1、参考文献53附录541绪论1.1研究的目的及意义矿井提升机是煤矿安全生产的关键设备之一，其作用是提升煤炭、矿石，升降人员和下放物料等，在整个煤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。目前国内各大煤矿矿井提升机电控系统的调速方案大多数还是采用继电器接触器控制的转子串电阻调速，设备陈旧、技术落后。而且这种控制方式还存在以下问题:（1）转子回路串接电阻，消耗电能，造成能源浪费。（2）电阻分级切换，为有级调速，设备运行不平稳，容易引起电气及机械冲击。（3）继电器、接触器频繁动作，电弧烧蚀触点
2、，影响接触器使用寿命，维修成本较高。（4）交流绕线异步电动机的滑环存在接触不良问题，容易引起设备事故。（5）电动机依靠转子电阻获得的低速，其运行特性较软。（6）提升容器通过给定的减速点时，由于负载的不同，而将得到不同的减速度，不能达到稳定的低速爬行，最后导致停车位置不准，不能正常装卸载。上述问题使提升机运行的可靠性和安全性不能得到有效的保障。因此，需研制更加安全可靠的控制系统，使提升机运行的可靠性和安全性得到提高。通过在提升机控制系统中应用计算机控制技术和变频调速技术，对原有提升机控制系统进行升级换代，大大提高系统运行的可靠性与安全性。可编程控制器（PLC）是目前作为工业控制最理想的机型，它是
3、采用计算机技术、按照事先编好并储存在计算机内部一段程序来完成设备的操作控制。采用PLC控制，硬件简洁、软件灵活性强、调试方便、维护量小，PLC技术己经广泛应用于各种提升机控制，配合一些提升机专用电子模块组成的提升机控制设备，可控制高压带动力制动或低频制动，单、双机拖动等。1.2国内外研究现状1.2.1国外矿井提升机的现状（1）晶闸管电动机（SCRD）直流低速直联拖动系统其缺点在于：功率因数低，如三相桥平均功率因数只有0.45左右；无功冲击大，高次谐波对电网影响大。（2）交流变频调速同步机驱动提升系统这种拖动系统缺点是：必须有专用的变频电源；在恒转矩调速时，低速段电机的过载倍数有所降低；高次谐波
4、对电网有影响，需在电网上加滤波器等补偿措施加以缓解。（3）微机控制在提升机上的应用从70年代开始，随着微机技术的发展，微机控制技术已逐步应用于矿井提升机中。目前，国外己达到相当成熟的阶段，使整个拖动控制产生一次重大的变革。其应用主要体现在以下几方面：提升工艺过程微机控制；提升行程控制；提升过程监视；安全回路；制动系统的控制与监视；全数字化调速控制系统。1.2.2国内提升机的现状与发展趋向（1）交流拖动方式目前我国提升机约70采用串电阻调速的交流拖动方式。有单绳和多绳两种系列，大都采用改变转差率s的调速方法，在调速中产生大量的转差功率，使大量电能消耗在转子附加电阻上，导致调速的经济性变差。极少数
5、提升机采用串级调速方法，其调速范围窄且投资大。（2）直流拖动方式我国提升机采用直流拖动有两种系统：直流发电机直流电动机机组（FD）和晶闸管直流电动机（SCRD）系统。（3）研制与发展 国产大型直流提升机及电控系统正在逐步完善和推广使用；大功率变频调速电控提升机其效率可达98，国内正在组织研究这种系统，不少院校和研究单位都在着手研制；可编程序控制器在提升机电控系统的应用可编程序控制器具有可靠性高、抗干扰能力强、实现继电逻辑容易，基本免于维护等独特优点，特别适用于对我国占大部分的交流提升机继电接触器电控系统进行技术改造。1.3本文主要工作本文针对传统、落后的继电器-接触器式罐笼运行系统，采用先进的
6、PLC控制技术进行基于PLC的矿井提升机控制系统改造。采用先进的变频调速技术实现提升机多段速稳定运行；采用编码器、接近开关等准确检测提升容器的位置和速度；采用液压站和盘形制动器实现提升机的工作制动和安全制动；采用先进的上位机监控技术实现提升机的状况实时监测，从而保证提升机可靠安全地运行。主要内容包括：（1）系统总体方案的设计；（2）PLC控制回路电路的设计；（3）变频器主回路电路的设计；（4）系统主程序流程图的设计；（5）上位机监控系统的设计；2系统方案设计矿井提升机可分为竖井提升机和斜井提升机两种。矿井提升机主要由电动机、减速器、卷筒（或摩擦轮）、制动系统、深度指示系统、测速限速系统和操纵系
7、统等组成，采用交流或直流电机驱动。按提升钢丝绳的工作原理分缠绕式矿井提升机和摩擦式矿井提升机。缠绕式矿井提升机有单卷筒和双卷筒两种，钢丝绳在卷筒上的缠绕方式与一般绞车类似。按提升绳的数量又分为单绳摩擦式矿井提升机和多绳摩擦式矿井提升机。目前，我国单绳缠绕式提升机，广泛采用交流绕线式电动机拖动。目前提升机电控系统组成可简单的划分为：控制系统（主控系统、辅控系统）、调速控制系统（调速系统、供电系统）、监控系统（上位机、操作台）。主控系统主要是指完成提升机加速、等速、减速、爬行到停车整个运行过程的开关量逻辑控制及其必要的保护并与其他子系统交换信号共同完成对提升机整机有效控制的系统；辅控系统是指各路供
8、电电源、控制回路的接口以及辅机系统的控制等部分；调速系统是指根据控制系统的指令，作为执行机构最终对提升机的主拖动电动机进行启停、加速、减速、稳速运行控制的系统；监控系统是指对电控系统关键部件，包括提升信号系统工作情况、提升机运行过程中关键参数、参量的曲线、以及司机操作的正确性进行监控和显示，并进行必要的记录以备系统的查阅之需；操作台是电控系统的人机界面，担负着对提升机进行集中控制、监视、参量信号显示的重任。 图2-1提升机电控系统构成本设计采用单绳缠绕式提升机（单卷筒），提升过程包括：启动加速段、匀速段、一次减速段、匀速爬行段和二次减速制动段五个主要环节。表2-1矿井提升机主要技术参数提升机型
9、号JK-21.5卷筒个数1直径mm2000宽度1500钢丝绳最大静张力载人KN55载物62钢丝绳最大静张力差钢丝绳24最小破断拉力总和500钢丝绳最大提升速度m/s5.2传动比31.5提升高度或运输长度一层缠绕不大于m305二层缠绕650三层缠绕1025电动机型号YR355M3-8J功率kW180转速r/min7352.1系统工作原理提升机的速度要求：（1）主加速阶段t1如图2-2所示，正常提升时，电动机产生的力矩比阻力矩大3%5%，产生比较低的加速度a 。当V0上升到Vm时，电动机运行在自然特性曲线上。下放时，由于负力较大，需要制动力来维持稳定的下放速度和规定的减速度。（2）匀速阶段t2上升
10、时，根据负载状况使电动机保持电动状态，且速度Vm=1.12ms。下放时，由旋转编码器反映转子下放速度，当速度高于Vm时，增大励磁电流If，提高制动力矩，提升容器匀速运行。（3）主减速阶段t3为使提升机准确停车，在停车前应进行减速。减速按照速度图要求进行，由装在井筒内的位置开关动作发出信号，PLC 再根据与电动机同轴运行的旋转编码器发出的脉冲数进行比较发出指令，增大励磁电流If，使下放速度在规定的时间内降低。（4）爬行阶段t4V4在 0.3 m/ s左右，此数值实际上是一个平均值，因为提升机由较高的Vm不可能很准确的变为速度V4。（5）停车阶段t5将控制盘式制动器的液压站电动机断电，抱闸迅速抱住
11、卷筒，提升机停转。图2-2提升机速度图提升机的受力情况：由直线运动的运动方程可得： = + ma （2-1）式中：提升机在某运动阶段的力，N；提升机的静阻力（包括车重、提升机重量和绳重），N；m把旋转运动的部件折算到直线运动的变位质量，kg；a各阶段的加速度、减速度值，m/。当 a =0时，= ，匀速运行；a0时，加速运行；a0时，F，减速运行。根据以上分析，F = f（t）的力图如图23所示：图23 提升机力图由以上分析可知，调速系统中变频器受高压电后，主控台通过检测变频器的运行信号，判断变频器已经可以运行，主控台在自动模式下，通过控制变频器，实现矿井提升机运行的五段速度曲线，即启动加速段、
12、匀速段、一次减速段、匀速爬行段和二次减速制动段。（1） 启动加速段：主控台接受井下操作人员的提升请求命令，对变频器输出正转或反转命令，变频器按照预先设定的加速时间运行至最低频率，将运行信号反馈给主控台，此时作用于滚筒上的抱闸系统处于抱闸状态，滚筒静止，拖动滚筒的电机处于堵转状态。主控台接收到变频器运行信号后，在此稍做延时，一秒钟后主控台驱动液压站液压阀，液压阀再驱动滚筒抱闸系统，松开抱闸系统，电机堵转结束，开始旋转，通过减速机，滚筒开始运行，从而通过钢绳拖动提升容器上下运行。变频器接受主控台转速给定信号，按照预先设定的加速时间逐步提高运行频率，滚筒转速逐步提高。（2）匀速段：当转速给定指令提高
13、至50赫兹，变频器运行至50赫兹时，进入匀速段，此阶段，变频器维持最大输出，滚筒运行至最高速度，拖动提升容器在最高速度下运行。（3）一次减速段：主控台通过立井系统的位置传感器接收提升容器运行位置信号，当到达一次减速区间的时候，主控台按照预先设定的程序减小转速给定指令数值，变频器接收到新的转速给定数值后，执行，开始降低运行频率，拖动电机及滚筒减速运行。 （4）匀速爬行段：主控台通过提升容器的位置传感信号，通过预设数值，给定变频器低转速数值，变频器在此转速信号下维持低频率输出不变，提升容器低速运行，进入匀速爬行段。（5）二次减速制动段：主控台通过提升容器的位置传感信号，判断提升容器即将进入预定停车
14、位置后，给变频器更低转速信号，变频器运行至最低频率，当提升容器即将到达预定位置后，主控台发出急停指令，变频器停止驱动电机，同时控制液压站，关断液压阀，从而驱动滚筒抱闸系统，经过二级制动，抱闸系统抱死，滚筒静止，提升容器停运。2.2系统方案结构和组成 根据矿井提升机控制工艺要求，要完成任务有多种选择方案。方案一 采用继电器和主令开关构成主回路，采用点信号来代表各种提升信号和检测信号。这种信号系统结构简单、操作方便,但存在如下缺点: （1） 由于无法保留和复现点数,所以信号识别全凭操作者的听觉和视觉,容易造成信号的误认和误传,因信号的误认和误传而导致的提升事故屡见不鲜。（2） 信号之间、信号系统与
15、提升机电控系统之间没有联锁,井口总信号工和司机的操作不受制约,很容易因误操作而引发事故。（3） 声光信号一瞬即逝,无据可查,一旦发生事故,给事故分析带来困难,很难找出真正的事故原因,致使同类事故重复发生。（4） 由于信号稍纵即逝,操作人员的精力必须高度集中,加重了工人的负担。以上缺点严重影响了提升机运行的安全，传统的继电器信号系统为有触点系统，元件易发生故障。工作可靠性差，一旦控制或闭锁失灵，则事故将不可避免。此信号系统正在被淘汰。方案二采用单片机作为主控制系统，各控制台通过单片机的串行口来实现主从式多级通讯。 新型矿井提升机信号装置在系统设计中应用了先进的单片机技术、数字通信技术和汉字显示技
16、术, 具有声光兼备、汉字显示、数字存储、故障诊断、安全闭锁保护等特点。尤其在通信方面, 采用了数字通信技术, 只需两对普通电缆, 且信号种类和数量不受限制, 提高了信号传输的可靠性和灵活性, 功能灵活多样, 扩展方便。新型矿井提升机信号装置的使用有效地解决了在微机系统中信号的远距离传输和可靠性问题。 但煤矿工作环境恶劣,各种电机的频繁启动与运行引起的电磁干扰以及电网的不稳定,对通讯信号和通讯装置都将产生巨大的影响。方案三采用PLC作为信号系统的控制系统，结合变频调速技术，旋转编码器、接近开关等传感器技术实现矿井提升机的安全可靠运行。 PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子
17、装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。它具以下特点：（1）可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。（2）配套齐全，功能完善，适用性强 PLC可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数
18、字控制领域。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。（3）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造 PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。（4）体积小，重量轻，能耗低 方案二和方案三的控制系统都比较安全、可靠，且能够实现设计要求。两者的控制系统一个
19、为单片机，另一各为PLC。为了进行方案确定，我们首先看一下两者的区别：单片机的编程麻烦，可读性差，实时控制不太占优势，但是他的成本低，控制方式比较灵活，而PLC对于实时控制来说就比较优越，他的编程方式简单，可以用指令或是梯形图来进行编程，易学易懂，但是成本较高，适合用于工业控制。 对于本设计，由于矿井工作环境比较恶劣，且常用事故发生，各种电机的频繁启动与运行引起的电磁干扰以及电网的不稳定,对通讯信号和通讯装置都将产生巨大的影响。故可采用方案三作为此次毕业设计信号系统的控制系统。基于PLC的矿井提升机变频调速控制系统由可编程控制器（PLC）、动力装置、液压站、变频器、旋转编码器、磁开关（接近开关
20、）、减速器、操作台和控制监视系统等组成，其系统框图如图所示： 图2-4 提升机总体系统框图系统框图中各部分功能如下：（1）动力装置：包括主电机、减速器、卷筒、制动器和底座，完成人、物料的运输任务。主电机通过减速器向卷筒提供牵引所需的动力。对于矿井提升机这样的大型机械来说，在电机脱离电源后，由于运行惯性较大，往往要经过一段时间才能停止转动，这将影响生产效率，甚至威胁到生产人员的生命安全和物料的运输。因此必须在系统里加入制动器，避免产生“蠕动”现象，从而保证运输的人和物料的安全。（2）液压站：为提升机提供制动力，停车时先通过液压站给卷筒施加机械制动力，再取消直流制动力；提升机起动时，先对电机施加直
21、流制动，再松开机械抱闸，防止溜车，以保证系统安全可靠地工作。（3）变频器：是动力站的能量供给单元，通过它可将输入工频电能转换成频率可调的电能提供给交流电动机，以达到控制交流电动机转速的目的。（4）操作台：它是整个矿井提升机运输系统的控制核心，通过它可以设定系统的工作方式和控制方式，可以发布系统的各种控制命令，以实现对提升机启动、加速、平稳运行、减速、停车以及紧急制动等各种控制功能。（5）控制监视系统：是操作人员和控制系统及运输系统之间的桥梁，它可以在线监测提升机运输系统的各种工作参数、工作状态、故障参数和故障状态。提升过程采用微机主要完成如下参数的监视：提升过程中各工况参数（如速度）监视；各主
22、要设备运行状态监视；各传感器（如位置开关、停车开关）信号的监视。使各种故障在出现之前就得以处理，防止事故的发生，并对各被监视参数进行存储、保留或打印输出。用旋转编码器来测试电机的转速。控制系统工作原理：当操作人员听到提升请求信号时，按下启动按钮，PLC控制将380V动力电源接入变频器。再松开液压制动闸并将主令控制器推到正向（或反向），提升机开始运行。在提升过程中，控制提升机运行的S形速度曲线由PLC编程产生，以驱动变频器工作。旋转编码器可以检测主电动机的转速，并将此信号传送给可编程控制器，PLC通过该信号可以累计计算提升机的速度及行走距离，监视器可以实时显示提升机速度和位置。同时接近开关（磁开
23、关）可以检测提升容器在井筒中运行的位置，并将这些电信号传送给PLC，PLC通过该信号可以实现启动加速段、匀速段、一次减速段、匀速爬行段、二次减速制动段的五段速运行。操作人员通过操作台向PLC发送控制提升机运行的控制命令。控制监视系统通过与PLC的通信，将电动机的所有运行参数和故障参数都显示出来，并对矿车的位置及速度进行实时监控，为操作人员分析故障、判断故障和处理提供依据。3 PLC控制电路设计可编程控制器是以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术和通信网络技术发展起来的一种通用工业自动控制装置。它面向控制过程、面向用户、适应工业环境、操作方便、可靠性高，成为现
24、代工业控制的三大支柱（PLC、机器人和CAD/CAM）之一。基本结构：PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，如图31所示：图31 PLC的基本结构图工作原理：整个扫描过程分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行、程序输出几个阶段，全过程扫描一次所需要的时间称为扫描周期。内部处理阶段，PLC检查CPU模块的硬件是否正常，复位监视定时器等。在通信服务阶段，PLC与一些智能模块通信、响应编程器键入的命令、更新编程器的显示内容等。当PLC处于停止（STOP）状态时，只进行内部处理和通信操作服务等内容。在PLC处于运行（RUN）状态时，从内部处理、通信操作、程序
25、输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。3.1 PLC的选型与端口分配德国西门子（SIEMENS）公司生产的可编程序控制器在我国的应用相当广泛，在冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。西门子（SIEMENS）公司的PLC产品包括LOGO，S7-200，S7-300，S7-400，工业网络，HMI人机界面，工业软件等。西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性更高。（1）SIMATIC S7-200 PLCS7-200 PLC是超小型化的PLC，它适用于各行各业，各种场合中的自动检测、监测及控制等。（2）SIMATIC S7-300 PLCS7-300是模
26、块化中小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用。与S7-200 PLC比较，S7-300 PLC采用模块化结构，具备高速（0.60.1s）的指令运算速度；用浮点数运算比较有效地实现了更为复杂的算术运算；一个带标准用户接口的软件工具方便用户给所有模块进行参数赋值；方便的人机界面服务已经集成在S7-300操作系统内，人机对话的编程要求大大减少。S7-300操作系统自动地处理数据的传送；CPU的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件（例如：超时，模块更换，等等）；多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改；具备强大的通信功能，S7-300
27、PLC可通过编程软件Step 7的用户界面提供通信组态功能，这使得组态非常容易、简单。S7-300 PLC具有多种不同的通信接口，并通过多种通信处理器来连接AS-I总线接口和工业以太网总线系统；串行通信处理器用来连接点到点的通信系统；多点接口（MPI）集成在CPU中，用于同时连接编程器、PC机、人机界面系统及其他SIMATIC S7/M7/C7等自动化控制系统。（3）SIMATIC S7-400 PLCS7-400 PLC是用于中、高档性能范围的可编程序控制器。适用于对可靠性要求极高的大型复杂的控制系统。本设计选用SIMATIC（西门子）S7-300 PLC。3.1.1西门子S7-300型PL
28、C西门子S7-300属于模块式PLC，主要由机架、电源模块（PS）、中央处理单元（CPU）、信号模块（SM）、通信处理器（CP）、功能模块（FM）、接口模块（IM）组成。 图3-2 S7-300基本结构图S7-300 PLC具有以下显著的特点：（1）循环周期短、处理速度高（2）指令集功能强大、可用于复杂功能（3）产品设计紧凑、可用于空间有限的场合（4）模块化结构、适合密集安装（5）有不同档次的CPU、各种各样的功能（6）模块和I/O模块可供选择（7）无需电池备份，免维护，可在恶劣气候条件下露天使用的模块类型。由于矿井提升机系统的复杂性和对安全可靠性的严格要求，并考虑到经济成本问题，本设计采用CPU 315-2DP，其技术参数如表3-1所示。表3-1 CPU 315-2DP技术参数集成式RAM128KB最大位操作指令执行时间浮点数指令执行时间0.1us6us位存储器2048B定时器/计数器256/256FB最大块数/最大容量FC最大块数/最大容量DB最大块数OB最大容量2048/16KB1023/16KB16KB每个优先级的最大局部数据1024B集成DI/DO集成AI/AO16/16全部I/O地址区最大分布式I/O地址区最大数字量I/O总数中央区最大的数字量I/O1024B/1024B2000B163841024最大模拟量I/O总数中央区最大模拟量I/O
