基于三菱系列PLC的煤矿皮带运输机控制系统毕业设计论文

1、1 目 录 摘摘 要要 .1 1 第一章第一章 绪论绪论 .3 3 第一节 平煤四矿钢缆皮带运输系统简介.3 第二节 设计原则和标准.4 第二章第二章 驱动系统的功率计算驱动系统的功率计算 .5 5 第一节 主要计算参数.5 第二节 阻力计算.6 第三节 张力分布示意图.6 第四节 逐点张力计算.7 第五节 电动机功率计算.7 第三章第三章 设备选型设备选型 .8 8 第一节 电动机选型.8 一、电动机起动功率验算 .8 二、电动机选型 .9 第二节 变频器选型.9 一、变频器 .9 二、变频调速的特点 .10 三、调速方案的确定 .12 四、变频系统组成 .13 五、变频系统的功能 .13

2、第三节 igbt 结构及工作原理 .14 一、igbt 的结构.14 二、igbt 的工作原理.15 第四节 cc-link.18 一、cc-link 特性.18 二、cc-link 使用结构.19 三、cc-link 的特点 .20 四、cc-link 网络配置.23 第五节 液压系统.24 一、机房盘型闸液压系统 .24 二、机尾钢丝绳液压张紧系统 .24 第四章第四章 可编程控制器部分可编程控制器部分 .2424 第一节 可编程控制器的特点.26 第二节 可编程控制器的组成.27 第三节 可编程控制器的工作原理.32 第五章第五章 钢缆皮带的钢缆皮带的 plcplc 控制系统控制系统 .

3、3535 第一节 钢缆皮带运行过程.35 2 一、系统控制要求 .35 二、控制系统的 i/o 点的地址分配 .36 第二节 方案确定.37 第三节 plc 选型 .40 一、fx2n-48mr-001 plc 的特点.40 二、fx2n-48mr-001 plc 的技术参数.41 第四节 plc 外部接线图及控制装置构成 .42 一、plc 外部接线图.42 二、隔爆型控制箱 .42 三、本安型操纵台 .43 四、控制部分 .43 第五节 控制系统保护功能.45 第六节 系统配置.48 第七节 变频器的谐波治理的方法.48 第六章第六章 软件设计软件设计 .4949 第七章第七章 plcpl

4、c 程序调试程序调试 .5454 一、程序的模拟调试 .54 二、程序的现场调试 .55 第八章第八章 其他说明其他说明 .5656 第一节 变频器.56 一、使用变频器时的注意事项 .56 二、变频器的维护与保养 .56 三、必须定期更换的器件 .57 四、变频器的储存与保管 .57 第二节 plc 使用与保养 .58 一、plc 使用应注意的事项.58 二、plc 的维护与保养.60 结束语结束语 .6161 参考文献参考文献 .6262 1 摘摘 要要 目前，国内仍有不少煤矿钢缆皮带的控制系统在使用传统的控制方式，这 种控制方式存在耗电量大，维护困难，动态特性差、故障率高、维护困难等缺

5、点。多数煤矿现在井下钢缆皮带使用的直流电机属非防爆设备，另外，由于采 区变化，运输距离减短，传统控制系统运行模式很不经济，已经不能适应现代 化生产的需要。所以急需对现用的电气部分控制方案进行改造。用 plc、防爆 电机和变频器组成的系统进行控制，能够解决钢缆皮带传统控制系统中存在的 问题和不足，提高煤矿设备的自动化水平。 本设计主要研究一种基于三菱系列 plc 的煤矿皮带运输机控制系统，包含 绪论、设备选型、可编程控制器部分、钢缆皮带的 plc 控制系统及系统的维护 与保养部分的设计，可编程控制器部分详细阐述了 plc 的性能，设备选型部分 完成了系统工艺过程分析及具体硬件设计，钢缆皮带的 p

6、lc 控制部分完成了控 制系统的 i/o 点及地址分配、系统外围硬件连接图以及对梯形图的设计，部分 通过了调试，该系统基本上实现了对皮带运输机系统的控制和各种保护，提高 生产效率、减少现场操作人员、提高系统运行的安全性。 关键词：关键词：plcplc；控制系统；运行原理；电气制动；控制系统；运行原理；电气制动 2 abstractabstract at present, there are still many domestic coal belt of the cable control system in the use of the traditional control methods

7、, such control mode power consumption, maintenance difficulties, the dynamic characteristics of poor, high failure rate, difficulties in maintaining shortcomings. most coal mines are underground cable belt use of the dc motor is a non-explosion-proof equipment, in addition, due to changes in mining

8、area, reducing the transport distance, the traditional mode of operation control system is not the economy, has been unable to meet the needs of modern production. so is an urgent need to use some of the electrical control programme to transform. with plc, explosion-proof motor and inverter system c

9、onsisting of control, can solve the traditional cable belt control system of the existing problems and shortcomings, improve coal mine level of automation equipment.the design of a major research-based mitsubishi series plc in a coal mine belt transport control system, including introduction, equipm

10、ent selection, the plc part of the cable belt plc control system and system maintenance and maintenance part of the design, programming controller elaborate on the part of the performance of plc, the cable belt plc control the completion of the control system of i / o addresses and points distributi

11、on, system hardware peripherals connection of the ladder, as well as the design, partly by the commissioning of the system is basically realized its belt transport system control and protection, increase productivity and reduce operating officer at the scene, improve the safety of the system. 3 keyk

12、ey words:plc;controlwords:plc;control system;movementsystem;movement priciple;thepriciple;the electricityelectricity appliesapplies thethe brakebrake 第一章第一章 绪论绪论 第一节第一节 平煤四矿钢缆皮带运输系统简介平煤四矿钢缆皮带运输系统简介 四矿钢缆皮带于 1979 年 7 月安装投入运行，担负着一水平采区的运煤、运 人任务。原电控系统，主回路采用调压器和二极管整流给直流电动机供电，操 作回路为继电器控制。当时，直流调速系统比交流调速具有更优

13、良的调速性能， 因而在大型的重要的设备中得到应用。 但是，在多年的运行中，直流模拟控制系统也表现出动态特性差、故障率 高、维护困难等缺点。而且，随着矿井的延深和瓦斯涌出量的增加，平煤四矿 被定为“瓦斯突出矿井” ， 煤矿安全规程规定，瓦斯矿井不得使用非防爆设 备。现在井下钢缆皮带使用的 2 台 400kw 直流电机属非防爆设备，另外，由于 采区变化，运输距离由 1400 米缩减到 780 米，原模式运行很不经济，所以急需 对现用的电气部分控制方案进行改造。 四矿钢缆皮带属于大型集中运输设备，而且有运人任务，对起动、调速要 求较高，交流绕线式电机串电阻调速不能满足平稳的要求，而软启动设备没有 低

14、速运行功能，不能进行验绳等检修工作，而且从国家政策、先进性和长远利 益来看，变频调速应为首选。 随着电力电子器件、微电子技术及计算机技术的发展，交流电动机变频调 速技术得到迅速发展，使得结构简单牢固、价格低廉、应用普及的异步电动机， 有了性能良好的调速手段。目前，鼠笼异步电动机变频调速技术已较为成熟， 性价比优越。国外变频器生产技术较为成熟的厂家有，德国的西门子、施耐德、 日本的三菱、安川、松下、芬兰 abb 等公司，国内有深圳的华为、四川的森兰、 南京的耐特。国家经贸委“九五”资源节能综合利用工作纲要中，变频调 4 速已被列入重点组织实施的 10 项技术改造示范工程之一，目前在我国独资或合

15、资生产变频器的企业已逐渐形成规模，以后一定会取得大跨步的发展。 在电气控制方面，随着大规模集成电路和微处理器的发展和应用，出现了 可编程序控制器（简称 plc） ，它把计算机的功能完备、通用性和灵活性好等优 点，与继电接触式控制系统的操作方便、简单易懂、价格低廉等优点结合起来， 更适应于工业环境的通用控制，现在又增加了算术运算、过程控制、数据通信 等功能，已可以完成大型而复杂的控制任务。在全球 plc 制造商中，西门子公 司、ab 公司、施耐德公司、三菱公司、欧姆龙公司的销售额约占全球总销售额 的三分之二。国内 plc 形成产品化的生产企业市场占有率不超过 10%,但在价格 上占有明显的优势。

16、 所以，本设计方案定为变频调速、plc 控制。采用 2 台 ybss25012 电 动机，abb 公司变频器，三菱 plc。改造后，系统运行将更加安全、节能、可靠。 设计的基本步骤为： 1、根据国家有关规定和驱动系统的功率计算，查手册、选择电动机。 2、根据皮带运输的实际要求，结合变频控制方法分析，完成变频器的选型。 3、按照控制要求，确定外部联锁信号、相关保护等，分析需用点数、容量、 通信预留等，选用 plc 的型号、规格和技术参数。 4、采用梯形图法完成软件设计。 5、配置系统所需的装置和元件。 6、用计算机绘制相关图纸。 7、上机验证控制方案的可行性。 第二节第二节 设计原则和标准设计原

17、则和标准 1、遵循“五高”方针，即高起点、高技术、高质量、高效率、高效益，突 出效益优先。 2、技术先进，可靠性高，扩展与升级容易，具有故障自诊断功能，作到能 用、够用，好用。 5 3、充分利用现有资源，在技术先进的基础上，做到经济实用。 4、系统符合煤矿安全规程 （2004 版）相关系统设计，安装的规定，实 现控制系统所有设备防爆。 5、系统的电磁兼容性符合国家标准。 6、网络通讯功能强大，易于与其它系统集成。 7、紧密结合现场实际情况，减速机、驱动轮、牵引钢丝绳、胶带、机身保 持不变。 第二章第二章 驱动系统的功率计算驱动系统的功率计算 第一节第一节 主要计算参数主要计算参数 驱动系统所需

18、的主要计算参数归纳如下： 1、运输长度：l=780m 2、倾角：=930 3、提升高度:h=115.96 m 4、输送能力：q=600t/h 5、牵引钢丝绳:6w(26)-40.5-zz 6、减速机型号:glj-170 传动比:i=35.5 7、驱动轮直径:d=3500 摩擦衬垫:铝基合金 8、导向轮直径:d=2800 9、带速：v=2.0m/s v=1.8 m/s v=0.5 m/s 物人验绳 10、胶带宽度:b=1.0 m 11、单位长度物料重量：q=q/3.6v=600/3.62=83.3/ m 12、单位长度胶带重量：q =25.6/ m a 13、单位长度钢丝绳重量：q=6.09/

19、m k 14、钢丝绳运行阻力系数：=0.02（0.010.03） 6 15、钢丝绳允许挠度系数：c =0.025（0.010.03） 0 16、牵引钢丝绳载荷分布不均匀系数：c =1.05 3 17、上托轮转动部分重量：q=9.6/ m 18、下托轮转动部分重量：q=4.8/ m 19、钢丝绳经一个导向轮的阻力系数：k =1.02 0 20、牵引钢丝绳数：n=2k 21、下托轮间距：l=6 m 第二节第二节 阻力计算阻力计算 阻力计算包括有载段的阻力计算和空载段的阻力计算，其具体计算过程如 下： 1、有载段阻力 w=l(q+ q +2 q)(+)+ q ak cossin =780(83.3+

20、25.6+26.09)(0.029.5+9.5)+9.60.02cossin =17600 2、空载段阻力 w=l( q +2 q)()+ q ak cossin =780(25.6+26.09)(0.029.59.5)+4.80.02cossin =4207.5 第三节第三节 张力分布示意图张力分布示意图 张力分布图如图一所示： 7 3 s3 s4 2 s2 s1 4 1 图一 张力分布示意图 第四节第四节 逐点张力计算逐点张力计算 从胶带两端至钢丝绳两端二段距离内，由钢丝绳重量所产生的阻力可忽略 不计，驱动段最小张力为 s，s1、s2、s3、s4 视为钢丝绳各点张力，f 为驱min 动轮的

21、牵引力，其计算过程如下： 1、驱动段最小张力 s=s2=1.225n（c q / n+ q）l10/cmink3 a k k0 =1.2252(1.0525.6/2+6.09)610/0.025 =114836.4n=11483.64 2、其它各点张力 s1=s2w =11483（4207） =15690 s3= k s2 0 =1.0211483=11712.66 s4=s3+ w =11712.66+17600=29312.66 3、驱动轮牵引力 f=s4s1 8 =29312.6615690=13622.66 第五节第五节 电动机功率计算电动机功率计算 若设电动机的功率用 p表示，则电动

22、机的功率为： p=m fv/1021 =1.2513622.662/（1020.85） =392.81kw 式中：f驱动轮的牵引力； v皮带运煤时的速度； m 电动机功率备用系数范围（1.151.25） ，取 m 为 1.25；11 机械传动效率范围（0.850.95） ，取 为 0.85。 第三章第三章 设备选型设备选型 第一节第一节 电动机选型电动机选型 电动机的选择，要根据起动和运行过程中所需的最大功率以及煤炭安全 规程来确定电动机的型号和生产厂家。 一、电动机起动功率验算 （一）重载起动时增加的功率 p=1/0.00028qlv/t+0.002 q lv/t+0.004qlv/t+0.

23、002（q+q） ak lv/t+0.001(g v)/t+g v/1000/t+n(gd)/366000/td1 =1/0.850.000286007802/20+0.002 25.67802/20+0.0046.09 9 7802/20+0.002（9.6+4.8）7802/20+0.001(46202) /20+ 24515.62/1000/20+495864/366000/20 =75.45kw 式中：t钢缆皮带机起动时间； g 除驱动轮和中间托绳轮以外的各种轮子转动部分重量的总和，d 查机械制造零部件图，g =4620；d gd电动机转动惯量； g 驱动轮与减速机转动部分的变位重量。

24、1 （二）过负荷验算 （p+p）/p（0.750.85） （ 过载系数）n （392.81+75.45）/2250（0.750.85）2.5 0.93651.8752.125 根据以上验算结果得知选用的电动机功率能满足要求。 二、电动机选型 1、由于设备用于煤矿井下，所以必须选用防爆型电动机； 2、井下低压供电皮带电压等级一般为:ac660v； 3、由胶带运行速度范围 0.52 米/秒反算电动机转速，则电动机 n=96387 转/分，另外考虑用户要求电动机选型应为今后皮带速度提到 2.5 米/秒留有余 量，电动机的极数选 12 极； 4、变频调速低速运行时电动机容易发热，因此选用水冷电动机；

25、电动机选型结果如表一所示 表一 电动机选型 台数型号功率 频率 （hz） 电压 （v） 电流 （a） 转速 （转/分）生产厂家 2 ybss25 012 250kw50hz660v298.3a495 南阳防爆 电机集团 10 第二节第二节 变频器选型变频器选型 一、变频器 通用变频器的基本结构和类型 变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电 能控制装置。它就是一种改变电源频率和电压的设备，从结构上看，变频器分 为 3 部分： 1、操作面板：包括显示屏和键盘； 2、主电路接线端：包括工频电网的输入端和接电动机的输出端； 3、控制端子：包括外部信号控制变频调速器的端子、变频

26、调速器工作状态 指示端子、变频与微机或其他设备的通信接口。 从结构上看，变频器分为交交变频器和交直交变频两类。 （1）交交变频器 交交变频器可直接把交流电变成频率和电压都可变的交流电。其主要优 点是没有中间环节，故变换效率高。但其连续可调的频率范围窄，一般为额定 频率的 1/2 以下，主要用于容量较大的低速拖动系统中。 （2）交直交变频器 交直交变频器则是先把交流电经整流器整流成直流电，在经过逆变器 把这个直流电流变成频率和电压都可变的交流电。 无论是交交变频器还是交直交变频器，从变频电源的性质上看，又 可分为电压源型变频器和电流源型变频器。电压型是将电压源的直流变换为交 流的变频器，直流回路

27、的滤波是电容；电流型是将电流源的直流变换为交流的 变频器，其直流滤波是电感。 、电压源型变频器 在交直交变压变频装置中，当中间直流环节采用大电容滤波时，直流 电压波形比较平直，在理想情况下是一个内阻抗为零的恒压源，输出交流电压 11 是矩形波或阶梯波，这类变频装置叫做电压源型变频器。一般的交交变压变 频装置虽然没有滤波电容，但供电电源的低阻抗使它具有电压源的性质，也属 于电压源型变频器。 、电流源型变频器 当交直交变压变频装置的中间直流环节采用大电感滤波时，直流电流 波形比较平直，因而电源内阻抗很大，对负载来说基本上是一个电流源，输出 交流电流是矩形波或阶梯波，这类变频装置叫做电流源型变频器。

28、有的交交 变压变频装置用电抗器将输出电流强制变成矩形波或阶梯波具有电流源的性质， 它也是电流源型变频。 二、变频调速的特点 （一）变频调速可以实现软起动，降低机械冲击、降低起动电流对电网的 影响、乘人时抑制加速度给人带来的不良反应。 软启动方式是在电源和电机之间串入软启动器的一种电机启动方式，也可 归入降压启动的范畴，但它不同于一般的降压启动，它采用的是逐步升压的方 式，电流也是逐步增大的，其停止时电流和电压也是逐步减小的。 软启动装置以微电脑作为其控制单元，利用软件，通过建立输入电动机、 电网和负载数学模型，根据选定控制策略作出离线模拟，采用三对反并联晶闸 管串接于电动机的三相供电线上。利用

29、晶闸管的电子开关特性，通过控制其触 发导通角的大小来改变晶闸管的开通程度，以此来改变电动机启动时输入电压 和输入电流的大小，达到控制电机的启动特性。软启动控制器接收到启动指令 后，便进行有关计算，确定晶闸管的触发信号，通过控制晶闸管使软启动装置 按所设定的方式输出相应的电压，以控制电机的启动过程。 电机完成启动过程后，软启动控制器便控制交流接触器吸合，短路所有晶 闸管，使电机直接投网运行，避免不必要的能源损耗。 实际应用中，软启动具有下列优点 1、无冲击电流。软启动器在启动电机时，电机启动电流从零线性上升至设 定值。它对电机无冲击，提高了供电可靠性，平稳启动，减少对负载的冲击转 矩，能延长机器

30、使用寿命，而且启动电流小，通过调节启动转矩实现低速启动， 12 可频繁启动。 2、软停车功能。停止时平滑减速，逐渐停机，从而克服了瞬间断点停机的 弊病，减轻对负载设备的机械冲击，减少设备损坏。 3、启动参数可调。根据负载情况及电网继电保护特性，可自由地无级调整 至最佳启动电流。 软启动的主要目的是降低异步电机的启动电流，提高系统运行平稳性，延 长电机及相关设备的使用寿命。因其电机启动时的电压和电流均可在一定范围 内由用户进行调整，且可提供多种智能的启动曲线，有完善的电机保护功能， 有显著的节能效果，因此，其用途相当广泛，目前在世界上正处于大力发展阶 段。 （二）能够实现运人、运煤及验绳检修多种

31、速度。 （三）四矿钢缆皮带属于集中运输巷，担负着丁九、戊九采区及联络巷分 运皮带的煤炭运输任务，有长期运行要求，变频调速能够降低冲击、节约电能， 设备初期投资大点，但从长远来看还是经济的。 三、调速方案的确定 （一）驱动系统类型 为了与现场机械部分对接，采用一台变频器带一台电动机的单独拖动，整 流与逆变一一对应组成变频器的常规方式。 （二）制动方式 钢缆皮带为上行皮带，上皮带运煤或下皮带运人时惯性很小，停车时采用 回馈制动节能效果不明显，所以采用结构简单成本低廉的能耗制动。 （三）运行控制模式 1、三种运行控制模式 （1）u/f 控制方式思路简单，附加要求少，控制容易实现，适合于多数二 次方转

32、矩负载以及对动态性能要求不高的反抗性转矩负载应用。 （2）矢量控制原理实际是对直流电机的模仿，通过矢量变换分离和合成励 磁及转矩矢量，实现了磁链子系统和转速子系统的近似解耦，具备了控制转矩 的手段。 13 （3）建立定子磁链和电磁转矩的数学观测模型，利用可测量的物理量，以 软测量技术获得定子磁链和电磁转矩的反馈值，采用滞环式闭环控制方式，利 用电压空间矢量的开关状态切换来实现对磁通和电磁转矩的分别控制，这就是 基于磁链跟踪脉宽调制的直接转矩控制的基本原理。 矢量控制的稳态特性优于直接转矩控制，直接转矩控制的动态特性优于矢 量控制，但两者的差别并不大，都是高性能的控制模式，其动态、稳态性能都 能

33、满足绝大多数的应用需求。 根据市场各公司资料和价格，拟选用 abb 公司提供的直接转矩控制方式产 品。按照电动机额定电流 ievfk1ied=1.1298.3=328.13a 选 355kw 变频器。 zjt3355/1140(660) 水冷式矿用本质安全型交流变频调速控制装置的技 术参数如表二所示： 表二 zjt3355/1140(660)的技术参数 名称参数名称参数 额定交流电压 1140v(660) 控制型式 转矩控制型 矢量控制型 额定最大输出电流 355a 额定工作制不间断工作制 输入电源频率 50hz 过载能力 150%额定电流 60s 180%额定电流 10s 输出频率范围050

34、hz在数字控制模式条件下的分辨率 0.1hz 注：每次过载的间隔时间应大于 20min。 四、变频系统组成 主要由输入输出电抗器，变频器逆变部分（igbt）,控制部分，显示部分和 电源部分组成。 1、输入输出电抗器用来有效的抑制变频器产生的谐波分量。 2、变频器逆变部分通常是指将交流供电电源整流后通过 igbt 逆变模块调 制成频率可调的一种电源输出，简称交直交变频器。 14 3、控制部分指变频器的主控制模块，主要功能是接受或输出各种指令（起 停，急停，手动选择，自动选择，故障复位，变频器就绪，变频器运行，变频 器故障） ，速度编码器的信号采集等。 4、显示部分指变频器自身的参数或各种状态在码

35、盘上显示，同时码盘可作 为本地控制盘使用。 5、电源部分指提供变频器内部使用的不同等级的电源。有 ac 220v；dc 24v 等。 五、变频系统的功能 1、系统可任意调整加、减速度。钢缆皮带输送机要求起动和停止平稳，为 减少机械冲击，加、减速度要小于 0.2m/s，同时为防止起动时瞬时打滑，要 求等加速起动。变频器的加减时间可在 19999 秒内任意调整。 2、所选变频器具有保护和自诊断功能，完善的保护功能以保障电气设备的 正常运行，此变频器具有过压、欠压、过流、过热、短路、接地、三相不平衡、 缺相等保护。能够保存最近 10 次的故障代码，还能保存相应的故障参数。 第三节第三节 igbtig

36、bt 结构及工作原理结构及工作原理 igbt 是变频器逆变部分，又叫做交直交变频器，它的功能是：交流供 电电源经整流后再通过 igbt 可调制成频率可调的一种交流电源输出。 一、igbt 的结构 igbt(insulated gate bipolar transistor)是绝缘栅双极型功率管，它是 由 bjt(双极型三极管)和 mos(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式 电力电子器件, 兼有 mosfet 的高输入阻抗和 gtr 的低导通压降两方面的优点。 gtr 饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;mosfet 驱动功率很小，开关速 度快，但导通压降大，载流密度小。igbt

37、综合了以上两种器件的优点，驱动功 率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为 600v 及以上的变流系统，如交 流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。 15 igbt 在结构上类似于 mosfet ，其不同点在于 igbt 是在 n 沟道功率 mosfet 的 n+ 基板（漏极）上增加了一个 p+ 基板（ igbt 的集电极） ，形成 pn 结 j1 ，并由此引出漏极、栅极和源极则完全与 mosfet 相似。 igbt 相当 于一个由 mosfet 驱动的厚基区 gtr ，rdr 是厚基区 gtr 的扩展电阻。 igbt 是以 gtr 为主导件、 mosfet 为驱动件的复合结构

38、。 由于 igbt 是在 n 沟道 mosfet 的 n+ 基板上加一层 p+ 基板，形成了四 层结构，由 pnp npn 晶体管构成 igbt 。但是， npn 晶体管和发射极由于 铝电极短路，设计时尽可能使 npn 不起作用。所 以说， igbt 的基本工作与 npn 晶体管无关，可以认为是将 n 沟道 mosfet 作为输入极， pnp 晶体管作 为输出极的单向达林顿管。 采取这样的结构可在 n-层作电导率调制，提高电流密度。这是因 为从 p+ 基板经过 n+ 层向高电阻的 n- 层注入少量载流子的结果。 igbt 的设计是通 过 pnp npn 晶体管的连接形成晶闸管。 二、igbt

39、的工作原理 igbt 是强电流、高电压应用和快速终端设备用垂直功率 mosfet 的自然进 化。由于实现一个较高的击穿电压 bvdss 需要一个源漏通道，而这个通道却具 有很高的电阻率，因而造成功率 mosfet 具有 rds(on)数值高的特征，而 igbt 消除了现有功率 mosfet 的这些主要缺点。虽然最新一代功率 mosfet 器件大幅 度改进了 rds(on)特性，但是在高电平时，功率导通损耗仍然要比 igbt 技术高 出很多。较低的压降，转换成一个低 vce(sat)的能力，以及 igbt 的结构，同 一个标准双极器件相比，可支持更高电流密度。gbt 硅片的结构与功率 mosfe

40、t 的结构十分相似，主要差异是 igbt 增加了 p+ 基片和一个 n+ 缓冲层（npt-非 穿通-igbt 技术没有增加这个部分） 。其中一个 mosfet 驱动两个双极器件。基 片的应用在管体的 p+和 n+ 区之间创建了一个 j1 结。当正栅偏压使栅极下面反 演 p 基区时，一个 n 沟道形成，同时出现一个电子流，并完全按照功率 mosfet 的方式产生一股电流。如果这个电子流产生的电压在 0.7v 范围内，那么，j1 将处于正向偏压，一些空穴注入 n-区内，并调整阴阳极之间的电阻率，这种方 式降低了功率导通的总损耗，并启动了第二个电荷流。最后的结果是，在半导 16 体层次内临时出现两种

41、不同的电流拓扑：一个电子流(mosfet 电流)； 一个是 空穴电流（双极） 。 （一）关断 当在栅极施加一个负偏压或栅压低于门限值时，沟道被禁止，没有空穴注 入 n-区内。在任何情况下，如果 mosfet 电流在开关阶段迅速下降，集电极电 流则逐渐降低，这是因为换向开始后，在 n 层内还存在少数的载流子（少子） 。 这种残余电流值（尾流）的降低，完全取决于关断时电荷的密度，而密度又与 几种因素有关，如掺杂质的数量和拓扑，层次厚度和温度。少子的衰减使集电 极电流具有特征尾流波形，集电极电流引起以下问题：功耗升高；交叉导通问 题，特别是在使用续流二极管的设备上，问题更加明显。鉴于尾流与少子的重

42、组有关，尾流的电流值应与芯片的温度、ic 和 vce 密切相关的空穴移动性有密 切的关系。因此，根据所达到的温度，降低这种作用在终端设备设计上的电流 的不理想效应是可行的，尾流特性与 vce、 ic 和 tc 之间的关系。 （二）反向阻断 当集电极被施加一个反向电压时， j1 就会受到反向偏压控制，耗尽层则 会向 n-区扩展。因过多地降低这个层面的厚度，将无法取得一个有效的阻断能 力，所以，这个机制十分重要。另一方面，如果过大地增加这个区域尺寸，就 会连续地提高压降。第二点清楚地说明了 npt 器件的压降比等效（ic 和速度相 同） pt 器件的压降高的原因。 （三）正向阻断 当栅极和发射极短

43、接并在集电极端子施加一个正电压时，p/n j3 结受反向 电压控制。此时，仍然是由 n 漂移区中的耗尽层承受外部施加的电压。 （四）正向导通特性 在通态中，igbt 可以按照“第一近似”和功率 mosfet 驱动的 pnp 晶体管 建模。理解器件在工作时的物理特性所需的结构元件（寄生元件不考虑在内） 。 ic 是 vce 的一个函数（静态特性） ，假如阴极和阳极之间的压降不超过 0.7v， 即使栅信号让 mosfet 沟道形成，集电极电流 ic 也无法流通。当沟道上的电压 大于 vge -vth 时，电流处于饱和状态，输出电阻无限大。由于 igbt 结构中含 有一个双极 mosfet 和一个功

44、率 mosfet，因此，它的温度特性取决于在属性上 17 具有对比性的两个器件的净效率。功率 mosfet 的温度系数是正的，而双极的温 度系数则是负的。描述了 vce(sat) 作为一个集电极电流的函数在不同结温时 的变化情况。当必须并联两个以上的设备时，这个问题变得十分重要，而且只 能按照对应某一电流率的 vce(sat)选择一个并联设备来解决问题。有时候，用 一个 npt 进行简易并联的效果是很好的，但是与一个电平和速度相同的 pt 器件 相比，使用 npt 会造成压降增加。 （五）动态特性 动态特性是指 igbt 在开关期间的特性。鉴于 igbt 的等效电路，要控制这 个器件，必须驱动

45、 mosfet 元件。这就是说，igbt 的驱动系统实际上应与 mosfet 的相同，而且复杂程度低于双极驱动系统。如前文所述，当通过栅极提 供栅正偏压时，在 mosfet 部分形成一个 n 沟道。如果这一电子流产生的电压处 于 0.7v 范围内， p+ / n- 则处于正向偏压控制，少数载流子注入 n 区，形成 一个空穴双极流。导通时间是驱动电路的输出阴抗和施加的栅极电压的一个函 数。通过改变栅电阻 rg 的值来控制器件的速度是可行的，通过这种方式，输出 寄生电容 cge 和 cgc 可实现不同的电荷速率。换句话说，通过改变 rg 值，可 以改变与 rg (cge+cgc) 值相等的寄生净值

46、的时间常量，然后，改变 dv/dti。 数据表中常用的驱动电压是 15v。di/dt 是 rg 的一个函数，栅电阻对 igbt 的导 通速率的影响是很明显的。因为 rg 数值变化也会影响 dv/dt 斜率，因此，rg 值对功耗的影响很大 。在关断时，再次出现了我们曾在具有功率 mosfet 和 bjt 器件双重特性的等效模型中讨论过的特性。当发送到栅极的信号降低到密 勒效应初始值时，vce 开始升高。如前文所述，根据驱动器的情况，vce 达到最 大电平而且受到 cge 和 cgc 的密勒效应影响后，电流不会立即归零，相反会出 现一个典型的尾状，其长度取决于少数载流子的寿命。在 igbt 处于正

47、偏压期间， 这些电荷被注入到 n 区，这是 igbt 与 mosfet 开关对比最不利特性之主要原因。 降低这种有害现象有多种方式。例如，可以降低导通期间从 p+基片注入的空穴 数量的百分比，同时，通过提高掺杂质水平和缓冲层厚度，来提高重组速度。 由于 vce(sat) 增高和潜在的闩锁问题，这种排除空穴的做法会降低电流的处 理能力。 （六）最大工作频率 18 开关频率是用户选择适合的 igbt 时需考虑的一个重要的参数，所有的硅片 制造商都为不同的开关频率专门制造了不同的产品。 特别是在电流流通并主要与 vce(sat)相关时，把导通损耗定义成功率损耗 是可行的。这三者之间的表达式：pcon

48、d = vce ic ，其中， 是负载系数。开 关损耗与 igbt 的换向有关系；但是，主要与工作时的总能量消耗 ets 相关，并 与终端设备的频率的关系更加紧密。 psw = ets 总损耗是两部分损耗之和： ptot = pcond + psw 在这一点上，总功耗显然与 ets 和 vce(sat)两个主要参数有内在的联系。 这些变量之间适度的平衡关系，与 igbt 技术密切相关，并为客户最大限度 降低终端设备的综合散热提供了选择的机会。因此，为最大限度地降低功耗， 根据终端设备的频率，以及与特殊应用有内在联系的电平特性，用户应选择不 同的器件。 第四节第四节 cc-linkcc-link

49、 在传统的自动化工厂中，位于生产现场的许多设备和装置，如传感器、调 节器、变频器、变送器、执行器等都是通过信号电缆与计算机、plc 相连的。 当这些装置和设备相距较远，分布较广时，就会使电缆线的用量和铺设费用随 之大大地增加，造成整个项目的投资成本增高，系统连线复杂，可靠性下降， 维护工作量增大，系统进一步扩展困难等问题。因此人们迫切需要一种可靠、 快速、能经受工业现场环境、低廉的通信总线，将分散于现场的各种设备连接 起来，实施对设备的监控。现场总线（cc-link）就是在这样的背景下产生的。 本设计需控制的设备较多，现场较大，因此引入 cc-link。 cc-link 是一个技术先进、性能卓

50、越、使用简单、成本较低、应用广泛的 开放式现场总线。这种可以同时高速处理和控制信息数据的现场网络系统的应 19 用，可以提供高效、一体化和过程自动化控制的程度。 cc-link 用专用电缆连接像 i/o 模块、智能化模块和特殊功能模块这样的 分布式模块，这些模块连接后组成的网络可以由 plc 控制。 1、通过将各个模块分布安装到像传送线和机器设备这样的机器上，可以提 高整个系统的接线效率。 2、可以非常容易地高速发送和接收由模块处理的输入/输出数字数据和开/ 关数据。 3、可以通过连接多个 plc 配置一个简单的分布式系统。 4、通过连接由三菱制造商制造的各种设备，系统可以提供灵活的解决方案，

51、 满足用户的各种不同需求。 一、cc-link 特性 1、减少配线，提高效率 cc-link 显著减少了当今复杂的生产线上的控制线和电源线。 2、广泛的多厂商设备使用环境 广泛的多厂商设备使用环境，可以从广泛的 cc-link 产品群中选择适合自 动化控制的最佳设备。 （1）cc-link 会员生产厂商：已经超过 506 家； （2）cc-link 兼容产品：已经超过 490 多种，如电磁阀，传感器，转换器， 温度控制器，传输设备，条形码阅读器，id 系统，网关，机器人，伺服驱动器， plc。 3、高速的输入输出响应 cc-link 能够实现最高为 10mbps 的高速通讯速度，输入/输出响应

52、可靠， 响应时间快，性能可靠并具有确定性。 4、距离延长自由自在 cc-link 的最大总延长距离可达 1.2km(156kbps)。另外，通过使用中继器 （t 型分支）或光纤中继器，可进一步延长传输距离，适用于网络扩张时需远 距离设置的设备。 20 5、丰富的 ras*功能 ras*：reliability, availability, serviceability（可靠性，有效性， 可维护性） 二、cc-link 使用结构 cc-link 的组网结构如图二所示 图二 cc-link 的组网结构 三、cc-link 的特点 （一）远程 i/o 站通信 开关或指示灯的 on/off 状态使用远

53、程输入 rx 和远程输出 ry 进行通信 （二）远程设备站通信 21 和远程设备站进行交换的信号（初始请求、发生出错标志等等）使用远程 输入 rx 和远程输出 ry 进行通信。到远程设备站的设定数据用远程寄存器 rww 和 rwr 进行通信 （三）本地站通信 主站和本地站之间的通信使用两种类型的传送方法：循环传送和瞬时传送 1、循环传送：plc cpu 之间的数据通信可以使用位数据（远程输入 rx 和 远程输出 ry）和字数据（远程寄存器 rww 和 rwr）以 n：n 的模式进行。 2、瞬时传送对本地站缓冲存储器和 cpu 软元件的读（rird）或写 （riwt）可以以任何时序进行。 （四）

54、智能设备站通信 1、循环传送，和智能设备站进行交换的信号（定位开始，定位结束等等） 用远程输入 rx 和远程输出 ry 进行通信。数字数据（定位开始数，当前进给值 等等）用远程寄存器 rww 和 rwr 进行通信。 2、瞬时传送，在这种传送方法下，指定了对方并且在任意时刻下都执行 1:1 通信。对智能设备站缓冲存储器的（rird）或写（riwt）可以以任何时序进行。 如图三所示： 图三 瞬时传送示意图 5、宕机预防（从站切断功能） 因为系统采用总线连接方法，即使一个模块系统因停电而失效，也不会影 响和其它正常模块的通信，而且，对于使用两个端子排的模块，可以在数据链 接的时候更换该模块， （切断

55、模块电压然后更换模块） 。但是，如果断开了电缆 连接，就禁止了所有站的数据链接。 6、自动复位功能 如果因断电而从链接断开的站复位到正常状态，该站会自动加入数据链接。 22 7、主站 plc 的 cpu 出错时数据链接状态设置 如果主站 plc 的 cpu 产生象“sp. unit error”这样的错误导致操作停止， 数据链接状态可以设定为“停止”或者“继续” 。如果是“battery error”这 样可以继续进行操作的错误，则不管设置如何，数据链接都将继续。 8、设定来自数据链接出错站的输入数据状态 可以清除从数据链接状态出错站输入（接收到的）的数据或者将它保持在 出错之前瞬间的状态。

56、9、待机主站功能 如果因主站 plc 的 cpu 或者电源发生故障，这个功能可以通过切换到备用 主站（主站的备用站）的办法继续进行数据链接。即使在备用主站控制进行数 据链接时，主站也可以复位到在线，准备在备用主站宕机的时候启用。 10、远程设备站初始化流程注册功能：本功能用 gppw 为远程设备站执行 初始设置，不用创建顺控程序。 11、中断程序的事件发布 在 gppw 设定条件下让 plc 执行中断程序时本功能发布一个事件。 12、自动 cc-link 启动 通过安装 qj61bt11，不用创建顺控程序，只要打开电源，就启动 cc-link 并刷新所有数据。但是，如果连接模块的数目小于 64

57、 的话，就有必要设定网 络参数以优化链接扫描时间。 13、根据系统选择模式 cc-link 有两种模式：远程网络模式和远程 i/o 网络模式。 14、保留站功能 如果把没有实际连接的站（准备在将来连接的站）指定为保留站的话，就 不会把它们做为故障站处理。 15、出错无效站设置功能 通过设置网络参数，主站和本地站就不会把系统配置中断电的模块当做 “数据链接出错的站”处理。但是，一定要小心，因为不再检测出错。 16、扫描同步功能 本功能使链接扫描和顺控扫描同步。 23 17、暂时出错无效站设置功能 通过这个功能，在线时主站和本地站就不会把由 gppw 指定的模块当做 “数据链接出错的站”处理。可以

58、更换模块而不会在线上检测到错误。 18、数据链接停止/重新启动 在使用数据链接时，可以停止和重新启动它。 19、站号重合检测功能 本功能检测连接站的状态，来查看系统中已占用的站号是否重合或者是否 有多于一个站的站号已设定为 0。 四、cc-link 网络配置 cc-link 网络总共 64 个远程 i/o 站、远程设备站、本地站、备用主站或 智能设备站，可以将这些站连接到一个单独的主站。但是必须满足下列条件： 123464abcd 其中：a 占用 1 个站的模块数 b 占用 2 个站的模块数 c 占用 3 个站的模块数 d 占用 4 个站的模块数 1654882304abc 其中：a 远程 i

59、/o 站的数量 b 远程设备站的数量 c 本地站、备用主站和智能设备站的数量 注意事项 接通和关闭电源的时候,接通远程 i/o 模块电源以后再开始数据链接。停 止数据链接以后再切断远程 i/o 模块电源。 远程 i/o 模块瞬间掉电时向远程 i/o 模块供电的电源（24v 直流）发生瞬 间掉电时，可能会引起误输入。 1、因瞬间掉电而导致出错输入的原因 远程 i/o 模块硬件使用的电源是在内部将模块电源（24v 直流）转换成 5v 24 直流的电源。 远程 i/o 模块中发生瞬间掉电时，出现下列情况：（远程 i/o 模块中的 5v 直流电源关闭的时间）（输入模块由开关的响应时间）的时间里执行刷

60、新就会发生误输入。 2、误输入的对策 对于电源模块，ac 输入的稳压电源和外部输入电源要从同一个电源接电源 电缆。 第五节第五节 液压系统液压系统 一、机房盘型闸液压系统 车房盘型闸制动液压系统采用洛阳市重冶矿山机械有限公司生产的 py-140 型液压系统，主要技术参数如表三所示下： 表三 盘型闸液压系统参数 名称参数名称参数 制动油最大压力 14mpa 制动油牌号22#透平油或 n32、n46 抗磨液压油 最大输油量 13l/min 储能器溶剂 10l 油箱储油量 900l 储能器充氮压力 10-12ma 工作温度 65 二、机尾钢丝绳液压张紧系统 机尾钢丝绳液压张紧系统采用中国矿业大学机电