硬接线逻辑，采用编程语言和可视化的模拟硬接线逻辑设计，这样使的系统的配置时间从以前的6个月减少到了6天。虽然现在基于PC的控制系统已经开始进入工业控制领域，但是基于PLC的控制系统凭借其高性能，低廉的价格，优越的可靠性以及适应恶劣环境的能力，仍占领工业控制系统的大片领域。此外，一项关于PLC市场的研究报告中指出，当时的PLC硬件市场价值已超过8亿美元，并且亿年销售增长量15万美元的速度快速发展。PLC的发明者理查德.e.莫雷当时已经预言，尽管硬件价格在不断地下降，但是客观地估计PLC产业的市场价值将达到50亿美元。虽然现在PLC已经被广泛地应用于工业领域，但是PLC控制系统的发展仍然处于不断摸索阶段。就好像软件工程一样，PLC的软件设计目前也面临着类似于软件危机一样的两难境地。莫雷用自己的一句话非常形象地说明了这个危机：“如果把一个软件项目比作一个楼房的话，那么一只啄木鸟就可以毁掉它。”尤其严重的问题是，只有不断地在实际中遇到问题，才能有效地限制程序中的错误和维护原有的梯形图程序的成本。虽然PLC的硬件成本在不断地下降，但是如何有效地减少梯形图执行的扫描时间仍然是一个问题。一般来说，PLC的生产制造的发簪速度是落后于其他领域的。例如VLSI（超大规模集成电路）的设计，就可以依靠计算机辅助设计工具，高效率地进行。但是现有的软件工程设计方法，却不一定适用于PLC的软件设计领域，因为PLC的编程需要同时考虑硬件和软件因素。因此，PLC软件设计中就被加入越来越多的主观成分。在许多工业设计项目中，在整个PLC程序系统的测试和调试人员中，有超过50%的人力是用于控制系统的设计和安装的。此外，面对日益增长的弹性的和可重塑性的需求，当前很多PLC控制系统的设计都不够适合。PLC的基本概念PLC周而复始地执行程序中的控制逻辑和读写数据。FX2N将程序和物理输入输出点联系起来FX2N的基本操作非常简单：（1）CPU读输入状态（2）CPU中存储的程序利用输入执行控制逻辑。当程序运行时，CPU刷新有关数据。（3）CPU将数据写到输出。FX2N在扫描循环中完成它的任务FX2N周而复始地执行一系列任务。任务循环执行一次称为一个扫描周期。在一个扫描周期中，FX2N将执行部分或全部下列操作：(1)读输入：FX2N将物理输入点上的状态复制到输入过程映象寄存器中。(2)执行逻辑控制程序：FX2N执行程序指令并将数据存储在各种存储区中。(3)处理通讯请求：FX2N执行通讯任务。(4)执行CPU自诊断：FX2N检查固件、程序存储器和扩展模块是否工作正常。(5)写输出：在输出过程映象寄存器中存储的数据被复制到物理输出点。用户程序的执行取决于FX2N是处于停止模式还是运行模式。当FX2N处于运行模式时CPU执行程序；当FX2N处于停止模式时，CPU不执行程序。读输入数字量输入： 在每个扫描周期的开始，CPU会读取数字量输入的当前值，并将这些值写入过程映象输入寄存器。模拟量输入： 除非使能模拟量滤波，否则FX2N在扫描周期中不会刷新模拟量输入值。模拟量滤波会使您得到较稳定的信号。您可以使能每个模拟量输入通道的滤波功能。当您使能了模拟量输入滤波功能后，FX2N会在每一个扫描周期刷新模拟量、执行滤波功能并且在内部存储滤波值。当程序中访问模拟量输入时使用滤波值。如果没有使能模拟量输入滤波，则当程序访问模拟量输入时，FX2N都会直接从扩展模块读取模拟值。在每次扫描期间，模拟量输入都会读取模-数转换器生成的最新值，从而完成刷新。该转换器求取的是均值（sigma-delta），因此通常无需软件滤波。提示:模拟量滤波会使您得到较稳定的信号。在模拟量输入信号随时间变化缓慢时使用模拟量输入滤波。如果信号变化很快，不应该选用模拟量滤波。不要对在模拟量字中传递数字信息或者报警指示的模块使用模拟量输入滤波。对于RTD、TC和ASI主站模块，不能使用模拟量输入滤波。执行程序在扫描周期的执行程序阶段，CPU从头至尾执行应用程序。在程序或中断服务中，直接I/O指令允许您对I/O点直接进行存取。如果在程序中使用了中断，与中断事件相关的中断服务程序作为程序的一部分被存储。中断程序并不作为正常扫描周期的一部分来执行，而是当中断事件发生时才执行（可能在扫描周期的任意点）。处理通讯请求在扫描周期的信息处理阶段，CPU处理从通讯端口或智能I/O模块接收到的任何信息。执行CPU自诊断测试在扫描周期的CPU自诊阶段，FX2N检测CPU的操作和扩展模块的状态是否正常。1.2编程第一个是PLC的编程，一个基础技术的继电器逻辑接线示意图。虽然这就不需要教电工，技术员和工程师电脑编程 - 但是，这种方法一直是被认可的，这是现在最常见的PLC的编程技术。梯形逻辑的一个例子，图1.5。为了解释这个图，想像左手垂直线方向，我们称之为热铁路。在右边是中立轨道。图中有两个人物，每个梯级有输入（2垂直线）和组合输出（圆圈）。如果输入是打开，或正确的组合可以关闭热流量通过铁路的输入，使得电力输出，最后中立铁路。输入来自于一个传感器，开关，或任何其他类型的传感器。输出会有是一些外围的PLC设备，开启或关闭则是如灯光或马达之类的。在发出指令后，有常开和常闭2种出点。这意味着，如果输入A和B是关闭，然后将输出并激活它。任何其他组合输入值将导致输入被关闭。图1.5一个简单的梯形逻辑图Figure 1.5 a simple ladder logic diagram第二个梯级图1.5更复杂，其中有多种组合的输入，输出Y将开机。在最左边的部分发出声响，流过顶端，如果C和D是关闭的。电流也可以（和同时）流经底部，如果E和F都为真。这将使得大部分响起，然后，如果是G或H输出y的话，我们将在后面的章节解释这些。还有其他的PLC编程方法。最早的一个技术涉及的记忆指令。这些指令由阶梯逻辑图编写，并输入到PLC的编程，通过简单的终端。图1.6是一个记忆法的例子。在这个例子中，读取指令一次一行从上到下的时间。第一行00000的指令LDN（输入负载而不是输入答）这将检查输入到PLC，如果将它关闭记得1 1（或真），如果它会记住一个0（或假）。下一行使用一个（输入负载）语句看看输入。如果输入的是一个0，如果输入记得它是1（注意：这是相反的）。该声明回顾与最后两个数字记住，如果都真正的结果是1，否则结果是0。这一结果现在取代了两个数字，只有一个数字记忆中。这个过程重复行00003和00004，但是，当这些完成现在有三个数字的记忆中。 最古老的数字是从与，较新的数字是从两个工作点处显示的，并且符合00005，结合从最后的结果和指示工作点处，现在有两个数字的记忆中。指令采用现在剩下的两个数字，如果一方是1的结果是1，否则结果是0。这一结果可替代两个数字，现在有一个数字在这。最后一个指令是存储量，则看最后一个值储存，如果是1，输出将被打开，如果是0输出将被关闭。图1.6的一个助记符和等效梯形逻辑实例Figure 1.6 a mnemonic and equivalent ladder logic examples图
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