电气工程及其自动化_2

哈尔滨工业大学成人教育学院本科毕业论文 设计 摘 要 本设计以液粘调速装置为基础 配以可编程序控制器进行控制 利 用高级单元数字化给定代替传统的机械式给定 按给定速度图 采用 PID 高级单元 构成转速 电流 PI 调节器 实现双闭环调速控制 通过 井下 井上的控制信号 实现矿井交流提升机全自动调速控制和手动检 修控制 文中详细介绍了所选 PLC 机的特点 各高级单元的使用及设定 给出了矿井提升工作流程图 程序设计流程图及设计程序 本系统采用 PLC 控制转速 电流 PI 控制双闭环调节器 通过光电 编码器采样转速信号 电流互感器在电动机定子侧采样电流信号 经过 可编程控制器的 A D D A 模块转换 构成转速 电流负反馈控制 利用 可编程控制器的内置 PID 模块构成转速 电流 PI 调节器 通过模拟量 输出模块控制电液比例溢流阀 从而控制液粘装置达到调速的目的 关键词关键词 液粘调速 PID 控制 A D D A 转换 哈尔滨工业大学成人教育学院本科毕业论文 设计 I A Abstractbstract The design was based on liquid viscosity speed governor The designer combined it with program controller and utilized high unit to realize digitization speed given instead of traditional machine given On the basis of speed chart the designer used PID units to achieve double closed loop control by making up speed and current regulator And realized automatic control for mining AC elevator The flow diagram and the program were designed in the article This system uses the PLC rotational speed the electric current PI double closed loop regulator through the photoelectricity encoder sampling rotational speed signal the current transformer in the electric motor stator side sampling electric current signal passes through the programmable controller A D D A module to transform constitution rotational speed electric current negative feedback control Uses the programmable controller in to set at the PID module constitution rotational speed the electric current PI regulator Through simulation quantity output module control battery solution proportion overflow valve thus the control fluid sticks the installment to achieve the velocity modulation the goal Keywords liquid viscosity speed governor PID control A D D A transition 哈尔滨工业大学成人教育学院本科毕业论文 设计 II 目 录 摘 要 I Abstract II 第 1 章 液粘技术在煤矿机械中的发展与应用 1 1 1 液粘技术的发展 1 1 2 液粘传动的性能特点 2 1 3 液粘技术的注意问题 2 1 4 液粘技术在煤矿机械中的应用 3 第 2 章 系统总体方案设计 7 2 1 系统设计要求 8 2 1 1 系统控制要求 8 2 1 2 系统控制速度图 8 2 1 3 系统硬件设计 9 2 2 可编程控制器 PLC 特点及选型 10 2 2 1 PLC 特点及应用 10 2 2 2 可编程控制器的选型 10 2 3 液粘调速离合器 11 2 3 1 结构及工作原理 11 2 3 2 性能特点 12 第 3 章可编程控制器各单元工作方式与参数整定 16 3 1 CPU 单元 16 3 2 脉冲输出单元 20 3 2 1 参数的脉冲化分类 20 3 2 2 脉冲单元面板上主要端子的功能 21 哈尔滨工业大学成人教育学院本科毕业论文 设计 III 3 2 3 脉冲单元工作方式选择开关的设置 23 3 2 4 脉冲单元共享存储器的内容设置 23 3 2 5 占用 I O 点及 I O 分配 23 3 2 6 脉冲单元在本系统中的工作过程 23 3 3 高速计数单元的设置与整定 24 3 3 1 方案的选择及比较 25 3 3 2 高速计数器的设置 26 3 3 3 用 F164 SPDO 指令实现位置控制的方式 28 3 3 4 高速计数板的设置与整定 29 3 3 5 手动方式时速度的给定 29 3 4 PID 单元的设置与整定 24 3 5 A D 单元的设置 24 3 5 1 通道的选择 25 3 5 2 I O 分配 25 3 5 3 共享存储器的分配 25 3 5 4 A D 单元的技术参数 输入输出特性和编程方法 25 3 6 D A 单元的设置 24 3 6 1 D A 单元 I O 分配 25 3 6 2 通道的选择 25 3 6 3 D A 单元共享存储器的分配 25 3 6 4 D A 单元输入输出特性 25 3 6 5 D A 单元的技术参数 25 3 6 6 D A 单元的编程方法 25 第 4 章 软件设计 31 哈尔滨工业大学成人教育学院本科毕业论文 设计 IV 4 1 系统中检测及控制开关 I 0 分配 31 4 2 流程图 32 第 5 章 结束语 39 致 谢 52 参考文献 53 哈尔滨工业大学成人教育学院本科毕业论文 设计 0 第一章 液粘技术在煤矿机械中的发展与应用 1 1 液粘技术的发展 液粘技术是国际上正在发展的新技术 液体粘性传动是利用液体的 粘性或油膜剪切作用来传递动力 简称液粘传动 也称油膜切剪传动 它是继液压 液力之后第三种以液体为工作介质的传动技术 在基本概 念和工作原理上与前两者都有着本质上的不同 并且在传动性能上具有 一系列的优点 已在冶金 石油 化工 发电 车辆 船舶等领域获得 了广泛应用 液粘传动技术具有很大的发展前途和应用价值 但目前在 煤矿生产中应用还较少 主要是引进国外设备 实际上 液粘传动的特 性与煤矿生产的特点相吻合 在煤矿机械方面有广阔前景 同时 由于 井下工作环境与地面的差异 又给液粘传动与煤矿机械的结合带来了相 应的问题 应尽快改变依靠引进国外设备的现状 研制开发自己的适用 产品 液粘调速系统在国外有一定规模的发展 但大部分为模拟控制 数 字控制系统以其高质量的控制精度及先进的控制技术 受到用户的青睐 但目前数字控制系统大多靠进口 价格昂贵 给企业带来经济负担 国 内企业己有在压风机 泵类负载方面的应用实例 节能效果较好 也均 为模拟控制 在绞车方面还没有应用 16 目前国内煤矿企业 井下绞车 大多采用交流绕线式异步电动机转子串电阻的调速方案 控制性能较差 效率低 维护量大 占地空间大 噪声大 且设备老化严重 远不能满 足安全生产规程的要求 急需改造更新 在目前国内煤矿企业大多不景 气 生产条件急需改善的情况下 成本低 性价比高且能适应恶劣环境 的调速系统的研制开发十分紧迫 这种形势下 能满足上述要求的 PLC 控制液粘调速系统 有很高的研制和开发价值 液粘调速装置可以实现平滑的无级调速 磨擦副在分离状态下 可 使工作机空载或轻载起动 起动电流大大降低 可使大惯量工作机缓慢 哈尔滨工业大学成人教育学院本科毕业论文 设计 1 加速 防止过载 调速反应灵敏 转速控制精度高 可实现手动或远程 控制 液粘调速装置配备 PLC 控制 将使绞车的运行特性 调速范围 节电效果等各项经济技术指标均优于旧系统 可编程控制器的应用己日 趋成熟 使高可靠性的数字控制系统在较低成本价格上实现 是井下绞 车更新换代的理想设备 7 12 1 2 液粘传动的性能特点 1 传动性能上 可无级调节所传递的转矩和输出转速 并且调速 的范围大 灵敏度高 传动性能不受主动轴旋转方向的影响 可以实现 无转速差的同步传动 传动效率为 100 理论 2 传热性能上 相对运动的传动件之间存有一层完整的油膜 没 有相互间的直接接触与直接摩擦 功率损耗发生在油膜里 所产生的热 量使油膜发热 通过油液强迫流动 实现的是直接冷却 3 控制性能上 属于机液复合系统 易于实现转速调节的遥控和 自动控制性能 采用闭环控制时 转速的稳定性高 4 使用性能上 噪声小 易于维护且费用低 由于油膜的存在 特征传动件无磨损或磨损很小 可以在有转速差的状态下长期工作 加 之冷却散热条件好 使用寿命长 8 1 3 液粘技术的注意问题 有关应用说明液粘传动 无论是单一式的还是复合式的 均适宜在 运行性能要求高 传动功能要求多的煤矿机械系统中应用 工程应用中 要注意液粘传动的技术关键 并考虑煤矿工作条件与环境上的特殊性 有关问题说明如下 1 核心结构 液粘传动装置看似与湿式摩擦离合器相同 但实际 上有本质性的差异 其油液首先是工作介质 其次才是润滑 故油液的 选择有特殊要求 摩擦片系液粘传动装置的核心零件 其端面几何结构 与尺寸关系到传动 润滑及传热特性 为了形成具有良好刚度的油膜 摩擦片上必须开设能产生动压的油槽 其形状不仅要易于加工 还应有 足够的过油能力 并与旋向相适应 2 设计计算 为了使理论设计与实际工况贴近 液粘传动的几何 与力学参数的计算 宜按液粘传动理论所提供的公式及有关限制要求进 行 设计计算中 应先建立计算模型并确定计算流程 一般需要经过反 复计算和调整才能获得较满意的结果 应当编程后上机完成 对于发热 问题突出的液粘制动器 其制动油液的流量不仅应与制动功率相匹配 哈尔滨工业大学成人教育学院本科毕业论文 设计 2 还须考虑摩擦片上的油槽给有效工作所带来的散热不均匀性 因此所需 的实际流量比制动功率所对应的流量要大得多 3 散热防爆 温度对油液的粘性影响很大 一般液粘传动是在有 转差的状况下运行的 油膜因剪切而发热 故需要有足够的流量和相应 的冷却措施 考虑到煤矿井下的实际情况 应尽可能不使用冷却器 省 去铺设冷却水专用管道 并避免冷却废水的随地自流给井下生产和环境 带来不便 可以采用多个小油箱串联 既能获得较大散热面积 又能利 用现场路边空间摆放 而无需专门开凿峒室 且便于井下搬运 为了加 快散热 应尽可能将油箱放置在风道 该系统研制成功后 可解决旧系统体积大 维护困难 效率低等一 系列问题 可采用笼型电机拖动 使系统静特性明显变硬 调速范围加 宽 节电达 30 仅东北地区就有上百台这样的绞车急需更换 以每台 4 万元的利润计算 有近 400 万元的经济效益可创造 该系统研制开发 后 可作为院校企业的理想产品 其市场前景非常乐观 14 1 4 液粘技术在煤矿机械中的应用 复合传动 节能调速和平稳制动 大运量 长距离向上运或平运带 式输送机对启动 功率平衡的性能要求较高 可以采用液粘技术 将液 粘制动器与减速器有机结合 在电机与滚筒之间实现具有多种功能的复 合传动该装置巧妙地利用径向尺寸较大的行星齿轮系 作为减速器与液 粘制动器之间的联系纽带 在外设液压 测控系统的配合下 通过改变 制动器的动 静摩擦片隙 可以无级调节其输出扭矩与转速 从而满足 电机空载启动 输送机稳速运行 匀加 减 速及停车 多级或多点驱 动的功率平衡等多种功能要求 与带式输送机的其它传动方式相比 该 复合式液粘传动的效率最高 是提高电动机 输送机及减速器的使用寿 命 减小对电网冲击的一种较为完善的传动方式 通风机是现代化煤矿的重要设备 一般服务年限很长 其选型是按 矿井所需的最大风量来确定的 矿井投产初期的产量小 巷道短 通风 阻力小 所需风量少 而随着采煤量的增大 巷道延伸 通风阻力变大 又需相应增大风量 因此 煤矿通风机要具有良好的调节性能 用调速 方法来调节风机的流量是节能的有效措施 对于离心式风机而言 其轴 功率与转速的三次方成正比 当流量减小 转速下降时 轴功率降低很 多 节电量相当可观 可以应用液粘技术 即在电机和风机之间增加一 个可实现无级调速的液粘调速离合器 它不仅能够代替阀门的调节作用 而且能够显著减少管路和阀门的压力损失 避免严重的电能浪费 在某 种情况下还能改善机组性能 大大提高整个通风系统的效率 在节能调 速方面 液粘调速离合器的综合性能优于调速型液力偶合器 它是煤矿 哈尔滨工业大学成人教育学院本科毕业论文 设计 3 通风机和其它需要调节流量机械的一种较好的技术选择 煤矿生产中运输机械的负荷一般都较大 属于大惯量运行设备 对 制动的性能要求较高 停车制动是此类设备技术上的关键问题 如大倾 角 长距离下运带式输送机 其工作中载荷是随机变化的 当制动力矩 为定值时 若按重载调定 轻载时由于制动力过大会引起滚料打滑 反 之 若按轻载调定 则重载时由于制动力小于下滑力 制动失效而导致 飞车 滚料 撞击等严重事故 因此其制动力矩必须能根据载荷大小而 进行调控 由于矿井工作环境的特殊性 制动器还必须具有良好的散热 性能 以满足防爆要求 此外 考虑到有时会突然发生停电事故 还要求制动器具备停电制 动的能力 液粘制动的性能特点与上述要求正相吻合 通过适当的结构 设计与系统配置 可以使大惯量煤矿机械运输设备实现平稳安全的停车 制动 10 11 哈尔滨工业大学成人教育学院本科毕业论文 设计 4 第二章 系统总体方案设计 2 1 系统设计要求 2 1 1 系统控制要求 1 矿井提升机的安全可靠性直接关系到全矿的生产和矿工的生命 安全 由于煤矿井下生产环境恶劣 运行工况复杂 各种操作频繁 因 此对提升机电控系统来说 除了能够满足各种复杂的控制要求外 更重 要的是其可靠性和安全保障 2 有很好的调速性能 能精确完成井下提升的运行过程 3 能重载起动 有一定的过载能力 4 工作方式转换容易 易于实现自动化 5 技术先进 维护简单 方便 在保证安全可靠运行前提下 控 制线路简洁明了 便于维修排除故障 6 尽量降低投资成本 减少运行费用 提高节电效果和经济效益 保证系统稳定可靠的长期运行 具有较长的工作寿命 2 1 2 系统控制速度图 系统速度控制如图 2 1 所示 开始时 在井口平车场空车线上的空 车串 由井口推车器以 a1加速至 v0 1 0m s 低速向下推进 同时 井底 重串车上提 全部重串车进入井筒后 绞车以 a2加速到最大提升速度 vm 并等速运行至井口 空串车到井底时 绞车以 a3减速 使之由 v 减至 vn空串车进入井底车场时 减速停车 这时 在井口平车场内的重 串车借惯性继续前进 当行至摘挂钩位置时 摘钩并挂空车 此时 井 下也摘挂钩完毕 打开井口空车线上的阻车器 进行下一个提升循环 a 系统最大提升速度 vm 5 0m s b 井下平车场平均速度 v0 1 0m s c 井下平车场加 减速度 a1 a4 0 3m s2 哈尔滨工业大学成人教育学院本科毕业论文 设计 5 d 井筒中主加 减速度 a2 a3 0 5m s2 图 2 1 提升速度图及循环时间计算表 2 1 3 系统硬件设计 哈尔滨工业大学成人教育学院本科毕业论文 设计 6 图 2 2 系统硬件组成 系统硬件构成如图 2 2 所示 液粘调速装置配备 PLC 控制器 可实 现全自动 手动及检修等几种操作方式 各种操作方式均由司机操作台 来控制 在全自动运行方式下 不需要司机操作 只要井底装载和井口 卸载完成 发出完成信号 提升机便会自动起车 通过初加速和井筒主 加速 进入等速运行 过减速点后 按给定速度图减速 停车 并完成 装载和卸载全过程 在手动控制和检修运行方式下 井口给出开车信号 后 由司机控制开车 停车及装 卸载过程仍由系统自动控制完成 PLC 内部设有自检功能 其故障输出接点直接进入安全回路 一旦 PLC 出现故障 安全回路便立即动作 实现安全制动 为操作及检修的方便 整个系统除设有各种运行状态的显示和铃声 外 所有故障均设有显示和报警 在 PLC 上增加了单个信号及接点的显 示 在 PLC 的输入和输出模块上 对应每个外部线路 都有相应的指示 通过指示灯可直接判断信号传输是否正常 1 2 2 可编程控制器 PLC 特点及选型 2 2 1 PLC 特点及应用 PLC 以其日趋成熟的技术和显著的特点 广泛应用于工业改造和工 业自动化控制中 已成当今自动化电气控制的主流 其主要特点有 1 编程容易 操作简单 目前 PLC 使用的语言主要有 梯形图语言适用于原来从事继电器逻辑控制设计的人员 这种语 言简单 直观 只要熟悉电气线路 很容易为现场操作 维修人员所掌 握 且编程方法简单 二次开发比一般计算机来得容易 布尔逻辑语言或功能图语言这种语言适用于熟悉布尔代数和硬件 逻辑设计的人员 汇编语言适用于熟悉并掌握计算机软件设计的人员 高级语言使 PLC 程序设计更加灵活 控制功能更加完善 相对传统的电气控制线路 PLC 为设计者和使用者提供了极其方面 的手段 大大提高了电气控制功能 缩短了控制设备的研制开发周期 2 体积小 功耗低 性价比高 由于 PLC 内部继电器只是数字逻辑运算 并不是真正有触点的继电 器 其动作稳定可靠 不需要维护 用 PLC 替代继电器 将大大减少继 电器接点 极大地提高电气设备运行的可靠性 对于一般矿井提升机来 说 采用一套中小容量的 PLC 就能满足控制要求 其价格亦相当低廉 随着 PLC 技术的日益完善 使工业控制器小巧 低功耗 低成本完全成 哈尔滨工业大学成人教育学院本科毕业论文 设计 7 为可能 3 可靠性高 抗干扰能力强 PLC 是充分考虑实际生产条件而设计出来的产品 它以微处理器为核心 结构简单紧凑 输入和输出回路均采用光电隔离 输入输出独立于控制 单元 且主机的输入电源和输出执行回路电源相互独立 抗干扰能力强 具有极高的可靠性和稳定性 实践表明 一般 PLC 产品 可抗 1KV lus 的窄脉的干扰 4 结构模块化 易于扩展和拆装 由于采用插件式结构和标准单元结构进行设计 用户可以根据需要 灵活地进行系统扩展 缩小或更换硬件模块数量 规模及连接方式 根 据需要可在很短的时间内设计和实现一个工业控制系统 使设计调试周 期大大缩短 采用模块化组合式结构 使系统构成十分灵活 可根据需 要任意组合 易于维修 易于实现分散式控制 5 故障率低 维护简单 PLC 内部一般不会出现故障 不需要维护 而其外围输入输出线路 由于 PLC 的参与 没有复杂的逻辑线路 只有简单的输入 输出线路 使控制系统变得非常简单明了 并且每条线路的当前工作状态在 PLC 都 有相应的指示 只要观察这些状态指示 就可知道哪条线路出现故障 6 通用性好 输出能力大 由于半导体在存储技术的引入 使得 PLC 在不同控制程序下实现不 同的控制目的 具有较强的通用性 PLC 输出接点功率较大 可直接驱 动中小继电器和各种控制阀 使控制设备外围器件数量大大减少 同时 也降低了故障率 7 控制功能逐渐增强 按照不同控制类型 PLC 具有如下控制功能 逻辑控制 这是 PLC 最基本的控制功能 可用以取代继电器控制 的电气线路和二极管矩阵式控制 如 机床 电梯 起重机 皮带运输 机等电器控制 模拟量控制 在工业生产过程中 有许多连续变化的量 如温度 压力 流量 液位和速度等都是模拟量 而 PLC 中所处理的是数字量 为了能接受模拟量输入和输出模拟量信号 PLC 中配置有 A D 和 D A 转 换模块 将现场需控制的模拟量通过 A D 转换为数字量 经微处理器进 行运算处理 再通过 D A 转换后 变成模拟量去控制被控对象 这样就 实现了 PLC 对模拟量的控制 闭环过程控制 运用 PLC 不仅可以对模拟量进行开环控制 而且 可以进行闭环控制 现代大中型的 PLC 一般都配备了专门的 PID 控制模 块 当控制过程中某一变量出现偏差时 PLC 就按照 PID 算法去调节控 制过程 把变量保持在某一整定值 PLC 的 PID 的控制已广泛应用于加 哈尔滨工业大学成人教育学院本科毕业论文 设计 8 热炉 锅炉 反应堆 酿酒以及位置和速度等控制中 定时控制 PLC 具有定时控制的功能 它可以为用户提供几十甚至 上百个定时器 其计时的时间要以由用户在编写程序时设定 也可以由 操作人员在现场通过编程器进行设定 实现定时或延时的控制 计数控制 计数控制也是不可缺少的 PLC 为用户提供了几十甚至 上百个计数器 设定方式同定时器 用户可通过选择高速计数器对高频 信号进行计数 顺序 步进 控制 在工业控制中 采用 PLC 实现顺序控制 要以 用移位寄存器和步进指令编写程序 也可以采用工 EC 规定的用于顺序 控制的标准化语言一一顺序功能图编写程序 使得 PLC 在实现按照事件 或输入状态的顺序 控制相应输出更加容易 数据处理 现代 PLC 都具有数据处理功能 它不仅能进行算术运 算 数据传送 而且还能进行数据比较 数据转换 数据显示和打印以 及数据通信等 对于大 中型 PLC 还可以进行浮点运算 函数运算等 通信和联网 PLC 的控制从早期的单元机控制发展到多机控制 实 现了工厂自动化 这是由于现代 PLC 一般具有通信的功能 可以对远程 I 0 进行控制 实现 PLC 与 PLC PLC 与计算机之间的通信 从而方便 可靠地搭成 集中管理 分散控制 分布式控制系统 因此 PLC 是实现 工业自动化的理想工业控制器 15 2 2 2 可编程控制器的选型 在本系统中 控制单元除具有一般功能的 CPU 单元外 还具有用 BAS 工 C 语言编程 进行 PID 处理等特殊功能的 CPU 单元 FP3 机型 I 0 分配采用自由编止方式 为用户提供灵活便利的使用条件 其编止方式 可通过两种方式来实现 一种是根据各单元在底板上插放的位置确定该 单元所用点的地址 另一种是使用编程工具设定各单元的地址 FP3 机 型采用模块化结构设计 具有如下突出优点 1 组装灵活 可以根据生产需要随时更换或扩充 使整个系统更 快地适应产品更新换代的要求 2 维修方便 出现故障时 只需更换部分芯片或功能模块即可 使停机修理的时间和费用降至最低限度 3 对各种功能的模块可以根据需要进行生产 随时改进其设计 不 断完善 有利于提高质量 降低成本 3 哈尔滨工业大学成人教育学院本科毕业论文 设计 9 2 3 液粘调速离合器 2 3 1 结构及工作原理 调速离合器产品是根据流体力学中关于液体粘性定义及牛顿内磨擦 定律理论而研制的新型传动装置 它由主机和液压系统两大部分组成 调速离合器的主机由主动部分 被动部分和加压分离部分等构成 主动部分包括主动轴和主动磨擦片 它们以花键相联 并可作轴向自由 滑动 被动部分包括被动轴 被动盘 被动鼓 被动磨擦片和支承盘 除被动片外 其余零件分别用平键和螺栓连接成刚体 被动片和被动鼓 以花键相连并可在被动鼓上作轴向自动移动 主动片与主动轴同步旋转 被动片与被动轴同步旋转 加压分离部分包括油缸 活塞 回位弹簧 压盘等 在主动轴和被动轴的轴向径向均钻有油孔 分别通往润滑油腔 和工作油腔 液压系统分润滑油系统和控制供油系统两部分 如图 2 3 在离合器主机中 主被动磨擦片之间始终保持一层完整的油膜 原 动机动力经主动轴上花键传到主动片 通过磨擦副的液体粘性和油膜剪 切力作用将动传给被动片 再传给被动鼓 最后经被动轴带动负载工作 哈尔滨工业大学成人教育学院本科毕业论文 设计 10 图 2 3 液压系统原理图 1 润滑油箱 2 粗滤油器 3 润滑油泵 4 电机 5 换热器 6 压力继电 器 7 电接点温度计 8 润滑油压力表 9 电机 10 精滤油器 11 控制 油泵 12 控制油压力表 13 二位二通电磁阀 14 电液比例溢流阀 15 电子控制器 16 控制油箱 润滑供油系统是向磨擦副连续供油的装置 使磨擦片之间不断产生 新的油膜 同时将滑差损失产生的热量经换热器以循环方式很快被带走 使调速离合器能在滑差情况下保持持久工作 控制供油系统由电液比例溢流阀来调节控制油压 该油压经控制油 入口进入油缸 推动活塞 对磨擦副施加不同压力来改变主 被动片间 的油膜厚度 从而实现对输出轴转速的调节 以满足工作机的变速要求 2 3 2 性能特点 调速离合器具有以下性能 可以平稳地无级调速 磨擦副在分离状 态下 可使工作机空载或轻载起动 降低起动电流 可使大惯量工作机 缓慢加速 防止过载 调速反应灵敏 转速控制精度高 可以实现无转 差损失的直接起动 控制系统简单适用 可实现手动或远程控制 也可 视用户需要配备自动控制系统 运行平稳可靠 操作简单 安装维护方 便 本机备有应急锁定装置 当控制系统发生意外故障时 该装置使本 机实现 1 1 的直接传动 因此而增大安全保险系数 哈尔滨工业大学成人教育学院本科毕业论文 设计 11 第三章 可编程控制器各单元工作方式与参数整 定 3 1 CPU 单元 在 FP3 机的 CPU 单元中 采用的是 16 位微处理器芯片 该单元技 术性能如表 3 1 所示 FP3 机继电器 寄存器分配如表 3 2 所示 表 3 1 FP3 CPU 单元技术性能表 哈尔滨工业大学成人教育学院本科毕业论文 设计 13 哈尔滨工业大学成人教育学院本科毕业论文 设计 14 3 2 脉冲输出单元 3 2 1 参数的脉冲化分类 参数的脉冲化分为 距离的脉冲化 速度的脉冲化和加速度的脉冲 化 1 距离的脉冲化 主要的原始材料 井筒斜长 L1 498m 井口车场的长度 L2 30m 井底车场的长度 L3 30m 提升机滚筒直径 D 2 5m 2 速度的脉冲化 将速度值转化成脉冲为 由初值可知道 f0 0 f1 255 f2 1275 f3 f1 255 f4 f0 0 3 加速度的脉冲变化 可以通过脉冲输出单元的 Y23 进行脉冲输出频率的切换控制 Y23 OFF 时输出为低档 当 Y23 ON 时为高档 3 2 2 脉冲单元面板上主要端子的功能 1 DELAY 延时时间设定调节螺钉 当进行高 低档频率切换时 可设定切换延时时间 该时间在 100 500ms 之间 2 F MIN 和 F MAX 高 低档频率细调调节螺钉 3 C P C P 经过值 预置值比较输出端 C 为经过值 P 为预置 值 当 C P 时和 C P 时相应的端子输出为高电平 4 RST 脉冲单元复位输入端 该输入端开关接通时 脉冲单元复 位 即停止输出脉冲 并将经过值和预置值寄存器清零 5 P CNT 脉冲频率控制输入端 当该端输入高电平时 脉冲频率 切换为高档 反之切换为低档 6 OUT0 和 OUT1 脉冲输出端 7 ZERO 和 SUB 原点到位信号输入端和近原点到位信号输入端 8 输入 输出工作指示灯 工作方式选择 DIP 开关 4 哈尔滨工业大学成人教育学院本科毕业论文 设计 15 3 2 3 脉冲单元工作方式选择开关的设置 表 3 2 脉冲单元方式选择开关 ONOFF SW1 输出保持方式One shot 输出方式 SW2 中断使能中断不使能 SW3C PC 0 SW4 单脉冲输出方式双脉冲输出方式 SW5 SW8未用 SW1 OFF 状态使之处于 One shot 输出方式 SW2 ON 状态使之处于中 断使能 SW3 取 ON 状态使之处于 C P 方式 SW4 取 ON 状态使之处于单脉冲 输出方式 3 2 4 脉冲单元共享存储器的内容设置 表 3 3 脉冲单元共享存储器表 读数据写数据 K0 经过值 低 16 位 初始值 低 16 位 K1 经过值 高 8 位带符号数 初始值 高 8 位带符号数 K2 不能读预置值 低 16 位 K3 不能读预置值 高 8 位带符号数 1 号脉冲单元 K0 可以读经过值 写初始值此处为 0 K2 只能写预 置值本系统取为 134522 2 号脉冲单元 K0 可以读经过值 写初始值此处为 0 K2 只能写预 置值本系统设为 255 后可经过程序修改 6 3 2 5 I O 安装位置及 I O 分配 本系统 1 号脉冲单元安装在 0 号槽 2 号脉冲单元安装在 1 号槽 表 3 4 脉冲单元分配表 1 号脉冲单元 输入说明输出说明 X0 C P 标志位 Y5 紧急停车输出控制 X1 C P 标志位 Y6 脉冲输出开始 哈尔滨工业大学成人教育学院本科毕业论文 设计 16 X2 上 下溢出标志位 Y7 正 反转输出控制 X3 未用 Y8 脉冲输出频率控制 X4 原点返回操作标志位 Y9 原点返回操作控制 表 3 5 脉冲单元分配表 2 号脉冲单元 输入说明输出说明 X10 C P 标志位 Y15 紧急停车输出控制 X11 C P 标志位 Y16 脉冲输出开始 X12 上 下溢出标志位 Y17 正 反转输出控制 X13 未用 Y18 脉冲输出频率控制 X14 原点返回操作标志位 Y19 原点返回操作控制 表中说明 1 表中 C 和 P 的意义是 C 表示经过值 P 表示预置值 C P 时 X0 为 ON C P 时 X1 为 ON 2 X2 是溢出标志位 当发生溢出时 X2 为 ON 脉冲单元中有经过 值计数器和预置值计数器 二者最大计数范围为 16777216 16777215 当超过此范围时发生溢出 13 3 2 6 脉冲单元在本系统中的工作过程 1 号脉冲单元 首先向 CPU 单元的数据区送入脉冲单元的初始值和 预置值 均为十进制表示的脉冲数 即为脉冲单元的初始化作准备 接 下来是脉冲单元的初始化 即将初始值和预置值写入脉冲单元的共享存 储器中 当有提升信号时 起动按钮按下同时 其上升沿接通 Y6 后 1 号脉冲单元开始有脉冲输出 该脉冲送入高速计数器 HSC 的 X0 端 使 高速计数器 HSC 按所设定的参数表进行工作 2 号脉冲单元 首先向 CPU 单元的数据区送入脉冲单元的初始值和 预置值 均为十进制表示的脉冲数 即为脉冲单元的初始化作准备 接 下来是脉冲单元的初始化 即将初始值和预置值写入脉冲单元的共享存 储器中 当有提升信号时 起动按钮按下同时 其上升沿接通 Y16 后 2 号脉冲单元开始按所选的频率进行脉冲输出并及时进行频率的切换 该脉冲送入高速计数板的输入端 使高速计数板按所设定的参数进行工 作 哈尔滨工业大学成人教育学院本科毕业论文 设计 17 3 3 高速计数单元的设置与整定 3 3 1 方案的选择及比较 在 FP3 型 PLC 中 有两种高速计数单元 一种是在主板上的高速计 数器 一种就是高速计数板 二者在使用上有较大的差别 本系统中采用了一个高速计数器和一个高速计数板 其中 HSC 在波 形输出控制方式中用 F164 SPDO 指令根据高速计数器的经过值控制输 出波形 ON OFF 以实现速度的及时切换 高速计数板采用两相独立输入 方式 INA0 为加计数 INB1 为减计数 且用 F1 DMV 指令将 DT9108 和 DT9109 中的经过值时时拷贝到 PID 单元中的给定值寄存器 DT100 中 作 为速度的给定 6 表 3 6 高速计数器和高速计数板性能对照表 项目高速计数器高速计数板 通道数 12 计数速度一相 10KHZ 两相 10KHZ 一相 20KHZ 两相 四时 5KHZ 目标值设定数不限每通道 2 个 输入方式4 种3 种 输入点数3 点 X0 X1 和 X2 10 点 输出点数不限每通道 2 点 编程使用特殊指令 F162 F165 编程 实现各种功能 如速度控制 输出波形控制 输出通断控制 等 不使用特殊指令 而是利用经 过值与目标值相等作为输出控 制条件 使输出通或断 来实 现外部控制 3 3 2 高速计数器的设置 1 脉冲的输入方式 两路输入继电器 2 最高计数频率 5KHZo 3 计数范围 8388608 v 83886070 4 工作方式 加计数 减计数 5 占用 I 0 端子 X0 X1 是脉冲输入端 X2 是复位端 也可以由 外部复位开关使 HSC 复位 6 占用内部寄存器 HSC 的经过值存放于 DT9044 和 T9045 中 目标 值存放于 DT9046 和 DT9047 中 DT9044 和 DT9046 存放 16 位 DT9045 哈尔滨工业大学成人教育学院本科毕业论文 设计 18 和 DT9047 存放高 16 位 特殊继电器 R903A 规定为 HSC 的标志寄存器 当 HSC 计数时该继电器 ON 停止计数时为 OFF 7 HSC 的软件复位 用 FOMV H8 DT9052 指令 8 高速计数器所用到的指令 F0 MV 控制高速计数器 F1 DMV 读出或修改高速计数器的经过值 F162 HCOS 将一个外部继电器规定为高速计数器的输出 当高 速计数器的经过值与规定目标值一致时 则规定的外部输出继电器接通 并保持 F163 HCOR 规定一个外部继电器为高速计数器的输出 当高速 计数器的经过值与规定目标值一致时 则规定的外部输出继电器断开 F164 SPDO 根据高速计数器的经过值确定输出的控制条件 可 用于两种类型的输出控制 即脉冲输出控制方式和波形输出控制方式 本系统采用是后一种 3 3 3 用 F164 SPDO 指令实现位置控制的方式 本系统中 HSC 的 XO 端接收 1 号脉冲单元发出的脉冲按表 3 7 参数 表所设方式工作以实现速度及位置的及时控制 表 3 7 Pattern 参数表 DT300H47 设定四档七点控制方式 DT301H1 初始波形 Y4Y3Y2Y1 00001 DT302 DT303K420 M1 井底车场初加速段对应的脉冲数 DT304H2 二档波形 Y4Y3Y2Y1 00010 DT305 DT306K7643 M2 井底车场等速段对应的脉冲数 DT307H3 三档波形 Y4Y3Y2Y1 00100 DT308 DT309K13758 M3 井筒加速段对应的脉冲数 DT310H4 四档波形 Y4Y3Y2Y1 01000 DT311 DT312K120764 M4 井筒等速段对应的脉冲数 DT313H3 三档波形 Y4Y3Y2Y1 00100 DT314 DT315K126879 M5 井筒减速段对应的脉冲数 DT316H2 二档波形 Y4Y3Y2Y1 00010 DT317 DT318K134102 M6 井筒等速段对应的脉冲数 DT319H1 初始波形 Y4Y3Y2Y1 00001 DT320 DT321K134522 M7 井筒减速段对应的脉冲数 DT322H5 结束波形 Y4Y3Y2Y1 10000 当有提升信号时 PLC 进行 pattern 工作方式 按参数表设定值整 哈尔滨工业大学成人教育学院本科毕业论文 设计 19 个过程分七段 其输出点 Y0 Y1 Y2 Y3 作为速度切换的控制信号而 Y4 是停车信号 按参数表初始波形输出 0OOO1H 即 YO 为高电平而 Y4 Y3 Y2 Y1 为低电平 此时电机转速较低 进行的是井底平车场的初加 速运行 当电机转速达到目标值 M1 时 输出切换为 OOOIOH 此时 Y4 Y3 Y2 YO 为低电平 Y1 为高电平 进行的是井底平车场的等速运行 当电机转速达到目标值 M2 时 输出切换为 00100H 此时 Y4 Y3 Y1 YO 为低电平 Y2 为高电平 进行的是井筒加速运行 当电机转速达到 目标值 M3 时 输出切换为 O1000H 此时 Y4 Y2 Y1 YO 为低电平 Y3 为高电平 进行的是井筒等速运行 当电机转速达到目标值 M4 时 输 出再一次切换为 OOl00H 此时 Y4 Y3 Y1 YO 为低电平 Y2 为高电平 进行的是井筒减速运行 当电机转速达到目标值 M5 时 输出再一次切 换为 OOOlOH 此时 Y4 Y3 Y2 YO 为低电平 Y1 为高电平 进行的是 井口平车场等速运行 当电机转速达到目标值 M6 时 输出再一次切换 为 0OOO1H 此时 Y4 Y3 Y2 Y1 为低电平 YO 为高电平 进行的是井 口平车场减速运行 当电机转速达到目标值 M7 时 输出切换为 10000H 此时 Y3 Y2 Y1 YO 为低电平 Y9 为高电平 此时停车 3 3 4 高速计数板的设置与整定 1 输入方式 两相独立输入方式 INA 为加计数 INB 为减计数 2 计数范围 8388608 8388608 3 计数速度 两相输入 5KHz 4 通道 选择 CHO 通道 和 CH1 通道 5 高速计数板占用的内部寄存器如表 3 7 表 3 8 特殊寄存器表 寄存器名用途 DT9104 DT9105目标值 0 寄存器 DT9106 DT9107目标值 1 寄存器 DT9108 DT9109经过值寄存器 CH0 DT9110 DT9111捕捉值寄存器 DT9112 DT9113目标值 0 寄存器 DT9114 DT9115目标值 1 寄存器 DT9116 DT9117经过值寄存器 CH1 DT9118 DT9119捕捉值寄存器 DT9120 控制字寄存器 DT9121 状态监视寄存器 哈尔滨工业大学成人教育学院本科毕业论文 设计 20 3 3 5 手动方式时速度的给定 当选择手动方式 用自整角机作为主令设备 司机通过前推或后拉 主令控制手柄带动自整角机转动 发出主令控制信号 用于速度给定 它是工作于变压器状态 自整角机激磁绕组送入恒定的交流电压 U1 时 从自整角机的两个相绕组取出电压 U2 这两个相绕组可用等值绕组代替 它与激磁绕组轴线的位置角为 当激磁绕组轴线与同步绕组的等值绕 组相重合时 输出的电压 U2m 为最大 当 90 时 此时输出电压为 零 当转过 180 时 轴线再次重合 但输出电压为最大负值 自整角 机的单向联接 根据转子不同位置角 得到不用的信号电压 自动实现 速度给定 取 0 10 V 的自整角机输出电压 经 PLC 中 A D 转换成数字 量 就是对应 0 vm 手动给定的速度值 3 4 PID 单元的设置与整定 PID 调节是过程控制系统中最常用的控制算法之一 PID 控制分模拟 和数字两种类型 数字 PID 调节器是由模拟 PID 调节器发展而来的 其 控制算法是按给定值与实际值之间偏差的比例 积分 微分控制的 其 参数可以在现场在线整定 由于软件设计的灵活性 一般能得到满意的 效果 由于可编程控制器运行速度的提高 运算能力的增强 因此 PLC 都 可用于数字 PID 控制 FP3 型 PLC 配有用于数字 PID 控制的功能单元来 实现的 只需用 F355 PID DTXX 指令调用 并填入参数表即可 DTXX 规定 PID 算法的首存储区地址 XX 可在数据存储区随机设定 表 3 9 PID 参数的设置表 S Control mode S 1 Set value SP S 2 Measured value pv S 3 Output value mv S 4 Output lower limit S 5 Output upper limit S 6 Proportional gain KP S 7 Iaegral time Ti S 8 Derivative time TD S 9 Control cycle Ts S 10 Auto tuning progress S 11 以下为 PID 运算区 哈尔滨工业大学成人教育学院本科毕业论文 设计 21 S 12 29 PID EORK AREA 设置说明 1 控制模式选择 S 选择 PID 数据处理类型及以恒定的 H 自动开 关 本系统 S 取 H8000 即 微分型 正向运行 执行时自动转 换的模式 微分型 PID 与积分型 PID 设定值改变时 输出值也改变 微分型 一般情况下 当设定值改 变时 执行过程会有很大的改变 但周期阻尼振荡快 比例 微分型 一般情况下 当设定值改变时 执行过程会有不大的改变 但周期阻尼 振荡慢 反向运行和正向运行 这些参数决定当程序有变化时输出量增大还是减小 反向运行 如 查测量过程值减小 则输出将增大 正向运行 如查测量过程值增大 则输出也增大 自动转换 PID 参数 Kp Ti Td 的最佳值可由测量程序测量反 馈 当执行自动转换时 估计值在自动转换完成后反回 2 给定值 SP S 1 设定决定过程量的目标值 在以下范 围内 K0 K10000 本系统速度调节器的目标值分别由高速计数板的经 过值寄存器 DT9108 DT9109 和 DT9116 DT9117 通过 F1 DMV 指令进行 实时传送 而电流调节器的目标值是由速度调节器的输出值作为给定值 3 反馈值 PR S 2 用 A D 转换器或光电码盘测量值作为 当前过程控制值 调节使其在以下范围内 K0 K10000 本系统速度调 节器的反馈值是由光电码盘测量值送到高速计数板的经过值寄存器 DT9110 DT9111 通过 F1 DMV 指令进行实时传送作为当前过程控制值 而电流调节器的反馈值是由 A D 转换器转换后的值作为当前过程控制值 4 输出值 MV S 3 储存 PID 处理结果 使用 D A 转换 器或其它设备将该结果输出到程序中去 范围是 KO Kl 0000 本系 统速度调节器的输出值用传送指令传到电流调节器的给定值寄存器 DT200 中 而将电流调节器的输出值使用 D A 转换器转换后去调节电液 比例溢流阀的电流进而起到调速的目的 5 输出较低极限值 S 4 范围是 KO K10000 本系统取 为零 6 比例增益 KP S 6 规定 PID 处理使用的系数 设定 值 X 0 1 即为实际比例增益 设定范围是 K1 K9999 本系统取 210 由于系统选择自动转换模式则设定值自动调整并重写 7 积分时间 S 7 规定 PID 处理使用的系数 设定值 X0 1 哈尔滨工业大学成人教育学院本科毕业论文 设计 22 即为实际积分时间 设定范围是 K1 K30000 规定增量为 0 1 秒 当设定值为零时积分不执行 由于系统选择自动转换模式则设定值自动 调整并重写 8 微分时间 S 8 规定 PID 处理使用的系数 设定值 X 0 1 即为实际微分时间 设定范范围是 K0 K10000 围是 K1 K1000 规定增量为 0 1 秒 由于系统选择自动转换模式则设