矿用电机车控制系统的设计说明

1、大学课程设计说明书课程名称：电气与PLC控制技术题 目：矿用电机车控制系统的设计学 院：能源工程学院专 业：电子信息科学与技术学 号：_J姓 名：唐彩琴指导教师：云新完成日期：2011 年6月30日1引言 12方案设计与论证 12.1控制方案及论证 12.2 显示界面方案的选择 42.3 输入方案的选择 43控制系统硬件设计 43.1 PLC类型的选择 43.1.1 产品分选控制要求 43.1.2 系统I/O点数的计算 53.1.3 PLC 型号的选择 53.2显示模块的设计 6硬件的设计思路 6软件的设计思路 63.2.3 显示模块的电路图 73.3 操作面板的设计 94控制系统软件设计 1

2、14.1系统I/O分配 114.2主要程序设计 134.2.1 按键操作说明 134.2.2 主控制程序 134.2.3 动态显示控制程序 134.2.4 计数及显示程序 144.2.5 计时及显示程序 164.2.6 故障程序 185结束语附录各程序梯形图矿用电机车控制系统设计1引言随着社会迅速的发展，各机械产品层出不穷。控制系统的发展已经很成熟， 应用围涉及各个领域，例如；机械、汽车制造、化工、交通、军事、民用等。PLC专为工业环境应用而设计，其显著的特点之一是可靠性高，抗干扰性强°PLC 的应用不但大大的提高了电气控制系统的可靠性和抗干扰性，而且大大的简化和减少了维修维护的工作

3、量。本设计综合考虑了制造业的现状，结合了电机车的工作原理，给出一种简单 实用的电机车控制系统的PLC设计方案。系统中设计了故障检测的装置，让技术 人员的工作更为简单、方便、快捷。实验也证明该系统应用简单、经济，在工作 中能更快、更准确的运行。因此，大大的提高了生产率，降低了工人的劳动强度， 降低了企业的生产成本，提高了企业的经济效益，是我们热切看到的。可编程序 控制器是以微处理器为核心的通用工业自动化装置。它将传统的继电器控制技术与计算机技术和通信技术融为一体，具有结构简单、性能优越、可靠性强、灵活 通用、易于编程、使用方便等优点。针对矿山工作的特定环境，本系统设计的电 机广泛应用于矿山。2方

4、案设计与论证2. 1控制方案及选择方案一：采用可编程控制器（PLC控制。该方案的优点是系统简明扼要， 编程元件丰富和编程语言灵活，系统扩展容易，部件少，可靠性高，抗干扰能力 强，功能完善，适用性强，系统的设计工作量小，维护方便，容易改造。方案二：采用单片机控制。该方案的优点是价格便宜，编程容易，体积小， 适用性强，节约成本；缺点是其外围电路复杂，部件多，若焊接中存在虚焊，系 统稳定性和可靠性变差。方案三：采用继电器一接触器控制。优点是价格低廉、对维护技术要求不高, 适用于工作模式固定、控制要求简单的场合。缺点是系统的布线连接不宜更新、 功能不宜扩展，可靠性不高。对复杂的控制系统，查找和排除故障

5、困难；产品更新、生产工艺变化时，继电器控制系统的元件和接线也须作相应的变动，这种变动工作量很大，工期长，费用高。综上所述，我选择第一种方案。2. 2显示界面方案选择方案一：完全采用LED显示。这种方案只显示有限的符号和数码字符， 所需 的编程和硬件要求很高。方案二：完全采用阵式LCD显示。这种方案实现复杂，且须完成大量的软件 工作；但功能强大，可方便的显示各种英文字符，汉字，图形等。方案三：采用LED与点阵LCD相结合的方法。因为既要求倒计时数字输出， 又要求有汉字信息提示及图形输出等， 为方便观看并考虑到现实情况，用LED与 LCD分别显示时间与提示信息。这种方案既满足系统功能要求，又减少了

6、系统实 现的复杂度，但是相对价格比较高。权衡利弊，决定采用方案一来实现系统的数字显示。2. 3输入方案的选择方案一：输入口直接输入 该方案的优点是：简单明了，但占用输入点多、 成本咼。方案二：矩阵式键盘输入占用输入点少、成本低、且直观、整体性能强、操作方便。综合方案一和二，权蘅利弊选择方案二。3控制系统硬件设计3. 1 PLC类型的选择3.1.1 矿用电机车控制要求1. 控制系统对矿用架线式电机车实现启动、停止等控制。对制动距离、撒砂管撒砂、轮对轴承温度、车身平稳性、受电弓接触等情况实施检测，对运行总时间、往返次数进行计数并显示。2. 当出现制动距离达不到规定的要求、撒砂管不撒砂、轮对轴承温度

7、过高 车身歪斜左右摇晃、脱轨掉道、受电弓接触不良等故障时报警并显示。系统I/O点数的计算1.显示控制I/O点计算：运行总时间显示字形输出需输出点 4个，字位输出控制需输出点3个。往返次数显示字形输出需输出点 4个，字位输出控制需输出点3个。2 .基本控制I/O点计算：组成2X 8键盘需输入点8个，输出点2个；系统启动、系统停止、计时 清零、计数清零、加速、减速、制动、前进、后退、计数等控制和制动距离达 不到规定的要求、撒砂管不撒砂、脱轨掉道、受电弓接触不良4个检测输入故障信号从键盘输入；4个轮对轴承温度检测输入、4个车身歪斜左右摇晃检 测输入故障信号直接从输入口输入；制动距离达不到规定的要求、

8、撒砂管不撒 砂、脱轨掉道、受电弓接触不良 4个故障灯信号输出，需要 4个输出点；4 个轮对轴承温度过高、4个车身歪斜左右摇晃故障灯信号输出需要8个输出点；报警音响信号输出需要1个输出点；电源指示信号输出需要1个输出点；加速、 减速控制信号输出需要输出点2个；制动、前进、后退控制信号与接触器线圈 并联需要输出点3个；故障解除1个。综上，一共需要输入点共13个，需要 输出点20个。3.1.3 PLC型号的选择目前在国市场上有从美国、德国、日本等国引进的多种系列PLC国也有许多厂家组装、开发数十种PLC故PLC系列标准不一，功能参差不齐，价格悬殊。 在此情况下，PLC的选择应着重考虑PLC的性能价格

9、比，选择可靠性高，功能相 当，负载能力合适，经济实惠的 PLC本文介绍以四段液位控制对象为例，据对 多种因素的分析比较及监控系统输入、输出点数的要求，选用日本三菱公司FX2型 PLC。基本控制选：FX2N-32MR显示控制选：FX2N-24EYT3.2显示模块的设计3.2.1.硬件的设计思路(1) 采用带译码器和片选输入点的七段显示译码器 ，来显示09十个数 字。并根据显示数字的位数及组数， 选用相应个数的七段数字显示器件部件， 来 显示1位、2位、3位、4位等多位数或几个数字组。(2) 用PLC的4个输出点形成4条数据线。由这4条数据线组成显示数字 的数据总线。数字量输出用二进制的 0000

10、1001代表09,各个显示数字值传 输到相对应的显示器件。(3) PLC输出点与地址译码器配合控制各显示器件数据输入的选通或锁存。 根据显示数字的位数及组数，选用相应译码器的型号和个数。(4) 用PLC的4个(或3个、2个等)输出点形成4条(或3条、2条等) 地址线。由这4条(或3条、2条等)地址线组成显示数字的地址总线。数字量 输出用二进制的00001111代表015位(或000111代表07位、0011 代表03位等)。总线与接口电路框图，如图2所示。软件设计思路(1) 将需要数字显示的PLC部数据字或数据双字由整数转化为 BCD码。(2) 在BCD码表示的数据中，以个位BCD码的2023

11、位对应数据总线20 23位的数位输出。十位、百位、千位等 BCD码通过移位使其数位与个位数位对 应。2023位为个位BCD码，可以直接输出；2427位为十位BCD码，可通过 逻辑右移4位，在个位BCD码数位输出；28211位为百位BCD码，可通过逻辑 右移8位，在个位BCD码数位输出。以此类推，然后按时序在数据总线上分别发 送个位、十位、百位、千位、万位等数字显示信号，以使个位、十位、百位、千位、万位等BCD码都在数据总线上传输数字显示数据。(3) 通过PLC地址输出点和地址译码器，提供各个数字显示器的片选信号，配合4条数据总线来发送数据，达到由指定显示部件的显示器接收显示数据。 控 制各个片

12、选输入来控制该数字显示器件输入数据的选通与锁存，使各个显示单元接收到对应的显示数据并予以锁存显示。（4） 合理地控制片选及锁存显示周期，使传送、显示能适应PLC扫描输出 速率及显示器件的响应时间，使显示正常，消除无显示、显示闪烁、显示迟钝等 现象。（5）实现多参数的动态显示，只要将地址译码器的输出端与显示器件的片选输入端对应联接，对PLC数据做上述处理后，按时序在数据总线上发送，就可实现对应的数字显示。323显示模块的电路图如图3-1所示：74IS138: 3-8 译码器。MC14495:七段显示译码器： 输出高电平有效驱动共极数码管。 动态显示：对数码管循环扫描输入显示数据。FX2-32EY

13、T 晶体管输出型扩展模块（PLC，有32个输出点。Y20-Y23:输出BCD码，经Mc14495译成显示码，同时送给二数码管，由二进制输出。经74LS-138译码后控制（任一时刻，只有一个管道通电）扩展模块输出：Y20Y23计时字形输出；Y24Y27计时字位输出；Y30Y33计数字形输出；Y34Y37计数字位输出；丫40:前左轮对轴承温度信号灯；Y41 :前右轮对轴承温度信号灯；丫42:后左轮对轴承温度信号灯；丫43:后右轮对轴承温度信号灯；丫44:前左车身歪斜左右摇晃信号灯；丫45:前右车身歪斜左右摇晃信号灯；丫46:后左车身歪斜左右摇晃信号灯；丫47:后左车身歪斜左右摇晃信号灯。HTTre

14、raxoBiEHTi74LS-L3SMC1+4 S3y30y3iy32y33y35y36y37y40y4Ly42匚口門FX2-24EYTy20y£iy22X23y£+y£5y£6y44y45y46y47con74LS-L39m6I5T4T3T2nT0匚IMC14495图3-1显示部分电路图3. 3操作面板的设计操作面板线路，如图3-2所示。图中：Y16 Y17与X10-X17组成8行X 2列键盘矩阵输入，构成操作面板234rt5678PAr号号号号号号号k£停止fB4Affi 3 tfv左右左右MTU Y1建亟斯 卫匣施卫叵 HO TU怔H3阿

15、TM両而师报电制U后加减©®®(S®©动砂规电Hts®釐源动进前退速連图3-2 基本模块输入输出接线图1、基本模块键盘矩阵输入：1号：制动距离检测输入；2号：撒砂管检测输入；3号：脱轨掉道检测输入；4号：受电弓接触检测输入；5号：前进命令输入；6号：后退命令输入；7号：加速命令输入；8号：减速命令输入；9号：制动命令输入；10号：报警命令输入；11号：计数命令输入；12号：故障解除命令输入；13号：计时清零命令输入；14号：计数清零命令输入；15号：系统启动命令输入；16号：系统停止命令输入。2、基本模块直接输入：丫0:前左轮对轴承温

16、度检测输入；Y1：前右轮对轴承温度检测输入；Y2:后左轮对轴承温度检测输入；丫3:后右轮对轴承温度检测输入；丫4：前左车身歪斜左右摇晃检测输入; 丫5:前右车身歪斜左右摇晃检测输入; 丫6:后左车身歪斜左右摇晃检测输入;Y7：后右车身歪斜左右摇晃检测输入;3、基本模块直接输出：丫0:制动距离故障信号灯输出；Y1:撒砂管不撒砂故障信号灯输出； 丫2:脱轨掉道故障信号灯输出； 丫3:受电弓接触不良故障信号灯输出;丫4:报警电铃信号输出；丫5:电源信号灯输出；Y6 :制动电磁铁线圈输出；丫7:前进接触器线圈输出；丫10:后退接触器线圈输出；Y11:加速信号灯输出；丫12:减速信号灯输出。4. 控制系

17、统软件设计4.1系统I/O分配计时、计数显示及4个轮对轴承温度故障信号与 4个车身歪斜左右摇晃故 障信号显示由扩展模块完成，见图 1。检测信号输入、基本控制命令输入，基本 控制输出及相关信号输出由基本模块完成，见图2。由图1、图2得系统I/O分配如下表：基本模块键盘矩阵输入：1号：制动距离检测输入；2号：撒砂管检测输入；3号：脱轨掉道检测输入；4号：受电弓接触检测输入；5号：前进命令输入；6号：后退命令输入；7号：加速命令输入；8号：减速命令输入；9号：制动命令输入。10号：报警命令输入；11号：计数命令输入；12号：故障解除命令输入；13号：计时清零命令输入；14号：计数清零命令输入；15号

18、：系统启动命令输入；16号：系统停止命令输入。基本模块直接输入:丫0:前左轮对轴承温度检测输入；Y1:前右轮对轴承温度检测输入；Y2:后左轮对轴承温度检测输入；丫3:后右轮对轴承温度检测输入；丫4：前左车身歪斜左右摇晃检测输入; 丫5:前右车身歪斜左右摇晃检测输入;丫6:后左车身歪斜左右摇晃检测输入;Y7:后右车身歪斜左右摇晃检测输入;基本模块直接输出：丫0:制动距离故障信号灯输出；Y1:撒砂管不撒砂故障信号灯输出；丫2:脱轨掉道故障信号灯输出；丫3:受电弓接触不良故障信号灯输出;丫4:报警电铃信号输出；丫5:电源信号灯输出；丫6:制动电磁铁线圈输出；Y7:前进接触器线圈输出；丫10:后退接触

19、器线圈输出；Y11 :加速信号灯输出；丫12:减速信号灯输出。扩展模块输出：Y20Y23计时字形输出；Y24Y27计时字位输出；Y30Y33计数字形输出；Y34Y37计数字位输出；丫40:前左轮对轴承温度信号灯；Y41 :前右轮对轴承温度信号灯；丫42:后左轮对轴承温度信号灯；丫43:后右轮对轴承温度信号灯；丫44:前左车身歪斜左右摇晃信号灯；丫45:前右车身歪斜左右摇晃信号灯；丫46:后左车身歪斜左右摇晃信号灯；丫47:后左车身歪斜左右摇晃信号灯4.2主要程序设计4.2.1 按键操作说明矩阵输入指令如下：I柳ip忸 mu皿 imY16列对应8点输入（9号-16号）存入对应的 M50-M57即

20、：按9号键M50=1按停止键M57=1Y17列对应8点输入（1号-8号）存入对应的 M60-M70即：按1号键M60=1按8号键M67=1编程时：M50-M57 M60-M67的常开、常闭代替按键的常开、常闭。主控制程序U TODIO厭K25Dll此 MO加D12俪 M21. 接通电源后，M8000=1执行矩阵输入指令，可以进行各种按键的操作。2. 按下起动按钮，主控程序起动，其中程序设定了自锁。按下停止按钮，主 控程序停止。3 若执行9号制动命令，则按键使 M50=1制动电磁铁线圈丫6有输出，其 丫6=1，对电机车实行制动距离实施检测，即 D10转数寄存器，D11为电机车车轮 的直径，在此设

21、定的距离为200m,即D10 D11两个16位数的积存放在D12 D13 两个字软设备中。4 若执行5号前进命令，则按键使 M62=，前进接触器线圈丫7有输出， 其丫7=1，电机车前进，在此程序中安装了一个常闭的报警电铃丫4,若电机车前进实施检测，其他的（后退、加速、减速）运行原理类同。4. 2. 3动态显示控制程序计时及显示程序动态扫描程序梯形图:)21）a1、系统启动后，M120=1按下清零键，D21清零，M27-M37复位。2、DECO旨令将D21中的数进行解码。若 D21中为0,则M30=1若D21中为1, 贝U M31=1 若 D21 中为 2,贝U N32=1若 D21 中为 7,

22、贝U M37=1 一个扫描周期解码一次。一次解码，M30-M37中只有一个为一，其余为0可用M30-M37分别控制8个字形信号的输出。3、BIN指令将D21中的数进行二进制变换。若D21中为0,则M41M40M39M38=0Q0若 D21 中为 1,贝U M41M40M39M38=0Q01若 D21 中为7,贝U M41M40M39M38=011 一个扫描周期二进制变换一次。一次二 进制变换，M41M40M39M中只有一个组合状态。M41M40M39M3的 8个组合状态分别控制8个字位信号的输出。4、一个扫描周期输出一个字形信号和与之对应的字形信号，即显示一个字。8个扫描周期即依次显示8个字。

23、8个扫描周期为一个循环。即形成动态循环显示。利用人体视觉延时原理，看上是同时显示。计数及显示程序动态扫描梯形图:14?Mlm 曲MJ1、系统启动后，M120=1按下清零键，D40清零，M47-M57复位。2、DECO旨令将D40中的数进行解码，若 D40中为0,则M50=1若D40中中为1,则M51=1若D40中为2,贝U M52=1若当D40中为7,贝U M57=1一个扫描周期解码一次，一次解码，M50-M57中只有一个为1,其余为0。可用M50-M57分别控制8个字形信号的输出。3、BIN指令将D40中的数进行二进制变换。若D40中为0 ,则M61M60M59M58=0Q0若 D40中为

24、1,贝U M61M60M59M58=0Q01若 D40 中为7,贝U M61M60M59M58=011 一个扫描周期二进制变换一次，一次二 进制变换，M61M60M59M中只有一个组合状态。M61M60M59M5的 8个组合状态分别控制8个字位信号的输出。4、 一个扫描周期输出一个字形信号和与之对应的字形信号，即显示一个字。8 个扫描周期即依次显示8个字。8个扫描周期为一个循环。即形成动态循 环显示。利用人体视觉延时原理，看上是同时显示。4. 2. 4计数及显示程序一一10'D3r-H1-2W2:|0D3C13CD3H2OM-16:D3D3D3D2ITOD3O4D3D3M2L2D3D&

25、amp;D3D4M2L6D30GD3D5J11NI!O 制-1BCD030!KIV030 11厠K11O ；1 取BCD；S311MEKIM 11DW制.IPCDWKIM 11俪pCD1厠R1Y3(l BpCD恤;1BCDD3»SKIM 11 按下清零按钮M54=1数据寄存器D300-D400清零。来一个步进脉冲，D300中的容加1。当D300中的数为10时，D300清零，同时D301中的数加1。同理当D301中的数位10时，D301清零，D302中的数加1，即卩D301位为时的个位，D302中的数为时的十位，依次类推。2 在进行字形输出时，对 D300- D305中的数进行BCD转

26、换，从丫30-Y33输 出，送到MC14495!示译码器，译码后驱动显示器显示。3. Y3旷Y33进行的是字形的控制。例 D303的信号送入Y30Y33输出，同理 D304 D305 D306也由此输出口输出。4. Y34Y36进行字位控制。例Y34Y36均为0时，输出的是个位、Y34Y36 为001时，输出的是十位。5. 利用丫30-Y33与丫34-Y36的有机配合，形成循环动态扫描，利用人体视觉延时原理，看上是同时显示计时及显示程序K120N55!匕D2 圧CCHP1JD23313C2MiltBH31T(CMP粕MSWMI3T【幣 WI4啊mKHOiOBCDD2I202 3Kim(W格KI

27、 WOmimmit延时原理，看上是同时显示426故障检测程序故障检测主要是对撒砂管、脱轨掉道、受电弓接触、四个车轮（前左、前右、 后左、后右）对轴承温度检测及四个车轮（前左、前右、后左、后右）对车身平 稳检测。键盘输入1-4号分别为制动距离、撒砂管、脱轨掉道、受电弓接触检测输入。分别对应 Y0-Y3信号灯输出和 丫4的报警信号输出：丫0 -Y3分别为电机 车前左、前右、后左、后右轮对轴承温度检测输入，对应要丫40-Y43信号灯输出； Y4 -Y7分别为电机车前左、前右、后左、后右车身歪斜左右摇晃检测输入对应 Y44-Y47信号灯输出。当温度传感器和压力传感器的检测输入值与设定值相比较， 达到或者超过设定值时，输出触点接通，输出相对应的灯光信号和声音信号。im 5. 结束语本设计采用