基于PLC的矿用挡车栏控制系统.docx
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基于PLC的矿用挡车栏控制系统
基于PLC的矿用挡车栏控制系统
摘要
随着自动控制理论和PLC技术的发展，具有易于使用、功能强大、高可靠性、扩展能力强、广泛的适用性和组成控制系统的简洁性等诸多优点的PLC控制技术，得到了越来越广泛的应用。
本论文以作者研究的基于PLC的矿用挡车栏控制系统项目为背景，从PLC控制系统设计的角度，探讨PLC控制技术的应用。
本课题主要是对基于PLC的矿用挡车栏控制系统进行设计，以实现有效的对挡车栏进行手动控制和自动控制；并且能够对矿车的运行状态进行实时监控，当矿车运行出现问题时可及时报警并控制挡车栏对矿车进行拦截；能够实现与上位机进行通讯，可以在人机界面中观察矿车状态并进行手动操作。
本次设计应用小型可编程控制器（西门子S7-200CPU224）作为控制系统硬件部分控制核心，采用组态王设计人机界面，使用CAD制图软件绘制电气原理图，采用西门子STEP7-MicroWIN编程软件进行编程。
程序调试结果表明本次设计的系统能够实现对矿用挡车栏的自动和手动控制，可与上位机进行通讯。
本设计可应用于现场工作。
关键词：
PLC挡车栏控制系统通讯
ABSTRACT
WiththedevelopmentofthetheoryofautomaticcontrolandPLCtechnology,witheasy-to-use,powerful,highreliability,scalability,broadapplicabilityandcompositionofthesimplicityofthecontrolsystem,andmanyotheradvantagesofPLCcontroltechnology,havebeenincreasinglyusing.ThethesistakesPLC-basedminecarsblockedfieldcontrolsystemprojectasthebackground,fromthepointofviewofthePLCcontrolsystemdesign,toexploretheapplicationofPLCcontroltechnology.
ThemainsubjectofthePLC-basedminingcarretaininghurdlecontrolsystemdesignedtoachieveeffectivebarblockcarmanualcontrolandautomaticcontrol;andreal-timemonitoringoftheoperationalstatusofthetramcar,whentramcarrunproblemstimelywarningandcontrolblockcarfieldoftramcarintercept;abletocommunicatewiththehostcomputer,andcanbeobservedintheman-machineinterfacethetramcarstateandmanualoperation.Thedesignapplicationofsmallprogrammablecontroller（SiemensS7-200CPU224）ascontrolcorehardwarepartofthecontrolsystem,usingKingVIEWtodesignhuman-machineinterface,CADdrawingsoftwaretodrawelectricalschematics,andSiemensSTEP7-MICRO/WINprogrammingsoftwaretoprogram.
Thetestsshowthatthedesigncanrealizeautomaticandmanualcontroltothecarretaininghurdle,andcancommunicatewiththehostcomputer.Thisdesigncanbeappliedwiththefieldwork.
Keywords：
PLCCarretaininghurdleControlSystemCommunications
目录
前言1
第一章绪论2
1.1PLC控制技术的产生和发展2
1.2PLC控制技术国内外应用现状2
1.3矿用挡车栏控制系统的研究背景、研究现状及研究意义3
1.4矿用挡车栏系统功能介绍3
1.5设计方案选择4
第二章PLC控制系统设计的方法5
2.1PLC的结构和工作原理5
2.1.1PLC的基本5
2.1.2PLC的工作原理6
2.1.3PLC的编程语言7
2.3PLC控制系统的设计原则8
2.4PLC控制系统的设计步骤9
2.5PLC控制系统硬件设计10
2.5.1PLC机型选择10
2.5.2I/O模块及点数的选择10
2.5.3存储容量的选择10
2.5.4特殊功能模块的选择11
2.6PLC控制系统软件设计11
2.6.1PLC程序设计步骤11
2.6.2PLC程序设计方法12
2.6.3人机界面设计13
2.7PLC控制系统通讯设计14
第三章矿用挡车栏控制系统的设计与实现15
3.1挡车栏系统简介15
3.1.1挡车栏系统组成15
3.1.2挡车栏系统工作原理16
3.2矿用挡车栏控制系统总体设计16
3.2.1速度检测原理16
3.2.2系统闭环控制原理17
3.3矿用挡车栏控制系统硬件设计17
3.3.1PLC设备选型及I/O分配17
3.3.2电气原理图18
3.4矿用挡车栏控制系统软件设计与实现19
3.4.1矿用挡车栏控制系统PLC程序19
3.4.2位置检测系统19
3.4.3挡车栏系统20
3.4.4声光语音报警系统21
3.5矿用挡车栏控制系统人机界面21
3.5.1设计要求22
3.5.2数据的准备22
3.6人机界面23
3.6.1登陆界面23
3.6.2手动模式界面24
3.6.3自动模式界面25
3.6.4参数设定界面25
3.7挡车栏PLC控制系统通讯设计26
结论28
谢辞29
参考文献30
前言
斜井轨道提升时煤矿提升系统中的一个重要组成部分，但目前斜井轨道提升系统在运行过程中跑车事故发生频率较高，是煤矿安全生产的薄弱环节。
特别是一些煤矿由于资金匮乏、人为操作较多等原因，造成装置磨损老化，容易出现钢丝绳断裂，发生跑车事故。
煤矿跑车事故危害严重，除了撞坏设施外，还会造成人员伤亡等严重后果。
为了解决这一问题，多数煤矿选择在斜井中安装挡车栏装置，挡车栏装置可以有效的对发生跑车的矿车进行拦截，避免造成重大人员伤亡及财产损失。
本文设计的就是一款基于PLC的矿用挡车栏控制系统。
可编程控制器（简称PLC）是一种新型的具有极高可靠性的通用工业自动化控制装置。
它具有控制能力强、可靠性高、配置灵活、编程简单、方便使用、易于扩展等优点，是当今工业控制的主要手段和重要的自动化控制设备。
本设计选用西门子S7-200中CPU224系列PLC作为控制核心。
要求设计一个由PLC自动控制的挡车栏系统，由位置传感器检测车辆有无并计算车速，若矿车超速则自动开启挡车栏拦截矿车，可有效的减少由矿车跑车造成的损失。
第一章绪论
随着微电子技术、控制技术及信息技术的不断发展，PLC（ProgrammableLogicController，即可编程逻辑控制器）控制技术也得到了迅速的发展。
本章首先讲述了PLC控制技术的产生、发展、国内外应用现状；然后介绍了基于PLC的矿用挡车栏控制系统的来源、研究背景、研究现状、研究意义及本系统所实现的功能。
1.1PLC控制技术的产生和发展
在早期的工业控制中，多采用继电器控制系统，这种系统体积大、耗电多，改变生产程序非常困难。
为改变这种状况，20世纪60年代末期，美国通用汽车公司（GM）提出需求，公开招标。
随后，美国数字设备公司（DEC）研制出了世界上第一台可编程控制器，并成功的应用于汽车生产线上[1]。
随后，日本、德国等相继引入PLC技术，许多知名公司的加入使得PLC技术得到了迅速的发展，如：
日本的三菱、松下、OMRON；德国的西门子、BBC等公司。
目前，全世界约有200多家公司从事PLC的研究与制造，生产着400多个系列的产品。
早期的可编程控制器指令系统简单，只能完成顺序控制，一般只具有逻辑运算、定时、计数等功能。
随着微电子技术、控制技术与信息技术的不断发展，PLC也在不断发展。
20世纪80年代后期，以16位和32位微处理器构成的微机化PLC得到了巨大的发展，使其在概念上、设计上、性价比等方面都有了很大的突破。
可编程控制器具有了浮点运算、函数运算、高速计数、中断计数、PID控制及联网等功能[2]，这些都使得PLC技术的应用范围和领域不断扩大。
1.2PLC控制技术国内外应用现状
世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司（DEC）研制的。
限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。
20世纪70年代初出现了微处理器。
人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传输及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。
为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。
此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。
20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。
更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。
20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。
这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能和产品系列化。
这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升，这标志着可编程控制器已步入成熟。
20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。
从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。
目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车和轻工业等领域的应用都得到了长足的发展[3]。
我国可编程控制器的引进、应用、研制和生产是伴随着改革开放的。
最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。
接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。
目前，我国已可以生产中小型可编程控制器。
上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。
可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。
1.3矿用挡车栏控制系统的研究背景、研究现状及研究意义
目前我国矿山井下辅助运输绝大多数仍然以轨道运输为主要方式，斜巷轨道运输又是煤矿辅助运输的重要一环，其特点是工作范围广、战线长、占用设备多、设备设施流动性大、涉及人员多。
在目前煤矿生产中，运输事故还占有很大的比例。
在斜巷矿车移动中，由于绞车司机的违章作业、信号把钩工的不规范推车、连挂车和矿车连接装置的不完好等原因,易发生跑车事故。
一旦发生跑车，就可能造成设备损坏、中断斜巷运输,造成严重的经济损失，严重的还会造成人员伤亡,对矿井的安全生产造成严重影响。
在煤矿斜井绞车提升运输作业时，为保证斜井提升时绞车牵引的矿车（或箕斗）能安全、有效地运行，在斜井一定位置设置挡车栏跑车防护装置是较好途径。
实践证实，当斜井发生跑车时，若挡车栏处于开启位置时，挡车栏能有效的将跑车挡住，防止跑车继续下坠造成重大人员伤亡及财产损失[4]。
1.4矿用挡车栏系统功能介绍
本设计任务是针对基于PLC的矿用挡车栏系统进行设计。
该系统应实现以下功能要求：
（1）能够有效的对挡车栏进行控制，分为手动控制和自动控制两种方式；
（2）能够对矿车的运行状态进行实时监控，当矿车运行出现问题时可及时报警并控制挡车栏对矿车进行拦截；
（3）能够与上位机进行通讯，可以在人机界面中观察矿车状态并进行手动操作。
本系统可在煤矿、金属矿山、非金属矿山等所有倾角在30°以下的单轨提升运输斜巷中安装使用。
当斜巷矿车发生跑车时，对发生跑车的矿车进行有效拦截以免扩大事故。
1.5设计方案选择
通过查阅资料，认真分析，综合比较，最后确定了以下这种设计方案：
应用小型可编程控制器（西门子S7-200中CPU224）作为控制系统硬件部分控制核心，采用组态王软件设计人机界面，使用CAD制图软件绘制电气原理图，采用西门子STEP7-MicroWIN编程软件进行编程。
本设计方案简单易懂，所用到的软件和硬件技术发展成熟，便于查找相关资料、采集相关信息，而且实验室具备可编程控制器的应用条件，指导老师具有相关的工作基础和工作经验，毕业设计机房及实验室具备研究条件，综合以上所述，本设计方案完全可行，可以完成本课题的研究和设计任务。
第二章PLC控制系统设计的方法
本章旨在探讨一种广泛适用的PLC控制系统设计方法，在完成本章内容的过程中参考了大量的国内外PLC控制系统设计的应用实例，同时结合了在实践项目中的一些设计经验。
本章内容对于在工程应用中设计基于PLC的控制系统具有一定的指导意义。
2.1PLC的结构和工作原理
PLC是基于PLC的控制系统的核心部分，设计基于PLC的控制系统先要理解PLC的结构和工作原理。
2.1.1PLC的基本组成
PLC的组成与计算机十分相似，主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）接口、电源等部分组成，如图2-1所示。
图2-1PLC基本组成简图
中央处理器（CPU）：
CPU是PLC的核心，控制从编程器键入的用户程序和数据的接收与存储；用扫描的方式通过I/O部件接收现场的状态或数据；诊断PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等；执行用户程序、完成各种数据的运算、传递和存储等功能；根据数据处理的结果，刷新相关标志位的状态和输出状态寄存器的内容，实现输出控制、制表打印或数据通信等功能。
现代PLC常用的CPU有通用微处理器、单片微处理器和位片式微处理器。
存储器：
根据存储器在系统中的作用，PLC存储器包括系统存储器和用户存储器两部分。
系统存储器用来存放系统程序，并固化在ROM中，用户不能直接更改。
用户存储器包括用户程序存储器（程序区）和功能存储器（数据区）两部分。
用户程序存储器用来存放根据具体的控制任务编写的PLC程序，需要经常调试、修改，存储器类型一般为RAM（有掉电保护）、EPROM或EEPROM等。
用户功能存储器则一般用来存放用户程序中使用的状态变量、数值数据等。
输入/输出（I/O）接口：
PLC通过I/O接口与外界连接，输入接口接收和采集开关量输入信号或模拟量输入信号，如按钮、行程开关、电位器、传感器等；输出接口连接被控对象中的各种执行元件，如电磁阀、指示灯、电机等。
电源：
小型PLC内部有一个开关式稳压电源，一般可以为输入电路和外部的电子传感器提供24V直流电源。
通讯：
用户用HMI设备与PLC之间的通讯网络，一般用工业以太网。
2.1.2PLC的工作原理
PLC从硬件结构上看与计算机组成相似，它也有中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）接口、电源等。
PLC有两种操作方式：
RUN方式与STOP方式。
在RUN方式，通过执行用户程序来实现控制功能；在STOP方式，CPU不执行用户程序，可用编程软件创建和编辑用户程序，并将用户程序下载到PLC中。
PLC的工作过程可以概括地归纳为上电初始化，CPU自诊断过程，网络通信处理，用户程序扫描，输入/输出信息处理等五个阶段。
图2-2为PLC的工作过程示意图。
图2-2PLC的工作过程
（1）上电初始化：
PLC上电后进行系统初始化，清除内部继电器区，复位定时器等，对电源、PLC内部电路、用户程序的语法进行检查。
（2）CPU自诊断：
PLC在每个扫描周期都要进入CPU自诊断阶段，以确保系统可靠进行。
自诊断程序定期检查用户程序存储器、I/O单元的连接、I/O总线是否正常，定期复位监控定时器等。
（3）网络通信处理：
配有网络的PLC系统才有此处理过程。
在这个阶段，进行PLC之间以及PLC与计算机或其他终端设备之间的信息交换。
（4）用户程序扫描阶段：
PLC靠执行用户程序来实现控制要求。
PLC的CPU采用分时操作的原理，其工作方式是一个不断循环的顺序扫描过程，扫描从第一条用户程序开始，在无中断或跳转控制的情况下，按存储地址号递增的方式顺序逐条扫描用户程序，也就是顺序执行程序，直到程序结束，即完成一个扫描周期，然后又从头开始执行用户程序，并周而复始地重复。
（5）输入/输出信息处理：
PLC在正常运行状态下，每一个扫描周期都要进行输入、输出信息处理。
PLC在内存中设置了两个映像区：
一个为输入映像区，另一个为输出映像区。
此过程以扫描的方式把外部输入信号的状态存入输入映像区；将运算后的结果存入输出映像区，直至传送到外部被控设备[5]。
2.1.3PLC的编程语言
PLC的逻辑控制功能是通过编程语言来实现的。
一般来说，有五种PLC编程语言顺序功能图、功能块图、梯形图、指令表和结构文本，其中最常用的是顺序功能图编程语
言和梯形图编程语言，下面具体介绍这两种编程语言。
（1）顺序功能图（SFC）
图2-3顺序功能表
顺序功能图（SequentialFunctionChart，SFC）是为了满足顺序逻辑控制而设计的编程语言。
编程时将顺序的动作流程分成步和转换条件，如图2-3所示，根据转换条件一步一步的按照顺序动作来执行控制过程。
图中每一步代表的是一个控制功能任务，每个控制任务可以有一个或者多个动作。
每一步用一个方框表示，在方框内有用于完成相应控制功能任务的梯形图逻辑。
顺序功能图使程序的结构清晰，易于阅读和维护，减轻了编程、调试的工作量，主要应用于系统的规模较大、程序关系较复杂的场合。
（2）梯形图（LD）
梯形图（LadderDiagram，LD）是PLC程序设计中用得最多的一种编程语言。
梯形图采用因果关系来描述事件发生的条件和结果。
在PLC梯形图中使用的内部继电器、定时器、计数器等都是由软件来实现的，因而使用方便，修改灵活。
梯形图与继电器控制系统的电路图非常相似，在工业过程控制领域，电气技术人员对继电器逻辑控制技术较为熟悉，因此，易于掌握和学习梯形图，使得梯形图得到了广泛的应用[6]。
图2-4为一个简单的西门子S7-200系列PLC梯形图示例。
图2-4西门子S7-200系列PLC梯形图
2.3PLC控制系统的设计原则
PLC控制系统是为现场工艺控制服务的，其设计一般应遵循以下几个原则：
（1）根据工艺流程进行设计，保证能满足控制对象的工艺要求，能按照工艺流程准确、可靠的工作。
（2）在满足控制要求的前提下，设计合理、经济，既要能发挥PLC控制技术的优点，又要尽量减少PLC系统硬件的费用。
（3）要考虑PLC控制系统未来的可扩展性。
（4）控制系统的构成应力求简单、实用，操作、维护、检修方便，安全可靠。
（5）PLC控制系统的可靠性、抗干扰性、接地系统的设计。
2.4PLC控制系统的设计步骤
图2-5控制系统设计步骤示意图
图2-5为PLC控制系统设计的一般步骤，具体分析如下：
（1）分析控制要求：
在设计PLC控制系统之前，要深入了解和分析被控对象的工艺要求和控制要求，设计出令人满意的控制系统。
（2）确定输入/输出设备：
根据控制要求选择合适的输入设备（控制按钮、开关、传感器等）和输出设备（接触器、继电器等），并确定PLC所需的I/O点数。
（3）选择合适的PLC：
根据所需的I/O点数和具体PLC控制系统的功能要求，选择类型合适的PLC，需要考虑PLC的机型、存储容量、电源模块和其他功能模块等。
（4）I/O分配：
规定PLC的I/O端子和输入/输出设备之间的对应关系，绘制出I/O端子的连接图。
（5）PLC程序设计：
根据控制对象和控制要求对PLC进行编程。
在PLC程序设计阶段一般先画出程序流程图，再编写程序。
（6）模拟调试：
可以用按钮、开关来模拟数字量，用电压源和电流源来代替模拟量，对程序反复调试、修改，直到满足控制要求。
（7）现场安装与配线：
将输入/输出设备与PLC之间的连线接好。
（8）联机调试：
将PLC程序与现场的输入/输出设备一起进行调试，解决发现的问题，使系统满足控制要求。
（9）整理技术文档：
要整理的技术文档包括设计说明书、I/O接线原理图、程序清单、元器件明细表、使用说明书等[7]。
2.5PLC控制系统硬件设计
在PLC控制系统的设计中硬件设计和软件设计是两个主要部分。
PLC控制系统的硬件设计主要指硬件的选型、外部电路的设计及PLC接线图的绘制等，其中PLC及其功能模块的选择又是硬件设计中首要考虑因素，也是本节PLC控制系统硬件设计的主要探讨内容。
2.5.1PLC机型选择
在考虑PLC机型时，在满足系统功能的前提下，选择最可靠、使用和维护方便及性价比最优的机型。
PLC机型一般分为整体式和模块式结构，对于控制过程比较简单的系统一般选用低档整体式结构机型；对于控制过程比较复杂、控制功能要求较高的系统，如要求实现PID运算、环控制、通信联网等，可根据控制规模及复杂的程度，选用中档或高档模块式结构机型，便于功能的扩展。
另外，由于PLC是直接针对工业控制设计的一种控制器，生产厂家在设计时都把它考虑成能在恶劣的环境条件下可靠的工作。
尽管如此，不同的PLC还是有不同的环境技术条件，因此，在设计控制系统时，对环境条件要进行充分的考虑。
2.5.2I/O模块及点数的选择
PLC控制系统与工业生产过程的联系是通过I/O接口模块来实现的。
PLC输入端子从现场收集的信息及输出端子输出给外部设备的控制信号都需经过一定距离，为了确保这些信息的准确无误，PLC的I/O接口模块都具有较好的抗干扰能力。
根据实际应用的不同，PLC相应有许多种I/O接口模块，包括开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块及模拟量输出模块，可根据实际需要进行选择使用。
I/O点数的确定既要尽可能的降低费用，又要充分考虑一定的余量。
一般I/O点数较多，PLC价格也较高，若备用的I/O点数量太多，将使成本增加。
根据被控对象的输入、输出总点数，并考虑到今后的调整和扩充，通常I/O点数按实际需要的1
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