可编程计算机控制原理及应用.docx
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可编程计算机控制原理及应用
成绩
评阅人
中国矿业大学
工程硕士专业课（课外考核）作业封面
学号：
GS********
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工程领域：
电气工程
课程名称：
可编程计算机控制原理及应用
*******
任课教师规定截止交作业时间：
2015年6月19日
工程硕士研究生交作业时间：
2015年6月5日
研究生院培养管理办公室印制
基于PLC的矿井提升机变频调速控制系统设计
矿井提升机是各种厂矿生产的重要设备。
提升机的安全、可靠、有效、高速运行，直接关系到企业的生产状况和经济效益。
矿井提升系统具有环节多、控制复杂、运行速度快、惯性质量大、运行特性复杂的特点，且工作状况经常交替转换。
虽然矿井提升系统本身有一些安全保护措施，但是由于现场使用环境条件恶劣，造成了各种机械零件和电气元件的功能失效，以及操作者的人为过失和对行程监测研究的局限性，使得现有保护未能达到预期的效果，致使提升系统的事故至今仍未能消除。
将变频调速技术应用于矿井提升机是矿井提升机电气传动系统的发展方向。
随着变频调速技术的发展，交-直-交电压型变频调速技术已开始在矿井提升机改造中应用。
变频器的调速控制可以实现提升机的恒加速和恒减速控制，消除了转子串电阻造成的能耗，具有十分明显的节能效果。
变频器调速控制电路简单，克服了接触器、电阻器、绕线电机电刷等容易损坏的缺点，降低了故障和事故的发生。
提升机电气控制系统要求及组成
基于PLC控制的矿井提升机变频调速控制系统由动力装置、变频调速系统、操作台、监控系统组成，各部分功能如下：
动力装置，变频调速，操作台，监控系统，信号控制。
图2-2变频调速控制系统图
交-直-交PWM变频器主回路简介
常用的交-直-交PWM变频器主回路结构如图2-3所示，左边是不可控整流桥，将三相交流电整流成电压恒定的直流电压，右边是逆变器，将直流电压变换为频率与电压均可调的交流电，中间的滤波环节是为了减小直流电压脉动而设置的。
这种回路只有一套可控功率级，具有结构简单、控制方便的优点，采用脉宽调制的方法，输出谐波分量小，缺点是电动机工作在回馈制动状态时能量不能回馈至电网，造成直流侧电压上升，称做泵升电压。
图2-3交-直-交PWM变频器主回路结构图
图2-4带制动电阻的交-直-交PWM变频器主回路结构图
变频器的选型
6SE70系列变频器是具有多种可供选择接线方式的设备：
有将整流部分与逆变部分装于一体的变频器、用于变频器的制动电阻和制动单元、单独的整流单元、整流回馈单元和单独的逆变器。
制动运行的方式：
对于不经常制动的设备可以选择变频器+制动单元+制动电阻的方式；6SE70系列
变频器具有多种控制方式：
可以设定为VVVF控制、开环矢量控制、闭环矢量控制中的一种。
闭环矢量控制的性能最好，必须接入测速装置。
6SE70系列变频器的所有设备均有故障自诊断功能。
6SE70装置本身提供了多种可靠有效的故障保护措施。
同时也提供了简单实用的故障查询手段，装置可以记录同时发生的多个故障，并可以保存最近8次所发生过的故障代码。
变频器外部电路设计
变频器可以输出频率可调的交流电源，在变频器的控制输入回路中接入频率设定电路，本系统中通过PLC输出电压信号（0～12V）来控制变频器的频率。
另外在变频器的外围加设有声光报警输出口及制动单元，能够实现变频器故障报警和安全制动，更有效的对控制系统进行安全保护，变频器外部电路如图2-5所示。
图2-5变频器外部主电路
PLC硬件设计
PLC简介
国际电工委员会（IEC）对可编程序控制器作了如下的定义：
“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。
它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的命令，并通过数字式模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充功能的原则而设计。
具有其他工业设备难以具备的特点：
PLC具有以下特点：
（1）可靠性高。
在I/O环节，PLC采用了光电隔离、滤波的多种措施。
系统程序和大部分的用户程序都采用E2PROM存储，一般PLC的平均无故障工作时间可达几万小时以上。
（2）控制功能强。
PLC所采用的CPU一般是具有较强位处理功能的位处理机，为了增强其复杂控制功能和联网通信等管理功能，可以采用双CPU的运行方式，使其功能得到极大的加强。
（3）编程方便易学。
第一编程语言（梯形图）是一种图形编程语言，与多年来工业现场使用的电器控制图非常相似，理解方式也相同，非常适合现场人员学习。
（4）模块化结构，扩展能力强。
根据现场需要进行不同功能的扩展和组装，一种型号的PLC可用于控制从几个I/O点到几百个I/O点的控制系统。
（5）与外部设备连接方便。
采用统一接线方式的可拆装的活动端子排，提供不同的端子功能适合用于多种电气规格。
（6）适用与恶劣的工业环境。
采用封装的方式，适合于各种震动、腐蚀、有毒气体等的应用场合。
（7）体积小、重量轻、功耗低、性价比高、维修方便，功能更加灵活。
PLC的选型
三菱PLC有如下系列：
Q系列,AnS系列，QnA系列，A系列和FX系列前四个系列的PLC为模块型，可按要求配置。
FX系列PLC为单元型，内含CPU、电源和固定搭配的输入、输出。
Q4AR系列为双机热备系列，最大输入输出点数为8192点。
A系列PLC的最大输入输出点数为2048点。
F系列程控器的最大输入输出点数为256点。
三菱小型FX2N系列程控器的输入输出点最大不超过256点。
FX系列PLC根据输入输出点数不同及功能分为多个不同的系列：
输入、输出点数在30点以內可使用FX1S系列；
输入、输出点数在128点以內可使用FX1N系列；
输入、输出点数在256点以內可使用FX2N系列。
FX2N系列基本单元（16～128点）有继电器或晶体管输出,最多可扩展到256点。
內置有8KBRAM（最多可扩展到16KB）可选用存储卡盒,有RAM,EPROM和EEPROM。
FX2N系列PLC的特点：
（1）高速的运算速度
基本指令：
0.08微秒/指令，应用指令：
1.52至几百微秒/指令。
（2）更灵活的配置
除了具有满足特殊要求的大量特殊功能模块外，六个基本FX2N单元中的每个单元可以扩充到256个I/O。
（3）丰富的软元件
3072点辅助继电器（M）、256点计时器、235点计数器、8000数据寄存器和1000点状态继电器（S）。
PLC的I/O分配
为提高系统可靠性，PLC的输入输出信号均采用一定的信号隔离方式:
输入信号、开关量信号通过继电器隔离分配；电平信号通过信号分配板隔离分配；输出信号，通过中间继电器转接来控制执行对象。
在设计时需统计I/O的总量，包括开关量和模拟量，以确定选用PLC的模块数量以及型号。
具体分配如下表，FX2N-A-1系列PLC控制系统的输入信号及地址编号如表3-1所示。
表3-1输入点地址编码
名称
地址编码
名称
地址编码
电机A轴编码器（速度）
X0
半自动
X24
电机B轴编码器（速度）
X1
主系统
X25
电机B轴编码器（深度）
X2
备用系统
X26
辊筒编码器（速度）
X3
人员
X27
深指编码器（速度）
X4
材料
X30
心跳脉冲输入
X10
调绳
X31
验绳
X11
正常
X32
KP开关
X12
调节阀
X33
维修
X13
G1
X34
应急
X14
G2
X35
上过卷
X15
G3
X36
无过卷
X16
G4
X37
下过卷
X17
调绳控制开关通
X40
1#KT转换开关
X20
调绳控制开关断
X41
2#KT转换开关
X21
故障复位
X42
手动
X22
半自动运行
X43
自动
X23
深度清零
X44
语音复位
X45
深指上井口开关
X63
急停
X46
深指下井口开关
X64
备用
X47
井筒上过卷
X65
三倍静力矩试验按钮
X50
井筒下过卷
X66
主令零位停车
X51
井筒上终端
X67
主令上升
X52
井筒下终端
X70
主令下降
X53
井筒上减速点
X71
紧闸开关
X54
井筒下减速点
X72
松闸开关
X55
井筒上井口开关
X73
深指上过卷
X56
井筒下井口开关
X74
深指下过卷
X57
井筒上校正开关
X75
深指上终端
X60
井筒下校正开关
X76
深指下终端
X61
闸瓦开关
X77
深指减速点
X62
FX2N-A-1控制系统的输出信号及地址编号如表3-2所示。
表3-2输出点地址编码
名称
地址编码
名称
地址编码
电磁阀中继G3
Y0
检绳故障
Y21
电磁阀中继G4
Y1
深指失效指示
Y22
电磁阀中继G5
Y2
制动油过压指示
Y23
电磁阀中继G6
Y3
等速段超速指示
Y24
语音报警1
Y4
减速段超速指示
Y25
语音报警2
Y5
爬行段超速指示
Y26
语音报警3
Y6
闸瓦磨损指示
Y27
软安全回路中继
Y7
离合器打开
Y30
减速点打铃
Y10
离合器合上
Y31
电机风机运行输出
Y11
变频正转输出中继
Y40
PLC监视输出
Y12
变频反转输出中继
Y41
主允许一次提升输出
Y13
变频预留
Y42
制动泵运行输出
Y14
变频多段速1
Y43
润滑泵运行输出
Y15
变频多段速2
Y44
闸控输出
Y16
变频多段速3
Y45
一次提升故障指示
Y20
PLC的硬件接线图
PLC硬件接线图
PLC软件设计
PLC软件概述
三菱PLC的编程软件有几种，在此用到的是Gxdeveloper，是一款可兼容三菱各种型号PLC的编程软件，有离线仿真功能。
1.GX开发器
（1）开发器（GPPW）可以用于生成涵盖所有三菱电机PLC设备的软件包。
使用软件可以为Fx/AQnA/Q系列PLC生成程序。
（2）开发器（GPPW）使用Widnows操作平台以提高工作效率，便于调试操作和维修操作。
（3）梯形图、指令表、或者是SFC（时序功能图）进行编程。
（4）可以与原先包括基于DOS操作系统的程序在内的编程软件相兼容。
（5）维护包括监控和程序/参数上载和下载，通过调制解调器通讯即可实现。
2.提升机PLC控制系统要求
（1）提升机速度（PLC）控制方式
提升速度的给定方式有两种:
一种是给定速度为时间的函数，v=f（t）；另一种是给定速度为行程的函数，v=f（s）。
为了提高提升机运行速度控制的精度，在速度给定电路中增加了加速变化率限制环节，即不但要限制加速度，而且还要限制加速度的变化率。
为了提升机运行的安全可靠，采用行程给定和时间给定串级连接。
在速度图中不出现折线，实现S形速度给定曲线。
（2）提升机行程（PLC）控制方式
通过井筒开关、旋转编码器检测提升行程。
其中一个旋转编码器安装在提升机的主轴上，另一个旋转编码器安装在提升电动机轴上，天轮轴上的安装旋转编码器作为行程检测后备器件。
井筒开关用来校正行程显示和控制信号，使行程控制和显示误差缩小到允许范围。
程序设计
软件结构
由于系统控制核心主要由PLC和上位机组成，因此，软件包括PLC控制软件和上位机组态软件。
PLC软件的主要功能是对提升机的启动、加速、减速、停车等过程控制、信号采集、逻辑处理。
PLC软件设计采用模块化结构，程序编制采用梯形图。
上位机软件主要对系统运行状态、故障状态实时监控，对运行数据、故障数据进行存储和记忆。
PLC软件结构的设计是根据提升机工艺和控制要求，将控制任务和过程分解为许多子过程和子任务，再对各个子过程和子任务进行模块设计、功能说明，形成一个模块化的程序结构。
如图4-1所示。
图4-1PLC程序结构图
软件部分设计
由于控制工艺比较复杂，本程序采用主子程序模块化顺序结构进行编程，程序中的内存地址可分成：
参数设定、上位机显示、故障存储、运行数据存储、中间量这五部分，系统各种子程序均由主循环程序调用执行，按事先输入的控制程序实现自动控制，系统编程灵活，修改程序方便，仅需修改子程序梯形图程序就可改变控制功能，便于现场维护管理，使提升机运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别介绍如下:
1.控制程序：
控制子程序流程图如图4-2所示。
提升信号、工作手柄以及所选择的工作方式，驱动变频器实现提升下放操作，完成对绞车的启动、加速、等速、减速、停止等运行过程的转矩和频率控制。
故障时，通过对液压站电磁阀的控制，实施一二级安全制动。
主要输出驱动控制功能为:
a电机变频调速控制；b制动泵液压泵的控制；c液压站电磁阀的控制；d调绳调闸操作；e安全保护、安全制动。
程序置有半自动运行（主井提升可实现自动运行）、手动运行、检修运行、应急运行等四种运行方式。
在正常情况下可采用半自动或手动运行；检修运行时系统自动给定一个检修速度（0.3m/s）低速运行；当故障时，在系统保护停机后，故障被确认但不能立即排除，此时可采用应急运行方式，应急运行速度不超过0.5m/s。
2.深度、速度检测子程序：
速度检测采用光电旋转编码器双线输入。
利用高速计数模块对编码器信号计数，其中一路编码器信号用于行程速度保护，一路用于显示与监测。
两套编码器的数据在程序中不断进行比较，当比较结果发生不一致时，程序会发出故障安全制动指令。
3.安全回路程序设计：
在PLC软安全回路中具有如下保护接点，过卷保护、主电源失压、制动油过压、后备保护、变频故障、操作台急停信号、减速段超速、等速段超速、爬行段超速、松绳信号、深指失效、松闸保护、错向保护、编码器失效、PLC故障、溜车故障。
以上任一故障发生均会断开安全回路实现安全制动。
此外，主令零位、工作闸零位与安全回路闭锁。
4.保护子程序：
对各种保护点（减速点开关、过卷开关、终点开关、解除二级制动中继接点等）除在外部设置硬接点外，在程序中也设置软开关进行双重保护，在程序中设置的保护如下:
（1）过卷保护，当提升容器超出正常停车位置0.5m时，过卷保护动作，实现安全制动。
（2）等速段超速、减速段超速、爬行段超速保护。
程序中设置各种运行方式下的速度保护包络线，对各种情况的超速全程监控，任何超速均会断开安全回路，实现安全制动。
图4-2控制子程序流程图
（3）自动减速功能，当提升容器到达减速位置时，系统发出警示铃声并开始减速。
（4）深指失效保护，程序通过读取深度指示器上编码器的数值，与其它编码器的数值进行比较，当判断深指失效时，自动断电并实现安全制动。
（5）变频故障保护，程序不断监测变频器运行状态，当发现变频故障时，自动断电并实现安全制动。
（6）松绳保护，程序不断监测松绳开关状态，当发现松绳故障时，断开安全回路，实现安全制动。
（7）溜车保护功能，当提升机无运行指令而有运行速度时，系统自动断开安全回路，实现安全制动。
（8）润滑油过压/欠压、润滑油超温、闸瓦磨损、制动油超温保护功能。
这类故障发生在运行中，则允许本次提升完成，但不允许下次开车。
开车前出现这类故障，则不允许再开车。
（9）错向保护功能，程序判断提升信号方向与开车方向不一致时，不允许开车。
系统梯形图
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