礦山機(jī)電畢業(yè)論文(含外文翻譯)煤礦絞車監(jiān)控與保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　煤礦絞車監(jiān)控與保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　DESING OF COAL MINE WINCH MONITORINF AND PROTECTION SYSTEM</p><p&

2、gt;　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級 礦山機(jī)電 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號 </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　

3、　完成日期 年 月 </p><p>　　畢業(yè)設(shè)計（論文）共 65頁（其中：外文文獻(xiàn)及譯文 13 頁）圖紙共 1 張</p><p><b>　　遼寧工程技術(shù)大學(xué)</b></p><p>　　本科畢業(yè)設(shè)計（論文）學(xué)生誠信承諾保證書</p><p>　　本人鄭重承諾：《

4、煤礦絞車監(jiān)控與保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計 》畢業(yè)</p><p>　　設(shè)計（論文）的內(nèi)容真實(shí)、可靠，系本人在 指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，獨(dú)立完成。如果存在弄虛作假、抄襲的情況，本人承擔(dān)全部責(zé)任。</p><p><b>　　學(xué)生簽名：</b></p><p>　　年 月 日</p><p><b>　　遼

5、寧工程技術(shù)大學(xué)</b></p><p>　　本科畢業(yè)設(shè)計（論文）指導(dǎo)教師誠信承諾保證書</p><p>　　本人鄭重承諾：我已按學(xué)校相關(guān)規(guī)定對 同學(xué)的畢業(yè)設(shè)計（論文）的選題與內(nèi)容進(jìn)行了指導(dǎo)和審核，確認(rèn)由該生獨(dú)立完成。如果存在弄虛作假、抄襲的情況，本人承擔(dān)指導(dǎo)教師相關(guān)責(zé)任。</p><p><b>　　指導(dǎo)教師簽名：</b

6、></p><p>　　年 月 日</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　礦井提升絞車是重要的礦山設(shè)備之一，它肩負(fù)著井上、井下聯(lián)系的重要任務(wù)在整個礦井中占有非常重要的地位。由此可見，解決提升絞車的行程，速度監(jiān)控問題，是保護(hù)整個提升絞車系統(tǒng)的重中之重。但目前，國內(nèi)礦山大多采用機(jī)械式裝置來監(jiān)測保護(hù)整個絞車系統(tǒng)

7、，但是此類設(shè)備的精度不高，可靠性差，維護(hù)量大，這些都與煤礦的安全形勢和采礦業(yè)的發(fā)展不相適應(yīng)。因此，研制高精度的煤礦提升絞車監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)是非常迫切的。</p><p>　　本文從煤礦工業(yè)現(xiàn)場的實(shí)際情況出發(fā)，通過對煤礦提升系統(tǒng)和提升絞車的監(jiān)控系統(tǒng)的功能的綜合分析，提出了一套設(shè)計方案。把可編程序控制器，變頻調(diào)速技術(shù)等應(yīng)用到提升絞車的監(jiān)控與保護(hù)系統(tǒng)中。通過電機(jī)和變頻器的選定，再通過PLC進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)對提升絞車的控制。本

8、文采用西門子系列的PLC S7-200對提升絞車的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行編程，編寫梯形圖，再采用STEP 7-Mircro/WIN 32 編程軟件實(shí)現(xiàn)對編完的PLC進(jìn)行監(jiān)測等過程。以實(shí)現(xiàn)整個提升絞車系統(tǒng)的安全運(yùn)行。</p><p>　　本次設(shè)計的煤礦提升絞車監(jiān)控與保護(hù)系統(tǒng)基本滿足了礦山生產(chǎn)的需要，達(dá)到預(yù)期效果，今后的任務(wù)是在此基礎(chǔ)上對系統(tǒng)進(jìn)行完善。</p><p>　　關(guān)鍵詞：煤礦提升絞車；監(jiān)控系統(tǒng)

9、；PLC</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Mine hoist is one of the important mine equipment, it bears the important task of Inoue and underground connection, and it plays an important r

10、ole in the whole mine.. This shows that, to solve the problem of hoist trip, speed monitoring,is the key to protect the entire hoist system. But at present, the domestic mines most of the mechanical device to monitor the

11、 winch system protection, but the precision of this kind of equipment is not high, poor reliability, maintenance. These are with coal min</p><p>　　From the actual situation of coal mine industry field, this

12、paper puts forward a set of design scheme through comprehensive analysis of the function of the coal mine lifting system and the monitoring system of the hoist.. Application of PLC, frequency conversion and speed adjustm

13、ent technology to the hoist monitoring and protection system. Through the motor and frequency converter selected, through the PLC programming, to improve the winch control. The Siemens series S7-200 PLC programming to im

14、</p><p>　　This design of mine hoist monitoring and protection system basically meet the needs of mine production, to achieve the expected results, the task is to improve the system on the basis of this.</

15、p><p>　　Keywords: mine hoist; monitoring system; PLC</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要Ⅰ</b></p><p>　　AbstractⅡ</p><p><b>　　引言

16、1</b></p><p><b>　　1緒論2</b></p><p><b>　　1.1研究背景2</b></p><p><b>　　1.2研究現(xiàn)狀2</b></p><p>　　1.3絞車控制的發(fā)展趨勢3</p><p>　　

17、1.4設(shè)計意義及設(shè)計內(nèi)容3</p><p>　　1.4.1設(shè)計意義3</p><p>　　1.4.2設(shè)計內(nèi)容4</p><p>　　2礦井提升絞車監(jiān)控與保護(hù)系統(tǒng)的分析與設(shè)計5</p><p>　　2.1絞車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成5</p><p>　　2.1.1煤礦絞車系統(tǒng)分類5</p><p&g

18、t;　　2.1.2煤礦絞車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)5</p><p>　　2.1.3煤礦絞車的監(jiān)測信號采集6</p><p>　　2.2礦井提升絞車電控系統(tǒng)組成6</p><p>　　2.3礦井提升絞車的監(jiān)控系統(tǒng)組成7</p><p>　　2.3.1絞車制動裝置設(shè)計7</p><p>　　2.3.2過負(fù)荷與欠電壓保護(hù)裝置與安

19、全回路8</p><p>　　2.3.3防過速裝置與限速裝置8</p><p>　　2.3.4深度指示器及其失效保護(hù)裝置9</p><p>　　2.3.5防過卷裝置9</p><p>　　2.3.6閘間隙保護(hù)裝置9</p><p>　　2.4監(jiān)控系統(tǒng)總體框圖確定10</p><p>

20、　　3提升絞車監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計11</p><p>　　3.1提升絞車變頻控制部分設(shè)計11</p><p>　　3.1.1提升絞車變頻器容量選擇11</p><p>　　3.1.2提升絞車變頻器選擇11</p><p>　　3.1.3提升絞車系統(tǒng)變頻器外部電路設(shè)計13</p><p>　　3.2主控模塊硬件

21、設(shè)計13</p><p>　　3.2.1 PLC簡介14</p><p>　　3.2.2 PLC工作原理15</p><p>　　3.2.3控制系統(tǒng)I/O統(tǒng)計16</p><p>　　3.2.4 PLC選型16</p><p>　　3.2.5控制系統(tǒng)I/O分配20</p><p>　

22、　3.2.6提升絞車監(jiān)控系統(tǒng)的PLC外部電路設(shè)計22</p><p>　　3.3信號采集模塊硬件設(shè)計22</p><p>　　3.3.1傳感器的選擇23</p><p>　　4提升絞車監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計及調(diào)試30</p><p>　　4.1 PLC軟件設(shè)計30</p><p>　　4.1.1提升絞車調(diào)速系統(tǒng)的中

23、斷子程序功能31</p><p>　　4.1.2提升絞車調(diào)速系統(tǒng)的故障處理子程序功能31</p><p>　　4.1.3提升絞車調(diào)速系統(tǒng)的程序梯形圖31</p><p>　　4.1.4提升絞車調(diào)速系統(tǒng)的程序調(diào)試 33</p><p>　　4.2上位機(jī)設(shè)計35</p><p>　　4.2.1組態(tài)軟件36<

24、;/p><p>　　4.2.2提升絞車監(jiān)控畫面設(shè)計37</p><p>　　4.2.3 PLC與計算機(jī)通訊38</p><p>　　4.3系統(tǒng)抗干擾措施設(shè)計38</p><p>　　5 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析41</p><p><b>　　6總結(jié)與展望42</b></p><p

25、>　　6.1研究成果及結(jié)論42</p><p>　　6.2研究展望42</p><p><b>　　致謝43</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)44</b></p><p><b>　　附錄A 譯文46</b></p><p>

26、　　附錄B 外文文獻(xiàn)52</p><p><b>　　引言</b></p><p>　　近幾年我國煤炭工業(yè)蓬勃發(fā)展，越來越多的礦山向大型、高效方向發(fā)展，井下開采設(shè)備和支護(hù)設(shè)備也向大型化方向發(fā)展，需要提高井下提升設(shè)備的提升能力。隨著老礦山不斷向深部煤層開采，深井、超深井不斷出現(xiàn)，也要求提高井下提升設(shè)備的提升長度和能力。因此，井下提升運(yùn)輸設(shè)備能力小，設(shè)備落后的矛盾越來越

27、突出；大型設(shè)備下井不得不解體，然后在組裝條件極差工作面恢復(fù)組裝，不但效率低下、工人勞動強(qiáng)度大，而且所組裝的設(shè)備性能難以保證；由于井下提升設(shè)備能力的限制，深井、超深井的提升長度不得不加以限制；這些都嚴(yán)重制約著礦山生產(chǎn)的發(fā)展。此外，隨著國家對于煤礦安全越來越重視及煤礦安全事故的頻繁發(fā)生，國家安全生產(chǎn)監(jiān)管部門要求礦井井下采用的提升絞車安全性能要更高。</p><p>　　絞車是工業(yè)生產(chǎn)過程中一種常見的機(jī)械，具有悠久的發(fā)

28、展歷史和比較成熟的設(shè)計制造技術(shù)。隨著絞車制造技術(shù)的不斷提高、加工材料的不斷改進(jìn)以及電子控制技術(shù)的不斷發(fā)展，絞車在動力、節(jié)能和安全性等方面取得了很大的進(jìn)步。</p><p>　　目前，絞車正被廣泛地運(yùn)用于礦山、港口、工廠、建筑和海洋等諸多領(lǐng)域。在礦山采掘和運(yùn)輸場合，絞車作為重要輔助設(shè)備被大量而廣泛地運(yùn)用著，例如礦用提升絞車、調(diào)度絞車、耙礦絞車和鑿井絞車等。提升絞車可用于礦山豎井或斜井中物品與人員的調(diào)度，具有較大的牽

29、引功率和很好的安全性，是礦山生產(chǎn)中不可缺少的設(shè)備之一。</p><p><b>　　1緒論</b></p><p><b>　　1.1研究背景</b></p><p>　　近幾年我國煤炭工業(yè)蓬勃發(fā)展，越來越多的礦山向大型、高效方向發(fā)展，井下開采設(shè)備和支護(hù)設(shè)備也向大型化方向發(fā)展，需要提高井下提升設(shè)備的提升能力。隨著老礦山不斷

30、向深部煤層開采，深井、超深井不斷出現(xiàn)，也要求提高井下提升設(shè)備的提升長度和能力。因此，井下提升運(yùn)輸設(shè)備能力小，設(shè)備落后的矛盾越來越突出；大型設(shè)備下井不得不解體，然后在組裝條件極差工作面恢復(fù)組裝，不但效率低下、工人勞動強(qiáng)度大，而且所組裝的設(shè)備性能難以保證；由于井下提升設(shè)備能力的限制，深井、超深井的提升長度不得不加以限制；這些都嚴(yán)重制約著礦山生產(chǎn)的發(fā)展。此外，隨著國家對于煤礦安全越來越重視及煤礦安全事故的頻繁發(fā)生，國家安全生產(chǎn)監(jiān)管部門要求礦井

31、井下采用的提升絞車安全性能要更高。</p><p>　　絞車是工業(yè)生產(chǎn)過程中一種常見的機(jī)械，具有悠久的發(fā)展歷史和比較成熟的設(shè)計制造技術(shù)。隨著絞車制造技術(shù)的不斷提高、加工材料的不斷改進(jìn)以及電子控制技術(shù)的不斷發(fā)展，絞車在動力、節(jié)能和安全性等方面取得了很大的進(jìn)步。</p><p>　　目前，絞車正被廣泛地運(yùn)用于礦山、港口、工廠、建筑和海洋等諸多領(lǐng)域。在礦山采掘和運(yùn)輸場合，絞車作為重要輔助設(shè)備被大

32、量而廣泛地運(yùn)用著，例如礦用提升絞車、調(diào)度絞車、耙礦絞車和鑿井絞車等。提升絞車可用于礦山豎井或斜井中物品與人員的調(diào)度，具有較大的牽引功率和很好的安全性，是礦山生產(chǎn)中不可缺少的設(shè)備之一。</p><p><b>　　1.2研究現(xiàn)狀</b></p><p>　　我國智能控制技術(shù)應(yīng)用較晚，80年代初，從波蘭、法國、德國、英國和美國等引進(jìn)了一批安全監(jiān)控系統(tǒng)，裝備了部分煤礦；在引

33、進(jìn)的同時，通過消化、吸收并結(jié)合我國煤礦的實(shí)際情況研制監(jiān)控系統(tǒng)，先后在我國煤礦大量使用。實(shí)踐表明，安全監(jiān)控系統(tǒng)對煤礦安全生產(chǎn)和管理起到了十分重要的作用。由于當(dāng)時相當(dāng)一部分監(jiān)控系統(tǒng)由于技術(shù)水平低、功能和擴(kuò)展性能差、現(xiàn)場維修維護(hù)和技術(shù)服務(wù)跟不上等原因，或者己淘汰、或停產(chǎn)。特別是礦用絞車控制系統(tǒng)大都是手動雙打式打點(diǎn)器和連擊電鈴配合使用。由于提升系統(tǒng)的頻繁提升，用手連續(xù)打動，手易疲勞，安全性能差；該手動控制信號系統(tǒng)靠鈴聲傳輸，沒有記憶功能，易聽混

34、淆，造成打錯點(diǎn)；提升絞車房及上下井口電氣設(shè)備繁多，通信線路復(fù)雜，在一定程度上增加了維修難度，給安全生產(chǎn)帶來影響。隨著電子技術(shù)、計算機(jī)軟硬件技術(shù)的迅猛發(fā)展和企業(yè)自身發(fā)展的需要，國內(nèi)各主要科研單位和生產(chǎn)廠家又相繼推出了一系列監(jiān)控系統(tǒng)，以及WSN、WEBGIS等煤礦安全綜合化和數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測管理系統(tǒng)，大大小小的系統(tǒng)生產(chǎn)廠家如雨后春筍般的不斷出現(xiàn)，為用戶提供了更多的選擇機(jī)會、也促進(jìn)了各廠家在市場競爭條件下不斷提高產(chǎn)品質(zhì)量和服務(wù)意識。盡管我們在煤

35、礦安全</p><p>　　（1）國內(nèi)生產(chǎn)的礦用絞車控制裝置功能單一，只有簡單的通信功能，沒能做智能控制，安全隱患嚴(yán)重。</p><p>　?。?）國內(nèi)煤礦監(jiān)控系統(tǒng)沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，造成一個煤礦使用多家的監(jiān)控系統(tǒng)，互相不能夠兼容，制約煤礦綜合礦山自動化的建設(shè)。</p><p>　?。?）國內(nèi)生產(chǎn)的傳感器的可靠性與穩(wěn)定性與國外產(chǎn)品還有很大的差距。</p>

36、<p>　　1.3絞車控制的發(fā)展趨勢</p><p>　　煤礦綜合自動化是針對煤礦安全、生產(chǎn)工藝特點(diǎn)，結(jié)合具體煤炭企業(yè)管理模式和業(yè)務(wù)特點(diǎn)，運(yùn)用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、自動控制技術(shù)、電子技術(shù)、信息化技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備，開發(fā)出相應(yīng)的自動監(jiān)控系統(tǒng)、應(yīng)用軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)一線生產(chǎn)與生產(chǎn)管理、企業(yè)決策管理的數(shù)據(jù)共享，使企業(yè)的管理決策信息和生產(chǎn)狀況有機(jī)的結(jié)合起來。設(shè)備發(fā)生故障時，可能有幾種具體的故障同時發(fā)生，而且各種具體

37、故障對設(shè)備的作用程度不同，故障診斷的任務(wù)要把同時存在的各種具體故障都找出來，且區(qū)分其程度，對通過自動監(jiān)測到的安全、數(shù)據(jù)采集、存儲、分析、處理，提煉出對有效數(shù)據(jù)，開發(fā)出管理應(yīng)用軟件系統(tǒng)。</p><p>　　1.4設(shè)計意義及設(shè)計內(nèi)容</p><p><b>　　1.4.1設(shè)計意義</b></p><p>　　在科技飛速發(fā)展的今天，科技給提升絞車安

38、全運(yùn)轉(zhuǎn)提供了安全保證，其機(jī)械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)均有比較穩(wěn)定控制性能。但目前多數(shù)的礦井安全監(jiān)測系統(tǒng)采用有線方式進(jìn)行信號的傳輸，它們的功能單一，純手動操作，對礦用絞車安全運(yùn)輸存在較大的安全隱患。再次人們對礦用絞車控制系統(tǒng)的故障的發(fā)現(xiàn)與解決都提出了更高的要求，原有的檢測及控制裝置完全分散的接入控制裝置中，且一些不方便連線的區(qū)域甚至還是盲點(diǎn)，沒有做到智能化。為提高其智能化控制，必須把檢測裝置通過無線和有線的方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化連接，組成監(jiān)控系統(tǒng)，通過故障

39、模式與結(jié)果分析得出了系統(tǒng)狀態(tài)特征，可大大提高了系統(tǒng)的安全性。絞車作為礦山井下主要提升設(shè)備，掌握其性能特點(diǎn)并在礦山井下惡劣的環(huán)境當(dāng)中做好日常維護(hù)，保證其正常運(yùn)轉(zhuǎn)，在生產(chǎn)使用中不斷地進(jìn)行改進(jìn)，從而使絞車保護(hù)功能更加完善以實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。</p><p><b>　　1.4.2設(shè)計內(nèi)容</b></p><p>　　本設(shè)計在深入研究礦井提升絞車系統(tǒng)各種常見故

40、障的基礎(chǔ)上，對國內(nèi)外的同類產(chǎn)品取長補(bǔ)短，開發(fā)出一種新型的實(shí)時監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲為一體的提升絞車狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對絞車實(shí)時位置、運(yùn)行速度、抱閘間隙等參數(shù)的監(jiān)控，并可將故障記錄分類存儲到專用數(shù)據(jù)庫中，本系統(tǒng)良好的模塊化設(shè)計和抗干擾措施使之能適應(yīng)礦山惡劣的生產(chǎn)環(huán)境，提高了控制精度，可以保證礦山生產(chǎn)的安全順利進(jìn)行。</p><p>　　設(shè)計的內(nèi)容是通過PLC來控制變頻器實(shí)現(xiàn)煤礦絞車的監(jiān)控與保護(hù)。本次論文采用PLC為核心，

41、組成絞車監(jiān)控系統(tǒng)。在其主控器PLC內(nèi)，將部分操作信號、部分保護(hù)信號以及設(shè)定的一些行程參數(shù)與軸編碼器信號結(jié)合起來進(jìn)行邏輯運(yùn)算處理，自動產(chǎn)生煤礦絞車所需的速度給定信號，從而控制整個絞車的運(yùn)行。</p><p>　　首先介紹本文的研究背景和意義，其次分析國內(nèi)、外的研究現(xiàn)狀，最后給出了本文的研究內(nèi)容、研究方法和結(jié)構(gòu)組織。</p><p>　　主要介紹礦井絞車工藝流程及控制要求</p>

42、<p>　　從總體上介紹礦井絞車監(jiān)控系統(tǒng)總體方案選型設(shè)計，并對各部分的選型比較進(jìn)行了闡述。</p><p>　　詳細(xì)介紹礦井絞車監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計。</p><p>　　實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)之間的通訊，實(shí)現(xiàn)對絞車的監(jiān)控與保護(hù)。</p><p>　　2礦井提升絞車監(jiān)控與保護(hù)系統(tǒng)的分析與設(shè)計</p><p>　　2.1絞車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成</p

43、><p>　　礦井提升絞車包括機(jī)械設(shè)備及拖動控制系統(tǒng)，是聯(lián)系地下和地上的重要途徑，是礦山生產(chǎn)的咽喉設(shè)備，其性能好壞直接關(guān)系到礦山的生產(chǎn)效率和安全性及可靠性，它的安全、可靠運(yùn)行是整個礦井正常生產(chǎn)的必要條件，一旦發(fā)生故障，所造成的經(jīng)濟(jì)損失是巨大的?！斑\(yùn)輸是礦井的動脈，提升是咽喉”形象地描述了礦井提升運(yùn)輸系統(tǒng)的工作過程與重要作用。</p><p>　　2.1.1煤礦絞車系統(tǒng)分類</p>

44、<p>　　目前我國生產(chǎn)的主要結(jié)構(gòu)形式有:單繩纏繞式單雙筒絞車;摩擦多繩落地式和塔式多繩摩擦式絞車。拖動方式的設(shè)計取決于需要，而用于井下的有液壓傳動絞車等。我國常用的絞車形式主要是單繩纏繞式和多繩摩擦式。</p><p>　　2.1.2煤礦絞車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</p><p>　　絞車系統(tǒng)通常由機(jī)械、電氣、液壓三部分及外圍相關(guān)設(shè)備組成，由于絞車故障多數(shù)為電氣故障，為便于采集故障診斷所需

45、的各種信號，把電氣部分又細(xì)分為調(diào)節(jié)、行程控制、操作保護(hù)三部分，即絞車系統(tǒng)由調(diào)節(jié)系統(tǒng)、行程控制系統(tǒng)、操作保護(hù)系統(tǒng)、信號系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、液壓制動系統(tǒng)、裝卸載系統(tǒng)等幾部分組成，絞車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。</p><p>　　圖2-1絞車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</p><p>　　Figure 2-1 winch system structure</p><p>　　2.1.3煤礦絞車

46、的監(jiān)測信號采集</p><p>　　要進(jìn)行設(shè)備的狀態(tài)檢測，首先應(yīng)該采集設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。對于煤礦絞車，需要采集的信號分為數(shù)字量與模擬量，數(shù)字量通常表示信號狀態(tài)的接通與斷開，信號經(jīng)傳感器采集后可直接送入到PLC的數(shù)字量輸入模塊DI；對于模擬量，傳感器將各種物理量轉(zhuǎn)換成電信號后，還要經(jīng)過放大器、采樣/保持器，進(jìn)行信號的放大與保持，才能送入到PLC的模擬量/數(shù)字量轉(zhuǎn)換模塊DI。調(diào)節(jié)系統(tǒng)的各種控制信號以及反饋量，也要經(jīng)PL

47、C送入到上位機(jī)，以便進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷，具體如圖2-2所示。</p><p>　　圖2-2絞車監(jiān)控信號采集過程</p><p>　　Figure 2-2 winch monitoring signal acquisition process</p><p>　　2.2礦井提升絞車電控系統(tǒng)組成　　　</p><p>　　“礦井提升絞車電控系

48、統(tǒng)”實(shí)訓(xùn)裝置由礦井提升絞車模型、三相異步電動機(jī)、操作臺等部分組成。從功能上講，主要由提升絞車、PLC電氣控制系統(tǒng)、變頻器變頻調(diào)速系統(tǒng)、觸摸屏監(jiān)控系統(tǒng)組成，方案結(jié)構(gòu)圖如圖2-3所示。</p><p>　　圖2-3絞車電控系統(tǒng)</p><p>　　Figure 2-3 winch electronic control system</p><p>　　(1)提升絞車模型

49、　　　</p><p>　　提升絞車采用單繩纏繞式，該類型提升絞車在我國礦井提升中占有很大比重。其工作原理是把鋼絲繩的一端固定并纏繞在提升絞車的滾筒上，另一端繞過井架上的天輪懸掛提升容器，利用滾筒轉(zhuǎn)動方向的不同，將鋼絲繩纏上或放出，完成提升或下放重物的任務(wù)?！　　?lt;/p><p>　　(2)電氣控制系統(tǒng)　</p><p>　　主控系統(tǒng)采用西門子S7-200系列的可編

50、程控制器，通過對絞車速度、位置信號的檢測，利用變頻器實(shí)現(xiàn)提升絞車的速度控制及停車位的精確控制，滿足運(yùn)行的要求?！　?lt;/p><p>　　(3)變頻調(diào)速系統(tǒng)　　　</p><p>　　調(diào)速系統(tǒng)采用西門子MM440，性能優(yōu)越，適合提升絞車工作環(huán)境，只需在控制單元給出對變頻器的控制命令即可使提升絞車按照設(shè)定的速度曲線運(yùn)行，滿足提升階段穩(wěn)定運(yùn)行的要求。　　</p><p>

51、　　(4)觸摸屏監(jiān)控系統(tǒng)　　　</p><p>　　利用觸摸屏開發(fā)提升絞車監(jiān)控軟件，實(shí)現(xiàn)絞車的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測。</p><p>　　2.3礦井提升絞車的監(jiān)控系統(tǒng)組成</p><p>　　礦井提升絞車是一套復(fù)雜的機(jī)械電氣系統(tǒng)，是礦山生產(chǎn)中重要的設(shè)備。為確保提升絞車能夠達(dá)到高效、安全、可靠地連續(xù)提升，它應(yīng)具有較好的機(jī)械性能，良好的電氣控制設(shè)備和完善的保護(hù)裝置。煤炭工業(yè)部規(guī)

52、定礦井提升絞車要裝備安全監(jiān)控系統(tǒng)，并具有以下基本功能。</p><p>　　2.3.1絞車制動裝置設(shè)計</p><p>　　在絞車停止工作時，能可靠地閘住提升絞車，正常停車；在減速階段及下重物時，參與提升絞車的控制，既工作制動；當(dāng)發(fā)生緊急事故時，能迅速而合乎要求的閘住提升絞車，既安全制動；雙滾筒提升絞車在更換水平、調(diào)節(jié)鋼絲繩長度或更換鋼絲繩時，應(yīng)能閘住提升絞車的活滾筒。松開死滾筒。制動裝置

53、要絕對保證處于正?？煽繝顟B(tài)，一旦制動裝置失靈，將會造成重大事故。所以，應(yīng)對制動裝置提出了下列要求：</p><p>　?。?）保險閘或保險閘第一級由保護(hù)回路斷電時起至閘瓦接觸到閘輪上的空動時間；壓縮空氣驅(qū)動閘瓦式制動閘不得超過0.5s儲能液壓驅(qū)動閘瓦式制動閘不得超過0.6s盤式制動閘不得超過0.3s對斜井提升，為保證上提緊急制動不發(fā)生松繩而必須延時制動時，上提空動時間不受此限。盤式制動閘的閘瓦與制動盤之間的間隙應(yīng)

54、不大于2mm。保險閘施閘時，杠桿和閘瓦不得發(fā)生顯著的彈性擺動。</p><p>　?。?）提升絞車必須裝設(shè)司機(jī)不離開座位既能操縱的常用閘和保險閘，保險閘必須能自動發(fā)生制動作用。</p><p>　?。?）提升絞車的常用閘和保險閘制動時，所產(chǎn)生的力矩與實(shí)際提升最大靜荷重旋轉(zhuǎn)力矩之比K值不得小于3對質(zhì)量模數(shù)較小的絞車，上提重載保險閘的制動減速度超過有關(guān)規(guī)定的限值時，可將保險閘的K值適當(dāng)降低，但

55、不得小于2鑿井時期，升降物料用的絞車K值不得小于2在調(diào)整雙滾筒絞車滾筒旋轉(zhuǎn)的相對位置時，制動裝置在各滾筒閘輪上所發(fā)生的力矩，不得小于該滾筒所懸重量（鋼絲繩重量與提升容器重量之和)形成的旋轉(zhuǎn)力矩的1.2倍。計算制動力矩時，閘輪和閘瓦摩擦系數(shù)應(yīng)根據(jù)實(shí)測確定，一般采用0.30~0.35；常用閘和保險閘的力矩應(yīng)分別計算。對摩擦輪式提升絞車常用閘和保險閘的制動，必須滿足防滑要求。</p><p>　?。?）立井、斜井纏繞式

56、提升絞車除有制動裝置（常用閘和保險閘）外，應(yīng)加設(shè)定車裝置，以變調(diào)整滾筒位置或修理制動裝置時使用。</p><p>　?。?）常用閘和保險閘共同使用1套閘瓦制動時，操縱和控制機(jī)構(gòu)必須分開。雙滾筒提升絞車的2套閘瓦的傳動裝置必須分開。嚴(yán)禁司機(jī)離開工作崗位，擅自調(diào)整制動閘。對具有2套閘瓦只有1套傳動裝置的雙滾筒絞車，應(yīng)改為每個滾筒各自有其控制機(jī)構(gòu)的彈簧閘。保險閘必須采用配重式或彈簧式的制動裝置，除可由司機(jī)操縱外，還必須

57、能自動抱閘，并同時自動切斷提升裝置電源。常用閘必須采用可調(diào)節(jié)的機(jī)械制動裝置。</p><p>　　2.3.2過負(fù)荷和欠電壓保護(hù)裝置與安全回路</p><p>　　過負(fù)荷保護(hù)裝置也叫電流保護(hù)裝置，用來保護(hù)提升電動機(jī)的過載和短路及其他設(shè)備的安全運(yùn)行。欠電壓保護(hù)裝置裝在電源開關(guān)柜內(nèi)。當(dāng)電壓低于允許值時，使電源開關(guān)自動脫扣跳閘，實(shí)現(xiàn)安全制動。在提升絞車電控線路中，設(shè)有必要的保護(hù)和聯(lián)鎖裝置。它的作用

58、是：當(dāng)由于某種原因使安全接觸器斷電時，一方面使換向器及線路接觸器線圈電路斷開，從而使高壓換向器斷開，使提升電動機(jī)停電；另一方面使安全制動電磁鐵釋放，進(jìn)行安全制動，使提升絞車停車。</p><p>　　2.3.3防過速裝置與限速裝置</p><p>　　當(dāng)提升速度超過最大速度15%時，必須能自動斷電，并能使保險閘發(fā)生作用。提升速度超過3m/s的提升絞車必須裝設(shè)限速裝置，以保證提升容器（或平衡

59、錘）到達(dá)終端位置時的速度不超過2m/s。如果限速裝置為凸輪板，其在1個提升行程內(nèi)的旋轉(zhuǎn)角度應(yīng)不小于270度。防止過卷裝置能做到過卷后保險閘立即動作，但這并不能完全保證提升的安全，因為保險閘動作后，提升絞車并不能立即停止運(yùn)轉(zhuǎn)，需要有一個制動過程，而制動過程時間的長短取決于保險閘開始動作的提升速度。所以，必須用限速裝置來保證提升容器到達(dá)井口時的速度不超過2m/s，否則仍會造成嚴(yán)重事故。例如，某礦提升絞車的防止過速裝置拆除后未在裝上，由于司機(jī)

60、思想不集中，提升容器提至井口仍為減速，雖然防止過卷開關(guān)動作了，但提升絞車并為立即停止運(yùn)轉(zhuǎn)，提升容器升到天輪才被卡住，結(jié)果提升鋼絲繩被拉斷，提升容器墜到井底，打壞井筒設(shè)備，造成嚴(yán)重事故。</p><p>　　2.3.4深度指示器及其失效保護(hù)裝置</p><p>　　深度指示器是司機(jī)對提升絞車運(yùn)行情況的監(jiān)視器，沒有它隨時可能發(fā)生提升事故。所以，提升絞車必須裝設(shè)深度指示器、開始減速時能自動示警的

61、警鈴。提升裝置必須裝設(shè)深度指示器失效保護(hù)裝置：當(dāng)指示器失效時，能自動斷電并使保險閘發(fā)生作用。</p><p>　　2.3.5防過卷裝置</p><p>　　過卷事故就是提升容器到該停位置不停，直沖天輪，輕者影響生產(chǎn)、損壞部分提升設(shè)備，重者可導(dǎo)致井架倒塌、人員傷亡、提升容器墜落等嚴(yán)重后果。對防止過卷裝置的要求是：當(dāng)提升容器超過正常終端停止位置（或出車平臺）0.05m時，必須能自動斷電，并能使

62、保險閘發(fā)生制動作用。為防止提升絞車過卷，提高其工作可靠性，應(yīng)從如下4個方面著手：①設(shè)置準(zhǔn)確可靠的檢測點(diǎn)；②裝設(shè)安全迅速的2m/s過速保護(hù)；③選用靈敏高效的過卷開關(guān)；④增設(shè)先進(jìn)實(shí)用的緩沖裝置。</p><p>　　2.3.6閘間隙保護(hù)裝置</p><p>　　提升絞車的停車，完全是依靠制動閘來實(shí)現(xiàn)的。在操作過程中，靠的是閘瓦與閘輪或閘盤間的摩擦力產(chǎn)生制動力矩，所以閘瓦是易磨損零件，當(dāng)磨損到極

63、限程度時，固定閘瓦的銅螺釘就要與閘輪或閘盤相摩擦而產(chǎn)生溝痕，減少制動力矩，或由于閘瓦間隙超限而不能產(chǎn)生制動力矩。因此，《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定：提升裝置必須裝設(shè)閘間隙保護(hù)裝置，當(dāng)閘間隙超過規(guī)定值時，能自動報警或自動斷電。</p><p>　　2.4監(jiān)控系統(tǒng)總體框圖確定</p><p>　　現(xiàn)代煤礦絞車一般由相互聯(lián)系的多模塊組成，通過模塊控制執(zhí)行具體動作來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。在設(shè)備主要部件上均裝有傳感

64、器件，通過讀取傳感器，可以獲取設(shè)備的運(yùn)動狀態(tài)信息和位置信息等。控制器信號、狀態(tài)信號、設(shè)備控制中間信號等是設(shè)備控制器內(nèi)的主要數(shù)據(jù)信號。根據(jù)以上分析，現(xiàn)場硬件結(jié)構(gòu)大致如圖2-4所示。</p><p>　　圖2-4絞車監(jiān)控系統(tǒng)總框圖</p><p>　　Figure 2-4 total block diagram of winch monitoring system</p><

65、;p>　　3提升絞車監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計</p><p>　　3.1提升絞車變頻控制部分設(shè)計 </p><p>　　變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。我們現(xiàn)在使用的變頻器主要采用交－直－交方式，先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機(jī)。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控

66、制4個部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲能和緩沖無功功率。結(jié)構(gòu)圖如圖3.2所示： </p><p>　　圖3-1 變頻器的基本結(jié)構(gòu)</p><p>　　Figure 3-1 basic structure of inverter</p><p>　　3.1.1 提升絞車變頻器的容

67、量選擇 </p><p>　　在一臺變頻器驅(qū)動一臺電機(jī)的情況下，變頻器的容量選擇要保證變頻器的額定電流大于該電動機(jī)的額定電流，或者是變頻器所適配的電動機(jī)功率大于當(dāng)前該電動機(jī)的功率。另外礦用提升絞車屬于頻繁啟動、加減速運(yùn)轉(zhuǎn)，其變頻器容量的選擇應(yīng)根據(jù)加速、恒速、減速等各種運(yùn)行狀態(tài)下的電流值考慮到礦用電機(jī)性能上的差異及機(jī)械負(fù)載的波動，變頻器容量取電動機(jī)容量的1.4 倍，按照本系統(tǒng)電動機(jī)功率，選用100kW 以上的變頻器

68、。 </p><p>　　3.1.2 提升絞車電控系統(tǒng)變頻器選擇 </p><p>　　本調(diào)速控制系統(tǒng)變頻器選用德國的西門子公司生產(chǎn)的MM440（MICROMASTER 440）通用變頻器，可以對0.12-90kW 或90-250kW 的電機(jī)進(jìn)行控制。它采用高性能的矢量控制技術(shù)，提供低速高轉(zhuǎn)矩輸出和良好的動態(tài)特性，同時具備超強(qiáng)的過載能力，以滿足廣泛的應(yīng)用場合。創(chuàng)新的BiCo（內(nèi)部功能互聯(lián)）

69、功能有無可比擬的靈活性。</p><p><b>　　其主要特征：</b></p><p>　?。?）200V-240V ±10%，單相/三相，交流，0.12kW-45kW； 380V-480V±10%，三相，交流，0.37kW-250kW；</p><p>　?。?）矢量控制方式，可構(gòu)成閉環(huán)矢量控制，閉環(huán)轉(zhuǎn)矩控制；<

70、/p><p>　　（3）高過載能力，內(nèi)置制動單元；</p><p>　?。?）三組參數(shù)切換功能?？刂乒δ埽?線性v/f控制，平方v/f控制，可編程多點(diǎn)設(shè)定v/f控制，磁通電流控制免測速矢量控制，閉環(huán)矢量控制，閉環(huán)轉(zhuǎn)矩控制，節(jié)能控制模式；</p><p>　?。?）標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)調(diào)試軟件；</p><p>　　數(shù)字量輸入6個，模擬量輸入2個，模

71、擬量輸出2個，繼電器輸出3個；</p><p>　?。?）獨(dú)立I/O端子板，方便維護(hù)；</p><p>　　采用BiCo技術(shù)，實(shí)現(xiàn)I/O端口自由連接；</p><p>　?。?）內(nèi)置PID控制器，參數(shù)自整定；</p><p>　?。?）集成RS485通訊接口，可選PROFIBUS-DP/Device-Net通訊模塊；</p>&

72、lt;p>　?。?）具有15個固定頻率，4個跳轉(zhuǎn)頻率，可編程；</p><p>　?。?0）可實(shí)現(xiàn)主/從控制及力矩控制方式；</p><p>　?。?1）在電源消失或故障時具有"自動再起動"功能；</p><p>　?。?2）靈活的斜坡函數(shù)發(fā)生器，帶有起始段和結(jié)束段的平滑特性；</p><p>　?。?3）快速電流限

73、制（FCL），防止運(yùn)行中不應(yīng)有的跳閘；</p><p>　?。?4）有直流制動和復(fù)合制動方式提高制動性能。</p><p><b>　　保護(hù)功能：</b></p><p>　?、龠^載能力為200%額定負(fù)載電流，持續(xù)時間3秒和150%額定負(fù)載電流，持續(xù)時間60秒；</p><p>　?、谶^電壓、欠電壓保護(hù)；</p&g

74、t;<p>　?、圩冾l器、電機(jī)過熱保護(hù)；</p><p>　?、芙拥毓收媳Ｗo(hù)，短路保護(hù)；</p><p>　?、蓍]鎖電機(jī)保護(hù)，防止失速保護(hù)；</p><p>　?、薏捎肞IN編號實(shí)現(xiàn)參數(shù)連鎖。</p><p>　　根據(jù)變頻調(diào)速原理，在變頻器的控制輸入回路中接入頻率設(shè)定電路，由PLC輸出的模擬量，即電壓或電流信號來控制變頻器的輸出

75、頻率，實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度控制。本系統(tǒng)中的調(diào)速采用PLC+D/A模塊配合變頻器進(jìn)行，通過PLC輸出電壓信號（0～10V）來控制變頻器的頻率。此時變頻器輸出頻率與設(shè)定電壓輸入成正比。 </p><p>　　為了與變頻調(diào)速系統(tǒng)配合，保證在啟動力矩、低頻轉(zhuǎn)矩、過載能力等方面滿足系統(tǒng)的要求，選用冶金起重專用電動機(jī)。既考慮了對變頻器電源供電和寬范圍變頻調(diào)速的適應(yīng)能力，又體現(xiàn)了冶金及起重專用三相異步電動機(jī)過載能力大、機(jī)械強(qiáng)度高的特點(diǎn)

76、。與變頻調(diào)速良好的起、制動功能相結(jié)合，特別適用于采用變頻調(diào)速，短時間或斷續(xù)周期運(yùn)行、頻繁啟動和制動的場合，既保證電動機(jī)在高頻時的過載能力，又能在低頻時保持恒轉(zhuǎn)矩輸出。 </p><p>　　3.1.3 提升絞車系統(tǒng)變頻器外部電路設(shè)計 </p><p>　　變頻器可以輸出頻率可調(diào)的交流電源，另外在變頻器的外圍加設(shè)有聲光報警輸出及制動單元能夠?qū)崿F(xiàn)變頻器故障報警器和安全制動，更有效的對控制系統(tǒng)進(jìn)

77、行安全保護(hù)，外部接線圖如圖3-2所示</p><p>　　圖3-2 提升絞車系統(tǒng)變頻器外部接線圖</p><p>　　Figure 3-2 hoist system inverter external wiring diagram</p><p>　　3.2主控模塊硬件設(shè)計</p><p>　　本系統(tǒng)的主控系統(tǒng)采用PLC來控制，PLC正常運(yùn)行

78、時，高速計數(shù)模塊對編碼器信號進(jìn)行采集，將提升絞車機(jī)運(yùn)行實(shí)時狀態(tài)信息通過邏輯處理后形成給定的行程速度曲線；A/D模塊將傳感器采集的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)提升絞車的實(shí)時監(jiān)控。</p><p>　　3.2.1 PLC簡介</p><p>　　隨著PLC 控制的日漸成熟，大多數(shù)礦井提升絞車電控系統(tǒng)都采用了可編程序邏輯控制器(Programmable logic controller)，簡

79、稱PLC，PLC 技術(shù)是現(xiàn)代工業(yè)自動化的重要手段，由它構(gòu)成的控制系統(tǒng)邏輯控制由PLC 通過軟件編程實(shí)現(xiàn)，柔性強(qiáng)，控制功能多，控制線路大大簡化；PLC 的輸入/輸出回路均帶有光電隔離等抗干擾和過載保護(hù)措施，程序運(yùn)行為循環(huán)掃描工作方式，且有故障檢測及診斷程序， 可靠性極高。PLC 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為模塊化結(jié)構(gòu)，維護(hù)更換方便，并可顯示故障類型。 對于一般提升絞車電控系統(tǒng)來說，采用一套中小容量的PLC 即可滿足要求，其價格也不高。如果采用PLC 技

80、術(shù)對TKD 電控系統(tǒng)進(jìn)行改造，把原來由各種電器通過連線而實(shí)現(xiàn)的邏輯控制改由PLC 通過軟件編程實(shí)現(xiàn)，則控制線路將大大簡化， 設(shè)備體積、設(shè)備維修量將大大減小，抗干擾能力將大大增強(qiáng)，工作可靠性將大大提高，工藝改變時只需要改變控制程序即可。改造時保持原有的操作方式、按鈕、開關(guān)、主令控制器作用不變，則用戶使用起來將非常方便，不需要適應(yīng)期。同時可以利用PLC 的高速計數(shù)功能、網(wǎng)絡(luò)通信功能、故障檢測及診斷功能、信號顯示功能</p>&

81、lt;p>　　可編程控制器面向控制過程、面向用戶、適應(yīng)工業(yè)環(huán)境、操作方便、可靠性高，成為現(xiàn)代工業(yè)控制的三大支柱（PLC、機(jī)器人和CAD/CAM）之一。PLC控制技術(shù)代表著當(dāng)前程序控制的先進(jìn)水平，PLC裝置已成為自動化系統(tǒng)的基本裝置。結(jié)構(gòu)圖如圖3-3所示： </p><p>　　圖3-3 PLC的基本結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　Figure 3-3 PLC basic structur

82、e diagram</p><p>　　3.2.2 PLC的工作原理</p><p>　　PLC整個掃描過程分為內(nèi)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(nèi)部處理階段，PLC檢查CPU模塊的硬件是否正常，復(fù)位監(jiān)視定時器等。在通信服務(wù)階段，PLC與一些智能模塊通信、響應(yīng)編程器鍵入的命令、更新編程器的顯示內(nèi)容等。當(dāng)PLC處于停止（PR

83、OG）狀態(tài)時，只進(jìn)行內(nèi)部處理和通信操作服務(wù)等內(nèi)容。在PLC處于運(yùn)行（RUN）狀態(tài)時，從內(nèi)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。</p><p>　?。?）輸入處理也叫輸入采樣。</p><p>　　在此階段，順序讀入所有輸入端子的通電斷狀態(tài)，并將讀入的信息存入內(nèi)存中所對應(yīng)的映像寄存器。在此輸入映像寄存器被刷新。接著進(jìn)入程序執(zhí)行階段，在程序執(zhí)行時，輸入映像寄存器與

84、外界隔離，即使輸入信號發(fā)生變化，其映象寄存器的內(nèi)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。</p><p><b>　?。?）程序執(zhí)行：</b></p><p>　　根據(jù)PLC梯形圖程序掃描原則，按先左右后上下的步序，逐句掃描，執(zhí)行程序。但遇到程序跳轉(zhuǎn)指令時則根據(jù)跳轉(zhuǎn)條件是否滿足決定程序的跳轉(zhuǎn)地址。用戶程序涉及到輸入輸出狀態(tài)時，PLC輸出映像寄

85、存器中讀出上一階段采入的對應(yīng)輸入端子狀態(tài)。根據(jù)用戶程序進(jìn)行邏輯運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果再存入有關(guān)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(nèi)容，會隨著程序執(zhí)行過程而變化。</p><p><b>　　（3）輸出處理：</b></p><p>　　程序執(zhí)行完畢后，將輸出映像寄存器，既器件映像寄存器中的寄存器狀態(tài)。在輸出處理階段轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器，通過隔離電路驅(qū)動功率放大電

86、路，使輸出端子向外界輸出控制信號，驅(qū)動外部負(fù)載。</p><p>　　掃描周期是PLC一個很重要的指標(biāo)，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，毫秒級的掃描時間對于一般工業(yè)常是可以接受的，PLC的響應(yīng)滯后是允許的。但是對某些I/O快速響應(yīng)的設(shè)備，則應(yīng)采取相應(yīng)的處理措施。如選用高速CPU，提高掃描速度，采用快速響應(yīng)模塊、高速計數(shù)器模塊以及不同的中斷處理等措施減少

87、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(diǎn)的慣性、程序執(zhí)行的時間、程序設(shè)計不當(dāng)?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(yīng)的關(guān)鍵。</p><p>　　3.2.3控制系統(tǒng)I/O統(tǒng)計</p><p>　　為了提高系統(tǒng)的可靠性，PLC的輸入輸出信號采用了信號隔離的方式。在設(shè)計初期，應(yīng)統(tǒng)計開關(guān)量和模擬量的I/O總數(shù)，根據(jù)I/O總數(shù)可以確定PLC的型

88、號及模塊數(shù)量。</p><p>　　S7-200系列PLC可提供4個不同基本型號的8種CPU，根據(jù)本課題提升絞車電控系統(tǒng)原理的調(diào)速控制要求，對電氣控制系統(tǒng)中的調(diào)速方法進(jìn)行了改進(jìn)，開關(guān)輸入量共需13個輸入點(diǎn)，輸出點(diǎn)共需12個，本設(shè)計選用S7-200系列的CPU226可編 程控制器，該可編程控制器共有24點(diǎn)輸入和16點(diǎn)輸出共40個數(shù)字量I/O點(diǎn)，它有7個擴(kuò)展模塊，有內(nèi)置時鐘，有更強(qiáng)大的模擬量和高速計數(shù)的處理能力。 &

89、lt;/p><p>　　3.2.4 PLC選型</p><p>　　PLC選型要考慮到滿足系統(tǒng)功能并且具備良好的性價比。因此在設(shè)計控制系統(tǒng)時，PLC模塊的數(shù)量和型號的選擇主要依據(jù)系統(tǒng)輸入、輸出點(diǎn)的總量來確定。此外，選擇合理的PLC機(jī)型應(yīng)遵循以下原則：</p><p>　　(1)選擇PLC容量和輸入輸出點(diǎn)時應(yīng)留有富裕，所以都應(yīng)大于系統(tǒng)實(shí)際所需要的，其中輸入輸出點(diǎn)應(yīng)該留出1

90、5%-20%。</p><p>　　(2)根據(jù)負(fù)載的類型和啟停的頻率等特點(diǎn)，選擇不同的輸出方式；</p><p>　　(3)如果控制系統(tǒng)有模擬量，I/O模塊的響應(yīng)時間能要滿足系統(tǒng)要求；</p><p>　　(4)根據(jù)系統(tǒng)通訊要求的不同，選擇PLC內(nèi)部相應(yīng)的通訊功能。</p><p>　　a、可編程控制器CPU226</p>

91、<p>　　系統(tǒng)采用西門子公司226CPU模塊作為微控制器，226CPU模塊是S7-200系列中性能最好的PLC。S7-200系列PLC是西門子公司上世紀(jì)末推出的具有很高性能價格比的小型PLC。由于它具有體積小、運(yùn)行速度高、功能強(qiáng)等特點(diǎn)，使其在自動控制領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。S7-200PLC不但具有高可靠性，而且具有極強(qiáng)的抗干擾能力。它的I/O至少經(jīng)過一級光藕，可以有效地抑制電磁干擾。功能強(qiáng)大，完全能滿足斜巷運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)長期不間

92、斷穩(wěn)定運(yùn)行、運(yùn)行環(huán)境差、干擾多的要求。因而在像斜巷運(yùn)輸這類潮濕，多粉塵，電磁干擾強(qiáng)烈的惡劣環(huán)境中，優(yōu)勢更顯突出。</p><p>　　S7-200主要功能及特點(diǎn)包括：</p><p>　　(1)執(zhí)行指令速度高。布爾量運(yùn)算執(zhí)行速度為0.37μs/指令，字傳送指令執(zhí)行速度為34μs/指令。</p><p>　　(2)豐富的指令功能。幾乎包括了一般計算機(jī)所具有的各種基本操

93、作指令。</p><p>　　(3)靈活的中斷功能。中斷觸發(fā)有4種形式；可用軟件設(shè)定為中斷輸入信號的上升沿或下降沿，以便做出快速響應(yīng)；可設(shè)為時間控制的自動中斷；可由內(nèi)置高速計數(shù)器自動觸發(fā)中斷；在與外設(shè)通信時可以以中斷方式工作。</p><p>　　(4)輸入和輸出的直接查詢與賦值。在掃描周期內(nèi)，可直接查詢當(dāng)前的輸入和輸出信號，在必要時，還可以用指令對輸入和輸出直接賦值或改變其值。這樣不僅用

94、少調(diào)試程序方便，同時也可使系統(tǒng)對過程事件做出快速響應(yīng)。</p><p>　　(5)嚴(yán)格的口令保護(hù)。S7-200系統(tǒng)有3個不同的口令保護(hù)級別，以便用戶對程序做有效保護(hù)。3級口令分別是自由存取、只讀、完全保護(hù)。</p><p>　　(6)友好的調(diào)試和故障診斷功能。包括整個用戶程序可在用戶規(guī)定的周期數(shù)內(nèi)運(yùn)行和分析，同時可記錄下內(nèi)存、定時器、計數(shù)器狀態(tài)。</p><p>　

95、　(7)輸入或輸出的強(qiáng)制功能。用戶在調(diào)試程序時，可對輸入或輸出強(qiáng)制接通。</p><p>　　(8)通訊功能強(qiáng)大、靈活。具有點(diǎn)對點(diǎn)通訊和網(wǎng)絡(luò)通訊功能。</p><p>　　PLC內(nèi)配有高速計數(shù)器。為系統(tǒng)備有專用的擴(kuò)展模塊，可方便地進(jìn)行輸入、輸出及模擬量擴(kuò)展，為系統(tǒng)調(diào)試提供了方便。S7-226CPU模塊集成24路輸入6路輸出共40路數(shù)字量I/O點(diǎn)，最多可連接7個擴(kuò)展模塊。本系統(tǒng)擴(kuò)展了3個模塊

96、：EM231、EM232、EM223。CPU模塊程序存儲區(qū)8192字節(jié)，數(shù)據(jù)存儲區(qū)5120字節(jié)，掉電保護(hù)時間190小時。此外還具有2路獨(dú)立的20kHZ高速脈沖輸出，8回路PID控制器，2個RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力，可用于要求高的控制系統(tǒng)。因西門子S7-200系列PLCCPU226較多的輸入/輸出點(diǎn)，較強(qiáng)的模塊擴(kuò)展能力，較快的運(yùn)行速度和功能強(qiáng)大的內(nèi)部集成功能，所以使用它作為本監(jiān)控系統(tǒng)主控

97、制。S7-200PLC結(jié)構(gòu)圖如圖3-4所示：</p><p>　　圖3-4 S7-200PLC結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　Figure3-4 S7-200PLCstructure</p><p><b>　　b、高數(shù)計數(shù)器功能</b></p><p>　　CPU226全部支持六個高速計數(shù)器：HSC0到HSC5，每一個計數(shù)

98、器都有時鐘、方向控制、復(fù)位、啟動的特定輸入。對于雙相計數(shù)器，兩個時鐘都可以運(yùn)行在最高頻率。在正交模式下，您可以選擇一倍速（1x）或者四倍速（4x）計數(shù)速率。</p><p>　　所有計數(shù)器都可以運(yùn)行在最高頻率下而互不影響。</p><p>　　來自增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的時鐘和復(fù)位脈沖作為高速計數(shù)器的輸入。高速計數(shù)器裝入一組預(yù)置值中的第一個值，當(dāng)前計數(shù)值小于當(dāng)前預(yù)置值時，希望的輸出有效。計數(shù)器設(shè)

99、置成在當(dāng)前值等于預(yù)置值和有復(fù)位時產(chǎn)生中斷。當(dāng)出現(xiàn)復(fù)位中斷事件時，設(shè)置第一個預(yù)置值和第一個輸出狀態(tài)，這個循環(huán)又重新開始。由于中斷事件產(chǎn)生的速率遠(yuǎn)低于高速計數(shù)器的計數(shù)速率，用高速計數(shù)器可實(shí)現(xiàn)精確控制，而與PLC整個掃描周期的關(guān)系不大。采用中斷的方法允許在簡單的狀態(tài)控制中用獨(dú)立的中斷程序裝入一個新的預(yù)置值。（同樣的，也可以在一個中斷服務(wù)程序中，處理所有的中斷事件。）</p><p>　　計數(shù)器共有四種基本類型：帶有內(nèi)部

100、方向控制的單相計數(shù)器，帶有外部方向控制的單相計數(shù)器，帶有兩個時鐘輸入的雙相計數(shù)器和A/B相正交計數(shù)器。并不是所有計數(shù)器都能使用每一種模式。其包含的所有模式如表3-1所示。</p><p>　　表3-1高速計數(shù)器輸入模式</p><p>　　Table3-1high-speedcounterinputmode</p><p>　　表中給出了與高速計數(shù)器相關(guān)的時鐘、方向

101、控制、復(fù)位和啟動輸入點(diǎn)。同一個輸入點(diǎn)不能用于兩個不同的功能，但是任何一個沒有被高速計數(shù)器的當(dāng)前模式使用的輸入點(diǎn)，都可以被用作其它用途。旋轉(zhuǎn)編碼器與可編程控制器的高速計數(shù)單元相連，連接電路如圖3-5所示。</p><p>　　圖3-5旋轉(zhuǎn)編碼器與PLC連接圖</p><p>　　Figure 3-5 rotary encoder and PLC connection diagram</

102、p><p><b>　　c、I/O模塊</b></p><p><b>　　（1）數(shù)字量模塊</b></p><p>　　選用西門子EM233系列的數(shù)字量模塊作為輸入/輸出數(shù)字量模塊，此系列有多個型號，根據(jù)設(shè)計PLC控制系統(tǒng)的一般思路，要為系統(tǒng)的輸入和輸出留出一定得余量，所以本系統(tǒng)選用EM233的16輸入/16輸出數(shù)字量混合模

103、塊，如圖3-6所示。</p><p>　　圖3-6EM233數(shù)字量混合模塊</p><p>　　Figure3-6EM233digitalhybridmodules</p><p><b>　　（2）模擬量模塊</b></p><p>　　CPU226允許最大7個擴(kuò)展模塊的連接，為了滿足項目的實(shí)際需求，在實(shí)際應(yīng)用中總是數(shù)

104、據(jù)的采集量多于輸出的控制量，所以選用兩個模擬量通道數(shù)最多的輸入/輸出混合模塊EM235，它含有4個輸入通道和1個輸出通道，模塊如圖3-7所示。</p><p>　　圖3-7EM235模擬量混合模塊</p><p>　　Figure3-7EM235analoghybridmodule</p><p>　　此模塊的輸入屬于高速12位模擬量輸入，它可以在149μs內(nèi)將模擬

105、信號輸入轉(zhuǎn)換成其對應(yīng)的數(shù)字量值。EM235提供一個未經(jīng)處理的數(shù)字值（未經(jīng)線性化或濾波），它對應(yīng)于模擬量輸入端處出現(xiàn)的模擬量電壓或電流。由于這種模塊是高速模塊，它們可以跟蹤模擬量信號中的快速變化（包括內(nèi)部和外部噪聲）。對一個恒定或緩慢變化的模擬量輸入，由噪聲引起的信號讀數(shù)之間的差異，可通過對讀數(shù)值取平均值的方法使其影響為最小。</p><p>　　3.2.5控制系統(tǒng)I/O分配</p><p>

106、;　　PLC的I/O端口對應(yīng)著不同的寄存器，端口的分配應(yīng)該和程序中使用的寄存器相對應(yīng)，否則會產(chǎn)生邏輯混亂，系統(tǒng)無法正常運(yùn)行。根據(jù)礦井提升絞車的監(jiān)控要求，CPU226端口定義如表3-2所示，數(shù)字量擴(kuò)展模塊端口定義如表3-3所示，模擬量擴(kuò)張模塊端口定義如表3-4所示。</p><p>　　表3-2CPU226端口定義</p><p>　　Table3-2TheportdefinitionofC

107、PU226</p><p>　　表3-3數(shù)字量擴(kuò)展模塊端口定義</p><p>　　Table3-3digitalquantityextensionmoduleportdefinitions</p><p>　　表3-4模擬量擴(kuò)展模塊端口定義</p><p>　　Table 3-4 analog volume expansion module

108、 port definition</p><p>　　3.2.6 提升絞車監(jiān)控系統(tǒng)的PLC外部電路設(shè)計 </p><p>　　PLC是本控制系統(tǒng)中關(guān)鍵一環(huán)，其外部接線圖如圖3-8所示： </p><p>　　圖3-8提升絞車監(jiān)控系統(tǒng)的PLC外部接線圖</p><p>　　Figure 3-8 PLC external wiring diagr

109、am of the hoist monitoring system</p><p>　　主要的控制功能有如下幾項：主令操作控制、保護(hù)監(jiān)視控制。 </p><p>　　主令操作控制，對系統(tǒng)進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)提升絞車與操作臺之間的指令傳遞，向提升絞車系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的指令，并改變相應(yīng)電控系統(tǒng)的工作狀態(tài)，使提升絞車按照預(yù)定的力圖和速度圖安全運(yùn)行，運(yùn)行方式可分為啟動、等速運(yùn)行、減速、爬行、停車。PLC根據(jù)

110、運(yùn)行方式對變頻器實(shí)現(xiàn)S形速度給定控制，實(shí)現(xiàn)箕斗運(yùn)行速度的準(zhǔn)S形曲線。 PLC還完成各種保護(hù)監(jiān)視功能。監(jiān)控內(nèi)容主要包括：超速監(jiān)視、過卷監(jiān)視、實(shí)時速度監(jiān)視、井筒過卷監(jiān)視、變頻器故障監(jiān)視、礦車行程監(jiān)視、過載監(jiān)視、深度指示器監(jiān)視等，以上監(jiān)視內(nèi)容出現(xiàn)故障時，通過報警回路或安全回路實(shí)現(xiàn)抱閘停車保護(hù)。 </p><p>　　3.3信號采集模塊硬件設(shè)計</p><p>　　信號的采集與處理電路位于系統(tǒng)的最