基于plc技术的矿井提升机电控系统的设计

基于plc技术的矿井提升机电控系统的设计内容摘要：

操作系统内的程序，从而显著的减少所需要的用户存储器容量，它们可以用于中断处理、出错处理、复制和处理数据等。 S7300 有 350 多条指令，其编程软件 STEP7 功能强大，可以使用多种编程语言，有的编程语言可以相互转换。 STEP7 用软件工具来为所有的模块和网络设置参数。 CPU 用智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件（例如超时、模块更换等）。 S7300 有看门狗中断、过程报警、日期时间中断和定时中断功能。 S7300 已将 HMI（人机接口）服务集成到系统内， 大大减少了人机对话的编程要求。 S7300 按指定的刷新速度自动地将数据传送给 SIMATIC 人机界面。 S7300 采用紧凑的、无槽位限制的模块结构，电源模块（ PS）、 CPU、信号模块（ SM）、功能模块（ FM）、接口模块（ IM）和通信处理器（ CP）都安装在导轨上。 导轨是一种专用的金属机架，只需将模块钩在 DIN 标准的安装导轨上，然后用螺栓锁紧即可。 有多种不同长度规格的导轨供用户选择。 电源模块总是安装在机架的最左边， CPU 模块紧靠电源模块。 如果有接口模块，它放在 CPU模块的右侧。 S7300 用背板总线将除电源 模块之外的各个模块连接起来。 背板总线集成在模块上，模块通过 U形总线连接器相连，每个模块都有一个总线连接器，后者插在各模块的背后。 安装时先将总线连接器插在 CPU 模块上，并固定在导轨上，然后依次装入各个模块。 外部接线接在信号模块和功能模块的前连接器的端子上，前连接器用插接的方式安装辽宁工程技术大学毕业设计 （论文） 15 在模块前门后面的凹槽中。 图 24SIMATIC S7300 可编程序控制器 SIMATIC S7300 Programmable logical controller 图 24 中 ,1 为负载电源， 2为后备电 池， 3为 24V DC 连接， 4为模式开关， 5 为状态和故障指示灯， 6 为存储器卡（ CPU313 以上）， 7 为 MIP 多点接口， 8为前连接器， 9为前门。 S7300 的电源模块通过电源连接器或导线与 CPU 模块相连，为 CPU 模块提供 DC 24V电源。 PS 307 电源模块还有一些端子可以为信号模块提供 24V电源。 信号模块和通信处理器模块可以不受限制的插到任何一个槽上，系统可以自动分配模块的地址。 每个机架最多只能安装 8 个信号模块、功能模块或通信处理器模块。 如果系统任务需要的这些模块超过 8块，则可以增加扩展机架。 除了带 CPU 的中央机架（ CR），最多可以增加 3 个扩展机架（ ER），每个机架可以插 8个模块（不包括电源模块、 CPU 模块和接口模块 IM）， 4个机架最多可以安装 32个模块。 S7300 的 I/O 编址 S7300 开关量地址由地址标识符、地址的字节部分和位部分组成，一个字节由 0∼7这 8位组成。 地址标识符 I表示输入， Q 表示输出， M 表示存储器位。 例如 是一个数字量输入的地址，小数点前面的 3 是地址的字节部分，小数点后的 2 表示这个输入点是 3号字节中的第 2位。 开关量除了按位寻址外，还可以按字节、字和双字寻址。 例如输入量 ∼ 组成输入字节 IB2， B 是 Byte 的缩写；字节 IB2 和 IB3 组成一个输入字 IW2， W 是 Word 的缩写，基于 PLC技术的矿井提升机电控系统 的设计 16 其中的 IB2为最高位字节； IB2∼IB5 组成一个输入双字 ID2， D是 Double Word 的缩写，其中的 IB2 为最高位的字节。 以组成字和双字的第一个字节的地址作为字和双字的地址。 S7300 的信号模块的字节地址与模块所在的机架号和槽号有关，位地址与信号线接在模块上的哪一个端子有关。 模拟量模块以通道为单位，一个通道占一个字地址，或两个字节地址。 例如模拟量输入通道 IW640 由字节 IB640 和 IB641 组成。 S7300 为模拟量模块保留了专用的地址区域，字节地址范围为 IB256∼767。 可以用装载指令和传送指令访问模拟量模块。 一个模拟量模块最多有 8 个通道，从 256 开始，给每一个模拟量分配 16B（ 8 个字）的地址。 PLC 输入输出分析及 I/O 分配的设计 输入分析 由于该系统由五组电机组成，安装有五个位置传感器，故需要六个输入置位信号：, , , , ,。 在电动机的次级既提升罐笼上安装拉力传 感器，当拉力传感器输入信号为零时，可以测出同步电机失步，从而可编程控制器可执行失步保护程序，分配输入点号为 ,当启动电机上升时，应设置上升按钮，故需要设置上升输入信号 ，下降输入信号为 ,停车信号为 ，当需要电机突然停车时要有制动信号，设置动力制动信号。 若系统的供电设备突 然 故障而不能给提升系统供电时，要有失电保护措施，设置失电保护信号为。 若需要提升系统自动运行时，要有全自动运行按钮，设置全自动运行输入 ,全自动停 ，常闭触点 KM1为 ，常闭触点 KM2 为 ，常闭触点 KM3 为。 总需要输入的点数为 16点。 输出分析 要想使提升系统提升时，既电动机的次级在电机组中上升运行，而又不使电动机空载运行，分组切换电机既需要设置对应的可编程控制器输出继电器。 与第一组电机切换接触器对应的可编程控制器输出继电器设置为 ,与第二组电机切换接触器对应的可编程控制器输出继电器设置为 ,与第三组电机切换接触器对应的可编程控制器输出继电器设置为 ,与第四组电机切换接触器对应的可编程控 制器输出继电器设置为 ,同样与第五组电机切换接触器对应的可编程控制器输出继电器设置为。 对应于失电与动力制动接触器的可编程控制器的输出继电器为 ,对应于动力制动接触器的可编辽宁工程技术大学毕业设计 （论文） 17 程控制器输出继电器为 ，对应于失电保护接触器的可编程控制器输出继电器为，对应于抱闸接触器的可编程控制器的输出继电器设置为 ，对应于变频器下降控制信号的可编程控制器的输出继电器为设置为 ，对应于变频器上升控制信号的可编程控制器的输出继电器为设置为 ，对应于变频 器停车控制信号的可编程控制器的输出继电器设置为。 变频器的速度给定信号由可编程控制器的特殊功能模块数模转换模块提供。 表 22 输入地址分配 Input allocation 输入继电器地址 外围设备的名称 位置传感器 1 位置传感器 2 . 位置传感器 3 位置传感器 4 位置传感器 5 位置传感器 6 上升按钮 下降按钮 停车按钮 动力制动继电器 失电保护传感器 全自动按钮 全自动停车按钮 继电器常闭触点 KM1 继电器常闭触点 KM2 继电器常闭触点 KM3 基于 PLC技术的矿井提升机电控系统 的设计 18 表 23 输出地址分配 Output allocation 输出继电器地址 外围设备名称 1电机切换器 2电机切换器 3电机切换器 4电机切换器 5电机切换器 失电与动力制动接触器 动力制动接触器 失电保护接触器 抱闸接触器 变频器下降控制端 变频器上升控制端 变频器停车控制端 综上分析可知，所需要的可编程控制器共需 16 点输入， 12 点输出，该 CPU 共有 24 点数字量、 5 个模拟量输入和 16 点数字量、 2 个模拟量输出 ,除满足该系统的要求还有一定的余量。 其性能满足实验的需要 ,并且性价比合理 .故选用 S7300 的 CPU 型号为 313C. 具体的输入地址分配如表 22，输出分 配如表 23。 辽宁工程技术大学毕业设计 （论文） 19 3 直线 同 步电机及其提升系统原理简介 直线电机的基本结构及其工作原理 直线电机是近十余年来发展起来的一门新技术。 由于这种电机能够直接产生机械运动，而不需要中间传动转换装置，具有广阔的应用前景。 直线电机在许多应用方面上所取得的成功，充分显示了它的优越性，如机构简单，启动性能好，过载能力强，故障上， 安全可靠等。 直线电机的基本结构 可以认为直线电机是旋转电机在结构上的一种演变，它可看成是将一台旋转电机沿径向剖开，然后将电机的圆周展成直线。 这样就得到了有旋转 电机演变而来的最原始的直线电机。 由定子演变而来的一侧成为初级，有转子演变而来的一侧成为次级。 直线感应电机的初级铁芯由带槽的电工钢片叠成，槽内为三相绕组；次级为钢板，上覆以一薄的铝板，上层的铝板作为导体使用，下 层 的钢板作为磁路的一部分，以减少次级的漏磁。 初次级间的气隙为电磁功率交换区域。 出 于对安全的考虑，一般情况下直线电机的气隙不能做得很小。 为了保证在所需的行程范围内，初级与次级之间的耦合情况能保持不变，在实际应用时，将初级和次级制造成不同的长度。 制造直线电机时既可以是初级短、次级长，也可以是初级长、次级 短。 前者成为短初级长次级，后者成为长初级短次级。 但由于短初级在制造成本上、运行费用上均比短次级低得多，因此，目前初特殊场合外，一般均采用短初级、长次级。 直线电机的基本工作原理 向直线电机的三相绕组中通入三相对称正弦电流后，和旋转电机一样，它也会产生气隙磁场。 不考虑由于铁心两端开断而引起的众相边端效应时，这个气隙磁场的分布情况与旋转电机的类似，即可看成沿展开的直线方向呈正弦分布。 当三相电流随时间变化时，气隙磁场按 A、 B、 C相序沿直线移动。 与旋转电机不同的是该磁场是 平 移的，称为行波磁场。 行波 磁场的移动速度与旋转磁场在定子内圆表面的线速度是一样的，即 Vs （ m/s） ,成为同步速度，且 Vs = f2。 假定次级为珊行次级，次级导条在行波磁场的切割下，将产生感应电动势并产生感应电流，而所有导条的电流和气隙磁场相互作用便产生电磁推力。 在该电磁推力的作用下，如果初级固定不动，那么次级就沿着行波磁场运动的方向作直线运动。 若次级移动的速度基于 PLC技术的矿井提升机电控系统 的设计 20 用 V 表示 ，转差率用 s 表示，则有 ssvvs v （ 31） ss svvv  （ 32） svsv )1(  （ 33） 直线永磁同步电机 永磁直线同步电机（ PMLSM）兼有永磁电机和直线电机的双重优点，近年来受到研究人员的重视，由于其提升高度和速度等不受限制，将其应用到诸如电梯、矿井等提升系统是对传统提升系统的变革，具有广阔的前景， 其 理论价值和带来的经济效益和社会效益是不可估量的。 目前，永磁 直线同步电机驱动的提升系统 其 控制理论和控制方法还不成熟，还处于实验研究阶段。 直线电动机提升系统 直线电机提升系统的工作原理 图 31 提升系统示意图 a：直立图 b：水平图 Promotion system of sketch map a: Erectness chart b: Horizontal plane 辽宁工程技术大学毕业设计 （论文） 21 矿井提升机系统实验模拟图如图 31a 所示 [4]，一共有五组定子，相当 于 电机的电枢绕组 ， 罐笼相当 于转 子。 在轨道上，每隔一定的距离放置一组直线电 机的初级，初级和次级的长度同间距有关，三者的长度如图 b 所示。 假设相邻的初级间距为 L，那么初级的长度为 2L，罐笼两侧的直线电机的次级长度为 3L。 这样的设置可以达到最大的提升效率，电机工作时，始终保持次级在两个初级的磁场作用下提升，即始终有两台电机同时工作。 其动作过程如下： 下放 重物时：与 提升 重物的通电顺序相反，依次为 5和 4电机，4和 3电机， 3和 2电机， 2和 1电机实现动子（罐笼）的向 上 运动 ； 提升 重物时：电机的工作顺序依次为， 1和 2电机， 2和 3电机， 3和 4电机， 4和 5电机，实现动子（罐笼）的向 下 运动。 永磁直线同步电动机动子的速度与通人电机电枢电流的频率成正比：2vf ，通过变频器改变输入电枢的电源频率，以实现提升速度的控制 [5]。 控制系统的硬件组成及工作原理 变频器直线电机 罐笼计算机速度位置传感器S 7 300A / D D / A 图 32控制系统原理方框图 Principle blockdiagram of the control system 控制系统的原理方框图如图 32所示，有 PLC、计算机、速度位置传感器、变 频器 A/D、D/A 模块组成，计算机实现罐笼的向上、向下运动和运行速度给定值的计算，以及运行位。