基于PLC的煤矿架空乘人缆车控制系统设计范本.docx
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基于PLC的煤矿架空乘人缆车控制系统设计范本
2013届****专业毕业设计
基于PLC的煤矿架空乘人缆车
控制系统设计
学生姓名：
邵冰
班级：
矿电10-1
学制：
三年
学历层次：
专科
指导教师：
论文（设计）提交日期：
2013年6月**日
论文（设计）答辩日期：
2013年6月**日
江苏建筑职业技术学院
矿业与交通工程学院
二○一三年六月
摘要
煤矿副井提升担负着人员、设备、材料、矸石等的运输任务，是煤矿生产的重要环节。
副井操车是指在井口或井底，将准备好的运料或运矸矿车推入副井罐笼的操作过程。
良好的副井操车控制系统，能保证操车过程的安全高效，从而提高生产效率。
本设计针对的矿井，副井提升采用多绳摩擦落地式提升机，单层双罐（宽、窄罐）提升方式。
窄罐用作提人、排矸；宽罐除了具有窄罐作用外，还负责下大料设备。
副井信号操车系统通常包括井口操车系统、井底操车系统和绞车房信号系统。
（见附图1系统概况图）三者之间主要利用PROFIBUS通讯模式通过RS485双绞线进行通讯联系（见附图6副井操车系统安装图）。
井口、井底操车控制系统大体相同，而信号系统既作为绞车信号通讯同时有作为操车控制的闭锁对象来配合操车控制运行。
关键字：
副井操车；PLC；控制系统
1绪论
1.1选题背景
副井提升运输综合自动化控制系统是矿井民生领域必备的重要基础设备。
副井提升运输综合自动化系统是在高性能的提升机控制和智能信号和操车控制的基础上，将提升机、信号系统、操车系统集于统一整体，搭建信息融合、相互闭锁、安全可靠、高效节能、协同作业的综合自动化系统。
本设计取材于某矿山副井提升运输综合自动化系统进行技术改造工程实例，并截取部分功能（操车系统部分）,设计先进、可靠的安全门、摇台、稳罐器、阻车器、推车机控制系统。
并与提升及系统和信号系统实时信号较好构建信息整体，实现信号闭锁，完成信息融合。
操车系统部分是一种相对于矿井提升机垂直运输而水平运输矿车的重要设备。
应为要求具有高控制精度、高可靠性，并应具有必要的报警、抗干扰措施。
选题依据在工业生产中，机械的制动的准确性和顺序性为主要。
例如：
在冶金工业，化工生产，电力工程，机械制造和食品加工等许多领域中，人们都需要对各类机械采用合理的检测和控制，采用PLC来对它们进行控制，不仅具有控制方便，简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控设备的操作准确度，从而能够大大提高被控对象的安全性。
因此，PLC对操车系统的控制是一个矿井工业中经常会遇到的问题，现以基于PLC的副井提升运输综合自动化控制系统-操场系统部分为例进介绍。
普通操车系统中的矿车行程单一，不能进罐推车，因此矿车由罐笼附近上下摇台进出罐笼的工作只能由人工来完成，在罐笼内的车辆也要由其它车辆顶出，在没有其它车辆装卸罐笼的情况下，也只能由人工将矿车从罐笼内推出或在罐笼内定位。
采用PLC控制的操车系统带来功能的增加、性能的改善，而且具有明显的安全性、效率的提升，同时整机寿命有明显提高。
近年来国内厂商都在竞相开发。
本设计拟采用一种以PLC为核心的基于CPU226的副井提升运输综合自动化控制系统-操车系统部分，系统中主要包括三种模式：
自动模式，手动模式，检修模式，还有过电压保护、欠电流保护，急停措施。
1.1.1
1.1.2毕业设计的内容
副井提升运输系统的信号的任务是提升机罐笼准确停车后，操车控制系统对本终端的安全门、摇台、稳罐器、阻车器、推车机按特点顺序控制，完成装卸罐笼的任务。
并和提升机控制系统进行信号闭锁，避免事故发生。
1.2设计实现的主要功能
系统要求：
1.具有检修、手动、自动工作方式；
（1）自动：
罐笼到位，启动油泵，按下启动按钮，设备则按照设定好的程序自动完成一次装车过程。
安全门开→摇台落→前阻开→推车机进→推车机退→前阻关→摇台升→安全门关→打点
（2）手动：
罐笼到位、启动油泵、按照以上程序操作按钮，按错按钮则不能动作。
（3）检修：
罐笼到位，启动油泵，需要推车机前进、后退时必须满足前阻开到位和摇台落到位。
其余设备均可点动。
2.自动判断和调度功能；
3.安全保护和报警功能；
1.3课题研究内容与方法
1.3.1采煤机定位系统研究
1.3.2采煤机的截割路径记忆
1.3.3采煤机的截割路径跟踪
1.3.4采煤机自适应控制方法研究
1.3.5课题研究意义
2井口操车系统的组成
2.1井口操车控制系统
电控操作台、集控液压站、，防爆磁力启动器，摇台、安全门、前后阻车器、道岔、复阻、把钩信号、红灯和语音信号等组成。
井口操车系统布置如图1-1。
2.2操车设备及选用原则
操车设备主要组成包括液压集中动力站、液控摇台、装罐销齿推车机、液控车器、折叠式安全门及液控复阻等。
操车设备选用原则有：
1）要保证停罐平稳，便于各项作业有效地进行。
2）选用的设备安全可靠并便于实现机械化和联动操作或集中操作，尽量减轻体力劳动。
3）要方便上下人员，材料和设备。
4）应尽量减少罐笼进出车的休止时间，提高生产效率
2.3操车设备清单（井口与井底控制设备种类及数量相同）
表１-1 副井操车设备
序号
设备名称
数量
备注
１
液动摇台
2台
带有位置监测，与罐笼到位信号闭锁
２
安全门
4扇
带有位置监测，与罐位和提升信号连锁
３
前阻车器
2台
带有位置监测，与提升信号连锁
４
液动销齿推车机
2台
推车机行程带位置监测，与罐笼到位信号闭锁，速度、推力可调
５
复阻车器
2台
限定矿车运动范围，保证安全有序
６
液压站
2套
1用1备（双电机双泵）
2.4机械设备结构原理
2.4.1摇台
井口窄罐采用CYY6/2液压配重结构，侧动驱动，液压站必须保证摇台在不工作时始终处于抬起状态，设备须同时具有机械和液压自锁。
工作时靠摇台自重复位，摇台采用后置配重结构且配重可调，摇台留有手动操作手把，用作紧急状态下使用。
摇台工作时，液压缸缩回，摇臂落下与罐笼搭接，摇尖与罐笼内导轨衬的结构能保证侧向定位可靠。
井底采用CYY6/4液压配重结构，侧动驱动，液压站必须保证摇台在不工作时始终处于抬起状态，设备须同时具有机械和液压自锁。
工作时靠摇台自重复位，摇台采用后置配重结构且配重可调，摇台留有手动操作手把，用作紧急状态下使用。
摇台工作时，液压缸缩回，摇臂落下与罐笼搭接，摇尖与罐笼内导轨衬的结构能保证侧向定位可靠，摇台的结构与动作原理见图1-2。
2.4.2液压推拉式安全门
安全门防止人员或矿车误入危险区，发生坠井事故而设置的一种安全设备，其特点：
可靠的防护作用，开启灵活，方便井口.底的各项作业，不妨碍长材料及设备下井。
本安全门采用液压马达链式传动（水平方向），液压马达速度0.1-0.5m/s可调，液压推位安全门见图1-3
2.4.3前阻车器
采用ZDY-9单式液压阻车器，有一对阻爪和弹簧缓冲装置，当车轮撞击阻爪时，阻爪使套在固定轴后部的弹簧压缩，撞击的能量便为弹簧吸收。
阻爪的尾部通过连杆和操纵机构连接，液压缸活塞杆的往复运动使两个阻爪同时打开或关闭，关闭时阻车，打开后矿车即可通过。
阻车器驱动结构简单，除阻爪外无突出地面的部件，外观平整，利于人员通行。
要求阻车器使用液压缸为动力，使用摆动式液压缸，避免阻车器位移时损坏液压缸。
2.4.4后阻车器
后阻车器的结构和前阻车器相同，只不过油路连接不同从而和前阻形成一开一闭，作用是防止矿车误动而避免轨道全开的情况出现起到保护操车安全的作用。
2.4.5复阻
复阻是将两台前后阻车器距离缩小后放在一起，油路连接方式同前后阻车器一样，复阻一般是将一套设在道岔前面，目的是防止多辆矿车同时进入操车工作区，一次只能通行1-2辆矿车，阻车器的结构见图1-4。
2.4.6道岔（搬道器）
道岔是一对活动的轨道，用来变轨操作使用，作用是负责调配车辆通行方向。
道岔有许多种，有手动道岔、液动道岔、活动道岔等，活动道岔一般放在出罐侧利用矿车自动变轨进入主道。
2.4.7推车机
液动推车机有液动钢丝绳推车机、液动销齿式推车机和液动组链式推车机，是随着液压技术的普及而新推出的一种推车机。
我们的推车机采用液动组链式传动。
组链传动属于齿轮传动的一种特殊形式，与一般齿轮传动相比，具有结构简单，加工容易，拆修方便，造价低等优点。
另外，该推车机传动环节少，效率高，故障率低。
更主要的是由于采用液压马达，推车机抗过载性能好，实现了恒扭矩转动。
推车机的作用是负责将矿车或物料从进车侧轨道推入罐笼内，实现物料的机械化操作，降低人员劳动强度。
2.5液压系统
2.5.1概述
液压站为安全门、摇台、推车机、阻车器等提供动力，是整套设备唯一的动力源，液压站有以下特点：
1）具有调速控制功能，使推车机可以变速运行。
2）可以提供高速大推力和低速小推力的输出。
3）系统按高压设计，但工作在中低压区。
为保证系统可靠及维修方便，采用一箱双机集中控制，双泵双电机，一路工作，一路备用，采用多重保护。
为进一步提高系统可靠性，防止泄漏，采用整体集成块技术。
管路全部采用高压胶管，更便于安装维修。
液压缸采用高可靠性重型液压缸，双端缓冲。
图1-5 液压站
1、液压系统构成及基本原理
液压系统主要由液压泵站、油缸、液压马达及连接它们的高压胶管组成液压系统原理见图1-7。
电磁阀：
系统能自行卸荷，当电磁阀前推（后拉）时，顶升油缸活塞杆伸出（缩进），从而实现顶升机构的上升（下降）。
溢流阀：
用于保护系统压力不致于超载，溢流阀出厂时已调好，不必要时，用户不得随意调整。
压力调节：
系统工作的最大压力由溢流阀决定，在系统出厂前已由专业人员按系统额定压力调定好，用户使用和维修过程中若需调节，可以先松开溢流阀的调节手柄上的并紧螺帽，旋入调节柄可使系统最大工作压力升高，旋出调节柄可使系统最大工作压力降低。
液压系统的主要参数见表1-2。
注意：
调节压力时不允许超过“液压系统主要技术参数表”中相应的最高压力，并记住在调节完毕后，将锁紧螺帽并紧，以免松动。
电磁换向阀采用DC24V直流驱动，线圈功率38W、稳定吸和持续电流1.58A，电磁换向阀见图1-6。
序号
名称
单位
规格与参数
井口+1415
井底+900
1
额定压力
MPa
12.5
2
额定流量
L/min
35
3
电磁换向阀
DSG-03-3C4-DC2438W
4
电磁溢流阀
DBW-G03-10DC2425W
5
电
机
功率
KW
7.5
额定电压
V
380／660
6
开关
防爆型磁力启动开关
7
数量
台
QBZ-60/380
QBZ-60/660
8
型号
YAZ-1
表1-2液压系统主要参数表
2.5.2传感器的分配
PLC作为工业控制装置，其检测信号的传感器精度、可靠性将关系到控制系统能否正常运行，在选用传感器时，应综合考虑。
在本系统中，罐笼两侧设有罐位传感器，判断罐笼所处的位置；左、右安全门的开关和进出状态均由传感器检测，能根据检测出的安全门实际位置进行操作；进出左、右摇台及其起落状态由传感器检测；左、右，前、后阻车器起落由传感器检测，可以准确判断出它们所处的位置；左、右推车机，前后都设有限位传感器，使其只能在规定的区域内工作；补车阻车器的起落，到位状态由传感器检测，另外在其前后还安装有限位传感器，井口传感器的分布见图1-8。
图1-8井口传感器分布图
3PLC系统控制要求
3.1设计实现的主要功能
系统要求：
1.具有检修、手动、自动工作方式；
（1）自动：
罐笼到位，启动油泵，按下启动按钮，设备则按照设定好的程序自动完成一次装车过程。
摇台落→安全门开→前阻开→推车机进→推车机退→前阻关→安全门关→摇台升→打点
（2）手动：
罐笼到位、启动油泵、按照以上程序操作按钮，按错按钮则不能动作。
（3）检修：
罐笼到位，启动油泵，需要推车机前进、后退时必须满足前阻开到位和摇台落到位。
其余设备均可点动。
2.自动判断和调度功能；
3.安全保护和报警功能：
3.1.1工作原理
操车系统是用于矿井中水平运输矿车的设备，所以在矿车系统中最核心的部位为推车机，当罐笼到位后在自动模式下摁下开关则系统会自动执行打开安全门，然后放下摇台这时候阻车器打开，推车机进矿车推出。
一次推车过程就结束。
而在手动模式下则步骤和自动模式一样，但是各个部分要人工操作。
而在检修模式下必须满足摇台落，阻车器开，推车机进，推车机回其余设备可以点动。
操车系统在矿井中一般情况下要求一直开启所以运行的稳定程度很重要，所以油泵运行时候的电压电流的稳定程度也很重要所以加入了过电流保护和欠电压保护，电机还有自己的保护
3.2系统工作原理
操车系统是各类矿井使用的控制矿车运行的设备，它决定了煤矿企业的开采效率，但是由于矿井内粉尘多、潮湿环境因素复杂。
因此操车系统要求具有高控制精度、高可靠性，并应具有必要的报警和急停的措施。
基于S7-200PLC控制的操车系统具有以下功能:
可以任意在自动模式、手动模式、检修模式间转换.每个动作都有指示现实、方便操作人员知道进行到哪一步了。
并且还有电流、电压参数报警此外各个部分都有自己的保护措施。
根据以上分析，此PLC控制操车系统可以分解为以下几个模块:
自动模式模块、手动模式模块、模式模块，电压电流报警模块，复位模块，电源提供模块。
系统原理框图如图所示。
图3.1系统原理框图
工作原理：
操车系统是用于矿井中水平运输矿车的设备，所以在矿车系统中最核心的部位为推车机，当罐笼到位后在自动模式下摁下开关则系统会自动执行打开安全门，然后放下摇台这时候阻车器打开，推车机进矿车推出。
一次推车过程就结束。
而在手动模式下则步骤和自动模式一样，但是各个部分要人工操作。
而在检修模式下必须满足摇台落，阻车器开，推车机进，推车机回其余设备可以点动。
操车系统在矿井中一般情况下要求一直开启所以运行的稳定程度很重要，所以油泵运行时候的电压电流的稳定程度也很重要所以加入了过电流保护和欠电压保护，电机还有自己的保护。
1.72系统的功能
1.自动控制功能
此部分是PLC自动运行系统，其运行顺序为：
安全门开摇台落阻车器开推车机进推车机退阻车器关摇台升安全门关
2.显示功能
此模块属于人机交互，主要为油泵启动和各个部分都有指示灯显示，可以清楚地在操作室看到系统运行的状态。
3.报警功能
操车系统求具有高控制精度、高可靠性，并应具有必要的报警，用于及时发现故障。
4.复位功能
如果系统的保护装置无法系统，则人工可以进行手动停止，这样设置可以预防意外情况发生。
5.电磁阀模块
由于系统为确保长时间的稳定运行所以各个部分的动作为液压动作，所以电磁阀是控制油泵的油是进还是退。
6.手动控制模块
罐笼到位后要求每个部分都要手动操纵
安全门开摇台落阻车器开推车机进推车机退阻车器关摇台升安全门关
7.电源模块
此系统需要24V和220V电源供电。
8．检修模块
要求推车机前进、后退时必须满足前阻开到位和摇台落到位。
其余设备均可点动。
3.2.1采煤机机身定位策略
3.2.2采煤机机身定位的理论模型
3.3采煤机的姿态定位
3.4本章小结
4PLC控制系统硬件组成概述
4.1西门子27-200控制系统
20世纪60年代，计算机技术开始应用于工业领域，由于价格高、输入电路不匹配、编程难度大以及难于适应恶劣工业环境等原因，未能在工业控制领域获得推广。
1968年，美国通用汽车公司（GM）为了适应生产工艺不断更新的需要，要求寻找一种比继电器更可靠、功能更齐全、响应速度更快的新型工业控制器，并从用户角度提出了新一代控制器应具备的十大条件，立即引发了开发热潮。
随着PLC功能的不断完善，性价比的不断提高，PLC的应用面也越来越广。
目前，PLC在国内外已经广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。
PLC的应用范围通常可分为开关逻辑控制、运动控制、过程控制、机械加工中的数字控制、机器人控制、通信和联网等。
PLC从组成形式上一般分为整体式和模块式两种，但在逻辑结构上基本相同。
无论是整体式还是模块式，从硬件结构看，PLC都是由CPU、存储器、I/O接口单元及扩展接口和扩展部件、外设接口及外设和电源等部分组成，各部分之间通过系统总线连接。
1．CPU（中央处理器）
CPU是PLC的核心，由运算器、控制器、寄存器、系统总线，外围芯片、总线接口及有关电路构成。
它的功能是接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等，是PLC不可缺少的组成单元。
主要功能包括以下几个方面:
（1）收从编程器或者计算机输入的程序和数据，并送入用户程序存储器存储。
（2）监视电源、PLC内部各个单元电路的工作状态。
（3）诊断编程过程中的语法错误，对用户程序进行编译。
（4）在PLC进入运行状态后，从用户程序存储器中逐条读取指令，并分析、执行该指令。
（5）采集由现场输入装置送来的数据，并存入指定的寄存器中。
（6）按程序进行处理，根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出状态或数据寄存器的内容。
（7）根据输出状态或数据寄存器的有关内容，将结果送到输出接口。
（8）响应中断和各种外围设备（如编程器、打印机等）的任务处理请求。
2．I/O接口
PLC是通过各种I/O接口模块与外界联系的，按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置能力的限制，即受最大的底板或机架槽数限制。
I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。
PLC的对外功能主要是通过各种I/O接口模块于外界联系来实现的。
输入模块和输出模块是PLC与现场I/O装置或设备之间的连接部件，起着PLC与外部设备之间的传递信息的作用。
I/O模块分为开关量输入、开关量输出、模拟量输入和模拟量输出等模块。
3．存储器
存储器（内存）主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。
一般包括系统程序存储器和用户程序存储器两部分。
系统程序存储器用于存储整个系统的监控程序，一般采用只读存储器（ROM），具有掉电不丢失信息的特性。
用户程序存储器用于存储用户根据工艺要求或者控制功能设计的控制程序，早期一般采用随机读写存储器（RAM），需要后备电池在掉电后保存程序。
目前则倾向于采用电可擦除的只读存储器（EEPROM）或闪存（FlashMemory），免去了后备电池的麻烦。
4．电源模块
PLC中的电源，是为PLC各模块的集成电路提供工作电源。
电源可分直流和交流两种类型，交流输入220VAC或110VAC，，直流输入通常是24V。
5．智能模块
除了上述通用的I/O模块外，PLC还提供了各种各样的特殊I/O模块，如热电阻、热电偶、温度控制、中断控制、位置控制、以太网、远程I/O控制、打印机等专用型或智能型的I/O模块，用以满足各种特殊功能的控制要求。
I/O模块的类型、品种与规格越多，系统的灵活性越好，模块的I/O容量越大，系统的适应性就越强。
6．编程设备
常见的编程设备有简易手持编程器、智能图形编程器和基于PC的专用编程软件。
编程设备用于输入和编辑用户程序，对系统作些设定，监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况。
编程设备在PLC的应用系统设计与调试、监控运行和检查维护中是不可缺少的部件，但不直接参与现场的控制。
PLC本质上就是一台微型计算机，其工作原理与普通计算机类似，具有计算机的许多特点。
但其工作方式却与计算机有着较大的不同，具有一定的特殊性。
PLC采用循环扫描的工作方式。
工作时逐条顺序扫描用户程序，如果一个线圈接通或断开，该线圈的所有触点不会立即动作，需等扫描到该触点时才会动作
根据PLC的结构形式，可将PLC分为整体式和模块式两类。
还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式PLC。
还可以按I/O点数分类，根据PLC的I/O点数的多少，可将PLC分为小型、中型、大型和超大型四类:
（1）I／O点数在256以下为小型PLC；
（2）I／O点数在256～1024为中型PLC；
（3）I／O点数大于1024为大型PLC；
（4）I／O点数在4000以上为超大型PLC
可编程控制器有可靠性高、编程简单易学、功能强、安装简单、维修方便、采用模块化结构、接口模块丰富、系统设计与调试周期短等特点。
4.2S7-200硬件设计说明
弄懂PLC的基本工作原理和指令系统后,就可以把PLC应用到实际的工程项目中。
无论是用PLC组成集散控制系统，还是独立控制系统。
任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象（生产设备或生产过程）的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。
而在实际设计过程中，设计原则往往会涉及很多方面，其中最基本的设计原则可以归纳为4点。
1.设计原则
（1）完整性原则。
最大限度的满足工业生产过程或机械设备的控制要求。
（2）可靠性原则。
确保计算机控制系统的可靠性。
（3）经济型原则。
力求控制系统简单、实用、合理。
（4）发展性原则。
适当考虑生产发展和工艺改进的需要，在I/O接口、通信能力等方面留有余地。
2.评估控制任务
根据系统所需完成的控制任务，对被控对象的生产工艺及特点进行详细分析，特别是从以下几个方面给以考虑。
（1）控制规模
一个控制系统的控制规模可用该系统的I/O设备总数来衡量。
当控制规模较大时,特别是开关量控制的I/O设备较多时，最适合采用PLC控制。
（2）工艺复杂程度
当工艺要求较复杂时,采用PLC控制具有更大的优越性.
（3）可靠性要求
目前,当I/O点数在20甚至更少时，就趋向于选择PLC控制了。
（4）数据处理速度
若数据处理程度较低，而主要以工业过程控制为主时，采用PLC控制将非常适合。
PLC控制系统设计包括硬件设计和软件设计。
所谓硬件设计，是指PLC外部设备的设计，而软件设计即PLC应用程序的设计。
整个系统的设计分以下5步进行。
1.熟悉被控对象
深入了解被控系统是设计控制系统的基础。
设计人员必须深入现场，认真调查研究，收集资料，并于相关技术人员和操作人员一起分析讨论，相互配合，共同解决设计中出现的问题。
这一阶段必须对被控对象所有功能全面的了解，对对象的各种动作及动作时序、动作条件、必要的互锁与保护;电气系统与机械、液压、气动及各仪表等系统间的关系;PLC与其他设备的关系，PLC之间是否通信联网;系统的工作方式及人机界面，需要显示的物理量及显示方式等。
2.硬件选择
（1）系统I/O设备的选择。
输入设备包括按纽、位置开关、转换开关及各种传感器等。
输出设备包括继电器、接触器、电磁阀、信号指示灯及其它执行器等。
（2）选择PLC。
PLC选择包括对PLC的机型、容量、I/O模块、电源等的选择。
（3）PLC的I/O端口分配。
在进行I/O通道分配时应给出I/O通道分配表，表中应包含I/O编号、设备代号、名称及功能等。
（4）绘制PLC外围硬件线路图。
画出系统其它部分的电气线路图，包括主电路和未进入PLC的控制电路等。
由PLC的I/O连接图和PLC外围电气线路图组成系统的电气原理图。
到此为止系统的硬件电气线路已经确定。
（5）计数器、定时器及
升级会员 