乔欣毕业设计1

摘要 .......................................................................................................................................................... 1 ABSTRACT ............................................................................................................................................ 2 第一章 绪论 ............................................................................................................................................ 3 第一节 平煤四矿钢缆皮带运输系统简介 ......................................................................................... 3 第二节 设计原则和标准 .................................................................................................................... 4 第三节 驱动系统的功率计算 ............................................................................................................ 5

一、主要计算参数 ................................................................................................ 5 二、阻力计算 ........................................................................................................ 6 三、张力分布示意图 ............................................................................................ 6 四、逐点张力计算 ................................................................................................ 6 五、电动机功率计算 ............................................................................................ 7

第二章 设备选型 .................................................................................................................................... 8 第一节 电动机选型 ............................................................................................................................ 8

一、电动机起动功率验算 .................................................................................... 8 二、电机选型结果 ................................................................................................ 8

第二节 变频器选型 ............................................................................................................................ 9

一、变频器 ............................................................................................................ 9 二、选用变频调速的原因 .................................................................................. 10 三、调速方案的确定 .......................................................................................... 11 四、变频系统组成 .............................................................................................. 13 五、变频系统的功能 .......................................................................................... 13

第三节 IGBT结构及工作原理 ......................................................................................................... 13

一、IGBT的结构 ................................................................................................. 13 二、IGBT的工作原理 ......................................................................................... 14

第四节 CC-LINK ................................................................................................................................ 17

一、CC-Link是什么 ........................................................................................... 17 二、CC-Link 的特点 .......................................................................................... 19 三、系统配置 ...................................................................... 错误！未定义书签。

第五节 液压系统 .............................................................................................................................. 23

一、机房盘型闸液压系统 .................................................................................. 23 二、机尾钢丝绳液压张紧系统 .......................................................................... 23

第三章 可编程控制器部分 .................................................................................................................. 24 第一节 可编程控制器的定义 .......................................................................................................... 24 第二节 可编程序控制器系统的发展历程 ....................................................................................... 24 第三节 可编程序控制器的发状况及发展趋势 ............................................................................... 25 第四节 可编程控制器的特点 .......................................................................................................... 25 第五节 可编程控制器的组成 .......................................................................................................... 26 第六节 可编程控制器的工作原理 .................................................................................................. 31 第四章 钢缆皮带的PLC控制系统 .................................................................................................... 36

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第一节 钢缆皮带运行过程 .............................................................................................................. 36

一、系统控制要求 .............................................................................................. 36 二、控制系统的I/O点的地址分配 .................................................................. 36

第二节 选择方案 .............................................................................................................................. 37 第三节 PLC选型 ............................................................................................................................... 40

一、隔爆型控制箱 .............................................................................................. 41 二、本安型操纵台 .............................................................................................. 42 三、控制部分 ...................................................................................................... 42 四、控制系统的各项保护 .................................................................................. 43 五、操作方式 ...................................................................................................... 45

第四节 系统配置 .............................................................................................................................. 46 第五节 变频器的谐波治理 .............................................................................................................. 47 第六节 软件部分 .............................................................................................................................. 48 第七节 PLC程序调试 ....................................................................................................................... 51

一、程序的模拟调试 .......................................................................................... 52 二、程序的现场调试 .......................................................................................... 52

第五章 设备的维护与保养 .................................................................................................................. 54 第一节 变频器 .................................................................................................................................. 54

一、使用变频器时的注意事项 .......................................................................... 54 二、变频器的维护与保养 .................................................................................. 54 三、必须定期更换的器件 .................................................................................. 55 四、变频器的储存与保管 .................................................................................. 55

第二节 PLC ........................................................................................................................................ 56

一、PLC使用应注意的事项 ............................................................................... 56 二、PLC的维护与保养 ....................................................................................... 58

结束语 .................................................................................................................................................... 58 参考文献 ................................................................................................................................................ 59

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摘要

目前，国内仍有不少煤矿钢缆皮带的控制系统在使用传统的控制方式，这种控制方式存在耗电量大，维护困难，动态特性差、故障率高、维护困难等缺点。多数煤矿现在井下钢缆皮带使用的直流电机属非防爆设备，另外，由于采区变化，运输距离减短，传统控制系统运行模式很不经济，已经不能适应现代化生产的需要。所以急需对现用的电气部分控制方案进行改造。用PLC、防爆电机和变频器组成的系统进行控制，能够解决钢缆皮带传统控制系统中存在的问题和不足，提高煤矿设备的自动化水平。

本设计主要研究一种基于三菱系列PLC的煤矿皮带运输机控制系统，包含绪论、设备选型、可编程控制器部分、钢缆皮带的PLC控制系统及系统的维护与保养部分的设计，可编程控制器部分详细阐述了PLC的性能，设备选型部分完成了系统工艺过程分析及具体硬件设计，钢缆皮带的PLC控制部分完成了控制系统的I/O点及地址分配、系统外围硬件连接图以及对梯形图的设计，部分通过了调试，该系统基本上实现了对皮带运输机系统的控制和各种保护，提高生产效率、减少现场操作人员、提高系统运行的安全性。

关键词：PLC；控制系统；运行原理；电气制动

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Abstract

At present, there are still many domestic coal belt of the cable control system in the use of the traditional control methods, such control mode power consumption, maintenance difficulties, the dynamic characteristics of poor, high failure rate, difficulties in maintaining shortcomings. Most coal mines are underground cable belt use of the DC motor is a non-explosion-proof equipment, In addition, due to changes in mining area, reducing the transport distance, the traditional mode of operation control system is not the economy, has been unable to meet the needs of modern production. So is an urgent need to use some of the electrical control programme to transform. With PLC, explosion-proof motor and inverter system consisting of control, can solve the traditional cable belt control system of the existing problems and shortcomings, improve coal mine level of automation equipment.

The design of a major research-based Mitsubishi series PLC in a coal mine belt transport control system, including introduction, equipment selection, the PLC part of the cable belt PLC control system and system maintenance and maintenance part of the design, Programming controller elaborate on the part of the performance of PLC, equipment selection of the complete process of the system and specific hardware design, the cable belt PLC control the completion of the control system of I / O addresses and points distribution, system hardware peripherals Connection of the ladder, as well as the design, partly by the commissioning of the system is basically realized its belt transport system control and protection, increase productivity and reduce operating officer at the scene, improve the safety of the system.

Key Words:PLC;control system;movement priciple;the electricity applies the brake

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第一章 绪论

第一节 平煤四矿钢缆皮带运输系统简介

四矿钢缆皮带于1979年7月安装投入运行，担负着一水平采区的运煤、运人任务。原电控系统，主回路采用调压器和二极管整流给直流电动机供电，操作回路为继电器控制。当时，直流调速系统比交流调速具有更优良的调速性能，因而在大型的重要的设备中得到应用。

但是，在多年的运行中，直流模拟控制系统也表现出动态特性差、故障率高、维护困难等缺点。而且，随着矿井的延深和瓦斯涌出量的增加，平煤四矿被定为“瓦斯突出矿井”，《煤矿安全规程》规定，瓦斯矿井不得使用非防爆设备。现在井下钢缆皮带使用的2台400KW直流电机属非防爆设备，另外，由于采区变化，运输距离由1400米缩减到780米，原模式运行很不经济，所以急需对现用的电气部分控制方案进行改造。

四矿钢缆皮带属于大型集中运输设备，而且有运人任务，对起动、调速要求较高，交流绕线式电机串电阻调速不能满足平稳的要求，而软启动设备没有低速运行功能，不能进行验绳等检修工作，而且从国家、先进性和长远利益来看，变频调速应为首选。

随着电力电子器件、微电子技术及计算机技术的发展，交流电动机变频调速技术得到迅速发展，使得结构简单牢固、价格低廉、应用普及的异步电动机，有了性能良好的调速手段。目前，鼠笼异步电动机变频调速技术已较为成熟，性价比优越。国外变频器生产技术较为成熟的厂家有，德国的西门子、施耐德、日本的三菱、安川、松下、芬兰ABB等公司，国内有深圳的华为、四川的森兰、南京的耐特。国家经贸委《“九五”资源节能综合利用工作纲要》中，变频调速已被列入重点组织实施的10项技术改造示范工程之一，目前在我国独资或合资生产变频器的企业已逐渐形成规模，以后一定会取得大跨步的发展。

在电气控制方面，随着大规模集成电路和微处理器的发展和应用，出现了可编程序控制器（简称PLC），它把计算机的功能完备、通用性和灵活性好等优点，与继电接触式控制系统的操作方便、简单易懂、价格低廉等优点结合起来，更适

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应于工业环境的通用控制，现在又增加了算术运算、过程控制、数据通信等功能，已可以完成大型而复杂的控制任务。在全球PLC制造商中，西门子公司、AB公司、施耐德公司、三菱公司、欧姆龙公司的销售额约占全球总销售额的三分之二。国内PLC形成产品化的生产企业市场占有率不超过10%,但在价格上占有明显的优势。

所以，本设计方案定为变频调速、PLC控制。采用2台YBSS－250－12电动机，ABB公司变频器，三菱PLC。改造后，系统运行将更加安全、节能、可靠。

设计的基本步骤为

1、根据国家有关规定和驱动系统的功率计算，查手册、选择电动机。 2根据钢缆皮带运输的实际要求，结合变频控制方法分析，完成变频器的选型。

3按照控制要求，确定外部联锁信号、相关保护等，分析需用点数、容量、通信预留等，选用PLC的型号、规格和技术参数。

4采用梯形图法完成软件设计。 5配置系统所需的装置和元件。 6用计算机绘制相关图纸。 7上机验证控制方案的可行性。

第二节 设计原则和标准

1、遵循“五高”方针，即高起点、高技术、高质量、高效率、高效益，突出效益优先。

2、技术先进，可靠性高，扩展与升级容易，具有故障自诊断功能，作到能用、够用，好用。

3、充分利用现有资源，在技术先进的基础上，做到经济实用。

4、系统符合《煤矿安全规程》（2004版）相关系统设计，安装的规定，实现控制系统所有设备防爆。

5、系统的电磁兼容性符合国家标准。

6、网络通讯功能强大，易于与其它系统集成。

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7、紧密结合现场实际情况，减速机、驱动轮、牵引钢丝绳、胶带、机身保持不变。

第三节 驱动系统的功率计算

一、主要计算参数 1、运输长度：L=780m 2、倾角：β=9°30′ 3、提升高度:H=115.96 m 4、输送能力：Q=600t/h 5、牵引钢丝绳:6×W(26)-40.5-ZZ 6、减速机型号:GLJ-170 传动比:i=35.5 7、驱动轮直径:D=3500㎜ 摩擦衬垫:铝基合金 8、导向轮直径:D=2800㎜

9、带速：V物=2.0m/s V人=1.8 m/s V验绳=0.5 m/s 10、胶带宽度:B=1.0 m

11、单位长度物料重量：q=Q/3.6V=600/3.6×2=83.3㎏/ m 12、单位长度胶带重量：qA=25.6㎏/ m 13、单位长度钢丝绳重量：qK=6.09㎏/ m 14、钢丝绳运行阻力系数：ω=0.02（0.01~0.03） 15、钢丝绳允许挠度系数：C0=0.025（0.01~0.03） 16、牵引钢丝绳载荷分布不均匀系数：C3=1.05 17、上托轮转动部分重量：q′=9.6㎏/ m 18、下托轮转动部分重量：q″=4.8㎏/ m 19、钢丝绳经一个导向轮的阻力系数：K0=1.02 20、牵引钢丝绳数：nK=2 21、下托轮间距：l″=6 m

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二、阻力计算

1、有载段阻力：

W′=L〔(q+ qA+2 qK)(ωcosβ+sinβ)+ q′ω〕

=780×〔(83.3+25.6+2×6.09)(0.02cos9.5°+sin9.5°)+9.6×0.02〕 =17600㎏ 2、空载段阻力：

W″=L〔( qA+2 qK)(ωcosβ－sinβ)+ q″ω〕

=780×〔(25.6+2×6.09)(0.02cos9.5°－sin9.5°)+4.8×0.02〕 =－4207.5㎏ 三、张力分布示意图

S4 S3 3′ 4S2 2S1 β 1

图一 张力分布示意图

四、逐点张力计算

从胶带两端至钢丝绳两端二段距离内，由钢丝绳重量所产生的阻力可忽略不计，S1、S2、S3、S4视为钢丝绳各点张力。

1、驱动段最小张力

Smin=S2=1.225nK（C3qA/ nK+ qK）l″10/C0 =1.225×2(1.05×25.6/2+6.09)6×10/0.025 =114836.4N=11483.㎏

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2、其它各点张力

S1=S2－W″

=11483－（－4207） =15690㎏ S3= K0S2

=1.02×11483=11712.66㎏

S4=S3+ W′

=11712.66+17600=29312.66㎏ 3、驱动轮牵引力 F=S4－S1

=29312.66－15690=13622.66㎏

五、电动机功率计算

P′=m1FV/102η

=1.25×13622.66×2/（102×0.85） =392.81KW

式中：m1——电动机功率备用系数（1.15~1.25）；

η——机械传动效率（0.85~0.95）。

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第二章 设备选型

第一节 电动机选型

一、电动机起动功率验算

（一） 重载起动时增加的功率 P″=1/η〔0.00028QLV/t+0.002 q

LV²/t+0.004q

LV²/t+0.002（q′+q″）LV²

AK/t+0.001(∑GdV²)/t+G1V²/1000/t+n²(GD²)/366000/t〕

=1/0.85×〔0.00028×600×780×2/20+0.002 ×25.6×780×2²/20+0.004×6.09× 780×2²/20+0.002×（9.6+4.8）×780×2²/20+0.001×(4620×2²)/20+ 24515.6×2²/1000/20+495²×8/366000/20〕 =75.45KW

式中：t——钢缆皮带机起动时间，8~20S

∑Gd——除驱动轮和中间托绳轮以外的各种轮子转动部分重量的总和，查机械制造零部件图，∑Gd=4620㎏ GD²——电动机转动惯量。

G1——驱动轮与减速机转动部分的变位重量。 （二）过负荷验算：

（P′+P″）/PN≤（0.75~0.85）λ （过载系数） （392.81+75.45）/2×250≤（0.75~0.85）×2.5 0.9365＜1.875~2.125

根据以上验算结果得知选用的电动机功率能满足要求。 二、电机选型结果

1、由于设备用于煤矿井下，所以必须选用防爆型电动机。 2、井下低压供电皮带电压等级一般为:AC660V

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3、由胶带运行速度范围0.5~2米/秒反算电动机转速，则电动机n=96~387转/分。另外考虑用户要求电动机选型应为今后皮带速度提到2.5米/秒留有余量，电动机的极数选12极。

4、变频调速低速运行时电动机容易发热，因此选用水冷电动机。 选型结果如表一所示

表一 电机选型结果 台数 2 型号 YBSS－250－12 功率 250KW 频率电压电流转速 生产厂家 （Hz） （V） （A） （转/分） 50Hz 660V 298.3A 495 南阳防爆电机集团

第二节 变频器选型

一、变频器

（一）通用变频器的基本结构和类型

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。它就是一种改变电源频率和电压的设备，从结构上看，变频器分为3部分：

1、操作面板：包括显示屏和键盘；

2、主电路接线端：包括工频电网的输入端和接电动机的输出端； 3、控制端子：包括外部信号控制变频调速器的端子、变频调速器工作状态指示端子、变频与微机或其他设备的通信接口。

从结构上看，变频器分为交－交变频器和交－直－交变频两类。 （1）交－交变频器

交－交变频器可直接把交流电变成频率和电压都可变的交流电。其主要优点是没有中间环节，故变换效率高。但其连续可调的频率范围窄，一般为额定频率的1/2以下，主要用于容量较大的低速拖动系统中。

（2）交－直－交变频器

交－直－交变频器则是先把交流电经整流器整流成直流电，在经过逆变器把这个直流电流变成频率和电压都可变的交流电。

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无论是交－交变频器还是交－直－交变频器，从变频电源的性质上看，又可分为电压源型变频器和电流源型变频器。电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容；电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流滤波是电感。

①、电压源型变频器

在交－直－交变压变频装置中，当中间直流环节采用大电容滤波时，直流电压波形比较平直，在理想情况下是一个内阻抗为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波，这类变频装置叫做电压源型变频器。一般的交－交变压变频装置虽然没有滤波电容，但供电电源的低阻抗使它具有电压源的性质，也属于电压源型变频器。

②、电流源型变频器

当交－直－交变压变频装置的中间直流环节采用大电感滤波时，直流电流波形比较平直，因而电源内阻抗很大，对负载来说基本上是一个电流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，这类变频装置叫做电流源型变频器。有的交－交变压变频装置用电抗器将输出电流强制变成矩形波或阶梯波具有电流源的性质，它也是电流源型变频。

二、选用变频调速的原因 列出几种交流调速的比较

（一）变频调速可以实现软起动，降低机械冲击、降低起动电流对电网的影响、乘人时抑制加速度给人带来的不良反应。

软启动方式是在电源和电机之间串入软启动器的一种电机启动方式，也可归入降压启动的范畴，但它不同于一般的降压启动，它采用的是逐步升压的方式，电流也是逐步增大的，其停止时电流和电压也是逐步减小的。

软启动装置以微电脑作为其控制单元，利用软件，通过建立输入电动机、电网和负载数学模型，根据选定控制策略作出离线模拟，采用三对反并联晶闸管串接于电动机的三相供电线上。利用晶闸管的电子开关特性，通过控制其触发导通角的大小来改变晶闸管的开通程度，以此来改变电动机启动时输入电压和输入电流的大小，达到控制电机的启动特性。软启动控制器接收到启动指令后，便进行有关计算，确定晶闸管的触发信号，通过控制晶闸管使软启动装置按所设定的方

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式输出相应的电压，以控制电机的启动过程。

电机完成启动过程后，软启动控制器便控制交流接触器吸合，短路所有晶闸管，使电机直接投网运行，避免不必要的能源损耗。

实际应用中，软启动具有下列优点

1、无冲击电流。软启动器在启动电机时，电机启动电流从零线性上升至设定值。它对电机无冲击，提高了供电可靠性，平稳启动，减少对负载的冲击转矩，能延长机器使用寿命，而且启动电流小，通过调节启动转矩实现低速启动，可频繁启动。

2、软停车功能。停止时平滑减速，逐渐停机，从而克服了瞬间断点停机的弊病，减轻对负载设备的机械冲击，减少设备损坏。

3、启动参数可调。根据负载情况及电网继电保护特性，可自由地无级调整至最佳启动电流。

软启动的主要目的是降低异步电机的启动电流，提高系统运行平稳性，延长电机及相关设备的使用寿命。因其电机启动时的电压和电流均可在一定范围内由用户进行调整，且可提供多种智能的启动曲线，有完善的电机保护功能，有显著的节能效果，因此，其用途相当广泛，目前在世界上正处于大力发展阶段。

（二）能够实现运人、运煤、及验绳检修多种速度。

（三）四矿钢缆皮带属于集中运输巷，担负着丁九、戊九采区及联络巷分运皮带的煤炭运输任务，有长期运行要求，变频调速能够降低冲击、节约电能，设备初期投资大点，但从长远来看还是经济的。 三、调速方案的确定

（一）驱动系统类型

为了与现场机械部分对接，采用一台变频器带一台电动机的单独拖动，整流与逆变一一对应组成变频器的常规方式。

（二）制动方式

钢缆皮带为上行皮带，上皮带运煤或下皮带运人时惯性很小，停车时采用回馈制动节能效果不明显，所以采用结构简单成本低廉的能耗制动。

（三）运行控制模式

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1、三种运行控制模式

（1）u/f控制方式思路简单，附加要求少，控制容易实现，适合于多数二次方转矩负载以及对动态性能要求不高的反抗性转矩负载应用。

（2）矢量控制原理实际是对直流电机的模仿，通过矢量变换分离和合成励磁及转矩矢量，实现了磁链子系统和转速子系统的近似解耦，具备了控制转矩的手段。

（3）建立定子磁链和电磁转矩的数学观测模型，利用可测量的物理量，以软测量技术获得定子磁链和电磁转矩的反馈值，采用滞环式闭环控制方式，利用电压空间矢量的开关状态切换来实现对磁通和电磁转矩的分别控制，这就是基于磁链跟踪脉宽调制的直接转矩控制的基本原理。

矢量控制的稳态特性优于直接转矩控制，直接转矩控制的动态特性优于矢量控制，但两者的差别并不大，都是高性能的控制模式，其动态、稳态性能都能满足绝大多数的应用需求。

2、选择结果

根据市场各公司资料和价格，拟选用ABB公司提供的直接转矩控制方式产品。

（1）选择变频器的品牌

根据生产厂家的市场口碑，选ABB公司的产品。按照电动机额定电流 Ievf

≥K1Ied=1.1×298.3=328.13A 选355kw变频器。

（2）变频器的选型结果 查阅ZJT3—355/1140(660)的具体资料 ZJT3—355/1140(660) 水冷式矿用本质安全型交流变频调速控制装置 技术参数：额定交流电压：1140V(660) 额定最大输出电流：355A 输入电源频率：50HZ 输出频率范围：0~50HZ

控制型式：转矩控制型 矢量控制型 额定工作制：不间断工作制

该变频器过载能力：150%额定电流60S

180%额定电流10S

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每次过载的间隔时间应大于20min

在数字控制模式条件下的分辨率为0.1HZ。

四、变频系统组成

主要由输入输出电抗器；变频器逆变部分（IGBT）,控制部分；显示部分和电源部分组成。

1、输入输出电抗器用来有效的抑制变频器产生的谐波分量。

2、变频器逆变部分通常是指将交流供电电源整流后通过IGBT逆变模块调制成频率可调的一种电源输出，简称交直交变频器。

3、控制部分指变频器的主控制模块，主要功能是接受或输出各种指令（起停，急停，手动选择，自动选择，故障复位，变频器就绪，变频器运行，变频器故障），速度编码器的信号采集等。

4、显示部分指变频器自身的参数或各种状态在码盘上显示，同时码盘可作为本地控制盘使用。

5、电源部分指提供变频器内部使用的不同等级的电源。有AC 220V;DC 24V等。

五、变频系统的功能

1、系统可任意调整加、减速度。钢缆皮带输送机要求起动和停止平稳，为减少机械冲击，加、减速度要小于0.2m/s²，同时为防止起动时瞬时打滑，要求等加速起动。变频器的加减时间可在1——9999秒内任意调整。

2、所选变频器具有保护和自诊断功能，完善的保护功能以保障电气设备的正常运行，此变频器具有过压、欠压、过流、过热、短路、接地、三相不平衡、缺相等保护。能够保存最近10次的故障代码，还能保存相应的故障参数。

第三节 IGBT结构及工作原理

一、IGBT的结构

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)是绝缘栅双极型功率管，它是由

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BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式电力电子器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

IGBT在结构上类似于 MOSFET ，其不同点在于 IGBT 是在 N 沟道功率 MOSFET 的 N+ 基板（漏极）上增加了一个 P+ 基板（ IGBT 的集电极），形成 PN 结 j1 ，并由此引出漏极、栅极和源极则完全与 MOSFET 相似。 IGBT 相当于一个由 MOSFET 驱动的厚基区 GTR ，Rdr 是厚基区 GTR 的扩展电阻。 IGBT 是以 GTR 为主导件、 MOSFET 为驱动件的复合结构。

由于 IGBT 是在 N 沟道 MOSFET 的 N+ 基板上加一层 P+ 基板，形成了四层结构，由 PNP － NPN 晶体管构成 IGBT 。但是， NPN 晶体管和发射极由于铝电极短路，设计时尽可能使 NPN 不起作用。所 以说， IGBT 的基本工作与 NPN 晶体管无关，可以认为是将 N 沟道 MOSFET 作为输入极， PNP 晶体管作为输出极的单向达林顿管。

采取这样的结构可在 N-层作电导率调制，提高电流密度。这是因 为从 P+ 基板经过 N+ 层向高电阻的 N-- 层注入少量载流子的结果。 IGBT 的设计是通过 PNP － NPN 晶体管的连接形成晶闸管。 二、IGBT的工作原理

IGBT是强电流、高电压应用和快速终端设备用垂直功率MOSFET的自然进化。由于实现一个较高的击穿电压BVDSS需要一个源漏通道，而这个通道却具有很高的电阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS(on)数值高的特征，而IGBT消除了现有功率MOSFET的这些主要缺点。虽然最新一代功率MOSFET器件大幅度改进了RDS(on)特性，但是在高电平时，功率导通损耗仍然要比IGBT 技术高出很多。较低的压降，转换成一个低VCE(sat)的能力，以及IGBT的结构，同一个标准双极器件相比，可支持更高电流密度。GBT硅片的结构与功率MOSFET 的结构十分相似，主要差异是IGBT增加了P+ 基片和一个N+ 缓冲层（NPT-

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非穿通-IGBT技术没有增加这个部分）。其中一个MOSFET驱动两个双极器件。基片的应用在管体的P+和N+ 区之间创建了一个J1结。当正栅偏压使栅极下面反演P基区时，一个N沟道形成，同时出现一个电子流，并完全按照功率MOSFET的方式产生一股电流。如果这个电子流产生的电压在0.7V范围内，那么，J1将处于正向偏压，一些空穴注入N-区内，并调整阴阳极之间的电阻率，这种方式降低了功率导通的总损耗，并启动了第二个电荷流。最后的结果是，在半导体层次内临时出现两种不同的电流拓扑：一个电子流(MOSFET 电流)； 一个是空穴电流（双极）。

（一）关断

当在栅极施加一个负偏压或栅压低于门限值时，沟道被禁止，没有空穴注入N-区内。在任何情况下，如果MOSFET电流在开关阶段迅速下降，集电极电流则逐渐降低，这是因为换向开始后，在N层内还存在少数的载流子（少子）。这种残余电流值（尾流）的降低，完全取决于关断时电荷的密度，而密度又与几种因素有关，如掺杂质的数量和拓扑，层次厚度和温度。少子的衰减使集电极电流具有特征尾流波形，集电极电流引起以下问题：功耗升高；交叉导通问题，特别是在使用续流二极管的设备上，问题更加明显。鉴于尾流与少子的重组有关，尾流的电流值应与芯片的温度、IC 和VCE密切相关的空穴移动性有密切的关系。因此，根据所达到的温度，降低这种作用在终端设备设计上的电流的不理想效应是可行的，尾流特性与VCE、 IC和 TC之间的关系。

（二）反向阻断

当集电极被施加一个反向电压时， J1 就会受到反向偏压控制，耗尽层则会向N-区扩展。因过多地降低这个层面的厚度，将无法取得一个有效的阻断能力，所以，这个机制十分重要。另一方面，如果过大地增加这个区域尺寸，就会连续地提高压降。第二点清楚地说明了NPT器件的压降比等效（IC 和速度相同） PT 器件的压降高的原因。

（三）正向阻断

当栅极和发射极短接并在集电极端子施加一个正电压时，P/N J3结受反向电压控制。此时，仍然是由N漂移区中的耗尽层承受外部施加的电压。

（四）正向导通特性

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在通态中，IGBT可以按照“第一近似”和功率MOSFET驱动的PNP晶体管建模。理解器件在工作时的物理特性所需的结构元件（寄生元件不考虑在内）。IC是VCE的一个函数（静态特性），假如阴极和阳极之间的压降不超过0.7V，即使栅信号让MOSFET沟道形成，集电极电流IC也无法流通。当沟道上的电压大于VGE -Vth 时，电流处于饱和状态，输出电阻无限大。由于IGBT结构中含有一个双极MOSFET和一个功率MOSFET，因此，它的温度特性取决于在属性上具有对比性的两个器件的净效率。功率MOSFET的温度系数是正的，而双极的温度系数则是负的。描述了VCE(sat) 作为一个集电极电流的函数在不同结温时的变化情况。当必须并联两个以上的设备时，这个问题变得十分重要，而且只能按照对应某一电流率的VCE(sat)选择一个并联设备来解决问题。有时候，用一个NPT进行简易并联的效果是很好的，但是与一个电平和速度相同的PT器件相比，使用NPT会造成压降增加。

（五）动态特性

动态特性是指IGBT在开关期间的特性。鉴于IGBT的等效电路，要控制这个器件，必须驱动MOSFET 元件。这就是说，IGBT的驱动系统实际上应与MOSFET的相同，而且复杂程度低于双极驱动系统。如前文所述，当通过栅极提供栅正偏压时，在MOSFET部分形成一个N沟道。如果这一电子流产生的电压处于0.7V范围内， P+ / N- 则处于正向偏压控制，少数载流子注入N区，形成一个空穴双极流。导通时间是驱动电路的输出阴抗和施加的栅极电压的一个函数。通过改变栅电阻Rg的值来控制器件的速度是可行的，通过这种方式，输出寄生电容Cge和 Cgc可实现不同的电荷速率。换句话说，通过改变 Rg值，可以改变与Rg (Cge+Cgc) 值相等的寄生净值的时间常量，然后，改变dV/dti。数据表中常用的驱动电压是15V。di/dt是Rg的一个函数，栅电阻对IGBT的导通速率的影响是很明显的。因为Rg数值变化也会影响dv/dt斜率，因此，Rg值对功耗的影响很大 。在关断时，再次出现了我们曾在具有功率MOSFET和 BJT 器件双重特性的等效模型中讨论过的特性。当发送到栅极的信号降低到密勒效应初始值时，VCE开始升高。如前文所述，根据驱动器的情况，VCE达到最大电平而且受到Cge和 Cgc的密勒效应影响后，电流不会立即归零，相反会出现一个典型的尾状，其长度取决于少数载流子的寿命。在IGBT处于正偏压期间，这些

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电荷被注入到N区，这是IGBT与MOSFET开关对比最不利特性之主要原因。降低这种有害现象有多种方式。例如，可以降低导通期间从P+基片注入的空穴数量的百分比，同时，通过提高掺杂质水平和缓冲层厚度，来提高重组速度。由于VCE(sat) 增高和潜在的闩锁问题，这种排除空穴的做法会降低电流的处理能力。

（六）最大工作频率

开关频率是用户选择适合的IGBT时需考虑的一个重要的参数，所有的硅片制造商都为不同的开关频率专门制造了不同的产品。

特别是在电流流通并主要与VCE(sat)相关时，把导通损耗定义成功率损耗是可行的。这三者之间的表达式：Pcond = VCE IC ，其中， 是负载系数。开关损耗与IGBT的换向有关系；但是，主要与工作时的总能量消耗Ets相关，并与终端设备的频率的关系更加紧密。 Psw = Ets

总损耗是两部分损耗之和： Ptot = Pcond + Psw

在这一点上，总功耗显然与Ets 和 VCE(sat)两个主要参数有内在的联系。 这些变量之间适度的平衡关系，与IGBT技术密切相关，并为客户最大限度降低终端设备的综合散热提供了选择的机会。因此，为最大限度地降低功耗，根据终端设备的频率，以及与特殊应用有内在联系的电平特性，用户应选择不同的器件。

第四节 CC-LINK

一、CC-Link是什么

（一）CC-Link

CC Link是一个技术先进、性能卓越、使用简单、成本较低、应用广泛的开放式现场总线。。是一种可以同时高速处理控制和信息数据的现场网络系统，可以提供高效、一体化的工厂和过程自动化控制。

CC-Link用专用电缆连接象I/O 模块、智能功能模块和特殊功能模块这样的分布式模块，连接后这些模块就可以由PLC CPU 控制。

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1、通过将各个模块分布安装到象传送线和机器设备这样的机器上，可以提高整个系统的接线效率。

2、可以非常容易地高速发送和接收由模块处理的输入/输出和数字数据的开/关数据。

3、可以通过连接多个PLC CPU 配置一个简单的分布式系统。

4、通过连接由三菱合作制造商制造的各种设备，系统可以提供灵活的解决方案，满足用户的各种不同需求。

（二）CC-Link特性 1、减少配线，提高效率

CC-Link显著减少了当今复杂的生产线上的控制线和电源线。 2、广泛的多厂商设备使用环境

广泛的多厂商设备使用环境，您可以从广泛的CC-Link产品群中选择适合您自动化控制的最佳设备。

（1）CC-Link会员生产厂商：已经超过506家 （2）CC-Link兼容产品：已经超过490多种

电磁阀，传感器，转换器，温度控制器，传输设备，条形码阅读器，ID系统，网关，机器人，伺服驱动器，PLC。

3、高速的输入输出响应

CC-Link实现了最高为10Mbps的高速通讯速度，输入输出响应可靠，并且响应时间快，可靠和具有确定性。

4、距离延长自由自在

CC-Link的最大总延长距离可达1.2km(156kbps)。另外，通过使用中继器（T型分支）或光纤中继器，可进一步延长传输距离，适用于网络扩张时需远距离设置的设备。

5、丰富的RAS*功能

RAS*：Reliability, Availability, Serviceability（可靠性，有效性，可维护性） （三）CC-Link使用结构

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CC-Link的组网结构如图二所示

图二CC-Link的组网结构

二、CC-Link 的特点

（一）远程I/O 站通信

开关或指示灯的ON/OFF 状态使用远程输入RX 和远程输出RY 进行通信 （二）远程设备站通信

和远程设备站进行交换的信号（初始请求、发生出错标志等等）使用远程输入RX 和远程输出RY 进行通信。到远程设备站的设定数据用远程寄存器RWw 和RWr 进行通信

（三）本地站通信

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主站和本地站之间的通信使用两种类型的传送方法：循环传送和瞬时传送 1、循环传送：PLC CPU 之间的数据通信可以使用位数据（远程输入RX 和远程输出RY）和字数据（远程寄存器RWw 和RWr）以N：N 的模式进行。

2、瞬时传送对本地站缓冲存储器和CPU 软元件的读（RIRD）或写（RIWT）可以以任何时序进行。

（四）智能设备站通信

1、循环传送，和智能设备站进行交换的信号（定位开始，定位结束等等）用远程输入RX和远程输出RY 进行通信。数字数据（定位开始数，当前进给值等等）用远程寄存器RWw 和RWr 进行通信。

2、瞬时传送，在这种传送方法下，指定了对方并且在任意时刻下都执行1:1 通信。对智能设备站缓冲存储器的（RIRD）或写（RIWT）可以以任何时序进行。如图三所示：

图三 瞬时传送示意图

5、宕机预防（从站切断功能）

因为系统采用总线连接方法，即使一个模块系统因停电而失效，也不会影响和其它正常模块的通信，而且，对于使用两个端子排的模块，可以在数据链接的时候更换该模块，（切断模块电压然后更换模块）。但是，如果断开了电缆连接，就禁止了所有站的数据链接。

6、自动复位功能

如果因断电而从链接断开的站复位到正常状态，该站会自动加入数据链接。 7、主站PLC CPU 出错时数据链接状态设置

如果主站的PLC CPU]产生象“SP. UNIT ERROR”这样的错误导致操作停止，数据链接状态可以设定为“停止”或者“继续”。如果是“BATTERY ERROR”这样可以继续进行操作的错误，则不管设置如何，数据链接都将继续。

8、设定来自数据链接出错站的输入数据状态

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可以清除从数据链接状态出错站输入（接收到的）的数据或者将它保持在出错之前瞬间的状态。

9、待机主站功能

如果主站因PLC CPU 或者电源故障发生故障，这个功能可以通过切换到备用主站（主站的备用站）的办法继续进行数据链接。即使在备用主站控制进行数据链接时，主站也可以复位到在线，准备在备用主站宕机的时候启用。

10、远程设备站初始化流程注册功能：本功能用GPPW 为远程设备站执行初始设置，不用创建顺控程序。

11、中断程序的事件发布

在GPPW 设定条件让PLC CPU 执行中断程序时本功能发布一个事件。 12、自动CC-Link 启动

通过安装QJ61BT11，不用创建顺控程序，只要打开电源，就启动CC-Link 并刷新所有数据。但是，如果连接模块的数目小于 的话，就有必要设定网络参数以优化链接扫描时间。

13、根据系统选择模式

CC-Link 有两种模式：远程网络模式和远程I/O 网络模式。 14、保留站功能

如果把没有实际连接的站（准备在将来连接的站）指定为保留站的话，就不会把它们做为故障站处理。

15、出错无效站设置功能

通过设置网络参数，主站和本地站就不会把系统配置中断电的模块当做“数据链接出错的站”处理。但是，一定要小心，因为不再检测出错。

16、扫描同步功能

本功能使链接扫描和顺控扫描同步。 17、暂时出错无效站设置功能

通过这个功能，在线时主站和本地站就不会把由GPPW 指定的模块当做“数据链接出错的站”处理。可以更换模块而不会在线上检测到错误。

18、数据链接停止/重新启动

在使用数据链接时，可以停止和重新启动它。

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19、站号重合检测功能

本功能检测连接站的状态，来查看系统中已占用的站号是否重合或者是否有多于一个站的站号已设定为0。 三、系统配置

可以将总共 个远程I/O 站、远程设备站、本地站、备用主站或智能设备站连接到一个单独的主站。但是，必须满足下列条件：

11a2b3c4d①、占用1个站的模块数



②、占用2个站的模块数 ③、占用3个站的模块数 ④、占用4个站的模块数

216a54b88c ①、远程I/O站的数量 ②、远程设备站的数量

③、本地站、备用主站和智能设备站的数量

2304

（一）注意事项

接通和关闭电源的时候,接通远程I/O 模块电源以后再开始数据链接。停止数据链接以后再切断远程I/O模块电源。

远程I/O 模块瞬间掉电时向远程I/O 模块供电的电源（24V 直流）发生瞬间掉电时，可能会引起误输入。

1、因瞬间掉电而导致出错输入的原因

远程I/O 模块硬件使用的电源是在内部将模块电源（24V 直流）转换成5V 直流的电源。

远程I/O 模块中发生瞬间掉电时，出现下列情况：（远程I/O 模块中的5V 直流电源关闭的时间）>（输入模块由开关的响应时间）的时间里执行刷新就会发生误输入。

2、误输入的对策

对于电源模块，AC 输入的稳压电源和外部输入电源要从同一个电源接电源

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电缆。

第五节 液压系统

一、机房盘型闸液压系统

车房盘型闸制动液压系统采用洛阳市重冶矿山机械有限公司生产的PY-140型液压系统，主要技术参数如下：

制动油最大压力：14Mpa； 最大输油量：13L/Min； 油箱储油量：900L； 工作温度不超过65C；

制动油牌号：22#透平油或N32、N46抗磨液压油； 储能器溶剂：10L；

储能器充氮压力：10-12Ma； 二、机尾钢丝绳液压张紧系统

机尾钢丝绳液压张紧系统采用中国矿业大学机电学院的ZLY型带式输送机液压自动拉紧装置，主要技术参数如下：

最大拉紧力：200KN（18Ma）； 拉紧力调节范围：90-200KN； 绞车电机功率：7.5KW； 泵站电机功率：4KW； 额定电压：380/660V。

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第三章 可编程控制器部分

第一节 可编程控制器的定义

可编程控制器（Programmable Logic Controller）通常简称为可编程控制器，英文缩写为PLC或PC，是以微处理器为基础，综合计算机技术、自动控制技术可通信技术而发展起来的一种通用的工业自动控制装置。专为工业环境而设计，它具有体积小、功能强、程序设计简单、灵活通用、维护方便等优点，特别是它的搞可靠性和较强的恶劣工业环境适应能力更是得到用户的好评。它将传统的继电器控制技术和现代计算机信息处理技术的优点结合起来，成为工业自动化领域中最重要、应用最多的控制设备。

第二节 可编程序控制器系统的发展历程

六十年代末期，美国的汽车制造业竞争激烈，各生产厂家汽车型号不断更新，其加工的生产线亦必须随之改变，对整个控制系统要重新配置，因此，1968年美国通用汽车公司（GM）公开招标，对控制系统提出具体要求：

1、编程简单，可在现场修改程序；

2、维修方便，采用模块化结构，即插件式；

3、可靠性高于继电器控制系统，能在恶劣环境下工作； 4、体积小于继电器控制柜；

5、价格便宜，成本应可与继电器控制系统竞争；

6、输入、输出可以采用市电，电流达到一定 要求（2A以上），可直接驱动继电器和电磁阀；

7、具有数据通讯功能，数据可直接送入管理计算机； 8、易于系统扩展，在扩展系统时只要很小变更； 9、用户程序存储器容量至少能扩展到4K以上。

这些要求实际上提出了将继电器控制系统的简单易懂、使用方便、价格低的优点与计算机的功能完善、灵活性、通用性好的特点结合起来，将继电接触器控制硬接线逻辑转变为计算机的软件逻辑编程的设想。

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1969年美国数字设备公司（DEC）根据上述要求，研制出世界上第一台可编程序控制器，并在GM公司汽车生产线上首次应用成功。当时人们把它称为可编程序逻辑控制器PLC（Progrmmable Logic Controller），只是用它取代继电接触器控制，功能仅限于执行继电器逻辑、计时、计数等。可编程序控制器问世后，发展极为迅速。

1971年日本开始生产可编程序控制器；1973年欧洲开始生产可编程序控制器，到现在世界各国一些著名的电气制造商几乎都在生产PLC装置，如美国罗克韦尔自动化公司的A-B、欧洲的西门子、日本的三菱、日本的OMROM、美国的GE等，PLC已作为一个的工业设备被列入生产中，成为当代电控装置的主导。国际电工委员会（IEC）1985年1月对可编程序控制器作过如下定义：“可编程序控制器是一种数字运算的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于工业控制系统联成一个整体、易于扩充功能的原则设计。”

第三节 可编程序控制器的发状况及发展趋势

1、产品规模向大、小两个方向发展； 2、体系结构开放化及通信功能标准化； 3、I/O模块智能化及专用化； 4、编程组态软件图形化； 5、发展集成技术及容错技术。

第四节 可编程控制器的特点

1、抗干扰能力强，可靠性高

在I/O环节，PLC采用了光电隔离、滤波等多种措施。系统程序和大部分的用户程序都采用EEPROM，一般PLC的平均无故障工作时间可达几万小时以上。

2、控制系统结构简单，通用性强

PLC所采用的CPU一般是具有较强位处理功能的位处理机，为了增强其复

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杂的控制功能和联网通信等管理功能，可以采用双CPU的运行方式，使其功能得到极大的加强。

3、编程方便，易于使用

第一编程语言（梯形图）是一种图形编程语言，与多年来工业现场使用的电器控制图非常相似，理解方式也相同，非常适合现场人员的学习。

4、适用于恶劣的工业环境

采用封装的方式，适合于各种震动、腐蚀及有毒气体等的应用场合。 5、与外部设备连接方便

采用统一接线方式的可拆装的活动的端子排，提供不同的端子能适合于多种电气规格。

6、体积小、重量轻、功耗低 7、性价比高

与其他控制方式相比，性能价格比较高。 8、模块化结构，扩展能力强

根据现场需要可进行不同功能的扩展和组装，一般型号的PLC可用于控制从几个I/O点到几百个I/O点的控制系统。

9、维修方便，功能更改灵活

程序的修改就意味着控制功能的修改，因此功能的更改非常灵活。

第五节 可编程控制器的组成

PLC的硬件主要由处理器（CPU）、存储器、输入/输出单元、电源模块、扩展接口、通信接口、编程器等部分组成。其中，CPU是PLC的核心，输入单元与输出单元是连接现场输入/输出设备与CPU之间的接口电路，通信接口用于与编程器、上位计算机等外设连接。其结构框图如图四所示：

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编程器 输 入 单元 CPU） 处理单元（ 系统程序存储器 用户程序存储器 输 出 单元，电源 图四 PLC结构简化框图

（一）处理单元（简称CPU）

处理单元是PLC的控制中枢，核心部件，其性能决定了PLC的性能。 组成：由控制器，运算器和寄存器组成，这些电路都集中在一块芯片上，通过地址总线，数据总线，控制总线，与存储器的输入，输出接口电路相连。

常用芯片：通用微处理器，单片机，位片式微处理器。

作用：处理和运行用户程序，进行逻辑和数算，控制整个系统，使之协调的工作。具体有：

1、接收并存储从编程器键入的用户程序和数据，用扫描方式接收现场输入设备的状态或数据，并将输入状态或数据存入输入印象区或数据寄存器。

2、检查电源、存储器及PLC内部电路的工作状态，并诊断用户程序中的语法错误。

3、PLC进入运行状态后，从存储器中逐条读取用户程序，经指令解释后按指令规定的任务产生相应的控制信号，去启闭有关的控制电路，分时、分渠道地去执行数据的存取，传送，组合，比较和变换等操作，完成用户程序中规定的逻辑或算术运算等任务。

4、根据运算结果，更换有关影象区的状态和输出状态寄存器的内容，根据输出状态寄存器或数据寄存器的内容实现对输出的控制。

（二）存储器

存储器是具有记忆功能的半导体电路。

分类：PLC中的存储器按用途分为系统程序存储器、用户程序存储器和工作数据存储器三种。

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1、系统程序存储器中存放的是厂家编写的系统程序，固化在ROM内，它决定了PLC的功能，用户不能更改其内容。

2、用户程序存储器用来存放用户根据控制要求用PLC编程语言编写的各种用户应用程序，用户可以根据需要对其内容进行修改。

3、工作数据存储器用来存储工作数据。工作数据是经常变化、经常存取的，它包括输出映像寄存器和程序执行过程中的参数等。PLC的种类很多，无论用户使用哪一种类型，要想编制正确的程序，必须对存储器的划分非常清楚。

作用：存放系统程序，用户程序，逻辑变量和其它一些信息。

系统程序：控制PLC完成各种功能的程序，由PLC生产厂家编写，并固化到只读式存储器ROM中，用户不能访问。

用户程序：用户根据工程现场的生产过程和工艺要求编写的程序。通过编程器输入到PLC的随机存储器RAM中，允许修改，由用户启动运行。

结构：由存储体、地址译码电路、读写控制电路、数据寄存器组成。 存储体由存储单元构成，作用：存放二进制数据。

地址译码电路的作用：根据地址总线上的地址编码选取相应的存储单元。 读写控制电路的作用：将选中的存储单元的内容读到数据寄存器中或将数据寄存器的内容写到选中的存储单元中。

数据寄存器的作用：存放从存储单元读出的数据，或者存放从数据总线送来并准备写到存储单元去的数据。

（1）存储器的工作过程 ①、数据的写入过程 ②、数据的读出过程 （2）PLC中使用的存储器 ①、只读存储器ROM ②、随机存储器RAM

ROM为只读存储器，存放PLC制造厂家写入的系统程序，并永远驻留在ROM中，PLC去电后再上电，ROM内容不变。

RAM为可读写的存储器，读出时其内容不被破坏，写入时，新写入的内容覆盖原有的内容。为防止掉电后信息丢失，配有后备锂电池。

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除此而外，PLC还有EPROM、EEPROM存储器。

PLC产品样本或使用说明书中给出的存储器形式或容量等均指用户存储器。存储器容量是PLC的一个重要性能指标。

（三）输入/输出单元

输入/输出单元通常也称I/O单元或I/O模块，是PLC与工业生产现场设备之间相连接的桥梁。

输入接口模块接收来自现场检测部件传来的各种状态控制信号，由接口电路将这些信号转换为CPU能识别和处理的信号，并存入输入映像寄存器。

输入接口采用光电耦合电路将PLC与现场设备隔离起来，以提高PLC的抗干扰能力。接口电路内部有滤波、电平转移及信号所存电路等。各PLC生产厂家都提供了多种形式的I/O部件或模块供用户选用。

输出接口模块是PLC与现场设备之间的连接部件，用来将输出信号送给控制对象的输出接口。其作用是将处理器送出的弱电信号转换成现场需要的功率信号，驱动被控设备的执行元件。

输出接口电路也使用了光电耦合技术，每一点输出都有一个内部电路，由指示电路、隔离电路和继电器组成。输出接口电路具有输出状态锁存、显示、电平转移和输出接线端子排，有多种类型的输出部件或模块供用户选用。

PLC通过输入接口可以检测被控对象的各种数据，以这些数据作为PLC对被控制对象进行控制的依据；同时PLC又通过输出接口将处理结果送给被控制对象，以实现控制目的。

由于外部输入设备和输出设备所需的信号电平是多种多样的，而PLC内部CPU的处理的信息只能是标准电平，所以I/O接口要实现这种转换。I/O接口一般都具有光电隔离和滤波功能，以提高PLC的抗干扰能力。另外，I/O接口上通常还有状态指示，工作状况直观，便于维护。

PLC提供了多种操作电平和驱动能力的I/O接口，有各种各样功能的I/O接口供用户选用。I/O接口的主要类型有：开关量输入、开关量输出、数字量输入、数字量输出、模拟量输入、模拟量输出等。

常用的开关量输入接口按其使用的电源不同有三种类型：直流输入接口、交流输入接口和交/直流输入接口。

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常用的开关量输出接口按输出开关器件不同有三种类型：是继电器输出、晶体管输出和双向晶闸管输出。继电器输出接口可驱动交流或直流负载，但其响应时间长，动作频率低；而晶体管输出和双向晶闸管输出接口的响应速度快，动作频率高，但前者只能用于驱动直流负载，后者只能用于交流负载。

PLC的I/O接口所能接受的输入信号个数和输出信号个数称为PLC输入/输出（I/O）点数。I/O点数是选择PLC的重要依据之一。当系统的I/O点数不够时，可通过PLC的I/O扩展接口对系统进行扩展。

（四）电源模块

PLC配有开关电源，以供内部电路使用。与普通电源相比，PLC电源的稳定性好、抗干扰能力强。对电网提供的电源稳定度要求不高，一般允许电源电压在其额定值±15%的范围内波动。许多PLC还向外提供直流24V稳压电源，用于对外部传感器供电。

（五）扩展接口

当用户所需的输入/输出（I/O）点数超过PLC基本单元的输入/输出点数时，就需要对系统进行扩展。I/O扩展接口就是用来连接中心基本单元与扩展单元的。

（六）通信接口

PLC配有各种通信接口，这些通信接口一般都带有通信处理器。PLC通过这些通信接口可与监视器、打印机、其它PLC、计算机等设备实现通信。PLC与打印机连接，可将过程信息、系统参数等输出打印；与监视器连接，可将控制过程图像显示出来；与其它PLC连接，可组成多机系统或连成网络，实现更大规模控制。与计算机连接，可组成多级分布式控制系统，实现控制与管理相结合。PLC通信主要采用串行异步通信，其常用的串行通信接口标准有RS-232C、RS-422A和RS-485等。

（七）编程器

编程器的作用是用来供用户进行程序的输入、编辑、调试和监视的。编程器一般分为简易型和智能型两类。简易型只能联机编程，且往往需要将梯形图转化为机器语言助记符后才能送入。而智能型编程器（又称图形编程器），不但可以连机编程，而且还可以脱机编程。操作方便且功能强大。

（八）其它外部设备

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除了以上所述的部件和设备外，PLC还有许多外部设备，如EPROM写入器、外存储器、人/机接口装置等。

EPROM写入器是用来将用户程序固化到EPROM存储器中的一种PLC外部设备。为了使调试好用户程序不易丢失，经常用EPROM写入器将PLC内RAM保存到EPROM中。

PLC内部的半导体存储器称为内存储器。有时可用外部的磁带、磁盘和用半导体存储器作成的存储盒等来存储PLC的用户程序，这些存储器件称为外存储器。外存储器一般是通过编程器或其它智能模块提供的接口，实现与内存储器之间相互传送用户程序。

人/机接口装置是用来实现操作人员与PLC控制系统的对话。最简单、最普遍的人/机接口装置由安装在控制台上的按钮、转换开关、拨码开关、指示灯、LED显示器、声光报警器等器件构成。对于PLC系统，还可采用半智能型CRT人/机接口装置和智能型终端人/机接口装置。半智能型CRT人/机接口装置可长期安装在控制台上，通过通信接口接收来自PLC的信息并在CRT上显示出来；而智能型终端人/机接口装置有自己的微处理器和存储器，能够与操作人员快速交换信息，并通过通信接口与PLC相连，也可作为的节点接入PLC网络。

第六节 可编程控制器的工作原理

（一）可编程序控制器的工作原理

可编程控制器是一种专用的工业控制计算机，其工作原理与计算机控制系统的工作原理基本相同。

概括而言，PLC是按集中输入、集中输出，周期性循环扫描的方式进行工作的。

第一部分是上电及内部处理。机器上电后对PLC系统进行一次初始化工作，包括硬件初始化，I/O模块配置检查，停电保持范围设定及其他初始化处理等。

第二部分是扫描过程。CPU对用户程序的执行过程是CPU的循环扫描，并用周期性地集中采样、集中输出的方式来完成的。扫描周期：通常规定，从扫描过程的某一点开始，经过一个循环重新回到该点所需要的时间称为扫描周期。如果忽略可编程序控制器的通讯服务时间，忽略更新时钟及进行自诊断的时间，忽

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略I/O刷新的响应滞后时间，扫描周期就是程序执行时间和I/O扫描时间之和。常用1千条（1K）指令所需的时间来说明可编程序控制器的扫描速度（大约1ms~10ms/k指令）。当CPU处于STOP方式时，转入执行自诊断检查。当CPU处于RUN方式时，还要完成用户程序的执行和输出处理，再转入执行自诊断检查。一个扫描周期（工作周期）主要分为以下几个阶段：

1、输入采样扫描阶段

这是第一个集中批处理过程，在这个阶段中，PLC按顺序逐个采集所有输入端子上的信号，不论输入端子上是否接线，CPU顺序读取全部输入端，将所有采集到的一批输入信号写到输入映像寄存器中，在当前的扫描周期内，用户程序用到的输入信号的状态（ON或OFF）均从输入映像寄存器中去读取，不管此时外部输入信号的状态是否变化。即使此时外部输入信号的状态发生了变化，也只能在下一个扫描周期的输入采样扫描阶段去读取，对于这种采集输入信号的批处理，虽然严格上说每个信号被采集的时间有先有后，但由于PLC的扫描周期很短，这个差异对一般工程应用可忽略，所以可以认为这些采集到的输入信息是同时的。

2、执行用户程序扫描阶段

这是第二个集中批处理过程，在执行用户程序阶段，CPU对用户程序按顺序进行扫描。如果程序用梯形图表示，则总是按先上后下、从左至右的顺序进行扫描，每扫描到一条指令，所需要的输入信息的状态均从输入映像寄存器中去读取，而不是直接使用现场的立即输入信号。对其他信息，则是从PLC的元件映像寄存器中去读取，在执行用户程序中，每一次运算的中间结果都立即写入元件映像寄存器中，对输出继电器的扫描结果，也不是马上去驱动外部负载，而是将其结果写入到输出映像寄存器中。在此阶段，允许对数字量I/O指令和不设置数字滤波的模拟量I/O指令进行处理，在扫描周期的各个部分，均可对中断事件进行响应。

在这个阶段，除了输入映像寄存器外，各个元件映像寄存器的内容是随着程序的执行而不断变化的。

3、输出刷新扫描阶段

这是第三个集中批处理过程，当CPU对全部用户程序扫描结束后，将元件

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映像寄存器中各输出继电器的状态同时送到输出锁存器中，再由输出锁存器经输出端子去驱动各输出继电器所带的负载。

在输出刷新阶段结束后，CPU进入下一个扫描周期，重新执行输入采样，周而复始。

第三部分是诊断及出错处理。PLC每扫描一次，就执行一次自诊断检查，确定PLC自身的动作是否正常，如CPU、电池电压、程序存储器、I/O和通信是否异常或出错。如果检查出异常，CPU面板上的指示灯就会指示，异常继电器也会接通，并在特殊寄存器中存入错误代码，CPU被强制为STOP方式，所有扫描便停止。 PLC运行框图如图五所示：

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图五 PLC运行框图

（二）可编程序控制器的主要技术指标 1、输入/输出点数

可编程控制器的I/O点数指外部输入、输出端子数量的总和。它是描述的PLC大小的一个重要的参数。

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2、存储容量

PLC的存储器由系统程序存储器，用户程序存储器和数据存储器三部分组成。PLC存储容量通常指用户程序存储器和数据存储器容量之和，表征系统提供给用户的可用资源，是系统性能的一项重要技术指标。

3、扫描速度

可编程控制器采用循环扫描方式工作，完成1次扫描所需的时间叫做扫描周期。影响扫描速度的主要因素有用户程序的长度和PLC产品的类型。PLC中CPU的类型、机器字长等直接影响PLC运算精度和运行速度

4、指令系统

指令系统是指PLC所有指令的总和。可编程控制器的编程指令越多，软件功能就越强，但掌握应用也相对较复杂。用户应根据实际控制要求选择合适指令功能的可编程控制器。

5、通信功能

通信有PLC之间的通信和PLC与其他设备之间的通信。通信主要涉及通信模块，通信接口，通信协议和通信指令等内容。PLC的组网和通信能力也已成为PLC产品水平的重要衡量指标之一。

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第四章 钢缆皮带的PLC控制系统

第一节 钢缆皮带运行过程

当机尾发出开车信号后，先起动润滑油泵、冷却水泵，起动前一部转载皮带，然后起动钢缆皮带，电机达到憋闸电流，松闸，皮带起动。达到设定速度后，机尾给煤机联锁起动、给煤。当各项保护起作用时，皮带停车或不能起动。 一、系统控制要求

1、三种运行速度：运煤（2.0m/s）， 运人（1.8m/s），检修（0.5m/s）。 2、三种运行方式打点信号与运行相互闭锁。

3、电机只有达到憋闸电流时，才能松闸，防止皮带倒滑。 4、达到设定速度后，给煤机才能联锁起动给煤，防止压住皮带。 5、设有钢丝绳脱槽保护、胶带脱槽保护、局部过载保护、急停保护、乘人越位保护、电动机超温度保护、过电流保护、速度保护（超速保护）、张紧车到达终点保护等功能。

6、有手动控制功能，在应急时使用。 二、控制系统的I/O点的地址分配

控制系统的I/O点的地址分配如表二所示：

表二 输入/输出地址代码分配表 输入/输出点代码和地址编号 功能 代码 开关量输入信号 启动按钮 复位按钮 停止按钮 急停按钮 变频器运行 油泵运行 SB1 SB2 SB3 SB4 KA1 KA2 X0 X1 X2 X3 X4 X5 地址编号 36

电机松闸 急停保护 乘人越位保护 速度保护 脱槽保护 过载保护 张紧保护 乘人 验绳 运煤 备用 备用 KA3 KA4 SQ KA5 KA6 KA7 KA8 SA1 SA2 SA3 模拟量输入信号 X6 X7 X10 X11 X12 X13 X14 X17 X20 X21 过热保护 过流保护 FR LJ 开关量输出信号 X15 X16 启动指示 皮带运行指示 急停指示 乘人越位指示 超速指示 脱槽指示 过载指示 张紧指示 过热指示 过流指示 乘人指示 验绳指示 运煤指示 HL1 HL2 HL3 HL4 HL5 HL6 HL7 HL8 HL9 HL10 HL11 HL12 HL13 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 Y10 Y11 Y12 Y13 Y14 第二节 选择方案

为了使设计能更加方便的利用实验室现有资源，故采用三菱FX2N系列PLC，三菱FX2N系列PLC具有体积小、功能强的特点，内有数百个内部继电器。因其

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具有故障频率低，可靠性高，内部继电器免配线、增加和改变线路控制功能方便，并能方便线路故障点的判断与检修功能等特点，目前被广泛应用于各种控制领域，实现逻辑、步进、数字、模拟量等的自动控制中。FX2N系列PLC是FX系列中最高级的模块。它拥有无以匹及的速度、高级的功能、逻辑选件以及定位控制等特点，FX2N系列是具有从16到256路输入/输出的多种应用选择方案的机型，FX2N系列是由电源、CPU、存储器和输入输出器件组成的单元型可编程控制器，其类型及相关技术参数如表三、表四和表五所示：

表三 交流电源、24V直流输入类型

输入 模型 I/O总数 数目 类型 数目 输出 类型 继电器 晶体管 继电器 晶体管 继电器 晶体管 继电器 晶体管 继电器 晶体管 继电器 晶体管 尺寸mm(英寸) （宽）×（厚）×（高） 130×87×90 (5.12x3.4x3.5) 150×87×90 (5.9x3.4x3.5) 182×87×90 (7.2x3.4x3.5) 220×87×90 (8.7x3.4x3.5) 285×87×90 (11.2x3.4x3.5) 350×87×90 (13.8x3.4x3.5) FX2N-16MR-001 FX2N-16MT FX2N-32MR-001 FX2N-32MT FX2N-48MR-001 FX2N-48MT FX2N-MR-001 FX2N-MT FX2N-80MR-001 FX2N-80MT FX2N-128MR-001 FX2N-128MT 16 32 48 80 128 8 16 24 32 40 漏型 漏型 漏型 漏型 漏型 漏型 8 16 24 32 40 表四 24V直流电源、24V直流输入类型

输入 模型 I/O总数 数目 类型 数目 输出 类型 继电器 晶体管 继电器 晶体管 继电器 晶体管 继电器 晶体管 尺寸mm(英寸) （宽）×（厚）×（高） 150×87×90 (5.9x3.4x3.5) 182×87×90 (7.2x3.4x3.5) 220×87×90 (8.7x3.4x3.5) 285×87×90 (11.2x3.4x3.5) FX2N-16MR-001 FX2N-16MT FX2N-32MR-001 FX2N-32MT FX2N-48MR-001 FX2N-48MT FX2N-MR-001 FX2N -MT 32 48 80 16 24 32 40 漏型 漏型 漏型 漏型 16 24 32 40 表五 FX2N PLC的相关技术参数

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项目 运转控制方法 规格 备注 通过储存的程序周期运转 I/O指令可以刷新 I/O控制方法 批次处理方法（当执行END指令时） 运转处理时间 编程语言 程式容量 基本指令：0.08μs 应用指令：1.52至几百μs指令 逻辑梯形图和指令清单 8000步内置 基本顺序指令：27 步进梯形指令：2 应用指令：128 使用步进梯形图能生成SFC类型程序 使用附加寄存器盒可扩展到16000步 最大可用29应用指令 指令数目 I/O配置 一般 辅助继电器 锁定 （M线圈） 特殊 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 2572点 256点 490点 400点 10点 100点 范围：0至3276.7秒200点 范围：0至3276.7秒46点 范围：0.001至32.767秒4点 范围：0至3276.7秒6点 M0到M499 M384至M3071 M8000至8255 S0至S499 S500至S9 S0至S9 S900至S999 T0至T199 T200至T245 T246至T249 T250至T255 C0至C199 类型：16位上计数器 C100至C199 类型：16位上计数器 C200至C219 类型：32位上/下计数器 C220至C234 类型：32位上/下计数器 C235至C240 6点 C241至C245 5点 C246至C250 5点 状态继电锁定 器 初始 （S线圈） 信号报警器 100毫秒 10毫秒 定时器1毫秒保持（T） 型 100毫秒保持型 一般 一般16位 范围：0至32767数200点 锁定16位 计数器（C） 100点（子系统） 范围：-21474838至+321474838数 35点 15点 一般32位 锁定32位 单相 范围：-21474838+21474838单相c/w起数 高速计数始 一般规则：选择组合计数频率不 器（C） 停止输入 大于20KHz.计数器组合 注意所有的计数器都锁定。 双相

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A/B相 C251至C252 5点 200点 D0至D199 类型：32位元件的16位数据存储寄存器 D200至D7999 类型：32位元件的16位数据存储寄存器 D1000至D7999通过14块500程式步的参数设置类型：16位数据存储寄存器 从D8000至D8255 类型：16位数据存储寄存器 V0至V7和Z0至Z7 类型：16位数据存储寄存器 N0至P127 一般 锁定 数据寄存器（D） 文件寄存器 7800点 7000点 特殊 变址 指标（P） 用于CALL 256点 16点 128点 100*至130* 用于中断 6输入点、3定时器、6计数器 （上升触发*＝1，下降触发*＝0， **＝时间(单位：毫秒)） 嵌套层次 十进位K 常数 十六进位H 浮点 用于MC和MRC时8点 N0至N7 16位：-32768至32768 32位：-21474838至+21474837 16位：-32768至+32768 32位：-2147838至+21474837 32位：±1.175x10¯³³，±3.403x10³³（不能直接输入） 第三节 PLC选型

通过对系统控制要求的分析及I/O点的数量可知，系统共有开关量输入16点，模拟量输入2点，开关量输出13点，没有模拟量输出，即本控制系统共有输入量18点，输出量13点。考虑到既能达到控制目的，又有一定的输入/输出余量供以后扩展，且不造成浪费，本设计拟选用三菱FX2N系列的FX2N-48MR-001型号的高性能PLC作为主控制器。FX2N-48MR-001 PLC外部接线图如图六所示：

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启动按钮复位按钮停止按钮急停按钮变频器运行油泵运行电机松闸急停保护乘人越位保护

速度保护脱槽保护过载保护张紧保护过热保护过流保护

乘人验绳运煤

COM 图六 PLC外部接线图

一、隔爆型控制箱

主要安装有三菱FX2N系列可编程控制器，本安控制回路，电源回路等。机头操作箱，机尾操作箱，一号、二号、三号分站。

1、电源回路主要对控制箱内部的器件提供不同等级和不同容量的电源。有AC 127V;AC220V;本安DC24V等。

2、本安控制回路主要用来控制驱动皮带设备正常运行的一些外围设备，如润滑油泵两台，冷却水泵一台。变频器的起停，变频器冷却系统的起停，制动电阻箱冷却系统的起停。有备用控制。

3、可编程控制器通过程序对外围设备进行实时或延时起停，加大或减小输出（模拟量输出）。如油泵起停或水泵起停；变频器起停；并对运行设备的实时状态进行状态采集，如起停状态（开关量），如变频器运行电流或速度；电机的

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绕组温度等（模拟量输入）。

4、机头机尾操作箱用来控制设备停止和启动请求以及急停等操作，还可显示一部分保护和设备状态。

5、分站箱用来采集保护传感器和控制机尾的一些必要设备。通过三菱专用通讯CC-LINK和机头主站控制箱通讯。 二、本安型操纵台

主要由显示器和操作按钮，状态指示灯组成。

1、显示器模拟现场设备的运行状态，并显示现场设备的起停状态和运行参数。同时可记录设备运行故障。起停时间等。

2、状态指示灯，在操纵台上面板有红绿白三种颜色指示灯，分别显示设备现行状态(绿色)，设备故障状态（红色），备用指示灯（白色）。

3、操作按钮是指通过按钮指令对设备进行起停控制（包括手动控制，自动控制）。 三、控制部分

通过控制箱、操纵台对皮带机周边设备进行可控的起停和可调的加减速或故障停车。

1、设备启动前，系统保护是否有故障，先判断电机是否温度超标，上一次故障是否解除或复位，变频器是否有故障或是否就绪。变频器前端电源是否报故障。

2、当控制箱PLC送电时完成时，PLC内部完成初始化。若无故障，操纵台显示屏显示PLC正常。

3、当操纵台处于自动工作方式给出启动命令时，机头操作箱接受到请求启动命令，按下启动按钮即可。机头主站接受到机头的启动请求命令后开始启动皮带机系统。

4、先对系统的扩音电话打点，打点的规律可按矿上的规定具体编程。 5、打点完成后，启动油泵对负载轴承和减速机润滑。接受到油泵运行信号后延时。

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6、油泵运行后延时10秒后启动冷却电机。接受到冷却电机运行信号后延时。 7、冷却电机运行时同时启动机头转载皮带。

8、冷却电机、油泵电机、转载皮带运行后开始启动变频器，接受到变频器起运行返回信号时启动每一台变频器的冷却水泵和冷却风扇。同时加载(DA输出加大)，在接受到变频器启动1.5秒后启动制动闸，先起变频器后松闸以防皮带机下滑。并判断是否完全松闸。以防变频器负载加重和制动闸闸皮磨损。PLC对变频器的速度给定和电机运行速度返回做闭环的PID运算。若给定速度大于运行速度时减小给定，若给定速度小于加大给定。

9、等皮带运行到设定速度时通过CC-LINK网络通讯到三号分站启动机尾给煤机。确认接受到给煤机运行返回信号。

10、系统启动完成。 四、控制系统的各项保护

为了保障煤矿安全的生产和职工的人身安全，防止煤矿事故的发生，国家根据《煤炭法》、《矿山安全法》和《煤矿安全监察条例》，制定了《煤矿安全规程》，使其成为一切涉及煤矿安全生产和管理的必需依据，下面摘录的是与本设计相关的部分内容。

第六百二十五条 采用带式输送机运输应遵守下列规定：

（一）带式输送机运输物料的最大倾角，上行不得大于 16°,严寒地区不得大于 14°； 下行不得大于 12°。特种带式输送机除外。

（二）钢丝绳芯输送带的静安全系数，不得小于表3.2中的数值。

表六 钢丝绳芯输送带的静安全系数值

（三 ）带式输送机的运输能力应与前置设备能力相匹配。 第六百二十六条 布设固定带式输送机应遵守下列规定： （一）应避开工程地质不良地段、老空区，必要时采取安全措施。

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（二）应在适当地点设置行人栈桥。

（三）带式输送机下面的过人地点，必须设置安全保护设施。

（四）应设防护罩或防雨棚，必要时设通廊。倾斜带式输送机人行走廊地面应防滑， 并设置扶手栏杆。

（五）封闭式带式输送机必须设置通风、除尘及防火设施，暗道应按一定距离设置通向地面的安全通道 。

（六）在转载点和机头处应设置消防设施。

第六百二十七条 带式输送机应设置下列安全保护装置：

（一）应设置防止输送带跑偏、驱动滚筒打滑、纵 向撕裂和溜槽堵塞等保护装置；上行带式输送机应设置防止输送带逆转的安全保护装置，下行带式输送机应设置防止超速的安全保护装置。

（二）在带式输送机沿线应设紧急联锁停车装置。

（三）在驱动、传动和自动拉紧装置的旋转部件周围，应设防护装置。 第六百二十 带式输送机运行时，必须遵守下列规定：

（一）严禁用输送采剥物料的带式输送机运送工具、材料、设备和人员。 （二）输送带与滚筒打滑时，严禁在输送带与滚筒间楔木板和缠绕杂物。 （三）采用绞车拉紧的带式输送机必须配备可靠的测力计。严禁人员攀越输送带。

第六百二十九条 维修带式输送机必须遵守下列规定： （一）维修时必须停机上锁，并有专人监护。

（二）在地下或暗道内用电焊、气焊或喷灯焊检修带式输送机时，必须制定安全措施。

第六百三十条 清扫滚筒和托辊时，带式输送机必须停机上锁，并有专人监护。清扫 工作完毕后解锁送电，并通知有关人员。

煤矿井下带式输送机运输事故发生概率较大 ,为此上面引用的《煤矿安全规程》从安全生产角度出发对该类输送机的保护进行了较详细的规定。本设计为了尽量满足《煤矿安全规程》的要求沿线应包含以下保护：

（一）本安语言报警箱

在上下乘人区，均设立语言报警箱，开车前，语言报警箱发出语言报警。

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（二）就地急停及起动确认按钮

由于胶带输送机运输距离较远，现场工况比较复杂。因此在机头、机尾和有关需要停机的地方设立就地操作点，设就地急停按钮。急停按钮为就地优先，一旦发现问题，便于就地停车。同时在此处还设有起动确认按钮，发出开车预警后，相应地点进行开车前的确认工作，此确认在操作台上显示位置，并进入控制系统，与控制系统闭锁。此信号发出后控制系统自保住，但是一旦开车，这个信号就被复位，以避免确认信号长期存在造成事故。这两种按钮信号通过现场总线网络传输给控制系统。

（三）超速保护及打滑保护

测速装置由两台本安型轴编码器构成，用来测量两条钢丝绳的速度，以保证两条钢丝绳的速度同步。同时该速度值又参与到控制系统的保护回路中，完成超速保护和打滑保护功能。

（四）钢丝绳脱槽保护、胶带脱槽保护、局部过载保护

本安型三大保护，将保护传感器就近接入现场总线型网络中，通过网络上传到控制系统中，以实现报警停车。

（五）乘人越位保护

在上下井口各设立两级乘人越位保护点，以保证乘坐人员的安全。 （六）张紧车到达终点保护

为了保证牵引钢丝绳的张力，不使机尾张紧车失效，在机尾张紧车轨道终点设立张紧车到达终点保护，当张紧力下降到一定值时保护动作停车。

此外，为确保系统安全运行，系统还装有过热保护和过流保护。 五、操作方式

（一）自动方式

（1）运行前的准备工作：接到联络信号后，检查安全回路是否吸合，只有在安全回路吸合后才能操作皮带机，并发出预警信号；

（2）将“控制方式”选择开关打到“自动”；

（3）此时，变频器与PLC形成MODBUS网络，系统的参数、速度的调整、功率的平衡通过MODBUS网络进行通讯，变频器的控制通过PLC与变频器的网

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络决定；

（4）将“速度选择”开关根据工作要求打到相应的“运煤”、“运人”、“验绳”档，系统将根据三档的要求分别设定不同的速度并通过通讯设定变频器的输出频率；

（5）按“起动”按钮，系统自动控制变频器起动建立初始转矩； （6）经延时约0.3—0.8秒，预置转矩建立完成；

（7）系统发出松闸命令，控制系统控制液压闸制动器打开； （8）此时，变频器根据设定的速度，控制皮带速度。

（9）停止时，按“停止”按钮，系统控制变频器减速，当速度将至0.2米/秒时，液压闸断电抱闸，皮带停车；

（10）当突然发生断电或保护动作时，系统安全回路断开，系统紧急制动。 （二）手动方式

（1）运行前的准备工作：接到联络信号后，检查安全回路是否吸合，只有在安全回路吸合后才能操作皮带机，并发出预警信号；

（2）将“控制方式”选择开关打到“手动”；

（3）此时，通过“速度给定”电位器对传动系统进行调速，即甩掉PLC的控制，通过电气控制应急使用；

（4）按“起动”按钮，系统自动控制变频器起动建立初始转矩； （5）系统发出松闸命令，控制系统控制液压闸制动器打开； （6）此时，变频器根据手动设定的速度，控制皮带速度。

（7）停止时，手动调节速度给定电位器，使皮带速度将到0.2米/秒时按“停止”按钮，系统控制液压闸断电抱闸，皮带停车；

（三）检修方式

当操作方式打到“检修”方式时，最大速度只能开到0.5米/秒，可以进行调闸工作或验绳。

第四节 系统配置

ZJT3—355/660型隔爆兼本安四象限变频器2台； KXJW6—660S型隔爆型输入电抗器2台；

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TH5—24S型本安司机操作台1台；

KXJ5—1140型隔爆兼本安PLC控制箱1台； CGH—1型轴编码器2个； KG1006A煤位传感器2个； JWH2—12温度传感器2个； KTT3开车语言报警箱10个；

KLH12本安就地接线箱（含总线模块）35个； 上井口操作箱1个； 下井口操作箱1个； KXJW6—660S分站3个。

第五节 变频器的谐波治理

变频器的主电路为交—直—交方式，交流输入50HZ的工频电压经三相桥路不可控整流成直流电压信号，经滤波电容滤波及大功率晶体管开关元件逆变为频率可变的交流信号，在整流回路中，输入电流的波形为不规则的矩形波，波形按傅立叶基数分解为基波和各次谐波，谐波会带来以下问题：

1、干扰电网上其它的用电设备；

2、谐波引起的额外的损耗将使设备功率加大； 3、谐波会带来更高的电压尖刺，对设备的绝缘不利； 4、增加供电变压器的损耗； 5、使无功补偿电容更热。

无论是采用串入交流电抗器，还是采用多重化整流技术，都无法从根本上消除谐波，本系统变频器由于采用AFE整流回馈技术，输入电流波形为正弦波，从理论上可彻底消除谐波，但由于受检测信号的精度和控制精度的影响，在实际应用中还有少量谐波，于是，匹配各类谐波抑制装置后可将谐波含量降到最小，完全符合国际标准。如图七所示：

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图七 变频器谐波治理

其中：

RFI1为输入EMC滤波器，可降低高频电磁干扰，符合国际IEEE通用规定。 MR为磁环可降低部分高频干扰。

ACLI为输入电抗器，降低三相电压不平衡，降低输入侧谐波干扰。 3P为变频器。

第六节 软件部分

软件部分的实现通过编写梯形图来完成，控制梯形图如图八所示

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图八 控制梯形图

第七节 PLC程序调试 需要修改

PLC程序的调试可以分为模拟调试和现场调试两个调试过程，在此之前首先

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对PLC外部接线作仔细检查，这一个环节很重要。外部接线一定要准确无误。也可以用事先编写好的试验程序对外部接线做扫描通电检查来查找接线故障。不过，为了安全考虑，最好将主电路断开。当确认接线无误后再连接主电路，将模拟调试好的程序送入用户存储器进行调试，直到各部分的功能都正常，并能协调一致地完成整体的控制功能为止。 一、程序的模拟调试

将设计好的程序写入PLC后，首先逐条仔细检查，并改正写入时出现的错误。用户程序一般先在实验室模拟调试，实际的输入信号可以用钮子开关和按钮来模拟，各输出量的通／断状态用PLC上有关的发光二极管来显示，一般不用接PLC实际的负载(如接触器、电磁阀等)。可以根据功能表图，在适当的时候用开关或按钮来模拟实际的反馈信号，如限位开关触点的接通和断开。对于顺序控制程序，调试程序的主要任务是检查程序的运行是否符合功能表图的规定，即在某一转换条件实现时，是否发生步的活动状态的正确变化，即该转换所有的前级步是否变为不活动步，所有的后续步是否变为活动步，以及各步被驱动的负载是否发生相应的变化。

在调试时应充分考虑各种可能的情况，对系统各种不同的工作方式、有选择序列的功能表图中的每一条支路、各种可能的进展路线，都应逐一检查，不能遗漏。发现问题后应及时修改梯形图和PLC中的程序，直到在各种可能的情况下输入量与输出量之间的关系完全符合要求。

如果程序中某些定时器或计数器的设定值过大，为了缩短调试时间，可以在调试时将它们减小，模拟调试结束后再写入它们的实际设定值。

在设计和模拟调试程序的同时，可以设计、制作控制台或控制柜，PLC之外的其他硬件的安装、接线工作也可以同时进行。

在实验室用FX2N系列PLC对上节的控制程序进行调试，调试过程很顺利，控制程序满足控制要求。 二、程序的现场调试

完成上述的工作后，将PLC安装在控制现场进行联机总调试，在调试过程中

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将暴露出系统中可能存在的传感器、执行器和硬接线等方面的问题，以及PLC的外部接线图和梯形图程序设计中的问题，应对出现的问题及时加以解决。如果调试达不到指标要求，则对相应硬件和软件部分作适当调整，通常只需要修改程序就可能达到调整的目的。全部调试通过后，经过一段时间的考验，系统就可以投入实际的运行了。

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第五章 设备的维护与保养

第一节 变频器

一、使用变频器时的注意事项

在变频器工作时，流过变频器的电流很大，变频器产生的热量也非常大，不能忽视其发热所产生的影响。变频器的故障率随温度升高而成指数地上升，使用寿命随温度升高而成指数地下降，因此在使用变频器时应重视散热问题。

当有制动电阻时，因制动电阻的散热量很大，最好和变频器隔离安装（如装在柜子上面或旁边）。当变频器安装在控制机柜内时，要考虑变频器的发热量问题。应根据机柜内产生热量值的增加，适当地增加机柜的尺寸。

在安装变频器时，若把变频器的散热器部分放到控制机柜的外面，将会使变频器的大部分发热量释放到控制机柜的外面，对大容量变频器尤为有效；还可以用隔离板把本体和散热器隔开，使散热器的散热不影响到变频器本体，效果也比较好；变频器散热设计中都是以垂直安装为基础的，水平横着安装散热效果会变差。通常，功率稍微大一点的变频器都带有冷却风扇，另外，也建议在控制柜上出风口安装冷却风扇，但是进风口要加滤网，以防止灰尘进入控制柜。 二、变频器的维护与保养

变频器在正常使用时，除日常检查外尚需定期（如机器大修时或按规定且最多6个月）检查，以防患于未然。检查操作如表七所述：

表七 变频器的检查操作 检查时间 日定 常 期 √ √ √ 检查部位 显 示 冷却√ 系统 本 体 检查项目 显示器 散热器 周围环境 检查事项 显示是否有异常 有无煤尘附着 温度，湿度，灰尘，有害气体 54

检查方法 视觉 视觉 视觉，嗅觉，感觉 判定标准 按使用状态确认 多少 技术条件

√ 输入端 电压 输入，输出电压是否异常 测定R,Ｓ,T及按标准规范之规Ｕ,Ｖ,Ｗ端子 定 无异常 无异常 无异常 无异常 全貌 主√ 回路 紧固件是否松动、是否有过热痕迹、有否目视，紧固，擦放电现象、灰尘是否拭 太多、风道是否堵塞 表面有无异常 有否松动 螺栓或螺钉有否松动 目视 目视 紧固 电解电容 导线导电排 线柱 在检查时，不可无故拆卸或摇动器件，更不能随意拔掉接插件，否则将不能正常运行或进入故障显示状态及导致元器件的故障甚至主开关器件IGBT模块损坏。

在需要测量时，应注意各种不同的仪表可能得出差别较大的测量结果。推荐用指针电压表测量输入电压，用整流式电压表测量输出电压，用钳式电流表测量输入输出电流，用电动式瓦特表测量功率。 三、必须定期更换的器件

为保证变频器可靠运行，除定期保养、维护外，尚应对机内长期承受机械磨损的器件---所有冷却用的风扇和用于能量缓存与交换的主回路滤波电容器以及印刷电路板等进行定期更换。一般连续使用时，可按表八之规定更换，尚应视使用环境、负荷情况及变频器现状等具体情况而定。

表八 必须更换的器件及年限

器件名称 滤波电容 印刷电路板 标准更换年数 5—6年 6—8年 四、变频器的储存与保管

变频器购入后不立即使用，需暂时保管或长期储存时，应做到下述各项： 1、应放于标准规范所规定温度范围内且无潮、无灰尘及无金属粉尘且通风良好的场所。

2、如果超过一年仍未使用，则应进行充电试验，以使机内主回路滤波电容器的特性得以恢复。充电时，可使用调压器慢慢升高变频器的输入电压，直至额

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定输入电压，通电时间要在1-2小时以上。上述试验至少每年一次。

3、不可随意实施耐压试验，它将导致变频器寿命降低。

4、使用一般勾表测量电流时，在输入端的电流会有不平衡的现象，一般差异在30% 以内属于正常，若差异在50%时应通知原厂更换整流桥，或检查输入三相电压是否偏差超过 5V。输出三相电压若采用一般三用表测量时，因载波频率的干扰，所读的数据均不准确，只作参考。输出的电压不会高于输入端电压的有效值，若有超过表示电表被干扰，而非输出不正常。

第二节 PLC

一、PLC使用应注意的事项

（一）PLC的安装

常安装于通用的输入/输出框架上。装有CPU模块的框架称为基本框架，其它为扩展框架。基本框架与扩展框架之间如果距离较近(一般不超过30m)，可通过扩展本地I/O(并行)通信口与多个本地扩展框架相连；如果距离较远(一般少于3000m)，可以通过远程I/O口连接。

（二）前面板

钥匙开关 :用来设定可编程序控制器的工作状态,共 (PROG/REM/RUN)三种状态 .其中:当开关处于“REM”即远程(Remote)状态时，可以通过编程软件设定处理器工作在“编程”、“调试”或“运 行”状态。使用钥匙是为了在调试完毕后使处理器固定在运行状态，防止程序被意外修改。

指示灯：电池指示灯“BATT”:灯(红)亮表示电池盒里的电池该更换了。一般该指示灯亮后，应在10天内及时更换电池，否则可能因CMOS RAM的失效而造成程序的丢失。

处理器运行/故障(绿/红)指示器灯“PROC”：

显示处理器当前的工作情况 灯(绿)亮：表示运行正常 灯(红)亮：表示处理器故障

强制指示灯 “FORCE”：显示用户有无强制I/O。

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灯亮：表示被强制

输入强制：用户强制输入数据文件中的位；

输出强制：能使用户强制实际的输出模板而保留其输出数据文件处在原始状态。

（三）模块

EEPROM模块插槽 ：

用于当电池失效是时，通过开关设定处理器在上电时从EEPROM中读取程序送到CMOS RAM或在CMOS RAM失效(程序丢失)时将EEPROM中的内容传送到CMOS RAM，以避免因维护人员的疏忽而造成程序的丢失.

数字I/O模块和模拟量I/O模块

数字I/O模块：是直接I/O模块中最基本的I/O模块，模块中的I/O回路可与按钮或限位开关的开/关传感器相连、也可与马达启动器的指示灯或报警器等开关量执行机构相连。可编程序控制器数据表上相应位的状态直接控制输出；输入直接控制可编程序控制器数据表上的相应位。

模拟量I/O模块：在模拟量信号和可编程序控制器数据表之间进行A/D或D/A转换。包括标准模拟量的输入/输出及直接热电阻和热电偶输入；这些模块可用软件设置信号滤波，可对每个I/O设置有效范围。隔离措施有输入信号与电源噪声隔离，输入回路之间信号隔离。(A/D转换器)分辨率有8位、12位等不同精度。模拟量输入/输出方式可设定为电流型和电压型。

（四）设备网物理介质

用户可以连接个逻辑节点（2048个设备）到一个设备网网络 。设备网的电缆系统采用一种主干／支线设计，它的部件始于设备与设备网网络的连接点。通常将设备（或节点）连接到支线或多端口分接器，然后通过一个密封式、敞开式或多端的分接器与主干线相连。

（五）用LED灯判断异常

发生异常时，首先检查电源电压、可编程控制器及输入输出设备的端子螺丝是否松动，有无其它的异常。然后，根据可编程控制器上所设置的各种LED亮灯状况。

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POWER LED灯亮：

设置于基本单元和扩展模块、扩展单元表面的POWER LED，是由基本单元或扩展单元供给电源而亮灯的，如接上电源，LED还不亮时，卸下可编程控制器的+24V端子试试看，如果这时LED像正常似的亮了，表示由于传感器电源的负载短路或大负载电流的缘故，供给电源电路的保护功能在起作用。电流不足时，请使用外接DC24V电源。

BATT。V LED灯亮

电源接通，若电池电压下降，那么该指示灯就亮，特殊辅助继电器M8006就工作。电池电压下降约1个月之后，程序内容（使用RAM存储器时）、电池后备方面各种存储器则没有了停电保持。所以，发现后尽快更换电池。 二、PLC的维护与保养

可编程控制器内没有导致其寿命缩短的易耗件，但存储器备用电池需3~5年更换一次：更换时要先关闭可编程控制器的电源，用手指握住面板盖左角，拾起右侧，卸下面板盖，从电池架取出旧电池，拔出插座，在插座拔出后的20秒内，插入新电池的插座，把电池插入电池架，装上板盖。

另外，结合对其它设备的检查，请注意是否其它发热体的缘故，机内温度异常升高，粉尘、导电性尘埃是否落入机内。

配线端子是否松动？有无其它异常。

结束语

经过两个月的努力，我的毕业设计课题也终将告一段落。到实验室调试运行，也基本达到预期的效果，虚荣的成就感在没人的时候也总会冒上心头。但由于能力和时间的关系，总是觉得有很多不尽人意的地方，譬如结构简单、功能不全等。

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可是，我又会有点自恋式地安慰自己：做一件事情，不必过于在乎最终的结果，可贵的是过程中的收获。以此语言来安抚我尚没平复的心。

毕业设计，也许是我大学生涯交上的最后一个作业了。想借此机会感谢四年以来给我帮助的所有老师、同学，你们的友谊是我人生的财富，是我生命中不可或缺的一部分。本设计从课题选择、方案论证到具体设计和调试，无不凝聚着王广老师的心血和汗水，在四年的本科学习和生活期间，也始终感受着导师的精心指导和无私的关怀，这让我受益匪浅。在此向王广老师表示深深的感谢和崇高的敬意。

大学生活即将匆匆忙忙地过去，但我却能无悔地说：“我曾经来过。”大学四年，但它给我的影响却不能用时间来衡量，这四年以来，经历过的所有事，所有人，都将是我以后生活回味的一部分，是我为人处事的指南针。就要离开学校，走上工作的岗位了，这是我人生历程的又一个起点，在这里祝福大学里跟我风雨同舟的朋友们，一路走好，未来总会是绚烂缤纷。

参考文献

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5、王树 编著《变频调速系统设计与应用》 机械工业出版社2006 6、王永华 主编《现代电气控制及PLC应用技术》 机械工业出版社2004 7、高鸿斌 等编著 《西门子PLC与工业控制网络应用》电子工业出版社2006 8、煤矿电工手册《煤矿固定设备电力拖动》 煤炭工业出版社 1999 9、王庭有 等编著《可编程控制器原理及应用》 国防工业出版社 2006 10、《机电一体化技术手册》 机械工业出版社 1996 11、王阿根 编著《电气可编程控制原理与应用》12、孙树朴 等编著 《电力电子技术》 13、厂家资料 ABB公司 14、网络文章

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清华大学出版社 2007 中国矿业大学出版社 2000