矿用电机车控制系统的设计(共28页)

湘潭大学 课程设计说明书课程名称： 电气与PLC控制技术 题 目： 矿用电机车控制系统的设计 学 院： 能源工程学院 专 业： 电子信息科学与技术 学 号： 1 姓 名： 唐彩琴 指导教师： 李云新 完成日期： 2011年6月30日 目 录1 引言 1 2 方案设计与论证 12.1 控制方案及论证12.2 显示界面方案的选择42.3 输入方案的选择43 控制系统硬件设计 43.1 PLC类型的选择43.1.1产品分选控制要求43.1.2系统I/O点数的计算53.1.3 PLC型号的选择53.2显示模块的设计63.2.1 硬件的设计思路63.2.2 软件的设计思路63.2.3 显示模块的电路图73.3 操作面板的设计 94 控制系统软件设计 11 4.1 系统I/O分配114.2 主要程序设计134.2.1 按键操作说明134.2.2 主控制程序134.2.3动态显示控制程序134.2.4 计数及显示程序144.2.5 计时及显示程序 164.2.6 故障程序185 结束语31附录 各程序梯形图 矿用电机车控制系统设计1引言随着社会迅速的发展，各机械产品层出不穷。控制系统的发展已经很成熟，应用范围涉及各个领域，例如；机械、汽车制造、化工、交通、军事、民用等。PLC专为工业环境应用而设计，其显著的特点之一是可靠性高，抗干扰性强。的应用不但大大的提高了电气控制系统的可靠性和抗干扰性，而且大大的简化和减少了维修维护的工作量。本设计综合考虑了制造业的现状，结合了电机车的工作原理，给出一种简单实用的电机车控制系统的PLC设计方案。系统中设计了故障检测的装置，让技术人员的工作更为简单、方便、快捷。实验也证明该系统应用简单、经济，在工作中能更快、更准确的运行。因此，大大的提高了生产率，降低了工人的劳动强度，降低了企业的生产成本，提高了企业的经济效益，是我们热切看到的。可编程序控制器是以微处理器为核心的通用工业自动化装置。它将传统的继电器控制技术与计算机技术和通信技术融为一体，具有结构简单、性能优越、可靠性强、灵活通用、易于编程、使用方便等优点。针对矿山工作的特定环境，本系统设计的电机广泛应用于矿山。2 方案设计与论证21 控制方案及选择方案一：采用可编程控制器（PLC）控制。该方案的优点是系统简明扼要，编程元件丰富和编程语言灵活，系统扩展容易，部件少，可靠性高，抗干扰能力强，功能完善，适用性强，系统的设计工作量小，维护方便，容易改造。方案二：采用单片机控制。该方案的优点是价格便宜，编程容易，体积小，适用性强，节约成本；缺点是其外围电路复杂，部件多，若焊接中存在虚焊，系统稳定性和可靠性变差。方案三：采用继电器接触器控制。优点是价格低廉、对维护技术要求不高，适用于工作模式固定、控制要求简单的场合。缺点是系统的布线连接不宜更新、功能不宜扩展，可靠性不高。对复杂的控制系统，查找和排除故障困难；产品更新、生产工艺变化时，继电器控制系统的元件和接线也须作相应的变动，这种变动工作量很大，工期长，费用高。综上所述，我选择第一种方案。22 显示界面方案选择方案一：完全采用LED显示。这种方案只显示有限的符号和数码字符，所需的编程和硬件要求很高。 方案二：完全采用阵式LCD显示。这种方案实现复杂，且须完成大量的软件工作；但功能强大，可方便的显示各种英文字符，汉字，图形等。方案三：采用 LED与点阵LCD相结合的方法。因为既要求倒计时数字输出，又要求有汉字信息提示及图形输出等，为方便观看并考虑到现实情况，用LED与LCD分别显示时间与提示信息。这种方案既满足系统功能要求，又减少了系统实现的复杂度，但是相对价格比较高。 权衡利弊，决定采用方案一来实现系统的数字显示。23 输入方案的选择方案一：输入口直接输入 该方案的优点是：简单明了，但占用输入点多、成本高。方案二：矩阵式键盘输入 占用输入点少、成本低、且直观、整体性能强、操作方便。综合方案一和二，权蘅利弊选择方案二。3 控制系统硬件设计31 PLC类型的选择3.1.1 矿用电机车控制要求1控制系统对矿用实现启动、停止等控制。对制动距离、撒砂管撒砂、轮对轴承温度、车身平稳性、受电弓接触等情况实施检测，对运行总时间、往返次数进行计数并显示。2. 当出现制动距离达不到规定的要求、撒砂管不撒砂、轮对轴承温度过高车身歪斜左右摇晃、脱轨掉道、受电弓接触不良等故障时报警并显示。3.1.2 系统I/O点数的计算1显示控制I/O点计算：运行总时间显示字形输出需输出点4个，字位输出控制需输出点3个。往返次数显示字形输出需输出点4个，字位输出控制需输出点3个。2基本控制I/O点计算：组成28键盘需输入点8个，输出点2个；系统启动、系统停止、计时清零、计数清零、加速、减速、制动、前进、后退、计数等控制和制动距离达不到规定的要求、撒砂管不撒砂、脱轨掉道、受电弓接触不良4个检测输入故障信号从键盘输入；4个轮对轴承温度检测输入、4个车身歪斜左右摇晃检测输入故障信号直接从输入口输入；制动距离达不到规定的要求、撒砂管不撒砂、脱轨掉道、受电弓接触不良4个故障灯信号输出，需要4个输出点；4个轮对轴承温度过高、4个车身歪斜左右摇晃故障灯信号输出需要8个输出点；报警音响信号输出需要1个输出点；电源指示信号输出需要1个输出点；加速、减速控制信号输出需要输出点2个；制动、前进、后退控制信号与接触器线圈并联需要输出点3个；故障解除1个。综上，一共需要输入点共13个，需要输出点20个。3.1.3 PLC型号的选择目前在国内市场上有从美国、德国、日本等国引进的多种系列PLC，国内也有许多厂家组装、开发数十种PLC，故PLC系列标准不一，功能参差不齐，价格悬殊。在此情况下，PLC的选择应着重考虑PLC的性能价格比，选择可靠性高，功能相当，负载能力合适，经济实惠的PLC。本文介绍以四段液位控制对象为例，据对多种因素的分析比较及监控系统输入、输出点数的要求，选用日本三菱公司FX2型PLC 。 基本控制选：FX2N-32MR 显示控制选：FX2N-24EYT3.2 显示模块的设计3.2.1.硬件的设计思路（1）采用带译码器和片选输入点的七段显示译码器，来显示09十个数字。并根据显示数字的位数及组数，选用相应个数的七段数字显示器件部件，来显示1位、2位、3位、4位等多位数或几个数字组。（2）用PLC的4个输出点形成4条数据线。由这4条数据线组成显示数字的数据总线。数字量输出用二进制的00001001代表09，各个显示数字值传输到相对应的显示器件。（3）PLC输出点与地址译码器配合控制各显示器件数据输入的选通或锁存。根据显示数字的位数及组数，选用相应译码器的型号和个数。（4）用PLC的4个（或3个、2个等）输出点形成4条（或3条、2条等）地址线。由这4条（或3条、2条等）地址线组成显示数字的地址总线。数字量输出用二进制的00001111代表015位（或000111代表07位、0011代表03位等）。 总线与接口电路框图，如图2所示。3.2.2软件设计思路（1）将需要数字显示的PLC内部数据字或数据双字由整数转化为BCD码。（2）在BCD码表示的数据中，以个位BCD码的2023位对应数据总线2023位的数位输出。十位、百位、千位等BCD码通过移位使其数位与个位数位对应。2023位为个位BCD码，可以直接输出；2427位为十位BCD码，可通过逻辑右移4位，在个位BCD码数位输出；28211位为百位BCD码，可通过逻辑右移8位，在个位BCD码数位输出。以此类推，然后按时序在数据总线上分别发送个位、十位、百位、千位、万位等数字显示信号，以使个位、十位、百位、千位、万位等BCD码都在数据总线上传输数字显示数据。（3）通过PLC地址输出点和地址译码器，提供各个数字显示器的片选信号，配合4条数据总线来发送数据，达到由指定显示部件的显示器接收显示数据。控制各个片选输入来控制该数字显示器件输入数据的选通与锁存，使各个显示单元接收到对应的显示数据并予以锁存显示。（4）合理地控制片选及锁存显示周期，使传送、显示能适应PLC扫描输出速率及显示器件的响应时间，使显示正常，消除无显示、显示闪烁、显示迟钝等现象。（5）实现多参数的动态显示，只要将地址译码器的输出端与显示器件的片选输入端对应联接，对PLC数据做上述处理后，按时序在数据总线上发送，就可实现对应的数字显示。3.2.3 显示模块的电路图如图3-1所示：74ls138: 3-8译码器。Mc14495: 七段显示译码器： 输出高电平有效驱动共极数码管。动态显示： 对数码管循环扫描输入显示数据。FX2-32EYT： 晶体管输出型扩展模块（PLC），有32个输出点。Y20-Y23： 输出BCD码，经Mc14495译成显示码，同时送给二数码管，由二进制输出。经74LS138译码后控制（任一时刻，只有一个管道通电）扩展模块输出：Y20Y23：计时字形输出；Y24Y27：计时字位输出；Y30Y33：计数字形输出；Y34Y37：计数字位输出；Y40：前左轮对轴承温度信号灯；Y41：前右轮对轴承温度信号灯；Y42：后左轮对轴承温度信号灯；Y43：后右轮对轴承温度信号灯；Y44：前左车身歪斜左右摇晃信号灯；Y45：前右车身歪斜左右摇晃信号灯；Y46：后左车身歪斜左右摇晃信号灯；Y47：后左车身歪斜左右摇晃信号灯。 图3-1 显示部分电路图33 操作面板的设计操作面板线路，如图3-2所示。图中：Y16、Y17与X10-X17组成8行2列键盘矩阵输入，构成操作面板。图3-2 基本模块输入输出接线图1、基本模块键盘矩阵输入： 1号：制动距离检测输入；2号：撒砂管检测输入；3号：脱轨掉道检测输入；4号：受电弓接触检测输入；5号：前进命令输入；6号：后退命令输入；7号：加速命令输入；8号：减速命令输入；9号：制动命令输入；10号：报警命令输入；11号：计数命令输入；12号：故障解除命令输入；13号：计时清零命令输入；14号：计数清零命令输入；15号：系统启动命令输入；16号：系统停止命令输入。2、基本模块直接输入：Y0：前左轮对轴承温度检测输入；Y1：前右轮对轴承温度检测输入；Y2：后左轮对轴承温度检测输入；Y3：后右轮对轴承温度检测输入；Y4：前左车身歪斜左右摇晃检测输入；Y5：前右车身歪斜左右摇晃检测输入；Y6：后左车身歪斜左右摇晃检测输入；Y7：后右车身歪斜左右摇晃检测输入；3、基本模块直接输出：Y0：制动距离故障信号灯输出；Y1：撒砂管不撒砂故障信号灯输出；Y2：脱轨掉道故障信号灯输出；Y3：受电弓接触不良故障信号灯输出；Y4：报警电铃信号输出；Y5：电源信号灯输出；Y6：制动电磁铁线圈输出；Y7：前进接触器线圈输出；Y10：后退接触器线圈输出；Y11:加速信号灯输出；Y12:减速信号灯输出。4. 控制系统软件设计4.1系统I/O分配计时、计数显示及4个轮对轴承温度故障信号与 4个车身歪斜左右摇晃故障信号显示由扩展模块完成，见图1。检测信号输入、基本控制命令输入，基本控制输出及相关信号输出由基本模块完成，见图2。由图1、图2得系统I/O分配如下表：基本模块键盘矩阵输入：1号：制动距离检测输入；2号：撒砂管检测输入；3号：脱轨掉道检测输入；4号：受电弓接触检测输入；5号：前进命令输入；6号：后退命令输入；7号：加速命令输入；8号：减速命令输入；9号：制动命令输入。10号：报警命令输入；11号：计数命令输入；12号：故障解除命令输入；13号：计时清零命令输入；14号：计数清零命令输入；15号：系统启动命令输入；16号：系统停止命令输入。基本模块直接输入：Y0：前左轮对轴承温度检测输入；Y1：前右轮对轴承温度检测输入；Y2：后左轮对轴承温度检测输入；Y3：后右轮对轴承温度检测输入；Y4：前左车身歪斜左右摇晃检测输入；Y5：前右车身歪斜左右摇晃检测输入；Y6：后左车身歪斜左右摇晃检测输入；Y7：后右车身歪斜左右摇晃检测输入；基本模块直接输出：Y0：制动距离故障信号灯输出；Y1：撒砂管不撒砂故障信号灯输出；Y2：脱轨掉道故障信号灯输出；Y3：受电弓接触不良故障信号灯输出；Y4：报警电铃信号输出；Y5：电源信号灯输出；Y6：制动电磁铁线圈输出；Y7：前进接触器线圈输出；Y10：后退接触器线圈输出；Y11：加速信号灯输出；Y12：减速信号灯输出。扩展模块输出：Y20Y23：计时字形输出；Y24Y27：计时字位输出；Y30Y33：计数字形输出；Y34Y37：计数字位输出；Y40：前左轮对轴承温度信号灯；Y41：前右轮对轴承温度信号灯；Y42：后左轮对轴承温度信号灯；Y43：后右轮对轴承温度信号灯；Y44：前左车身歪斜左右摇晃信号灯；Y45：前右车身歪斜左右摇晃信号灯；Y46：后左车身歪斜左右摇晃信号灯；Y47：后左车身歪斜左右摇晃信号灯4.2 主要程序设计4.2.1 按键操作说明矩阵输入指令如下：Y16列对应8点输入（9号-16号）存入对应的M50-M57即：按9号键M50=1 按停止键M57=1Y17列对应8点输入（1号-8号）存入对应的M60-M70即：按1号键M60=1 按8号键M67=1编程时：M50-M57、M60-M67的常开、常闭代替按键的常开、常闭。4.2.2 主控制程序 1.接通电源后，M8000=1执行矩阵输入指令，可以进行各种按键的操作。2.按下起动按钮，主控程序起动，其中程序设定了自锁。按下停止按钮，主控程序停止。3若执行9号制动命令，则按键使M50=1，制动电磁铁线圈Y6有输出，其Y6=1，对电机车实行制动距离实施检测，即D10转数寄存器，D11为电机车车轮的直径，在此设定的距离为200m,即D10、D11两个16位数的积存放在D12、D13两个字软设备中。4若执行5号前进命令，则按键使M62=1，前进接触器线圈Y7有输出，其Y7=1，电机车前进，在此程序中安装了一个常闭的报警电铃Y4，若电机车前进实施检测，其他的（后退、加速、减速）运行原理类同。4. 2. 3 动态显示控制程序计时及显示程序动态扫描程序梯形图：1、 系统启动后，M120=1，按下清零键，D21清零，M27-M37复位。2、 DECO指令将D21中的数进行解码。若D21中为0，则M30=1；若D21中为1，则M31=1；若D21中为2，则N32=1若D21中为7，则M37=1。一个扫描周期解码一次。一次解码，M30-M37中只有一个为一，其余为0。可用M30M37分别控制8个字形信号的输出。3、 BIN指令将D21中的数进行二进制变换。若D21中为0，则M41M40M39M38=0000；若D21中为1，则M41M40M39M38=0001；若D21中为7，则M41M40M39M38=0111。一个扫描周期二进制变换一次。一次二进制变换，M41M40M39M38中只有一个组合状态。M41M40M39M38的8个组合状态分别控制8个字位信号的输出。4、 一个扫描周期内输出一个字形信号和与之对应的字形信号，即显示一个字。8个扫描周期即依次显示8个字。8个扫描周期为一个循环。即形成动态循环显示。利用人体视觉延时原理，看上是同时显示。计数及显示程序动态扫描梯形图：1、 系统启动后，M120=1，按下清零键，D40清零，M47-M57复位。2、 DECO指令将D40中的数进行解码，若D40中为0，则M50=1；若D40中中为1，则M51=1；若D40中为2，则M52=1若当D40中为7，则M57=1。一个扫描周期解码一次，一次解码，M50-M57中只有一个为1，其余为0。可用M50-M57分别控制8个字形信号的输出。3、 BIN指令将D40中的数进行二进制变换。若D40中为0，则M61M60M59M58=0000；若D40中为1，则M61M60M59M58=0001；若D40中为7，则M61M60M59M58=0111。一个扫描周期二进制变换一次，一次二进制变换，M61M60M59M58中只有一个组合状态。M61M60M59M58的8个组合状态分别控制8个字位信号的输出。4、 一个扫描周期内输出一个字形信号和与之对应的字形信号，即显示一个字。8个扫描周期即依次显示8个字。8个扫描周期为一个循环。即形成动态循环显示。利用人体视觉延时原理，看上是同时显示。4. 2. 4 计数及显示程序 1按下清零按钮M54=1，数据寄存器D300-D400清零。来一个步进脉冲，D300中的内容加1。当D300中的数为10时，D300清零，同时D301中的数加1。同理当D301中的数位10时，D301清零，D302中的数加1，即D301位为时的个位，D302中的数为时的十位，依次类推。2在进行字形输出时，对D300D305中的数进行BCD转换，从Y30-Y33输出，送到MC14495显示译码器，译码后驱动显示器显示。3Y30Y33进行的是字形的控制。例D303的信号送入Y30Y33输出，同理D304、D305、D306也由此输出口输出。4Y34Y36进行字位控制。例Y34Y36均为0时，输出的是个位、Y34Y36为001时，输出的是十位。5利用Y30-Y33与Y34-Y36的有机配合，形成循环动态扫描，利用人体视觉延时原理，看上是同时显示4.2.5计时及显示程序1按下清零按钮M55=1，数据寄存器D210-D220清零。来一个步进脉冲，D210中的内容加1。当D210中的数为10时，D210清零，同时D211中的数加1。同理当D211中的数位10时，D211清零，D212中的数加1，即D211位时的个位，D211中的数为时的十位，依次类推。2在进行字形输出时，对D210D215中的数进行BCD转换，从Y20-Y23输出，送到MC14495显示译码器，译码后驱动显示器显示。3Y20Y23进行的是字形的控制。例D213的信号送入Y20Y23输出，同理D214、D215、D216也由此输出口输出。4Y24Y26进行字位控制。例Y24Y26均为0时，输出的是个位、Y24Y26为001时，输出的是十位。5利用Y20-Y23与Y24-Y26的有机配合，形成循环动态扫描，利用人体视觉延时原理，看上是同时显示4.2.6 故障检测程序故障检测主要是对撒砂管、脱轨掉道、受电弓接触、四个车轮（前左、前右、后左、后右）对轴承温度检测及四个车轮（前左、前右、后左、后右）对车身平稳检测。键盘输入1-4号分别为制动距离、撒砂管、脱轨掉道、受电弓接触检测输入。分别对应Y0-Y3信号灯输出和Y4的报警信号输出：Y0 -Y3分别为电机车前左、前右、后左、后右轮对轴承温度检测输入，对应要Y40-Y43信号灯输出；Y4 -Y7分别为电机车前左、前右、后左、后右车身歪斜左右摇晃检测输入对应Y44-Y47信号灯输出。当温度传感器和压力传感器的检测输入值与设定值相比较，达到或者超过设定值时，输出触点接通，输出相对应的灯光信号和声音信号。 5.结 束 语 本设计采用可编程控制器（PLC）控制，输入方案则采用矩阵式键盘输入。系统简明扼要，部件少且系统稳定性占用输入点少，系统扩展简单，编程元件丰富和编程语言灵活，成本低、且直观、整体性能强、效率高、操作方便。经模拟运行，状态稳定。该设计仍有缺陷的地方，有待以后完善。如；显示方案完全采用LED显示。这种方案只显示有限的符号和数码字符，如果采用 LED与点阵LCD相结合的方法。因为既要求倒计时数字输出，又要求有汉字信息提示及图形输出等，为方便观看并考虑到现实情况，用LED与LCD分别显示时间与提示信息。这种方案既满足系统功能要求，又减少了系统实现的复杂度，但是相对价格比较高。通过这几天的设计设计，我的知识领域得到了进一步的扩展，专业技能得到进一步的提高，进一步掌握了PLC的编程方法和程序调试方法，对可编程控制应用技术有了更深的了解，对PLC的发展有了基本了解。同时增强了分析和解决实际问题的能力。另外，也培养了自己严肃认真的科学态度和严谨求实的工作作风。在此，感谢老师的耐心指导。 附录一 各程序梯形图1. 主控程序梯形图2. 计时及显示程序梯形图3. 计数及显示程序梯形图 4. 故障检测程序梯形图