可編程計算機控制原理及應(yīng)用

1、成 績評閱人中 國 礦 業(yè) 大 學(xué)工程碩士專業(yè)課（課外考核）作業(yè)封面 學(xué) 號： GS13060044 姓 名： 司 冠 楠 工程領(lǐng)域： 電氣工程 課程名稱：可編程計算機控制原理及應(yīng)用 任課教師： 夏 晨 陽 任課教師規(guī)定截止交作業(yè)時間：2015年6月19日 工程碩士研究生交作業(yè)時間： 2015年 6月 5日 注意事項如果老師以課外作業(yè)形式考核，如寫讀書報告或小論文，必須嚴格按照老師規(guī)定的時間上交作業(yè)，以便老師評定成績。作業(yè)前面必須訂上此封面。由于工程碩士無論什么原因不按規(guī)定時間上交作業(yè)，晚交作業(yè)不予評閱，作業(yè)作廢，請隨下一年級重修。 研究生院培養(yǎng)管理辦公室印制XV 基于PLC的礦井提升機變頻調(diào)

2、速控制系統(tǒng)設(shè)計礦井提升機是各種廠礦生產(chǎn)的重要設(shè)備。提升機的安全、可靠、有效、高速運行，直接關(guān)系到企業(yè)的生產(chǎn)狀況和經(jīng)濟效益。礦井提升系統(tǒng)具有環(huán)節(jié)多、控制復(fù)雜、運行速度快、慣性質(zhì)量大、運行特性復(fù)雜的特點，且工作狀況經(jīng)常交替轉(zhuǎn)換。雖然礦井提升系統(tǒng)本身有一些安全保護措施，但是由于現(xiàn)場使用環(huán)境條件惡劣，造成了各種機械零件和電氣元件的功能失效，以及操作者的人為過失和對行程監(jiān)測研究的局限性，使得現(xiàn)有保護未能達到預(yù)期的效果，致使提升系統(tǒng)的事故至今仍未能消除。將變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于礦井提升機是礦井提升機電氣傳動系統(tǒng)的發(fā)展方向。隨著變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，交-直-交電壓型變頻調(diào)速技術(shù)已開始在礦井提升機改造中應(yīng)用。變頻器

3、的調(diào)速控制可以實現(xiàn)提升機的恒加速和恒減速控制，消除了轉(zhuǎn)子串電阻造成的能耗，具有十分明顯的節(jié)能效果。變頻器調(diào)速控制電路簡單，克服了接觸器、電阻器、繞線電機電刷等容易損壞的缺點，降低了故障和事故的發(fā)生。提升機電氣控制系統(tǒng)要求及組成 基于PLC控制的礦井提升機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)由動力裝置、變頻調(diào)速系統(tǒng)、操作臺、監(jiān)控系統(tǒng)組成，各部分功能如下：動力裝置，變頻調(diào)速，操作臺，監(jiān)控系統(tǒng)，信號控制。圖2-2 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)圖交-直-交PWM變頻器主回路簡介常用的交-直-交PWM變頻器主回路結(jié)構(gòu)如圖2-3所示，左邊是不可控整流橋，將三相交流電整流成電壓恒定的直流電壓，右邊是逆變器，將直流電壓變換為頻率與電壓均可調(diào)

4、的交流電，中間的濾波環(huán)節(jié)是為了減小直流電壓脈動而設(shè)置的。這種回路只有一套可控功率級，具有結(jié)構(gòu)簡單、控制方便的優(yōu)點，采用脈寬調(diào)制的方法，輸出諧波分量小，缺點是電動機工作在回饋制動狀態(tài)時能量不能回饋至電網(wǎng)，造成直流側(cè)電壓上升，稱做泵升電壓。圖2-3 交-直-交PWM變頻器主回路結(jié)構(gòu)圖圖2-4 帶制動電阻的交-直-交PWM變頻器主回路結(jié)構(gòu)圖變頻器的選型6SE70系列變頻器是具有多種可供選擇接線方式的設(shè)備：有將整流部分與逆變部分裝于一體的變頻器、用于變頻器的制動電阻和制動單元、單獨的整流單元、整流回饋單元和單獨的逆變器。制動運行的方式：對于不經(jīng)常制動的設(shè)備可以選擇變頻器+制動單元+制動電阻的方式；6S

5、E70系列 變頻器具有多種控制方式：可以設(shè)定為VVVF控制、開環(huán)矢量控制、閉環(huán)矢量控制中的一種。閉環(huán)矢量控制的性能最好，必須接入測速裝置。6SE70系列變頻器的所有設(shè)備均有故障自診斷功能。6SE70裝置本身提供了多種可靠有效的故障保護措施。同時也提供了簡單實用的故障查詢手段，裝置可以記錄同時發(fā)生的多個故障，并可以保存最近8次所發(fā)生過的故障代碼。變頻器外部電路設(shè)計變頻器可以輸出頻率可調(diào)的交流電源，在變頻器的控制輸入回路中接入頻率設(shè)定電路，本系統(tǒng)中通過PLC輸出電壓信號(012 V)來控制變頻器的頻率。另外在變頻器的外圍加設(shè)有聲光報警輸出口及制動單元，能夠?qū)崿F(xiàn)變頻器故障報警和安全制動，更有效的對控

6、制系統(tǒng)進行安全保護，變頻器外部電路如圖2-5所示。 圖2-5 變頻器外部主電路PLC硬件設(shè)計 PLC簡介國際電工委員會（IEC）對可編程序控制器作了如下的定義：“可編程序控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。它采用可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的命令，并通過數(shù)字式模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴充功能的原則而設(shè)計。具有其他工業(yè)設(shè)備難以具備的特點：PLC具有以下特點：(1) 可靠性高。在I/O環(huán)節(jié)，PLC采用了光電隔離、濾波的多

7、種措施。系統(tǒng)程序和大部分的用戶程序都采用E2PROM存儲，一般PLC的平均無故障工作時間可達幾萬小時以上。(2) 控制功能強。PLC所采用的CPU一般是具有較強位處理功能的位處理機，為了增強其復(fù)雜控制功能和聯(lián)網(wǎng)通信等管理功能，可以采用雙CPU的運行方式，使其功能得到極大的加強。(3) 編程方便易學(xué)。第一編程語言(梯形圖)是一種圖形編程語言，與多年來工業(yè)現(xiàn)場使用的電器控制圖非常相似，理解方式也相同，非常適合現(xiàn)場人員學(xué)習(xí)。(4) 模塊化結(jié)構(gòu)，擴展能力強。根據(jù)現(xiàn)場需要進行不同功能的擴展和組裝，一種型號的PLC可用于控制從幾個I/O點到幾百個I/O點的控制系統(tǒng)。(5) 與外部設(shè)備連接方便。采用統(tǒng)一接線

8、方式的可拆裝的活動端子排，提供不同的端子功能適合用于多種電氣規(guī)格。(6) 適用與惡劣的工業(yè)環(huán)境。采用封裝的方式，適合于各種震動、腐蝕、有毒氣體等的應(yīng)用場合。(7) 體積小、重量輕、功耗低、性價比高、維修方便，功能更加靈活。 PLC的選型三菱PLC有如下系列：Q系列, AnS系列，QnA系列，A系列和FX系列前四個系列的PLC為模塊型，可按要求配置。FX系列PLC為單元型，內(nèi)含CPU、電源和固定搭配的輸入、輸出。Q4AR系列為雙機熱備系列，最大輸入輸出點數(shù)為8192點。A系列PLC的最大輸入輸出點數(shù)為2048點。F系列程控器的最大輸入輸出點數(shù)為256點。 三菱小型FX2N系列程控器的輸入輸出點最

9、大不超過256點。 FX 系列PLC根據(jù)輸入輸出點數(shù)不同及功能分為多個不同的系列：輸入、輸出點數(shù)在30點以內(nèi)可使用 FX1S系列； 輸入、輸出點數(shù)在128點以內(nèi)可使用FX1N系列； 輸入、輸出點數(shù)在256點以內(nèi)可使用 FX2N系列。 FX2N系列基本單元(16128點)有繼電器或晶體管輸出,最多可擴展到256點。內(nèi)置有8KBRAM(最多可擴展到16KB)可選用存儲卡盒,有RAM,EPROM和EEPROM。FX2N系列PLC的特點：(1) 高速的運算速度基本指令：0.08微秒/指令，應(yīng)用指令：1.52至幾百微秒/指令。(2) 更靈活的配置除了具有滿足特殊要求的大量特殊功能模塊外，六個基本FX2N

10、單元中的每個單元可以擴充到256個I/O。(3) 豐富的軟元件3072點輔助繼電器(M)、256點計時器、235點計數(shù)器、8000數(shù)據(jù)寄存器和1000點狀態(tài)繼電器(S)。 PLC的I/O分配為提高系統(tǒng)可靠性，PLC的輸入輸出信號均采用一定的信號隔離方式:輸入信號、開關(guān)量信號通過繼電器隔離分配；電平信號通過信號分配板隔離分配；輸出信號，通過中間繼電器轉(zhuǎn)接來控制執(zhí)行對象。在設(shè)計時需統(tǒng)計I/O的總量，包括開關(guān)量和模擬量，以確定選用PLC的模塊數(shù)量以及型號。具體分配如下表，F(xiàn)X2N-A-1系列PLC控制系統(tǒng)的輸入信號及地址編號如表3-1所示。表3-1 輸入點地址編碼名 稱地址編碼名 稱地址編碼電機A軸

11、編碼器（速度）X0半自動X24電機B軸編碼器（速度）X1主系統(tǒng)X25電機B軸編碼器（深度）X2備用系統(tǒng)X26 輥筒編碼器（速度）X3人員X27 深指編碼器（速度）X4材料X30 心跳脈沖輸入X10調(diào)繩X31 驗繩X11正常X32KP開關(guān)X12調(diào)節(jié)閥X33 維修X13G1X34 應(yīng)急X14G2X35 上過卷X15G3X36 無過卷X16G4X37 下過卷X17調(diào)繩控制開關(guān)通X401#KT轉(zhuǎn)換開關(guān)X20調(diào)繩控制開關(guān)斷X412#KT轉(zhuǎn)換開關(guān)X21故障復(fù)位X42手動X22半自動運行X43自動X23深度清零X44語音復(fù)位X45深指上井口開關(guān)X63急停X46深指下井口開關(guān)X64備用X47井筒上過卷X65三

12、倍靜力矩試驗按鈕X50井筒下過卷X66主令零位停車X51井筒上終端X67主令上升X52井筒下終端X70主令下降X53井筒上減速點X71緊閘開關(guān)X54井筒下減速點X72松閘開關(guān)X55井筒上井口開關(guān)X73深指上過卷X56井筒下井口開關(guān)X74深指下過卷X57井筒上校正開關(guān)X75深指上終端X60井筒下校正開關(guān)X76深指下終端X61閘瓦開關(guān)X77深指減速點X62FX2N-A-1控制系統(tǒng)的輸出信號及地址編號如表3-2所示。表3-2 輸出點地址編碼名 稱地址編碼名 稱地址編碼電磁閥中繼G3Y0檢繩故障Y21電磁閥中繼G4Y1深指失效指示Y22電磁閥中繼G5Y2制動油過壓指示Y23電磁閥中繼G6Y3等速段超速

13、指示Y24語音報警1Y4減速段超速指示Y25語音報警2Y5爬行段超速指示Y26語音報警3Y6閘瓦磨損指示Y27軟安全回路中繼Y7離合器打開Y30減速點打鈴Y10離合器合上Y31電機風(fēng)機運行輸出Y11變頻正轉(zhuǎn)輸出中繼Y40PLC監(jiān)視輸出Y12變頻反轉(zhuǎn)輸出中繼Y41主允許一次提升輸出Y13變頻預(yù)留Y42制動泵運行輸出Y14變頻多段速1Y43潤滑泵運行輸出Y15變頻多段速2Y44閘控輸出Y16變頻多段速3Y45一次提升故障指示Y20 PLC的硬件接線圖 PLC硬件接線圖PLC軟件設(shè)計 PLC軟件概述 三菱PLC的編程軟件有幾種，在此用到的是Gxdeveloper，是一款可兼容三菱各種型號PLC的編程

14、軟件，有離線仿真功能。1. GX開發(fā)器（1) 開發(fā)器(GPPW) 可以用于生成涵蓋所有三菱電機PLC設(shè)備的軟件包。使用軟件可以為Fx/AQnA/Q系列PLC生成程序。（2) 開發(fā)器(GPPW)使用Widnows操作平臺以提高工作效率，便于調(diào)試操作和維修操作。（3) 梯形圖、指令表、或者是SFC(時序功能圖)進行編程。（4) 可以與原先包括基于DOS操作系統(tǒng)的程序在內(nèi)的編程軟件相兼容。（5) 維護包括監(jiān)控和程序/參數(shù)上載和下載，通過調(diào)制解調(diào)器通訊即可實現(xiàn)。2. 提升機PLC控制系統(tǒng)要求（1) 提升機速度(PLC)控制方式提升速度的給定方式有兩種:一種是給定速度為時間的函數(shù)，v=f(t)；另一種是

15、給定速度為行程的函數(shù)，v=f(s)。為了提高提升機運行速度控制的精度，在速度給定電路中增加了加速變化率限制環(huán)節(jié)，即不但要限制加速度，而且還要限制加速度的變化率。為了提升機運行的安全可靠，采用行程給定和時間給定串級連接。在速度圖中不出現(xiàn)折線，實現(xiàn)S形速度給定曲線。（2) 提升機行程(PLC)控制方式通過井筒開關(guān)、旋轉(zhuǎn)編碼器檢測提升行程。其中一個旋轉(zhuǎn)編碼器安裝在提升機的主軸上，另一個旋轉(zhuǎn)編碼器安裝在提升電動機軸上，天輪軸上的安裝旋轉(zhuǎn)編碼器作為行程檢測后備器件。井筒開關(guān)用來校正行程顯示和控制信號，使行程控制和顯示誤差縮小到允許范圍。程序設(shè)計 軟件結(jié)構(gòu)由于系統(tǒng)控制核心主要由PLC和上位機組成，因此，軟

16、件包括PLC控制軟件和上位機組態(tài)軟件。PLC軟件的主要功能是對提升機的啟動、加速、減速、停車等過程控制、信號采集、邏輯處理。PLC軟件設(shè)計采用模塊化結(jié)構(gòu)，程序編制采用梯形圖。上位機軟件主要對系統(tǒng)運行狀態(tài)、故障狀態(tài)實時監(jiān)控，對運行數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)進行存儲和記憶。PLC軟件結(jié)構(gòu)的設(shè)計是根據(jù)提升機工藝和控制要求，將控制任務(wù)和過程分解為許多子過程和子任務(wù)，再對各個子過程和子任務(wù)進行模塊設(shè)計、功能說明，形成一個模塊化的程序結(jié)構(gòu)。如圖4-1所示。圖4-1 PLC程序結(jié)構(gòu)圖軟件部分設(shè)計由于控制工藝比較復(fù)雜，本程序采用主子程序模塊化順序結(jié)構(gòu)進行編程，程序中的內(nèi)存地址可分成：參數(shù)設(shè)定、上位機顯示、故障存儲、運行數(shù)

17、據(jù)存儲、中間量這五部分，系統(tǒng)各種子程序均由主循環(huán)程序調(diào)用執(zhí)行，按事先輸入的控制程序?qū)崿F(xiàn)自動控制，系統(tǒng)編程靈活，修改程序方便，僅需修改子程序梯形圖程序就可改變控制功能，便于現(xiàn)場維護管理，使提升機運行安全性和可靠性得到了大幅度提高。主程序和部分子程序分別介紹如下:1. 控制程序：控制子程序流程圖如圖4-2所示。提升信號、工作手柄以及所選擇的工作方式，驅(qū)動變頻器實現(xiàn)提升下放操作，完成對絞車的啟動、加速、等速、減速、停止等運行過程的轉(zhuǎn)矩和頻率控制。故障時，通過對液壓站電磁閥的控制，實施一二級安全制動。主要輸出驅(qū)動控制功能為:a 電機變頻調(diào)速控制；b 制動泵液壓泵的控制；c 液壓站電磁閥的控制；d 調(diào)繩

18、調(diào)閘操作；e 安全保護、安全制動。程序置有半自動運行(主井提升可實現(xiàn)自動運行)、手動運行、檢修運行、應(yīng)急運行等四種運行方式。在正常情況下可采用半自動或手動運行；檢修運行時系統(tǒng)自動給定一個檢修速度(0.3m/s)低速運行；當故障時，在系統(tǒng)保護停機后，故障被確認但不能立即排除，此時可采用應(yīng)急運行方式，應(yīng)急運行速度不超過0.5m/s。2. 深度、速度檢測子程序：速度檢測采用光電旋轉(zhuǎn)編碼器雙線輸入。利用高速計數(shù)模塊對編碼器信號計數(shù)，其中一路編碼器信號用于行程速度保護，一路用于顯示與監(jiān)測。兩套編碼器的數(shù)據(jù)在程序中不斷進行比較，當比較結(jié)果發(fā)生不一致時，程序會發(fā)出故障安全制動指令。3. 安全回路程序設(shè)計：在PLC軟安全回路中具有如下保護接點，過卷保護、主電源失壓、制動油過壓、后備保護、變頻故障、操作臺急停信號、減速段超速、等速段超速、爬行段超速、松繩信號、深指失效、松閘保護、錯向保護、編碼器失效、PLC故障、溜車故障。以上任一故障發(fā)