毕业设计(论文)-矿车变频牵引控制系统.doc

1、兰 州 大 学 毕 业 设 计 说 明 书1摘 要本 设 计 主 要 完 成 矿 车 变 频 牵 引 控 制 系 统 的 PLC 系 统 设 计 和 组 态 设 计 。 PLC 系统 采 用 施 耐 德 公 司 的 Quantum 系 列 作 为 主 控 制 器 ， 完 成 对 电 动 机 、 变 频 器 等 被 控对 象 的 控 制 ， 可 以 实 现 对 矿 车 的 监 控 ， 同 时 为 了 保 证 系 统 的 可 行 性 采 用 远 程I/O。 能 够 实 现 上 位 监 控 功 能 。 使 用 编 程 软 件 完 成 许 多 控 制 功 能 让 车 前 进 、 后 退 等等 。PLC

2、 程 序 设 计 借 助 于 Concept 软 件 中 的 仿 真 器 ， 不 需 要 使 用 实 际 硬 件 ， 即 可 对程 序 功 能 进 行 测 试 ， 可 以 减 少 现 场 调 试 的 工 作 量 。关 键 词 ： 矿 车 牵 引 ； PLC； 变 频 器 ;兰 州 大 学 毕 业 设 计 说 明 书2AbstractThis design mainly completes design the PLC system and configuration of the frequency converter control system of the mineral car. Th

3、e PLC system takes Quantum series of adopting which produced by Schneider as the master controller, finishes the target of control the motor, frequency converter, etc. and realizes the control to the machine of the mineral car. At the same time, it takes the long range I/O The configuration is desig

4、ned and finished under the environment of kingview and can realize such functions as computers supervise and control, etc. The usage software completes many control functions to let the mineral car go forward, retreat.etc.Depending on the artificial device in concept software we do not need to use t

5、he real hardware, which says that it can test the function of the procedure and reduce the debug in the field.Keyword: Mineral car traction;PLC; Frequency converter; 兰 州 大 学 毕 业 设 计 说 明 书3目 录第 一 章 变 频 器 火 车 牵 引 概 述 .11.1 变 频 牵 引 的 背 景 .11.2 本 次 毕 业 设 计 要 求 .11.2.1 内 容 .11.2.2 功 能 .2第 二 章 系 统 概 述 .32

6、.1 方 案 论 证 .32.1.1 I/O 连 接 方 式 的 选 择 .32.1.2PLC 控 制 网 的 选 择 .42.1.3 矿 车 装 料 过 程 控 制 方 案 的 选 择 .42.1.4 单 、 双 缆 的 选 择 .62.1.5 变 频 器 控 制 方 式 的 选 择 .62.2 系 统 组 成 .62.2.1 PLC 系 统 .62.2.2 计 算 机 监 控 系 统 .7第 三 章 硬 件 设 计 .83.1 轨 道 开 关 设 计 .83.2 三 相 异 步 电 动 机 .83.3 变 频 器 .83.4 编 码 器 .133.5PLC 设 计 .153.5.1Quam

7、tum PLC 选 型 .153.5.2 PLC 模 块 接 线 .203.5.3 主 从 站 连 接 .223 6 电 气 元 件 选 型 .23兰 州 大 学 毕 业 设 计 说 明 书43 7 硬 件 原 理 图 （ 如 大 图 1 或 附 录 一 示 ） .24第 四 章 PLC 程 序 设 计 .264.1Concept2.5 简 介 .264.2 编 程 步 骤 .274.2.1 模 块 选 型 .274.2.2 地 址 分 配 .294.2.3 部 分 程 序 设 计 说 明 .314 3 程 序 流 程 图 （ 附 录 二 ） .334 4 程 序 梯 形 图 （ 附 录 三

8、） .33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兰 州 大 学 毕 业 设 计 说 明 书1第 一 章 变 频 器 火 车 牵 引 概 述1.1 变 频 牵 引 的 背 景变 频 技 术 是 应 交 流 电 机 无 级 调 速 的 需 要 而 诞 生 的 。 20 世 纪 60 年 代 后 半 期 开始 ， 电 力 电 子 器 件 从 SCR(晶 闸 管 )、 GTO(门 极 可 关 断 晶 闸 管 )、 BJT(双 极 型 功 率 晶体 管 )、 MOSFET(金

9、属 氧 化 物 场 效 应 管 )、 SIT(静 电 感 应 晶 体 管 )、 SITH(静 电 感 应 晶闸 管 )、 MGT(MOS 控 制 晶 体 管 )、 MCT(MOS 控 制 品 闸 管 )发 展 到 今 天 的 IGBT(绝 缘 栅双 极 型 晶 体 管 )、 HVIGBT(耐 高 压 绝 缘 栅 双 极 型 晶 闸 管 )， 器 件 的 更 新 促 使 电 力 变 换技 术 的 不 断 发 展 。 20 世 纪 70 年 代 开 始 ， 脉 宽 调 制 变 压 变 频 (PWMVVVF)调 速 研 究引 起 了 人 们 的 高 度 重 视 。 电 机 交 流 变 频 调 速 技

10、 术 是 当 今 节 电 、 改 善 工 艺 流 程 以 提 高产 品 质 量 和 改 善 环 境 、 推 动 技 术 进 步 的 一 种 主 要 手 段 。 变 频 调 速 以 其 优 异 的 调 速 和起 制 动 性 能 ， 高 效 率 、 高 功 率 因 数 和 节 间 效 果 ， 广 泛 的 适 用 范 围 及 其 它 许 多 优 点 而被 国 内 外 公 认 为 最 有 发 展 前 途 的 调 速 方 式 。 而 变 频 调 速 在 工 业 节 能 中 发 挥 着 越 来越 大 和 不 可 忽 视 作 用 。1.2 本 次 毕 业 设 计 要 求本 毕 业 设 计 取 材 于 某 控

11、 制 系 统 工 程 实 例 。 我 们 依 据 火 车 牵 引 的 工 艺 ， 绞 车 电气 牵 引 系 统 采 用 变 频 器 作 为 牵 引 电 机 数 字 化 调 速 装 置 ， 实 现 对 绕 线 式 110kW 交 流电 机 无 级 调 速 ， 变 频 器 满 足 电 机 低 速 、 重 载 、 频 繁 启 动 要 求 。 整 个 控 制 系 统 采 用PLC 实 现 放 矿 牵 引 工 艺 的 集 中 控 制 （ 包 括 供 电 、 检 测 、 液 压 、 牵 引 ） ， 采 用 工 控 机或 人 机 界 面 形 成 上 位 机 系 统 。1.2.1 内 容了 解 项 目 要 求

12、 包 括 熟 悉 工 艺 条 件 及 要 求 ， 了 解 控 制 要 求 ， 了 解 控 制 参 数 指 标 。确 定 控 制 方 案 包 括 根 据 工 艺 条 件 及 要 求 控 制 参 数 及 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 功 能 、 可 靠 性 、 维 护 性 、 操 作 性 、 成 本 、 甲 方 技 术实 力 及 经 费 力 量 、 对 技 术 难 点 的 考 虑 、 回 路 的 考 虑 。 系 统 的 设 计 包 括 设 计 依 据 ， 控制 设 计 包 括 电 器 的 选 择 、 工 艺 设 计

13、 、 控 制 器 设 备 及 仪 表 的 选 择 、 电 器 图 纸 的 设 计 、材 料 表 、 外 协 加 工 、 安 装 及 缆 线 图 ， 软 件 设 计 流 程 图 结 构 设 计 ， 软 件 设 计 说 明 ， 具体 的 编 程 设 计 ， 调 试 及 修 改 完 善 ， 系 统 的 安 装 调 试 及 参 数 整 定 ， 操 作 说 明 书 。 本 题初 步 做 法 是 ： 用 PLC 控 制 矿 车 的 各 种 工 作 状 态 。 上 位 组 态 软 件 或 人 机 界 面 与 PLC连 接 ， PLC 再 与 车 厢 设 置 的 远 程 I/O 点 或 PLC 连 接 。 P

14、LC 之 间 的 相 互 连 接 则 需 要兰 州 大 学 毕 业 设 计 说 明 书2布 置 现 场 总 线 如 用 以 太 网 。 这 就 要 进 行 具 体 的 选 择 。 使 用 设 置 远 程 I/O 则 要 考 虑各 个 动 作 再 设 下 接 触 器 ， 在 车 的 终 点 和 起 点 位 置 要 考 虑 减 速 、 停 车 、 过 卷 ， 还 要 考虑 由 于 是 正 反 两 个 方 向 的 牵 引 所 以 这 三 个 动 作 要 反 过 来 再 设 置 。 整 个 过 程 是 ： 启 动加 速 全 速 运 行 减 速 停 车 启 动 加 速 匀 速 运 行 放 矿 匀 速 运

15、 行 （ 负载 变 化 ） 停 止 放 矿 再 加 速 重 载 全 速 运 行 减 速 ， 由 轴 编 码 器 来 传 送 电 机 的信 息 ， 判 断 矿 车 行 驶 的 快 慢 、 距 离 等 。 PLC 输 出 所 需 状 态 给 变 频 器 改 变 电 机 的 转动 ， 这 就 需 要 使 用 编 程 软 件 。 工 作 手 段 分 成 自 动 手 动 和 紧 急 处 理 。 手 动 时 在 放 矿 点和 控 制 室 均 可 单 独 实 现 放 矿 机 和 绞 车 的 手 动 控 制 。 紧 急 处 理 时 在 放 矿 点 、 控 制 室 、机 房 设 置 检 修 控 制 箱 。 设

16、置 若 干 紧 急 停 车 开 关 及 检 修 电 源 控 制 箱 。 矿 车 的 具 体 运 转状 况 可 通 过 组 态 或 人 机 界 面 来 仿 真 现 场 工 作 。 这 样 就 可 完 成 整 个 工 作 。 包 括 ： 控 制 系 统 主 机 的 选 型 ； 设 备 及 仪 表 的 选 择 ； 硬 件 及 软 件 设 计1.2.2 功 能根 据 火 车 的 运 行 速 度 、 放 矿 机 与 火 车 的 相 对 位 置 、 放 矿 机 与 车 厢 内 矿 石 的 相 对高 度 ， 实 现 全 自 动 放 矿 及 整 个 工 作 循 环 。 要 使 用 组 态 软 件 或 人 机

17、界 面 与 PLC 进 行通 讯 。 要 充 分 考 虑 到 电 源 、 电 机 、 变 频 器 、 轴 编 码 器 、 PLC 控 制 、 开 关 等 。 考 虑到 多 种 突 发 事 件 ， 要 使 用 声 光 报 警 。 在 考 虑 设 置 I/O 点 时 要 收 集 所 有 的 动 作 ， 包括 正 反 方 向 、 高 速 、 中 速 、 低 速 、 报 警 、 正 常 、 维 修 、 手 动 、 自 动 等 等 。 由 变 频器 控 制 电 机 的 工 作 ， 编 码 器 与 电 机 轴 相 连 ， 电 机 转 动 的 信 息 就 传 给 了 计 数 器 模 块 ，编 程 软 件 将

18、 所 需 动 作 给 PLC 再 输 出 给 变 频 器 ， 从 而 控 制 电 机 的 动 作 ， 带 动 矿 车 前进 或 后 退 。 如 图 1-1 所 示 的 示 意 图 。 要 求 实 现 ：全 自 动 运 行 ： 火 车 启 动 -加 速 -全 速 运 行 -减 速 -停 车 -启 动 -加 速 -匀 速 运 行 -放矿 -匀 速 运 行 （ 负 载 变 化 ） -停 止 放 矿 -再 加 速 -重 载 全 速 运 行 -减 速 -停 车 整 个 工 作循 环 全 自 动 运 行 。 在 控 制 室 通 过 监 视 系 统 全 程 监 视 ；手 动 运 行 ： 在 放 矿 点 和

19、控 制 室 均 可 单 独 实 现 放 矿 机 和 绞 车 的 手 动 控 制 ；紧 急 处 理 ： 在 放 矿 点 、 控 制 室 、 机 房 设 置 检 修 控 制 箱 。 设 置 若 干 紧 急 停 车 开 关及 检 修 电 源 控 制 箱 。洞 内 洞 外放 矿 机矿 车图 1-1 放 矿 示 意 图控 制 室机 柜兰 州 大 学 毕 业 设 计 说 明 书3第 二 章 系 统 概 述在 该 系 统 中 ， 为 了 有 效 的 扩 展 控 制 系 统 的 拓 扑 结 构 ， 采 用 Schneider的 远 程I/O技 术 (RIO)。 对 变 频 调 速 采 用 端 子 控 制 ,P

20、LC与 变 频 器 直 接 连 接 。 变 频 器 外 部 端子 控 制 ， 使 用 PLC输 出 变 频 器 所 需 的 开 关 量 或 模 拟 量 信 号 控 制 变 频 器 。 此 种 控 制 方案 由 于 使 用 PLC与 变 频 器 直 接 连 接 ， 减 少 了 用 来 进 行 数 据 传 输 和 进 行 通 讯 的 设 备 ，降 低 了 成 本 ， 同 时 也 减 少 了 因 为 增 加 设 备 而 带 来 的 不 稳 定 因 素 。2.1 方 案 论 证2.1.1 I/O 连 接 方 式 的 选 择I/O 连 接 可 选 择 ： 本 地 IO， DIO， RIO， Moment

21、um I/O。(1)本 地 IO 采 用 Quantum 背 板 扩 展 单 元 140 XBE100 00 进行 I/O 扩 展 ， 两 个 单 元 和 一 条 电 缆 即 可 实 现 ， 支 持 本 地 及 远程 分 站 ， 支 持 现 存 所 有 I/O 模 板 ， 所 有 开 关 量 和 模 拟 量 I/O、 高 速 记 数 模 板 。 支 持 所 有 电 源 ， 主 机 架 失 电 将 导 致 CPU/分 站 关 断 ， 从 机 架 失 电 将 不 会 导 致 CPU/分 站 关 断 。图 2-1 本 地 IO(2)分 布 的 I/O 可 以 降 低 系 统 实 施 费 用 ； DI

22、O 网 络 可 以 分 成 多 个 部 分 ， 在 每 个部 分 最 多 可 以 连 接 32 个 分 站 ， 每 个 部 分 最 大 距 离 为 450 米 。 可 以 使 用 RR85 中 继兰 州 大 学 毕 业 设 计 说 明 书4器 进 行 网 络 扩 展 ， 最 多 可 以 连 接 三 个 RR85 中 继 器 ， 最 大 分 站 数 为 64 个 ， 传 输 距离 达 到 1800 米 。 如 果 传 输 距 离 超 过 1800 米 ， 可 以 使 用 FR85 光 纤 模 块 。 两 个 光 纤模 块 之 间 如 采 用 50um 光 纤 时 电 缆 通 讯 距 离 可 达

23、2KM， 总 计 距 离 可 达 8 KM， 采 用62.5u 或 者 100um 光 纤 电 缆 时 通 讯 距 离 可 达 3KM， 总 计 距 离 可 达 12KM。图 2-2 分 布 的 I/O (3)远 程 I/O 能 覆 盖 大 范 围 的 物 理 区 域 ； RIO 结 构 基 于 S908 的 I/O 联 网 ， 传 输介 质 为 同 轴 电 缆 ， RIO 最 多 可 有 31 个 分 站 。 每 个 RIO 分 站 ， 最 多 64 个 字 输 入 ， 64 个 字 输 出 。 此 字 数 限 制 包 括 了 离 散 量 和 模 拟 量 。 RIO 不 带 中 继 器 的

24、传 输 距 离 为4572 米 （ 15000 英 尺 ） ， 如 使 用 光 纤 中 继 器 ， 网 络 总 长 能 到 13 公 里 。(4)Momentum I/O 在 极 小 的 空 间 集 成 IO 与 接 线 端 子 ， 价 格 极 佳 ， 易 于 分 布 ，仅 5cm 深 。 支 持 多 种 网 络 标 准 :Modbus Plus、 Interbus-S、 Profibus DP。本 系 统 采 用 远 程 I/O(RIO)， 可 以 实 现 无 扰 操 作 ， 火 车 无 论 在 洞 内 还 是 洞 外 都可 实 时 监 测 和 控 制 ， 从 而 提 高 了 控 制 的 精

25、 度 。2.1.2PLC 控 制 网 的 选 择方 案 1使 用 上 位 机 和 PLC、 远 程 I/O组 成 的 控 制 网 。 远 程 I/O之 间 用 电 缆 连 接 。图 2-3 方 案 一 控 制 网方 案 2 使 用 人 机 界 面 和 PLC 构 成 的 网 络 ， PLC 之 间 用 以 太 网 通 讯 。上 位 机R I OR I OPLC人 机 界 面PLC1兰 州 大 学 毕 业 设 计 说 明 书5图 2-4 方 案 二 控 制 网第 二 种 方 案 使 用 的 以 太 网 通 讯 复 杂 ， 最 后 选 第 一 种 方 案 。2.1.3 矿 车 装 料 过 程 控

26、制 方 案 的 选 择1、 火 车 以 较 低 速 缓 慢 、 平 稳 的 速 度 进 行 装 矿 。火 车 在 前 停 车 动 作 结 束 后 开 始 以 较 低 速 后 退 ， 直 到 碰 到 开 始 装 料 行 程 开 关 由 上位 机 或 放 矿 点 的 放 料 大 小 控 制 火 车 以 一 个 装 料 速 度 后 退 。 同 时 轴 编 码 器 和 放 矿 点PLC 进 行 对 火 车 的 速 度 进 行 监 测 。此 方 案 主 要 由 连 接 在 电 机 转 子 轴 上 的 轴 编 码 器 产 生 的 脉 冲 进 行 监 测 ， 转 子 每 转一 周 会 产 生 1000 个

27、脉 冲 ， 轴 编 码 器 产 生 的 脉 冲 数 由 高 速 计 数 模 块 来 计 量 ， 高 速 计数 模 块 所 计 的 数 据 送 入 PLC 的 CPU， 同 时 放 矿 点 的 远 程 IO 会 送 来 相 应 的 监 测 数 据 ，CPU 对 这 两 个 数 据 会 进 行 实 时 地 处 理 、 运 算 ， 然 后 由 其 将 处 理 好 的 数 据 转 换 成 一 个模 拟 电 压 信 号 ， 而 该 电 压 信 号 对 应 变 频 器 调 节 电 机 转 速 的 频 率 信 号 ， 再 由 该 频 率 信号 产 生 一 个 合 适 的 电 机 转 速 信 号 ， 最 后

28、经 变 频 器 控 制 电 机 以 该 速 度 带 动 十 节 车 厢 缓慢 、 平 稳 的 装 矿 ， 直 到 十 节 车 厢 均 装 满 后 火 车 开 始 重 载 加 速 到 一 定 的 速 度 驶 出 洞 外 。其 中 在 装 矿 环 节 我 们 设 置 了 诸 如 前 减 速 、 前 停 车 、 前 过 卷 、 到 装 矿 位 、 装 料 结 束 、后 减 速 、 后 停 车 、 后 过 卷 等 行 程 开 关 ， 从 而 保 证 了 火 车 在 行 进 过 程 中 更 安 全 的 监 测 ，使 火 车 在 行 进 过 程 中 得 到 了 有 力 的 安 全 保 障 。此 方 案 在

29、 实 际 工 程 设 计 中 涉 及 到 较 多 的 算 法 ， 使 得 工 程 不 易 实 现 或 实 现 起 来 比较 困 难 ， 对 设 计 人 员 来 说 设 计 的 控 制 精 度 及 响 应 时 间 等 要 求 较 高 。 同 时 该 方 案 在 实际 工 程 中 控 制 精 度 比 理 论 设 计 要 低 ， 当 火 车 的 速 度 过 高 或 与 放 矿 点 控 制 不 匹 配 时 操作 不 但 麻 烦 而 且 可 能 造 成 事 故 。2、 火 车 以 走 -停 -走 -停 的 循 环 方 式 装 矿 。该 方 案 就 是 火 车 在 前 停 车 动 作 结 束 开 始 反

30、向 启 动 ， 启 动 后 火 车 开 始 以 较 低 速 行驶 ， 目 的 是 在 碰 到 开 始 装 料 位 开 关 火 车 就 能 安 全 、 准 确 的 停 车 开 始 装 矿 。 我 们 依 据实 际 车 厢 的 长 度 及 相 邻 两 节 车 厢 间 的 跨 度 将 车 厢 分 为 六 等 份 ， 每 一 等 份 与 相 邻 两 节车 厢 间 的 跨 距 相 同 ， 均 为 1 米 。 车 厢 到 “开 始 放 矿 ”位 时 ， 计 数 模 块 计 数 到 设 定值 后 将 该 数 据 送 往 变 频 器 中 ， 变 频 器 控 制 带 动 车 厢 的 电 机 也 可 以 使 车

31、停 止 （ 此 时 假如 计 数 未 到 而 外 部 给 控 制 器 一 个 开 关 量 信 号 火 车 也 将 会 停 车 ） ， 然 后 开 始 给 该 节 车厢 的 第 一 “等 份 ”装 。当 该 部 分 车 厢 装 满 后 ， 控 制 火 车 的 控 制 器 会 接 收 到 一 个 “放 矿 到 位 ”的 开 关量 信 号 ， 控 制 器 再 次 控 制 变 频 器 向 后 继 续 退 一 米 的 距 离 ,同 时 计 数 器 也 开 始 计 数 ；当 计 数 器 计 到 1000 个 脉 冲 时 ， 火 车 后 退 的 位 置 正 好 是 1 米 ， 也 就 是 正 处 于 装 矿

32、 的PLC2兰 州 大 学 毕 业 设 计 说 明 书6位 置 ， 同 时 ， PLC 也 将 会 接 收 到 外 部 另 一 个 “接 受 放 矿 ”的 开 关 量 信 号 ， 火 车 也 可以 停 车 （ 在 停 车 装 矿 时 火 车 将 会 被 控 制 停 止 不 动 ， 直 到 接 收 到 外 部 控 制 信 号 才 会 使火 车 向 后 运 动 ） 。如 此 循 环 直 到 将 本 节 车 厢 全 部 装 满 ， 然 后 火 车 会 驶 过 两 节 车 厢 中 间 的 空 位 开 始下 一 节 车 厢 的 装 载 ， 如 此 延 续 直 到 十 节 车 厢 均 装 满 后 ， 火

33、车 启 动 后 会 碰 到 轨 道 上 的“装 料 结 束 ”行 程 开 关 ， 火 车 开 始 重 载 加 速 到 一 定 的 速 度 驶 出 洞 外 。 从 而 可 保 证 每节 车 厢 都 能 装 满 且 不 会 因 过 载 而 造 成 堵 轨 等 事 故 。在 本 设 计 中 我 们 采 用 第 二 种 方 案 ， 第 一 种 方 案 比 第 二 种 方 案 要 多 许 多 数 据 处 理及 运 算 和 保 护 ， 从 设 计 的 简 单 、 易 维 护 、 经 济 来 比 较 ， 方 案 二 较 适 合 本 系 统 。2.1.4 单 、 双 缆 的 选 择本 系 统 采 用 远 程

34、I/O(RIO),主 站 和 分 站 之 间 通 过 电 缆 实 现 连 接 ,连 接 方 式 有 两种 :单 缆 连 接 和 双 缆 连 接 ， 单 线 连 接 方 式 是 主 站 和 分 站 之 间 用 一 根 电 缆 连 接 ,可 以节 约 成 本 。 双 线 连 接 方 式 是 主 站 和 分 站 之 间 用 两 根 电 缆 连 接 。 最 终 选 择 单 缆 连 接 。2.1.5 变 频 器 控 制 方 式 的 选 择变 频 器 控 制 方 式 分 为 ： 总 线 控 制 与 端 子 控 制 。总 线 控 制 方 式 ： 通 过 MB+网 对 变 频 器 进 行 控 制 ， 具 体 参 数 在 上 位 机 上 进 行 设定 ， 操 作 较 为 简 单 控 制 方 式