PLC在矿井提升机应用.docx
- 文档编号:20185844
- 上传时间:2023-04-25
- 格式:DOCX
- 页数:33
- 大小:286.71KB
PLC在矿井提升机应用.docx
《PLC在矿井提升机应用.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《PLC在矿井提升机应用.docx(33页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
PLC在矿井提升机应用
摘要
矿井提升机是矿山生产的关键设备之一,其作用是提升矿石、升降人员和设备、下放物料等,在整个矿山生产中占有十分重要的地位。
其安全性能的优劣,不但直接影响着全矿生产的正常运行,而且还与矿工的生命安全紧紧地联系在一起。
因此,矿井提升机安全、可靠、高效、准确的运行一直是我们所关注的要点,随着科技的进步,在矿山现代化的生产技术中,电力电子技术得到了广泛的应用,对矿井提升机的电气控制系统的安全可靠性有着更高的要求。
针对提升机的高可靠性要求,采用PLC控制是一种可靠性高的提升机操作保护系统,该系统工作可靠、控制精度高,完全可以满足现场生产运行的要求。
关键词:
提升机;PLC;可靠性;电控系统
目录
第1章可编程控制器及西门子S7-300型PLC简介………1
1.1PLC技术的概念及发展过程…………………………1
1.1.1PLC技术的概念…………………………………1
1.2PLC的一般特点………………………2
1.3PLC的基本结构及其工作原理……………………4
1.3.1PLC的基本结构…………………………………4
1.3.2PLC的工作原理………………………………4
1.4PLC的主要功能………………………………………6
1.5西门子S7-300的功能………………………………7
1.6西门子S7-300的组成…………………………………71.7西门子S7-300的系统构成……………………8
第2章操作保护PLC的设计………………………………11
2.1操作保护PLC系统的硬件设计………………………11
2.2提升机的双线制安全回路…………………………12
2.2.1继电器安全回路………………………………13
2.2.2操作保护PLC安全回路………………………14
2.3提升方向的生成……………………………………14
2.3.1开车信号的生成………………………………14
2.3.2提升方向的生成………………………………16
2.3.3提升信号的产生………………………………16
2.4提升机故障类型分类………………………………18
2.4.1报警类故障……………………………………19
2.4.2电气制动类故障………………………………20
2.4.3终端施闸类故障………………………………21
2.4.4立即施闸类故障………………………………22
2.5系统软件流程图……………………………………23
2.5.1STEP7软件块…………………………………23
2.5.2系统流程图……………………………………24
第3章行程控制PLC的设计………………………………28
3.1行程PLCS7-300硬件配置……………………………28
3.2行程监控及保护……………………………………29
参考文献……………………………………………………31
第一章可编程序控制器及
西门子S7—300型PLC的简介
1.1PLC技术的概念及发展过程
1.1.1PLC技术的概念
PLC即可编程控制器(ProgrammablelogicController),是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。
PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令,并能通过数字式或模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。
1.1.2PLC技术的发展历史
长期以来,计算机控制和传统PLC控制一直是工业控制领域的两种主要控制方法,PLC自1969年问世以来,以其功能强、可靠性高、使用方便、体积小等优点在工业自动化领域得到迅速推广,成为工业自动化领域中极具竞争力的控制工具。
但传统的PLC体系结构是封闭的,各个PLC厂家的硬件体系互不兼容,编程语言及指令系统各异,用户选择了一种PLC产品后,必须选择与其相应的控制规程,学习特定的编程语言,不利于终端用户功能的扩展。
近年来,工业自动化控制系统的规模不断扩大,控制结构更趋于分散化和复杂化,需要更多的用户接口。
同时,企业整合和开放式体系的发展要求自动控制系统应具有强大的网络通讯能力,使企业能及时地了解生产过程中的诸多信息,灵活选择解决方案,配置硬件和软件。
此外为了扩大控制系统的功能,许多新型传感器被加装到控制单元上。
我国工业控制自动化的发展道路,大多是在引进成套设备的同时进行消化吸收,然后进行二次开发和应用。
目前我国工业控制自动化技术、产业和应用都有了很大的发展,我国工业计算机系统行业已经形成。
工业控制自动化技术正在向智能化、网络化和集成化方向发展。
1.1.3PLC的发展趋势
1、功能向增强化和专业化的方向发展,针对不同行业的应用特点,开发出专业化的PLC产品。
以此来提高产品的性能和降低产品的成本,提高产品的易用性和专业化水平。
2、规模向小型化和大型化的方向发展,小型化是指提高系统可靠性基础上,产品的体积越来越小,功能越来越强;大型化是指应用在工业过程控制领域较大的应用市场,应用的规模从几十点扩展到上千点,应用功能从单一的逻辑运算扩展几乎能满足所有的用户要求。
3、系统向标准化和开放化方向发展,以个人计算机为基础,在windows平台上开发符合全新一体化开放体系结构的PLC。
通过提供标准化和开放化的接口,可以很方便地将PLC接入其它系统[2]。
1.2.PLC的一般特点
1.抗干扰能力强,可靠性高
微机虽然具有很强的功能,但抗干扰能力差,工业现场的电磁干扰,电源波动,机械振动,温度和湿度的变化,都可以使一般通用微机不能正常工作。
而PLC在电子线路、机械结构以及软件结构上都吸取了厂家长期积累的生产控制经验,主要模块均采用大规模和超大规模集成电路,I/O系统设计有完善的通道保护与信号调整电路;在结构上对耐热、防潮、防尘、抗震等都有周到的考虑;在硬件上采用隔离、屏蔽、滤波、接地等抗干扰措施;在软件上采用数字滤波等抗干扰和故障诊断措施;所有这些使PLC具有较高的抗干扰能力。
PLC的平均无故障时间通常在几万小时以上,这是一般微机不能比拟的。
继电器、接触器控制系统虽有较好的抗干扰能力。
但使用了大量的机械触点,使设备连线复杂,且触点在开闭时易受电弧的损害,寿命短,系统可靠性差。
而PLC采用微电子技术,大量的开关动作由无触点的电子存储器来完成,大部分继电器和复杂的连线被软件程序所取代,故寿命长,可靠性大大提高。
2.控制系统结构简单,通用性强
PLC及外围模块品种多,可由各种组件灵活组合成各种大小和不同要求的控制系统。
在PLC构成的控制系统中,只需在PLC的端子上接入相应的输入/输出信号线即可,不需要诸如继电器之类的物理电子器件和大量而又繁杂的硬接线线路。
当控制要求改变,需要变更控制系统的功能时可以用编程器在线或离线修改程序,同一个PLC装置用于不同的控制对象,只是输入/输出组件和相应的软件不同。
PLC的输入/输出可直接与交流220v,直流24v等强电相连,并有较强的带负载能力。
3.编程方便,易于使用
PLC是面向用户的设备,PLC的设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习惯,PLC编程的编制,采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。
梯形图与继电器原理图相类似,这种编程语言形象直观,容易掌握,不需要专门的计算机知识和语言,只要具有一定的电工和工艺知识的人员都可在短时间学会。
4.功能完善
PLC的输入/输出系统的功能完善,性能可靠,能够适应与各种形式和性质的开关量和模拟量的输入/输出。
在PLC内部具备许多控制功能,诸如时序、计算器、主控继电器以及移位计存器、中间计存器等。
由于采用了微处理器,她能够很方便的实现延时、琐存、比较、跳转和强制I/O等诸多功能,不仅具有逻辑运算、算术运算、数制转换以及顺序控制功能,而且还具备模拟运算、显示、监控、打印以及报表生成功能。
此外,它还可以和其它微机系统、控制设备共同组成分布式或分散式控制系统,还能实现成组数据传送、矩阵运算、闭环控制、排序与查表、函数运算及快速中断等功能。
因此PLC具有极强的适应能力,能够很好地满足各种类型的控制需要。
5.设计、施工、调试的周期短
用继电、接触器控制完成一项控制工程,必须首先按工艺要求画出电气原理图,然后画出继电器屏的布置和接线图等,进行安装调试,以后修改起来十分不便。
而采用PLC控制,由于其硬软件齐全,为模块化积木式结构,且已商品化,故仅需按性能、容量等选用组装,而大量具体的程序编制工作也可在PLC到货前进行,因而缩短了设计周期,使设计和施工可同时进行。
由于用软件编程取代了硬接线实现控制功能,大大减轻了繁重的安装接线工作,缩短了施工周期。
因为PLC是通过程序完成控制任务的,采用了方便用户的工业编程语言,且都具有强制和仿真的功能,故程序的设计、修改和调试都很方便,这样可大大缩短设计和投运周期。
6.体积小,维护操作方便
PLC体积小,质量轻,便于安装。
PLC的输入/输出系统能够直观地反映现场信号的变化状态,还能通过各种方式直观地反映控制系统的运行状态,非常有利于运行和维护人员对系统进行监视。
1.3PLC的基本结构及其工作原理
1.3.1PLC的基本结构
PLC实质上是一种专用于工业控制的计算机,其基本硬件结构与一般计算机几乎一样。
由于它是对机械或设备或某个系统直接控制的装置,所以与一般计算机又有以下几点不同:
(1)使用适宜于控制的专门语言;
(2)实时性强;
(3)可与各种输入/输出设备直接连接;
(4)抗干扰性能强;
(5)可在较恶劣的现场环境中工作。
PLC主要由中央处理单元(CPU)、存储器(ROM/RAM),输入/输出单元(1/0),电源以及外部设备(如编程器)等几大部分组成。
1.3.2PLC的基本工作原理
PLC的工作是循环扫描的,这种工作方式是在系统软件控制下,顺次扫描各输入点的状态,按用户程序进行运算处理,然后顺序向输出点发出响应的控制信号。
整个工作过程可分为五个阶段:
读输入、执行程序、处理通讯请求、自诊断、写输出,
工作框图如图3.2所示。
图1.3.2PLC的工作原理图
(1)输入刷新阶段
PLC的中央处理器对各个输入端进行扫描,将输入端的状态送到输入状态寄存器。
(2)执行用户程序阶段
中央处理器(CPU)将指令逐条调出并执行,以对输入和原输出状态进行处理,即按程序对数据进行逻辑、算术运算,再将正确的结果送到输出状态寄存器中。
(3)处理通讯请求阶段
在这一阶段,PLC检查是否有编程器,计算机等的通信要求,若有则进行响应的处理,如接收由编程器送来的程序,命令和各种数据,并把要显示的状态、数据、出错信息等发送给编程器进行显示。
如果有计算机等的通信要求,也在这段时间完成数据的接收和发送任务。
(4)自诊断扫描阶段
为保证工作的可靠性,PLC内部具有自监视或自诊断功能。
自诊断是由“看门狗”(WatchdogTimer,WDT):
来完成的,它是一个硬件时针,是为监视PLC扫描周期而设置的。
每次执行用户程序之前,都先执行故障自诊断程序。
若在WDT复位前,扫描时间超过WDT的设定值,说明内部出现了故障,CPU将停止运行并给出报警。
(5)输出刷新阶段
当所有的指令执行完毕时,集中把输出状态寄存器的状态通过输出部件转换成被控设备所能接受的电压或电流信号,以驱动被控设备。
PLC经过这五个阶段的工作过程,称为一个扫描周期,完成一个周期后,又重新执行上述过程,扫描周而复始地进行。
CPU在执行用户程序时,使用的输入值不是直接从输入端得到的,运算结果也不是直接送到实际输出端,是在内存中设置了两个暂存区,既输入/输出暂存区或输入/输出映象寄存器。
在输入采样扫描过程中(用户程序执行前),CPU以扫描方式依此地读入所有输入状态和数据,并将它们存入在执行用户程序的过程中,只把计算所得的输出信号存入输出映象寄存器,只有在每个扫描周期的最后一个步骤,才统一将输出映象寄存器的输出信号同时送到输出接点上,这样有利于各控制对象动作之间的互锁和控制。
需要强调的一点是,PLC在每个扫描周期中对输入信号的读取和输出信号的刷新都是针对数字量而言的,因为这种自动操作是针对输入/输出映象区操作的,而模拟量的输入/输出信号是不进输入/输出映象区的,模拟量输入或输出的模/数,数/模转换是实时地在模块上进行的,所以对应的存储区在模块上,在执行用户程序时实时地读/写数据。
1.4PLC的主要功能
1.开关量控制
PLC可以完成开关逻辑运算和顺序逻辑控制,从而实现对生产机械或生产过程的自动控制。
这是PLC最基本,也是最主要的功能。
2.模拟量控制
在工业生产过程中,有许多连续变化的物理量需要控制,为了满足对模拟量控制的广泛要求,目前大部分PLC产品都带有模拟量处理功能,某些PLC产品还提供了典型控制策略模块,极大地方便了对此类功能的控制需要。
3.定时/计数控制
PLC具有很强的定时、计数功能,它可以为用户提供数十或数百个定时器或计数器。
定时器的精度可以由用户进行选择或设定。
在需要对频率较高的信号进行计数时,还可以选用高速计数器。
4.数据处理
新型PLC都具有数据处理能力,不仅能进行算术运算、数据传输、而且还能进行数据比较、数制转换、数据显示打印,甚至浮点运算、函数运算等功能。
5.联网与通信
PLC可与上位计算机或同位PLC进行数据通信,完成数据的处理和信息的交换,实现对整个生产过程的信息控制和管理,是实现工厂自动化的理想工业控制器。
1.5西门子S7—300的功能
西门子S7—300PLC由于具有模块化、无排风扇结构、性能优良和易于用户掌握等特点,使得该PLC成为各种从小规模到中大规模应用的首选产品,它被广泛应用于专用机床、包装机械等诸多领域。
S7—300提供了多种性能递增的CPU和丰富的且带有许多方便功能的I/O扩展模块,各种功能模块可以非常好地满足和适应自动控制系统任务,使用户可以完全根据实际应用选择合适的模块,而且当控制任务增加并且愈加复杂时,可随时附加模块对PLC进行扩展,系统扩展灵活。
S7—300的大量功能能够支持和帮助用户进行编程、启动和维护,主要功能如下:
1.高速的指令处理
S7—300的指令处理时间为0.1—0.6us,在中等到较低的性能要求范围内开辟了全新的应用领域。
浮点数应用功能可以有效地实现更为复杂的算术运算。
带标准用户接口的软件工具可给所有模块进行参数赋值。
2.人机界面
方便的人机界面服务已经集成在S7—300操作系统内,因此人机对话的编程要求大大减少。
人机界面从S7—300中取得数据,S7—300操作系统自动处理数据的传递。
3.诊断功能
智能化的CPU诊断系统可连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件。
4.口令保护
多级口令保护可以使用户有效地保护其技术机密,防止未经允许的复制和修改。
操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出,当钥匙拔出时,就不能改变操作方式。
这样就可防止非法删除或改写用户程序。
1.6西门子S7—300的组成
西门子S7—300PLC是模块化结构设计,各种单独模块之间可进行广泛的组合和扩展。
系统的主要组成包括:
1.中央处理单元:
S7—300提供了多种不同性能的CPU,以满足用户的不同要求,CPU模块除完成执行用户程序的主要任务外,还为S7—300背板总线提供5v的直流电源,并通过MPI与其他中央处理器或编程装置通信。
2.信号模块:
信号模块使不同的过程信号电平和S7—300的内部信息相匹配,每个信号模块都配有自编码的螺钉型前连接器,外部信号可方便地连在信号模块的前连接器上。
特别指出的是其模拟量输入可以接入热电偶、热电阻、电流4-20mA、电压0-10V等18种不同的信号输入量程范围很宽。
3.通信处理器:
用于网络和点对点连接。
4.功能模块:
用于高速计数、定位操作和闭环控制。
5.负载电源模块:
用于将西门子S7—300连接到120/230V交流电源或24/48/60/110V直流电源。
6.接口模块:
用于机架配置时连接主机架和扩展机架。
S7—300通过分布式的主机架和3个扩展机架,可以操作多达32个模块。
S7—300具有高电磁兼容性和强抗振动、冲击性、使其具有最高的工业环境适应性。
S7—300结构简单,使用灵活而且易于维护,采用DIN标准导轨安装,安装方便。
背板总线集成在模块上,模块通过总线连接器相连,使得更换模块简单,所有模块都具有可靠的连接端子。
信号模块和通信可以不受限制地插到任何一个槽位上,系统可以自行组态。
当用户的控制任务需要多于8个信号模块或通信处理模块时,则可以采用扩展S7—300机架,扩展实现方便。
1.7西门子S7—300的基本系统构成
1.S7—300PLC中央处理单元CPU模块
S7—300有CPU312IFM、CPU313、CPU314、CPU314IFM、CPU315/315-2DP、CPU318-2D等8种不同的中央处理单元可供选择。
CPU312IFM、CPU314IFM带有集成的数字和模拟输入/输出的紧凑型CPU,用于快速反映和特殊功能的装备。
CPU313、CPU314、CPU315模块上不带集成的I/O端口,其存储容量、指令执行速度、可扩展I/O点数、计数器/定时器数量、软件数量等随序号的递增而增加。
CPU315-2DP、CPU316-2DP、CPU318-2DP都具有现场总线扩展功能。
CPU以梯形图LAD、功能块FBD或语句表STL进行编程。
2.S7—300PLC数字量模块
S7—300PLC的数字量模块主要有SM321输入模块,SM322输出模块、SM323I/O模块,以及SM374仿真模块和DM370占位模块。
SM321数字量输入模块主要有4种型号模块可供选择,即直流16点输入、直流32点输入、交流8点输入、交流16点输入模块,模块的每个输入点均有一个绿色发光二极管指示输入开关闭合状态。
SM322数字量输出模块有7种型号输出模块可供选择,它分为继电器、晶体管、双向晶闸管三种类型,其中,晶闸管输出模块上有红色LED指示故障或错误,当用于输出短路保护的熔丝或负载电源一端没接时,LDE亮。
为了进行逻辑运算或扩大输出功率,可以将同一组内的两个点并联输出。
SM323数字量I/O模块有两种类型,一种带有8个共地输入端和8个共地输出端,另一种16个共地输入端和16个共地输出端,两种模块特性相同。
I/O额定负载电压24VDC,输入电压“1”信号电平为11—30V,“0”信号电平为(-)3—(+)5V,I/O通过光耦和器与背板总线隔离。
在额定输入电压下,输入延时为1.2–4.8ms。
输出具有短路保护功能。
DM374仿真模块可以仿真16点输入、16点输出、8点输入和8点输出的数字量模块。
根据仿真所需的数字量模块,可以选择模块状态,使PLC应用系统调试变得简单而方便。
DM370占位模块的主要作用是给数字量模块保留一个插槽。
这样设计的PLC系统具有更大的灵活性和适应性。
3.S7—300PLC模拟量模块
S7—300PLC的模拟量模块主要有SM331输入模块、SM332输出模块。
SM331输入模块主要由A/D转换部件、模拟切换开关、补偿电路、恒流源、光隔离部件、逻辑电路组成。
A/D转换部件是模块的核心,采用积分方式实现模数转换。
4.S7—300PLC的供电与接地
PS307是西门子公司为S7—300专配的DC24V电源。
PS307系列模块的额定输出电流分2、5、10A三种规格,其工作原理和参数完全相同。
其输入电压为单相120/230V、50/60HZ,在输入和输出之间有可靠的隔离。
输出电压允许范围24(±5%)V,最大上升时间2.5s,最大残留纹波150mV。
PS307可安装在导轨上,除了给S7—300CPU供电,也可给I/O模块提供负载电源。
S7—300的模块使用的电源由背板总线提供,一些模块还需要外部电源供电。
因此,在组成S7—300应用系统时,考虑每块模块的电流和功率损耗是非常必要的,所有S7—300模块使用的从S7—300背板总线提供的总电流不能超过1.2A,如果选用CPU312IFM,则不超过0.8A。
一个实际的S7—300系统,在确定所有的模块后,要选择合适的电源模块。
所选定的电源模块的输出功率必须大于CPU模块、所有I/O模块、各种智能模块等总消耗功率之和,并且要留有约30%的余量。
当同一电源模块既要为主机单元供电,又要为扩展单元供电时,从主机单元到最远的扩展单元的线路电压降必须小于0.25V。
第2章操作保护PLC的设计
提升机操作保护系统主要完成逻辑操作控制和故障安全保护两方面任务。
来自提升机系统各部分的运行状态和运行参数以及操作信号和保护信号,引入到操作保护系统中。
一方面,操作保护系统将与操作控制相关的信号进行逻辑运算和闭锁,最后产生控制指令,如高压合闸、快开合闸、磁场合闸、运行指令、运行方向、过卷复位等;另一方面,操作保护系统将与故障保护相关的信号进行逻辑运算和判断,最后处理为立即施闸、提升终了施闸、电气制动和报警四类,送监视器显示故障类型并控制声光报警系统报警并施闸。
2.1操作保护PLC系统的硬件设计
操作保护PLC,以S7—300为例,其硬件配置如图4.1所示:
图4.1操作保护硬件配置图
1、电源模块是将120vAC或220vAC交流电压转换成24v直流电压,该模块接上主电源不仅可以给S7—300供电,也可以给控制系统中其他工作模块及电路供电。
2、中央处理单元CPU:
他用于控制总线上模块之间的数据传输,处理控制程序和控制信号的输出。
3、输入模块:
他是将控制系统送来的外部数据信号转换成S7—300内部信号电平,
4、输出模块:
该模块将S7—300内部信号电平转换成控制系统所要求的外部信号电平。
5、A/D模数转换模块:
将控制系统送来的外部模拟信号转换成S7—300内部处理用的数字信号。
6、D/A数模转换模块:
D/A数模转换模块用于将S7-300输出的数字信号转换成控制系统所需的模拟信号(如电压),一般采用±10V电压信号,以便进行控制
7、计数模块:
计数模块共两块,一块用于对导向轮的轴编码器进行计数,另一块用于对滚筒上的轴编码器进行计数。
8、通信模块:
它用于PLC与上位机之间的数据交换,该模块把行程控制PLC和操作保护PLC检测到的提升机在运行过程中的故障信息、开车打点信号、位置速度指示及时的传送到上位机,以便操作人员观察提升机的运行状态。
几台S7—300能用PROFIBUS总线电缆相连,通过通信处理模块相互通信。
2.2提升机的双线制安全回路
为保障提升机系统安全可靠,在系统中采用了双线制安全回路,即PLC安全回路和继电器安全回路相结合。
对于一些需立即施闸停车的重事故信号,如:
行程PLC故障、快速开关跳闸、传动回路故障等事故,接入继电器安全直动回路,当安全回路动作时,跳闸停车。
同时,故障点也接入操作保护PLC,由软件实现故障的监视、闭锁及声
光报警。
对于提升机的其它故障,如终端施闸类故障、电气制动类
图2.2提升机双线制安全回路
故障,则直接由PLC控制和保护。
如上图4.2所示:
2.2.1继电器安全回路
在下图4.2.1中,D803和D804是安全继电器,D801是时间继电器,D802是中间继电器。
无故障时,安全回路触点均闭合,D801和D802失电,D803和D804带电;有故障时,安全回路中相应触点断开,D803和D804失电,通过液压制动系统的安全制动电磁阀实施紧急制动,与此同时,D801和D802带电。
故障排除后,安全
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- PLC 矿井 提升 应用