基于S7300的矿井提升机控制系统的设计.doc
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1、 学校代码:10904 学 士 学 位 论 文基于S7-300的矿井提升机控制系统的设计 姓 名:刘伟学 号:200705120220指导教师:杨中国院系(部所):物理与电子工程系专 业:电子信息工程完成日期:2011年05月07日 学 士学 位 论 文基于S7-300的矿井提升机控制系统的设计姓 名:刘伟学 号:20070512020指导教师:杨中国院系(部所):物理与电子工程系专 业:电子信息工程完成日期:2011年05月07日摘 要 光矿井提升机常被人们称为矿山的咽喉,是矿山最重要的关键设备,是地下矿井与外界的唯一通道,肩负着矿石、物料、人员等的重要运输责任。对提升机来说,运行的安全性与
2、可靠性是至关重要的。传统矿井提升机调速性能较差,在启停车、制动、逻辑控制等方面存在诸多安全问题,随着计算机和PLC技术的不断发展,采用先进的控制技术改造传统矿山行业的传统控制系统,从而使矿井提升机的控制性能得到极大的改善,其自动化水平、安全、可靠性都达到了新的高度,并采用现代化的管理和监视手段保障提升机的安全运行。 在该矿井提升机控制系统设计中,采用国内外先进的PLC(S7-300)控制技术改造矿井传统、落后的继电器接触器式罐笼逻辑运行系统;采用先进的全数字直流调速晶闸管变频技术改造传统的直流电机传动系统.从而,保证矿井提升机可靠、准确地运行和实现矿井提升机的计算机控制。 现场调试和运行结果表
3、明,该系统工作可靠、控制精度高,完全可以满足现场生产运行的要求。 【关键词】 PLC;矿井提升机;控制系统;可编程控制器AbstractMine hoist is often known as mine throat, is the most important key equipment of mine underground mines, is the only channel with the outside world, shouldering the ore, materials, personnel of important transportation responsibilit
4、y. For to hoist the security and reliability of operation is very important. Traditional mine hoist speed performance is poorer, in rev parking, braking, logic control, there are many security issues, along with the computer and PLC technology unceasing development, USES the advanced control technol
5、ogy to transform traditional mining industrys traditional control system, thus make mine hoist control performance is greatly improved, and its automation level, safety, reliability, reached new heights, and adopting modernized management and monitoring means guarantee the safe operation of the hois
6、t. In this mine hoist control system design, the use of advanced PLC (S7-300) control technical renovation of mine tradition, backward - contactor relays beyond logic operation system; Adopting advanced digital dc speed control thyristor inverter technology to transform traditional dc motor drive sy
7、stem. Thus, ensure mine hoist reliable and accurate operation of hoister, realize the computer control. The commissioning and operation results show that the system reliable operation, high control accuracy, and can meet the requirements of operation field production. 【Key words】 PLC; Mine hoist; Co
8、ntrol system; Programmable controller 目 录第1章 绪论1第2章 可编程逻辑控制器(PLC)的控制理念42.1 PLC的历史及基本概念42.2 PLC的基本结构52.3 PLC的工作原理62.4 PLC内部运作方式72.5 本章小结8第3章 PLC(S7-300)对矿井提升机的直流调速控制的设计93.1 概述93.2 实验研究的设计103.3 理想曲线的产生方法103.4 实际的S曲线速度给定校正113.5 PLC软件设计123.6 本章小结13第4章 S7-300对矿井提升机直流调速控制的研究总结14参考文献15致 谢17第1章 绪论1.1 引言以可编程
9、控制器(S7-300)为核心的装置在矿井提升机中的成功使用。不仅体现了PLC(S7-300)的基本功能,能代替复杂的继电器控制,而且以丰富的程序指令实现了原电子线路中不易完成的功能。在大大减小体积的同时,更提高了系统的控制精度和可靠性,保证了矿井提升机的安全运行。1.2 PLC的功能与工作原理: 1、 可编程控制器简称PC,它经历了可编程序矩阵控制器PMC、可编程序顺序控制器PSC、可编程序逻辑控制器PLC和可编程序控制器PC几个不同时期。为与个人计算机(PC)相区别,现在仍然沿用可编程逻辑控制器这个老名字。PLC是一种数字运算的电子系统,转为在工业环境下应用而设计。它采用可编程的存储器,用来
10、在内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令,并通过数字式、模拟式的输人和输出。控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关设备,都是按易与工业控制器系统联成一体、易于扩充功能的原则设计。 2、 PLC是一种以微处理技术为基础,将控制处理规则存储于存储器中,应用于以控制开关量为主或包括控制参量在内的逻辑控制、机电运动控制或过程控制等工业控制领域的新型工业控制装置。 3、 PLC具有可靠性高,抗干扰能力强;通用性强,控制程序可变,使用方便;功能强,适应面广;编程简单,容易掌握; 减少了控制系统的设计及施工的工作量;体积小、重量轻、功耗低、维护方便的特点。工作原理:PLC控制
11、系统的种植贿赂采用先进的PLC取代原有的继电器逻辑控制系统。PLC作为工业计算机,具有独特的微处理功能,通过采集外部的信号进行逻辑判断后,传输给各个不同的执行元件,实现对提升机的自动控制功能。其方框图如下:1.3 矿井提升机在国内外的现状:当前国内外提升机电控绝大多数还是转子回路串电阻分段控制的交流绕线式电机继电器接触器系统,设备陈旧、技术落后。而且这种控制方式存在着很多的问题: l) 转子回路串接电阻,消耗电能,造成能源浪费。 2)电阻分级切换,为有级调速,设备运行不平稳,容易引起电气及机械冲击。3)继电器、接触器频繁动作,电弧烧蚀触点,影响接触器使用寿命,维修成本较高。4)交流绕线异步电动
12、机的滑环存在接触不良问题,容易引起设备事故。5)电动机依靠转子电阻获得的低速,其运行特性较软。6)提升容器通过给定的减速点时,由于负载的不同,而将得到不同的减速度,不能达到稳定的低速爬行,最后导致停车位置不准,不能正常装卸载。 上述问题使提升机运行的可靠性和安全性不能得到有效的保障。因此,需要研制更加安全可靠的控制系统,使提升机运行的可靠性和安全性得到提高。在提升机控制系统中应用计算机控制技术和变频调速技术,对原有提升机控制系统进行升级换代。就计算机技术在工业现场应用情况而言,可编程控制器(PLC)是目前作为工业控制最理想的机型,它是采用计算机技术、按照事先编好并储存在计算机内部一段程序来完成
13、设备的操作控制。采用PLC控制,硬件简洁、软件灵活性强、调试方便、维护量小,PLC技术己经广泛应用于各种提升机控制,配合一些提升机专用电子模块组成的提升机控制设备,可供控制高压带动力制动或低制动,单、双机拖动等lz。操作、监控和安全保护系统选用可编程控制器。主控计算机应用软件能完成提升机自动、半自动、手动、检修、低速爬行等各种运动方式的控制要求而在PLC电控系统的基础上配合变频调速装置,运用现在先进的矢量控制技术,不但适合提升机运行工艺的要求,还将解决整套提升机系统的电力拖动方面的一系列问题。1.4 本文的研究意义 在调研中发现,目前山西省各大煤矿的矿井提升机系统的调速方案大多采用继电器接触器
14、控制的转子串电阻调速。该方案耗能大,占地面积大,已不能适应现代矿业发展的需要。因此有必要对其调速方案进行改造。在广泛考察现行的变频调速方案后,本文提升机系统控制单元采用目前工控适用的可编程控制器来控制,具有编程简单和控制可靠性高的优点;电力拖动系统中,选用先进的变频传动装置,运用先进的矢量控制技术,优化了调速系统的性能,这一控制方法目前仍为现代交流调速的重要研究方向之一。采用先进的工业计算机、现场总线和工业自动化技术,按照结构标准化、产品系列化、性能现代化、体积小型化的原则,研制生产适合矿井提升机电控设备是进行技术改造和新建矿井设备选型的理想选择。使用上位机监控系统,采用组态模式,实现良好的人
15、一机对话;实时监控提升机的运行状态,上位机动态模拟显示及故障闭锁;可进行故障报警、数据查询、报表打印;记录提升钩数以及每班、每日、每月、每年的提升量累计;故障声光指示、记忆及部分传感器上位机的紧急处理。第2章 可编程逻辑控制器(PLC)的控制理念2.1 PLC的历史及基本概念 一、发展历史起源:1968年美国通用汽车公司提出取代继电器控制装置的要求。1969 年,美国数字设备公司研制出了第一台可编程控制器 PDP14 ,在美国通用汽车公司的生产线上试用成功,首次采用程序化的手段应用于电气控制,这是第一代可编程序控制器,称Programmable,是世界上公认的第一台PLC。 1969年,美国研
16、制出世界第一台PDP-14 1971年,日本研制出第一台DCS-8 1973年,德国研制出第一台PLC 1974年,中国研制出第一台PLC 发展:20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器,使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能,完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。个人计算机发展起来后,为了方便和反映可编程控制器的功能特点,可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller(PLC)。 20世纪70年代中末期,可编程控制器进入实用化发展阶段,计算机技术已全面引入可编程控制器中,使其功能
17、发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。 20世纪80年代初,可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。世界上生产可编程控制器的国家日益增多,产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。 20世纪80年代至90年代中期,是PLC发展最快的时期,年增长率一直保持为3040%。在这时期,PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高,PLC逐渐进入过程控制领域,在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。 20世纪末期,可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业
18、的需要。这个时期发展了大型机和超小型机、诞生了各种各样的特殊功能单元、生产了各种人机界面单元、通信单元,使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。二、基本概念 早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC),它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展,这种采用微型计算机系统的工业控制装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围,因此,今天这种装置称作可编程控制器,简称PC。但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆,所以将可编程序控制器简称PLC,plc自1966年美国数据设备公司(DEC)研制出
19、现,现行美国,日本,德国的可编程序控制器质量优良,功能强大。2.2 PLC的基本结构 PLC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: a、电源 PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的,因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内,可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去 b. 中央处理单元(CPU) 中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据;检查电源、存储器、I/O以及警戒
20、定时器的状态,并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时,首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据,并分别存入I/O映象区,然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序,经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后,最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置,如此循环运行,直到停止运行。 为了进一步提高PLC的可靠性,近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统,或采用三CPU的表决式系统。这样,即使某个CPU出现故障,整个系统仍能正常运行。 c、存储器 存放系统软件的存储器称为系统程序存储器
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