1、基于PLC的矿井提升机后备保护系统设计毕业设计论文大 连 民 族 学 院 本 科 毕 业 设 计（论 文）基于PLC的矿井提升机后备保护系统设计学 院（系）： 机电信息工程学院 专 业： 电子信息工程 摘 要矿井提升机是矿山的大型固定设备之一。主要提升煤炭、矸石、升降人员、下放物料和设备等，它连通矿井上、下的枢纽。它能否正常运行，对矿井的煤炭生产及井下矿工的生命安全起着重要的作用。因此，矿井提升机要求配备良好的控制设备和保护装置。通过分析监控系统的特点及需求，采用西门子公司的S7-200系列的最高级型号CPU226 PLC作为系统的主控装置，还采用了与处理器配套的扩展模块。系统主要实现功能为：
2、通过编码器进行行程与速度的监测；为提升机整个运行过程提供超速保护；提供过卷、松绳、提升错向等多个保护；可以实现误差校正；在安全制动时可以实现恒减速制动文中着重对综合后备保护装置的硬件和软件设计进行了分析和说明，其中软件设计是该装置的核心部分。该套基于PLC技术的矿井提升机综合后备保护装置，经实验证明完全达到了设计的要求，且操作界面直观而友善，扩展性强，为矿井提升机的安全有效运行提供了可靠的保障。关键词：PLC 提升机 后备保护 The Design of the Backup Protective System of Mine Hoist Based on PLCAbstractMine ho
3、ister is one of the big equipmentIt mainly lifts coal mineral lifts people and puts matter and equipmentIt connects the crossing of mine If it can work well ，It is importan t to the producing of coal and the safety of workersSo it asks good equipment and protecting equipment.The hard core of this eq
4、uipment is the design of softwareThis paper first introduced the composition of the mine hoist and the requirements of the electric control system.Then we analyze the characteristics and needs of mine hoist monitoring system.Based on the requirements of the project we choose CPU226 PLC which is the
5、most senior model of Siemens S7-200 series as the main system control device,and select the extended modules which support the processors expansion.Aiming at the deficiency of monitor strategy and protecting function of domestic monitoring devices,this system adds some new protection functions and c
6、reates a new method by changing the position of Speed-Reducing Point to control the hoisters speed.At the same time,combining the powerful functions of the processor as well as the convenience to directly collect field signal.This integrated backup protective equipment for PLC which is based on virt
7、ual instrument has been proved by experiment to achieve the requirement of design.The equipment,which has a clear and amicable interface and great expansibility,provides the operation ofmine hoister with safeguardKeyword: PLC hoister backup1.系统方案设计1.1 方案背景矿井提升机是矿山生产过程中的大型关键设备，其任务是用于升降人员和设备、提升矿石以及下放材
8、料等。矿井提升机的工作特点是在一定的距离内，以较高的速度往复运行，完成提升或下放任务。因此，矿山提升设备应具有良好的机械特性、先进的控制设备和晚上的保护装置。它的性能和安全性之际营销采矿生和工人生命安全，工作过程中一旦发生机械或电气故障，就会严重地威胁矿井的安全。损害设备，影响生产，甚至造成人身伤亡事故。虽然矿井提升机本身有一些保护措施，但由于采矿作业的复杂性，环境的恶劣性和研究的局限性，有些保护措施未达到预期效果，致使煤矿生产中仍有 不少由于提升系统造成的重大人员伤亡和设备损坏事故的发生，因此，素有“矿山咽喉”之称。随着技术的进步。现代话矿井的建设和对人生命的重视，人们对矿井提升机的安全可靠
9、性提出了更高的要求。在我国，矿井提升机及其控制技术的安全性问题，虽然一直被作为第一原则强调，然而在很长的时间内，由于在理论研究上的差距，许多方面缺乏具体的技术措施，因而安全性得不到根本性的保障1。1.2 方案论证提升机后备保护器是确保煤矿安全生产的关键设备之一，它起到了运行监控保护作用。提升机后备保护系统的研究与设计中有两种可行方案。这两种方案分别是：方案一是以单片机为核心的控制系统，目前大多数企业均采用都是以MCS系列单片机为核心，装置由8031单片计算机、固化控制程序和扩展输入/输出口、传感器、显示部分、执行机构和电源等部分组成，能独立于原提升系统，增加了多项后备保护功能。方案二是以PLC
10、为核心的控制系统，这种由PLC（可编程序控制器）构成的提升机后备保护系统的主要特点是：可高精度地实现对提升过程的程序控制；可实现对速度、电流矢量的数字变化，对提升机进行闭环调节；可实现行程、速度等重要参数及提升状态的监视；提高了系统的安全可靠性，降低了电力消耗2。与单片机相比PLC的功能完善，扩展性能良好，易更新，且抗干扰能力强。正因为PLC可靠性高，控制功能强，适用于恶劣的工业环境，并且维护方便，功能更改灵活，编程方便易学，本设计采用方案二。1.3 课题主要内容本次设计的PLC采用西门子公司生产的SIMATIC S7-200系列，S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围
11、可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域。基于PLC的矿井提升机后备保护系统硬件设计主要有以下几部分组成：主控PLC单元，轴编码器，压力互感器，软件设计当面实现速度及行程监控并显示出数据，并采用PLC语言进行编程，实现了对提升机容器实时位置、运行速度、提升法相、抱闸间隙等参数的监控，并可将故障记录分类存储到专用数据库中。1.4 课题研究的意义目前国外研制的后备保护装置虽然性能好，不过价格上却是一般煤矿企业所难以承受的。拥有这门技术的企业少之又少，鉴于东北地区仅有一家企业制造矿井提升机及其后备保护装置，由此可见掌握这门
12、技术是必不可少的。以PLC为核心的矿井提升机采用PLC语言来编写的后备保护装置，抗干扰能力强，性能稳定，而且开发周期短，成本低，且灵活性能好，装置保密性能强，人机界面采用触摸键的形式，监测保护功能完善，因此本文才用PLC作为核心来设计开发新型的提升机后备保护装置。 1.5 矿井提升机及后备保护系统概述1.5.1 矿井提升系统的分类矿井提升设备的主要组成部分是：提升容器、提升钢丝绳、提升机及拖动控制系统、井架、天伦及装载设备等3。由于提升容器及提升机的结构和原理不同，矿井提升设备可构成不同提升系统，常见的提升系统有：主井箕斗提升系统、副井箕斗提升系统、多绳摩擦提升系统、斜井串车提升系统、斜井箕斗
13、提升系统。1.5.2 矿井提升机系统的构成矿井提升机的系统并非只是相面所示的提升机部分，还包括润滑系统、机械传动系统、观测和操纵系统、拖动控制和自动保护系统以及制动系统等。1）润滑系统：再提升机运行过程中不间断的给轴承以及齿轮啮合面压送润滑油，保证轴承和齿轮的正常工作。2）机械转动系统：由减速器和连轴承器组成。减速器用来减速并传递动力；联轴器用来连接提升机3）的旋转部分，并向其传递动力。4）观测与操纵系统：包括操作台、深度指示器等装置。其中深度指示器可以显示提升容器的所处的深度位置。5）拖动控制和自动保护系统：包括主拖动电机和微拖动电机、电器控制系统以及由PLC控制的保护系统。6）制动系统：一
14、般都是液压制动系统，包括制动器和液压传动装置两部分。制动系统的功能就是使提升机卷筒刹车，停止提升机的运行，它的可靠性直接关系到提升机的安全运行4。制动系统不但需要提升机停车时牢固的闸住提升机卷筒，还需要参与提升机的速度控制，保持提升运行的速度不偏离预设的数值，同时在双滚筒提升机中，制动系统还被用来调节钢丝绳的长度5。1.5.3 后备保护矿井提升机本身带有一些保护装置，但由于监控方法和手段的局限性以及矿井中相对恶劣的环境，常使这些保护装置失效，人们为了增强对提升机的保护，做出了许多尝试，经理论与实践的证明，为提升机增加一套后备保护装置是提高其安全性的非常有效的方法6。国内外的后备保护装置产品有许
15、多种，但其都具备以下的后备保护功能：1）显示功能提升容器位置(深度、斜坡长)显示对容器在井筒中运行位置进行动态显示。速度显示一动态显示提升容器在整个过程中的瞬时速度。提升次数显示自动记录显示提升机次数。2）保护功能等速段超速保护在等速段的瞬时速度超过最大提升速度15时，保护仪发出声光报警信号，并发出制动信号。自动减速容器到达减速点时，保护装置发出自动减速控制信号并有声光提示。减速段保护在减速段对提升机瞬时速度实行包络线保护，近井口实现限速保护。深度指示器失效保护深度指示器失效后，保护装置发出声光报警信号，并且在接近井口时发出制动信号。卡箕斗保护当提升箕斗卡阻时发出保护控制信号，并伴有声光报警。
16、过卷保护当提升容器超过正常终端位置的O5米时，发出制动信号并有声光信号提示。2后备保护系统硬件设计2.1 总体方案在工业控制中，PLC其应用范围广、功能强大、使用方便。后备保护系统由PLC做主控制器，可编程控制器是有各模块组成，这样就可使后备保护系统的硬件组成模块化，通过增加或减少模块来满足设计要求。矿井提升机后备保护系统组成结构框图如图2所示。在本次设计提升系统后备保护装置中，根据工程及性价比的要求，确定选用西门子公司生产的SIMATIC S7-200系列PLC。S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的肩带控制到更复杂的自动化控制。图2.1 提升机后
17、备保护系统组成结构图2.2 可编程控制器CPU226可编程控制器PLC(Programmable Logic Contrller)是专为在工业环境下应用而设计的一种以微处理器为基础，带有指令存储器和输入输出接口，综合了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通信技术的工业控制装置，用于逻辑控制具有运算功能强、控制精度高、扩展容易、体积小、安装调试方便等一系列优点。S7-200系列是一种可编程序逻辑控制器（Micro PLCs）。它能够控制各种设备以满足自动化控制需求。S7-200的用户程序中包括了位逻辑、计数器、定时器、复杂数学运算以及与其它智能模块通讯等指令内容，从而使它能够监视输入状态，改变
18、输出状态以达到控制目的，CPU226是200系列中的最高系列，它包含有如下特性：1）它的指令集中提供了立即读写物理I/O点的指令。尽管通常情况下我们使用映像寄存器作为源地址和目的地址来访问I/O，但这些立即I/O指令却允许我们直接访问真正的输入、输出点。2）如果使用了中断，与中断事件相关的中断服务程序作为程序的一部分被保存。中断程序并不作为正常扫描周期的一部分来执行，而是当中断事件发生时才执行（可能在扫描周期的任意点）。3）可以设定一个扫描周期的百分比用来处理运行模式编辑或执行状态相关的通讯请求。4）它的输出表允许您选择STOP模式下的输出状态，是将已知值传送到数字量输出点，还是使输出保持ST
19、OP模式之前的状态。5）模拟量输出表可以用来设置模拟量输出点，指明在从运行模式进入停止模式后，是将已知值传送至模拟量输出点，还是使输出保持停止模式之前的状态。6）在掉电后仍然保持存储区中的数据，您可以定义最多六个掉电保持区的地址范围。7）为某些或者全部本机数字量输入点选择输入滤波器，并为滤波器定义延迟时间（从0.2ms到12.8ms可选）。这一延迟时间有助于滤除输入杂波，从而减小了输入状态发生意外改变的可能。8）为每个本机数字量输入提供脉冲捕捉功能。脉冲捕捉功能允许PLC捕捉到持续时间很短的高电平脉冲或者低电平脉冲。9）提供了一个可以发红光（系统故障LED）或黄光（诊断LED）的LED（SF/
20、DIAG）。在用户程序的控制下，或在某些特定情况下，诊断LED都能点亮，这些情况包括：I/O点或数据值被强制，或模块发生I/O错误。10）保留一份关于主要CPU事件的历史归档，该归档带有时间标记，所归档的内容包括：何时上电、CPU何时进入运行模式，以及何时出现致命错误。在设置了实时时钟之后，归档条目就会带有正确的时间和日期。11）提供密码保护功能，用以限制对特殊功能的访问。12）提供模拟电位器，模拟电位器位于模块前盖下面。您可以调节这些电位器来增加或者减小存于特殊存储器中的值（SMB）。这些只读值在程序中可用作很多功能，如更新定时器或计数器的当前值，输入或修改预置值、限定值等。13）具有集成的
21、高速计数功能，它能够对外部高速事件计数而不影响性能，支持高速脉冲输出功能，其输出点Q0.0和Q0.1可形成高速脉冲串输出（PTO）或脉宽调制（PWM）。允许最大扩展7个I/O模块，有两2个RS-485接口，紧凑的结构、灵活的配置和强大的指令集使S7-200成为各种控制应用的理想解决方案7。2.3 I/O模块2.3.1 数字模块本系统选用西门子EM223系列的数字量模块作为输入/输出数字量模块，此系列有多个型号，根据设计PLC控制系统的一般思路，要为系统的输入和输出留出一定得余量，所以本系统选用EM 223的16输入/16输出数字量混合模块。EM223数字量输入/输出模块主要功能包括：最大连续电
22、压30DC，浪涌电压35V DC时0.5秒；数字量输入采用光电隔离，避免各通道间的互相干扰；采用非屏蔽电缆时传输长度可以达到300m；采用屏蔽电缆时传输长度可以达到500m；逻辑0信号最大5V DC，1mA；逻辑1信号最小15V DC，2.5mA；2线接近传感器的连接最大1mA等。2.3.2 模拟模块CPU226允许最大7个扩展模块的连接，为了满足项目的实际需求，在实际应用中总是数据的采集量多于输出的控制量，所以选用模拟量通道数最多的输入/输出混合模块EM235，它含有4个输入通道和1个输出通道。此模块的输入属于高速12位模拟量输入，它可以在149us内将模拟信号输入转换成其对应的数字量值。E
23、M235提供一个未经处理的数字值（未经线性化或滤波），它对应于模拟量输入端处出现的模拟量电压或电流8。由于这种模块是高速模块，它们可以跟踪模拟量信号中的快速变化（包括内部和外部噪声）。对一个恒定或缓慢变化的模拟量输入，由噪声引起的信号读数之间的差异，可通过对读数值取平均值的方法使其影响为最小。但由于计算平均值而增加读取信号的次数（即采样次数），会相应地降低对外部输入信号的响应速度。2.4 传感器2.4.1 光电编码器光电编码器是一种新型的住宿及定位控制传感器，它通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量，是目前应用最多的传感器9。光电编码器是有光电码盘和光电检测装置组成，光电码盘
24、是在一定直径的圆板上等分地开通若干个方形或圆形孔，发光元件和光敏元件 分置在光电码盘两侧，而这组成的光电检测装置。光电编码器结构示意图2.2所示：图2.2 光电编码器结构示意图光电码盘与电动机轴，电动机旋转时光电A盘与电动机同速旋转，发光二极管发出的光时通过小孔照到光敏元件上，时而被圆盘阻挡，这样光敏检测元件就输出若干脉冲波形的信号，经放大、整形，通过高速计数器的对脉冲个数的监测，计算出转速及唯一。通过测量单位时间内光电编码器输出脉冲的个数就能算出当前电动机的转速，测量光电编码器输出脉冲的总数就能得到电机带动物体运动的行程。此外，为判断选装方向，码盘还可以提供香味900的两路脉冲信号装置，两台
25、光电装置产生的脉冲相位有一定的差别，这也就是产生了方向信号，如A装置产生脉冲相位超前于B相时时正转的话，反转时，B装置产生的脉冲相位就会超前于A装置产生的脉冲相位10。光电编码器的工作原理如图2.3所示。根据光电编码器刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。2.4.2 光电编码器在本系统中的应用在本系统中，光电编码器主要应用在测速、定位等方面，使用增量式编码器就可以满足要求。在本系统中增量式光电编码器用于行程及速度的监测。选用PIE系列PIE一512一G05E型编码器，光电编码器与拽引机同轴旋转，拽引机直径1.85m，拽引机旋转一周罐笼运行5.812m，光电编码器旋转一周产
26、生512个脉冲，一个脉冲对应罐笼运行 0.01135m。2.4.3 PLC高速计数器原理计数器是PLC的编程软元件，有普通和高速之分。普通计数器的过程与扫描工作方式有关，CPU通过每一扫描周期读取一次被测信号的方法来捕捉被测信号的上演，被测信号的频率较高时，会对视技术脉冲，因此普通计数器的工作效率很低，一般仅有几十赫兹。高数计数器不受CPU扫描周期的影响，可以对普通计数器无能为力的高速脉冲进行技术，工作频率可以达到上万赫兹，因此常用于频率高于内CPU扫描频率的机外计数器。图2.3 光电编码器判断旋转方向工作原理高速计数器与增量式编码器一起使用，后者安装在卷筒的转轴上，编码器没权发出一定数量的计
27、数始终脉冲和一个复位脉冲，作为高数计数器的输入。高数计数器有一组预置值，开始运行装入第一个预置值，当前计数值效益当前预置值时，设置的输出有效。当前计数值等于预置值时，产生中断。在当前计数值等于预置值的中断程序中，装载入新的预置值，并设置下一阶段的输出。在复位中段发生时，设置第一个预置值和第一个输出状态，循环又重新开始11。PLC的高速计数器都是可编程的。S7-200系列的PLC高速计数器有12中不同的工作模式共4大类。结合对提升机的控制，选用高速计数器HSC1作为提升机罐笼的定位计数器。配置为A/B相正交计数器，工作模式11。光电编码器的A相及B相计数信号分别接入PLC的I0.6及I0.7，外
28、部复位信号I1.0，外部启动信号接入I1.1。2.4.4 高速计数器在提升机速度检测中的应用在矿井提升机的安全生产中，对提升机速度的要求很高，如果速度过快，有可能造成抱闸失灵，发生冲顶的安全事故。因此，选择合理精确的测速方式非常重要。在测速环节的设计中，我们选用光电编码器和高速计数器结合的方式12。设计每20ms读取一次高数计数器，设20ms输出脉冲数为N，光电编码器旋转一种的脉冲数Z=512，则卷筒转速n与20ms输出脉冲数N的关系为：n=60N1000/(Z20)=5.86N将卷筒转速n转换为罐笼的提升速度v：v=Dn/60=3.141.855.86N/60=0.567N，式中，D为卷筒直
29、径，单位：m；为卷筒转速，单位为：r/min；v为罐笼速度，单位：m/s。2.5 触摸屏 触摸显示是目前国际上较流行的一种集控制与显示于一体的专用计算机产品，被称为可编程序控制器的脸面。它是替代传统控制面板和键盘的智能化操作显示器。它负责处理现场与运行操作有关的人机界面，使操作员通过触摸屏实时了解现场运行状态，各种生产数据的当前值以及是否有触摸屏中具有内部编程指令（宏命令），可以减轻PLC的编程负担，甚至有些简单的设备中可以取代PLC，由触摸屏编程直接和其它设备通讯。本系统采用西门子4行触摸屏TD400C系列，秉承TD200的有点，四行中文文本显示，与S7-200PLC通过高速PPI通讯，速率
30、可达187.5kbaud.坚固耐用，性能可靠并且具有多种保护功能。图2.4 西门子触摸屏TD400C2.6 液压油压力检测在矿井生产过程中，液压站主要为制动提供不同油压值，使得制动器生产不同的制动力矩，保证提升机在提升过程中不会出现过卷、过速运行等不安全因素13。在现代控制系统中，对油压的监测应经非常普遍，常用的是选用液压传感器。利用液压传感器检测液压轴压力的工作原理如下：油压传感器中由四个电阻应变片构成电桥电路，电阻应变片受力产生应变时，其阻值随之产生变化，继而电桥电路输出电压发生改变14。输出电压为模拟量，输入至PLC的模拟量输入模块中，经过PLC北部计算，检测出油压压力值。2.7 PLC
31、对模拟信号的处理在提升机系统中，输入量是模拟量，这些模拟量首先被互感器和传感器转换为标准量程的直流电流和电压，PLC用A/D转换器将他们转换成数字量15。2.7.1 模拟量输入模块S7-200有3种模拟量输入模块，本系统中PLC只对模拟量进行监测，因此选用只有4路模拟量输入的EM231即可。模拟量输入模块有多种单极性、双极性直流电流、电压输入量，量程模块上的DIP开关来设置16。模拟量输入模块范围对应的数字输出为-32000+32000,电压输入时输入电阻大于等于10M，电流输入时（0-20mA）输入电阻为250。模拟量转换后得到的12位有效数字存放在16位的字中，有效数字是左对齐的，最高位为
32、符号，0表示证书。在单极性格式中，最低位是3个连续的，相当于A/D转换值被乘以8。在双极性格式中，最低位是4个连续的0 ，相当于A/D转换值被乘以16。模拟量输入数据字的格式如图2.5所示。图2.5 模拟量输入数据字的格式2.7.2 PLC对液压油压力的测量Js一2型溅射薄膜压力传感器的测量范围为O-10MPa，输出范围为0.5一10V。EM231模块的DIP开关设置为单极性量程。EM231模块将0一10V转换为0一32000的数字，0.5一10V的输出范围对应于数字1600一32000。设A/D转换后得到的数字为N，则压力P的计算公式应为:P=(10-0)/(32000-1600)*(N-1600)(Mpa)电压模拟信号被EM231模块采集后 ，模拟量转化为整形数字AIWO（AIWO=N）根据公式可以得到压力值，其中压力值为VD30。2
