矿井提升机行程监控系统的设计与实现

中国矿业大学本科生毕业设计姓名：曹勇学号：04081733学院：信息与电气工程学院专业：信息工程设计题目：矿井提升机的行程监控系统的设计与实现专题：指导教师：胡延军职称：副教授2021年6月徐州中国矿业大学毕业设计任务书学院信电学院专业年级信息08-3班学生姓名曹勇任务下达日期：年月日毕业设计日期：年月日至年月日毕业设计题目：矿井提升机的行程监控系统的设计与实现毕业设计专题题目：毕业设计主要内容和要求：院长签字：指导教师签字：

中国矿业大学毕业设计指导教师评阅书指导教师评语〔①根底理论及根本技能的掌握；②独立解决实际问题的能力；③研究内容的理论依据和技术方法；④取得的主要成果及创新点；⑤工作态度及工作量；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意辩论等〕：成绩：指导教师签字：年月日

中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书评阅教师评语〔①选题的意义；②根底理论及根本技能的掌握；③综合运用所学知识解决实际问题的能力；③工作量的大小；④取得的主要成果及创新点；⑤写作的标准程度；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意辩论等〕：成绩：评阅教师签字：年月日

中国矿业大学毕业设计辩论及综合成绩答辩情况提出问题回答问题辩论委员会评语及建议成绩：辩论委员会主任签字：年月日学院领导小组综合评定成绩：学院领导小组负责人：年月日摘要矿井提升机是矿井运输的重要设备，是沟通矿井上下的纽带。矿井提升机的可靠运行直接关系到煤矿生产的平安，矿井提升机信号系统的可靠性和准确性是矿井提升和平安运输的重要保证。本设计主要完成的是矿井提升机行程系统的设计和监控。设计中运用PLC控制技术，PLC系统采用西门子公司的S7-300系列作为主控制器，对井口、井底、机房信号台进行信号联络。系统的设计采用STEP7软件完成，在进行程序设计时，利用PLC编程软件STEP7的模块化设计功能，先对提升机的行程控制局部编写功能块FC，再对加速段和减速段分别编写功能块FC，最后统一由组织块OB调用，这样一来，程序易于编写、调试和修改，且可读性好。在完成速度给定的情况下，在STEP7ONLINE的条件下得到理想的S曲线。采用PLC控制不但提高了信号传输的可靠性和准确性，而且具有极大的灵活性和扩展性。在不改变系统硬件的前提下仅靠改变PLC内部的程序就可满足用户要求，有效地解决了信号系统中的远距离传输和可靠性问题。关键词：矿井提升机行程监控；PLC；STEP7ABSTRACTMinehoististheimportantequipmentofminetransportation.Itissupposedtobethelinkthatconnectsvariouspartsofthemine.Theminehoistoperatingreliablyisdirectlyrelatedtothesafetyofcoalmineproduction,andthereliabilityandaccuracyofthesignalsystemaretheimportantassureofthemineliftingandtransportationsafety.Thisdesigniscompletedthedesignandmonitoringoftheminehoisttravelsystem.ThePLCsystemusestheSiemens'sPLC300seriesasthemaincontroller,whichmakesthesignalcontactamongthewellhead,thebottomofthewellandtheroomsignalstation.ThisdesignwillachievetheuppermonitoringfunctionbytheapplicationoftheSTEP7.Iimplementtheconnectionofthesignalbytheapplicationoftheprogrammmingsoftware.TheuseofthePLCtechnologynotonlyimprovesthereliabilityandaccuracyofthesignaltransmission,butalsoimprovesitsflexibilityandexpansibility.Icanmeettheneedsoftheusersbyjustadjustingtheinternalproceduresofthesystemunderthepremiseofnotchangingthesystemhardware.Iteffectivelyaddressthelong-distancetransmissionandreliabilityissuesinthesignalingsystem.Sincethetransformationofthewholecontrolsystemwascompletedandputintouse,itrunsmoothandsafeandtheenergy-savingeffectisverysignificant.Thesystemisnotonlyadrivingforceoflevelofmodernequipmentoftheindustryofthemininghoistingsystem,butitproducesasignificanteconomiceffectandgreatlyimprovedtheproductionefficiencyofthecoalmines.Keywords：Minehoistmonitoringsystem;PLC;STEP7目录摘要 6ABSTRACT 71绪论 101.1课题的研究背景 101.2课内外研究概况 101.3论文结构 122矿井提升机简介 122.1矿井提升机说明 122.2矿井提升机的组成 122.3提升机的分类 13缠绕式提升机 13摩擦式提升机 14多绳矿井提升机 142.4提升机行程控制的根本原理 153PLC的简介与选型 153.1PLC的功能和特点 16的功能 16的特点 173.2PLC常用模块简介 17通用I/O模块 17其它功能I/O模块简介 183.3PLC编程语言 184提升机的行程控制系统 214.1PLC系统软件概述 214.2提升行程PLC控制器硬件构成 214.3控制系统在STEP7上的编程步骤 234.4控制系统的软件设计 234.5主要程序的设计 27提人方式 27松闸条件 27提升信号 28开车信号 28平安回路正常 29在OB35中调用功能FC56 294.6行程控制器功能实现 29自动生成S型速度曲线 29故障保护功能的实现 30行程和速度显示 315控制系统的场内调试 325.1上电调试前的检查 325.2带电调试 33调试程序前的准备 33调试程序 345.3S曲线的实现 376总结 38参考文献 39中文译文 40致谢 41翻译局部致谢1绪论1.1课题的研究背景矿井提升机是最重要的矿山设备之一，它肩负着井上、井下联系的重要任务，在整个矿井中占有非常重要的地位。其平安性能的优劣，不但直接影响着全矿生产的正常进行，而且还与矿工的生命平安紧紧地联系在一起。因此，在提升机的各类性能中提升机的平安和对它的监控一直是人们所关注的焦点。它的电力传动特性复杂，电动机频繁正反向，经常处于过负荷运转和电动、制动不断转换的状态中[1-3]。提升机的平安运行、可靠性是至关重要的，尤其是作为运送人员的副井，一旦发生故障，就会造成机毁人亡，因此，提高副井提升机的性能，提高其自动化水平[4,5]，使其平安性、可靠性到达一个新的高度势在必行。矿井提升机启动频繁，负荷变化大，运行速度要求严格，这就必须配备良好性能的控制设备和保护装置。在接触器控制系统中，电阻的切除由时间继电器控制，而时间继电器计时时，往往不能做到十分准确，即有一定的范围误差。这种控制受外界干扰大，接触器、继电器磨损快，易产生火花，给提升机的运行带来了很多困难。另外还需解决对提升机机械设备故障的及早检测和报警。随着技术的进步，在矿山生产中现代化技术，尤其是电子技术的大量采用，以及对人的价值的更加重视，对矿井提升机，特别是对电控系统的平安可靠性，就提出了更高的要求，这已是现代提升机电控系统设计原那么中最为重要的内容。在现代提升机电控系统中，目前工业控制用计算机——可编程序控制器〔PLC〕已成功地实现了提升工艺控制外，特别是成功的将其用于平安可靠性要求很高的监视和保护回路中。应该指出的是，由于PLC功能的多样性，在用其构成控制、监视保护系统时，可以很方便地实现各种以前用继电器等元件无法实现的功能，使控制、维护性能有了质的飞跃。如今PLC软件能实现提升机提煤、验绳、检修、调平、紧急开车、手动、半自动、全自动等不同速度工作方式的控制要求。1.2课内外研究概况矿井提升机对平安性、可靠性和调速性能的特殊要求，使得提升机电控系统的技术水平在一定程度上代表一个企业或国家的传动控制技术水平[6]，因此世界各大公司纷纷将新的、成熟的技术应用于提升机电控系统。可编程控制器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。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原那么设计。总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。随着微电子技术及计算机技术的迅速开展，国际上主要采煤国的矿井提升机控制技术也得到迅速开展。下面就国内外计算机控制在矿机提升机中的应用情况作一介绍。从70年代开始，随着微机技术的开展，微机控制技术己逐步应用于矿井提升机中。目前，国外己到达相当成熟的阶段[7]，使整个拖动控制产生一次变革。其应用主要表达在以下几方面:1〕提升工艺过程微机控制在交流变频装置中，提升工艺过程大都采用微机控制。由于微机功能强，使用灵活，运算速度快，监视显示易于实现，并具有诊断功能，这是采用模拟控制无法实现的。2〕提升行程控制提升机的控制从本质上说是一个位置控制[8]，要保证提升容器在预定地点准确停车，要求准确度高，目前可到达1cm。采用微机控制，可通过采集各种传感信号，如编码器脉冲变换、钢丝绳打滑、井筒、滚筒及钢丝绳磨损等信号进行处理，计算出容器准确的位置而施以控制和保护。在罐笼提升时可实现无爬行提升，大大提高了提升能力。如SEMENS，ABB，AEG等公司已采用32位微机来构成行程给定器。除此之外还提供性能不尽相同的机械行程控制器。一般过程控制用微机作监视，行程控制也采用单独微机完成，从而提高了系统的可靠性。3〕提升过程监视由于近代提升机控制系统的设计特别强调平安可靠性，所以提升过程监视与平安回路一样，是现代提升机控制的重要环节[9,10]。提升过程采用微机主要完成如下参数的监视:a.提升过程中各工况参数(如速度、电流)监视；b.各主要设备运行状态监视；c.各传感器(如位置开关、停车开关)信号的监视。使各种故障在出现之前就得以处理，防止事故的发生，并对各被监视参数进行存储、保存或打印输出。甚至与上位机联网，合并于矿井监测系统中。与国际先进水平相比，我国八十年代初期至九十年代初期使用的提升电控系统总体技术水平有一定的差距，同时也明显地不能完全适应煤矿平安生产和现代化建设的需要为此，近年来国家煤炭行业主管部门和许多科研、院校及生产企业的工程技术人员作了大量的技术改造及技术开发工作，并取得明显效果。主要表现在：①推广应用动力制动、低频制动、二级制动，恒减速制动，以改善拖动控制性能特别是减速段、爬行段的拖动控制性能；②研制及推广后备保护、井口闭环装置等，以改善平安可靠性能；③开发出全数字交—交变频低频电源；④开发并实际大量应用直流拖动系统；⑤研制出一批PLC定型电控及信号产品及全数字的电控装置。目前，已经有大量全数字的电控系统成功应用在国内的矿井提升中。从整体来看，我国自产电气控制装置的水平国际先进水平相比大约落后10年到20年。具体分析一下，我们在控制软件设计和控制理论应用上都有一定的根底，能力并不很弱，在理论研究的某些方面还有领先的成就，计算机和控制装置硬件是我们的主要薄弱环节。总的来说，我国近年来开展的对提升机数字电控系统的研究[11]，采用了先进的控制设备和控制策略，无论在驱动方式上还是在控制技术上都取得了长足进展，取得了很大成绩。特别是由中国矿业大学正在研发的三电平调速系统，已经到达国际先进水平。1.3论文结构基于上述背景，依据?煤矿平安规程?的技术要求。本课题在深入研究矿井提升机运行的根底上，借鉴国内外研究成果，采用西门子公司的STEP7开发平台，运用PLC的可编程完成了矿井提升机数字监控的研究，该系统在厂内调试试验并应用，主要讨论了：1.分析PLC在矿井提升机监控系统的工作原理和运用。2.运用西门子公司的STEP7开发平台进行程序编程，并完成对PLC的控制。3.在特许的模式内完成速度保护试验，进行提升机控制系统厂内调试。2矿井提升机简介2.1矿井提升机说明是一种大型提升机械设备。由电机带动机械设备，以带动钢丝绳从而带动容器在井筒中升降，完成输送任务。矿井提升机是由原始的提水工具逐步开展演变而来[12]。现代的矿井提升机提升量大，速度高，平安性高，已开展成为电子计算机控制的全自动重型矿山机械。2.2矿井提升机的组成矿井提升机[13,14]主要由电动机、减速器、卷筒〔或摩擦轮〕、制动系统、深度指示系统、测速限速系统和操纵系统等组成，采用交流或直流电机驱动。按提升钢丝绳的工作原理分缠绕式矿井提升机和摩擦式矿井提升机。缠绕式矿井提升机有单卷筒和双卷筒两种，钢丝绳在卷筒上的缠绕方式与一般绞车类似。单筒大多只有一根钢丝绳，连接一个容器。双筒的每个卷筒各配一根钢丝绳，连接两个容器，运转时一个容器上升，另一个容器下降。缠绕式矿井提升机大多用于年产量在120万吨以下、井深小于400米的矿井中。摩擦式矿井提升机的提升绳搭挂在摩擦轮上，利用与摩擦轮衬垫的摩擦力使容器上升。提升绳的两端各连接一个容器，或一端连接容器，另一端连接平衡重。摩擦式矿井提升机根据布置方式分为塔式摩擦式矿井提升机〔机房设在井筒顶部塔架上〕和落地摩擦式矿井提升机〔机房直接设在地面上〕两种。按提升绳的数量又分为单绳摩擦式矿井提升机和多绳摩擦式矿井提升机。后者的优点是：可采用较细的钢丝绳和直径较小的摩擦轮，从而机组尺寸小，便于制造；速度高、提升能力大、平安性好。年产120万吨以上、井深小于2100米的竖井大多采用这种提升机。2.3提升机的分类联系矿井井下和地面的工作机械。用钢丝绳带动容器在井筒中升降，完成运输任务。按工作方式分类如下：缠绕式提升机单绳缠绕式提升机根据卷筒数目可分为单卷筒和双卷筒两种：①单卷筒提升机，一般作单钩提升。钢丝绳的一端固定在卷筒上，另一端绕过天轮与提升容器相连；卷筒转动时，钢丝绳向卷筒上缠绕或放出，带动提升容器升降。②双卷筒提升机，作双钩提升。两根钢丝绳各固定在一个卷筒上,分别从卷筒上、下方引出,卷筒转动时，一个提升容器上升，另一个容器下降。缠绕式提升机按卷筒的外形又分为等直径提升机和变直径提升机两种。等直径卷筒的结构简单，制造容易，价格低，得到普遍应用。深井提升时，由于两侧钢丝绳长度变化大，力矩很不平衡。早期采用变直径提升机〔圆柱圆锥形卷筒〕，现多采用尾绳平衡。缠绕式提升机的主要部件有主轴、卷筒、主轴承、调绳离合器、减速器、深度指示器和制动器等〔图1〕。双卷筒提升机的卷筒与主轴固接者称固定卷筒，经调绳离合器与主轴相连者称活动卷筒。中国制造的卷筒直径为2～5m。随着矿井深度和产量的加大，钢丝绳的长度和直径相应增加。因而卷筒的直径和宽度也要增大，故不适用于深井提升。

图1多绳缠绕式提升机提升机在超深井运行中，尾绳悬垂长度变化大，提升钢丝绳承受很大交变应力，影响钢丝绳寿命；尾绳在井筒中还易扭转，阻碍工作。20世纪50年代末，英国人布雷尔〔Blair〕设计了一台直径3.2m双绳多层缠绕式提升机(又称布雷尔式提升机)，提升高度1580～2349m，一次提升量10～20t。摩擦式提升机1938年，瑞典的ASEA公司在拉维尔〔Laver〕矿安装了一台直径1.96m双绳摩擦式提升机。1947年德国G.H.H.公司在汉诺威〔Hannover〕矿安装了一台四绳摩擦式提升机。多绳摩擦式提升机具有平安性高、钢丝绳直径细、主导轮直径小、设备重量轻、耗电少、价格廉价等优点，开展很快。除用于深立井提升外，还可用于浅立井和斜井提升。钢丝绳搭放在提升机的主导轮〔摩擦轮〕上，两端悬挂提升容器或一端挂平衡重(锤)。运转时，借主导轮的摩擦衬垫与钢丝绳间的摩擦力,带动钢丝绳完成容器的升降。钢丝绳一般为2～10根。

图2井塔式提升机机房设在井塔顶层，与井塔合成一体，节省场地；钢丝绳不暴露在露天，不受雨雪的侵蚀，但井塔的重量大，基建时间长，造价高，并不宜用于地震区〔图2〕。多绳矿井提升机多绳摩擦式提升机的主要部件有主轴、主导轮、主轴承、车槽装置、减速器、

图3深度指示器、制动装置及导向轮等〔图3〕。主导轮外表装有带绳槽的摩擦衬垫。衬垫应具有较高的摩擦系数和耐磨、耐压性能,其材质的优劣直接影响提升机的生产能力、工作平安性及应用范围。目前使用较多的衬垫材料有聚氯乙烯或聚氨基甲酸乙酯橡胶等。由于钢丝绳与主导轮衬垫间不可防止的蠕动和滑动，停车时深度指示器偏离零位，故应设自动调零装置，在每次停车期间使指针自动指向零位。车槽装置用于车削绳槽，保持直径一致，有利于每根钢丝绳张力均匀。为了减少震动，可采用弹簧机座减速器。矿井提升机2.4提升机行程控制的根本原理提升机的控制从本质上说是一个位置控制[15]，要保证提升容器在预定地点准确停车，要求准确度高。在我们的系统中，将采用PLC控制，通过采集各种传感信号，如转角脉冲变换、井筒位置、滚筒及钢丝绳打滑等信号进行处理，计算出容器准确的位置;从而施以一定的控制和保护[16]。位置控制，即行程控制，也就是通常所说的行程给定控制，它的功能是根据提升容器在井筒内的位置计算出此时电机速度给定信号的大小，控制电机的运转。提升机可以有各种不同的运行速度，减速时对应各种运行速度产生S形速度给定，那么要求S形速度给定行程环节的输入信号开始衰减的时刻不同[17]。如单靠时间给定在采用自动控制方式时，那么需要针对各种确定的速度设置多个减速点开关，使提升系统的控制复杂化；假设采用手动控制方式，虽然能控制给定信号的大小，但仍难以控制其减速的时刻及减速度，使提升机不能以满足提升系统要求的最正确速度和时间运行至停车点，往往造成停车不准和提升周期的改变。采用位置控制(即行程给定)后，在减速至停车阶段，根据提升容器距离停车点的行程△S的大小来确定速度给定信号[18,19]。该行程△S大，那么相应的由行程给定产生的速度给定信号高；行程△S小，那么由其产生的速度给定信号低。因此，从减速点至停车点区间内的任意一位置上都对应一个由行程给定产生的速度给定信号(故此称为位置控制)。该速度给定信号与提升机运行速度和运行时间无关，仅仅同提升容器所处的位置有关。因而在一定的速度范围内，提升机都可以按照行程所产生的速度给定信号减速运行且能准确停车，从而克服了时间给定方式的缺点。3PLC的简介可编程序控制器是在继电器控制和计算机控制的根底上开发出来的，并逐渐开展成以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术、和通讯技术融为一体的新型工业自动控制装置。目前已经被广泛地应用于各种生产机械和生产过程的自动控制中。可编程序控制器出现以后，名称很不一致，早期的可编程序控制器在功能上只能进行逻辑控制，因此被称为可编程序逻辑控制器〔ProgrammableLogicController〕,简称PLC。随着科学技术的开展，国外一些厂家开始采用微处理器来作为可编程序控制器的中央处理单元〔CPU〕，从而扩大了控制器的功能，它不仅可以进行逻辑控制，而且还可以对模拟量进行控制，因此美国电气制造协会〔NationalElectricalManufactures,简称NEMA〕于1980年将它正式命明为可编程序控制器〔ProgrammableController〕，简称PC。PC这一名称在国外工业界已使用多年，但是近年来PC这个名字又成为个人计算机〔personalcomputer〕的专称，为了区别，现在常把可编程序控制器称为PLC[20,21]。3.1PLC的功能和特点使用者可以根据生产过程和工艺要求设计PLC控制程序，然后将程序通过编程器送入PLC。程序投入运行后，PLC就在现场输入信号〔按钮，行程开关，光电开关或其它传感器〕的作用下，按照预先送入的程序控制现场的执行机构按一定规律动作。LC的功能近年来，PLC把自动化技术，计算机技术和通讯技术融为一体。它能完成以下功能[22]：1．条件控制〔逻辑控制〕PLC设置了与〔AND〕，或〔OR〕,非〔NOT〕等逻辑指令，能处理继电器接点的串联，并联，串并联，并串联等各种连接。因此，它可以代替继电器进行开关控制。2．定时控制PLC为用户提供了假设干个计时器〔定时器〕，并设置了计时指令。计时器的计时值可以由用户在编程时设定，也可以用拨盘开关设定。计时器的计时值可以在运行中被读出，也可以在运行中修改，使用灵活，操作方便。程序投入运行后，PLC将根据用户设定的计时值对某个输入信号计数，并对某个操作进行计时控制，以满足生产工艺的要求。3．计数控制PLC为用户提供了假设干个计时器〔定时器〕，并设置了计时指令。计数器的计数值可以由用户在编程时设定，也可以用拨盘开关设定。计数器的计数值可以在运行中被读出，也可以在运行中修改，使用灵活，操作方便。程序投入运行后，PLC将根据用户设定的计数值对某个输入信号计数，并对某个操作进行计数控制，以满足生产工艺的要求。4．步进控制PLC为用户提供了假设干个移位存放器，可以用于步进控制，即在一道工序完成以后，再进行下一步工序。有些型号的PLC，还专门设置了用于步进控制的步进指令和鼓形控制器操作指令，编程和使用极为方便，因此更容易事先步进控制的要求。5．A/D、D/A转换有些PLC还具有A/D和D/A转换功能，完成对模拟量的控制和调节。6．数据处理有些PLC还具有数据处理功能，它具有并行运算指令，能进行数据并行传送，BCD的加、减、乘、除、开方等运算，还能进行字与，求反，逻辑移位，算术移位，检索数据，比拟，数制转换，等操作，还可以对数据存储器进行间接寻址，PLC还可以与打印机相连，打印出程序和有关数据及梯形图。7．通讯联网有些PLC采用了通讯技术，可以进行远程I/O控制，多台PLC之间可以进行同位链接，PLC还可以与上位计算机进行链接，接受上位计算机的命令，并将执行结果告诉计算机。由一台计算机和假设干台PLC可以构成“集中管理，分散控制〞的分布式控制系统，以完成较大规模的复杂控制。8．监控PLC配置了较强的监控功能。它能记忆某些异常情况，或在发生异常情况时自动中止运行。在控制系统中，操作人员通过监控命令可以监视有关局部的运行状态，可以调整计时，计数等设定值。为调试和维护提供了方便。PLC还可以连接打印机，对程序和数据进行硬拷贝。LC的特点1．通用性好2．可靠性高3．境适应性好，抗干扰能力强4．功能强5．接线简单6．编程简单，使用方便7．体积小，重量轻，功耗低3.2PLC常用模块简介通用I/O模块实现对开关量的控制是PLC的根本功能，因此开关量I/O模块是PLC的通用模块。1．开关量输入模块的根本原理开关量输入模块的作用是接收现场的开关信号，并将输入的高电平信号转换为PLC内部的低电平信号。每一个输入点的输入电路可等效成一个输入继电器。2．开关量输入模块的外部接线输入模块是通过输入端子与外部用户输入设备连接的。输入模块通常有假设干个输入点。每个输入点能接收一个来自用户输入设备所发出的开关信号。典型的用户输入设备有操作开关、按钮、行程开关以及继电器和传感器的接点等。其它功能I/O模块简介PLC除具有通用的开关量I/O模块以外，按照功能不同，还可能具有其它一些I/O模块，用以实现各种不同功能的要求。1．模拟量I/O模块在工业控制中，经常遇到一些连续变化的物理量(称为模块量)，如电流、电压、温度、压力、流量、位移、速度等。假设要将这些量送入PLC，必须先将这些模拟量变成数字量，才能为PLC所接收，然后才能进行运算或处理。这种把模拟量转换成数字量的过程叫模/数〔A/D〕转换。同样，在工业控制中，还经常遇到要对电动阀门、液压电磁铁等一类执行机构进行连续控制，这就必须把PLC输出的数字量变换成模拟量，才能满足这类执行机构的动作要求。这种把数字量转换成模拟量的过程叫数/模〔D/A〕转换。在PLC中，实现A/D转换和D/A转换的模块称为模拟量I/O模块。通常，每块模拟量I/O模块有2/4/8路输入或输出通道，每路通道的I/O信号电平为l—5V/0—10V/-10—+10V，电流为2—l0mA。2．高速计数器模块PLC的计时器/计数器属软件计时/计数功能，计时时基为0.01/0.1/1S，不能满足快速计数要求。在需要高速计数的场合，可选用高速计数模块。例如西门子公司的242—1型高速计数器模块，它可以检测和处理2MHz的快速计数脉冲，且计数频率可调。3．通讯接口模块通讯接口模块是用来使CPU与外部设备或其它PLC或上位计算机进行开关量I/O、存放器数值、用户程序和诊断信息的串行通讯。通常，模块配有RS一232/RS一422接口。3.3PLC编程语言STEP7是S7-300/400系列PLC应用设计软件包，所支持的PLC编程语言非常丰富。该软件的标准版支持STL〔语句表〕、LAD〔梯形图〕及FBD〔功能块图〕3种根本编程语言，并且在STEP7中可以相互转换。专业版附加对GRAPH〔顺序功能图〕、SCL〔结构化控制语言〕、HiGraph〔图形编程语言〕、CFC〔连续功能图〕等编程语言的支持。不同的编程语言可供不同知识背景的人员采用。1.STL〔语句表〕STL〔语句表〕是一种类似于计算机汇编语言的一种文本编程语言，由多条语句组成一个程序段。语句表可供习惯汇编语言的用户使用，在运行时间和要求的存储空间方面最优。在设计通信、数学运算等高级应用程序时建议使用语句表，如图3-1所示。图3-12.FBD〔功能块图〕FBD〔功能块图〕使用类似于布尔代数的图形逻辑符号来表示控制逻辑，一些复杂的功能用指令框表示。FBD比拟适合于有数字电路根底的编程人员使用，如图3-2所示。图3-23.LAD〔梯形图〕LAD〔梯形图〕是一种图形语言，比拟形象直观，容易掌握，用得最多，堪称用户第一编程语言。梯形图与继电器控制电路图的表达方式极为相似，适合于熟悉继电器控制电路的用户使用，特别适用于数字量逻辑控制。梯形图直观易懂，为电气人员所熟悉，因此是应用最多的一种编程语言，如图3-3所示。梯形图与继电器控制电路在电路的结构形式、元件的符号以及逻辑控制功能等方面是相同的。但它们又有很多不同之处，梯形图具有以下特点：1〕梯形图按自上而下，从左到右的顺序排列。每个继电器线圈为一个逻辑行，即一层阶梯。每一逻辑行起于左母线，然后是接点的各种连接，最后终于继电器线圈〔有的还加上一条右母线〕。整个图形呈阶梯形。2〕梯形图中的继电器不是继电器控制电路中的物理继电器，它实质上是存贮器中的每位触发器，因此称为“软继电器〞。相应位的触发器为“1”3〕梯形图中，一般情况下〔除有跳转指令和步进指令等的程序段以外〕，某个编号的继电器线圈只能出现一次，而继电器接点那么可无限引用，既可是常开接点，又可是常闭接点。4〕梯形图是PLC形象化的编程手段，梯形图两端的母线是没有任何电源可接的。梯形图中并没有真实的物理电流流动，而仅只是“概念〞电流，是用户程序运算中满足输出执行条件的形象表示方式。“概念〞电流只能从左向右流动，层次改变只能先上后下。5〕一输入继电器供PLC接受外部输入信号，而不能由内部其它继电器的接点驱动。因此，梯形图中只出现输入继电器的接点，而不出现输入继电器的线圈。输入继电器的接点表示相应的输入信号。6〕输出继电器供PLC作输出控制用。它通过开关量输出模块对应的输出开关〔晶体管、双向可控硅或继电器触点〕去驱动外部负载。因此，当梯形图中输出继电器线圈满足接通条件时，就表示在对应的输出点有输出信号。7〕PLC的内部继电器不能作输出控制用，其接点只能供PLC内部使用。8〕当PLC处于运行状态时PLC就开始按照梯形图符号排列的先后顺序〔从上到下、从左到右〕逐一处理，也就是说IC对梯形图是捺扫描方式顺序执行程序。因此不存在几条并列支路同时动作的因素，这在设计梯形图时可减少许多有约束关系的联锁电路，从而使电路设计大大简化。图3-34提升机的行程控制系统4.1PLC系统软件概述本次选型的PLC为西门子S7-300，它所用编程软件是STEP7，该软件对于专用编程器而言，是预先装在里面的，同时它也可以作为个人计算机〔PC机〕在Windows下的一个软件包，但必须配备MPI卡或PC/MPI电缆。STEP7软件具有如下功能：〔1〕SIMATIC管理器：集中管理有关SIMATICS7的所有工具软件和数据；〔2〕符号编辑器：用于定义符号名称，数据类型和全局变量的注释；〔3〕硬件组态：用于自动控制系统组态和为各模板进行参数设置；〔4〕通讯：用于定义MPI连接的自动化组件之间时间中断、循环数据传送或者定义用MPI的数据传输；〔5〕信息功能：便于快速浏览CPU数据〔CPU版本、存贮容量、可用的I/O点数、最长/最短/最后循环周期长度〕以及用户程序在运行中的故障原因；〔6〕标准化的编程语言：梯形图〔LAD〕，语句表〔STL〕，控制系统流程图〔CSF〕。STEP7用文件形式管理用户编写的程序，并将这些程序及其所需数据在文件块中编程，如果这些功能块是子程序，可以通过调用语句将它们组成结构化的用户程序，STEP7软件块有如下几种类型：〔1〕组织块〔OB〕：控制程序的运行；〔2〕功能块〔FB〕：包含实际的用户程序；〔3〕功能〔FC〕：包含常用功能的用户程序；〔4〕数据块〔DB〕：用户数据的存储区；〔5〕系统功能块〔SFB〕：这种功能被集成到CPU的操作系统；〔6〕系统功能〔SFC〕：它也集成到CPU操作系统；〔7〕系统数据块〔SDB〕：CPU操作系统数据并包括各硬件模块参数设置4.2提升行程PLC控制器硬件构成提升行程控制器由PLC、两个轴编码器和井筒开关等构成。其中一个轴编码器装在提升机的驱动轮上，另一个轴编码器装在提升机的导向轮上；行程控制器所用井筒开关装在井筒中齐平位置〔即井口停车位〕、同步位置〔距齐平位10米左右〕和限速位置〔距齐平位30米左右〕三个地方；PLC选用西门子公司的S7—300，主要模块包括：电源模块PS307、CPU模块CPU314、开关量输入模块SM321、开关量输出模块SM322、模拟量输入模块SM331、模拟量输出模块SM332、计数模块FM350和通信模块CP340，如图4-1所示。电源模块CPU模块输出模块输入模块A/D模块D/A模块计数模块通信模块图4-1行程PLCS7-300硬件配置1．PS307电源模块主要技术特性如下：〔1〕主电压选择开关，带有保护套的开关可供选择120交流或230V交流，并带有一24V直流0N/OFF开关。〔2〕输入电压额定值120VAC或230VAC，允许范围93~132VAC或187~264VAC输入电流额定值120V时为2A，230V时为1A，启动电流可达45A。〔3〕输出电压额定值24VDC，其波动范围±5%，输出额定电流为5A，具有电流保护功能。2．CPU314模块作为中央处理单元，用于输入信号状态，处理控制程序及控制信号的输出，该模块具有丰富的逻辑运算指令和算术功能，可以满足对处理速度有快速要求的场合。CPU314在300ns内执行一条二进制指令，用户提供了充足的工作内存，24K字节RAM〔相当于8K语句〕，而且可用最大为512K字节的插入型存储器卡简单地进行掉电程序备份。3．开关量输入模块SM321，将外部开关接点信号转换成S7—300内部信号电平，其输入点数为32路，工作电压为24VDC。输入到该模块的主要信号有：提升机运行方式选择信号〔如提物、提人、检修、下大件等〕、控制方式选择信号〔如手动、自动〕、井筒开关信号〔如齐平点、同步点、限速点〕、故障平安复位信号、过卷复位信号和平安回路信号等。4．开关量输出模块SM322将S7—300内部信号电平转换成所要求的外部信号电压，其输出16路继电器接点，大局部是故障输出接点，包括：软过卷、错向、滑绳、等速段超速、减速段超速、轴编码器故障、测速机故障、井筒开关故障、PLC故障等。5．模拟量输入模块SM331的输入信号是：操作台上主令手柄的给定信号和测速机信号；模拟量输出模块SM332输出调节系统所需的速度给定信号。6．FM350高速计数模块对来自轴编码器的脉冲信号进行计数和处理，以指示提升容器的实际位置和速度，继而进行位置闭环控制。FM350是一种智能型的单通道计数模块，用于宽范围的单计数任务，它可以用在SIMATICS7—300上，通过计数模块，减轻了CPU的工作负担；FM350模块作为一种智能模块，它可以完成与CPU的双向传递，并具有智能化等特点。CPU可读取来自计数模块的计数值，同时也可对计数模块的计数方式进行控制。7．通信模块CP340用于与上位机通信，将行程控制器的信息〔如提升行程、速度、各种运行状态信号和故障信号等〕传输给上位机。4.3控制系统在STEP7上的编程步骤1．翻开STEP7，手动创立一个STEP7新工程，命名一个工程名称。2．插入一个S7-300〔SIMATIC300〕的工作站。3．分别翻开bh-plc、xc-plc、czt-plc的Hardware(硬件)，进行硬件组态。〔1〕插入0号导轨：UR；〔2〕对应图纸插入各种所需的S7-300模块；〔3〕设置CPU属性，选择MPI进行传输，并设置适宜的传输速率；〔4〕设置数字量模块属性，既设置地址。〔4〕翻开S7Program中的Symbols对应图纸进行符号的编辑修改。既编辑符号表。〔5〕在OB1中编辑LAD〔梯形图〕程序，STL〔语句表〕程序。4.4控制系统的软件设计STEP7软件[23]将用户程序指令存放于“块〞中，根据用户程序要求，可用以下几种类型的块来存放程序指令：1．组织块〔OB〕：它可以提供CPU操作系统与用户程序的接口。OB1执行用户程序的循环处理，其它OB块响应特定事件和中断；2．功能块〔FB〕：它是执行时带有即时数据的可屡次调用的逻辑功能块，用户程序每次对FB调用提供新参数；3．功能块〔FC〕：这种功能块执行时不需带有即时数据块，用户对FC的每次调用提供新的参数。由于FC块处理数据的不同方法，一个FC比FB需要的CPU处理开销较少。本系统中，我们选择了三种OB块：〔1〕OB100为加电启动组织块，在该组织块中，编制有关系统参数初始化指令及相关模块的设置程序。该组织块仅在系统加电起动后运行一次，在以后的程序循环中不再执行。系统启动程序流程图如图4-2所示：图4-2系统启动程序OB100流程图〔2〕OB1为循环运行组织块，也即用户主程序局部，程序框图如图4-3所示。在OB1中可以调用其它用户功能块和系统功能块，如SFB、SFC、FB、FC等。根据结构化设计程序的原那么，将能完成某些特定功能的程序事先编制成可以重复调用的FB、FC功能块形式，然后在OB1中执行相关调用。这样程序设计结构清晰、功能明确，编制和调试都很方便。图4-3主程序OB1程序框图〔3〕OB35为循环时间中断组织块，循环时间值为0～60s，根据用户需要可进行任意设置。在用户中断程序中，根据各种逻辑关系和实际提升速度以及实际提升行程值，进行有关逻辑判断及数据处理，给出提升机运行速度给定信号和各种行程控制信号。中断程序流程图如图4-4所示：图4-4中断程序OB35流程图对于其它一些需重复调用的程序块那么都编制成功能块〔FB或FC〕，在组织块中执行相关调用，例如：速度监视功能块、行程计算功能块、模拟量处理功能块、S型速度给定曲线产生功能块、连续速度保护包络线产生功能块、故障监视功能块以及停车用功能块等。4.5主要程序的设计4.5.1提人方式4.5.2松闸条件4.5.3提升信号4.5.4开车信号4.5.5平安回路正常4.5.6在OB35中调用功能FC56CALLFC564.6行程控制器功能实现4.6.1自动生成S型速度曲线图4-5速度曲线产生的程序流程图在进行程序设计时，利用SIMATICS7-300PLC编程软件STEP7的模块化设计功能，就加速段和减速段分别编写功能块FC，最后统一由组织块OB调用,这样一来，程序易于编写、调试和修改，且可读性好。在加速阶段，采用时间方式，其算法简单，易于实现。在起动段由于受出曲轨速度所限，因此加速度变化率A1不宜过大，其值大小应在现场调试时确定。实际上，加速段S型速度给定曲线是加速度变化率A1、A2，最大加速度值am1以及主令给定值Vm的函数。即〔4-1〕因此，在进行系统调试时[24]，只要对A1、A2，am1修改，就可以得到所期望的速度曲线。在减速阶段，为保证运行可靠、停车准确，采用行程方式给定。设减速距离为Sj，爬行距离Sp，减速度变化率为A3、A4，最大减速度为am2，最大运行速度为Vm，爬行速度为Vp，那么减速段速度给定曲线就是这以上几个变量的函数，也就是说，Sj、Sp、A3、A4和am2以及Vm、Vp决定了S型速度曲线的形状。即〔4-2〕因此，在编制减速段S型曲线功能块时，将上述诸参量作为功能模块的输入变量，那么只需修改其中参量，即可获得所需的速度曲线。在建立减速段速度行程函数关系式〔4-2〕时，有时还应考虑到人们对减速的要求，如①提升机到达减速点后10-20米内能有效地减速；②在到达爬行点之前速度必须可靠地降低至某速度值，如2.0～2.5m/s，这时就相当于对式〔4-2〕附加了约束条件。对应于约束条件①式〔4-2〕简化成：〔4-3〕对应于约束条件②式〔4-2〕，简化成：〔4-4〕那么此时的A3或A4应根据相应的约束关系式求解。4.6.2故障保护功能的实现1.过卷监视过卷监视的信息来源有两个：一是硬过卷，即井筒开关过卷；二是软过卷，即行程控制系统根据绞车行程脉冲计算出的行程值和提升高度相比拟，超出实际提升高度那么认为过卷，发出绞车过卷信号。这两种过卷信号共同作用于绞车平安回路，为绞车的平安运行设置双重保护。2.轴编码器监视轴编码器是否正常工作对整个行程控制系统的正常运行至关重要，因此必须对轴编码器实行监视。在本系统中，主滚筒和导向轮两处各装一套轴编码器，并在S7-300PLC中配置了两套FM350高速计算模块，对应每一套编码器分别计数，并通过软件比拟两套FM350之间的计数值，形成互为监视。假设程序检测到编码器故障信号，发出报警并进入电气制动，最后停车检查。3.测速机——编码器监视测速机的输出电压大小即代表提升机运行速度，而编码器发出的是脉冲信号是数字量，脉冲信号的频率代表着提升机运行的实际速度，因此将测速机发出的模拟电压信号，经过相应处理输入计算机，那么可经软件实现这二者速度信号的相互比拟和监视。这种数字和模拟方式互为监视无疑为提升机的平安运行提供了又一种后备保护。4.钢丝绳滑动监视以往模拟控制系统中钢丝绳打滑是靠传动控制器上的测速机信号和导向轮上安装的测速机信号进行相互监视的，而数字式行程控制系统可以通过分别安装在主滚筒和导向轮上的轴编码器脉冲值来实现相互监视。即假设这两者之间的脉冲值相差超出一定范围那么输出钢丝绳滑动的故障信息，同时进入电气制动。5.超速监视在等速阶段，实测速度超出最大速度Vm的15%，给出等速段超速信号，并进入电气制动；在减速段不断将实际速度和由减速行程距离计算出来的连续速度保护包络线相比拟，如果实际速度超出保护包络线那么发出报警信号，同时进入电气制动。除了上述包络线对减速段进行连续监视外，还可以在井筒某些固定的位置进行定点速度监视，即可实现点一点监视功能。6.停车监视在停车期间，方向继电器不带电提升机不能运行，如果提升机由于某种原因而运转起来，那么测速机输出电压信号，而使平安回路立即动作。7.离站监视松闸指令发出后，或制动手柄已处于“松闸〞位置，延时一定时间后，速度应到达某一预定的值，否那么输出故障信息并使平安回路立即动作。8.方向监视当通过方向继电器设置一个转向时，提升机必须按此方向运行，如果提升机按相反的方向运转，那么测速机电压的极性相反，而使平安回路动作。9.速度调节器解锁监视假设速度调节器未解锁，假使松闸，那么应使平安回路动作；假设速度调节器解锁，延时0.5s后，闸仍没松开，那么必须重新封锁调节器，以免堵转。4.6.3提升机的位置和速度，可以通过与PLCS7-300通信的上位机显示。上位机的画面通过组态软件编制，例如指示行程的光柱为粗针显示，只是大概显示两个提升容器的运行方向和位置，精确显示那么通过其上方的一个位置显示窗不断实时指示当前准确位置。速度显示包括给定速度、实际速度以及速度保护包络线三种速度信息的显示，从上位机彩色屏幕上可以直观地看到三条颜色不同的速度曲线，最内一条为给定速度曲线，最外一条为保护速度曲线，即保护包络线，它由程序根据实际行程距离实时计算出对应此位置的速度极限值，中间一条曲线为提升机运行的实际速度曲线，由于提升机是一种大惯性系统，因此，实际速度比给定速度稍有滞后。5控制系统的场内调试系统的设计过程都很难一次成功，几乎都要经历一个很重要的调试阶段。从调试过程中不断发现系统中存在的问题，分析并解决它，最终使整个系统满足设计要求。下面是本次系统场内调试内容。5.1上电调试前的检查调试前应对设备安装、线路、绝缘等进行检查。1．设备安装检查根据设计图纸检查系统中的各个设备、元件、器件的型号、规格。检查上述各项设备及元器件的安装质量是否符合各种设备的安装规程和电力拖动系统所提出的要求。总结：上述应重点检查〔1〕电流电压表是否接错。〔2〕变压器是否与图纸上一致且型号是否符合规格。〔3〕PLC控制柜上的各个继电器型号是否与图纸一致〔继电器有点多，数量不要出错〕。2．线路检查在调试前应根据线路原理图或接线图检查设备元件与接线端子之间以及它们相互之间的连线是否正确。总结：以上重点检查〔1〕各个端子是否有虚接情况，既没接稳。〔2〕图纸上在继电器上出现的二极管是否能够在实物上找到。3．绝缘检查各种电气设备在制造厂都经过规定的绝缘检查和耐压试验，但考虑到在运输、储存、安装过程中有可能使绝缘损伤或受潮，因此在调试前应当进行绝缘电阻检查绝缘电阻一般用摇表测量，摇表的电压等级与绝缘电阻的标准应按不同类型的电器设备的技术标准所规定的数值选定〔本次选用摇表最大显示电阻为1000兆欧，实际测出的电阻为无穷大〕。总结：以上重点检查〔1〕在检查前必须去除所有被检查的设备、端子、导线等上面的油污及安装时遗留的碎物等。〔2〕检查应包括电局部对地、不同回路间的绝缘检查，还应包括断开后的相同回路中导线、端子间的绝缘检查。5.2带电调试5.2.1调试程序前的准备用编程电缆将保护PLC与编程器连起来，翻开编程器和保护PLC电源模块开关。PLC运行在RUN-P模式下。进行PLC的硬件组态，仔细核对相应导轨上的PLC模块型号和编程器显示的相同后。保存编译，点击图标，将PLC的硬件组态下载到PLC。如图5-1所示：图5-1PLC硬件组态图硬件组态调试完成后进行系统软件调试，将已经编好的所有软件程序块〔主要是OB块、FC块、DB块〕全部下载入PLC，如图5-2所示：图5-2PLC软件块图观察程序下载后PLC的CPU正常，进行下一步I/O地址的核对。如图5-3所示：图5-3程序段梯形图对应图纸，挨个检查程序，图纸，实物的输入输出〔I/O〕是否一致。5.2.2调试程序在做好上一步调试工作的前提下〔组态、组网完成、IO地址核对过、指示灯显示正常〕，在紧急开车方式下进行如下检查调试：=1\*CHINESENUM3一.在BH-PLC中〔配合操作台上开关〕〔1〕在ONLINE〔在线监测〕的情况下，逐个监测FC5中的手动方式、松闸条件、提升信号、开车信号、开车方向是否导通。〔2〕在ONLINE〔在线监测〕的情况下，监测FC14中的平安回路导通〔注意控制闸把〕。=2\*CHINESENUM3二.在XC-PLC中〔配合操作台上开关〕〔1〕在ONLINE〔在线监测〕的情况下，监测OB1中的平安回路导通，紧急开车方式可用。〔2〕在ONLINE〔在线监测〕的情况下，查看OB35中方式选择子程序是否调用功能FC56。如下所示：OB35FC20计算实际行程和编码器速度FC61〔包络线程序〕FC32〔包络线加速段和等速段的速度输出程序〕 FC42〔包络线爬行段的速度输出程序〕FC76〔可调闸输出程序〕 FC51〔低速运行方式〕FC66〔加速段、等速调用程序〕FC30〔加速和等速过程的Vi输出〕FC67〔减速段调用程序〕FC65〔变加速a3-JS计算〕FC41〔减速段Vi输出〕 FC56〔紧急开车方式〕 FC54〔检修方式〕 FC52〔过卷方式〕 FC80〔停车方式〕 FC6〔PLC的给定输出〕 FC11〔上位机通讯〕〔3〕在ONLINE〔在线监测〕的情况下，在FC21中紧急开车方式下应调用“检修方式〞〔在一般情况下，紧急开车方式和检修方式速度均为2m/s,FC21开车方式用来调用主令给定的模拟量输入系数的不同值〕“XC〞.ADZX(DB1.DBD350)越大，输出速度上线被限制的越小。在以上程序调试好后，推主令，闸把开车，此时监视变量表VAT1中的““XC〞.Vi〔DB1.DBD112〕〞,如果此时变量开始增加，那么速度给定调试出来，此时翻开XC_PLCFC6，查看程序中模拟量输出地址是否为速度给定输出通道，在完成后用万用表测直流电压档测量XC_PLC模拟量输出模块测量速度给定通道，如果有电压增加并随主令给定而变化，那么速度给定调试完成。如下所示：①在XC-PLC中的FC21中确认各个运行状态的参数设定。TMXS:L7.104000e+003T"XC".ADZX//AD转换系数，应根据提物方式最大速度设定L4.000000e+000T"XC".Vxf//提物方式限幅值L2.000000e-001T"XC".Vst//启动速度L1.500000e-001T"XC".a1_JS//第一段加速度L2.500000e-001T"XC".a2_JS//第二段加速度L4.000000e+000T"XC".VmXF_SD//包络线最大速度L2.500000e-001T"XC".a3m_JS//包络线减速度，需根据实际速度进行设定L4.000000e-001T"XC".a//任何方式下特殊情况调用的减速度，一般设定比正常减速度大L5.500000e-001T"XC".Atc//停车减速度，一般设定稍大些②在OB100的NW6中设置其他参数：L7.000000e-001T"XC".Vp1//手动方式自动减速时第一爬行段速度，根据设计速度图进行设定L2.500000e-001T"XC".Vp2//手动方式自动减速时第二爬行段速度，根据设计速度图进行设定③在OB100的NW5中设置其他参数：LL#21000T"XC".PD_QDD1//启动限制点，一般设置大于减速距离=4\*GB3④设置完毕系统运行速度图应为下：V〔m/s〕Vbh=4.6m/sVm=4m/sVm=4mV1=1m/sVp1=0.7m/sVp2=0.a(m/s2)0.150.2500.250.053401S(