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矿井提升机课程设计
绪论
1.1矿井提升机简介
矿井提升机（minewinder；minehoist）是安装在地面，借助于钢丝绳带动提升容器沿井筒或斜坡道运行的提升机械。
分“缠绕式提升机（minedrumwinder）”和“摩擦式提升机（minefrictionwinder）”。
它用钢丝绳带动容器（罐笼或箕斗）在井筒中升降，完成输送物料和人员的任务。
矿井提升机是由原始的提水工具逐步发展演变而来。
现代的矿井提升机提升量大，速度高，已发展成为电子计算机控制的全自动重型矿山机械。
1.2矿井提升机的任务及其组成矿井提升机的任务:
（1）提升有用矿物，矿石、煤炭。
（2）提升井下生产过程中产生的矸石、煤泥。
（3）升降人员、运送设备和下放物料。
矿井提升设备的主要组成部分有：
提升钢丝绳、平衡钢丝绳、提升容器、井架、天
轮、井筒设备（包括罐道、罐梁）等组成。
一般的矿井提升机都有两个提升容器，并且
两个提升容器在矿井中做方向相反的直线运动，即一个提升容器以一定的速度上升时另
一个提升容器以相同的速度下降。
1.3矿井提升机的特点
（1）安全性
所谓安全性就是不能发生安全事故。
由于矿井提升设备在矿山生产中所占的地位十分重要,其运转的安全性,不仅直接影响整个矿井的生产,而且还涉及人员的生命安全。
因此全国都对矿井提升设备提出了极严格的要求,在我国这些规定包括在«煤矿安全规程»中。
（2）可靠性
所谓可靠性,是指能够可靠的连续长期运转而不需在短期内检修。
矿井提升设备所担负的任务十分艰巨,不仅每年要把数十万吨到数百万吨的煤炭和矿石从井下提升到地面,而且还要完成其他辅助工作。
（3）经济性
矿井提升设备是矿山大型设备之一,功率大,耗电多,大型矿井提升机的功率超过1000KW。
因此矿井提升机的造价及其运转费用,也就成为影响矿井生产技术经济指标的重要因素之一。
1.4矿井提升机的工作原理
缠绕式提升机是利用钢丝绳在滚筒上的缠绕和放出，实现容器的提升和下放。
当滚筒由电动机拖动以不同的方向转动时，钢丝绳或在滚筒上缠绕或放出，以带动提升容器。
缠绕式双卷筒提升机具有两个卷筒，每个卷筒上固定一根钢丝绳，钢丝绳在两卷筒上的缠绕方向相反。
摩擦式提升机的工作原理是利用摩擦传递动力。
钢丝绳搭放在摩擦轮的摩擦衬垫上，提升容器悬挂在钢丝绳的两端，在容器底部还悬挂平衡钢丝绳。
提升机工作时拉紧的钢丝绳以一定的正压力紧压在摩擦衬垫之间便产生摩擦力。
在这种摩擦力的作用下，钢丝绳便跟随摩擦轮一起运动，从而实现容器的提升或下放。
2矿井提升机控制系统设计要求
2.1提升机的基本功能设计
本设计是通过PLC来控制变频器实现提升机的变频调速,该提升系统主要设计为运
送人员，为立井形式,分井口,井底和中间三个停靠位。
可实现功能：
（1）可以动态显示目前提升机的各种运行状态和位置（位置以相对深度显示）加速，减速以及，提升机运行速度显示。
（2）发生故障或者遇到紧急情况时会立即报警并进行自动处理。
（3）可实现不同档位的提升控制，本设计为三档，即高速，中速和低速。
（4）提升机启、停时以S型曲线运行，能加减速、平稳运行以及紧急制动等。
此处
的S型曲线由变频器设置自动完成该功能。
（5）设计上下过卷恢复功能，当提升机制动后，若出现过卷，则系统在下次启动之前需要先进行过卷恢复。
2.2提升机速度要求及计算
1.提升机的速度要求
（1）加（减）速度符合国家有关安全生产规程的规定。
提升人员时，加速度
a‘0.75m/:
’，升降物料时，加速度a‘1.2m/s’。
另外不得超过提升机的减速器所允许的动力矩。
（2）具有良好的调速性能。
要求速度平稳，调速方便，调速范围大，能满足各种运
行方式及提升阶段（如加速、减速、等速）稳定运行的要求。
（3）有较好的起动性能。
提升机不同于其他机械，不可能待系统运转后再装加物料，
因此，必须能重载启动，有较高的过载能力。
（4）特性曲线要硬。
要保证负载变化时，提升速度基本上不受影响，防止负载不同
时速降过大，影响系统正常工作。
2.提升机速度给定方案的确定及设计
在速度给定方案上，目前主要有两种给定方式，时间给定，行程给定，两种方式各有优劣。
以时间为给定方式的速度控制，易产生误差，特别是在减速段，这对矿井提升机的安全性有很大的不利影响，而以行程为给定方式的速度控制，其误差会即时被调节纠正，或不再经过积分扩大，因此控制精度高，能满足提升安全的需要。
但初加速时刻的行程为零，此时速度给定也为零，若按行程给定的方式则会出现无法开车的状况。
因此在选定速度控制方案的时候，考虑到各方面的因素，在对梯形图进行S形转换的基础上，在提升加速阶段，采用以时间为给定方式的速度控制，在提升机减速采用以行程为给定方式的速度控制。
矿井提升机的工作过程是提升容器在井筒中往返运动的过程，通常以提升容器的运动速度或电动机的运行频率与时间的关系来表示其运动规律。
如图2-1所示为本设计系统提升机的运行曲线。
在图2-1中，提升机无论正转、反转其工作过程是相同的，都有起动、加速、中速
运行、稳定运行、减速、低速运行、制动停车等七个阶段。
每提升一次运行的时间，与
系统的运行速度，加速度及立井的深度有关，各段加速度的大小，根据工艺情况确定，
运行状况由程序来控制。
图中各个阶段的工作情况说明如下：
（1）未松闸之前0～t0：
为给变频器的转矩上升留有一定时间，在提升机启动之前，先将提升机锁死一段时间，待变频器将电机的转矩提升到150%左右时，再松闸，防止溜车现象发生。
（2）第一次加速阶段t0～t1：
电机以0.5m/s每秒的加速度带动提升机运行，直至电机频率达到25Hz。
（3）中速阶段t1～t2：
此阶段中提升机不变的速度在井筒中运行,此时电机的运行频率保持在25Hz，提升机速度保持在2.5m/s。
（4）第二次加速阶段t2～t3:
在电机以25Hz平稳运行时,若一切正常,无故障,则再次加速到最高频率,以50Hz运行。
（5）高速阶段t3～t4:
此时电机以50Hz的频率平稳运行。
（6）减速阶段t4～t5：
此时提升机运行到减速点（本设计中假设运行至225m时开始减速），电机开始以0.5m/s的加速度减速运行，直至电机频率降至10Hz。
（7）低速阶段t5～t6：
此时提升机低速爬行,电机以10Hz频率继续运行。
（8）停车阶段t6～t7：
此时提升机刹车，停止运行（本设计中假设运行至240m时立即制动停车，并抱闸）。
注：
以上为PLC自动操作程序工作,其中加速和减速段的时间均在变频器上设置。
各计时器的时间计算
在本设计中,矿井为立井,且深度为250m,为保证安全，矿井提升机的最大速度在此选择为5m/s,即当电机以50Hz，高速运行时,其转速按1500rpm选择电机的轴比系数,相应的中速阶段按2.5m/s选择，变频器频率给定为25Hz，低速阶段按速度为1m/s选择。
根据以上的设定，计算各个阶段的时间如下表（井深按250m取）：
运行阶段
时间设定
实际位置
井底上升
井上下降
0～t0松闸阶段
0.2s
井下停车点
井上停车点
t0～t1加速阶段
5s
5m-0m
0m-6.25m
t1～t2中速阶段
10s
25m-5m
6.25m-31.25m
t2～t3加速阶段
5s
200m-25m
31.25m-50m
t3～t4高速阶段
35s
218.75m-200m
50m-225m
t5～t6减速阶段
5s
243.75m-218.75m
225m-245m
t6～t7低速阶段
5s
250m-243.75m
245m-250m
t7～t8制动阶段
>2s
井上停车点
井下停车点
各行程开关的设置
根据以上的计算设定各行程开关的位置如下表：
行程开关
位置（井上算起）
行程开关
位置（井上算起）
上过卷
-3m
下减速点
245m
上停车点
-2m
下制动点
250m
上制动点
0m
下停车点
252m
上减速点
5m
下过卷
253m
3.系统控制方案的确立
1.主控系统
本次课程设计采用三菱FX2N系列的可编程控制器，使用PLC集成高速计数输入口，对分别安装于电机轴和提升机辊筒主轴的两个编码器进行采集，并转化成提升机的下降速度和深度；在井筒安装行程开关，用以确定提升机的相对位置，并相互校对，达到对停车位的精确定位。
程序编制满足提升机自动提升下降、手动调绳，超速警告与自动恢复，恒速监视等工作方式，满足提升阶段（如加速、减速、等速）稳定运行的要求。
2.调速系统
在交流异步电动机的诸多调速方法中，变频调速的性能最好，其调速范围大，静态稳定性好，运行效率高。
因此本课程设计采用变频调速系统，不仅省去了原电控调速用的交流接触器及调速电阻，提高了系统的可靠性；调速连续方便，分段预置频率，能根据负荷情况连续平滑调节转速，无机械冲击现象；实现了低频低压的软起动和软停止，使停车运行更加平稳；启动及加速过程冲击电流小，提升机在重载下从低速平稳无级平滑地升至最高速，最大启动电流不超过1.3倍的额定电流，大大地减小了对电网的冲击；增加了直流制动功能，使重车停车时更加平稳，有效避免了“倒车”现象；
3.信号采集系统
本课程设计中的提升机信号主要来自工作控制台，两个脉冲编码器，和各个行程开关，这些信号均引入到主控系统中。
主控系统将这些参数和信号与操作控制相关内容进行逻辑处理，最后产生控制指令。
4.安全保护系统
本次课程设计中的保护系统设有过卷卷复位联锁保护，主要是利用过卷复位开关的各组接点，接成联锁保护。
使提升机只能向与原过卷方向相反的方向开动，以防止人为的误操作，扩大过卷事故。
当提升机上过卷时，安全回路断开，此时须将过卷复位转换开关转至上过卷复位处，提升机才能正常启动。
超速自动恢复保护，当监测到提升机下降速度超过设定值，系统首先试着通过减小速度给定，给系统自动降速，当此措施失败时，系统将进行制动，并抱闸刹车。
同时井筒上下停车开车点，用于位置计数较正。
当提升机通过设定的开关时，发出深度同步信号，对脉冲半数值进行一次校正，即用预置数取代计数模块中原有的计数脉冲累加值，使内部深度的计数值更加准确可靠。
3PLC的概述
3.1PLC的定义
可编程控制器（ProgrammableLogicController）是由国际电工委员会（IEC）命名的工业专用的计算机系统。
国际电工委员会给出的可编程控制器的定义是：
“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计，它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算数操作等面向用户指令，并通过数字式或模拟式的输入/输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器及其有关外围设备，都按易于工业系统连成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
”
1968年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM），为了适应汽车型号不断更新的需要，提出了十项技术指标在社会上公开招标，制造一种新型的工业控制装置。
主要有以下几点：
（1）容易编程
（2）采用模块式结构
（3）价格便宜
（4）具有数据通讯功能
（5）输入输出电源使用市电
（6）能在恶劣环境下工作
（7）存储设备可扩充至4K个存储字节
（8）扩展时，原系统只需做很小改动
1969年美国数字设备公司（DEC）根据招标的要求，研制出世界上第一台可编程序控制器，并在GM公司汽车生产线上首次应用成功。
只具备逻辑控制、定时、计数等功能，主要是用来取代继电接触器控制,称为可编程逻辑控制器（PLC）。
1980年美国电气制造商协会（NEMA）正式将其命名为可编程序控制器（ProgrammableController），简称PC。
现在所说的可编程序控制器PC（ProgrammableController）是1980年以来，美、日、德等国由先前的可编程序逻辑控制器PLC进一步发展而来。
近年来PC这个名字已成为个人计算机的专称，为了加以区别，现在通常把可编程序控制器简称为PLC。
2.PLC的特点
（1）可靠性高，抗干扰能力强
PLC对工作环境的要求低，在环境温度－20℃～65℃、相对湿度为35%～85%情况下即可正常工作。
I/O设计有完善的通道保护和多种形式的滤波电路，以抑止高频干扰，削弱各模块之间的干扰影响。
在系统的输入输出回路中，采用光电隔离等措施，有效防止了回路间的信号干扰。
在PLC中常采用一种被称为“看门狗”的监视定时器来监视用户程序的运行时间，以避免PLC在执行程序过程中进入死循环或“跑飞”（PLC执行非预定的程序）。
只要循环超时，即报警或进行相应处理。
采用上述抗干扰措施后，一般PLC的抗电平干扰能力可达1000V/1us，其平均无故障时间可高达4到5万小时，使得PLC具有极高的可靠性。
（2）编程简单，容易掌握
大多数PLC可采用“梯形图”进行编程，控制线路清晰直观,它符合大多数工厂企业电气技术人员的读图习惯，语言形象直观、易学易用。
（3）安装调试简单，维修方便。
在安装时，由于PLC的输入/输出接口已经做好，因此可直接和外部设备连接，而不再需要专用的接口电路。
PLC的调试可先在实验室模拟完成，模拟完成调试后在进行现场安装和调试，从而缩短调试周期。
在维修方面，PLC具有完善的诊断和显示功能，可以通过模块上的显示或编程器等很容易地找出故障模块，而且由于模块化设计，只需对出错的模块进行更换即可。
（4）功能强，通用性好。
模块化的PLC设计，使用户能根据控制系统的大小、工艺流程和控制要求等来选择自己所需的PLC模块并进行资源配置和PLC编程。
当生产工艺改变或生产线设备更新时，无需改变硬件设备，只需改变编程程序就可实现不同的控制方案，具有良好的通用性。
（5）网络功能强大。
PLC具有强大的网络功能。
它不仅能做到远程控制、进行PLC内部通信以及与上位机通信，还具备专线上网、无线上网等功能。
这样，PLC就可以组成范围很大的控制网络，使得整个系统都可以实现自动化，从而提高生产效率。
（6）体积小，重量轻，易于实现机电一体化。
PLC结构紧凑、坚固，体积小，重量轻，功耗低，同时还具有很好的抗震性及适应环境温度、湿度变化的能力，因此，PLC很容易被安装在机械设备内部。
（7）开发周期短,成功率高。
3.PLC的分类
可编程序控制器从结构上可分为整体式和模块式。
（1）整体式PLC：
又称单元式或箱体式。
整体式PLC是将电源、CPU、I/0部件都集中装在一个机箱内。
一般小型PLC采用这种结构。
（2）模块式PLC：
将PLC各部分分成若干个单独的模块，如CPU模块、I/0模块、电源模块和各种功能模块。
模块式PLC由框架和各种模块组成。
模块插在插座上。
一般大、中型PLC采用模块式结构，有的小型PLC也采用这种结构。
此外也有将PLC的整体式和模块式结合起来，称为叠装式PLC,其配置更为灵活。
从I/O点和存储容量分类
（1）小型PLC:
小型和微型PLC的输入输出点数在256点以下。
这种PLC主要用来取
代硬件接线的逻辑继电器、定时器、计数器等。
（2）中型PLC:
中型PLC一般采用模块组合式结构。
输入输出点数在256到2048点之间,插接式模块被安装在模板上,母板上一般留有备用插槽,从而能方便的实现系统的升级和扩展。
（3）大型PLC:
大型PLC是为要求连续控制的大型工厂或大型机器设计的,其控制功能比较复杂或者需要控制的输入输出点多于2048点。
还有I/O点数在64点以下的PLC称为超小型或微型PLC,当然以上点数划分并无严格界限。
4.PLC的工作原理
作为一种特殊的工业控制计算机，PLC的工作过程与通用的计算机有很大的不同。
而且，虽然它源于继电控制装置，最初研制生产的PLC主要用于代替传统的由继电器、接触器构成的控制装置，但这两者的运行方式又是不同的。
普通计算机一般采用事件驱动和消息机制，是一种等待命令的工作方式，如常见的键盘操作，当按下按键后，计算机转入相应的子程序运行。
传统的继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果一个继电器的线圈通电或断电，则该继电器所有的触点都会动作。
而PLC的CPU则采用顺序扫描用户程序的运行方式，即如果一个逻辑线圈被接通或断开，则该线圈的所有触点不会立即动作，必须等扫描到这个触点时才会动作。
PLC采用不断循环的顺序扫描工作方式。
每一次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。
其工作过程如下:
（1）内部处理阶段:
内部处理过程运行的是PLC内部系统的管理程序，在这个阶段，PLC完成硬件自检工作和将监控定时器复位等内部工作。
该程序是生产厂家在PLC出厂时就已经固化的，一般比较固定，与用户的控制程序无直接关联，其运行时间与用户程序运行时间相比，要短得多。
（2）通信服务阶段:
在通信服务阶段，PLC处理与计算机、编程器以及各种智能装置的通信。
（3）输入采样阶段:
PLC以扫描的方式工作，输入电路时刻监视着输入信号，并按顺序将信号读入到寄存输入状态的输入映像寄存器中存储，每一输入点都有一个对应的存储其信息的寄存器。
输入寄存器与计算机内存交换信息通过计算机总线，并主要由运行系统程序来实现。
PLC内存有专门开辟的存放输入信息的映像区。
这个区的每一对应位（bit）称之为输入继电器，或称软接点。
这些位为1，表示接点通，为0表示接点断。
由于它的状态是由输入刷新得到的，所以，它反映的就是输入状态。
这个过程称为输入采样。
这个采样结果将在PLC执行程序时被使用。
（4）用户程序执行阶段:
PLC的用户程序由若干条指令组成，PLC从第一条指令开始，按顺序逐条对用户程序进行扫描。
用户程序一般从输入映像寄存器、内部寄存器和输出映像寄存器中读取所需的数据进行运算、处理，再将程序执行的结果写入输出映像寄存器中暂存。
（5）输出刷新阶段:
在执行完所有用户程序后，PLC将输出映像寄存器中的内容送到输出寄存器中，并通过输出电路产生相应的输出，再去驱动用户设备。
为了便于理解PLC程序的执行过程，通常也可近似地认为PLC的扫描工作过程为3个基本阶段：
输入采样、用户程序执行、输出刷新。
PLC在运行模式时，扫描工作是不断重复进行的，也就是说，以上3个阶段是不断重复进行着的，其输入和输出存储器不断地被刷新。
由于这个过程是永不停止、循环反复地进行着的，所以，输出总是反映输入的变化的。
只是响应的时间上略有滞后。
当然，这个滞后不宜太大，否则，所实现的控制不那么及时，也就失去控制的意义。
为此，PLC的工作速度要快。
速度快、执行指令时间短，是PLC实现控制的基础。
事实上，PLC的速度是很快的，执行一条指令，多的几微秒、几十微秒，少的才零点几或零点零几微秒，而且这个速度还在不断提高之中。
4PLC控制提升机硬件系统的设计
1.PLC控制系统结构原理图
本课程设计的提升机控制系统硬件主要由PLC、变频器、旋转编码器、数码管显示模块、提升机运行状态显示指示灯模块、电源模块、操作台、减速器等组成。
其中动力装置主要包括主电机、减速器、制动装置等。
控制系统整体结构原理图如下图所示:
图4-1提升机主控系统原理框图
2.各子模块系统的硬件连接图
1.电动机、变频器及其制动模块
2.数码管显示部分
数码管显示部分主要作用是,实时动态显示当前提升机的位置（以相对深度显示）。
主设计图如图4-3所示:
图4-3数码管显示部分电路图
所示电路中，采用具有锁存、译码的八段显示器，四个数据输入端A～D共用PLC的4个输出瑞，其中A为最低位，D为最高位。
LE是锁存使能输入端，在LE信号的下降沿将数据输入端输入的BCD数锁存在片内的寄存器中，并将该数译码后显示出来。
如果输入的不是十进制数，显示器熄灭。
LE为高电平时，显示的数不受数据输入信号的影响。
显然，N个显示器占用的输出点数为P=4＋N。
3.提升机运行状态显示部分
提升机运行状态显示部分主要包括:
提升指示、下降指示、加速指示、减速指示、松闸指示、紧闸制动、超速指示，中速指示、高速指示以及低速指示等。
当提升机运行在不同状态时,其相对应的指示灯会点亮。
相应电路图如图4-4所示:
图4-4提升机各运行状态指示电路图
3.器件类型的选择及确定
选择能满足本提升机控制要求的适当型号的器件是应用设计中至关重要的一步，其中主要包括，合理选择PLC，脉冲旋转编码器，变频器。
1PLC机型的选择
按照上述的主控系统设计，本次设计采用FX2N系列的可编程逻辑控制器。
FX2N系列PLC基本单元内部对扩展模块提供24V直流电源，也可对特殊模块提供5V直流电源。
PLC容量的选择包括两个方面，一是I/O点数，二是应用程序存储器容量的选择。
（1）I/O点数：
本系统采用的开关量输入信号点数为18个，输出信号点数为28个，故需要FX2N-64MR-001型号的PLC一块,电压选择为24V直流电压，输出为继电器型输出。
（2）应用程序存储容量的选择：
一般微型和小型PLC的存储容量是固定的。
这方面的经验公式是根据开关量输入，开关量输出，模拟量的总点数给出的。
所需内存字数=（开关量输入点数+开关量输出点数）*10+模拟量点数*150
然后按计算公式存储器字数的25%考虑余量。
所以，本系统所需内存字数=（18+28）*10+0=460（B）,460*125%=575（B）。
2.旋转编码器选择及其与PLC间的接线方式
旋转编码器是一种光电式旋转测量装置，它将被测的角位移直接转换成数字信号（高速脉冲信号）。
因些可将旋转编码器的输出脉冲信号直接输入给PLC，利用PLC的高速计数器对其脉冲信号进行计数，以获得测量结果。
不同型号的旋转编码器，其输出脉冲的相数也不同，有的旋转编码器输出A、B、Z三相脉冲，有的只有A、B相两相，最简单的只有A相。
如图4-2所示是输出两相脉冲的旋转编码器与三菱FX2N系列PLC的连接示意图。
编码器有4条引线，其中2条是脉冲输出线，1条是端线，1条是电源线。
编码器的电源可以是外接电源，也可直接使用PLC的DC24V电源。
电源“-”端要与编码器的端连接，“+”与编码器的电源端连接。
编码器的端与PLC输入端连接，A、B两相脉冲输出线直接与PLC的输入端连接，连接时要注意PLC输入的响应时间。
有的旋转编码器还有一条屏蔽线，使用时要将屏蔽线接地。
3.变频器设计与选择
选择变频器时应以负载特性为基本依据，分析提升机的负载属于重力，其负载特性属于恒转矩负载特性。
由于恒转矩负载类设备都存在一定静摩擦力，负载的惯量很大，在启动时要求有足够的启动转矩。
这就要求通用变频器有足够的低频转矩提升能力和短时过流能力。
但当低速时负载较重的情况下，为提高转矩提升能力而使电压补偿提的过高，往往容易引起过电流保护动作。
选型时应充分考虑这些情况，必要时应将通用变频器的容量提高一档，或者采用具有矢量控制或直接转矩控制的通用变频器。
对于升降类恒转矩负载，如提升机、电梯等，这类负载的特点是启动时冲击电流大，在其下降过程中需要一定制动转矩，同时会有能量回馈，因此要求变频器有一定余量。
选择通用变频器时，恒转矩负载的功率表达式为:
提升机构平均起动转即一般来说可为额定
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