煤矿矿井提升机控制系统实现.docx

1、煤矿矿井提升机控制系统实现煤矿矿井提升机控制系统实现摘 要 副井主要用于提升和下放设备、提升废石、下放矿井矿物挖出后防塌陷的充填物等辅助材料，以及升降人员之用。因此对副井提升机的安全性要比主井提升机的安全要求要高的多。本课题介绍了国内外提升机系统的发展状况, 通过对比分析了国内提升机电控系统的不足,针对提升机的高可靠性要求采用PLC控制提出一种可靠性高的提升机操作保护系统。 课题对煤矿副井提升机控制系统设计进行论述，对主要电路图进行设计，并详细论述了对矿井提升机的保护设计，分别对过卷保护、墩罐保护、过载保护等进行设计，可以使系统可靠安全的运行。本设计采用现在比较主流的控制方式，用PLC作为控制

2、器，变频器进行调速控制，使提升机按S型速度曲线进行运动，可使副井提升机平稳安全的运行。关键词: 副井提升机,可编程控制器,变频器,可靠性,电控系统AbstractAuxiliary shaft is mainly used for lifting and lowering equipment, improve waste rock, mine minerals dug defensive collapse decentralized fillings and other auxiliary materials, as well as lifting personnel only. So the

3、 auxiliary shaft hoist secure than the main shaft hoist safety requirements to be much higher. This topic describes the development of domestic and international situation hoist system, through comparative analysis of the domestic hoist control system is inadequate for the requirements of high relia

4、bility hoist PLC control with high reliability is proposed to enhance the operating protection systems. Topics for mine auxiliary shaft hoist control system design are discussed on the main circuit design, and discusses in detail the mine hoist protection design, respectively, over winding protectio

5、n pier tank protection, overload protection, etc. designed to make the system reliable and safe operation. This design is now more mainstream controlled way, with the PLC as controller, inverter for speed control, the hoist speed by S-curve motion, auxiliary shaft hoist enables smooth and safe opera

6、tion.Keywords: auxiliary shaft hoist inverter, PLC,electric control system, reliability目录摘 要 IAbstract II1绪论 11.1 国内外提升及研究状况 11.2课题研究的目的和意义 41.3本论文承担的任务 51.4小结 62矿井提升机的组成及分类 72.1 矿井提升机的作用 72.2 矿井提升机的组成 72.3 矿井提升机的分类 73矿井提升机的制动装置及安全装置 113.1 矿井提升机的制动装置 113.1.1 制动装置的组成及种类 113.1.2 制动装置的作用 113.1.3煤矿安全规程对

7、制动力矩的规定 113.1.4 制动装置的有关规定 123.2 矿井提升机的安全保护装置 134提升机调速控制系统硬件实现 144.1引言 144.2提升机电控系统总体结构 144.3提升机电控系统变频器选择 154.4变频控制部分设计 164.4.1变频调速主系统设计 164.4.2变频器外部电路设计 194.5 PLC控制部分设计 234.5.1基本控制功能 234.5.2位置速度检测电路 264.6硬件调速控制系统保护措施 284.7小结 315提升机调速控制系统软件实现 325.1引言 325.2矿井提升机中S型速度曲线建模及实现 325.2.1速度曲线的选择及给定方法 325.2.2

8、提升机理想S形速度曲线数学模型 335.2.3理想速度曲线的实现 375.3调速控制系统软件流程 395.4小结 41总结 42参考文献 44致谢 45附录A 46附录B 47附录C 481绪论 1.1 国内外提升及研究状况近三十年来，国外提升机机械部分和电气部分都得到了飞速的发展，而且两者相互促进，相互提高。起初的提升机是电动机通过减速器传动卷筒的系统，后来出现了直流慢速电动机和直流电动机悬臂安装直接传动的提升机。上世纪七十年代西门子发明矢量控制的交一直一交变频原理后，标志着用同步电动机来代替直流电机实现调速的技术时代已经到来。1981年第一台用同步机悬臂传动的提升机在德国Monopol矿问

9、世，1988年由MAVGHH和西门子合作制造的机电一体的提升机(习惯称为内装电机式)在德国Romberg矿诞生了，这是世界上第一台机械和电气融合成一体的同步电机传动提升机。在提升机机械和电气传动技术飞速发展的同时，电子技术和计算机技术的发展，使提升机的电气控制系统更是日新月异。早在上世纪七十年代，国外就将可编程控制器(PLC)应用于提升机控制。上世纪八十年代初，计算机又被用于提升机的监视和管理。计算机和PLC的应用，使提升机自动化水平、安全、可靠性都达到了一个新的高度，并提供了新的、现代化的管理、监视手段。特别要强调的是，此时期在国外一著名的提升机制造公司，如西门子、ABB、ALSTHOM都利

10、用新的技术和装备，开发或完善了提升机的安全保护和监控装置，使安全保护性能又有了新的提高。就在国外科学技术突飞猛进发展的时候，我国提升机电控系统很长时间都处于落后的状况。直到目前为止，我国正在服务的矿井提升机电控系统大多数还是转子回路串金属电阻的交流调速系统，设备陈旧、技术落后。国产提升机安全性、可靠性差，在关键部位上下两井口减速区段没有配套的有效的速度监视装置，就提升机控制技术而言，依然是陈旧的，和国外相比，我们存在很大的差距。矿井提升系统的类型很多，按被提升对象分:主井提升、副井提升;按井筒的提升道角度分:竖井(如图1.1所示为竖井井架设备)和斜井;按提升容器分:箕斗提升、笼提升、矿车提升;

11、按提升类型分:单绳缠绕式和多绳摩擦式等。我国常用的矿用提升机主要是单绳缠绕式和多绳摩擦式。我国的矿井与世界上矿业较发达的国家相比，开采的井型较小、矿井提升高度较浅，煤矿用提升机较多，其他矿(如金属矿、非金属矿)则较少。因此在20世纪60年代开始单绳缠绕式矿井提升机采用较多。图1.1 井架图1.2 天轮目前我国提升机90%以上均采用交流绕线式异步电动机的拖动方式，其电控系统用于单绳缠绕式提升机的有TKD系列，多绳磨擦式提升机的有JKM、幻J系列。这几种提升机通常在电动机转子回路中串接附加电阻进行起动和调速。串电阻调速是一种恒转矩调速方法转子功率的损耗随着串入的电阻的增大而增大。尽管转子串电阻调速

12、方法很不经济，低速特性也很软，稳定性差，但是由于这种调速方法比较简单易行，起动转矩较大在拖动起重机等中、小容量的绕线式异步电动机中仍然应用广泛。20世纪80年代，我国从瑞典、西德等国引进20多套晶闸管直流电动机控制系统。直流电动机传动有两种电控系统，一种为直流发电机直流电动机机组，另一种为晶闸管直流电动机系统。我国自己生产的晶闸管直流电动机控制系统应用于20世纪90年代。这种控制系统的优点是:体积小、重量轻、占地面积小；基础省、安装方便、建筑费用低；无齿轮传动部分(不需要减速器)、总效率高、电能消耗少；单机容量大，适用范围广；调速平稳、调速范围广、调速精度高；易于控制，能实现自动化，安全可靠；

13、节约电能。矿井提升机对安全性、可靠性和调速性能的特殊要求，使得提升机电控系统的技术水平在一定程度上代表一个厂或国家的传动控制技术水平。比较国内外矿用提升机系统，具体来说国外矿井提升机在电控方面的应用特点有以下几个方面:l)提升工艺过程微机控制提升工艺过程大都采用微机控制，由于微机功能强，使用灵活，运算速度快，监视显示易于实现，并具有诊断功能，这是采用模拟控制无法实现的。2)提升行程控制提升机的控制从本质上说是一个位置控制，要保证提升容器在预定地点准确停车，要求准确度高，目前可达到2cm。采用微机控制，可通过采集各种传感信号，如转角脉冲变换、钢丝绳打滑、井筒、滚筒及钢丝绳磨损等信号进行处理，计算

14、出容器准确的位置而施以控制和保护。一般过程控制用微机作监视，行程控制也采用单独下位机完成。3)提升过程监视提升过程监视与安全回路一样，是现代提升机控制的重要环节。提升过程采用微机主要完成如下参数的监视:a、提升过程中各工况参数(如速度、电流)监视:b、各主要设备运行状态监视;c、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。甚至与上位机联网，合并于矿井监测系统中。4)安全回路安全回路是指提升机在出现机械、电气故障时控制提升机进入安全保护状态的极为重要的环节。为确保人员和设备的安全，对不同故障一般采用不同的处

15、理方法。安全回路极为重要，它是保护的最后环节之一，英、德几家公司都采用两台PC微机构成安全回路，使安全回路具有完善的故障监视功能，无论是提升机还是安全回路本身出项故障时都能准确地实施安全制动。而在电力拖动方面，近几年国外出现了不少新拖动方式，交一交变频供电方式就是最有前途的一种。20世纪80年代西欧一些工业先进国家将交流变频调速技术应用于提升机，有代表性的是西门子公司和ABB公司。我国在20世纪90年代也引进了交流变频调速提升机控制系统。变频调速方式类似于它励直流电动机取得很宽的调速范围、很好的调速平滑性和有足够硬度的机械特性，在提升机应用中显示了其独特的优势。1.2课题研究的目的和意义副井的

16、矿井提升机主要用于提升和下放设备、提升废石、下放矿井矿物挖出后防塌陷的充填物等辅助材料，以及升降人员之用。所以副井提升机的安全、可靠、有效高速运行，直接关系到企业的生产状况和经济效益。矿井提升系统具有环节多、控制复杂、运行速度快、惯性质量大、运行特性复杂的特点，且工作状况经常交替转换。虽然矿井提升系统本身有一些安全保护措施，但是由于现场使用环境条件恶劣，造成了各种机械零件和电气元件的功能失效，以及操作者的人为过失和对行程监测研究的局限性，使得现有保护未能达到预期的效果，致使提升系统的事故至今仍未能消除。一旦提升机的行程失去控制，没有按照给定速度曲线运行，就会发生提升机超速、过卷事故，造成楔形罐

17、道、箕斗的损坏，影响矿井正常生产，甚至造成重大人员伤亡，给煤矿生产带来极大的经济损失。所以提升机调速控制系统的研究一直是社会各届人士共同关注的一个重大课题。电气控制方式在很大程度上决定了提升机能否实现平稳、安全、可靠地起制动运行，避免了严重的机械磨损，防止较大的机械冲击，减少机械部分维修的工作量，延长提升机械的使用寿命。随着矿井提升系统自动化，改善提统的性能，以及提高提升设备的提升能力等的要求，对电气传动方式提出了更高的要求。对矿井提升机电气传动系统的要求是：有良好的调速性能，调速精度高，四象限运行，能快速进行正、反转运行，动态响应速度快，有准确的制动和定位功能，可靠性要求高等。目前，我国地下

18、矿山矿井提升机的电气传动系统主要有：对于大型矿井提升机，主要采用晶闸管变流器直流电动机传动控制系统和同步电动机矢量控制交一交变频传动控制系统。这两种系统大都采用数字控制方式实现控制系统的高自动化运行，效率高，有准确的制动和定位功能，运行可靠性高，但造价昂贵，中小矿井难以承受。对于中、小型提升机，则多采用交流绕线式电动机转子切换电阻调速的交流电气传动系统，即TKD电控系统。这种电气传动系统设备简单，但属于有级调速，提升机在减速和爬行阶段的速度控制性能较差，特别在负载变动时很难实现恒加减速控制，经常会造成过放或过卷事故。提升机频繁的启动和制动工作过程会使转子串电阻调速产生相当严重的能耗，另外转子串

19、电阻调速控制电路复杂，接触器、电阻器、绕线电机电刷等容易损坏，影响生产效益。将变频调速技术应用于矿井提升机是矿井提升机电气传动系统的发展方向。对于现采用TKD电控系统的中小型矿井，随着变频调速技术的发展，交一直一交电压型变频调速技术已开始在矿井提升机改造中应用。变频器的调速控制可以实现提升机的恒加速和恒减速控制，消除了转子串电阻造成的能耗，具有十分明显的节能效果10。变频器调速控制电路简单，克服了接触器、电阻器、绕线电机电刷等容易损坏的缺点，降低了故障和事故的发生。因此，变频器在提升机调速系统中的应用具有十分广阔的前景。本文介绍变频器在提升机调速控制系统中的应用。1.3本论文承担的任务本课题拟

20、解决的关键问题是控制策略研究，提升机是矿山生产中的关键设备，它属于大转动惯量机-电-液系统，提升机要按所要求的速度图运行，否则在系统中容易产生大的惯性力，降低机器的寿命，甚至产生脱轨等恶性事故。控制策略研究就是要通过电液控实时地、准确地使提升机按给定的速度图运行，使控制系统的精度和稳定性满足提升机运行的要求。本论文的研究目标是将可编程控制器（PLC）与变频器相结合并应用于矿山实际生产中，对现有的提升机电控系统进行改造设计，提高精度，在更安全的范围内保证矿山生产的顺利进行。设计中充分考虑到保护系统恶劣的使用环境，采用控制功能强大的PLC来代替传统的大型交流接触器，简化了控制线路，并应用各种现场抗

21、干扰措施，包括采用电抗器、空气开关、及RC防浪涌震荡电路等。尤其在软件中采用提升机电控系统中断模块及故障处理模块，使超速报警更加科学合理。为了更直观的显示提升机的工作状态及故障来源，增加了提升机监视控制系统，通过显示器对整个提升系统进行监控。本论文承担的主要任务如下：1提升机电控系统主电路部分结合煤矿生产实际情况，分析提升机工作过程及工作特点。给出提升系统的整体控制方案；确定基于PLC控制的大功率矿井提升机变频调速控制系统组成。确定各部分所要完成的控制功能，并给出控制电路连接电路图，分析其功能的实现。并采取一些提高系统安全运行和抗干扰能力的措施。2控制系统软件设计部分可编程控制器PLC有强大的

22、可编程控制功能，它是三菱编程软件来完成的。对于复杂的矿山提升机变频调速电控系统采用PLC控制，在本文中设计出程序控制功能流程图，并给出其它基本控制功能的梯形图及控制程序编程语言。提升机系统是一个对安全性要求极高的控制单元，所以在软件设计部分应有对其系统的故障诊断处理内容，在出现故障时应能及时报警或停车。3提升机速度给定方式分析由于矿山生产过程中，提升机所承受的载荷不同、提升的方式及提升行程不同，提升机的牵引力也就不同，应对其进行适当调节，提升速度也应能及时进行控制；如不做相应的处理和调整，系统将在较小的范围内产生极大的累计误差，导致系统的巨大波动，造成过载或松绳等,甚至导致矿车脱轨或过卷等重大

23、事故，而造成巨大的损失。所以要寻求一种控制方法来提高控制精度。在实际中经常采用的转子串电阻调速因其为有级调速，调速不连续，且对电网冲击大。所以寻求一种理想的速度给定方式极为重要，以求能够提高电控系统控制性能，改善控制品质。4保护及抗干扰措施传统交流电控系统可靠性差，其安全保护、闭锁及监测系统不完善，均为单线系统，且与控制系统相混联，多数共用一套线路，互相影响。本文针对制约提升安全的主要环节设置减速、超速报警及过载、松绳、过卷等安全保护措施，增加监视系统，对提升机的运行状态及故障来源进行时时监视，使提升安全状况有所改善。为了保证其安全生产，在系统设计上应采用隔离、滤波、屏蔽、接地等抗干扰措施。安

24、全回路应具有双重冗余功能。1.4小结本章详细介绍了矿井提升机信号系统的背景，阐述了本课题研究的目的意义。在此基础上提出了本文所承担主要任务和研究的主要内容为：提升机电控系统主电路设计部分、控制系统软件设计部分、提升机速度给定方式分析、保护及抗干扰措施。在完成以上设计内容时，此调速控制系统才能成为一个有机的整体，才能安全可靠的工作，并达到预期的控制效果。2矿井提升机的组成及分类 2.1 矿井提升机的作用在煤矿里矿井分为主井和副井，在主井和副井里都有提升装备，他们的作用有着一些不同。主井是用于提升矿产品，副井的矿井提升机主要用于提升和下放设备、提升废石、下放矿井矿物挖出后防塌陷的充填物等辅助材料，

25、以及升降人员之用。所以副井提升机的设计要有很高的要求。所以在设计的过程中要考虑到很多的安全因素。但总体设计上主井与副井提升系统还是有相似点的。 2.2 矿井提升机的组成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。单筒大多只有一根钢丝绳，连接一个容器。双筒的每个卷筒各配一根钢丝绳，连接两个容器，运转时一个容器上升，另一个容器下降。缠绕式矿井提升机大多用于年产量在120万吨以下、

26、井深小于400米的矿井中。摩擦式矿井提升机的提升绳搭挂在摩擦轮上，利用与摩擦轮衬垫的摩擦力使容器上升。提升绳的两端各连接一个容器，或一端连接容器，另一端连接平衡重。摩擦式矿井提升机根据布置方式分为塔式摩擦式矿井提升机（机房设在井筒顶部塔架上）和落地摩擦式矿井提升机（机房直接设在地面上）两种。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。后者的优点是：可采用较细的钢丝绳和直径较小的摩擦轮，从而机组尺寸小，便于制造；速度高、提升能力大、安全性好。年产120万吨以上、井深小于2100米的竖井大多采用这种提升机。2.3 矿井提升机的分类矿井提升机是联系矿井井下和地面的工作机械。用钢丝

27、绳带动容器在井筒中升降，完成运输任务。按工作方式分类如下： （一）缠绕式提升机缠绕式提升机的主要部件有主轴、卷筒、主轴承、调绳离合器、减速器、深度指示器和制动器等（图2.1）。双卷筒提升机的卷筒与主轴固接者称固定卷筒，经调绳离合器与主轴相连者称活动卷筒。中国制造的卷筒直径为 25m。随着矿井深度和产量的加大，钢丝绳的长度和直径相应增加。因而卷筒的直径和宽度也要增大，故不适用于深井提升。 图2.1矿井提升机1.单绳缠绕式提升机 根据卷筒数目可分为单卷筒和双卷筒两种：单卷筒提升机，一般作单钩提升。钢丝绳的一端固定在卷筒上，另一端绕过天轮与提升容器相连；卷筒转动时，钢丝绳向卷筒上缠绕或放出，带动提升

28、容器升降。双卷筒提升机，作双钩提升（图2.1）。两根钢丝绳各固定在一个卷筒上,分别从卷筒上、下方引出,卷筒转动时，一个提升容器上升，另一个容器下降。缠绕式提升机按卷筒的外形又分为等直径提升机和变直径提升机两种。等直径卷筒的结构简单，制造容易，价格低，得到普遍应用。深井提升时，由于两侧钢丝绳长度变化大，力矩很不平衡。早期采用变直径提升机（圆柱圆锥形卷筒），现多采用尾绳平衡。 2.多绳缠绕式提升机 提升机在超深井运行中，尾绳悬垂长度变化大，提升钢丝绳承受很大交变应力，影响钢丝绳寿命；尾绳在井筒中还易扭转，妨碍工作。20世纪 50年代末，英国人布雷尔（Blair）设计了一台直径3.2m双绳多层缠绕式

29、提升机(又称布雷尔式提升机)，提升高度15802349m，一次提升量1020t。 （二）摩擦式提升机1938年，瑞典的ASEA公司在拉维尔（Laver）矿安装了一台直径1.96m双绳摩擦式提升机。1947年德国G.H.H.公司在汉诺威（Hannover）矿安装了一台四绳摩擦式提升机。多绳摩擦式提升机具有安全性高、钢丝绳直径细、主导轮直径小、设备重量轻、耗电少、价格便宜等优点，发展很快。除用于深立井提升外，还可用于浅立井和斜井提升。钢丝绳搭放在提升机的主导轮（摩擦轮）上，两端悬挂提升容器或一端挂平衡重(锤)。运转时，借主导轮的摩擦衬垫与钢丝绳间的摩擦力,带动钢丝绳完成容器的升降。钢丝绳一般为21

30、0根。 多绳摩擦式提升机的主要部件有主轴、主导轮、主轴承、车槽装置、减速器、 深度指示器、制动装置及导向轮等。主导轮表面装有带绳槽的摩擦衬垫。衬垫应具有较高的摩擦系数和耐磨、耐压性能,其材质的优劣直接影响提升机的生产能力、工作安全性及应用范围。目前使用较多的衬垫材料有聚氯乙烯或聚氨基甲酸乙酯橡胶等。由于钢丝绳与主导轮衬垫间不可避免的蠕动和滑动，停车时深度指示器偏离零位，故应设自动调零装置，在每次停车期间使指针自动指向零位。车槽装置用于车削绳槽，保持直径一致，有利于每根钢丝绳张力均匀。为了减少震动，可采用弹簧机座减速器。1.井塔式提升机 机房设在井塔顶层，与井塔合成一体，节省场地；钢丝绳不暴露在

31、露天，不受雨雪的侵蚀，但井塔的重量大，基建时间长，造价高，并不宜用于地震区。 图2.3井塔式多绳摩擦提升系统示意图2.落地式提升机 机房直接设在地面上，井架低，投资小，抗震性能好；缺点是钢丝绳暴露在露天，弯曲次数多,影响钢丝绳的工作条件及使用寿命。 图2.4落地式多绳摩擦提升系统示意图2.4小结本章着重提出了煤矿副井提升机与主井的一些区别，以及在设计时应注意的一些问题。并且详细讲述了矿井提升机的组成及分类。3矿井提升机的制动装置及安全装置3.1 矿井提升机的制动装置3.1.1 制动装置的组成及种类提升机制动系统是提升机重要组成部分，它直接关系到提升机设备得安全运行，它由制动器（闸）和传动装置组

32、成。制动器直接作用到制动力矩的机构、传动装置是控制并调节制动力矩的机构。制动器按其结构可分为块闸(角移式和平移式)和盘问；传动装置按传动能源可分为液压、气动及弹簧等。3.1.2 制动装置的作用提升机在矿井中担负着提升煤炭、矸石。升降人员和设备、运送材料及丁具等任务。它是沟通矿井地面与井下的运输设备，是矿井的重要设备之一。而矿井提升机的制动和安全保护装置是提升系统的重要组成部分，它直接影响提升机正常丁作和安全运行，因此对提升机的制动器和安全保护装置必须给予充分的重视。并加强机房管理，为操作人员创造一个更好的更安全的工作环境。矿井提升机制动装置的用途是：（1）在提升终了或提升机不工作时，可靠的闸住提升机停车制动；（2）减速阶段参与提升机的速度控制工作制动；（3）作为安全机构，发生紧急事故时，进行安全制动，对提升系统进行保护紧急制动；（4）双卷筒提升机动作调绳离合器时，应能闸住活卷筒，动作死