矿井提升机行程监控系统的设计与实现.doc

中国矿业大学本科生毕业设计中 国 矿 业 大 学本科生毕业设计姓 名： 曹勇 学 号： 04081733 学 院： 信息与电气工程学院 专 业： 信息工程 设计题目： 矿井提升机的行程监控系统的设计与实现 专 题： 指导教师： 胡延军 职 称： 副教授 2012 年 6 月 徐州中国矿业大学毕业设计任务书学院 信电学院 专业年级 信息08-3班 学生姓名 曹勇 任务下达日期： 年 月 日毕业设计日期： 年 月 日至 年 月 日毕业设计题目：矿井提升机的行程监控系统的设计与实现毕业设计专题题目：毕业设计主要内容和要求：院长签字： 指导教师签字：中国矿业大学毕业设计指导教师评阅书指导教师评语（基础理论及基本技能的掌握；独立解决实际问题的能力；研究内容的理论依据和技术方法；取得的主要成果及创新点；工作态度及工作量；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 指导教师签字： 年 月 日中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 评阅教师签字： 年 月 日中国矿业大学毕业设计答辩及综合成绩答 辩 情 况提 出 问 题回 答 问 题正 确基本正确有一般性错误有原则性错误没有回答答辩委员会评语及建议成绩：答辩委员会主任签字： 年 月 日学院领导小组综合评定成绩：学院领导小组负责人： 年 月 日摘 要矿井提升机是矿井运输的重要设备，是沟通矿井上下的纽带。矿井提升机的可靠运行直接关系到煤矿生产的安全，矿井提升机信号系统的可靠性和准确性是矿井提升和安全运输的重要保证。本设计主要完成的是矿井提升机行程系统的设计和监控。设计中运用PLC控制技术，PLC系统采用西门子公司的S7-300系列作为主控制器，对井口、井底、机房信号台进行信号联络。系统的设计采用STEP7软件完成，在进行程序设计时，利用PLC编程软件STEP7的模块化设计功能，先对提升机的行程控制部分编写功能块FC，再对加速段和减速段分别编写功能块FC，最后统一由组织块OB调用，这样一来，程序易于编写、调试和修改，且可读性好。在完成速度给定的情况下，在STEP7 ONLINE的条件下得到理想的S曲线。采用PLC控制不但提高了信号传输的可靠性和准确性，而且具有极大的灵活性和扩展性。在不改变系统硬件的前提下仅靠改变PLC内部的程序就可满足用户要求，有效地解决了信号系统中的远距离传输和可靠性问题。关键词：矿井提升机行程监控；PLC；STEP7ABSTRACTMine hoist is the important equipment of mine transportation. It is supposed to be the link that connects various parts of the mine. The mine hoist operating reliably is directly related to the safety of coal mine production, and the reliability and accuracy of the signal system are the important assure of the mine lifting and transportation safety.This design is completed the design and monitoring of the mine hoist travel system. The PLC system uses the Siemenss PLC 300 series as the main controller, which makes the signal contact among the wellhead, the bottom of the well and the room signal station. This design will achieve the upper monitoring function by the application of the STEP 7.I implement the connection of the signal by the application of the programmming software. The use of the PLC technology not only improves the reliability and accuracy of the signal transmission ,but also improves its flexibility and expansibility. I can meet the needs of the users by just adjusting the internal procedures of the system under the premise of not changing the system hardware. It effectively address the long-distance transmission and reliability issues in the signaling system.Since the transformation of the whole control system was completed and put into use, it run smooth and safe and the energy-saving effect is very significant. The system is not only a driving force of level of modern equipment of the industry of the mining hoisting system, but it produces a significant economic effect and greatly improved the production efficiency of the coal mines.Keywords：Mine hoist monitoring system; PLC; STEP 7目 录摘 要6ABSTRACT71 绪论101.1课题的研究背景101.2课内外研究概况101.3论文结构122 矿井提升机简介122.1矿井提升机说明122.2 矿井提升机的组成122.3 提升机的分类132.3.1缠绕式提升机132.3.2摩擦式提升机142.3.3多绳矿井提升机142.4提升机行程控制的基本原理153 PLC的简介与选型153.1PLC的功能和特点163.1.1PLC的功能163.1.2PLC的特点173.2PLC常用模块简介173.2.1通用I/O模块173.2.2其它功能I/O模块简介183.3PLC编程语言184 提升机的行程控制系统214.1PLC系统软件概述214.2提升行程PLC控制器硬件构成214.3控制系统在STEP 7上的编程步骤234.4控制系统的软件设计234.5主要程序的设计274.5.1提人方式274.5.2松闸条件274.5.3提升信号284.5.4开车信号284.5.5安全回路正常294.5.6在OB35中调用功能FC56294.6行程控制器功能实现294.6.1自动生成S型速度曲线294.6.2故障保护功能的实现304.6.3行程和速度显示315 控制系统的场内调试325.1上电调试前的检查325.2 带电调试335.2.1调试程序前的准备335.2.2调试程序345.3 S曲线的实现376 总结38参考文献39中文译文40致 谢41翻译部分致 谢1 绪论1.1课题的研究背景矿井提升机是最重要的矿山设备之一，它肩负着井上、井下联系的重要任务，在整个矿井中占有非常重要的地位。其安全性能的优劣，不但直接影响着全矿生产的正常进行，而且还与矿工的生命安全紧紧地联系在一起。因此，在提升机的各类性能中提升机的安全和对它的监控一直是人们所关注的焦点。它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、制动不断转换的状态中1-3。提升机的安全运行、可靠性是至关重要的，尤其是作为运送人员的副井，一旦发生故障，就会造成机毁人亡，因此，提高副井提升机的性能，提高其自动化水平4,5，使其安全性、可靠性达到一个新的高度势在必行。矿井提升机启动频繁，负荷变化大，运行速度要求严格，这就必须配备良好性能的控制设备和保护装置。在接触器控制系统中，电阻的切除由时间继电器控制，而时间继电器计时时，往往不能做到十分准确，即有一定的范围误差。这种控制受外界干扰大，接触器、继电器磨损快，易产生火花，给提升机的运行带来了很多困难。另外还需解决对提升机机械设备故障的及早检测和报警。随着技术的进步，在矿山生产中现代化技术，尤其是电子技术的大量采用，以及对人的价值的更加重视，对矿井提升机，特别是对电控系统的安全可靠性，就提出了更高的要求，这已是现代提升机电控系统设计原则中最为重要的内容。在现代提升机电控系统中，目前工业控制用计算机可编程序控制器（PLC）已成功地实现了提升工艺控制外，特别是成功的将其用于安全可靠性要求很高的监视和保护回路中。应该指出的是，由于PLC功能的多样性，在用其构成控制、监视保护系统时，可以很方便地实现各种以前用继电器等元件无法实现的功能，使控制、维护性能有了质的飞跃。如今PLC软件能实现提升机提煤、验绳、检修、调平、紧急开车、手动、半自动、全自动等不同速度工作方式的控制要求。1.2课内外研究概况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企业或国家的传动控制技术水平6，因此世界各大公司纷纷将新的、成熟的技术应用于提升机电控系统。可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。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，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，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。总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。随着微电子技术及计算机技术的迅速发展，国际上主要采煤国的矿井提升机控制技术也得到迅速发展。下面就国内外计算机控制在矿机提升机中的应用情况作一介绍。从70年代开始，随着微机技术的发展，微机控制技术己逐步应用于矿井提升机中。目前，国外己达到相当成熟的阶段7，使整个拖动控制产生一次变革。其应用主要体现在以下几方面:1）提升工艺过程微机控制在交流变频装置中，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8，要保证提升容器在预定地点准确停车，要求准确度高，目前可达到1cm。采用微机控制，可通过采集各种传感信号，如编码器脉冲变换、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。在罐笼提升时可实现无爬行提升，大大提高了提升能力。如SEMENS， ABB， AEG等公司已采用32位微机来构成行程给定器。除此之外还提供性能不尽相同的机械行程控制器。一般过程控制用微机作监视，行程控制也采用单独微机完成，从而提高了系统的可靠性。3）提升过程监视由于近代提升机控制系统的设计特别强调安全可靠性，所以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9,10。提升过程采用微机主要完成如下参数的监视:a.提升过程中各工况参数(如速度、电流)监视；b.各主要设备运行状态监视；c.各传感器(如位置开关、停车开关)信号的监视。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。与国际先进水平相比，我国八十年代初期至九十年代初期使用的提升电控系统总体技术水平有一定的差距，同时也明显地不能完全适应煤矿安全生产和现代化建设的需要为此，近年来国家煤炭行业主管部门和许多科研、院校及生产企业的工程技术人员作了大量的技术改造及技术开发工作，并取得明显效果。主要表现在：推广应用动力制动、低频制动、二级制动，恒减速制动，以改善拖动控制性能特别是减速段、爬行段的拖动控制性能；研制及推广后备保护、井口闭环装置等，以改善安全可靠性能；开发出全数字交交变频低频电源；开发并实际大量应用直流拖动系统；研制出一批PLC定型电控及信号产品及全数字的电控装置。目前，已经有大量全数字的电控系统成功应用在国内的矿井提升中。从整体来看，我国自产电气控制装置的水平国际先进水平相比大约落后10年到20年。具体分析一下，我们在控制软件设计和控制理论应用上都有一定的基础，能力并不很弱，在理论研究的某些方面还有领先的成就，计算机和控制装置硬件是我们的主要薄弱环节。总的来说，我国近年来开展的对提升机数字电控系统的研究11，采用了先进的控制设备和控制策略，无论在驱动方式上还是在控制技术上都取得了长足进展，取得了很大成绩。特别是由中国矿业大学正在研发的三电平调速系统，已经达到国际先进水平。1.3论文结构基于上述背景，依据煤矿安全规程的技术要求。本课题在深入研究矿井提升机运行的基础上，借鉴国内外研究成果，采用西门子公司的STEP 7开发平台，运用PLC的可编程完成了矿井提升机数字监控的研究，该系统在厂内调试试验并应用，主要讨论了：1. 分析PLC在矿井提升机监控系统的工作原理和运用。2. 运用西门子公司的STEP 7开发平台进行程序编程，并完成对PLC的控制。3. 在特许的模式内完成速度保护试验，进行提升机控制系统厂内调试。2 矿井提升机简介2.1矿井提升机说明是一种大型提升机械设备。由电机带动机械设备，以带动钢丝绳从而带动容器在井筒中升降，完成输送任务。矿井提升机是由原始的提水工具逐步发展演变而来12。现代的矿井提升机提升量大，速度高，安全性高，已发展成为电子计算机控制的全自动重型矿山机械。 2.2 矿井提升机的组成矿井提升机13,14主要由电动机、减速器、卷筒（或摩擦轮）、制动系统、深度指示系统、测速限速系统和操纵系统等组成，采用交流或直流电机驱动。按提升钢丝绳的工作原理分缠绕式矿井提升机和摩擦式矿井提升机。缠绕式矿井提升机有单卷筒和双卷筒两种，钢丝绳在卷筒上的缠绕方式与一般绞车类似。单筒大多只有一根钢丝绳，连接一个容器。双筒的每个卷筒各配一根钢丝绳，连接两个容器，运转时一个容器上升，另一个容器下降。缠绕式矿井提升机大多用于年产量在120万吨以下、井深小于400米的矿井中。摩擦式矿井提升机的提升绳搭挂在摩擦轮上，利用与摩擦轮衬垫的摩擦力使容器上升。提升绳的两端各连接一个容器，或一端连接容器，另一端连接平衡重。摩擦式矿井提升机根据布置方式分为塔式摩擦式矿井提升机（机房设在井筒顶部塔架上）和落地摩擦式矿井提升机（机房直接设在地面上）两种。按提升绳的数量又分为单绳摩擦式矿井提升机和多绳摩擦式矿井提升机。后者的优点是：可采用较细的钢丝绳和直径较小的摩擦轮，从而机组尺寸小，便于制造；速度高、提升能力大、安全性好。年产120万吨以上、井深小于2100米的竖井大多采用这种提升机。 2.3 提升机的分类联系矿井井下和地面的工作机械。用钢丝绳带动容器在井筒中升降，完成运输任务。按工作方式分类如下：2.3.1缠绕式提升机单绳缠绕式提升机 根据卷筒数目可分为单卷筒和双卷筒两种：单卷筒提升机，一般作单钩提升。钢丝绳的一端固定在卷筒上，另一端绕过天轮与提升容器相连；卷筒转动时，钢丝绳向卷筒上缠绕或放出，带动提升容器升降。双卷筒提升机，作双钩提升。两根钢丝绳各固定在一个卷筒上,分别从卷筒上、下方引出,卷筒转动时，一个提升容器上升，另一个容器下降。缠绕式提升机按卷筒的外形又分为等直径提升机和变直径提升机两种。等直径卷筒的结构简单，制造容易，价格低，得到普遍应用。深井提升时，由于两侧钢丝绳长度变化大，力矩很不平衡。早期采用变直径提升机（圆柱圆锥形卷筒），现多采用尾绳平衡。缠绕式提升机的主要部件有主轴、卷筒、主轴承、调绳离合器、减速器、深度指示器和制动器等（图1）。双卷筒提升机的卷筒与主轴固接者称固定卷筒，经调绳离合器与主轴相连者称活动卷筒。中国制造的卷筒直径为 25m。随着矿井深度和产量的加大，钢丝绳的长度和直径相应增加。因而卷筒的直径和宽度也要增大，故不适用于深井提升。 图1多绳缠绕式提升机 提升机在超深井运行中，尾绳悬垂长度变化大，提升钢丝绳承受很大交变应力，影响钢丝绳寿命；尾绳在井筒中还易扭转，妨碍工作。20世纪 50年代末，英国人布雷尔（Blair）设计了一台直径3.2m双绳多层缠绕式提升机(又称布雷尔式提升机)，提升高度15802349m，一次提升量1020t。2.3.2摩擦式提升机1938年，瑞典的ASEA公司在拉维尔（Laver）矿安装了一台直径1.96m双绳摩擦式提升机。1947年德国G.H.H.公司在汉诺威（Hannover）矿安装了一台四绳摩擦式提升机。多绳摩擦式提升机具有安全性高、钢丝绳直径细、主导轮直径小、设备重量轻、耗电少、价格便宜等优点，发展很快。除用于深立井提升外，还可用于浅立井和斜井提升。钢丝绳搭放在提升机的主导轮（摩擦轮）上，两端悬挂提升容器或一端挂平衡重(锤)。运转时，借主导轮的摩擦衬垫与钢丝绳间的摩擦力,带动钢丝绳完成容器的升降。钢丝绳一般为210根。 图2井塔式提升机 机房设在井塔顶层，与井塔合成一体，节省场地；钢丝绳不暴露在露天，不受雨雪的侵蚀，但井塔的重量大，基建时间长，造价高，并不宜用于地震区（图2）。2.3.3多绳矿井提升机多绳摩擦式提升机的主要部件有主轴、主导轮、主轴承、车槽装置、减速器、 图3深度指示器、制动装置及导向轮等（图3）。主导轮表面装有带绳槽的摩擦衬垫。衬垫应具有较高的摩擦系数和耐磨、耐压性能,其材质的优劣直接影响提升机的生产能力、工作安全性及应用范围。目前使用较多的衬垫材料有聚氯乙烯或聚氨基甲酸乙酯橡胶等。由于钢丝绳与主导轮衬垫间不可避免的蠕动和滑动，停车时深度指示器偏离零位，故应设自动调零装置，在每次停车期间使指针自动指向零位。车槽装置用于车削绳槽，保持直径一致，有利于每根钢丝绳张力均匀。为了减少震动，可采用弹簧机座减速器。矿井提升机2.4提升机行程控制的基本原理提升机的控制从本质上说是一个位置控制15，要保证提升容器在预定地点准确停车，要求准确度高。在我们的系统中，将采用PLC控制，通过采集各种传感信号，如转角脉冲变换、井筒位置、滚筒及钢丝绳打滑等信号进行处理，计算出容器准确的位置;从而施以一定的控制和保护16。位置控制，即行程控制，也就是通常所说的行程给定控制，它的功能是根据提升容器在井筒内的位置计算出此时电机速度给定信号的大小，控制电机的运转。提升机可以有各种不同的运行速度，减速时对应各种运行速度产生S形速度给定，则要求S形速度给定行程环节的输入信号开始衰减的时刻不同17。如单靠时间给定在采用自动控制方式时，则需要针对各种确定的速度设置多个减速点开关，使提升系统的控制复杂化；若采用手动控制方式，虽然能控制给定信号的大小，但仍难以控制其减速的时刻及减速度，使提升机不能以满足提升系统要求的最佳速度和时间运行至停车点，往往造成停车不准和提升周期的改变。采用位置控制(即行程给定)后，在减速至停车阶段，根据提升容器距离停车点的行程S的大小来确定速度给定信号18,19。该行程S大，则相应的由行程给定产生的速度给定信号高；行程S小，则由其产生的速度给定信号低。因此，从减速点至停车点区间内的任意一位置上都对应一个由行程给定产生的速度给定信号(故此称为位置控制)。该速度给定信号与提升机运行速度和运行时间无关，仅仅同提升容器所处的位置有关。因而在一定的速度范围内，提升机都可以按照行程所产生的速度给定信号减速运行且能准确停车，从而克服了时间给定方式的缺点。3 PLC的简介可编程序控制器是在继电器控制和计算机控制的基础上开发出来的，并逐渐发展成以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术、和通讯技术融为一体的新型工业自动控制装置。目前已经被广泛地应用于各种生产机械和生产过程的自动控制中。可编程序控制器出现以后，名称很不一致，早期的可编程序控制器在功能上只能进行逻辑控制，因此被称为可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller）,简称PLC。随着科学技术的发展，国外一些厂家开始采用微处理器来作为可编程序控制器的中央处理单元（CPU），从而扩大了控制器的功能，它不仅可以进行逻辑控制，而且还可以对模拟量进行控制，因此美国电气制造协会（National Electrical Manufactures ,简称NEMA）于1980年将它正式命明为可编程序控制器（Programmable Controller），简称PC。PC这一名称在国外工业界已使用多年，但是近年来PC这个名字又成为个人计算机（personal computer）的专称，为了区别，现在常把可编程序控制器称为PLC20,21。3.1PLC的功能和特点使用者可以根据生产过程和工艺要求设计PLC控制程序，然后将程序通过编程器送入PLC。程序投入运行后，PLC就在现场输入信号（按钮，行程开关，光电开关或其它传感器）的作用下，按照预先送入的程序控制现场的执行机构按一定规律动作。3.1.1PLC的功能近年来，PLC把自动化技术，计算机技术和通讯技术融为一体。它能完成以下功能22：1条件控制（逻辑控制）PLC设置了与（AND），或（OR）,非（NOT）等逻辑指令，能处理继电器接点的串联，并联，串并联，并串联等各种连接。因此，它可以代替继电器进行开关控制。2定时控制PLC为用户提供了若干个计时器（定时器），并设置了计时指令。计时器的计时值可以由用户在编程时设定，也可以用拨盘开关设定。计时器的计时值可以在运行中被读出，也可以在运行中修改，使用灵活，操作方便。程序投入运行后，PLC将根据用户设定的计时值对某个输入信号计数，并对某个操作进行计时控制，以满足生产工艺的要求。3计数控制PLC为用户提供了若干个计时器（定时器），并设置了计时指令。计数器的计数值可以由用户在编程时设定，也可以用拨盘开关设定。计数器的计数值可以在运行中被读出，也可以在运行中修改，使用灵活，操作方便。程序投入运行后，PLC将根据用户设定的计数值对某个输入信号计数，并对某个操作进行计数控制，以满足生产工艺的要求。4步进控制PLC为用户提供了若干个移位寄存器，可以用于步进控制，即在一道工序完成以后，再进行下一步工序。有些型号的PLC，还专门设置了用于步进控制的步进指令和鼓形控制器操作指令，编程和使用极为方便，因此更容易事先步进控制的要求。5A/D、D/A转换有些PLC还具有A/D和D/A转换功能，完成对模拟量的控制和调节。6数据处理有些PLC还具有数据处理功能，它具有并行运算指令，能进行数据并行传送，BCD的加、减、乘、除、开方等运算，还能进行字与，求反，逻辑移位，算术移位，检索数据，比较，数制转换，等操作，还可以对数据存储器进行间接寻址，PLC还可以与打印机相连，打印出程序和有关数据及梯形图。7通讯联网有些PLC采用了通讯技术，可以进行远程I/O控制，多台PLC之间可以进行同位链接，PLC还可以与上位计算机进行链接，接受上位计算机的命令，并将执行结果告诉计算机。由一台计算机和若干台PLC可以构成“集中管理，分散控制”的分布式控制系统，以完成较大规模的复杂控制。8监控PLC配置了较强的监控功能。它能记忆某些异常情况，或在发生异常情况时自动中止运行。在控制系统中，操作人员通过监控命令可以监视有关部分的运行状态，可以调整计时，计数等设定值。为调试和维护提供了方便。PLC还可以连接打印机，对程序和数据进行硬拷贝。3.1.2PLC的特点1通用性好2可靠性高3境适应性好，抗干扰能力强4功能强5接线简单6编程简单，使用方便7体积小，重量轻，功耗低3.2PLC常用模块简介3.2.1通用I/O模块实现对开关量的控制是PLC的基本功能，因此开关量I/O模块是PLC的通用模块。1开关量输入模块的基本原理开关量输入模块的作用是接收现场的开关信号，并将输入的高电平信号转换为PLC内部的低电平信号。每一个输入点的输入电路可等效成一个输入继电器。2开关量输入模块的外部接线输入模块是通过输入端子与外部用户输入设备连接的。输入模块通常有若干个输入点。每个输入点能接收一个来自用户输入设备所发出的开关信号。典型的用户输入设备有操作开关、按钮、行程开关以及继电器和传感器的接点等。3.2.2其它功能I/O模块简介PLC除具有通用的开关量I/O模块以外，按照功能不同，还可能具有其它一些I/O模块，用以实现各种不同功能的要求。1模拟量I/O模块在工业控制中，经常遇到一些连续变化的物理量(称为模块量)，如电流、电压、温度、压力、流量、位移、速度等。若要将这些量送入PLC，必须先将这些模拟量变成数字量，才能为PLC所接收，然后才能进行运算或处理。这种把模拟量转换成数字量的过程叫模/数（A/D）转换。同样，在工业控制中，还经常遇到要对电动阀门、液压电磁铁等一类执行机构进行连续控制，这就必须把PLC输出的数字量变换成模拟量，才能满足这类执行机构的动作要求。这种把数字量转换成模拟量的过程叫数/模（D/A）转换。在PLC中，实现A/D转换和D/A转换的模块称为模拟量I/O模块。通常，每块模拟量I/O模块有2/4/8路输入或输出通道，每路通道的I/O信号电平为l5V/010V/-10+10V，电流为2l 0mA。2高速计数器模块PLC的计时器/计数器属软件计时/计数功能，计时时基为0.01/0.1/1S，不能满足快速计数要求。在需要高速计数的场合，可选用高速计数模块。例如西门子公司的2421型高速计数器模块，它可以检测和处理2MHz的快速计数脉冲，且计数频率可调。3通讯接口模块通讯接口模块是用来使CPU与外部设备或其它PLC或上位计算机进行开关量I/O、寄存器数值、用户程序和诊断信息的串行通讯。通常，模块配有RS一232/RS一422接口。3.3PLC编程语言STEP 7是S7-300/400系列PLC应用设计软件包，所支持的PLC编程语言非常丰富。该软件的标准版支持STL（语句表）、LAD（梯形图）及FBD（功能块图）3种基本编程语言，并且在STEP 7中可以相互转换。专业版附加对GRAPH（顺序功能图）、SCL（结构化控制语言）、HiGraph（图形编程语言）、CFC（连续功能图）等编程语言的支持。不同的编程语言可供不同知识背景的人员采用。1.STL（语句表）STL（语句表）是一种类似于计算机汇编语言的一种文本编程语言，由多条语句组成一个程序段。语句表可供习惯汇编语言的用户使用，在运行时间和要求的存储空间方面最优。在设计通信、数学运算等高级应用程序时建议使用语句表，如图3-1所示。图3-12.FBD（功能块图）FBD（功能块图）使用类似于布尔代数的图形逻辑符号来表示控制逻辑，一些复杂的功能用指令框表示。FBD比较适合于有数字电路基础的编程人员使用，如图3-2所示。图3-23.LAD（梯形图）LAD（梯形图）是一种图形语言，比较形象直观，容易掌握，用得最多，堪称用户第一编程语言。梯形图与继电器控制电路图的表达方式极为相似，适合于熟悉继电器控制电路的用户使用，特别适用于数字量逻辑控制。梯形图直观易懂，为电气人员所熟悉，因此是应用最多的一种编程语言，如图3-3所示。梯形图与继电器控制电路在电路的结构形式、元件的符号以及逻辑控制功能等方面是相同的。但它们又有很多不同之处，梯形图具有以下特点：1）梯形图按自上而下，从左到右的顺序排列。每个继电器线圈为一个逻辑行，即一层阶梯。每一逻辑行起于左母线，然后是接点的各种连接，最后终于继电器线圈（有的还加上一条右母线）。整个图形呈阶梯形。2）梯形图中的继电器不是继电器控制电路中的物理继电器，它实质上是存贮器中的每位触发器，因此称为“软继电器”。相应位的触发器为“1”态，表示继电器线圈通电，常开接点闭合，常闭接点打开。梯形图中继电器的线圈是广义的，除了输出继电器、辅助继电器线圈外，还包括计时器。计数器、移位寄存器以及各种算术运算的结果等。3）梯形图中，一般情况下（除有跳转指令和步进指令等的程序段以外），某个编号的继电器线圈只能出现一次，而继电器接点则可无限引用，既可是常开接点，又可是常闭接点。4）梯形图是PLC形象化的编程手段，梯形图两端的母线是没有任何电源可接的。梯形图中并没有真实的物理电流流动，而仅只是“概念”电流，是用户程序运算中满足输出执行条件的形象表示方式。“概念”电流只能从左向右流动，层次改变只能先上后下。5）一输入继电器供 PLC接受外部输入信号，而不能由内部其它继电器的接点驱动。因此，梯形图中只出现输入继电器的接点，而不出现输入继电器的线圈。输入继电器的接点表示相应的输入信号。 6）输出继电器供PLC作输出控制用。它通过开关量输出模块对应的输出开关（晶体管、双向可控硅或继电器触点）去驱动外部负载。因此，当梯形图中输出继电器线圈满足接通条件时，就表示在对应的输出点有输出信号。7）PLC的内部继电器不能作输出控制用，其接点只能供PLC内部使用。8）当PLC处于运行状态时PLC就开始按照梯形图符号排列的先后顺序（从上到下、从左到右）逐一处理，也就是说IC对梯形图是捺扫描方式顺序执行程序。因此不存在几条并列支路同时动作的因素，这在设计梯形图时可减少许多有约束关系的联锁电路，从而使电路设计大大简化。图3-34 提升机的行程控制系统4.1PLC系统软件概述本次选型的PLC为西门子S7-300，它所用编程软件是STEP7，该软件对于专用编程器而言，是预先装在里面的，同时它也可以作为个人计算机（PC机）在Windows下的一个软件包，但必须配备MPI卡或PC/MPI电缆。STEP7软件具有如下功能：（1）SIMATIC管理器：集中管理有关SIMATIC S7的所有工具软件和数据；（2）符号编辑器：用于定义符号名称，数据类型和全局变量的注释；（3）硬件组态：用于自动控制系统组态和为各模板进行参数设置；（4）通讯：用于定义MPI连接的自动化组件之间时间中断、循环数据传送或者定义用MPI的数据传输；（5）信息功能：便于快速浏览CPU数据（CPU版本、存贮容量、可用的I/O点数、最长/最短/最后循环周期长度）以及用户程序在运行中的故障原因；（6）标准化的编程语言：梯形图（LAD），语句表（STL），控制系统流程图（CSF）。STEP 7用文件形式管理用户编写的程序，并将这些程序及其所需数据在文件块中编程，如果这些功能块是子程序，可以通过调用语句将它们组成结构化的用户程序，STEP7软件块有如下几种类型：（1）组织块（OB）：控制程序的运行；（2）功能块（FB）：包含实际的用户程序；（3）功能（FC）：包含常用功能的用户程序；（4）数据块（DB）：用户数据的存储区；（5）系统功能块（SFB）：这种功能被集成到CPU的操作系统；（6）系统功能（SFC）：它也集成到CPU操作系统；（7）系统数据块（SDB）：CPU操作系统数据并包括各硬件模块参数设置4.2提升行程PLC控制器硬件构成提升行程控制器由PLC、两个轴编码器和井筒开关等构成。其中一个轴编码器装在提升机的驱动轮上，另一个轴编码器装在提升机的导向轮上；行程控制器所用井筒开关装在井筒中齐平位置（即井口停车位）、同步位置（距齐平位10米左右）和限速位置（距齐平位30米左右）三个地方；PLC选用西门子公司的S7300，主要模块包括：电源模块PS307、CPU模块CPU314、开关量输入模块SM321、开关量输出模块SM322、模拟量输入模块SM331、模拟量输出模块SM332、计数模块FM350和通信模块CP340，如图4-1所示。 电 源 模 块 C P U 模 块 输 出 模 块 输 入 模 块A/ D 模 块D/A 模 块 计 数 模 块 通 信 模 块 图4-1 行程PLC S7-300硬件配置1PS307电源模块主要技术特性如下：（1）主电压选择开关，带有保护套的开关可供选择120交流或230V交流，并带有一24V直流0N/OFF开关。（2）输入电压额定值120VAC或230VAC，允许范围93132VAC或187264VAC输入电流额定值120V时为2A，230V时为1A，启动电流可达45A。（3）输出电压额定值24VDC，其波动范围5%，输出额定电流为5A，具有电流保护功能。2CPU314模块作为中央处理单元，用于输入信号状态，处理控制程序及控制信号的输出，该模块具有丰富的逻辑运算指令和算术功能，可以满足对处理速度有快速要求的场合。CPU314在300ns内执行一条二进制指令，用户提供了充足的工作内存，24K字节RAM（相当于8K语句），而且可用最大为512K字节的插入型存储器卡简单地进行掉电程序备份。3开关量输入模块SM321，将外部开关接点信号转换成S7300内部信号电平，其输入点数为32路，工作电压为24VDC。输入到该模块的主要信号有：提升机运行方式选择信号（如提物、提人、检修、下大件等）、控制方式选择信号（如手动、自动）、井筒开关信号（如齐平点、同步点、限速点）、故障安全复位信号、过卷复位信号和安全回路信号等。4开关量输出模块SM322将S7300内部信号电平转换成所要求的外部信号电压，其输出16路继电器接点，大部分是故障输出接点，包括：软过卷、错向、滑绳、等速段超速、减速段超速、轴编码器故障、测速机故障、井筒开关故障、PLC故障等。5模拟量输入模块SM331的输入信号是：操作台上主令手柄的给定信号和测速机信号；模拟量输出模块SM332输出调节系统所需的速度给定信号。6FM350高速计数模块对来自轴编码器的脉冲信号进行计数和处理，以指示提升容器的实际位置和速度，继而进行位置闭环控制。FM350是一种智能型的单通道计数模块，用于宽范围的单计数任务，它可以用在SIMATIC S7300上，通过计数模块，减轻了CPU的工作负担；FM350模块作为一种智能模块，它可以完成与CPU的双向传递，并具有智能化等特点。CPU可读取来自计数模块的计数值，同时也可对计数模块的计数方式进行控制。7通信模块CP340用于与上位机通信，将行程控制器的信息（如提升行程、速度、各种运行状态信号和故障信号等）传输给上位机。4.3控制系统在STEP 7上的编程步骤1打开STEP 7，手动创建一个STEP 7新项目，命名一个项目名称。2插入一个S7-300（SIMATIC 300）的工作站。3分别打开bh-plc、xc-plc、czt-plc的Hardware(硬件)，进行硬件组态。（1）插入0号导轨：UR；（2）对应图纸插入各种所需的S7-300模块；（3）设置CPU属性，选择MPI进行传输，并设置合适的传输速率；（4）设置数字量模块属性，既设置地址。（4）打开S7 Program中的Symbols对应图纸进行符号的编辑修改。既编辑符号表。（5）在OB1中编辑LAD（梯形图）程序，STL（语句表）程序。4.4控制系统的软件设计STEP7软件23将用户程序指令存放于“块”中，根据用户程序要求，可用以下几种类型的块来存放程序指令：1组织块（OB）：它可以提供CPU操作系统与用户程序的接口。OB1执行用户程序的循环处理，其它OB块响应特定事件和中断；2功能块（FB）：它是执行时带有即时数据的可多次调用的逻辑功能块，用户程序每次对FB调用提供新参数；3功能块（FC）：这种功能块执行时不需带有即时数据块，用户对FC的每次调用提供新的参数。由于FC块处理数据的不同方法，一个FC比FB需要的CPU处理开销较少。本系统中，我们选择了三种OB块：（1）OB100为加电启动组织块，在该组织块中，编制有关系统参数初始化指令及相关模块的设置程序。该组织块仅在系统加电起动后运行一次，在以后的程序循环中不再执行。系统启动程序流程图如图4-2所示：图4-2 系统启动程序OB100流程图（2）OB1为循环运行组织块，也即用户主程序部分，程序框图如图4-3所示。在OB1中可以调用其它用户功能块和系统功能块，如SFB、SFC、FB、FC等。根据结构化设计程序的原则，将能完成某些特定功能的程序事先编制成可以重复调用的FB、FC功能块形式，然后在OB1中执行相关调用。这样程序设计结构清晰、功能明确，编制和调试都很方便。图4-3主程序OB1程序框图（3）OB35为循环时间中断组织块，循环时间值为060s，根据用户需要可进行任意设置。在用户中断程序中，根据各种逻辑关系和实际提升速度以及实际提升行程值，进行有关逻辑判断及数据处理，给出提升机运行速度给定信号和各种行程控制信号。中断程序流程图如图4-4所示：图4-4中断程序OB35流程图对于其它一些需重复调用的程序块则都编制成功能块（FB或FC），在组织块中执行相关调用，例如：速度监视功能块、行程计算功能块、模拟量处理功能块、S型速度给定曲线产生功能块、连续速度保护包络线产生功能块、故障监视功能块以及停车用功能块等。4.5主要程序的设计4.5.1提人方式4.5.2松闸条件4.5.3提升信号4.5.4开车信号4.5.5安全回路正常4.5.6在OB35中调用功能FC56CALL FC 564.6行程控制器功能实现 4.6.1自动生成S型速度曲线图4-5 速度曲线产生的程序流程图在进行程序设计时，利用SIMATIC S7-300 PLC 编程软件STEP 7的模块化设计功能，就加速段和减速段分别编写功能块FC，最后统一由组织块OB调用,这样一来，程序易于编写、调试和修改，且可读性好。在加速阶段，采用时间方式，其算法简单，易于实现。在起动段由于受出曲轨速度所限，因此加速度变化率A1不宜过大，其值大小应在现场调试时确定。实际上，加速段S型速度给定曲线是加速度变化率A1、A2，最大加速度值am1以及主令给定值Vm的函数。即 （4-1）因此，在进行系统调试时24，只要对A1、A2，am1修改，就可以得到所期望的速度曲线。在减速阶段，为保证运行可靠、停车准确，采用行程方式给定。设减速距离为Sj，爬行距离Sp，减速度变化率为A3、A4，最大减速度为am2，最大运行速度为Vm，爬行速度为Vp，则减速段速度给定曲线就是这以上几个变