矿井提升机的PLC控制系统设计.doc

电气工程学院课 程 设 计 说 明 书 设计题目： 矿井提升机的PLC控制系统设计 专业班级： 11级应用电子1班 学 号： 110105030012 学生姓名： 张颖 指导教师： 郭忠南 电气工程学院课程设计任务书课程名称： 电气控制与PLC课程设计 基层教学单位：电气工程及自动化系 指导教师： 郭忠南等学号110105030012学生姓名张颖（专业）班级11应电1 班设计题目矿井提升机的PLC控制系统设计设计技术参数采用PLC构成矿井提升机的电气控制系统。控制要求查阅相关文献。设计要求1) 根据控制要求，进行电气控制系统硬件电路设计，包括PLC硬件配置电路。2) 根据控制要求，编制PLC控制程序3) 按要求编写设计说明书并绘制A1幅面图纸一张。参考资料1、PLC电气控制技术 漆汉宏主编 机械工业出版社 20082、图书馆各类期刊文献相关数据库3、相关电气设计手册周次第一周第二周应完成内容完成全部方案设计：周一、二：查、阅相关参考资料周二至周五：方案设计周六、日：设计方案完善周一、二：完成设计说明书周三、四：绘制A1设计图纸周五：答辩考核指导教师签字基层教学单位主任签字 摘要矿井提升机是采矿业中的一个核心电气硬件，它担负着矿井中矿石、物料、人员的运输任务，传统的矿井提升机主要采用继电器一接触器进行控制，具有连接线路复杂、效率低、故障率很高、浪费电能严重并且可靠性差，存在很大的安全问题，因此矿井提升机的安全控制一直是国内外学者研究的问题。采用PLC可编程序控制器，通过编程掌握各个控制状态，具有更稳定、安全并且节能的优点。因此本文采用可编程序控制器和变频器实现矿井提升机的控制系统设计。 关键词：PLC；变频器；矿井提升机；目录第一章 矿井提升机简介第二章 现代调速方式和和制动方式的介绍； 现代PLC的介绍； 现代变频器技术简介第三章 总体的设计目标；设计中各部分的分析；软件设计思路第四章 变频器KV2000的选择 三菱PLC芯片选择以及接线分析第五章 软件编程设计矿井提升机介绍矿井提升机是采矿业中一种最大的矿井工作硬件机电设备，其集机电液于一体，在不同的矿业生产中承担着矿石运输，人员转移等等不同的重要任务，因此矿井提升机构的安全与可靠性控制尤其重要。现在的矿井提升机已经取代了由接触器和继电器的构成的繁琐的机构，而是通过运行相对较安全可靠的，而且具有较高的效率的可编程控制器组成的电控系统来控制矿井提升机的升降，其主要的电控系统一般来讲有三种，分别是传统的交流电控系统，交流变频调速系统和直流电控系统三大类。由于我国经济的快速发展,人们对矿山资源的需求也在日益增长,要求矿井提升机的运行应该是相对较安全可靠的，而且应该具有较高的效率。经过了几十年的发展,数字化控制取得了很大的进步，我国的矿井提升机电控技术初步形成，但是与美国、德国等发达国家相比，依然存在着很大差距。目前发达国家的矿井提升机电控技术已经全面实现了数字控制，而国内绝大多数矿井提升机的电控系统还是采用效率低下、安全隐患多的继电器一接触器控制技术，严重影响着我国矿山产业的健康发展，所以需要对矿井提升机进行大规模技术改造和更新。 矿井提升机的安全性、可靠性以及经济性具有很高的要求。针对目前现状，本课题需要研究矿井提升机的运行特点，控制逻辑，PLC与矿井提升机的控制关联，变频器的使用，从而解决以下三个主要问题：1.对于提升速度，提升高度，制动等运作方面更加平滑；2.更为简单、直观的操作界面；3.减少矿井提升机不必要的能源损耗，优化运行机制。而在本设计中，也特别需要在安全方面做出应有的装置，安全回路，故障报警等等设计内容都为矿井提升机的安全运行提供了更好的保障。 调速方式矿井提升机调速基于异步电机，转速公式为： （2-1）因此想要改变电机转速，可通过的方式有：改变转差率s，改变电机的极对数p，改变供电频率f。从调速的本质来看，可分为改变同步转速或者不改变同步转速两种。其中不改变同步转速的有：绕线式电动机的转子串电阻调速、斩波调速、串级调速等。转变同步转速的有：改变定子线路电压、变极对数调速方法、无换向电动机调速、频率的变频调速等等。制动方式现代最常用的制动系统大致分为三类，分别为反接制动、动力制动、回馈制动。其中反接制动适用于正转反转频繁切换的系统，动力制动时最常见的制动系统，适合应用于对停车位置要求相对严格的系统中；回馈制动时将他励电机电源从高降到低，将转速从高降到低的过程。电功率的输出传给装置的电源，这种制动过程伴随这一种正向的功率反馈过程。现代plc介绍美国数字设备公司根据GM公司的生产要求，于1969年研制出了世界上第一台可编程控制器。其后，各个发达国家均相继引入这项新的技术，并获得了空前成功。自此，PLC迅速发展起来。在20世纪70年代初期和中期，PLC虽然引入了部分计算机的控制特点和控制功能，但受限于当时的技术水平和时代需求，它仅能按程序顺序完成控制要求。它仅具有计数器，定时器，等简单的逻辑运算功能。随着微处理器的迅速发展，在七十年代末八十年代初期，PLC的处理速度大大提高。增加了许多的特殊功能，使得其不光可以进行逻辑控制，还可以对工业生产中的许多模拟数据进行处理控制。自八十年代以来，随着大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展，PLC也开始更多的借鉴当时较为先进的计算机控制功能，以16位和32位处理器为核心的PLC迅速的在全世界普及和发展，现在的plc已经拥有了中断技术，高速计数等等高级功能，使得其在工业环境中的应用变得更加可靠和强大，逐渐在现代工业生产控制系统中占据了自己的一席之地。可编程逻辑控制器实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：电源；中央处理单元；存储器；输入输出接口电路输入输出接口电路是PLC除中央处理器外最重要的部件。输入接口电路由光电耦合电路和微机的输入接口电路组成，他的作用是沟通PLC与外部硬件设施及上位机，起到通道的作用。种种选通、中断请求电路构成了输出接口电路。输入输出接口电路可以向现场的各类工业电气器件发送控制信号，它是PLC与外界工业设备沟通的基本桥梁，是PLC控制功能实现的重要窗口。PLC的正常运行阶段分为三个。分别是输入采样阶段，用户程序执行阶段，和输出刷新阶段。在输入采样阶段，控制器会用上文提到的扫描方式一次读入所有的输入状态和数据，并将它们全部存入映像区中的相应的单元内。输入采样结束后，会进入下一个用户程序阶段。在这一阶段，PLC将会按照由上而下的顺序依次的扫描用户程序（梯形图）。在扫描每一个梯形图时又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算再之后然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。经过以上两个阶段后，会进入输出的新阶段，在这个阶段里，PLC会根据之前存储的输出数据来刷新所有的输出线路，通过输出的相关电气设备电路，才能驱动种种相关的工业外部设备。经过以上的种种输出步骤之后，PLC才能够将预设的程序所达到的预期控制功能圆满完成。相比于单片机技术或者传统的矿井提升机控制技术，PLC的优点是十分明确的。最核心的优点是PLC具有强大的稳定性，可以在极其恶劣的工业环境中长时间稳定运行。而相比于传统的电路及开关控制，PLC的可编程特性又使他具有较高的适应能力，不管是改变PLC的功能，还是矿井提升机具体工作参数的调整，都可借由编程逻辑的改变而实现。除了这两个优点之外，它强大的功能，配套化的硬件装置，以及较小的维修工作量，都为矿井提升机的PLC技术提供了优势点。在本次设计中选择了三菱公司的一款PLC产品，它的功能强大，能够很好地满足本次的设计任务。通过该款PLC产品，配合变频器的使用，能够很好地控制矿井提升机正常运行，也为将来的功能调整提供便利。变频技术简介异步电机的转速主要有电压和频率决定。而现代变频器技术则是通过改变电源频率的方法来进行调速的控制设备，是一种整合了微电子技术和变频技术的新型调速方式。变频器主要由整流、滤波、逆变三大部分组成。其中对于频率的调整是选择了电力电子开关器件来实现的。通过对于多个电力电子开关器件的正确连线，在使用中通过开关的通断可以进行无极的频率电压参数调节，这种新型的调速方法不但可以达到调速的预期目的，相比传统的电阻调速，它还在节能方面有更突出的优势。市面上绝大多数变频器均拥有自己的丰富的辅助功能，在电力控制的流程中，一旦产生了过载，过压等等危险的故障现象，变频器能够通过安全回路和过载保护功能来很好的保护电机，同时提升了矿井提升机运行中的安全系数。正是由于变频技术随着自动化技术的提升而越来越先进，目前，已经在各类工业级电机的运行控制调速系统中，已经成为了不可忽视的一种先进调速思路。变频器目前的发展分为四代，第一代是正弦脉宽调制控制方式；第二代产品是电压空间矢量控制方式；第三代产品是矢量控制方式；第四代产品是直接转矩控制方式第三章各部分的设计动力系统主要有机械部分和电气部分两部分构成，矿井提升机的机械部分基本上由制动器、滚筒、减速器和底座四部分组成；电气部分主要包括变频器、PLC控制设备、断路器等电气功能设备组成。液压系统包括液压站和润滑站。在停车时先通过液压站可以提供强大的制动力量，制动力通过滚筒施加给电机。而在提升机启动时，首先电机会在变频器所施加一定力矩下受力，其次程序控制松开机械闸，这样的设置可以防止溜车，从而保证系统安全可靠地运行。控制系统是整个设计的核心部分，也是本次设计的重点。通过对于三菱PLC的使用，可以设定系统的工作方式和控制方式，可以发布系统的各种控制命令，以顺利控制矿井提升机的种种运行状态。监控系统是保障矿井提升机正常运行和意外事件规避的重要部分。PLC自身可以完成一定的数据处理比较功能。通过PLC编程上的控制和设计，可以实时监控电机的运算速度和运输斗的位置，在不同的状况下进行处理，从而很好地完成保障功能。安全回路则是保证整个运行系统安全的关键，它包括硬件回路和软件回路两条回路。安全回路相互闭锁，当一条断开的时候，另外一条也会同时断开。安全回路通过硬件回路实现。当检测装置发现故障信号时，通过接触器的功能，可使硬件安全回路断开，系统会立刻解除运行控制指令，解除变频器的功能，通过液压站进行制动，从而使矿井提升斗安全停止，保护人员安全。系统框架图如下：图3-1 系统框架图上图为提升控制系统各个部分之间关系的框架图，该控制系统以PLC为核心，以变频器为重要组成部分，这两个部分通力配合，以完成整个提升机运行过程的控制。旋转编码器的设置和与PLC的互联，可以使PLC实时获得电机的当前速度并监控，各行程开关会为PLC提供行程控制信号。是PLC的控制输入的重要组成部分。软件设计思路软件系统的主要任务有：控制回路，安全回路，以及故障回路的编程。在控制回路中主要是控制加速和减速动作。在加速的阶段要通过PLC的命令控制变频器的各段速度，通过行程开关和旋转编码器来确定实时速度及位置。当PLC接收到来自行程开关的信号，说明到达相应的位置，从而实现相应的变速功能。一旦系统的各个监控环节报出故障时，安全回路则应起到作用，断开正传和反转的回路，锁住整个运行，从而保证矿井提升机的安全运行。本设计中软件正常运行的先决条件是硬件的正确布置。本设计在矿井中设置各个行程开关来确定矿井提升机的具体位置。如减速点，限位点等。一旦矿井提升机的机斗触及行程开关，即可发出相应信号传输至PLC，PLC的中央处理器即对该信号进行处理，按照程序的要求向变频器发送相应的加速，减速，停机等信号。同时PLC在收到警告信号时也能即刻处理，进行紧急停车。设计流程图变频器的选择KV2000 系列变频器是应用无感矢量技术，控制输出电压和频率来改变三相交流异步电动机运行速度的一种电力转换器。通过电流传感器，精确检测出三相输出交流信号及相位角度的变化，以无感矢量计算方式，自动修正频率，以达到负载变动时电动机转速稳定的效果。矿井提升机的PLC控制系统变频器配线图：本次设计中选择了三菱公司的PLC产品FX2N48MR来进行设计。R代表着它是继电器输出，可供交直流负载使用，能较好满足本次设计的基本需求。48是输入输出点的总和，FX是系列的名称。这款三菱的PLC使用和维护方便，非常可靠，它具有较强的抗干扰性，三菱公司的编程软件和编程语言都十分简单易学，便于普通工人使用。而且它的控制功能强，综上所述，它非常适合与矿井提升机设计的使用。 PLC输入输出口配置 矿井提升机的基本输入口表序号工位名称文字符号输出口1编码器A相X0012电源启动SB1X0023电机制动SB2X0034电机正转SB3X0045电机反转SB4X0056上过卷复位SB5X0067下过卷复位SB6X0078变频器故障复位SB7X0109变频器故障SB8X01110紧急制动SB9X01211上减速点SQ1X01312下减速点SQ2X01413上过卷开关SQ3X01514下过卷开关SQ4X01615上制动点SQ5X01716下制动点SQ6X020矿井提升机的基本输出口表序号工位名称文字符号输出口1电源接触器KM1Y0002电机正转接触器KM2Y0013电机反转接触器KM3Y0024变频器复位接触器KM4Y0035中速运行接触器KM5Y0046高速运行接触器KM6Y0057低速运行接触器KM7Y0068制动接触器KM8Y0079下过卷指示灯HL2Y01010故障报警指示灯HL3Y01111中速超速指示灯HL4Y01212高速超速指示灯HL5Y01313低速超速指示灯HL6Y01414抱闸指示灯HL7Y01515上限位制动灯HL8Y01616下限位制动灯HL9Y01717上过卷指示灯HL1Y02018抱闸输出接触器KM9Y021在表中输入部分主要分为以下四个部分：1. 旋转编码器，旋转编码器作为监控矿井提升机实时转速的重要器件，通过三菱PLC预设的X000进行通讯。基本按钮部分，这一部分有9个，分别为三个主令按钮（电源启动按钮、电机正转、电机反转）、三个复位按钮（上过卷复位、下过卷复位、变频器故障复位）一个故障按钮（变频器故障）、一个抱闸按钮以及一个制动按钮。2. 总电源开关按钮，主令按钮（制动按钮，正向按钮，反向按钮）。过卷复位按钮（上过卷，下过卷）。故障复位按钮一个。这些开关实现了PLC的主要控制功能，不但包括开车的功能，也包括故障过卷复位功能。3. 行程开关部分。闸瓦磨损开关，上下减速点开关，上下过卷开关，上下限位开关。通过这些开关可以确认容器在矿井中的位置并给予相应的控制信号。闸瓦磨损开关在被触发后说明制动盘出现磨损过量，此时需要停止一切矿井生产生产活动进行刹车盘的更换工作。4. 其他开关信号。包括安全回路和变频器故障两个常闭开关信号。一旦出现安全回路开关跳起或者变频器故障开关跳起，即会点亮故障灯，同时PLC停止所有功能并刹车，以检查故障情况。在表中输出部分分为以下几个部分：1. 变频器控制信号输出部分。这部分包括正传控制信号，反转控制信号，停车控制信号，调速输出1，调速输出2，调速输出3。这些控制信号由PLC输出至变频器的特定功能端子，从而通过变频器来输出给提升机相应的控制信号。2. 警示信号。这部分包括上过卷指示和下过卷指示，故障报警指示，以及在等速段，减速段，爬行段的超速指示。这些指示灯会清楚明了的在控制台上显示运行状态，是否有紧急情况发生，有利于情况的控制。在本次PLC设计中所选择的输出端的提示灯和中间继电器均选用220v交流工作电压下的型号，以方便PLC输出端的配置。而输入端则由三菱PLC本身的特性，有24v的直流电源，以配合输入端配置。同时24v的直流电也被用于给旋转编码器供电。 PLC的输入输出接线图3.4 系统保护和运行过程接380V电源，一路工作，一路备用，经高压开关柜的隔离开关QS、断路器QF1为变频器供电。熔断器、电流互感器TA1、TA2和过流脱扣器KIQ2用于过流保护。PLC通过变频器实现对矿井提升机的速度控制和制动。使用变频器可以实现电动机的无级调速，减少电机启动电流，减少机械冲击，简化控制线路。所以对于钢结构方面可以延长使用寿命，用电量也可以节省不少，维修电气很方便，故障率很低，通过变频器端子或标准接口可以将电信号反馈到PLC上，实现更复杂的控制。当人为发现提升机运转不正常，或出现一位情况，按钮SB3可以实现紧急制动，实现了手动和自动的双重保护。 当提升机速度超过规定速度的15%时，速度传感器向PLC主控系统发出信号，PLC控制启动报警，采取措施，切断电源，保护设备。 当放生过卷现象时，启动保护装置，KM2闭合，紧急制动，构成反接制动。反接制动实质上是改变电动机定子绕组中的三相电源相序，产生于转子转动方向相反的转矩，因而起制动作用。反接制动是，旋转磁场的相对速度很大，定子电流也很大，因而制动效果显著。而能耗制动制动力矩较小，特别是在低速时尤为突出。另外它还需要直流电源。故选用反接制动矿井提升机的PLC控制系统的步进梯形图课程设计总结在本次课设中，通过查阅相关资料、请教老师、与同学探讨并且积极主动地思考，顺利完成了本次的课程设计。刚接到设计题目的时候，对自己的题目内容尚不了解，通过在图书馆和网络上查阅相关资料，具体的了解了矿井提升机的工作原理、课程设计要求、PLC的功能原理以及变频器的使用方法，初步明确了设计要求。在接下来的几天时间里，由于对于各种硬件设备的连接和控制方法想的过于复杂，所以进展一直不是特别顺利，但是通过老师的指导，查阅了所选型号的变频器和PLC使用说明书，找到了通过相关的指令来达到矿井提升机变速和测速监控的功能，同时，在查阅资料期间，得到了许多自己没有接触到的知识，明确了相关设备的使用方法，进而达到了相关的设计要求。本次课设，我学会了变频器和旋转编码器等设备的简单应用，了解了矿井提升机需要注意到的安全控制要求，提高了自己查阅资料得到信息的能力。感谢老师和同学们在课设过程中提供的帮助！