PLC毕业设计论文

1、基于PLC的煤矿单向猴车的设计 物理与机电工程学院 电子信息工程专业（学号） （姓名） 指导老师： 【摘 要】: 为了缩短矿工上下井的路途时间,减轻矿工上下井的体能消耗,并且针对福建省部分煤矿因斜井巷道比较窄,索道长度在500米左右,最大倾角为15°,地势环境比较差以及起重运输不便等原因,不能使用双向无极循环运行模式,而需采用单向循环运行模式。于是本文采用PLC来控制,其具有运行安全可靠、人员上下方便、随到随行、不需等待、一次性投入低、动力消耗小、操作简单、便于维护、工作人员少和运送效率高等特点。 【关键词】猴车 PLC 斜井 单向运行 目录1绪论 .21.1课题背景及其意义.21.

2、2本课题在国内外的研究情况.21.3本设计的研究内容. .22课题的提出及方案论证.32.1架空乘人装置结构组成.32.2系统的控制要求.32.3控制系统的方案选择.43猴车控制系统.53.1架空乘人装置电控系统.53.2系统的基本结构.54硬件系统的设计.64.1 PLC的选型.64.2驱动装置的选型.64.2.1电机的选择.64.2.2制动器的选择.104.2.3减速机的选型.124.3气体传感器的选型.13 4.3.1一氧化碳传感器的选型.13 4.3.2甲烷传感器的选型.144.4 FP1 A/D转换单元.164.5 PLC电气控制线路.184.6 PLC控制I/O分配.215软件设计

3、.245.1程序流程图.245.2程序调试.25 5.2.1电机运行控制程序调试.26 5.2.2 显示程序调试.296工程应用成果.327结束语.33致谢.34参考文献.35英文翻译.36附录：程序梯形图 1绪论1.1课题背景及其意义随着矿井的大型化发展和开采深度的增加,如何既能减少人员上下井的体力消耗,又能安全舒适地运送人员,是广大煤矿工作者一直致力研究的一项工作。猴车以其安全性而得到各矿务局的支持。跟过去的罐笼车相比,它投资少,使用简单。地下矿用架空索道（俗称猴车）为矿山长距离安全快速地人员运输提供了经济适用的解决方案。其工作原理类似于地面旅游索道,它通过电动机传到减速机上的摩擦轮作为驱

4、动装置,以架空、无极循环的钢丝绳作为牵引承载,此钢丝绳靠尾轮张紧装置进行张紧和绳长调节,沿途采用托绳轮支撑,以维持钢丝绳在托轮间的贴合力；抱索器将乘人抱索器与钢丝绳连接并循环运行,从而实现运送人员的目的。其优势能长期运输,维护工作量较少。这种井下索道运输具有安全实用、运送能力大、动力消耗小,设备结构简单等优点,深受井下工人的欢迎,大大提高了井下辅助运输的效率10。地下矿用架空索道的最新发展方向呈现大运量、高速度、集中控制、稳定安全等特点。具有大运量、连续运输、连续变坡拐弯的特点,而且运行可靠,易于实现自动化和集中控制,经济效益十分明显。地下矿用架空索道也是煤矿乘人装置最为理想的高效连续辅助运输

5、设备,特别是煤矿高产高效现代化的大型矿井,地下矿用架空索道已成为矿井辅助运输机电一体化技术与设备的关键设备。随着高产高效矿井的发展,矿用架空索道各项技术指标有了很大提高4。1.2本课题在国内外的研究情况矿用架空索道在国内一直被作为一个煤矿辅助运输机械装备,传统矿用架空索道在技术上已经基本成熟,产品应用很普遍,由于它只是生产过程中的辅助设备,产品不需要很高的科技含量就能满足要求,国内厂家所生产的产品已经能够满足生产中的要求,其中绝大部分驱动方式为机械传动,液压驱动方式使用的不多,从2009年开始,才有部分厂家生产液压驱动方式的矿用架空索道,这是因为液压驱动投资大、技术含量高、难以维修,而在全国范

6、围内我国的液压传动技术水平较低,难以占领高端产品市场。在国外,架空乘人装置技术水平比较高,他们采用比较先进的液压驱动技术,系统采用悬挂式无极绳连续运转的工作方式,用于各类煤矿井下随时快运送人员。动力源采用全液压驱动,运输系统无论是高速还是低速均可实现等加速启动以及电动机的无负荷启动,对其他电力设备影响小。运行速度调节方便、液压驱动的功率控制准确、系统无过载运行,因无需增加电动机备用功率而节能、运行特性软无冲击。驱动部件与泵站分开布置,而液压驱动所具备的高功率密度的特点,使得设备的动力部件体积小、重量轻,占用空间小,非常适应煤矿井下的小断面巷道以及起重运输不便的场合布置、安装和维修。油箱采用全封

7、闭增压构造以及多道过滤元件和完善的保护装置,杜绝了油的泄漏和故障率。整机性能稳定、工作可靠且寿命长。由于液压减速机体积小且没有倾斜角度的限制,驱动部安装时无倾角要求且不需要挑顶,对巷道的适应行更强,安装施工量小、钢丝绳使用寿命长。液压驱动方式可以同时满足高速和低速两种形式的运行,高速运行时无需配备变频装置。因此,以PLC为主体组成的煤矿井下的小断面巷道,矿井地势环境比较差以及起重运输不便的场合控制系统,尤其是对我们福建省部分煤矿来说,其具有广阔的应用前景和明显的经济效益。1.3本设计的研究内容本次研究的主要内容是基于PLC控制一台驱动电机运行的煤矿运人猴车控制系统,该控制系统主要由PLC、显示

8、器、气体传感器等组成。本次研究的目标是对煤矿安全性和猴车的使用性给予提升,减少工人上下班的时间,使系统的稳定性和节能效果进一步提高,故障报警及故障排除及时迅速。根据系统要求,设计出满足要求的猴车控制系统,对架空乘人装置、PLC、气体传感器进行选型和计算,解决实际使用中容易出现的问题,根据系统要求设计出能满足控制要求的控制电路、流程图以及控制程序。2课题的提出及方案论证2.1架空乘人装置结构组成架空乘人装置主要由驱动部分、乘人部分、托绳部分、尾轮部分、张紧部分及电控系统组成（如下图2-1）。本文主要是针对猴车电控系统的设计。图2-1斜井架空乘人装置的组成框图2.2系统的控制要求减少矿井工作人员上

9、下班时间是该控制系统的第一个目的,经济实用和安全是本设计的另外一个目的。（1）猴车作为一个煤矿辅助运输机械装备,在国内绝大部分驱动方式为机械传动,液压驱动方式使用的不多,并且主要应用在巷道比较空旷的场合；而在国外大多采用比较先进的液压驱动技术,并且非常适应煤矿井下的小断面巷道以及起重运输不便的场合。而本系统能解决国内现在存在的这一不足,减少工人的上下班时间,为企业带来一定的经济利益,具有一定的实用性。（2）保证工人的生命和财产安全是企业能够正常生产的基本保证,而在矿井中最常见的就是瓦斯爆炸,瓦斯中最主要的成分就是一氧化碳和甲烷,当他们的浓度超过最高浓度分别为0.0024%、4%时,就易引起瓦斯

10、爆炸。系统控制要求实现的效用如下：（1）猴车控制系统启动要求在井上和井下分别设有操作台,当在井上有人需上车时,井上操作人员按下正转启动按钮,制动器松闸,系统发出3声预警信号用以提示乘客猴车即将启动,注意安全；另外一个作用是作为与井下操作台上的工作人员之间的一种通信信号：告知矿井下的操作人员此时井上有人上车,若井下有人需上车,此时必须等待,只到所有上车的人都到达井下时,方可上车；同理若是在井下的操作人员按下反转启动按钮,则若井上有人需上车时,此时必须等待,只到所有上车的人都到达井上时,方可上车。当第3声预警时,猴车启动开始运行, 5秒后播放MP3。如果在井上（井下）所有矿工都已上车并在不过载的情

11、况下时,控制台操作人员调节减速机调速开关,使电机加速运转,达到节能、减少乘坐时间的目的；若有乘车者下车,调节减速机调速开关,使电机减速运转。若过载,则重锤上升到达上限限定高度,触动钢丝绳张紧保护开关动作,架空乘人索道自动停车。（2）系统停车正常停车：转换开关置于停止位置,设备进入停机状态,任何设备不能启动。（3）完善的系统保护、报警效用。全程紧急停车保护：在架空乘人装置的沿线装有紧急停车拉线开关间隔80米1个,并由钢丝绳连接起来。当巷道内有紧急情况时,在沿线的任意一个地方拉动该钢丝绳,相应的急停拉线开关将给控制系统一个急停信号,架空乘人装置将自动停止运行,同时显示窗将显示触动此开关的相应位置。

12、乘人吊椅摇摆保护：间隔80m安装一个,此开关是用于防止吊椅过摆而设置的保护装置。当吊椅过摆到一定高度时,车触动此开关动作,候车自动停车。同时显示窗将显示触动此开关的相应位置。煤矿安全报警系统：当矿井内的一氧化碳（CO）和甲烷（CH4）的气体浓度高于安全标准浓度时,由CO传感器和CH4传感器给控制系统一个井内有毒气体超标的信号,使电机反转,使猴车返回矿井地面并发出警报。越位保护。机头、机尾越位保护：机头和机尾分别有越位行程开关,当矿工乘坐吊椅上井或下井进入机头或机尾的禁止部位点时,由越位保护装置给控制系统一个越位的信号,系统自动停机并发出故障报警声,同时显示窗口显示相应的故障。制动器动作保护：制

13、动器与电机在电气上为互锁保护,主电机启动前,制动器提前3秒松闸,处于非制动状态。如制动器未能松闸,主电机不能启动,从而达到保护主电机的目的。电机的过载、短路保护：控制电路中接有熔断器和热继电器,分别用于电路短路和过载保护。2.3控制系统的方案选择架空乘人装置按驱动方式可分为机械传动和液压驱动两种驱动方式,其主要控制方式有：（1）纯继电器控制方式这是猴车电控过去常用的一种控制方式,这种控制方式存在很多的缺点：当保护开关增多时线路变得很复杂,而且不便于接线,设计困难,维修困难,安全性差,触点多,也不能显示各种保护。（2）PLC电路控制方式该控制方式能够实现对电机的加速和减速控制,达到减少乘坐人员的

14、乘坐时间和上下车安全的目的。气体传感器的任务是检测矿井内有毒气体的浓度,通过气体传感器反馈信号给控制电路一个气体浓度偏高的信号,输出给电机一个反转的控制信号。对于这种控制方式,随着电路中的保护开关的增加,使电路的安全性和准确性都能得到提高,却不会给电路接线带来困难。采用这种控制方式具有可靠性高、程序简单、设备便于维护和维修,电路连接方便,一次性投资小等优点。所以从以上两种控制方式看,本设计采用PLC控制方式。比较得出PLC有明显的优越性。本设计采用松下公司的FP1-C72系列PLC,其相应的软件为FPWIN-GR和手持编程器来完成猴车控制系统的设计。3猴车控制系统3.1架空乘人装置电控系统架空

15、乘人装置系统具有设备电气互锁,电机失压、短路、过载保护,张紧保护,沿途紧急停车闭锁等较为全面的安全保护效用。具有启动前预警信号,开车、停车按设定的程序控制等效用。具有数码显示效用,当设备发生故障时,给出相应的故障位置提示,极大方便了用户对设备的维护和维修。3.2系统的基本结构猴车控制系统主要以PLC为主要控制单元,控制操作台及语音箱作为操作及报警设备,PLC外围开关,传感器组成保护系统。系统框架如图3-1所示。系统各组成主要作用说明如下：（1）按钮开关：在煤矿上水平面和下水平面各自都设有两个按钮开关,其中一个是停止按钮,另外一个是：在上水平面为正转启动按钮,下水平面为反转启动按钮。其主要目标是

16、实现在异地配合控制同一台电机的运行和停止。（2）保护开关：本设计在索道沿途共安装12个保护开关,其中6个用作全程紧急停车保护开关,另外6个用作吊椅摇摆保护开关,分别间隔80m安装一个；通过PLC控制系统将数据送往数码管显示,以便工作人准确定位故障的位置,减少了故障的排查时间,便于维护和维修。（3）传感器：本设计通过在矿井安装CO传感器和CH4传感器并连接PLC控制回路,当浓度超标时,传感器就给控制系统一个井内气体偏高的信号并发出警报,使电机反转,即使猴车返回上水平面。（4）减速机：通过减速机上的调速开关,将马达的回转数减速到所要的回转数,以达到调节猴车运行速度的目的。PLC各种按钮传感器保护开

17、关减速机数码管显示器制动器语音箱主电机钢丝绳图3-1猴车电控系统组成框架4硬件系统的设计4.1 PLC的选型（1）PLC简介PLC即可编程控制器（Programmable logic Controller,是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义： PLC英文全称Programmable Logic Controller ,中文全称为可编程逻辑控制器,定义是:一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器,用于其内部存储

18、程序,执行逻辑运算,顺序控制,定时,计数与算术操作等面向用户的指令,并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程.PLC是可编程逻辑电路,也是一种和硬件结合很紧密的语言,在半导体方面有很重要的应用,可以说有半导体的地方就有PLC 。具有以下特点：1. 可靠性高,抗干扰能力强；2 .通用性强,控制程序可变,使用方便；3.效用强,适应面广；4.编程简单,容易掌握；5.减少了控制系统的设计及施工的工作量；6.体积小、重量轻、功耗低、维护方便2。PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和

19、算术运算等操作的指令,并能通过数字式或模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体,易于扩展其效用的原则而设计。PLC是以微处理器为核心,综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置,具有结构简单、性能优越、可靠性高、灵活通用、易于编程、使用方便等优点,近年来在工业自动控制、机电一体化、改造传统产业等方面得到了广泛应用。发展方向： ·产品规模向两极分化； ·处理模拟量；·追求高可靠性； ·通讯接口和智能模块； ·系统操作站配高分辨率的监视器；

20、 ·追求软、硬件标准化。（2）PLC的选型在控制系统方案中共有开关量输入点23个、开关量输出点26个。故采用松下公司的FP1-C72系列可编程逻辑控制器,FP1系列的C72可编程逻辑控制器共有40个输入点和32个输出点,共72个I/O点,输入寄存器为X0X27输出寄存器为Y0Y1F,有内置时钟。C72系列PLC器件价格较低,性能优良,程序容量较大、运行速度快、可在线编程等优点。4.2驱动装置的选型4.2.1电机的选择（1）计算说明已知参数：巷道斜长：L=500m 巷道坡度：=15° 驱动轮直径：D=1000mm。钢丝绳的运行速度：V=0.8m/s。主要参数的确定预选钢丝绳：

21、6X19-20（=1.47m）。 设吊椅间距为：。托轮间距：=8m。驱动轮绳槽与牵引钢丝绳间的摩擦系数：=0.2。牵引绳在驱动轮上的围包角：=180°。（2）牵引钢丝绳张力的计算 图4-1架空乘人装置力学模型最小点张力的计算： （4-1）式中：最小张力点的张力,N；C钢丝绳的绕度系数,取C=1000；预选牵引钢丝绳的每米质量 1.47m；g重力加速度,g=9.8m/s；=14406N。各点张力的计算：当下放侧无人而上升侧满员是：（动力运行状态）线路运行阻力：=12210.14N （4-2）=-3192.06N （4-3）各点张力：=14406N =1.01 =14550.06N=+=

22、26760.2N =-=17598.06N （4-4）式中：每米钢丝绳的质量 1.47m；每人人体重量 取=75；每把吊椅重量 取=15；牵引钢丝绳运行阻力系数,动力运行时,取=0.02,制动运行时,取=0.015；L矿井斜长。当下放侧满员而上升侧无人时：（制动运行状态）线路运行阻力：=3702.52N （4-5）=-10526.76N （4-6）各点张力：=14406N =1.01=14550.06N=+=18252.58N =-=24932.76N（3）电动机功率的计算与选择图4-2传动方案选择电动机选择电动机类型选用Y型笼型三相异步电动机。选择电动机的容量由电动机至钢丝绳的传动总功率为：

23、 （4-7）式中,是联轴器1传动的效率,是锥齿传动的效率,轴承传动的效率,是齿轮传动的效率,是联轴器2传动的效率,是驱动轮传递的效率。其大小分别为1=0.99,=0.95,=0.98,=0.97,=0.99,=0.96。则=0.76电动机输出的功率：动力运行时：=23.17KW （4-8）制动运行时：=16.90KW （4-9）式中电动机功率备用系数,一般取=1.6取 =2.08所以选取电动机功率为：30KW确定电动机的转速：=（60X1000X0.8）/（X1000）=15.29r/min （4-10）初选圆锥齿轮的传动比=23,单级圆柱齿轮传动比i=35,二级齿轮传动比=925,故电动机转

24、速的可选范围为=()X=(1875)X15.29r/min=(275.221146.75)r/min。综合考虑选择电动机型号为Y200L-6笼型三相异步电动机。表4-1 Y200L-6型电机的主要性能额定功率（KW）满载转速（r/min）效率（%）功率因数电流（A）3097589.50.8558.6（4）电动机启动方式选择电机的启动方式主要有：全压直接启动、自耦减压起动、Y- 起动、软起动器、变频器。全压直接启动：优点是操纵控制方便,维护简单,而且比较经济。主要用于小功率电动机的起动,从节约电能的角度考虑,大于11kw 的电动机不宜用此方法。自耦减压启动：利用自耦变压器的多抽头减压,既能适应不

25、同负载起动的需要,又能得到更大的起动转矩,是一种经常被用来起动较大容量电动机的减压起动方式。它的最大优点是起动转矩较大,当其绕组抽头在80%处时,起动转矩可达直接起动时的64%。Y- 起动：适用于无载或者轻载起动的场合。并且同任何别的减压起动器相比较,其结构最简单,价格也最便宜。软起动器：这是利用了可控硅的移相调压原理来实现电动机的调压起动,主要用于电动机的起动控制,起动效果好但成本较高。因使用了可控硅元件,可控硅工作时谐波干扰较大,对电网有一定的影响。另外电网的波动也会影响可控硅元件的导通,特别是同一电网中有多台可控硅设备时。因此可控硅元件的故障率较高,因为涉及到电力电子技术,因此对维护技术

26、人员的要求也较高。变频器：变频器是现代电动机控制领域技术含量最高,控制效用最全、控制效果最好的电机控制装置,它通过改变电网的频率来调节电动机的转速和转矩。因为涉及到电力电子技术,微机技术,因此成本高,对维护技术人员的要求也高,因此主要用在需要调速并且对速度控制要求高的领域。根据上述情况本文选择自耦减压启动方式,这种启动方式主要用于较大容量的电动机,以减小启动电流对电网的影响。其优点是：启动时对电网的电流冲击小,功耗损耗小。如图4-3所示,当按下正转（反转）启动按钮SB0（SB1）,接触器KM1、KM2与时间继电器KT的线圈同时得电,KM1、KM2的主触点闭合,电动机定子绕组经自耦变压器接至电源

27、减压启动。当时间继电器KT延时时间到,一方面其常闭延时触点打开,KM1、KM2线圈失电,KM1、KM2主触点断开,将自耦变压器切除；同时,KT的常开触点闭合,接触器线圈KM3（KM4）得电,KM3（KM4）主触点闭合,电机投入正常运转。图4-3主电路图4.2.2制动器的选择（1）制动器的选型原则： 考虑输送机的工作重要性,当输送机工作场所十分重要时,如主运输输送机,应重点考虑可靠性配置,才采用液粘制动加盘闸制动器,实现双保险。 考虑输送机（长度短、运量小）制动力矩大小,制动力矩小,相应动载冲击小,可选用普通推杆制动器；否则,应选用可控制动器,如液粘制动器或可控盘闸制动器。 输送机带速,当输送机

28、带速高时,应选用可控制动器,或者选用液力或液压制动器先实现降速,速度降低以后,再加制动闸进行定车制动。 考虑输送机（长度、运量）动载荷大小,动载荷较大时,必须采用可控制动器,当要求制动精度高时,选用液粘制动器,否则选用可控制盘闸制动器。 考虑输送机经济性,性能要求越好,投资价格越高。一般情况选用可控盘闸制动器,既可实现可控制动,又能实现定车,且结构简单,相应投资也较小。制动器的选型：制动器选用电力液压块式制动器,性能安全可靠,制动平稳,动作频率高,主要摆动较点设有自润滑轴承,传动效力高,寿命长,在使用过程中无需润滑,广泛用于起重、冶金、矿山、港口、码头、建筑机械等机械驱动装置的减速或停车制动。

29、其推动器为隔爆型并有防爆证和煤安证。制动闸块选用在制动时不会引起爆炸和燃烧的材料制成,其材料性能符合MT113的规定、参数如下：电力液压块式制动器型号： BYWZ3B160/25防爆电液推动器： YT1-25ZB/4制动力矩： 180N.m下图4-3为YWZ3系列电力液压块式制动器外形图。其正常工作条件：环境温度-40+50；一般用于三相交流电源50Hz、380V；电机安装地点海拔高度符合GB755-87标准；安装形式一般适合推动器垂直工作,倾斜度不超过±15°。图4-4 YWZ3系列电力液压块式制动器外形图（2）工作原理当推动器通电时,电动机带动转轴及转轴上的叶轮旋转,在

30、活塞内产生压力,使固定在活塞的推杆迅速上升,推动连接杠杆压缩主弹簧使制动瓦张开,机构得以运动。推动器断电时,主弹簧的力将制动瓦压紧于机构的制动轮上使机构停止运动。4.2.3减速机的选型（1）减速机是一种动力传达机构,利用齿轮的速度转换器,将马达的回转数减速到所要的回转数,并得到较大转矩的机构。其作用是：1、降速同时提高输出扭矩,扭矩输出比例按电机输出乘减速比,但要注意不能超出减速机额定扭矩。 2、减速同时降低了负载的惯量,惯量的减少为减速比的平方。一般的减速机有斜齿轮减速机(包括平行轴斜齿轮减速机、蜗轮减速机、锥齿轮减速机等等)、行星齿轮减速机、摆线针轮减速机、蜗轮蜗杆减速机、行星摩擦式机械无

31、级变速机等等。根据本设计的要求,采用MB系列的无级变速机,实现对猴车运行速度的控制。其基本结构如下图4-5所示图4-5MB系列无级变速机基本结构图（2）工作变速原理带锥度的主动轮（12）和压盘（13）被一组蝶形弹簧（14）压紧,输入轴（15）和主动轮用平键联接,组成压紧 主动轮装置。一组带锥度的行星摩擦轮（10）内侧被夹在主动传输线和压盘之间,外侧夹在带锥度的固定环（11）和调速凸轮（9）之间组成福摩擦。当压紧的主动轮装置运转时,行星摩擦轮就作纯滚动,由于固定环和调速凸轮不动,因此行星轮在自转的同时也做公转,通过行星摩擦轮的中心轴及滑块轴承（5）而带动行星架（2）转动。在转动手轮改变角向位置的

32、同时,调速凸轮的端而曲线经平面轴承（4）和固定平面凸轮（3）断面曲线作用,使调速凸轮产生轴向移动,从而匀速地改变调速凸轮的固定环之间的间隙,使行星摩擦轮产生径向移动,从而匀速地改变了行星轮与主动轮、压盘及固定环、调整凸轮摩擦处的工作半径,稳定地实现了无级变速。（3）性能特点高强度：在加冲击负载或机器逆转时,本机性能可靠,能精确传动,无后座力。变速范围大：变速比均为1:5,及输出转速可在1:45至1:7.25之间任意变化。调速精度高：调速精度为10.5转。性能稳定：本机的传动部件都经过特殊的热处理,精密加工摩擦部位,润滑良好,运行平稳,噪声低,寿命长。同轴结构：输入轴、输出轴同向旋转,体积小,重

33、量轻。组合能力强：本机可与各种类型减速机组合,实现低转速、大扭矩的变速效果。在允许负载的情况下,调定的转速恒定。全封,可适用于潮湿、多尘、有轻度腐蚀性的工作环境。技术参数：     功 率：0.18KW7.5KW     转 矩：1.5N·m2062N·m 变速范围：    a.基本型：200-1000r/min     b.变速机带一级齿轮减速（i=2.5-5）：40-200r/min     c.变速机带二级齿轮减速（i=

34、7.1-25）：8-140r/min     d.变速机带三级齿轮减速（i=42-100）：2-23.5r/min （4）调速方式主要有：1、手轮调速：分快慢手轮、指针手轮调速；2、配直角器调速；3、电动调速。快慢手轮调速直接看不出转速,指针手轮调速指针上显示的速度与实际输出轴转速有3-5转的偏差。但本文采用指针手轮调速,这种调速比较方便,便于控制。4.3气体传感器的选型4.3.1一氧化碳传感器的选型煤矿中CO气体最高浓度为0.0024%,当CO传感情检测到其浓度不低于这个值时,传感器就输出一个模拟信号,通过A/D转换单元将其转换为数字信号,再经PLC控制猴车系统

35、13。本文选用KGA3型一氧化碳传感器。KGA3型煤矿用电化学式一氧化碳传感器（以下简称传感器）是矿用连续检测矿井下一氧化碳浓度的高精度仪表。传感器能够实时地测量并且显示矿井下的一氧化碳浓度,而且根据浓度值的大小产生声光报警信号,并且输出与一氧化碳浓度相对应的模拟信号。传感器能在具有瓦斯、煤尘爆炸的矿井内,对煤层自燃发火、机电设备、运输胶带事故等多种因数可能引发火灾和爆炸事故进行早期的预测和预报。下图4-6为KGA3型一氧化碳传感器外形图。图4-6KGA3型一氧化碳传感器外形图(2) 主要技术参数：表4-2 KGA3技术参数表项目技术指标测量范围（CH4）（01000）X10-6基本误差（CH

36、4）050502002001000±4X10-64±5%测量值X10-64±5%测量值X10-6响应时间35S续表4-2报警方式间歇式声光交替断电点连续可调,报警方式断续声,光报警防爆型式Exibd输出信号频率200-1000Hz,0-200Hz,5-15Hz 电流1-5MA,4-20MA工作电压DC（924V）工作电流80mA DC18V外形尺寸280×180×68mm通气流量200mL/min（1） 输入输出特性一氧化碳传感器其电流输出大小与气体的浓度线性关系,其特性曲线如下图4-7所示。图4-7CO传感器电流输出与输入的关系曲线4.3.2

37、甲烷传感器的选型煤矿中CH4气体最高浓度为4%,当CO传感情检测到其浓度不低于这个值时,传感器就输出一个模拟信号,通过A/D转换单元将其转换为数字信号,再经PLC控制猴车系统13。本文选用GJG10H型智能红外甲烷传感器。（1）产品介绍主要用于监测煤矿井下环境气体中的瓦斯浓度,采用国际最新（NDIR）非色散红外探测技术研制而成的新一代测量仪表,是煤矿预防瓦斯突出和瓦斯爆炸的更新换代产品。可以实现井下瓦斯浓度的实时测量就地显示和超限声光报警等效用,并且能够连续自动地将井下瓦斯浓度转换成标准电信号输送给关联设备。检测元件由国外原装进口,采用高稳定放大处理电路,保证了仪器的性能稳定和测量准确性。在检

38、测原理上使用的是完全不同于传统催化原理的红外线检测技术,克服了催化原理传感器标定周期短、容易中毒等现象,具有测量准确、反应速度快、标定周期长、不受其它气体影响、测量范围宽、功耗低、使用寿命长等特点。在工作过程中由于采用光学测量并不消耗甲烷,无大功率器件,所以不存在受高瓦斯冲击损坏的现象（根据需要量程可任意扩展）,测量不受风速影响,性能稳定调校周期最低一个月,响应时间也远远快于催化原理传感器。仪器软件上采用智能化设计,易于维护和调校,大大节约仪器的使用与维护费用。（2）其主要技术指标如下表4-3所示表4-3 GJG10H型智能红外甲烷传感器主要技术指标项目技术指标测量范围010.0%CH4分辨率

39、0.01CH4续表4-3测量精度0.001.00%CH41.002.00%CH42.004.00%CH44.0010.0%CH4±0.10%CH4±0.20%CH4±0.30%CH4±8.00%真值(相对误差)元件检测反应速度20s报警方式间歇式声光报警,85dB(声强),能见度20m(光强)报警点范围0.52.50连续可调断电点范围0.52.00连续可调采样方式限制扩散式整机工作电压924V DC,18VDC/51mA传输距离3km(供电18V DC使用1.5mm2截面铜芯电缆)输出信号2001000Hz、15mA DC（均线性对应0.001.00%C

40、H4）防爆型式Exib矿用本安型（3）下图4-8、4-9分别为GJG10H型智能红外甲烷传感器的各部件示意图和接线示意图。图4-8GJG10H型智能红外甲烷传感器的各部件示意图1、断电器信号输出 2、电源正 3、地线 4、信号输出图4-9GJG10H型智能红外甲烷传感器接线示意图（4）输入输出特性甲烷传感器其电流输出大小与气体的浓度线性关系,其特性曲线如下图4-10所示。图4-10甲烷传感器电流输出与输入的关系曲线4.4 FP1 A/D转换单元（1）A/D转换单元的主要作用把传感器检测到的电压或电流信号(模拟量)转换成PLC能够识别的等效数字量,这些数字量经过PLC处理后控制系统运行状态。FP

41、1 A/D转换单元的技术参数如下表4-4所示。表4-4 FP1 A/D转换单元技术参数1项目说明模拟输入点数4通道/单元（CH0-CH3）模拟输入范围电压0-5V和0-10V电流020mA 分辨率1/1000总精度满量程的±1%响应时间2.5ms/通道输入阻抗电压不小于1兆欧（05V和010V范围内）电流250欧姆（020mA）绝对输入范围电压+7.5V（05V）、+15V（010V）电流+30mA(020mA)数字输出范围K0K1000（H0H03E8）绝缘方式光耦合：端子与内部电路之间无绝缘：通道间连接方式端子板（M35螺丝）A/D转换单元的输入输出特性如下图4-11所示。图4-

42、11A/D转换单元的输入输出特性曲线（2）占用通道及编程方法 A/D转换单元有4个模拟输入通道,占用的输入端子分别为： CH0：WX9（X90X9F）CH1：WX10（X100X10F）CH2：WX11（X110X11F）CH3：WX12（X120X12F）PLC每个扫描周期对各通道采样一次,并进行模数转换,转换的结果分别存放在各自的输入通道（WX9WX12F）中。A/D转换的编程可用指令F0实现,如【F0 MV ,WX9,DTO】.执行这一指令后,CHO输入的模拟信号经A/D转换变成数字信号后送入WX9,并由F0指令读出保存到DTO中。（3）A/D转换单元的面板布置及接线方法图4-12是A/

43、D转换单元的面板布置图。A/D单元的每个通道有4个接线端：V、I、C和FG。此外,还有一对电压范围选择端子RANGE。其中,V是电压输入端,I是电流输入端,C是大众端,FG是屏蔽接地端。左端扩展插座用于连接FP1控制单元或者扩展单元,右端插座用于连接D/A转换单元或I/O LINK单元。A/D转换单元的接线方法：电压输入方式的接线图如图4-13所示。信号有V和C两端输入,屏蔽外壳接FG端。当电压范围选择端子RANGE间开路时,输入模拟电压范围为05V；短路是,输入模拟电压范围为010V。电流输入方式的接线如图4-14所示。信号有I和C两端输入,将电压输入V和电流输入I端子连接在一起,屏蔽外壳接

44、FG端。此时,需要将当电压范围选择端子RANGE开路。图4-12 A/D单元的面板布置图 图4-13 电压输入接线方式 图4-14 电流输入接线方式（4）模拟量与数字量之间的转换气体传感器输出的电解电流和气体浓度之间的关系如下式表示： （4-11） 式中,I电解电流；每1mol气体产生的电子数；F法拉第常数；A气体扩散面积；D扩散系数；C电解质溶液中电解的气体浓度；扩散层的厚度。在同一传感器中,、F、A、D及是一定的,所以电解电流与气体浓度成正比。所以在本设计中选择一氧化碳传感器和甲烷传感器输出信号为电流信号,测量范围分别为420mA.和15mA。根据公式（1）,由煤矿中一氧化碳和甲烷气体的最

45、高浓度分别为0.0024%、4%,则一氧化碳浓度为0.0024%对应的输出模拟电流为I=2.4X(20-4)/1000+4mA =4.384mA,对应的PLC A/D转换单元输出数值为K=1000/20X4.384219。甲烷浓度为4%对应的输出模拟电流为I=4/10X4+1mA=2.6mA,对应PLC的A/D转换单元输出数值为1000/20X2.6=130。因此当PLC检测到一氧化碳浓度转换为数字量不小于220时或者甲烷浓度转化为数字量不小于130是,就给控制系统一个停机的信号。4.5 PLC电气控制线路（1）数码管显示接线图,如下图（4-15）所示。图4-15数码管显示接线图（2）本文中数

46、码管显示的位置是与上水平面为参照起始点。七段数码管显示数据与输入关系如下表4-5、4-6所示。表4-5输入位选择开关与输出数值的关系输入输出X7（X10）X8（X11）X9(X12)XA(X13)XB(X14)XC(X15)1XXXXX1X1XXXX2XX1XXX3XXX1XX4XXXX1X5XXXXX16表4-6数码管各位与输出数值的关系输入输出abcdefg011000011101101211110013011001141011011510111116注（1表示高电平,0表示低电平,X表示任意状态）（3）PLC外围接线图PLC外围接线图如下图4-16和4-17所示。图4-16PLC外围接线

47、图（注：CO传感器选择通道CH0,甲烷传感器选择通道CH1,输入方式都为电流输入）图4-17传感器与A/D转换单元接线图4.6 PLC控制I/O分配PLC硬件配置确定后,应对I/O点进行分配,确定外部输入输出元件与PLC的I/O点的连接关系,完成I/O点地址定义表。表4-7、表4-8为控制系统的输入输出信号的名称、代码。表4-7 输入信号分配表输入接口输入信号代码名称X0SB0正转启动按钮X1SB1反转启动按钮X2Q1速度调节开关X3SB2停止按钮X4 SQ1机头越位行程开关X5SQ2机尾越位行程开关X6SQ3重锤上限限位开关X7Q2全程紧急停车保护开关X8Q3X9Q4XAQ5XBQ6XCQ7

48、XDQ14CO传感器模拟信号XEQ15CH4传感器模拟信号X10Q8过摆保护开关X11Q9X12Q10X13Q11X14Q12续表4-7X15Q13X16Q14CO传感器信号清零开关X17Q15CH4传感器信号清零开关表4-8输出信号分配表输出接口输出信号代码名称Y0KM1自耦减压启动接触器1Y1KM2自耦减压启动接触器2Y2KM3电机正转接触器Y3KM4电机反转接触器Y4A制动器松闸Y5B报警蜂鸣器Y6CMP3播放器Y7D减速机速度显示Y8E电机运行Y9F机头越位显示YAG机尾越位显示YBH减速机运行Y10a紧急停车开关触动位置数码管显示Y11bY12cY13dY14eY15fY16gY17

49、a过摆保护开关触动位置数码管显示Y18bY19cY1AdY1BeY1CfY1Dg在程序中也用到一些内部继电器、数据存储器、时间继电器。如下表4-9所示。表4-9程序中使用到PLC机器内的器件及效用器件地址效用器件地址效用T0预警时间定时器RA过摆保护开关位置显示数码管显示信号T4电机启动时间定时器RBT2MP3开始播放时间定时器RCT3制动器报闸时间定时器RD续表4-9R0 紧急停车保护信号RER1过摆保护停车信号RFR2CO浓度偏高停车信号R3CH4浓度偏高停车信号DT0CO A/D转换数值存储区R4紧急停车保护开关位置显示数码管显示信号DT1CH4 A/D转换数值存储区R5R6R7R8R95软件设计5.1控制系统程序流程图该系统的运