基于PLC的矿井提升机控制系统设计.docx

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基于PLC的矿井提升机控制系统设计

摘要

近几年来我国每年的GDP总值在不断的增长，人类追求优质生活的要求也在不断的增加，人类对煤的需要也在不断高于每年的需求量，同时煤矿的生产速率已满足不了各个工业生产的需求，而矿井煤矿中的继电式的提升机设备以逐步不在适用，逐步采用自动化式的提升设备，因此对矿井开采自动化煤矿提升设备的安全、稳定和高速控制装置有了更高的要求。

提升机是煤矿矿道中与外面联系的重要交通工具，是煤炭矿井与外面联系最重要的应用，是在从采面到地面过程当中最重要设备，是运送煤炭以及工作人员安全的重要设备；而煤矿中的提升机中是矿井井道中输送煤炭、矿石、人员等重要的运送装备。

对于矿井提升机来说，只运用到了立井和斜井当中。

与此同时矿井提升机工作的稳定、安全性等是最重要的，而对于传统的矿井井道中的提升机多由继电器连线构成，构成的电控装置系统相对来说比较复杂、工作时间长、体积庞大，并且其触点繁多，机械性动作不灵活，有时会产生电火花摩擦，甚至会发生漏电、火灾事故；另一方面就是它的硬件接线比较麻烦、故障率的出现比较频繁，而且不便于检修，并且调速性能相对比较差、不灵活、稳定性能较差；在运作时硬件启停过程中，不仅存在着较大的起动电流，还会产生电弧，并且产生过大的电流损耗（包括线路损耗），还大大缩短了接触器、电动机等机械器件本身的寿命，严重时会发生矿车脱轨等安全事故，并且需要大量的人工操作维修、检测，不仅维护困难，而且严重影响矿山的生产和运行效益。

如今自动化水平的不断进步，可编程控制（PLC）技术也逐步进入人类的生产视线中，因此为了使电控装置拥有更好地运作前提，所以采取星—三角降压启动与PLC电控技术去相配合从而去改造传统矿山行业中井道提升机系统装备。

在本课题研究中采取可编程控制（PLC）技术去取代原有提升设备中继电器—接触器式电控装配，使用的是星—三角形降压启动的措施，电动机再启动的时候可以减少起动电流，从而保护了电动机内部器件的侵害；并设有两地控制、设有电磁抱闸安全系统、报警装置、电动机故障检测，以更好、更安全的方式提高生产效率的矿井提升机。

关键词：

矿井提升机PLC技应用术星—三角降压启动电动机的故障检测

abstract

WiththecontinuousgrowthofChina'snationaleconomy,humandemandforthepursuitofqualityoflifecontinuestoimprove,thehumanneedsofcoalisalsoconstantlyhigherthantheannualdemand,whilethecoalproductionratehasbeenunabletomeettheneedsofvariousindustrialproduction,andmineOftherelay-typehoistequipmenttograduallynotintheapplication,theprogressiveuseofautomatedliftingequipment,sothemineminingautomationcoalmineliftingequipmentsafety,stabilityandhigh-speedcontroldevicehasahigherdemand.

Thehoistingmachineisanimportantmeansofcommunicationbetweenthecoalmineandtheoutsidemine.Itisthemostimportantapplicationofthecoalmineandtheoutside.Itisthemostimportantequipmentintheprocessfromtheminingsurfacetotheground.Itisanimportantequipmentforthetransportationofcoalandthesafetyofthestaff.Coalmineinthehoististhemineshaftinthetransportofcoal,ore,personnelandotherimportanttransportequipment.

Fortheminehoist,onlyusedintheshaftandinclinedwells.Atthesametime,thestabilityandsafetyoftheminehoistworkisthemostimportant,andtheelevatorsysteminthetraditionalmineshaftiscomposedoftherelayconnection.Thesystemoftheelectroniccontrolsystemisrelativelycomplicatedandtheworkingtimeislong,Thevolumeishuge,anditscontactsarenumerous,mechanicalactionisnotflexible,andsometimesproducesparkfriction,andevenleakage,fireaccident;theotherisnotonlyitshardwarewiringcomplex,relativelyhighfailurerate,andItisnoteasytorepair,andthespeedperformanceisrelativelypoor,inflexible,stableperformanceispoor;intheoperationofthehardwarestartandstopprocess,notonlytheexistenceofalargestartingcurrent,butalsoproducearc,andproduceexcessivecurrentloss（Includinglineloss）,thusgreatlyreducingthecontactor,motorandothermechanicaldeviceslife,seriousoccurrenceofsubstationandothersafetyaccidents,andtheneedforalargenumberofmanualmaintenance,testing,notonlydifficulttomaintain,butalsoseriouslyaffectthemineTheproductionandoperationofthebenefits.

Withthecontinuousimprovementofthelevelofautomation,programmablecontrol（PLC）technologyhasgraduallyenteredthelineofsightofhumanproduction,soinordertomaketheelectroniccontroldevicehasabetteroperatingpremise,sotakethestar-triangularbucktostartwithPLCelectroniccontroltechnologySoastotransformthetraditionalmineindustryinthehoistsystemequipment.

Inthisresearch,weadopttheprogrammablecontrol（PLC）technologytoreplacetheoriginalrelayequipment-contactortypeelectroniccontrolassembly,adoptthestar-triangularbuckstartingmethod,themotorrestarttimecanreducethestartingcurrent,Thusprotectingtheinternaldamageofthemotor;andequippedwithtwocontrol,withelectromagneticbrakesafetysystem,alarmdevices,motorfaultdetection,inabetter,moresecurewaytoimproveproductionefficiencyoftheminehoist.

Keywords:

minehoistPLCtechnologyapplicationtechnologystar-triangularbuckstartFaultdetectionofthemotor

目录

abstract2

第一章绪论6

1.1课题的现状以及发展方向6

1.2国内提升机的发展状况6

1.3未来国内提升机发展趋向[7]7

1.4本课题研究内容及意义7

1.4.1研究内容7

1.4.2研究意义8

1.5本章小结8

第二章继电控制装置与PLC控制装置的比对8

2.1提升机的启动方式9

2.1.1星—三角减压起动[10]9

2.2电动机的检修10

2.2.1电动机故障因素以及解决方案10

2.3提升电控设备工作原理11

第三章矿井提升设备PLC电控装配设计13

3.1PLC简介以及选择的型号13

3.2PLC与其他电控系统的区别[14]13

3.2.1PLC与硬件控制系统的区别13

3.2.2PLC内部装置与计算机核心装置区别14

3.3PLC的主要性能指标14

3.4矿井提升设备电气原理图设计17

3.4.1主线路控制17

3.5应用PLC构成提升设备的电控装置18

3.5.1设计系统接线装置19

3.5.2设计PLC电控系统接线装置20

3.6PLC电控装置梯形图20

3.7分析结果26

第四章总结26

4.1设计目的26

4.2设计体会26

参考文献27

致谢28

第一章绪论

1.1课题的现状以及发展方向

伴随我国国民经济的不断增长、人类追求优质生活的要求不断提升；现在我国虽是发展中国家，但伴随着煤炭应用量也在不断的增长，即也是全国最大煤炭开采、使用量最大的国家。

其实我国大部分煤是井下开采为主要途径，从而需要通过从开采面利用提升设备把煤炭（物料等）提到井口（地面）以实现它实用的利用价值[1]。

煤炭是我国最基本能源之一。

与最近几年相比，跟随者我国经济的步伐，呈现出不断提高的程度，导致煤炭的生产量与消耗量不再是线性关系。

最近几年我国的煤炭生产越来越少，属于不可再生资源，所以煤炭的价格也在大幅度的上升；但获取煤炭的方式方法落后，影响了我国煤炭行业的生产效率，难以满足人类生活的需求。

从而对煤炭行业中的提升设备有了较高的控制要求。

煤矿工业生产是我国根本产业之一，我国的煤炭行业可否可以在世界中立足发展、求成长，甚至以连续稳定的步伐去生长，我们自己就要从我国的实际发展情况下出发，在根据我国煤矿的根本情况下，去扩展煤矿行业的发展，以便促进我国煤炭以后茁壮的成长，走出一条属于我国煤炭的稳定道路[2]。

我国煤炭行业存储量富硕，产量与使用量现居各国第一。

随着近年来经济的提高、增长，煤矿中的煤炭产量也在增长，据调查矿产平均每年的产量涨度值达到12.5%，在我国一次性矿产能源消费和生产链中的比重划分为76%和69%[3]。

根据现阶段的发展，人类需求在扩大；与此同时，随着人类需求量的增大煤矿事故发生的频率也在不断的直线上升，造成的死亡人数总量也很大。

随着每年的调查，在我国出现各类矿井安全事故的事发频率逐渐生长（煤矿伤亡数量达到了3700人以上），重大影响了国民的经济财产、产业的损失[4]。

1.2国内提升机的发展状况

目前我国矿井提升机都采取电动机转子附加电阻而改变速度的系统，（比如改变电动机级数、频率等方法），去改变电动机速度，但与此同时在附加电阻上产生大量的损耗，得不到全方面的利用。

老式的继电器—接触构成的有触点的电控提升机系统，用的是不同功能的硬件（用导线）接线式电气电控装置。

这种电控系统，因为在设计时，它的技术水平以及器件本身的特性，使得电控装置受到了极大的局限性，致使提高了提升机设施技术性能的极大限制。

直流发电机—直流电动机（F-D）；晶闸管—直流电动机（SCR-D）[5]是两种不同的传动运行方式。

损耗比较大的场合大多采取这种控制方式[6]。

1.3未来国内提升机发展趋向[7]

如今PLC电控技术已经步入到生产工业里了。

因为PLC编程控制采纳的是软触点控制，它具有稳定性高等特点，比使用继电器—接触器硬件构成的电控装置系统实现功能比较完善；当其控制线路某处出现故障时，不用停止整个运行程序就可以修复，具有基本免于维护等独特的优点，所以我国大部分的继电器电控装置已经不在适用到所有工厂中，在今后大多都会用PLC去改变。

1.4本课题研究内容及意义

1.4.1研究内容

如今，我国煤碳行业中提升机的电控系统目前在逐渐的改善，虽然得到了进一步的成就，但面对世界行业来说煤炭行业中矿井提升机电控系统，依旧是现代煤炭行业的重中之重的一项有待完成的工作。

然而在这个项目主要应用在那些中、小型发展不理想的矿井提升机，从而去取代老式的继电器硬件接线的电控系统。

1）在不改变原来电控装置要求的前提下，采取PLC电控技术去完成其电控功能，这样可以忽略硬件系统中本身存在的不足；

2）采取PLC电控设置完成了矿井提升机的条件要求，完成提升机在启动到加速再到停止等不同要求的运作控制；

3）应用PLC元件构成的电控装置，可以提高矿井提升机运作稳定的要求；

4）采取PLC元件构成的电控装置可以完成实验的仿真、完成电控装置的检测要求。

1.4.2研究意义

煤炭提升机装置是煤矿矿井井道能与外界通信的最重要的交通工具，提升机电控装置能否稳定、安全运作，主要用什么样的控制方式。

尽管井道提升机装置有本身的保护，但是因存在这开启电源时加大的起动电流的存在，损害电气元器件，并且其运作特征比较冗杂、运作的环境要求相对严格，因此经常造成装置中元件自身的破坏，另一方面就是加上职员的误运作以及对实施监控、甚至器件检测的限制性[8]，从而导致了矿井提升设备保护措施存在着一些致命的瑕疵（缺点）。

因此我们主要针对的对象是井道提升设备的电控装置，所以井道提升设备装置否稳定、可靠地运作、可否防止器件冲击（较大的冲击电流、机械惯性）、减少器件磨损，甚至提高元件的应用寿命主要归纳与电控装置自身的控制要求。

如今对井道提升电控设备装置的一些要求有：

调速性能较高、稳定、安全的运行，环境适应性强等诸多较高要求[9]。

针对老式的井道提升电控装置存在着比较严重的调速装置的限制，器件的使用寿命不仅短暂而且可靠性能相对比较低等严重问题，而采纳可编程控制器（PLC）电控装置去代替原有电控装置，装置具有较高的电控要求、较高的稳定性是目前首要的任务。

1.5本章小结

本章详细了解了目前全国井道提升装置的不足以及它的目前状况和它的走向趋势，了解了本项目的内容、意义。

第二章继电控制装置与PLC控制装置的比对

用导线连接的继电器硬件电控装备虽说完成了它的电控要求，实现了它的运作，但这种电控装置的设计技术水准得到了不同程度的限制，以及硬器件本身的不足，从而导致构成的提升装置的运作不灵敏；因此现如今大多工业生产采取了可编程控制器（PLC）元件线路去代替其老式的硬件电气线路，并更好的完成它的电控装备的要求。

2.1提升机的启动方式

井道提升机设施大多采取较高的交流电去带动功率较大的电动机，因为提升设备与日常用电比较来说其为超载系统，使用于大功率的三相电动机启动；老式继电器电控装置在这种存在较大冲击启动电流的方式下会使电动机造成较大的破损，动机的使用寿命遭到破环；在提升设备中都是采取大功率的电动机，而在启动过程中存在着较大的起动电流（所以直接启动的方式不在适用）。

老式的电动机运作方法的不完美控制经常用于起动特征要求不高的场合，当启动特征要求高的场合应采取降压启动的方式，以免造成电流较大，使其在刚刚的运行就造成了电压严重减小，以至后面的用电设施不能正常完成运作。

减压启动方式不同其控制要求不同然而在本研究中主要采取星/三角减压起动的电控方式。

2.1.1星—三角减压起动[10]

星/三角减压起动电控装置采取的是时间上的区分来加以作用的。

在星/三角减压电控装配起动时，电动机运作第一步接成星形（这时加在电控设备上的工作电压是额定电压的

），当根据要求设计的时间到了之后就会自动改成三角形运作。

因此大大缩减了设备的损害电流。

图

所示为星/三角减压启动电气原理图。

起动过程：

首先把电源开关合上，使主电路通电运作，而后使启动按钮

闭合，这时让

、

主触头通上电，KT线圈也通上电，这时

的线圈得电则电动机为星形减压运作。

通过继电器（

）延时后，时间继电器的常闭触点就会断电，星形减压停止（

线圈不再通电）；

经过延时后，闭合常开触点，使三角形线圈通电，主触头闭合，最后使电动机的主电路接成三角连接正常的运作。

2.2电动机的检修

在继电器—接触器构成的提升机电控装置中，电气线路的构成都是由一个一个的电气硬件用导线连接组装而成的一套完整的控制系统，若电动机出现故障或者线路中出现虚接、线路出现捷路、开路或者电器器件本身出现故障时，甚至工作环境差，造成电动机本身出现故障时，整个电控系统就必修停止下来，其他控制要求不能执行或终止正在执行的电控要求；维修时还需要大量的职工到现场解决，这样不仅消耗的时间比较多同时还浪费了人力，甚至影响了整个煤炭的生产效率和产量；这种组装而成的硬器件构成的电路不可能实现时刻监测工作情况，所以这种电控系统已不在适用。

2.2.1电动机故障因素以及解决方案

1）电源闭合时电动机不运作的原因：

首先考虑到电源本身存在的问题虚接、断相等；超载运行；电动机的机械性故障；转子回路和定子回路出现故障，从而导致开路、捷路等状况。

处置措施：

首先去查看主线路的断路器是否能正常接通，甚至检查熔断器的好坏以及线路的接线是否正确，再有就是线路是否的损坏现象；再就是电动机可以不加负载起动；最后就是电动机内部存在故障物，要定期检查定子、转子等各个机械零器件；接线后最后检查电源线是否接错，避免出现开路等故障。

 2）电动机接电源后不转动，同时出现发热或者冒火星等状况，造成在各种现象的可能原因有：

出现大功率器件带动小功率器件运作（大马拉小车，小马拉大车）；长时间工作在高温度的环境下；超负荷运作；出现缺相运作；工作时频繁、快速的调速等原因。

处理方法：

选择合适功率的电压去带动相对应功率的设备；检查设备的工作的环境，不能长时间暴漏在潮湿、炎热的环境中；在工作之前对设备本身要做好检查；尽可能的让设备工作在其额定的工作状态下。

形成电动机系统故障的要素有很多，不仅有外在的环境问题，并且也存在电动机本身的内在因素，在提升机的控制系统中电动机作为重中之重的运行部位，必修保证电动机运行正常，所以采取先进的PLC技术去代替老式的继电器—接触器的电控装置的功能，有效的提高生产效率。

2.3提升电控设备工作原理

继电器—接触器形成的完整的电控装置中，在实现电控功能时，属于上下级的逻辑关系，并且每一级都要慎重操作，在开始的时候首先接通电源开关通过线路传输到各种功能的继电器中，这些分立元件必须要有严谨的接触性，当其中一个器件出现问题时都会导致这个线路整体不能工作，并且繁琐的程序会给职工带来极大的不便，工作人员还得亲自到达现场维修。

如图

所示，它是一个由继电器—接触器构成的一个完整的电控装置系统，其电路中的输入（按键、限位开关等）、输出（继电器等）甚至是控制线路都是由导线把硬器件连接起来的，经过对被控对象用来实现各种控制要求[11]。

\

如上图所示的电控装置系统除了受到外界环境的影响之外还会受到硬件元件自身条件的限制，所以这种电控装置系统本身就存在着很多缺陷，由于这种电控装置多由分立的电气元件构成，所以这种装置体重较大，比较笨重、不灵活，并且运作存在不安全的措施，有用的功率损耗较少，其浪费在线路中的功耗比较多，同时他的故障出现的频率比较多，工作不稳定；这种电控装置在运作中不能自动检测矿井中各个装置的稳定、安全性能是否达到标准，由于在矿井提升设备中，通常是遵循现场的变化而改变本身设置的参数，而改变参数并不容易，通常会出现各种故障，需要改变电控参数时就必须在现场停止运行。

综上所述，我们常用的继电器—接触器电控装备系完美的统并不是，并且在矿井提升机电控系统中必须满足通风、瓦斯监测等安全条件，只有这样系统才能以更好的速度、安全稳定的去生产运行，从而满足了人类的生活需求，所以如今大多矿井生产中采取PLC电控装置系统去实现更完善的功能，从而也间接性的挺高了设备的使用寿命，以及减少了大量的人工、器材和维修时间。

利用可编程技术和计算机的结合实现的矿井提升机控制系统在加上手中遥控（如同电视机的遥控器），这样不仅实现在远程控制（在室内实时就监控），而且可以在现场操作相结合，不仅工作人员的安全性得到了一定限度的提高，而且矿井的利用率也相应的得到了提高。

如图2-2所示为PLC电控装置系统。

其输入、输出设施的功能与继电器构成的电控装备作用一样，不同之处就是其输入、输出是直接接到PLC内部的，从而实现比接触器功能完善的效果；而用PLC电控装置是由程序语言来实现的，程序语言存储在PLC内部CPU当中，执行CPU当中的程序语句实现它的电控要求。

用PLC电控装置执行功能出现错误时，不用停下整个程序即可，并且用的人力也比较少，也不修要大量的人力去现场去修改，修改某句程序即可[12]。

第三章矿井提升设备PLC电控装配设计

利用PLC电控装置设计矿井提升设备的电控装置，相对与继电装置的电控装置系统来说，电控装置不但便利很多，而且维护便利，节省了人力、财力。

3.1PLC简介以及选择的型号

PLC电控装置是在继电器—接触器电控装置系统的根本上成立起来的，而CPU作为其内部的核心部分，它是计算机和自动技术通讯组合构成工作的。

根据广大市场的需求，几年来PLC电控系统在不断的发展、不断的进步，在不断的满足各个工业生产的需求；它比继电器电控装置运作系统更为严谨、稳定、效率高、功能也大大的得到了提升。

它的结构比较简单，编程维修较为方便，它的体积小于继电器电控系统，所以自从发明