【正文】 本系統(tǒng)以 三菱 FX2N系列 PLC為控制核心，配以 DELTA公司的 PWS3261型 HMI，二者通過 RS－ 485 接口互連，傳輸速率為 9600 bps， 8 位偶校驗， 1 位停止位。 觸摸屏上的觸摸鍵取代了傳統(tǒng)的控制面板功能，可使操作者把觸摸屏當作一個操作面板，只要操縱觸摸屏上配置的虛擬按鈕，即可進行簡單直觀的操作。它可用于振動、潮濕和高粉塵的環(huán)境中作為監(jiān)控和人機操作介面，可以顯示狀態(tài)、故障和過程變量，顯示文字、曲線和圖形。由于顯示面板的小型化及 高性能，提高了整套設備的附加價值。使用觸摸屏和計算機控制后，能明確告知操作員機器設備目前的狀況，給出操作的提示，使操作變得簡單生動，可以減少操作失誤，即使是新手也可以很輕松的操作整個機器設備。 觸摸屏是在操作人員和機器設備之間作雙向溝通的橋梁，用戶可以自由的組太原科技大學畢業(yè)設計（論文） 23 合文字、按鈕、圖形、數(shù)字等，來處理或監(jiān)控不斷變化的信息。很多設備需要在現(xiàn)場環(huán)境使用的人機接口裝置，它們一般安裝在控制屏上。 很多工業(yè)被控對象要求控制系統(tǒng)具有很強的人機接口功能，用來實現(xiàn)操作人員與計算機控制系統(tǒng)之間的對話和相互作用。 觸摸屏也從低檔向高檔發(fā)展，從紅外線式、電阻式到電容感應式，現(xiàn)在發(fā)展到了表面聲波觸摸屏和五線電阻觸摸屏，性能越來越可靠，技術越來越先進。觸摸屏控制器的主要作用是接收來自觸摸點檢測裝置的觸摸信息，并將它轉(zhuǎn)換成觸點坐標，再送 CPU，它同時能接收 CPU發(fā)來的命令并加以執(zhí)行，例如動態(tài)地顯示開關量和模擬量。 觸摸屏的基本原理如下：用戶用手指或其它物體觸摸安裝在顯示器前端的觸摸屏時，所觸摸的位置的坐標被觸摸屏控制器檢測，并通過通信接口（例如RS232CRS485串行口）送到 CPU，從而得到輸入的信息。人的行為和機器的行為變得簡單、直接、自然，達到完美的統(tǒng)一。利用這種技術，使用者只要用手指輕輕地觸碰計算機顯示屏上的圖符或文字，就能實現(xiàn)對主機的操作或 查詢，這樣就擺脫了鍵盤和鼠標操作，從而大大地提高了計算機的可操作性。當有故障出現(xiàn)時可轉(zhuǎn)到相 應的故障處理模塊進行故障處理，并通過報警回路報警或安全回路實現(xiàn)抱閘停車保護。 PLC 控制主程序完成系統(tǒng)初始化 、 自檢 、 故障診斷 、 調(diào)速系統(tǒng)控制及安全保護等工作。與變頻調(diào)速良好的起、制動功能相結(jié)合，特別適用于采用變頻調(diào)速，短時間或斷續(xù)周期運行、頻繁啟動和制動的場合，既能保證電動機在高頻時的過載能力，又能在低頻時保持恒轉(zhuǎn)矩輸出。 為了與變頻調(diào)速系統(tǒng)配合，保證在啟動力矩、低頻轉(zhuǎn)矩、過載能力等方面滿足系統(tǒng)的要求，選用變頻電動機。此時的變頻器輸出頻率與設定電壓輸入成正比。 根據(jù)變頻調(diào)速原理，在變頻器的控制輸入回路中接入頻率設定電路，由 PLC輸出的模擬量，即電壓或電流信號來控制變頻器的輸出頻率，實現(xiàn)電機速度控制。逆變器開關器件己由晶閘管 （ SCR)、功率晶體管 （ GTR)，發(fā)展到絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT)，以至智能型功率模塊 (IPM)，集成門極換流晶閘管 (IGCT)等。對負載電動機而言，變頻器是一個交流電壓源，在不超過電壓容量的情況下可以驅(qū)動多臺電動機并聯(lián)運行，具有不選擇負載的通用性。 (2)電壓型變頻器 在交 － 直 － 交變壓變頻裝置中，當中間直流環(huán)節(jié)采用大電容濾波時，直流電壓波形比較平直，在理想情況下是一個內(nèi)阻抗為零的恒壓源，輸出交流電壓是矩太原科技大學畢業(yè)設計（論文） 18 形波或階梯波，這類變頻裝置叫做電壓源型變頻器。這種電流源型變頻器，其逆變器中的晶閘管每個周期工作 1200 ，屬于 1200 導電型。 變 頻 器控 制 器逆 變 器平 滑 電 路 I M電源 圖 3－ 5 變頻器的基本結(jié)構 變頻器按中間直流環(huán)節(jié)方式分類 (1)電流型變頻器 當交 － 直 － 交變壓變頻裝置的中間直流環(huán)節(jié)采用大電感濾波時，直流電流波形比較平直，因而電源內(nèi)阻抗很大，對負載來說基本上是一個電流源，輸出交流電流是矩形波或階梯波，這類變頻裝置叫做電流源型變頻器。但是 DTC 也存在不足之處，其最大的困難就在于低速性能不理想。 (4)直接轉(zhuǎn)矩控制 直接轉(zhuǎn)矩控制 (DTC)也是一種轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制方法，其克服了坐標變換和解禍運算的復雜性，直接對轉(zhuǎn)矩進行控制，通過轉(zhuǎn)矩誤差、磁通控制誤差，按一定的原則選擇逆變器開關狀態(tài)，控制施加在定子端的三相電壓，調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速和輸出功率，達到控制電機轉(zhuǎn)速的目的。目前，實用中多采用轉(zhuǎn)差頻率矢量控制，由于其沒有實現(xiàn)直接磁通的閉環(huán)控制，無需檢 測出磁通，因而容易實現(xiàn)。但是采用此法的電動機調(diào)速系統(tǒng)只能是單機運行，同時轉(zhuǎn)差頻率控制未能實施對電機瞬時轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)控制，盡管這種系統(tǒng)的靜態(tài)精度較高，但由于快速性較差，故適用于對響應的快速性要求不高的系統(tǒng)。 (2)轉(zhuǎn)差頻率控制 轉(zhuǎn)差頻率控制是檢測異步電動機的轉(zhuǎn)速，對轉(zhuǎn)差頻率采取閉環(huán)控制。然而 V壓控制是一種開環(huán)的控制方式，速度動態(tài)特性較差，電機轉(zhuǎn)矩利用率低，控制參數(shù) (如加 /減速度等 )還需要根據(jù)負載的不同來進行相應的調(diào)整，特別是低速時由于定子電阻和逆變器等器件開關延時的存在，系統(tǒng)可能會發(fā)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。 由式 3－ 4 可知，變頻調(diào)速與變極調(diào)速為轉(zhuǎn)差功率不變型不論其轉(zhuǎn)速高低，轉(zhuǎn)差功率消耗基本不變，因此調(diào)速效率為最高。 變轉(zhuǎn)差率 s： 定子調(diào)壓、轉(zhuǎn)子串電阻、電磁轉(zhuǎn)差離合器、串極調(diào)速。 異步電動機定子對稱的三相繞組中通入對稱的三相交流電，在電機氣隙內(nèi)會產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，其旋轉(zhuǎn)速度為同步轉(zhuǎn)速 ： pf160n0? 式(3－ 1) 式中 f1－ 定子繞組電源頻率 ； P－ 電機磁極對數(shù)。由于在變頻調(diào)速時轉(zhuǎn)差功率不變，在各種異步電機調(diào)速系統(tǒng)中效率較高，同時性能也最好，故是交流調(diào)速的主要發(fā)展方向。整流部分為三相橋式不 可控整流器，逆變部分為 IGBT 三相橋式逆變器，且輸出為 PWM 波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲能和緩沖無功功率。我們現(xiàn)在使用的變頻器主要采用交 － 直 － 交方式，先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。 PLC 梯形圖中每個網(wǎng)絡有多個梯形組成，每個梯級有一個或者幾個支路組成。把 PLC 梯形圖中左邊母線假想為電源相線，把右邊母線假想為電源地線。 PLC 的梯形圖是形象化的編程語言，梯形圖左右兩端的母線是不接任何電源的。 PLC 梯形圖中的繼電器、定時器、計數(shù)器不是物理繼電器，物理定時器和物理計數(shù)器，這些器件實際上是存儲器的存儲器位，又稱軟器件。以下重點介紹梯形圖語言編程。 PLC 的編程語言 PLC 是一種工業(yè)控制計算機，不僅有硬件，軟件也必不可少，目前 PLC 常用的編程語言有四種： 梯形圖編程語言，指令語句表語言，功能圖編程語言，高級編程功能語言。影響 I/O 滯后的主要原因有：輸入濾波器的慣性、輸出繼電器接點的慣性、程序執(zhí)行的時間、程序設計不當?shù)母郊佑绊懙?。但是對某?I/O快速響應的設備，則應采取相應的處理措施。 掃描周期是 PLC 一個很重要的指標，小型 PLC 的掃描周期一般為十幾毫秒到幾十毫秒。 太原科技大學畢業(yè)設計（論文） 14 (3) 輸出處理 程序執(zhí)行完畢后，將輸出映像寄存器，既器件映像寄存器中的寄存器狀態(tài)。用戶程序涉及到輸入輸出狀態(tài)時， PLC 輸出映像寄存器中讀出上一階段采入的對應輸入端子狀態(tài)。 (2)程序執(zhí)行 根據(jù) PLC 梯形圖程序 掃描原則，按先左右后上下的步序，逐句掃描，執(zhí)行程序。在此輸入映像寄存器被刷新。 (1) 輸入處理 也叫輸入采樣。當 PLC處于停止 (STOP)狀態(tài)時，只進行內(nèi)部處理和通信操作服務等內(nèi)容。 內(nèi)部處理階段， PLC檢查 CPU 模塊的硬件是否正常，復位監(jiān)視定時器等。 PLC 的功能擴展也極為方便 ， 硬件配置相當靈活 ,根據(jù)控制要求的改變 ， 可以隨時變動特殊功能單元的種類和個數(shù) ， 再相應修改用戶程序就可以達到變換和增加控制功能的目的。一個程序的不同部分可用任何一種語言來描述 ， 支持復雜的順序操作功能處理以及數(shù)據(jù)結(jié)構。同時設計人員也可根據(jù)自己的喜好和實際應用的要求選擇其他編程語言。 PLC 在硬件方面采取電磁屏蔽、光電隔離、多級濾波等措施在軟件方面采取警戒時鐘、故障診斷、自動恢復等措施 ， 并利用后備電池對程序和數(shù)據(jù)進行保護 ,因此被稱為“專為適應惡劣的工業(yè)環(huán)境而設計的計算機 ” 。 (2)可靠性高 ， 抗干擾能力強 繼電器控制系統(tǒng)中 ， 由于器件的老化、脫焊、觸點的抖動以及觸點電弧等現(xiàn)象是不可避免的 ， 大大降低了系統(tǒng)的可靠性。 PLC 的基本特點 可編程控制器（ PLC） 的誕生給工業(yè)控制帶來革命性的飛躍 ， 與傳統(tǒng)的繼電太原科技大學畢業(yè)設計（論文） 12 器控制相比有著突出的特點 ： (1)靈活性、通用性強 繼電器控制系 統(tǒng)如果工藝要求稍有變化 ， 控制電路必須隨之作相應的變動 ，所有布線和控制柜極有可能重新設計 ， 耗時且費力然而是利用存儲在機內(nèi)的程序?qū)崿F(xiàn)各種控制功能的。它面向控制過程、面向用戶、適應工業(yè)環(huán)境、操作方便、可靠性高，成為現(xiàn)代工業(yè)控制的三大支柱（ PLC、機器人和 CAD/CAM）之一。為操作人員分析故障、判斷故障和處理提供依據(jù)。 操作人員通過操作臺向 PLC 發(fā)送控制提升機運行的控制命令。在提升過程中，控制提升機運行的主速度給定 S 形速度曲線由 PLC編程產(chǎn)生，經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換，由模擬量輸出口輸出，以驅(qū)動 變頻器工作；對變頻器輸出頻率的調(diào)整控制，也可根據(jù)現(xiàn)場的工況需要，由操作臺速度控制手柄以輔助給定的方式進行控制。 控制系統(tǒng)工作原理：當司機聽到開車信號時，按下啟動按鈕， PLC控制將 380V動力電源接入變頻器。甚至與上位機聯(lián)網(wǎng)，合并于礦井監(jiān)測系統(tǒng)中。提升過程采用微機主要完成如下參數(shù)的監(jiān)視 ： 提升過程中各工況參數(shù) (如速度、電流 )監(jiān)視 ； 各主要設備運行狀態(tài)監(jiān)視 ； 各傳感器 (如位置開關、停車開關 )信號的監(jiān)視。 控制監(jiān)視系統(tǒng)：是操作人員和控制系統(tǒng)及運輸系統(tǒng)之間的橋梁，它可以在線監(jiān)測提升機運輸系統(tǒng)的各種工作參數(shù)、工作狀態(tài)、故障參數(shù)和故障狀態(tài)。 操作臺：操作臺設置兩個手柄，分別用于速度輔助給定及制動力給定。 液壓站：為提升機提供制動力，停車時先通過液壓站給卷筒施加機械制動力，再取消直流制動力；提升機起動時，先對電機施加直流制動，再松開機械抱閘，防止溜車，以保證系統(tǒng)安全可靠地工作。 對于礦井提升機這樣的 大型 機械來說， 在電機脫離電源后， 由于運行慣性較大， 往往要經(jīng)過一段時間才能停止轉(zhuǎn)動，這將影響生產(chǎn)效率，甚至威脅到生產(chǎn)人員的生命安全 和物料的運輸。 控制 系統(tǒng)總體設計 基于 PLC 的 礦井提升機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)由動力裝置、液壓站、變頻器、操作臺和控制監(jiān)視系統(tǒng)組成， 其 系統(tǒng)框圖如圖 3－ 3 所示： 圖 3－ 3 控制系統(tǒng)框圖 系統(tǒng)框圖中各部分功能如下： 動力裝置：包括主電機、減速器、卷筒、制動器和底座，完成人、物 料的運輸任務。改造時保持原有的操作方式、按鈕、開關、主令控制器作用不變，則用戶使用起來將非常方便，太原科技大學畢業(yè)設計（論文） 10 不需要適應期。 對于一般提升機電控系統(tǒng)來說，采用一套中小容量的 PLC 即可滿足要求，其價格也不高。在存儲程序控制系統(tǒng)中，控制程序的修改不需要通過改變控制器內(nèi)部的接線 (即硬件 )，而只需通過編程器改變程序存儲器中某些語句的內(nèi)容?？刂瞥绦蚴峭ㄟ^一個編程器寫到可編程控制器的程序存儲器中。 圖 3－ 2 為可編程控制器控制系統(tǒng)。 太原科技大學畢業(yè)設計（論文） 9 第 3 章 系統(tǒng) 控制方案 設計 控制單元基本原理 隨著 PLC 控制的日漸成熟，大多數(shù)礦井提升機電控系統(tǒng)都采用了 可編程序邏輯控制器 (Programmable logic controlle