（电力电子与电力传动专业论文）矿井斜巷运输综合监控系统.pdf

摘要 a b s t r a c t i no r d e rt os o i v et h 。p r o b i e m st h a ta c c i d e n to fl a n ew a yt r a n s p o r t a t i o no c c u r sf r e q u e n t 】ya n da t p r e s e n ts o m es y s t e mo fi i f t j n gs i g n a ld e v i c e ，r e s i s t i n gd e v i c eo fc a r r i e lt h ec o n t r o l l e ro fw i n c h i n v e r t e r dr i v e na r cb o u g h tf r o md i f 诧r e n tc o m p a n yu s e di nc o a lp i t e a c hs y s t e mh a si t so w n e q u i p m e n td j f f b r e n tf r ) me a c ho t h e li t c a u s eal o to fw a s t e a n dt h ew a s t eo fm a n a g e m e n ta n d m a i n t e n a n c ea r ei n c r e a s i n gb e c a u s eo fi h ed i 妊b r c n c eo fe q u i p m e n t w h e nl a n ew a yt w ot r a c k i i “m g ，t h ew 。r k er l m d e r s ；d em a yp u j it h em 1 1s w i t c hi n c o r r e c t | y tm a yl e a dt oe c o n ( ) m yi o s s e sa n d e v e nl n j u r ya n dd e a t ho fp e r s o n t h i st h e s i sd e s i g n sa ni n t e g r a t e dm o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e m f o ri a n ew a ys a f e t y j ti n c l u d et 1 1 ed e v i c ef o rp r e v e n t i n gp u l l i n gt h er a i ls w i t c hi n c o r r e c t ly d e v i c eo f 1 a n ew a ys i g n a ls u p e 州s i 。n ，d e v i c eo f w i n c hi n v e 啦卜鲥v e ns u p e r v i s i o n ，d e v i c eo f r e s js t l n gd e v i c e 【j fc a ”i e rnm a n a g eu n i t i e sa b b r e v i a t ea n do p t i m i z ea n dp e r f e c tt h ea b i “t yo ft h es y s t e m i tm a k e s 】a n ew a yt r a n s p o r t a t i o nm o r es a f e l ya n df e l i a b l y a tt h es a n l et i m e ，j ti n d u c t sa l ls i g n a l si n t ow i n c h r o o m ；i td i s p l a y st h em a i n | = i e l d 如ds u bn e l do fs u p e r v i s i o ns y s t e mb yh u m a n - m a c h j n ei n t e r f a c e s ot h a ti th a st h ea b i l i t yo fi n t e g r a t i o na n ds y n t h e t j cs u p e r v j s i o n t h es y s t e mu s ec p u 2 2 6a n ds o m ee x t e n s i v em o 血l es u c ha se m 2 3 1 、e m 2 3 2 、e m 2 2 3a sp r o c e s s o l a n ds o m ci n t c r f a c ec j r c u 吨s e n s o r s ，c o m m u n i c a t i o nd e v i c e sa n di n t c l i e c t u a is o r w a r ed e s i g nt o a c q u i r e ss ig n a la n dd r o c e s sd a t au s i n gh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c em t 5 1 0 td i s p i a y ss y n t h e t i c s g n a lo fi a yw a yt r a n s p o r 七a t j o ns u c ha st h ep a r a m e t e ro ff k q u e n c yc o n v e r t e t h e3 p e e da n d p o s o no fw i n c h ，t h ep o s i t i o no fc a r r i e lt h en u m b e ro fl i 俐n g ，t h es i g n a lo fs t a n - u p ，t h ed l r e c t i o n o fc a r r i e r ，d i r e c t i o nr e m e m b e n g ，e l e c t r i c i t yf a u i t ，w h e t h e ro v e r - s p e e d ，w h e m e ro v e r l o a d ，w h e t h e r p e 体( ) na n dc a r r i e ra r ei nl a n ew a yi nt h es 砌et i m e ，t h ec o n d i t i o no f r e s i s t i n gd e v i c eo f c a r r i e la n d r e m e m b e rt h ed a t aa u t o m a t i c a l l y s y n t h e t i cm o n i t or i n ga n dc o n t r o is y s t e mf o rl a n ew a yn 砒1 s p o r t a t i o nr e d u c et h ec o a l m i n e a b o ra c c i d e n t ，a n dm a k e “m o r ei n t e l | e c t i v ea n di n f o r m a t i v ea n dw o r ks a f e l m f j g u r e2 7t a b l e6r e 如r e n c e s4 0 k e y w o r d s ： l a n ew a yt r 矗n s p o r 妇t i o n ； i n t e g r a t e dm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l ；s y s t e mo f s u p e r v i s i o na n dc o n t m l ；h u m a n m a c h i n ci n t e r f a c e c h i n e s eb o o k sc a l a l o g ：t d 5 5 3 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标洼和致谢的地方 以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得塞徽理至左堂或其他教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 毹巍签字日期d 6 年弘f 口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了艉塞徵理王盘堂有保留、使用学 位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单 位属于安徽理工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权塞微垄三 太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密 的学位论文在解密后适用本授权书) 。同时本人保证，毕业后结合学 位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为安徽理工大学。 学位论文作者签名：魄筑 别醛名 g s 扮 签字日期：如0 1 年6 月l o 日 签字日期：体6 月p 日 工钐 引言 引言 斜巷运输综合监控系统的设计是为了矿井斜巷运输的智能化和信息化。主要 研究矿井斜巷双轨防错道装置，斜巷信号装置的监控，绞车变频装置的监控，防 跑牟装置的监控。斜巷运输监控是矿井安全生产与安全运输的一个非常重要的环 节。目前斜巷运输监控一般仅有一些简单的监控装置或小型的系统，并且彼此之 间相互独立，硬设备不兼容，难以实现生产高度自动化所需要的综合监控系统。 该系统实现了整个斜巷运输系统的综合保护和集中监控，对减少煤矿生产事故， 保障矿井生产安全运行具有十分重要的意义。 第l 章绪论 1 绪论 1 1 斜巷运输监控系统研究的背景和意义 斜巷轨道运输是煤矿生产运输中的重要环节之一。它担负着运人、提煤、送 料或拉矸等任务。斜巷轨道也是矿井运输事故的多发区，有关资料表明矿井运输 事故的危害仅次于顶板事故。造成事故的主要原因是斜巷运输安全监控不到位， 如矿井信号装置不完备，抗干扰能力差；挡车装置等保护措施不全：绞车调速装 置技术落后等。另外，部分矿井的斜巷为双钩提升，下口采用双轨一单轨一双轨 方式，单轨铺设在下口变坡点以上1 0 米左右处，单轨上下连接着两个对称的道佾， 向下为弹簧道( 下口空重车道是固定的) 向上为手扳道前，为使向上提升的矿车 进入预定的那一股轨道，车过道岔上去后，就要扳道岔，改变道岔通车方向。以 使另钩下放的车辆不压道顺利通过该道岔，经下一个道岔进入空车道。但若把 钩 _ 忘记扳道龠，车压道后进入空车道，再提升重车时，重车将经过未扳的道分， 进入上口f 在下放车辆的那一股道，造成上提下松的车辆在中途相撞，进而断绳、 掉道、放大滑，后果不堪设想，严重威胁下口工作人员的人身安全，还将造成设 备材料的损坏。 针对矿井斜巷中易出现的“行人与矿车同行、矿车超挂、矿车运行超速及双 轨错道”等违章和故障现象，以及为提高绞车调速功能等，急需设计、研制一套 斜巷运输综合监控系统，以实现与斜巷提升机之削的电气闭锁，并具有报警、显 求、违章汜录和数据存储等综合保护与集中控制管理功能。 目前，有些矿井的斜巷已有提升信号系统或挡车装置或绞车采用变频器控制， 但每套装置互为独立，设备大都来自不同的厂家，每个系统均上一套设备，造成 资源严重浪费；同时各个厂家的设备规格、型号不同，致使管理和维护的工作量 增大：再者，各个设备的信号难以进行集中监控，且信号监控不完善，给绞车司 机和信号工以及行人带来很大不便。斜巷运输综合监控系统将解决上述问题。 按照煤炭工业部关于加强矿井轨道运输安全工作的命令第1 l 条规定：“斜 井提升要按规程规定设置防跑车装置，上井口要有挡车器，挡车器要与绞车有电 气闭锁，并有声光信号，双钩提升要有防撞车装置，不符合要求的不准提升作业。” 凼此，研制“矿井斜巷运输综合监控系统”，对减少煤矿生产事故，提高煤矿斜巷 运输的信息化和智能化及其安全运行都具有十分重要的意义。 2 第1 章绪论 1 2 斜巷运输监测监控系统研究概况及发展趋势 斜巷运输安全监控系统是煤矿检测监控系统的一个非常重要的组成部分。我 国现有的矿井斜巷运输监测监控系统虽在保证煤矿安全生产，提高生产率和设备 利用率等方面发挥了重要作用，但还有待于进一步发展完善。目前国内很少有专 门的斜巷运输综合监控系统，而是一些分散的运输监控装置。例如：矿井提升机 的监控装置，矿井提升机不仅担负着煤炭、矸石、设备、物料的提升，而且担负 着人员的升降，因此其安全运行极其重要。但是，据统计，全国大部分提升机综 合监控保护都存在着抗干扰性能差保护不稳定等缺陷。近年来，出现了不少综 合保护装置。通过对速度、行程数据的采集和处理，实现过速保护，过卷保护等 功能：这些装置抗干扰能力强，价格低，使用方便。完善了现有的提升机的控制 系统，如信号闭锁功能、停车功能、减速点控制功能等。并可以同时进行运行和 事故记录，存储提升工况信息。斜井信号监控装置，般此类系统都具有提、慢 提、放、慢放、停、急停、发送、检查、打点、存储、打印、报警等功能，有使 用继电器的，有使用p l c 或单片机控制的。但是，但大都存在信息在发送和接收 过程中出错现象。防跑车监控装嚣，在煤矿井下斜巷提升作业中，为防止各种跑 车事故的发生，人们不断地总结经验，吸取教训，防跑车装置由原来靠人工操作 地挡车栏、挡车杠、挡车网等发展到能够实现自动检测、自动报警的装置。 现有的矿井斜巷监测监控系统虽在保证煤矿安全生产方面发挥了一定作用， 但由于这些系统监测参数单一，系统性能价格比低，难以满足煤矿安全生产的需 要，主要表现在如下几个方面：( 1 ) 现有系统均针对某一监控对象丌发，为单一 的环境安全或其它专用监控系统，从而造成硬件不通用，软件不兼容，信息不共 享。难以通过简单的操作实现斜巷运输安全监控。( 2 ) 现有系统在同一水平上重 复开发，若要进行新领域的监控，需重新开发，且开发周期长，需要大量的人力， 物力和财力。( 3 ) 现有系统没有将数据，文字，声音，图像等多种媒体有机地结 合在一起，难以提高信息及系统的利用率。国际上矿井斜巷运输监控系统己由早 期的单一参数的监测系统，发展为多参数多任务的监控系统，可针对矿井安全生 f 一多扪啪需求。针对以上种种情况，迫切需要设计斜巷运输综合监控系统来对 各种装置或系统进行统一管理，对信号进行集中采集和处理。 第l 章绪论 煤矿斜巷运输监控系统的发展趋势，主要是向多媒体化方向发展。具体表现 在以下几方面：( 1 ) 智能化自检功能，系统故障自检功能向智能化发展，具有对 故障的智能分析、判断功能，改变系统自检功能单一、简单的情况，做到系统常 见的软件和硬件故障都能通过自检功能进行判断，从而缩短故障处理时问，更好 地保障付片运输安全生产“。( 2 ) 兼容性，现有厂家的监控系统几乎都采用各自号 用装置，互不兼容。有些矿井为了安全生产的需要，在系统存在严重问题和得不 到技术服务的条件下，不得不放弃该系统。因此，制定统一的专业技术标准，对 促进矿井运输监控技术发展和系统的推广应用具有十分重要的意义。( 3 ) 实现运 输豁挣信息网络化，根据监控系统网络化管理的需要，监控系统的实时监控信息 将被网络共享，系统应用软件按统一的格式向外提供监测数据，每台在网络远 程终端都可以共享监控信息，为决策和管理层提供决策依据。( 4 ) 提高传感器技 术水准。传感器的精度、可靠性等质量不断提高。 1 - 3 斜巷运输监控系统研究内容概述 陔课题丰要研究将斜巷运输系统的信号装置、变频装置、挡车装置、防错道 装置进行集中监控，统一管理，简化、优化并完善监控系统的功能，使其安全性、 可靠性增强，并通过人机界面进行显示，从而完成了系统的集成、综合监控功能。 f 位机以可编程控制器为核心，加上相应的接口电路、传感器、通讯装置和 智能化软件设计，自动检测斜巷运输有关信号和各种参数，并自动识别上次下放 空车所经过的轨道，通过上位机人机界面用中文并辅助声光方式实时显示斜巷运 输系统的各种信息参数，并自动存储。实现整个斜巷运输系统的综合保护和集中 监控。 通过两级计算机控制系统将斜巷运输事故降到最低，通过人机界面显示屏实 时显示矿车的运行轨道及道分应扳的方向。系统具有高精度的速度和位置检测、 目接的超载榆测方法、准确灵敏的行人检测、详细的提升勾数记录、友好的中文 接 、丰富的信息显示、存储等特点以及具有过速保护、超载保护、车人同行保 护等完善的综合保护和集中监控等功能。浚系统将更好地保障煤矿斜巷运输系统 的安令运行，实现煤矿斜巷运输的信息化和智能化，减少因事故造成的经济损失 和人英伤亡，具有重大的经济效益和社会效益。斜巷运输监测监控系统是综合性 很强的技术系统。随着科技的不断进步及矿井生产自动化程度的提高，它在煤矿 安全生产和运输中发挥着重要的作用。它不但涉及到计算机技术，还涉及到传感 器、光电、工业电视、光纤宽带通讯等技术。 4 第1 章绪论 本章阐述了课题研究的背景和意义，分析了矿井斜巷运输综合监控系统设计 的必要性，介绍了矿井斜巷运输检测监控国内外研究概况及存在的不足之处，给 出了本文研究的主要内容。 第2 章矿井制巷运输综合监控系统的结构 2 矿井斜巷运输综合监控系统盼结构 本系统主要研究斜巷运输系统的信号装置、变频装置、挡车装置、防错道装 簧。并把这四种装置作为四个子系统进行集中监控，统一管理。系统组成如图l 所示。系统的信号、数据采集，处理及控制采用西门子公司生产的p l e s 7 2 0 0 系 列中的c p u 2 2 6 模块以及e m 2 3 1 、e m 2 3 2 、e m 2 2 3 来完成。四个子系统的信号均通过 p l c 引入到绞车房，通过与p l c 通讯的人机界面显示完成人机对话等功能。系统 结构如图2 所示。 矿井斜巷运输综合监控系统 圈l 斜巷运输综合监控系统组成 f i g lt h ec o m p o s i t i o n0 fi n t e g r a t e dm o n i t o r i n ga n d c o n t r o is y s t e mf o rl a n ew a ys a f c t y 幽2 斜巷运输综合监控系统结构 f i 9 2t h ea r c h i t e c t u r eo fi n t e g r a t e dm o n i t o r i n g a i l dc o n 订0 1s y s t e mf b rl a n ew a y s a f e t y 6 一 第2 章矿井斜巷运输综合监控系统的结构 2 1 矿井斜巷运输综合监控系统的主要功能 针对斜巷运输事故多发以及针对斜巷双轨提升时，下口扳道工可能扳错道岔， 轻者造成经济损失，重者造成人员伤亡的情况，以及矿井信号装置可靠性差，抗 于扰能力达不到要求；挡车装置可靠性差，不灵活：变频调速装置不完备；使用 的各部件不兼容等等。主要研究将斜巷运输系统的信号装置、变频装置、挡车装 置、防错道装置进行集中监控，统一管理，简化、优化并完善监控系统的功能， 使其安全性、可靠性增强。将上述所有分系统的信号均引入到绞车房，通过人机 界面进行显示，从而完成系统集成、综合监控功能。具体功能为： 制巷信号的监控：针对矿井斜巷中易出现的“行人与矿车同行、矿车超挂、 矿车运行超速及双轨错道”等违章和故障现象，研制并使其具有过速保护、超载 保护、车人同行保护、提升勾数记录以及运输信息的检测、显示和存储等功能； 可实现与斜巷提升机之间的电气闭锁、报警、显示、违章记录和数据存储等综合 保护与集中控制管理功能。另外，该系统还具有各车场的道岔及行人位置检测及 显示，具有提升、慢提，下放、慢放、停车、急停、发送、检查、打点、等信号 的峻控、存储、打印、报警以及具有道岔不合拢发不出信号、不挂车发坷i 出信号、 安全装备不正常发不出信号等功能。 变频装置的监控：具有启动、停止( 变频器和油泵电机) 、急停( 紧急切断 变频器和油泵电源) 、复位( 恢复变频器软故障) 、合闸( 启动主接触器，变频器 得电) 、分闸( 断开主接触器，变频器失电) 、信号( 发至下口工作人员) 以及提 升、下放等信号的控制及显示功能；具有电源电压、运行速度、运行频率、深度 指示、电机电流、温度、时间等参数以及电源、允许、运行、故障等信号的显示 功能。 挡车装置的监控：具有绞车与挡车装置之间的故障诊断、自动联动控制以及 挡车装置状况报警如挡车器不正常发不出信号等功能。 防错道装罱的监控：具有自动识别轻、重车经过轨道，自动扳道岔从而避免 斜巷双钩提升系统轻、重车相撞等功能。 2 2 矿井斜巷运输综合监控系统各主要装置的设计思想 陔斜巷运输综合监控装置由斜巷运输系统的信号监控、绞车调速系统的变频 装置、挡车装置的连锁监控、防错道装置的监控等组成。这几个子系统把采集到 7 第2 章矿井斜巷运输综合监控系统豹结构 的信号输入给可编程控制器或其扩展模块输入端，由p l c 进行数据处理，并传输 下人机界面进行显示。 采用具有高速输入功能的可编程控制器( p 【，c ) 作为控制核心实现检测和控制 功能。根据现场情况和信号，尤其是考虑到采集的信号包含模拟量且采集的开关 量点数较多，系统扩展了a d 、d a 和i o 模块，所选用的设备、传感器等均为国 内外主要电气公司生产的产品，具有防爆功能，因此系统工作极其可靠，维护也 比较方便。 由c p u 2 2 6 高速计数装置检测和旋转编码器检测运行速度和车辆位置( 深度指 示) 。 利用热释电红外传感器检测是否有行人，以避免人和车同行。 由叮编程控制器的a d 转换模块加上相应的传感器检测电源电压、深度指示、 乜机电流、温度等参数。利用l 叫等隔离模块检测提升机的电流以判断是否超载： 出现上述情况时将进行报警并安全停车。 由可编程控制器c p u 模块自身的i 0 加上扩展的i o 模块和相应的传感器以 及p l c 的计数器等实现斜巷系统如提升、慢提、下放、慢放、停车、急停、发送、 检查、打点、以及具有道翁不合拢发不出信号、不挂车发不出信号、安全装备不 正常发不出信号等功能：绞车变频器的启动、停止、急停、复位、合闸、分闸、 信号以及提升、下放等信号功能；绞车与挡车装置之蚓的故障诊断、自动联动控 制以及挡车装置状况报警如挡车器不正常发不出信号等功能；防错道装置信号的 检测、控制等功能。 利用丌车信号和运行行程( 位置) 或利用磁感应开关及p l c 的 十数器记录提 升勾数。 利用c p u 模块自身的h s i 和开关状态及动作顺序检测上次轻车经过的轨道， 在提升时单轨变双轨上方1 0 m 左右处，双轨的左右两轨各安装两到三个磁感应丌 关，矿车经过时，相应的磁感应丌关接通，将丌关信号接到可编程控制器的开关 量模块的输入端，根据同一轨道上各个开关的动作顺序，便可检测空车通过哪个 轨道下放，将其记忆下来并清除上次记忆的空车下放的轨道。通过与可编程控制 器相连的人机界面并用中文显示下次重物提升时应该从哪个轨道行驶，同时在道 俞处设置闭锁装置和自动道岔，通过两级计算机控制系统将杜绝轻车和重车相撞 8 第2 章矿井斜巷运输综合监控系统的结构 事故等各类事故。 采用r s 4 8 5 通讯l 1 实现整个斜巷运输系统的p l c 与人机界面之间的信号传送， 通过安装在司机控制室的较大屏幕人机界面完成各种运行参数的实时显示和各种 信号的显示及控制等功能。从而完成整个斜巷运输系统集成综合监控的任务。 2 3 小结 本章阐述了矿井斜巷运输综合监控系统的组成及结构，分析了综合监控系统 的四个子系统所实现的功能，介绍了系统各主要装置的设计思想。 第3 章矿井斜巷运输综合监控系统硬件 3 矿井斜巷运输综合监控系统硬件 3 1c p u 模块2 2 6 系统采用西门子公司2 2 6 c p u 模块作为微控制器，2 2 6 c p u 模块是s 7 2 0 0 系 列中性能最好的p l c 。s 7 2 0 0 系列p l c 是西门子公司上世纪末推出的具有很高 。阡能价格比的小型p l c 。由于它具有体积小、运行速度高、功能强等特点，使其 住自动控制领域得以广泛应用。 s 7 2 0 0 p l c 不但具有高可靠性，而且具有极强的抗干扰能力。它的i 0 至少 经过一级光耦，可以有效地抑制电磁干扰。功能强大，完全能满足斜巷运输监控 系统长期不间断稳定运行、运行环境差、干扰多的要求。因而在像斜巷运输这类 潮湿，多粉尘，电磁干扰强烈的恶劣环境中，优势更显突出。 s 7 2 0 0 主要功能及特点包括 ( 1 ) 执行指令速度高。布尔量运算执行速度为o 3 7 “指令，字传送指令执行速度 为3 4 u s 指令。 ( 2 ) 丰富的指令功能。几乎包括了一般计算机所具有的备种基本操作指令 ( 3 ) 灵活的中断功能。中断触发有4 种形式；可用软件设定为中断输入信号的上 升沿或下降沿，以便做出快速响应：可设为时间控制的自动中断；可由内置高 速汁数器自动触发中断：在与外设通信时可以以中断方式工作。 ( 4 ) 输入和输出的直接查询与赋值。在扫描周期内，可直接查询当前的输入和输 出信号，在必要时，还可以用指令对输入和输出直接赋值或改变其值。这样不 仅用户调试程序方便，同时也可使系统对过程事件做出快速响应。 ( 5 ) 严格的口令保护。s 7 2 0 0 系统有3 个不同的口令保护级别，以便用户对程序 做有效保护。3 级口令分别是自由存取、只读、完全保护。 ( 6 ) 友好的调试和故障诊断功能。包括整个用户程序可在用户规定的周期数内运 行和分析，同时可记录下内存、定时器、计数器状态。 ( 7 ) 输入或输出的强制功能。用户在调试程序时，可对输入或输出强制接通。 ( 8 ) 通i h 功能强人、灵活。具有点对点通讯和网络通讯功能。 ( 9 1 免维护性。s 7 2 0 0 c p u 中配有e p r o m ，可以永久保存用户程序和一些重要参 数。它还安装有大容量电容，可以长时涮存储资料而不需要后备电池。 ( 1 0 ) 内有2 4 v 直流传感器或负载驱动电源，输出电流可达18 0 m a 或2 8 0 m a 。( 1 1 ) 为) 适应不同场合使用，每种c p u 又都有3 种不同的开关量输出类型可供选 1 0 第3 章矿井斜巷运输综合监控系统硬件 择，分别为继电器输出，晶体管输出，双向晶闸管输出。 ( 1 2 ) 灵活中断输入。s 7 2 0 0 c p u 可以以极快的速度来响应中断请求信号的上升沿 或下降沿。 ( 13 ) p i 。( 1 内配有高速计数器。省去了配置价格昂贵的专用高速计数器模块。 ( 1 4 ) 便于扩展。为系统备有专用的扩展模块，可方便地进行输入、输出及模拟量 扩展，为系统调试提供了方便。 s 7 2 2 6 c p u 模块集成2 4 路输入1 6 路输出共4 0 路数字量i o 点，最多可连 接7 个扩展模块。本系统扩展了3 个模块：e m 2 3 1 ，e m 2 3 2 ，e m 2 2 3 。c p u 模块 程序存储区8 1 9 2 字节，数据存储区5 1 2 0 字节，掉电保护时问1 9 0 小时。此外还 具有2 路独立的2 0 k h z 高速脉冲输出，8 回路p i d 控制器，2 个r s 4 8 5 通讯偏程 j ，具有p p i 通讯协议、m p i 通讯协议和自由方式通讯能力，可用于要求高的控 制系统。因西门子s 7 2 0 0 系列p l cc p u 2 2 6 较多的输入输出点，较强的模块 扩展能力，较快的运行速度和功能强大的内部集成功能。所以使用它作为本监控 系统主控制器。 3 2 高速计数器 监控系统需对绞车的速度、行程等参数进行监测。使用的传感器为每转输出 5 0 0 0 脉冲的旋转编码器，因而需用到高速计数器。将传感器( 旋转编码器) 产生 的一系列反映电机转子位置的时钟脉冲信号，作为高速计数器的输入。用高速计 数器町实现矿车运行速度和行程的精确检测，并且不受可编程控制器的扫描周期 影响。 c p u 2 2 6 含有6 个独立的频率为3 0 k h z 高速计数器，高速计数器可以对c p u 扫描速度无法控制的高速事件进行计数。 c j ，【j 2 2 6 高速计数器有1 2 种工作模式，而且不影响c p u 的性能。高速计数 器对所支持的计数、方向控制、重新设置及启动均有专门输入。本设计就是采用 高速计数器检测绞车运行速度和矿车行程。高速计数器定时中断采集旋转编码器 的脉冲数可求得绞车运行速度，其脉冲累积值可求得矿车的行程。当计数器的当 前值等于预定值或发生重置时，计数器提供中断。因为中断的发生速率远远低f 高速计数器的计数速率，所以可对高速操作进行精确控制，并不影响p l c 的整体 扫描循环。 c p u 2 2 6 所带的高速计数器工作方式分为4 种，第一种是带内部方向控制的 第3 章矿井斜巷运输综合监控系统硬t 单向计数器，这种计数器的计数要么是增计数，要么是减计数，只能是其中的一 种方式。这种计数器只有一个计数输入端。其控制计数方向由内部继电器控制。 浚计数器工作在模式o 、l 、2 ；第二种是带外部方向控制的单向计数器。这种计 数器只有个计数输入端。由外部输入控制其计数方向。浚计数器工作在模式3 、 4 、5 ；第3 种计数器是既可以增计数也可以减计数的双向计数器。这种计数器有 两个计数输入端，一个为增计数输入端，一个为减计数输入端。这种计数器的工 作模式为模式6 、7 、8 。第4 种计数器是正交计数器。这种计数器有两个时钟脉 冲输入端，一个为a 相，一个输入端为b 相。当a 相时钟脉冲超前b 相时钟脉 冲叫，i 数器进行增计数；当a 相时钟脉冲滞后b 相时钟脉冲时，i 一数器进行减 汁数。这种计数器的工作模式为模式9 、1 0 、1 1 。 本设计采用高速计数装置第四种工作方式工作模式1 0 。全部计数器模式均支 持当前值等于预设数值中断，使用外部重置输入的计数器模式支持外部重复被启 动中断。每个高速计数器都有一个状态字节，该字节的每一位都反映了这个计 数器的l j 作状态，表示当前计数方向以及当前数值是否大于或等于预设数值。定 义计数器及计数器模式后，可对计数器动态参数进行编程。各高速计数器均有控 制字节，可启动或关闭计数器、装载当前数值及预设数值。执行h s c 指令可检查 控制字节、当前及默认值。各高速计数器均有3 2 位当前值，当前值为带符号整数 值。欲向高速计数器装载新的当前值，必须设定包含当前值的控制字节及特殊内 仃字仉然后执行h s c 指令，使新数值传输至高速计数器。每个高速计数器都有 个3 2 位的设定值，设定值为有符号整数。如果要向高速计数器写入新的设定值， 那么必须设定包含设定值的控制字节以及特殊的内存字节，然后执行h s c 指令， 将新的数值写入高速计数器。定义高速计数器的指令是h d e f ，在使用高速计数 器之前必须选择计数器模式，对于每一个高速计数器只能使用一条这样的命令对 其进行定义。在高速计数器控制字节内新定义的控制方式，只有在使用h d e f 命 令执行以后，才能真正被高速计数器接受，并按照新设定方式运行。高速计数器 编程指令为h s c 。高速计数器在定义以后、复位后、更新计数器当前值、更新设 定值时都要使用高速计数器编程指令h s c 进行编程，这样高速计数器才能运行。 本系统中，高速计数器用来计算安装了增量轴式编码器的设备的转速。以恒定的 速度转动轴式编码器每转动一圈会提供一个确定的计数脉冲和一个复位脉冲，编 码器的计数脉冲和复位脉冲作为输入信号送给高速计数器进行计数。 1 2 第3 章矿井斜巷运输综合监控系统硬件 3 3 模拟量输入模块e m 2 31 在p l c 控制数据采集系统中，模拟输入信道均包含在模拟量输入模块中。编 程时，通过定时中断，在子程序中直接读取模拟量连接输入模块的地址，即可实 现模拟量的采样。本系统使用可编程控制器的a d 转换输入模块e m 2 3 1 加上相 应的传感器检测变频器电源电压、电机电流、温度等参数。e m 2 3 1 的输入有两种 信号方式，即电流和电压，并有多种量程供用户选用，如o 1 0 v ，肚5 v ，o 2 0 m a ， 0 1 0 0 m v ，一1 0 + 1 0 v ，一5 + 5 v 等，可通过d i p 开关设置不同的信号方式和 信号大小。e m 2 3 l 有四路电流电压模拟量输入信道，模块内部有1 2 位a d 转换 器，在此本设计使用了三路模拟量输入通道，留一路可供系统扩展使用。 模拟量输入地址如表1 所示。 表l 模拟量输入地址定义 t 曲l elt h ea d d r c s sd e f i n i t i o nf o ra n a l o gq u a n t i j mi n p u t 地址a i w 0a i w 2a l w 4 瞬明电机电流温度变频器电源电爪 331 采样周期的选取 信号采集时，主要解决两个方面的问题：一是模数转换精度：二是确定信号的 采样周期。e m 2 3 1 已规定转换位数是1 2 ，故不必对转换精度再进行讨论，关键是 确定模拟信号的采样周期。采样周期首先要符合香农采样定理，此外，还必须从 技术和经济指标综合考虑。采样时间太短，不仅增加c p u 不必要的负担，而且要 求a | ) 转换精度高，可能和已选定的a d 转换精度不匹配。综合考虑p l c 本身采 样频率。本系统选取的各模拟量信号采样周期见表扎 表2 模拟鼙信号采样周期表 t a b l e 2t h es a m p l i n gp e r i o dt a b l ef o ra n a l o gq u a n t u m 信号名称 电机电流 温度变频器电源电压 采样周期s 0 1 o 5o 1 第3 章矿井斜巷运输综合监控系统硬件 3 3 2 数据处理 数据处理主要考虑以下问题：读取输入数据、检查模拟量输入模块读入数据是 否有效、是否需要线性化处理、数字滤波、模拟量输入数值整定为实际过程值。 1 信号输入模拟量信号由其对应的e m 2 3 1 的信道地址读耿，读到的值是a d 转换的数字量，程序设计时，用定时中断进行采样。 2 有效性检查模拟量输入类型设定：电压信号：o 5 v ；电流信号：4 2 0 m a ；各 通道独立进行零点调整。若输入数据量程溢出或信号低于仪表零位，则判断超 载、过速等故障。旦出现故障，读入的数据无效，p l c 进行出错指示和并通过 软件程序调整处理。并通过上位机人机界面显示报警。 3 拟量信号的数值整定实际通过传感器转变为控制系统可接收的电信号( 0 5 v 或4 2 0 m a ) ，以数位量的形式送给p l c 。该数字量与实际物理量具有某种 函数对应关系，但在数值上并不相等，也不能直接使用，必须经过一定的转换。 转化的过程称为模拟量的输入数值整定。整定时考虑下列因素：过程量的最大 测量范围：电信号的类型及其量程；数字量的最大值( 2 “，n 为输入模块a ，i ) 转换 位数) ：系统偏移量，是指数字量“0 ”对应的过程量的值。产生原因一是测量范 围所引起的偏移量：二是模入范本转换死区所引起的偏移量：二者之和即是系 统偏移量。模拟量信号测量范围对应关系见表3 。 表3 数值整定范闱对应表 t a b 】e 3t h ec o r r e s p o n d i n gs c o p et a b l ef o rs e n i n gv a l u e s 项目 过程量 模拟量电信号玎v m a l数字量 最小值 k m 加 0 4o 最人值 k m a x 5 2 02 1 2 范阳 k 洲一k m 1 5 1 62 1 2 整定数学表达式( 算法) 推导如下。参数定义：为模拟量；x n 数字量；为过程量 测量范围；为实际过程值，贝0 模拟量表达式为y 。= x 。k 。2 1 2 设系统偏移量为e 。，则实际过程量为y n = e 。+ y 。= e 。+ x 。k 。2 1 2 3 4 横出模块e m 2 3 2 p l c 模拟量输出也是用模拟量输出模块实现。e m 2 3 2 有二路电流电压模拟 1 4 第3 章矿井斜巷运输综合监控系统硬什 量输出，电压输出范围为有一1 0 + 1 0 v ，一5 + 5 v ，o + 1 0 v ，0 5 v 等多 科一，r m 允输出范倒为o 2 0 m a ，o 1 0 0 m a ，1 0 0 + 1 0 0 m a 等，电压的分辨率 满量程为1 2 位，电流的分辨率满量程为1 1 位。本系统中使用e m 2 3 2 输出电压模 拟量给变频器，电压输出范围为o + 1 0 v 。变频器根据p l c 输出信号不同组合选 择其电源的不同输出频率和电压，进而控制电动机转速，最终控制矿车的运行。 3 5 数字量混合模块e m 2 2 3 由于本系统需要采集和输出的开关量很多。如提升、慢提、下放、慢放、停 车、急停、发送、检查、打点；绞车变频器的启动、停止、急停、复位、合闸、 分闸；绞车与挡车装置之间的故障诊断、自动联动控制以及挡车装置状况报警； 防错道装置的检测、控制等信号。c p u 2 2 6 内部的点数已经不能满足系统的要求， 因此本系统扩展了一个数字量输入输出混合模块。 数字量扩展模块采用的是e m 2 2 3 ，该模块共有1 6 路d c 输入、1 6 路继电器 输出。该数字量扩展模块使用除了主模块集成的数字量输入输出点外的为更多的 输入输出提供途径，这种扩展模式灵活性强，很容易扩展i o 点数，当应用范围 扩大，需要更多输入输出点数时，p l c 可以增加扩展模块，即可增加i ，0 点数。 3 6 编程电缆及通讯电缆 采用r s 4 8 5 通讯口实现整个斜巷运输系统p l c 与人机界面之间的数据传送。利 用p c p p i 电缆建立s 7 2 2 6 c p u 与人机界面之间的通讯，通讯速率为9 6 0 0 b p s ， 将p c p p i 电缆的r s 4 8 5 端连接到c p u 的通讯端口。将p c p p i 电缆的r s 2 3 2 端连接 到人机界面的通讯口。m t 5 0 0 上的p c i r s 一2 3 2 口一一般连接到计算机。由p c i r s2 3 2 l 和儿叫k s4 8 5i 共享一个c o m 口，在调试过程中使用m t 5 一p c 电缆连接线，该连接线 把共享的c o m 口分成两个独立的c o m 口使用。p l c 与上位机接线如图3 所示。 3 7 人机界面m t 5 1 0 t 斜巷运输监控系统使用人机界面m t 5 1 0 t 进行实时监控。m t 5 1 0 t 是m t 5 0 0 系列触摸屏人机界面中的一种。w e i n e w 工业触摸屏m t 5 0 0 系列触摸屏人机界面 是随着嵌入式系统的技术发展而不断发展完善的人机界面产品。它拥有高性能的 嵌入式硬件平台、配备功能强大的组态软件e a s y b u i l d e r 5 0 0 、提供完备的与各种 控制器的连接方案。凭借着优异的性能价格比和稳定可靠的质量、w e i n v i e w 系列 触摸解能迅速提升控制系统的工作效率。 1 5 - 第3 章矿井斜巷运输综合监控系统硬件 1 高性能的硬件平台 w 萌n v i e w 系列触摸屏人机界面全面采用功能强大的i n t e ls a l l l 03 2 w 职 1 3 3 m h zi u s c 处理器，具备4 m bd r a m 的系统内存，加速指令的处理和面面的 刷新，提供业界最敏捷的响应速度。 w “n v i e w 5 0 0 系列触摸屏人机界面提供2 m bf i a s hr o m 的程序内存( 部分经 济型型号提供1 m bf l a s h r o m ) ，可以最多让客户创建多达2 0 0 0 个的窗口画面， 提供用户更多的自由设计空间。 w e i n v i e w 5 0 0 系列触摸屏人机界面采用工业级的液晶显示屏，高亮度、高对 比度，色彩鲜艳。 w c i l l v i e w 5 0 0 系列触摸屏人机界面采用了模拟电阻式触摸面板，表面硬度高， 触控精度高、消除了一般业界常用的数字电阻式触摸屏存在的t o u c hc e l l 对于平 面设计的困扰，前丽板提供i p 6 5 工业的防护等级，绝对可以满足恶劣的工业环境。 w e i n e w 5 0 0 系列触摸屏人机界面全面提供标准内置的标准内置的配方卡内 存和实时时钟，配方内存的容量为1 2 8 k b ，可用于配方数掘和故障记录的掉电保 存。 2 完备的连接方案 作为专业的触摸屏人机界面，w e i nv i e w 系列触摸屏人机界面支持与各种主 流p l c 的直接连接，无需配置任何特殊的硬件软件就可以利用e a s y v i e w 5 0 0 系列 触摸屏人机界面p l c 控制器通讯。其界面如图3 所示： p r i n t e r p l cp c l 斟3 人机界面与p l c 控制器等通讯 f i 9 3t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nh u m a n - m a c h i n ei n t e r f k ea n dp l cc o n t r o l l e r 1 6 一 第3 章矿井斜巷运输综合监控系统硬件 3 功能强大的组态软件 e a s v v i e w 5 0 0 系列触摸屏人机界面提供功能强大、简单易用的组态软件 l j a s v b u i l d e r 5 0 0 ，它具备简体中文的操作环境，采用图形化的操作接u ，l j - 以快速 地设计图形化的窗口画面。 4 w i n d o w s 设计风格 e a s v b u i l d e r 5 0 0 凭借着多达4 m bd r a m 的系统内存提供多窗口的支持，可以 在一个j 唧而上最多同时显示6 个窗口分别执行不同的监