礦井提升機交流電控系統(tǒng)控制電路設計

1、2011屆畢業(yè)設計（論文）160kW礦井提升機交流電控系統(tǒng)-控制電路設計系 部： 建設管理與房地產(chǎn)系 專業(yè)名稱： 工程管理 班 級： 09級 學 號： 作 者： 陳 磊 指導老師： 2011年10月08日同濟大學繼續(xù)教育學院本科畢業(yè)論文160kW礦井提升機交流電控系統(tǒng)-控制電路設計AC Electronic Control System of 160kW Mine Hoist - Design of Control Circuit 摘 要礦井提升機是煤炭、冶金等深井礦山生產(chǎn)過程中非常重要的設備。對礦井提升機的電氣控制設備基本要求是： 安全第一、高度可靠、功能強大、使用方便。目前國外基本上都采用

2、基于PLC技術的礦井提升機交流電控系統(tǒng)。而我國礦井提升機大多是采用交流異步電機拖動，其電氣控制系統(tǒng)采用轉子串、切電阻調速，由繼電器-接觸器構成邏輯控制裝置。隨著計算機和PLC技術的不斷發(fā)展，采用先進的控制技術改造礦山行業(yè)的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)已經(jīng)勢在必行。本文以安全、可靠、高效、經(jīng)濟為出發(fā)點，以可靠性原則為依據(jù)，對礦井提升機交流電控系統(tǒng)中轉子電路串電阻調速部分，進行研究設計，由可編程控制器(PLC)代替繼電器-接觸器構成邏輯控制裝置。并采用現(xiàn)代化的管理和監(jiān)視手段保障提升機的安全運行。從而使礦井提升機的控制性能得到極大的改善，使其自動化水平、安全、可靠性都達到新的高度。關鍵詞:礦井提升機；電控系統(tǒng)；PL

3、C技術AbstractMine hoist is very important equipment in production process of coal, metallurgy and so on of mine in such deep well. The basic requirements are: “safety first, high reliability, powerful, easy to use” for electronic control equipment of the mine hoist. Currently in foreign countries, con

4、trol system of mine hoist basically uses AC control system of PLC. But in China, the mine hoist mostly uses AC induction motor to drag, and the electronic control system uses rotor string of resistance or rotor cut resistance to adjustment speed, and using relays-contactor to constitute logic contro

5、l device. With the development of computer and PLC technology, using advanced control technology to transform mine industrys traditional control system has been imperative. This paper use safety, reliability, efficiency, economy as the starting point, according to the principle of reliability, we st

6、udy and design the part of rotor string of resistance and rotor cut resistance to adjustment speed in AC electronic control system of mine hoist. Programmable logic controller (PLC) replaces the relay-contactor to constitute logic control unit. Adopting modernized management and monitoring means to

7、guarantee the safe operation of the hoist. The control performance of mine hoist get a great improvement, and its automation level, safety and reliability reaches to new height.Keywords: mine hoist; electronic control system; PLC technology目 錄第一章 緒論11.1 礦井提升機交流電控系統(tǒng)的研究背景11.2 礦井提升機交流電控系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢11.

8、3 礦井提升機交流電控系統(tǒng)的研究目的和意義21.4 本文主要內容2第二章 可編程控制器（PLC）32.1 可編程控制器的基本概念32.2 可編程控制器的基本結構和工作原理32.2.1 可編程控制器的基本結構32.2.2 可編程控制器的工作原理42.3 可編程控制器的特點與應用52.3.1 可編程控制器的特點52.3.2 可編程控制器的應用62.4 可編程控制器控制系統(tǒng)與繼電器控制系統(tǒng)的比較72.4.1 可編程控制器控制與繼電器控制的區(qū)別72.4.2 可編程控制器控制系統(tǒng)與繼電器控制系統(tǒng)相比的優(yōu)點82.5 S7-200系列PLC92.5.1 S7-200系列PLC概述92.5.2 S7-200系

9、列PLC特點92.6 可編程控制器軟元件92.7 可編程控制器的編程語言102.8 本章小結10第三章 礦井提升機電控系統(tǒng)設計113.1 礦井提升機電控系統(tǒng)設計方案113.2 礦井提升機電控系統(tǒng)設計的要求和內容113.3 礦井提升機電控系統(tǒng)的工藝要求113.4 礦井提升機電控系統(tǒng)改造的途徑123.5 礦井提升機電控系統(tǒng)主電路設計123.5.1 主電路的結構與組成123.5.2 電機正、反轉回路133.5.3 調速回路133.5.4 測速回路143.5.5 制動回路143.5.6 安全回路143.6 礦井提升機主電路的運行過程143.7 本章小結15第四章 礦井提升機電控系統(tǒng)-PLC控制電路設計

10、164.1 PLC控制電路設計概述164.2 PLC控制電路設計的基本原則164.3 PLC控制電路設計的一般步驟和內容164.4 PLC控制電路的功能164.5 S7-200系列PLC及其擴展模塊的選型174.5.1 S7-200系列PLC的選型174.5.2 擴展模塊的選型174.6 PLC硬件接線圖184.6.1 PLC主接線圖184.6.2 PLC模擬量擴展模塊接線圖194.6.3 PLC數(shù)字量擴展模塊接線圖204.6.4 LED顯示電路214.7 技術經(jīng)濟分析214.8 本章小結22結 論23致 謝24參 考 文 獻25第一章 緒論1.1 礦井提升機交流電控系統(tǒng)的研究背景礦井提升機是

11、礦井人員、物資設備上下井的關鍵設備，常被人們稱為礦山的咽喉，是礦山最重要的設備，是地下礦井與外界的唯一通道，肩負著礦石、物料、人員等的重要運輸責任。目前，國內采用交流提升系統(tǒng)的礦井絕大部分仍是采用繼電器-接觸器控制的電控系統(tǒng)，這種傳統(tǒng)的電控系統(tǒng)存在著調速性能差、運行效率低、故障率高、使用壽命短，無法實現(xiàn)精確自動控制的缺陷。隨著計算機控制技術的發(fā)展，采用當代先進的計算機及輔助控制技術形成礦井提升機電氣控制系統(tǒng)，已成為勢在必行的局面。結合國內目前提升機電控系統(tǒng)的具體實際，新型的PLC技術與傳統(tǒng)的電控系統(tǒng)相結合應是一條適合我國國情的道路。在本文的礦井提升機控制系統(tǒng)設計中，即采用國內外先進的PLC控制

12、技術改造礦井傳統(tǒng)、落后的繼電器-接觸器式罐籠邏輯運行系統(tǒng)。1.2 礦井提升機交流電控系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢礦井提升機是煤炭、冶金等深井礦山生產(chǎn)過程中非常重要的設備。對礦井提升機的電氣控制設備基本要求是:安全第一、高度可靠、功能強大、使用方便。目前國外基本上都采用基于PLC技術的礦井提升機交流電控系統(tǒng)。PLC是當前工業(yè)控制領域應用量最大的工業(yè)控制之一。它在交流拖動的礦井提升機系統(tǒng)中得到應用, JTKD-PC型電控系統(tǒng)是目前較先進的礦井提升機交流拖動電控系統(tǒng)。JTKD-PC型電控系統(tǒng)采用日本立石公司C系列P型60+60點可編程序控制器, 配以用引進技術生產(chǎn)的真空接觸器和TSZX-01型提升機綜

13、合顯示控制儀、KT-KI JZD可調閘動力制動電子模板、YTXH-01型語言報警通訊機式提升信號系統(tǒng), 采用模板化電路結構構成。 然而國內礦井提升機交流控制系統(tǒng)絕大部分仍是采用繼電器-接觸器控制的電控系統(tǒng), 這種傳統(tǒng)的電控系統(tǒng)存在著調速性能差、運行效率低、故障率高、使用壽命短、 無法實現(xiàn)精確自動控制的缺陷。這種傳統(tǒng)的電控系統(tǒng)滯后于國外。隨著PLC技術的發(fā)展,結合目前提升機電控系統(tǒng)的具體實際, 新型的PLC技術與傳統(tǒng)的電控系統(tǒng)相結合應是一條適合我國國情的道路。 1.3 礦井提升機交流電控系統(tǒng)的研究目的和意義目前我國的礦井提升機電控系統(tǒng),絕大部分仍采用繼電器-接觸器控制。這種傳統(tǒng)的電控系統(tǒng)存在著調

14、速性能差、運行效率低、故障率高、使用壽命短、無法實現(xiàn)精確自動控制的缺陷?，F(xiàn)代的PLC技術是計算機與傳統(tǒng)繼電器邏輯控制技術相結合的產(chǎn)物。它從產(chǎn)生到發(fā)展至今,經(jīng)歷了一系列深刻的變化, 不但占領了已過時的繼電器系統(tǒng)與常規(guī)電子系統(tǒng)的廣大市場,而且與現(xiàn)代各種微機控制系統(tǒng)展開了激烈的競爭,掀起了一場控制設備的革命。目前幾乎每個工業(yè)領域都有PLC的身影。 PLC是專為工業(yè)現(xiàn)場使用的計算機，其處理開關量大,多達上千個,且不改變外部接線只改變程序就可以完成控制系統(tǒng)的修改，省時、省力、編程容易、操作簡單。同時PLC具有體積小、功耗低、性價比高、可靠性高、抗干擾能力強、故障率低、維護簡單、自動化、集成化程度高的特點

15、,能夠完成較復雜的邏輯運算。 從目前各種不同的技術改造方案的比較看,采用PLC技術與傳統(tǒng)的繼電器-接觸器控制系統(tǒng)相結合的方案, 是一條符合我國國情的提升機電控系統(tǒng)改造的優(yōu)選方案。用PLC技術對礦井提升機電控系統(tǒng)進行改造不但可以加強系統(tǒng)的控制功能,加強系統(tǒng)對故障的判別和處理能力,而且也大大的提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性，改造后的系統(tǒng),維護工作量比原系統(tǒng)減少了40% ,耗電量減少了20%-30%，節(jié)能效果顯著。同時也提高了礦井提升機的現(xiàn)代化水平。1.4 本文主要內容本課題主要是設計一種基于PLC技術的礦井提升機交流電控系統(tǒng)-控制電路。針對傳統(tǒng)的采用繼電器-接觸器控制的電控系統(tǒng)存在的一些問題，提出了P

16、LC技術在礦井提升機在交流電控系統(tǒng)中的應用，設計基于PLC技術的電控系統(tǒng)控制電路，從而克服并改進原有系統(tǒng)的缺陷和不足，進一步提高礦井提升機的現(xiàn)代化水平。第二章 可編程控制器（PLC）2.1 可編程控制器的基本概念可編程控制器即可編程邏輯控制器簡稱PLC（Programmable Logic Controller）。PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用一類可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、定時、計數(shù)和算術操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字式或者模擬式輸入輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC及其外圍有關設備都按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)連

17、成一個整體，易于擴充其功能的原則設計的?？删幊炭刂破鞯男阅苤笜耸鞘褂谜呦忍岢龅摹?.2 可編程控制器的基本結構和工作原理2.2.1 可編程控制器的基本結構（1）中央處理器（CPU） 中央處理器是可編程控制器的核心，它在系統(tǒng)程序的控制下，完成邏輯運算、數(shù)學運算、協(xié)調系統(tǒng)內部各部分工作等任務?？删幊炭刂破髦胁捎玫腃PU一般有三大類：一類為通用微處理器，一類為單片機芯片，另外還有位處理器。一般來說，可編程控制器的檔次越高，CPU的位數(shù)也越多，運算速度也越快，指令功能也越強。為了提高PLC的性能，也有的一臺PLC采用了多個CPU。（2）存儲器 存儲器是可編程控制器存放系統(tǒng)程序、用戶程序及運算數(shù)據(jù)的單元

18、?？删幊炭刂破鞯拇鎯ζ骺煞譃橹蛔x存儲器（ROM）和隨機讀寫存儲器（RAM）兩大類。只讀存儲器是用來存放永久保存的系統(tǒng)程序。隨機讀寫存儲器的特點是寫入和擦除都很容易，但在掉電的情況下存儲的數(shù)據(jù)會丟失，一般用來存放用戶程序及系統(tǒng)運行中產(chǎn)生的臨時數(shù)據(jù)。（3）輸入輸出接口 輸入輸出接口是可編程控制器和工業(yè)控制現(xiàn)場各類信號連接的部分。輸入接口用來接受生產(chǎn)過程的各種參數(shù)。輸出接口用來送出可編程控制器運算后得出的控制信息，并通過機外的執(zhí)行機構完成工業(yè)現(xiàn)場的各類控制。輸入輸出接口主要有以下幾種:開關量輸入接口，開關量輸出接口，模擬量輸入接口，模擬量輸出接口，智能輸入輸出接口。（4）電源及外部設備 可編程控制器

19、的電源包括為可編程控制器各工作單元供電的開關電源及為掉電保護電路供電的后備電源，后備電源一般為電池。 外部設備主要是指編程器?？删幊炭刂破鞯奶攸c是它的程序是可變更的，能方便地加載程序，也可方便地修改程序。編程設備就成了可編程控制器工作中不可缺少的設備。編程器除了編程之外，還具有一定的調試及監(jiān)控功能，能實現(xiàn)人機對話操作。2.2.2 可編程控制器的工作原理整個掃描過程分為內部處理、通信操作、程序輸入處理、程序執(zhí)行、程序輸出幾個階段，全過程掃描一次所需要的時間稱為掃描周期。內部處理階段，PLC檢查CPU模塊的硬件是否正常，復位監(jiān)視定時器等。在通信服務階段，PLC與一些智能模塊通信、響應編程器鍵入的命

20、令、更新編程器的顯示內容等。當PLC處于停止(STOP)狀態(tài)時，只進行內部處理和通信操作服務等內容。當PLC處于運行(RUN)狀態(tài)時，從內部處理、通信操作、程序輸入、程序執(zhí)行、程序輸出、一直循環(huán)掃描工作。（1）輸入處理 也叫輸入采樣，在此階段，順序讀入所有輸入端子的通、斷電狀態(tài)，并將讀入的信息存入內存中所對應的映像寄存器。在此輸入映像寄存器被刷新。接著進入程序執(zhí)行階段，在程序執(zhí)行時，輸入映像寄存器與外界隔離，即使輸入信號發(fā)生變化，其映象寄存器的內容不會發(fā)生改變，只有在下一個掃描周期的輸入處理階段才能被讀入信息。（2）程序執(zhí)行根據(jù)PLC梯形圖程序掃描原則，按先左右后上下的順序，逐句掃描，執(zhí)行程序

21、。但遇到程序跳轉指令時則根據(jù)跳轉條件是否滿足決定程序的跳轉地址。用戶程序涉及到輸入輸出狀態(tài)時，PLC輸出映像寄存器中讀出上一階段采入的對應輸入端子狀態(tài)。根據(jù)用戶程序進行邏輯運算，運算結果再存入有關器件寄存器中，對每個器件而言，器件映像寄存器中所存的內容，會隨著程序執(zhí)行過程而變化。（3）輸出處理程序執(zhí)行完畢后，將輸出映像寄存器，即器件映像寄存器中的寄存器狀態(tài)。在輸出處理階段轉存到輸出鎖存器，通過隔離電路驅動功率放大電路，使輸出端子向外界輸出控制信號，驅動外部負載。掃描周期是PLC一個很重要的指標，小型PLC的掃描周期一般為十幾毫秒到幾十毫秒。PLC的掃描時間取決于掃描速度和用戶程序的長短，毫秒級

22、的掃描時間對于一般工業(yè)常是可以接受的，PLC的響應滯后是允許的，但是對某些I/0快速響應的設備，則應采取相應的處理措施。如選用高速CPU，提高掃描速度，采用快速響應模塊、高速計數(shù)器模塊以及不同的中斷處理等措施減少滯后時間。影響I/O滯后的主要原因有：輸入濾波器的慣性、輸出繼電器接點的慣性、程序執(zhí)行的時間、程序設計不當?shù)母郊佑绊懙?。對用戶來說選擇一個PLC，合理的編制程序是縮短響應的關鍵。2.3 可編程控制器的特點與應用2.3.1 可編程控制器的特點（1）可靠性高，抗干擾能力強 高可靠性是電氣控制設備的關鍵性能。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術，嚴格的生產(chǎn)工藝制造。內部電路采用了先進的抗干擾

23、技術，具有很高的可靠性。此外，PLC具有硬件故障的自我檢測功能，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息。（2）配套齊全，功能完善，適用性強 PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品，可以用于各種規(guī)模的工業(yè)控制場合。現(xiàn)代PLC不僅具有邏輯處理功能還具備了完善的數(shù)據(jù)處理能力，可用于各種數(shù)字控制領域。隨著PLC通訊能力的增強及人機界面技術的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。（3）編程方便，易學易用PLC作為通用工業(yè)控制計算機，是面向工礦企業(yè)的工控設備，其編程語言易為工程技術人員接受。像梯形圖語言的圖形符號和表達方式與繼電器電路圖非常接近，只用PLC的少量開關邏輯控制指令就可以方便

24、地實現(xiàn)繼電接觸器電路的功能。（4）系統(tǒng)設計周期短，維護方便，改造容易PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大地減少了控制設備外部的接線，使控制系統(tǒng)設計周期大大縮短，同時維護也變得更容易起來。更重要的是使同一設備經(jīng)過改變程序來改變生產(chǎn)過程成為可能。因此很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。（5）體積小，重量輕，能耗低 以超小型PLC為例，其新近產(chǎn)品的品種底部尺寸小于100mm2，重量小于150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機械內部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設備。2.3.2 可編程控制器的應用（1）開關量的邏輯控制 這是PLC最基本、最廣泛的應用領域，可用它取代傳統(tǒng)的繼電器控制電路，實現(xiàn)邏輯控制、順序

25、控制，既可用于單臺設備的控制，又可用于多機群控制及自動化流水線。（2）模擬量控制 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器能處理模擬量信號，PLC廠家生產(chǎn)有配套的A/D和D/A轉換模塊，使可編程控制器可用于模擬量控制。（3）運動控制 PLC可以用于圓周運動或直線運動的控制。從控制機構配置來說，早期直接用開關量I/O模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機構，現(xiàn)在可使用專用的運動控制模塊。如可驅動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊。（4）過程控制 過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計算機，PLC能編制各種各樣的控制

26、算法程序，完成閉環(huán)控制。（5）數(shù)據(jù)處理 現(xiàn)代PLC具有數(shù)學運算、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)轉換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。數(shù)據(jù)處理一般用于大型控制系統(tǒng)，也可用于過程控制系統(tǒng)。（6）通信及聯(lián)網(wǎng) PLC通信包含PLC之間的通信以及PLC與其他智能設備間的通信。隨著計算機控制的發(fā)展，工廠自動化網(wǎng)絡發(fā)展將會加快，各PLC廠商都十分重視PLC的通訊功能，紛紛推出各自的網(wǎng)絡系統(tǒng)。最新生產(chǎn)的PLC都具有通訊接口，實現(xiàn)通訊非常方便。2.4 可編程控制器控制系統(tǒng)與繼電器控制系統(tǒng)的比較2.4.1 可編程控制器控制與繼電器控制的區(qū)別可編程控制器（PLC）的梯形圖與繼電器控制線路圖十分相似，主要原

27、因是可編程控制器（PLC）的梯形圖在繪制上沿用了繼電器控制的電路元件符號和術語，僅個別之處有些不同。同時，信號的輸入/輸出形式及控制功能基本上也是相同的，但PLC的控制與繼電器的控制又有根本的不同之處，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。（1）控制邏輯繼電器控制邏輯采用硬接線邏輯，利用繼電器機械觸點的串聯(lián)或并聯(lián)。及延時繼電器的滯后動作等組合成控制邏輯，其接線多而復雜、體積大、功耗大、故障率高，一旦系統(tǒng)構成后，想再改變或增加功能都很困難。另外，繼電器觸點數(shù)目有限，每個只有4-8對觸點。因此靈活性和擴展性很差。而PLC采用存儲器邏輯，其控制邏輯以程序方式存儲在內存中，要改變控制邏輯，只需要改變程序即可，故稱為

28、“軟接線”，因此靈活性和擴展性都很好。（2）工作方式電源接通時，繼電器控制線路中各繼電器同時都處于受控狀態(tài)，即該吸合的都應吸合，不該吸合的都因受某種條件限制不能吸合，它屬于并行工作方式。而PLC的控制邏輯中，各內部器件都處于周期性循環(huán)掃描過程中，屬于串行工作方式。（3）可靠性和可維護性繼電器控制邏輯使用了大量的機械觸點，連線也多。觸點開閉時會受到電弧的損壞，并有機械磨損，壽命短，因此可靠性和可維護性差。而PLC采用微電子技術，大量的開關動作由無觸點的半導體電路來完成，體積小、壽命長、可靠性高。PLC還配有自檢和監(jiān)督功能，能檢查出自身的故障，并隨時顯示給操作人員，還能動態(tài)地監(jiān)視控制程序的執(zhí)行情況

29、，為現(xiàn)場調試和維護提供了方便。（4）控制速度繼電器控制邏輯依靠觸點的機械動作實現(xiàn)控制，工作頻率低，觸點的開閉動作一般在幾十毫秒數(shù)量級。另外，機械觸點還會出現(xiàn)抖動問題。而PLC是由程序指令控制半導體電路來實現(xiàn)控制，屬于無觸點控制，速度極快，一般一條用戶指令的執(zhí)行時間在微秒數(shù)量級，且不會出現(xiàn)抖動。（5）定時控制繼電器控制邏輯利用時間繼電器進行時間控制。一般來說，時間繼電器存在定時精度不高，定時范圍窄，且易受環(huán)境濕度和溫度變化的影響，調整時間困難等問題。PLC使用半導體集成電路做定時器，時基脈沖由晶體振蕩器產(chǎn)生，精度相當高，且定時時間不受環(huán)境的影響，定時范圍一般從01ms到若干天或更長。用戶可根據(jù)需

30、要在程序中設置定時值，然后由軟件來控制定時時間。（6）設計和施工使用繼電器控制邏輯完成一項控制工程，其設計、施工、調試必須依次進行，周期長，而且修改困難。工程越大，這一點就越突出。而用PLC完成一項控制工程，在系統(tǒng)設計完成以后，現(xiàn)場施工和控制邏輯的設計(包括梯形圖設計)可以同時進行，周期短，且調試都很方便。從以上幾個方面的比較可知，PLC在性能上比繼電器控制邏輯優(yōu)異，特別是可靠性高、通用性強、設計施工周期短，而且體積小、功耗低、調試、使用維護方便。2.4.2 可編程控制器控制系統(tǒng)與繼電器控制系統(tǒng)相比的優(yōu)點（1）可靠性高、抗干擾能力強硬件和軟件兩方面采用了屏蔽、濾波、隔離、故障診斷和自動恢復等措

31、施，使可編程控制器具有很強的抗干擾能力,無故障時間長達(3-5)*104小時以上。（2）編程簡單、直觀可編程控制器面向用戶、面向現(xiàn)場，采用的是面向控制過程的梯形圖語言。（3）適應性強，應用靈活可編程控制器是通過程序實現(xiàn)控制的，當控制要求發(fā)生改變時，只要修改程序即可，由于可編程控制器產(chǎn)品已標準化、系列化、模塊化，因此能方便的靈活的進行系統(tǒng)配置，組成規(guī)模不同、功能不同的控制系統(tǒng)，適應能力強，即可控制一臺單機一條生產(chǎn)線，又可以控制一個復雜的群控系統(tǒng)，即可以現(xiàn)場控制，又可以遠距離控制。（4）功能完善，接口功能強目前的可編程控制器具有數(shù)字量和模擬量的輸入輸出、邏輯和算術運算、定時、計數(shù)、順序控制、通信、

32、人機對話、自檢、記錄和顯示等功能，使設備控制水平大大提高，接口功率驅動極大的方便了用戶，可以將可編程控制器與各種不同的現(xiàn)象設備順利聯(lián)結，輸出接口在大多數(shù)情況下也可以直接與各種傳統(tǒng)的繼電器、接觸器及電磁閥等聯(lián)接。（5）維修方便、維修工作量小PLC有完善的自診斷、履歷情報存儲及監(jiān)視功能。PLC對于其內部工作狀態(tài)、通信狀態(tài)、異常狀態(tài)和I/0點的狀態(tài)均有顯示。工作人員通過它可以查處故障原因，便于迅速處理。2.5 S7-200系列PLC2.5.1 S7-200系列PLC概述目前，在中國市場上最具競爭力的西門子公司、三菱公司、歐姆龍公司、AB公司所推出的PLC均為從小到大全系列的產(chǎn)品，可以滿足各種各樣的要

33、求。西門子系列的PLC，有S7-200：微型PLC，單機最大容量為256點：S7-300：小到中型PLC單機最大容量為l K點；S7-400：大到超大型PLC，單機可組態(tài)點數(shù)過萬點。S7-200系列是西門子公司生產(chǎn)的小型PLC，其緊湊的結構、低廉的成本以及功能強大的指令集使得它廣泛應用于各種集散自動化系統(tǒng)。它可以單機運行，可以進行輸入/輸出和功能模塊的擴展。使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復雜的自動化控制。S7-200系列的強大功能使其無論在獨立運行中，或相連成網(wǎng)絡皆能實現(xiàn)復雜控制功能。因此S7-200系列具有極高的性能/價格比。2.5.2 S7-200系列PLC特點（1）極高的可靠性

34、；（2）極豐富的指令集；（3）易于掌握；（4）便捷的操作；（5）豐富的內置集成功能；（6）實時的特性；（7）強勁的通訊能力；（8）豐富的擴展模塊；2.6 可編程控制器軟元件軟元件(軟繼電器)，用戶使用的PLC中的每一個輸入/輸出、內部存儲單元、定時器和計數(shù)器等都稱為軟元件。各元件有其不同的功能，有固定的地址。軟元件的數(shù)量決定了可編程控制器的規(guī)模和數(shù)據(jù)處理能力，每一種PLC的軟元件是有限的。軟元件是PLC內部的具有一定功能的器件，這些器件實際上是由電子電路和寄存器及存儲器單元等組成。例如，輸入/輸出繼電器是由輸入電路和輸入映像寄存器構成；輸出繼電器是由輸出電路和輸出映像寄存器構成；定時器和計數(shù)器

35、也都是由特定功能的寄存器構成。它們都具有繼電器特性，但沒有機械性的觸點。為了把這種元器件與傳統(tǒng)電氣控制電路中的繼電器區(qū)別開來，我們把它們稱為軟元件或軟繼電器。這些軟繼電器的最大特點是其觸點(包括常開觸點和常閉觸點)可以無限次使用，并且它們的壽命長。2.7 可編程控制器的編程語言可編程控制器是一種工業(yè)控制計算機，不僅有硬件，軟件也必不可少，目前可編程控制器常用的編程語言有四種，梯形圖編程語言，指令語句表語言，功能圖編程語言，高級編程功能語言。其中梯形圖語言形象直觀，類似電氣控制系統(tǒng)中繼電器控制電路圖，邏輯關系明顯；指令語句表編程語言雖然不如梯形圖編程語言直觀，但有鍵入方便的特點；功能圖編程語言和

36、高級編程語言需要比較多的硬件設備，工程當中特殊場合下不是經(jīng)常用到。2.8 本章小結 本章首先介紹了可編程控制器的概念、基本結構、工作原理、特點與應用。在此基礎上，把可編程控制器控制系統(tǒng)和繼電器-接觸器控制系統(tǒng)進行了比較，指出了兩者的區(qū)別和可編程控制系統(tǒng)的優(yōu)勢。接著介紹了西門子S7-200系列PLC的應用與特點。最后了解了可編程控制器的軟元件和編程語言。第三章 礦井提升機電控系統(tǒng)設計3.1 礦井提升機電控系統(tǒng)設計方案（1）了解提升機的工藝要求和電控技術標準；（2）設計具體的PLC控制電路；（3）對控制系統(tǒng)的相關電量和參數(shù)進行計算，根據(jù)計算結果對控制器件進行選型；（4）用AUTOCAD完成電路圖的

37、設計；3.2 礦井提升機電控系統(tǒng)設計的要求和內容（1） 160kW、380V三相繞線式交流異步電動機；（2） 西門子S7-200系列PLC；（3） 采用轉子串電阻的調速方案；（4） 用PLC設計控制電路以及其它輔助電路；（5） 電路應具有完善的保護功能，如超速、過卷等；（6） 控制設備和調速電阻的選型；3.3 礦井提升機電控系統(tǒng)的工藝要求（1）加(減)速度大小的確定應符合以下條件應符合國家有關安全生產(chǎn)規(guī)程的規(guī)定。升降人員時，加速度a075m/s，升降物料時，加速度a12m/s。應不超過提升機的減速器所允許的動力矩。（2）具有良好的調速性能要求速度平穩(wěn)，調速方便，調速范圍大，能滿足各種運行方式及

38、提升階段(如加速、減速、等速等)穩(wěn)定運行的要求。（3）有較好的啟動性能提升機不同于其他機械，不可能待系統(tǒng)運轉后再裝加物料，因此，必須能重載啟動，有較高的過負荷能力。（4）特性曲線要硬要保證負載變化時，提升速度基本上不受影響，防止負載不同時，速降過大影響系統(tǒng)正常工作(當然，當負載超過一定的限度時，還要求系統(tǒng)能有效地自我保護，迅速安全制動停車)。（5）工作方式轉換容易要能夠方便地進行自動、半自動、手動、驗繩、調繩等工作方式的轉換，操作方便，控制靈活，不至于因工作方式的轉換影響正常生產(chǎn)。（6）盡量采用新技術和節(jié)能設備，易于實現(xiàn)自動化控制和提高整個系統(tǒng)的工作效率。（7）要求具備各種必要的連鎖和安全保護

39、環(huán)節(jié)，確保系統(tǒng)安全運行。（8）要盡量節(jié)約投資和降低運轉費用。3.4 礦井提升機電控系統(tǒng)改造的途徑礦井提升機的主電動機采用繞線型異步電動機，通過其轉子軸上的滑環(huán)，向轉子繞組回路接入電阻，以便進行起動和調速，對電控系統(tǒng)進行局部的修改、完善。根據(jù)我國國情，按照可靠性系統(tǒng)工程的原理，對現(xiàn)有的提升電控系統(tǒng)進行綜合分析、評價，盡量采用國內外的新技術成果，形成一套較為完整的改造方案及適用的換代產(chǎn)品。根據(jù)現(xiàn)有的經(jīng)濟條件，對繞線異步電機串電阻的調速部分的電路，采用無觸點的PLC系統(tǒng)代替原有觸點的繼電器邏輯控制系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的安全性及可靠性，充分利用PLC的多種功能，進一步改善控制性能，防止控制系統(tǒng)的內外部干擾。

40、使提升控制系統(tǒng)的速度達到理想狀態(tài)。3.5 礦井提升機電控系統(tǒng)主電路設計3.5.1 主電路的結構與組成主電路用于供給提升電動機電源，實現(xiàn)失壓、過流保護，控制電機的轉向和調節(jié)轉速。主電路由隔離開關、正反向接觸器長開主觸頭、直流制動電源、測速發(fā)電機、三相交流電動機、調速電阻、電流互感器、電流表和電壓表等組成。220V交流電經(jīng)隔離開關-Q1，正反向接觸器長開主觸頭-KM1、-KM2后到主電機的定子。線路中之所以設置隔離開關-Q1，是為了避免電器元件因過壓而燒毀。正反向接觸器長開主觸頭-KM1、-KM2是用來控制提升機提升和下放的。電流表-PA測量輸入電流，電壓表-PV1測量輸入電壓，電壓表-PV2測量

41、電動機轉子電壓。圖3-1 礦井提升機主電路控制原理圖3.5.2 電機正、反轉回路正反轉換向回路由正反轉換向接觸器長開主觸頭-KM1、-KM2組成。用以安全地實現(xiàn)接通或斷開提升機主電動機的電源，并改變其旋轉方向，實現(xiàn)自動提升和下放。電機正反轉回路有自動換向回路和手動換向回路。自動換向回路用于自動化提升。在本控制線路中，自動換向回路不能進行自動換向和自動啟動，只能自動控制正反轉接觸器到停車位置時切斷電源，并防止司機因操作方向錯誤可能造成的過卷事故。3.5.3 調速回路調速回路由電阻R1、R2、R3、R4、R5、R6和接觸器KM4、KM5、KM6、KM7、KM8、KM9 組成。當電機開始運行，根據(jù)時

42、間為主和電流為輔的原則，進行切電阻，直至正常運行。當電機減速停車時，以同樣的原則進行串電阻，直至停車為止。3.5.4 測速回路測速回路就是把提升機的實際速度測量出來并轉化為電量，以供給速度回路和一些以速度為函數(shù)的電器控制元件。上圖中TG為直流測速發(fā)電機，它的轉子由提升機主軸所帶動，激磁由固定的穩(wěn)壓電源供給，因此TG的輸出電壓與提升機的實際速度成正比。一般當V=V。時，TG的端電壓u=220V。3.5.5 制動回路制動回路通過直流電源對電動機進行制動。當提升機需要停車的時候我們切斷三相交流電源，并將直流電源接入主回路中，使電動機減速直至停車。3.5.6 安全回路在提升機電控系統(tǒng)中，設有必要的連鎖

43、和保護線路，即安全回路。安全回路用于防止和避免提升機發(fā)生意外事故。（1）超速保護等速超速保護，當提升機運行速度超過最大速度的15%，PLC判斷后安全回路斷開；減速超速保護，減速后若提升機運行速度超過給定速度的10%，PLC判定后安全回路斷開。（2）過卷保護過卷開關裝在深指器和井架上，當提升容器超出正常停車位0.5米時，安全回路斷開。3.6 礦井提升機主電路的運行過程（1）開車前準備工作先將制動手柄置于緊閘位置，然后將主令控制器的操縱手柄置于中間零位。合上隔離開關-Q1，此時，電壓表-PV1應指示出高壓線路電壓。檢查過卷復位開關是否在正常位置(即中間位置)。啟動制動油泵、潤滑油泵。最后使控制電源

44、接通。（2）提升機的加速當井口發(fā)出開車信號后，信號接觸器得電并自鎖，司機將制動手柄向前推離緊閘位置，此時，提升方向控制回路的制動手柄連鎖開關的常開觸頭閉合，隨著制動手柄不斷向前推進，電液調壓裝置線圈中的電流不斷增大，提升機松閘。隨著各段電阻的依次切除，提升機實現(xiàn)自動加速過程，直到切除第六段電阻為止。轉子電阻全部切除后，電機在自然特性曲線上運轉。等速階段，電機工作在自然特性曲線上，不需要任何控制。（3）提升機的減速與停車采用電動機減速方式時，使電機處于減速準備階段。使電機投入到直流電源制動狀態(tài)，主電機轉子接入一部分電阻，電機就由自然特性過渡到人工特性上，開始減速，司機可根據(jù)減速的要求，用主令控制

45、手柄將電阻逐段加入，直到快到終點位置時，投入低頻制動，使提升機穩(wěn)定停車。3.7 本章小結 本章主要講述礦井提升機電控系統(tǒng)的設計。首先介紹了電控系統(tǒng)的設計方案、控制內容及其工藝要求。然后根據(jù)設計方案和要求，提出了電控系統(tǒng)的改造途徑，并設計了控制系統(tǒng)主電路。最后分析了主電路原理圖的功能和控制過程。第四章 礦井提升機電控系統(tǒng)-PLC控制電路設計4.1 PLC控制電路設計概述系統(tǒng)設計包括硬件系統(tǒng)設計和軟件系統(tǒng)設計。硬件系統(tǒng)設計主要包括PLC及外圍線路的設計、電氣線路的設計和抗干擾措施的設計等。軟件系統(tǒng)設計主要指編制PLC控制程序。選定PLC和分配I/0地址后，硬件設計的主要內容就是電氣控制系統(tǒng)原理圖的

46、設計，電氣控制元器件的選擇。電氣控制系統(tǒng)原理圖包括主電路和控制電路?？刂齐娐分邪≒LC和I/O接線和自動部分、手動部分的詳細連接的安裝。電氣元器件的選擇主要是根據(jù)控制要求選擇按鈕、開關、傳感器、保護電器、接觸器、指示燈等?？刂葡到y(tǒng)軟件設計的難易程度因控制任務而異，也因人而異。對經(jīng)驗豐富的工程技術人員來說，在長時間的專業(yè)工作中，受到過各種各樣的磨練，積累了許多經(jīng)驗，除了一般的編程方法外，更有自己的編程技巧和方法。但不管怎么說，平時多注意積累和總結是很重要的。4.2 PLC控制電路設計的基本原則（1）選用的PLC必須最大限度的滿足被控對象的控制要求；（2）選用的PLC不僅要著眼于現(xiàn)在還要適當?shù)目?/p>

47、慮將來發(fā)展的需要；（3） 在滿足上述兩個前提的情況下，力求使系統(tǒng)具有較好的性能和低廉的價格；4.3 PLC控制電路設計的一般步驟和內容（1）根據(jù)被控對象的控制要求，確定這個系統(tǒng)的輸入輸出設備的數(shù)量，從而確定PLC的I/O的點數(shù)，包括開關量I/O，模擬量I/0以及特殊功能模塊；（2）選用的PLC的I/O點數(shù)應有一點余量，在性能價格比變化不大的情況下，盡可能選用同類型中功能強的一代PLC；（3）建立I/O分配表，繪制PLC控制系統(tǒng)的輸入輸出接線圖；4.4 PLC控制電路的功能（1）自動控制提升機運行；（2）監(jiān)視提升機運行的安全狀態(tài)，自動采取相應對策；（3）自動檢測故障的功能；（4）有三種工作模式，

48、適應各種工作狀況；4.5 S7-200系列PLC及其擴展模塊的選型4.5.1 S7-200系列PLC的選型S7-200系列PLC可提供4個不同基本型號的8種CPU，根據(jù)提升機電控系統(tǒng)的調速控制要求，對電氣控制系統(tǒng)中的電動機串電阻調速部分電路進行了改進，并根據(jù)開關量輸入輸出點數(shù)，選擇S7-200系列的CPU 226可編程控制器，該可編程控制器共有24點輸入和16點輸出共40個數(shù)字量I/O點，它有7個擴展模塊，有內置時鐘，它有更強的模擬量和高速計數(shù)的處理能力，在這次系統(tǒng)設計中需要2個擴展模塊，除滿足該系統(tǒng)的要求外還有一定的余量。西門子公司的CPU 226具有控制可靠、價格較低、性能優(yōu)良、程序容量較

49、大、運行速度快、編程靈活等優(yōu)點，既能提高工作質量，又可以取得良好的經(jīng)濟效益。4.5.2 擴展模塊的選型（1）數(shù)字量輸出模塊選擇當PLC本機提供的數(shù)字量輸入/輸出點數(shù)不能滿足控制需要時，可以選用數(shù)字量擴展模塊來擴展數(shù)字量輸入/輸出點。S7-200系列PLC提供3類數(shù)字量輸入/輸出模塊，系列號分別為EM221，EM222，EM223。數(shù)字量輸出模塊分為直流輸出模塊、交流輸出模塊和繼電器輸出模塊。每一個輸出點用于驅動負載的開關信號，負載可以是指示燈、繼電器線圈、電磁閥線圈等。例如，直流輸出模塊EM222 8*24V具有8個數(shù)字量輸出點，分為兩組，每組需要提供一個DC 24V電源；交流輸出模塊EM22

50、2 8*120/230V(AC)具有8個分割式的數(shù)字量輸出點，各自需要一個獨立的交流電源；交直流輸出模塊EM222 8*繼電器具有8個輸出點，分為兩組，每組需要提供一個外部電源（可以是直流或交流電源）。由于S7-200系列CPU 226的輸出端子不夠用，需選用一個數(shù)字量輸出擴展模塊。數(shù)字量輸出擴展模塊EM222滿足所需輸出點。所以選擇EM222即可。（2）模擬量輸入模塊選擇PLC的CPU只能處理數(shù)字量信號，模擬量信號是一種連續(xù)變化的物理量。為實現(xiàn)模擬量控制，必須先對模擬量進行模/數(shù)(A/D)轉換，將模擬信號轉換成PLC所能接受的數(shù)字信號。模擬量輸入模塊的功能就是實現(xiàn)A/D轉換。S7-200有三

51、種模擬量擴展模塊，系列號分別為EM231,EM232，EM235。EM231是具有四輸入模擬量輸入模塊。本控制系統(tǒng)需要將測速發(fā)電機的電壓信號輸入PLC，由于電壓是模擬量，因此需要一個模擬量輸入模塊來實現(xiàn)。所以選擇模擬量輸入模塊EM231即可。4.6 PLC硬件接線圖4.6.1 PLC主接線圖表4-1 輸入接線表輸入輸入外設I0.0提升按鈕I0.1提升減速開關I0.2提升停車開關I0.3提升過卷開關I0.4下放按鈕I0.5下放減速開關I0.6下放停車開關I0.7下放過卷開關表4-2 輸出接線表輸出輸出設備功能Q0.0接觸器K1提升Q0.1接觸器K2下放Q0.2接觸器K3直流制動Q0.3接觸器K4

52、切除R1Q0.4接觸器K5切除R2Q0.5接觸器K6切除R3Q0.6接觸器K7切除R4Q0.7接觸器K8切除R5Q1.0接觸器K9切除R6Q1.1接觸器K10抱閘Q1.2指示燈HL1提升Q1.3指示燈HL2下放Q1.4指示燈HL3制動Q1.5指示燈HL4超速Q(mào)1.6指示燈HL5抱閘Q1.7指示燈HL6停止圖4-1 PLC控制電路4.6.2 PLC模擬量擴展模塊接線圖圖4-2 PLC模擬量擴展模塊EM231是PLC的模擬量輸入擴展模塊，用于輸入由測速發(fā)電機轉換過來的電壓，通過對測速電壓的檢測監(jiān)視電動機的轉速大小，如果超速，則發(fā)出報警信號，及時作出故障處理。4.6.3 PLC數(shù)字量擴展模塊接線圖表

53、4-3 擴展模塊輸出接線表輸出輸出外設Q2.0譯碼器CD4513的管腳AQ2.1譯碼器CD4513的管腳BQ2.2譯碼器CD4513的管腳CQ2.3譯碼器CD4513的管腳DQ2.4譯碼器CD4513的使能端LE1Q2.5譯碼器CD4513的使能端LE2Q2.6譯碼器CD4513的使能端LE3圖4-3 PLC數(shù)字量擴展模塊EM222是PLC數(shù)字量輸出擴展模塊，用于輸出信號給LED顯示。4.6.4 LED顯示電路圖4-4 LED顯示電路 PLC的數(shù)字量擴展模塊將信號通過譯碼器輸入到LED顯示器，譯碼器CD4513作用是將電路輸入的二進制代碼轉換成數(shù)字或者符號，這樣LED數(shù)碼管才能正常顯示。同時為

54、了限制發(fā)光二極管的電流，我們在電路中串接了限流電阻，并且是每個發(fā)光二極管分別都接入限流電阻。限流電阻的取值由電源電壓，發(fā)光二極管的工作電流和正向壓降所確定。4.7 技術經(jīng)濟分析礦井提升機采用串電阻調速，利用繼電器-接觸器構成邏輯控制裝置。繼電器-接觸器控制系統(tǒng)有明顯的缺點：設備體積大，可靠性差，動作速度慢，功能少，難于實現(xiàn)較復雜的控制。繼電器-接觸器控制系統(tǒng)雖有較好的抗干擾能力，但使用了大量的機械觸點，使設備連線復雜，且觸點在開閉時易受電弧的損害，壽命短，系統(tǒng)可靠性差。特別是由于它是靠硬接線邏輯構成的系統(tǒng)，接線復雜，當生產(chǎn)工藝或對象需要改變時，原有的接線和控制柜就要更換，所以通用性和靈活性較差。通過繼電器-接觸器去切除電動機轉子電阻，使電動機不能勻速運行，對啟動階段電能損耗較大，當要求頻繁啟動或不同運行速度的多水平時就更為不經(jīng)濟。電動機起動時，往往產(chǎn)生4-7倍額定電流的起動電流。雖然由接觸器或斷路器控制的電器的觸頭能承受起動電流的接通和分段考核，但是即使是可頻繁操作的接觸器也會引起觸頭磨損加劇，以致?lián)p壞電器；也