基于PLC控制的矿井副井提升系统的设计.doc

河南质量工程职业学院河南质量工程职业学院 毕 业 设 计 论 文 题题 目目基于基于 PLCPLC 控制的矿井副井提升系统的设计控制的矿井副井提升系统的设计 系系 别别机电工程系机电工程系 专专 业业 班班 级级 学生姓名学生姓名 学学 号号 指导教师指导教师 定稿日期定稿日期20112011 年年 3 3 月月 1717 日日 河南质量工程职业学院河南质量工程职业学院 毕业设计 论文 任务书毕业设计 论文 任务书 专业 班级 姓名学号 指导 教师 设计 论文 题目基于 PLC 控制的矿井副井提升系统的设计 主要 研究 内容 用以 PLC 为核心的控制体统对矿井提升信号系统进行改造 对 信号系统与主电控系统完成的闭锁及联锁 主要 技术 指标 或研 究目 标 用 PLC 控制的信号系统 完成信号系统与主电控系统的闭锁及 联锁 并实现以下功能 井上下信号必须一致方可开车 井下信号 只能通过井上信号才能传至绞车房 不能直接传至绞车房 事故停 车点 由井上 下直接传至绞车房 停止绞车运行 打正向点只能 开正向车 而不能开反向车 反之亦然 即实现了方向闭锁功能 基本 要求 PLC控制的信号系统 完成了信号系统与主电控系统的闭锁及联锁 主要 参考 资料 及文 献 1 Protel99SE 电路设计与制版 北京人民邮电出版社 2 单片机原理与应用实例教程 北京交通大学出版社 3 模拟电子技术基础简明教程 第二版 高等教育出版社 目录目录 摘 要 1 第一章 绪论 3 第二章 设计思路 3 2 1 设计的意义 3 2 2 提升系统原始资料 4 2 3 工作流程图 5 2 4 工作过程 11 第三章 系统设计 12 3 1 松下 PLC 编程软件的基本使用流程图 12 3 2 FP1 的产品及性能简介 13 第四章 电子数码显示部分简介 13 4 1 4511 芯片介绍 14 4 2 4518 芯片介绍 15 4 3 4N26 芯片介绍 17 4 4 1413 芯片介绍 17 第五章 操作说明 19 第六章 结束语 20 致谢 21 附录 1 22 附录 2 23 1 摘摘 要要 计算机控制技术和网络技术在煤炭行业也得到了迅猛的发展 如选煤厂微机自 动化系统 矿山电网综合自动化系统 主井绞车自动控制系统 井下主煤流胶带控 制系统以及工作面综合监测系统等 这些控制系统都在不同的应用领域改变着传统 煤炭行业技术和产业结构 它们极大地提高了煤炭的产量 提高了煤炭生产的安全 性 提高了企业的自动化和管理水平 随着计算机可靠性的提高 价格的大幅度下降 出现了数字调节器 可编程控 制器 PLC 以 及由多个计算机递阶构成的集中 分散相结合的集散控制系统 测量 变送仪表一般为模拟仪表 因而它是一种模拟 数字混合系统 这种系统在功能 性能上较模拟仪表 集中式数字控制系统有了很大进步 可在此基础上实现装置级 车间级的优化控制 由于 PLC 可编程控制器可靠性高 应用极为方便 已成为当今应 用场合最为广泛的工业控制装置 成为机电控制不可缺少的核心控制部件 随着工 业生产自动化程度要求的不断提高 更加可靠的可编程控制器 PLC 已应用到煤炭行 业的各个系统中 根据 PLC 的外围设备少 站地面积小 维护量小 安全程度高 易于实现自动化的特点 结合该矿实际 决定选用 PLC 为核心的控制体统对该井提 升信号系统进行改造 本设计分六章 第一章 绪论 第二章 设计思路 第三章 系统设计 第四章 电子数码显示部分简介 第五章 操作说明 第六章 结束语 关键词 关键词 可编程控制器 PLC 矿井提升系统 2 Abstract Computer control technology and network technology in the coal industry has also been rapid development Computer automation systems such as coal preparation plant mining integrated automation system network the main winch control system the main underground coal flow control system and the tape face comprehensive monitoring system these control systems are changing in different areas of application of traditional coal industry technology and industry structure which greatly improved coal production improve the safety of coal production improve the enterprise s automation and management With the improved reliability of the computer the price dropped significantly there has been digital regulator programmable logic controller PLC and the hierarchical form by a number of computers the concentration of the dispersed phase with the distributed control system Analog transmission instruments measuring instruments generally so it is an analog digital mixing system This system function performance than analog gauges centralized digital control systems have made great progress can be achieved on the basis of this device class shop level optimal control The PLC programmable controller high reliability application is very convenient has become the most widely used applications of industrial control devices and become an indispensable core electrical and mechanical control of control unit with the required degree of automation of industrial production continues to increase more reliable Programmable Logic Controller PLC has been applied to various systems in the coal industry according to PLC peripherals little station area of the small little maintenance safety easy to automate the characteristics combined with the actual mine decided to use PLC as the core of the control system to upgrade the signal system to transform well The design of six chapters The first chapter Chapter II design ideas Chapter III system design Part IV Introduction to electronic digital display Chapter instructions VI concluding remarks Keywords programmable logic controller PLC mine hoist system 3 第一章第一章 绪论绪论 平煤集团十三矿位于平顶山市东北 17 公里襄 郏两县交界处 始建于 1993 年 是平煤集团大型骨干矿井之一 十三矿是国家 九五 重点建设项目 也是平煤集团 近 20 年来唯一开工建设的大型矿井 矿区地跨襄 郏两县 公路 铁路四通八达 交通便利 1993 年 12 月开工建设 2002 年 5 月验收投产 现有在册职工 2080 人 专业技术人员 227 人 高 中级职称人员 91 人 十三矿集原煤生产 洗选加工 矸 石发电为一体 年设计生产 入洗原煤 180 万吨 年发电能力 2 5 万 KW 矿井总 投资 16 5 亿元 井田面积 45 平方公里 工业储量 32566 万吨 可采储量 17459 万吨 服务年限 74 6 年 主要可采煤层为己组煤 平均厚 5 8 米 煤种为贫瘦煤 该煤种是 平煤集团的一个新煤种 适合电力 冶金 炼焦 精煤洗选等行业的工业用煤 深 受广大用户的欢迎和好评 企业北靠玉带汝河 南眺紫云书院 东邻许南公路 专 用铁路直通矿区 地理位置优越 交通快捷方便 矿区环境优美 管理严格规范 第二章第二章 设计思路设计思路 2 12 1 设计的意义设计的意义 随着科技的发展 人们的日用需求量越来越大 21 世纪能源结构将发生巨大变 化 煤炭在能源结构中的比例将会下降 我国也不例外 但是 由于我国石油 天 然气的储量有限 煤炭的主导地位在短时间内不会有根本的改变 据有关部门预测 到 2010 年我国需要煤 13 4 亿 t 20 世纪 90 年代 我国已成为世界第一大产煤国 我国煤炭资源丰富 劳动力 廉价 本应在国际市场竞争中占有优势 但由于技术 管理 体制等原因 大多数 煤矿的劳动力效率低下 1998 年我国原有统配煤矿的平均全员效率仅为美国的 1 6 澳大利亚的 1 78 工人年工资仅为美国的 2 澳大利亚的 1 15 工资差别如此之大 但吨煤劳动成本还是超过了美国 目前 煤炭企业已难以盈利 甚至亏损 如不尽快改变这种状态 入世后国外优质廉价煤炭可能涌入我国 我国 煤炭企业的前景将不容乐观 我国未来煤炭企业的出路在哪里 从先进采煤国和我国神华 兖州等矿区 九五 的发展经验 以及其它传统产业发展的经验得到的结论是 用高新技术改造传统的 煤炭工业 4 例如 美国和澳大利亚 80 年代以来引进长壁开采技术 在工作面采用大功率电 牵引采煤机 电液控制的液压支架和具有软启动功能的刮板输送机 主煤皮带式运 输采用变频调速 CS T 机械及电气调速装置 计算机和各种保护传感器组成的集中 控制系统 提升机采用全数字化直流或交 交变频提升机等等 上述这些采用电力电 子 自动化 计算机 信息技术 网络技术的机电一体化设备 使综采效益达到前 所未有的水平 成为世界上煤炭工业效益最好的国家 煤矿安全也名列世界的前茅 上述例子都说明采用高新技术改造传统煤炭工业 不仅在市场竞争中将处于优势地 位 煤矿安全也得到很大提高 达到世界先进采煤国的水平 应用高新技术改造传 统煤炭企业还可以提高企业现代管理水平 改变煤炭工业的形象 2 22 2 提升系统原始资料提升系统原始资料 平煤集团十三矿主井绞车系 JKMD 4 4 E 落地式多绳摩擦轮提升机 直接传动 最大提升速度 9 6m s 提升高度 721 6m 由直流电动机拖动 直流电动 机采用 ZKTD285 75 型 2500KW 900V 3122A 45 84r min 他励 励磁电压 110 55V 励磁电流 248 8 497 6A 励磁功率 27 4KW 电气控制采用全数字控制磁 场换向 SCR D 系统 可实现无级调速 具有较好的运行特性 能实现高效运行 控制系统分全自动 半自动 手动 验绳操作 调节系统采用德国进口原装 6RA23 全数字调节器 操作系统采用美国进口原装 GE90 30 可编程序控制器 因种种原 因需要 GE90 30 退出运行时 经操作转换开关可使提升机在 GE90 30 退出的事 故状态下转入继电器方式简易开车 此外 当整流柜或变压器一组发生事故时 通 过方式转换柜 可将其脱离系统 提升机可在降低功率下满载半速运行 矿副井信号系统从建井处接管过来时 井上下联系信号都是靠灯泡和电铃来实 现的 在信号系统与主控系统没有相应的闭锁及联锁的情况下 经常出现打错点和 拉错方向的事故 由 PLC 控制的信号系统 成功地完成了信号系统与主电控系统的 闭锁及联锁 实现了以下功能 1 井上下信号必须一致方可开车 2 井下信号只能通过井上信号才能传至绞车房 不能直接传至绞车房 3 事故停车点 由井上 下直接传至绞车房 停止绞车运行 4 打正向点只能开正向车 而不能开反向车 反之亦然 即实现了方向闭锁功 5 能 5 打慢点只能开慢车 而不能开快车 速度可控制在 1m s 以下 即实现了快 慢连锁功能 2 32 3 工作流程图工作流程图 具体打点次数示表4 1 1 12 23 34 45 5 停车停车快上快上快下快下慢上慢上慢下慢下 表 4 1 SR 左移移位指令 Shift register SR 是左移移位指令 其书写格式见 PLC 图 4 1 PLCPLC图图 4 14 1 具体说明如下 1 该指令的移位对象只限于内部寄存器 WR 它可以指定 WR 中任意一个作为 移位寄存器使用 2 IN 端为数据输入端 该端接通 移位输入的是 1 该端断开 移位输入的 下井口下井口上井口上井口绞车房绞车房 打点信号打点信号打点信号打点信号 打点信号打点信号 控制绞车动作控制绞车动作 IN CP R SR WR n 6 是 0 3 CP 端是移位脉冲输入端 该端每接通一次 上升沿有效 指定寄存器的内 容左移 1bit 4 R 端是复位端 该端一旦接通 指定寄存器的内容全部清零 且移位动作停 止 R 端比 CP 端优先权高 这套信号系统与主控系统的闭锁及联锁功能由 PLC 控制 通过继电器执行这种 闭锁及连锁功能 其原理图如下图 4 2 Z1 Z2 接点串入主电路反向给定回路 Z3 Z4 接点串入主电路正向给定回路 Z5 Z6 接点串入主电路快点开车给定回路 Z7 Z8 接点串入主电路反向给定回路 工作原理图工作原理图 4 24 2 Z2 Y0 Y2 Y1 Y3 Z4 Z3 Y0 Y1 Z6Z5 Y0 Y1 Y2 Y3 Z7Z8 给定给定 GS 去 GJ Z5 Z6 65K Z1 7 井下打点井下打点 井下打点井下打点 井下停点井下停点 井上打点井上打点 井上停点井上停点 B1 B2 B3 B4 X1 X2 X3 X4 红灯信号红灯信号 Z7 Z8 可 编 程 控 制 器 PLC X1 X2 X3 X4 井下井下 Y4 井上井上 Y5 车房车房 Y6 Y0 Y1 Y2 Y3 Y7 Y8 Y9 YA YB 8 梯形图如下 R9010 X1 P R24 SR WR 0 R1R2 R2R3 R4R3 R4 R20 R21 R22 R23 R24 R9010 X3 P R25 SR WR 1 R5 X2 R20R11Y0 9 R21 R22 R12 R13 Y4 Y1 Y2 R23R14Y3 R25 R15 Y1 Y0 Y2 Y3 Y7 X2 X3 X4 X1 X4 10 I O分配表 X1 井下打点 X2 井下停点 X3 井上打点 X4 井上停点 Y0 为正快 快上 Y1 为正慢 慢上 Y2 为反快 快下 Y6 X2 X3 X4 Y5 X4 X1 X3 R24 X1 X3 R25 Y8 Y9 YA YB END 11 Y3 为反慢 慢下 Y4 下井电铃 Y5 上井电铃 Y6 车房电铃 Y7 红灯指示 Y8 下井显示置位 Y9 上井显示置位 YA 下井显示复位 YB 上井显示复位 中间继电器 R24 下井移位复位 R25 上井移位复位 2 42 4 工作过程工作过程 1 当需要 快上 时 下井口先打点 即显示 2 此时 X1 动作 2 次 移位寄 存器左移 2 位 R1 闭合 接通内部继电器 R20 X1 由于接通触发 Y8 2 次 接通外 部电路在数码管上显示 同时上井口 下井口电铃打铃 次 上井口接到打点 信号后 开始打点 X3 为上井口打点器 同时打点 左移指令 SR WR1 也向左 移 位 触点 R11 接通 此时 Y0 接通 电机做 正上 快速运动 同时由于 Y0 互 锁 指示电路 Y7 接通 红色指示灯亮 上井口打点时 Y4 Y5 Y6 继电器接通 下井口 上井口 绞车房电铃响 打几次点 响几次铃 此时 Y9 也接通 触发上 井口显示电路显示 当达到井面时 停车开关 X2 X4 打点寄存器复位 线圈 失电 绞车停车 显示器复位 2 当需要绞车 快下 时 下井口先打点 3 下 即显示 3 移位寄存器由于复 位从新开始 至 R2 此时 R0 R2 接通 R1 R20 失电不起作用 R21 带电 其相应 的触点动作闭合 上井下井电铃响 下井显示 3 上井听到指示后开始打点 过程与上相 同 绞车开动 3 当需要绞车 慢上 时 绞车开慢车 正方向 下井打点 4 为慢车 显示器 显示为 4 此时 其甩掉原有电路 使其电压通过限流电阻降低电压值 使绞车速 12 度慢下来 通过 R4 的互锁作用 使其余继电器不工作 通过 ZJ3 所接外部触点来 转换电路工作的 4 慢下工作方式与此相同 只不过方向相反 第三章第三章 系统设计系统设计 设计分可编程控制器 PLC 控制信号系统和电子数码显示部分 可编程控制 器 PLC 主要控制矿井提升的信号系统 电子数码显示部分主要显示信号点数 提醒打点人员打点 车房开车人员开 停车 如下图示 3 13 1 松下松下 PLCPLC 编程软件的基本使用流程图编程软件的基本使用流程图 本系统采用日本松下 FP1 编程器编写 PLC 程序采用了 SR 左移移位指令 微 分指令 内部继电器组成 松下 PLC 编程软件的基本使用流程图 井上打点井上打点 井下打点井下打点 绞车 房 M 显示显示 显示显示 信号信号 信号信号 信号相同信号相同 13 在可编程控制器中有多种程序设计语言 它们是梯形图语言 布尔助记符语言 功能表图语言 功能模块图语言及结构化语句描述语言等 3 23 2 FP1FP1 的产品及性能简介的产品及性能简介 FP1属于小型机 产品型号以C字母开头代表主控单元 或称主机 以字母E开 头代表扩展单元 或称扩展机 后面跟的数子代表I O点数 该产品包括C14 C72 六款主控单元和E8 E40四款扩展单元 形成系列化产品 其中FP1 C24型可编程 控制器的主控单元外形图和相关部件说明如图3 1所示 表3 1列出了FP1的主要产 品规格类型 主控单元和扩展单元的I O点说2加起来最多可达152个点 在主控单元 内含有高速计数器 可输入的脉冲频率高达5KHz 并能同时输入两路脉冲 晶体管 输出型PLC可输出频率可调的脉冲信号 主控单元还有8个中断源的中断优先权管理 等功能 同时通过PC机可以对PLC进行梯形图程序的编辑 状态监控等 除主控单 元和扩展单元以外 还有A D D A单元和C NET链接单元等高级模块 可进行模 拟量处理 并可方便地构成工业现场PLC控制网络 FP1扩展单元和高级单元的配置 如图3 2所示 对应的I O地址分配请参见附录一 第四章第四章 电子数码显示部分简介电子数码显示部分简介 14 数字显示由光电隔离 单稳态触发器 双 BCD 同步记数器 达林顿晶体管阵列 及外部电路组成 光电隔离 集成电路 4N26 可通过光电实现防止其它信号误触发 单稳态触发器 集成电路 4528 双 BCD 同步记数器 集成电路 4518 4 14 1 45114511 芯片介绍芯片介绍 在同一单片结构上由 Cos Mos 逻辑器件和 n p n 双极型晶体管器件构成 这些 器件的组合 使 14511 具有低静态耗散和高抗干扰及电流高达 25mA 的性能 由此 可直接驱动 LED 及其它显示器件 LT BI LE 输入端可分别检测显示 亮度调 制 存贮或选通 BCD 码等功能 当使用外部多路转换电路时 可多路转换和显示 几种不同的信号 功能表 LEBT LT DCBAabcdefg XXLXXXXHHHHHHH XLHXXXXLLLLLLL LHHLLLLHHHHHHH LHHLLLLLHHLLLL LHHLLHLHHLHHHH LHHLHLHHHHHLLH LHHLHLLLHHLLHH LHHLHLHHLHHLHH 15 输出状态锁定在上一个 LE L 时 A D 的输入状态 工作条件 电源电压范围 3V 15V 输入电压范围 0V VDD 工作温度范围 M 类 55 125 E 类 40 85 极限值 电源电压 0 5V 18V 输入电压 0 5V VDD 0 5V 输入电流 10mA 贮存温度 65 150 引出端功能符号 A D 二进制数据输入端 BI 输出消隐控制端 LE 数据锁定控制 LT 灯测试 VDD 正电源 VSS 地 a g 数据输出端 4 24 2 45184518 芯片介绍芯片介绍 16 4518 双重 BCD 加计数器 由两个相同的同步 4 级计数器构成 计数器为 D 型 触发器 具有内部可交换 CP 和 EN 线 用于在时钟上升沿或下降沿加计数 在单个 单元运算 EN 输入保持高电平 且在 CP 上升沿进位 CP 线为高电平时 计数器清 零 计数器在脉动模式可级联 通过将 Q3 连接至下一个计数器的输入可实现级联 同时后者的 CP 输入保持低电平 功能表 输 入 CPCREN 输出功能 LH 加计数 LL 加计数 LX XL LL HL 保持 XHX 全部为 L 工作条件 电源电压范围 3V 15V 输入电压范围 0V VDD 工作温度范围 M 类 55 125 E 类 40 85 极限值 17 电源电压 0 5V 18V 输入电压 0 5V VDD 0 5V 输入电流 10mA 引出端功能符号 1CP 2CP 时钟输入端 CR REST 清除端 EN 计数允许控制端 1Q1 1Q4 计数输出端 2Q1 2Q4 计数输出端 4 34 3 4N264N26 芯片介绍芯片介绍 4N26 为光电隔离集成模块 具有抗外界电磁干扰和防止误触发特点 触发性能 好 工作稳定 信号输入端 VSS 地 控制信号输出端 VDD 电源端 4 44 4 14131413 芯片介绍芯片介绍 18 具有 7 个达林顿电路的集成芯片 此芯片集电极可以搜集最大达 500A 的电流 耐压为 30 能驱动常规的显示器 管脚 1 7 脚为信号输入端 10 16 脚为放大输出端 VDD 电源正端 VSS 接地端 每当与非门输出高电平时 计数器 4518 的输入端 CLOCK 端便获得一个上升沿 脉冲 计数器便开始计数 依次类推 每当开关接通一次 计数器 CD4518 便会自 动加上 1 只到此显示到所要求为止 停车时由于接通此复位端 计数器清零 19 原理图 第五章第五章 操作说明操作说明 程序中由于互锁及连锁大功能使其运行安全大大提高 由于停车点与复位点用 同一继电器 避免打错点乱停车 而且此还避免打错乱点使其在次数一定时 重新 复位开始打点 显示器也复位 以打点次数显示 打点过程完毕后 井上才能打点 切须上 下井口打点一致方可开车 20 此程序还相推原先传统控制中容易控制错乱造成安全隐患的问题 对所有过程 进行和锁定 使其在需一种状态时其余电路断开 以保证机车运行速度达到需求状 态下运行 第六章第六章 结束语结束语 当前国内的提升信号系统多采用传统的继电器控制方式 这种控制装置元件多 体积大 耗电多 故障率高 可靠性低 改造和安装周期长 应用领域越来越广 PLC 用于信号系统之中就是成功的一例 它用计算机代替继电器控制盘 用程序代 替硬件连接 输入输出可与外部装置直接相连 结构易于扩展 其突出特点为 可靠 性 低埙耗 环境要求低 接线配置方便 现场安装调试周期短 以其为核心的信号 系统的功能完善 控制过程简洁 维护方便 特别是选用日本的 FP1 型可编程控制 器 功能有很大提高 且其良好的工作性和稳定性 在极其恶劣的环境下仍能可靠的 运行 代表了当今提升系统智能化改造的主流 参参 考考 文文 献献 1 Protel99SE 电路设计与制版 北京人民邮电出版社 2 单片机原理与应用实例教程 北京交通大学出版社 3 模拟电子技术基础简明教程 第二版 M 北京 高等教育出版社 2005 21 致谢致谢 毕业论文暂告收尾 这也意味着我的大学学习生活既将结束 回首既往 自己 一生最宝贵的时光能于这样的校园之中 能在众多学富五车 才华横溢的老师们的 熏陶下度过 实是荣幸之极 在这三年的时间里 我在学习上和思想上都受益非浅 这除了自身努力外 与各位老师 同学和朋友的关心 支持和鼓励是分不开的 论文的写作是枯燥艰辛而又富有挑战的 在老师的谆谆诱导 同学的出谋划策 及家长的支持鼓励 是我坚持完成论文的动力源泉 在此 我特别要感谢我的导师 孙振伟老师 从论文的选题 文献的采集 框架的设计 结构的布局到最终的论文 定稿 从内容到格式 从标题到标点 他都费尽心血 没有孙振伟老师的辛勤栽培 孜孜教诲 就没有我论文的顺利完成 感谢各位同学 与他们的交流使我受益颇多