1、題題目目 礦礦井井提提升升機機控控制制系系統統 姓姓 名名 學學號號 專專 業業 電電氣氣工工程程及及其其自自動動化化 班班 級級 0 07 7 電電氣氣 礦礦井井提提升升機機控控制制系系統統畢畢業業設設計計 摘摘 要要 礦井提升機是礦井運輸的重要設備，是溝通礦井上下的紐帶的。礦井提升機的可靠運行直 接關系到煤礦生產的安全，礦井提升機信號系統的可靠性和準確性是礦井提升和安全運輸的重 要保證。 本設計主要完成的礦井提升機信號系統設計和組態設計。設計中運用plc控制技術， plc 系統采用三菱公司的 fx2n系列作為主控制器，對井口、井底、機房信號臺進行信號聯絡。組態 設計使用wincc完成，能夠

2、實現上位監控功能。使用編程軟件實現信號的聯絡。 采用plc控制不但提高了信號傳輸的可靠性和準確性 ,而且具有極大的靈活性和擴展性。 在不改變系統硬件的前提下 ,僅靠改變plc內部的程序就可滿足用戶要求。有效地解決了信號 系統中的遠距離傳輸和可靠性問題。 關鍵詞：礦井提升機信號系統； plc；上位監控 ; wincc 引引 言言 目前，我國絕大部分礦井提升機（超過70%）采用傳統的交流提升機電控系統（ tkd-a 為代 表）。tkd 控制系統是由繼電器邏輯電路、大型空氣接觸器、測速發電機等組成的有觸點控制 系統。經過多年的發展， tkd-a 系列提升機電控系統雖然已經形成了自己的特點，然而其不足

3、 之處也顯而易見，它的電氣線路過于復雜化，系統中間繼電器、電氣接點、電氣聯線多，造成 提升機因電氣故障停車事故不斷發生。采用plc 技術的新型電控系統都已較成功的應用于礦 井提升實踐，并取得了較好的運行經驗，克服了傳統電控系統的缺陷，代表著交流礦井提升機 電控技術發展的趨勢。 目錄 1 1. .1 1 礦礦井井提提升升機機信信號號系系統統的的背背景景. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4 4 1 1. .2 2 本本次次畢畢業

4、業設設計計的的工工藝藝及及要要求求. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4 4 1.2.1 工藝及設計介紹 .5 第第二二章章控控制制系系統統方方案案論論證證與與選選擇擇 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9 9 2 2. .1 1 系系統統總總體體設設計計思

5、思想想 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 11 1 第第三三章章硬硬件件設設計計 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 17 7 3 3. .1 1 軌軌道道開開關關設設計

6、計 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 19 9 3 3. .2 2 三三相相異異步步電電動動機機 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2 21 1 3 3. .3 3 變變頻

7、頻器器 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2 22 2 3 3. .4 4 編編碼碼器器 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8、 .2 22 2 3 36 6 電電氣氣元元件件選選型型 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2 23 3 3 37 7 硬硬件件原原理理圖圖（如如大大圖圖 1 1 或或附附錄錄一一示示） . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2 23 3 第第四四章章 p p

9、l lc c 程程序序設設計計 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2 24 4 4 4. .1 1c co on nc ce ep pt t2 2. .5 5 簡簡介介 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10、 . . . . . . 4 4. .2 2 編編程程步步驟驟 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1 模塊選型 . 4.2.2 地址分配 . 4.2.3 部分程序設計說明 . 4 43 3 程程序序流流程程圖圖（附附錄錄二二） . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11、 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 第第一一章章礦礦井井提提升升機機信信號號系系統統概概述述 1.1 礦井提升機信號系統的背景 礦山多中段提升豎井，一般都是副井或混合井，其提升任務繁重,作業種類復雜， 中途停靠頻繁。因此，需要一個高度安全可靠、功能完善,由可編程序控制器 programmable logica controller，簡稱plc)為控制核心的提升信號系統。國內多數 礦山的豎井提升信號系統，一般由各種控制繼電器和主令開關構成，且多為20世紀 50年代的仿蘇產品。它的突出特點是用 “點信號”(即電鈴振響或指示燈明滅的次

12、數 )來 代表各種提升信號。例如有的公司以一長點表示要罐,一長兩短表示上行，一長三短 表示下行，兩短表示提物，三短表示提人等等。各提升中段發出的點信號直接傳遞到井 口總信號房，再由井口總信號工轉發到提升機房。這種系統信號簡潔,操作方便,快 慢自如，多年來已沿用成習，盡管各單位點信號的組合方式有所不同，但原理是相同的。 雖然這種信號系統結構簡單、操作方便 ,但存在如下缺點： (1由于無法保留和復現點 數,所以信號識別全憑操作者的聽覺和視覺，容易造成信號的誤認和誤傳,因信號的 誤認和誤傳而導致的提升事故屢見不鮮。 (2信號之間、信號系統與提升機電控系統之 間沒有聯鎖，井口總信號工和司機的操作不受制

13、約，很容易因誤操作而引發事故。 (3)聲光信號一瞬即逝，無據可查，一旦發生事故，給事故分析帶來困難,很難找出 真正的事故原因，致使同類事故重復發生。 (4) 由于信號稍縱即逝，操作人員的精力 必須高度集中，加重了工人的負擔。 近年來,研制成功的、且已為許多礦山實際應用的 plc信號系統，能夠克服上述缺 點。它不但完全符合 冶金礦山安全規程 中有關提升信號的各項規定，而且保留了 原信號系統的特點和操作習慣，技術改造方便，功能齊全。新型礦井提升機信號裝置的 使用有效地解決了在微機系統中信號的遠距離傳輸和可靠性問題。 1.2 本次畢業設計的工藝及要求 本設計做的是礦井提升機信號系統設計，取材于某礦山

14、提升機信號系統工程實例， 設計系統包括：車房信號臺、井口信號臺、井下各中段信號臺三部分構成。各部分由井 口信號臺plc集中控制，實現各部分的信號聯絡。 1.2.1 工藝及設計介紹 了解項目要求包括熟悉工藝條件及要求，了解控制要求，確定控制方案包括根據工 藝條件及控制要求指標，被控對象的特點確定難點。確定整體控制方案包括系統的設計 設計依據，控制設計包括電器的選擇、工藝設計、控制器設備及元器件的選擇、圖紙的 設計，軟件設計流程圖結構設計，軟件設計說明，具體的編程設計，修改完善，系統的 安裝調試及參數整定，操作說明書。 為了具體去做本次設計，我們先了解一下礦井提升機信號系統（其設備配置示意圖 如下

15、頁圖所示）：目前 ,國內多數礦山傳統的豎井提升信號系統，一般由各種控制繼電 器和主令開關構成，它的突出特點是用 “點信號” 。礦井提升機的信號系統包括聲、 光信號、輔助信號、電話等 ,信號種類一般有 :工作執行信號、提升去向信號、罐位信 號、提升種類信號、檢修信號、事故信號、聯絡信號等。為便于操作,各個礦山企業 均制定了相應的信號規定，如規定聲音一長為要罐、二短為上行、三短為下行等,并 輔之以電話聯系。 但是，信號規定僅僅從制度上保證操作安全，實際上并不能保證生產中不發生事故。 這是因為:(1)信號是由人來執行操作的，人所處的環境因素不同,精神狀態也處 于變化之中，難免發生誤操作。 (2) 傳

16、統的信號系統沒有 “記憶”功能，即無法 “記憶”起井下各中段所發出的信號，當提升機司機注意力不集中或離崗后重新返回時， 由于無法確認井下所發出的信號，極易誤操作而引發事故。(3) 傳統的繼電器電控或 信號系統，為有觸點系統，元件易發生故障，工作可靠性差，一旦控制閉鎖失靈，則事 故將不可避免。 圖圖1 1- -1 1 設設備備配配置置示示意意圖圖 （實際做時只有兩個灌位） 近年來，研制成功的、且已為許多礦山實際應用的plc信號系統，能夠克服上述 缺點。它不但完全符合 冶金礦山安全規程 中有關提升信號的各項規定，而且保留 了原信號系統的特點和操作習慣，技術改造方便，功能齊全。 采用plc控制的電控

17、系統 ,能按照國家安全規程的有關規定，來設計電控或信號系 統的硬件和軟件，并可對系統進行顯示和控制,只有當提升機司機和信號人員都嚴格 按規定程序進行操作無誤 ,才能解除對提升機的閉鎖。一套完備的 plc系統，通常由豎 井信號、工業電視監控、數字深度指示器、有關計算及程控電話交換機等部分組成。這 種系統有如下特點： (1) 提升系統增加了自動控制的功能。例如，當井下發出緊急停車信號時，能自 動使提升機停車并進行停車閉鎖。除此之外，還能實現對提升機過負荷和各種故障的檢 測、保護、聯鎖及罐籠對位等功能。 (2) 顯示方面具有特色。能根據需要顯示井下各個中段的情況和顯示信號種類。 (3) 具有“記憶”

18、功能。能“記憶”地面及井下各中段發出的信號，包括各種檢 修信號。 (4) 工作可靠性高。由于 plc為無觸點系統 ,可靠性更高 ,尤其是近年來 plc 方 面的技術發展迅速 ,使由plc 組成的系統的抗干擾能力越來越強 ,它能在惡劣的環境中 可靠地工作 ,較為適合礦山環境不佳的特點。 (5) 控制程序可變 ,具有很好的柔性。對于分期投產的礦山企業 ,這一點是十分 重要的，因為，井下中段等工藝條件變化之后，不需改變信號系統的硬件，只需修改原 有程序就可滿足新的要求。 新型礦井提升機的信號系統，大體上可分為信號輸入、信號輸出及保護環節三大 部分。plc 信號系統是在原有信號系統的基礎上，加入控制核

19、心plc 及相應裝置， 將老系統的點信號送入 plc 輸入端，經處理輸出各種指令或保護信號。它具有以下功 能： 信號顯示和保留：提升點信號的點數和提升中段名稱分別用數碼管顯示，提升種 類用漢字顯示。提升機房的信號顯示器 ,只顯示由井口總信號工轉發的信號點數，井 口和各中段的信號顯示器，既顯示由本中段自發的信號，又顯示井口轉發的信號。這些 顯示均一直保留到相應的提升過程結束，避免了信號的誤認和誤傳。 信號顯示和保留：提升點信號的點數和提升中段名稱分別用數碼管顯示,提升 種類用漢字顯示。提升機房的信號顯示器，只顯示由井口總信號工轉發的信號點數，井 口和各中段的信號顯示器，既顯示由本中段自發的信號,

20、又顯示井口轉發的信號。這 些顯示均一直保留到相應的提升過程結束，避免了信號的誤認和誤傳。 信號閉鎖：當井口總信號工根據提升作業的需要,同意罐籠在某中段工作時 ,只 有在該中段發出開車信號后 ,井口總信號工才能向提升機房轉發出工作信號。否則, 即使中段轉換開關轉到去向井口的位置 ,井口總信號工也無法向提升機房發出開車信 號,實現了罐位自鎖。同時 ,自發信號一經發出 ,系統自動閉鎖 ,后面續發的信號無效 , 實現了信號自鎖。此外 ,系統還具備程序閉鎖 ,上下行信號閉鎖、信號系統與提升機電 控系統間的閉鎖等功能。 總之,plc 電控系統不僅大大增加了安全保護功能 ,而且安全可靠 ,操作方便,維 修容

21、易,值得大力推廣。 1.2.2 功能 本次設計的功能包括車房信號臺、井口信號臺、井下信號臺三部分的各自功能以及 它們之間的相互聯絡： 車房信號臺功能：井口、井下提升信號的數字顯示及文字顯示。包括運人、運物、檢修 等工作方式的燈光顯示信號，上行、下行，滿上，滿下，停車，急停等工作執行信號的 燈光和數顯信號。存儲井口信號臺本次、前次的打點信號。在極短的時間內響應井口信 號臺發出的指令 ,控制絞車的運行或停止。完成急停信號對安全回路的閉鎖、停車信號,閉 鎖等內容。 井口信號臺功能：完成各種提升信號的按鈕檢測、顯示及聲音提示，包括運人、運 物、檢修，水平聯系等選擇按鈕；上行、下行，滿上，滿下，停車、急

22、停等信號按鈕， 完成水平及井下各種信號的閉鎖和監控。完成向車房發送信號的功能，完成本次、前次 的打點信號的存儲。語言報警功能。 井下信號臺功能：完成各種信號的按鈕檢測、顯示及聲音提示，包括工作方式信號， 工作執行信號及其他信號；完成本水平各種信號的閉鎖功能，完成向井口發送信號的功 能。完成對信號的存儲記憶功能。 1.2.3 設計簡介 現實生活中的礦井有多個灌位，就像電梯的運行環境一樣，各個灌位就像每個樓 層，車房信號臺可以顯示提升機所在的具體灌位。但在本次設計中，喬老師在給我布置 設計任務時將問題簡單化了，他只讓我做兩個灌位：井口、井底。而且故障報警也只規 定了三個：過電流報警，過電壓報警提升

23、機故障報警。 該信號系統的關鍵是信號聯絡，在井底信號臺只能進行按鈕輸入操作，車房信號 臺只能顯示輸出結果，井口信號臺既能輸入又能進行信號轉發，在各自灌位只能進行一 些特定的操作，例如在井口只能進行井口發灌，要灌，下行等操作。若操作不正常或誤 操作，信號將解除，不能發送出去，只能是井底、井口信號一致且無誤時，才能在井口 進行信號確認，而后信號轉發出去。（注：運行時安全門打開時信號發不出去，一切 信號將解除。 ） 設計中我用了指示燈、響鈴、蜂鳴器作為輸出顯示。用不同聲次的響鈴分別代表上 行、下行、慢上、慢下。同時代表各自運行的指示燈亮，并且有文字顯示（文字注釋在 指示燈的下面，燈亮時文字即顯示出來

24、） 。報警時蜂鳴器響，且代表不同故障的各自 故障指示燈亮，同樣有輸出文字顯示。由于在設計中除了電流檢測、電壓檢測兩個模擬 量輸入外其余的全是數字量（開關量），因此信號采集非常簡單，可直接由開關量送 給plc，電流和電壓的信號由電量變送器（再加個模擬塊）傳送給plc。 圖圖1 1- -2 2提提升升系系統統平平臺臺原原理理圖圖 第第二二章章控控制制系系統統方方案案論論證證與與選選擇擇 2 2. .1 1 系系統統總總體體設設計計思思想想 2 2. .1 1. .1 1 礦礦井井提提升升機機信信號號系系統統的的控控制制系系統統 我們在對礦井提升機信號系統的控制系統進行選擇之前先了解一下其組成及工作

25、 原理：礦井提升機在礦山、建筑等行業應用非常廣泛, 是集機、電于一體的大型復雜 系統礦井提升機是礦井生產中極其重要的環節, 是礦井生產的關鍵的設備之一。礦井 提升機是聯系礦山井上和井下的 “ 咽喉” 設備, 主要用于提運煤炭和煤研石、運送 物料、提升人員和設備。提升系統的工作任務是安全、快速、可靠、高效地完成提升運 輸任務, 而安全運行是最重要的。礦井提升機信號系統是礦井提升機的重要組成部分， 提升機的運行全靠信號系統的信號發出。該系統工作的關鍵是信號如何聯絡。 礦井提升機的信號系統包括聲、光信號。輔助信號、電話等。信號種類一般有： 工作執行信號提升去向信號罐位信號、提升機種類信號、檢修信號、

26、故障信號、聯絡信 號等。首先我們應清楚提升機給信號系統的信號以及提升機從信號系統所得到的信號, 由此而進行各種操作。 圖圖 2 2- -1 1 控控制制系系統統內內容容 2 2. .1 1. .2 2 系系統統總總體體設設計計 本設計以某礦山提升機信號系統工程實例基礎。信號系統有保護系統、信號系統、 和信號輸入。信號系統有功能信號（運人、運物、運礦、檢修、上行、下行），罐籠 去向（井口、井底），罐位（井口、井底）。注：本設計罐位不包括井下各中段，只有 井口、井底兩罐位。如 2-1 圖所示。 設計內容包括三大部分：井口信號臺、井底信號臺、以及車房信號臺。系統設計 要求能實時反映提升機的各種狀態及

27、罐位。且井口井底的輸出一致經信號確認后，方可 發送信號到車房信號臺。兩罐位信號部一致或誤操作，信號會解除。不能發送。需重新 進行信號聯絡。 2 2. .2 2 控控制制系系統統方方案案論論證證與與選選擇擇 根據上述工藝介紹及設計要求，要完成任務有多種選擇方案，可以由各種控制繼 電器和主令開關構成，它的突出特點是 “點信號” （電鈴震響或指示燈明滅的次數） 來代表各種提升信號。各提升中段的點信號直接傳送到井口總信號房，再由井口總信號 工轉發到提升機房。也可以采用單片機作為主控制系統。控制臺通過單片機的串行口 來實現主從式多級通訊 ,系統以上井口控制臺作為主控制臺 ,下井口、絞車房控制臺為 從控制

28、臺。也可以采用 plc作為信號系統的控制系統，可在井口、井底、車房信號臺給 用一個plc亦可以只在井口使用 plc，原理和使用繼電器的一樣，都通過井口信號工的 信號確認以及轉發，完成信號系統的功能。 2 2. .1 1. .1 1 方方案案一一 采用繼電器和主令開關構成主回路。采用點信號來代表各種提升信號。例如以 一長點表示要罐 ,一長兩短表示上行 ,一長三短表示下行 ,兩短表示提物 ,三短表示提 人等等。 這種信號系統結構簡單、操作方便 ,但存在如下缺點 : (1) 由于無法保留和復現點數 ,所以信號識別全憑操作者的聽覺和視覺 ,容易造 成信號的誤認和誤傳 ,因信號的誤認和誤傳而導致的提升事

29、故屢見不鮮。 (2) 信號之間、信號系統與提升機電控系統之間沒有聯鎖,井口總信號工和司機 的操作不受制約 ,很容易因誤操作而引發事故。 (3) 聲光信號一瞬即逝 ,無據可查,一旦發生事故 ,給事故分析帶來困難 ,很難找 出真正的事故原因 ,致使同類事故重復發生。 (4) 由于信號稍縱即逝 ,操作人員的精力必須高度集中 ,加重了工人的負擔。 以上缺點嚴重影響了提升機運行的安全，傳統的繼電器信號系統為有觸點系統， 元件易發生故障。工作可靠性差，一旦控制或閉鎖失靈，則事故將不可避免。此信號系 統正在被淘汰。 2 2. .1 1. .2 2 方方案案二二 該控制系統采用了先進的數字通信技術 ,該系統分

30、上井口、下井口和絞車房三個 控制臺,各控制臺采用 mcs89c51 單片機作cpu ,控制臺通過單片機的串行口來實現主 從式多級通訊 ,系統以上井口控制臺作為主控制臺 ,下井口、絞車房控制臺為從控制臺。 下井口到上井口需兩對電纜。各控制臺還配有數字、漢字提示,語音提示,這樣既照 顧了操作人員的習慣操作 ,又減輕了工作人員的負擔。同時 ,增加了信號的存儲功能 , 便于以后的查證。系統采用分時的半雙工通訊電路,通過改變電平來分時完成對下井 口和絞車房的通訊。其原理框圖見下圖所示。 2 2- -2 2 系系統統原原理理框框圖圖 新型礦井提升機信號裝置在系統設計中應用了先進的單片機技術、數字通信技術和

31、 漢字顯示技術 , 具有聲光兼備、漢字顯示、數字存儲、故障診斷、安全閉鎖保護等特 點。尤其在通信方面 , 采用了數字通信技術 , 只需兩對普通電纜 , 且信號種類和數 量不受限制 , 提高了信號傳輸的可靠性和靈活性 , 功能靈活多樣 , 擴展方便。新型 礦井提升機信號裝置的使用有效地解決了在微機系統中信號的遠距離傳輸和可靠性問題。 該控制系統功能齊全，下井口到上井口只需兩對電纜,既方便又經濟。各控制臺 還配有數字、漢字提示 ,語音提示,這樣既照顧了操作人員的習慣操作 ,又減輕了工作 人員的負擔。同時 ,增加了信號的存儲功能 ,便于以后的查證。 但煤礦工作環境惡劣 ,各種電機的頻繁啟動與運行引起

32、的電磁干擾以及電網的不穩 定,對通訊信號和通訊裝置都將產生巨大的影響。 2 2. .1 1. .3 3 方方案案三三 在井口信號臺使用 plc，井底只進行按鈕操作，車房只能顯示輸出結果：如文字顯 示各種工作執行信號和罐位信號，聲音提示運行狀態及故障。各部分的邏輯控制中心均 由日本三菱公司生產的 plc 所構成。信號有模擬信號和數字信號，大部分是開關量， 可直接傳送給 plc，模擬信號由電量變送器再用模擬輸入模塊 fx2n-2ad傳送給plc。 各部分之間的信號經信號確認，直接轉發到 plc。車房信號臺安裝在絞車司機房內 , 井口、井下信號臺分別安裝在井口、井下的信號房內。井口、井下罐位信號由光

33、電開關 采集。該控制系統原理框圖見下圖 2-3所示。 該系統的信號的發送方式： (1) 轉發方式。井下的信號必須經由井口轉發 ,不得越過井口信號工直接向車房 發送,井口信號工必須在井下信號發出后 ,才能發出信號。當井口信號和井下信號一致 時,該信號才能傳到車房 ,否則無效,需井口信號工重發。在信號發出的同時 ,井口、 井下均有燈光顯示、聲音提示、數字記憶。記憶的數字直到下一個信號發出才會消失。 (2) 直發方式。停車 (急停) 信號采用直接向車房發送的方式 ,不經上井口轉發 以保證快速停車。當急停信號發出后 ,其他指令信號均不能發出 ,并能閉鎖提升機安全 控制回路。當信號為慢上、慢下時能閉鎖提

34、升機的高速運轉控制回路。 該控制系統對對信號系統進行檢測和控制，增加并完善信號裝置的功能，使提升 設備的工作更加安全可靠。 方案二和三的控制系統都比較安全、可靠，且能夠實現設計要求。兩者的控制系統 一個為單片機，另一各為 plc。為了進行方案確定，我們首先看一下兩者的區別： plc是一種專門為在工業環境下應用而設計的數字運算操作的電子裝置。它采用可 以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序運算、計時、計數和算術 運算等操作的指令，并能通過數字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生 產過程。plc及其有關的外圍設備都應該按易于與工業控制系統形成一個整體，易于擴 展其功能的原

35、則而設 2 2- -3 3 p pl lc c控控制制系系統統原原理理框框圖圖 圖圖2 2- -4 4 p pl lc c控控制制系系統統示示意意圖圖 計。通過以上幾種方案綜合考慮，但由于煤礦工作環境惡劣,各種電機的頻繁啟動與 運行引起的電磁干擾以及電網的不穩定 ,對通訊信號和通訊裝置都將產生巨大的影響。 它具以下特點： （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由于采用現代大規模集成電路技術， 采用嚴格的生產工藝制造，內部電路采取了先進的抗干擾技術，具有很高的可靠性。例 如三菱公司生產的 fx系列plc平均無故障時間高達 30萬小時。一些使用冗余 cpu的pl

36、c 的平均無故障工作時間則更長。從 plc的機外電路來說，使用 plc構成控制系統，和同 等規模的繼電接觸器系統相比，電氣接線及開關接點已減少到數百甚至數千分之一，故 障也就大大降低。此外， plc帶有硬件故障自我檢測功能，出現故障時可及時發出警報 信息。在應用軟件中，應用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統中除 plc以外的電路及設備也獲得故障自診斷保護。這樣，整個系統具有極高的可靠性。 (2）配套齊全，功能完善，適用性強 。 plc發展到今天，已經形成了大、中、小各種規模的系列化產品。可以用于各種規 模的工業控制場合。除了邏輯處理功能以外，現代plc大多具有完善的數據運算能力， 可

37、用于各種數字控制領域。近年來 plc的功能單元大量涌現，使 plc滲透到了位置控制、 溫度控制、 cnc等各種工業控制中。加上 plc通信能力的增強及人機界面技術的發展， 使用plc組成各種控制系統變得非常容易。 （3）易學易用，深受工程技術人員歡迎 plc作為通用工業控制計算機，是面向工礦企業的工控設備。它接口容易，編程語 言易于為工程技術人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當接 近，只用plc的少量開關量邏輯控制指令就可以方便地實現繼電器電路的功能。為不熟 悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人使用計算機從事工業控制打開了方便之門。 （4）系統的設計、建造工作量小，維

38、護方便，容易改造 plc用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設備外部的接線，使控制系統設計及建 造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。更重要的是使同一設備經過改變程序改 變生產過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產場合。 （5）體積小，重量輕，能耗低 以超小型plc為例，新近出產的品種底部尺寸小于 100mm，重量小于 150g，功耗僅 數瓦。由于體積小很容易裝入機械內部，是實現機電一體化的理想控制設備。 總之，plc在國內外已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽 車、輕紡、交通運輸、環保及文化娛樂等各個行業，使用情況大致可歸納為如下幾類。 （1）開關量的邏輯控制 這

39、是plc最基本、最廣泛的應用領域，它取代傳統的繼電器電路，實現邏輯控制、 順序控制，既可用于單臺設備的控制，也可用于多機群控及自動化流水線。如注塑機、 印刷機、訂書機械、組合機床、磨床、包裝生產線、電鍍流水線等。 （2）模擬量控制 在工業生產過程當中，有許多連續變化的量，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處理模擬量，必須實現模擬量（analog）和數 字量（digital）之間的a/d轉換及d/a轉換。plc廠家都生產配套的 a/d和d/a轉換模 塊，使可編程控制器用于模擬量控制。 （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

40、接用于開 關量i/o模塊連接位置傳感器和執行機構，現在一般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。世界上各主要plc廠家的產品幾 乎都有運動控制功能，廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯等場合。 （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控制。作為工業控制計算機， plc能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環控制。pid調節是一般閉環控制系統中 用得較多的調節方法。大中型 plc都有pid模塊，目前許多小型 plc也具有此功能模塊。 pid處理一般是運行專用的 pid子程序。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等 場合有非常廣泛的應用。

41、 （5）數據處理 現代plc具有數學運算（含矩陣運算、函數運算、邏輯運算）、數據傳送、數據轉 換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數據的采集、分析及處理。這些數據可以與 存儲在存儲器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的 智能裝置，或將它們打印制表。數據處理一般用于大型控制系統，如無人控制的柔性制 造系統；也可用于過程控制系統，如造紙、冶金、食品工業中的一些大型控制系統。 （6）通信及聯網 plc通信含plc間的通信及 plc與其它智能設備間的通信。隨著計算機控制的發展， 工廠自動化網絡發展得很快，各 plc廠商都十分重視 plc的通信功能，紛紛推出各自的 網絡系統

42、。新近生產的 plc都具有通信接口，通信非常方便。 不同廠家的 plc有相同的工作原理，類似的功能和指標，有一定的互換性，質量有 保證，編程軟件正朝標準化方向邁進。這正是plc獲得廣泛應用的基礎。而單片機應 用系統則是八仙過海，各顯神通，功能千差萬別，質量參差不齊，學習、使用和維護都 很困難。 單片機的編程麻煩，可讀性差，實時控制不太占優勢，但是他的成本低，控制方 式比較靈活， 而plc對于實時控制來說就比較優越，他的編程方式簡單，可以用指令或是梯形圖 來進行編程，易學易懂，但是成本較高，適合用于工業控制。 最后，我們從工程的角度看， 對單項工程或重復數極少的項目，采用 plc方案 是明智、快

43、捷的途徑，成功率高，可靠性好，手尾少，但成本較高。 對于量大的配 套項目，采用單片機系統具有成本低、效益高的優點，但這要有相當的研發力量和行業 經驗才能使系統穩定、可靠地運行。最好的方法是單片機系統嵌入plc的功能，這樣 可大大簡化單片機系統的研制時間，性能得到保障，效益也就有保證。 對于本設計，由于礦井工作環境比較惡劣，且常用事故發生，各種電機的頻繁 啟動與運行引起的電磁干擾以及電網的不穩定,對通訊信號和通訊裝置都將產生巨大 的影響。故可采用方案三作為此次畢業設計信號系統的控制系統。 第三章硬件設計部分 我在本此設計中選擇的控制器是三菱公司 fx2n系列的可編程控制器 （programmab

44、le logical controller)縮寫為plc，是小型plc，單元式，單機最大容 量為256點。plc就是一種工業計算機，其核心就是一臺計算機。但由于有接口器件及 監控軟件的包圍，因此，其外形不像計算機，操作使用方法、編程語言甚至工作原理都 與計算機部同，另一方面，作為繼電控制盤的替代物，由于其核心是計算機芯片，因此 與繼電器邏輯控制亦不同。 plc的工作方式是掃描工作方式。 該設計中用到的硬件有 plc，用作各種數字量輸入的按鈕、開關、限位開關、光 電開關、選擇開關等，以及模擬量輸入的電量變送器（電壓、電流變送器） ，模擬量 輸入模塊fx2n-2ad。輸出有啟動電動機的繼電器，顯示

45、各種執行信號的指示燈，以及 用到一些聲音信號反映的響鈴，故障報警用的蜂鳴器。首先我們先對主控制系統plc 進行選型。 第第三三章章硬硬件件設設計計 3 3. .1 1p pl lc c的的選選型型 plc是plc控制系統的核心部件。正確選擇 plc對于保證整個控制系統的技術經濟性能 指標起著重要作用。選擇 plc包括機型、容量的選擇以及 i/o模塊、電源模塊等的選擇。 3.1.1plc機型的選擇 這是plc應用設計中很重要的一步，目前國內生產的 plc種類很多，在選用 plc時 應考慮以下幾方面： 1.規模要適當 輸入、輸出點數以及軟件對 plc功能及指令的要求是選擇 plc規模大小的重要依

46、據。 plc 機型選擇的基本原則是在滿足功能要求及保證可靠，維護方便的前提下，力爭 最佳的性價比。 plc 主要有整體式和模塊式兩種結構形式。整體式plc 的每一個 i/o 點的平均價格比模塊式的便宜，且體積較小，一般用于系統工藝過程較為固定的小 型控制系統中；而模塊式的 plc 的功能擴展靈活方便，在 i/o 點數、輸入點數與輸出 點數的比例、 i/o 模塊的種類等方面選擇余地大，且維修方便，一般用于較大的系統。 由于本系統要求 plc 有較強可擴展性、方便的可維護性、 i/o 模塊的比例差距大等因 素，故選擇模塊式 plc。 伴隨著微電子技術、控制技術與信息技術的不斷發展，可編程控制器也在

47、不斷發 展，其發展趨勢主要體現在以下幾個方面： 1.速度更快，體積更小。 plc控制系統的工作電源可分為兩類 ,一是plc工作電源,即數字電路內部的工作電源 (系統(sys)電源) ;二是plc外部接口模塊的工作負載電源 (輸入/輸出( i/o)電源) 。對于sys電源,用ps307電源模塊對 plc系統供電,具有可靠的隔離、 電網低通濾波、抗瞬間電流沖擊等 ,比較適用于提升 機運行的具有電磁干擾的工業現場。 f fx x2 2n n 系系列列基基本本單單元元種種類類 fx2n 系列基本單元 ad 電源 dc 輸入 輸入點數輸出點數輸入輸出總點數 繼電器輸出晶閘管輸出晶體管輸出 fx2n-16

48、mr-001fx2n-16mt-0018816 fx2n-32mr-001fx2n-32ms- 001 fx2n-32mt-001161632 fx2n-48mr-001fx2n-48ms- 001 fx2n-48mt-001242448 fx2n-64mr-001fx2n-64ms- 001 fx2n-64mt-001323264 fx2n-80mr-001fx2n-80ms- 001 fx2n-80mt-001404080 fx2n-128mr- 001 fx2n-128mt- 001 6464128 fx 2n 性能規格 項目 規格 備注 運轉控制方法 通過儲存的程序周期運轉 i/o 控

49、制方法 批次處理方法（當執行 end 指令時） i/o 指令可以刷新 運轉處理時間 基本指令： 0.08 s 應用指令： 1.52 至幾百 s 指令 編程語言 邏輯梯形圖和指令清單 使用步進梯形圖能生成 sfc 類型程 序 程式容量 8000 步內置 使用附加寄存器盒可擴展到 16000 步 指令數目 基本順序指令： 27 步進梯形指令： 2 應用指令： 128 最大可用 298 條應用指令 i/o 配置 最大硬體 i/o 配置 256 ，依賴于用戶的選擇（最大軟件可設定 地址輸入 256 、輸出 256 ） 一般 500 點 m0 到 m499 鎖定 2572 點 m384 至 m3071

50、輔助繼電器 （ m 線圈） 特殊 256 點 m8000 至 8255 一般 490 點 s0 至 s499 鎖定 400 點 s500 至 s899 初始 10 點 s0 至 s9 狀態繼電器 （ s 線圈） 信號報警 器 100 點 s900 至 s999 定時器（ t ） 100 毫秒 范圍： 0 至 3276.7 秒 200 點 t0 至 t199 10 毫秒 范圍： 0 至 3276.7 秒 46 點 t200 至 t245 1 毫秒保 持型 范圍： 0.001 至 32.767 秒 4 點 t246 至 t249 100 毫秒 保持型 范圍： 0 至 3276.7 秒 6 點 t2

51、50 至 t255 一般 16 位 范圍： 0 至 32767 數 200 點 c0 至 c199 類型：16 位上計數器 鎖定 16 位 100 點（子系統） c100 至 c199 類型：16 位上計數器 一般 32 位 范圍： -2147483648 至 +32147483648 數 35 點 c200 至 c219 類型：32 位上/下計數器 計數器（ c ） 鎖定 32 位 15 點 c220 至 c234 類型：32 位上/下計數器 單相 c235 至 c240 6 點 單相 c/w 起始 停止輸入 c241 至 c245 5 點 雙相 c246 至 c250 5 點 高速計數器（

52、 c ） a/b 相 范圍： - 2147483648+2147483648 數 一般規則：選擇組合計數頻 率不 大于 20 khz.計數器組合 注意所有的計數器都鎖定。 c251 至 c252 5 點 一般 200 點 d0 至 d199 類型：32 位元件的 16 位數據存儲寄 存器 鎖定 7800 點 d200 至 d7999 類型：32 位元件的 16 位數據存儲寄 存器 文件寄存 器 7000 點 d1000 至 d7999 通過 14 塊 500 程式 步的參數設置類型：16 位數據存儲 寄存器 特殊 256 點 從 d8000 至 d8255 類型： 16 位數據存儲寄存器 數據

53、寄存器（ d ） 變址 16 點 v0 至 v7 和 z0 至 z7 類型：16 位數據存儲寄存器 指標（ p ） 用于 call 128 點 n0 至 p127 用于中斷 6 輸入點、3 定時器、6 計數 器 100* 至 130* （上升觸發 * 1 ，下降觸發 * 0 ， * 時間 ( 單位：毫秒 ) ） 嵌套層次 用于 mc 和 mrc 時 8 點 n0 至 n7 十進位 k 16 位：-32768 至 32768 32 位：-2147483648 至+2147483647 十六進位 h 16 位：-32768 至+32768 32 位：-214783648 至+2147483647

54、常數 浮點 32 位：1.175x1033，3.403x1033（不能直接輸入） fxfx 系列編程軟件的使用系列編程軟件的使用 swopc-fxgp/win-c v2.11 為一個可應用于 fx 系列可編程控制器的編程軟件，可在 windows 95982000 下運行。在 swopc-fxgp/ win-c 中，可通過梯形圖符號，指令語言及 sfc 符號來創建程序，還可以在程序中加如英文、英文注釋。它能夠監控 plc 運行時的動 作狀態和數據變化情況，而且還具有程序和監控結果的打印功能。總之，swopc-fxgp/win- c 軟件為用戶提供了程序錄入、編輯和監控手段，是功能較強的 plc

55、 上位編程軟件。 運行 swopc-fxgp/win-c 軟件后，將出現初始啟動界面，點擊工具欄中的“新文件夾” 圖標，即出現如圖 1 所示的起始界面。從界面可以看到最上面是菜單欄，接著是工具欄、 功能欄、功能圖中所有的功能。 當點擊工具欄中的“新文件”圖標。會彈出 plc 機型選擇對話窗，如圖 2 所示，選擇 相應的機型，即可進入編程狀態。各菜單功能介紹如下。 一 文件菜單 “新建” 、 “打開” 、 “關閉并打開” 、 “保存” 、 “另存為” ，這些子菜單功能一般常用軟件操作 相同，在此不在贅述。 二，工具菜單 1 “觸點” 、 “線圈” 、 “功能” 、 “連線” 、 “清除” 、 “

56、變換” ，這些功能是用于繪制梯形圖和梯 形圖編輯的。如選中某梯形圖符號選項，則彈出如圖 3 所示的元件編號對話框，輸入元件 編號。 2.“功能”子菜單是用于輸入功能命令，例如。傳送 mov、比較 cmp 等命令；“變換”子 菜單是將創建的梯形圖進行語法檢查并轉換格式存入計算機中。 2 plc 類型設置 3 輸入元件對話框 工具菜單中的子菜單功能可以通過選中視圖中的“功能圖”選項，而以梯形圖符號的形式 出現在編輯區右側，在繪制梯形圖時可方便選用。同樣，可以選用界面最下一欄的功能鍵 欄中的功能鍵來繪制梯形圖。 三、編輯菜單 1.“剪切” 、 “拷貝” 、 “粘貼”這些菜單命令功能與一般常用軟件操作

57、相同，在此不再贅述。 2.“行刪除”功能是線路快刪除，當光標指在該行的最左端，執行該命令可將該行單元中 線路快刪除。 “行插入”功能是在光標所指行的前面插入一行。 3.“元件名” 、 “元件注釋” 、 “線圈注釋” 、 “快注釋”是用于標注注釋的功能選項。在使用 前，首先要進行注釋顯示設置，點擊視圖菜單中的“顯示注釋”選項或工具欄中的“注釋 顯示設置”按鈕出現如圖 4 所示的對話框，點中要注釋的項目，并設置顯示范圍，確認即 可。如選中“元件名注釋”選項時，會彈出相應的注釋對話框，如圖 5 所示，輸入對應的 注釋。各項注釋的注釋顯示位置如圖 6 所示。 四、視圖菜單 1.“梯形圖” 、 “指令表

58、” 、 “sfc” 、 “注釋視圖” 、 “寄存器”這些子菜單是用于這幾種編輯 視圖的轉換。 2.“工具欄 1” 、 “工具欄 2” 、 “狀態欄” 、 “功能鍵” 、 “功能圖”這幾項，當選中某項時可 將相應的工具欄在界面上顯示出來。 3.“觸點/線圈列表” 、 “醫用元件列表” 、 “tc 設置顯示”分別顯示觸點及線圈的使用狀態、 顯示程序中元件的使用狀態、顯示程序中計時器的設置表。 4.“顯示注釋”子菜單是進行注釋顯示設置的，對話框如圖 4 所示。點中要注釋的項目， 并設置顯示范圍。 5.“顯示比例”可以放大顯示內容。 五、plc 菜單 1.“端口設置”選項用于選擇上位機與 plc 通信

59、的串行端口，設置框如圖 7 所示。 2.“傳送”子菜單是將已創建的程序傳送到計算機中。 “寫出”是將計算機中的程序發送 到 plc 中。 “校驗”是將在計算機及可編程邏輯控制器中的程序加以比較校驗。 3.“寄存器數據傳送”子菜單將已創建的寄存器數據成批傳送到 plc 中。其功能包括“讀 入” 、 “寫出” 、 “校驗” 。 “讀入”是將設置在 plc 中的寄存器讀入計算機中。 “寫出”是將計 算機中的寄存器數據寫入 plc 中。 “校驗”是將計算機中的數據與 plc 中的數據進行校驗。 4.“plc 存儲器清除”子菜單功能是用于清除 plc 存儲器、數據元件存儲器和位元件存儲 器，操作時會出現

60、圖 8 所示的對話框，選中要清除的選項，并確認。 5.“串口設置”是用于串行通信格式的設置，當用 rs232 適配器及 rs 命令來進行串行通信 時，首先要進行通信格式的設置，通過 plc 的特殊數據寄存器 d8120 來設定，如圖 9 所示。 6.“plc 當前口令刪除”選項可用于 plc 口令的設置、改變或刪除。 7“運行中程序更改”選項可以在程序運行時將 plc 的程序做部分改變，但 plc 程序內存 必為 ram 可被改變的程序應僅為一個電路塊，限于 127 步，被改變的電路塊中應無高速計 數器的應用指令。 8.“遙控運行/停止”選項可遙控可編程邏輯控制器進行運行/停止操作，無需操作