矿山提升机PLC监控系统设计论文

........35-/NUMPAGES38摘要家洼铁矿是位于省莱芜市里的一座最高水平为-500水平的中深度矿井，它运用的电控系统肩负着提人提物料的重要职责，所以原先工业所运用的继电器保护措施，已经大大的不能改变矿山对于现在工业生产的作用。所以新一代的数字化矿山需要有更具逻辑的数字话控制系统，无论在任何时候都能保障人员的安全。所以PLC控制的现代化系统应运而生。改善了一般继电器保护的稳定性差，安全系数低，故障程度高，电能损耗大，浪费度高和效率低的特点。综合一些电控系数的安全方面的问题，做出了合理化的解决方案，切实的改变了矿山的安全。提升机的控制从本质上说是一个位置控制，要保证提升容器在预定地点准确停车，要求准确度高。采用微机控制，可通过采集各种传感信号，如各水平变换、钢丝绳制动、井筒所到位置、滚筒与液压站打开等信号进行处理，计算出容器准确的位置而施以控制和保护。一般过程控制用微机作监视，行程控制也是。当前国提升机电控绝大多数还是转子回路串电阻分段控制的交流绕线式电机继电器接触器系统，设备旧、技术落后。而且这种控制方式存在着很多的问题，问题使提升机运行的可靠性和安全性不能得到有效的保障。因此，需要研制更加安全可靠的控制系统，使提升机运行的可靠性和安全性得到提高。在提升机控制系统中应用计算机控制技术和变频调速技术，对原有提升机控制系统进行升级换代。总体设计基于PLC控制的大功率矿井提升机，由动力装置、制动装置、液压站、变频器和控制监视系统组成。关键词：提升机变频器盘形闸液压站可编程控制器AbstractMinehoististhemostimportantequipmentinthemine,andshoulderthetransportationlresponsibilityofmineral,materialandpersonnel..Thecontrolsystemofthetraditionalcoalminehoistmainlyadoptsrelaycontactorforcontrol,andthehoistusuallystartsandadjusttheextraresistanceintherotorcircuitofthemotor..Thecontrolsystemhasthedisadvantagesofpoorreliability,complexoperation,highfailurerate,wasteofpowerandlowefficiency..Therefore,ithaspracticalsignificancetostudythecontrolsystemoftheminehoist,andisalsoaresearchsubjectofdomesticandforeignexpertsandscholars..Theintheviewoftheelevatorcontrolsysteminthepresenceoftheaboveproblems,theprogrammableprogramcontrollerandafrequencyconverterusedinelevatorcontrolsystem,andhavecarriedondeeperresearchinfeasibilityThecontrolofthehoistisessentiallyapositioncontrol,toensurethattheliftingcontainerislocatedinthereservationlocation,theaccuracyishigh,andthecurrentcanreachtothe2cm.shaft,acylinderandawireropewearsignalprocessingcalculatedcontaineraccuratepositionandimposecontrolandprotection.Generalprocesscontrolwithmicrocomputerformonitoring,strokecontrolisalsoAtpresent,theACwindingmotorrelaycontactorsystem,whichisthemostoftheelectromechanicalcontrolsystem,iscontrolledbytheseriesresistanceoftherotorloop.Theequipmentisobsoleteandthetechnologyisbackward..Andtherearemanyproblemsinthiscontrol,thereliabilityandsecurityofthehoistcan'tbeguaranteedeffectively..Therefore,itisnecessarytodevelopamoresecureandreliablecontrolsystem,whichcanimprovethereliabilityandsecurityofthehoistoperation..Inthehoistcontrolsystem,theapplicationofcomputercontroltechnologyandfrequencyconversiontechnology,theupgradingoftheoriginalhoistcontrolsystem.Keywords:

cage

hoist

DiscbrakehydraulicstationProgrammablecontrol目录摘要IAbstractII目录III1引言12提升机简介22.1提升机工程概况22.2提升机制动装置概述42.2.1提升机制动系统作用42.2.2制动装置的整体结构42.2.3主体盘车闸的制动作用62.3液压站73plc系统在矿山的应用83.1PLC在矿山提升机控制系统中的概述83.2研究容83.3本系统中PLC选型与特点93.3.1西门子少-300系列的编程器件组成114PLC系统设计 134.1系统的I/O统计………………..…………....134.1.1S7-300可编程控制器概述和I/O编址 134.1.2PLC输入输出分析与I/O地址分配 154.2控制系统的硬件组成与工作原理184.2.1控制程序和保护程序的设计思路194.2.2子程序的设计194.3控制和保护程序的设计214.3.1变频器（M440）在提升机中的作用264.3.2提升机Wincc组态软件与其子系统274.3.3创建Wincc项目28结论 33致 34参考文献351引言每一个矿山的提升系统都是都是最重要的主要生产设备，提升机的主要参数已经安全系数至关重要。一个矿山是否能够安全正常的运行，提升机的电控是最基础的也是最重要的一个环节。随着世界发达国家矿山提升机控制水平的提高，我国矿山提升机控制已逐步淘汰耗能巨大、自动化水平极低的系统，而变频与PLC数字化控制技术已成熟，经过多年在矿山提升绞车上的实际应用，其性能优越、节能显著已为公众所认知。但矿井提升是矿井生产的咽喉部位，再加我们现有提升机操作人员的水平所限，为保证系统工作的可靠性，应保留原TKD操作系统，改造后，以变频系统为主，既充分发挥了变频系统的优越性，又减少了工作上的后顾之忧；原系统的监控保护功能采用双PLC（冗余设置）实现，使变频保护与其形成双重保护。在采用先进技术的同时，必须充分考虑系统工作的可靠性、完善性，充分考虑操作的简易性，尽可能简化系统，适合现场条件，这是我们设计的根本。矿井提升系统是一个高强度作业系统，因此对提升机电气传动系统也有更高的要求。传统TKD，是多数运用继电器来保护，不经济，而且电能的损耗比较大。本设计对传统的电控系统进行了改进，采用PLC进行变频控制，并且加入了上位机监控系统，包括工艺控制、行程控制、监视系统、安全回路、制动系统、调速系统和信号系统等。本系统大大提高了矿井提升系统的安全性、可靠性、完善了检测系统、提高了调速性能，节约了能源，对于铁矿安全生产有重大意义[1]。2提升机简介2.1提升机工程概况图2.1提升机工程概况家洼铁矿是鲁中矿业的主体生产单位之一，地处公司北部，占地面积6.74平方公里，地理坐标：东经117°36′39″～117°39′03″，北纬36°15′10″～36°17′38″.矿区北邻济青高速南线莱芜北出口处，南邻鲁矿大街，东邻鹿鸣路，西邻莱城大道，交通运输四通八达，十分便利[2]。多年来，家洼铁矿组织机构经历了较大变化。1974年10月，家洼工程指挥部成立矿山建设工程处，1975年5月副井和东南风井开始建设。1977年12月，家洼工程指挥部进行机构调整，撤销矿建处，两个工程队由指挥部直接领导。1982年4月，指挥部恢复“矿山井巷公司”的建制。1983年4月，经指挥部批准，“矿山井巷公司”更名为“井巷工程公司”。1994年3月，家洼铁矿挂牌成立，正式投产，井巷工程公司牌子保留。2009年3月，公司成立井巷工程公司，井巷工程公司牌子移交公司。截止2013年末，家洼铁矿拥有固定资产净值5.2亿元。1#副井提升机，于1991年正式投入运行，经过多方面的考证研究，测量出钢丝绳的承重能力和其拉力程度，再根据工程项目的要求，最后按照规划和矿山的实际程度运用的型号为JKD（Z）2.8×6多绳摩擦轮提升机，在实际工程中运用JKD（Z））2.8×6多绳摩擦轮提升机，配一套双层单罐笼，重量为13.4吨，最大载重量为14吨，每罐可乘70人，每层35人。主要由主机、主电机、提升方式与提升容器、提升钢丝绳、液压站以与冷却风机组成。其中主机型号为JKD（Z）2.8×6，冶金矿山机械厂制造，主导轮直径为2.8m，卷筒总重36.3吨，导向轮直径为2.5米，导向轮总重为6.988t，最大静力476KN，最大静力差137KN。提人运行速度为8.06m/s，提物速度为9.26m/s。提升钢丝绳共15根，其中首绳6根，尾绳3根，稳绳6根。主电机型号ZD215/48.5，功率1250kw，电压660V，额定电流2140A，额定励磁电压220/110V，励磁电流69.5/139A。转速78rpm，总重38吨。图2.1多绳摩擦式提升机要想使提升机能够安全稳定的起到矿山公司中的人员运输和材料运输的作用，由于提升机的制动大部分是采用盘车制动器，所以盘车闸是不可或缺的重要组成部分。从某种意义上来讲盘车制动器上的弹簧有不可维修的因素在里面。所以这种一次性的设备，在某些时候会增加矿山安全的医患。一个弹簧损坏之后必须马上换上新的盘车制动弹簧，以迅速解决矿山中的不稳定安全因素。所以矿山电控的安全包含两个方面：一个是固有可靠性，和使用可靠性，两者综合所反映出来的结果。固有可靠性是由液压站的制动来实现的，二使用的可靠性是根据厂家所能维修的年限来确定的。由此可知矿山电控的液压站和盘形闸是矿山的重中之重。必须进行故障的与时检修和日常的维护，经调试后能够很好的起到矿山安全的需要[3]。因此，矿山安全性能的体现,受各方面的限制，生产效率再高，安全性能却较低，制动器的实际工作可靠性依然不会高。制动提升机最高要运用盘车制动器作为故障时的制动装置，可以进行一级制动。在进行故障保护的时候和提升机失电的时候运动二级制动。制动装置提升机(提升绞车)的重要组成部分之一，直接关系着提升机设备的安全运行。它由两部分组成：制动器(通常称做闸)和传动装置。制动器是直接作用于制动轮或制动盘上产生制动力矩的机构，传动装置是控制并调节制动。2.2提升机制动装置概述无论在什么时候矿山人员运输都是，生产过程之中的最重要的。提升机的制动系统能够很好的确保这一点使人员的安全得到保障，提升装置的液压站，主要是起到对于意外故障的保障和平衡电机与油动之间稳定性的重要因素。盘形闸的保护更是如此，每一个盘车弹簧都从中起到了非常重要的作用，保证了每一次运输，每一次提升的安全基础，从广义上讲将矿山的自动化水平提升到一个很鲜明的层次，从细节上讲实现了安全运行的最重要的一个部分[4]。无论在什么时候矿山人员的安全性质都是由于制动器的安全稳定来实现的，所以切记马虎大意，在提升的控制上面不加重视，实现没有必要的麻烦，即减少工作的效率，又使电能损耗大大增加。因此，固有可靠性的体现,受使用可靠性的限制，固有可靠性再高，使用可靠性却较低，制动器的实际工作可靠性依然不会高。制动装置提升机(提升绞车)的重要组成部分之一，直接关系着提升机设备的安全运行。它由两部分组成：制动器(通常称做闸)和传动装置。制动器是直接作用于制动轮或制动盘上产生制动力矩的机构，传动装置是控制并调节制动力矩的机构。2.2.1制动系统的作用制动系统是为了提高矿山提升系统的安全稳定性来生产的，另外提升机最重要的一环就是安全保障的装置，比如防止卷筒过卷，以与到达某水平位置的力矩改变等影响安全的直接因素。(1)矿山提升机的正常停车，是使用制动闸来使提升机停止工作。(2)在提升机提人提物的时候，在减速的时候控制，所以为工作制动。(3)当在提升过程中发生意外状况时候，盘形闸能够准确，而且有效的使提升机停止下来。(4)多绳摩擦提升机，在更换滚筒和钢丝绳的时候，盘形闸能够按时的使滚筒制动并使卷筒不会过卷。2.2.2制动装置的整体结构图2.3盘车制动器制动装置中的制动器按结构分为块闸(角移式或评移式)和盘闸；传动装置按传动能源分为油压(液压)、压气(气动)与弹簧等。KJ型(2~3m)和BM型提升机使用油压角移式制动装置。KJ型(4~6m)和HKM3型提升机使用压气平移式制动装置。JKA型提升机使用液压综合式制动装置。XKT型、JK型、GKT型(2m)、JKD型、JKM型、JKMD型提升机使用液压盘式制动装置。矿用提升绞车使用手动角移式制动器作为工作制动.重锤—电磁铁丝杠螺母操纵的角移式制动器或重锤—电力液压推杆操纵的平移式制动器作为安全制动，但新系列JT型(1.2~1.6m)JKM（JKMD）型提升绞车则使用液压盘式制动装置[5]。盘式制动器一级制动闸和二级制动闸是由预压缩的蝶形弹簧组使闸瓦与卷筒上的制动盘贴紧而产生制动力。当油缸冲入压力油后，再次压缩蝶形弹簧，使闸瓦脱开制动盘，从而制动力消失。盘式制动器的性能与用途盘式制动器是靠碟形弹簧产生制动力，用油压解除制动，制动力沿轴向作用的制动器。提升机制动时，蝶形弹簧的预压力迫使活塞向制动盘移动，通过联接螺钉，将滑套连同其上的制动块推出，使制动块与卷筒的制动盘接触，并产生正压力，形成摩擦力而产生制动。提升机松闸运行时，油缸腔中充入压力油，活塞再次压缩蝶形弹簧，并通过联接螺钉带动滑套向后移动离开制动盘，从而使制动块离开制动盘，解除制动力。滑套是由钢套和拉杆组成的装配件，其拉杆承受制动时的切向力。制动块嵌合在滑套的燕尾槽中，并用压板、螺钉将其固定。键防止滑套转动。转动放气螺钉，可排出油缸中的存留气体，以保证盘形闸能灵活地工作。盘形闸在密封件允许泄漏围，可能有微量的泄，虽泄油可起润滑滑套与支架的作用，但时间较长时，泄油可能存留过多，因此应定期从螺塞处排放泄油液。在电动机运行的时候可以使油压增加，一次来起到增加运行速度的目的，更添加一样盘式制动器和液压站、管路系统配套组成一套完整的制动系统。适用于码头缆车、矿井提升机与其它提升设备，作工作制动安全制动之用。其制动动力大小、使用维护、制动力调整对整个提升系统安全运行都具有重大的影响。盘式制动器具有以下特点：⑴制动力矩具有良好的可调性；⑵惯性小，动作快，灵敏度高；⑶可靠性高⑷通用性好；⑸结构简单、维修调整方便[6]。2.2.3主体盘形闸的制动作用（1）在提升机制动时，调节系统制动时的油压，通过盘型闸，使提升机获得不同制动力矩。（2）在紧急制动或事故状态下，使盘型闸迅速回油，实现恒减速度制动或者二级恒力矩制动等方式的安全制动，以与井口区域的一级紧急制动。（3）正常停车制动状态。提升机正常减速后进入爬行，当至停车点0.5米时，在电气控制下，爬行速度降到更低值，此时，电液阀经贴皮油压施闸，阀门的电流分二级减小。第一级，从贴皮降至8兆帕，经过很短的时间，3）第二级油压降至5--3兆帕，至停车点时，阀门断电卸荷，盘型闸制动，提升机卷筒停转。采用二级的目的在于快速而平稳的调整制动器。图C为盘车闸外观：图2.3盘车制动器2.3液压站液压站是矿井提升机的重要部件，它与盘式制动器、电机轴制动器组合为一完整的制动系统，其性能和质量好坏，直接影响到矿山的产量，设备的寿命、人身的安全等。液压站主要作用⑴为盘式制动器、电机轴制动器提供可调节的压力油，以获得不同的制动力矩。⑵在任何事故状态下，可以使制动器[7]的油压迅速降到预先调定的某一压值，经过延时后，制动器的全部油压值迅速回到零，使制动器达到全制动状态。见图2.3图2.3液压站3PLC系统在矿山上的应用3.1PLC在矿井提升机控制系统中的概述在现在的数字化矿山的建设当中，将机、电系统做出了同一规划，并且在铁矿行业以与煤矿行业起到了显著的作用。作为生产和运输中所必不可少的一个环节提升机系统的安全性能和故障报警技能起到了致关重要的作用。作为连接井下与地面系统的主要枢纽，所以提升机在某种程度上就是与人的生命息息相关，有时候不仅影响到矿山的经济效益，而且与工作人员的安全保障有很大的影响。矿山采用交流异步电动机，也可以成为步进电机的一种，大部分采用电力传动系统，这种系统不仅使人力增加，而且使成本提高，提升机系统的占地面积也会大大增加，所以构造一种运行简便的控制监控系统是至关重要的。因此PLC电控以与监控系统应运而生，既能够保证故障的与时报警，又能够监视井下人员的安全操作，以与人员系统的构建。提升机系统采用与变频器相互结合的方法，既能使提升机再启动和停止以与刹车制动时候安全稳定的运行有能够减少井下人员的人数。能够成功的实现提升机的平滑启动和停止。并能够满足不同的工况以与运行的环境的需要。未来PLC和变频器相结合的方法是主要的矿山电控系统的发展方向。本设计主要是采用现代的制动系统盘形闸，以与液压站控制系统，还有人工的控制台，以与变频控制系统，可编程控制器和监视控制系统组成。才能使整个数字化矿山得到好的安全保障。3.2研究容现在矿山提升机大部分采用交流电控系统，控制比较旧，也使成本增加很多，技术也很落后存在很多隐患。l)有时候串接的电阻会使能源造成流失，增加了运行的成本。2)电动机在每个水平的电机切换会造成行程控制的不稳定，会使电磁力对设备机械造成电流的冲击。3)各个继电器无规律的往复操作会使其触电电弧冲击其某一些过程接触器，使使用寿命减少。4)交流电机存在失电的问题，也是由于接触不良，容易引发事故。5)电阻会使运行时候的平滑性增加使速度降低。6)在提升的罐笼到达某一个水平的减速点的时候，由于存在的人和物料的负载程度不同，达到不同的减速速度。对于减速和刹车增加更好的转矩和更好的安全运行控制，在这种情况下达到安全稳定的运行。由于存在的安全隐患使矿山提升机在运行中不能得良好的保障，所以必须结合变频器以与PLC做出更好的控制系统，使矿山企业安全稳定的运行，此设计也推动了矿山数字化的更新换代。可编程控制系统在工业生产中的应用中可以大大的改善，矿山系统的稳定可靠性能，并具有方便的维护，以与一整套的安全操作规程，已经广泛的运用在各个领域当中，主题的计算机大部分运用手自动切换的方式。监控系统必须按照PLC的运行规程来设计，包括传动系统按照事先编定好的规章来做出操作的控制。能够使监视的画面稳定的反应到上位机的操作台之上，包括提升机系统的控制，传动控制，力矩的控制。三者相互结合，切实的反映出提升系统的情况和状态，做到相应的控制。[9]图2.4矿用提升机变频调速控制系统PLC电控系统配合变频调速装置，运用现在先进的电动提升机工艺的要求，还将解决整套提升机系统的电力拖动方面的一系列问题如图2.4所示，变频装置取代复杂的控制方式，运行速度曲线转矩大小的要求都由变频器来完成，简化了控制操作流程，提高了控制精度。3.3本系统中PLC选型与特点S7系列是由电源、CPU、存储器和输入输出器件组成的单元型可编程控制器。而且AC电源、DC输入型的装电源可作为传感器的辅助电源。基本单元采用易于维修的装卸端子台。标准型装8K步有备用电池的RAM存储器。关于存储器的类型，可以选用不同型号的含计时器。EEPROM和EPROM。S7含计时功能，能够对不同的时间段进行控制，计算机运用相互对应的数字化编程软件，在运行的时候运行和改变程序，通过设计定PLC存储器中的存储注释区域，能够更好的对编程器中的容进行合理化的保护防止被盗用，也可以对于可编程的控制器的存储器做出合理的注释，设定相应的保护。而且在PLC中具有很多的输入与输出控制单元和许多的拓展设备，模拟量的输入与输出接口，数字量的控制接口，以与相应的温度传感器，压力传感器，故障报警指示灯，和部带有的插卡式定位设备，脉冲量的输入与输出设备，高端位置的计数器，网络的通信协议，和过程变量的寻址，很好的做到对于系统整个结构的良好稳定的控制机构，也实现了模块的合理运用。更好的对于矿山企业安全运行的稳定性和故障安全保护，提升了生产的效益。S7系列具有不同程度的扩展模块和稳定的性能。l)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FXZN单元中的每一个单元可扩充到2561/O。控制点数从16至256点(主单元:16/32/48/65/80/128)。2)高速运算基本指令:0.08s/指令应用指令:1.52至几百s指令3)突出的寄存器容量S7系列包括8K步置RAM寄存器，用一个寄存器盒可扩充到16K步RAM或EEPROM4)丰富的元件资源3072点辅助继电器、256点计时器、235点计数器和8000点数据寄存器功能模块功能置式24V直流电源24V、400mA直流电源可应与外部设备如传感器或其它原件快速断开端字块因为采用了优良的可维护性快速断开对端子块，即使接着电缆也可以更换单元时钟功能和小时表功能实时时钟标准，时间设置和比较指令易于操作持续扫描功能可根据应用要求的持续扫描时间来定义操作周期输入滤波器调节功能可以用输入滤波器平整信号注释记录功能元件注释可以记录在程序寄存器中运行期间改变程序的功能在线改变程序不会损失工作时间或停止生产运转置式RUN/STOP开关容易操作的面板上运行、停止开关续上表密码保护功能使用一个八位数字密码保护程序图2.7s7系列功能表表2.7列出了S7系列的部分功能。S7系列PLC设实时时钟，使用标准型号实时时钟可满足对时间灵敏的应用要求;具有很强的数学指令集，使用32位处理、浮点数、方根和三角几何指令满足数学功能要求很高的情况;使用DIN导轨或便利的安转孔直接安装表盘，易于安装;基于Window的Gx一Devel。Per或FX/PCS一win软件能快速、容易的开发程序;方便直观的操作员界面，从一条完整的线路或操作员界面来选择数据编辑和显示;为大量实际应用而开发的特殊功能，以满足不同的需求—模拟I/O，高数计数器等[11]。3.3.1西门子S7-300系列的编程器件组成1)输入继电器（I）2)输出继电器（Q）3)位存储器（M）其常开触点可以无限次的使用，但不能驱动外部负载电路。4)定时器（T0-T999）其相当于一个时间继电器。时间值可以用二进制或BCD码方式读取。5)计数器（C0-C999）用来累计其计数脉冲上升沿的次数，有加计数器、减计数器和加减计数器。6)指针在存储器间接寻址指令中，给出一个作为地址指针的存储器，该存储器的容是操作数所在存储单元的地址。7)常数8)数据块寄存器DB和DR寄存器分别用来保存打开的共享数据块和背景数据块的编号。9)地址寄存器（AR）[12]本系统主要由下面的模块组成:1块中央处理单元CPU3144块数字量输入模块SM321，32X24V，DC1块继电器输出模块SM322，16XRelAC120V/230V1块数字量输出模块SM322，32X24V，DC1块数字量输出模块5块模拟量输入模块SM331，8X12位1块通信处理模块CP340l块电源模块PS307，10A本系统所用的主机模块是CPU314，置24KM的RAM，其装载存储器为置40KM的RAM，可用存储卡扩充装载存储器，最大容量可为512KB，指令执行速度为300nS/二进制指令。I/O模块为6个交流输入模块，4个交流输出模块与1个直流输出模块;最多可扩展至32个模块，512个开关量I/O或64路模拟量通道。CPU图BS7－300系列PLC系统构成框图4.PLC系统设计4.1系统的I/O统计根据系统安全稳定可靠的规定，必须将PLC的输入与输出模块的信号进行进一步的隔离设置，输入与输出的隔离是通过继电器来完成的，由继电器进行合理化的配置，输出的信号模块，通过中间继电器来间接的控制执行机构的执行对象根据所选设计容的方法，合理的分配I/O地址。4.1.1S7-300可编程控制器概述和I/O编址S7-300（见图2.7）是模块化的中小型PLC，试用于中等性能的控制要求。品种繁多的CPU模块、信号模块和功能模块能满足各种领域的自动控制任务，用户可以根据系统的具体情况选择合适的模块，维修时更换模块也很方便。S7-300的每个CPU都有一个编程用的RS-485接口，使用西门子的MPI（多点接口）通信协议。有的CPU还带有集成的现场总线PROFIBUS-DP接口或者PtP（点对点）串行通信接口。S7-300不需要附加任何硬件、软件和编程，就可以建立一个MPI网络，通过PROFIBUS-DP接口可以建立一个DP网络。功能最强的CPU的RAM存储容量为512KB，有8192个存储位，512个定时器和512个计数器，数字量通道最大为65536点，模拟量通道最大为4096个。S7-300有很高的电磁兼容性和抗振动抗冲击能力。S7-300标准型的环境温度为0～60℃。环境条件扩展型的温度围为-25～+60通过系统功能和系统功能模块的调用，用户可以使用集成在操作系统的程序，从而显著的减少所需要的用户存储器容量，它们可以用于中断处理、出错处理、复制和处理数据等。控制器的指令有300多个，其梯形图编程软件，可以适合各个环境的编程需要配置合理化的控制方案。智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件（例如超时、模块更换等）。S7-300有看门狗中断、过程报警、日期时间中断和定时中断功能。S7-300已将HMI（人机接口）服务集成到系统，S7-300按照指定的控制监控系统来完成对于人机界面的传输[14]。S7-300采用紧凑的、无槽位限制的模块结构，电源模块（PS）、CPU、信号模块（SM）、功能模块（FM）、接口模块（IM）和通信处理器（CP）都安装在导轨上。导轨是一种专用的金属机架，使导轨上按上不同状态模式的模块，然后插在合适的卡槽中即可。不同形状的导轨和基地时立体式的导轨可以适应不同工况和安全的需要，在不同的环境下，运用不同的导轨。另外不同的型号和导轨面积，可以提供给用户选择。接口模块靠近CPU，主电源模块分布在机架的最左一侧，让CPU模块紧紧的依靠在电源模块旁边。备用的电源模块是在PLC忽然断电的时候做出的相应的失电保护的措施，能够使PLC在没有持续电源的情况下能够暂时的稳定程序的合理运行。起到了失电故障保护的主体作用，也为人员的安全起到了相应的保障。合理的运用模块能够使控制系统的监控性能大大提升[15]。图2.8西门子s7-300可编程控制器图2.8中,1为负载电源，2为后备电池，3为24VDC连接，4为模式开关，5为状态和故障指示灯，6为存储器卡（CPU313以上），7为MIP多点接口，8为前连接器，9为前门[16]。采用插卡的方式，将每个卡槽连接起来，使cpu利用率增加，更加减少了操作的规程S7-300的电源模块通过电源连接器或导线与CPU模块相连，给相应的CPU提供相应的电源设备。数字量模块和模拟量模块能够不受限制的放在任何一个相应的卡槽之上，每个控制器的机架可以安装合理的8个控制模块和相应的编程与处理模块，如果超出规定的模块数量还需要安装扩展的构架。除了带CPU的中央机架（CR），最多可以增加3个扩展机架（ER），每个机架可以插8个模块（不包括电源模块、CPU模块和接口模块IM），4个机架最多可以安装32个模块。（2）s7-300的I/O编址开关量的输入是将外部的各种开关、按钮、传感器信号传递到PLC部连接不见，把现场的信号转换为PLC的CPU可以接受的TTL标准电平产生的数字量以与模拟量的信号。输入电路也分为共点式分组和隔离式。常用的公共点共用一个合理的公共端；进行分组和隔离，形成各自的电源控制端。统计处开关量I/O的通道数目，以与模拟量和开关量的信号类型，考虑到分组情况，以与隔离与接地的要求。并考虑以后的调整和扩展的程度。用户的应用程序勇多少存与I/O的点数，控制要求，运算处理，程序结构等有关。因此在设计之前能够做出粗略的估算。根据经验，每个I/O与有关功能器件占用的存根据存储器所运用字数来整定。以此来完成对于合理化的程序I/O地址表的设计以与今后拓展的运用[17]。模拟量模块以通道为单位，一个通道占一个字地址，或两个字节地址。例如模拟量输入通道IW640由字节IB640和IB641组成。S7-300为模拟量模块保留了专用的地址区域，字节地址围为IB256∼767。可以用装载指令和传送指令访问模拟量模块。一个模拟量模块最多有8个通道，从256开始，给每一个模拟量分配16B（8个字）的地址。4.1.2PLC输入输出分析与I/O地址的分配输入分析由于该系统由五组电机组成，安装有五个位置传感器，故需要六个输入置位信号：I0.0,I0.1,I0.2,I0.3,I0.4,I0.5。在电动机的次级既提升罐笼上安装拉力传感器，当拉力传感器输入信号为零时，可以测出同步电机失步，从而可编程控制器可执行失步保护程序，分配输入点号为I1.2,当启动电机上升时，应设置上升按钮，故需要设置上升输入信号I0.6，下降输入信号为I0.7,停车信号为I1.0，当需要电机突然停车时要有制动信号，设置动力制动信号I1.1。若系统的供电设备突然故障而不能给提升系统供电时，要有失电保护措施，设置失电保护信号为I1.2。若需要提升系统自动运行时，要有全自动运行按钮，设置全自动运行输入I1.3,全自动停I1.4，常闭触点KM1为I1.5，常闭触点KM2为I1.6，常闭触点KM3为I1.7。总需要输入的点数为16点[18]。输出分析对应于失电保护接触器的可编程控制器输出继电器，使提升机提升更加的有规律还要想使提升系统提升时，既电动机的次级在电机组中上升运行，而又不使电动机空时空载运行，分组切换电机既需要设置对应的可编程控制器输出继电器。与第一组电机切换接触器对应的可编程控制器输出继电器设置为Q0.0,与第二组电机切换接触器对应的可编程控制器输出继电器设置为Q0.1,与第三组电机切换接触器对应的可编程控制器输出继电器设置为Q0.2,与第四组电机切换接触器对应的可编程控制器输出继电器设置为Q0.3,同样与第五组电机切换接触器对应的可编程控制器输出继电器设置为Q0.4。对应于失电与动力制动接触器的可编程控制器的输出继电器为Q0.5,对应于动力制动接触器的可编程控制器输出继电器为Q0.6，对应于失电保护接触器的可编程控制器输出继电器为Q0.7，对应于抱闸接触器的可编程控制器的输出继电器设置为Q1.0，对应于变频器下降控制信号的可编程控制器的输出继电器为设置为Q1.1，对应于变频器上升控制信号的可编程控制器的输出继电器为设置为Q1.2，对应于变频器停车控制信号的可编程控制器的输出继电器设置为Q1.3。。输入继电器地址外围设备的名称I0.0位置传感器1#I0.1位传感器2#I0.2.位置传感器3#I0.3位置传感器4#I0.4位置传感器5#I0.5位置传感器6#I0.6上升按钮I0.7下降按钮I1.0停车按钮I1.1动力制动继电器I1.2失电保护传感器表1.1输入地址分配表1.1输入地址分配表1.1输出地址分配续表1.1续表1.1I1.4全自动停车按钮I1.5继电器常闭触点KM1I1.6继电器常闭触点KM2I1.7继电器常闭触点KM1输出继电器地址外围设备名称Q0.01#电机切换器Q0.12#电机切换器Q0.23#电机切换器Q0.34#电机切换器Q0.45#电机切换器Q0.5失电与动力制动接触器Q0.6动力制动接触器Q0.7失电保护接触器Q1.0抱闸接触器Q1.1罐笼下降控制端Q1.2罐笼上升控制端Q1.3罐笼停车控制端表2.1输出地址分配综上分析可知，所需要的可编程控制器共需16点输入，12点输出，该CPU共有24点数字量、5个模拟量输入和16点数字量、2个模拟量输出,除满足该系统的要求还有一定S7-300的CPU型号为313C.具体的输入地址分配如表2.9，输出分配如表3.1。4.2控制系统硬件组成与工作原理运用电机对罐笼平稳度进行保护。图3.2控制系统原理方框图控制系统的原理方框图如图3.2所示，有PLC、计算机、速度位置传感器、变频器A/D、D/A模块组成，计算机实现罐笼的向上、向下运动和运行速度给定值的计算，以与运行位置和速度的检测，计算后向变频器发送控制信号，并监视PLC的运行情况[19]。PLC采用西门子S7-300型，24点数字量输入、16点数字量输出，5个模拟量输入、两个模拟量输出，主要实现电机电枢绕组的成组切换、直流制动，反接制动，失电保护，电机的速度检测与失步保护等功能。变频器采用西门子MM440型变频器，主要完成直线电机运行速度的控制、回馈电网电能和过载保护等功能。直流电机提升系统的结构矿井提升机系统实验模拟图如图3.3a所示，一共有五组定子，相当于电机的电枢绕组，罐笼相当于转子。在轨道上，每隔一定的距离放置一组直线电机的初级，初级和次级的长度同间距有关，三者的长度如图b所示。假设相邻的初级间距为L，那么初级的长度为2L，罐笼两侧的直线电机的次级长度为3L。这样的设置可以达到最大的提升效率，电机工作时，始终保持次级在两个初级的磁场作用下提升，即始终有两台电机同时工作。其动作过程如下：下放重物时：与提升重物的通电顺序相反，依次为5#和4#电机，4#和3#电机，3#和2#电机，2#和1#电机实现动子（罐笼）的向上运动；提升重物时：电机的工作顺序依次为，1#和2#电机，2#和3#电机，3#和4#电机，4#和5#电机，实现动子（罐笼）的向下运动。通过变频器改变输入电枢的电源频率，以实现提升速度的控制。图3.3提升机系统示意图a：直立图b：水平图4.2.1控制程序和保护程序的设计思路目前，对于同步电机的失步问题没有太好的保护办法使其很快转为同步工作，唯一的方法是将其制动停车。本设计中是将直线电机的三相绕组短接，相当于在直线电机的初级入频率为0Hz的电压，，从而实现了强制停车。电机的运行状态有三种：上升、下降和停车，电机在这三个状态下电机组的工作顺序是不一样的，基本的流程框图如图3.4所示[20]。图3.4基本的控制保护流程图4.2.2子程序的设计本的控制程序和失步保护程序共有4个分别为：上升子程序、下降子程序、停车子程序，失电保护程序，以与故障报警，还有控制各个水平的刹车系统的运行时候的各个运行序和失步保护子程序，下面逐个分析。1）上升子程序上升时电机组的切换顺序为1#和2#、2#和3#、3#和4#、4#和5#，每一时刻都有两电机同时工作，电机组的切换时间由位置传感器的信号确定，当位置传感器有信号时与之对应的电机组供电，其他电机组均不供电。位置传感器是否有信号根据电机是否到达该位置来确定，配合位置检测程序可以准确给电机定位。从而准确的控制电机组供电。2）下降子程序下降时电机组的切换顺序为5#和4#、4#和3#、3#和2#、2#和1#，电机组的供电顺序与上升阶段的相反，因此编程方法是一样的，基本流程图如图3.5所示图3.5下降子程序流程图3）停车子程序通过改变变频器的工作状态和闭合动力制动接触器就可以使电机组工作在制动阶段。4）失步保护子程序当PLC检测到电机失步时，设置的失步保护接触器立刻闭合，直线电机的三相绕组短接导致电机制动停车，从而起到了失步保护的作用。4.3控制和保护程序的设计PLC各个输入输出端口，编制的控制和保护梯形图程序如下：网络一：为各个开关的复位子程序。网络二：按下停车按钮进入停车子程序。网络三至五：为上升子程序跳转。网络六至八：为下降子程序跳转。网络九至十一：为上升子程序，控制每层都有电机同时转动。网络十二到十三：按下上升按钮网络十四到十八：上升子程序的设计网络十九到二十二：为失电保护的的子程序网络二十三到二十七：为电机切换子程序。网络二十九到三十一：为变频器控制罐笼子程序。4.3.1变频器（M440）在提升机中的作用典型的升降系统的轿厢控制中，要与配重相结合，系统表现为很大的惯性复杂系统。所以传动装置必须有很大的起动力矩。西门子新型一代MM440变频器可以控制电机从静止到平滑起动期间提供200％3秒钟的过载能力。MM440的矢量控制和可编程的S曲线功能，使轿厢在任何情况下都能平稳地运行，特别在轿厢突然停止和突然起动时。MM440变频器置了制动单元，用户只需选择制动电阻就可以实现再生发电制动，因此可以节约系统成本。变频器系统器件如图所示，主要由断路器、接触器、整流单元、逆变单元组成。附录A1.7图3.6变频器系统组成控制是由数字量输入完成，2个输入Din1,Din2用于选择运行方向；Din3,Din4,Din5用于选择两段运行速度；Din6用于DC直流注入制动控制。一个继电器输出用于控制电机的制动器，其余的用于提升机的故障报警。电机制动器打开后，提升机沿着井道方向加速到50Hz。在井道中用一些接近开关与PLC相连接。它们提供平层信号和减速停车。本系统采用S7-313CPLC系统来处理传感器信号、按钮信号以与提升机的控制开关和深度显示等。图3.7变频器与PLC电机的接线图4.3.2提升机WINCC组态软件与其子系统（1）wincc（WindowsControlCenter，视窗控制中心）是西门子与微软公司合作开发的、开放的过程可视化系统。无论是简单的工业应用，还是复杂的多客户应用领域，甚至是在有若干个服务器和客户机的分布式系统中，都可以应用Wincc系统。Wincc是在PC基础上的操作员监控系统软件，WinccV6.0+SP2,试运行在WindowsXP+SP2标准环境下的HMI(人机界面)，具有控制自动化过程的强大功能和极高性价比的SCADA(监视控制与数据采集)级的操作监视系统。Wincc在一些情况下，可以对现场的主要画面进行详细的设计能更好的监视组态的画面以与一些运行时候的故障状态。（2）启动Wincc后，Wincc资源管理器随即打开。Wincc资源管理器是组态软件的核心，整个项目结构显示在Wincc的资源管理器中。从Wincc资源管理器中调用特定的编辑器，既可以用于组态，也可以对项目进行管理，每个编辑器分别形成特定的Wincc子系统。（1）图形系统用于创建画面的编辑器，也可称作图形编辑器。（2）报警系统对报警信号进行组态的过程，也称作报警记录。（3）归档系统变量记录编辑器，用于确定对何种数据进行归档。（4）报表系统用于创建报表数据的编辑器，也称作报表编辑器。（5）用户管理器用于对用户进行管理的编辑器。（6）通信提供Wincc与SIMATIC各系列可编程控器的连接。在Wincc的图形系统处理过程操作中，屏幕上所有的输入和输出信号，通过Wincc的图形设计器完成系统设备的可视化图形的设计和操作。在图形设计器中，Wincc提供丰富的图形对象，见图3.8（1）标准化和图形化的对象；(2)按钮、检查框、框、和滑块；（3）应用窗口和显示窗口；（4）I/O域、和文本列表；（5）客户化的用户对象。图3.8Wincc的库模块4.3.3创建Wincc项目打开Wincc的对话框，此对话框提供三个选项：（1）创建“单用户项目”（默认设置）；（2）创建“单用户项目”，（创建）“多客户机项目”例如要创建一个名为“start”的项目，选择“单用户项目”按“确定”键，输入项目名称“start”。如果项目已经存在，选择“打开”对话框，搜索扩展名为“.mcp”的文件，下次启动Wincc时候，系统自动打开上次建立的项目，下图为Wincc资源管理器窗口显示容。图3.9Wincc资源管理器图中左边浏览器窗口显示了WinCC资源管理器的体系结构，从根目录一直到单个项目。右边数据窗口显示所选对象的容，在WinCC资源管理器浏览器窗口中，点击“计算机”图标，在数据窗口中即可看到一个带有计算机名称（NetBIOS名称）的服务器，用鼠标右键点击此计算机，弹出“属性”菜单，在随后出现的对话框中，设置WinCC运行系统的属性，例如：启动程序、使用语言以与取消激活等等。（3）添加PLC驱动程序为了使WinCC能够与PLC通信，需要选择PLC驱动程序，所选的驱动程序取决于使用的PLC的类型，在此选择SIMATICS7PLC用鼠标右键点击WinCC资源管理器浏览器窗口中的“变量管理器”，添加PLC驱动程序，在弹出的菜单中，点击“添加新的驱动程序”，如图4.0所示。

设计的组态驱动程序取决于使用的PLC的类型，所选的驱动程序就出现在变量管理器下。能够在“添加新的驱动程序”对话框中，选择所需要的驱动程序（例如SIMATICS7ProtocolSuite），点击“打开”按钮进行确定，所选的驱动程序就出现在变量管理器下。

wincc（WindowsControlCenter，视窗控制中心）是西门子与微软公司合作开发的、开放的过程可视化系统。无论是简单的工业应用，还是复杂的多客户应用领域，甚至是在有无。图4.0添加新的驱动程序在“添加新的驱动程序”对话框中，选择所需要的驱动程序（例如SIMATICS7ProtocolSuite），点击“打开”按钮进行确定，所选的驱动程序就出现在变量管理器下。

单击显示程序前方的＋图标，将显示所有可用的通道单元。

用鼠标右键单击通道单元MPI，在弹出的菜单中，点击“新建驱动程序连接”，在随后显示的“连接属性”对话框中，输入名称（如SPS），点击“确定”按钮即可，如图

图4.1创建新的连接（4）变量和变量组：

如果WinCC资源管理器中的“变量管理器”处于关闭状态，则必须先双击，将其激活，然后用鼠标右键点击“部变量”，在弹出的菜单中，点击“新建变量”，在“变量属性”对话框中，将变量命名为“TankLevel”，从数据类型列表中，选择“无符号的16位数”，然后点击“确定”即可。

在地址属性的对话框之中，选择数据的类型以与地址到底有几个字组成，最后能够，在“变量属性”对话框中，单击“选择”按钮，打开“地址属性”对话框，从变量的数据区域列表框中，选择数据区域“位存储器”，检查地址类型是否为“字”，设置MW“0”。

如图所示4.2图4.2新建变量（5）创建花画面：在WinCC资源管理器中，右击“图形编辑器”，在弹出的菜单中，单击“新建画面”选项，选择新建画面，系统默认画面名为“NewPdl.pdl”（pdl为画面描述文件），右击“NewPdl.pdl”，在弹出的菜单中，单击“重命名画面”选项，如图4.3所示图4.3创建画面（6）创建图形：在图形编辑器的的菜单栏中单击“查看”→“库”，对象库将以它自己的工具栏和对象文件夹的形式出现，双击“全局库”，再双击右边子窗口的“PlantElement”文件夹，双击“Tanks”文件夹，单击图形编辑器库中的。图标，预览查看可用的图形，单击“Tank1”，按住鼠标左键，将图形拖到文件窗口中，用图形周围的黑框调整图形的大小。（7）激活项目

可点击WinCC资源管理器菜单栏中的“文件”→“激活”，复选标记随即显示，以显示所激活的运行系统，也可在WinCC资源管理器的工具栏中点击

按钮。经过一段时间的装载后，将出现“WinCC运行系统”画面，如图4.4所示图4.4完整版组态画面（8）如果WinCC没有与正在工作的PLC连接，可以使用模拟器来测试相关项目。

选择Windows任务栏“开始”菜单→“SIMATIC”→“WinCC”→“Tool”→“Simulator”命令，在“WinCC模拟器对话框”中，选择要模拟的变量，选择“编辑”→“新建变量”，在“项目变量”对话框中，选择部变量“TankLevel”，单击“确定”，在“属性”面板中，单击“模拟器的类型“Inc”，输入起始值“0”、终止值“100”，标记“激活”复选框，在变量面板中，将显示带修改值的变量。结论家洼铁矿是鲁中矿业的主体，而矿山提升机PLC监控系统，更是其中的重点项目，本文依靠现实的生产规程为基础本着以合理化安全生产为目的的准则，设计了一套数字化矿山所应具备的开发和研究项目。根据文章概述，采用了液