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安徽理工大学毕业设计本科毕业设计说明书采煤机PLC牵引监控系统SHEARERPLCTRACTIONMONITORINGSYSTEM学院(部)专业班级学生姓名指导教师2013年6月13日采煤机PLC牵引监控系统摘要煤炭是我国的传统能源,是我国经济健康发展的重要保障,而采煤机是开采煤炭的主要设备之一,其性能的好坏决定着煤炭开采的效率现代采煤机的牵引方式主要是电牵引或液压牵引,其中电牵引不利于采煤机空间的紧凑布置,监控系统的__也比较昂贵,维修费用较高液压牵引也有其缺点,比如液压元件要求精度高,故障频率高本课题就是为了解决这些缺点,对采煤机的牵引监控系统进行优化,克服传统液压牵引的诸多不足,例如响应时间慢、自动化程度低和回路复杂等牵引系统主要以PLC为工具来进行控制,因为PLC具有可靠性高、应用灵活、使用方便、易于__、体积小和方便调试等特点在设计方面,包括PLC的硬件和软件设计两个方面硬件方面主要包括对传感器、泵、液压阀、A/D转换模块和D/A转换模块等的选型以及I/O口的分配,连接硬件配线图软件方面主要是用GXDeveloper编写采集以及控制程序,实现自动控制关键词采煤机,PLC,硬件,软件SHEARERPLCTRACTIONMONITORINGSYSTEMABSTRACTCoalisatraditionalenergyinourcountry,whichisanimportantsafeguardinforhealthyeconomydeveloping,andshearerisoneoftheimportantequipmentinexploitationofcoal,itsperfor__n__qualitydeterminestheefficiencyofcoalexploitationThe__intractionofmodernsheareriselectricaltractionandhydraulictraction,theelectricaltractionisnotconducivetospa__compactlayoutandmoreexpensiveHydraulictractionalsohasitsdrawbacks,suchashighaccuracyrequirementandhighfailurefrequencyThetopicisinordertosolvetheseshortcomings,optimizingtractionmonitoringsystemistoovercomethedisadvantagesofconventionalhydraulictraction,suchasslowresponsetime,lowdegreeofauto__tion,andcomplexcircuitsThetoolofthetractionsystemisPLC,becausePLChas__nycharacteristics,suchashighreliability,flexible,usingandinstallingeasily,debuggingconvenientandsoonIntermsofdesign,includinghardwareandsoftwaredesignHardwaredesign__inlyincludesthesensors,pump,hydraulicvalve,A/DconversionmoduleandD/AconversionmoduleaswellasthedistributionoftheI/Oport,connectingthehardwarewireSoftwaredesign__inlyincludeswritingacquisitionandcontrolprogramwithGXDeveloper,whichisachieveauto__ticcontrolKEYWARDS shearer,PLC,hardware,software目录TOC\o1-3\h\z\u摘要(中文)I摘要(外文)II1绪论
11.1采煤机简介
11.
1.1概述
11.
1.2采煤机的发展
21.2PLC简介
21.
2.1概述
21.
2.2PLC的结构和工作原理
31.
2.3PLC的特点及应用
51.3国内外研究状况
61.4牵引监控系统原理
61.5监控系统框图72牵引监控系统的组成
82.1泵、电机与马达的选择
82.2阀的选择
92.
2.1电液比例方向阀
92.
2.2电液比例溢流阀
102.
2.3液控换向阀
112.3传感器的选择
112.
3.1压力传感器
112.
3.2温度传感器
122.
3.3旋转编码器
142.
3.4变频器163监控系统的硬件设计
173.1系统监控对象确定与PLC的选型
173.2PLC的选型及I/O口的分配
173.
2.1I/O口的分配
183.
2.2PLC主机
183.
2.3A/D转换模块
193.
2.4D/A转换模块
213.
2.5牵引系统硬件连接图234牵引监控系统软件设计
244.1编程软件GXDeveloper
244.
1.1GXDeveloper的功能
244.
1.2GXDeveloper的特点
254.2监控系统程序设计
254.
2.1数据采集程序设计
254.
2.2数据控制程序设计27附录29总结31____32致谢331绪论
1.1采煤机简介
1.
1.1概述用于实现采煤工作面落煤和装煤工序的机械称为采煤机械采煤机械是机械化采煤业的主要机械设备世界各国生产的采煤机械的类型有滚筒采煤机、刨煤机、连续采煤机、螺旋采煤机等各种类型滚筒采煤机能适应较复杂的顶、地板地质条件,调高范围大,得到了广泛的应用刨煤机对煤层地质条件要求较严,特别是在煤质松软,顶、地板条件较好的薄煤层优先采用连续采煤机是房柱式采煤法的主要设备,适用于截高
0.8~
6.0米的煤层采煤机有不同的分类方法,按工作机构位置不同分为端头式和侧面式;按工作机构形式不同分为滚筒式、钻削式和截链式;按牵引部位置不同分为内牵引和外牵引;按牵引方式不同分为钢丝绳牵引、链牵引和无链牵引;按牵引部传动方式不同分为机械牵引、液压牵引和电牵引设计和选用采煤机械主要是根据采煤工作面地质条件和回采工艺的需求提出的,基本要求是高产、高效、经济、安全、可靠具体为
(1)生产率应满足采煤工作面产量的要求;
(2)充分利用煤壁的压张效应,使能耗低、块煤率高、煤层少;具有碎落和装煤、自开切口、自动调高的功能;
(3)能实现无极调速和自动调速,以适应煤质硬度的变化,充分发挥采煤机的功能;
(4)所有电器设备应具有防爆性能,具有过载、漏电、过压、超温等多项保护功能;
(5)应有可靠地防滑和制动装置、喷雾降尘装置、拖缆装置等,防止机器下滑,改善工作环境;
(6)对现代采煤机还应采用模块化设计和积木式组合,实现无线电遥控,带记忆、工况显示、故障诊断、瓦斯预警等功能;
(7)具有足够的强度和高可靠性,以满足矿井集约化生产和高产高效的要求;
(8)操作方便,便于井下运输、拆装与维修
1.
1.2采煤机的发展
1、国外采煤机械发展简介采煤机械始于20世纪四五十年代,当时英国、前苏联和德国相继研制了静力刨煤机和链式工作机构及第一代固定滚筒式采煤机,由于滚筒不能调高,能耗大,效率低,工作面刮板输送机不能自移,限制了采煤机的使用范围,所以生产率低20世纪60年代前期是综采技术的发展时期,研制出了单摇臂可调高滚筒采煤机,即第二代采煤机这种采煤机解决了滚筒调高问题,从而适应了煤层厚度的变化,扩大了采煤机的使用范围1964年研制的第三代采煤机—双摇臂滚筒采煤机,解决了工作面自开切口问题随着液压支架和可弯曲刮板输送机技术的发展,把综采技术推向一个新水平,实现了高效、高产、安全和经济20世纪70年代及其以后,研制的___采煤机—无链牵引采煤机、电牵引采煤机,使综采设备开始向大功率、高效率、高电压、性能完善等方面发展
2、国内采煤机械发展概况中国是世界上最早利用煤炭资源的国家之一,早在六七千年前就已__利用煤炭作为燃料,用来冶铁、炼铜等当时主要是靠人工挖掘巷道出煤,工人劳动强度大,安全性差我国采煤机械经过近几十年的引进、消化、吸收、创新和自主研发,已有长足进步1964年研制出我国第一台MLQ-64型钢丝绳牵引的单滚筒采煤机,以后又研制出M__-64型刨煤机、MLQ1-80型单滚筒采煤机、MG200-W型无链牵引采煤机等多种机型我国与国外采煤机技术的主要差距表现在可靠性和机电一体化方面等如Eickhoff公司在截高
5.5~6m时采煤机的大修周期为5Mt,设计寿命为30~40Mt;而国产采煤机在同样的条件下,大修周期为5Mt,设计寿命为25Mt
1.2PLC简介
1.
2.1概述自从1969年美国DEC公司研制出世界上第一台可编程逻辑控制器(Program__bleLogicController PLC)以来,经过三十多年的发展,其功能和性能已经有了很大的提高1987年,国际电工委员会(IEC)颁布的可编程控制器标准第三稿中,对可编程控制器定义如下可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为工业环境应用而设计它采用可编程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等指令,并通过数字式、模拟式的输入/输出,控制各种机械或生产过程PLC最初用于逻辑控制和顺序控制,当其面对运动控制和过程控制时,PLC必须扩展自己的功能,才能满足生产需求经过不断的实践,PLC厂家相继推出了位置控制模块、伺服定位模块、运动控制模块、A/D转换模块、D/A转换模块,以及高速计数模块等,用于速度、加速度以及位置控制等大量的中小型企业属于混合型制造工业厂家,这类制造业中既有运动控制又有过程控制为了适应这些企业的需要,各厂家都在自己的PLC产品中推出温度传感器模块、PID控制模块、闭环控制模块以及模糊控制模块等,用于温度、压力、流量及液位等过程控制因PLC本身的模块化结构,以及远程I/O模块功能的不断完善,使得PLC易于实现多级控制,通过不同级别的网络将PLC与PLC、PLC与远程I/O模块、PLC与人机界面,以及PLC与PLC连接起来,形成管控一体化的网络结构
1.
2.2PLC的结构和工作原理与普通计算机类似,PLC系统包括硬件和软件两个部分不同之处在于,PLC的I/O接口是专门为工业环境的控制系统而设计的;PLC使用自己专门的软件编程语言编写控制程序在工作方式上,PLC采用逐行扫描的执行方式和串行循环扫描的工作机制
1、PLC的硬件组成PLC实质上是以一种微处理器为核心的专门用于工业控制的计算机,只不过它比一般的计算机具有更强的与工业现场进行信息交换的接口,以及直接适应控制要求的编程语言从硬件结构上来看,PLC主要由__处理单元(CPU)、存储单元、输入/输出单元、电源及编程器等部分构成,如图1-1所示图1-1PLC硬件结构
2、PLC的软件及编程语言PLC软件系统由系统程序和用户程序两部分组成系统程序包括监控程序、编译程序、诊断程序等,主要用于管理全机、将程序语言翻译成机器语言、诊断机器故障等系统程序由PLC厂家提供并已固化在EPROM中,不能直接存取和干预用户程序是用户为达到某种控制要求,采用PLC的编程语言编制的程序PLC的标准语言有5种,它们分别为梯形图编程语言、指令表编程语言、顺序功能图编程语言、功能模块图编程语言和结构化语句编程语言其中梯形图编程语言是一种常用的程序设计语言,如图1-2所示图1-2梯形图语言示例
3、PLC的工作原理PLC采用CPU的工业控制器,与普通计算机有相似之处,属于串行工作方式,但如果采用普通计算机所使用的等待命令工作方式或查询方式,都满足不了原并行逻辑控制电路的要求,为此,PLC采用了与普通计算机工作方式差别较大的循环扫描工作方式用扫描工作方式执行用户程序时,扫描是从程序的第一条指令开始的,在无中断或跳转控制的情况下,按程序存储顺序的先后逐条执行在程序执行完后,再从第一条指令循环扫描重复进行,周而复始PLC的扫描过程除了执行用户程序外,在每次扫描工作过程中还要完成内部处理、通信服务工作如图1-3所示,整个扫描工作过程主要包括内部处理、通信服务、输入采样、程序执行和输出刷新5个阶段图1-3PLC的CPU工作流程当PLC方式开关置于RUN(运行)时,执行所有阶段;当方式开关置于STOP时,不执行后3个阶段,此时可进行通信处理,如对PLC联机或离线编程
1.
2.3PLC的特点及应用PLC作为一种新型的工业控制装置之所以得到广泛的应用和发展有其自身的特点
1、可靠性高,抗干扰能力强;由于采用现代大规模集成电路技术、严格的生产制造工艺,内部电路采取了先进的抗干扰技术,故具有很高的可靠性
2、硬件配到齐全,功能完善,适应性强;由于PLC特殊功能模块的大量涌现,使PLC渗透到了位置控制、温度控制等各种工业控制中,再加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展,使用PLC组成各种控制系统变得非常容易
3、编程语言易学易用;多数PLC的编程均采用梯形图语言,直观易懂,用户只需阅读PLC用户手册或简单培训,就可以很快掌握PLC编程方法和技巧
4、系统操作简单、维护方便、容易改造;PLC用存储逻辑代替接线逻辑,大大减少了控制设备外部的接线,使控制系统设计及建造的周期大为缩短,同时维护也变得容易、检查调试也很方便
5、体积小、重量轻、能耗低等;由于PLC采用了微电子技术,其总体结构紧凑,体积小,重量轻,功耗低其体积和质量通常只有接触器大小,是实现机电一体化的理想控制设备
1.3国内外研究状况国内外采煤机牵引系统普遍采用变频电牵引或液压牵引变频电牵引系统是由两台变频器采用“一拖一”的牵引方式,这种牵引方式的机械传动系统较为复杂,不利于采煤机工作空间的紧凑布置;而现有液压牵引方式,系统回路复杂、效率低,能量损失较大,故障率较高、未能实现电控及自动控制国内也有曾对传统的液压系统中复杂的变量泵机构进行改造简化,但效果并不理想国外在电牵引采煤机监控方面已经比较完善,但是引进国外的监控在国内使用又有不足之处,例如英文版的操作会给操作人员带来一定的不方便而且该控制系统的__一般比较昂贵,维修费用也比较高我国的对液压牵引采煤机的起步较晚,由于液压元件要求精度比较高而且维修起来也比较困难,加之采煤机在井下运行,环境比较恶劣,所以出现故障频率较高本课题就是为了克服此类缺点,对采煤机的牵引系统进行优化,克服传统液压牵引的诸多不足,例如响应时间较慢、自动化程度和控制精度低、回路复杂等
1.4牵引监控系统原理液压牵引监控系统原理如图1-4所示主回路系统中驱动电机3带动双向定量泵4旋转从系统低压侧吸油,排出的高压油经电液比例方向阀14进入牵引马达13,构成一个闭合回路检测控制系统为在主回路系统的高、低压侧分别设置压力传感器,以高压侧压力传感器的输出__为反馈__,按恒功率进行速度调节:当牵引阻力较小时,检测控制单元2发出__,增大变频器1输出频率,加快驱动电机3转速,同时增大电液比例方向阀的开度,增大牵引速度;相反,当牵引阻力较大时,检测控制单元2发出__,减小变频器1输出频率,降低驱动电机3转速,同时减小电液比例方向阀的开度,减小牵引速度当需要牵引换向时,检测控制单元2发出相反的电压__,使电液比例方向阀换向,牵引马达换向牵引
1.变频器;
2.检测控制单元;
3.驱动电机;
4.双向定量泵;5a、5b、5c、5d、5e.单向阀;
6.补油电机;
7.滤油器;
8.油箱;
9.补油泵
10.溢流阀;
11.电磁阀;
12.液压制动器;
13.牵引马达;
14.电液比例方向阀;
15.液控换向阀;
16.低压溢流阀;
17.高压安全阀图1-4液压牵引系统原理图在牵引的过程中,补油电机6带动补油泵9经过滤器7从油箱8中吸入低温油,经单向阀5e5a或5b进入系统低压侧;同时电液比例方向阀14回油口的部分热油经液控换向阀
15、低压溢流阀16回油箱进行油液的热交换在牵引工作过程中,当出现过载致使主回路高压侧油液达到安全阀17的设定值时,安全阀17打开,高压油液经单向阀5c或单向阀5d以及安全阀17回油箱9,对系统进行安全保护当牵引马达需要紧急制动时,电磁阀11断电,液压制动器12的油腔压力油回油箱8,通过弹簧压紧内外摩擦片,进行牵引制动
1.5监控系统框图采煤机液压牵引监控系统的框图如图1-5所示图1-5牵引系统控制框图该系统的控制器件是PLC,通过D/A转换模块将__传给变频器,通过电流对主电机的转速进行调节改变定量泵的流量从而调节牵引马达的速度;通过相应的传感器对主电机的温度、定量泵的进出口压力和牵引马达的转速等进行测量,数据传给A/D转换模块,再通过PLC控制电液比例方向阀与变频器对牵引马达进行速度调节2牵引监控系统的组成本课题的监控系统控制核心是PLC,回路部分包括的器件有泵、马达、变频器、电机、阀、传感器和旋转编码器等
2.1泵、电机与马达的选择牵引系统的泵为双向定量泵,选用丰兴HPP-VC2V-F14A5-A,如图2-1所示图2-1双向定量泵电机选用的是变频调速三相异步电机,型号为YVP250M—4,编号为002,极数为4,额定扭矩为350N·m,恒转矩调速为5~50Hz,恒功率调速为5~100Hz液压系统的马达为摆线马达,型号为BM—E315,技术参数如下表2-1所示表2-1马达参数名称参数名称参数额定转速320r/min额定压差16MPa额定转矩675N·m排量312mL/r额定功率22KW质量31Kg额定流量100L/min总效率70%
2.2阀的选择在系统的回路中,用到了电液比例方向阀、电液比例溢流阀和液控换向阀等
2.
2.1电液比例方向阀在电液比例方向阀控制阀中,与输入电__成比例的输出量是阀芯的位移或输出流量,并且该输出量随着输入__的正负变化而改变运动方向因此,电液比例方向阀本质上是一个方向流量控制阀比例方向阀的规格主要指额定压力和额定流量确定比例方向阀额定压力时,要注意比例方向阀每个油口的压力区别,设计时要保证每个油口的额定压力比每个油口所在系统中实际压力高额定流量的确定要同时考虑比例方向阀的输入__范围和阀压降的大小两个因数实际选用时,通常确定的阀压降的合理范围,再按控制特性曲线选定额定流量合适的比例方向阀在本系统中,电液比例方向阀选用BOSCH公司中的产品,比例方向阀型号为4WRE10E25-2X/G24K31/A1V,如图2-2所示,参数如表2-2所示图2-2电液比例方向阀表2-2电液比例方向阀的参数名称参数阀的重量(Kg)
6.3压力极限(MPa)
31.5最大流量Δp=1MPaP-TL/min25响应时间(ms)≤30滞环≤
0.1%通径(mm)10重复精度(%)
0.05供电电压(VDC)24电压控制__(V)±10工作环境温度(°C)-20~+
702.
2.2电液比例溢流阀本系统中的电液比例溢流阀也选用BOSCH公司的产品,比例溢流阀的型号为DBEE10-51/350YG24NK31M,其参数如表2-3所示表2-3比例溢流阀参数名称参数阀的重量(Kg)
3.4工作压力(MPa)8~
31.5最大流量L/min200响应时间(ms)150滞环≤5%通径(mm)10重复精度(%)±2供电电压(VDC)24电压控制__(V)±10工作环境温度(°C)-20~+
802.
2.3液控换向阀换向阀利用阀芯与阀体之间的相对位置使阀体相连的各通道之间实现接通或断开来改变流体流动方向的阀,使执行元件启动、停止、变换运动方向本系统中的液控换向阀使用力士乐公司的型号为WH32的换向阀
2.3传感器的选择本系统中传感器包括压力传感器和温度传感器
2.
3.1压力传感器本系统采用的压力传感器为KELLER压阻式压力传感器,型号为PR21R如图2-3所示图2-3压力传感器KELLEROEM压力变送器装有高精度与稳定性KELLER压阻式压力传感器,可用于冷冻设备,液压控制,空气压缩机,喷墨式印刷机,真空泵等21R系列采用6系列的不锈钢膜盒,它是全焊接结构的变送器,21SR是不锈钢接头的速焊结构变送器,21MR是黄铜接头的速焊结构变送器,均采用高稳定性测量元件,具备微小迟滞、良好线性度、高输出、长寿命等特点可靠性取决于弹性良好的硅芯片的固有特性,并且结构上保证不论压力介质还是参考介质表压模式均不会与任何敏感元件接触每个产品都要经过测试并进行温度补偿通过选择半导体掺杂级别,使应变电阻的温度变化值ΔR为常数,可减小量程误差通过在桥臂上添加电阻的自动测试方法,得到零点温度补偿此传感器冲击和振动性能是优良的,因为硅芯片悬挂在灌油的腔体中,用机械方法使硅芯片隔离壳体这样也消除了__力矩的影响其具体参数如表2-4所示表2-4压力传感器参数名称参数使用温度-20~+80°C压力连接G1/4″外螺纹,氟橡胶O型垫圈密封压力介质与316L不锈钢21R/21SR或黄铜21MR兼容重量75g电磁兼容性完全符合EN50081-2和EN50082-2要求外壳防护IP65绝缘100MΩ/500VDC零点输出50mV抗振性5~2000Hz最大振幅±3mm抗冲击性20g11ms
2.
3.2温度传感器
1、传感器介绍此系统的温度传感器选用Pt100型电阻式温度传感器,如图2-4所示图2-4Pt100温度传感器电阻式温度传感器是一种物质材料作为电阻,它会随温度的上升而改变电阻值,如果它随温度的上升而电阻值也跟着上升就称为正电阻系数,如果随温度的上升而电阻值下降就称为负电阻系数大部分电阻式温度传感器是以金属做成的,本系统中选用的温度传感器就是以铂(Pt)做成的,它稳定,耐酸碱,不会变质并且有很好的线性关系,在工业广泛采用Pt100的主要参数如表2-5所示表2-5Pt100主要技术参数名称参数测量范围-200°C~850°C允许偏差值±(
0.15+
0.002|t|)通过电流≤5__探头直径Φ5mm电阻变化
0.3851Ω/°C工作温度-40°C~+85°C供电电源+
7.5~+30V精度等级
0.2级Pt100温度传感器属正电阻系数,其电阻与温度的关系为式(2-1)其中;R0=100Ω(当T=0°C时);T为摄氏温度;
2、温度输出电路温度传感器是由于温度的改变而改变电阻的阻值,其输出的__为电阻,这种__很明显不能直接输入FX2N-4AD转换模块,因为AD转换模块接收的为电流或电压__,为了使两者相连,需将这种电阻变化转化为电流或电压的变化本电路中使用GDT-180热电阻温度变送器,如图2-5所示图2-5GDT-180温度变送器GDT-180是二线制热电阻温度变送器,用于Pt100或Cu50的热电阻输入,经变送输出直流电流__为4~20__其主要技术参数如表2-6所示表2-6GDT-180主要技术参数名称技术参数输出电流4~20__供电电压12~30VDC引线电阻≤10Ω温度漂移基本误差/10°C热电阻引线补偿±
0.1%整机重量30g防护等级IP00/IP54温度输出电路如图2-6所示图2-6温度输出电路
2.
3.3旋转编码器
1、编码器的选择及概述旋转编码器是用来测量马达转速的装置,光电式旋转编码器通过光电转换,可将输出轴的角位移、角速度等机械量转换成相应的电脉冲以数字量输出(REP)旋转编码器具有体积小,重量轻,功能全,频响高,分辨能力高,力矩小,耗能低,性能稳定,可靠使用寿命长等特点变转速液压系统马达的转速是用一个一个增量型的旋转编码器来测量,根据测速系统的需要,选择GI60增量型编码器GI60增量型编码器的参数如下表2-7所示表2-7编码器主要特性参数名称参数芯缆颜色__输出接口工作电压+10~+30VDC棕色电源+消耗电流40__蓝色电源-输出__24V差分输出黑色Z+最高频率100KHZ白色Z-工作温度-25~+70°C绿色B+线性分辨率1024黄色B-储存温度-40~+80°C灰色A+防护等级IP65红色A-抗振冲击10~2000HZ允许转速3000转/分外形特征夹紧法兰,Φ10mm引出轴连接电缆1米屏蔽电缆侧出旋转编码器输出的脉冲__,要测量马达的转速就必须知道旋转编码器的分辨率及旋转编码器和马达的传动比分辨率又称位数、脉冲数,对于增量型编码器而言就是轴旋转一圈编码器输出的脉冲个数,GI60增量型编码器输出脉冲__,旋转编码器旋转一周输出1024个脉冲__,PLC每秒采集的脉冲个为N,试验台旋转编码器和马达的传动比为2:1,设马达转速为n,则式(2-2)
2、编码器电路设计GI60编码器输出的是5V的差分__,不能直接的被PLC接收并且在电器接口上也存在不兼容,因此需要把编码器的__进行放大处理,转换成PLC识别的方波__选择NPN三极管9013并设计转换电路,保证编码器输出__能被PLC接收处理,如图2-7所示图2-7编码器转换电路
2.
3.4变频器变频器选用的是ABB公司变频调速器,可通过变频器的操作界面设定工作参数及显示电机转速、频率和电流等参数变频器的型号为ACS800;输入电压为380V;配用电机的最大容量55KW;加减速时间设定由参数
22.02和
22.03完成,如果时间设定的太短,变频器将自动延长时间,以防止传动过程中,电流过大变频器的输入侧与采集卡的输出相连,输出侧接电机,变频器的接线图如图2-8所示,其中
1、2为变频器的控制__给定输入端图2-8变频器接线图3监控系统的硬件设计
3.1系统监控对象确定与PLC的选型由系统的原理图可知,监控的对象有主电机轴温度、马达进出口压力、牵引马达的转速、电液比例方向阀、电磁阀等,其中开关输入量13个,开关输出量12个,模拟量输入3个,模拟量输出2个,如下表3-1所示表3-1监控对象输入量输出量牵引马达转速压力超限__接通电源变频器故障__断开电源温度超限__补油电机开主电机电磁阀补油电机关补油电机电磁阀正向转动制动输出反向转动正转输出停止转动反转输出段号加故障输出段号减段速1电磁阀通电段速2电磁阀断电段速3紧急制动变频器控制电压主电机轴温度方向阀控制电压马达进口压力马达出口压力
3.2PLC的选型及I/O口的分配工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据PLC及有关设备应是集成的、标准的,按照易于与工业控制系统形成一个整体,易于扩充其功能的原则选用PLC工程设计选型和估算时,应详细分析工艺过程的特点控制要求,明确控制任务和范围,确定所需的操作和动作,然后根据控制要求,输入输出点数,所需存储器容量,PLC实现的功能,外部设备特性等选择较高性价比的PLC和设计相应的控制系统根据I/O点数及控制要求,PLC主机选择FX1N-60MR-001,A/D转换模块选用FX2N-4AD,D/A转换模块选用FX2N-2DA
3.
2.1I/O口的分配I/O分配情况如下表所示表3-2I/O口的分配输入量地址输出量地址牵引马达转速X0压力超限__Y0接通电源X1变频器故障__Y1断开电源X2温度超限__Y2补油电机开X3主电机电磁阀Y3补油电机关X4补油电机电磁阀Y4正向转动X5制动输出Y5反向转动X6正转输出Y6停止转动X7反转输出Y7段号加X10故障输出Y10段号减X11段速1Y11电磁阀通电X12段速2Y12电磁阀断电X13段速3Y13紧急制动X14变频器控制电压D/A模块CH1主电机轴温度A/D模块CH1方向阀控制电压D/A模块CH2马达进口压力A/D模块CH2马达出口压力A/D模块CH
33.
2.2PLC主机在考虑到I/O口个数,本系统所选用的PLC主机是FX1N-60MR-001,如图3-1所示图3-1PLC主机图它是一种片卡大小的PLC,适合在小型环境中进行控制它具有卓越的性能,串行36输出点与24继电器输出点,还具有模拟量控制和通讯、链接功能等扩展性它的特点有
1、高性价比CPU、电源、输入输出合为一体,通过使用显示模块和功能扩展板,可以非常简便地进行系统升级,另外,也可以扩展输入输出和特殊模块
2、机身小巧,高速运算基本指令
0.55~
0.7μs/步;应用指令
3.7~100μs/步
3、丰富的软元件范围辅助继电器1536点;定时器256点;计数器235点;数据寄存器8000点
3.
2.3A/D转换模块由于模拟量输入有3个,则A/D转换模块选用FX2N-4AD三菱FX2N-4AD是三菱公司推出的一款FX2N系列PLC模拟量输入模块,有CH1~CH4四个通道,每个通道都可以进行A/D转换,分辨率为12位,采集__电压为-10V~+10V,分辨率为5mV电流输入时,为4~20__或-20~20__,分辨率为20μAFX2N-4AD内部有32个16位的缓冲寄存器(BMF),用于与主机交换数据FX2N-4AD占用FX2N扩展总线的8个点,实物图如图3-2所示,配线如图3-3所示图3-2FX2N-4AD转换模块图3-3FN2N-4AD配线图FN2N-4AD通过扩展电缆与PLC主机相连,四个通道的外部连接则根据外部输入电压或电流量的不同而不同,应注意以下几点
(1)外部输入为电压量__,则将__的+、-极分别与模块V+和VI-相连;
(2)若外部输入为电流量__,则需要把V+和I+相连;
(3)如有过多的干扰__,应将系统机壳的FG端与FX2N-4AD的接地端相连FX2N-4AD的模拟输出参数如表3-3所示项目电压输入电流输入电压或电流输入的选择基于对输入端子的选择,一次可同时使用4个输入点模拟输入范围DC-10到10V(输入阻抗200KΩ)注意如果输入电压超过±15V,单元会被破坏DC-20到20__输入阻抗250Ω注意如果输入电流超过±32__,单元会被破坏数字输出12位的转换结果以16位二进制补码方式储存最大值+2047,最小值-2048分辨率5mV(10V默认范围1/2000)20μA(20__默认范围1/1000)总体精度±
0.1%(对于-10V到10V的范围)±
0.1%(对于-20__到20__的范围)转换速度15ms/通道(常速),6ms/通道(高速)表3-3FX2N-4AD的输出参数模拟输入数字量和电压、电流的关系如表3-4所示表3-4输入数字量与电压、电流的关系预设0(-10到10V)预设1(4到20__)预设2(-20到20__)
3.
2.4D/A转换模块由于模拟输出量为2个,则牵引系统的D/A转换模块可以选用FX2N-2DA,控制变频器和电液比例溢流阀,从而改变马达牵引速度三菱FX2N-2DA是三菱FX2N系列PLC的一款模拟量的特殊功能模块,广泛用于基本三菱工控塔建的自动化平台中FN2N-2DA模块如图3-4所示图3-4FN2N-2DAFX2N-2DA可连接到FX0N、FX2N、FX2NC系列的可编程控制器
(1)根据接线方法,模拟输入可在电压输入或电流输入中进行选择此时,假定设置为两通道公共模拟输入(电压输入和电流输入)
(2)两个模拟输入通道可接受的输入为0到10VDC、0到5VDC或4到20__,使输入特性与两通道相容
(3)模拟到数字的转换特性可以调节
(4)此模块占用8个I/O点,它们可被分配为输入或输出
(5)使用FROM/TO指令与PLC进行数据传输FX2N-2DA的配线方式如图3-5所示,FX2N-2DA通过扩展电缆与PLC主机相连,模块通道的外部连接则随外部输入__类型的不同而不同图3-5FX2N-2DA配线图其模拟量与数字量之间的关系如表3-5所示表3-5模拟量与数字量的关系输入0到10V输入电压0到5V输入电流4到20__
3.
2.5牵引系统硬件连接图在确定了PLC及其扩展模块后,按照系统的要求,设计出牵引系统的硬件连接如图3-6所示图3-6牵引系统硬件连接图4牵引监控系统软件设计
4.1编程软件GXDeveloper
4.
1.1GXDeveloper的功能GXDeveloper是三菱电机公司__的用于三菱全系列可编程序控制器的编程软件该软件集成了项目管理、程序编辑、编译链接、模拟仿真、程序调试和PLC通信等功能它能够完成Q、QnA、A系列(包括运动控制CPU)、FX系列PLC梯形图、指令表、SFC等的编辑该编程软件能够将编辑的程序转换成GPPQ、GPPA格式的文档,当选择FX系列时,还能将程序存储为FXGPDOS、FXGP(WIN)格式的文档,以实现与FX-GP/WIN-C软件的文件互换该编程软件能够将Ex__l、word等软件编辑的说明性文字、数据,通过__、粘贴等简单操作导入程序中,使软件的使用、程序的编辑更加便捷其主要功能有
1、可通过线路符号、列表语言及SFC符号来创建PLC程序、建立注释数据及设置寄存器数据
2、创建PLC程序以及将其存储为文件,用打印机打印
3、该程序可在串行系统中与PLC进行通信、文件传送、操作监控以及各种测试功能
4、该程序可脱离PLC进行仿真调试打开GXDeveloper软件,其界面如图4-1所示图4-1GXDeveloper界面
4.
1.2GXDeveloper的特点
1、操作简便
(1)标号编程用标号编程制作程序的话,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)功能块功能块是以提高顺序程序的__效率为目的而__的一种功能把__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__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使得顺序输入错误
(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
2、能够用各种方法和可编程控制器CPU连接
(1)经由串行通信口与可编程控制器CPU连接
(2)经由U__接口与可编程控制器CPU连接
(3)经由MELSECNET/10(H)与可编程控制器CPU连接
(4)经由MELSECNET(II)与可编程控制器CPU连接
(5)经由CC-Link与可编程控制器CPU连接
(6)经由Ethernet与可编程控制器CPU连接
(7)经由计算机接口与可编程控制器CPU连接
3、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通过该软件可进行模拟在线调试,不需要与可编程控制器连接
(2)在帮助菜单中有CPU出错信息、特殊继电器/特殊寄存器的说明等内容,所以对于在线调试过程中发生错误,或者是程序编辑中想知道特殊继电器/特殊寄存器的内容的情况下,通过帮助菜单可非常简便的查询到相关信息
(3)程序编辑过程中发生错误时,软件会提示错误信息或错误原因,所以能大幅度缩短程序编辑的时间
4.2监控系统程序设计
4.
2.1数据采集程序设计系统要采集的参数主要有马达进出口压力、主电机轴温度以及马达转速其中马达转速采用编码器采集马达输出脉冲个数经过换算得出,其他三个参数皆为模拟量输出,采用FX2N-4AD特殊功能模块进行采集,下面分别介绍
1、马达转速测量程序
(1)马达转速测量原理GI60增量型编码器输出的是脉冲__,其每转输出1024个脉冲,马达转速与输出脉冲之间具有如下关系式式(4-1)式中n—马达转速(转/分);N—编码器每秒输出脉冲个数由于实验中实验台加了传动比为2:1的传动带,因此本文实验中实际马达转速为式(4-2)
(2)马达转速测量程序将编码器输出__接PLC的高速输入端口X0,论文采用PLC的应用指令速度检测指令SPD,该指令用于检测在给定的时间内从编码器输入的脉冲个数,并将接受到的速度数据传送给PLC的D10数据单元中马达转速测量程序如图4-2所示图4-2马达测速程序
2、A/D模块数据采集程序FX2N-4AD特殊功能模块共有四个通道,论文中仅用了前三个通道,其中通道CH1和CH2为-10V~10V电压输入,CH3为4~20__电流输入,CH4关闭该模块连接在特殊功能模块的0号位置平均数设为4,并用PLC的D0~D3单元接收A/D模块传送来的数据其数据采集程序设计如下图4-3所示图4-3A/D模块采集程序
4.
2.2数据控制程序设计PLC须要控制的参数主要有变频器输出频率和电液比例方向阀的开度及方向对于这两参数PLC均采用模拟电压输出改变PLC的D20和D21内存单元中的数据,通过FX2N-2DA转换后经通道CH1和CH2输出控制变频器和电液比例方向阀的电压__具体程序设计如下图4-4所示附录总结本文利用PLC对采煤机进行牵引控制,具有较高的可靠性和良好的抗干扰能力,实现了牵引系统的自动化要求,而且牵引系统的原理图简单易懂,回路不复杂主要做了以下工作
(1)对采煤机的结构原理进行了分析,对液压牵引监控系统的原理进行了详细介绍,明确了所要监控的对象以及参数,确立了牵引监控系统所有实现的主要功能
(2)对PLC以及其编程软件进行了简单介绍,分别就各自的原理、特点及应用范围展开了阐述,并对PLC的型号进行了选择
(3)明确了系统的总体功能,设计了监控系统的控制框图,根据控制框图设计出了系统的硬件连接图进行了牵引监控系统硬件的选型,包括PLC及其特殊功能模块、各种液压阀、温度传感器与压力传感器等
(4)在软件方面,选择了GXDeveloper为编程软件,编写了采集以及控制程序,所选取的与硬件配套,__方便鉴于本人的能力有限,加上时间紧迫,论文虽取得了一定的进展,但是仍有以下问题需要解决
(1)用PLC牵引控制太过单一,远不能满足实际情况的需要,在论文中还可以增加组态软件、显示屏等来增加牵引系统的功能
(2)本论文只限于理论,需进一步做样机以完善系统____
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2006.9第一版致谢毕业设计是对我们知识运用能力的一次全面的考核,培养我们综合运用所学知识__地分析问题和解决问题的能力,为以后的工作打下基础本论文是在我的导师彭天好教授的悉心指导下完成的,导师渊博的专业知识,严肃的科学态度,严谨的教学精神深深激励着我老师不仅在知识上给予我们指导而且在思想上也教导我们,在此向老师以诚挚的谢意和崇高的敬意另外,在此次论文的完成中,也离不开刘海斌学长的帮助在百忙中的他还抽出时间帮我收集文献资料,理清论文撰写的步骤,对我的论文也提出了不少的宝贵建议,在此表示真挚的感谢PAGEI。