礦井提升機的PLC控制系統(tǒng)設計

1、電氣工程學院課 程 設 計 說 明 書 設計題目： 礦井提升機的plc控制系統(tǒng)設計 專業(yè)班級： 11級應用電子1班 學 號： 110105030012 學生姓名： 張穎 指導教師： 郭忠南 電氣工程學院課程設計任務書課程名稱： 電氣控制與plc課程設計 基層教學單位：電氣工程及自動化系 指導教師： 郭忠南等學號110105030012學生姓名張穎（專業(yè)）班級11應電1 班設計題目礦井提升機的plc控制系統(tǒng)設計設計技術參數(shù)采用plc構成礦井提升機的電氣控制系統(tǒng)?？刂埔蟛殚喯嚓P文獻。設計要求1) 根據(jù)控制要求，進行電氣控制系統(tǒng)硬件電路設計，包括plc硬件配置電路。2) 根據(jù)控制要求，編制plc控

2、制程序3) 按要求編寫設計說明書并繪制a1幅面圖紙一張。參考資料1、plc電氣控制技術 漆漢宏主編 機械工業(yè)出版社 20082、圖書館各類期刊文獻相關數(shù)據(jù)庫3、相關電氣設計手冊周次第一周第二周應完成內(nèi)容完成全部方案設計：周一、二：查、閱相關參考資料周二至周五：方案設計周六、日：設計方案完善周一、二：完成設計說明書周三、四：繪制a1設計圖紙周五：答辯考核指導教師簽字基層教學單位主任簽字 摘要礦井提升機是采礦業(yè)中的一個核心電氣硬件，它擔負著礦井中礦石、物料、人員的運輸任務，傳統(tǒng)的礦井提升機主要采用繼電器一接觸器進行控制，具有連接線路復雜、效率低、故障率很高、浪費電能嚴重并且可靠性差，存在很大的安全

3、問題，因此礦井提升機的安全控制一直是國內(nèi)外學者研究的問題。采用plc可編程序控制器，通過編程掌握各個控制狀態(tài)，具有更穩(wěn)定、安全并且節(jié)能的優(yōu)點。因此本文采用可編程序控制器和變頻器實現(xiàn)礦井提升機的控制系統(tǒng)設計。 關鍵詞：plc；變頻器；礦井提升機；目錄第1章 礦井提升機簡介第2章 現(xiàn)代調(diào)速方式和和制動方式的介紹； 現(xiàn)代plc的介紹； 現(xiàn)代變頻器技術簡介第3章 總體的設計目標；設計中各部分的分析；軟件設計思路第4章 變頻器kv2000的選擇 三菱plc芯片選擇以及接線分析第5章 軟件編程設計 礦井提升機介紹礦井提升機是采礦業(yè)中一種最大的礦井工作硬件機電設備，其集機電液于一體，在不同的礦業(yè)生產(chǎn)中承擔著

4、礦石運輸，人員轉移等等不同的重要任務，因此礦井提升機構的安全與可靠性控制尤其重要?，F(xiàn)在的礦井提升機已經(jīng)取代了由接觸器和繼電器的構成的繁瑣的機構，而是通過運行相對較安全可靠的，而且具有較高的效率的可編程控制器組成的電控系統(tǒng)來控制礦井提升機的升降，其主要的電控系統(tǒng)一般來講有三種，分別是傳統(tǒng)的交流電控系統(tǒng)，交流變頻調(diào)速系統(tǒng)和直流電控系統(tǒng)三大類。由于我國經(jīng)濟的快速發(fā)展,人們對礦山資源的需求也在日益增長,要求礦井提升機的運行應該是相對較安全可靠的，而且應該具有較高的效率。經(jīng)過了幾十年的發(fā)展,數(shù)字化控制取得了很大的進步，我國的礦井提升機電控技術初步形成，但是與美國、德國等發(fā)達國家相比，依然存在著很大差距。

5、目前發(fā)達國家的礦井提升機電控技術已經(jīng)全面實現(xiàn)了數(shù)字控制，而國內(nèi)絕大多數(shù)礦井提升機的電控系統(tǒng)還是采用效率低下、安全隱患多的繼電器一接觸器控制技術，嚴重影響著我國礦山產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，所以需要對礦井提升機進行大規(guī)模技術改造和更新。 礦井提升機的安全性、可靠性以及經(jīng)濟性具有很高的要求。針對目前現(xiàn)狀，本課題需要研究礦井提升機的運行特點，控制邏輯，plc與礦井提升機的控制關聯(lián)，變頻器的使用，從而解決以下三個主要問題：1.對于提升速度，提升高度，制動等運作方面更加平滑；2.更為簡單、直觀的操作界面；3.減少礦井提升機不必要的能源損耗，優(yōu)化運行機制。而在本設計中，也特別需要在安全方面做出應有的裝置，安全回路，

6、故障報警等等設計內(nèi)容都為礦井提升機的安全運行提供了更好的保障。 調(diào)速方式礦井提升機調(diào)速基于異步電機，轉速公式為： （2-1）因此想要改變電機轉速，可通過的方式有：改變轉差率s，改變電機的極對數(shù)p，改變供電頻率f。從調(diào)速的本質(zhì)來看，可分為改變同步轉速或者不改變同步轉速兩種。其中不改變同步轉速的有：繞線式電動機的轉子串電阻調(diào)速、斬波調(diào)速、串級調(diào)速等。轉變同步轉速的有：改變定子線路電壓、變極對數(shù)調(diào)速方法、無換向電動機調(diào)速、頻率的變頻調(diào)速等等。制動方式現(xiàn)代最常用的制動系統(tǒng)大致分為三類，分別為反接制動、動力制動、回饋制動。其中反接制動適用于正轉反轉頻繁切換的系統(tǒng)，動力制動時最常見的制動系統(tǒng)，適合應用于對

7、停車位置要求相對嚴格的系統(tǒng)中；回饋制動時將他勵電機電源從高降到低，將轉速從高降到低的過程。電功率的輸出傳給裝置的電源，這種制動過程伴隨這一種正向的功率反饋過程?，F(xiàn)代plc介紹美國數(shù)字設備公司根據(jù)gm公司的生產(chǎn)要求，于1969年研制出了世界上第一臺可編程控制器。其后，各個發(fā)達國家均相繼引入這項新的技術，并獲得了空前成功。自此，plc迅速發(fā)展起來。在20世紀70年代初期和中期，plc雖然引入了部分計算機的控制特點和控制功能，但受限于當時的技術水平和時代需求，它僅能按程序順序完成控制要求。它僅具有計數(shù)器，定時器，等簡單的邏輯運算功能。隨著微處理器的迅速發(fā)展，在七十年代末八十年代初期，plc的處理速度

8、大大提高。增加了許多的特殊功能，使得其不光可以進行邏輯控制，還可以對工業(yè)生產(chǎn)中的許多模擬數(shù)據(jù)進行處理控制。自八十年代以來，隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術的迅猛發(fā)展，plc也開始更多的借鑒當時較為先進的計算機控制功能，以16位和32位處理器為核心的plc迅速的在全世界普及和發(fā)展，現(xiàn)在的plc已經(jīng)擁有了中斷技術，高速計數(shù)等等高級功能，使得其在工業(yè)環(huán)境中的應用變得更加可靠和強大，逐漸在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)控制系統(tǒng)中占據(jù)了自己的一席之地?？删幊踢壿嬁刂破鲗嵸|(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結構基本上與微型計算機相同，基本構成為：電源；中央處理單元；存儲器；輸入輸出接口電路輸入輸出接口電路是plc除中央處

9、理器外最重要的部件。輸入接口電路由光電耦合電路和微機的輸入接口電路組成，他的作用是溝通plc與外部硬件設施及上位機，起到通道的作用。種種選通、中斷請求電路構成了輸出接口電路。輸入輸出接口電路可以向現(xiàn)場的各類工業(yè)電氣器件發(fā)送控制信號，它是plc與外界工業(yè)設備溝通的基本橋梁，是plc控制功能實現(xiàn)的重要窗口。plc的正常運行階段分為三個。分別是輸入采樣階段，用戶程序執(zhí)行階段，和輸出刷新階段。在輸入采樣階段，控制器會用上文提到的掃描方式一次讀入所有的輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們?nèi)看嫒胗诚駞^(qū)中的相應的單元內(nèi)。輸入采樣結束后，會進入下一個用戶程序階段。在這一階段，plc將會按照由上而下的順序依次的掃描用戶程

10、序（梯形圖）。在掃描每一個梯形圖時又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序對由觸點構成的控制線路進行邏輯運算再之后然后根據(jù)邏輯運算的結果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)ram存儲區(qū)中的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在i/o映象區(qū)中對應位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。經(jīng)過以上兩個階段后，會進入輸出的新階段，在這個階段里，plc會根據(jù)之前存儲的輸出數(shù)據(jù)來刷新所有的輸出線路，通過輸出的相關電氣設備電路，才能驅動種種相關的工業(yè)外部設備。經(jīng)過以上的種種輸出步驟之后，plc才能夠將預設的程序所達到的預期控制功能圓滿完成。相比于單片機技術或者傳統(tǒng)的礦井提升機控制

11、技術，plc的優(yōu)點是十分明確的。最核心的優(yōu)點是plc具有強大的穩(wěn)定性，可以在極其惡劣的工業(yè)環(huán)境中長時間穩(wěn)定運行。而相比于傳統(tǒng)的電路及開關控制，plc的可編程特性又使他具有較高的適應能力，不管是改變plc的功能，還是礦井提升機具體工作參數(shù)的調(diào)整，都可借由編程邏輯的改變而實現(xiàn)。除了這兩個優(yōu)點之外，它強大的功能，配套化的硬件裝置，以及較小的維修工作量，都為礦井提升機的plc技術提供了優(yōu)勢點。在本次設計中選擇了三菱公司的一款plc產(chǎn)品，它的功能強大，能夠很好地滿足本次的設計任務。通過該款plc產(chǎn)品，配合變頻器的使用，能夠很好地控制礦井提升機正常運行，也為將來的功能調(diào)整提供便利。變頻技術簡介異步電機的轉

12、速主要有電壓和頻率決定。而現(xiàn)代變頻器技術則是通過改變電源頻率的方法來進行調(diào)速的控制設備，是一種整合了微電子技術和變頻技術的新型調(diào)速方式。變頻器主要由整流、濾波、逆變?nèi)蟛糠纸M成。其中對于頻率的調(diào)整是選擇了電力電子開關器件來實現(xiàn)的。通過對于多個電力電子開關器件的正確連線，在使用中通過開關的通斷可以進行無極的頻率電壓參數(shù)調(diào)節(jié)，這種新型的調(diào)速方法不但可以達到調(diào)速的預期目的，相比傳統(tǒng)的電阻調(diào)速，它還在節(jié)能方面有更突出的優(yōu)勢。市面上絕大多數(shù)變頻器均擁有自己的豐富的輔助功能，在電力控制的流程中，一旦產(chǎn)生了過載，過壓等等危險的故障現(xiàn)象，變頻器能夠通過安全回路和過載保護功能來很好的保護電機，同時提升了礦井提升

13、機運行中的安全系數(shù)。正是由于變頻技術隨著自動化技術的提升而越來越先進，目前，已經(jīng)在各類工業(yè)級電機的運行控制調(diào)速系統(tǒng)中，已經(jīng)成為了不可忽視的一種先進調(diào)速思路。變頻器目前的發(fā)展分為四代，第一代是正弦脈寬調(diào)制控制方式；第二代產(chǎn)品是電壓空間矢量控制方式；第三代產(chǎn)品是矢量控制方式；第四代產(chǎn)品是直接轉矩控制方式第3章各部分的設計動力系統(tǒng)主要有機械部分和電氣部分兩部分構成，礦井提升機的機械部分基本上由制動器、滾筒、減速器和底座四部分組成；電氣部分主要包括變頻器、plc控制設備、斷路器等電氣功能設備組成。液壓系統(tǒng)包括液壓站和潤滑站。在停車時先通過液壓站可以提供強大的制動力量，制動力通過滾筒施加給電機。而在提升

14、機啟動時，首先電機會在變頻器所施加一定力矩下受力，其次程序控制松開機械閘，這樣的設置可以防止溜車，從而保證系統(tǒng)安全可靠地運行。控制系統(tǒng)是整個設計的核心部分，也是本次設計的重點。通過對于三菱plc的使用，可以設定系統(tǒng)的工作方式和控制方式，可以發(fā)布系統(tǒng)的各種控制命令，以順利控制礦井提升機的種種運行狀態(tài)。監(jiān)控系統(tǒng)是保障礦井提升機正常運行和意外事件規(guī)避的重要部分。plc自身可以完成一定的數(shù)據(jù)處理比較功能。通過plc編程上的控制和設計，可以實時監(jiān)控電機的運算速度和運輸斗的位置，在不同的狀況下進行處理，從而很好地完成保障功能。安全回路則是保證整個運行系統(tǒng)安全的關鍵，它包括硬件回路和軟件回路兩條回路。安全回

15、路相互閉鎖，當一條斷開的時候，另外一條也會同時斷開。安全回路通過硬件回路實現(xiàn)。當檢測裝置發(fā)現(xiàn)故障信號時，通過接觸器的功能，可使硬件安全回路斷開，系統(tǒng)會立刻解除運行控制指令，解除變頻器的功能，通過液壓站進行制動，從而使礦井提升斗安全停止，保護人員安全。系統(tǒng)框架圖如下：圖3-1 系統(tǒng)框架圖上圖為提升控制系統(tǒng)各個部分之間關系的框架圖，該控制系統(tǒng)以plc為核心，以變頻器為重要組成部分，這兩個部分通力配合，以完成整個提升機運行過程的控制。旋轉編碼器的設置和與plc的互聯(lián)，可以使plc實時獲得電機的當前速度并監(jiān)控，各行程開關會為plc提供行程控制信號。是plc的控制輸入的重要組成部分。軟件設計思路軟件系統(tǒng)

16、的主要任務有：控制回路，安全回路，以及故障回路的編程。在控制回路中主要是控制加速和減速動作。在加速的階段要通過plc的命令控制變頻器的各段速度，通過行程開關和旋轉編碼器來確定實時速度及位置。當plc接收到來自行程開關的信號，說明到達相應的位置，從而實現(xiàn)相應的變速功能。一旦系統(tǒng)的各個監(jiān)控環(huán)節(jié)報出故障時，安全回路則應起到作用，斷開正傳和反轉的回路，鎖住整個運行，從而保證礦井提升機的安全運行。本設計中軟件正常運行的先決條件是硬件的正確布置。本設計在礦井中設置各個行程開關來確定礦井提升機的具體位置。如減速點，限位點等。一旦礦井提升機的機斗觸及行程開關，即可發(fā)出相應信號傳輸至plc，plc的中央處理器即

17、對該信號進行處理，按照程序的要求向變頻器發(fā)送相應的加速，減速，停機等信號。同時plc在收到警告信號時也能即刻處理，進行緊急停車。設計流程圖變頻器的選擇kv2000 系列變頻器是應用無感矢量技術，控制輸出電壓和頻率來改變?nèi)嘟涣鳟惒诫妱訖C運行速度的一種電力轉換器。通過電流傳感器，精確檢測出三相輸出交流信號及相位角度的變化，以無感矢量計算方式，自動修正頻率，以達到負載變動時電動機轉速穩(wěn)定的效果。礦井提升機的plc控制系統(tǒng)變頻器配線圖：本次設計中選擇了三菱公司的plc產(chǎn)品fx2n48mr來進行設計。r代表著它是繼電器輸出，可供交直流負載使用，能較好滿足本次設計的基本需求。48是輸入輸出點的總和，fx

18、是系列的名稱。這款三菱的plc使用和維護方便，非常可靠，它具有較強的抗干擾性，三菱公司的編程軟件和編程語言都十分簡單易學，便于普通工人使用。而且它的控制功能強，綜上所述，它非常適合與礦井提升機設計的使用。 plc輸入輸出口配置 礦井提升機的基本輸入口表序號工位名稱文字符號輸出口1編碼器a相x0012電源啟動sb1x0023電機制動sb2x0034電機正轉sb3x0045電機反轉sb4x0056上過卷復位sb5x0067下過卷復位sb6x0078變頻器故障復位sb7x0109變頻器故障sb8x01110緊急制動sb9x01211上減速點sq1x01312下減速點sq2x01413上過卷開關sq3

19、x01514下過卷開關sq4x01615上制動點sq5x01716下制動點sq6x020礦井提升機的基本輸出口表序號工位名稱文字符號輸出口1電源接觸器km1y0002電機正轉接觸器km2y0013電機反轉接觸器km3y0024變頻器復位接觸器km4y0035中速運行接觸器km5y0046高速運行接觸器km6y0057低速運行接觸器km7y0068制動接觸器km8y0079下過卷指示燈hl2y01010故障報警指示燈hl3y01111中速超速指示燈hl4y01212高速超速指示燈hl5y01313低速超速指示燈hl6y01414抱閘指示燈hl7y01515上限位制動燈hl8y01616下限位制動

20、燈hl9y01717上過卷指示燈hl1y02018抱閘輸出接觸器km9y021在表中輸入部分主要分為以下四個部分：1. 旋轉編碼器，旋轉編碼器作為監(jiān)控礦井提升機實時轉速的重要器件，通過三菱plc預設的x000進行通訊?；景粹o部分，這一部分有9個，分別為三個主令按鈕（電源啟動按鈕、電機正轉、電機反轉）、三個復位按鈕（上過卷復位、下過卷復位、變頻器故障復位）一個故障按鈕（變頻器故障）、一個抱閘按鈕以及一個制動按鈕。2. 總電源開關按鈕，主令按鈕（制動按鈕，正向按鈕，反向按鈕）。過卷復位按鈕（上過卷，下過卷）。故障復位按鈕一個。這些開關實現(xiàn)了plc的主要控制功能，不但包括開車的功能，也包括故障過卷

21、復位功能。3. 行程開關部分。閘瓦磨損開關，上下減速點開關，上下過卷開關，上下限位開關。通過這些開關可以確認容器在礦井中的位置并給予相應的控制信號。閘瓦磨損開關在被觸發(fā)后說明制動盤出現(xiàn)磨損過量，此時需要停止一切礦井生產(chǎn)生產(chǎn)活動進行剎車盤的更換工作。4. 其他開關信號。包括安全回路和變頻器故障兩個常閉開關信號。一旦出現(xiàn)安全回路開關跳起或者變頻器故障開關跳起，即會點亮故障燈，同時plc停止所有功能并剎車，以檢查故障情況。在表中輸出部分分為以下幾個部分：1. 變頻器控制信號輸出部分。這部分包括正傳控制信號，反轉控制信號，停車控制信號，調(diào)速輸出1，調(diào)速輸出2，調(diào)速輸出3。這些控制信號由plc輸出至變頻

22、器的特定功能端子，從而通過變頻器來輸出給提升機相應的控制信號。2. 警示信號。這部分包括上過卷指示和下過卷指示，故障報警指示，以及在等速段，減速段，爬行段的超速指示。這些指示燈會清楚明了的在控制臺上顯示運行狀態(tài)，是否有緊急情況發(fā)生，有利于情況的控制。在本次plc設計中所選擇的輸出端的提示燈和中間繼電器均選用220v交流工作電壓下的型號，以方便plc輸出端的配置。而輸入端則由三菱plc本身的特性，有24v的直流電源，以配合輸入端配置。同時24v的直流電也被用于給旋轉編碼器供電。 plc的輸入輸出接線圖3.4 系統(tǒng)保護和運行過程接380v電源，一路工作，一路備用，經(jīng)高壓開關柜的隔離開關qs、斷路器qf1為變頻器供電。熔斷器、電流互感器ta1、ta2和過流脫扣器kiq2用于過流保護。plc通過變頻器實現(xiàn)對礦井提升機的速度控制和制動。使用變頻器可以實現(xiàn)電動機的無級調(diào)速，減少電機啟動電流，減少機械沖擊，簡化控制線路。所以對于鋼結構方面可以延長使用壽命，用電量