基于PLC控制的变频调速在矿井提升装置中的应用设计

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。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研究课题。本文针对提升机控制系统中存在的上述问题，把可编程序控制器和变频器应用于提升机控制系统上，并对其作一些浅在的改进：根据提升机的运行特点，控制系统采用工控机监控提升机变频调速系统,该系统主要由上位机(工控机或触摸屏)，下位机(PLC控制系统)、变频调速系统等组成。主控系统采用PLC系统，硬件简洁、软件灵活性强、调试方便、维护量小，配合一些专用电子模块组成的提升机控制设备，可供控制高压带动动力制动或低频制动等。同时能检测各电机故障现象并送往上位机显示。减少了传统继电器接触式控制系统的中间环节，减少了硬件和控制线，极大提高了系统的稳定性，可靠性。电气拖动单元采用目前先进的变频调速方案。采用矢量控制技术适合提升机工作环境，只需在控制单元给出对变频器的控制命令(正转、反转、多段速等)即可使提升机按照设定的速度曲线运行，满足提升阶段稳定运行的要求。安全性能方面，一旦出现故障，安全电路立即断开，系统进行紧急制动，采用备用启动编码器控制操作方案。同时保证工人紧急逃生，保障人身安全！另外其他方面减少人员工作量改进过程中采用了自动装卸料，既减少成本，也提高了工作效率。关键字：PLC 矿用提升机 变频调速 AbstractMine hoist is the most important mining equipment, ore shoulder, materials, personnel, transportation responsibility. Traditional mine hoist control system is mainly used to control relays - contactor, such hoist motor is usually additional resistance in series with the rotor circuit to start and speed control. This control system has poor reliability, operational complexity, high failure rate, energy wastage, efficiency and low defects. So for mine hoist control system research has practical significance, but also domestic and foreign industry experts, a research topic.This elevator control system for the existence of the above problem, the programmable logic controller and inverter used in elevator control system, and make some light in their improvements:According to the operational characteristics of the elevator control system IPC VVVF elevator control system, mainly by the host computer (IPC or touch screen), the next bit machine (PLC control system), frequency control system, etc Main control system uses PLC system, the hardware simple, software flexibility, easy debugging, maintaining a small amount, with a number of specialized electronic modules of the elevator control equipment for control of low frequency high voltage to drive dynamic braking or braking. At the same time be able to detect the motor symptoms and sent to the host computer display. Reduce the traditional relay contact in the middle part of the control system, reducing hardware and control lines, which greatly improves system stability and reliability. Drag the unit uses electrical current advanced frequency control scheme. The use of vector control technology for elevator work environment, just given of the inverter control unit control commands (forward, reverse, multi-speed, etc.) can make elevator operation in accordance with set speed curve to meet the improved phase stable operation requirements.Safety performance, the event of a failure, the safety circuit immediately disconnect the emergency brake system, the encoder to start using alternate control operation of the program. While ensuring that emergency workers to escape, to protect the personal safety! In addition to improve other aspects of the process of reducing staff workload using the automatic loading and unloading, both to reduce costs, improve work efficiency.Keyword : PLC 、 Mine Hoist 、Frequency第1章 绪 论矿井提升机是机、电、液一体化的大型机械，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。在煤炭生产中提升机担负着提升煤炭、矸石、下放材料、升降人员和设备的任务，是联系井上与井下的唯一途径，素有矿井“咽喉”之称。提升机的电力传动特性复杂，电动机频繁正反向，经常处于过负荷运转和电动、制动不断地转换的状态中。对提升机来说，运行的安全、可靠性是至关重要的，主并直接关系到矿山的生产效率，作为运送人员的副井，一旦发生故障,往往造成机毁人亡。提升机运行的安全可靠性不仅直接影响整个矿井的生产能力，影响整个矿山的经济效益，而且还涉及到井下工作人员的生命安全。因此，研制并制造即安全可靠又节省能源的提升机是煤矿安全生产的一项重要课题。20世纪70年代后期，随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，可编程控制器更多地具有了计算机的功能，不仅用逻辑编程取代硬连线逻辑，还增加了运算、数据传送和处理等功能，真正成为一种电子计算机工业控制装置，而且做到了小型化和超小型化。这种采用微电脑技术的工业控制装置的功能远远超出了逻辑控制、顺序控制的范围，故称可编程控制器，简称：PLC.可编程控制器的迅速发展应用到了各大领域，本课题就是通过运用PLC的特性、控制系统的能力，完成对提升机的控制。 矿井提升机对安全性、可靠性和调速性能的特殊要求，使得提升机电控系统的技术水平在一定程度上代表一个厂或国家的传动控制技术水平。比较国内外矿用提升机系统，具体来说国外矿井提升机在电控方面的应用特点有以下几个方面：提升工艺过程微机控制提升行程控制提升过程监视安全回路当前国内提升机电控绝大多数还是转子回路串电阻分段控制的交流绕线式电机继电器接触器系统，设备陈旧、技术落后。而且这种控制方式存在着很多的问题. 因此，需要研制更加安全可靠的控制系统，使提升机运行的可靠性和安全性得到提高。在提升机控制系统中应用计算机控制技术和变频调速技术，对原有提升机控制系统进行升级换代。就计算机技术在工业现场应用情况而言，可编程控制器(PLC)是目前作为工业控制最理想的机型，它是采用计算机技术、按照事先编好并储存在计算机内部一段程序来完成设备的操作控制。采用PLC控制，硬件简洁、软件灵活性强、调试方便、维护量小，PLC技术已经广泛应用于各种提升机控制。第2章 矿井提升机控制系统的设计2.1 控制单元基本原理我国提升机设备中，普遍使用TKD系统(全数字交流电控系统)，这种控制系统是采用继电器有触点的逻辑控制，以磁放大器为核心组成模拟量闭环调节。在继电器控制系统中，要完成一个控制任务，支配控制系统工作的“程序”是由各分立元件(继电器、接触器、电子元件等)用导线连接起来加以实现的，这样的控制系统称为接线程序控制系统。在接线程序控制系统中，控制程序的修改必须通过改变接线来实现。一个是继电器控制系统，它是由继电器、接触器用导线连接起来以实现控制程序的，其输入对输出的控制通过接线程序来实现，输入设备(按钮、行程开关、限位开关、传感器等)用以向系统送入控制信号。输出设备(接触器、电磁阀等执行元件)用以控制生产机械和生产过程中的各种被控对象(电动机、电炉、电磁阀门等)。几十年来，这种控制系统由于受元件水平的限制而存在着缺陷，突出表现在：(1)使用大量继电器、接触器及其它分立电子元件，系统体积大，运行噪声大，功耗高，接线复杂，故障率高，工作稳定性和可靠性差，控制速度慢，控制精度差，功能改变难度大，使用寿命短。(2)在启动过程中，由于罐笼的实际载重量不同，实际的加速过程并非按照预定的设计参数运行，常常出现停车不准确甚至提前停车现象。(3)采用磁放大器做调节控制，稳定性差，线性度差，调速精度很难保证。(4)系统安全保护环节不全面，工作不可靠，故障显示不直观，分析查找故障难度大，缺乏运行参数显示功能。(5)调速性能差，机械冲击大，人员乘车舒适性差。这些不足主要是因为采用继电器控制方式造成的，在这种控制方式下继续改善的余地不大。如果对该竖井提升机电控系统进行技术改造，那么需要改变控制策略，采用当代高新实用技术来控制，使之成为安全、可靠、高效率、自动化程度高的电控系统。是可编程序逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC，PLC技术是现代工业自动化的重要手段，由它构成的控制系统逻辑控制由PLC通过软件编程实现，柔性强，控制功能多，控制线路大大简化；PLC的输入腧出回路均带有光电隔离等抗干扰和过载保护措施，程序运行为循环扫描工作方式，且有故障检测及诊断程序，可靠性极高；PLC控制系统结构为模块化结构，维护更换方便，并可显示故障类型。另一个是编程控制器控制系统，其输入设备和输出设备与继电器控制系统相同，但它们是直接接到可编程序控制器的输入端和输出端的。控制程序是通过一个编程器写到可编程控制器的程序存储器中。每个程序语句确定了一个顺序，运行时依次读取存储器中的程序语句，对它们的内容进行解释并加以执行，执行结果用以接通输出设备，控制被控对象工作。在存储程序控制系统中，控制程序的修改不需要通过改变控制器内部的接线(即硬件)，而只需通过编程器改变程序存储器中某些语句的内容。对于一般提升机电控系统来说，采用一套中小容量的PLC即可满足要求，其价格也不高。如果采用PLC技术对TKDA电控系统进行改造，把原来由各种电器通过连线而实现的逻辑控制改由PLC通过软件编程实现，则控制线路将大大简化，设备体积、设备维修量将大大减小，抗干扰能力将大大增强，工作可靠性将大大提高，工艺改变时只需要改变控制程序即可。改造时保持原有的操作方式、按钮、开关、主令控制器作用不变，则用户使用起来将非常方便，不需要适应期。同时可以利用PLC的高速计数功能、网络通信功能、故障检测及诊断功能、信号显示功能等来增加一些新的控制功能，安全性将大大提高，运行将更加平稳、准确，完全能够满足矿山生产的苛刻要求，而且投资相对较少，性价比较高，具有很强的实用价值。可编程控制器的高可靠性、抗干扰能力强，编程简单，操作方便，设计、安装、调试、维护等优点适合工业控制的独特优点，能较好的解决工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题.2.2提升机交流调速方式矿井提升机，从电力拖动而言，可分为交流拖动和直流拖动两大类目前交流调速最有前途的是变频调速技术，在变频调速技术中矢量控制和直接转矩控制都能满足提升机恒转矩负载这一特征，所以在提升机调速系统中这两种调速方案将是重要发展方向。在传统的矿井提升机的交流拖动系统中选用绕线式异步电动机作为主拖动电动机，在绕线式异步电动机的转子回路串接电阻或频敏变阻器，可以改善动态性能，不但可以减小启动电流，还可以增加启动转矩，并能在一定范围内进行调速还可以实现全频率(0-50HZ)范围内的恒转矩控制。提升机的基本参数：电机功率55KW，卷筒直径1200 mm，减速器减速比24:1，最高运行速度2.5 m/s，钢丝绳长度为120m。如图2-1为提升机转子串入八段电阻调速原理图。 图2-2 提升机八段转子串电阻调速原理图2.3系统设计(1)主控系统系统的主控系统采用三菱FX2N系列的可编程控制器，一备一用互为热备，当主PLC发生故障的时候可以迅速切换备用PLC不影响生产。在井筒及深指器各阶段安装行程开关，用以确定罐笼位置，并相互校验，达到停车位的精确控制。程序编制满足提升机自动和手动两种工作方式，并可方便的转换。(2)变频调速系统调速系统采用森兰变频器，提升机的负载特性为恒转矩位能负载，起动力矩较大，选用变频器时适当地留有余量，因此，森兰SB61G75KW变频器。由于提升机电机绝大部分时间都处于电动状态，仅在少数时间有再生能量产生，变频器接入一制动单元和制动电阻，就可以满足重车下行时的再生制动，实现平稳的下行（3）矿井提升机变频调速方案 图3-1第3章 变频器概述3.1变频器的发展1、变频器的发展变频调速技术涉及到电力、电子、电工、信息与控制等多个学科领域。随着电力电子技术、计算机技术和自动控制技术的发展，以变频调速为代表的近代交流调速技术有了飞速的发展。变频调速传动克服了直流电动机的缺点，发挥了交流电动机本身固有的优点(结构简单、坚固耐用、经济可靠、动态响应好等)，并且很好地解决了交流电动机调速性能不足的问题。20世纪是电力电子变频技术由诞生到发展的一个全盛时代。最初的交流变频调速理论诞于20 年代，直到60年代，随着电力电子器件的发展，变频调速技术才开始向实用方向发展。70年代变频调速技术有了很大发展并得到推广应用。80年代，变频调速产品化，性能也不断提高，并部分取代了直流调速。进入90年代，由于新型电力电子器件发展及性能的提高、计算机技术的发展，极大地提高了变频调速的技术性能，促进了变频调速技术的发展，使变频器在调速范围、驱动能力、调速精度、动态响应、输出性能、功率因数、运行效率及使用的方便性等方面大大超过了其他常规交流调速方式，其性能指标亦已超过了直流调速系统，达到取代直流调速系统的地步。目前，交流变频调速以其优异的性能而深受各行业的普遍欢迎，变频调速技术取得了显著的经济效益。在功率器件方面，近年来高电压、大电流的晶闸管、GTO、IGBT 以及IGCT 等器件的生产以及并联、串联技术的应用，使高电压、大功率变频器产品的生产及应用成为现实。在微电子技术方面，16 bit、32 bit高速微处理器以及DSP和ASIC(专用集成电路ApplicationSpecific IC)技术的快速发展，为实现变频器高精度、多功能化提供了硬件手段。在控制理论方面，矢量控制、磁通控制、转矩控制和智能控制等新的控制理论为研制高性变频器的发展提供了相关理论基础。在产品化生产方面，基础工业和各种制造业的高速发展，促进了变频器相关配套件的社会化、专业化生产。3.2、变频器选用以及在提升机系统中的应用提升机的负载特性为恒转矩位能负载，起动力矩较大，选用变频器时适当地留有余量，因此，森兰变频器。由于提升机电机绝大部分时间都处于电动状态，仅在少数时间有再生能量产生，变频器接入一制动单元和制动电阻，就可以满足重车下行时的再生制动，实现平稳的下行。井口还有一个液压机械制动器，类似电磁抱闸，此制动器用于重车静止时的制动，特别是重车停在斜井的斜坡上，必须有液压机械制动器制动。液压机械制动器受PLC和变频器共同控制，机械制动是否制动受变频器频率到达端口的控制，起动时当变频器的输出频率达到设定值，例如0.2Hz，变频器30B、30C端口输出信号，表示电机转矩已足够大，打开液压机械制动器，重车可上行；减速过程中，当变频器的频率下降到0.2Hz时，表示电机转矩已较小，液压机械制动器制动停车。紧急情况时，按下紧急停车按钮，变频器能耗制动和液压机械制动器同时起作用，使提升机在尽量短的时间内停车。 如图3第四章 传感器简介与选择 4.1传感器简介1、定义：国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量件并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。 2、功能：将传感器的功能与人类5大感觉器官相比拟： 光敏传感器视觉 声敏传感器听觉 气敏传感器嗅觉 化学传感器味觉 压敏、温敏、流体传感器触觉 敏感元件的分类： 物理类，基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。 化学类，基于化学反应的原理。 生物类，基于酶、抗体、和激素等分子识别功能。 通常据其基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类（还有人曾将敏感元件分46类）。3、分类：以用不同的观点对传感器进行分类： 它们的转换原理(传感器工作的基本物理或化学效应)；它们的用途；它们的输出信号类型以及制作它们的材料和工艺等。 根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器二大类： 传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号。 化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。 有些传感器既不能划分到物理类，也不能划分为化学类。大多数传感器是以物理原理为基础运作的。化学传感器技术问题较多，例如可靠性问题，规模生产的可能性，价格问题等，解决了这类难题，化学传感器的应用将会有巨大增长。4、特性：传感器静态特性传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。 （1）线性度：指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度。定义为在全量程范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值与满量程输出值之比。 （2）灵敏度：灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。其定义为输出量的增量与引起该增量的相应输入量增量之比。用S表示灵敏度。 （3）迟滞：传感器在输入量由小到大（正行程）及输入量由大到小（反行程）变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象成为迟滞。对于同一大小的输入信号，传感器的正反行程输出信号大小不相等，这个差值称为迟滞差值。 （4）重复性：重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度。 （5）漂移：传感器的漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时间变化，此现象称为漂移。产生漂移的原因有两个方面：一是传感器自身结构参数；二是周围环境（如温度、湿度等）。 传感器动态特性所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。5、选用原则：现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。 1）、根据测量对象与测量环境确定传感器的类型 要进行个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。 2）、灵敏度的选择 通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽量减少从外界引入的干扰信号。 传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量，而且对其方向性要求较高，则应选择其它方向灵敏度小的传感器；如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。 3）、频率响应特性 传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有定延迟，希望延迟时间越短越好。 传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因有频率低的传感器可测信号的频率较低。 在动态测量中，应根据信号的特点(稳态、瞬态、随机等)响应特性，以免产生过火的误差。 4）、线性范围 传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。 但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带来极大的方便。 5）、稳定性 传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。 在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。 传感器的稳定性有定量指标，在超过使用期后，在使用前应重新进行标定，以确定传感器的性能是否发生变化。 在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合，所选用的传感器稳定性要求更严格，要能够经受住长时间的考验。 6）、精度 精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。 如果测量目的是定性分析的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精度等级能满足要求的传感器。 对某些特殊使用场合，无法选到合适的传感器，则需自行设计制造传感器。自制传感器的性能应满足使用要求。4.2 压力检测传感器介绍与选用1、压力传感器介绍压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也称为压电传感器。 2、压力传感器工作原理被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上（不锈钢或陶瓷），使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。 3、型号HG03-GPY6矿用压力传感器主要技术参数工作电压：1218VDC或24V均可工作电流：50mA测量范围：06MPa(用户可另行指定)过载能力：200%最大测量值4、选用理由：HG03-GPY6矿用压力传感器可对压力进行连续性监测。它可以实时地显示被测点的压力值.保证工作的安全可靠以及高效率。更好的进行准确测量。误差范围小。4.3 位置检测传感器介绍与选用1、位置传感器简介：位移传感器又称为线性传感器，把位移转换为电量的传感器。位移传感器是一种属于金属感应的线性器件，传感器的作用是把各种被测物理量转换为电量它分为电感式位移传感器，电容式位移传感器，光电式位移传感器，超声波式位移传感器，霍尔式位移传感器。 2、位置传感工作原理： 位置检测传感器是由一种由高频振荡器、检波放大器和输出驱动电路三部分组成的电子感应传感器，接通电源后，在传感器的感应面上将产生一个交变磁场，当金属物体接近此表面时，金属中则产生涡流而吸取了振荡器的能量，使振荡器减弱以至停振。振荡器的振荡和停振这两个信号由电路处理后转换成二进制的开关方式输出，从而起到无接触检测物体的控制作用。 本公司的位置检测传感器在设计和制造上均按标准工艺严格生产，产品一律使用树脂封灌完整，在出厂前均已通过测试和检验，使可靠性和工作寿命得到充分保障。3、DC-EC系列位移传感器：主要参数如下：输出：10VDC量程：0.05, 0.125, 0.25, 0.5, 1.0, 2.0, 3.0, 5.0, 10(英寸)封装：AISI400系列导磁不锈钢工作温度范围：-5595精确度：0.25%供电电源：15VDC，25mA特点：调制电压输入，优异的温度特性，CE认证 在本课题设计中，我们设置量程为1.04、选用理由：DCEC AccuSens 系列结合了单决芯片以及计算机设计的AC LVDT，性能卓越。比率输出式单片电路，可以补偿电源偏差，保证持续稳定运转。该传感器不受输入变化的影响，可以提供精确性高且可重复性高的测量。具创新性的制造技术进一步提升了AccuSens的工作性能和成本效益。每个产品中使用的微型元件经过筛选确保具有最大的稳定性。所有组件均采用真空封装，司以使组件承受冲击、振动以及其它形式的机械损伤。双重电磁屏蔽可以抗杂散电场干扰。4.4 浓度传感器介绍与选用1、一氧化碳传感器简介：一氧化碳传感器属于化学传感器。化学传感器主要由两部分组成：识别系统；传导或转换系统。 识别系统把待测物的某一化学参数（常常是浓度）与传导系统连结起来。它主要具有两种功能：选择性地与待测物发生作用，把所测得的化学参数转化成传导系统可以产生响应的信号。 一氧化碳气体传感器与报警器配套使用，是报警器中的核心检测元件，它是以定电位电解为基本原理。当一氧化碳扩散到气体传感器时，其输出端产生电流输出，提供给报警器中的采样电路，起着将化学能转化为电能的作用。当气体浓度发生变化时，气体传感器的输出电流也随之成正比变化，经报警器的中间电路转换放大输出，以驱动不同的执行装置，完成声、光和电等检测与报警功能，与相应的控制装置一同构成了环境检测或监测报警系统。 2、一氧化碳传感器基本工作原理 ：当一氧化碳气体通过外壳上的气孔经透气膜扩散到工作电极表面上时，在工作电极的催化作用下，一氧化碳气体在工作电极上发生氧化。其化学反应式为： CO+H2OCO2+2H+2e- 在工作电极上发生氧化反应产生的H+离子和电子，通过电解液转移到与工作电极保持一定间隔的对电极上，与水中的氧发生还原反应。其化学反应式为：1/2O2+2H+2e-H2O 因此，传感器内部就发生了氧化-还原的可逆反应。其化学反应式为：2CO+2O2 2CO2 这个氧化-还原的可逆反应在工作电极与对电极之间始终发生着，并在电极间产生电位差。 但是由于在两个电极上发生的反应都会使电极极化，这使得极间电位难以维持恒定，因而也限制了对一氧化碳浓度可检测的范围。一氧化碳传感器广泛使用在矿山，汽车，家庭等空气质量安全检测的地方3、一氧化碳浓度报警器技术参数：1)工作电压：AC220V10% 2) 使用温度：-20603)使用湿度：95%RH 4)LCD液晶屏幕显示：ppm/%LEL5)报警系统：声光报警 6)报警音量：75dB7)传输距离：2000m外形尺寸：370mm(L)305mm(W)90mm(H) 重量：4.5kg4、选用理由：保证系统的可靠性。LCD液晶屏幕，可实：程监控，探测器运行状态数据可储。第5章 PLC在提升机系统中的应用5.1 PLC概述及其系统组成可编程控制器(Programmable Controller)缩写为PC，为了于个人计算机的PC(Personal Computer)相区别，有时在PC中人为地增加了L(Logical)而写成PLC。自1969年第一台可编程控制器问世以来，经历近40年的发展，可编程控制器已经成为一种最重要、最普及、应用场合最多的工业控制器，可以说只有可编程控制器才是真正的工业控制计算机。初期可编程控制器只是用于逻辑控制的场合，用于代替继电器控制盘，但是现在可编程控制器已经进入包括过程控制、位置控制等场合的所有控制领域。现在可编程控制器继续保留了原来逻辑控制器的所有优点，同时它吸收了其它控制设备(如过程仪表、计算机、集散系统、分散系统等)的优点，在许多场合只需可编程控制器即可构成包括逻辑控制、工程控制、数据采集及控制、匿形工作站的经济合算、体积小巧、设计调试方便的综合控制系统。可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算数操作等面向用户的指令，并通过数字式或输入输出控制各类型的机械或生产过程。可编程控制器及有关外部设备都按易于与工业控制系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。图5-1 可编程控制器结构框图可编程控制器作为“蓝领计算机”有着其它工业控制设备很难具备的特性：(1)高可靠性到目前为止没有任何一种工业控制设备可以达到可编程控制器的可靠性。随着器件水平的提高，可编程控制器的可靠性还在继续提高。例如三菱FX1、FX2系列平均无故障时间可达30万小时。事实上，如果某种控制装置可以连续运行20年以上不出问题，在当前技术更新瞬息万变的世界上，则可以认为是永远不会坏的装置了。在可编程控制器使用中发生的故障，大部分是由可编程控制器外部的开关、传感器、执行器引起的，而不是可编程控制器本身发生的故障。(2)编程方便，易于使用可编程控制器采用与实际电路接线图非常接近的梯形图。这种图形编程方式易懂易编。(3)环境要求低可编程控制器适用于恶劣的工业环境。(4)与其他装置配置联接方便可编程控制器的接口原则是使外部接线、电平转换尽量少。对于开关量，输入可以是无源出点开关量或集电极开路晶体管输出；输出有继电器、晶闸管、晶体管等各种不同的形式，可直接接各种不同类型的接触器、电磁阀等。对于模拟量，只要模拟信号电平在一定的范围内(通常为10V或20mA)，就可以按要求自由设置转换特性，而不需另加电平转换。另外还有运用热电偶直接输入的AD转换器等，此时就连放大器、冷端补偿也不需要。对于各种显示、音响输出更是以最方便的形式提供接口，大量的问题都在可编程控制器内部解决了。对于数据通讯，只需同轴电缆和普通RS232或RS422接口即可，不必由用户来考虑波特率及通讯规程等具体问题。5.2 本系统中PLC的选型及特点1、三菱FX系列PLC简介三菱FX系列是由电源、CPU、存储器和输入输出器件组成的单元型可编程控制器。而且，AC电源、DC输入型的内装DC24V电源可作为传感器的辅助电源。基本单元采用易于维修的装卸端予台。标准型内装8K步有备用电池的RAM存储器。另外，若采用可选的存储卡盒，最大可扩展到16K步。FX2N内含计时功能，可以进行时间控制。FX2N系列是PLC FX家族中最先进的系列。FX2N系列具有如下优点：最大范围的包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为提升机的自动 化控制提供最大的灵活性和控制能力。图5-2 FX2N系列PLC的硬件FX2N系列具有较高的扩展能力以及高水平的性能表现在以下几点：(1)灵活的配置 (2)高速运算 (3)突出的寄存器容量(4)丰富的元件资源FX2N系列PLC内设实时时钟，使用标准型号实时时钟可满足对时间灵敏的应用要求；增加了过程控制，可使用FX2N PID指令或易于使用的FX2N-2LC温控模块；网络能力强，完全充足的网络模块式数据通信容易实现；具有很强的数学指令集，使用32位处理、浮点数、方根和三角几何指令满足数学功能要求很高的情况；使用DIN导轨或便利的安转孔直接安装表盘，易于安装；基于Windows的GXDeveloper或FXPCS-Win软件能快速、容易的开发程序；方便直观的操作员界面，从一条完整的线路或操作员界面来选择数据编辑和显示；为大量实际应用而开发的特殊功能，以满足不同的需求模拟IO，高数计数器等。PLC在提升机电控系统中的运行是稳定可靠的，这一技术值得大力推广。考虑到矿井提升机工作性质和环境的特殊性，在具体应用时应注意以下问题：(1)抗干扰性由于矿井提升机系统工作在电磁干扰较严重的环境中，为保证设备工作正常，选型时应特别注意PLC的电磁兼容性指标。同时最主要部件采用导电、导磁性性能良好的材料进行屏蔽， 以防有外界干扰。(2)采用冗余结构根据对元件和系统的事故率分析以及对PLC主机工作可靠性的分析，在影响由PLC构成的制系统正常工作的原因中，PLC本身输入输出接口处的故障等，都是重要因素。为保证提升机运行安全可靠，应发展容错技术，在安全、监视、制动等系统中，采用有高度安全可靠性能的冗余结构形式，一旦发生故障，备用装置可以立即投入运行。(3)采用模块式结构这种结构有助于在故障情况下修复。因为一旦查出某一段模块出现故障，就能迅速更换，使系统恢复正常.2、FX2N48MR-D可编程控制器的型号格式含义 1） 48表示输入输出总点数，范围从4道256.2） M表示单元类型：M为基本单元.3） R表示输出形式：R为继电器输出.4） D表示特殊品种的区别：D为直流电源24V.FX2N系列扩展单元FX2N系列扩展单元型号输入点数输出点数扩展模块可用点数继电器输出FX2N-32ER161624-32FX2N-48ER242448-64表5-2 FX2N系列扩展单元5.3 控制系统的I0统计为提高系统可靠性，PLC的输入输出信号均采用一定的信号隔离方式：输入信号，开关量信号通过继电器隔离分配，电平信号通过信号分配板隔离分配；输出信号，通过中间继电器转接来控制执行对象。在设计时需统计IO的总量，包括开关量和模拟量，以确定选用PLC的模块数量以及型号。通过系统综合考虑，本系统选择三菱FX2N系列可编程控制器，PLC为两套相同的设备，分别作为主备控制单元。在组织Fx，系列时，须考虑到以下几点 (1)输入输出总电数控制在256点以内。 (2)电源容量，基本单元内部装有电源，对扩展模块供给DC24V电源，对特殊模块供给DC5V电源。因此扩展单元和特殊模块的耗电量应控制在基本单元及扩展单元的电源容量范围之内。在提升机的控制过程中对速度和行程要求严格，所以在PLC的配置上除了要用到FX2N中自带的计数单元，还需要选用高速计数模块FX2NIHC。FX2NIHC模块是2相50Hz的高速计数器。它是FX2N，FX2NC系列PLC的一个特殊功能模块。确定PLC选型方案后，主控系统的组织图。两套相同设备的PLC与上位机组成提升机的控制系统，采用RS485通讯模块实现下位机与上位机的通讯。第 16 页 共 30 页第6章 提升机控制程序设计及应用6.1 程序设计与思路本课题设计思路是从减少人工操作，保障人身安全提高工作效率，为企业取得最大利益的基础上展开的。本课题实际是将煤矿中的煤料通过矿车从矿井拉到地面的一个过程，此过程通过电动机的转动拉动矿车，并设置矿车有三节车厢。完成空矿车回井下装料，重车回井上卸料以及紧急逃生。保证正常的工作以及井底工人的安全。课题设计的基本参数设置如下：电机功率55kW，卷筒直径1200mm，减速器减速比241，最高运行速度2.5m/s，钢丝绳长度为120m。由于控制工艺比较复杂，本程序采用主子程序模块化顺序结构进行编程，按事先输入的控制程序实现自动控制，系统编程灵活，修改程序方便，仅需修改子程序梯形图程序就可改变控制功能，便于现场维护管理，使提升机运行安全性和可靠性得到了大幅度提高。6.2 PLC外围硬件接线图图5-1 PLC外围硬件接线图6.3 I/O地址分配表输入元件符号输入地址输出元件输出地址矿车向上运动启动按钮SB0X0货车向上运动（正转）Y0井口信号按钮SB1X1货车向下运动（反转）Y1井底信号按钮SB2 X2中速Y2矿车向下运动启动按钮SB3X3中速指示灯Y3井底装料位置检测传感器1X4井口处减速Y4井口卸料位置检测传感器2X5减速指示灯Y5一号车厢压力检测传感器1X6低速运行Y6二号车厢压力检测传感器2X7低速爬行指示灯Y7三号车厢压力检测传感器3X10井底绿色指示灯Y10一号车厢安全脱离按钮SB4X11井底红色指示灯Y11二号车厢安全脱离按钮SB5X12井口绿色指示灯Y12三号车厢安全脱离按钮SB6X13井口红色指示灯Y13中速处位置检测传感器3X14一号车厢Y14减速处位置检测传感器4X15二号车厢Y15低速处位置检测传感器5X16三号车厢Y16CO浓度检测传感器X17一、二车厢脱扣Y17井上车道上限位开关SQ1X20二、三车厢脱扣Y20井下车道下限位开关SQ2X21井底黄色报警指示灯Y21总停止SB7X22CO浓度蜂鸣器报警Y22井上黄色报警指示灯Y23装料电机Y25卸料电机Y26继电器输出Y30图5-3 提升机地址分配表6.4 PLC控制提升机流程图图6-4 PLC控制提升机流程图使用模块状可以更好的体现提升机工作的流程，使工作更加清晰与效率。PLC软件结构的是根据提升机工艺和控制要求，将控制任务和过程分解为许多子过程和子任务。再对各个子过程和子任务进行模块设计、功能说明，形成一个模块化的程序结构。6.5 提升机基本工作过程概述系统上电，M8002得电一瞬间使S0得电，井口工作人员给井底人员信号即按下SB1，井底红色指示灯Y11亮。井底工作人员收到信号给井口人员信号SB2即井口红色指示灯Y13亮,此操作确保工作之前无行车。此后井口工人按下货车向下运动启动按钮SB3. 电动机反转。对应矿车以运行到井底。（公式：V=WR,W=2*3.14/R即v=2m/s）到达井底准确位置通过位置检测传感器1检测.到达准确位置，位置检测传感器检测到对应井底绿色指示灯Y10亮，对应井口得到信号井口绿色指示灯Y12亮。延时2S后，开始自动装料，矿车三节车厢装有压力检测传感器，先装一号车厢，当达到设定的压力范围（注：压力范围设置），装料机车停止装车，移动3S向二号车厢装料，当二号车厢压力检测传感器,同样达到压力范围，装料机车停止装车，移动3S向三号车厢装料，当三号车厢压力检测传感器。同样达到压力范围。井底工人再按下货车（满）向上运动按钮SB0，货车向上运动，电动机正转，矿车以(V=WR,W=2*3.14/R)即v=1m/s速度向井口运行，对应输出中速运行指示灯。距离井口20米时，矿车减速，（v=0.785m/s）对应输出减速运行指示灯，减速到距卸料位置10米低速爬行停止(低速爬行v=0.5m/s)，到达井口准确位置通过井口位置检测传感器2检测，到达准确位置，矿车三节车厢同时卸料，卸料采用中间继电器，继电器得电，设置卸料用时2分钟，开始卸料。卸料完毕2S后，矿车空车下行，重复上述动作，循环结束. 在整个过程中货车运行在任何时候，都可以按下总停，货车停止。（见附录）系统设置紧急逃生功能，简述如下：确保行车安全，当出现报警不管是重车还是空车，矿车一律回到井底，碰到井底车道限位开关停止，工人上车逃生。三节车厢设置安全脱离按钮SB4.SB5.SB6，当一氧化碳浓度超标,井下工人可以跳上矿车，按下第一节车厢按钮SB4，对应一、二车厢之间脱离，第一节车厢向井上运行，按下第二节车厢按钮SB5，对应二、三车厢之间脱离，第二节车厢向井上运行各节车厢开始向井上动作，按下第三节车厢按钮SB6，第三节车厢向井上运行。当矿车到达井上碰到井上车道限位开关矿车停止，工人安全脱离危险。井底安装了蜂鸣器，对应是蜂鸣器报警的检测传感器装置。同时井上与井底安装报警指示灯，用来提示工人危险出现，马上逃生。做到安全可靠。6.6 系统抗干扰措施可编程控制器的主要应用场合是工业现场，工作环境中各种干扰对系统设备的正常运行存在着严重的影响。所以在本系统中也不例外，有必要考虑系统的抗干扰措施。抗干扰的主要措施有：（1）数据采集采用屏蔽电缆，所有屏蔽电缆层汇线接地，多芯电缆中的备用芯线也要一端接地，这样可扩大屏蔽作用，并抑制芯线间干扰。必要时可采用带有屏蔽层的输入和输出信号电缆。（2）信号回路汇线接，输入信号电缆、输出信号电缆和电力电缆都要分开敷设，不能扎在一起，信号电缆接线端子均安装在柜体下侧。（3）所有机柜、操作台等均需保护接地，台柜内需有独立的PLC直流地、机壳安全地、电缆屏蔽地接地端子，与结构内部未接地电路板在电气上隔离。电源柜、动力柜、交频柜进线方式均为：下进下出。（4）引至PLC柜的电缆要尽量远离那些会产生电磁干扰的装置。（5）同一电平等级的信号才能用一条多芯电缆传输。因此对数字信号和模拟信号，在任何情况下，都必须分开电缆迸行传输。低电平信号线应与其它信号线分开。尽量缩短模拟量加信号线的长度，并采用双芯屏蔽线作为信号线.（6）当系统出现断电抱闸，在行车轨道上设置锁道装置，以保证矿车停在刚刚运行到的地方，防止矿车下滑。确保井下工人的安全。致 谢在本文即将完成之际，谨向所有给予我关心、支持和帮助的老师和同学们致以深深的谢意。首先，感谢我的导师杨漾老师，他严谨务实的学术作风和孜孜不倦的求学精神激励并培养了我实事求是、认真踏实的学习态度，并使我懂得作为一个学者应具备的品德和修养。这些，将使我受益终身。感谢我的同学们，对我的帮助和鼓励，他们勤奋好学、乐于助人的精神，使我难以忘怀。第 23 页 共 30 页参考文献1 满永奎，韩安荣，吴成东通用变频器及应用北京：机械工业出版社，20022 吴忠智，黄立培调速用变频器及配套设备选用指南北京：机械工业出版社，19993 王红可编程控制器使用教程北京：电子工业出版社，20034 胡学林可编程序控制器教程基础篇北京：电子工业出版社，20035 张桂香电气控制与PLC应用北京：化学工业出版社，20036 殷洪义可编程控制器选择设计与维护北京：机械工业出版社，20037 余雷声电气控制与PLC应用北京：机