1、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
2、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
3、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
4、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
5、、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
6、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，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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、 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”。 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
12、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
13、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。2）使用协议通讯 使用协议，RS485（422）模块可以1：N进行通讯。3）并行连接 使用100个辅助继电器和10个数据寄存器，Fx2N可编程控制器即可实现1:1的通讯。4）N:N的网络通讯 FX2N通过RS-485通讯板可以实现N:N的网络通讯。本设计采用第一种连接方式：无协议数据传输连接方法连接线路图如下RS485模块内，RDA与RDB之间连有一中间电阻（110），这种连线方式同样适合于并行连接数据传输。第二节 可编程控制器的选用及程序设计 一 PLC容量的选择：它包括用户存储容量和I/
14、0点数两方面的选择，PLC容量不但满足控制要求，还应留有适当的裕量以作备用选择存储容量时，按实际需要的25%考虑裕量，I/O点数按实际需要的1015%考虑裕量。装载控制PLC的输入信号有：单步、连续选择按钮，1#井下煤仓、2#井下煤仓选择按妞，左皮带机按钮，左1#给煤机按钮，左2#给煤机按钮，左定量仓电磁阀按钮，右皮带机按钮，右1给煤机按钮，右2#给煤机按妞，右定量仓电磁阀按钮，定铃按妞，左提升打铃按钮，右提升打铃按钮，检修，左提升斗到位，右提升斗到位，井上仓满，左定量仓满空，右定量仓满空，左定量仓仓门开关，右定量仓仓门开关共计23点装载控制PLC的输出信号有：左1#给煤机、左2#给煤机、左定
15、量仓电磁阀右1#给煤机、右2#给煤机、右定量仓电磁阀、电铃、定铃输出、左提升打铃输出、右提升铃输出、运行指示灯、故障指示灯、提升运行方向显示（8点）、皮带机控制及运行显示（8点）。共计26点综合以上各方面考虑，可编程控制器选为：32点输入、32点输出、8K步Fx2N可编程控制器。二 工艺流程：当左定量仓空或不满，且左定量仓已关，左皮带机开启；左皮带机开启后，开启左1#给煤机或左2#给煤机；当左定量仓满后，先停止左1#给煤机和左2给煤机，再停止左皮带机；左皮带机停止，且提升箕斗到位时，开启左定量仓仓门；左定量仓空后，关闭仓门，打左提升铃定铃按钮按下时，井下各设备停止动作右侧的工艺流程与左边相同。
16、同时系统具有防二次重装功能，即：提升箕斗装载后，在没有卸载之前，不允许再次装载。检修条件下，定量仓门不能打开。定时与上位机通讯，每隔0.5s把可编程控制器的I/O口的状态传送到上位机。三 根据工艺流程分析控制要求控制方式分为手动操作方式和自动操作方式自动操作方式又分为单步操作方式和连续操作方式。手动操作：就是按钮操作对装载各设备的单独控制，控制信号不进入可编程控制器。各手动钮钮有：左皮带机、左1#给煤机、左2#给煤机、左定量仓电磁阀、左提升打铃、右皮带机、右1#给煤机、右2给煤机、右定量仓电磁阀、右提升打铃。各按钮均有启动和停止两按钮同时，以上按钮均配有手动与自动选择开关（左、右提升打铃按钮除
17、外）。自动操作方式时，各按钮的选择开关选到自动档各控制信号进入可编程拉制器。单步操作：当工艺流程到达该设备动作时，按下该设备的启动控制按钮，该设备动作；按下停止按钮，该设备停止动作。连续操作：各设备根据工艺流程，自动地、连续地动作。工作中，按下停止按钮，各设备均停止动作。在连续运行程序中，必须防止二次重装载。否则提升箕斗没有卸载就再次装载，会造成重大生产事故。该功能的设计是通过使用两个掉电保持的辅助继电器实现。左右各有一个允许装载状态信号（左边M502、右边M501）左边装载后，复位M502，置位M501，使左边不可装载，而允许右边装载。在右边装载后，置位M502，复位M501，使右边不可装载
18、，而允许左边装载。四 可编程控制器I/O点对照：XO 自动运行 YO 左1#给煤机X1 手动运行 Y1 左2#给煤机X2 左煤仓按妞 Y2 右1#给煤机X3 右煤仓按妞 Y3 右2#给煤机X4 左皮带机按钮 Y4 左定量仓电磁阀X5 左1#给煤机按钮 Y5 右定量仓电磁阀X6 左2#给煤机按钮 Y6 运行指示灯X7 左定量仓电磁阀按妞 Y7 故障指示灯X10 右皮带机按钮 Y10 电铃X11 右1#给煤机按钮 Y11 定铃指示灯X12 右2#给煤机按钮 Y12 右打铃指示灯X13 右定量仓电磁阀按钮 Y13 左打铃指示灯X14 左提升其斗到位 Y20-Y25提升运行指示灯X15 右提升箕斗到位
19、 Y26 左上提升控制X16 井上仓满 Y27 右上提升控制X17 左定量仓重量满空 Y30-Y31 皮带机运行指示灯X20 右定量仓重量满空 Y36 左皮带机控制X21 左定量仓门开关 Y37 右皮带机控制X22 右定量仓门开关 X23 检修X24 右提升打铃 X25 左提升打铃X26 定铃 X27 运行按钮五 程序总体设计：串行通讯程序的设计：可编程控制器负责把其I/O口的状态每隔一定的时间传送到上位机中。可编程控制器采用Fx2N-485-BD模块实现与上位机的串行通讯控制字的设置为H0051，传送数据长度为8位，没有奇偶校验，1位停止位，波特率为1200bps，无协议传输方式即b14为0
20、，根据说明书得在无协议格式中b14, b15也要设置为0。通信程序负责把装载可编程控制器的各输入输出口的状态传输到上位机中。第四章 卸载控制系统的设计卸载控制电路为一般电路，没有本安要求。由于井上亮度较大，面板的限流电阻选为2.4k，控制台面板采用与装载相同的面板。第二节 可编程控制器的程序设计 一 可编程控制器的选择可编程控制器选用与装载系统中一样的控制器：32位输入、32位输出、8K步Fx2N系列可编程控制器。卸载控制PLC的输入信号有：左提升箕斗到位、右提升其斗到位、井上仓满、检修按妞、连续运行按钮、单步运行按钮,左箕斗电磁阀按妞、右其斗电磁阀按钮、左箕斗门开关、右其斗门开关。卸载控制P
21、LC的输出信号有：左箕斗电磁阀、右箕斗电磁阀、电铃、左定量仓满空、右定量仓满空、左定量仓门开关、右定量仓门开关、左1#给煤机、左2#给煤机、右1#给煤机、右2#给煤机、运行、故障、定铃、左提升打铃、右提升打铃、提升机运行指示（8点）、皮带机运行指示（8点）。二 工艺流程左箕斗到位后，启动其电磁阀，打开箕斗门卸载。井上仓满时，停止卸载。定时与上位机通讯，把从上位机接收的数据在输出口输出，在控制面板显示装载设备的状态。三 控制要求控制方式分为手动操作方式和自动操作方式。自动操作方式又分为单步操作方式和连续操作方式。就是按钮操作对卸载各设备的单独控制，控制信号不进入可编程控制器即按下左箕斗电磁阀开启
22、按钮，左箕斗门开。按下停止按钮箕斗门关。当工艺流程到达该设备动作时，按下该设备的启动控制按妞，该设备动作；连续运行程序中，同样仿造装载控制系统中的防二次重装载的程序，设计了防二次重卸载功能，节省了卸载系统的时间，提高了生产效率四 卸载输入输出点；XO启动 YO左其斗电磁阀X1自动运行按钮 Y1右箕斗电磁阀X2手动运行按钮 Y2电铃X3左提升打铃按钮 Y3左定量仓重量满空X4右提升打铃按钮 Y4右定量仓重量满空X5定铃按钮 Y5左定量仓门开关X6左电磁阀按钮 Y6右定量仓门开关X7右电磁阀按钮 Y7右1#给煤机X10检修 Y10左2#给煤机X14左提升箕斗到位 Yll左1#给煤机X15右提升箕斗
23、到位 Y12右2#给煤机X16井上仓满 Y13运行指示灯X17左箕斗门开关 Y14故障指示灯X20右箕斗门开关 Y15定铃指示灯Y16左打铃 Y17右打铃Y30Y20 Y31Y21 Y32Y22 Y33 皮带机运行显示Y23 提升运行显示 Y34Y24 Y35Y25 Y36左皮带机运行控制Y26左上提升显示控制 Y37右皮带机运行控制Y27右上提升显示控制五 程序的总体设计：通信程序的设计：卸载控制可编程控制器是负责接收数据，根据通信格式的规定，通信格式字设置为HOC53，即8位传输数据长度，采用奇校验方式，波特率为1200bps.为了是卸载控制台与装载控制台同步显示设备状态，必须对通信数据进
24、行处理，取出所用到的状态位。卸载控制台所需要的信号有：左右定量仓满空、左右定量仓门开关、4个给煤机、左右皮带机的动作信号。第五章 上位机管理系统的设计第一节 LabVIEW编程平台简介一 起源LabVIEW是实验室虚拟仪器集成环境的简称，是美国国家仪器公司的创新软件产品，也是应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件开发坏境。数据采集、仪器控制、过程监控和自动测试是实验室和工业自动化领域广泛存在的实际任务在20世纪80年代初个人计算机出现之前，几乎所有拥有程控仪器的实验室都采用贵重的仪器控制器来控制测试系统，这些功能单一、价格昂贵的仪器控制器通过一个集成通讯口来控制IEEE-488总线仪器。随着
25、PC机的出现，各种基于PC机的接口板卡产品迅速地打开了市场。GPIB总线事实上已经成为连接仪器和计算机的通用标准接口但是，仪器控制软件的发展，仍然存在许多问题。为了解决这些问题，NI公司研制了LabVIEW图形化编程软件。二 特点 LabVIEW本身是一个功能比较完整的软件开发环境，但它是为替代常规的BASIC或C语言而设计的，LabVIEW是编程语言而不仅仅是一个软件开发环境作为编写应用程序的语言，除了编程方式不同外，LabVIEW具备语言的所有特性，因此又称之为G语言。G语言是一种适合应用于任何可编程任务，具有扩展函数数据库的通用编程语言。和BASIC或C语言一样，G语言定义了数据类型、结
26、构类型和模块调用语法规则等编程语言的基本要素，在功能完整性和应用灵活性上不逊于任何高级语言，同时G语言丰富的扩展函数库，为用户编程提供了极大的方便。这些扩展函数库主要面向数据采集、GPIB和串行仪器控制，以及数据分析、数据显示和数据存储。G语言还包括常用的程序调试工具，比如允许设置断点、单步调试、数据探针和动态显示执行程序流程等。G语言与传统高级编程语言最大的差别在于编程方式，一般高级语言采用文本编程，而G语言采用图形化编程方式。G语言编写的程序称为虚拟仪器VI（Virtual Instruments），因为它的界面和功能与真实仪器十分相象，在LabVIEW环境下开发的应用程序都被冠以.VI后
27、缀，以表示虚拟仪器的含义一个VI由交互式用户接口、数据流框图和图标连接端口组成，各部分功能如下：VI的交互式用户接口因为与真实仪器面板相似，又称作前面板前面板可以包含旋钮、刻度盘、开关、图表和其他界面工具，允许用户通过键盘或鼠标获取数据并显示结果。VI从数据流框图接收指令。框图是一种解决编程问题的图形化方法，实际上是vi的程序代码。vi模块化特性一个vi既可以作为上层独立程序，也可以作为其他程序的子程序。当一个vi作为子程序时，称作SubVI. VI图标和连接端口的功能就像一个图形化参数列表，可以在VI与SubVI之间传递数据三 应用及解决方案LabVIEW应用与测试与测量LabVIEW已成为
28、测试与测量领域的工业标准，通过GPIB、VXI, PLC.串行设备和插卡式数据采集板可以构成实际的数据采集系统它提供了工业界最大的仪器驱动程序库，它提供的众多开发工具使复杂的测试与测量任务变得简单易行。LabVIEW应用于过程控制和自动化LabVIEW强大的硬件驱动、图形显示能力和便捷的快速程序设计为过程控制和工业自动化应用提供了优秀的解决方案对于更复杂、更专业的工业自动化领域，在LabVIEW基础上发展起来的。LabVIEW应用于实验室研究与自动化LabVIEW为科学家和工程师提供了功能强大的高级数学分析库，包括统计、估计、回归分析、线形代数、信号生成算法、时域和频域算法等众多科学领域，可满
29、足各种计算和分析需要 第二节 系统硬件组成系统的主要硬件有工业控制计算机、研化各种工业控制用卡、传感器及其电路。下面就简单介绍各硬件的功能及其在本系统中的应用。一 研华工业控制计算机 基本配置为PIII800GHZ. 126MB内存，20GB硬盘，5个PCI插槽，CD-ROM驱动器，标准键盘、鼠标等。二 研华PCL-818L数据采集卡研华PCL-818L数据采集卡是一种多功能的数据采集卡，它提供了5种最常用的测量和控制功能：12位A/D转换、D/A转换、数字输入、数字输出和时钟定时器控制。它不但具备数据采集的功能，而且还具备信号控制、输出的功能通过数据采集卡，把从外界采集的电信号转换为数字信号输入计算机，并且把计算机输出的数字信号转换为模拟信号传递给外围设备，可以控制外围设备的行为。PCL-818L的硬件电路主要是由模拟I/O电路、数字I/O电路、时序控制电路、接口电路等构成全卡的功能由数字逻辑电路统一控制。1 模拟量输入输出电路模拟量输入通道的16个端口
