礦井提升機(jī)系統(tǒng)速度監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)

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1、 2009屆本科畢業(yè)論文 第 76 頁(yè) 大 學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 學(xué) 院： 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 設(shè)計(jì)題目： 礦井提升機(jī)系統(tǒng)速度監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì) 專 題： 指導(dǎo)教師： 職 稱： 教授 2009年6月 中國(guó)ccv大學(xué)畢業(yè)設(shè)

2、計(jì)任務(wù)書 學(xué)院 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 專業(yè)年級(jí) 電氣05—1 學(xué)生姓名 任務(wù)下達(dá)日期：2009年3月15日 畢業(yè)設(shè)計(jì)日期：2009年3月15日至2009年6月10日 畢業(yè)設(shè)計(jì)題目：礦井提升機(jī)系統(tǒng)速度監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)專題題目： 畢業(yè)設(shè)計(jì)主要內(nèi)容和要求： 內(nèi)容： 1了解提升機(jī)電控系統(tǒng) 2了解測(cè)速裝置的原理與方法 3采用S7-200PLC為主體設(shè)計(jì)測(cè)速裝置的硬件、軟件結(jié)構(gòu) 要求： 1 選擇作為主控設(shè)備的PLC及其模塊 2 外圍電路設(shè)計(jì) 3 行程和速度處理軟件設(shè)計(jì) 院長(zhǎng)簽字： 指導(dǎo)教師簽字： 中

3、國(guó)ccv大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師評(píng)閱書 指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)（①基礎(chǔ)理論及基本技能的掌握；②獨(dú)立解決實(shí)際問(wèn)題的能力；③研究?jī)?nèi)容的理論依據(jù)和技術(shù)方法；④取得的主要成果及創(chuàng)新點(diǎn)；⑤工作態(tài)度及工作量；⑥總體評(píng)價(jià)及建議成績(jī)；⑦存在問(wèn)題；⑧是否同意答辯等）： 成 績(jī)： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日 中國(guó)ccv大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)評(píng)閱教師評(píng)閱書 評(píng)閱教師評(píng)語(yǔ)（①選題

4、的意義；②基礎(chǔ)理論及基本技能的掌握；③綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力；③工作量的大??；④取得的主要成果及創(chuàng)新點(diǎn)；⑤寫作的規(guī)范程度；⑥總體評(píng)價(jià)及建議成績(jī)；⑦存在問(wèn)題；⑧是否同意答辯等）： 成 績(jī)： 評(píng)閱教師簽字： 年 月 日 中國(guó)ccv大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)評(píng)閱教師評(píng)閱書 評(píng)閱教師評(píng)語(yǔ)（①選題的意義；②基礎(chǔ)理論及基本技能的掌握；③綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)

5、解決實(shí)際問(wèn)題的能力；③工作量的大小；④取得的主要成果及創(chuàng)新點(diǎn)；⑤寫作的規(guī)范程度；⑥總體評(píng)價(jià)及建議成績(jī)；⑦存在問(wèn)題；⑧是否同意答辯等）： 成 績(jī)： 評(píng)閱教師簽字： 年 月 日 中國(guó)ccv大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯及綜合成績(jī) 答 辯 情 況 提 出 問(wèn) 題 回 答 問(wèn) 題 正 確 基本 正確 有一般性

6、錯(cuò)誤 有原則性錯(cuò)誤 沒(méi)有 回答 答辯委員會(huì)評(píng)語(yǔ)及建議成績(jī)： 答辯委員會(huì)主任簽字： 年 月 日 學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)小組綜合評(píng)定成績(jī)： 學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)小組負(fù)責(zé)人： 年 月 日 摘 要 礦井提升機(jī)常被人們稱為礦山的咽喉，是礦山最重要的關(guān)鍵設(shè)備，是地下礦井與外界的唯一通道，肩負(fù)著礦石、物料、人員等的重要運(yùn)輸責(zé)

7、任。對(duì)提升機(jī)來(lái)說(shuō)，運(yùn)行的安全性與可靠性是至關(guān)重要的。傳統(tǒng)礦井提升機(jī)調(diào)速性能差，在啟停車、制動(dòng)、邏輯控制、速度監(jiān)測(cè)等方面存在諸多安全問(wèn)題，隨著計(jì)算機(jī)和PLC技術(shù)的不斷發(fā)展，采用先進(jìn)的控制技術(shù)改造傳統(tǒng)礦山行業(yè)的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)，從而使礦井提升機(jī)的控制性能得到極大的改善，其自動(dòng)化水平、安全性、可靠性都達(dá)到了新的高度，并采用現(xiàn)代化的管理和監(jiān)視手段保障提升機(jī)的安全運(yùn)行。 本文基于西門子S7-200PLC為核心開(kāi)發(fā)了礦井提升機(jī)速度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)ΦV井提升機(jī)的運(yùn)行速度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，指示罐籠在井筒中的位置，速度的顯示通過(guò)PLC與上位機(jī)的通信，在上位機(jī)中進(jìn)行顯示。 本文首先介紹了礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展與現(xiàn)狀，闡

8、述了研究該系統(tǒng)的重要性和必要性。依據(jù)煤礦綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的背景，結(jié)合煤礦提升機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，分析了礦井提升機(jī)的運(yùn)行特性和提升機(jī)速度監(jiān)測(cè)的工作原理，確定了提升機(jī)運(yùn)行速度的核心算法以及實(shí)現(xiàn)速度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的方法。設(shè)計(jì)了測(cè)速系統(tǒng)的硬件電路；根據(jù)測(cè)速程序的核心算法，設(shè)計(jì)了各功能模塊的程序流程圖。根據(jù)礦井提升機(jī)運(yùn)行的實(shí)際情況，分析了礦井提升機(jī)運(yùn)行速度的各種保護(hù)，制訂了相應(yīng)的軟硬件保護(hù)措施。 關(guān)鍵詞：可編程控制器； 礦井提升機(jī)； 通信 ABSTRACT The mine pit elevator is often called by the people the mine the phar

9、ynx and larynx, is the mine most important key equipment, is the underground mine and the outside only channel, is shouldering the ore, the material, the personnel and so on important transportation responsibility. To the elevator, the movement security and the reliability is very important. The tra

10、ditional mine pit elevator velocity modulation performance is bad, is opening aspects and so on parking, brake, logical control, speed monitor to have many security problems, along with the computer and the PLC technologys unceasing development, uses the advanced control technology transformation tr

11、adition mine profession the tradition control system, thus enables the mine pit elevators control performance to have the enormous improvement, its automated level, the security, the reliability has achieved the new altitude, and uses modernized the management and the surveillance method safeguards

12、elevators safe operation. This article was the core has developed the mine pit elevator speed observation system based on Siemens S7-200PLC, could to the mine pit elevators running rate real-time monitor, instruct that cages in well chamber position, the speed demonstration through PLC and the supe

13、rior machine correspondence, carried on the demonstration in the superior machine. This article first introduced the mine pit elevator control systems development and the present situation, elaborated studies this systems importance and the necessity. Based on the coal mine synthesis automated sys

14、tems background, unifies the coal mine elevator control systems trend of development, has analyzed the mine pit elevators operating characteristic and the elevator speed monitor principle of work, had determined the elevator running rates core algorithm as well as realizes the speed real-time monito

15、r method. Designed has measured the fast systems hardware circuit; According to measured that the fast procedure the core algorithm, has designed various functional module program flow diagram. According to the mine pit elevator movements actual situation, has analyzed mine pit elevator running rate

16、 each kind of protection, has drawn up the corresponding software and hardware protective measures. Keywords: Programmable controller; the mine pit elevator; correspondence 目 錄 1 緒論 1 1.1課題背景 1 1.2國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀 1 1.3課題主要內(nèi)容 3 2 礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)概述 3 2.1礦井提升系統(tǒng)簡(jiǎn)介 3 2.1.1礦井提升系統(tǒng)的分類 4 2.1.2礦井提升系統(tǒng)構(gòu)成 5

17、 2.2礦井提升機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析 5 3 礦井提升機(jī)速度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 3.1光電編碼器概述 6 3.1.1增量式光電編碼器 8 3.1.2絕對(duì)值式光電編碼器 8 3.2可編程控制器概述 10 3.2.1可編程控制器結(jié)構(gòu)組成 11 3.2.2可編程控制器的工作原理 16 3.2.3 S7-200系列可編程控制器功能概述 19 3.2.4高速計(jì)數(shù)器原理及應(yīng)用 21 3.3可編程控制器速度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 24 3.3.1可編程控制器硬件設(shè)計(jì) 24 3.3.2速度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) 25 4上位機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 26 4.1 PLC與上位機(jī)的通信 26 4.1.1串行通信接

18、口標(biāo)準(zhǔn) 27 4.1.2 PLC與計(jì)算機(jī)的連接與通信 29 4.2聯(lián)機(jī)調(diào)試及運(yùn)行界面 39 結(jié)論 40 參考文獻(xiàn) 41 附錄A PLC程序 43 附錄B 上位機(jī)VB程序 49 翻譯部分 52 英文原文 52 中文譯文 63 致謝 74 1 緒論 1.1課題背景 近年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，煤炭的價(jià)格開(kāi)始持續(xù)上漲，煤礦開(kāi)采量呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。而與此同時(shí)，礦井事故的發(fā)生率也越來(lái)越高，礦井安全生產(chǎn)越來(lái)越受到人們的重視。安全生產(chǎn)是任何煤礦企業(yè)都應(yīng)強(qiáng)調(diào)的重中之重的問(wèn)題，因?yàn)樵诘V井這一特殊生產(chǎn)環(huán)境中，若是發(fā)生事故，往往都是伴隨著人員傷亡和巨大經(jīng)濟(jì)損失的慘重事故。 礦井提升

19、系統(tǒng)素有“礦井咽喉”之稱，其中礦井提升機(jī)更是煤礦四種大型生產(chǎn)設(shè)備之一。礦井提升機(jī)是煤礦生產(chǎn)的重要設(shè)備，是聯(lián)系井下與地面的主要運(yùn)輸工具，擔(dān)負(fù)著提升煤炭、礦石和矸石、升降人員、下放材料、工具和設(shè)備等重要任務(wù)。礦井提升機(jī)能否安全可靠的運(yùn)行，直接影響到煤礦生產(chǎn)人員的生命安全和煤礦的生產(chǎn)能力。國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局在2001年9月28日發(fā)布，自2001年11月1日起施行了《煤礦安全規(guī)程》，對(duì)礦井提升機(jī)的各項(xiàng)性能參數(shù)做出了明確的要求，以確保其安全運(yùn)行。 礦井提升機(jī)是礦井生產(chǎn)的重要設(shè)備，對(duì)提升機(jī)運(yùn)行時(shí)的各個(gè)重要參數(shù)必須實(shí)時(shí)的監(jiān)控，以保證提升機(jī)安全可靠的運(yùn)行，其中對(duì)提升機(jī)運(yùn)行速度的監(jiān)控更是重中之重。目前，在工業(yè)

20、自動(dòng)化領(lǐng)域，利用光電轉(zhuǎn)換原理構(gòu)成的非接觸式光電編碼器，以其高精度、高分辨率、高可靠性、體積小、使用方便，在自動(dòng)測(cè)量和自動(dòng)控制中得到了廣泛的應(yīng)用。 1.2國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀 國(guó)外研制礦井提升機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)始于20世紀(jì)60年代，在提升機(jī)狀態(tài)監(jiān)控方面水平較高。特別是對(duì)閘控和速度監(jiān)控等一些重要保護(hù)環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)更加合理，有些環(huán)節(jié)設(shè)置雙重保護(hù)，如過(guò)速保護(hù)，過(guò)卷保護(hù)等。這些監(jiān)控保護(hù)措施，對(duì)提升機(jī)的運(yùn)行安全都是可靠的保證。下面簡(jiǎn)單介紹一下瑞典、德國(guó)和法國(guó)的提升機(jī)速度監(jiān)控系統(tǒng)。 瑞典的提升機(jī)速度保護(hù)功能齊全，系統(tǒng)可靠，能實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)開(kāi)車。以單罐籠帶平衡錘提升機(jī)為例，這種提升機(jī)配備有顯示、監(jiān)控、安全保護(hù)等電路。如:

21、 (1)制動(dòng)系統(tǒng)故障保護(hù):當(dāng)制動(dòng)閘發(fā)生故障，閘襯磨損、閘盤變形、低油位以及制動(dòng)油泵、冷卻風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)過(guò)負(fù)荷等故障出現(xiàn)時(shí)均產(chǎn)生緊急停車; (2)全程的過(guò)速保護(hù)電路:包括加速區(qū)和全速區(qū)的過(guò)速保護(hù)，自動(dòng)減速區(qū)的過(guò)速保護(hù)，爬行速度區(qū)的過(guò)速保護(hù)，當(dāng)提升機(jī)在井筒中任何位置，速度超過(guò)額定速度的15%時(shí)，過(guò)速繼電器動(dòng)作，產(chǎn)生緊急停車。在爬行段當(dāng)速度大于2m/s時(shí)，爬行繼電器動(dòng)作; (3)鋼絲繩保護(hù)電路:包括對(duì)鋼絲繩速度、打滑等的監(jiān)控; (4)自動(dòng)起動(dòng)、運(yùn)轉(zhuǎn)電路:包括起動(dòng)信號(hào)、自動(dòng)起動(dòng)控制、自動(dòng)減速以及上/下運(yùn)行控制、停車電路等部分; (5)提升機(jī)監(jiān)控器:監(jiān)視提升機(jī)在井筒中各個(gè)部位的運(yùn)行狀態(tài)，從而發(fā)出各種

22、相應(yīng)的指令，控制提升機(jī)安全可靠地運(yùn)行。 德國(guó)西門子公司全數(shù)字式提升機(jī)擁有世界上先進(jìn)的數(shù)字驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。它有如下特點(diǎn):第一，緊急制動(dòng)時(shí)的恒減速功能，第二，提升鋼絲繩張力的動(dòng)態(tài)監(jiān)視功能，第三，提升系統(tǒng)及設(shè)備的動(dòng)態(tài)顯示和故障自診斷功能。主要由監(jiān)控站，控制處理站，編程器和通訊總線四部分組成?？刂铺幚碚究蓪?shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的邏輯過(guò)程控制功能和模擬量的檢測(cè)，運(yùn)算和調(diào)節(jié)功能。監(jiān)控站的主要作用是通過(guò)與控制處理站的總線聯(lián)絡(luò)通訊，將控制處理站采集到的控制系統(tǒng)設(shè)備的狀態(tài)信息輸入到監(jiān)控站中，通過(guò)已編制好的顯示程序，以圖形、表格形式動(dòng)態(tài)地顯示在顯示器上，同時(shí)還可以通過(guò)操作鍵對(duì)對(duì)在程序中設(shè)定的操作量進(jìn)行手動(dòng)修改，以便進(jìn)行設(shè)備的調(diào)整

23、和試驗(yàn)。監(jiān)控站的顯示功能齊全，如: (l)主要數(shù)據(jù)顯示:顯示提升機(jī)的主要運(yùn)行參數(shù); (2)概貌顯示:顯示提升機(jī)的狀態(tài)，實(shí)際控制方式，主要模擬信號(hào)，報(bào)警指示，故障及停車等數(shù)據(jù); (3) AK顯示:顯示提升機(jī)控制系統(tǒng)，保護(hù)系統(tǒng)，變流器以及手動(dòng)緊急停車按鈕工作狀態(tài)的數(shù)據(jù); (4)提升機(jī)保護(hù)功能試驗(yàn)顯示:此顯示供進(jìn)行提升機(jī)保護(hù)功能試驗(yàn)時(shí)使用，在該項(xiàng)顯示上進(jìn)行保護(hù)選擇，并顯示試驗(yàn)結(jié)果。顯示功能包括接地故障監(jiān)控，過(guò)速，減速段過(guò)速，過(guò)卷及制動(dòng)五種； (5)繩張力顯示等14種顯示功能，使用戶一目了然。 法國(guó)的提升機(jī)對(duì)于安全保護(hù)的設(shè)置更加完善，設(shè)計(jì)的安全保護(hù)有60多種，按照對(duì)提升機(jī)的保護(hù)作用，分為二

24、個(gè)系統(tǒng)。 系統(tǒng)一，包括液壓站故障，制動(dòng)控制電路的故障以及速度控制系統(tǒng)的故障等。當(dāng)這些故障出現(xiàn)時(shí)，均對(duì)提升機(jī)施加機(jī)械的(制動(dòng)閘)或者電氣的(晶閘管逆變制動(dòng))制動(dòng)力矩，控制提升機(jī)緊急停車; 系統(tǒng)二，包括提升機(jī)監(jiān)控器，電樞整流器系統(tǒng)的電氣故障等，這類故障出現(xiàn)時(shí)對(duì)提升機(jī)施加制動(dòng)力矩，使之緊急停車; 系統(tǒng)三，包括盤形閘控系統(tǒng)，調(diào)零系統(tǒng)，電源的接地保護(hù)以及電機(jī)，變壓器超溫保護(hù)等，這類故障出現(xiàn)時(shí)，提升機(jī)不需要緊急停車而只是切除基準(zhǔn)速度信號(hào)，讓提升機(jī)自動(dòng)減速停車。另外在安全回路中，這些故障均設(shè)有旁路開(kāi)關(guān)，當(dāng)這些故障出現(xiàn)時(shí)，可以閉合旁路開(kāi)關(guān)，將提升容器提升到井口，再做處理。 我國(guó)也有一些大型礦井引進(jìn)了國(guó)

25、外的提升系統(tǒng)，但由于國(guó)外公司都有技術(shù)保密制度，其核心技術(shù)(如程序等)無(wú)法掌握，在使用、維修和零部件的供應(yīng)上都受到限制。而對(duì)于大多數(shù)的中小煤礦來(lái)說(shuō)，其系統(tǒng)高昂的價(jià)格也使難以承受的。 國(guó)產(chǎn)的礦井提升機(jī)經(jīng)過(guò)廣大技術(shù)人員的努力，電氣傳動(dòng)系統(tǒng)也已經(jīng)有了很大的發(fā)展，但在技術(shù)水平上還落后于國(guó)外同類產(chǎn)品的水平。電控系統(tǒng)主要以TKD交流拖動(dòng)為代表，主令操作及故障監(jiān)控仍采用傳統(tǒng)的繼電器控制線路，每臺(tái)提升機(jī)需要數(shù)百個(gè)甚至上千個(gè)觸點(diǎn)的繼電器，系統(tǒng)可靠性差，故障率高，且不易維修，數(shù)目眾多的控制線要和各種動(dòng)力電纜通過(guò)狹小的井筒空間并行下井，安全性差，電磁干擾大。 為了彌補(bǔ)這個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，保證提升機(jī)的安全運(yùn)行，自九十年

26、代以來(lái)，國(guó)內(nèi)開(kāi)展了提升系統(tǒng)安全監(jiān)控的研究工作，全國(guó)近十余廠家先后研制了提升機(jī)綜合后備保護(hù)裝置，“ TJHB-11型礦井提升機(jī)微機(jī)后備保護(hù)裝置”，“KTA-UP系列礦井提升安全監(jiān)控系統(tǒng)裝置”，“ WKHB型微機(jī)控制絞車后備保護(hù)裝置”，“M12-3B提升機(jī)綜合后備保護(hù)儀”等一批提升機(jī)監(jiān)控裝置應(yīng)運(yùn)而生。 1.3課題主要內(nèi)容 本論文在深入研究礦井提升機(jī)速度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用光電編碼器和上位機(jī)監(jiān)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)提升罐籠實(shí)時(shí)位置、運(yùn)行速度、提升方向等重要參數(shù)的監(jiān)控，提高了系統(tǒng)的控制精度，保證煤礦生產(chǎn)的安全性與可靠性。 本論文的主要內(nèi)容包括： 對(duì)礦井提升機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的基本功能、速度檢測(cè)裝置的工作原

27、理、可編程控制器的工作原理作簡(jiǎn)單的分析。 (1) 選擇合適的光電編碼器，完成對(duì)提升機(jī)行程、速度等參數(shù)的采集，要求光電編碼器能夠?qū)崟r(shí)的、準(zhǔn)確的、高精度的完成物理量與電信號(hào)的轉(zhuǎn)化。 (2) 基于可編程控制器，編寫相應(yīng)的程序，對(duì)光電編碼器送來(lái)的提升機(jī)運(yùn)行信號(hào)處理。 (3) 基于VB6.0，編寫上位機(jī)監(jiān)控程序，對(duì)提升速度、行程以及運(yùn)行方向等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。 2 礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)概述 2.1礦井提升系統(tǒng)簡(jiǎn)介 礦井提升系統(tǒng)的主要組成部分是:提升容器，提升鋼繩，提升機(jī)，天輪和井架以及裝卸附屬裝置等。常用的提升容器是罐籠和箕斗，如下圖2-1所示為豎井單繩罐籠提升設(shè)備示意圖。重礦車在井底車場(chǎng)或

28、中間中段車場(chǎng)被推入下方罐籠的同時(shí)，空礦車正在井口車場(chǎng)被推入另一罐籠。兩條鋼繩2的一端分別與井口和井底罐籠相連，另一端分別繞過(guò)天輪3引至提升機(jī)房，固定并以相反的方向纏繞在提升機(jī)1的卷筒上。提升機(jī)運(yùn)行時(shí)，這兩個(gè)罐籠就沿著井筒做上下運(yùn)動(dòng)，以完成提升重礦車和下放空礦車的任務(wù)。 2.1.1礦井提升系統(tǒng)的分類 礦井提升設(shè)備的主要組成部分是:提升容器、提升鋼絲繩、提升機(jī)及拖動(dòng)控制系統(tǒng)、井架、天輪及裝卸載設(shè)備等。 由于提升容器及提升機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理不同，礦井提升設(shè)備可構(gòu)成不同的提升系統(tǒng)，常見(jiàn)的提升系統(tǒng)有: (1)主井箕斗提升系統(tǒng); (2)副井罐籠提升系統(tǒng); (3)多繩摩擦(主、副井)提升系統(tǒng); (

29、4)斜井串車提升系統(tǒng); (5)斜井箕斗提升系統(tǒng)。 2.1.2礦井提升系統(tǒng)構(gòu)成 以多繩摩擦式提升機(jī)為例，直流傳動(dòng)多繩摩擦式礦井提升系統(tǒng)主要由工作機(jī)構(gòu)、制動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、觀測(cè)和操作系統(tǒng)、拖動(dòng)控制和自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)，外加輔助部分等構(gòu)成。 1.工作機(jī)構(gòu) 主要是指主軸裝置和主軸承等，主軸裝置由主軸、卷筒、滾動(dòng)軸承、支輪、制動(dòng)輪、調(diào)繩離合器等組成。 2.制動(dòng)系統(tǒng) 液壓制動(dòng)系統(tǒng)裝置包括制動(dòng)器和液壓傳動(dòng)裝置，是提升機(jī)不可缺少的重要組成部分之一，是提升機(jī)最關(guān)鍵也是最后一道安全保障裝置，制動(dòng)裝置的可靠性直接關(guān)系到提升機(jī)的安全運(yùn)行。提升機(jī)制動(dòng)器的功能就是剎住提升機(jī)卷筒，使提升機(jī)停止

30、運(yùn)行。 3.機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng) 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)包括減速器和聯(lián)軸器。減速器的作用是減速和傳遞動(dòng)力，聯(lián)軸器是用來(lái)聯(lián)接提升機(jī)的旋轉(zhuǎn)部分，并傳遞動(dòng)力。 4.潤(rùn)滑系統(tǒng) 潤(rùn)滑系統(tǒng)是在提升運(yùn)行過(guò)程中，不間斷地向軸承及嚙合齒面壓送潤(rùn)滑油，以保證軸承和齒輪的正常工作。潤(rùn)滑系統(tǒng)必須與自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)和電動(dòng)機(jī)聯(lián)鎖，即潤(rùn)滑系統(tǒng)失靈時(shí)，主電動(dòng)機(jī)斷電，確保機(jī)器的正常工作。 5.觀測(cè)和操縱系統(tǒng) 觀測(cè)和操縱系統(tǒng)包括斜面操縱臺(tái)，深度指示器以及測(cè)速發(fā)電機(jī)。深度指示器的作用是顯示提升容器的運(yùn)行位置，容器接近井口卸載位置和井底停車場(chǎng)時(shí)，發(fā)出減速信號(hào)。 6.拖動(dòng)控制和自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng) 拖動(dòng)控制和自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)包括主拖動(dòng)電動(dòng)

31、機(jī)、微拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)、電氣控制系統(tǒng)和自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)。礦井提升機(jī)自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)的作用是:在司機(jī)不參與的情況下，發(fā)生故障時(shí)能自動(dòng)將主電動(dòng)機(jī)斷開(kāi)并同時(shí)進(jìn)行安全制動(dòng)從}fu實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的保護(hù)。 2.2礦井提升機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析 多繩摩擦式提升機(jī)的工作原理是把鋼絲繩搭放在主導(dǎo)輪上，兩端各懸掛一個(gè)提升容器(也可一端懸掛平衡錘)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)主導(dǎo)輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，借助于安裝在主導(dǎo)輪上的襯墊與鋼絲繩之間的摩擦力帶動(dòng)鋼絲繩，完成提升和下放的任務(wù)。目前，多繩摩擦式提升機(jī)己經(jīng)成為提升機(jī)發(fā)展的方向，它的主要組成部分有： (1)工作機(jī)構(gòu)。包括主軸裝置及主軸承，主軸裝置由主軸、卷筒、滾動(dòng)軸承、支輪、制動(dòng)輪、調(diào)繩離合器等組成。主要作用有:

32、纏繞或搭放鋼絲繩;承受各種正常載荷以及在各種緊急制動(dòng)情況下所造成的非正常載荷等。 (2)制動(dòng)系統(tǒng)。液壓制動(dòng)系統(tǒng)裝置包括制動(dòng)器和液壓傳動(dòng)裝置，是提升機(jī)不可缺少的重要組成部分之一，是提升機(jī)最關(guān)鍵也是最后一道安全保障裝置。主要作用有:在減速停車或緊急制動(dòng)情況下，能使提升機(jī)安全制動(dòng)，迅速停車。因此，制動(dòng)裝置的可靠性直接關(guān)系到提升機(jī)的安全運(yùn)行。 (3)機(jī)械傳動(dòng)裝置。包括減速器、離合器和連軸器。減速器的作用是減速和傳遞動(dòng)力，聯(lián)軸器是用來(lái)聯(lián)接提升機(jī)的旋轉(zhuǎn)部分，并傳遞動(dòng)力。 (4)潤(rùn)滑系統(tǒng)。包括潤(rùn)滑油泵站和管路。主要作用有:在提升機(jī)工作時(shí)連續(xù)地向主軸承、減速器軸承和嚙合齒面押送潤(rùn)滑油，以保證軸承和齒輪良

33、好地工作。 (5)檢測(cè)及操縱系統(tǒng)。包括操縱臺(tái)、深度指示器、傳動(dòng)裝置和測(cè)速發(fā)電裝置。主要作用有:操縱提升機(jī)完成提升、下放等動(dòng)作;顯示提升機(jī)運(yùn)行情況及設(shè)備工作情況。 (6)拖動(dòng)控制和自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)。包括主電動(dòng)機(jī)、電氣控制系統(tǒng)、自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)和信號(hào)系統(tǒng)。主要作用有:提供提升機(jī)提升、下放時(shí)所需的動(dòng)力;控制提升機(jī)系統(tǒng)各個(gè)動(dòng)作指令的準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn);故障發(fā)生時(shí)自動(dòng)將主電動(dòng)機(jī)斷電同時(shí)進(jìn)行安全制動(dòng)實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)的保護(hù)。 (7)輔助部分。包括機(jī)座、機(jī)架、護(hù)罩和導(dǎo)向輪裝置。 3 礦井提升機(jī)速度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.1光電編碼器概述 光電編碼器，是一種通過(guò)光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。這

34、是目前應(yīng)用最多的傳感器，光電編碼器是由光柵碼盤和光電檢測(cè)裝置組成，光電碼盤是在一定直徑的圓板上等分地開(kāi)通若干個(gè)方形或圓形孔，發(fā)光元件和光敏元件分置在光電碼盤兩側(cè)，二者組成的光電檢測(cè)裝置。光電編碼器結(jié)構(gòu)示意圖3.1所示。 由于光電碼盤與電動(dòng)機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光電碼盤與電動(dòng)機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測(cè)裝置檢測(cè)輸出若干脈沖信號(hào)，通過(guò)計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 圖3-1 光電編碼器結(jié)構(gòu)示意圖 此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤還可提供相位相差90的兩路脈沖信號(hào)裝置，兩套光電裝置產(chǎn)生的脈沖的相位有一定的差別，這也就產(chǎn)生了方向信號(hào)，如A裝置產(chǎn)生脈沖相位超前

35、于B相時(shí)是正轉(zhuǎn)的話，反轉(zhuǎn)時(shí)，B裝置產(chǎn)生的脈沖相位就會(huì)超前于A裝置產(chǎn)生的脈沖相位。光電編碼器判斷旋轉(zhuǎn)方向的工作原理如圖3.2所示。 圖3.2 光電編碼器判斷旋轉(zhuǎn)方向工作原理圖 根據(jù)光電編碼刻度方法及信號(hào)輸出形式，可分為增量式、絕對(duì)式以及混合式三種： (1)增量式編碼器 (2)絕對(duì)式編碼器 (3)混合式絕對(duì)值編碼器 目前，工業(yè)控制中的定位設(shè)備中，光電編碼器相對(duì)于接近開(kāi)關(guān)、光電開(kāi)光，有以下特殊功能及優(yōu)點(diǎn): (1)信息化:除了定位，控制室還可知道其具體位置;還可換算運(yùn)動(dòng)速度，對(duì)于變頻器，步進(jìn)電機(jī)等的應(yīng)用尤為重要。 (2)柔性化:定位可以在控制室柔性調(diào)整。 (3)現(xiàn)場(chǎng)安裝的方便安全

36、:一個(gè)光電編碼器，可以測(cè)量從幾個(gè)林到幾百米的距離、n個(gè)位置;只要解決一個(gè)光電編碼器的安全安裝問(wèn)題，可以避免諸多接近開(kāi)關(guān)、光電開(kāi)關(guān)在現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械安裝麻煩，容易被撞壞和環(huán)境惡劣等問(wèn)題;由于是旋轉(zhuǎn)碼盤，無(wú)機(jī)械損耗，只要安裝位置準(zhǔn)確，其使用壽命往往很長(zhǎng)。 (4)經(jīng)濟(jì)化:對(duì)于多個(gè)控制位置，只需一個(gè)光電編碼器的成本，降低了安裝、維護(hù)、損耗成本，使用壽命增長(zhǎng)，其經(jīng)濟(jì)化逐漸突顯出來(lái)。 3.1.1增量式光電編碼器 增量式編碼器是直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出三組方波脈沖A、B和Z相；A、B兩組脈沖相位差90，從而可方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向，而Z相為每轉(zhuǎn)一個(gè)脈沖，用于基準(zhǔn)點(diǎn)定位。它的優(yōu)點(diǎn)是原理構(gòu)造簡(jiǎn)單，機(jī)械平均壽命可在幾

37、萬(wàn)小時(shí)以上，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，適合于長(zhǎng)距離傳輸。其缺點(diǎn)是無(wú)法輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)的絕對(duì)位置信息。 增量型編碼器每轉(zhuǎn)一圈可產(chǎn)生一系列的脈沖，脈沖的數(shù)量表示角位移的測(cè)量。按其輸出方式的不同，可分為長(zhǎng)線輸出、開(kāi)集輸出、電壓輸出和推拉互補(bǔ)輸出四種方式。按其機(jī)械結(jié)構(gòu)的不同，可分為中空軸和帶軸編碼器，根據(jù)各自不同的特點(diǎn)可應(yīng)用于各種不同的場(chǎng)合。 編碼器內(nèi)有一圓盤——編碼盤，通常為一光學(xué)玻璃。編碼盤最外圈的碼道上均勻分布有相當(dāng)數(shù)量的透光與不透光的扇形區(qū)，這是用來(lái)產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖的增量碼道。 例如，一個(gè)每轉(zhuǎn)5000脈沖的增量型編碼器，其碼盤的增量碼道上共有5000個(gè)透光和不透光的扇形區(qū)這個(gè)編碼盤被安裝在編碼器的旋

38、轉(zhuǎn)軸上，LED（光源)發(fā)射出平行且定向的光束照射在編碼盤上，光敏元件接收被調(diào)制的光線并將其轉(zhuǎn)化為兩個(gè)相位相差90的正弦波，還有一些數(shù)字電子元件放大這些信號(hào)并將其整形成正交波的脈沖序列，由電纜傳動(dòng)輸出。 增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的測(cè)量精度取決于它所能分辨的最小角度，這與碼盤圓周上的狹縫條紋數(shù)n有關(guān)，即分辨角度為: α=360/n 分辨率=1/n 例如，條紋數(shù)為1024，則分辨角度α=360/1024=0.325 3.1.2絕對(duì)值式光電編碼器 絕對(duì)值式光電編碼器是按照角度直接進(jìn)行編碼的傳感器，可直接將測(cè)角用數(shù)字編碼表不出來(lái)，且每一個(gè)角度位置均有對(duì)應(yīng)的編碼。這種編碼信號(hào)是在計(jì)算機(jī)或數(shù)字控制裝置中

39、進(jìn)行的。這種編碼器需要復(fù)雜的光電元件，比增量式編碼器成本要高。碼盤的分辨率與碼道數(shù)n的多少有關(guān)，碼道越多，分辨率越高，其分辨角α為: 絕對(duì)值式編碼器為每一個(gè)位置提供一具體數(shù)值(代碼值)，與增量式編碼器相比，絕對(duì)值式編碼器只要安裝好、供給工作電壓并初始化后即可正常工作，且掉電后不丟失數(shù)值;而增量型編碼器掉電后必須先調(diào)零才能繼續(xù)使用。 編碼盤與增量式編碼器類似，其上刻有透光和不透光的圖形，這個(gè)編碼盤被安裝在編碼器的旋轉(zhuǎn)軸上，光源發(fā)射出的光經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)形成一束平行光投射在編碼盤上，并與碼盤另一面成徑向排列的光敏元件相耦合，碼盤上的碼道數(shù)就是該碼盤的數(shù)碼位數(shù)，對(duì)應(yīng)一碼道有一個(gè)光敏元件，當(dāng)碼盤處于

40、不同位置時(shí)，各光敏元件根據(jù)受光與否轉(zhuǎn)換輸出相應(yīng)的電平信號(hào)（0或1)。 絕對(duì)值型編碼器可分為單轉(zhuǎn)編碼器(single-turn encoder)和多轉(zhuǎn)編碼器(multi-turn encoder) （1)單轉(zhuǎn)編碼器 單轉(zhuǎn)編碼器根據(jù)測(cè)量步數(shù)將機(jī)械上一圈(0--3600 )分成一定的數(shù)值，編碼器旋轉(zhuǎn)一圈以后重新記數(shù)，最大測(cè)量范圍為4096。 （2)多轉(zhuǎn)編碼器 多轉(zhuǎn)編碼器不僅檢測(cè)角度位置，還記憶圈數(shù)，為實(shí)現(xiàn)這些功能，需將更多的刻度盤用軸承聯(lián)結(jié)在編碼器的旋轉(zhuǎn)軸上其測(cè)量范圍計(jì)算公式如下: 測(cè)量范圍=4096sX4096r 式中: *為步數(shù); r為轉(zhuǎn)數(shù) (3)格雷碼 目前，光電編碼器最

41、常使用的代碼是格雷碼。格雷碼的特點(diǎn)是:當(dāng)一個(gè)數(shù)變化為下一個(gè)數(shù)時(shí)，在編碼盤上只有一位發(fā)生變化(從亮變暗)，即每增加一位數(shù)僅變化一格。在二進(jìn)制中，二進(jìn)制碼的各個(gè)位整體可表示一確定的數(shù)值，而格雷碼不行，它不對(duì)應(yīng)一確定的數(shù)值，而是通過(guò)SSI控制器將其轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制/BCD碼。格雷碼充分利用各個(gè)數(shù)位，記數(shù)范圍0-2。 例如: =16，計(jì)數(shù)范圍為0-15；=4096，計(jì)數(shù)范圍為0-4095。 測(cè)量范圍可由計(jì)數(shù)范圍得出，例如兩個(gè)測(cè)量范圍值360和1000，如果計(jì)數(shù)范圍為76435，其測(cè)量范圍為360；如果從12-1011計(jì)數(shù)，其測(cè)量范圍為1000。 格雷碼的測(cè)量范圍必須是以2為底的整數(shù)次冪作為基準(zhǔn) 在

42、本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，光電編碼器主要用于行程及速度的檢測(cè)，使用增量式光電編碼器就可以滿足要求。選用PIE系列PIE-1024-GOSE型編碼器，光電編碼器與拽引機(jī)同軸旋轉(zhuǎn)，拽引機(jī)直徑1.85m，拽引機(jī)旋轉(zhuǎn)一周罐籠運(yùn)行5.812m，光電編碼器旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生1024個(gè)脈沖，一個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)罐籠運(yùn)行0.00567578m。 3.2可編程控制器概述 可編程控制器簡(jiǎn)稱PC（Programmable Controller），它經(jīng)歷了可編程序矩陣控制器PMC、可編程序順序控制器PSC、可編程序邏輯控制器PLC（Programmable Logic Controller）和可編程序控制器PC幾個(gè)不同時(shí)期。為與個(gè)人計(jì)

43、算機(jī)（PC）相區(qū)別，人們常把可編程控制器稱為可編程邏輯控制器PLC(Programmable logic Controller)。它是以微處理器為基礎(chǔ)，在傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)基礎(chǔ)上，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體集成技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、數(shù)字技術(shù)和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的新型控制器，是用作數(shù)字控制的專用計(jì)算機(jī)。由用戶編寫的程序進(jìn)行邏輯控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等，并通過(guò)數(shù)字量和模擬量的輸入/輸出（I/O）來(lái)控制各種生產(chǎn)過(guò)程。在現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展中，PLC技術(shù)、CAD/CAM技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)并稱為現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的三大支柱。 1987年國(guó)際電工委員會(huì)（International Electrical Comm

44、ittee）頒布的PLC標(biāo)準(zhǔn)草案中對(duì)PLC做了如下定義： “PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)?！? 世界上公認(rèn)的第一臺(tái)PLC是1969年美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司（DEC）研制的。限于當(dāng)時(shí)的元器件條件及計(jì)算機(jī)發(fā)展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小規(guī)模集成電路組成，可以完成簡(jiǎn)單的邏輯控制及定時(shí)、計(jì)數(shù)功能。20世紀(jì)

45、70年代初出現(xiàn)了微處理器。人們很快將其引入可編程控制器，使PLC增加了運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送及處理等功能，完成了真正具有計(jì)算機(jī)特征的工業(yè)控制裝置。為了方便熟悉繼電器、接觸器系統(tǒng)的工程技術(shù)人員使用，可編程控制器采用和繼電器電路圖類似的梯形圖作為主要編程語(yǔ)言，并將參加運(yùn)算及處理的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)元件都以繼電器命名。此時(shí)的PLC為微機(jī)技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物。 20世紀(jì)70年代中末期，可編程控制器進(jìn)入實(shí)用化發(fā)展階段，計(jì)算機(jī)技術(shù)已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。更高的運(yùn)算速度、超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設(shè)計(jì)、模擬量運(yùn)算、PID功能及極高的性價(jià)比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。20世紀(jì)80年

46、代初，可編程控制器在先進(jìn)工業(yè)國(guó)家中已獲得廣泛應(yīng)用。這個(gè)時(shí)期可編程控制器發(fā)展的特點(diǎn)是大規(guī)模、高速度、高性能、產(chǎn)品系列化。這個(gè)階段的另一個(gè)特點(diǎn)是世界上生產(chǎn)可編程控制器的國(guó)家日益增多，產(chǎn)量日益上升。這標(biāo)志著可編程控制器已步入成熟階段。 20世紀(jì)末期，可編程控制器的發(fā)展特點(diǎn)是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)的需要。從控制規(guī)模上來(lái)說(shuō)，這個(gè)時(shí)期發(fā)展了大型機(jī)和超小型機(jī)；從控制能力上來(lái)說(shuō)，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、位移等各式各樣的控制場(chǎng)合；從產(chǎn)品的配套能力來(lái)說(shuō)，生產(chǎn)了各種人機(jī)界面單元、通信單元，使應(yīng)用可編程控制器的工業(yè)控制設(shè)備的配套更加容易。目前，可編程控制器在機(jī)械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車

47、、輕工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用都得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。 我國(guó)可編程控制器的引進(jìn)、應(yīng)用、研制、生產(chǎn)是伴隨著改革開(kāi)放開(kāi)始的。最初是在引進(jìn)設(shè)備中大量使用了可編程控制器。接下來(lái)在各種企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備及產(chǎn)品中不斷擴(kuò)大了PLC的應(yīng)用。目前，我國(guó)自己已可以生產(chǎn)中小型可編程控制器。上海東屋電氣有限公司生產(chǎn)的CF系列、杭州機(jī)床電器廠生產(chǎn)的DKK及D系列、大連組合機(jī)床研究所生產(chǎn)的S系列、蘇州電子計(jì)算機(jī)廠生產(chǎn)的YZ系列等多種產(chǎn)品已具備了一定的規(guī)模并在工業(yè)產(chǎn)品中獲得了應(yīng)用。此外，無(wú)錫華光公司、上海鄉(xiāng)島公司等中外合資企業(yè)也是我國(guó)比較著名的PLC生產(chǎn)廠家。可以預(yù)期，隨著我國(guó)現(xiàn)代化進(jìn)程的深入，PLC在我國(guó)將有更廣闊的應(yīng)用天地。 PLC

48、主要由CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊和編程器組成。PLC的主要特點(diǎn)如下： (1)可靠性高，控制功能強(qiáng)，適用于惡劣的工業(yè)環(huán)境； (2)模塊化結(jié)構(gòu)，擴(kuò)展能力強(qiáng)，與外部設(shè)備連接方便； (3)體積小、重量輕、功耗低，性價(jià)比高； (4)維護(hù)方便，功能更改靈活，編程方便易學(xué)。 3.2.1可編程控制器結(jié)構(gòu)組成 目前，PLC生產(chǎn)廠家很多，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)也各不相同，但其基本組成部分大致如圖3-3所示。 由圖3-3可以看出，PLC采用了典型的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，主要由主機(jī)、I/O擴(kuò)展接口及外圍設(shè)備組成。PLC主機(jī)由中央處理器（CPU）、存儲(chǔ)器、I/O接口、I/O擴(kuò)展接口、通信接口、外圍設(shè)備接口和電源等部分組成。

49、 下面介紹PLC主要組成部件及其主要作用。 1. CPU CPU是PLC的核心部件，也是PLC的運(yùn)算和控制中心。PLC的工作過(guò)程都是在CPU的統(tǒng)一指揮和協(xié)調(diào)下進(jìn)行的。CPU由微處理器和控制器組成，可以實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算和數(shù)學(xué)運(yùn)算，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)內(nèi)部各部分的工作。它的運(yùn)行時(shí)按照系統(tǒng)程序所賦予的任務(wù)進(jìn)行的。PLC常用的CPU有通用微處理器、單片機(jī)和位片式微處理器。通用微處理器按其所處理的數(shù)據(jù)位數(shù)可分為4位、8位、16位和32位等。PLC大多使用8位和16位微處理器。控制器的作用是控制整個(gè)微處理器的各個(gè)部件有條不紊的進(jìn)行工作，其基本功能就是從內(nèi)存中讀取指令和執(zhí)行指令。控制器接口電路時(shí)微處理器與主機(jī)內(nèi)部其

50、他單元進(jìn)行聯(lián)系的部件，主要有數(shù)據(jù)緩沖、單元選擇、信號(hào)匹配、中斷管理等功能。微處理器通過(guò)它來(lái)實(shí)現(xiàn)與各個(gè)單元之間的可靠的信息交換和最佳的時(shí)序配合。 圖3-3 PLC的典型結(jié)構(gòu) 控制器的主要功能有以下幾點(diǎn)： 采集由現(xiàn)場(chǎng)輸入裝置送來(lái)的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，通過(guò)輸入接口存入輸入影映像寄存器或數(shù)據(jù)寄存器中，用掃描方式接收輸入設(shè)備的狀態(tài)信號(hào)，并存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)（輸入映像寄存器）。 按用戶程序存儲(chǔ)器中存放的先后次序逐條讀取指令，完成各種數(shù)據(jù)的運(yùn)算、傳遞和存儲(chǔ)等功能，進(jìn)行編譯解釋后，按指令規(guī)定的任務(wù)完成各種運(yùn)算和操作。 將各種運(yùn)算結(jié)果送到輸出端。 監(jiān)測(cè)和診斷電源PLC內(nèi)部電路工作狀態(tài)，以及用戶程序編程過(guò)程

51、中出現(xiàn)的語(yǔ)法錯(cuò)誤。 根據(jù)數(shù)據(jù)處理的結(jié)果，刷新有關(guān)標(biāo)志位的狀態(tài)和輸出狀態(tài)寄存器的內(nèi)容，響應(yīng)各種外圍設(shè)備（如編程器、打印機(jī)、上位計(jì)算機(jī)、圖形監(jiān)控系統(tǒng)、條碼判讀器等）的工作請(qǐng)求，以實(shí)現(xiàn)輸出控制、制表打印或數(shù)據(jù)通信等功能。 2.存儲(chǔ)器 存儲(chǔ)器是PLC存放系統(tǒng)程序、用戶程序和運(yùn)行數(shù)據(jù)的單元。PLC的存儲(chǔ)器由系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器和用戶程序存儲(chǔ)器兩部分組成。系統(tǒng)存儲(chǔ)器是PLC用于存放那個(gè)系統(tǒng)程序如指令（軟件）等內(nèi)容的部件，這部分存儲(chǔ)器用戶不能訪問(wèn)。 用戶存儲(chǔ)器是為用戶程序提供存儲(chǔ)的區(qū)域，用戶程序存儲(chǔ)器容量的大小界定了用戶程序的大小和復(fù)雜程度，從而決定了用戶程序所能完成的功能和任務(wù)的大小。用戶程序存儲(chǔ)器的容

52、量一般以字節(jié)為單位。小型PLC的用戶程序存儲(chǔ)器容量在1KB左右，典型PLC的用戶程序存儲(chǔ)器容量可達(dá)數(shù)兆字節(jié)（MB）。PLC的用戶存儲(chǔ)器一般包括幾個(gè)部分，每一部分都有特定的功能和用途。 PLC的存儲(chǔ)器主要包括以下幾類： 只讀存儲(chǔ)器（Read Only Memory,ROM） ROM一般用來(lái)存放PLC的系統(tǒng)程序，其內(nèi)容可讀，但數(shù)據(jù)存儲(chǔ)后不可再寫或修改。大多數(shù)PLC采用了程序固化的運(yùn)行方法，不僅將系統(tǒng)啟動(dòng)、自檢及基本的I/O驅(qū)動(dòng)程序?qū)懭隦OM中，而且將各種控制、檢測(cè)功能莫闊、用戶組態(tài)的應(yīng)用程序及所有固定參數(shù)也全部固化在ROM中，即所有的系統(tǒng)程序和絕大部分的用戶程序都存儲(chǔ)在ROM中。因此在PLC的

53、存儲(chǔ)器中，ROM占有較大的比例。只要接通電源，PLC就可以正常運(yùn)行，所以ROM基本不受掉電、電噪聲等的影響。ROM的內(nèi)容只能讀出，不能寫入，是非易失的內(nèi)容。 可編程只讀存儲(chǔ)器（Programmable Read Only Memory,PROM） 存入PROM的程序是用戶用編程器一次性寫入的，不能再改變。PLC很少使用PROM作為應(yīng)用存儲(chǔ)器。一般在使用這類存儲(chǔ)器時(shí)需用RAM作永久備份。雖然PRO可編程，具有ROM的非易失性，但它需要專門的編程設(shè)備。一旦編程便不易修改或擦除，對(duì)程序的任意修改則要求有一組新的PROM芯片。 可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器（Erasable Programmable R

54、ead Only Memory,EPROM） EPROM是特制的PROM，也是非易失的，兼有ROM的非易失性和RAM的隨機(jī)存取的優(yōu)點(diǎn)。EPROM可視為半永久性存儲(chǔ)器，可永久的存儲(chǔ)某一程序直至需要修改。如果需要對(duì)芯片內(nèi)容進(jìn)行徹底清除，則只要將芯片窗口暴露在紫外線下約20min即可。在徹底清除EPROM原內(nèi)容后可對(duì)程序進(jìn)行重新編制。EPROM的永久存儲(chǔ)能力及易修改的RAM特性使其構(gòu)成了一個(gè)適宜的存儲(chǔ)系統(tǒng)。 電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器（Electrically Erasable Progammable Read Only Memory,EEPROM） EEPROM是非易失性存儲(chǔ)器，然而也具有與RAM

55、同樣的編程靈活性。EEPROM的存儲(chǔ)內(nèi)容由用戶寫入，并可反復(fù)寫入。在寫入新的內(nèi)容時(shí)，原來(lái)存儲(chǔ)的內(nèi)容會(huì)自動(dòng)清除。 隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（Random Access Memory,RAM） RAM又稱讀/寫存儲(chǔ)器，信息可讀、可寫。在PLC中作為用戶程序和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器。用戶可以通過(guò)編程器讀出RAM中的內(nèi)容，也可以將用戶程序?qū)懭隦AM。RAM為程序運(yùn)行提供了存儲(chǔ)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與計(jì)算中間變量的空間，用戶在線操作時(shí)需要修改的參數(shù)（如設(shè)定值、手動(dòng)操作值、PID參數(shù)等）也需存入RAM中。另外，一些較先進(jìn)的PLC還提供了在線修改用戶程序的功能。 由于RAM是一種揮發(fā)性的器件，即當(dāng)供電電源關(guān)斷后，其存儲(chǔ)的內(nèi)容會(huì)丟失，因此

56、在實(shí)際使用中通稱為其配備掉電保護(hù)電路。當(dāng)正常電源關(guān)斷后，由后備電池供電，保護(hù)器存儲(chǔ)的內(nèi)容不丟失。為了在關(guān)斷PLC外部電源后，保存RAM中的用戶程序和某些數(shù)據(jù)（如計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值）不會(huì)丟失，一般為RAM配備了一個(gè)鋰電池。當(dāng)電源發(fā)生間隙供電時(shí)保持其內(nèi)容。通常鋰電池可用2-5年，需要更換鋰電池時(shí)，PLC面板上的“電池電壓過(guò)低”發(fā)光二極管亮，同時(shí)有一個(gè)內(nèi)部標(biāo)志位變?yōu)椤?”的狀態(tài)，可以用它的常開(kāi)觸點(diǎn)來(lái)接通控制屏面板上的指示燈或聲光報(bào)警器，通知用戶及時(shí)更換鋰電池?，F(xiàn)在大多數(shù)PLC都是用帶后備電池的RAM作為應(yīng)用存儲(chǔ)器。 3.I/O接口 I/O接口通常也稱I/O單元或I/O模塊，是PLC與工業(yè)過(guò)程控制現(xiàn)場(chǎng)

57、之間的連接部件。PLC通過(guò)輸入接口能夠得到生產(chǎn)過(guò)程的各種參數(shù)，并向PLC提供開(kāi)關(guān)信號(hào)量，經(jīng)過(guò)處理后，變成PLC能夠識(shí)別的信號(hào)。PLC通過(guò)輸出接口將處理結(jié)果送給被控制對(duì)象，以實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制目的。由于外部輸入設(shè)備和輸出設(shè)備所需的信號(hào)電平是多種多樣的，而PLC內(nèi)部CPU處理的信息只能是標(biāo)準(zhǔn)電平，所以I/O接口必須能實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。 輸入接口的作用是把現(xiàn)場(chǎng)的按鈕、各種開(kāi)關(guān)或傳感器等信號(hào)轉(zhuǎn)變成PLC內(nèi)部可以處理的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。常用的輸入接口按其使用電源不同可以分成3種類型，即直流輸入接口、交流輸入接口和交直流輸入接口。輸入接口采用光電耦合電路，如圖3-2所示，它可以大大減少?gòu)?qiáng)電和電磁干擾。

58、輸出接口的作用是將PLC內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)轉(zhuǎn)換為外部現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需要的電開(kāi)關(guān)量輸出信號(hào)。PLC的輸出接口也采用光電耦合電路設(shè)計(jì)，按PLC內(nèi)部所使用的功率放大器件不同可分為晶體管型、晶閘管型及繼電器型。 晶體管型輸出接口用于驅(qū)動(dòng)直流負(fù)載。晶體管輸出單元的驅(qū)動(dòng)電路一般采用晶體管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)放大，其輸出方式一般為集電極輸出，外加直流負(fù)載電源，如圖3-4所示。帶負(fù)載能力為每個(gè)輸出點(diǎn)一般1A左右，每個(gè)模塊3A左右。晶體管開(kāi)關(guān)量輸出模塊為無(wú)觸點(diǎn)輸出模塊，使用壽命較長(zhǎng)。晶體管輸出電路的延遲時(shí)間小于1ms。晶閘管型輸出接口電路用于驅(qū)動(dòng)交流負(fù)載。該類型的輸出接口為無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，帶負(fù)載能力一般為每個(gè)輸出點(diǎn)1A左右，每個(gè)

59、模塊4A左右。雙向晶閘管多用于交流負(fù)載，負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力比繼電器型的大，可直接驅(qū)動(dòng)小功率接觸器。晶閘管型輸出電路其響應(yīng)時(shí)間介于晶體管型與繼電器型之間繼電器型輸出接口既可以驅(qū)動(dòng)交流負(fù)載，又可以驅(qū)動(dòng)直流負(fù)載。繼電器同時(shí)起隔離和功率放大作用，每一路只給用戶提供一對(duì)常開(kāi)觸點(diǎn)。繼電器型輸出電路的滯后時(shí)間一般在10ms左右。 圖3-3輸入接口電路 圖3-4 晶體管型輸出接口電路 4.I/O擴(kuò)展接口 I/O擴(kuò)展接口用來(lái)擴(kuò)展PLC的I/O端子數(shù)。當(dāng)用戶所需要的I/O端子數(shù)超過(guò)PLC基本單元的I/O端子數(shù)時(shí)，即主機(jī)單元（帶CPU）的I/O端子數(shù)不能滿足I/O設(shè)備端子數(shù)需要時(shí)，可通過(guò)此接口用扁平電纜線將I

60、/O擴(kuò)展接口（不帶有CPU）與主機(jī)單元相連接，以增加PLC的I/O端子數(shù)，適應(yīng)控制系統(tǒng)的要求。其他很多的智能單元也通過(guò)該接口與主機(jī)相連，PLC的擴(kuò)展能力主要受CPU尋址能力和主機(jī)驅(qū)動(dòng)能力的限制。 5.通信接口 PLC配有各種通信接口，如RS-232、RS-422和RS-485等接口，這些通信接口有的需要通信處理器。PLC通過(guò)這些通信接口可與監(jiān)視器、打印機(jī)、其他PLC、計(jì)算機(jī)等設(shè)備實(shí)現(xiàn)通信。 6.外圍設(shè)備接口及特殊模塊 外圍設(shè)備接口是可編程控制器主機(jī)實(shí)現(xiàn)人-機(jī)對(duì)話、機(jī)-機(jī)對(duì)話的通道。通過(guò)它，可編程控制器可以和編程器、彩色圖形顯示器、打印機(jī)等外圍設(shè)備相連，也可以與其他可編程控制器或上位計(jì)算

61、機(jī)連接。 PLC還有許多特殊功能模塊，主要包括模擬量I/O單元、遠(yuǎn)程I/O單元、高速計(jì)數(shù)模塊、中斷輸入模塊和PID調(diào)節(jié)模塊等。隨著PLC的進(jìn)一步發(fā)展，特殊功能模塊的種類也越來(lái)越多。 7.電源 PLC的電源是指把外部供應(yīng)的交流電源經(jīng)過(guò)整流、濾波、穩(wěn)壓處理后，轉(zhuǎn)換成滿足PLC內(nèi)部的CPU、存儲(chǔ)器和I/O端子等電路工作所需要的直流電源電路或電源模塊。不同型號(hào)的PLC有不同的供電方式，所以PLC的電源輸入電壓既有直流5V、12V和24V，又有交流110V和220V. 3.2.2可編程控制器的工作原理 PLC的一個(gè)工作過(guò)程一般有5個(gè)階段：內(nèi)部處理階段、通信處理階段、輸入采樣階段、程序執(zhí)行階段和

62、輸出刷新階段。當(dāng)PLC開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，首先清除I/O影響區(qū)的內(nèi)容，其次進(jìn)行自診斷，然后與外部設(shè)備進(jìn)行通信連接，確認(rèn)正常后開(kāi)始掃描。對(duì)每個(gè)用戶程序，CPU 從第一條指令開(kāi)始執(zhí)行，按指令步序號(hào)作周期性的程序循環(huán)掃描；如果無(wú)跳轉(zhuǎn)指令，則從第一條指令開(kāi)始逐條執(zhí)行用戶程序，直至遇到結(jié)束符后又返回第一條指令。如此周而復(fù)始不斷循環(huán)，因此，PLC的工作方式是一種串行循環(huán)工作方式，如圖3-5所示。 （1）內(nèi)部處理階段 在這一階段，CPU監(jiān)測(cè)主機(jī)硬件、用戶程序存儲(chǔ)器I/O模塊的狀態(tài)以及清除I/O映像區(qū)的內(nèi)容等，即PLC進(jìn)行各種錯(cuò)誤監(jiān)測(cè)（自診斷功能），若自診斷正常，則繼續(xù)向下掃描。 （2）通信處理階段 在通信處

63、理階段，CPU自動(dòng)監(jiān)測(cè)并處理各種通信端口接收到的任何信息，即檢查是否有編程器、計(jì)算機(jī)或尚未PLC等通信請(qǐng)求，若有則進(jìn)行相應(yīng)處理，完成數(shù)據(jù)通信任務(wù)。譬如：PLC接收編程器送來(lái)的程序、命令和各種數(shù)據(jù)，并把要顯示的狀態(tài)、數(shù)據(jù)、出錯(cuò)信息發(fā)送給編程器進(jìn)行顯示，這稱為“監(jiān)視服務(wù)”，一般在程序執(zhí)行之后進(jìn)行。 （3）輸入采樣階段 在輸入采樣階段，PLC首先掃描所有的輸入端子，按順序?qū)⑺休斎攵说妮斎胄盘?hào)狀態(tài)（0或1表示在接線端上是否在承受外加電壓）讀入輸入映像寄存區(qū)。這個(gè)過(guò)程稱為對(duì)輸入信號(hào)的采用，或稱輸入刷新階段。完成輸入端刷新工作后，將關(guān)閉輸入端口，轉(zhuǎn)入下一步工作過(guò)程，即程序執(zhí)行階段。在程序執(zhí)行期間，即

64、使輸入端狀態(tài)發(fā)生變化，輸入狀態(tài)寄存器的內(nèi)容也不會(huì)發(fā)生改變，而這些變化必須等到下一個(gè)工作周期的輸入刷新階段才能被讀入。 （4）程序執(zhí)行階段 程序執(zhí)行階段又稱程序處理階段，是PLC對(duì)程序按順序執(zhí)行的過(guò)程。在程序執(zhí)行階段，PLC根據(jù)用戶輸入的控制程序，從第一條指令開(kāi)始逐條執(zhí)行，并將相應(yīng)的邏輯運(yùn)算結(jié)果存入對(duì)應(yīng)的內(nèi)如輔助寄存器和輸出狀態(tài)寄存器；并且只有輸入映像寄存器存放的輸入采樣值不會(huì)發(fā)生變化，其他各種數(shù)據(jù)在輸出映像寄存器或系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能隨著程序的執(zhí)行隨時(shí)發(fā)生改變。前面執(zhí)行的結(jié)果可能被后面的程序所用到，從而影響后面程序的執(zhí)行結(jié)果；而后面執(zhí)行的結(jié)果不可能改變前面的掃描結(jié)果，只有

65、到了下一個(gè)掃描周期，再次掃描前面程序時(shí)才有可能起作用。但是，在掃描過(guò)程中如果遇到程序跳轉(zhuǎn)指令，就會(huì)根據(jù)跳轉(zhuǎn)條件是否滿足來(lái)決定程序的跳轉(zhuǎn)地址。當(dāng)指令中涉及輸入、輸出狀態(tài)時(shí)，PLC從輸入映像寄存器中“讀入”上一階段存入的對(duì)應(yīng)輸入端子狀態(tài)。從輸出映像寄存器“讀入”對(duì)應(yīng)處處映像寄存器的當(dāng)前狀態(tài)。然后，進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果再存入元件映像寄存器中。對(duì)于元件映像寄存器來(lái)說(shuō)，每一個(gè)元件（輸出軟繼電器的狀態(tài)）都會(huì)隨著程序執(zhí)行過(guò)程而變化。當(dāng)最后一條控制程序執(zhí)行完畢后，即轉(zhuǎn)入輸出刷新階段。 （5）輸出刷新階段 當(dāng)程序中所有指令執(zhí)行完畢后，PLC將輸出狀態(tài)寄存器中所有輸出繼電器的狀態(tài)，依次送到輸出鎖存電路，并

66、通過(guò)一定輸出方式輸出，驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載，這就形成PLC的實(shí)際輸出。 輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新時(shí)PLC執(zhí)行用戶程序的3個(gè)主要階段，這3個(gè)階段構(gòu)成PLC的一個(gè)工作周期。由此循環(huán)往復(fù)，因此稱為循環(huán)掃描工作方式。 圖3-5 PLC的循環(huán)掃描過(guò)程 由此可以總結(jié)出PLC在掃描過(guò)程中信號(hào)的處理規(guī)則如下： 輸入映像寄存區(qū)中的數(shù)據(jù)，取決于本掃描周期輸入采樣階段所處的狀態(tài)。在程序執(zhí)行和輸出刷新階段，輸入映像區(qū)中的數(shù)據(jù)不會(huì)因?yàn)橛行碌妮斎胄盘?hào)而發(fā)生改變。 輸出映像寄存區(qū)中的由程序中輸出指令的執(zhí)行結(jié)果決定。在輸入采樣和輸出刷新階段，輸出映像區(qū)的數(shù)據(jù)不會(huì)發(fā)生改變。 輸出端子直接與外部負(fù)載連接，其狀態(tài)由輸出裝填寄存器中的數(shù)據(jù)來(lái)確定。 3.2.3 S7-200系列可編程控制器功能概述 西門子公司生產(chǎn)的SIMATIC S7-200系列PLC,除了一般PLC具有的定時(shí)/計(jì)數(shù)控制、條件控制、數(shù)據(jù)處理、運(yùn)動(dòng)控制和過(guò)程控制功能外，還具有多種其他功能，使得編程控制時(shí)更加靈活、方便。 執(zhí)行指令速度高。CPU 執(zhí)行每條二進(jìn)制指令的時(shí)間為0.37μs。 豐富的指令功能。