可編程計(jì)算機(jī)控制原理及應(yīng)用

1、成 績(jī)?cè)u(píng)閱人中 國(guó) 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(hào)： GS13060044 姓 名： 司 冠 楠 工程領(lǐng)域： 電氣工程 課程名稱：可編程計(jì)算機(jī)控制原理及應(yīng)用 任課教師： 夏 晨 陽(yáng) 任課教師規(guī)定截止交作業(yè)時(shí)間：2015年6月19日 工程碩士研究生交作業(yè)時(shí)間： 2015年 6月 5日 注意事項(xiàng)如果老師以課外作業(yè)形式考核，如寫讀書(shū)報(bào)告或小論文，必須嚴(yán)格按照老師規(guī)定的時(shí)間上交作業(yè)，以便老師評(píng)定成績(jī)。作業(yè)前面必須訂上此封面。由于工程碩士無(wú)論什么原因不按規(guī)定時(shí)間上交作業(yè)，晚交作業(yè)不予評(píng)閱，作業(yè)作廢，請(qǐng)隨下一年級(jí)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(jī)變頻調(diào)

2、速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)礦井提升機(jī)是各種廠礦生產(chǎn)的重要設(shè)備。提升機(jī)的安全、可靠、有效、高速運(yùn)行，直接關(guān)系到企業(yè)的生產(chǎn)狀況和經(jīng)濟(jì)效益。礦井提升系統(tǒng)具有環(huán)節(jié)多、控制復(fù)雜、運(yùn)行速度快、慣性質(zhì)量大、運(yùn)行特性復(fù)雜的特點(diǎn)，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(hù)措施，但是由于現(xiàn)場(chǎng)使用環(huán)境條件惡劣，造成了各種機(jī)械零件和電氣元件的功能失效，以及操作者的人為過(guò)失和對(duì)行程監(jiān)測(cè)研究的局限性，使得現(xiàn)有保護(hù)未能達(dá)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(jī)是礦井提升機(jī)電氣傳動(dòng)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(kāi)始在礦井提升機(jī)改造中應(yīng)用。變頻器

3、的調(diào)速控制可以實(shí)現(xiàn)提升機(jī)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(jiǎn)單，克服了接觸器、電阻器、繞線電機(jī)電刷等容易損壞的缺點(diǎn)，降低了故障和事故的發(fā)生。提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)要求及組成 基于PLC控制的礦井提升機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)由動(dòng)力裝置、變頻調(diào)速系統(tǒng)、操作臺(tái)、監(jiān)控系統(tǒng)組成，各部分功能如下：動(dòng)力裝置，變頻調(diào)速，操作臺(tái)，監(jiān)控系統(tǒng)，信號(hào)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(jiǎn)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(dòng)而設(shè)置的。這種回路只有一套可控功率級(jí)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便的優(yōu)點(diǎn)，采用脈寬調(diào)制的方法，輸出諧波分量小，缺點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)工作在回饋制動(dòng)狀態(tài)時(shí)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(dòng)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(dòng)電阻和制動(dòng)單元、單獨(dú)的整流單元、整流回饋單元和單獨(dú)的逆變器。制動(dòng)運(yùn)行的方式：對(duì)于不經(jīng)常制動(dòng)的設(shè)備可以選擇變頻器+制動(dòng)單元+制動(dòng)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(kāi)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(cè)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(hù)措施。同時(shí)也提供了簡(jiǎn)單實(shí)用的故障查詢手段，裝置可以記錄同時(shí)發(fā)生的多個(gè)故障，并可以保存最近8次所發(fā)生過(guò)的故障代碼。變頻器外部電路設(shè)計(jì)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(guò)PLC輸出電壓信號(hào)(012 V)來(lái)控制變頻器的頻率。另外在變頻器的外圍加設(shè)有聲光報(bào)警輸出口及制動(dòng)單元，能夠?qū)崿F(xiàn)變頻器故障報(bào)警和安全制動(dòng)，更有效的對(duì)控

6、制系統(tǒng)進(jìn)行安全保護(hù)，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(jì) PLC簡(jiǎn)介國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）對(duì)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(yùn)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(jì)。它采用可編程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的命令，并通過(guò)數(shù)字式模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)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(gè)整體，易于擴(kuò)充功能的原則而設(shè)計(jì)。具有其他工業(yè)設(shè)備難以具備的特點(diǎn)：PLC具有以下特點(diǎn)：(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(chǔ)，一般PLC的平均無(wú)故障工作時(shí)間可達(dá)幾萬(wàn)小時(shí)以上。(2) 控制功能強(qiáng)。PLC所采用的CPU一般是具有較強(qiáng)位處理功能的位處理機(jī)，為了增強(qiáng)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(yùn)行方式，使其功能得到極大的加強(qiáng)。(3) 編程方便易學(xué)。第一編程語(yǔ)言(梯形圖)是一種圖形編程語(yǔ)言，與多年來(lái)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)人員學(xué)習(xí)。(4) 模塊化結(jié)構(gòu)，擴(kuò)展能力強(qiáng)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要進(jìn)行不同功能的擴(kuò)展和組裝，一種型號(hào)的PLC可用于控制從幾個(gè)I/O點(diǎn)到幾百個(gè)I/O點(diǎn)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(dòng)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(dòng)、腐蝕、有毒氣體等的應(yīng)用場(chǎng)合。(7) 體積小、重量輕、功耗低、性價(jià)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(gè)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(jī)熱備系列，最大輸入輸出點(diǎn)數(shù)為8192點(diǎn)。A系列PLC的最大輸入輸出點(diǎn)數(shù)為2048點(diǎn)。F系列程控器的最大輸入輸出點(diǎn)數(shù)為256點(diǎn)。 三菱小型FX2N系列程控器的輸入輸出點(diǎn)最

9、大不超過(guò)256點(diǎn)。 FX 系列PLC根據(jù)輸入輸出點(diǎn)數(shù)不同及功能分為多個(gè)不同的系列：輸入、輸出點(diǎn)數(shù)在30點(diǎn)以內(nèi)可使用 FX1S系列； 輸入、輸出點(diǎn)數(shù)在128點(diǎn)以內(nèi)可使用FX1N系列； 輸入、輸出點(diǎn)數(shù)在256點(diǎn)以內(nèi)可使用 FX2N系列。 FX2N系列基本單元(16128點(diǎn))有繼電器或晶體管輸出,最多可擴(kuò)展到256點(diǎn)。內(nèi)置有8KBRAM(最多可擴(kuò)展到16KB)可選用存儲(chǔ)卡盒,有RAM,EPROM和EEPROM。FX2N系列PLC的特點(diǎn)：(1) 高速的運(yùn)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(gè)基本FX2N

10、單元中的每個(gè)單元可以擴(kuò)充到256個(gè)I/O。(3) 豐富的軟元件3072點(diǎn)輔助繼電器(M)、256點(diǎn)計(jì)時(shí)器、235點(diǎn)計(jì)數(shù)器、8000數(shù)據(jù)寄存器和1000點(diǎn)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(hào)均采用一定的信號(hào)隔離方式:輸入信號(hào)、開(kāi)關(guān)量信號(hào)通過(guò)繼電器隔離分配；電平信號(hào)通過(guò)信號(hào)分配板隔離分配；輸出信號(hào)，通過(guò)中間繼電器轉(zhuǎn)接來(lái)控制執(zhí)行對(duì)象。在設(shè)計(jì)時(shí)需統(tǒng)計(jì)I/O的總量，包括開(kāi)關(guān)量和模擬量，以確定選用PLC的模塊數(shù)量以及型號(hào)。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(hào)及地址編號(hào)如表3-1所示。表3-1 輸入點(diǎn)地址編碼名 稱地址編碼名 稱地址編碼電機(jī)A軸

11、編碼器（速度）X0半自動(dòng)X24電機(jī)B軸編碼器（速度）X1主系統(tǒng)X25電機(jī)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(yàn)繩X11正常X32KP開(kāi)關(guān)X12調(diào)節(jié)閥X33 維修X13G1X34 應(yīng)急X14G2X35 上過(guò)卷X15G3X36 無(wú)過(guò)卷X16G4X37 下過(guò)卷X17調(diào)繩控制開(kāi)關(guān)通X401#KT轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)X20調(diào)繩控制開(kāi)關(guān)斷X412#KT轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)X21故障復(fù)位X42手動(dòng)X22半自動(dòng)運(yùn)行X43自動(dòng)X23深度清零X44語(yǔ)音復(fù)位X45深指上井口開(kāi)關(guān)X63急停X46深指下井口開(kāi)關(guān)X64備用X47井筒上過(guò)卷X65三

12、倍靜力矩試驗(yàn)按鈕X50井筒下過(guò)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(diǎn)X71緊閘開(kāi)關(guān)X54井筒下減速點(diǎn)X72松閘開(kāi)關(guān)X55井筒上井口開(kāi)關(guān)X73深指上過(guò)卷X56井筒下井口開(kāi)關(guān)X74深指下過(guò)卷X57井筒上校正開(kāi)關(guān)X75深指上終端X60井筒下校正開(kāi)關(guān)X76深指下終端X61閘瓦開(kāi)關(guān)X77深指減速點(diǎn)X62FX2N-A-1控制系統(tǒng)的輸出信號(hào)及地址編號(hào)如表3-2所示。表3-2 輸出點(diǎn)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(dòng)油過(guò)壓指示Y23電磁閥中繼G6Y3等速段超速

13、指示Y24語(yǔ)音報(bào)警1Y4減速段超速指示Y25語(yǔ)音報(bào)警2Y5爬行段超速指示Y26語(yǔ)音報(bào)警3Y6閘瓦磨損指示Y27軟安全回路中繼Y7離合器打開(kāi)Y30減速點(diǎn)打鈴Y10離合器合上Y31電機(jī)風(fēng)機(jī)運(yùn)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(dòng)泵運(yùn)行輸出Y14變頻多段速1Y43潤(rùn)滑泵運(yùn)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(jì) 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(hào)PLC的編程

14、軟件，有離線仿真功能。1. GX開(kāi)發(fā)器（1) 開(kāi)發(fā)器(GPPW) 可以用于生成涵蓋所有三菱電機(jī)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(kāi)發(fā)器(GPPW)使用Widnows操作平臺(tái)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(shí)序功能圖)進(jìn)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(hù)包括監(jiān)控和程序/參數(shù)上載和下載，通過(guò)調(diào)制解調(diào)器通訊即可實(shí)現(xiàn)。2. 提升機(jī)PLC控制系統(tǒng)要求（1) 提升機(jī)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(shí)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(jī)運(yùn)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(jī)運(yùn)行的安全可靠，采用行程給定和時(shí)間給定串級(jí)連接。在速度圖中不出現(xiàn)折線，實(shí)現(xiàn)S形速度給定曲線。（2) 提升機(jī)行程(PLC)控制方式通過(guò)井筒開(kāi)關(guān)、旋轉(zhuǎn)編碼器檢測(cè)提升行程。其中一個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器安裝在提升機(jī)的主軸上，另一個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器安裝在提升電動(dòng)機(jī)軸上，天輪軸上的安裝旋轉(zhuǎn)編碼器作為行程檢測(cè)后備器件。井筒開(kāi)關(guān)用來(lái)校正行程顯示和控制信號(hào)，使行程控制和顯示誤差縮小到允許范圍。程序設(shè)計(jì) 軟件結(jié)構(gòu)由于系統(tǒng)控制核心主要由PLC和上位機(jī)組成，因此，軟

16、件包括PLC控制軟件和上位機(jī)組態(tài)軟件。PLC軟件的主要功能是對(duì)提升機(jī)的啟動(dòng)、加速、減速、停車等過(guò)程控制、信號(hào)采集、邏輯處理。PLC軟件設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)，程序編制采用梯形圖。上位機(jī)軟件主要對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、故障狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和記憶。PLC軟件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是根據(jù)提升機(jī)工藝和控制要求，將控制任務(wù)和過(guò)程分解為許多子過(guò)程和子任務(wù)，再對(duì)各個(gè)子過(guò)程和子任務(wù)進(jìn)行模塊設(shè)計(jì)、功能說(shuō)明，形成一個(gè)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(jì)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(jìn)行編程，程序中的內(nèi)存地址可分成：參數(shù)設(shè)定、上位機(jī)顯示、故障存儲(chǔ)、運(yùn)行數(shù)

17、據(jù)存儲(chǔ)、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(dòng)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(chǎng)維護(hù)管理，使提升機(jī)運(yùn)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(hào)、工作手柄以及所選擇的工作方式，驅(qū)動(dòng)變頻器實(shí)現(xiàn)提升下放操作，完成對(duì)絞車的啟動(dòng)、加速、等速、減速、停止等運(yùn)行過(guò)程的轉(zhuǎn)矩和頻率控制。故障時(shí)，通過(guò)對(duì)液壓站電磁閥的控制，實(shí)施一二級(jí)安全制動(dòng)。主要輸出驅(qū)動(dòng)控制功能為:a 電機(jī)變頻調(diào)速控制；b 制動(dòng)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(hù)、安全制動(dòng)。程序置有半自動(dòng)運(yùn)行(主井提升可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行)、手動(dòng)運(yùn)行、檢修運(yùn)行、應(yīng)急運(yùn)行等四種運(yùn)行方式。在正常情況下可采用半自動(dòng)或手動(dòng)運(yùn)行；檢修運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)給定一個(gè)檢修速度(0.3m/s)低速運(yùn)行；當(dāng)故障時(shí)，在系統(tǒng)保護(hù)停機(jī)后，故障被確認(rèn)但不能立即排除，此時(shí)可采用應(yīng)急運(yùn)行方式，應(yīng)急運(yùn)行速度不超過(guò)0.5m/s。2. 深度、速度檢測(cè)子程序：速度檢測(cè)采用光電旋轉(zhuǎn)編碼器雙線輸入。利用高速計(jì)數(shù)模塊對(duì)編碼器信號(hào)計(jì)數(shù)，其中一路編碼器信號(hào)用于行程速度保護(hù)，一路用于顯示與監(jiān)測(cè)。兩套編碼器的數(shù)據(jù)在程序中不斷進(jìn)行比較，當(dāng)比較結(jié)果發(fā)生不一致時(shí)，程序會(huì)發(fā)出故障安全制動(dòng)指令。3. 安全回路程序設(shè)計(jì)：在PLC軟安全回路中具有如下保護(hù)接點(diǎn)，過(guò)卷保護(hù)、主電源失壓、制動(dòng)油過(guò)壓、后備保護(hù)、變頻故障、操作臺(tái)急停信號(hào)、減速段超速、等速段超速、爬行段超速、松繩信號(hào)、深指失效、松閘保護(hù)、錯(cuò)向保護(hù)、編碼器失效、PLC故障、溜車故障。以上任一故障發(fā)