煤矿主井装卸载自动控制系统设计

第1页共38页山东科技大学成教学院枣矿集团分院毕业设计（论文）题目:煤矿主井装卸载自动控制系统设计专业矿山机电姓名唐维忠2013年9月19日第2页共38页摘要本设计说明书介绍了基于虚拟仪器开发平台LabVIEW开发的主井提升监护系统。本系统设计采用分散式控制系统，系统由两个可编程控制器和一个上位机构成。使用两个三菱FX2N系列可编程控制器分别实现提升的定重装载与卸载功能。上位机使用LabVIEW开发提升机监护软件。上位机与可编程控制器之间通过RS-485串行通讯实现数据传输。在定重装卸载控制部分，重点介绍了本质安全型控制电路的设计；可编．程控制器的编程，如何根据工艺流程编制程序实现控制要求；串行通讯程序的设计。在上位机监护部分介绍了系统的软硬件构成。该监护系统硬件上使用研化工业控制计算机与研化PCL-818L用于温度采集，与研化PCL-836用于定量仓定重及温度报警，与PCL-846用于扩展串行口，实现上位机与可编程控制器的数据传输。传感器的选择与电路设计。软件上详细介绍了温度与定量仓定重方面的数据采集程序、数字量输出程序、串行通讯程序的编写。关健词：虚拟仪器；LabVIEW；数据采集；可编程控制器；串行通讯；定重装卸载；监护系统第3页共38页目录第一章概论...........................................4第二章系统总体设计方案及其功能.......................6第一节现场状况与设计要求..........................6第二节系统组成与功能..............................7第三章装载控制系统的设计.............................10第一节电路设计...................................10第二节可编程控制器的选用及程序设计...............14第四章卸载控制系统的设计.............................19第一节电路设计...................................19第二节可编程控制器的程序设计.....................19第五章上位机管理系统的设计...........................22第一节LabVIEW编程平台简介........................22第二节系统硬件组成...............................24第三节数字量输出电路的设计.......................30第四节系统软件构成...............................31结束语................................................37参考文献。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。56第4页共38页第一章概论矿井运输与提升在矿山生产中有十分重要的作用，因为采掘下来的矿物只有运出矿井才有价值。由于矿井运输线路长，且由多个环节和各种运输设备配套而成，如果线路某个环节中断，就会使工作面和其他工作地点的作业陷于停顿．在矿井生产事故中，运输与提升事故占很大比例．从经济角度看，运输费用在生产成本中占很大的比重，因为地面及井下运输设备很多，运输工人和装载工人数几乎占全矿工人之半。煤矿自动化是煤矿企业现代化的重要标志之一，也是实现高产高效矿井生产的技术保障。机电一体化技术的发展促进了煤矿自动化的发展。煤矿自动化的本质在于扩大和延伸人类的感观和操作能力，提高机械装置的精确性、快速性、可靠性和安全性，以及节省能源节省劳力等，从而解放、发展和提高劳动生产力。而不是简单的理解为节省劳动力，更不能仅仅是为了实现无人操作。在现阶段的矿井生产中，采煤工作面已经实现了完全的自动化，运输及提升的自动化提到了议事日程。主井定重装卸载控制系统就是适应煤矿自动化技术而设计，其实现了主井装卸载的自动化，定重装载保证了提升运行的安全。节省了运输和装载工人，降低了矿井生产的成本。在集散控制系统中，上位机是不可缺少的部分．上位机软件必须能够有效的实现对系统数据的管理．在该设计中选用LabVIEW第5页共38页作为上位机软件设计的环境。。LabVIEW是一种主要用于开发测控系统的语言，与传统编程语言，如C或Basic不同之处在于：一般编程语言是使用文本描述方式来写程序，而LabVIEW是以图形方式建立方块图程序。和C或者Basic一样，LabVIEW也有许多的函数库和子程序，可以用来编写一般用途的程序。其它还有一些特殊用途的函数库，可用来实现数据采集、数据传输（GPIB）、仪器硬件控制（VXI、PXI）、数据分析及显示、数据存储功能．此外，为了方便开发人员在开发过程中进行调试和排错，LabVIEW可以在方块图中设置断点、动态显示程序流程，以单步执行来检查程序的运行状态和排除错误。，本设计介绍了由上位机与两个可编程控制器（分别控制装载与卸载）组成的主井定重装卸载控制系统。第6页共38页第二章系统总体设计方案及其功能第一节现场状况与设计要求一现场状况蒋庄煤矿装载硐室内前后有1#.2#两个井下煤仓，煤仓分别配备两个给煤机：1#煤仓配有左1＃给煤机和右1#给煤机；2#煤仓配有左2#给煤机和右2#给煤机。运输皮带机有左右两个：左皮带机和右皮带机．两煤仓下给煤机把煤运送到皮带机上，左右皮带机分别把煤运送到左右定量仓中．这样可以实现左右同时运煤，提高了运输速度。定量仓采用压磁传感器测量装载吨数。当定量仓装载达到设定重量，并且提升箕斗到位时，定量仓仓门打开，煤装载到提升箕斗中。装载控制拒控制各设备，从而实现装载自动化。二设计要求（1)、本系统井下部分及相关电路采用本质安全型电路。（2）、上位机显示内容包括：皮带机开、停，给煤机开、停，定量斗开、关和满、空，箕斗运行方向，箕斗装卸载开、关门，箕斗到位情况。装载定量斗重量吨数显示和体积模拟显示（柱状图），卸载仓满显示。信号及状态显示：点数、正常状态、检修状态等。（3）装载及卸载同样能显示各设备状态．采用动态发光二极管显示。第7页共38页第二节系统组成与功能一系统的总体设计方案本系统采用分散型控制系统，结构简图如下（详见系统流程图）：分散型控制系统适用于多台设备的控制，在各设备设备生产线间有数据连接。在本系统中，井下PLC为装载控制，所控制的设备有：四台给煤机、两部皮带机、两个定量斗电磁阀。井上PLC为卸载控制，所控制设备有：提升箕斗的电磁阀。上位机的作用是：监测提升机轴瓦温度，模拟演示装卸载及箕斗提升的工艺流程。二系统硬件组成：研华工业控制计算机、三菱Fx2N系列可编程控制器、研华PCI-818L数据采集卡、研华PCL-836多功能记数\记时、数字输入第8页共38页\输出卡、研华PCL-846串行口扩展卡。三系统模块图及功能系统模块图1装载控制系统的功能：可实现点动控制、手动控制与自动闭锁控制的三种工作方式。在正常工作情况下，使用自动控制；在可编程控制器发生故障时，第9页共38页使用点动控制；在检修等其它工作情况下，可使用手动控制．2上位机管理系统的功能：（1）定量仓定重。工业控制计算机通过研华PCL-836多功能计数\计时、数字输入\输出卡采集定量仓压磁传感器的频率信号，并通过该卡输出数字量到可编程控制器，实现装载系统中的定重。（2)温度监测。工业控制计算机通过研华PCL-818L数据采集卡采集提升机轴瓦温度信号，对提升机进行温度的监测，并具备一定的数据库功能，可以对温度数据进行查询、显示、打印。（3)数据通讯。通过RS-485标准串行接口从装载控制系统接收装卸载设备状态数据，对其进行模拟演示。并把接受到的数据传送到卸载控制系统．四串行通讯的设计：主井定重装载、卸载控制台采用LED界面显示，车房采用工业控制计算机界面显示，三地同步显示设备运行状况，均能监视到整个系统的运行状态．串行通讯接口的选择原则是：1可靠性。如果传送错误，将会使工业控制计算机和卸载控制拒不能正确显示各设备状态．2通讯速度与通讯距离．大约1000m，并且要保证一定的通讯速度。3通讯信道的抗干扰能力．第10页共38页第三章装载控制系统的设计第一节电路设计一本质安全型电路根据设计要求，装载部分电路设计为本质安全电路。由于本质安全型电气设备不需要隔爆外壳，电路中的通断火花不会点燃可燃气体混合物。因此它具有结构简单、体积小、制造维修方便、造价低、安全性可靠等特点。本质安全电路原理：本质安全电路是通过适当选择电气元件和系统参数，降低电源电压，减小线路电流，对储能元件采取消能措施，使电路系统或设备无论在正常工作或故障状态下所产生的电火花或元件的温度都不能点燃爆炸性混合物。装载控制系统属于隔爆兼本质安全型的复合式电气设备．由于可编程控制器属于非本质安全型设备，必须安装在隔爆箱内。其余电路皆设计为本质安全电路，直接安装在设计的控制拒内。二装载控制系统原理电路及印制板的设计1控制面板的设计控制面板采用发光二极管的亮与灭表示设备的启动与停止状态．皮带机与提升运行的显示通过多个二极管的亮与灭模拟显示。控制面板的继电器的作用是：当可编程控制器通过控制继电器的通与断，从而控制左皮带机与右皮带机、左提升与右提升的动作第11页共38页显示灯，这样可以大大减少了可编程控制器的输出口。控制面板印刷电路板的设计：总体上采用元件卧式安装一规则排列一圆形焊盘的工艺结构．在印制电路板板材、形状、尺寸和厚度的确定方面主要考虑以下因素：在井下安装，工作环境恶劣；其安装在控制柜窗口，形状和尺寸均由控制拒窗口决定；印制电路板上的元件主要有发光二极管、欧姆龙G6A-274P继电器、电阻，电路板对元气件的承重和振动冲击较小，本安电路电流只有7.27mA，印制导线的载流量可按20A/mm，则印制导线的截面积S=7.27/20=0.36*10-3mm22可编程控制器输入输出信号接线板的设计可编程控制器的输入信号中，有些不但要进入可编程控制器，而且要控制面板上的发光二极管；输出信号也有一些信号不但要控制设备，而且也要控制面板上的发光二极管。设计中采用双触点继电器解决这一问题．一个触点控制发光二极管，另一个触点进入可编程控制器或控制设备．为了接线方便设计一个印制板电路，该电路要符合本安要求．三设备的控制系统中控制设备采用QC810-60型矿用隔爆兼安全火花型磁力起动器．该起动器的额定电流为60安培，可以控制660伏40千瓦以下的鼠笼电动机。结构特点：采用抽屉式芯架和隔爆外壳和械闭锁机构．外壳右侧装有“起动”和“停止”和“按钮”。第12页共38页QC810-60型磁力起动器控制电路采用直流操作，可以防止控制线发生短路故障时接触器误动作。因为控制线短路时，远方二极管环被短接，交流电流过继电器2J，直流继电器对交流电杭很大，电路中电流很小，ZJ不动作，接触器也不会动作，从而电路不会因控制线发生短路故障而闭和。当远方控制按钮无二极管或二极管Dz失效时，可将16-13之间的连线拆除，使二极管D，投入工作。但是这种接线方式在控制回路发生短路时，不能防止自起动，接触器不能自动分裂．由于控制回路电压较低、电流较小，属于安全火花型电路，外接按妞允许使用非隔爆普通按钮。四隔爆箱的选型与控制拒的设计隔爆箱的参数为额定电压：127V，额定频率：50Hz，最大I/O点数：64，本安电压：12/24v,本安电流/每点：10mA,防爆标志：dib(150℃)，防爆合格证号：1002256;安全标志号：2000102.五通讯线的连接RS-485通讯板带有标准的RS485串行口，它与Fx2N系列可编程控制器的连接方式有以下几种：1)无协议数据传送在无协议传输中，通过RS485(422）转换器，可以和RS232标准串行口模块通讯。包括计算机、条形码识别器和打印机。在这种应用中，数据的发送与接收是通过程序指定的数据寄存器。第13页共38页2）使用协议通讯使用