煤矿提升机控制系统设计毕业设计.docx
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煤矿提升机控制系统设计毕业设计
煤矿提升机控制系统设计
摘要:
提升机是矿山最重要的设备，肩负着矿石、物料、人员等的运输责任。
传统的矿井提升机控制系统主要采用继电器-接触器进行控制，这类提升机通常在电动机转子回路中串接附加电阻进行启动和调速。
这种控制系统存在可靠性差、操作复杂、故障率高、电能浪费大、效率低等缺点。
针对这种情况采用PLC与变频器相结合的控制方案对原有电控系统进行改造，提高整个电控系统安全可靠性、控制精度及调速性能。
因此，对矿井提升机控制系统进行研究具有现实意义，也是国内外相关行业专家学者的一个研究课题。
本文针对提升机控制系统中存在的上述问题，把可编程序控制器和变频器应用于提升机控制系统上，并在可行性方面进行了相关的研究。
事实表明，采用该控制系统，使提升机工作可靠，使用方便，同时具有动态显示的功能，节能效果明显。
关键词：
煤矿提升机；PLC：
变频器
ABSTRACT:
Theshafthoististheforemostequipmentofmines，itiswidelyusedtotransportthematerials，staffandequipment.Thetraditionalshafthoistcontrolsystemisalwayscontrolledbytherelay-contactor，andadoptsthemethodsofconnectseriesadditionalresistantinrotorswindinglooptostartandadjustspeed.Thesystemhasmanydisadvangessuchasbadreliability，complicatedoperation，highfaultrate，largeenergy–wastingandlowefficiency.Accordingtothiskindofcondition,weadoptPLCandTransducertoreformfororiginalcontrolsystem,soastoraisethesafety,reliability,controlprecisionandspeedregulationperformanceofthewholeelectriccontrolledsystem.So,carryingontheresearchontheshafthoistcontrolsystemhasrealisticmeanings，anditisasubjectforresearchbyrelevantexpertsandscholars，bothathomeandabroad.
Tothesequestionsexistingintheshafthoistcontro1system，thepaperapplied
PLC（ProgrammableLogicController）andfrequencyconvertertothesystem,andcarriedonrelatedresearchinfeasibility.Thefactindicates，adoptingcontrolsystem，theshafthoistworksreliably，easytouse，energy-savingwell，andhavedynamicalshownfunction.
Keywords:
coalminehoist;PLC:
inverter
1绪论
1.1矿井提升机简介
矿井提升机是安装在地面，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”和“摩擦式提升机”。
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国内外提升机研究状况
近几十年来，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。
与此同时，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。
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。
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、K／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。
尽管转子串电阻调速方法很不经济，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。
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、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；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。
而在电力拖动方面，近几年国外出现了不少新拖动方式，交-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。
2系统总体方案设计
2.1系统控制要求
（1）矿井提升机是煤矿安全生产的关键中的关键，它的安全可靠性直接关系到整个煤矿的生产和矿工的生命安全。
由于煤矿井下生产环境恶劣，运行情况复杂，各种操作频繁，因此对提升机电控系统来说，除了能够满足各种复杂的控制要求外，更重要的是其可靠性和安全保障。
（2）具有良好的调速性能，能够精准地完成井下提升的整个运行过程。
（3）可以重载起动，要有一定的过载能力。
（4）易于转换工作方式，方便实现自动化控制。
（5）技术先进，维护简单、方便，在可保证安全可靠运行背景下，控制线路简洁明了，方便维修和排除故障。
（6）尽可能的降低投资成本，减少系统的运行费用，提高煤矿的节能效果与经济效益。
2.2系统速度控制
矿井提升机的工作过程一般经历加速、等速、减速三个运行阶段。
本系统设计中采用井底初加速、等速，井筒主加速、等速和井口减速运行等阶段。
系统速度控制如图2.1所示。
图2.1，提升速度图
开始时，在井口平车场空车线上的空车串，由井口推车器以a1加速至V0=1.Om/s低速，向下推进。
同时，井底的重车串上提，当全部重车串进入井筒后，提升机以a2加速到最大提升速度Vm，并等速运行至井口，在空车串运行到井底时，提升机以a3减速，使之由Vm减至V0,进入井底车场时，减速停车。
这时，在井口平车场内的重车串借惯性继续前进，当行至摘挂钩位置时，摘钩并挂空车。
同时井下也摘掉空车并挂上重车，然后打开井口空车线上的阻车器，进入下一个提升循环。
如图2.1所示，提升机在各运行阶段的参数预置如下，关于时间及距离的设置及计算在脉冲单元的计算中再详加说明。
a.系统最大提升速度Vm=5.Om/s；
b.井下平车场平均速度V0=1.0m/s；
c.井下平车场加、减速度a1=a4=0.3m/s2；
d.井筒中主加、减速度a2=a3=0.5m/s2;
2.3控制方案论证与选择
2.3.1PLC与其它工业控制装置的比较
可编程控制器与继电器控制的区别在可编程控制器的编程语言中，梯形图是最为广泛使用的语言。
通过可编程控制器的指令系统将梯形图变成可编程控制器能接收的程序。
由编程器将程序键入到可编程控制器的用户存储区中去。
可编程控制器的梯形图与继电器控制线路图十分相似，主要原因是可编程控制器梯形图的发明大致上沿用了继电器控制的电路元件符号，仅个别地方有些不同。
同时，信号的输入/输出形式及控制功能也是相同的，但可编程控制器的控制与继电器的控制还是有不同之处，主要表现在以下几个方面：
（1）控制逻辑
继电器控制逻辑采用硬接线逻辑，利用继电器机械触点的串联或并联及延时继电器的滞后动作等组合成控制逻辑，其接线多而复杂，体积大，功耗大，一旦系统构成后想再改变或增加功能都很困难。
另外，继电器触点数目有限，每只有4～8触点，因此灵活性和扩展性很差。
而可编程控制器采用存储器逻辑，其控制逻辑以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序，故称为“软接线”，其接线少，体积小，而且，可编程控制器中每只软继电器的触点数在理论上无限制，因此灵活性和扩展性很好。
可编程控制器由中大规模集成电路组成，功耗小。
（2）工作方式
当电源接通时，继电器控制线路中各继电器都处于受约束状态，即该吸合的都应吸合，不该吸合的都因受某种条件限制不能吸合。
而可编程控制器的控制逻辑中，各继电器都处于周期性循环扫描接通之中，从宏观上看，每个继电器受制约接通的时间是短暂的。
（3）控制速度
继电器控制逻辑依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低。
触点的开闭动作一般在几十毫秒数量级。
另外，机械触点还会出现抖动问题。
而可编程控制器是由程序指令控制半导体电路来实现控制，速度极快，一般一条用户指令执行时间在微秒数量级。
可编程控制器内部还有严格的同步，不会出现抖动问题。
（4）可靠性和可维护性
继电器控制逻辑使用了大量的机械触点，连线也多。
触点开闭时会受到电弧的损坏，并有机械磨损，寿命短，因此可靠性和可维护性差。
而可编程控制器采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，它体积小，寿命长，可靠性高。
可编程控制器还配有自检和监督功能，能检查出自身的故障，并随时显示给操作人员，还能动态地监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。
（5）价格
继电器控制逻辑使用机械开关，继电器和接触器价格比较低。
而可编程控制器使用中大规模集成电路，价格比较高。
从以上几个方面的比较可知，可编程控制器在性能上比继电器控制逻辑优异，特别是可靠性高，设计施工周期短，调试修改方便，而且体积小，功耗低，使用维护方便，但价格高于继电器控制系统。
从系统的性能价格比而言，可编程控制器具有很大的优势。
2.3.2系统方案的确立
根据设计要求，要完成任务有多种选择方案，可以由各种控制继电器和主令开关构成，它的突出特点是“点信号”（电铃震响或指示灯明灭的次数）来代表各种提升信号。
各提升中段的点信号直接传送到井口控制室。
也可以采用单片机作为主控制系统。
控制台通过单片机的串行口来实现主从式多级通讯,系统以上井口控制台作为主控制台,下井口、绞车房控制台为从控制台。
也可以采用PLC作为提升机的控制系统的核心，通过编程来实现提升机各种功能。
在此综合各种方面因素选择PLC作为提升机控制系统的核心,PLC具有其他任何一种控制器所不具备的优点,更符合设计要求。
2.3.3可编程控制器选型
此设计主要控制过程是由A/D，D/A模块和可编程控制器内置PID模块构成提升机系统运行速度，电流PI调节器，PLC的模拟量输出液压的比例控制液体粘性速离合器控制泄压阀，从而调节液压控制进油口进入气缸，推动活塞，由所述压力施加到所述一对摩擦改变之间的油膜的厚度，主动和被动的驰聘为了实现输出轴转速的调整，以达到要求的启闭速度控制操作。
整个控制系统的除了用到PLC逻辑控制，定时控制，计数控制的基本控制功能，关键是要使用PLC的高级控制单元，包括在A/D，D/A单元的脉冲输出单元，位置控制部和PID模块等。
现代大中型PLC一般都配有一个专用的A/D和D/A转换模块，可以通过A/D模块将现场需要控制的模拟信号转换为数字量，通过微处理器运算处理，然后通过D/A模块转换成模拟量去控制被控对象。
大中型PLC与PID控制模块，当持有根据PID算法来调整控制的过程变量的一个变量偏差的控制过程中，PLC的设定值的范围内。
本设计中采用日本松下电工公司的中型PLC-FP3机，其特点如下：
FP3机具有快速的CPU处理速度，可以控制到2048个I/O点，16K步的大程序容量和EPROM写入功能，加上提供了一个288条方便说指令，强大的编程工具功能。
CPU有中断功能，调试和试运行功能，中继功能执行高优先级的中断服务程序，该程序正在运行。
程序员注释功能，在程序中插入注释，便于今后的检查和调试。
除了具有一般功能控制单元外FP3机CPU单元还具有的完善功能的A/D，D/A单元，脉冲输出单元，位置控制单元和进行PID处理特殊功能模块。
在FP3高级单元内部的CPU和内存的FP3CPU单元，只要初始化，控制字写入其内部的内存，内存可独立运行。
优先级信托单位由单位的内部共享内存与CPU，CPU单元，只要用专用读/写指令的读或写。
FP3机的I/0分配是自由的编址模式，为用户提供灵活和方便的使用条件下，它的编址模式可以有两种方式实现，一种是根据每个单元的位置上基板插入的的地址；一种是使用编程工具来设置每个单元的地址。
FP3机采用的是模块化结构设计方式，具有以下突出的优点：
①灵活的组装。
可以随时更换或扩充根据生产需要，使整个生产系统更快地适应产品更新换代的要求。
②方便维修。
当出现故障时，更换部分芯片或功能模块即可解决故障，这能使停机修理的时间和其费用降至到最大限度。
③对每种功能的模块可以根据它生产过程中所需求进行生产，可以随时改进其设计、不断的对其完善，有利于提高质量、降低生产成本。
2.4PLC控制系统结构
2.4.1PLC控制系统原理图
图2.2，PLC控制系统结构原理图
2.4.2光电编码器工作原理
光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。
这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。
光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。
由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。
此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90º的两路脉冲信号
2.4.3变频器作用
变频调速能够应用在大部分的电机拖动场合，由于它能提供精确的速度控制，
因此可以方便地控制机械传动的上升、下降和变速运行。
变频应用可以大大地提高工艺的高效性（变速不依赖于机械部分），同时可以比原来的定速运行电机更加节能
2.5控制系统工作模式
主控制系统有三种工作模式，分别是全自动模式、半自动模式和手动模式。
全自动模式司机在看到允许开车信号以后：
按下开车按钮，由主控制系统
自动判断开车方向，自动实现提升机开车、加速、等速、减速、爬行、停车的全
过程，监视提升机运行过程中的安全状况，发现问题自动采取相应对策，完全不
用司机参与控制的工作模式。
在所有设备、仪器仪表工作状态正常，对提升机运
行速度没有特殊要求，一般采用这种工作模式。
半自动模式由司机通过操作手柄控制提升机运行的方向、速度和停车，由
主控制系统实现自动减速控制，监视提升机运行过程中的安全状况，发现问题自
动采取相应对策的工作模式。
在对提升机运行速度有特殊要求、或者某些设备、
仪器仪表工作状态不正常而没有投入时，一般采用这种工作模式。
手动模式司机控制提升机运行的方向，完全控制提升机的开车、加速、等速、减速、爬行、停车的全过程，并负责监视提升机运行过程中的安全状况，发现问题由司机采取相应对策的工作模式。
在主控制系统PLC部分被切除（PLC部分发生故障、或者因某些重要设备、仪器仪表工作状态不正常而导致PLC禁止开车）时，一般采用这种工作模式。
3可编程控制器各单元工作方式的设置与参数整定
3.1CPU单元
FP3机型CPU单元使用的是一个16位微处理器芯片，可以控制到2048个I/O点，程序容量16K步和EPROM写入功能，应用扫描循环控制工作方式，不断有基本的控制功能，而且还增加了许多特殊功能，如初始化的功能，测试运行功能和中断功能等。
3.2脉冲输出单元
FP3机型配备了多样实现位置控制单元，第一是脉冲输出单元，以及高速计数单元和位置控制单元，脉冲输出单元可以输出的脉冲频率是可调整的，并且它的输出频率范围为45Hz〜5kHz的。
频率调整需要特殊指令（SPD0），并创建一个参数表来实现。
该功能用于结合与高速计数器功能使用，可控制步进电机的速度和移动物体的位置。
3.2.1参数的脉冲化
（1）距离的脉冲化
①如系统速度控制图所示原始资料设置如下：
井筒斜长:
LT=482m;
井口车场的长度:
LK=30m;
井底车场的长度:
LD=30m;
提升机滚筒直径:
D=2.5m;
②与提升运动相关的计算
a.矿车组在井底车场运行阶段
初加速段:
t01=vO/aO1=1/0.3=3.3（s）
L01=1/2V0t01=1/213.3=1.65（m）
等速运行阶段:
L02=LD-L01=30-1.65=28.35（m）
T02=L02/V0=28.35/1=28.35（s）
井底车场运行总时间:
TD=t01+t02=3.3+28.35=31.65（s）
b.矿车组在井筒运行阶段:
加减速运行阶段:
t1=t2=（vm-vD）/a1=（3-1）/0.5=4（s）
L1=L2=1/2（vm+v0）/t=（3+1）/28=16（m）
等速运行阶段:
L3=L-（LD+LK+L2+L2）=528-2（30+16）=420（m）
t3=L3/vm=420/5=84（s）
车组在井口车场运行阶段:
LK=LD=30（m）
tK=tD=31.65（s）
一次提升循环时间:
T=（tD+tK+t1+t2+t3）+θ=2（tD+t1）+t3+θ
=2（31.65+4）+140+25
=240.3（s）
③脉冲数的计算:
滚筒的周长为LG=лD=3.142.5=7.85（m）.
按滚筒每转一圈发出n0=2000个脉冲计算，一次提升的长度为512m,应转的圈数为N=512/7.85=65.22圈，一次提升应发出的总脉冲数为nS=Nn0=67.262000=130440。
a.车组在井底车场运行阶段所对应的各个阶段的脉冲数
初加速段:
n01=L01/LDn0=1.65/7.852000=420个
等速运行段:
n0=L02/LGn0=28.35/7.852000=7223个
b.矿车组在井筒运行阶段所对应的各个阶段的脉冲数
加减速运行段:
n1=n2=L1/LGn0=16/7.852000=4076个
等速运行段:
n3=L3/LGn0=420/7.852000=107006个
c.矿车在井口运行段
与井底运行的脉冲数相同nK1=420个，nK2=7223个
（2）速度的脉冲化
将速度值转化成脉冲数为:
f0=0
f1=v0/LGn0=1/7.852000=255个
f2=vm/LGn1=3/7.852000=675个
f3=f1=255个
f4=f0=0
（3）加速度的脉冲化
与井底车场初加速及与井口车场减速对应的脉冲数:
na01=na02=V0/t01=255/3.3=77个
与井筒运行段的加、减速度对应的脉冲数:
na1=na2=vm/t1=675/4=169个
与加速度对应的脉冲单元2的脉冲输出频率:
f01=77
f02=159
可以通过脉冲输出单元的Y23进行脉冲输出频率的切换控制，Y23OFF时输出为低档，当Y23ON时为高档。
3.2.2脉冲单元面板上主要端子的功能
DELAY:
延时时间设定调节螺钉，进行高、低档频率切换的时候，可设定切换延时时间。
该时间可在100～500ms之间任意可调；F.MIN和F.MAX:
高、低档频率细调调节螺钉；C=P,C>P:
经过值、预置值比较输出端。
C为经过值，P为预置值。
当C=P时和C>P时相应的端子输出为高电平；RST:
脉冲单元复位输入端。
该输入端开关接通时，脉冲单元复位，即停止输出脉冲，并将经过值和预置值寄存器清零；P.CNT:
脉冲频率控制输入端。
当该端输入高电平时，脉冲频率切换为高档，反之切换为低档OUT0和OUT1:
脉冲输出端；ZERO和SUB:
原点到位信号输入端和近原点到位信号输入端。
输入、输出工作指示灯。
I/O单元插座（50）芯。
工作方式选择DIP开关。
3.2.3脉冲单元工作方式选择开关的设置
下表列出了FP3型脉冲单元工作方式选择开关的具体设定的方法。
表3.1，脉冲单元方式选择开关
ON
OFF
本系统中的选择
SW1
输出保持方式
One-shot输出方式
OFF
SW2
中断使能
中断不使能
ON
SW3
C=P方式
C=0方式
ON
SW4
单脉冲输出方式
双脉冲输出方式
ON
SW5~SW8
未用
未用
未用
3.2.4脉冲单元共享存储器的内容设置
FP3脉冲单元共享存储分配表如下表所示
表3.2，脉冲单元共享存储器表
读数据
写数据
K0
经过值（低16位）
初始值（低16位）
K1
经过值（高8位带符号数）
初始值（高8位带符号数）
K2
不能读
预置值（低16位）
K3
不能读
预置值（高8位带符号数）
表3-2补充说明：
在这个系统中，第一个脉冲单元：
KO后可以阅读这里写的初始值Ø，K2只能写130440。
2号脉冲单元系统的预设值：
KO能读取经过值、写初始值此时为0，K2只写了之前系统的预设值设定为255，可以经过修改。
3.2.5占用I/O点及I/O的分配
该系统可以将1号脉冲单元可以安装在插槽0
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