矿井提升机控制系统毕业设计方案

矿井提升机是矿井运输的重要设备，是沟通矿井上下的纽带的。矿井提升机的可靠运行直接关系到煤矿生产的安全，矿井提升机信号系统的可靠性和准确性是矿井提升和安全运输的重要保证。

本设计主要完成的矿井提升机信号系统设计和组态设计。设计中运用PLC控制技术，PLC系统采用三菱公司的FX2N系列作为主控制器，对井口、井底、机房信号台进行信号联络。组态设计使用WINCC完成，能够实现上位监控功能。使用编程软件实现信号的联络。

采用PLC控制不但提高了信号传输的可靠性和准确性,而且具有极大的灵活性和扩展性。在不改变系统硬件的前提下,仅靠改变PLC内部的程序就可满足用户要求。有效地解决了信号系统中的远距离传输和可靠性问题。

关键词：矿井提升机信号系统；PLC；上位监控。WINCC

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Abstract

Mine hoistis the important equipment of transportation, it’s the links that throughout

the mine. The reliability and accuracy ofsignal system of mine hoistis an important guarantee for the upgrading and safe transport.

The completion of the design is thesignal system of mine hoist and configuration design. PLC control use of the design of technology, PLC system uses Mitsubishi FX2N series as the main controller, to contactthe wellhead, bottom, and the engine room system. WINCC completed configuration design, to achieve the topmonitoring.

The use of software programming signal contactPLC control not only improve the use of the signal transmission reliability and accuracy, but also has great flexibility and scalability. Without changing the system’s hardware, only change theprogram of PLC will meet user’s requirements.Effective solutionto the signal system of long-distance transmission and reliability issues.

Keywords: signal system of mine hoist。 PLC。 the top monitoring。 WINCC .

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目录

第一章矿井提升机信号系统概述1

1.1矿井提升机信号系统的背景 1.2本次毕业设计的工艺及要求 1.2.1工艺及设计介绍 1.2.2功能

1.2.3设计简介

第二章控制系统方案论证与选择

2.1 系统总体设计思想3

第三章硬件设计8

3.1轨道开关设计8 3.2 三相异步电动机8 3.3 变频器8 3.4 编码器13 3.5PLC设计15

3.5.1Quamtum PLC 选型15 3.5.2 PLC模块接线20 3.5.3主从站连接22 3．6电气元件选型23

3．7硬件原理图<如大图1或附录一示）24

第四章 PLC程序设计26

4.1Concept2.5简介26

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4.2编程步骤27 4.2.1模块选型27 4.2.2地址分配29 4.2.3部分程序设计说明31 4．3程序流程图<附录二）33 4．4程序梯形图<附录三）33

第五章上位组态设计34

5.1组态软件介绍34

5.1.1组态软件的发展历史和定义355.1.2组态软件定义35 5.2“组态王”组态软件概述36 5.2.1组态王软件版本介绍36 5.2.2“组态王”软件的功能分析36 5.2.3组态王软件的组成37 5.3“组态王”设计38

5.3.1组态王中工程的建立39 5.3.2变量统计及数据词典的建立395.3.3变量连接的建立40 5.4组态王的使用41 设计总结47 参考文献48 英文翻译49 致谢68

附录一见系统硬件分块图69 附录二69 附录三75

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第一章矿井提升机信号系统概述

1.1矿井提升机信号系统的背景

矿山多中段提升竖井，一般都是副井或混合井，其提升任务繁重,作业种类复杂，中途停靠频繁。因此，需要一个高度安全可靠、功能完善,由可编程序控制器programmable Logica controller，简称PLC>为控制核心的提升信号系统。国内多数矿山的竖井提升信号系统，一般由各种控制继电器和主令开关构成，且多为20世纪50年代的仿苏产品。它的突出特点是用“点信号”(即电铃振响或指示灯明灭的次数>来代表各种提升信号。例如有的公司以一长点表示要罐,一长两短表示上行，一长三短表示下行，两短表示提物，三短表示提人等等。各提升中段发出的点信号直接传递到井口总信号房，再由井口总信号工转发到提升机房。这种系统信号简洁,操作方便,快慢自如，多年来已沿用成习，尽管各单位点信号的组合方式有所不同，但原理是相同的。虽然这种信号系统结构简单、操作方便,但存在如下缺点：(1由于无法保留和复现点数,所以信号识别全凭操作者的听觉和视觉，容易造成信号的误认和误传,因信号的误认和误传而导致的提升事故屡见不鲜。(2信号之间、信号系统与提升机电控系统之间没有联锁，井口总信号工和司机的操作不受制约，很容易因误操作而引发事故。(3>声光信号一瞬即逝，无据可查，一旦发生事故，给事故分析带来困难,很难找出真正的事故原因，致使同类事故重复发生。(4> 由于信号稍纵即逝，操作人员的精力必须高度集中，加重了工人的负担。

近年来,研制成功的、且已为许多矿山实际应用的PLC信号系统，能够克服上述缺点。它不但完全符合《冶金矿山安全规程》中有关提升信号的各项规定，而且保留了原信号系统的特点和操作习惯，技术改造方便，功能齐全。新型矿井提升机信号装置的使用有效地解决了在微机系统中信号的远距离传输和可靠性问题。

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1.2本次毕业设计的工艺及要求

本设计做的是矿井提升机信号系统设计，取材于某矿山提升机信号系统工程实例，设计系统包括：车房信号台、井口信号台、井下各中段信号台三部分构成。各部分由井口信号台PLC集中控制，实现各部分的信号联络。

1.2.1工艺及设计介绍

了解工程要求包括熟悉工艺条件及要求，了解控制要求，确定控制方案包括根据工艺条件及控制要求指标，被控对象的特点确定难点。确定整体控制方案包括系统的设计设计依据，控制设计包括电器的选择、工艺设计、控制器设备及元器件的选择、图纸的设计，软件设计流程图结构设计，软件设计说明，具体的编程设计，修改完善，系统的安装调试及参数整定，操作说明书。

为了具体去做本次设计，我们先了解一下矿井提升机信号系统<其设备配置示意图如下页图所示）：目前,国内多数矿山传统的竖井提升信号系统，一般由各种控制继电器和主令开关构成，它的突出特点是用“点信号”。矿井提升机的信号系统包括声、光信号、辅助信号、电话等,信号种类一般有:工作执行信号、提升去向信号、罐位信号、提升种类信号、检修信号、事故信号、联络信号等。为便于操作,各个矿山企业均制定了相应的信号规定，如规定声音一长为要罐、二短为上行、三短为下行等,并辅之以电话联系。

但是，信号规定仅仅从制度上保证操作安全，实际上并不能保证生产中不发生事故。这是因为:(1>信号是由人来执行操作的，人所处的环境因素不同,精神状态也处于变化之中，难免发生误操作。(2> 传统的信号系统没有“记忆”功能，即无法“记忆”起井下各中段所发出的信号，当提升机司机注意力不集中或离岗后重新返回时，由于无法确认井下所发出的信号，极易误操作而引发事故。(3> 传统的继电器电控或信号系统，为有触点系统，元件易发生故障，工作可靠性差，一旦控制闭锁失灵，则事故将不可避免。

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图1-1 设备配置示意图<实际做时只有两个灌位）

近年来，研制成功的、且已为许多矿山实际应用的PLC信号系统，能够克服上述缺点。它不但完全符合《冶金矿山安全规程》中有关提升信号的各项规定，而且保留了原信号系统的特点和操作习惯，技术改造方便，功能齐全。

采用PLC控制的电控系统,能按照规程的有关规定，来设计电控或信号系统的硬件和软件，并可对系统进行显示和控制,只有当提升机司机和信号人员都严格按规定程序进行操作无误,才能解除对提升机的闭锁。一套完备的PLC系统，通常由竖井信号、工业电视监控、数字深度指示器、有关计算及程控电话交换机等部分组成。这种系统有如下特点：

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(1> 提升系统增加了自动控制的功能。例如，当井下发出紧急停车信号时，能自动使提升机停车并进行停车闭锁。除此之外，还能实现对提升机过负荷和各种故障的检测、保护、联锁及罐笼对位等功能。

(2> 显示方面具有特色。能根据需要显示井下各个中段的情况和显示信号种类。

(3> 具有“记忆”功能。能“记忆”地面及井下各中段发出的信号，包括各种检修信号。

(4> 工作可靠性高。由于PLC为无触点系统,可靠性更高,尤其是近年来PLC 方面的技术发展迅速,使由PLC 组成的系统的抗干扰能力越来越强,它能在恶劣的环境中可靠地工作,较为适合矿山环境不佳的特点。

(5> 控制程序可变,具有很好的柔性。对于分期投产的矿山企业,这一点是十分重要的，因为，井下中段等工艺条件变化之后，不需改变信号系统的硬件，只需修改原有程序就可满足新的要求。

新型矿井提升机的信号系统，大体上可分为信号输入、信号输出及保护环节三大部分。PLC 信号系统是在原有信号系统的基础上，加入控制核心PLC 及相应装置，将老系统的点信号送入PLC 输入端，经处理输出各种指令或保护信号。它具有以下功能：

信号显示和保留：提升点信号的点数和提升中段名称分别用数码管显示，提升种类用汉字显示。提升机房的信号显示器,只显示由井口总信号工转发的信号点数，井口和各中段的信号显示器，既显示由本中段自发的信号，又显示井口转发的信号。这些显示均一直保留到相应的提升过程结束，避免了信号的误认和误传。

信号显示和保留：提升点信号的点数和提升中段名称分别用数码管显示,提升种类用汉字显示。提升机房的信号显示器，只显示由井口总信号工转发的信号点数，井口和各中段的信号显示器，既显示由本中段自发的信号,又显示井口转发的信号。这些显示均一直保留到相应的提升过程结束，避免了信号的误认和误传。

信号闭锁：当井口总信号工根据提升作业的需要,同意罐笼在某中段工作时,只有在该中段发出开车信号后,井口总信号工才能向提升机房转发出工作

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信号。否则,即使中段转换开关转到去向井口的位置,井口总信号工也无法向提升机房发出开车信号,实现了罐位自锁。同时,自发信号一经发出,系统自动闭锁,后面续发的信号无效,实现了信号自锁。此外,系统还具备程序闭锁,上下行信号闭锁、信号系统与提升机电控系统间的闭锁等功能。

总之,PLC 电控系统不仅大大增加了安全保护功能,而且安全可靠,操作方便,维修容易,值得大力推广。

1.2.2功能

本次设计的功能包括车房信号台、井口信号台、井下信号台三部分的各自功能以及它们之间的相互联络：

车房信号台功能：井口、井下提升信号的数字显示及文字显示。包括运人、运物、检修等工作方式的灯光显示信号，上行、下行，满上，满下，停车，急停等工作执行信号的灯光和数显信号。存储井口信号台本次、前次的打点信号。在极短的时间内响应井口信号台发出的指令,控制绞车的运行或停止。完成急停信号对安全回路的闭锁、停车信号,闭锁等内容。

井口信号台功能：完成各种提升信号的按钮检测、显示及声音提示，包括运人、运物、检修，水平联系等选择按钮；上行、下行，满上，满下，停车、急停等信号按钮，完成水平及井下各种信号的闭锁和监控。完成向车房发送信号的功能，完成本次、前次的打点信号的存储。语言报警功能。

井下信号台功能：完成各种信号的按钮检测、显示及声音提示，包括工作方式信号，工作执行信号及其他信号；完成本水平各种信号的闭锁功能，完成向井口发送信号的功能。完成对信号的存储记忆功能。

1.2.3 设计简介

现实生活中的矿井有多个灌位，就像电梯的运行环境一样，各个灌位就像每个楼层，车房信号台可以显示提升机所在的具体灌位。但在本次设计中，乔老师在给我布置设计任务时将问题简单化了，他只让我做两个灌位：井口、井底。而且故障报警也只规定了三个：过电流报警，过电压报警提升机故障报警。

该信号系统的关键是信号联络，在井底信号台只能进行按钮输入操作，

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车房信号台只能显示输出结果，井口信号台既能输入又能进行信号转发，在各自灌位只能进行一些特定的操作，例如在井口只能进行井口发灌，要灌，下行等操作。若操作不正常或误操作，信号将解除，不能发送出去，只能是井底、井口信号一致且无误时，才能在井口进行信号确认，而后信号转发出去。<注：运行时安全门打开时信号发不出去，一切信号将解除。）

设计中我用了指示灯、响铃、蜂鸣器作为输出显示。用不同声次的响铃分别代表上行、下行、慢上、慢下。同时代表各自运行的指示灯亮，并且有文字显示<文字注释在指示灯的下面，灯亮时文字即显示出来）。报警时蜂鸣器响，且代表不同故障的各自故障指示灯亮，同样有输出文字显示。由于在设计中除了电流检测、电压检测两个模拟量输入外其余的全是数字量<开关量），因此信号采集非常简单，可直接由开关量送给PLC，电流和电压的信号由电量变送器<再加个模拟块）传送给PLC。

图1-2提升系统平台原理图

第二章控制系统方案论证与选择

2.1系统总体设计思想

2.1.1矿井提升机信号系统的控制系统

我们在对矿井提升机信号系统的控制系统进行选择之前先了解一下其组成及工作原理：矿井提升机在矿山、建筑等行业应用非常广泛, 是集机、电于一

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体的大型复杂系统矿井提升机是矿井生产中极其重要的环节, 是矿井生产的关键的设备之一。矿井提升机是联系矿山井上和井下的“ 咽喉” 设备, 主要用于提运煤炭和煤研石、运送物料、提升人员和设备。提升系统的工作任务是安全、快速、可靠、高效地完成提升运输任务, 而安全运行是最重要的。矿井提升机信号系统是矿井提升机的重要组成部分，提升机的运行全靠信号系统的信号发出。该系统工作的关键是信号如何联络。

矿井提升机的信号系统包括声、光信号。辅助信号、电话等。信号种类一般有：工作执行信号提升去向信号罐位信号、提升机种类信号、检修信号、故障信号、联络信号等。首先我们应清楚提升机给信号系统的信号以及提升机从信号系统所得到的信号,由此而进行各种操作。

图2-1 控制系统内容

2.1.2系统总体设计

本设计以某矿山提升机信号系统工程实例基础。信号系统有保护系统、信号系统、和信号输入。信号系统有功能信号<运人、运物、运矿、检修、上行、下行），罐笼去向<井口、井底），罐位<井口、井底）。注：本设计罐位不包括井下各中段，只有井口、井底两罐位。如2-1图所示。

设计内容包括三大部分：井口信号台、井底信号台、以及车房信号台。系

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统设计要求能实时反映提升机的各种状态及罐位。且井口井底的输出一致经信号确认后，方可发送信号到车房信号台。两罐位信号部一致或误操作，信号会解除。不能发送。需重新进行信号联络。

2.2 控制系统方案论证与选择

根据上述工艺介绍及设计要求，要完成任务有多种选择方案，可以由各种控制继电器和主令开关构成，它的突出特点是“点信号”<电铃震响或指示灯明灭的次数）来代表各种提升信号。各提升中段的点信号直接传送到井口总信号房，再由井口总信号工转发到提升机房。也可以采用单片机作为主控制系统。控制台通过单片机的串行口来实现主从式多级通讯,系统以上井口控制台作为主控制台,下井口、绞车房控制台为从控制台。也可以采用PLC作为信号系统的控制系统，可在井口、井底、车房信号台给用一个PLC亦可以只在井口使用PLC，原理和使用继电器的一样，都通过井口信号工的信号确认以及转发，完成信号系统的功能。

2.1.1方案一

采用继电器和主令开关构成主回路。采用点信号来代表各种提升信号。例如以一长点表示要罐,一长两短表示上行,一长三短表示下行,两短表示提物,三短表示提人等等。

这种信号系统结构简单、操作方便,但存在如下缺点:

(1> 由于无法保留和复现点数,所以信号识别全凭操作者的听觉和视觉,容易造成信号的误认和误传,因信号的误认和误传而导致的提升事故屡见不鲜。 (2> 信号之间、信号系统与提升机电控系统之间没有联锁,井口总信号工和司机的操作不受制约,很容易因误操作而引发事故。

(3> 声光信号一瞬即逝,无据可查,一旦发生事故,给事故分析带来困难,很难找出真正的事故原因,致使同类事故重复发生。

(4> 由于信号稍纵即逝,操作人员的精力必须高度集中,加重了工人的负担。 以上缺点严重影响了提升机运行的安全，传统的继电器信号系统为有触点系统，元件易发生故障。工作可靠性差，一旦控制或闭锁失灵，则事故将不可避免。此信号系统正在被淘汰。

2.1.2方案二

该控制系统采用了先进的数字通信技术,该系统分上井口、下井口和绞车房

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三个控制台,各控制台采用MCSC51 单片机作CPU ,控制台通过单片机的串行口来实现主从式多级通讯,系统以上井口控制台作为主控制台,下井口、绞车房控制台为从控制台。下井口到上井口需两对电缆。各控制台还配有数字、汉字提示,语音提示,这样既照顾了操作人员的习惯操作,又减轻了工作人员的负担。同时,增加了信号的存储功能,便于以后的查证。系统采用分时的半双工通讯电路,通过改变电平来分时完成对下井口和绞车房的通讯。其原理框图见下图所示。

2-2系统原理框图

新型矿井提升机信号装置在系统设计中应用了先进的单片机技术、数字通信技术和汉字显示技术, 具有声光兼备、汉字显示、数字存储、故障诊断、安全闭锁保护等特点。尤其在通信方面, 采用了数字通信技术, 只需两对普通电缆, 且信号种类和数量不受, 提高了信号传输的可靠性和灵活性, 功能灵活多样, 扩展方便。新型矿井提升机信号装置的使用有效地解决了在微机系统中信号的远距离传输和可靠性问题。

该控制系统功能齐全，下井口到上井口只需两对电缆,既方便又经济。

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各控制台还配有数字、汉字提示,语音提示,这样既照顾了操作人员的习惯操作,又减轻了工作人员的负担。同时,增加了信号的存储功能,便于以后的查证。

但煤矿工作环境恶劣,各种电机的频繁启动与运行引起的电磁干扰以及电网的不稳定,对通讯信号和通讯装置都将产生巨大的影响。

2.1.3方案三

在井口信号台使用PLC，井底只进行按钮操作，车房只能显示输出结果：如文字显示各种工作执行信号和罐位信号，声音提示运行状态及故障。各部分的逻辑控制中心均由日本三菱公司生产的PLC 所构成。信号有模拟信号和数字信号，大部分是开关量，可直接传送给PLC，模拟信号由电量变送器再用模拟输入模块FX2N-2AD传送给PLC。各部分之间的信号经信号确认，直接转发到PLC。车房信号台安装在绞车司机房内,井口、井下信号台分别安装在井口、井下的信号房内。井口、井下罐位信号由光电开关采集。该控制系统原理框图见下图2-3所示。 该系统的信号的发送方式：

(1> 转发方式。井下的信号必须经由井口转发,不得越过井口信号工直接向车房发送,井口信号工必须在井下信号发出后,才能发出信号。当井口信号和井下信号一致时,该信号才能传到车房,否则无效,需井口信号工重发。在信号发出的同时,井口、井下均有灯光显示、声音提示、数字记忆。记忆的数字直到下一个信号发出才会消失。

(2> 直发方式。停车(急停> 信号采用直接向车房发送的方式,不经上井口转发以保证快速停车。当急停信号发出后,其他指令信号均不能发出,并能闭锁提升机安全控制回路。当信号为慢上、慢下时能闭锁提升机的高速运转控制回路。

该控制系统对对信号系统进行检测和控制，增加并完善信号装置的功能，使提升设备的工作更加安全可靠。

方案二和三的控制系统都比较安全、可靠，且能够实现设计要求。两者的控制系统一个为单片机，另一各为PLC。为了进行方案确定，我们首先看一下两者的区别：

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

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出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设

2-3 PLC控制系统原理框图

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图2-4 PLC控制系统示意图

计。通过以上几种方案综合考虑，但由于煤矿工作环境恶劣,各种电机的频繁启动与运行引起的电磁干扰以及电网的不稳定,对通讯信号和通讯装置都将产生巨大的影响。它具以下特点：

<1）可靠性高，抗干扰能力强。

高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的FX系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性。

(2）配套齐全，功能完善，适用性强 。

PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。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。

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（3）易

学易用，深受工程技术人员欢迎

PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。

<4）系统的设计、建造工作量小，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起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产 <5

以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设

备

。

总之，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致 <1

这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流 <2

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）

模

拟

量

控

制

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。

）

开

关

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）

体

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小

，

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，

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合

。

在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床 <4

过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。 <5

现代PLC具有数算<含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。 <6

PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，

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）

通

信

及

联

网

）

数

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处

理

）

过

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控

制

、

机

器

人

、

电

梯

等

场

合

。

）

运

动

控

制

纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。

不同厂家的PLC有相同的工作原理，类似的功能和指标，有一定的互换性，质量有保证，编程软件正朝标准化方向迈进。这正是PLC获得广泛应用的基础。而单片机应用系统则是八仙过海，各显神通，功能千差万别，质量参差不齐，学习、使用和维护都很困难。

单片机的编程麻烦，可读性差，实时控制不太占优势，但是他的成本低，控制方式比较灵活，

而PLC对于实时控制来说就比较优越，他的编程方式简单，可以用指令或是梯形图来进行编程，易学易懂，但是成本较高，适合用于工业控制。 最后，我们从工程的角度看， 对单项工程或重复数极少的工程，采用PLC方案是明智、快捷的途径，成功率高，可靠性好，手尾少，但成本较高。 对于量大的配套工程，采用单片机系统具有成本低、效益高的优点，但这要有相当的研发力量和行业经验才能使系统稳定、可靠地运行。最好的方法是单片机系统嵌入PLC的功能，这样可大大简化单片机系统的研制时间，性能得到保障，效益也就有保证。

对于本设计，由于矿井工作环境比较恶劣，且常用事故发生，各种电机的频繁启动与运行引起的电磁干扰以及电网的不稳定,对通讯信号和通讯装置都将产生巨大的影响。故可采用方案三作为此次毕业设计信号系统的控制系统。

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第三章硬件设计部分

我在本此设计中选择的控制器是三菱公司FX2N系列的可编程控制器缩写为PLC，是小型PLC，单元式，单机最大容量为256点。PLC就是一种工业计算机，其核心就是一台计算机。但由于有接口器件及监控软件的包围，因此，其外形不像计算机，操作使用方法、编程语言甚至工作原理都与计算机部同，另一方面，作为继电控制盘的替代物，由于其核心是计算机芯片，因此与继电器逻辑控制亦不同。PLC的工作方式是扫描工作方式。

该设计中用到的硬件有PLC，用作各种数字量输入的按钮、开关、限位开关、光电开关、选择开关等，以及模拟量输入的电量变送器<电压、电流变送器），模拟量输入模块FX2N-2AD。输出有启动电动机的继电器，显示各种执行信号的指示灯，以及用到一些声音信号反映的响铃，故障报警用的蜂鸣器。首先我们先对主控制系统PLC进行选型。 3.1PLC的选型

PLC是PLC控制系统的核心部件。正确选择PLC对于保证整个控制系统的技术经济性能指标起着重要作用。选择PLC包括机型、容量的选择以及I/O模块、电源模块等的选择。 3.1.1PLC机型的选择

这是PLC应用设计中很重要的一步，目前国内生产的PLC种类很多，在选用PLC时应考虑以下几方面： 1.规模要适当

输入、输出点数以及软件对PLC功能及指令的要求是选择PLC规模大小的重要依据。

PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠，维护方便的前提下，力争最佳的性价比。PLC 主要有整体式和模块式两种结构形式。整体式PLC的每一个I/O点的平均价格比模块式的便宜，且体积较小，一般用于系统工艺过程较为固定的小型控制系统中；而模块式的PLC的功能扩展灵活方便，在I/O点数、输入点数与输出点数的比例、I/O模块的种类等方面选择余地大，且维修方便，一般用于较大的系统。由于本系统要求PLC有较强可扩展性、方便的可维护性、I/O模块的比例差距大等因素，故选择模块式PLC。

伴随着微电子技术、控制技术与信息技术的不断发展，可编程控制器也在不断发展，其发展趋势主要体现在以下几个方面：

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1.速度更快，体积更小。

PLC控制系统的工作电源可分为两类,一是PLC工作电源,即数字电路内部的工作电源(系统(SYS>电源> 。二是PLC外部接口模块的工作负载电源(输入/输出( I/O>电源> 。对于SYS电源,用PS307电源模块对PLC系统供电,具有可靠的隔离、 电网低通滤波、抗瞬间电流冲击等,比较适用于提升 机运行的具有电磁干扰的工业现场。

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FX2N 系列基本单元种类 FX2N 系列基本单元 输入点数 AD电源 DC输入 继电器输出 晶闸管输出 晶体管输出 FX2N-16MR-001 FX2N-16MT-001 8 FX2N-32MR-001 FX2N-32MS-001 FX2N-32MT-001 16 FX2N-48MR-001 FX2N-48MS-001 FX2N-48MT-001 24 FX2N-MR-001 FX2N-MS-001 FX2N-MT-001 32 FX2N-80MR-001 FX2N-80MS-001 FX2N-80MT-001 40 FX2N-128MR-001 FX2N-128MT-001

输出点数 8 16 24 32 40 输入输出总点数 16 32 48 80 128 FX 2N 性能规格 22 / 33

工程 运转控制方法 I/O控制方法 运转处理时间 编程语言 程式容量 指令数目 I/O配置 一般 辅助继电器 锁定 < M 线圈） 特殊 一般 锁定 状态继电器 初始 < S 线圈） 信号报 100点 S900至S999 警器 100毫范围： 0 至 3276.7 秒 T0至T199 秒 200 点 范围： 0 至 3276.7 秒 10毫秒 T200至T245 46 点 定时器< 1毫秒范围： 0.001 至 32.767 T ） T246至T249 保持型 秒 4 点 100毫范围： 0 至 3276.7 秒 秒保持T250至T255 6 点 型 一般 16 范围： 0 至 32767 数 C0至C199 位 200 点 类型：16位上计数器 锁定 16 C100至C199 100点<子系统） 位 类型：16位上计数器 计数器< 范围： -21474838 至 C ） 一般 32 C200至C219 +321474838 数 位 类型：32位上/下计数器 35 点 锁定 32 C220至C234 15点 位 类型：32位上/下计数器 高速计数器单相 范围： -C235至C240 23 / 33

规格 备注 通过储存的程序周期运转 批次处理方法<当执行 I/O指令可以刷新 END 指令时） 基本指令： 0.08 μ s 应用指令： 1.52 至几百μ s 指令 使用步进梯形图能生成 SFC 类逻辑梯形图和指令清单 型程序 使用附加寄存器盒可扩展到 8000步内置 16000 步 基本顺序指令： 27 步进梯形指令： 2 最大可用 298 条应用指令 应用指令： 128 最大硬体 I/O 配置 256 ，依赖于用户的选择<最大软件可设定地址输入 256 、输出 256 ） 500点 M0 到 M499 2572点 M384至M3071 256点 M8000至8255 490点 S0至S499 400点 S500至S9 10点 S0至S9 21474838+21474838 6点 单相 数 c/w 起一般规则：选择组合计数C241至C245 频率不 始 5点 停止输大于 20 KHz.计数器组合 注意所有的计数器都锁入 定。 C246至C250 双相 5点 C251至C252 A/B相 5点 D0至D199 一般 200点 类型：32位元件的16位数据存储寄存器 D200至D7999 锁定 7800点 类型：32位元件的16位数据存储寄存器 数据寄存器D1000至D7999通过14块500< D ） 文件寄 7000点 程式步的参数设置类型：16位存器 数据存储寄存器 从 D8000 至 D8255 特殊 256点 类型： 16 位数据存储寄存器 V0至V7和Z0至Z7 变址 16点 类型：16位数据存储寄存器 用于 指标< P ） 128点 N0至P127 CALL 100* 至 130* 用于中6输入点、3定时器、6<上升触发 * ＝ 1 ，下降触发 断 计数器 * ＝ 0 ， ** ＝时间 ( 单位：毫秒 > ） 嵌套层次 用于 MC 和 MRC 时 8 点 N0至N7 十进位 16位：-32768至32768 K 32位：-21474838至+21474837 常数 十六进16位：-32768至+32768 位 H 32位：-2147838至+21474837 浮点 32位：±1.175x10ˉ33，±3.403x1033<不能直接输入）

< C ） FX系列编程软件的使用

SWOPC-FXGP/WIN-C V2.11为一个可应用于FX系列可编程控制器的编程软件，可在 windows 95\\98\\2000下运行。在SWOPC-FXGP/ WIN-C 中，可通过梯形图符号，指令语言及SFC符号来创建程序，还可以在程序中加如英文、英文注释。它能够监控PLC运行时的动作状态和数据变化情况，而且还具有程序和监控结果的打印功能。总之，SWOPC-FXGP/WIN-C软件为用户提供了程序录入、编辑和监控手段，是功能较强的PLC上位编程软件。

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运行SWOPC-FXGP/WIN-C软件后，将出现初始启动界面，点击工具栏中的“新文件夹”图标，即出现如图1所示的起始界面。从界面可以看到最上面是菜单栏，接着是工具栏、功能栏、功能图中所有的功能。

当点击工具栏中的“新文件”图标。会弹出PLC机型选择对话窗，如图2所示，选择相应的机型，即可进入编程状态。各菜单功能介绍如下。 一． 文件菜单

“新建”、“打开”、“关闭并打开”、“保存”、“另存为”，这些子菜单功能一般常用软件操作相同，在此不在赘述。 二，工具菜单

1．“触点”、“线圈”、“功能”、“连线”、“清除”、“变换”，这些功能是用于绘制梯形图和梯形图编辑的。如选中某梯形图符号选项，则弹出如图3所示的元件编号对话框，输入元件编号。

2.“功能”子菜单是用于输入功能命令，例如。传送MOV、比较CMP等命令；“变换”子菜单是将创建的梯形图进行语法检查并转换格式存入计算机中。

2 PLC类型设置 3输入元件对话框

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工具菜单中的子菜单功能可以通过选中视图中的“功能图”选项，而以梯形图符号的形式出现在编辑区右侧，在绘制梯形图时可方便选用。同样，可以选用界面最下一栏的功能键栏中的功能键来绘制梯形图。 三、编辑菜单

1.“剪切”、“拷贝”、“粘贴”这些菜单命令功能与一般常用软件操作相同，在此不再赘述。

2.“行删除”功能是线路快删除，当光标指在该行的最左端，执行该命令可将该行单元中线路快删除。“行插入”功能是在光标所指行的前面插入一行。

3.“元件名”、“元件注释”、“线圈注释”、“快注释”是用于标注注释的功能选项。在使用前，首先要进行注释显示设置，点击视图菜单中的“显示注释”选项或工具栏中的“注释显示设置”按钮出现如图4所示的对话框，点中要注释的工程，并设置显示范围，确认即可。如选中“元件名注释”选项时，会弹出相应的注释对话框，如图5所示，输入对应的注释。各项注释的注释显示位置如图6所示。

四、视图菜单

1.“梯形图”、“指令表”、“SFC”、“注释视图”、“寄存器”这些子菜单是用于这几种编辑视图的转换。

2.“工具栏1”、“工具栏2”、“状态栏”、“功能键”、“功能图”这几项，当选中某项时可将相应的工具栏在界面上显示出来。

3.“触点/线圈列表”、“医用元件列表”、“TC设置显示”分别显示触点及线圈的使用状态、显示程序中元件的使用状态、显示程序中计时器的设置表。

4.“显示注释”子菜单是进行注释显示设置的，对话框如图4所示。点中要注释的工程，并设置显示范围。

5.“显示比例”可以放大显示内容。

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五、PLC菜单

1.“端口设置”选项用于选择上位机与PLC通信的串行端口，设置框如图7所示。

2.“传送”子菜单是将已创建的程序传送到计算机中。“写出”是将计算机中的程序发送到PLC中。“校验”是将在计算机及可编程逻辑控制器中的程序加以比较校验。

3.“寄存器数据传送”子菜单将已创建的寄存器数据成批传送到PLC中。其功能包括“读入”、“写出”、“校验”。“读入”是将设置在PLC中的寄存器读入计算机中。“写出”是将计算机中的寄存器数据写入PLC中。“校验”是将计算机中的数据与PLC中的数据进行校验。

4.“PLC存储器清除”子菜单功能是用于清除PLC存储器、数据元件存储器和位元件存储器，操作时会出现图8所示的对话框，选中要清除的选项，并确认。

5.“串口设置”是用于串行通信格式的设置，当用RS232适配器及RS命令来进行串行通信时，首先要进行通信格式的设置，通过PLC的特殊数据寄存器D8120来设定，如图 9所示。

6.“PLC当前口令删除”选项可用于PLC口令的设置、改变或删除。

7“运行中程序更改”选项可以在程序运行时将PLC的程序做部分改变，但PLC程序内存必为RAM可被改变的程序应仅为一个电路块，限于127步，被改变的电路块中应无高速计数器的应用指令。

8.“遥控运行/停止”选项可遥控可编程逻辑控制器进行运行/停止操作，无需操作PLC主机上的开关。

9.“PLC 诊断”选项用于显示与计算机相连的PLC状况，与写出错信息相关的特殊数据寄存器以及内存的内容。

10.“采样跟踪”子菜单的目的是用于采样输入输出继电器及接点，辅助继电器及接点，数据寄存器、定时器的状态、通短情况及当前值，并将个元件数值变化在时间表中加以显示。“参数设置”点击后，弹出如图10所示的参数设置对话框，在其中设置采样条件，设置采样的次数、时间、元件及触发条件。采样次数可设置为1到512之间，采样时间为0

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到200<*10毫秒）之间。“运行”是将设置条件写入PLC中，依次条件进行采样。“运行”操作如图11所示。“结果显示”菜单是当PLC完成采样，可以将采样数据读出并显示，如图12.-10果文件中读取”将采样的数据从文件中读取。“写入结果文件”是将采样结果一文件的形式保存。

10采样跟踪设置 11采样跟踪 12采样跟踪数据显示

六、监控/测试菜单

1.”开始监控/停止监控”选项用于进行监控程序运行情况或停止监控程序运行的，但程序运行并处于监控状态时，若梯形图程序中某个接点接通，则该接点处的颜色变为绿色。

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2.“元件监控”菜单操作命令执行后，双击鼠标或按【enter】键显示元件登录对话框，如图13所示。设置好元件及显示点数再点击确认或按[enter]键即可。设置待监控的元件，有效的元件为输入继电器3.“强制Y输出”菜单操作后，出现强制Y输出对话框，如图14所示，设置元件地址ON/OFF设置，点击确认按钮，即可完成特点输出。

4“强制ON/OFF”菜单命令执行后，屏幕显示强制ON/OFF对话框，如图15所示。在次设置元件SET/RST，点击确认按钮特定元件得到置位或复位。可置位的有效元件为X,Y,M及特殊元件M,S,T,C.可复位的有效元件为X.Y.M和特殊元件M,S,T,C,D以及特殊元件D,V,Z,仅仅是当前值被清零。

5.“改变当前值”菜单选择后，屏幕显示改变当前值对话框，如图16，在此选定元件以及改变值，点击确认按钮或按【enter】键，选定元件的当前值则被改变。此操作仅对字元件T,C,D及特殊元件D,V,Z有效。被改变的当前值要加上前缀K、H、B、A分别表示十进制、十六进制、二进制或ASCLL码。

13元件设置 14强制输出 15强制ON/OFF

6.“改变设置值”菜单操作仅仅在监控时有效，在电路监控中如果光标所在位置为计

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时器或定时器，执行该命令后屏幕显示改变设置值对话框。在此设置哟改变的值并点击确认按钮或【enter】键，指定元件的设置值被改变。如果光标位置正在数据寄存器D、V或Z，该功能同样被执行，显示设置对话框，如图17所示。该命令仅仅在监控时有效。 16改变当前值 17改变当前值

7.“显示监控数据的变化值”点击该菜单可改变监控数据的进制，十进制或十六进制数。

七、选项菜单

1.“程序检查”命令是用于检查语法、双线圈及梯形图错误的，检验命令码及其格式，检查同一元件或线圈的重复使用状况，检查梯形图电路中的缺陷，并显示检查结果。执行该命令后，在图18所示的对话框中进行检查选项的设置，再点击确认按钮或按【enter】键使命令得到执行。但是，如果在双线圈检查或线路检查时检查出的错误，它并不一定导致PLC或操作方面的错误，特别在PLC方面，双线圈并不认为错误的，在步进梯形图中它是被允许的或有特殊用途。

18程序检查 19口令设置

2.“参数设置”菜单作用于设置用户程序存储器的容量和决定元件保存的锁存范围。命令执行后，在对话框中对各项加以设置。

3.“口令设置”菜单是用于设置PLC新口令、改变老口令或取消口令的操作，该操作执行后，在对话框中加以设置，如图19，第一次设置口令，在新口令数栏中输入新口令，敲击确认按钮或点击【enter】键加以确认。

若要改变口令，在旧口令输入栏中输入旧口令，按TAB键，再在新口令输入栏中输入新口令，敲击确认按钮或点击【enter】键加以确认。要删除口令，在旧口令输入栏中输入旧口令，再在新口令输入栏中输入空格键，敲击确认按钮或点击【enter】键加以确认。

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4.“PLC模式设置”菜单是用于设置PLC模式，设置内容包括无电池模式的ON/OFF,调制解调器的初始化，是否由输入输出端来控制PLC运行以及控制运行的输入端编号的设置，命令执行后，在对话框中完成设置，如图20.

20PLC模式设置

5．“串行口设置”菜单操作命令用于通讯选项设置，设置内容是数据长度、奇偶校验、停止位、波特率、协议、数目校验、传送控制过程、设置站点号、剩余时间的判断标准时间。设置在相应的对话框中完成。设置好后，在运行PLV时，数据被拷贝到特殊数据寄存器D8120、D1821、D8129中。

6.“元件范围设置”菜单操作时，屏幕显示“元件范围设置”对话框，如图21所示，在此对每个元件范围加以设置。通常而言，由PLC允许范围决定最大设置范围，但每个元件仍然可以设置范围。

21元件范围设置

7.“PLC类型改变”菜单操作命令可以改变程序应用于另外类型的PLC，仅允许从低级类型改动到高级类型，不允许改变为指定目录外的类型，通过类型改变对话框进行设置。

8.“选择”菜单操作命令是用于设置编程的环境。在“参照”对话框中依然显示的条目加以选择。

9.“字体”选项用于设置梯形图显示的字体及大小。

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