基于PLC的矿井提升机控制系统设计.doc

设计（论文）说明书
1 前言
1.1 提升机的发展过程及现状向
矿井提升机是铁矿安全生产的关键设备之一，其作用是提升矿粉、升降人员和下放物料等，在整个铁矿生产中占有十分重要的地位。矿井提升机安全、可靠、高效、准确地运行集中体现在其电气控制系统中，电控系统性能的优劣直接影响全矿的安全生产及矿工生命的安全。
现代矿井提升机的发展与现代电力传动及其控制技术的发展密切相关。根据受控电动机类型的不同，矿井提升机可分为直流驱动提升机和交流驱动提升机两大类。
由于交流电动机有结构简单、紧凑、坚固、容量大、价格低廉、应用场合广泛和直接使用交流三相电源等优点，因而交流驱动提升机得到了广泛的应用。在20世纪70年代前，矿井提升机大多采用交流驱动系统，但是由于其调速能力较差，很难适用于调速性能要求较高的场合。
直流电动机具有良好的启、制动性能，可在大范围内平滑调速，调速性能指标远优于交流电动机，因此在20世纪70年代后，随着大功率可控硅的使用、电子控制技术和装置的发展，直流驱动提升机逐渐在大中型铁矿中占据了主导地位。
随着电力电子器件、微电子控制技术和交流调速控制理论的发展，交流驱动逐渐获得了与直流驱动相同的控制特性，并在高性能交流驱动应用中获得了根本性的突破，成为大容量提升机的首选方案。目前国内铁矿企业，井下提升机大多采用交流绕线式异步电动机转子串电阻的调速方案。
提升机电控系统经历了由继电器控制、分离元件控制、模拟电路控制到微电子(计算机)控制的发展历程，目前数字控制系统已广泛应用于提升机控制系统中。采用数字控制技术后，提升机电控系统具有结构简单、控制精度高、系统功能开发简单等优点；特别是其具有智能化的信息采集、故障诊断和在线检测等功能，极大地提高了系统的可靠性，缩短了查找和排除故障的时间，降低了维护成本。
1.2 主要存在的问题
虽然交流提升机在调速性能上获得了根本性的突破，成为大容量提升机的首选方案，但是由交流电动机的基本原理可知，由定子传入转子的电磁功率Pm可分为两部分：一部分是驱动负载的有效功率P＝(1-s)Pm；另一部分是转差功率P＝sPm，与转差率s成正比。根据转差功率的大小及消耗情况，交流调速系统可分为如下三类：
(1)转差功率消耗型调速系统：全部转差功率都被转换成热能而消耗掉。这类调速方式有定子调压调速、电磁离合器调速、绕线式异步电动机转子串电阻调速等。这类调速系统是以增加转差功率的消耗来换取转速降低的，转速越低，效率越低。
(2)转差功率回馈型调速系统：少部分转差功率被消耗掉，大部分通过变流装置回馈电网或转化为机械能予以利用。绕线式异步电动机串级调速就属这类。转速越低，回馈功率就越多。但这类调速方式用于矿井提升机的较少。
(3)转差功率不变型调速系统：这类系统中，无论转速高低，所消耗的转差功率都基本不变。变级调速和变频调速即属于这类调速系统。
无论采用哪种调速方案，转差功率调速系统中转子消耗是不可避免的，于是造成了能源的浪费。特别是目前中小型矿井提升机广泛采用的绕线式异步电动机转子串电阻调速方式，属于转差功率消耗型调速系统，虽在负力提升情况下，可通过一定装置来实现能量的回馈，但效率依然很低。
1.3 系统设计方案选择
可编程控制系统（Programmable Logic Controller）是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统。它采用一种可编程的存储器，在其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，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程，使高可靠性的数字控制系统在较低成本价格上得以实现，越来越受到广大用户的青睐，成为当今自动化电气控制的主流。
液粘调速离合器是根据流体力学中关于液体粘性定义及牛顿内摩擦定律理论而研制成功的新型传动装置。它可以实现平滑的无级调速，摩擦副在分离状态下使工作机起动，起动电流也大大降低，因而避免了电阻投切造成的能源浪费，同时大惯量工作机缓慢加速，可以防止过载，并且调速反应灵敏，转速控制精度高，能够实现手动控制和远程控制。
在目前国内铁矿企业生产条件急需改善、设备急需更新的情况下，将可编程控制器用作提升机控制系统，调速装置采用液粘调速离合器，将使提升机在运行特性、调速范围、节电效果等各项经济技术指标均明显提高。
本系统具体设计方案是采用光电编码器采样提升机滚筒的转速信号，电流互感器在电动机定子侧采样电流信号，经过可编程控制器的A/D, D/A模块转换，构成转速、电流负反馈控制。利用可编程控制器的内置PID模块构成转速、电流PI调节器，然后通过模拟量输出模块来控制液粘调速离合器电液比例溢流阀，从而达到控制提升机调速的目的。
该系统研制成功后，可解决旧系统体积大、维护困难、效率低等一系列问题。同时采用笼型电机拖动，将使系统静特性明显变硬，调速范围也将显著加宽，并且节电效果可达30%左右,可成为井下提升机更新换代的理想设备。
2 系统总体方案设计
2.1 系统设计要求
2.1.1 系统控制要求
(1)矿井提升机是整个铁矿安全生产的关键，其安全可靠性直接关系到全矿的生产和矿工的生命安全。由于铁矿井下生产环境恶劣，运行情况复杂，各种操作频繁，因此对提升机电控系统来说，除了能够满足各种复杂的控制要求外，更重要的是其可靠性和安全保障。
(2)要求具有很好的调速性能，能够精确地完成井下提升的整个运行过程。
(3)可以重载起动，有一定的过载能力。
(4)工作方式转换容易，易于实现自动化。
(5)技术先进，维护简单、方便，在保证安全可靠运行前提下，控制线路简洁明了，便于维修和排除故障。
(6)尽量降低投资成本，减少运行费用，提高节电效果和经济效益。
2.1.2 系统控制速度图
矿井提升机的工作过程一般经历加速、等速、减速三个运行阶段。本系统设计中采用井底初加速、等速，井筒主加速、等速和井口减速运行等阶段。系统速度控制如图2-1所示。

图2-1 提升速度图及循环时间计算表
开始时，在井口平车场空车线上的空车串，由井口推车器以a1加速至V0=1.Om/s低速，向下推进。同时，井底的重车串上提，当全部重车串进入井筒后，提升机以a2加速到最大提升速度Vm，并等速运行至井口，在空车串运行到井底时，提升机以a3减速，使之由Vm减至V0,进入井底车场时，减速停车。这时，在井口平车场内的重车串借惯性继续前进，当行至摘挂钩位置时，摘钩并挂空车。同时井下也摘掉空车并挂上重车，然后打开井口空车线上的阻车器，进入下一个提升循环。
如图2-1所示，提升机在各运行阶段的参数预置如下，关于时间及距离的设置及计算在脉冲单元的计算中再详加说明。
a.系统最大提升速度Vm=5.Om/s；
b.井下平车场平均速度V0=1.0m/s；
c.井下平车场加、减速度a1=a4=0.3m/s2；
d.井筒中主加、减速度a2=a3=0.5m/s2;
2.2 系统硬件设计
矿井提升机硬件结构主要包括控制系统、调速装置、放大驱动系统、换向回路、安全回路等部分，本系统硬件设计构成如图2-2所示。

控制操作台
井底装载
井口卸载
检测传感器
报警显示
PLC 控 制 系 统
光电编码器
放大驱动
闸控回路
换向回路
安全回路
提升机滚筒
液粘装置

图2-2 系统硬件组成
采用PLC作主控制系统，分别接收来自司机操作台、检测系统、放大驱动控制系统、闸控回路、安全回路、井筒信号系统、报警显示和外部各个监测元件的信息，这些信息多数首先要经过主控程序的相应处理，并将相应的信息和指令发送到上述各个系统中，来控制提升机系统运行。主控系统的软件主要用来执行提升机运行的逻辑、比较、顺序控制、算术计算和位置控制等功能。
其控制过程主要是通过光电编码器采样提升机滚筒转速信号，电流互感器在电动机定子侧采样电流信号，经过可编程控制器的A/D, D/A模块转换，构成转速、电流负反馈控制；利用可编程控制器的内置PID（比例、微分、积分的缩写）模块构成转速、电流PI调节器。通过模拟量输出模块控制电液比例溢流阀，从而控制液粘调速离合器达到调速的目的。根据PLC的控制性能和液粘调速离合器的调速特性，可实现提升机全自动、手动和检修操作方式，各种操作方式均由司机通过控制操作台进行控制。
在全自动运行方式下，不需要司机操作，只要井底装载和井口卸载完成，发出完成信号，提升机就自动起车，通过井底初加速和井筒主加速，进入等速运行，过减速点后，按给定速度图减速、停车，并完成装载和卸载全过程；在手动控制和检修运行方式下，井口给出开车控制信号后，由司机通过行程开关控制车组在各阶段的运行过程，停车及装、卸载过程仍由系统自动控制完成。
为操作及检修的方便，首先PLC内部自检功能的故障输出接点直接进入安全回路，一旦PLC出现故障，安全回路便立即动作，实现安全制动；同时系统中各种相应的运行状态和各个外部线路，在PLC的输入和输出模块上，都要有相应的指示，通过指示灯可以直接判断信号传输是否正常。
2.3 可编程控制器(PLC)的特点及选型
2.3.1 PLC特点及应用
可编程控制器（Programmable Logic Controller）是计算机技术与自动化控制技术相结合而开发的一种适用工业环境的新型通用自动控制装置，是作为传统继电器的替换产品而出现的。它采用一种可编程的存储器，在其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，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。
随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，可编程控制器更多地具有了计算机的功能，不仅能实现逻辑控制、定时控制、计数控制、顺序(步进)控制，还具有了模拟量控制、闭环过程控制、数据处理和通信联网等功能。
由于可编程控制器可通过软件来改变控制过程，并且编程简单，同时采用了模块化结构设计，易于扩展和拆装，因而具有体积小，功耗低，可靠性高，组装维护方便，控制功能完善和抗干扰能力强等特点，已广泛应用于工业控制的各个领域，成为当今自动化电气控制的主流。
2.3.2 可编程控制器的选型
本设计的主要控制过程是利用可编程控制器的A/D, D/A模块和可编程控制器内置的PID模块构成提升机系统的转速、电流PI调节器，通过PLC的模拟量输出模块来控制液粘调速离合器的电液比例溢流阀，从而调节控制油压，该油压经控制油入口进入油缸，推动活塞，通过对摩擦副施加不同压力来改变主、被动片间的油膜厚度，从而实现对输出轴转速的调节，以实现提升机调速运行的要求。
整个控制系统除了用到PLC逻辑控制、定时控制和计数控制等基本控制功能外，关键是要用到PLC的高级控制单元，主要包括A/D、D/A单元，脉冲输出单元、位置控制单元和PID模块等。
现代大中型的PLC一般都配备了专门的A/D和D/A转换模块，可以将现场需要控制的模拟量通过A/D模块转换为数字量，经微处理器运算处理后，再通过D/A模块转换，变成模拟量去控制被控对象。同时大中型PLC也配备了PID控制模块，当控制过程中某一变量出现偏差时，PLC就按照PID算法去调节该控制过程，把变量保持在某一整定值范围内。
在本系统中，可选用日本松下电工公司生产的中型PLC-FP3机。其性能特点简介如下：
(1) FP3机具有快速的CPU处理速度,最多可控制2048个I/O点, 具有16K步的大程序容量和EPROM写入功能， 并提供了288条方便指令，编程工具功能强大。CPU中具有中断功能、调试和测试运行功能，在程序运行过程中可利用中继功能执行高优先级的中断程序。编程器具有注释功能等，可在程序中插入注释, 便于以后的检查与调试。
(2)FP3机CPU单元除具有一般功能的控制单元外，还具有功能完善的A/D、D/A单元，脉冲输出单元、位置控制单元和进行PID处理等特殊功能模块。并且在FP3的高级单元内部一般自带有CPU和存储器，只要在初始化时，由FP3的CPU单元将控制字写入其内部存储器中，则这些存储器即可独立运行。高级单元内部的存储器可由该单元与CPU 共享，CPU单元只要用专用的读/写指令即可对之进行读或写。
(3)FP3机I/0分配采用自由编址方式，为用户提供灵活便利的使用条件，其编址方式可通过两种方式来实现，一种是根据各单元在底板上插放的位置确定该单元所用点的地址，另一种是使用编程工具设定各单元的地址。
(4)FP3机采用模块化结构设计，使其具有如下突出优点:
a.组装灵活。可以根据生产需要随时更换或扩充，使整个系统更快地适应产品更新换代的要求。
b.维修方便。出现故障时，只需更换部分芯片或功能模块即可，使停机修理的时间和费用降至最低限度。
c.对各种功能的模块可以根据需要进行生产，随时改进其设计、不断完善，有利于提高质量、降低成本。
2.4 液粘调速离合器
本系统中提升机的调速装置采用液体粘性调速离合器（也称液粘调速离合器、液粘离合器）。液体粘性调速离合器是依据牛顿液体内摩擦定律，即液体的粘性和油膜的剪切作用而研制成功的一种新型流体传动装置。本系统中使用YL-8型液体粘性调速离合器，是辽宁华孚石油高科技股份有限公司最新开发、研制成功的高效节能产品。
2.4.1 结构及工作原理
YL-8型液体粘性调速离合器由主机和液压系统两大部分组成。
主机由主动部分、被动部分和加压分离部分等构成。主动部分包括主动轴和主动摩擦片，它们以花键相联，并可作轴向自由滑动;被动部分包括被动轴、被动盘、被动鼓、被动摩擦片和支承盘，除被动片外，其余零件分别用平键和螺栓连接成刚体。被动片和被动鼓以花键相连并可在被动鼓上作轴向自动移动；主动片与主动轴同步旋转，被动片与被动轴同步旋转；加压分离部分包括油缸、活塞、回位弹簧、压盘等。在主动轴和被动轴的轴向径向均钻有油孔，分别通往润滑油腔和工作油腔。
液压系统由润滑油系统和控制供油系统两部分组成，其工作原理图如图2-3.

图2-3液压系统原理图
1、 润滑油箱 2、粗滤油器 3、润滑油泵 4、电机 5、换热器
6、压力继电器 7、电接点温度计 8、润滑油压力表 9、电机
10、精滤油器 11、控制油泵 12、控制油压力表13、二位二通电磁阀
14、电液比例溢流阀 15、电子控制器 16、控制油箱
在离合器主机中，主被动摩擦片之间始终保持一层完整的油膜，原动机动力经主动轴上花键传到主动片，通过摩擦副的液体粘性和油膜剪切力作用将动力传给被动片，再传给被动鼓，最后经被动轴带动负载工作。
润滑供油系统是向摩擦副连续供油的装置，使摩擦片之间不断产生新
的油膜，同时将滑差损失产生的热量经换热器以循环方式很快被带走，使
调速离合器能在滑差情况下保持持久工作。
控制供油系统由电液比例溢流阀来调节控制油压，该油压经控制油入口进入油缸，推动活塞，对摩擦副施加不同压力来改变主、被动片间的油膜厚度，从而实现对输出轴转速的调节，以满足工作机的变速要求。
2.4.2 性能特点和主要技术参数
(1)性能特点
1. 当它与交流电动机配合使用时可方便的实现对负载的无级调速；
2. 除在较大范围内实现无级调速外，还可以实现高效率和无滑差损失的同步传动；
3. 在它处于分离时，可以实现电动机的空载或轻载下启动,可缩短启动电流对电网冲击的持续时间。
(2)主要技术参数:
a.控制系统油压:0.15～2.OMpa 。
b.润滑系统油压:0.1～0.3Mpa 。
c.工作润滑油:YLA-Nab普通液力油或8#液力传动油。
d.冷却水量:Q=40～70L/min。
e.滑油工作油温:£5000C。
3 FP3各单元工作方式的设置与参数整定
3.1 CPU单元
在FP3机的CPU单元中，采用的是16位微处理器芯片，最多可控制2048个I/O点, 具有16K步的大程序容量和EPROM写入功能，采用循环扫描控制工作方式，除基本的控制功能外，还增加了许多特殊功能，如初始化功能，测试运行功能和中断功能等。
3.2 脉冲输出单元
FP3配备了多种实现位置控制的单元，首先是脉冲输出单元，还有高速计数单元和位置控制单元，脉冲输出单元可以输出频率可调的脉冲，其输出频率范围为45Hz～5kHz。频率调节需使用特殊指令（SPD0）并建立参数表来实现。该功能与高速计数器功能结合使用，可以对步进电机的速度和运动物体的位置进行控制。
3.2.1 参数的脉冲化
(1)距离的脉冲化
①如系统速度控制图所示原始资料设置如下：
井筒斜长:LT=498m;
井口车场的长度:LK=30m;
井底车场的长度:LD=30m;
提升机滚筒直径:D=2.5m;
②与提升运动相关的计算
a.矿车组在井底车场运行阶段
初加速段:
t01=vO/aO1=1/0.3=3.3(s)
L01=1/2V0t01=1/2´1´3.3=1.65(m)
等速运行阶段:
L02=LD-L01=30-1.65=28.35(m)
T02=L02/V0=28.35/1=28.35(s)
井底车场运行总时间:
TD=t01+t02=3.3+28.35=31.65(s)
b.矿车组在井筒运行阶段:
加减速运行阶段:
t1=t2=(vm-vD)/a1=(5-1)/0.5=8(s)
L1=L2=1/2(vm+v0)/t=(5+1)/2´8 =24(m)
等速运行阶段:
L3=L-(LD+LK+L2+L2)=528-2(30+24)=420(m)
t3=L3/vm=420/5=84(s)
车组在井口车场运行阶段:
LK=LD=30(m)
tK=tD=31.65(s)
一次提升循环时间:
T=(tD+tK+t1+t2+t3)+θ=2(tD+t1)+t3+θ
=2(31.65+8)+84+25
=188.3(s)
③脉冲数的计算:
滚筒的周长为LG=лD=3.14´2.5=7.85 (m).
按滚筒每转一圈发出n0=2000个脉冲计算，一次提升的长度为528m,应转的圈数为N=528/7.85=67.26圈，一次提升应发出的总脉冲数为nS=N´n0=67.26´2000=134522。
a.车组在井底车场运行阶段所对应的各个阶段的脉冲数
初加速段:
n01=L01/LD´n0=1.65/7.85´2000=420个
等速运行段:
n0=L02/LG´n0=28.35/7.85´2000=7223个
b.矿车组在井筒运行阶段所对应的各个阶段的脉冲数
加减速运行段:
n1=n2=L1/LG´n0=24/7.85 ´ 2000=6115个
等速运行段:
n3=L3/LG ´ n0=420/7.85 ´ 2000=107006个
c.矿车在井口运行段
与井底运行的脉冲数相同nK1=420个，nK2=7223个
(2)速度的脉冲化
将速度值转化成脉冲数为:
f0=0
f1=v0/LG´n0=1/7.85´2000=255个
f2=vm/LG´ n1=5/7.85´2000=1275个
f3=f1=255个
f4=f0=0
(3)加速度的脉冲化
与井底车场初加速及与井口车场减速对应的脉冲数:
na01= na02=V0/t01=255/3.3=77个
与井筒运行段的加、减速度对应的脉冲数:
na1=na2=vm/t1=1275/8=159个
与加速度对应的脉冲单元2的脉冲输出频率:
f01=77
f02=159
可以通过脉冲输出单元的Y23进行脉冲输出频率的切换控制，Y23 OFF时输出为低档，当Y23 ON时为高档。
3.2.2 脉冲单元面板上主要端子的功能
(1) DELAY:延时时间设定调节螺钉。当进行高、低档频率切换时，可设定切换延时时间。该时间在100～500ms之间任意可调。
(2) F.MIN和F.MAX:高、低档频率细调调节螺钉。
(3) C=P, C>P:经过值、预置值比较输出端。C为经过值，P为预置值。当C=P时和C>P时相应的端子输出为高电平。
(4) RST:脉冲单元复位输入端。该输入端开关接通时，脉冲单元复位，即停止输出脉冲，并将经过值和预置值寄存器清零。
(5) P.CNT:脉冲频率控制输入端。当该端输入高电平时，脉冲频率切换为高档，反之切换为低档
(6) OUT0和OUT1:脉冲输出端。
(7) ZERO和SUB:原点到位信号输入端和近原点到位信号输入端。
(8)输入、输出工作指示灯。
（9）I/O单元插座（50）芯。
（10）工作方式选择DIP开关。
3.2.3 脉冲单元工作方式选择开关的设置
表3-1列出了FP3脉冲单元工作方式选择开关的具体设置方法。

表3-1脉冲单元方式选择开关

ON
OFF
SW1
输出保持方式
One-shot 输出方式
SW2
中断使能
中断不使能
SW3
C=P 方式
C=0方式
SW4
单脉冲输出方式
双脉冲输出方式
SW5～SW8
未用

在本系统中应具体设置为：
SW1:取OFF状态使之处于One-shot输出方式，即当C=P端输出高电平时只接通一个扫描周期。
SW2:取ON状态使之处于中断使能。
SW3:取0N状态使之处于C=P方式，经过值计数器进行加计数。
SW4:取0N状态使之处于单脉冲输出方式。
SW5～SW8:未用。
3.2.4 脉冲单元共享存储器的内容设置
FP3脉冲单元共享存储器分配如表表3-2所示。
表3-2脉冲单元共享存储器表

读 数 据
写 数 据
K0
经过值（低16位）
初始值（低16位）
K1
经过值（高8位带符号数）
初始值（高8位带符号数）
K2
不能读
预置值（低16位）
K3
不能读
预置值（高8位带符号数）

在本系统中1号脉冲单元:KO可以读经过值、写初始值此处为O，K2只能写预置值本系统取为134522。2号脉冲单元:KO可以读经过值、写初始值此处为O，K2只能写预置值先本系统设为255，后可经过程序修改。
3.2.5 占用I/O点及I/O分配
本系统可将1号脉冲单元安装在0号槽，2号脉冲单元安装在1号槽。
其脉冲单元分配如表3-3所示。
表3-3脉冲单元分配表

1号脉冲单元
输入
说明
输出
说明
X0
C=P标志位
Y5
紧急停车输出控制
X1
C>P标志位
Y6
脉冲输出开始
X2
上、下溢出标志位
Y7
正、反转输出控制
X3
未用
Y8
脉冲输出频率控制
X4
原点返回操作标志位
Y9
原点返回操作控制
2号脉冲单元
输入
说明
输出
说明
X10
C=P标志位
Y15
紧急停车输出控制
X11
C>P标志位
Y16
脉冲输出开始
X12
上、下溢出标志位
Y17
正、反转输出控制
X13
未用
Y18
脉冲输出频率控制
X14
原点返回操作标志位
Y19
原点返回操作控制
表中说明:
(1)表中C和P的意义是:C表示经过值，P表示预置值。
C=P时，X0: ON, C>P时X1: ON。
(2)X2是溢出标志位，当发生溢出时X2: ON。脉冲单元中有经过值计数器和预置值计数器，二者最大计数范围为-16777216～+16777215，当超过此范围时发生溢出。
3.2.6 脉冲单元在本系统中的工作过程
1号脉冲单元:首先向CPU单元的数据区送入脉冲单元的初始值和预置值，均为十进制表示的脉冲数，即为脉冲单元的初始化作准备，接下来是脉冲单元的初始化，即将初始值和预置值写入脉冲单元的共享存储器中，当有提升信号时，起动按钮按下同时，其上升沿接通Y6后，1号脉冲单元开始有脉冲输出。该脉冲送入高速计数器HSC的XO端，使高速计数器HSC按所设定的参数表进行工作。
2号脉冲单元:首先向CPU单元的数据区送入脉冲单元的初始值和预置值，均为十进制表示的脉冲数，即为脉冲单元的初始化作准备，接下来是脉冲单元的初始化，即将初始值和预置值写入脉冲单元的共享存储器中，当有提升信号时，起动按钮按下同时，其上升沿接通Y16后，2号脉冲单元开始按所选的频率进行脉冲输出并及时进行频率的切换。该脉冲送入高速计数板的输入端，使高速计数板按所设定的参数进行工作。
3.3 高速计数单元的设置与整定
3.3.1 方案的选择及比较
在FP3型PLC中，有两种高速计数单元，一种是在主板上的高速计数器，另一种是高速计数板，二者在使用上有较大的差别。其性能对照表如3-4所示。
表3-4高速计数器和高速计数板性能对照表

项 目
高速计数器
高速计数板
通道数
1
2
计数速度
一相：10KHZ
一相：20KHZ
两相：5KHZ
两相-四时：5KHZ
目标值设定数
不限
每通道2个
输入方式
4种
3种
输入点数
3点（X0、X1、X2）
10点
输出点数
不限
每通道2点
编 程
使用特殊指令F162～F165编程，实现各种功能，如速度控制、输出波形控制、输出通断控制等
不使用特殊指令编程，而是利用经过值与目标值相等作为输出控制条件，使输出通或断，来实现外部控制
在本系统中采用一个高速计数器和一个高速计数板来计数，其中HSC在波形输出控制方式中用F164(SPDO)指令根据高速计数器的经过值控制输出波形ON/OFF，以实现速度的及时切换。高速计数板采用两相独立输入方式，INA0为加计数，INB1为减计数。且用F1(DMV)指令将DT9108和DT9109中的经过值时时拷贝到PID单元中的给定值寄存器DT100中，作为速度的给定。
3.3.2 高速计数器的设置
(1) 高速计数器有四种工作方式，分别为单路加计数、单路减计数、两路单相输入方式和两路双相输入方式，在本系统中采用两路单相输入方式，计数范围为-8388608～8388607，工作方式选择为X0加计数、X1减计数，其最高计数频率为5KHZ，。
(2)占用的I/0端子:X0、X1是脉冲输入端，X2是复位端，HSC的软件复位用指令[FO（MV） H8 DT9052]实现，也可由外部复位开关进行复位。
(3)占用内部寄存器:HSC的经过值存放于DT9044和DT9045中；目标值存放于DT9046和DT9047中。DT9044和DT9046存放低16位，DT9045和DT9047存放高16位。特殊继电器R903A规定为HSC的标志寄存器，当HSC计数时该继电器“ON”，停止计数时为“OFF”。
(4)高速计数器所用到的指令
①[FO(MV) S D]:16位数据传输指令，其中S：被传送原数据（地址），D：传送数据的目的地址，即S→D，该指令用来向高速计数器传输数据。
②[F1(DMV) S D]:32位数据传输指令，其中S：被传送原数据（地址），D：传送数据的目的地址，即（S，S+1）→（D，D+1），该指令用来读出或修改高速计数器的经过值。
③[F162(HCOS) S Yn]:其中S：存高速计数器经过值的首地址，设置范围：K-8388608～K8388607，D：指定的外部输出继电器（Y0～Y7），当（DT9044，DT9045）=（S，S+1）→Yn=ON,执行条件是R903A=OFF(n=0～7)。其作用是将一个外部继电器规定为高速计数器的输出。当高速计数器的经过值与规定目标值一致时，则规定的外部输出继电器接通并保持。
④[F163(HCOR) S Yn]: 其中S：存高速计数器经过值的首地址，设置范围：K-8388608～K8388607，D：指定的外部输出继电器（Y0～Y7），当（DT9044，DT9045）=（S，S+1）→Yn=ON,执行条件是R903A=OFF(n=0～7)。其作用是规定一个外部继电器为高速计数器的输出，当高速计数器的经过值与规定目标值一致时，则规定的外部输出继电器断开。
⑤[F164(SPDO) S]: 其中S：存控制数据的首地址，其作用是根据高速计数器的经过值确定输出的控制条件。可用于两种类型的输出控制，即脉冲输出控制方式和波形输出控制方式，本系统采用是后一种。
3.3.3 用F164(SPDO)指令实现位置控制的方式
本系统用HSC的XO端接收1号脉冲单元发出的脉冲，其工作方式按表3-5参数表所示，来实现速度及位置的及时控制。
表 3-5 Pattern参数表

DT300
H47
设定四挡七点控制方式
DT301
H1
初始波形Y4Y3Y2Y1Y0= 00001
DT302 DT303
K420（M1）
井底车场初加速段对应的脉冲数
DT304
H2
二档波形Y4Y3Y2YlY0= 00010
DT305 DT306
K7643（M2）
井底车场等速段对应的脉冲数
DT307
H3
三档波形Y4Y3Y2Y1Y0= 00100
DT308 DT309
K13758（M3）
井筒加速段对应的脉冲数
DT310
H4
四档波形Y4Y3Y2YlY0=01000
DT311 DT312
K120764（M4）
井筒等速段对应的脉冲数
DT313
H3
三档波形Y4Y3Y2Y1Y0= 00100
DT314 DT315
K126879（M5）
井筒减速段对应的脉冲数
DT316
H2
二档波形Y4Y3Y2YlY0= 00010
DT317 DT318
K134102（M6）
井口等速段对应的脉冲数
DT319
H1
初始波形Y4Y3Y2YlY0= 00001
DT320 DT321
K134522（M7）
井口减速段对应的脉冲数
DT322
H5
结吏波形Y4Y3Y2Y1Y0=10000
表中M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7分别为七档变速对应的脉冲数，H1、H2、H3、H4、H5分别为速度的控制代码。
当有提升信号时，PLC按照pattern参数表所设定的工作方式运行。由参数表可知，整个控制过程可分为七段，其输出点Y0, Y1, Y2, Y3是速度切换控制信号，而Y4是停车信号。按参数表初始波形输出0OOO1H，即YO为高电平而Y4, Y3, Y2, Y1为低电平，此时电机转速较低，进行的是井底平车场的初加速运行。当电机转速达到目标值M1时，输出切换为OOO1OH，此时Y4, Y3, Y2, YO为低电平，Y1为高电平，进行的是井底平车场的等速运行，当电机转速达到目标值M2时，输出切换为OOl00H，此时Y4, Y3, Y1, YO为低电平，Y2为高电平，进行的是井筒加速运行，当电机转速达到目标值M3时，输出切换为O1OOOH，此时Y4, Y2, Y1, YO为低电平，Y3为高电平，进行的是井筒等速运行，当电机转速达到目标值M4时，输出再一次切换为OOl00H,此时Y4, Y3, Y1, YO为低电平，Y2为高电平，进行的是井筒减速运行，当电机转速达到目标值M5时，输出再一次切换为OOO1OH，此时Y4, Y3, Y2, YO为低电平，Y1为高电平，进行的是井口平车场等速运行，当电机转速达到目标值M6时，输出再一次切换为0OOO1H，此时Y4, Y3, Y2, Y1为低电平，Y0为高电平，进行的是井口平车场减速运行，当电机转速达到目标值M7时，输出切换为10000H，此时、Y3, Y2, Y1, YO为低电平，Y4为高电平，控制停车。
3.3.4 高速计数板的设置与整定
与高速计数器的设置方式相似，高速计数板的设置包括输入方式、计数范围、计数速度、通道选择和内部寄存器的分配等，具体设置如下：
(1)输入方式:两相独立输入方式，INA为加计数，INB为减计数。
(2)计数范围:-8388608～+8388608。
(3)计数速度:两相输入，计数频率为5KHZ。
(4)通道选择:选择CHO通道和CH1通道。
(5)高速计数板占用的内部寄存器如表3-6。

表3-6 特殊寄存器表

寄存器名
用途
CH0
DT9104、 DT9105
目标值0寄存器
DT9106、 DT9107
目标值1寄存器
DT9108、 DT9109
经过值寄存器
DT9110、 DT9111
捕捉值寄存器
CH1
DT9112、 DT9113
目标值0寄存器
DT9114、 DT9115
目标值1寄存器
DT9116、 DT9117
经过值寄存器
DT9118、 DT9119
捕捉值寄存器
DT9120

控制字寄存器
DT9121

状态监视寄存器

3.3.5 手动方式时速度的给定
本系统设计除了可以完成自动运行外，还要求提升机可以在司机控制下进行手动运行和检修方式运行。
当选择手动方式时，可用自整角机作为主令控制设备，司机通过前推或后拉主令控制手柄带动自整角机转动，从而发出主令控制信号，作为速度的给定。这时工作于变压器状态，当自整角机激磁绕组送入恒定的交流电压U1时，从自整角机的两个相绕组取出电压U2，这两个相绕组可用等值绕组代替，它与激磁绕组轴线的位置角为ф。当激磁绕组轴线与同步绕组的等值绕组相重合时，输出的电压U2m为最大，当ф=900时，此时输出电压为零。当转过1800时，轴线再次闭合，但输出电压为最大负值。自整角机的单向联接，根据转子的不同位置角，得到不同的信号电压，从而自动实现速度给定。取(0-10)的自整角机输出电压,经PLC中A/ D转换成数字量，就是对应(0-Vm)手动给定的速度值。
PID调节是过程控制系统中最常用的控制算法之一。PID控制分模拟和数字两种类型，数字PID调节器是由模拟PID调节器发展而来的，其控制算法是按给定值与实际值之间偏差的比例、积分、微分控制的，其参数可以在现场在线整定。由于软件设计的灵活性，一般可以得到满意的效果。
3.4 PID单元的设置与整定
3.4.1 数字PID的控制算法
在模拟控制系统中，PID的控制算法的表达式为:
p[e(t)+dt+TD]…………………………(4-1)
由于数字PID的控制是采样控制，它是根据采样时刻的偏差值来计算控制量的，因此，在PLC控制系统中，需要对上式进行离散化，即用数字形式的差分方程来代替连续系统的微分方程，此时积分项和微分项可用求和及求增量式表示为:
u(k)=kp[e(k)–e(i)+TD]…………………(4-2).
式中 T:采样周期必须足够小，才能保证系统有一定的精度。
e(k)：第k次采样时的偏差值:
e(k-1)：第(k-1)次采样时的偏差值。
K: 采样序号k=0、1、2…。
u(k): 第k次采样的调节输出。
3.4.2 PID参数的设置
FP3型PLC配备了用于数字PID控制的功能单元，只需用[F355