矿用电机车控制系统的设计说明

1、大学课程设计说明书课程名称：电气与 PLC控制技术题目：矿用电机车控制系统的设计学院：能源工程学院专业：电子信息科学与技术学号：1姓名：唐彩琴指导教师：云新完成日期：2011年6月30日目录11212.112.242.34343.1PLC43.1.143.1.2I/O53.1.3PLC53.263.2.163.2.263.2.373.394114.1I/O114.2134.2.1134.2.2134.2.3134.2.4144.2.5164.2.618531矿用电机车控制系统设计1 引言随着社会迅速的发展，各机械产品层出不穷。控制系统的发展已经很成熟，应用围涉及各个领域， 例如；机械、汽车制造

2、、化工、交通、军事、民用等。 PLC 专为工业环境应用而设计，其显著的特点之一是可靠性高，抗干扰性强。的应用不但大大的提高了电气控制系统的可靠性和抗干扰性， 而且大大的简化和减少了维修维护的工作量。本设计综合考虑了制造业的现状， 结合了电机车的工作原理， 给出一种简单实用的电机车控制系统的 PLC 设计方案。系统中设计了故障检测的装置，让技术人员的工作更为简单、方便、快捷。实验也证明该系统应用简单、经济，在工作中能更快、更准确的运行。因此，大大的提高了生产率，降低了工人的劳动强度，降低了企业的生产成本，提高了企业的经济效益，是我们热切看到的。可编程序控制器是以微处理器为核心的通用工业自动化装置

3、。 它将传统的继电器控制技术与计算机技术和通信技术融为一体，具有结构简单、性能优越、可靠性强、灵活通用、易于编程、使用方便等优点。针对矿山工作的特定环境，本系统设计的电机广泛应用于矿山。2 方案设计与论证21 控制方案及选择方案一：采用可编程控制器（PLC）控制。该方案的优点是系统简明扼要，编程元件丰富和编程语言灵活，系统扩展容易，部件少，可靠性高，抗干扰能力强，功能完善，适用性强，系统的设计工作量小，维护方便，容易改造。方案二：采用单片机控制。该方案的优点是价格便宜，编程容易，体积小，适用性强，节约成本；缺点是其外围电路复杂，部件多，若焊接中存在虚焊，系统稳定性和可靠性变差。方案三：采用继电

4、器 接触器控制。优点是价格低廉、 对维护技术要求不高，适用于工作模式固定、控制要求简单的场合。缺点是系统的布线连接不宜更新、功能不宜扩展，可靠性不高。对复杂的控制系统，查找和排除故障困难；产品更新、生产工艺变化时， 继电器控制系统的元件和接线也须作相应的变动，这种变动工作量很大，工期长，费用高。综上所述，我选择第一种方案。22 显示界面方案选择方案一：完全采用LED 显示。这种方案只显示有限的符号和数码字符，所需的编程和硬件要求很高。方案二：完全采用阵式LCD 显示。这种方案实现复杂，且须完成大量的软件工作；但功能强大，可方便的显示各种英文字符，汉字，图形等。方案三：采用 LED 与点阵 LC

5、D相结合的方法。因为既要求倒计时数字输出，又要求有汉字信息提示及图形输出等，为方便观看并考虑到现实情况，用 LED与LCD分别显示时间与提示信息。这种方案既满足系统功能要求，又减少了系统实现的复杂度，但是相对价格比较高。权衡利弊，决定采用方案一来实现系统的数字显示。23 输入方案的选择方案一：输入口直接输入该方案的优点是：简单明了，但占用输入点多、成本高。方案二：矩阵式键盘输入占用输入点少、成本低、且直观、整体性能强、操作方便。综合方案一和二，权蘅利弊选择方案二。3 控制系统硬件设计31 PLC 类型的选择矿用电机车控制要求1控制系统对矿用架线式电机车实现启动、停止等控制。对制动距离、撒砂管撒

6、砂、轮对轴承温度、车身平稳性、受电弓接触等情况实施检测，对运行总时间、往返次数进行计数并显示。2. 当出现制动距离达不到规定的要求、撒砂管不撒砂、轮对轴承温度过高车身歪斜左右摇晃、脱轨掉道、受电弓接触不良等故障时报警并显示。系统 I/O 点数的计算1显示控制 I/O 点计算：运行总时间显示字形输出需输出点4 个，字位输出控制需输出点3 个。往返次数显示字形输出需输出点4 个，字位输出控制需输出点3 个。2基本控制 I/O 点计算：组成 2×8 键盘需输入点8 个，输出点 2 个；系统启动、系统停止、计时清零、计数清零、加速、减速、制动、前进、后退、计数等控制和制动距离达不到规定的要求

7、、撒砂管不撒砂、脱轨掉道、受电弓接触不良4 个检测输入故障信号从键盘输入； 4 个轮对轴承温度检测输入、 4 个车身歪斜左右摇晃检测输入故障信号直接从输入口输入； 制动距离达不到规定的要求、 撒砂管不撒砂、脱轨掉道、受电弓接触不良 4 个故障灯信号输出，需要 4 个输出点； 4 个轮对轴承温度过高、 4 个车身歪斜左右摇晃故障灯信号输出需要 8 个输出点；报警音响信号输出需要 1 个输出点；电源指示信号输出需要 1 个输出点；加速、减速控制信号输出需要输出点 2 个；制动、前进、后退控制信号与接触器线圈并联需要输出点 3 个；故障解除 1 个。综上，一共需要输入点共 13 个，需要输出点 20

8、 个。型号的选择目前在国市场上有从美国、 德国、日本等国引进的多种系列PLC，国也有许多厂家组装、开发数十种PLC，故 PLC 系列标准不一，功能参差不齐，价格悬殊。在此情况下， PLC 的选择应着重考虑PLC 的性能价格比，选择可靠性高，功能相当，负载能力合适，经济实惠的 PLC。本文介绍以四段液位控制对象为例，据对多种因素的分析比较及监控系统输入、输出点数的要求， 选用日本三菱公司FX2 型 PLC 。基本控制选： FX2N-32MR显示控制选： FX2N-24EYT3.2 显示模块的设计硬件的设计思路（1）采用带译码器和片选输入点的七段显示译码器 ，来显示0 9十个数字。并根据显示数字的

9、位数及组数，选用相应个数的七段数字显示器件部件，来显示 1 位、 2 位、 3 位、 4 位等多位数或几个数字组。（2）用 PLC的 4 个输出点形成 4 条数据线。由这 4 条数据线组成显示数字的数据总线。数字量输出用二进制的 00001001 代表 09，各个显示数字值传输到相对应的显示器件。（3）PLC输出点与地址译码器配合控制各显示器件数据输入的选通或锁存。根据显示数字的位数及组数，选用相应译码器的型号和个数。（4）用 PLC的 4 个（或 3 个、 2 个等）输出点形成4 条（或 3 条、 2 条等）地址线。由这 4 条（或 3 条、2 条等）地址线组成显示数字的地址总线。数字量输出

10、用二进制的0000 1111 代表 0 15 位（或 000111 代表 07 位、 0011代表 03 位等）。总线与接口电路框图，如图2 所示。软件设计思路（1）将需要数字显示的 PLC部数据字或数据双字由整数转化为 BCD码。（2）在 BCD码表示的数据中，以个位 BCD码的 2023 位对应数据总线 2023 位的数位输出。十位、百位、千位等 BCD码通过移位使其数位与个位数位对应。 2023 位为个位 BCD码，可以直接输出； 24 27 位为十位 BCD码，可通过逻辑右移 4 位，在个位 BCD码数位输出； 28211 位为百位 BCD码，可通过逻辑右移 8 位，在个位 BCD码数

11、位输出。以此类推， 然后按时序在数据总线上分别发送个位、十位、百位、千位、万位等数字显示信号，以使个位、十位、百位、千位、万位等 BCD码都在数据总线上传输数字显示数据。（3）通过 PLC地址输出点和地址译码器， 提供各个数字显示器的片选信号，配合 4 条数据总线来发送数据， 达到由指定显示部件的显示器接收显示数据。控制各个片选输入来控制该数字显示器件输入数据的选通与锁存，使各个显示单元接收到对应的显示数据并予以锁存显示。（4）合理地控制片选及锁存显示周期，使传送、显示能适应 PLC扫描输出速率及显示器件的响应时间，使显示正常，消除无显示、显示闪烁、显示迟钝等现象。（5）实现多参数的动态显示，

12、只要将地址译码器的输出端与显示器件的片选输入端对应联接，对 PLC数据做上述处理后，按时序在数据总线上发送， 就可实现对应的数字显示。显示模块的电路图如图 3-1 所示：74ls138 :3-8 译码器。Mc14495:七段显示译码器：输出高电平有效驱动共极数码管。动态显示：对数码管循环扫描输入显示数据。FX2-32EYT： 晶体管输出型扩展模块（PLC），有 32 个输出点。Y20-Y23：输出 BCD码，经 Mc14495译成显示码，同时送给二数码管，由二进制输出。经 74LS138 译码后控制（任一时刻，只有一个管道通电）扩展模块输出：Y20Y23：计时字形输出；Y24Y27：计时字位输

13、出；Y30Y33：计数字形输出；Y34Y37：计数字位输出；Y40：前左轮对轴承温度信号灯；Y41：前右轮对轴承温度信号灯；Y42：后左轮对轴承温度信号灯；Y43：后右轮对轴承温度信号灯；Y44：前左车身歪斜左右摇晃信号灯；Y45：前右车身歪斜左右摇晃信号灯；Y46：后左车身歪斜左右摇晃信号灯；Y47：后左车身歪斜左右摇晃信号灯。图 3-1显示部分电路图33 操作面板的设计操作面板线路，如图3-2 所示。图中： Y16、Y17 与 X10-X17 组成 8 行× 2 列键盘矩阵输入，构成操作面板。图 3-2基本模块输入输出接线图1、基本模块键盘矩阵输入：1 号：制动距离检测输入；2

14、号：撒砂管检测输入；3 号：脱轨掉道检测输入；4 号：受电弓接触检测输入；5 号：前进命令输入；6 号：后退命令输入；7 号：加速命令输入；8 号：减速命令输入；9 号：制动命令输入；10 号：报警命令输入；11 号：计数命令输入；12 号：故障解除命令输入；13 号：计时清零命令输入；14 号：计数清零命令输入；15 号：系统启动命令输入；16 号：系统停止命令输入。2、基本模块直接输入：Y0：前左轮对轴承温度检测输入；Y1：前右轮对轴承温度检测输入；Y2：后左轮对轴承温度检测输入；Y3：后右轮对轴承温度检测输入；Y4：前左车身歪斜左右摇晃检测输入；Y5：前右车身歪斜左右摇晃检测输入；Y6：

15、后左车身歪斜左右摇晃检测输入；Y7：后右车身歪斜左右摇晃检测输入；3、基本模块直接输出 ：Y0：制动距离故障信号灯输出；Y1：撒砂管不撒砂故障信号灯输出；Y2：脱轨掉道故障信号灯输出；Y3：受电弓接触不良故障信号灯输出；Y4：报警电铃信号输出；Y5：电源信号灯输出；Y6：制动电磁铁线圈输出；Y7：前进接触器线圈输出；Y10：后退接触器线圈输出；Y11:加速信号灯输出；Y12:减速信号灯输出。4. 控制系统软件设计4.1 系统 I/O 分配计时、计数显示及4 个轮对轴承温度故障信号与4 个车身歪斜左右摇晃故障信号显示由扩展模块完成，见图1。检测信号输入、基本控制命令输入，基本控制输出及相关信号输

16、出由基本模块完成，见图2。由图 1、图 2 得系统 I/O 分配如下表：基本模块键盘矩阵输入：1号：制动距离检测输入；2号：撒砂管检测输入；3号：脱轨掉道检测输入；4号：受电弓接触检测输入；5号：前进命令输入；6号：后退命令输入；7号：加速命令输入；8号：减速命令输入；9号：制动命令输入。10号：报警命令输入；11号：计数命令输入；12号：故障解除命令输入；13号：计时清零命令输入；14号：计数清零命令输入；15号：系统启动命令输入；16号：系统停止命令输入。基本模块直接输入：Y0：前左轮对轴承温度检测输入；Y1：前右轮对轴承温度检测输入；Y2：后左轮对轴承温度检测输入；Y3：后右轮对轴承温度

17、检测输入；Y4：前左车身歪斜左右摇晃检测输入；Y5：前右车身歪斜左右摇晃检测输入；Y6：后左车身歪斜左右摇晃检测输入；Y7：后右车身歪斜左右摇晃检测输入；基本模块直接输出 ：Y0：制动距离故障信号灯输出；Y1：撒砂管不撒砂故障信号灯输出；Y2：脱轨掉道故障信号灯输出；Y3：受电弓接触不良故障信号灯输出；Y4：报警电铃信号输出；Y5：电源信号灯输出；Y6：制动电磁铁线圈输出；Y7：前进接触器线圈输出；Y10：后退接触器线圈输出；Y11：加速信号灯输出；Y12：减速信号灯输出。扩展模块输出：Y20Y23：计时字形输出；Y24Y27：计时字位输出；Y30Y33：计数字形输出；Y34Y37：计数字位输

18、出；Y40：前左轮对轴承温度信号灯；Y41：前右轮对轴承温度信号灯；Y42：后左轮对轴承温度信号灯；Y43：后右轮对轴承温度信号灯；Y44：前左车身歪斜左右摇晃信号灯；Y45：前右车身歪斜左右摇晃信号灯；Y46：后左车身歪斜左右摇晃信号灯；Y47：后左车身歪斜左右摇晃信号灯4.2主要程序设计按键操作说明矩阵输入指令如下：Y16 列对应 8 点输入（ 9 号-16 号）存入对应的 M50-M57即：按 9 号键 M50=1 按停止键 M57=1Y17 列对应 8 点输入（ 1 号-8 号）存入对应的 M60-M70即：按 1 号键 M60=1 按 8 号键 M67=1编程时： M50-M57、M

19、60-M67的常开、常闭代替按键的常开、常闭。主控制程序1. 接通电源后， M8000=1执行矩阵输入指令，可以进行各种按键的操作。2. 按下起动按钮，主控程序起动，其中程序设定了自锁。按下停止按钮，主控程序停止。3若执行 9 号制动命令，则按键使M50=1，制动电磁铁线圈Y6 有输出，其Y6=1，对电机车实行制动距离实施检测，即D10 转数寄存器， D11 为电机车车轮的直径，在此设定的距离为200m,即 D10、D11 两个 16 位数的积存放在D12、D13两个字软设备中。4若执行 5 号前进命令，则按键使M62=1，前进接触器线圈Y7 有输出，其 Y7=1，电机车前进，在此程序中安装了

20、一个常闭的报警电铃Y4，若电机车前进实施检测，其他的（后退、加速、减速）运行原理类同。4. 2. 3 动态显示控制程序计时及显示程序动态扫描程序梯形图：1、系统启动后， M120=1，按下清零键， D21清零， M27-M37复位。2、DECO指令将 D21 中的数进行解码。若D21中为 0，则 M30=1；若 D21中为1，则 M31=1；若 D21中为 2，则 N32=1 若 D21中为 7，则 M37=1。一个扫描周期解码一次。一次解码，M30-M37中只有一个为一，其余为0。可用 M30M37分别控制 8 个字形信号的输出。3、 BIN 指令将 D21中的数进行二进制变换。若 D21

21、中为 0，则M41M40M39M38=0000；若 D21 中为 1，则 M41M40M39M38=0001； 若 D21中为 7，则 M41M40M39M38=0111。一个扫描周期二进制变换一次。一次二进制变换， M41M40M39M38中只有一个组合状态。M41M40M39M38的 8 个组合状态分别控制8 个字位信号的输出。4、一个扫描周期输出一个字形信号和与之对应的字形信号，即显示一个字。8 个扫描周期即依次显示8 个字。 8 个扫描周期为一个循环。即形成动态循环显示。利用人体视觉延时原理，看上是同时显示。计数及显示程序动态扫描梯形图：1、系统启动后， M120=1，按下清零键， D

22、40清零， M47-M57复位。2、DECO指令将 D40 中的数进行解码，若D40中为 0，则 M50=1；若 D40中中为 1，则 M51=1；若 D40中为 2，则 M52=1 若当 D40中为 7，则 M57=1。一个扫描周期解码一次，一次解码， M50-M57中只有一个为 1，其余为 0。可用 M50-M57分别控制 8 个字形信号的输出。3、 BIN 指令将 D40中的数进行二进制变换。若 D40 中为 0，则M61M60M59M58=0000；若 D40 中为 1，则 M61M60M59M58=0001； 若 D40中为 7，则 M61M60M59M58=0111。一个扫描周期二

23、进制变换一次，一次二进制变换， M61M60M59M58中只有一个组合状态。M61M60M59M58的 8 个组合状态分别控制8 个字位信号的输出。4、一个扫描周期输出一个字形信号和与之对应的字形信号，即显示一个字。8个扫描周期即依次显示8 个字。 8 个扫描周期为一个循环。即形成动态循环显示。利用人体视觉延时原理，看上是同时显示。4. 2. 4 计数及显示程序1 按下清零按钮 M54=1，数据寄存器 D300-D400清零。来一个步进脉冲， D300中的容加 1。当 D300中的数为 10 时， D300清零，同时 D301中的数加 1。同理当 D301中的数位 10 时， D301清零，

24、D302中的数加 1，即 D301位为时的个位，D302中的数为时的十位，依次类推。2在进行字形输出时，对 D300 D305中的数进行 BCD转换，从 Y30-Y33 输出，送到 MC14495显示译码器，译码后驱动显示器显示。3 Y30 Y33进行的是字形的控制。例D303的信号送入 Y30Y33 输出，同理D304、D305、D306也由此输出口输出。4Y34 Y36进行字位控制。 例 Y34Y36 均为 0 时，输出的是个位、 Y34 Y36为 001 时，输出的是十位。5利用 Y30-Y33与 Y34-Y36 的有机配合，形成循环动态扫描，利用人体视觉延时原理，看上是同时显示计时及显

25、示程序1按下清零按钮 M55=1，数据寄存器 D210-D220 清零。来一个步进脉冲，D210中的容加 1。当 D210中的数为 10 时， D210清零，同时 D211中的数加 1。同理当 D211中的数位 10 时，D211清零，D212中的数加 1，即 D211位时的个位，D211中的数为时的十位，依次类推。2在进行字形输出时，对 D210 D215中的数进行 BCD转换，从 Y20-Y23 输出，送到 MC14495显示译码器，译码后驱动显示器显示。3 Y20 Y23进行的是字形的控制。例D213的信号送入 Y20Y23 输出，同理D214、D215、D216也由此输出口输出。4Y24 Y26进行字位控制。 例 Y24Y26 均为 0 时，输出的是个位、 Y24 Y26为 001 时，输出的是十位。5利用 Y20-Y23 与 Y24-Y26 的有机配合，形成循环动态扫描