矿用电机车控制系统的设计说明.docx

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矿用电机车控制系统的设计说明

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：

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………………………………………………………………1

2.1控制方案及论证……………………………………………………………1

2.2显示界面方案的选择………………………………………………………4

2.3输入方案的选择……………………………………………………………4

3控制系统硬件设计……………………………………………………………4

3.1PLC类型的选择……………………………………………………………4

3.1.1产品分选控制要求……………………………………………………4

3.1.2系统I/O点数的计算…………………………………………………5

3.1.3PLC型号的选择………………………………………………………5

3.2显示模块的设计……………………………………………………………6

3.2.1硬件的设计思路…………………………………………………………6

3.2.2软件的设计思路…………………………………………………………6

3.2.3显示模块的电路图………………………………………………………7

3.3操作面板的设计…………………………………………………………9

4控制系统软件设计……………………………………………………………11

4.1系统I/O分配……………………………………………………………11

4.2主要程序设计……………………………………………………………13

4.2.1按键操作说明………………………………………………………13

4.2.2主控制程序…………………………………………………………13

4.2.3动态显示控制程序…………………………………………………13

4.2.4计数及显示程序……………………………………………………14

4.2.5计时及显示程序…………………………………………………16

4.2.6故障程序……………………………………………………………18

5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。

ＰＬＣ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

2．1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。

2．2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。

2．3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

3．1PLC类型的选择

3.1.1矿用电机车控制要求

1．控制系统对矿用架线式电机车实现启动、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2×8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。

3.1.3PLC型号的选择

目前在国市场上有从美国、德国、日本等国引进的多种系列PLC，国也有许多厂家组装、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-24EYT

3.2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①，来显示0～9十个数字。

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0000～1001代表0～9，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0000～1111代表0～15位（或000～111代表0～7位、00～11代表0～3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20～23位对应数据总线20～23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。

20～23位为个位BCD码，可以直接输出；24～27位为十位BCD码，可通过逻辑右移4位，在个位BCD码数位输出；28～211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74LS—138译码后控制（任一时刻，只有一个管道通电）

扩展模块输出：

Y20~Y23：

计时字形输出；

Y24~Y27：

计时字位输出；

Y30~Y33：

计数字形输出；

Y34~Y37：

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

3．3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：

Y20~Y23：

计时字形输出；

Y24~Y27：

计时字位输出；

Y30~Y33：

计数字形输出；

Y34~Y37：

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=1

Y17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M30—M37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D300—D305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。

3．Y30～Y33进行的是字形的控制。

例D303的信号送入Y30～Y33输出，同理D304、D305、D306也由此输出口输出。

4．Y34～Y36进行字位控制。

例Y34～Y36均为0时，输出的是个位、Y34～Y36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D210—D215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。

3．Y20～Y23进行的是字形的控制。

例D213的信号送入Y20～Y23输出，同理D214、D215、D216也由此输出口输出。

4．Y24～Y26进行字位控制。

例Y24～Y26均为0时，输出的是个位、Y24～Y26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。

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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的工作作风。

在此，感老师的耐心指导。

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