0591郑超.docx
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0591郑超
毕业设计(论文)题目:
采用FPGA设计矿井双筒提升机松绳故障自动保护器
学院:
信息与电子学院
专业:
信息工程(通信与电子工程)
班级:
01510506
姓名:
郑超
指导教师:
梁淼
毕业设计(论文)任务书
题目类别:
毕业设计
题目性质:
工程设计
毕业设计(论文)题目:
采用FPGA设计矿井双筒提升机松绳故障自动保护器
学院:
信息与电子学院
专业:
信息工程(通信与电子工程方向)
班级:
015010506
姓名:
郑超
指导教师:
梁淼
题目内容:
1、在双筒提升系统中,提升机通过钢丝绳带动两个罐笼作一上一下双向运动。
正常时,钢丝绳无松动,支撑钢丝绳的两个天轮同步转动。
若出现卡罐或电机故障等异常时,两个天轮将失去同步,并且其同步偏差越大,危险性越高。
2、设计要求:
设计一个故障检测自动保护器,可对安装在提升机系统中两个天轮上传感器输出的脉冲信号进行实时监测,并将监测结果随时依照分级显示出来;
3、当钢丝绳松动时,应发出报警信号,当钢丝绳松动达到危险值时,可发出控制信号,以便提升机紧急刹车停止运行。
任务要求:
1、掌握Altera公司的可编程逻辑器件的原理与应用,能熟练应用Quartus II开发系统;
2、通过学习掌握数字系统设计的各种技巧,熟练掌握使用VHDL语言对FPGA进行编程,掌握数字系统中控制器和处理器的优化设计,设计中全局时钟的合理设置等;
3、能熟练使用相关的设计软件、调试工具,提高分析问题和解决问题的能力;
4、从实用的角度出发,分析系统的各个部分的原理,然后,对各个功能模块进行发;
5、在实际电路设计和调试过程中,认真做好记录,逐渐积累电路的设计和调试经验。
完成期限:
1、第一个月进行VHDL语言、开发系统、数字系统设计的进一步学习和论文所要求题目的整体模块的构建;
2、第二个月,进行软件设计、仿真及外围硬件电路板的设计与调试;
3、第三个月,整体电路安装调试,分析、解决问题;
4、第四个月,撰写论文。
指导教师签字:
年月日
教学单位负责人签字:
年月日
责任教授签字:
年月日
毕业设计(论文)评语表
(一)
指导教师对毕业设计(论文)的评语:
郑超同学的毕业论文《采用FPGA设计矿井双筒提生机松升故障自动保护器》,其选题具有较强的实际应用价值。
该同学在毕业设计期间,能熟练应用所学知识,积极解决设计中出现的问题,有一定的独立工作能力,并且在实现基本功能的基础上,从各个角度考虑所做设计的扩展功能。
该生在做毕业设计期间,工作努力,积极主动,思维活跃。
论文书写条理清楚,论述充分,文字通顺。
推荐参加论文答辩。
指导教师(签字)
年月日
评阅人对毕业设计(论文)的评语:
该毕业论文完成了毕业设计任务书要求的任务,实现了基本功能在FPGA调试环境下的编译和仿真;描述了设计扩展功能的思路。
表明该同学具备了基本的专业基础。
论文条理清楚,文字通顺。
建议允许其参加毕业答辩。
评阅人(签字)
年月日
毕业设计(论文)评语表
(二)
答辩委员会(小组)成员
姓名
职称
主要分工
签字
答辩中提出的主要问题及回答的简要情况:
1.你在这个课题中具体做了哪些工作?
首先我实现一个分级报警的基本功能,再接收到一个置高的输入信号后,将连接LED灯输出口置高,让其亮起实现先报警,此后的两个等级通过秒脉冲计数分在规定时间内异常信号未消失则到下一个报警等级。
另外还做了AD和扬声器两个软件方面的附加功能。
2.AD方面你做了什么工作
鉴于实验平台缺少真正的AD器件,所以我在这里制作了AD的软件部分,用的是AD7820。
利用实验平台的晶振分频出两个采样时钟频率,然后人为设置好传感器打过来的数据和INT信号的下降沿,以此来采集我提前设定好的数据。
在数据采集完毕之后将其进行仿真,仿真结果符合实际情况。
3.连接扬声器的频率信号是怎样的
在这里我主要是做了软件上面的设定,规定了3中不同频率的信号,当处于某一安全等级时,将与此对应的频率信号送到一个变量内,通过FPGA的IO口经行输出。
在外部电路上,通过放大电路,以一个三极管做反相器,集电极连接扬声器,发射集连接规定电阻并接地。
分频后输出的不同频率的信号都是数字信号,通过上面方法就可将FPGA输出的数字信号转变为模拟信号,然后再把该频率的信号传送到扬声器上,以此发出声音报警。
答辩委员会(小组)代表(签字)
年月日
答辩委员会(小组)的评语:
该同学按期圆满完成任务书规定的任务,能较好运用所学理论知识和专业知识,立论正确,有一定的独立工作能力,论文有自己的独到见解。
说明条理清楚,文字通顺,书写工整,答辩时思路清晰,论点基本正确,能正确回答主要问题。
同意通过论文答辩。
答辩委员会(小组)代表(签字)
年月日
答辩委员会(小组)给定的成绩:
答辩委员会(小组)主任(签字)
年月日
毕业设计(论文)开始日期2009年2月23日
截止日期2009年6月12日
毕业设计(论文)答辩日期2009年6月17日
摘要
矿井提升机常被人们称为矿山的咽喉,是矿山最重要的关键设备,是地下矿井与外界的唯一通道,肩负着矿石、物料、人员等的重要运输责任。
对提升机来说,运行的安全性与可靠性是至关重要的。
期以来,我国矿用提升机盘形闸制动间隙监测都是用非常原始的方法,即用两个限位开关来控制制动间隙和闸皮摩损,该方法误差大,操作起来费时费力,存在着极大的安全隐患。
而随着计算机和软件技术的发展,虚拟仪器正在逐渐成为测试领域的发展方向。
在数字系统设计中,与传统的硬件设计方法比较,使用FPGA技术有效率高、开发速度快、可以重复利用、修改和升级方便、可用于快速原型实现、成本较低等优势。
因此本课题将使用FPGA进行设计,通过FPGA编程,将程序烧入EPF10K芯片中,实现输入输出上面的报警。
在双筒提升系统中,提升机通过钢丝绳带动两个罐笼作一上一下双向运动。
正常时,钢丝绳无松动,支撑钢丝绳的两个天轮同步转动。
若出现卡罐或电机故障等异常时,两个天轮将失去同步,并且其同步偏差越大,危险性越高。
为此设计一个故障检测自动保护器,可对安装在提升机系统中两个天轮上传感器输出的脉冲信号进行实时监测,并将监测结果随时依照分级显示出来。
当钢丝绳松动时,应发出报警信号,当钢丝绳松动达到危险值时,可发出控制信号,以便提升机紧急刹车停止运行。
调试和运行结果表明,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。
关键字:
矿井提升机、FPGA、EPF10K芯片
Abstract
MineHoistareoftenreferredtoasthethroat,whichisthemostimportantkeytominingequipment.Itistheonlywaylinkingtheundergroundminewiththeoutsideworld,whichisresponsiblefortransportingores,materialsandworkers.Forthehoist,theoperationofthesafetyandreliabilityisessential.China'smininghoistbrakediskspacemonitoringgatesareinveryoriginalwaythatisusingtwolimitswitchestocontrolthebrakeandthebrakeclearancewearandtear.Usingthismethodwillhavelargeerror,time-consumingandagreatsecurityrisk.Whilewiththecomputerandsoftwaretechnology’sdevelopment,virtualinstrumentisgraduallybecomingatrend,whichisusingtotestthedirectionofdevelopmentofthefield.
Indigitalsystemsdesign,comparedwiththetraditionalhardwaredesignmethods,theuseofFPGAtechnologywillachievehighefficiencyanddevelopmentspeed,whichcanre-use,modification,upgradingofconvenienceandrapidprototyping.Italsohavelowcostadvantages.SothistopicwillfocusontheusingofFPGAdesign,ThroughFPGAmethod,theprogramwillburnintotheEPF10Kchip,toachievethealarminputandoutput.
Inthedouble-upgradesystem,wireropehoistdriventhroughthetwocages’up-and-downmovement.Innormal,wireropehasnoloose,supportingtwoheadsheaves’synchronousrotation.
Unlessthetwocagesgetstuckorthemotorhaserror,thetwoheadsheavesoutofsyncandthehigherofthesynchronizationdeviationthegreateroftherisk.Forthisreasonthedesignofafaultdetectionautomaticprotectiondevicesmaybeinstalledinthehoistsystemtomonitortheoutputsignalfromtwoheadsheavesinreal-timeandletthemonitoringresultsdisplayedinaccordancewiththeclassification.Whentheropeloose,thealarmsignalshouldbeissued.Meanwhile,whentheropereachedacriticalvalueofloose,acontrolsignalmaybeissuedinordertobreakthehoist’srunning.
Debuggingandrunningresultsshowthatthesystemisreliableandhavehighprecision,whichcanfullymeettherequirementsofproduction.
Keywords:
MineHoist,FPGA,EPF10Kchip
目录
摘要I
AbstractII
目录I
第一章绪论1
1.1课题背景1
1.2本领域发展状况2
1.2.1国外发展状况2
1.2.2国内发展状况3
1.3本文工作5
1.4论文结构5
第二章实验平台7
2.1FPGA介绍7
2.1.1FPGA简介7
2.1.2FPGA工作原理8
2.1.3FPGA配置模式9
2.1.4FPGA的应用9
2.1.5FPGA的设计注意事项11
2.2CPLD介绍12
2.2.1CPLD简介12
2.2.2CPLD发展历史和应用领域12
2.2.3CPLD的器件特点及简单使用方法13
2.2.4CPLD与FPGA的辨别与分类13
2.3QuartusII介绍14
2.3.1QuartusII简介14
2.4平台及EPF10K10LC84-415
第三章VHDL语言介绍17
3.1VHDL简介17
3.2VHDL程序基本结构19
3.2.1实体20
3.2.2结构体21
3.3VHDL基本语法23
3.3.1并行语句23
3.3.2顺序语句24
第四章工作原理及硬件组成26
4.1引言26
4.2工作原理27
4.3硬件组成29
4.4功能扩展30
第五章软件实现32
5.1程序预期目的32
5.2程序构成32
5.3编程实现方法33
5.4扩展功能的编程实现38
5.5软件中的问题以及解决方法42
第六章仿真和下载流程44
6.1使用QuartusⅡ6.0软件仿真44
6.1.1对程序进行编译44
6.1.2设置仿真.vwf文件44
6.1.3仿真相关设置和仿真46
6.2使用MAXPLUSⅡ和平台提供的下载软件下载47
6.2.1MAXPLUSⅡ下的编译和管脚设置47
6.2.2下载软件DNLD102的使用和下载过程48
第七章总结和展望50
致谢51
参考文献52
第一章绪论
1.1课题背景
我国是矿产业的大国,尤其是对煤矿(炭)的需求量非常之大,而其中矿井提升机是煤炭、有色金属矿石等生产过程中的大型关键设备,提升机主要用于升降人员和矿石、煤炭等,其性能和安全可靠性直接影响着煤炭、矿石的生产及其作业人员的生命安全,一旦发生事故必然导致人员伤亡和设备的严重损坏,矿山正常生产中断,造成重大的经济损失,素有“矿山咽喉’’之称。
提升机的电力传送特性复杂电机频繁正反向,经常出在过负荷运转和电动,制动不断转换的状态中。
对提升机来说,如何能够在保证安全的前提下正常运行,是最关键和重要的课题。
近年来,我国有关部门在提升机安全方面做了大量工作,使矿井提升机设备的安全可靠性有了长足进步,并将“可靠性系统工程”的理念引入了矿井提升机领域。
与之相适应,提升机对其电控系统安全可靠性的要求也愈来愈高。
因此,在设计矿山提升机时,总是把提升机的安全性、可靠性放在首要位置。
如何确保提升设备经常处于安全可靠的运行状态,除了在设计计算时合理选择运行参数外,关键在于对其进行状态监控。
对提升机运行的主要参数进行连续不断的在线监测监控,使司乘人员随时了解提升机的运行情况,并在超限时做出故障报警,供司乘人员操作时参考。
随着数字技术的发展,可编程控制器的普遍应用,数字监控器代替机械式监控器和井筒开关,作为提升机安全运行的后备保护势在必行。
自80年代开始,计算机技术在提升机控制系统中逐步得到采用,从而使得提升机控制系统的安全性得到了很大的提高。
但是,监控设备仍然沿用传统的设备,矿井安全的检测方式精度很低,并且井筒开关容易损坏,更换不方便。
而且限速保护采用凸轮板或滑线变阻器保护,技术落后,精度不高,保护不可靠,严重影响生产及人身、设备安全。
由于此类设备使用寿命和精度的问题,使得提升机的主要后备保护环节仍然还是比较薄弱。
如提升机过速而造成的过卷、过放现象,制动器闸瓦的磨损,制动弹簧的疲劳引起的制动器失效等。
通过对提升机各主要参数的监测监控,可以使司乘人员在接到这种报警信息时做出及时处理,可以大大减少事故的发生。
按照目前国内外提升机安全规范的规定,提升机除了控制系统具有的主保护外,还必须要有一套独立的后备保护系统,确保提升机运行的安全可靠。
近年来国外一些大的提升机生产厂家,相继研制开发了数字监控器,它克服了以往后备保护的缺点,并在保护性能上有了很大提高,使矿井提升机始终处于全行程严格的监视下,从而提高了提升机运行的安全性和可靠性。
因此,开发一套简单适用的计算机监控系是非常必要的。
1.2本领域发展状况
矿井提升装置是采矿业的重要设备,随着科学技术的进步和矿井生产现代化要求的不断提高,人们对提升机工作特性的认识进一步深化,提升设备及拖动控制系统也逐步趋于完善,各种新技术、新工艺逐步应用于矿井提升设备中。
特别是模拟技术、微电子技术、微电脑技术在提升机控制中的应用已成为必然的发展方向。
1.2.1国外发展状况
国外研制矿井计算机监控系统始于20世纪60年代,在提升机状态监护方面水平较高。
特别是对闸控和速度监控系统等重要保护环节,设计更加合理,有些环节设置双重保护,如过速保护,过卷保护等。
这些保护措施,对提升机的运行安全都是可靠的保证。
以矾山磷矿副井的瑞典ABB公司的提升机安全保护为例,整个系统是以ABBMasterPiece200/1为主控计算机,配以彩色监视系统计算机MasterView810/1、电机拖动系统电流环和速度环控制计算机,构成一个网络号为Net11的计算机网络,实现对整个提升系统的运行控制、状态监测和安全保护。
1.晶闸管一电动机(SCR-D)直流低速直联拖动系统
部分发达国家原有的交流提升机已基本上被晶闸管一电动机(以下简称ScR一D)系统所取代。
如德国、瑞典等国家己有90%以上采用直流提升机,传动系统大都采用低速直联式(省去减速机),使系统大为简化。
2.交流变频调速同步机驱动提升系统
SCR一D直流拖动系统趋于成熟,且采用了顺控技术等措施来提高功率因数,但其功率因数仍然较低,从而从电网吸收大量的无功功率,且对电网品质因数产生严重的影响,提升容量越大,问题越突出。
自80年代初以来,交流变频供电的同步机拖动异军突起,在大型提升机中发展成为技术、经济均优的拖动方式。
3.微机控制在提升机上的应用
从70年代开始,随着微机技术的发展,微机控制技术己逐步应用于矿井提升机中。
目前,国外己达到相当成熟的阶段,使整个拖动控制产生一次重大的变革。
其应用主要体现在以下几方面:
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
制动系统的控制与监视
全数字化调速控制系统
4.内装式提升机
AEG公司生产的内装式提升机,将提升主电机与滚筒合为一体,即转子固定,转动的定子充当滚筒,使机构大为简化,占地面积小,制造成本低。
1.2.2国内发展状况
1.交流拖动方式
目前,我国提升机90%以上都采用交流绕线式异步电动机的拖动方式。
自八十年代以来,国内开展了提升系统安全监控的研究工作,全国近十余家生产厂先后研制了提升机综合后备保护装置,“TJHB-11型矿井提升机微机后备保护装置”"KTA-UP系列矿井提升安全监控系统装置’,,"WKHB型微机控制纹车后备保护装置”,"M12-3B提升机综合后备保护仪”等一批提升机后备保护装置应运而生口。
并且,我国从瑞典,西德等国引进了20多套晶闸管——直流电动机控制系统。
我国自己研制的晶闸管——直流电动机控制系统应用与20世纪90年代。
2.直流拖动方式
我国提升机采用直流拖动有两种系统:
直流发电机一直流电动机机组(F一D)
和晶闸管一直流电动机(sCR一D)系统。
其生产和使用情况如下:
国内研制大型直流提升机主要有三大厂家:
①上海电机厂主要生产配套电机,己生产低速直流电机800多台,最大容量5775kw,额定转速SOr/min,其中长广煤矿及五村煤矿的提升机为100OkW、48r/min,淮南潘三矿采用一台26O0kW低速直联电机;②上海冶金矿山机械厂主要生产主机及信号系统,己生产80多台提升机,1979年生产过一台低速直联落地式提升机;⑧北京整流器厂主要生产配套电控,己从瑞士BBC公司和瑞典ASEA公司引进了晶闸管电控整机系统及元件生产线,直流电控容量可达7000kw;还引进了交流变频调速电控生产线,可生产单机4200kw变频调速电控设备。
但由于国内大部分提升机用于安全监控的电气设备有接触式刷子开关、行程开关、井筒磁性感应开关等,通过这些电气设备发出减速、停车、过卷信号。
通过电控系统使提升机按照正常的给定速度曲线运行。
但是,由于矿井井筒的工作环境恶劣致使开关的使用寿命短、故障多、维护困难。
正因为井筒中检查困难,开关出现的故障不容易及时发现,提升机一旦出现超速时,井筒开关不能及时发出信号,导致严重的事故。
还有一种普遍采用的是机一电式监控器,虽然机一电式监控器工作原理比较先进,但由于机械结构复杂、有自身难以克服的缺陷,维护困难等原因,因此保护精度不够,特别是减速段凸轮板制作困难、限速电阻盘曲线不平滑等原因,致使机电式监控器保护精度较低或误动作较频繁。
因此,性价比高,技术性能好,工作效率高的闸瓦间隙监测控制系统将会被提上日程并逐渐发展,而且必然以其自身的优越性吸引广大用户,并终将被广泛采用,这对煤炭企业的安全生产有着重要的现实意义。
1.3本文工作
矿井提升机承担矿物的提升、人员的上下、材料的运送等任务,是矿山大型设备“四大件"之一,其可靠运行是安全生产的关键之一,而提升机的制动系统则是保证提升机安全运行以及实现提升机正常减速停车,或者在各种故障情况下执行紧急制动安全停车的最终手段。
盘形闸是绞车提升系统中非常重要的配套设备,是保证安全提升的重要部分,掌握其动态工作状况具有重要的意义。
国内大部分提升机使用的监控器为机械传动的牌坊式深发装置,它通过凸轮板、自整角机实现行程一速度的转换,速度给定信号精度较低,可靠性不高。
容器位置显示由于采用机械传动,误差量较大。
深发装置自身也经常发生卡死、断轴、丝杠变形、开关误动作等故障,且检修困难、不易调整,给现场提升机的运行管理带来了许多不安全因素。
本文从解决实际矿井提升系统存在的问题出发,对矿井提升机报警系统进行优化和设计。
首先介绍本课题需要应用到的几个软件和硬件的相关原理和使用方法,例如VHDL语言和实验平台。
其次根据平台的功能,大体上我将分为两部分对课题进行研究和实验仿真。
其中第一部分主要是从事FPGA的编程,通过VHDL语言,将处理电信号的方法和思路阐述清楚。
利用不同的高低电平进行输入,然后输出不同的结果。
第二部分主要是对该程序的仿真和平台上面的调试。
当程序在Quratus上仿真成功后,便将它烧入平台的芯片中,利用PFGA芯片运行程序,通过平台上的硬件,实现报警功能(以LED灯的闪亮与熄灭来表示),最后达到预期的工作目的。
1.4论文结构
本文结构如下:
第一章绪论,主要介绍了课题的背景和目的,以及该领域在国内的一些现况和发展。
第二章是平台的一些介绍,其中包扩FPGA的介绍,CPLD的介绍以及实验箱所用的芯片EPF10K10LC84-4。
第三章和第四章主要做的是一个
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