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论煤矿提升机的PLC控制及其程序设计【摘要】用可编程控制器（PLC）代替传统的继电器逻辑控制回路来控制矿井提升机，可以大大减小设备体积，提高系统的控制精度和可靠性，文章对煤矿提升机的PLC控制及其程序设计进行了探讨。
【关键词】提升机；可编程控制器；程序设计1 PLC 网络通讯协议及方式PLC 与计算机之间的通讯通常是通过RS422 口或RS232 口进行的，其信息交换的方式为字符串方式，运用RS232 和RS422 通道，容易配置一个与外部的计算机（如个人机和主机）进行通讯的系统。
可将所有软件的数据和状态由可编程控制器送入计算机，由计算机采集这些数据，进行分析及进行状态监视。
用计算机改变可编程控制器设备的初始值和设定值，从而实现计算机对可编程控制器的直接控制。
三菱FX 系列支持以下几种类型的通讯。
1.1 N：N 网络用FX2N，FX2NC，FXIN，FXON 可编程控制器进行的数据传输可建立在N：N 的基础上。
此种网络能链接一个小规模系统中的数据。
1.2 计算机链接（用专用协议进行数据传输）用RS485（422）单元进行的数据传输可用专用协议在1：n（16）的基础上完成。
1.3 可选编程口对于FXZN，FXZNC，FXIN，FXIS 可编程控制器，当该端口连接在FX2N-232-BD，FXON-32ADP，FXIN-232-BD，FX2N-422-BD 上时，可支持一个编程协议。
1.4 并行链接用FX2N，FX2NC，FXIN，FXON 可编程控制器进行的数据传输时，是采用100 个辅助继电器和10 个数据寄存器在1：1 的基础上来完成的。
FXIS 和FXON 的数据传输是采用50 个辅助继电器和10 个数据寄存器进行的。
1.5 无协议通讯（用RS 指令进行数据传输）用各种RS232C 单元，包括个人计算机，条形码阅读器和打印机，来进行数据通讯，可通过无协议通讯来完成。
此通讯使用RS 指令或一个FX2N-232IF 特殊功能模块。
PLC与变频器在矿井提升机调速系统中的应用目前我国矿井提升机中的主要系统，通常选用的是电器控制系统，用转子串电阻调节速度，并由继电器和接触器组成的一种控制装置。
一般的提升机转子串电阻调速电控系统具有很多的缺点，例如在控制上不够简单、明了；应用时可靠性较差；调节速度的效果较低等。
鉴于以上种种因素，通过选择PLC和变频器并把两者组合到一起的控制措施，能够很好的对原来电控系统进行一定的改善，从而增强电控系统的整体效果，并对其安全性和可靠性，以及控制能力和速度调节上做出明显改善。
标签：提升机；电控系统；PLC；变频器引言提升机属于大型的提升机械设备，通常使用较为广泛的是矿井提升机，它所发挥的效果是连接地面和井下输送的枢纽。
因为它自身作用的关系，又被称作是矿井的“咽喉”，所以必须要确保提升机在井道内的安全性能，避免在井道中突发意外事故，给工作人员带来一定的危害，耽误工作正常运行。
传统的矿井提升机控制系统大多都是选用继电器和接触器组成的控制系统，但是，由于该控制系统有很多不完善的地方，使用性能和維护性能都比较差，所以导致了其很难跟上现今矿业发展的前进脚步。
综上所述，这种传统的继电器控制系统会逐渐地消失，而新式的PLC与变频器控制系统将会成为新的发展方向。
文章从安全、可靠、高效、经济等几个方面为主要出发点进行改革。
据统计，我国现在所使用的矿井提升机大多数是选择那种传统的交流电控制系统[1]。
该电控系统在起动和调速换挡时电流的冲击力过大，属于有级调速，且调速的平滑性较差，速度低时机械特性绵软，静差率较大，而且容易发生机械故障，节能效果低。
为了改善传统交流绕线式转子异步电动机串电阻调速系统上的不足[2]，通过PLC和变频器合二为一的控制措施针对传统电控系统实行完善处理，使提升电动机较为广泛区域中的无极平滑调速得到了很好的改善，并且在机器运行时可以结合电动机的实际使用状况，来确保电动机一直正常有序的进行运转，而且这样的控制系统还非常适用于环境较为恶劣的工作场地，还具有相当优良的节能省电性能。
摘要矿井被称作地下矿井系统的咽喉,是井下与地面最重要的通道.矿井提升机承担着矿井与井下人员、矿料、设备等物资运输的重任,是整个矿井系统中的核心部分，矿井提升机的安全可靠运行至关重要。
所以设计一套安全可靠的矿井提升机控制系统具有极大的意义.PLC出现后以其显著优点迅速成为工业生产控制系统的主流发展方向，其可靠性高,抗干扰能力强；编程简单，使用方便；控制程序可变,具有很好的柔性功能完善;扩充方便，组合灵活,极大减少控制系统设计及施工工作量；体积小，重量轻；非常适用“机电一体化"设备。
基于PLC设计矿井提升机控制系统，极大满足对大型机械控制安全与可靠性的要求,且节能环保，便于操作与维护。
关键词：矿井提升机;PLC；控制系统.AbstractThe mine is called the throat of the underground mine, which is the most important channel of the underground mine。
The mine hoist bears the heavy responsibility of the mine and the underground personnel，the ore material，equipment and so on。
It is the core part of the entire mine system，and the safe and reliable operation of the mine hoist is very important。
Therefore, it is of great significance to design a safe and reliable control system of mine hoist。
PLC appears with its remarkable advantages quickly become industrial production control system of the mainstream of the development direction of, the high reliability, strong anti—interference ability; programming is simple, easy to use；variable control procedures，with perfect good flexible function；to facilitate the expansion，flexiblecombination，greatly reducing the control system design and construction work；has the advantages of small volume, light weight；very applicable electromechanical integration equipment。
浅谈PLC技术在矿井提升机系统中的应用作者：张为来源：《中国新技术新产品》2013年第17期摘要：目前的矿业生产中矿井提升机它作为一种重要的矿山机械设备，以其可靠的系统控制技术保障了矿山的生产安全。
其中以PLC技术的应用被作为提升机的辅助性技术满足了矿业企业的日益需要，经过实践得知这样的应用运行平稳、准确，具有很强的实用性。
本文结合实践对PLC技术在矿井提升机系统中的应用进行了探讨。
关键词：PLC技术；矿井提升机；电控系统；应用分析中图分类号：TD564 文献标识码：A1目前矿井提升机系统存在问题据不完全统计，目前我国矿井企业采用的矿井提升机，一般采用的是绕线型异步电动机转子串电阻的交流调速系统，但是随着我国经济的快速发展，这些原始产品存在着启动电流及切换电流冲击大和设备运行不平稳等现象，在实际生产中它的工作稳定性可靠性差，电机滑环接触也不良。
另外一旦机械发生故障了，在维修成本上也比较贵。
据笔者统计，这种原始产品在生产中发热现象比较多，所以容易产生工作线路老化，对生产安全造成很大的危害。
所以就目前来说，这种产品远远不能满足现在经济的需要和矿山企业的需求，需要急速更新产品。
2PLC技术功能介绍众所周知，PLC技术它是用于机器的一种自动控制，它的特点是体积小、功耗低、可靠性高等。
就目前来说，PLC技术已成为我国工业生产中最主要的自动化装置，它代表了当前电控技术的先进水平，很受大家的欢迎。
所以在我国的诸多矿业企业中被广泛应用于矿井提升机系统中。
而此时的PLC技术具备了它能实现主令操作控制的软接线网络和各水平操作台之间的信息传递等，在生产中能够产生全数字调速系统命令，同时它可以对整个系统进行监控，并以数字式及直线式动态显示罐笼运行位置，还可以与上位机相连，处理、传递来自各环节的信息。
3PLC技术工作原理概述时下的PLC技术工作原理是统一采用了微型计算机的运行方式。
在实际工作中可以分为3个阶段，这三个阶段分别是输入采样、用户程序执行和输出刷新。
本科毕业设计（论文）PLC在矿井提升机变频调速中的应用2011年6月本科毕业设计（论文）PLC在矿井提升机变频调速中的应用摘要摘要矿井提升机是矿山最重要的设备，肩负着矿石、物料、人员等的运输责任。
传统的矿井提升机控制系统主要采用继电器-接触器进行控制，这类提升机通常在电动机转子回路中串接附加电阻进行启动和调速。
这种控制系统存在可靠性差、操作复杂、故障率高、电能浪费大、效率低等缺点。
针对这种情况采用PLC与变频器相结合的控制方案对原有电控系统进行改造，提高整个电控系统安全可靠性、控制精度及调速性能。
因此，对矿井提升机控制系统进行研究具有现实意义，也是国内外相关行业专家学者的一个热门研究课题。
本文把可编程序控制器和变频器应用于提升机控制系统上，并在可行性方面进行了较深入的研究。
事实表明，采用该控制系统，使提升机工作可靠，使用方便，同时具有动态显示的功能，节能效果明显。
关键词：矿井提升机；变频调速；矢量控制；PLC；AbstractThe shaft hoist is the foremost equipment of mines，it is widely used to transport the materials，staff and equipment. The traditional shaft hoist control system is always controlled by the relay-contactor，and adopts the methods of connect series additional resistant in rotors winding loop to start and adjust speed. The system has many disadvantages such as bad reliability，complicated operation，high fault rate，large energy –wasting and low efficiency.According to this kind of condition, we adopt PLC and Transducer to reform for original control system, so as to raise the safety, reliability, speed regulation performance of the whole electric controlled system. So, carrying on the research on the shaft hoist control system has realistic meanings，and it is a subject for research by relevant experts and scholars，both at home and abroad.To these questions existing in the shaft hoist contro1 system，the paper applied PLC(Programmable Logic Controller)and frequency converter to the system, and carried on deeper research in feasibility. The fact indicates，adopting control system，the shaft hoist works reliably，easy to use，energy-saving well，and have dynamical shown function.Keywords：Shaft hoist；Frequency conversion；Vector control；PLC目录摘要 (I)Abstract ................................................................................................................ I I 第1章绪论.. (1)1.1课题概述 (1)1.2课题来源 (1)1.3国内外提升机研究状况 (2)1.4本文内容及研究意义 (5)1.4.1研究内容 (5)1.4.2研究意义 (6)第2章提升机的工况分析 (9)2.1提升系统简介 (9)2.2提升机电动机运行方式 (9)2.3提升机的速度图和力图 (10)2.3.1提升机的速度图 (10)2.3.2力图 (11)2.4矿井提升机对电气控制系统的要求 (12)本章小结 (15)第3章可编程控制器简介 (17)3.1PLC的基本特点 (17)3.2PLC的基本结构 (19)3.3PLC的工作原理 (20)3.4PLC的分类 (21)3.5PLC编程 (23)3.5.1PLC执行用户程序的过程 (23)3.5.2梯形图的表示 (24)3.5.3梯形图的编程规则 (25)本章小结 (25)第4章：矢量控制变频调速 (27)4.1变频调速的发展及在提升机系统中的应用 (27)4.2变频调速基本原理 (29)4.3变频调速控制方式分类 (32)4.4变频器按中间直流环节方式分类 (33)4.5变频调速技术的发展现状 (34)本章小结 (35)第5章总体设计方案 (37)5.1系统控制要求 (37)5.2选择机型 (37)5.3控制系统的I/0点 (38)5.4系统控制结构 (38)5.4.1系统主电路图 (38)5.4.2系统控制电路图 (39)5.4.3系统外围接线图 (39)5.5设计步骤 (39)5.6系统流程框图 (40)5.7硬件部分设计 (41)5.7.1输出规格 (41)5.7.2标度变换 (41)5.7.3变频器参数设置表 (41)5.8软件部分设计 (42)5.9实验及结果 (43)5.9.1实验过程 (43)5.9.2实验现象 (43)5.9.3实验结果 (44)本章小结 (44)结论 (45)参考文献 (47)致谢 (49)附录 (51)第1章绪论第1章绪论1.1 课题概述矿井提升机是机、电、液一体化的大型机械[1]，广泛用于煤炭、有色金属、黑色金属、非金属、化工等矿山的竖井、斜井，是生产运输的主要工具。
2006年4月农业机械学报第37卷第4期提升机后备保护中PLC的应用赵立新 丁筱玲 【摘要】 主要介绍了以可编程控制器(PL C)为核心的电控系统在提升机后备保护仪上的应用。
由于PL C配有各种齐全的硬件装置供用户选用,不必用户自己设计和制造。
因此,用户在硬件方面的设计工作只是确定PL C的硬件配置和外部接线。
另外,在电控系统所完成功能的基础上,进行了PL C的软件设计。
关键词:提升机 PL C 旋转编码器 测速发电机中图分类号:T H211+.6;T M571.6+1文献标识码:A收稿日期:20050223赵立新 山东农业大学机械与电子工程学院 副教授,271018 泰安市丁筱玲 山东农业大学机械与电子工程学院 副教授 引言可编程控制器(PLC)以其可靠性高、适应性强、灵活性好、编程简单、易于掌握等优点,在工业自动化和控制系统中发挥越来越重要的作用。
同样,PLC也被广泛应用于提升机的电控系统中。
以PLC为核心的电控系统不仅具有高可靠性和强抗干扰性的特点,而且丰富的逻辑控制和逻辑运算功能使电控系统的控制功能更为完善,对提升机行程和速度的测量更为准确。
按照传统思路设计的单片机型提升机后备保护仪,与之相比存在测量精度低、抗干扰能力差、测量数据无断电记忆功能等诸多缺陷。
在提升机后备保护仪上应用PLC电控系统可以确保提升机提升系统运行的安全性,弥补传统后备保护仪的上述缺陷。
1 PLC的基本结构PLC实际上是一种工业控制计算机,它主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程器组成,其硬件结构与一般的微机控制系统类似。
PLC控制系统示意图见图1,其硬件方框图如图2所示。
图1 控制系统示意图图2 P L C硬件方框图2 PLC的工作原理PLC的CPU以分时操作方式处理各项任务。
由于运算速度较高,从外部输入输出关系来看,处理过程似乎是同时完成的。
PLC的用户程序由若干条指令组成,指令在存贮器中按位序号顺序排列,它的执行用扫描方式完成。
在没有跳转指令的情况下,图3 典型扫描过程示意图CPU从第一条指令开始,顺序逐条地执行用户程序,直到用户程序结束,然后返回第一条指令开始新一轮的扫描。
除了执行用户程序之外,在每次扫描过程中还要完成输入输出处理等工作,典型的扫描过程如图3所示[1]。
3 PLC电控系统原理及功能提升机工作过程一般包括3种工作状态:加速阶段、等速阶段和减速阶段,如图4所示。
在一个运行周期内,提升机的运行完全按图4中的曲线进行,图4 提升机运行曲线系统功能的设计方案则如图5所示。
系统启动后,主电机旋转,提升容器上升或下降,旋转编码器将提升容器的行程转化为脉冲信号图5 系统功能的设计送入PLC 的高速计数器模块,PLC 对脉冲信号进行计数累加,用于监控提升容器在井筒中的位置;同时,PLC 对输入脉冲进行采样,计算提升容器的运行速度。
系统对行程、速度的测量精度非常高,分别为每个脉冲0.002m 和0.01m/s 。
设脉冲信号的累加计数为Z 1,每秒的采样计数为Z 2,提升容器的深度为H 、速度为v ,行程及速度的测量精度分别为 1、 2,则折算的容器行程及速度公式为H =Z 1 1v =Z 2 2PLC 电控系统以行程和速度为控制对象,主电机工作时同时带动测速发电机工作。
测速发电机将转换后的电压信号送入PLC 中的A/D 模块进行模数转换,转换形成的数字信号置于寄存器内。
在每个扫描周期,CPU 将寄存器内的数据与高速计数器内的采样速度进行比较。
若比较后的偏差大于设定范围,则肯定测速发电机或编码器出现故障,系统显示故障信号,并停机检查。
由此可实现对编码器和测速发电机的自检。
正常工作时,提升机的运行速度曲线符合图4中的曲线。
否则,就意味着工作系统出现了故障,于是PLC 电控系统会对此作出相应反应,对提升机的运行情况进行连续快速的检测。
并将折算行程与设定行程相比较,作出减速过速、2m 限速保护等结论;或者,将采样速度与设定速度相比较,作出等速、过速保护等结论。
具体操作如下:(1)加速过速保护为了避免加速过快,减少对设备的冲击,设计了以速度为主,时间为辅的加速方式。
系统的1、2段电阻仅靠时间切除(因为此时速度为零或较低);3、4、5段则由速度、时间两个参数共同控制,只有两个条件同时满足时,电阻方可切除(第3段电阻切除时必须达到额定速度的40%,第4段为60%,第5段为80%)。
(2)等速过速保护提升机在等速运行过程中,当PLC 采样速度超过其内部设定速度的15%时,PLC 系统将报警并对提升机进行安全制动,此时等速过速指示灯亮。
并且PLC 电控系统对制动时的速度及行程数值进行锁定,此数值可通过数码管显示。
(3)减速过速保护当PLC 系统判断提升容器的行程超过减速点时,PLC 系统便将采样速度同内部设定的相应速度进行比较,当采样速度超过给定的速度曲线时,PLC系统会报警并对提升机进行安全制动,这时,减速过速指示灯亮。
(4)2m 限速保护提升机在运行中,PLC 对旋转编码器产生的脉冲信号累加计数,当脉冲折算行程超过井口2m 限速点时,PLC 将采样速度与设定值2m /s 进行比较,若超过该设定值,系统就控制报警并制动,同时指示灯亮,以此实现2m 限速保护功能。
(5)减速、过卷保护当PLC 接收的脉冲计数超过设定的减速点时,PLC 控制减速继电器动作,并发出减速提示。
当折算值超过内部过卷设定值时(即提升容器超过正常停车位置时),PLC 系统报警,并对提升机进行安全制动。
(6)信号方向闭锁功能PLC 系统还可以根据信号数量自动判断绞车的提升方向,由其控制的方向继电器PZJ (正向继电器)和PFJ (反向继电器)串入提升机换向回路以实现方向闭锁。
(7)动态模拟显示及LED 显示PLC 系统具有良好的人机界面,使用触摸彩色液晶显示屏可实现提升容器的位置及速度动态模拟显示,同时实现系统参数和梯形图的状态显示。
(8)系统的试验功能PLC 系统是通过改变给定的速度、深度值来试验其超速、限速等保护功能的。
改变速度值及深度值165 第4期赵立新等:提升机后备保护中P L C 的应用可通过触摸屏上的键盘直接设定,操作非常简单。
系统各工作参数及工作状态的监控报警以及保护连锁均利用PLC 的开关量I/O 接口及内部功能模块实现。
通过故障诊断程度来确定故障类型,进而由外接声光元件及文本显示器可方便地实现报警并显示故障信息。
并根据故障性质发出制动、指示灯亮等指令,从而实现对机器的保护,使监控系统完全实现智能化。
4 应用软件设计PLC 软件由主程序、初始化程序、速度行程设定程序、中断子程序等构成。
为便于系统的扩展和改造,增强程序的可读性,系统控制程序采用结构化的编程方式。
在西门子公司ST EP 7编程环境下,各机构的控制程序采用结构化的编程方式,在各自的Netw o rk 里实现。
另外,系统还包括故障显示模块、设备复位模块等[2]。
图6为系统的控制流程图。
系统初始化包括对CPU 、各寄存器、计数器及触摸屏显示器的初始化设置。
在此,对S7200系列的独特配置PW S 1711编程作简要说明:在S 7200CPU 中保留了一个专用区域,用于与S7200交换数据,PWS1711直接通过这些数据区访问CPU 。
对PWS 1711初始化的组态步骤:在ST EP 7M icro /WIN 窗口的To ols 菜单中选中PWS1711w izard,再选择Chinese 项(即选择中文显示),此时在信息显示窗口中键入系统运行时所需要显示的汉字即可。
触摸屏监控器PT (又称可编程终端)与PLC 通过关联部分实现实时数据交换共享的前提是编写PLC 梯形图程序,由于该系统控制程序较多,需要采用基本逻辑指令、数据处理指令、数据运算指令、内存管理指令等PLC 指令编写程序。
程序编好后,下传在PLC 内与PT 共享。
5 结束语该提升机后备保护装置将PLC 技术应用到其中,使其具备I /O 状态同步显示,可以直观地判断图6 控制流程图v —采样速度 v 0—设定速度 v 01—等速段设定速度 v 02—减速段设定速度 —偏差设定范围 0—自检功能设定范围 1—等速段设定范围 2—减速段设定 L —提升机行程 L 01—等速段行程 L 02—减速段行程PLC 外部电气部件的运行状态,并可显示故障信息等,极大缩短了平均维修时间。
该系统构成灵活,扩展容易,通讯能力强,体积小,指令丰富、功能强大、编程与操作非常简单,不但开发周期短、现场调试容易,而且便于日后维护、修改程序甚至扩展功能等,极易被现场技术人员掌握。
为了提高整机的抗干扰能力,该系统还采取了相应的措施:各部分电路的工作电源分离,分别进行整流、滤波、稳压;输入、输出电路采用光电耦合器隔离;转速传感器采用抗干扰能力较强的干簧管作为磁敏元件;在软件设计中增加相应的抗干扰措施等等。
因系统具有可靠性高,实时性好,价格竞争优势明显等特点,目前已被广泛应用于一些大型自动化及工控系统。
参考文献1 何衍庆,俞金寿.可编程序控制器原理及应用技巧[M ].北京:化学工业出版社,1997:135～148.2 廖常初.可编程序控制器应用技术[M ].重庆:重庆大学出版社,1992:103～107.3 赵凤强,马孝江,李吉.变速器噪声在线评价的振动检测方法研究[J ].农业机械学报,2004,35(3):128～132.4 高国琴,唐建中,马履中,等.三平移并联机器人步进电动机闭环控制[J ].农业机械学报,2004,35(6):156～160.166农 业 机 械 学 报2006年 。
