PLC在矿井提升机控制系统中的应用.doc

一、论文（设计）主要内容及主要技术指标1.主要内容采用PLC 控制技术对矿井提升机控制系统进行改造, 设计PLC控制系统。研究内容包括系统结构和控制方案、控制系统硬件设计、控制系统软件设计。2.技术指标（1）PLC容量和性能要与任务相适应，PLC运行速度要满足实时控制的要求；（2）要确定PLC的型号、PLC硬件接线图和梯形图（3）要有PLC的I/O接口地址分配表；（4）系统具有手动/自动转换、在线监控及在现场调试、驱动电机过热保。二、毕业论文（设计）的基本要求1.毕业设计报告：有400字左右的中英文摘要，正文后有20篇左右的参考文献，正文中要引用5篇以上文献，并注明文献出处。2.有不少于2000汉字的与本课题有关的外文翻译资料。3.毕业设计字数在20000字以上。4.结构图和电路图。5. I/O地址表、梯形图或程序清单。三、毕业论文（设计）进度安排1.2009年12月7日-2010年1月24日，下达毕业设计任务书；寒假期间完成英文资料翻译和开题报告。2. 2010年3月1-3月14日（第1-2周），指导教师审核开题报告、设计方案和英文资料翻译。3. 2010年3月15日-5月2日（第3-9周），毕业设计单元部分设计。4. 2010年5月3日-5月9日（第10周），毕业设计中期检查。5. 2010年5月10日-5月30日（第11-13周），设计仿真、程序调试、线路板制作调试，整理、撰写毕业设计报告。6. 2010年5月31-6月13日（第14-15周）上交毕业设计报告，指导教师、评阅教师审查评阅设计报告，毕业设计答辩资格审查。毕业设计答辩，学生修改整理设计报告。毕业论文（设计）开题报告题目名称 PLC在矿井提升机控制系统中的应用学生姓名 林 二 华专业 电气工程及其自动化班级 061班一、选题的目的意义矿井提升机是机、电、液一体化的大型机械，广泛用于煤炭、有色金属、黑色金属、非金属、化工等矿山的竖井、斜井，是生产运输的主要工具。在煤炭生产中提升机担负着提升煤炭、矸石、下放材料、升降人员和设备的任务，是联系井上与井下的唯一途径，素有矿井“咽喉”之称。提升机的电力传动特性复杂，电动机频繁正反向，经常处于过负荷运转和电动、制动不断地转换的状态中。对提升机来说，运行的安全、可靠性是至关重要的，主井直接关系到矿山的生产效率，作为运送人员的副井，一旦发生故障，往往造成机毁人亡。提升机运行的安全可靠性不仅直接影响整个矿井的生产能力，影响整个矿山的经济效益，而且还涉及到井下工作人员的生命安全。因此，研制并制造即安全可靠又节省能源的提升机是煤矿安全生产的一项重要课题。二、国内外研究现状近三十年来，国外提升机机械部分和电气部分都得到了飞速的发展，而且两者相互促进，相互提高。在提升机机械和电气传动技术飞速发展的同时，电子技术和计算机技术的发展，使提升机的电气控制系统更是日新月异。早在上世纪七十年代，国外就将可编程控制器(PLC)应用于提升机控制。上世纪八十年代初，计算机又被用于提升机的监视和管理。计算机和PLC的应用，使提升机自动化水平、安全、可靠性都达到了一个新的高度，并提供了新的、现代化的管理、监视手段。就在国外科学技术突飞猛进发展的时候，我国提升机电控系统很长时间都处于落后的状况。直到目前为止，我国正在服务的矿井提升机电控系统大多数还是继电器-接触器控制方式，转子回路串金属电阻的交流调速系统，设备陈旧、技术落后。国产提升机安全性、可靠性差，在关键部位-上下两井口减速区段没有配套的有效的速度监视装置，就提升机控制技术而言，依然是陈旧的，和国外相比，我们存在很大的差距。因此对我国的矿井提升机控制系统进行改造具有很广泛的现实意义。三、主要研究内容研究内容包括PLC机型选择、主控电路设计、PLC外围电路设计、调速系统设计、PLC输入输出电路设计。四、毕业论文（设计）的研究方法或技术路线对PLC在矿井提升机控制系统中的应用，准备从一下几个方面着手：1.对现有的矿井提升机控制系统进行考察分析。2.进行用PLC改造的可行性研究，并提出可行性方案。3.根据控制系统的要求，选择合适的PLC机型。4.根据所选的机型，进行主控电路及外围电路的设计，并对一些重要环节进行重点分析，以确保设计能改善现有提升机控制系统的不足。在具体的实施过程中，将遵循一下步骤：1.对提升机控制系统的人机对话及传感器信号进行统计。2.根据所选机型和输入输出信号对PLC的输入输出进行分配。3.设计出具体的原理图并编写符合要求的程序。4.进行整个系统的分析，看能否满足控制系统的要求。五、 主要参考文献与资料1 陈荣,张开如.三菱FX2N系列PLC在副井提升机信号系统中的应用M.工业自动化,2005.42 FX2N系列微型可编程控制器使用手册.三菱公司资料,19993 刘小庆.基于PLC控制的变频调速在桥式起重机中的应用D.武汉:武汉科技大学,20054 冯树旭.矿井提升机控制系统设计D.长沙:中南大学,20055 卢燕.矿井提升机电力拖动与控制M.北京:冶金工业出版社,20016 余发山.国内外矿井提升机的现状与发展J.太原:煤矿机电,1995.037 黄仰金.矿山副井提升机计算机控制系统的设计及应用D.长沙:中南大学,2004六、 指导教师审批意见 年 月 日PLC在矿井提升机控制系统中的应用摘 要矿井提升机是矿山最重要的设备，肩负着矿石、物料、人员等的运输责任。传统的矿井提升机控制系统主要采用继电器接触器进行控制，这类提升机通常在电动机转子回路中串接附加电阻进行启动和调速。这种控制系统存在可靠性差、操作复杂、故障率高、电能浪费大、效率低等缺点。因此对矿井提升机控制系统进行研究具有现实意义，也是国内外相关行业专家学者的一个研究课题。本文针对提升机控制系统中存在的上述问题，把可编程序控制器应用于提升机控制系统上，并在可行性方面进行了较深入的研究。关键词：矿井提升机，可编程控制器，控制系统THE APPLICATION OF PLC ON THE SHAFT HOIST CONTROL SYSTEMAbstractThe shaft hoist is the foremost equipment of mines，it is widely used to transport the materials，staff and equipmentThe traditional shaft hoist control system is always controlled by the relay-contactor，and adopts the methods of connect series additional resistant in rotors winding loop to start and adjust speedThe system has many disadvantages such as bad reliability,complicated operation，high fault rate，large energy-waSting and low efficiencySo，carrying on the research on the shaft hoist control system has realistic meanings，and it is a subject for research by relevant experts and scholarsboth at home and abroad tooTo these questions existing in the shaft hoist control system，the paper applied PLC(Programmable Logic Controller) to the system，and have carried on deeper research in feasibilityKEY WORDS：Shaft hoist， Programmable Logical Controller， Control system目 录1 绪论11.1 国内外提升机研究状况11.2 本文内容及研意究义21.2.1 研究内容21.2.2 研究意义32 矿井提升机计算机控制系统计42.1 矿井提升机对电气控制系统的要求42.2 控制单元基本原理42.3 调速装置62.4 系统设计62.5 系统特点及预期达到效果73 PLC在提升机变频控制系统中的应用93.1 PLC概述及其系统组成93.2 本系统中PLC的选型及特点103.3 系统设计113.3.1 主控系统设备要求113.3.2 控制系统的I/O统计123.3.3 PLC装置133.4 PLC外围电气控制硬件原理153.4.1 电源回路153.4.2 位置信号采集及传感器的信号采集153.4.3 安全回路183.4.4 其余部分硬件接线原理183.4.5 各机构安全保护及检测19结束语19致谢19参考文献20附录 主控制部分PLC程序清单211 绪论矿井提升机是机、电、液一体化的大型机械，广泛用于煤炭、有色金属、黑色金属、非金属、化工等矿山的竖井、斜井，是生产运输的主要工具。在煤炭生产中提升机担负着提升煤炭、矸石、下放材料、升降人员和设备的任务，是联系井上与井下的唯一途径，素有矿井“咽喉”之称。提升机的电力传动特性复杂，电动机频繁正反向，经常处于过负荷运转和电动、制动不断地转换的状态中。对提升机来说，运行的安全、可靠性是至关重要的，主井直接关系到矿山的生产效率，作为运送人员的副井，一旦发生故障，往往造成机毁人亡。提升机运行的安全可靠性不仅直接影响整个矿井的生产能力，影响整个矿山的经济效益，而且还涉及到井下工作人员的生命安全。因此，研制并制造即安全可靠又节省能源的提升机是煤矿安全生产的一项重要课题。1.1 国内外提升机研究状况近三十年来，国外提升机机械部分和电气部分都得到了飞速的发展，而且两者相互促进，相互提高。起初的提升机是电动机通过减速器传动卷筒的系统，后来出现了直流慢速电动机和直流电动机悬臂安装直接传动的提升机。上世纪七十年代西门子发明矢量控制的交-直-交变频原理后，标志着用同步电动机来代替直流电机实现调速的技术时代已经到来。在提升机机械和电气传动技术飞速发展的同时，电子技术和计算机技术的发展，使提升机的电气控制系统更是日新月异。早在上世纪七十年代，国外就将可编程控制器(PLC)应用于提升机控制。上世纪八十年代初，计算机又被用于提升机的监视和管理。计算机和PLC的应用，使提升机自动化水平、安全、可靠性都达到了一个新的高度，并提供了新的、现代化的管理、监视手段。特别要强调的是，此时期在国外一些著名的提升机制造公司，如西门子、ABB都利用新的技术和装备，开发或完善了提升机的安全保护和监控装置，使安全保护性能又有了新的提高。就在国外科学技术突飞猛进发展的时候，我国提升机电控系统很长时间都处于落后的状况。直到目前为止，我国正在服务的矿井提升机电控系统大多数还是继电器接触器控制方式，转子回路串金属电阻的交流调速系统，设备陈旧、技术落后。国产提升机安全性、可靠性差，在关键部位上下两井口减速区段没有配套的有效的速度监视装置，就提升机控制技术而言，依然是陈旧的，和国外相比，我们存在很大的差距。目前我国提升机90以上均采用交流绕线式异步电动机的拖动方式，这种提升机通常在电动机转子回路中串接附加电阻进行起动和调速。串电阻调速是一种恒转矩调速方法转子功率的损耗随着串入的电阻的增大而增大。尽管转子串电阻调速方法很不经济，低速特性也很软，稳定性差，但是由于这种调速方法比较简单易行，起动转矩较大在拖动起重机等中、小容量的绕线式异步电动机中仍然应用广泛。1.2 本文内容及研意究义1.2.1 研究内容矿井提升机对安全性、可靠性和调速性能的特殊要求，使得提升机电控系统的技术水平在一定程度上代表一个厂或一个国家的传动控制技术水平。比较国内外矿用提升机系统，具体来说国外矿井提升机在电控方面的应用特点有以下几个方面：1）提升工艺过程微机控制提升工艺过程大都采用微机控制，由于微机功能强，使用灵活，运算速度快，监视显示易于实现，并具有诊断功能，这是采用模拟控制无法实现的。2）提升行程控制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，目前可达2cm。采用微机控制，可通过采集各种传感信号，如转角脉冲变换、钢丝绳打滑、井筒、滚筒及钢丝绳磨损等信号进行处理，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，行程控制也采用单独下位机完成。3）提升过程监视提升过程监视与安全回路一样，是现代提升机控制的重要环节。使各种故障在出现之前就得以处理，防止事故的发生，并对各被监视参数进行存储、保留或打印输出。甚至与上位机联网，合并于矿井监测系统中。4）安全回路安全回路是指提升机在出现机械、电气故障时控制提升机进入安全保护状态的极为重要的环节。为确保人员和设备的安全，对不同故障一般采用不同的处理方法。安全回路极为重要，它是保护的最后环节之一，对设备的安全运行起到了极为关键的作用。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控制系统，设备陈旧、技术落后。而且这种控制方式存在着很多的问题：1）转子回路串接电阻，消耗电能，造成能源浪费。2）电阻分级切换，为有级调速，设备运行不平稳，容易引起电气及机械冲击。3）继电器、接触器频繁动作，电弧烧蚀触点，影响接触器使用寿命，维修成本较高。4）交流绕线异步电动机的滑环存在接触不良问题，容易引起设备事故。5）电动机依靠转子电阻获得的低速，其运行特性较软。6）提升容器通过给定的减速点时，由于负载的不同，而将得到不同的减速度，不能达到稳定的低速爬行，最后导致停车位置不准，不能正常装卸载。上述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可编程控制技术，对原有提升机控制系统进行升级换代。就计算机技术在工业现场应用情况而言，可编程控制器(PLC)是目前作为工业控制最理想的机型，它是采用计算机技术、按照事先编好并储存在计算机内部程序来完成设备的操作控制。采用PLC控制，硬件简洁、软件灵活性强、调试方便、维护量小，PLC技术已经广泛应用于各种提升机控制，配合一些提升机专用电子模块组成的提升机控制设备，可供控制高压带动力制动或低频制动，单、双机拖动等。操作、监控和安全保护系统选用可编程控制器。主控计算机应用软件能完成提升机自动、半自动、手动、检修、低速爬行等各种运动方式的控制要求。1.2.2 研究意义在调研中发现，目前我国各大煤矿的矿井提升机系统的调速方案大多采用继电器接触器控制的转子串电阻调速。该方案耗能大，占地面积大，已不能适应现代矿业发展的需要。因此有必要对其调速方案进行改造。本文提升机系统控制单元采用目前工控适用的可编程控制器来控制，具有编程简单和控制可靠性高的优点，这一控制方法目前仍为现代交流调速的重要研究方向之一。本文从解决实际矿井提升系统存在的问题出发，对传统的调速方案进行了控制方式的革新和数字化改造，降低了成本，提高了控制精度，加强了系统稳定性。表明本文所提出的设计方案具有实用价值。适用、经济、高效、可靠是本文提升机系统设计的追求目标。2 矿井提升机控制系统的设计2.1 矿井提升机对电气控制系统的要求根据提升机的运行特点以及矿山生产固有的特点，提升机工艺对提升机电控系统的要求如下：1）加(减)速度符合国家有关安全生产规程的规定。提升人员时，加速度a 0.75m/s2，升降物料时，加速度a1.2m/s2。另外不得超过提升机的减速器所允许的动力矩。2）具有良好的调速性能。要求速度平稳，调速方便，调速范围大，能满足各种运行方式及提升阶段(如加速、减速、等速、爬行等)稳定运行的要求。3）有较好的起动性能。提升机不同于其他机械，不可能待系统运转后再装加物料，因此，必须能重载启动，有较高的过载能力。4）特性曲线要硬。要保证负载变化时，提升速度基本上不受影响，防止负载不同时速降过大，影响系统正常工作（当然，当负载超过一定的限度时，还要求系统能有效的自我保护。迅速安全制动停车，即所谓要具备挖土机机械特性）。2.2 控制单元基本原理我国提升机设备中，普遍使用TKD系统，这种控制系统是采用继电器有触点的逻辑控制。在继电器控制系统中，要完成一个控制任务，支配控制系统工作的“程序”是由各分立元件（继电器、接触器、电子元件等）用导线连接起来加以实现的，这样的控制系统称为接线程序控制系统。在接线程序控制系统中，控制程序的修改必须通过改变接线来实现。图1为传统的继电器控制系统框图。输出设备继电器和电磁阀继电器控制线路由继电器和连接线路组成输入设备按钮，限位开关，操作手柄被控制的机械设备或生产过程图1 继电器控制系统框图几十年来，这种控制系统由于受元件水平的限制而存在着缺陷，突出表现在：（1）使用大量继电器、接触器及其它分立电子元件，系统体积大，运行噪声大，功耗高，接线复杂，故障率高，工作稳定性和可靠性差，控制速度慢，控制精度差，功能改变难度大，使用寿命短。（2）在启动过程中，由于罐笼的实际载重量不同，实际的加速过程并非按照预定的设计参数运行，常常出现停车不准确甚至提前停车现象。（3）采用磁放大器做调节控制，稳定性差，线性度差，调速精度很难保证。（4）系统安全保护环节不全面，工作不可靠，故障显示不直观，分析查找故障难度大，缺乏运行参数显示功能。（5）调速性能差，机械冲击大，人员乘车舒适性差。这些不足主要是因为采用继电器控制方式造成的，在这种控制方式下继续改善的余地不大。如果对该竖井提升机电控系统进行技术改造，那么需要改变控制策略。可编程序逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC，是现代工业自动化的重要手段，由它构成的控制系统逻辑控制由PLC通过软件编程实现，柔性强，控制功能多，控制线路大大简化；PLC的输入腧出回路均带有光电隔离等抗干扰和过载保护措施，程序运行为循环扫描工作方式，且有故障检测及诊断程序，可靠性极高；PLC控制系统结构为模块化结构，维护更换方便，并可显示故障类型。可编程控制器控制系统，其输入设备和输出设备与继电器控制系统相同，但它们是直接接到可编程序控制器的输入端和输出端的。控制程序是通过一个编程器写到可编程控制器的程序存储器中。每个程序语句确定了一个顺序，运行时依次读取存储器中的程序语句，对它们的内容进行解释并加以执行，执行结果用以接通输出设备，控制被控对象工作。在存储程序控制系统中，控制程序的修改不需要通过改变控制器内部的接线(即硬件)，而只需通过编程器改写程序存储器中某些语句的内容即可。图2为可编程控制系统框图。输入设备按钮，行程开关，操作手柄输出设备继电器和电磁阀可编程控制器被控制的机械设备或生产过程图2 可编程控制系统框图可编程逻辑控制器因为其具有高可靠性以及软件可编程的优点，在现代控制中越来越广泛的应用。对于一般提升机电控系统来说，采用一套中小容量的PLC即可满足要求，其价格也不高。如果采用PLC技术对TKD-A电控系统进行改造，把原来由各种元件通过连线而实现的逻辑控制改由PLC通过软件编程实现，则控制线路将大大简化，设备体积、设备维修量将大大减小，抗干扰能力将大大增强，工作可靠性将大大提高，工艺改变时只需要改变控制程序即可。改造时保持原有的操作方式、按钮、开关、主令控制器作用不变，则用户使用起来将非常方便，不需要适应期。同时可以利用PLC的高速计数功能、网络通信功能、故障检测及诊断功能、信号显示功能等来增加一些新的控制功能，安全性将大大提高，运行将更加平稳、准确，完全能够满足矿山生产的苛刻要求，而且投资相对较少，性价比较高，具有很强的实用价值。2.3 调速方式矿井提升机，从电力拖动而言，可分为交流拖动和直流拖动两大类。我国目前正在服务的矿井提升机的电控系统中，属于交流拖动的有转子回路串电阻的调速系统；属于直流拖动的有直流发电机与直流电动机组成的G-M调速系统和晶闸管整流装置供电的V-M调速系统。发达国家已使用变频调速。调速方式不做为本文研究内容，在此不做深入探讨。2.4系统设计1）主控系统图3为提升机控制系统框图。系统的主控系统采用三菱FX2N系列可编程控制器，一备一用互为热备，当主PLC发生故障的时候可以迅速切换备用PLC不影响生产。使用PLC集成高速计数输入口以及特殊高速计数模块相结合，对分别安装图3 提升机控制系统框图于电机轴、辊筒主轴、天轮轴的四个编码器数据进行采集，同时监视速度、深度以及判断松绳；A/D模块采集现场液压站及润滑站的油压、油温等信号；在井筒及深指器各阶段安装行程开关，用以确定罐笼位置，并相互校验，达到停车位的精确控制。程序编制满足提升机自动、半自动、手动、验绳、调绳等工作方式，并可方便的转换；满足提升阶段(如加速、减速、等速、爬行等)稳定运行的要求。2）上位机监视系统用计算机控制技术实现对矿井提升机的监视及故障自诊断，提高提升机的可靠性和可维护性，从而保证矿山安全生产并提高生产效率。整个系统由上位计算机监视系统和主控系统的PLC两级微机来组成。上位机完成智能化的后台管理和实时显示运行信息等监视功能；下位机承担现场信号、现场数据的采集及实时控制任务。为使系统安全可靠，上位机采用了工业控制计算机，配有CRT显示器和打印机，可对系统运行信息及故障进行信息实时显示并可实时打印或历史打印。可编程控制器和工业控制计算机均有RS232C标准和RS422标准的串行口，可轻松实现通讯，达到监视、控制同时进行。3）信号控制提升机的信号来自提升系统工作现场的不同环节，比如天轮、井筒、深指器、液压站、润滑站等，信号包括运行状态、运行参数、操作信号和保护信号，这些信号均引入到主控系统中，将这些参数和信号与操作控制相关内容进行逻辑运算和闭锁，最后产生控制指令；各种故障信号将送给安全回路以及PLC输入，根据故障信号的轻重度分开轻重等级，与故障操作保护系统进行逻辑运算和判断，最后执行为不同的故障处理动作，如立即施闸、提升终了施闸、电气制动，然后通过机械机构来实施，同时这些信号将在上位机中显示故障类型并控制声光报警。4）安全保护本系统设有一条硬件安全电路和二条软件安全电路，这三条安全电路相互冗余与闭锁，一条断开时，另两条也同时断开。硬安全回路通过硬件回路实现，无论PLC单元是否正常工作，一旦出现重度故障信号，硬安全回路马上断开；软安全回路分别在两套PLC软件中搭建，与硬安全回路相同并且同时动作。安全电路断开后，系统会立即解除运行控制指令，制动油泵，断开安全阀和KT线圈，进行紧急制动。安全保护功能齐全，设有过卷、等速超速、定点超速、PLC编码器断线、错向、传动系统故障及自动限速等保护功能。2.5 系统特点及预期达到效果系统为总线式控制，操作台内配置两套独立的可编程序控制器(一备一用)，与上位机及现场信号采集器构成网络控制系统，各控制单元设计为功能完善的标准化独立部件，软件设计可以实现不同用户的特殊工艺要求。系统预计达到较高的可靠性，控制柜之间、控制柜与操作台之间、提升机电控和信号及提升调度之间的信号连接采用快速电缆插头及总线通信方式，简化了设备之间的连接，提高了信号传输的可靠性。采用冗余技术，主备PLC互为热备，可快速切换，如发生故障系统仍然能够正常工作。在操作台设计上尽量采用原来的操作模式，使操作人员可以不需长时间适应即可熟练操作。系统具有优良的动、静态特性，发挥矢量控制的良好性能，实现真正意义上的无级调速。起动及加速换挡时冲击电流很小，减轻了对电网的冲击，简化了操作，降低了工人的劳动强度。设备的体积小、重量轻、占地面积小、安装维修方便，操作简单，维护工作量小，工作效率高，节电效果明显，噪音小。3 PLC在提升机控制系统中的具体应用3.1 PLC概述及其系统组成可编程控制器(Programmable Controller)缩写为PC，为了于个人计算机的PC(Personal Computer)相区别，有时在PC中人为地增加了L(Logical)而写成PLC。自1969年第一台可编程控制器问世以来，经历近40年的发展，可编程控制器已经成为一种最重要、最普及、应用场合最多的工业控制器，可以说只有可编程控制器才是真正的工业控制计算机。初期可编程控制器只是用于逻辑控制的场合，用于代替继电器控制盘，但是现在可编程控制器已经进入包括过程控制、位置控制等场合的所有控制领域。现在可编程控制器继续保留了原来逻辑控制器的所有优点，同时它吸收了其它控制设备（如过程仪表、计算机、集散系统、分散系统等）的优点，在许多场合只需可编程控制器即可构成包括逻辑控制、工程控制、数据采集及控制、匿形工作站的经济合算、体积小巧、设计调试方便的综合控制系统。可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算数操作等面向用户的指令，并通过数字式或输入输出控制各类型的机械或生产过程。可编程控制器及有关外部设备都按易于与工业控制系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。可编程控制器作为“蓝领计算机”有着其它工业控制设备很难具备的特性：1）高可靠性到目前为止没有任何一种工业控制设备可以达到可编程控制器的可靠性。随着器件水平的提高，可编程控制器的可靠性还在继续提高。例如三菱FXl、FX2系列平均无故障时间可达30万小时。事实上，如果某种控制装置可以连续运行20年以上不出问题，在当前技术更新瞬息万变的世界上，则可以认为是永远不会坏的装置了。在可编程控制器使用中发生的故障，大部分是由可编程控制器外部的开关、传感器、执行器引起的，而不是可编程控制器本身发生的故障。2）编程方便，易于使用可编程控制器采用与实际电路接线图非常接近的梯形图。这种图形编程方式易懂易编。3）环境要求低可编程控制器适用于恶劣的工业环境。4）与其他装置配置联接方便可编程控制器的接口原则是使外部接线、电平转换尽量少。对于开关量，输入可以是无源出点开关量或集电极开路晶体管输出；输出有继电器、晶闸管、晶体管等各种不同的形式，可直接接各种不同类型的接触器、电磁阀等。对于模拟量，只要模拟信号电平在一定的范围内（通常为10V或20mA），就可以按要求自由设置转换特性，而不需另加电平转换。另外还有运用热电偶直接输入的A/D转换器等，此时就连放大器、冷端补偿也不需要。对于各种显示、音响输出更是以最方便的形式提供接口，大量的问题都在可编程控制器内部解决了。对于数据通讯，只需同轴电缆和普通RS232或RS422接口即可，不必由用户来考虑波特率及通讯规程等具体问题。3.2 本系统中PLC的选型及特点三菱FX系列是由电源、CPU、存储器和输入输出模块组成的单元型可编程控制器。而且，AC电源、DC输入型的内装DC24V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。另外，若采用可选的存储卡盒，最大可扩展到16K步。关于存储器的类型，可以选用ROM、EEPROM和EPROM。FX2N内含计时功能，可以进行时间控制。PC使用A7PHP/A7HGP、A6GPP/A6PHP相对应的编程软件，可以在RUN时改变程序。通过设定参数可以确保编程存储器内元件的注释区域。此外还有具有利用可输入汉字的外围设备给程序加汉字注释的显示功能。为防止顺控程序被写入或盗用，可以对程序存储器设定3级保护。具有丰富的输入输出扩展设备：继电器输出、三段双向可控硅开关元件输出、晶体管输出；丰富的特殊扩展设备：模拟输入输出设备、温度传感器输入、热电偶输入设备、1轴定位设备、双轴（内插）定位设备、脉冲输出设备、高速计数器、并联连接、NELSCLNET/MINI-S3连接设备、RS485通信设备、RS232通信设备、ID机器连接设备、模拟量模块等。FX2N系列PLC是FX家族中最先进的系列。由于FX2N系列具有如下优点：最大范围的包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为提升机的自动化控制提供最大的灵活性和控制能力。FX2N系列具有较高的扩展能力以及高水平的性能：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FX2N单元中的每一个单元都可扩充到256点I/O。控制点数从16至256点(主单元：16/32/48/65/80/128)不等。高速运算基本指令：0.08us/指令应用指令：1.52至几百us/指令突出的寄存器容量FX2N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。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。表1 FX2N系列功能内置式24V直流电源24V、400mA直流电源可与外部设备如传感器或其它元件供电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嚣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阃改变程序的功能在线改变程序不会损失工作时问或停止生产运转。内置式RUNSTOP开关容易操作的面板上运行停止开关远程维护功能通过电话线可以监测、上卸载程序和数据到远处的编程软件密码保护功能使用一个八位数字密码保护程序表1列出了FX2N系列的部分功能。FX2N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；增加了过程控制，可使用FX2N PID指令或易于使用的FX2N-2LC温控模块；网络能力强，完全充足的网络模块式数据通信容易实现；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Windows的GX-Developer或FXPCS-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。3.3 系统设计3.3.1 主控系统设备要求实践证明，PLC在提升机电控系统中的运行是稳定可靠的，这一技术值得大力推广。考虑到矿井提升机工作性质和环境的特殊性，在具体应用时应注意以下问题：1）抗干扰性由于矿井提升机系统工作在电磁干扰较严重的环境中，为保证设备工作正常，选型时应特别注意PLC的电磁兼容性指标。同时最主要部件采用导电、导磁性能良好的材料进行屏蔽，以防有外界干扰。2）采用冗余结构根据对元件和系统的事故率分析以及对PLC主机工作可靠性的分析，在影响由PLC构成的控制系统正常工作的原因中，PLC本身输入输出接口处的故障等，都是重要因素。为保证提升机运行安全可靠，应发展容错技术，在安全、监视、制动等系统中，采用有高度安全可靠性能的冗余结构形式，一旦发生故障，备用装置可以立即投入运行。3）采用模块式结构这种结构有助于在故障情况下修复。因为一旦查出某一段模块出现故障，就能迅速更换，使系统恢复正常。3.3.2 控制系统的I/O统计为提高系统可靠性，PLC的输入输出信号均采用一定的信号隔离方式：输入信号，开关量信号通过继电器隔离分配；电平信号通过信号分配板隔离分配；输出信号，通过中间继电器转接来控制执行对象。在设计时需统计I/O的总量，包括开关量和模拟量，以确定选用PLC的模块数量以及型号。表2 PLC的输入点统计编号信号内容点数备注主备PLC之间输入1主备PLC通讯1给备用PLC发送脉冲，作为PLC故障的检测依据操作台控制信号2主令手柄(零位停车)1用来控制提升机停车3主令手柄(提升)1用来控制提升机正向运行4主令手柄(下降)1用来控制提升机反向运行5手动开车1完全由司机手动启停和进行速度控制6自动开车1无须使用手柄，系统自动根据提升信号进行启动控制7PLC切换(主备)1选择主备PLC工作8提升种类(人员材料)1选择PLC的提升方式9急停开关1软件判断失效时，人为断AC回路，以保证系统的安全外围设备开光量输入量信号10制动泵运行反馈1引自动力柜制动泵运行接触器11润滑泵运行反馈1引自动力柜润滑泵热继电器12上终端行程开关到位1引自上终端行程开关13下终端行程开关到位1引自下终端行程开关14硬解除制动中继1引自制动继电器模拟量信号15制动手柄010V16主令手柄10V17电机电压424mA18电机电流424mA据表2统计，输入信号有14个开关量信号，4个模拟量信号。基于两套PLC一备一用，互为热备的设想，要求在输入上是同时输入，信号通过继电器或信号分配板转接，分两路同时送入两套PLC。在输出信号的处理上有三种方案：第一种是开放式输出，即为任何时候都有输出；第二种为接管式，即在PLC发生故障时，断开故障PLC的输出，同时另外一套PLC设备接管输出；第三种为不接管式，即出现故障时断开故障PLC的输出供电，而另一套PLC并不接管，完成本次提升后需要将PLC的选择开关打到无故障的一方才可运行。据表3统计，输出信号有6个开关量信号，1个模拟量信号。表3 PLC的输出点统计编号信号内容点数备注1主备PLC通讯1开放输出2提升控制输出1用来控制提升机运行3提升故障指示1故障时需要备PLC接管4软安全回路中继1开放输出5制动泵控制输出1用来控制制动泵运行6润滑泵控制输出1用来控制润滑泵运行模拟量输出7制动手柄给定010V3.3.3 PLC模块选择通过系统综合考虑，本系统选择三菱FX2N系列可编程控制器，PLC为两套相同的设备，分别作为主备控制单元。在主PLC发生故障时可以迅速的切换到备用PLC。表4为系统选型方案。表4 提升机系统PLC元件选型方案序号名称规格型号单位数量备注1基本单元FX2N-64MR块2基本单元: 64点I/O、继电器输出2模拟量输入FX2N-8AD块2特殊模块：8通道模拟输入3模拟量输出FX2N-4DA块2特殊模块：4通道模拟输出4高速计数模块FX2N-1HC块2特殊模块:用于高速计数4通讯板FX2N-485-BD块2特殊功能板：RS485通讯板5显示嚣21寸液晶台16工控机P4/256M/2.5G/160G台1研华7组态王运行版1024点套1亚控在组织FX2N系列时，须考虑到以下几点：（1）输入输出总点数控制在256点以内。FX2N可编程控制器可连接输入输出点数如下：输入输出点数各为18点以内，合计点数25点以内。接待殊单元、特殊模块时每台占8点（不能分配输入输出序号），从最大点数256点中扣除，功能扩展板不占有输入输出点数。所选FX2N-64MR满足控制系统的要求。（2）电源容量，基本单元内部装有电源，对模块供给DC24V电源，对特殊模块供给DC5V电源。因此扩展单元和特殊模块的耗电量应控制在基本单元及扩展单元的电源容量范围之内。DC24V供给的电源的容量，因机型不同而异：扩展模块因输入或输出功能不同，消耗的电流也不同，各个组件的消耗电流须在供给电源的总量之内，方能插接扩展模块，此外剩余电流也可以作传感器用或负载等方面用电流。特殊扩展模块个数和5V电源容量使用特殊单元、特殊模块和功能扩展板的时候，须考虑连接个数和DC5V消耗电流。DC5V电源是通过扩展电缆来实现，不需要外部配线。（3）对于FX2N基本单元，外接特殊单元、特殊模块的数量，最多不超过8台。特殊模块具体参数介绍：1）FX2N-4DA模拟量输入模块提供12位高精度分辨率（包括符号）4通道电压输入（-10至10V直流）或电流输入（-20至20mA直流）对每一通道，可以规定电压和电流输入。在模拟和数字电路之间光电隔离，直流/直流变压器隔离主单元电源，在模拟通道之间没有隔离。2）FX2N-8AD模拟量输入和温度传感器输入模块提供16位高精度分辨率（包括符号）8通道电压输入（-l0至l0V直流）或电流输入（4至20mA，直流-20mA至20mA直流）或热电耦温度传感器输入。对每一通道，可以单独规定电压、电流或热电耦输入。4）计数模块FX2N-1HC在提升机的控制过程中对速度和行程要求严格，所以在PLC的配置上除了要用到FX2N中自带的计数单元，还需要选用高速计数模块FX2N-1HC。FX2N-1HC模块是2相50Hz的高速计数模块。它是FX2N，FX2NC系列PLC的一个特殊功能模块。FX2N-lHC的计数速度比PLC的内置高速计数器(2相25Hz，l相50Hz)的计数速度高，而且它可直接进行比较和输出。各种计数器模式可用PLC命令进行选择，如1相或2相，16位或32位模式。只有这些模式的参数设定之后，FX2N-1HC单元才能运行。输入信号源必须是1相或2相编码器，可使用5V、12V或24V电源，也可使用初始值设置命令输入(PRESET)和计数禁止命令(DISABLE)。FX2N-1HC有两个输出，当计数器值与输出比较值一致时，输出设置为ON，输出晶体管被单独隔离，以允许泄漏或源连接方法。FX2-1HC和FX2N PLC之间的数据传输是通过缓冲存储器交换进行的。FX2N-1HC有32个缓冲存储器(每个为16位)。FX2N-1HC占用FX2N、FX2NC扩展总线上的8个I/O点,这8个点可由输入或输出进行分配。确定PLC选型方案后，两套相同设备的PLC与上位机组成提升机的控制系统，采用RS485通讯模块实现下位机与上位机的通讯。3.4 PLC外围电气控制硬件原理3.4.1 电源及主控回路电源部分采用双回路供电模式，电源柜主要是给动力柜供电，同时用来进行过流保护和电压、电流测量。并且将操作台中的主电源上电开关量送入断路器的失压脱扣线圈中，用来实现紧急停车。动力柜主要是给油泵和操作台供电，同时具有断相、缺相、过流保护和电机过热保护。其中油泵有：制动油泵一个，润滑油泵一个。操作台采用UPS电源供电。操作台电源供电方式是从动力柜来的AC220V电在操作台中经断路器分六路供电，分别给两套PLC电源模块供电、给数显仪表供电、给二次回路供电、给开关电源(AC220V输入，DC24V输出)、给可调闸线性电源供电。其中：开关电源分别给DC24V回路、液压站电磁阀和现场仪表供电。图4为主电机接线图，电源部分简化。3.4.2 位置信号采集及传感器的信号采集（1）行程开关的设置安装图4 主电机接线图1）深指器上一共安装二个行程开关，依次分别是：上终端开关、下终端开关。他们分别通过常闭点引入操作台中。行程开关对提升机能可靠的停车起到了至关重要的作用，是保障提升机能可靠运行的重要设备。2）辊筒出绳口附近也安装一个行程开关，用来检测松绳(延时8S)，辊筒离合器附近安装三个行程开关，分别用做检测离合器分、合状态和调绳闭锁。3）室外井架上安装两个终端开关，两个过卷开关，两个极限过卷开关。外接线时用防爆接线盒与电缆对接。在左右装卸位置安一个，做为上下终端开关在左右装卸位置往上0.5米安一个，做为上下过卷开关在左右过卷往