南 京 广 播 电 视 大 学

《机电控制与可编程控制器技术》

课 程 设 计 报 告

专业

题目: 超大功率高速提升机

全数字电控系统

学 生 姓 名学 号: 1232101250478 电 大 分 校: 江宁电大 学生所在单位: 格满林（南京）实业有限公司 指 导 教 师: 黄 波

二○一三年十一月

1

南京电大开放教育 2012 级（秋）机械设计制造及其自动化

专业（本科）

课程设计成绩评定表

分校名称： 江宁电大 班级代号：

中文摘要及关键词

摘 要：

此次设计是介绍一种超大功率高速提升机电控系统的作为设计方案,用于矿业集团矿井提升机的电控系统， 此方案同时介绍了PLC的硬件配置和软件设计。目前提升机的提升速度可以达到设计的15m/s, 提升重量可达到设计的32t。通过实际运行表明此系统具有稳定可靠、PLC系统的各项功能和保护完善、故障率低等功能，有效提高了劳动效率。

关键词：

提升机 PLC电控系统 数字技术

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引 言

现在煤矿提升机控制系统大多采用“ 可控硅供电电机+ 模拟调节+ 继电器控制” 的直流拖动方式, 其调节控制保护系统基本采用模拟系统。模拟控制系统存在能耗大、运行效率低、维护困难、分立元件多、参数分散性大、可靠性低、控制方式陈旧、技术落后等缺点，在实际生产中对生产效率的提高具有一定的阻碍。

随着计算机和数字技术的发展, 采用全数字电控系统已经成为可能, 它从根本上改变了模拟控制系统的缺点, 并具有模拟系统无法比拟的优点。

本文以ASCS直流提升机电控系统在某矿业集团矿主井提升机中的实际应用为例, 介绍了一种大功率、高速提升机全数字电控系统设计方案, 并给出了PLC硬件配置和软件设计方案。在实际运行中, 提升机的提升速度可以达到15m/s, 提升重量可达到设计的32t, 加减速度可达到设计的1m/s, 各项保护达到煤炭安全规程的要求; 该系统充分体现故障率低、可靠性高等优点。在煤炭行业大功率直流控制领域具有开创性和示范性。

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目录

第1节 系统总体设计方案 ………………………………………………....................5

1.1 系统组成框圈 ………………………………………………………..…….. …… .5

1.2 控制方案 ……………………………………………………………………....... ...5

第2节 全数字调节系统………………………………………………………......... ....6

第3节 PLC控制系统…………………………………………………………….... ....7

3.1 硬件配置…………………………………………………………………...... ..........7

3.1.1 操作保护PLC…………… …………………………………………………..........7

3.1.2 行控PLC功能要求……………………………………………….........................7

3.1.3 操作台PLC………………………………………………………………..... .....8

3.1.4 低压柜PLC………………………………………………………………..............8

3.2 软件配置…………………………………………………………………..................8

第4节 闸控系统………………………………………………………………….. .... 9

第5节 信息系统 ………………………………………………………………….. .... 9

第6节 结速语 ………………………………………………………………….. ... 10

参考文献…………………………………………………………………………………………….......10

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第一节 系统总体设计方案

1.1系统组成框圈

该直流提升机全数字电控系统具备先进的技术，采用“双直流电机+可控硅变流+ 全数字调节控制+ 多PLC 网络控制+ 上位机诊断与监控+局域网信息互联”的控制模式，具有数字化、自动化、网络化和信息化等为一体。主要设备包括高低压供电装置、传动整流装置、全数字调节控制装里、多PLC 网络控制系统、操作台和上位机、装卸载控制装置和液压站控制装置, 如图1 所示

.

该系统由2台德国西门子公司制造直流电机 （电机为2500KW,电枢额定电流2985A, 额定电压917V）直接轴联作为提升机的驱动源。在全数字调节系统的控制下, 主回路是通过电枢转接柜和励磁转接柜将主电源变换为适于主电机的供电电源, 两台电机可以单独运行也可以同时串联运行。根据提升机两电机的额定电压和额定电流的参数, 主回路采用电枢电流不可逆, 磁场电流可逆, 电枢回路配置成单机运行时串联12 脉动顺序控制方式, 双机串联时为24脉动控制方式。

1.2控制方案

针对矿主井采用的是直流提升机的磁场换向双闭环控制策略。控制原理图如图2 - 5 -

图中外环为速度闭环, 内环为磁场和电枢电流闭环。系统运行时, 由系统行控部分给出速度给定值(或加速度给定值), 与速度反馈实际值比较后形成速度调节器ASR偏差输入, 速度调节器为按照二阶最优设计的PI调节器, 保证系统运行速度稳态无差。速度调节器的输出作为电流调节器的给定值与电流反馈实际值比较后形成电流调节器偏差输入, 电流调节器为按照一阶最优设计的PI调节器, 保证系统电流快速跟随。对于电枢电流调节器ACR和磁场电流调节LACR, 在实际运行过程中按照单变量调节原则, 设定电枢电流阑值, 在磁场电流调节变化时, 使电枢电流维持在设定闭值当磁场电流达到饱和限幅值时, 才使电枢电流进人调节变化过程。保证系统运行时转矩按线性变化。

第二节 全数字调节系统

全数字调节系统采用了高效的多CPU,并行处理技术和先进的控制策略, 完成提升机速度和转矩的开环或闭环控制, 取代了传统的模拟电路调节器;完成提升机速度和电流双闭环调节, 实现电枢和磁场回路的各种故障保护。

采用以16位处理器为核心的ASCS全数字调节系统, 电枢电流不可逆、磁场电流可逆、电流和速度双闭环均由全数字调节部分实现全数字控制。该系统既可以用模拟量给定, 也可用上位机、PLC或其它数字操作单元提供数字量给定。反馈可用模拟测速机, 也可用轴编码器或者同时使用作为复合反馈, 从而得到最佳的动态性能和稳态精度。所有控制算法都由高速16位微处理器来完成, 保证所有控制回路的调节作用在

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主回路6个晶闸管桥的转换时间之内完成, 以保证电流环的采样时间。对可逆装置, 转矩反向时的无环流时间非常短?可由软件设定?电流环具有自适应功能, 即使负载变化很大时, 系统也能获得平稳的速度响应, 速度环的PI参数调节范围很大, 且具有积分分离功能。

第三节 控制系统

3.1硬件配置

提升机是矿山关键设备, 必须具备高可靠性、高安全性, 建立以网络为连接纽带的多户PLC冗余控制系统, 用于完成提升机行程控制、逻辑操作和故障保护、液压制动控制以及装卸载自动控制等。本套系统的PLC采用西门子公司的S7一300。所有PLC 均通过MPI和PROFIBUS双网连接(如图3所示), 从而保证了重要数据的同一性。

3.1.1操作保护PLC

主要包括电源模块/CPU模块、输入模块、输出模块、A/D模块、和计数模块。 主控PLC与继电器构成双线制提升机安全保护回路。来自提升机各部分的保护信号分为立即施闸、井口施闸、电气制动和报警4类。其中井口施闸、电气制动和报警类事故信号直接引人到PLC中,PLC 将其处理后送监视器显示故障类型并控制声光报警系统报警并施闸, 而立即施闸类事故信号除引人到PLC中处理、显示、报警外, 还直接引人到安全直动回路, 动作施闸系统施闸。主控PLC还将轴编码器信号经软件计算后处理成罐笼在井筒中的位置和在线速度, 进行后备位置、速度保护。

3.1.2行控PLC

主要包括电源、CPU、I/O、D/A、A/D、计数和通信模块。

行程监控PLC的主要功能是:将部分操作信号、部分保护信号以及设定的一些行程参数与轴编码器信号结合起来进行逻辑运算处理, 自动产生提升机所需的速度给定 - 7 -

信号(即运行曲线), 为了尽量减少起动、制动过程中的机械冲击, 提高提升机控制精度, 速度给定信号的加速、减速段为“ S ” 型曲线, 减速段行程通过PLC实际运算来调节减速度以保证减速段为一固定值, 从而保证了停车点不变和停车点的精度。此外行程监控PLC还将轴编码器信号经软件计算后处理成罐笼在井简中的位置和在线速度, 送到操作台监视器显示, 此外还产生包络曲线对提升机的度进行连续监视。

主控和行控2台PLC既相互独立, 又能相互监视,对某些保护(如过卷、超速、钢丝绳打滑等)还能相互备用、冗余, 这样大大提高了行程监控器的可靠性。

3.1.3 操作台PLC

操作台PLC实现3个主要功能: 一是将操作的有关按钮和旋钮等输人信号传送给主控PLC;二是通过输出模块, 将系统中重要的开关量和模拟量在指示台上正确显示;三是与深度指示器通讯, 完成深度指示。操作台PLC与主控、行控PLC也是双网络连接, 保证数据的安全可靠。

3.1.4 低压柜PLC

低压柜PLC实现的一个主要功能是将低压柜的各个开关信号传送给其他3台PLC。

3.2 软件配置

软件配置有系统和用户程序。系统程序装配在CPU模块上随硬件的产品而来; 用户程序是编程器编好程序后输人到PLC的存储模块。程序是采用块式结构形式，共有组织块(OB)、程序块(PB)、功能块(FB)、数据块(DB)、顺序块(SB)5种形式。本系统没有采用顺序块。功能块（FB）是用于复杂功能的反复编程(如专用控制器、报替器、计算功能和调整功能)。组织块(OB)是系统和用户程序的接口, 是用户程序的一部分, 但只能由系统程序调用, 可以编程, 使用者不能调用, 本系统使用了3个(OB)块(OB100,OB1,OB35)为加电启动组织块. 在该组织块中编制有关系统参数初始化的程序, 此组织块仅在系统加电起动后运行一次, 以后在程序循环中不再执行, 系统初 - 8 -

始化程序框图如图4所示。OB1为循环运行组织块, 即用户主程序部分, 行控PLC主程序框图如图5所示。在OB1中可以调用其它功能块, 如 SFB、SFC 、FB、FC等。OB35 为中断组织块, 它使循环时间中断, 循环时间为0~60ms, 可根据用户需要任意设置。本系统利用OB35的中断时间, 循环向上位机发送监控数据。系统中行程监控PLC 的中断程序框图如图6所示。

第四节 闸控系统

本项目中采用的闸控系统是进口恒减速液压站+进口闸盘。主控PLC系统与闸控系统之间采用硬件线路方式进行联系。主控系统给闸控系统的主要信号有:硬件安全回路信号、软件安全回路信号、恒减速解除、沉罐保护信号、闸控给定、速度信号、手动和自动信号等;闸控系统给主控系统的信号主要有:压力恒减速投人、液压站故障或者报替信号等。

第五节信息系统

信息系统的构建是基于现场总线、上位机网络管理等技术, 各子系统通过现场总线与主控PLC通讯。PLC与上位机通讯, 上位机通过WEB和ActiveX技术采用B/S模式管理服务器, 并在Internet网络进行信息管理。图7 为信息系统的网络图。

信息系统主要的功能是：对系统中各个组成部分进行实时的监控, 及时的反应系统运行过程中的各种参数、状态和故障报警；完成对系统运行时间的统计、提升量的统计、运行曲线的记录、故障报替的记录, 并可生产各种报表；通过WEB和程序服务 - 9 -

器进行客户机访问管理, 为各客户机提供运行画面、统计量、故障报警、报 表查询等信息, 实现信息的共享和管理。

第六节 结束语

本系统自20xx年9月正式投入试运行以来,ASCS控制系统稳定可靠、PLC系统的各项功能和保护完善、其他子系统与PLC系统的结合正常。目前提升机的提升速度可以达到15m/s, 提升重量可达到32t , 加减速度可达到1m/s , 各项保护达到煤炭安全规程的要求。此系统PLC程度高, 可靠性高, 事故率低, 维护量小, 工人劳动强度低, 具有很好的社会效益和经济效益。

参考文献

【1】西门子公司S7-300可编程序拉制器编程手册,20xx年12月

【2】何风有, 谭国俊.矿井直流提升机计葬机拉制技术[M]中国矿业大学出版社, 2003 - 10 -

 

第二篇：PLC课程设计报告

   

**********大学

  *****学院

 *************系

《PLC原理及应用课程设计》

题    目： 十字路口交通灯控制系统

专    业：   电气工程及其自动化   

班    级：          ***           

姓    名：         ****           

学    号：      **********        

指导教师：      ************       

任务书

目录

目的和要求……………………………………………………04

方案的论证……………………………………………………04

PLC介绍…………………………………………………04

实验原理…………………………………………………06

系统程序设计……………………………………………07

调试过程及结果分析…………………………………………08

    结果分析…………………………………………………09

元器件清单……………………………………………………10

实验心得………………………………………………………10

参考文献………………………………………………………10

一.目的和要求

目的：

本次课程设计用三菱FX1N-60MR可编程控制器控制完成十字路口交通灯正常工作。

要求：

系统实现“正常时序控制”及“急车强通控制”两种控制方式。

正常时序控制要求:当起动开关接通时，信号灯系统开始工作，先南北红灯亮，东西绿灯亮，南北红灯亮维持8s，在南北红灯亮的同时东西绿灯也亮，并维持4s，4s延时到，东西绿灯闪亮，绿灯闪亮2s，东西黄灯亮，并维持2s，2s延时到，东西黄灯熄，东西红灯亮，同时南北红灯熄，南北绿灯亮。东西红灯亮维持8s，南北绿灯亮维持4s，4s延时到，南北绿灯闪亮2s后熄灭，南北黄灯亮，并维持2s。2s延时到，南北黄灯熄，南北红灯亮，同时东西红灯熄，东西绿灯亮，开始第二周期的动作，以后周而复始地循环。

急车强通控制要求:急车强通信号受急车强通开关控制。无急车时，信号灯按正常时序控制。有急车来时，将急车强通开关接通，不管原来信号灯的状态如何，一律强制让急车来车方向的绿灯亮，使急车放行，直至急车通过为止。急车一过，将急车强通开关断开，信号灯的状态立即转为急车放行方向的绿灯闪亮2s，随后按正常时序控制。

二.方案的论证

    PLC介绍

PLC采用三菱可编程控制器中型号为FX1N-60MR的控制器，它是一种卡片大小的PLC，适合在小型环境中进行控制，具有卓越的性能、有60点，36点输入，24点输出，继电器输出。

优点：

1.系统配置即固定又灵活； 　

2.编程简单； 　

3.备有可自由选择，丰富的品种； 　

4.令人放心的高性能； 　

5.高速运算； 　

6.使用于多种特殊用途； 　

7.外部机器通讯简单化； 　

8.共同的外部设备

特点

1.小型·集成型

2.更高的性价比

3.高速化、高精度的控制（基本指令0.08μs/步）

4.高性能的内置功能（高速计数器、高速输入/输出等）

5.扩大控制点数，最大支持256点I/O

6.特殊单元的高性能化和高互换性

7.扩展通信端口, 轻松地使用模拟量功能

8.扩充存储器容量

9.标准机种适合国际规格

实验原理

PLC与I/O的连接线如下图

输入控制(手动控制输入)：

SB1  X000

SB2  X003

SB3  X004

输出控制：绿，黄，红（南北）

          绿，黄，红（东西）

  南北方向： 红   Y000                  东西方向： 红  Y010

黄   Y001                             黄  Y011

绿   Y002                             绿  Y012

有急车情况下：

SB2  控制南北绿 东西红

SB3  控制东西绿 南北红

控制时序图如图

把南北向控制、东西向控制和急通车控制看成为三条分支流程控制过程，其程序总流程图如下图

系统程序设计

本次课程设计的程序我用的是GX Developer V7.0

 GX Developer系列是三菱PLC的编程软件。适用于Q、QnU、QS、QnA、AnS、AnA、FX等全系列可编程控制器。支持梯形图、指令表、SFC、 ST及FB、Label语言程序设计，网络参数设定，可进行程序的线上更改、监控及调试，具有异地读写PLC程序功能。

GX Developer特点：

1.  软件的共通化 GX Developer能够制作Q系列，QnA系列，A系列（包括运动控制（SCPU））,FX系列的数据,能够转换成GPPQ,GPPA格式的文档。 此外，选择FX系列的情况下，还能变换成FXGP(DOS),FXGP(WIN)格式的文档。

2.  利用Windows的优越性，使操作性飞跃上升能够将Excel,Word等作成的说明数据进行复制，粘贴，并有效利用。

3. 程序的标准化

(1) 标号编程 用标号编程制作可编程控制器程序的话，就不需要认识软元件的号码而能够根据标示制作成标准程序。 用标号编程做成的程序能够依据汇编从而作为实际的程序来使用。

(2) 功能块（以下，略称作FB） FB是以提高顺序程序的开发效率为目的而开发的一种功能。把开发顺序程序时反复使用的顺序程序回路块零件化，使得顺序程序的开发变得容易。此外，零件化后，能够防止将其运用到别的顺序程序时的顺序输入错误。

(3) 宏只要在任意的回路模式上加上名字（宏定义名）登录（宏登录）到文档，然后输入简单的命令就能够读出登录过的回路模式，变更软元件就能够灵活利用了。

4. 能够简单设定和其他站点的链接 由于连接对象的指定被图形化而构筑成复杂的系统的情况下也能够简单的设定。

5. 能够用各种方法和可编程控制器CPU连接

(1) 经由串行通讯口

(2) 经由USB

(3) 经由MELSECNET/10(H)计算机插板

(4) 经由MELSECNET(Ⅱ)计算机插板

(5) 经由CC-Link计算机插板

(6) 经由Ethernet计算机插板

(7) 经由CPU计算机插板

(8) 经由AF计算机插板

6. 丰富的调试功能

(1) 由于运用了梯形图逻辑测试功能，能够更加简单的进行调试作业。

(a) 没有必要再和可编程控制器连接。

(b) 没有必要制作条使用的顺序程序。

(2) 在帮助中有CPU错误，特殊继电器/特殊寄存器的说明，所以对于在线中发生错误，或者是程序制作中想知道特殊继电器/特殊寄存器的内容的情况下提供非常大的便利。

(3) 数据制作中发生错误况时，会显示是什么原因或是显示消息，所以数据制作的时间能够大幅度缩短。

三．调试过程及结果分析

  由GX developer v7.0设计程序梯形图如下：

结果分析

正常情况下，当起动开关接通时，信号灯系统开始工作，先南北红灯亮，东西绿灯亮，南北红灯亮维持8s，在南北红灯亮的同时东西绿灯也亮，并维持4s，4s延时到，东西绿灯闪亮，绿灯闪亮2s，东西黄灯亮，并维持2s，2s延时到，东西黄灯熄，东西红灯亮，同时南北红灯熄，南北绿灯亮。东西红灯亮维持8s，南北绿灯亮维持4s，4s延时到，南北绿灯闪亮2s后熄灭，南北黄灯亮，并维持2s。2s延时到，南北黄灯熄，南北红灯亮，同时东西红灯熄，东西绿灯亮，开始第二周期的动作，以后周而复始地循环。

当有急车来时，将急车强通开关接通，不管原来信号灯的状态如何，一律强制让急车来车方向的绿灯亮，使急车放行，直至急车通过为止。急车一过，将急车强通开关断开，信号灯的状态立即转为急车放行方向的绿灯闪亮2s，随后按正常时序控制。

  所以此系统功能符合设计要求。

设备元件清单

实验心得

本次课程设计只持续了一个星期，时间非常紧张，我们的课题是十字路口交通灯控制系统，设计是以小组为单位，每组六人，需要完成完整的设计任务书，完成系统组态或硬件配置，正确合理地进行编程元件的地址分配，画出输入/输出接线图及相关的图纸，设计PLC控制程序（梯形图和指令表）。刚开始我和组员从不知道如何下手到后来慢慢的有自己的思路，一点点在老师和同学的帮助下，做好了设计草图，然后在实验室一步一步的摸索实践直到成功，我们除了喜悦，更多的是对自己的信心。做实验室的时候，我们总是不是这里有问题就是那里没有控制好，老师提醒我们后还是出现问题，我们一起讨论反复实验，最终得到想要的结果。团队精神很重要，在这几天实验里，使我明白实验不是靠一个人就可以完成的。只有充分发挥团队精神，互相给意见，思考，才会收获最后的成功。

参考文献

《三菱可编程控制器实验指导书》，湖南科技大学信息与电气工程学院

《控制电器及应用》，清华大学出版社

《可编程序控制器的编程方法与工程应用》，重庆大学出版社

《电器学》，机械工业出版社

《电工技术》，机械工业出版社