煤矿井下乘人装置电控系统设计修改Word文档下载推荐.docx
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摘要
煤矿井下乘人装置（俗称猴车）是一种以电机拖动索道，索道带动吊椅实现人员输送的设备，可适用于比较恶劣的工作环境中的人员输送，为矿工提供了极大的便利。
安全性和稳定性是猴车最重要的性能指标，要保证在坡度小于30度的情况下，猴车都能安全稳定的运行。
猴车电控系统设计主要包括PLC程序编写，布线图设计，传感器的布置，后台监控程序的编写。
本文采用以三菱FX2N-48MR为下位机，各类传感器进行直接数字控制（DDC），同时通过485通信，与上位机实现对整个系统的监控。
同时在几个重要的地点安装摄像头，监视猴车的运行实况。
在软件开发上，我选择的是BORLAND公司的DELPHI7.0，它支持面向对象的编程，内置了包括数据窗口在内的多种对象类，可以方便地访问数据库，具有效率高、成本低、质量高、功能强等特点，非常适合本系统的开发。
通讯使用的是MSCOMM控件，使用简单，功能强大。
视频板卡采用的是海康威视第三代板卡，它性能稳定，录像效果好。
通过在山东枣庄矿业集团田陈煤矿一个多月的使用得出：
本套系统能够安全稳定的运行在煤矿井下，各种功能指标都能达到预定的要求，效果良好。
关键字：
猴车，可编程控制器，MSCOMM，DELPHI，RS485，监控
Abstract
Theundercollierymannedequip（usuallycalledthemonkeycar）isaEquipmentwhichrunsinthemodellikethattheelectromotormakestheropewayrunningandtheropewaydrivesglidertomakethebodytransferscometrue.Itcansuitsbodytransfersinverybadworkenvironmentsandmakesabitofadvantageforcollier.Securityandstabilityisthemostimportantcapabilityguideline.Wemustinsurethatitcanrunsafelyandstablyincaseofgradientbeinglessthan30degree.
ThemonkeycarelectroniccontrolsystemdesigningmostlyincludesPLCprogramcompiling,deploydiagramdesigning,deploymentsofsensorandcompilingofbackgroundsurveillantprogram.HereweuseMITSUBISHIFX2N-48MRashypogynymachine,usingeachsensorsforthedirectdigitalcontrol（DDC）.Whilebyusing485communications,wemakessurveillanceonthewholesystemcometruetogetherwithhypogynymachine.Atthesametime,weinstallcameravidiconsinsomeimportantplacestosurveillancetherealrunninginstanceofthemonkeycar.Onsoftwaredevelopment,IchooseDELPHI7.0developedbyBORLANDcompany.ItcansustainObjectOrientationProgram（OOP）,anditcontainslotsofobjectclassesincludingdatawindow.Sowecanvisitthedatabasesexpediently.Alltogether,itisprovidedwithahighefficiency,alowcost,ahighqualityandastrongfunction.WeusethethirdeditioncollectioncardofHaiKangWeiShivideocollectioncardforvideocollectioncard.Itscapabilityissteady,andtheeffectofkinescopeisperfect.DuringmorethanamonthofbeingusedinShandongprovinceZaozhuangmininggroupTianchencolliery,thesystemshowsasafetyandbalancefaceonrunningundercolliery.Eachfunctionguidelinecanreachtheaimasexpectandtheeffectisperfect.
Keywords:
Monkeycar,PLC,MSCOMM,Delphi,RS485,Surveillance
1绪论
1.1煤矿井下乘人装置的介绍
煤矿井下乘人装置俗称猴车,是用于矿井斜巷人员运输的一种工具。
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。
经过多年的实践,猴车成为了矿井的首选,它以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。
本文比较系统地阐述了矿井猴车的控制系统设计过程。
猴车的工作过程如图1.1：
图1.1猴车工作过程示意图
猴车机头主要由一台主电机和一台抱闸电机（必要时加一台轮边制动器）及一个大的驱动轮组成。
如图1.2所示：
图1.2猴车机头现场示意图
机尾由一个尾轮及一个配重块组成，配重块用来涨紧钢丝绳,中间用一系列小托转支撑钢丝绳，同时在转弯时，有很多抗绳轮，防止钢丝绳脱落。
钢丝绳上挂有很多吊椅，沿途装有各种保护开关及急停按钮，加以电气保护。
猴车速度一般在0.9~1.2m/s之间，人离地高度只有0.5米左右，所以，即使有事故发生，人也可以马上跳下来，其安全性可想而知。
而且，各轮子上都有一层耐磨橡胶，不会产生火花，所以，就算在瓦斯浓度比较高的环境中也可以安全运行。
1.2猴车控制系统的现状及前景
猴车电控过去都是采用纯继电器控制,它存在很多缺点：
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。
后来一些厂商都改用PLC进行集中控制，它主要由一台防爆箱包装起来，外面使用一个控制台对其进行控制。
如图1.3所示：
图1.3防爆箱及操作台
集中控制原理简单，接线简单，维修方便，安全性更高，所以各猴车厂家都采用了集中控制。
最近一些大型矿业集团还要求采用双机控制，即上位机控制下位机，下位机控制电机及其它保护开关的方式。
从而实现远程监控，使得控制更方便，更加人性化，减少了操作人员，提高了生产效率。
目前国内主要有几家猴车电控系统的厂家，其中规模比较大的有：
唐山智达自动化有限公司，唐山智诚电气公司等，他们为猴车电控提供了一套比较标准，通用的系统。
1.3研究的目的与意义
随着猴车的广泛应用，猴车的电控系统也有所发展。
各种电气保护也在不断增加，从而控制变得更加复杂。
当故障发生时，猴车保护开关作用，自动停车。
然而有很多时候故障发生是由于矿工不小心碰到保护开关或者传感器而造成的，保护作用后，不得不复位后才能启动。
而且，在安全的前提下，保护开关是不能被撤走的。
因此矿上不得不派人来维护猴车。
为此我们设计本套电控系统，它采用双机控制，在矿井下的集控室就能看到猴车的运行状态，并能控制猴车开停车，预警等，而且在关键位置安置了摄像头，能实时看到现场的信息，这样大大提高了工作效率，控制也更为简便。
本文从硬件到软件，详细介绍了猴车双机电控系统的原理，结构，硬件实现，上位机软件的设计，PLC程序设计，以及调试情况。
1.4本文的主要工作
本文第二章介绍了系统原理，功能。
第三章介绍了硬件的设计。
第四章详细介绍了软件的开发。
在第五章介绍了安装调试及运行测试。
2控制系统分析
2.1工作原理
猴车电控系统的主要工作原理是：
由控制台或上位机启动按钮控制PLC启动输入，PLC通过程序输出一个控制信号给抱闸电机继电器,经过两秒延迟后接通主电机继电器，主电机继电器将信号传到QBZ隔爆磁力启动器或软启动来使电机启动。
通过控制台或上位机的停止，复位，急停，检修等按钮信号输入到PLC来实现停机，复位，检修等功能。
外部各保护开关通过电缆将信号传到PLC中，实现自动开机，停机。
保护等功能。
上下人红外开关只检测温度，能准确检测人员，这样当人在上车站台经过时，系统可以自动开车，快要到站时，下人感应开关作用，接通语音提示开关。
各种保护开关和传感器如：
越位行程开关，脱绳保护开关，速度传感器直接将信号传到PLC内，然后经过处理，将结果显示到控制台的显示屏上。
当速度小于或大于额定速度，或任一保护开关作用时，便触发保护事件，使猴车停机，同时将保护事件显示在控制台显示屏上,只有复位以后才能再次开机。
上位机通过FX-485PC-IF及FX0N-485ADP，FX2N-CNV-BD三个通讯扩展模块与PLC连接，通过485串口通信，将控制信号传送到PLC，同时，读取PLC的中间继电器和数据寄存器，将PLC的状况反映到上位机程序中来，达到控制台上显示及控制的相同效果。
2.2电控系统的组成
猴车控制系统以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，传感器构成保护系统。
由上位机及PLC通信扩展模块构成软控制系统，然后采用了QBZ系列隔爆真空磁力启动器（或软启动，变频器）组成的电源系统。
系统框架图如图2.1所示：
图2.1猴车控制系统框架
2.3系统的功能分析
系统基本功能有：
1无人值守控制，启动前预警，这样只要有人到上人传感器感应范围，系统就可以自动开车，当最后一个人下车时，系统就能自动关机。
②可实现索道沿线拉停车，当系统出现故障，但保护开关却没有作用时，或者出现意外紧急情况时，就可以通过沿线拉停来实现紧急停车，每80米安装一个。
③索道欠速、过速保护，当速度超过额定值的120%时会出现超速飞车，这样会造成吊椅摇晃，甚至可能把人甩出吊椅。
因此超速保护是很必要的。
而欠速保护是为了保护电机，当负载过重时，电机可能会出现过载，因此必须设定欠速保护。
④可实现电机失压，断相，过载保护，由防爆磁力启动器或变频器完成此任务。
⑤掉绳脱槽自动保护，当吊椅晃动严重时，可能会导致钢丝绳掉落，这是比较危险的，因为钢丝绳一掉，吊椅就会全部卡在一个地方，这样，给维修造成了极大的困难，而且会给设备造成严重的损害。
⑥重锤落地保护，钢丝绳涨紧保护。
⑦索道运行状态，上下人计数和速度显示。
⑧远程控制，状态显示，及主要位置摄像显示。
其它功能由客户提出，如自动复位，语音报警等
2.4对系统操作的设定
启动：
启动按钮按下后（包括上位机及控制台的按钮），系统连续三次发出数秒预警信号，到第三次预警时系统立即启动，制动器电机启动，制动器松闸解除制动，3秒后主电机启动；
若无人职守，正常停机后，可通过机头或机尾的上人检测红外传感器信号启动系统。
停车：
正常停车------按下停车按钮（包括上位机及控制台的按钮），主电机停止运行，制动器抱闸，猴车停止运行
延时停车------根据索道长度及速度，可计算出一次运送人员所要时间，当最后一人下车后，索道将延时一定时间运行后自动停车。
达到省电的目的。
保护停车------当保护开关闭合时，猴车停止，只有复位以后猴车才能重新启动。
有的保护开关不是特别重要时（如越位保护，欠速打滑等），可由客户提出要不要延时自动复位。
检修：
当自锁检修按钮按下时，系统将甩开系统所有保护进行开停车，此模式只有在专业检修人员进行维修的时候才进行运行。
急停：
当自锁急停按钮按下时，系统将不能开机，进入锁定状态。
当控制台上的检修或急停按钮按下时，上位机的检修和急停按钮失效。
复位：
将PLC中的各种保护开关及数据寄存器置0,返回到初始状态。
呼叫（预警）：
当有情况发生时，可通过呼叫钮进行报警。
3系统硬件设计
3.1系统配置
控制装置电源为127V交流电源，取自照明信号电源。
在PLC的选型上，我们选择了三菱的优秀门口FX2N，它是FX系列中最高级的模块，它拥有无以匹及的速度、高级的功能，逻辑选件及定位控制等，驱动能力强。
根据需要，我们选择了48点，晶体管输出的FX2N-48MT，它完全可以胜任我们的要求。
由于通信的需要,我们还配置了FX0N-485-ADP（485通信模块）及FX2N-CNV-BD（FX0N信号转换为FX2N信号），在干扰比较小的情况下，它们组合能驱动1000多米的485通信。
控制箱内除了以下几个器件外，还配置了8个继电器，分别用来控制电机，抱闸电机，轮边制动器等电路，还配置了两个接线端子排分别接输入输出及电源，使接线更为简便
在操作台台内有：
①四个点动开关及指示灯：
启动，停止，预警（呼叫），复位分别控制开停，报警，复位。
②两个自保型常动开关及指示灯：
检修，急停来控制特殊情况的若干保护开关指示灯。
③五个七段数码显示管分别用来显示速度及内载人数
在猴车周围配置了:
①速度传感器1个，配合8个小磁铁，一般安装在机头的一个托轮上。
②若干拉停器，由索道长度决定，80米一个，用于紧急停车③上下人红外传感器四个，当中途有站时可适当增加，用于上人自动开车及下人语音提醒。
④越位行程开关两个防止吊椅载人越过驱动轮或尾轮。
⑤光电脱绳保护开关两个，一般安装于变坡点容易掉绳的地方。
红外开关放置在钢丝绳正上方，当绳子掉落时，开关断开，系统关机。
⑥重锤下限及涨紧保护行程开关两个，用于保护机尾的重锤，当重锤超过下限时，说时钢丝绳已经太松，须要维护了，当张紧保护作用时，表示钢丝绳太紧，或载人太多，亦须派人维修了。
由于远程监控的须要，我们配置了一台工控机，选用的是研华工控机，它性能稳定，适应环境好。
根据软件要求，我们在工控机内安装WINDOWS2000SP4版，由于工控机还须显示多路视频信号，因此还配置了视频采集卡一张，采用的是海康威视第三代HC4008系列8路采集卡。
此外，还配置了通讯用的三菱FX-485PC-IF通信模块一块，用于将上位机的232信号转化为485信号，传达到下位机。
硬件布置及接线图如下：
图3.1控制系统硬件分布图
上图中，PLC及其扩展，配件都在FBX防爆箱中，外围保护开关分布在猴车周围，机尾在必要时配置一电源，防止PLC供电不足。
3.2通讯及接线
上位机跟三菱PLC通信有两种方式，一种是通过编程口直接进行RS232通信，另一种是上位通过RS232口用FX-485PC-IF转换成RS485信号再进行通信，前者传输距离近，不利于远程控制，而且控制不够灵活，只能控制单台PLC。
而后者则可控制多台PLC（最多16台），且命令方式灵活，通信协议简单，传输距离远（全部采用485ADP时可传1000米）。
所以我们采用的是第二种通信方式。
FX-485PC-IF与单台PLC通信接线如图3.2所示：
图3.2FX-485PC-IF与单台PLC通信
FX-485PC-IF与多台PLC通信时传输图如图3.3所示：
图3.3FX-485PC-IF通讯接线图
上位机通过RS232与FX-485PC-IF相连，由于FX-485PC-IF的232端是25针，而PC端是9针。
所以自制了一根通讯线，接线图如下：
图3.4上线机与FX-485PC-IFRS232接线示意图
FX-485PC-IF再通过双绞线与PLC相连，
图3.5FX-485PC-IF与FX-485ADP接线图
FX2N-485BD是在近距离时使用，最大长度不能超过200米，而FX0N-485ADP可驱动1000米，不过当与FX2N配合使用时，FX0N-485ADP要配上FX2N-CNV-BD才能使用。
3.3PLC输入输出接线端子的分配
为了对以前版本的设备兼容，大部分引脚功能设置都继承了以前的设定，只增加了一些新的功能引脚，分配表如表3.1所示：
表3.1PLC输入输出引脚分配表
PLC输入引脚
用途
PLC输出引脚
X0
速度传感器输入
Y0
预警输出
X1
备用
Y1
欠速显示
X2
复位
Y2
脱索显示
X3
检修（显示）
Y3
越位显示
X4
急停（显示）
Y4
启动（显示）
X5
猴车启动
Y5
抱闸继电器
X6
猴车停止
Y6
X7
越位开关
Y7
油泵电机继电器
X10
Y10
释放电磁阀
X11
脱索保护
Y11
抱闸电磁阀
X12
拉停
Y12
下人点语音提示1
X13
起点（终点）上人
Y13
下人点语音提示2
X14
起点下人检测
Y14
超速显示
X15
轮边行程开关
Y15
人员增计数
X16
终点下人检测
Y16
人员减计数
X17
Y20
速度显示
X20
重锤保护
Y21
X21
Y22
X22
涨紧保护
Y23
4软件开发
4.1软件设计思路
根据FX-485PC-IF通信协议，上位机能读、写PLC的X,Y,M,D,T,S设备，但PLC只有在1:
1通信时才能给上位机发送信息，当1：
N通信时，PLC则不能发信息到上位机中。
当PLC给上位机发信息时，PLC程序变得更复杂，上位机程序也变得复杂，但实时性很好。
由于本系统实时性要求不是很高，所以在选取数据获取方式时我们采用上位机定时主动扫描的方式来获取PLC状态。
获取信息时，由于一般开关接通时间比较短，不容易被扫描到，所以我们采用自锁的方式，将结果保存到PLC的中间寄存器中，这样易于集中读取，同时，当PLC输入输出重新设计时，不须再重新编写和编译程序，而只须更改PLC中输入输出相对应的中间继电器（M）即可。
对于写入PLC的操作，由于写入PLC的输入端X时，只能写入一个脉冲，不能保持状态，因此，我们选择的是写入中间继电器M,由M再来控制输出Y,这样即能自保，也能减少PLC程序的编写，同时，当输入输出口更改时也只须更改相应的M即可，不须再编译程序。
4.2DELPHI编程软件及MSCOMM控件的介绍
4.2.1DELPHI介绍
Delphi是Borland公司研制的新一代可视化开发工具，它集中了第三代语言的优点。
以ObjectPascal为基础，扩充了面向对象的能力，并且完美地结合了可视化的开发手段。
Delphi自1995年3月一推出就受到了人们的关注，并在当年一举夺得了多项大奖。
Delphi的出现打破了V承可视化编程领域一统天下的局面。
并且Delphi使用了本地编译器直接生成技术，使程序的执行性能远远高于其它产品生成的程序。
它还是真正的面向对象的编程语言。
PASCAL语言的严谨加上可视化的优势和强大的数据库功能使得它有充分的资本和微软的VB叫板。
许多人当时都认为Pascal是最有前途的程序设计语言，并预测Delphi将会成为可视化编程的主流环境。
Delphi在编好程序后自动转换成.EXE文件它运行时速度比VB快，而且编译后不需要其他的支持库就能运行。
它的数据库功能也挺强的，是开发中型数据库软件理想的编程工具。
4.2.2使用MSCOMM控件
MicrosoftCommunicationsControl（以下简称MSComm）是Microsoft公司提供的简化Windows下串行通信编程的ActiveX控件，它为应用程序提供了通过串行接口收发数据的简便方法。
它是微软为VB5.0/6.0通信编程时提供的一系列标准通信命令的接口，为应用程序提供串行通讯功能。
MSComm控件在串口编程时非常方便，程序员不必去花时间去了解较为复杂的API函数，而且在VC、VB、Delphi等语言中均可使用。
MSCOMM它提供了两种处理通信问题的方法：
一是事件驱动（Event－driven）方法，二是查询法。
在此我们使用的是查询方式
MSComm控件有很多重要的属性，其中常用的最重要的有：
CommPort设置并返回通讯端口号。
Settings以字符串的形式设置并返回波特率、奇偶校验、数据位、停止位。
PortOpen设置并返回通讯端口的状态。
也可以打开和关闭端口。
Input从接收缓冲区返回和删除字符。
Output向传输缓冲区写一个字符串。
根据FX-485PC-IF通信协议，我们选择的通信格式为
波特率：
9600,无校验，7位数据位数，1位停止位数。
在PLC中通过特殊寄存器D8120来设定通讯格式，即使用如下命令进行设定
M8002
｜―――｜｜――－［MOVH6080D8120］
｜―――｜｜―――［MOVH0D8121］设定站号为00，总共可设16个站
｜―――｜｜―――－［MOVK6D8129］设定超时检查时间为60ms
在上位机DELPHI中，通过如下命令进行设定：
MSComm1.Settings:
='
9600,N,7,1'
;
//设置波特率为9600，偶校验，7个数据位，1个停止位
MSComm1.InputLen:
=0;
//在读操作时读取接收缓冲区的所有数据
MSComm1.InBufferSize:
=1024;
//设置接收缓冲区为1024字节
MSComm1.OutBufferSize:
=512;
//设置发送缓冲区为512字节
MSComm1.In
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