金相如-1030345140-V1-94-论文[回复].doc

毕业论文湖州职业技术学院机电一体化技术专业毕业设计题目基于PLC的高速提升机控制系统设计学生姓名 金相如 学 号 1030345140 指导教师 盛 强 班 级 机电1001 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。针对这种情况采用PLC与变频器相结合的控制方案对原有电控系统进行改造，提高整个电控系统安全可靠性、控制精度及调速性能。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，把可编程序控制器和变频器应用于提升机控制系统上，并在可行性方面进行了相关的研究。事实表明 ，采用该控制系统，使提升机工作可靠，使用方便，同时具有动态显示的功能，节能效果明显。 关键词：可编程控制器,提升机,变频器,控制系统- I -目 录摘 要I第一章 绪论11.1 矿井提升机简介11.2 矿井提升机的任务及其组成11.3 矿井提升机的特点11.4 矿井提升机的工作原理11.5 国内外提升机研究状况21.6 本章小结3第二章 控制方案要求42.1 该系统能够实现的功能42.2 提升机运行曲线42.3 提升机速度要求及计算52.4 控制方案论证与选择62.5 本章小结9第三章 提升机控制系统的硬件设计113.1 PLC控制系统结构组成113.2 PLC的选型113.3 PLC控制的优点113.4 旋转编码器及其接线方式123.4 PLCI/0的分配133.5 变频器设计部分143.6 系统电气控制接线图设计143.7 本章小结14第四章 系统软件设计174.1 PLC的程序设计环境174.2 系统程序设计184.3 PLC控制系统软件程序的编写195.4 本章小结20结论20致 谢21参考资料22附录一23第一章 绪论 1.1 矿井提升机简介 矿井提升机 (mine winder；mine hoist) 是安装在地面，借助于钢丝绳带动提升容器沿井筒或斜坡道运行的提升机械。分“缠绕式提升机(mine drum winder)”和“摩擦式提升机(mine friction winder)”。它用钢丝绳带动容器（罐笼或箕斗）在井筒中升降，完成输送物料和人员的任务。矿井提升机是由原始的提水工具逐步发展演变而来。现代的矿井提升机提升量大，速度高，已发展成为电子计算机控制的全自动重型矿山机械。 1.2 矿井提升机的任务及其组成 矿井提升机的任务: (1) 提升有用矿物，矿石、煤炭。 (2) 提升井下生产过程中产生的矸石、煤泥。 (3) 升降人员、运送设备和下放物料。 矿井提升设备的主要组成部分有：提升钢丝绳、平衡钢丝绳、提升容器、井架、天轮、井筒设备（包括罐道、罐梁）等组成。一般的矿井提升机都有两个提升容器，并且两个提升容器在矿井中做方向相反的直线运动，即一个提升容器以一定的速度上升时另一个提升容器以相同的速度下降。 1.3 矿井提升机的特点 (1) 安全性 所谓安全性就是不能发生安全事故。由于矿井提升设备在矿山生产中所占的地位十分重要,其运转的安全性,不仅直接影响整个矿井的生产,而且还涉及人员的生命安全。因此全国都对矿井提升设备提出了极严格的要求,在我国这些规定包括在 煤矿安全规程中。 (2) 可靠性 所谓可靠性,是指能够可靠的连续长期运转而不需在短期内检修。矿井提升设备所担负的任务十分艰巨,不仅每年要把数十万吨到数百万吨的煤炭和矿石从井下提升到地面,而且还要完成其他辅助工作。 (3) 经济性 矿井提升设备是矿山大型设备之一,功率大,耗电多,大型矿井提升机的功率超过1000KW。因此矿井提升机的造价及其运转费用,也就成为影响矿井生产技术经济指标的重要因素之一。1.4 矿井提升机的工作原理 缠绕式提升机是利用钢丝绳在滚筒上的缠绕和放出，实现容器的提升和下放。钢丝绳的一端固定在滚筒上，另一端绕过天轮与提升容器连接，当滚筒由电动机拖动以不同的方向转动时，钢丝绳或在滚筒上缠绕或放出，以带动提升容器。 缠绕式双卷筒提升机具有两个卷筒，每个卷筒上固定一根钢丝绳，钢丝绳在两卷筒上的缠绕方向相反。 摩擦式提升机的工作原理是利用摩擦传递动力。钢丝绳搭放在摩擦轮的摩擦衬垫上，提升容器悬挂在钢丝绳的两端，在容器底部还悬挂平衡钢丝绳。提升机工作时拉紧的钢丝绳以一定的正压力紧压在摩擦衬垫之间便产生摩擦力。在这种摩擦力的作用下，钢丝绳便跟随摩擦轮一起运动，从而实现容器的提升或下放。1.5 国内外提升机研究状况 近几十年来，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。与此同时，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，其电控系统用于单绳缠绕式提升机的有TKD系列，多绳磨擦式提升机的有JKM、KJ系列。这几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。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。20世纪80年代，我国从瑞典、西德等国引进20多套晶闸管直流电动机控制系统。我国自己生产的晶闸管直流电动机控制系统应用于20世纪90年代。这种控制系统的优点是：体积小、重量轻、占地面积小；基础省、安装方便、建筑费用低；无齿轮传动部分、总效率高、电能消耗少；单机容量大，适用范围广；调速平稳、调速范围广、调速精度高；易于控制，能实现自动化，安全可靠；节约电能。 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国家的传动控制技术水平。而在电力拖动方面，近几年国外出现了不少新拖动方式，交-交变频供电方式就是最有前途的一种。20世纪80年代西欧一些工业先进国家将交流变频调速技术应用于提升机，有代表性的是西门子公司和ABB公司。我国在20世纪90年代也引进了交流变频调速提升机控制系统。变频调速方式类似于它励直流电动机取得很宽的调速范围、很好的调速平滑性和有足够硬度的机械特性，在提升机应用中显示了其独特的优势。 1.6 本章小结 本章主要介绍了矿井提升机的一些基本信息，包括提升机的定义及其分类,提升机的主要任务和组成,此外还介绍了提升机的基本工作原理,国内外的研究状况。 - 18 -第二章 控制方案要求2.1 该系统能够实现的功能本设计是通过PLC来控制变频器实现提升机的变频调速，可实现功能：1、同时按下向上/向下按钮时判断提升机上下运动方向：通过上升、下降指示灯来判断其运行的方向，避免误操作。2、实现电源安全：通过保护回路来保证系统的用电安全。3、安全连锁控制：报警后，整个系统停止，变频器复位。4、原点检测：通过旋转编码器检测其在任何位置和原点的距离。5、回原点控制：在任何位置按下回原点按钮，提升机可以回到原点。6、手动/自动：有点动和单次循环操作7、报警、急停2.2 提升机运行曲线 矿井提升机的工作过程是提升容器在井筒中往返运动的过程，通常以提升容器的运动速度或电动机的运行频率与时间的关系来表示其运动规律，称为速度图或运行曲线图。如图2-1所示为本设计系统提升机的运行曲线。图2-1 高速提升运行曲线在图2-1中，提升机无论正转、反转其工作过程是相同的，都有初加速运行、加速运行、等速运行、减速运行、爬行、制动停车六个阶段。每提升一次运行的时间，与系统的运行速度，加速度及立井的深度有关，各段加速度的大小，根据工艺情况确定，运行状况由程序来控制。图中各个阶段的工作情况说明如下： (1) 初加速阶段0t1：提升容器和平衡物离开卸载曲轨，电机以较小的加速度带动提升机运行。 (2) 加速阶段t1t2：再次加速到最高速度。(3) 第二次加速阶段t2t3: 此时电机以最高转速平稳运行。 (4) 高速阶段t3t4: 此时提升机运行到减速点(本设计中假设运行至150m时开始减速)，电机开始以一定的加速度减速运行。(5) 减速阶段t4t5：此时提升机低速爬行(6) 低速阶段t5t6：。此时提升机刹车，停止运行(制动)以上为PLC自动操作程序工作,其中加速和减速段的时间均在变频器上设置。2.3 提升机速度要求及计算 2.3.1要求某矿井设计年产量3.0M吨, 井口标高29.2m，井底水平标高约-960米。（1）利用变频技术实现节能降耗和静音运行；利用交流电机+变频器，并采用落地式多绳摩擦轮提升机，实现提升主电机的控制。（2）提高提升的快速性和舒适感；最高提升速度: 11m/s，加减速度: 0.75m/s22.3.1计算在本设计中,矿井为立井,且深度为990米,假设：提升机的最大速度为11m/s,即当电机以50Hz 高速运行时,其转速为1500rpm,也就是提升机的运行速度为11m/s。假设初段加速时间为10s ,加速度为0.5m/s ，则： （初加速速度） （初加速移动距离）即： （加速时间） （加速移动距离）假设平稳运行时间为71s ,速度为11m/s ，则： （ 平稳移动距离）假设减速运行时间为20s ,减速度为0.5m/s ，则： （ 爬行速度）（减速移动距离）假设爬行时间为10s ,速度为1m/s ，则 （减速移动距离）2.4 控制方案论证与选择 2.4.1 PLC与其它工业控制装置的比较 防止雷同，此处已删2.4.2 系统方案的确立在此综合各种方面因素选择PLC作为提升机控制系统的核心,如2.4.1小节所分析的,PLC具有其他任何一种控制器所不具备的优点,更符合设计要求。2.5 本章小结 本章主要介绍了提升机控制系统的功能要求,运行曲线,速度要求及计算和控制方案的论证选择。第三章 提升机控制系统的硬件设计3.1 PLC控制系统结构组成本设计的提升机控制系统硬件主要由PLC、变频器、旋转编码器、声光报警模块、电源模块等组成。3.2 PLC的选型 选择能满足本提升机控制要求的适当型号的PLC是应用设计中至关重要的一步，合理选择PLC，对于提高PLC控制系统的技术经济指标有着重要作用。PLC的选择包括机型，容量，I/O模块的选择等几个方面。 3.2.1 机型的选择 本系统选取的是三菱公司生产的小型整体式可编程控制器FX2N-32MT-001系列，输入输出端子选择32点,它的性能价格比很高，在小规模控制中获得广泛应用。三菱FX2N-32MT-001的CPU单元规格是:输入16点,输出16点,输入、输出为晶体管型形式,电源DC24V。 3.3 PLC控制的优点防止雷同，此处已删3.4 旋转编码器及其接线方式旋转编码器是一种光电式旋转测量装置，它将被测的角位移直接转换成数字信号（高速脉冲信号）。因些可将旋转编码器的输出脉冲信号直接输入给PLC，利用 PLC的高速计数器对其脉冲信号进行计数，以获得测量结果。不同型号的旋转编码器，其输出脉冲的相数也不同，有的旋转编码器输出A、B、Z三相脉冲，有的只有A、B相两相，最简单的只有A相。如图4-2所示是输出两相脉冲的旋转编码器与FX2N系列PLC的连接示意图。编码器的电源可以是外接电源，也可直接使用PLC的DC24V电源。电源“-”端要与编码器的COM 端连接，“+ ”与编码器的电源端连接。编码器的COM端与PLC输入COM端连接，A、B两相脉冲输出线直接与PLC的输入端连接，连接时要注意PLC输入的响应时间。有的旋转编码器还有一条屏蔽线，使用时要将屏蔽线接地。其与PLC的接线图如图3-1所示: 图3-1 旋转编码器接线3.4 PLCI/0的分配分配输入/输出点信号、输出点与输出控制是一一对应的。分配好后，按系统配置的通道与接点号，分配给每一个输入信号和输出信号，即进行编号。FX2N型PLC的输入/输出通道号采用自由配置、固定通道方式。输入输出继电器可自由选择，与输入点对应的即为输入继电器，与输出点对应的即为输出继电器。矿井生高速提升机控制系统输入输出接口如表3-1所示。表3-1 I/O接口分配输入输出名称接口名称接口旋转编码器X0正转Y0近点接近开关X1反转Y1回原点按钮X2高速RHY2启动X3中速RMY3手动X4低速RLY4自动X5复位RSEY5手动上升X6变频器启动Y6手动下降X7正转检测Y7急停X10反转检测Y10停止X11报警继电器输入X12自动上升X13自动下降X143.5 变频器设计部分 变频调速单元选用三菱FR-A740，该变频器具有低噪音,高性能,以及带有RS-485通信接口等特点。配以旋转编码器反馈完成高精度速度控制。要达到相应的控制条件，必须要设置好参数（详见手册）3.6 系统电气控制接线图设计系统供电电源采用三相四线制上机供电。供电电源等级为AC3805，50Hz。其中QF1给变频器提供电源， QF2给24V开关电源提供电源，和PLC供电，电机的主回路热继电器，制动电机还包括制动单元的辅助回路。整机的接地保护与系统的接地保护网相联接。变频器电气控制主电路图见3-2。PLC的接线图如图3-3所示。3.7 本章小结 本章是本文的重点,主要介绍了提升机控制系统的硬件设计部分,分小节介绍了各子模块的功能, ,能让人清晰直观的了解,此外在本章开始几个小节还介绍了PLC的选型,变频器,编码器接线等,思路清晰,目的明确。图3-2 主接线图图3-3 PLC接线图第四章 系统软件设计4.1 PLC的程序设计环境 PLC的编程主要是通过编程器或用PLC生产厂家提供的编程软件来完成的。每个PLC公司都有自己的编程器，一般比较小，而且比较轻，适合在现场使用。但是这种编程器只能使用助记符语言对PLC进行编程，而且由于屏幕较小，每次只能显示一、两行程序，难于对程序从整体上分析。PLC公司提供的编程软件则能使用梯形图、助记符或功能图语言等进行编程。通过编程软件，不仅能从宏观上对程序进行编辑和分析，而且还能对程序的运行情况进行监视。4.1.1 PLC公司的编程软件编程软件的作用是编辑、调试、输入用户程序，也可在线监控PLC内部状态和参数，与PLC进行人机对话，它是开发、应用、维护PLC不可缺少的工具。编程软件一般由PLC生产厂家提供，各家用各家，不通用，而且多是商品化的。这些软件一般功能都差不多，大体上有以下几种功能。 (1) 脱机编程: 可用梯形图语言或助记符语言编程。这两者可相互转换。另外，程序还可加注解。 (2) 文件管理: 对所编程序可存储为磁盘文件，还可建立数据库文件以及与PLC工作相关的系统设计软件。 (3) 文件的上传与下载: 程序文件、数据文件等可在计算机与PLC建立起通信联系后下载给PLC，也可从PLC中上传，将PLC的程序、数据上传到计算机中，然后计算机在对其做相应管理。 (4) 监控运行: PLC与计算机建立通信后，计算机可监视PLC的工作，观察任何工作位的状态，可读所有的数据，可强置某些工作位处于ON或OFF状态，还可修改一些参数。 (5) 在线更改。监视运行时发现程序存在问题，有两种解决的办法。 脱机更改。即先回到脱机状态修改程序，然后再联机，重新把程序下载到PLC。 在线更改。在问题不太多，又是允许的情况下可在线更改程序。这种边运行、边监视、边更改的方式，既不耽误PLC的工作，可直接地发现与排除故障，是较为方便的调试与完善程序的方法。(6) 其他功能。编程软件还有一些其他功能。如可用来进行只读存储器的程序写入。有的还可进行对PLC作组网参数的设定等。4.1.2 三菱的GX Developer 编程软件简介进入GX Developer初始界面后，在【文件】下拉菜单中，单击“新建”菜单项，选择创建一个新文件。在【设备名称】中填写设备名称，设备类型选择PLC的类型，然后单击设定按钮选择CPU的类型，单击确定后，即可进入梯形图编程界面，开始编程，如图4-1所示界面。图4-1 编程界面程序编写完成后，下一步就可进行编译、链接和调试了。如果编译没有错误，就可以进行在线运行。在编译过程中，如果出现错误要进行修改时，我们既可以在梯形图编程下修改，也可在助记符方式下修改。编译完成，没有语法错误，可加载程序到PLC，进行在线运行。4.2 系统程序设计4.2.1 程序设计方法及语言工程设计中，可编程控制器应用程序的设计大体上有三种方法，也是使用最多的方法。这些方法的应用，也因不同设计人员有着不同的技术水平和习惯存在着差异。下面介绍一下常用的几种应用程序的设计方法，以便对下面的设计更有一个清晰的认识，也使读者更加明白可编程控制器的设计方法和技巧。1、经验设计法经验设计法也叫凑试法。在掌握一些典型控制环节和电路设计的基础上，根据被控对象对控制系统的具体要求，凭经验进行选择、组合。这种方法对于一些简单的控制系统的设计是比较凑效的，可以收到快速、简单的效果。但是它没有一个普遍的规律可遵循，具有一定的试探性和随意性，最后得到的结果也不是唯一的，设计所用的时间、设计的质量与设计者的经验的多少有关。经验设计法的具体步骤如下：（1）确定输入/输出电器；（2）确定输入和输出点的个数、选择PLC机型、进行I/O分配；（3）做出系统动作工程流程图；（4）选择PLC指令并编写程序； （5）编写其它控制控制要求的程序；（6）将各个环节编写的程序合理地联系起来，即得到一个满足控制要求的程序。2. 逻辑设计法工业电气控制线路中，有很多是通过继电器等电器组件来实现的。而继电器、交流接触器的触点都只有两种状态即：断开和闭合，因此用“0”和“1”两种取值的逻辑代数设计电气控制线路是完全可以的。该方法法是根据数字电子技术中的逻辑设计法进行PLC程序的设计，它使用逻辑表达式描述问题。在得出逻辑表达式后，根据逻辑表达式画出梯形图。因此用逻辑设计法也可以适用于PLC应用程序的设计。顺序控制法对那些按动作的先后顺序进行控制的系统，非常适合使用顺序控制设计法进行编程。顺序控制法规律性很强，虽然编程相当长，但程序结构清晰、可读性。在用顺序控制设计法编程时，功能图是很重要的工具。功能图能够清楚地表现出系统各工作步的功能、步与步之间的转换顺序及其转换条件。功能图由流程步、有向线段、转移和动作组成，在使用时它有一些使用规则，具体如下：（1）步与步之间必须用转移隔开；（2）转移与转移之间必须用步隔开；（3）转移和步之间用有向线段连接，正常画顺序功能图的方向是从上向下或则从左向右。按照正常顺序画图时，有向线段可以不加箭头，否则必须加箭头。（4）一个顺序功能图中至少有一个初始步。可编程控制器设计语言也有多种形式，因其在继电器的基础上研制而成，所以大部分都是以开关量为主的控制方式。很多表达形式也都是电气符号的沿用，或直接使用。这样，PLC的语言就有所不同。梯形图语言是设计中使用最多的，还有流程图，语句表，这些都为程序的阅读提供了不同形式的方法，适合电气方面的工程人员阅读，也适合电子方面的工程人员进行参考使用。本控制系统采用经验设计法。4.3 PLC控制系统软件程序的编写矿井高速提升机控制系统是基于PLC集成控制的系统，根据本节叙述的内容中的系统整体控制流程图及系统的输入和输出信号，来编制PLC的梯形图。PLC采用循环扫描方式，按梯形图从上而下，从左而右的先后顺序予以执行。下面给出的是程序的梯形图，使用三