基于PLC的综采模拟工作面负荷控制中心的设计与实现.pdf

PLC 201192231612 分类号 密级 UDC 注1 PLC （题名和副题名） （作者姓名） 指导教师 （姓名、职称、单位名称） 申请学位级别 专业学位类别 工程领域名称 提交论文日期 2015.3.25论文答辩日期 2015.5.17 学位授予单位和日期 2015622 答辩委员会主席 评阅人 注 1注明国际十进分类法 UDC的类号。 A PROGRAMMABLE LOGIC CONTROLLER BASED DESIGN AND IMPLEMENTATION OF A FULLY-MECHANIZED SIMULATED WORKING FACE LOAD CONTROL CENTER A Master Thesis ted to University of Electronic Science and Technology of China Major Master of Engineering Author ZhaoYuBing Advisor WuZhengHua School School of Ination and Software Engineering 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 作者签名 日期 年 月 日 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后应遵守此规定） 作者签名 导师签名 日期 年 月 日 摘 要 I 摘 要 随着国民经济的快速发展，我国大中型煤矿已经实现综合机械化采煤。井下 供电设备保护也随着计算机技术的迅速发展，传统的继电保护逐步被微机控制取 代。PLC 以其强大的功能、运行的可靠性、安全性和较好的抗干扰能力在综合机 械化采煤设备的控制方面获得了巨大的成功。组合开关是矿用隔爆兼本质安全型 组合开关的简称，又称负荷控制中心，是将多个真空接触器及其驱动部分组装在 一个防爆外壳中而组成的多功能开关。综合机械化采煤控制设备已经由单个独立 控制开关发展到综合控制负荷中心。本综合控制负荷中心是一种以 PLC 为控制中 心，通过驱动部分来驱动相应的电动机工作，并可实现多台电动机的顺序控制和 联锁控制，在完成多种控制方式的同时实现对电动机的保护。它控制的主要设备 有采煤机、刮板运输机、转载机、破碎机、胶带运输机等防爆型电气设备。兖矿 技师学院在 90 年代初期建立的综合机械化采煤模拟工作面控制设备，已经严重落 后，造成教学与生产实际严重脱节，因此，研制一套综采模拟面负荷控制中心具 有重要的现实意义。 本课题研究特色是针对综采模拟工作面电气设备控制的特点， 利用三菱 PLC、 人机界面技术、现场总线技术，实现了对供电线路和设备的各种电气保护功能。 负荷控制中心包含有主回路、控制保护系统、驱动模块、显示系统等。通过对设 备保护电压、电流等相关参数的采样、处理，使控制中心具有符合煤矿安全规 程要求的短路、过负荷、断相、漏电和三相不平衡等保护功能。采用剔峰均值 滤波技术，解决了模拟量信号数据采集过程中,因为现场瞬时干扰而产生较大波动, 造成的误动问题。针对操作过电压，采用了阻容吸收保护电路。完成系统软件设 计和人机界面设计。人机界面由台湾维纶科技公司生产的 MT8000 系列的触摸屏 实现。 最后，对各项功能进行调试及系统调试。调试结果表明保护功能和保护性能 良好，人机界面友好，能够满足学员培训实习要求。为综采电气设备教学、培训 提供了有力的保障。 关键词关键词负荷控制中心，PLC，电气保护功能，人机界面 ABSTRACT II ABSTRACT With the rapid development of national economy, large and medium-sized coal mines have realized fully-mechanized mining production. At the same time, protection to underground power supply units has also been improved as the traditional relay protection being replaced gradually by microcomputer control along with the booming computer technology. Programmable logic controller PLC hereafter gains a great success in controlling fully-mechanized coal mining equipment with its robust function, reliable and safe operation and strong anti-interference. Switchgear is the abbreviation of exPLCsion-proof and intrinsically safe switchgear, also named as load control center. It is a multi-functional switch consisting of an exPLCsion-proof enclosure and a certain amount of vacuum contactors and the driving part in it. The control equipment for fully-mechanized coal mining has evolved from a single independent control switch into a comprehensive control load center. Taking PLC as the control core, this comprehensive control load center is to have the driving part drive related motors and enable a sequential control and linkage control of several motors, which can realize the completion of several control modes while providing protection to the motors. The equipment it controlled mainly includes shearers, AFC’s, loaders, breakers, belt conveyors and other exPLCsion-proof electrical devices. The control equipment for fully-mechanized coal mining stimulated working face built by Yankuang Technical School in the early 1990s has fallen far behind and out-dated, leading to the disconnection between teaching activity and production reality. Therefore, it is of great practical significance to develop a suit of load control center to be used on the fully-mechanized coal miningstimulated working face. The main characteristics embodied in the study are as follows in view of the controlling features of the fully-mechanized mining stimulated working face, it takes advantage of Mitsubishi’s PLC, HMI and fieldbus control to achieve various protections for power supply lines and the machine itself. The load control center consists of main circuit, control protection system, driving part and display elements. Based on sampling and processing of parameters like the voltage or current protection values, the control center shall be capable of enforcing the functions in conity with the requirements Abstract III of Coal Mines Safety Regulation on electrical protection against short circuit, overload, phase-loss, leakage and three phase imbalance. It uses peak-removed average filtering to address the false actions in the process of analogue signal data collecting due to the large fluctuations created by instantaneous interference on site. For the over-voltage in operation, resistance capacitance snubbers are applied. Software and HMI design are involved in this design. The HMI with a touch screen is one of the MT8000 series products supplied by Taiwan WEINVIEW. What is more, commissioning is conducted to individual function and the system respectively. The result shows good electrical protection and perances and HMI is proved to be friendly, which can meet the demands of student training and practicing. Furthermore, it will definitely provide a strong support for teaching and training of the fully-mechanized mining electrical equipment. Key words Load control center, PLC, electrical protection, HMI 目 录 IV 目 录 第一章 绪论 .................................................................................................................... 1 1.1 选题来源和依据 ................................................................................................. 1 1.2 国内外研究现状 ................................................................................................ 2 1.3 选题在实际应用方面的意义和价值 ................................................................ 4 1.4 论文的主要研究内容 ........................................................................................ 4 1.5 论文组织结构安排 ............................................................................................ 5 第二章 系统开发相关理论及工具 ................................................................................ 6 2.1 PLC 有关技术知识 ............................................................................................. 6 2.1.1 PLC 控制技术 ........................................................................................... 6 2.1.2 PLC 数据通信技术 ................................................................................... 7 2.1.3 FX2N 系列 PLC 的开发环境 ................................................................... 9 2.2 人机界面开发技术 .......................................................................................... 10 2.3 CC-Link 总线技术 ............................................................................................ 10 2.4 Modbus 通信协议 ............................................................................................. 13 2.5 面向对象的编程思想 ....................................................................................... 16 2.6 MFC 微软基础类 .............................................................................................. 17 2.7 MySQL 数据库系统 ......................................................................................... 18 2.8 本章小结 .......................................................................................................... 19 第三章 系统需求分析 .................................................................................................. 20 3.1 需求概述 ........................................................................................................... 20 3.2 负荷控制中心保护模块功能需求分析 ........................................................... 21 3.3 负荷控制中显示监测模块功能需求分析 ....................................................... 23 3.4 综采模拟工作面负荷控制中心模块功能特点 ............................................... 26 3.5 综采模拟工作面负荷控制中心基本参数 ....................................................... 26 3.6 本章小节 ........................................................................................................... 27 第四章 综采模拟工作面负荷控制中心系统设计 ...................................................... 28 4.1 综采模拟工作面负荷控制中心的系统总体构成 ........................................... 28 4.2 PLC 通信程序设计 ........................................................................................... 28 4.3 负荷控制中心电气保护功能设计 ................................................................... 29 目 录 V 4.4 负荷控制中心显示监测系统设计 ................................................................... 38 4.4.1 监测系统架构的设计 ............................................................................ 38 4.4.2 用户界面的设计 ..................................................................................... 43 4.4.3 实时报警功能设计 ................................................................................. 44 4.4.4 数据上传设计 ......................................................................................... 44 4.4.5 登录设计 ................................................................................................. 45 4.4.6 实时监测功能设计 ................................................................................. 45 4.4.7 历史数据查询设计 ................................................................................. 46 4.4.8 数据库的设计 ......................................................................................... 46 4.5 本章小节 ........................................................................................................... 48 第五章 负荷控制中心系统实现 .................................................................................. 49 5.1 负荷控制中心电气保护功能的实现 ............................................................... 49 5.2 负荷控制中心显示监测系统实现 ................................................................... 52 5.2.1 用户界面实现 ......................................................................................... 52 5.2.2 实时报警功能实现 ................................................................................. 55 5.2.3 数据上传实现 ......................................................................................... 57 5.2.4 登录实现 ................................................................................................. 57 5.2.5 实时监测功能实现 ................................................................................. 59 5.2.6 历史数据查询实现 ................................................................................. 60 5.2.7 数据库的实现 ......................................................................................... 61 5.3 本章小结 .......................................................................................................... 63 第六章 负荷控制中心系统测试 .................................................................................. 64 6.1 测试目标 ........................................................................................................... 64 6.2 系统功能测试 ................................................................................................... 64 6.3 系统运行性能测试 ........................................................................................... 65 6.4 应用效果 ........................................................................................................... 66 6.5 本章小结 ........................................................................................................... 67 第七章 总结与展望 ...................................................................................................... 68 致 谢 ............................................................................................................................ 69 参考文献 ........................................................................................................................ 70 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 选题来源和依据 1. 选题来源 济宁市是鲁西南拥有煤矿最多的地市，兖矿集团、山东宏河矿业集团、山东 里彦煤矿和临沂煤矿的大部分矿井集中在这里。周边地区的枣矿集团、菏泽煤电 和丰沛地区的矿井也相对集中，所以说煤炭产业是鲁西南的支柱产业。 山东兖矿技师学院隶属于兖矿集团，兖矿集团是以煤炭、煤化工及煤电铝和 机电成套装备制造为主导产业的特大型企业，矿区开发建设于 1966 年，经过近 50 年的发展历程，拥有资产总值近 1000 亿，是中国企业 500 强之一的企业，是中国 第一个煤炭行业实现纽约、香港和上海三地成功上市的企业。山东兖矿技师学院 作为兖矿集团公司生产一线技术工人的培养基地，同时也为周边各矿业集团培养 采煤方面的生产一线技术工人。在 90 年代初期就建立了综合机械化采煤模拟工作 面，供在校学生和工人培训实习使用。该综合机械化采煤模拟工作面的电气设备 采用单个独立的开关控制，他们的保护电路都采用分立元件模拟电路保护，元件 分散、稳定性差、保护灵敏度相对较低，人机交互性差。随着集团的发展，这套 综合机械化采煤模拟工作面的电气控制设备，已经严重落后，造成教学与生产实 际严重脱节，影响了实习教学的有效顺利开展，已经不再适应集团公司综合机械 化采煤的发展需要。因此，急需研制一套与生产现场相适应的模拟综采工作面设 备集中控制中心，实现保护智能化，通过一台控制中心，完成了对采煤机机、刮 板输送机、破碎机、转载机、胶带输送机等设备的集中控制，以满足学生生产实 习和工人培训需要。 2. 选题依据 随着我国煤矿综合机械化采煤工作面自动化程度的快速提高和发展，兖矿集 团及周边各矿业集团综合机械化采煤设备的控制已经由单个独立的开关发展到了 综合性的负荷控制中心。综合负荷控制中心是由多个驱动器组成的多功能组合开 关，是一种具有高可靠性、智能型集中控制的隔爆型电器设备，它具有优良的保 护性能、动作指标、人机界面、数据通信、监测监控性能。是对综合机械化采煤 工作面的主要负荷进行集中控制和保护的矿用隔爆兼本质安全型智能组合电器， 它控制的主要设备有采煤机、刮板运输机、转载机、破碎机、胶带运输机等防 爆型电气设备，可以实现对多台单速电机的顺序控制。 电子科技大学硕士学位论文 2 “十二五”时期， 兖矿集团将加快建设主业突出、 核心竞争力强的国际化的企业 集团，做强做大煤炭产业。五年间兖矿集团经营管理、专业技术、高技能三类人 才总量将达到 10.2 万人，其中约 8.3 万人为专科以下懂理论、会操作的生产一线 高素质技术技能人才。兖矿集团的高效跨越发展需要职业教育和培训基地提供强 有力的人才培养支持。在技师学院揭牌庆典大会上，集团公司领导明确提出“强 化教学管理，提升教学质量和办学水平，努力把兖矿培训中心建成高技能人才培 养基地、人力资源开发基地、应用技术转化基地”。为贯彻落实集团公司领导要求、 促进高素质人才培养、建设多功能职业教育培训基地，学院深入开展“抓管理、提 质量、创品牌”活动。努力建成与教学需要相适应、仪器设备先进、具有真实或仿 真效果的校内实训基地和集教学、培训、技能鉴定、研发推广于一体的产学研基 地，健全实训基地投入、建设和管理运行机制，为强化学生技能创造条件，为企 业和社会提供支持和服务。 1.2 国内外研究现状 综合机械化采煤是一国煤矿开采技术现代化的重要标志[1]。因此，世界各国都 在不断探究先进的控制方法。随着微机系统专业化以及数字信号处理技术的快速 发展，利用他们良好的运算控制性能和优越的通信能力组成负荷控制开关的测控 系统和保护系统,具有低电压、微电流和小功耗的优点，成功解决了煤矿井下防爆 问题。因此，将 PLC 和数字信号处理技术引入到井下隔爆负荷控制开关中，恰好 适应了煤矿井下防爆电气开关设备智能化发展的要求。也使煤矿综合机械化采煤 控制技术实现了的快速发展和改进。进一步实现了快速推进煤矿井下防爆电气设 备智能化革命，全面提高了煤矿综合机械化采煤生产效率及作业安全系数。 1.国外发展现状 1上世纪七十年代， 美国把真空接触器应用到井下矿用隔爆型磁力起动器中； 2上世纪八十年代， 一些国外公司开发出了形式多样的矿用隔爆型组合开关， 如德国北威州门登市 AEG 公司的 MSL 系列和 Siemens 公司的 8SK 系列，均可以 控制 2～9 个支路负荷。 俄罗斯生产的 CYB-1140 组合开关可以控制 2～5 个支路负 荷，且支路最大控制功率可达 400kW，尽管这些组合开关具有过电压、短路、过 载和漏电闭锁等保护功能，但其保护电路均采用分立元件和模拟式保护方法，元 件分散性大、保护灵敏度低、稳定性差，人机交互性差。 3随着计算机技术的发展，英国、法国和澳大利亚等国先后研发了以单片机 为控制核心的组合磁力控制中心，它较原来的模拟式组合磁力控制中心在保护性 第一章 绪论 3 能、动作指标、人机界面、数据通信、监测监控和可靠性方面均有较大提高。如 英国鲍尔温与弗朗西斯公司生产的 CHP 系列可以控制 9～16 路负荷。 2. 国内发展现状 相比于西方发达国家，由于受十年文化大革命的影响，我国的综采工作面自 动化控制系统发展相对较为落后，国内组合磁力控制器的研发起步比较晚，主要 经历了以下几个阶段 1上世纪 60～70 年代, 磁力起动器的主要控元件是空气接触器，主要使用 熔断器和热继电器进行保护，结构极其简单、可靠性比较差，经常出现电动机烧 坏的情况。煤矿开采基本上是采用人海战术，工人劳动强度大,生产效率低，安全 状况差。 2到了八十年代，JDB、ABD 等三相异步电动机综合保护装置的出现，使煤 矿井下生产条件和机电设备安全性能有了很大提高，但由于 JDB、ABD 采用的是 分立元件比较分散，保护原理也比较简单，所以抗干扰能力差，三相异步电动机 烧坏的现象仍然居高不下。 3进入九十年代后，相继研发出形式多样的矿用隔爆型开关，如 BQZBH 系 列单体真空磁力启动器、QJZ 型两组合和 ZK8 型八组合等矿用隔爆型开关，但仍 然采用电子插件式保护，保护功能安全性差，无法满足我国现代化矿井发展需要。 4进入新千年，随着 PLC 技术的快速发展，又相继研发出形式多样的矿用隔 爆型智能负荷控制中心。如太原理工大学和潞安海通工贸有限公司联合开发了以 PLC 为控制单元的 HT6L1-400Z/1140 型矿用隔爆智能组合开关，保护功能齐全， 通过触摸屏可显示设备的工作状态及故障参数，具有较好对的人机界面。同时， 国内还有不少研究机构和煤矿电气设备制造商也致力于智能组合负荷控制中心的 研发。 3. 兖矿集团近年来使用情况 进入九十年代后，煤炭需求量日益增长，为了满足社会需求，就要求不断提 高矿井生产效率， 为此建立了高产高效的采煤工作面， 于是就引进了英国的 CHP33 组合开关，可控制 8 路负荷，其控制核心是工控机与单片机相结合。CHP33 采用 多种总线和组态软件等技术，它不仅能完成单机的控制功能，同时还有多机联机 的功能，可与其它的控制设备进行联网，组成具有智能化、数字化的工作面。而 目前使用的主要有兖矿集团机电设备制造厂的 QJZ 系列矿用隔爆智能组合开关、 天津华宁电子有限公司的 QJZ 系列矿用隔爆智能组合开关等。 电子科技大学硕士学位论文 4 1.3 选题在实