礦井提升機系統(tǒng)速度監(jiān)測裝置設(shè)計

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1、 2009屆本科畢業(yè)論文 第 76 頁 大 學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計 姓 名： 學(xué) 號： 學(xué) 院： 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 設(shè)計題目： 礦井提升機系統(tǒng)速度監(jiān)測裝置設(shè)計 專 題： 指導(dǎo)教師： 職 稱： 教授 2009年6月 中國ccv大學(xué)畢業(yè)設(shè)

2、計任務(wù)書 學(xué)院 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 專業(yè)年級 電氣05—1 學(xué)生姓名 任務(wù)下達日期：2009年3月15日 畢業(yè)設(shè)計日期：2009年3月15日至2009年6月10日 畢業(yè)設(shè)計題目：礦井提升機系統(tǒng)速度監(jiān)測裝置設(shè)計 畢業(yè)設(shè)計專題題目： 畢業(yè)設(shè)計主要內(nèi)容和要求： 內(nèi)容： 1了解提升機電控系統(tǒng) 2了解測速裝置的原理與方法 3采用S7-200PLC為主體設(shè)計測速裝置的硬件、軟件結(jié)構(gòu) 要求： 1 選擇作為主控設(shè)備的PLC及其模塊 2 外圍電路設(shè)計 3 行程和速度處理軟件設(shè)計 院長簽字： 指導(dǎo)教師簽字： 中

3、國ccv大學(xué)畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)教師評閱書 指導(dǎo)教師評語（①基礎(chǔ)理論及基本技能的掌握；②獨立解決實際問題的能力；③研究內(nèi)容的理論依據(jù)和技術(shù)方法；④取得的主要成果及創(chuàng)新點；⑤工作態(tài)度及工作量；⑥總體評價及建議成績；⑦存在問題；⑧是否同意答辯等）： 成 績： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日 中國ccv大學(xué)畢業(yè)設(shè)計評閱教師評閱書 評閱教師評語（①選題

4、的意義；②基礎(chǔ)理論及基本技能的掌握；③綜合運用所學(xué)知識解決實際問題的能力；③工作量的大??；④取得的主要成果及創(chuàng)新點；⑤寫作的規(guī)范程度；⑥總體評價及建議成績；⑦存在問題；⑧是否同意答辯等）： 成 績： 評閱教師簽字： 年 月 日 中國ccv大學(xué)畢業(yè)設(shè)計評閱教師評閱書 評閱教師評語（①選題的意義；②基礎(chǔ)理論及基本技能的掌握；③綜合運用所學(xué)知識

5、解決實際問題的能力；③工作量的大?。虎苋〉玫闹饕晒皠?chuàng)新點；⑤寫作的規(guī)范程度；⑥總體評價及建議成績；⑦存在問題；⑧是否同意答辯等）： 成 績： 評閱教師簽字： 年 月 日 中國ccv大學(xué)畢業(yè)設(shè)計答辯及綜合成績 答 辯 情 況 提 出 問 題 回 答 問 題 正 確 基本 正確 有一般性

6、錯誤 有原則性錯誤 沒有 回答 答辯委員會評語及建議成績： 答辯委員會主任簽字： 年 月 日 學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)小組綜合評定成績： 學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)小組負(fù)責(zé)人： 年 月 日 摘 要 礦井提升機常被人們稱為礦山的咽喉，是礦山最重要的關(guān)鍵設(shè)備，是地下礦井與外界的唯一通道，肩負(fù)著礦石、物料、人員等的重要運輸責(zé)

7、任。對提升機來說，運行的安全性與可靠性是至關(guān)重要的。傳統(tǒng)礦井提升機調(diào)速性能差，在啟停車、制動、邏輯控制、速度監(jiān)測等方面存在諸多安全問題，隨著計算機和PLC技術(shù)的不斷發(fā)展，采用先進的控制技術(shù)改造傳統(tǒng)礦山行業(yè)的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)，從而使礦井提升機的控制性能得到極大的改善，其自動化水平、安全性、可靠性都達到了新的高度，并采用現(xiàn)代化的管理和監(jiān)視手段保障提升機的安全運行。 本文基于西門子S7-200PLC為核心開發(fā)了礦井提升機速度監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)ΦV井提升機的運行速度實時監(jiān)測，指示罐籠在井筒中的位置，速度的顯示通過PLC與上位機的通信，在上位機中進行顯示。 本文首先介紹了礦井提升機控制系統(tǒng)的發(fā)展與現(xiàn)狀，闡

8、述了研究該系統(tǒng)的重要性和必要性。依據(jù)煤礦綜合自動化系統(tǒng)的背景，結(jié)合煤礦提升機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，分析了礦井提升機的運行特性和提升機速度監(jiān)測的工作原理，確定了提升機運行速度的核心算法以及實現(xiàn)速度實時監(jiān)測的方法。設(shè)計了測速系統(tǒng)的硬件電路；根據(jù)測速程序的核心算法，設(shè)計了各功能模塊的程序流程圖。根據(jù)礦井提升機運行的實際情況，分析了礦井提升機運行速度的各種保護，制訂了相應(yīng)的軟硬件保護措施。 關(guān)鍵詞：可編程控制器； 礦井提升機； 通信 ABSTRACT The mine pit elevator is often called by the people the mine the phar

9、ynx and larynx, is the mine most important key equipment, is the underground mine and the outside only channel, is shouldering the ore, the material, the personnel and so on important transportation responsibility. To the elevator, the movement security and the reliability is very important. The tra

10、ditional mine pit elevator velocity modulation performance is bad, is opening aspects and so on parking, brake, logical control, speed monitor to have many security problems, along with the computer and the PLC technology's unceasing development, uses the advanced control technology transformati

11、on tradition mine profession the tradition control system, thus enables the mine pit elevator's control performance to have the enormous improvement, its automated level, the security, the reliability has achieved the new altitude, and uses modernized the management and the surveillance method s

12、afeguards elevator's safe operation. This article was the core has developed the mine pit elevator speed observation system based on Siemens S7-200PLC, could to the mine pit elevator's running rate real-time monitor, instruct that cage's in well chamber position, the speed demonstration

13、 through PLC and the superior machine correspondence, carried on the demonstration in the superior machine. This article first introduced the mine pit elevator control system's development and the present situation, elaborated studies this system's importance and the necessity. Based on th

14、e coal mine synthesis automated system's background, unifies the coal mine elevator control system's trend of development, has analyzed the mine pit elevator's operating characteristic and the elevator speed monitor principle of work, had determined the elevator running rate's core a

15、lgorithm as well as realizes the speed real-time monitor method. Designed has measured the fast system's hardware circuit; According to measured that the fast procedure the core algorithm, has designed various functional module program flow diagram. According to the mine pit elevator movement

16、9;s actual situation, has analyzed mine pit elevator running rate each kind of protection, has drawn up the corresponding software and hardware protective measures. Keywords: Programmable controller; the mine pit elevator; correspondence 目 錄 1 緒論 1 1.1課題背景 1 1.2國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀 1 1.3課題主要內(nèi)容 3

17、2 礦井提升機電控系統(tǒng)概述 3 2.1礦井提升系統(tǒng)簡介 3 2.1.1礦井提升系統(tǒng)的分類 4 2.1.2礦井提升系統(tǒng)構(gòu)成 5 2.2礦井提升機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析 5 3 礦井提升機速度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計 6 3.1光電編碼器概述 6 3.1.1增量式光電編碼器 8 3.1.2絕對值式光電編碼器 8 3.2可編程控制器概述 10 3.2.1可編程控制器結(jié)構(gòu)組成 11 3.2.2可編程控制器的工作原理 16 3.2.3 S7-200系列可編程控制器功能概述 19 3.2.4高速計數(shù)器原理及應(yīng)用 21 3.3可編程控制器速度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計 24 3.3.1可編程控制器硬件設(shè)計 24

18、 3.3.2速度監(jiān)測系統(tǒng)程序設(shè)計 25 4上位機監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計 26 4.1 PLC與上位機的通信 26 4.1.1串行通信接口標(biāo)準(zhǔn) 27 4.1.2 PLC與計算機的連接與通信 29 4.2聯(lián)機調(diào)試及運行界面 39 結(jié)論 40 參考文獻 41 附錄A PLC程序 43 附錄B 上位機VB程序 49 翻譯部分 52 英文原文 52 中文譯文 63 致謝 74 1 緒論 1.1課題背景 近年來，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，煤炭的價格開始持續(xù)上漲，煤礦開采量呈現(xiàn)上升的趨勢。而與此同時，礦井事故的發(fā)生率也越來越高，礦井安全生產(chǎn)越來越受到人們的重視。安全生產(chǎn)是任何煤礦企業(yè)

19、都應(yīng)強調(diào)的重中之重的問題，因為在礦井這一特殊生產(chǎn)環(huán)境中，若是發(fā)生事故，往往都是伴隨著人員傷亡和巨大經(jīng)濟損失的慘重事故。 礦井提升系統(tǒng)素有“礦井咽喉”之稱，其中礦井提升機更是煤礦四種大型生產(chǎn)設(shè)備之一。礦井提升機是煤礦生產(chǎn)的重要設(shè)備，是聯(lián)系井下與地面的主要運輸工具，擔(dān)負(fù)著提升煤炭、礦石和矸石、升降人員、下放材料、工具和設(shè)備等重要任務(wù)。礦井提升機能否安全可靠的運行，直接影響到煤礦生產(chǎn)人員的生命安全和煤礦的生產(chǎn)能力。國家煤礦安全監(jiān)察局在2001年9月28日發(fā)布，自2001年11月1日起施行了《煤礦安全規(guī)程》，對礦井提升機的各項性能參數(shù)做出了明確的要求，以確保其安全運行。 礦井提升機是礦井生產(chǎn)的重要

20、設(shè)備，對提升機運行時的各個重要參數(shù)必須實時的監(jiān)控，以保證提升機安全可靠的運行，其中對提升機運行速度的監(jiān)控更是重中之重。目前，在工業(yè)自動化領(lǐng)域，利用光電轉(zhuǎn)換原理構(gòu)成的非接觸式光電編碼器，以其高精度、高分辨率、高可靠性、體積小、使用方便，在自動測量和自動控制中得到了廣泛的應(yīng)用。 1.2國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀 國外研制礦井提升機監(jiān)控系統(tǒng)始于20世紀(jì)60年代，在提升機狀態(tài)監(jiān)控方面水平較高。特別是對閘控和速度監(jiān)控等一些重要保護環(huán)節(jié)，設(shè)計更加合理，有些環(huán)節(jié)設(shè)置雙重保護，如過速保護，過卷保護等。這些監(jiān)控保護措施，對提升機的運行安全都是可靠的保證。下面簡單介紹一下瑞典、德國和法國的提升機速度監(jiān)控系統(tǒng)。 瑞典的

21、提升機速度保護功能齊全，系統(tǒng)可靠，能實現(xiàn)全自動開車。以單罐籠帶平衡錘提升機為例，這種提升機配備有顯示、監(jiān)控、安全保護等電路。如: (1)制動系統(tǒng)故障保護:當(dāng)制動閘發(fā)生故障，閘襯磨損、閘盤變形、低油位以及制動油泵、冷卻風(fēng)扇電動機過負(fù)荷等故障出現(xiàn)時均產(chǎn)生緊急停車; (2)全程的過速保護電路:包括加速區(qū)和全速區(qū)的過速保護，自動減速區(qū)的過速保護，爬行速度區(qū)的過速保護，當(dāng)提升機在井筒中任何位置，速度超過額定速度的15%時，過速繼電器動作，產(chǎn)生緊急停車。在爬行段當(dāng)速度大于2m/s時，爬行繼電器動作; (3)鋼絲繩保護電路:包括對鋼絲繩速度、打滑等的監(jiān)控; (4)自動起動、運轉(zhuǎn)電路:包括起動信號、自

22、動起動控制、自動減速以及上/下運行控制、停車電路等部分; (5)提升機監(jiān)控器:監(jiān)視提升機在井筒中各個部位的運行狀態(tài)，從而發(fā)出各種相應(yīng)的指令，控制提升機安全可靠地運行。 德國西門子公司全數(shù)字式提升機擁有世界上先進的數(shù)字驅(qū)動系統(tǒng)。它有如下特點:第一，緊急制動時的恒減速功能，第二，提升鋼絲繩張力的動態(tài)監(jiān)視功能，第三，提升系統(tǒng)及設(shè)備的動態(tài)顯示和故障自診斷功能。主要由監(jiān)控站，控制處理站，編程器和通訊總線四部分組成?？刂铺幚碚究蓪崿F(xiàn)本系統(tǒng)的邏輯過程控制功能和模擬量的檢測，運算和調(diào)節(jié)功能。監(jiān)控站的主要作用是通過與控制處理站的總線聯(lián)絡(luò)通訊，將控制處理站采集到的控制系統(tǒng)設(shè)備的狀態(tài)信息輸入到監(jiān)控站中，通過已編

23、制好的顯示程序，以圖形、表格形式動態(tài)地顯示在顯示器上，同時還可以通過操作鍵對對在程序中設(shè)定的操作量進行手動修改，以便進行設(shè)備的調(diào)整和試驗。監(jiān)控站的顯示功能齊全，如: (l)主要數(shù)據(jù)顯示:顯示提升機的主要運行參數(shù); (2)概貌顯示:顯示提升機的狀態(tài)，實際控制方式，主要模擬信號，報警指示，故障及停車等數(shù)據(jù); (3) AK顯示:顯示提升機控制系統(tǒng)，保護系統(tǒng)，變流器以及手動緊急停車按鈕工作狀態(tài)的數(shù)據(jù); (4)提升機保護功能試驗顯示:此顯示供進行提升機保護功能試驗時使用，在該項顯示上進行保護選擇，并顯示試驗結(jié)果。顯示功能包括接地故障監(jiān)控，過速，減速段過速，過卷及制動五種； (5)繩張力顯示等1

24、4種顯示功能，使用戶一目了然。 法國的提升機對于安全保護的設(shè)置更加完善，設(shè)計的安全保護有60多種，按照對提升機的保護作用，分為二個系統(tǒng)。 系統(tǒng)一，包括液壓站故障，制動控制電路的故障以及速度控制系統(tǒng)的故障等。當(dāng)這些故障出現(xiàn)時，均對提升機施加機械的(制動閘)或者電氣的(晶閘管逆變制動)制動力矩，控制提升機緊急停車; 系統(tǒng)二，包括提升機監(jiān)控器，電樞整流器系統(tǒng)的電氣故障等，這類故障出現(xiàn)時對提升機施加制動力矩，使之緊急停車; 系統(tǒng)三，包括盤形閘控系統(tǒng)，調(diào)零系統(tǒng)，電源的接地保護以及電機，變壓器超溫保護等，這類故障出現(xiàn)時，提升機不需要緊急停車而只是切除基準(zhǔn)速度信號，讓提升機自動減速停車。另外在安全回

25、路中，這些故障均設(shè)有旁路開關(guān)，當(dāng)這些故障出現(xiàn)時，可以閉合旁路開關(guān)，將提升容器提升到井口，再做處理。 我國也有一些大型礦井引進了國外的提升系統(tǒng)，但由于國外公司都有技術(shù)保密制度，其核心技術(shù)(如程序等)無法掌握，在使用、維修和零部件的供應(yīng)上都受到限制。而對于大多數(shù)的中小煤礦來說，其系統(tǒng)高昂的價格也使難以承受的。 國產(chǎn)的礦井提升機經(jīng)過廣大技術(shù)人員的努力，電氣傳動系統(tǒng)也已經(jīng)有了很大的發(fā)展，但在技術(shù)水平上還落后于國外同類產(chǎn)品的水平。電控系統(tǒng)主要以TKD交流拖動為代表，主令操作及故障監(jiān)控仍采用傳統(tǒng)的繼電器控制線路，每臺提升機需要數(shù)百個甚至上千個觸點的繼電器，系統(tǒng)可靠性差，故障率高，且不易維修，數(shù)目眾多

26、的控制線要和各種動力電纜通過狹小的井筒空間并行下井，安全性差，電磁干擾大。 為了彌補這個薄弱環(huán)節(jié)，保證提升機的安全運行，自九十年代以來，國內(nèi)開展了提升系統(tǒng)安全監(jiān)控的研究工作，全國近十余廠家先后研制了提升機綜合后備保護裝置，“ TJHB-11型礦井提升機微機后備保護裝置”，“KTA-UP系列礦井提升安全監(jiān)控系統(tǒng)裝置”，“ WKHB型微機控制絞車后備保護裝置”，“M12-3B提升機綜合后備保護儀”等一批提升機監(jiān)控裝置應(yīng)運而生。 1.3課題主要內(nèi)容 本論文在深入研究礦井提升機速度監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用光電編碼器和上位機監(jiān)控技術(shù)，實現(xiàn)了對提升罐籠實時位置、運行速度、提升方向等重要參數(shù)的監(jiān)控，提高

27、了系統(tǒng)的控制精度，保證煤礦生產(chǎn)的安全性與可靠性。 本論文的主要內(nèi)容包括： 對礦井提升機監(jiān)控系統(tǒng)的基本功能、速度檢測裝置的工作原理、可編程控制器的工作原理作簡單的分析。 (1) 選擇合適的光電編碼器，完成對提升機行程、速度等參數(shù)的采集，要求光電編碼器能夠?qū)崟r的、準(zhǔn)確的、高精度的完成物理量與電信號的轉(zhuǎn)化。 (2) 基于可編程控制器，編寫相應(yīng)的程序，對光電編碼器送來的提升機運行信號處理。 (3) 基于VB6.0，編寫上位機監(jiān)控程序，對提升速度、行程以及運行方向等參數(shù)的實時監(jiān)控。 2 礦井提升機電控系統(tǒng)概述 2.1礦井提升系統(tǒng)簡介 礦井提升系統(tǒng)的主要組成部分是:提升容器，提升鋼繩，

28、提升機，天輪和井架以及裝卸附屬裝置等。常用的提升容器是罐籠和箕斗，如下圖2-1所示為豎井單繩罐籠提升設(shè)備示意圖。重礦車在井底車場或中間中段車場被推入下方罐籠的同時，空礦車正在井口車場被推入另一罐籠。兩條鋼繩2的一端分別與井口和井底罐籠相連，另一端分別繞過天輪3引至提升機房，固定并以相反的方向纏繞在提升機1的卷筒上。提升機運行時，這兩個罐籠就沿著井筒做上下運動，以完成提升重礦車和下放空礦車的任務(wù)。 2.1.1礦井提升系統(tǒng)的分類 礦井提升設(shè)備的主要組成部分是:提升容器、提升鋼絲繩、提升機及拖動控制系統(tǒng)、井架、天輪及裝卸載設(shè)備等。 由于提升容器及提升機的結(jié)構(gòu)和原理不同，礦井提升設(shè)備可構(gòu)成不同的

29、提升系統(tǒng)，常見的提升系統(tǒng)有: (1)主井箕斗提升系統(tǒng); (2)副井罐籠提升系統(tǒng); (3)多繩摩擦(主、副井)提升系統(tǒng); (4)斜井串車提升系統(tǒng); (5)斜井箕斗提升系統(tǒng)。 2.1.2礦井提升系統(tǒng)構(gòu)成 以多繩摩擦式提升機為例，直流傳動多繩摩擦式礦井提升系統(tǒng)主要由工作機構(gòu)、制動系統(tǒng)、機械傳動系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、觀測和操作系統(tǒng)、拖動控制和自動保護系統(tǒng)，外加輔助部分等構(gòu)成。 1.工作機構(gòu) 主要是指主軸裝置和主軸承等，主軸裝置由主軸、卷筒、滾動軸承、支輪、制動輪、調(diào)繩離合器等組成。 2.制動系統(tǒng) 液壓制動系統(tǒng)裝置包括制動器和液壓傳動裝置，是提升機不可缺少的重要組成部分之一，是提

30、升機最關(guān)鍵也是最后一道安全保障裝置，制動裝置的可靠性直接關(guān)系到提升機的安全運行。提升機制動器的功能就是剎住提升機卷筒，使提升機停止運行。 3.機械傳動系統(tǒng) 機械傳動系統(tǒng)，機械傳動系統(tǒng)包括減速器和聯(lián)軸器。減速器的作用是減速和傳遞動力，聯(lián)軸器是用來聯(lián)接提升機的旋轉(zhuǎn)部分，并傳遞動力。 4.潤滑系統(tǒng) 潤滑系統(tǒng)是在提升運行過程中，不間斷地向軸承及嚙合齒面壓送潤滑油，以保證軸承和齒輪的正常工作。潤滑系統(tǒng)必須與自動保護系統(tǒng)和電動機聯(lián)鎖，即潤滑系統(tǒng)失靈時，主電動機斷電，確保機器的正常工作。 5.觀測和操縱系統(tǒng) 觀測和操縱系統(tǒng)包括斜面操縱臺，深度指示器以及測速發(fā)電機。深度指示器的作用是顯示提升容器的

31、運行位置，容器接近井口卸載位置和井底停車場時，發(fā)出減速信號。 6.拖動控制和自動保護系統(tǒng) 拖動控制和自動保護系統(tǒng)包括主拖動電動機、微拖動電動機、電氣控制系統(tǒng)和自動保護系統(tǒng)。礦井提升機自動保護系統(tǒng)的作用是:在司機不參與的情況下，發(fā)生故障時能自動將主電動機斷開并同時進行安全制動從}fu實現(xiàn)對系統(tǒng)的保護。 2.2礦井提升機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析 多繩摩擦式提升機的工作原理是把鋼絲繩搭放在主導(dǎo)輪上，兩端各懸掛一個提升容器(也可一端懸掛平衡錘)，當(dāng)電動機帶動主導(dǎo)輪轉(zhuǎn)動時，借助于安裝在主導(dǎo)輪上的襯墊與鋼絲繩之間的摩擦力帶動鋼絲繩，完成提升和下放的任務(wù)。目前，多繩摩擦式提升機己經(jīng)成為提升機發(fā)展的方向，它的主要

32、組成部分有： (1)工作機構(gòu)。包括主軸裝置及主軸承，主軸裝置由主軸、卷筒、滾動軸承、支輪、制動輪、調(diào)繩離合器等組成。主要作用有:纏繞或搭放鋼絲繩;承受各種正常載荷以及在各種緊急制動情況下所造成的非正常載荷等。 (2)制動系統(tǒng)。液壓制動系統(tǒng)裝置包括制動器和液壓傳動裝置，是提升機不可缺少的重要組成部分之一，是提升機最關(guān)鍵也是最后一道安全保障裝置。主要作用有:在減速停車或緊急制動情況下，能使提升機安全制動，迅速停車。因此，制動裝置的可靠性直接關(guān)系到提升機的安全運行。 (3)機械傳動裝置。包括減速器、離合器和連軸器。減速器的作用是減速和傳遞動力，聯(lián)軸器是用來聯(lián)接提升機的旋轉(zhuǎn)部分，并傳遞動力。

33、(4)潤滑系統(tǒng)。包括潤滑油泵站和管路。主要作用有:在提升機工作時連續(xù)地向主軸承、減速器軸承和嚙合齒面押送潤滑油，以保證軸承和齒輪良好地工作。 (5)檢測及操縱系統(tǒng)。包括操縱臺、深度指示器、傳動裝置和測速發(fā)電裝置。主要作用有:操縱提升機完成提升、下放等動作;顯示提升機運行情況及設(shè)備工作情況。 (6)拖動控制和自動保護系統(tǒng)。包括主電動機、電氣控制系統(tǒng)、自動保護系統(tǒng)和信號系統(tǒng)。主要作用有:提供提升機提升、下放時所需的動力;控制提升機系統(tǒng)各個動作指令的準(zhǔn)確實現(xiàn);故障發(fā)生時自動將主電動機斷電同時進行安全制動實現(xiàn)多系統(tǒng)的保護。 (7)輔助部分。包括機座、機架、護罩和導(dǎo)向輪裝置。 3 礦井提升機

34、速度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計 3.1光電編碼器概述 光電編碼器，是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。這是目前應(yīng)用最多的傳感器，光電編碼器是由光柵碼盤和光電檢測裝置組成，光電碼盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個方形或圓形孔，發(fā)光元件和光敏元件分置在光電碼盤兩側(cè)，二者組成的光電檢測裝置。光電編碼器結(jié)構(gòu)示意圖3.1所示。 由于光電碼盤與電動機同軸，電動機旋轉(zhuǎn)時，光電碼盤與電動機同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號，通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數(shù)就能反映當(dāng)前電動機的轉(zhuǎn)速。 圖3-1 光電編碼器結(jié)構(gòu)示意圖 此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼

35、盤還可提供相位相差90°的兩路脈沖信號裝置，兩套光電裝置產(chǎn)生的脈沖的相位有一定的差別，這也就產(chǎn)生了方向信號，如A裝置產(chǎn)生脈沖相位超前于B相時是正轉(zhuǎn)的話，反轉(zhuǎn)時，B裝置產(chǎn)生的脈沖相位就會超前于A裝置產(chǎn)生的脈沖相位。光電編碼器判斷旋轉(zhuǎn)方向的工作原理如圖3.2所示。 圖3.2 光電編碼器判斷旋轉(zhuǎn)方向工作原理圖 根據(jù)光電編碼刻度方法及信號輸出形式，可分為增量式、絕對式以及混合式三種： (1)增量式編碼器 (2)絕對式編碼器 (3)混合式絕對值編碼器 目前，工業(yè)控制中的定位設(shè)備中，光電編碼器相對于接近開關(guān)、光電開光，有以下特殊功能及優(yōu)點: (1)信息化:除了定位，控制室還可知

36、道其具體位置;還可換算運動速度，對于變頻器，步進電機等的應(yīng)用尤為重要。 (2)柔性化:定位可以在控制室柔性調(diào)整。 (3)現(xiàn)場安裝的方便安全:一個光電編碼器，可以測量從幾個林到幾百米的距離、n個位置;只要解決一個光電編碼器的安全安裝問題，可以避免諸多接近開關(guān)、光電開關(guān)在現(xiàn)場機械安裝麻煩，容易被撞壞和環(huán)境惡劣等問題;由于是旋轉(zhuǎn)碼盤，無機械損耗，只要安裝位置準(zhǔn)確，其使用壽命往往很長。 (4)經(jīng)濟化:對于多個控制位置，只需一個光電編碼器的成本，降低了安裝、維護、損耗成本，使用壽命增長，其經(jīng)濟化逐漸突顯出來。 3.1.1增量式光電編碼器 增量式編碼器是直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出三組方波脈沖A、B

37、和Z相；A、B兩組脈沖相位差90°，從而可方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向，而Z相為每轉(zhuǎn)一個脈沖，用于基準(zhǔn)點定位。它的優(yōu)點是原理構(gòu)造簡單，機械平均壽命可在幾萬小時以上，抗干擾能力強，可靠性高，適合于長距離傳輸。其缺點是無法輸出軸轉(zhuǎn)動的絕對位置信息。 增量型編碼器每轉(zhuǎn)一圈可產(chǎn)生一系列的脈沖，脈沖的數(shù)量表示角位移的測量。按其輸出方式的不同，可分為長線輸出、開集輸出、電壓輸出和推拉互補輸出四種方式。按其機械結(jié)構(gòu)的不同，可分為中空軸和帶軸編碼器，根據(jù)各自不同的特點可應(yīng)用于各種不同的場合。 編碼器內(nèi)有一圓盤——編碼盤，通常為一光學(xué)玻璃。編碼盤最外圈的碼道上均勻分布有相當(dāng)數(shù)量的透光與不透光的扇形區(qū)，這是

38、用來產(chǎn)生計數(shù)脈沖的增量碼道。 例如，一個每轉(zhuǎn)5000脈沖的增量型編碼器，其碼盤的增量碼道上共有5000個透光和不透光的扇形區(qū)這個編碼盤被安裝在編碼器的旋轉(zhuǎn)軸上，LED（光源)發(fā)射出平行且定向的光束照射在編碼盤上，光敏元件接收被調(diào)制的光線并將其轉(zhuǎn)化為兩個相位相差90°的正弦波，還有一些數(shù)字電子元件放大這些信號并將其整形成正交波的脈沖序列，由電纜傳動輸出。 增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的測量精度取決于它所能分辨的最小角度，這與碼盤圓周上的狹縫條紋數(shù)n有關(guān)，即分辨角度為: α=360°/n 分辨率=1/n 例如，條紋數(shù)為1024，則分辨角度α=360°/1024=0.32

39、5° 3.1.2絕對值式光電編碼器 絕對值式光電編碼器是按照角度直接進行編碼的傳感器，可直接將測角用數(shù)字編碼表不出來，且每一個角度位置均有對應(yīng)的編碼。這種編碼信號是在計算機或數(shù)字控制裝置中進行的。這種編碼器需要復(fù)雜的光電元件，比增量式編碼器成本要高。碼盤的分辨率與碼道數(shù)n的多少有關(guān)，碼道越多，分辨率越高，其分辨角α為: 絕對值式編碼器為每一個位置提供一具體數(shù)值(代碼值)，與增量式編碼器相比，絕對值式編碼器只要安裝好、供給工作電壓并初始化后即可正常工作，且掉電后不丟失數(shù)值;而增量型編碼器掉電后必須先調(diào)零才能繼續(xù)使用。 編碼盤與增量式編碼器類似，其上刻有透光和不透光的圖形，這

40、個編碼盤被安裝在編碼器的旋轉(zhuǎn)軸上，光源發(fā)射出的光經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)形成一束平行光投射在編碼盤上，并與碼盤另一面成徑向排列的光敏元件相耦合，碼盤上的碼道數(shù)就是該碼盤的數(shù)碼位數(shù)，對應(yīng)一碼道有一個光敏元件，當(dāng)碼盤處于不同位置時，各光敏元件根據(jù)受光與否轉(zhuǎn)換輸出相應(yīng)的電平信號（0或1)。 絕對值型編碼器可分為單轉(zhuǎn)編碼器(single-turn encoder)和多轉(zhuǎn)編碼器(multi-turn encoder) （1)單轉(zhuǎn)編碼器 單轉(zhuǎn)編碼器根據(jù)測量步數(shù)將機械上一圈(0--3600 )分成一定的數(shù)值，編碼器旋轉(zhuǎn)一圈以后重新記數(shù)，最大測量范圍為4096。 （2)多轉(zhuǎn)編碼器 多轉(zhuǎn)編碼器不僅檢測角度位置，還記

41、憶圈數(shù)，為實現(xiàn)這些功能，需將更多的刻度盤用軸承聯(lián)結(jié)在編碼器的旋轉(zhuǎn)軸上其測量范圍計算公式如下: 測量范圍=4096sX4096r 式中: *為步數(shù); r為轉(zhuǎn)數(shù) (3)格雷碼 目前，光電編碼器最常使用的代碼是格雷碼。格雷碼的特點是:當(dāng)一個數(shù)變化為下一個數(shù)時，在編碼盤上只有一位發(fā)生變化(從亮變暗)，即每增加一位數(shù)僅變化一格。在二進制中，二進制碼的各個位整體可表示一確定的數(shù)值，而格雷碼不行，它不對應(yīng)一確定的數(shù)值，而是通過SSI控制器將其轉(zhuǎn)化為二進制/BCD碼。格雷碼充分利用各個數(shù)位，記數(shù)范圍0-2。 例如: =16，計數(shù)范圍為0-15；=4096，計數(shù)范圍為0-4095。 測量范圍可由

42、計數(shù)范圍得出，例如兩個測量范圍值360和1000，如果計數(shù)范圍為76435，其測量范圍為360；如果從12-1011計數(shù)，其測量范圍為1000。 格雷碼的測量范圍必須是以2為底的整數(shù)次冪作為基準(zhǔn) 在本系統(tǒng)設(shè)計中，光電編碼器主要用于行程及速度的檢測，使用增量式光電編碼器就可以滿足要求。選用PIE系列PIE-1024-GOSE型編碼器，光電編碼器與拽引機同軸旋轉(zhuǎn)，拽引機直徑1.85m，拽引機旋轉(zhuǎn)一周罐籠運行5.812m，光電編碼器旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生1024個脈沖，一個脈沖對應(yīng)罐籠運行0.00567578m。 3.2可編程控制器概述 可編程控制器簡稱PC（Programmable Control

43、ler），它經(jīng)歷了可編程序矩陣控制器PMC、可編程序順序控制器PSC、可編程序邏輯控制器PLC（Programmable Logic Controller）和可編程序控制器PC幾個不同時期。為與個人計算機（PC）相區(qū)別，人們常把可編程控制器稱為可編程邏輯控制器PLC(Programmable logic Controller)。它是以微處理器為基礎(chǔ)，在傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)基礎(chǔ)上，綜合了計算機技術(shù)、半導(dǎo)體集成技術(shù)、自動控制技術(shù)、數(shù)字技術(shù)和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)而發(fā)展起來的新型控制器，是用作數(shù)字控制的專用計算機。由用戶編寫的程序進行邏輯控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等，并通過數(shù)字量和模擬量的輸入/輸出（I/O

44、）來控制各種生產(chǎn)過程。在現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展中，PLC技術(shù)、CAD/CAM技術(shù)和機器人技術(shù)并稱為現(xiàn)代工業(yè)自動化的三大支柱。 1987年國際電工委員會（International Electrical Committee）頒布的PLC標(biāo)準(zhǔn)草案中對PLC做了如下定義： “PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設(shè)計。” 世界

45、上公認(rèn)的第一臺PLC是1969年美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）研制的。限于當(dāng)時的元器件條件及計算機發(fā)展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小規(guī)模集成電路組成，可以完成簡單的邏輯控制及定時、計數(shù)功能。20世紀(jì)70年代初出現(xiàn)了微處理器。人們很快將其引入可編程控制器，使PLC增加了運算、數(shù)據(jù)傳送及處理等功能，完成了真正具有計算機特征的工業(yè)控制裝置。為了方便熟悉繼電器、接觸器系統(tǒng)的工程技術(shù)人員使用，可編程控制器采用和繼電器電路圖類似的梯形圖作為主要編程語言，并將參加運算及處理的計算機存儲元件都以繼電器命名。此時的PLC為微機技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物。 20世紀(jì)70年代中末期，可編程控制器進入

46、實用化發(fā)展階段，計算機技術(shù)已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。更高的運算速度、超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設(shè)計、模擬量運算、PID功能及極高的性價比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。20世紀(jì)80年代初，可編程控制器在先進工業(yè)國家中已獲得廣泛應(yīng)用。這個時期可編程控制器發(fā)展的特點是大規(guī)模、高速度、高性能、產(chǎn)品系列化。這個階段的另一個特點是世界上生產(chǎn)可編程控制器的國家日益增多，產(chǎn)量日益上升。這標(biāo)志著可編程控制器已步入成熟階段。 20世紀(jì)末期，可編程控制器的發(fā)展特點是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)的需要。從控制規(guī)模上來說，這個時期發(fā)展了大型機和超小型機；從控制能力上來說，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于

47、壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、位移等各式各樣的控制場合；從產(chǎn)品的配套能力來說，生產(chǎn)了各種人機界面單元、通信單元，使應(yīng)用可編程控制器的工業(yè)控制設(shè)備的配套更加容易。目前，可編程控制器在機械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用都得到了長足的發(fā)展。 我國可編程控制器的引進、應(yīng)用、研制、生產(chǎn)是伴隨著改革開放開始的。最初是在引進設(shè)備中大量使用了可編程控制器。接下來在各種企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備及產(chǎn)品中不斷擴大了PLC的應(yīng)用。目前，我國自己已可以生產(chǎn)中小型可編程控制器。上海東屋電氣有限公司生產(chǎn)的CF系列、杭州機床電器廠生產(chǎn)的DKK及D系列、大連組合機床研究所生產(chǎn)的S系列、蘇州電子計算機廠生產(chǎn)的YZ系列等多種產(chǎn)品已

48、具備了一定的規(guī)模并在工業(yè)產(chǎn)品中獲得了應(yīng)用。此外，無錫華光公司、上海鄉(xiāng)島公司等中外合資企業(yè)也是我國比較著名的PLC生產(chǎn)廠家?？梢灶A(yù)期，隨著我國現(xiàn)代化進程的深入，PLC在我國將有更廣闊的應(yīng)用天地。 PLC主要由CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊和編程器組成。PLC的主要特點如下： (1)可靠性高，控制功能強，適用于惡劣的工業(yè)環(huán)境； (2)模塊化結(jié)構(gòu)，擴展能力強，與外部設(shè)備連接方便； (3)體積小、重量輕、功耗低，性價比高； (4)維護方便，功能更改靈活，編程方便易學(xué)。 3.2.1可編程控制器結(jié)構(gòu)組成 目前，PLC生產(chǎn)廠家很多，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)也各不相同，但其基本組成部分大致如圖3-3所示。 由

49、圖3-3可以看出，PLC采用了典型的計算機結(jié)構(gòu)，主要由主機、I/O擴展接口及外圍設(shè)備組成。PLC主機由中央處理器（CPU）、存儲器、I/O接口、I/O擴展接口、通信接口、外圍設(shè)備接口和電源等部分組成。 下面介紹PLC主要組成部件及其主要作用。 1. CPU CPU是PLC的核心部件，也是PLC的運算和控制中心。PLC的工作過程都是在CPU的統(tǒng)一指揮和協(xié)調(diào)下進行的。CPU由微處理器和控制器組成，可以實現(xiàn)邏輯運算和數(shù)學(xué)運算，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)內(nèi)部各部分的工作。它的運行時按照系統(tǒng)程序所賦予的任務(wù)進行的。PLC常用的CPU有通用微處理器、單片機和位片式微處理器。通用微處理器按其所處理的數(shù)據(jù)位數(shù)可分為4

50、位、8位、16位和32位等。PLC大多使用8位和16位微處理器。控制器的作用是控制整個微處理器的各個部件有條不紊的進行工作，其基本功能就是從內(nèi)存中讀取指令和執(zhí)行指令?？刂破鹘涌陔娐窌r微處理器與主機內(nèi)部其他單元進行聯(lián)系的部件，主要有數(shù)據(jù)緩沖、單元選擇、信號匹配、中斷管理等功能。微處理器通過它來實現(xiàn)與各個單元之間的可靠的信息交換和最佳的時序配合。 圖3-3 PLC的典型結(jié)構(gòu) 控制器的主要功能有以下幾點： 采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，通過輸入接口存入輸入影映像寄存器或數(shù)據(jù)寄存器中，用掃描方式接收輸入設(shè)備的狀態(tài)信號，并存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)（輸入映像寄存器）。 按用戶程序存儲器中存放的先

51、后次序逐條讀取指令，完成各種數(shù)據(jù)的運算、傳遞和存儲等功能，進行編譯解釋后，按指令規(guī)定的任務(wù)完成各種運算和操作。 將各種運算結(jié)果送到輸出端。 監(jiān)測和診斷電源PLC內(nèi)部電路工作狀態(tài)，以及用戶程序編程過程中出現(xiàn)的語法錯誤。 根據(jù)數(shù)據(jù)處理的結(jié)果，刷新有關(guān)標(biāo)志位的狀態(tài)和輸出狀態(tài)寄存器的內(nèi)容，響應(yīng)各種外圍設(shè)備（如編程器、打印機、上位計算機、圖形監(jiān)控系統(tǒng)、條碼判讀器等）的工作請求，以實現(xiàn)輸出控制、制表打印或數(shù)據(jù)通信等功能。 2.存儲器 存儲器是PLC存放系統(tǒng)程序、用戶程序和運行數(shù)據(jù)的單元。PLC的存儲器由系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序存儲器兩部分組成。系統(tǒng)存儲器是PLC用于存放那個系統(tǒng)程序如指令（軟件）

52、等內(nèi)容的部件，這部分存儲器用戶不能訪問。 用戶存儲器是為用戶程序提供存儲的區(qū)域，用戶程序存儲器容量的大小界定了用戶程序的大小和復(fù)雜程度，從而決定了用戶程序所能完成的功能和任務(wù)的大小。用戶程序存儲器的容量一般以字節(jié)為單位。小型PLC的用戶程序存儲器容量在1KB左右，典型PLC的用戶程序存儲器容量可達數(shù)兆字節(jié)（MB）。PLC的用戶存儲器一般包括幾個部分，每一部分都有特定的功能和用途。 PLC的存儲器主要包括以下幾類： 只讀存儲器（Read Only Memory,ROM） ROM一般用來存放PLC的系統(tǒng)程序，其內(nèi)容可讀，但數(shù)據(jù)存儲后不可再寫或修改。大多數(shù)PLC采用了程序固化的運行方法，不僅將

53、系統(tǒng)啟動、自檢及基本的I/O驅(qū)動程序?qū)懭隦OM中，而且將各種控制、檢測功能莫闊、用戶組態(tài)的應(yīng)用程序及所有固定參數(shù)也全部固化在ROM中，即所有的系統(tǒng)程序和絕大部分的用戶程序都存儲在ROM中。因此在PLC的存儲器中，ROM占有較大的比例。只要接通電源，PLC就可以正常運行，所以ROM基本不受掉電、電噪聲等的影響。ROM的內(nèi)容只能讀出，不能寫入，是非易失的內(nèi)容。 可編程只讀存儲器（Programmable Read Only Memory,PROM） 存入PROM的程序是用戶用編程器一次性寫入的，不能再改變。PLC很少使用PROM作為應(yīng)用存儲器。一般在使用這類存儲器時需用RAM作永久備份。雖然PR

54、O可編程，具有ROM的非易失性，但它需要專門的編程設(shè)備。一旦編程便不易修改或擦除，對程序的任意修改則要求有一組新的PROM芯片。 可擦除可編程只讀存儲器（Erasable Programmable Read Only Memory,EPROM） EPROM是特制的PROM，也是非易失的，兼有ROM的非易失性和RAM的隨機存取的優(yōu)點。EPROM可視為半永久性存儲器，可永久的存儲某一程序直至需要修改。如果需要對芯片內(nèi)容進行徹底清除，則只要將芯片窗口暴露在紫外線下約20min即可。在徹底清除EPROM原內(nèi)容后可對程序進行重新編制。EPROM的永久存儲能力及易修改的RAM特性使其構(gòu)成了一個適宜的存儲

55、系統(tǒng)。 電可擦除可編程只讀存儲器（Electrically Erasable Progammable Read Only Memory,EEPROM） EEPROM是非易失性存儲器，然而也具有與RAM同樣的編程靈活性。EEPROM的存儲內(nèi)容由用戶寫入，并可反復(fù)寫入。在寫入新的內(nèi)容時，原來存儲的內(nèi)容會自動清除。 隨機存取存儲器（Random Access Memory,RAM） RAM又稱讀/寫存儲器，信息可讀、可寫。在PLC中作為用戶程序和數(shù)據(jù)的存儲器。用戶可以通過編程器讀出RAM中的內(nèi)容，也可以將用戶程序?qū)懭隦AM。RAM為程序運行提供了存儲實時數(shù)據(jù)與計算中間變量的空間，用戶在線操作時需

56、要修改的參數(shù)（如設(shè)定值、手動操作值、PID參數(shù)等）也需存入RAM中。另外，一些較先進的PLC還提供了在線修改用戶程序的功能。 由于RAM是一種揮發(fā)性的器件，即當(dāng)供電電源關(guān)斷后，其存儲的內(nèi)容會丟失，因此在實際使用中通稱為其配備掉電保護電路。當(dāng)正常電源關(guān)斷后，由后備電池供電，保護器存儲的內(nèi)容不丟失。為了在關(guān)斷PLC外部電源后，保存RAM中的用戶程序和某些數(shù)據(jù)（如計數(shù)器的計數(shù)值）不會丟失，一般為RAM配備了一個鋰電池。當(dāng)電源發(fā)生間隙供電時保持其內(nèi)容。通常鋰電池可用2-5年，需要更換鋰電池時，PLC面板上的“電池電壓過低”發(fā)光二極管亮，同時有一個內(nèi)部標(biāo)志位變?yōu)椤?”的狀態(tài)，可以用它的常開觸點來接通控

57、制屏面板上的指示燈或聲光報警器，通知用戶及時更換鋰電池?，F(xiàn)在大多數(shù)PLC都是用帶后備電池的RAM作為應(yīng)用存儲器。 3.I/O接口 I/O接口通常也稱I/O單元或I/O模塊，是PLC與工業(yè)過程控制現(xiàn)場之間的連接部件。PLC通過輸入接口能夠得到生產(chǎn)過程的各種參數(shù)，并向PLC提供開關(guān)信號量，經(jīng)過處理后，變成PLC能夠識別的信號。PLC通過輸出接口將處理結(jié)果送給被控制對象，以實現(xiàn)對工業(yè)現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)的控制目的。由于外部輸入設(shè)備和輸出設(shè)備所需的信號電平是多種多樣的，而PLC內(nèi)部CPU處理的信息只能是標(biāo)準(zhǔn)電平，所以I/O接口必須能實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。 輸入接口的作用是把現(xiàn)場的按鈕、各種開關(guān)或傳感器等信號轉(zhuǎn)變

58、成PLC內(nèi)部可以處理的標(biāo)準(zhǔn)信號。常用的輸入接口按其使用電源不同可以分成3種類型，即直流輸入接口、交流輸入接口和交直流輸入接口。輸入接口采用光電耦合電路，如圖3-2所示，它可以大大減少強電和電磁干擾。 輸出接口的作用是將PLC內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)信號轉(zhuǎn)換為外部現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)所需要的電開關(guān)量輸出信號。PLC的輸出接口也采用光電耦合電路設(shè)計，按PLC內(nèi)部所使用的功率放大器件不同可分為晶體管型、晶閘管型及繼電器型。 晶體管型輸出接口用于驅(qū)動直流負(fù)載。晶體管輸出單元的驅(qū)動電路一般采用晶體管進行驅(qū)動放大，其輸出方式一般為集電極輸出，外加直流負(fù)載電源，如圖3-4所示。帶負(fù)載能力為每個輸出點一般1A左右，每個模塊3A

59、左右。晶體管開關(guān)量輸出模塊為無觸點輸出模塊，使用壽命較長。晶體管輸出電路的延遲時間小于1ms。晶閘管型輸出接口電路用于驅(qū)動交流負(fù)載。該類型的輸出接口為無觸點開關(guān)，帶負(fù)載能力一般為每個輸出點1A左右，每個模塊4A左右。雙向晶閘管多用于交流負(fù)載，負(fù)載驅(qū)動能力比繼電器型的大，可直接驅(qū)動小功率接觸器。晶閘管型輸出電路其響應(yīng)時間介于晶體管型與繼電器型之間繼電器型輸出接口既可以驅(qū)動交流負(fù)載，又可以驅(qū)動直流負(fù)載。繼電器同時起隔離和功率放大作用，每一路只給用戶提供一對常開觸點。繼電器型輸出電路的滯后時間一般在10ms左右。 圖3-3輸入接口電路 圖3-4 晶體管型輸出接口電路 4.I/O擴展接口

60、I/O擴展接口用來擴展PLC的I/O端子數(shù)。當(dāng)用戶所需要的I/O端子數(shù)超過PLC基本單元的I/O端子數(shù)時，即主機單元（帶CPU）的I/O端子數(shù)不能滿足I/O設(shè)備端子數(shù)需要時，可通過此接口用扁平電纜線將I/O擴展接口（不帶有CPU）與主機單元相連接，以增加PLC的I/O端子數(shù)，適應(yīng)控制系統(tǒng)的要求。其他很多的智能單元也通過該接口與主機相連，PLC的擴展能力主要受CPU尋址能力和主機驅(qū)動能力的限制。 5.通信接口 PLC配有各種通信接口，如RS-232、RS-422和RS-485等接口，這些通信接口有的需要通信處理器。PLC通過這些通信接口可與監(jiān)視器、打印機、其他PLC、計算機等設(shè)備實現(xiàn)通信。

61、 6.外圍設(shè)備接口及特殊模塊 外圍設(shè)備接口是可編程控制器主機實現(xiàn)人-機對話、機-機對話的通道。通過它，可編程控制器可以和編程器、彩色圖形顯示器、打印機等外圍設(shè)備相連，也可以與其他可編程控制器或上位計算機連接。 PLC還有許多特殊功能模塊，主要包括模擬量I/O單元、遠(yuǎn)程I/O單元、高速計數(shù)模塊、中斷輸入模塊和PID調(diào)節(jié)模塊等。隨著PLC的進一步發(fā)展，特殊功能模塊的種類也越來越多。 7.電源 PLC的電源是指把外部供應(yīng)的交流電源經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓處理后，轉(zhuǎn)換成滿足PLC內(nèi)部的CPU、存儲器和I/O端子等電路工作所需要的直流電源電路或電源模塊。不同型號的PLC有不同的供電方式，所以PLC的

62、電源輸入電壓既有直流5V、12V和24V，又有交流110V和220V. 3.2.2可編程控制器的工作原理 PLC的一個工作過程一般有5個階段：內(nèi)部處理階段、通信處理階段、輸入采樣階段、程序執(zhí)行階段和輸出刷新階段。當(dāng)PLC開始運行時，首先清除I/O影響區(qū)的內(nèi)容，其次進行自診斷，然后與外部設(shè)備進行通信連接，確認(rèn)正常后開始掃描。對每個用戶程序，CPU 從第一條指令開始執(zhí)行，按指令步序號作周期性的程序循環(huán)掃描；如果無跳轉(zhuǎn)指令，則從第一條指令開始逐條執(zhí)行用戶程序，直至遇到結(jié)束符后又返回第一條指令。如此周而復(fù)始不斷循環(huán)，因此，PLC的工作方式是一種串行循環(huán)工作方式，如圖3-5所示。 （1）內(nèi)部處理階

63、段 在這一階段，CPU監(jiān)測主機硬件、用戶程序存儲器I/O模塊的狀態(tài)以及清除I/O映像區(qū)的內(nèi)容等，即PLC進行各種錯誤監(jiān)測（自診斷功能），若自診斷正常，則繼續(xù)向下掃描。 （2）通信處理階段 在通信處理階段，CPU自動監(jiān)測并處理各種通信端口接收到的任何信息，即檢查是否有編程器、計算機或尚未PLC等通信請求，若有則進行相應(yīng)處理，完成數(shù)據(jù)通信任務(wù)。譬如：PLC接收編程器送來的程序、命令和各種數(shù)據(jù)，并把要顯示的狀態(tài)、數(shù)據(jù)、出錯信息發(fā)送給編程器進行顯示，這稱為“監(jiān)視服務(wù)”，一般在程序執(zhí)行之后進行。 （3）輸入采樣階段 在輸入采樣階段，PLC首先掃描所有的輸入端子，按順序?qū)⑺休斎攵说妮斎胄盘枲顟B(tài)

64、（0或1表示在接線端上是否在承受外加電壓）讀入輸入映像寄存區(qū)。這個過程稱為對輸入信號的采用，或稱輸入刷新階段。完成輸入端刷新工作后，將關(guān)閉輸入端口，轉(zhuǎn)入下一步工作過程，即程序執(zhí)行階段。在程序執(zhí)行期間，即使輸入端狀態(tài)發(fā)生變化，輸入狀態(tài)寄存器的內(nèi)容也不會發(fā)生改變，而這些變化必須等到下一個工作周期的輸入刷新階段才能被讀入。 （4）程序執(zhí)行階段 程序執(zhí)行階段又稱程序處理階段，是PLC對程序按順序執(zhí)行的過程。在程序執(zhí)行階段，PLC根據(jù)用戶輸入的控制程序，從第一條指令開始逐條執(zhí)行，并將相應(yīng)的邏輯運算結(jié)果存入對應(yīng)的內(nèi)如輔助寄存器和輸出狀態(tài)寄存器；并且只有輸入映像寄存器存放的輸入采樣值不會發(fā)生變化，其他各

65、種數(shù)據(jù)在輸出映像寄存器或系統(tǒng)RAM存儲區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能隨著程序的執(zhí)行隨時發(fā)生改變。前面執(zhí)行的結(jié)果可能被后面的程序所用到，從而影響后面程序的執(zhí)行結(jié)果；而后面執(zhí)行的結(jié)果不可能改變前面的掃描結(jié)果，只有到了下一個掃描周期，再次掃描前面程序時才有可能起作用。但是，在掃描過程中如果遇到程序跳轉(zhuǎn)指令，就會根據(jù)跳轉(zhuǎn)條件是否滿足來決定程序的跳轉(zhuǎn)地址。當(dāng)指令中涉及輸入、輸出狀態(tài)時，PLC從輸入映像寄存器中“讀入”上一階段存入的對應(yīng)輸入端子狀態(tài)。從輸出映像寄存器“讀入”對應(yīng)處處映像寄存器的當(dāng)前狀態(tài)。然后，進行相應(yīng)的運算，運算結(jié)果再存入元件映像寄存器中。對于元件映像寄存器來說，每一個元件（輸出軟繼電器的狀態(tài)）

66、都會隨著程序執(zhí)行過程而變化。當(dāng)最后一條控制程序執(zhí)行完畢后，即轉(zhuǎn)入輸出刷新階段。 （5）輸出刷新階段 當(dāng)程序中所有指令執(zhí)行完畢后，PLC將輸出狀態(tài)寄存器中所有輸出繼電器的狀態(tài)，依次送到輸出鎖存電路，并通過一定輸出方式輸出，驅(qū)動外部負(fù)載，這就形成PLC的實際輸出。 輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新時PLC執(zhí)行用戶程序的3個主要階段，這3個階段構(gòu)成PLC的一個工作周期。由此循環(huán)往復(fù)，因此稱為循環(huán)掃描工作方式。 圖3-5 PLC的循環(huán)掃描過程 由此可以總結(jié)出PLC在掃描過程中信號的處理規(guī)則如下： 輸入映像寄存區(qū)中的數(shù)據(jù)，取決于本掃描周期輸入采樣階段所處的狀態(tài)。在程序執(zhí)行和輸出刷新階段，輸入映像區(qū)中的數(shù)據(jù)不會因為有新的輸入信號而發(fā)生改變。 輸出映像寄存區(qū)中的由程序中輸出指令的執(zhí)行結(jié)果決定。在輸入采樣和輸出刷新階段，輸出映像區(qū)的數(shù)據(jù)不會發(fā)生改變。 輸出端子直接與外部負(fù)載連接，其狀態(tài)由輸出裝填寄存器中的數(shù)據(jù)來確定。 3.2.3 S7-200系列可編程控制器功能概述 西門子公司生產(chǎn)的SIMATIC S7-200系列PLC,除了一般PLC具有的定時/計數(shù)控制、條件控制、數(shù)據(jù)處理、運動控制和過程控制功能外，還具有多種其他功能，使得編程控制時更加靈活、方便。 執(zhí)行指令速度高。CPU 執(zhí)行每條二進制指令的時間為0.37μs。 豐富的指令功能。