矿山提升机PLC监控系统设计毕业设计论文.doc

矿山提升机 PLC 监控系统设计 论文 I 摘要 张家洼铁矿是位于山东省莱芜市里的一座最高水平为 500 水平的中深度矿井 它运 用的电控系统肩负着提人提物料的重要职责 所以原先工业所运用的继电器保护措施 已经大大的不能改变矿山对于现在工业生产的作用 所以新一代的数字化矿山需要有更 具逻辑的数字话控制系统 无论在任何时候都能保障人员的安全 所以 PLC 控制的现代 化系统应运而生 改善了一般继电器保护的稳定性差 安全系数低 故障程度高 电能 损耗大 浪费度高和效率低的特点 综合一些电控系数的安全方面的问题 做出了合理 化的解决方案 切实的改变了矿山的安全 提升机的控制从本质上说是一个位置控制 要保证提升容器在预定地点准确停车 要求准确度高 采用微机控制 可通过采集各种传感信号 如各水平变换 钢丝绳制动 井筒所到位置 滚筒及液压站打开等信号进行处理 计算出容器准确的位置而施以控制 和保护 一般过程控制用微机作监视 行程控制也是 当前国内提升机电控绝大多数还是转子回路串电阻分段控制的交流绕线式电机继电 器接触器系统 设备陈旧 技术落后 而且这种控制方式存在着很多的问题 问题使提 升机运行的可靠性和安全性不能得到有效的保障 因此 需要研制更加安全可靠的控制 系统 使提升机运行的可靠性和安全性得到提高 在提升机控制系统中应用计算机控制 技术和变频调速技术 对原有提升机控制系统进行升级换代 总体设计基于 PLC 控制的大功率矿井提升机 由动力装置 制动装置 液压站 变 频器和控制监视系统组成 关键词关键词 提升机 变频器 盘形闸 液压站 可编程控制器 Abstract 沈阳工程学院毕业设计 论文 II Abstract Mine hoist is the most important equipment in the mine and shoulder the transportation lresponsibility of mineral material and personnel The control system of the traditional coal mine hoist mainly adopts relay contactor for control and the hoist usually starts and adjust the extra resistance in the rotor circuit of the motor The control system has the disadvantages of poor reliability complex operation high failure rate waste of power and low efficiency Therefore it has practical significance to study the control system of the mine hoist and is also a research subject of domestic and foreign experts and scholars The in the view of the elevator control system in the presence of the above problems the programmable program controller and a frequency converter used in elevator control system and have carried on deeper research in feasibility The control of the hoist is essentially a position control to ensure that the lifting container is located in the reservation location the accuracy is high and the current can reach to the 2cm shaft a cylinder and a wire rope wear signal processing calculated container accurate position and impose control and protection General process control with microcomputer for monitoring stroke control is also At present the AC winding motor relay contactor system which is the most of the electromechanical control system is controlled by the series resistance of the rotor loop The equipment is obsolete and the technology is backward And there are many problems in this control the reliability and security of the hoist can t be guaranteed effectively Therefore it is necessary to develop a more secure and reliable control system which can improve the reliability and security of the hoist operation In the hoist control system the application of computer control technology and frequency conversion technology the upgrading of the original hoist control system Keywords cage hoist Disc brake hydraulic station Programmable control 矿山提升机 PLC 监控系统设计 论文 III 目目 录录 摘要 I ABSTRACT II 目录 III 1 引言 1 2 提升机简介 2 2 1 提升机工程概况 2 2 2 提升机制动装置概述 4 2 2 1 提升机制动系统作用 4 2 2 2 制动装置的整体结构 4 2 2 3 主体盘车闸的制动作用 6 2 3 液压站 7 3 PLC 系统在矿山的应用 8 3 1 PLC 在矿山提升机控制系统中的概述 8 3 2 研究内容 8 3 3 本系统中 PLC 选型及特点 9 3 3 1 西门子少 300 系列的编程器件组成 11 4 PLC 系统设计 13 4 1 系统的 I O 统计 13 4 1 1 S7 300 可编程控制器概述和 I O 编址 13 4 1 2 PLC 输入输出分析及 I O 地址分配 15 4 2 控制系统的硬件组成及工作原理 18 4 2 1 控制程序和保护程序的设计思路 19 4 2 2 子程序的设计 19 4 3 控制和保护程序的设计 21 4 3 1 变频器 M440 在提升机中的作用 26 4 3 2 提升机 WINCC组态软件及其子系统 27 4 3 3 创建 Wincc 项目 28 结论 33 致谢 34 参 考 文 献 35 矿山提升机 PLC 监控系统设计 论文 1 1 1 引言引言 每一个矿山的提升系统都是都是最重要的主要生产设备 提升机的主要参数已经安 全系数至关重要 一个矿山是否能够安全正常的运行 提升机的电控是最基础的也是最 重要的一个环节 随着世界发达国家矿山提升机控制水平的提高 我国矿山提升机控制已逐步淘汰耗 能巨大 自动化水平极低的系统 而变频及PLC数字化控制技术已成熟 经过多年在矿山 提升绞车上的实际应用 其性能优越 节能显著已为公众所认知 但矿井提升是矿井生 产的咽喉部位 再加我们现有提升机操作人员的水平所限 为保证系统工作的可靠性 应保留原TKD操作系统 改造后 以变频系统为主 既充分发挥了变频系统的优越性 又减少了工作上的后顾之忧 原系统的监控保护功能采用双PLC 冗余设置 实现 使变 频保护与其形成双重保护 在采用先进技术的同时 必须充分考虑系统工作的可靠性 完善性 充分考虑操作的简易性 尽可能简化系统 适合现场条件 这是我们设计的根 本 矿井提升系统是一个高强度作业系统 因此对提升机电气传动系统也有更高的要求 传统 TKD 是多数运用继电器来保护 不经济 而且电能的损耗比较大 本设计对传统 的电控系统进行了改进 采用 PLC 进行变频控制 并且加入了上位机监控系统 包括工 艺控制 行程控制 监视系统 安全回路 制动系统 调速系统和信号系统等 本系统 大大提高了矿井提升系统的安全性 可靠性 完善了检测系统 提高了调速性能 节约 了能源 对于铁矿安全生产有重大意义 1 沈阳工程学院毕业设计 论文 2 2 提升机简介 2 1 提升机工程概况 图 2 1 提升机工程概况 张家洼铁矿是鲁中矿业有限公司的主体生产单位之一 地处公司北部 占地面积 6 74 平方公里 地理坐标 东经 117 36 39 117 39 03 北纬 36 15 10 36 17 38 矿区 北邻济青高速南线莱芜北出口处 南邻鲁矿大街 东邻鹿鸣路 西邻莱城大道 交通运 输四通八达 十分便利 2 多年来 张家洼铁矿组织机构经历了较大变化 1974 年 10 月 张家洼工程指挥部成 立矿山建设工程处 1975 年 5 月副井和东南风井开始建设 1977 年 12 月 张家洼工程 指挥部进行机构调整 撤销矿建处 两个工程队由指挥部直接领导 1982 年 4 月 指挥 部恢复 上海矿山井巷公司 的建制 1983 年 4 月 经指挥部批准 上海矿山井巷公司 更 名为 井巷工程公司 1994 年 3 月 张家洼铁矿挂牌成立 正式投产 井巷工程公司牌 子保留 2009 年 3 月 公司成立井巷工程公司 井巷工程公司牌子移交公司 截止 2013 年末 张家洼铁矿拥有固定资产净值 5 2 亿元 1 副井提升机 于 1991 年正式投入运行 经过多方面的考证研究 测量出钢丝绳的 承重能力和其拉力程度 再根据工程项目的要求 最后按照规划和矿山的实际程度运用 的 矿山提升机 PLC 监控系统设计 论文 3 型号为 JKD Z 2 8 6 多绳摩擦轮提升机 在实际工程中运用 JKD Z 2 8 6 多绳摩 擦 轮提升机 配一套双层单罐笼 重量为 13 4 吨 最大载重量为 14 吨 每罐可乘 70 人 每层 35 人 主要由主机 主电机 提升方式及提升容器 提升钢丝绳 液压站以及冷却 风机组成 其中主机型号为 JKD Z 2 8 6 上海冶金矿山机械厂制造 主导轮直径为 2 8m 卷筒总重 36 3 吨 导向轮直径为 2 5 米 导向轮总重为 6 988t 最大静张力 476KN 最大静张力差 137KN 提人运行速度为 8 06m s 提物速度为 9 26m s 提升钢 丝绳共 15 根 其中首绳 6 根 尾绳 3 根 稳绳 6 根 主电机型号 ZD215 48 5 功率 1250kw 电压 660V 额定电流 2140A 额定励磁电压 220 110V 励磁电流 69 5 139A 转速 78rpm 总重 38 吨 图 2 1 多绳摩擦式提升机 要想使提升机能够安全稳定的起到矿山公司中的人员运输和材料运输的作用 由于 提升机的制动大部分是采用盘车制动器 所以盘车闸是不可或缺的重要组成部分 从某 种意义上来讲盘车制动器上的弹簧有不可维修的因素在里面 所以这种一次性的设备 在某些时候会增加矿山安全的医患 一个弹簧损坏之后必须马上换上新的盘车制动弹簧 以迅速解决矿山中的不稳定安全因素 所以矿山电控的安全包含两个方面 一个是固有 可靠性 和使用可靠性 两者综合所反映出来的结果 固有可靠性是由液压站的制动来 实现的 二使用的可靠性是根据厂家所能维修的年限来确定的 由此可知矿山电控的液 压站和盘形闸是矿山的重中之重 必须进行故障的及时检修和日常的维护 经调试后能 够很好的起到矿山安全的需要 3 因此 矿山安全性能的体现 受各方面的限制 生产效率再高 安全性能却较低 制 动器的实际工作可靠性依然不会高 沈阳工程学院毕业设计 论文 4 制动提升机最高要求是运用盘车制动器作为故障时的制动装置 可以进行一级制动 在进行故障保护的时候和提升机失电的时候运动二级制动 制动装置提升机 提升绞车 的重要组成部分之一 直接关系着提升机设备的安全运 行 它由两部分组成 制动器 通常称做闸 和传动装置 制动器是直接作用于制动轮或 制动盘上产生制动力矩的机构 传动装置是控制并调节制动 2 22 2 提升机制动装置概述 无论在什么时候矿山人员运输都是 生产过程之中的最重要的 提升机的制动系统 能够很好的确保这一点使人员的安全得到保障 提升装置的液压站 主要是起到对于意 外故障的保障和平衡电机与油动之间稳定性的重要因素 盘形闸的保护更是如此 每一 个盘车弹簧都从中起到了非常重要的作用 保证了每一次运输 每一次提升的安全基础 从广义上讲将矿山的自动化水平提升到一个很鲜明的层次 从细节上讲实现了安全运行 的最重要的一个部分 4 无论在什么时候矿山人员的安全性质都是由于制动器的安全稳定来实现的 所以切 记马虎大意 在提升的控制上面不加重视 实现没有必要的麻烦 即减少工作的效率 又使电能损耗大大增加 因此 固有可靠性的体现 受使用可靠性的限制 固有可靠性再高 使用可靠性却较 低 制动器的实际工作可靠性依然不会高 制动装置提升机 提升绞车 的重要组成部分之一 直接关系着提升机设备的安全运 行 它由两部分组成 制动器 通常称做闸 和传动装置 制动器是直接作用于制动轮或 制动盘上产生制动力矩的机构 传动装置是控制并调节制动力矩的机构 2 2 1 制动系统的作用 制动系统是为了提高矿山提升系统的安全稳定性来生产的 另外提升机最重要的一 环就是安全保障的装置 比如防止卷筒过卷 以及到达某水平位置的力矩改变等影响安 全的直接因素 1 矿山提升机的正常停车 是使用制动闸来使提升机停止工作 2 在提升机提人提物的时候 在减速的时候控制 所以为工作制动 3 当在提升过程中发生意外状况时候 盘形闸能够准确 而且有效的使提升机停止 下来 4 多绳摩擦提升机 在更换滚筒和钢丝绳的时候 盘形闸能够按时的使滚筒制动并 使卷筒不会过卷 矿山提升机 PLC 监控系统设计 论文 5 2 2 2 制动装置的整体结构 图 2 3 盘车制动器 制动装置中的制动器按结构分为块闸 角移式或评移式 和盘闸 传动装置按传动能源 分为油压 液压 压气 气动 及弹簧等 KJ 型 2 3m 和 BM 型提升机使用油压角移式制动装置 KJ 型 4 6m 和 HKM3 型提 升机使用压气平移式制动装置 JKA 型提升机使用液压综合式制动装置 XKT 型 JK 型 GKT 型 2m JKD 型 JKM 型 JKMD 型提升机使用液压盘式制动装置 矿用提升绞 车使用手动角移式制动器作为工作制动 重锤 电磁铁丝杠螺母操纵的角移式制动器或重 锤 电力液压推杆操纵的平移式制动器作为安全制动 但新系列 JT 型 1 2 1 6m JKM JKMD 型提升绞车则使用液压盘式制动装置 5 盘式制动器一级制动闸和二级制动闸是由预压缩的蝶形弹簧组使闸瓦与卷筒上的制动 盘贴紧而产生制动力 当油缸冲入压力油后 再次压缩蝶形弹簧 使闸瓦脱开制动盘 从而制动力消失 盘式制动器的性能与用途 盘式制动 器是靠碟形弹簧产生制动力 用油压解除制动 制动力沿轴向作用的制动器 提升机制 动时 蝶形弹簧的预压力迫使活塞向制动盘移动 通过联接螺钉 将滑套连同其上的制 动块推出 使制动块与卷筒的制动盘接触 并产生正压力 形成摩擦力而产生制动 提 升机松闸运行时 油缸腔中充入压力油 活塞再次压缩蝶形弹簧 并通过联接螺钉带动 滑套向后移动离开制动盘 从而使制动块离开制动盘 解除制动力 滑套是由钢套和 拉杆组成的装配件 其拉杆承受制动时的切向力 制动块嵌合在滑套的燕尾槽中 并用 压板 螺钉将其固定 键防止滑套转动 转动放气螺钉 可排出油缸中的存留气体 以 沈阳工程学院毕业设计 论文 6 保证盘形闸能灵活地工作 盘形闸在密封件允许泄漏范围内 可能有微量的内泄 虽内 泄油可起润滑滑套与支架的作用 但时间较长时 内泄油可能存留过多 因此应定期从 螺塞处排放内泄油液 在电动机运行的时候可以使油压增加 一次来起到增加运行速度的目的 更添加相 同 盘式制动器和液压站 管路系统配套组成一套完整的制动系统 适用于码头缆车 矿井 提升机及其它提升设备 作工作制动安全制动之用 其制动动力大小 使用维护 制 动力调整对整个提升系统安全运行都具有重大的影响 盘式制动器具有以下特点 制动力矩具有良好的可调性 惯性小 动作快 灵敏度高 可靠性高 通用性好 结构简单 维修调整方便 6 2 2 3 主体盘形闸的制动作用 1 在提升机制动时 调节系统制动时的油压 通过盘型闸 使提升机获得不同制 动力矩 2 在紧急制动或事故状态下 使盘型闸迅速回油 实现恒减速度制动或者二级恒 力矩制动等方式的安全制动 以及井口区域的一级紧急制动 3 正常停车制动状态 提升机正常减速后进入爬行 当至停车点 0 5 米时 在电 气控制下 爬行速度降到更低值 此时 1 电液阀经贴皮油压施闸 阀门的电流分二级减小 2 第一级 从贴皮降至 8 兆帕 经过很短的时间 3 第二级油压降至 5 3 兆帕 至停车点时 阀门断电卸荷 盘型闸制动 提升机 卷筒停转 采用二级的目的在于快速而平稳的调整制动器 图 C 为盘车闸外观 图 2 3 盘车制动器 矿山提升机 PLC 监控系统设计 论文 7 2 3 液压站 液压站是矿井提升机的重要部件 它与盘式制动器 电机轴制动器组合为一完整的制 动系统 其性能和质量好坏 直接影响到矿山的产量 设备的寿命 人身的安全等 液压站主要作用 为盘式制动器 电机轴制动器提供可调节的压力 油 以获得不同的制动力矩 在任何事故状态下 可以使制动器 7 的油压迅速降到预先调定的某一压值 经过延时后 制动器的全部油压值迅速回到零 使制动器达到全制动状态 见图 2 3 图 2 3 液压站 沈阳工程学院毕业设计 论文 8 3 PLC 系统在矿山上的应用 3 1 PLC 在矿井提升机控制系统中的概述 在现在的数字化矿山的建设当中 将机 电系统做出了同一规划 并且在铁矿行业 以及煤矿行业起到了显著的作用 作为生产和运输中所必不可少的一个环节提升机系统的安全性能和故障报警技能起 到了致关重要的作用 作为连接井下与地面系统的主要枢纽 所以提升机在某种程度上 就是与人的生命息息相关 有时候不仅影响到矿山的经济效益 而且与工作人员的安全 保障有很大的影响 矿山采用交流异步电动机 也可以成为步进电机的一种 大部分采用电力传动系统 这种系统不仅使人力增加 而且使成本提高 提升机系统的占地面积也会大大增加 所 以构造一种运行简便的控制监控系统是至关重要的 因此 PLC 电控以及监控系统应运而生 既能够保证故障的及时报警 又能够监视井 下人员的安全操作 以及人员系统的构建 提升机系统采用与变频器相互结合的方法 既能使提升机再启动和停止以及刹车制 动时候安全稳定的运行有能够减少井下人员的人数 能够成功的实现提升机的平滑启动 和停止 并能够满足不同的工况以及运行的环境的需要 未来 PLC 和变频器相结合的方法是主要的矿山电控系统的发展方向 本设计主要是采用现代的制动系统盘形闸 以及液压站控制系统 还有人工的控制 台 以及变频控制系统 可编程控制器和监视控制系统组成 才能使整个数字化矿山得 到好的安全保障 3 2 研究内容 现在矿山提升机大部分采用交流电控系统 控制比较陈旧 也使成本增加很多 技 术也很落后存在很多隐患 l 有时候串接的电阻会使能源造成流失 增加了运行的成本 2 电动机在每个水平的电机切换会造成行程控制的不稳定 会使电磁力对设备机械 造成电流的冲击 3 各个继电器无规律的往复操作会使其触电电弧冲击其某一些过程接触器 使使用 寿命减少 4 交流电机存在失电的问题 也是由于接触不良 容易引发事故 5 电阻会使运行时候的平滑性增加使速度降低 6 在提升的罐笼到达某一个水平的减速点的时候 由于存在的人和物料的负载程度 矿山提升机 PLC 监控系统设计 论文 9 不同 达到不同的减速速度 对于减速和刹车增加更好的转矩和更好的安全运行控制 在这种情况下达到安全稳定的运行 由于存在的安全隐患使矿山提升机在运行中不能得良好的保障 所以必须结合变频 器以及 PLC 做出更好的控制系统 使矿山企业安全稳定的运行 此设计也推动了矿山数 字化的更新换代 可编程控制系统在工业生产中的应用中可以大大的改善 矿山系统的稳定可靠性能 并具有方便的维护 以及一整套的安全操作规程 已经广泛的运用在各个领域当中 主 题的计算机大部分运用手自动切换的方式 监控系统必须按照 PLC 的运行规程来设计 包括传动系统按照事先编定好的规章来 做出操作的控制 能够使监视的画面稳定的反应到上位机的操作台之上 包括提升机系 统的控制 传动控制 力矩的控制 三者相互结合 切实的反映出提升系统的情况和状 态 做到相应的控制 9 提 升 机 系 统 控 制 传 动 控 制 转 矩 控 制 提 升 系 统 图 2 4 矿用提升机变频调速控制系统 PLC 电控系统配合变频调速装置 运用现在先进的电动提升机工艺的要求 还将解决 整套提升机系统的电力拖动方面的一系列问题如图 2 4 所示 变频装置取代复杂的控制 方式 运行速度曲线转矩大小的要求都由变频器来完成 简化了控制操作流程 提高了 控制精度 3 3 本系统中 PLC 选型及特点 S7 系列是由电源 CPU 存储器和输入输出器件组成的单元型可编程控制器 而且 AC 电源 DC 输入型的内装电源可作为传感器的辅助电源 基本单元采用易于维修的装 卸端子台 标准型内装 8K 步有备用电池的 RAM 存储器 关于存储器的类型 可以选用 不同型号的内含计时器 沈阳工程学院毕业设计 论文 10 EEPROM 和 EPROM S7 内含计时功能 能够对不同的时间段进行控制 计算机运 用相互对应的数字化编程软件 在运行的时候运行和改变程序 通过设计定 PLC 内存储 器中的存储注释区域 能够更好的对编程器中的内容进行合理化的保护防止被盗用 也 可以对于可编程的控制器的存储器做出合理的注释 设定相应的保护 而且在 PLC 中具有很多的输入与输出控制单元和许多的拓展设备 模拟量的输入与 输出接口 数字量的控制接口 以及相应的温度传感器 压力传感器 故障报警指示灯 和内部带有的插卡式定位设备 脉冲量的输入与输出设备 高端位置的计数器 网络的 通信协议 和过程变量的寻址 很好的做到对于系统整个结构的良好稳定的控制机构 也实现了模块的合理运用 更好的对于矿山企业安全运行的稳定性和故障安全保护 提 升了生产的效益 S7 系列具有不同程度的扩展模块和稳定的性能 l 灵活的配置 除了具有满足特殊要求的大量特殊功能模块外 六个基本 FXZN 单元中的每一个单 元可扩充到 2561 O 控制点数从 16 至 256 点 主单元 16 32 48 65 80 128 2 高速运算 基本指令 0 08s 指令 应用指令 1 52 至几百s 指令 3 突出的寄存器容量 S7 系列包括 8K 步内置 RAM 寄存器 用一个寄存器盒可扩充到 16K 步 RAM 或 EEPROM 4 丰富的元件资源 3072 点辅助继电器 256 点计时器 235 点计数器和 8000 点数据寄存器 功能模块功能 内置式 24V 直流电源24V 400mA 直流电源可应与外部设备如传感器或其它原件 快速断开端字块因为采用了优良的可维护性快速断开对端子块 即使接着电 缆也可以更换单元 时钟功能和小时表功能实时时钟标准 时间设置和比较指令易于操作 持续扫描功能可根据应用要求的持续扫描时间来定义操作周期 输入滤波器调节功能可以用输入滤波器平整信号 注释记录功能元件注释可以记录在程序寄存器中 运行期间改变程序的功能在线改变程序不会损失工作时间或停止生产运转 内置式 RUN STOP 开关容易操作的面板上运行 停止开关 矿山提升机 PLC 监控系统设计 论文 11 续上表 密码保护功能 使用一个八位数字密码保护程序 图 2 7 s7 系列功能表 表 2 7 列出了 S7 系列的部分功能 S7 系列 PLC 内设实时时钟 使用标准型号实时 时钟可满足对时间灵敏的应用要求 具有很强的数学指令集 使用 32 位处理 浮点数 方根和三角几何指令满足数学功能要求很高的情况 使用 DIN 导轨或便利的安转孔直接安 装表盘 易于安装 基于 Window 的 Gx 一 Devel Per 或 FX PCS 一 win 软件能快速 容 易的开发程序 方便直观的操作员界面 从一条完整的线路或操作员界面来选择数据编辑 和显示 为大量实际应用而开发的特殊功能 以满足不同的需求 模拟 I O 高数计数器 等 11 3 3 1 西门子 S7 300 系列的编程器件组成 1 输入继电器 I 2 输出继电器 Q 3 位存储器 M 其常开触点可以无限次的使用 但不能驱动外部负载电路 4 定时器 T0 T999 其相当于一个时间继电器 时间值可以用二进制或 BCD 码方式读取 5 计数器 C0 C999 用来累计其计数脉冲上升沿的次数 有加计数器 减计数器和加减计数器 6 指针 在存储器间接寻址指令中 给出一个作为地址指针的存储器 该存储器的内容是操 作数所在存储单元的地址 7 常数 8 数据块寄存器 DB 和 DR 寄存器分别用来保存打开的共享数据块和背景数据块的编号 9 地址寄存器 AR 12 本系统主要由下面的模块组成 1 块中央处理单元 CPU314 4 块数字量输入模块 SM321 32X24V DC 1 块继电器输出模块 SM322 16XRel AC120V 230V 1 块数字量输出模块 SM322 32X24V DC 沈阳工程学院毕业设计 论文 12 1 块数字量输出模块 5 块模拟量输入模块 SM331 8X12 位 1 块通信处理模块 CP340 l 块电源模块 PS307 10A 本系统所用的主机模块是 CPU314 内置 24KM 的 RAM 其装载存储器为内置 40KM 的 RAM 可用存储卡扩充装载存储器 最大容量可为 512KB 指令执行速度为 300nS 二进制指令 I O 模块为 6 个交流输入模块 4 个交流输出模块及 1 个直流输出模 块 最多可扩展至 32 个模块 512 个开关量 I O 或 64 路模拟量通道 CPU314 内装硬件是 实时时钟价时 见图 B PLC 系统设计 5 PLC 系统设计 图 B S7 300 系列 PLC 系统构成框图 矿山提升机 PLC 监控系统设计 论文 13 4 PLC 系统设计 4 1 系统的 I O 统计 根据系统安全稳定可靠的规定 必须将 PLC 的输入与输出模块的信号进行进一步的 隔离设置 输入与输出的隔离是通过继电器来完成的 由继电器进行合理化的配置 输 出的信号模块 通过中间继电器来间接的控制执行机构的执行对象根据所选设计内容的 方法 合理的分配 I O 地址 4 1 1 S7 300 可编程控制器概述和 I O 编址 S7 300 见图 2 7 是模块化的中小型 PLC 试用于中等性能的控制要求 品种繁多 的 CPU 模块 信号模块和功能模块能满足各种领域的自动控制任务 用户可以根据系统 的具体情况选择合适的模块 维修时更换模块也很方便 S7 300 的每个 CPU 都有一个编程用的 RS 485 接口 使用西门子的 MPI 多点接口 通信协议 有的 CPU 还带有集成的现场总线 PROFIBUS DP 接口或者 PtP 点对点 串行 通信接口 S7 300 不需要附加任何硬件 软件和编程 就可以建立一个 MPI 网络 通过 PROFIBUS DP 接口可以建立一个 DP 网络 功能最强的 CPU 的 RAM 存储容量为 512KB 有 8192 个存储位 512 个定时器和 512 个计数器 数字量通道最大为 65536 点 模拟量通道最大为 4096 个 S7 300 有很高的电磁兼容性和抗振动抗冲击能力 S7 300 标准型的环境温度为 0 60 环境条件扩展型的温度范围为 25 60 有更强的耐振动和耐污染性能 通过系统功能和系统功能模块的调用 用户可以使用集成在操作系统内的程序 从 而显著的减少所需要的用户存储器容量 它们可以用于中断处理 出错处理 复制和处 理数据等 控制器的指令有 300 多个 其梯形图编程软件 可以适合各个环境的编程需要配置 合理化的控制方案 智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常 记录错误和特殊系统事件 例如 超时 模块更换等 S7 300 有看门狗中断 过程报警 日期时间中断和定时中断功能 S7 300 已将 HMI 人机接口 服务集成到系统内 S7 300 按照指定的控制监控系统 来完成对于人机界面的传输 14 S7 300 采用紧凑的 无槽位限制的模块结构 电源模块 PS CPU 信号模块 SM 功能模块 FM 接口模块 IM 和通信处理器 CP 都安装在导轨上 导轨 是一种专用的金属机架 使导轨上按上不同状态模式的模块 然后插在合适的卡槽中即 可 不同形状的导轨和基地时立体式的导轨可以适应不同工况和安全的需要 在不同的 沈阳工程学院毕业设计 论文 14 环境下 运用不同的导轨 另外不同的型号和导轨面积 可以提供给用户选择 接口模块靠近 CPU 主电源模块分布在机架的最左一侧 让 CPU 模块紧紧的依靠在 电源模块旁边 备用的电源模块是在 PLC 忽然断电的时候做出的相应的失电保护的措施 能够使 PLC 在没有持续电源的情况下能够暂时的稳定程序的合理运行 起到了失电故障保护的 主体作用 也为人员的安全起到了相应的保障 合理的运用模块能够使控制系统的监控 性能大大提升 15 图 2 8 西门子 s7 300 可编程控制器 图 2 8 中 1 为负载电源 2 为后备电池 3 为 24V DC 连接 4 为模式开关 5 为状态 和故障指示灯 6 为存储器卡 CPU313 以上 7 为 MIP 多点接口 8 为前连接器 9 为 前门 16 采用插卡的方式 将每个卡槽连接起来 使 cpu 利用率增加 更加减少了操作的规 程 S7 300 的电源模块通过电源连接器或导线与 CPU 模块相连 给相应的 CPU 提供相应的 电源设备 数字量模块和模拟量模块能够不受限制的放在任何一个相应的卡槽之上 每个控制 器的机架可以安装合理的 8 个控制模块和相应的编程与处理模块 如果超出规定的模块 数量还需要安装扩展的构架 矿山提升机 PLC 监控系统设计 论文 15 除了带 CPU 的中央机架 CR 最多可以增加 3 个扩展机架 ER 每个机架可以插 8 个模块 不包括电源模块 CPU 模块和接口模块 IM 4 个机架最多可以安装 32 个模 块 2 s7 300 的 I O 编址 开关量的输入是将外部的各种开关 按钮 传感器信号传递到 PLC 内部连接不见 把现场的信号转换为 PLC 的 CPU 可以接受的 TTL 标准电平产生的数字量以及模拟量的信 号 输入电路也分为共点式分组和隔离式 常用的公共点共用一个合理的公共端 进行 分组和隔离 形成各自的电源控制端 统计处开关量 I O 的通道数目 以及模拟量和开关量的信号类型 考虑到分组情况 以及隔离与接地的要求 并考虑以后的调整和扩展的程度 用户的应用程序张勇多少内存与 I O 的点数 控制要求 运算处理 程序结构等有 关 因此在设计之前能够做出粗略的估算 根据经验 每个 I O 及有关功能器件占用的 内存根据存储器所运用字数来整定 以此来完成对于合理化的程序 I O 地址表的设计以 及今后拓展的运用 17 模拟量模块以通道为单位 一个通道占一个字地址 或两个字节地址 例如模拟量 输入通道 IW640 由字节 IB640 和 IB641 组成 S7 300 为模拟量模块保留了专用的地址区 域 字节地址范围为 IB256 767 可以用装载指令和传送指令访问模拟量模块 一个模拟量模块最多有 8 个通道 从 256 开始 给每一个模拟量分配 16B 8 个字 的地 址 4 1 2 PLC 输入输出分析及 I O 地址的分配 1 输入分析 由于该系统由五组电机组成 安装有五个位置传感器 故需要六个输入置位信号 I0 0 I0 1 I0 2 I0 3 I0 4 I0 5 在电动机的次级既提升罐笼上安装拉力传感 器 当拉力传感器输入信号为零时 可以测出同步电机失步 从而可编程控制器可执 行失步保护程序 分配输入点号为 I1 2 当启动电机上升时 应设置上升按钮 故需 要设置上升输入信号 I0 6 下降输入信号为 I0 7 停车信号为 I1 0 当需要电机突然 停车时要有制动信号 设置动力制动信号 I1 1 若系统的供电设备突然故障而不能给 提升系统供电时 要有失电保护措施 设置失电保护信号为 I1 2 若需要提升系统自 动运行时 要有全自动运行按钮 设置全自动运行输入 I1 3 全自动停 I1 4 常闭触 点 KM1 为 I1 5 常闭触点 KM2 为 I1 6 常闭触点 KM3 为 I1 7 总需要输入的点数为 16 点 18 2 输出分析 对应于失电保护接触器的可编程控制器输出继电器 使提升机提升更加的有规律 沈阳工程学院毕业设计 论文 16 还要想使提升系统提升时 既电动机的次级在电机组中上升运行 而又不使电动机空时 空 载运行 分组切换电机既需要设置对应的可编程控制器输出继电器 与第一组电机切换 接触器对应的可编程控制器输出继电器设置为 Q0 0 与第二组电机切换接触器对应的可编 程控制器输出继电器设置为 Q0 1 与第三组电机切换接触器对应的可编程控制器输出继电 器设置为 Q0 2 与第四组电机切换接触器对应的可编程控制器输出继电器设置为 Q0 3 同样 与第五组电机切换接触器对应的可编程控制器输出继电器设置为 Q0 4 对应于失电与动 力制动接触器的可编程控制器的输出继电器为 Q0 5 对应于动力制动接触器的可编程控制 器输出继电器为 Q0 6 对应于失电保护接触器的可编程控制器输出继电器为 Q0 7 对应 于抱闸接触器的可编程控制器的输出继电器设置为 Q1 0 对应于变频器下降控制信号的 可编程控制器的输出继电器为设置为 Q1 1 对应于变频器上升控制信号的可编程控制器 的输出继电器为设置为 Q1 2 对应于变频器停车控制信号的可编程控制器的输出继电器 设置为 Q1 3 输入继电器地址外围设备的名称 I0 0 位置传感器 1 I0 1 位传感器 2 I0 2 位置传感器 3 I0 3 位置传感器 4 I0 4 位置传感器 5 I0 5位置传感器 6 I0 6上升按钮 I0 7下降按钮 I1 0停车按钮 I1 1动力制动继电器 I1 2失电保护传感器 矿山提升机 PLC 监控系统设计 论文 17 表 1 1 输出地址分 配 I1 4全自动停车按钮 I1 5继电器常闭触点 KM1 I1 6继电器常闭触点 KM2 I1 7继电器常闭触点 KM1 输出继电器地址外围设备名称 Q0 01 电机切换器 Q0 12 电机切换器 Q0 23 电机切换器 Q0 34 电机切换器 Q0 45 电机切换器 Q0 5失电与动力制动接触器 Q0 6动力制动接触器 Q0 7失电保护接触器 Q1 0抱闸接触器 Q1 1罐笼下降控制端 Q1 2罐笼上升控制端 Q1 3罐笼停车控制端 表 2 1 输出地址分配 续表 1 1 表 1 1 输入地址分配 沈阳工程学院毕业设计 论文 18 综上分析可知 所需要的可编程控制器共需 16 点输入 12 点输出 该 CPU 共有 24 点数字量 5 个模拟量输入和 16 点数字量 2 个模拟量输出 除满足该系统的要求还有一 定 S7 300 的 CPU 型号为 313C 具体的输入地址分配如表 2 9 输出分配如表 3 1 4 2 控制系统硬件组成及工作原理 运用电机对罐笼平稳度进行保护 变频器 直线电机 罐笼 计算机 速度位置 传感器 S7 300 A D D A 图 3 2 控制系统原理方框图 控制系统的原理方框图如图 3 2 所示 有 PLC 计算机 速度位置传感器 变频器 A D D A 模块组成 计算机实现罐笼的向上 向下运动和运行速度给定值 的计算 以及运行位置和速度的检测 计算后向变频器发送控制信号 并监视 PLC 的运 行情况 19 PLC 采用西门子 S7 300 型 24 点数字量输入 16 点数字量输出 5 个模拟量输入 两个模拟量输出 主要实现电机电枢绕组的成组切换 直流制动 反接制动 失电保护 电机的速度检测及失步保护等功能 变频器采用西门子 MM440 型变频器 主要完成直线电机运行速度的控制 回馈电网 电能和过载保护等功能 1 直流电机提升系统的结构 矿山提升机 PLC 监控系统设计 论文 19 矿井提升机系统实验模拟图如图 3 3a 所示 一共有五组定子 相当于电机的电枢绕 组 罐笼相当于转子 在轨道上 每隔一定的距离放置一组直线电机的初级 初级和次 级的长度同间距有关 三者的长度如图 b 所示 假设相邻的初级间距为 L 那么初级的长 度为 2L 罐笼两侧的直线电机的次级长度为 3L 这样的设置可以达到最大的提升效率 电机工作时 始终保持次级在两个初级的磁场作用下提升 即始终有两台电机同时工作 其动作过程如下 下放重物时 与提升重物的通电顺序相反 依次为 5 和 4 电机 4 和 3 电机 3 和 2 电机 2 和 1 电机实现动子 罐笼 的向上运动 提升重物时 电 机的工作顺序依次为 1 和 2 电机 2 和 3 电机 3 和 4 电机 4 和 5 电机 实现动 子 罐笼 的向下运动 通过变频器改变输入电枢的电源频率 以实现提升速度的控制 图 3 3 提升机系统示意图 a 直立图 b 水平图 4 2 1 控制程序和保护程序的设计思路 目前 对于同步电机的失步问题没有太好的保护办法使其很快转为同步工作 唯一 的方法是将其制动停车 本设计中是将直线电机的三相绕组短接 相当于在直线电机的 初级中通入频率为 0Hz 的电压 从而实现了强制停车 电机的运行状态有三种 上升 下降和停车 电机在这三个状态下电机组的工作顺序是不相同的 基本的流程框图如图 3 4 所示 20 开开始始 下下降降上上升升停停车车 跳跳转转至至下下降降子子程程序序跳跳转转至至上上升升子子程程序序跳跳转转至至停停车车子子程程序序 检检测测失失步步 失失步步保保护护程程序序 YY 沈阳工程学院毕业设计 论文 20 图 3 4 基本的控制保护流程图 4 2 2 子程序的设计 本的控制程序和失步保护程序共有 4 个分别为 上升子程序 下降子程序 停车子 程 序 失电保护程序 以及故障报警 还有控制各个水平的刹车系统的运行时候的各个运 行 序和失步保护子程序 下面逐个分析 1 上升子程序 上升时电机组的切换顺序为 1 和 2 2 和 3 3 和 4 4 和 5 每一时刻都有两 电机同时工作 电机组的切换时间由位置传感器的信号确定 当位置传感器有信号时与 之对应的电机组供电 其他电机组均不供电 位置传感器是否有信号根据电机是否到达 该位置来确定 配合位置检测程序可以准确给电机定位 从而准确的控制电机组供电 2 下降子程序 下降时电机组的切换顺序为 5 和 4 4 和 3 3 和 2 2 和 1 电机组的供电顺 序与上升阶段的相反 因此编程方法是相同的 基本流程图如图 3 5 所示 按按下下下下降降按按钮钮 4 4 5 5 电电机机组组供供电电 5 5号号传传感感器器有有信信号号 3 3 4 4 电电机机组组供供电电 4 4号号传传感感器器有有信信号号 2 2 3 3 电电机机组组供供电电 3号号传传感感器器有有信信号号 2 2号号传传感感器器有有信信号号 1 1 2 2 电电机机组组供供电电 停停车车 Y Y Y Y Y Y Y Y 矿山提升机 PLC 监控系统设计 论文 21 图 3 5 下降子程序流程图 3 停车子程序 通过改变变频器的工作状态和闭合动力制动接触器就可以使电机组工作在制动阶段 4 失步保护子程序 当 PLC 检测到电机失步时 设置的失步保护接触器立刻闭合 直线电机的三相绕组 短接导致电机制动停车 从而起到了失步保护的作用 4 3 控制和保护程序的设计 PLC 各个输入输出端口 编制的控制和保护梯形图程序如下 沈阳工程学院毕业设计 论文 22 网络一 为各个开关的复位子程序 网络二 按下停车按钮进入停车子程序 矿山提升机 PLC 监控系统设计 论文 23 网络三至五 为上升子程序跳转 网络六至八 为下降子程序跳转 网络九至十一 为上升子程序 控制每层都有电机同时转动 沈阳工程学院毕业设计 论文 24 网络十二到十三 按下上升按钮 网络十四到十八 上升子程序的设计 矿山提升机 PLC 监控系统设计 论文 25 网络十九到二十二 为失电保护的的子程序 网络二十三到二十七 为电机切换子程序 网络二十九到三十一 为变频器控制罐笼子程序 沈阳工程学院毕业设计 论文 26 4 3 1 变频器 M440 在提升机中的作用 典型的升降系统的轿厢控制中 要与配重相结合 系统表现为很大的惯性复杂系统 所以传动装置必须有很大的起动力矩 西门子新型一代MM440变频器可以控制电机从静止 到平滑起动期间提供200 3秒钟的过载能力 MM440的矢量控制和可编程的S曲线功能 使轿厢在任何情况下都能平稳地运行 特别在轿厢突然停止和突然起动时 MM440变频器 内置了制动单元 用户只需选择制动电阻就可以实现再生发电制动 因此可以节约系统 成本 变频器系统器件如图所示 主要由断路器 接触器 整流单元 逆变单元组成 附录 A 1 7 矿山提升机 PLC 监控系统设计 论文 27 图 3 6 变频器系统组成 控制是由数字量输入完成 2个输入Din1 Din2用于选择运行方向 Din3 Din4 Din5用 于选择两段运行速度 Din6用于DC直流注入制动控制 一个继电器输出用于控制电机的 制动器 其余的用于提升机的故障报警 电机制动器打开后 提升机沿着井道方向加速 到50Hz 在井道中用一些接近开关与PLC 相连接 它们提供平层信号和减速停车 本系统采用S7 313C PLC 系统来处理传感器信号 按钮信号以及提升机的控制开关 和深度显示等 6数字量输入 415V三相主电源 SIMATIC S7 313C