煤礦井下升降機(jī)安全控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)說(shuō)明

1、. . . . 畢畢業(yè)業(yè)設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)（論論文文）題目：題目：煤礦井下升降機(jī)安全煤礦井下升降機(jī)安全控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) . . . . 太湖學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）太湖學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）誠(chéng)誠(chéng) 信信 承承 諾諾 書(shū)書(shū)本人重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）煤礦井下升降機(jī)安全控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果，其容除了在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中特別加以標(biāo)注引用，表示致的容外，本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）不包含任何其他個(gè)人、集體已發(fā)表或撰寫(xiě)的成果作品。 班 級(jí)： 機(jī)械 94 學(xué) 號(hào)：0923170 2013 年 5 月 25 日. . . . 太太湖湖學(xué)學(xué)院院信信 機(jī)機(jī)系系 機(jī)機(jī)械械工工

2、程程與與自自動(dòng)動(dòng)化化 專(zhuān)專(zhuān)業(yè)業(yè)畢畢 業(yè)業(yè) 設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì)論論 文文 任任 務(wù)務(wù) 書(shū)書(shū)一、題目與專(zhuān)題：一、題目與專(zhuān)題：1、題目 煤礦井下升降安全控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 2、專(zhuān)題二、課題來(lái)源與選題依據(jù)二、課題來(lái)源與選題依據(jù)在煤礦生產(chǎn)中，煤礦升降機(jī)起著非常重要的作用，不僅肩負(fù)著運(yùn)輸貨物的重任，還關(guān)系到作業(yè)員生命的安危。目前，我國(guó)煤礦井下升降機(jī)大多數(shù)調(diào)速水平低下，反應(yīng)滯后，調(diào)速方式落后，生產(chǎn)效率較低，安全性不高。 因此熟悉礦井升降機(jī)的性能、結(jié)構(gòu)與動(dòng)作原理，合理使用設(shè)備，對(duì)確保升降機(jī)工作效率、提高安全可靠性、防止和杜絕事故的發(fā)生具有重大意義。 三、本設(shè)計(jì)（論文或其他）應(yīng)達(dá)到的要求：三、本設(shè)計(jì)（論文或其他）應(yīng)達(dá)到的要

3、求：完成升降機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)的改造，并利用矢量控制完成調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)； 基于 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)升降機(jī)安全控制的主要環(huán)節(jié)包括過(guò)載、松繩、過(guò)卷等保護(hù)措施，使升降機(jī)安全狀況有所改善;利用 MATLAB 進(jìn)行仿真, 對(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。 四、接受任務(wù)學(xué)生：四、接受任務(wù)學(xué)生：. . . . 機(jī)械 94 班班 云五、開(kāi)始與完成日期：五、開(kāi)始與完成日期：自自 20122012 年年 1111 月月 1212 日日 至至 20132013 年年 5 5 月月 2525 日日六、設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)（或顧問(wèn)）：六、設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)（或顧問(wèn)）：指導(dǎo)教師簽名指導(dǎo)教師簽名簽名簽名簽名簽名教教研研室室主主任任學(xué)

4、科組組長(zhǎng)研究所所長(zhǎng)學(xué)科組組長(zhǎng)研究所所長(zhǎng)簽名簽名系主任系主任 簽名簽名20122012 年年 1111 月月 1212 日日摘摘 要要煤礦井下升降機(jī)作為最重要的礦井運(yùn)輸設(shè)備，它不僅作為載體來(lái)運(yùn)輸煤礦，而且還肩負(fù)著運(yùn)輸人員的重任。礦井升降機(jī)運(yùn)行時(shí)的狀況直接決定了煤礦工人的生命安全。而我國(guó)當(dāng)前的提升調(diào)速水平，大多數(shù)還停留在上世紀(jì)七十年代的繼電器控制的基礎(chǔ)上。盡. . . . III / 47管，這些年有了不少的提高，但從根本上來(lái)說(shuō)仍是由接觸器繼電器等組成的控制系統(tǒng)，其硬件的連接繁瑣，事故的發(fā)生較為頻繁。在本次課題的設(shè)計(jì)中，利用 PLC 來(lái)控制煤礦升降機(jī)的運(yùn)行，接觸器和繼電器將被 PLC 量的元件所代

5、替，從而完成了利用 PLC 對(duì)原有系統(tǒng)的改造；同時(shí)將 PLC 和變頻器結(jié)合起來(lái)，運(yùn)用到煤礦井下升降機(jī)的控制系統(tǒng)中，改善現(xiàn)有的升降系統(tǒng)，提高精度，使得升降機(jī)運(yùn)行更加的平穩(wěn)和安全。針對(duì)升降機(jī)的主要環(huán)節(jié)設(shè)置過(guò)載、松繩、過(guò)卷等安全保護(hù)措施，使升降機(jī)的安全狀況有所改善。此外，本文還利用簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)模型建立了矢量控制仿真系統(tǒng)，對(duì)變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真，從而來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的調(diào)速系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：礦井升降機(jī); PLC; 電控系統(tǒng); 仿真A AbstractbstractMine hoister is one of the main equipment in mine. It conveys not only mi

6、neralbut also miners. So the performance of mine hoister is concerned with hundreds ofminers lives. At present, the mine hoisting equipment in China . . . . are mainly rest on theTDK electriccontrol which is used in 1960s and 1970s. Although interrelatedrenovations has been done in recent years, ess

7、entially it is still the contact controlsystem which is made up of the contactor-relay. The hardwarewring system of the contact control system is complex and has high hazard rate.During the renovation of this mine hoister system, the PLC is applied to thecontrol system, and plentiful soft components

8、 of the PLC are applied to replace thecontactor and PLC controlsystem hasimproved original electric control system. At the same time, Programmable logic controller (PLC) with the inverter applied to the production of the mine is to design the existing hoist control system. It will improve the accura

9、cy and ensure the smooth progress of the mine production. As to the key elements of the lift, it makes senses to set speed alarm, overload protection, which is to enhance the security situation. In addition, it is also using a simplified mathematical model to establish vector control simulation syst

10、em, which is to verify the feasibility of the speed control system.KeyKey words:words:Mine Hoister;PLC; Electric Control System; Transducer Simulation. . . . V / 47 目目 錄錄摘要 IIABSTRACTIII1 緒論 11.1 課題研究背景、意義與容 11.1.1 研究背景 11.1.2 研究意義 11.1.3 研究容 11.2 國(guó)外煤礦升降機(jī)電氣控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 21.2.1 我國(guó)煤礦井下升降機(jī)電氣控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀 21.2.2

11、國(guó)外煤礦井下升降機(jī)電氣控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀 22 煤礦井下升降機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案 42.1 礦井升降機(jī)概況 42.1.1 礦井提升系統(tǒng)概述 42.1.2 礦井升降機(jī)主要組成部分與其工作原理 42.2 升降機(jī)電控系統(tǒng)的功能要求 52.2.1 升降機(jī)的工作過(guò)程 52.2.2 煤礦升降機(jī)的控制要求 72.3 煤礦井下升降機(jī)電氣控制系統(tǒng)組成 82.4 礦井提升機(jī)調(diào)速控制方式選擇 92.4.1 變頻調(diào)速的控制 92.4.2 變頻調(diào)速的頻率控制方式矢量控制 102.5 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)組成 102.6 小結(jié) 113 升降機(jī)控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì) 123.1 系統(tǒng)硬件選型 123.1.1 提升電動(dòng)機(jī)選擇 12

12、3.1.1 變頻器的選型 123.1.2 PLC 的選型 133.2 礦井升降機(jī)主接線圖 133.2.1 升降機(jī)的主要電氣設(shè)備 153.3 I/O 地址分配表 153.4 PLC 的 I/O 地址接線圖 163.5 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 17. . . . 3.5.1 升降機(jī)調(diào)速設(shè)計(jì) 173.5.2 升降機(jī)運(yùn)行中過(guò)卷保護(hù)設(shè)計(jì) 213.5.3 升降機(jī)運(yùn)行中限位設(shè)計(jì) 223.5.4 升降機(jī)安全報(bào)警系統(tǒng)的 243.6 小結(jié):264 升降機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的仿真 274.1 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 274.2 仿真子模塊功能 284.3 仿真參數(shù)設(shè)置和結(jié)果分析 285 總結(jié)與展望 305.1 研究總結(jié) 305

13、.2 展望 30致 31參考文獻(xiàn) 32. . . . 1 / 471 1 緒論緒論1.11.1 課題研究背景、意義與容課題研究背景、意義與容1.1.11.1.1 研究背景研究背景煤礦升降機(jī)是礦井重要的生產(chǎn)設(shè)備，是煤礦“四大運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備”之一，其中電力傳動(dòng)相當(dāng)復(fù)雜，電動(dòng)機(jī)不停地正、反向運(yùn)行，長(zhǎng)時(shí)間的處于過(guò)負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)，這樣大大縮短了升降機(jī)的使用壽命；因此可以想象升降機(jī)的安全性、可靠性是與其關(guān)鍵的，其運(yùn)行的安全行和可靠性直接擔(dān)負(fù)著煤炭生產(chǎn)與操作人員的生命安危。事故的發(fā)生肯定會(huì)對(duì)人員以與設(shè)備造成嚴(yán)重的影響，從而帶來(lái)重大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，升降機(jī)性能的提高，自動(dòng)化控制水平的提高，對(duì)于煤礦未來(lái)的發(fā)展具有重大的意義

14、，設(shè)計(jì)出安全、可靠的升降系統(tǒng)一定是未來(lái)發(fā)展新勢(shì)頭。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和人類(lèi)不斷地創(chuàng)新，現(xiàn)代化礦井的建設(shè)，著重加大了對(duì)作業(yè)人員生命安全的重視，對(duì)煤礦井下升降機(jī)的安全可靠性提出了更高的要求。近年來(lái)，我國(guó)在升降機(jī)的安全方面做了很多的努力，投資了大量的人力物力，使礦井升降機(jī)設(shè)備的安全可靠性有了巨大的進(jìn)步，并將“可靠性系統(tǒng)工程”的理念引入了煤礦井下升降機(jī)領(lǐng)域，與之相適應(yīng)，升降機(jī)對(duì)其電控系統(tǒng)安全可靠性的要求也愈來(lái)愈高。因此，在設(shè)計(jì)煤礦井下升降機(jī)，安全性以與可靠性的重要性就不言而喻了1。 1.1.21.1.2 研究意義研究意義企業(yè)的生產(chǎn)安全和經(jīng)濟(jì)效益與升降機(jī)能否安全、可靠、有效的運(yùn)行有著密切的關(guān)系。即使

15、礦井升降機(jī)系統(tǒng)本身有一些安全保護(hù)措施，但是由于升降機(jī)慣性大大、工作流程復(fù)雜、環(huán)境惡劣、這些因素都會(huì)導(dǎo)致各種機(jī)械零件和電器元件的失效，再加上人為的疏忽和以與監(jiān)控系統(tǒng)的不完善，使得理想的安全保護(hù)措施未能實(shí)現(xiàn)。因此社會(huì)各界人士開(kāi)始紛紛的關(guān)注升降機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的研究。而煤礦升降機(jī)能否平穩(wěn)、安全、可靠地運(yùn)行，能否延長(zhǎng)升降的使用壽命、防止慣性沖擊以與減少機(jī)械部分維修的工作量，包括作業(yè)人員在操作時(shí)的舒適度絕大數(shù)取決于取決于電器控制方式。隨著人們對(duì)煤礦升降機(jī)自動(dòng)化水平以與設(shè)備提升能力要求的提高，人們開(kāi)始逐步的改善電器傳動(dòng)方式。目前，對(duì)煤礦升降機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的具體要求有：調(diào)速性能良好，調(diào)速精度高，能快速進(jìn)行、反

16、轉(zhuǎn)運(yùn)行，具備很快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，制動(dòng)和定位功能準(zhǔn)確，可靠性高等。傳統(tǒng)升降機(jī)電控系統(tǒng)存在控制方式復(fù)雜、可靠性不高、調(diào)速性能不穩(wěn)定等諸多問(wèn)題。提高整個(gè)電控系統(tǒng)的安全性、控制精度以與調(diào)速性能已成為我國(guó)改善礦井升降機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的當(dāng)務(wù)之急。在這種情況下利用 PLC 對(duì)原有電控系統(tǒng)進(jìn)行改造，將會(huì)取得非常明顯的成果，我們可以拭目以待。1.1.31.1.3 研究容研究容我國(guó)對(duì)于礦井升降機(jī)控制系統(tǒng)的改造，雖然已取得一些成就，但從全國(guó)的角度出發(fā)，. . . . 這樣的成就是微不足道的，因此需要不斷地創(chuàng)新和研究。而本課題正是對(duì)目前我國(guó)中、小煤礦煤礦升降機(jī)的安全控制系統(tǒng)進(jìn)行改造, 本課題旨在研發(fā)一種既能可靠、靈敏、

17、自動(dòng)動(dòng)作，又能適應(yīng)井下惡劣環(huán)境以與人為損壞要求的自動(dòng)停送電開(kāi)關(guān)裝置。該裝置由主機(jī)、輔助接觸線組成，借助接觸網(wǎng)饋電電源線、受控電機(jī)車(chē)接觸線和受電弓構(gòu)成開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)。(1)本課題將可編程控制器（PLC）控制技術(shù)應(yīng)用到升降機(jī)的控制系統(tǒng)中，利用 PLC的元件來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)繼電器。(2)通過(guò) PLC 控制變頻器，從而完成煤礦升降機(jī)的啟動(dòng)、加速運(yùn)行、等速運(yùn)行、減速、低爬和停車(chē)的控制，使得控制系統(tǒng)更加完善和穩(wěn)定，調(diào)速精度更加精確。同時(shí)設(shè)置了報(bào)警環(huán)節(jié)，當(dāng)出現(xiàn)事故或危險(xiǎn)時(shí)，報(bào)警燈閃爍，已提醒作業(yè)員來(lái)采取相應(yīng)的措施，從而保證了升降機(jī)的安全運(yùn)行。(3)進(jìn)一步完善升降機(jī)后備保護(hù)功能，保證升降機(jī)運(yùn)行的安全可靠。1.21.2

18、 國(guó)外煤礦升降機(jī)電氣控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀國(guó)外煤礦升降機(jī)電氣控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀1.2.11.2.1 我國(guó)煤礦井下升降機(jī)電氣控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀我國(guó)煤礦井下升降機(jī)電氣控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀在煤礦生產(chǎn)中，煤礦井下升降機(jī)起著至關(guān)重要的作用，是最主要的生產(chǎn)設(shè)備。升降機(jī)現(xiàn)代化水平的高低直接影響著煤礦的生產(chǎn)效率以與作業(yè)人員的生命安危,更代表著我國(guó)生產(chǎn)力的發(fā)展水平。目前，我國(guó)煤礦井下升降機(jī)大多數(shù)是采用傳統(tǒng)的交流異步電機(jī)拖動(dòng)，其調(diào)速方式存在著諸多的問(wèn)題。傳統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)的缺點(diǎn)較為明顯：調(diào)速性能差，能耗較高，很多能量用在了電阻發(fā)熱上，升降機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中不穩(wěn)定，安全性差。傳統(tǒng)交流電控系統(tǒng)可靠性差，其中有以下主要幾個(gè)缺點(diǎn)，線路較為復(fù)雜，

19、出現(xiàn)故障很難進(jìn)行分析，保護(hù)系統(tǒng)不完善，沒(méi)有足夠的保護(hù)措施，出現(xiàn)問(wèn)題后不能與時(shí)進(jìn)行反饋，反應(yīng)呆滯。近幾年，對(duì)升降機(jī)的安全控制系統(tǒng)增設(shè)了過(guò)載、過(guò)卷。瓦斯?jié)舛葓?bào)警，使升降機(jī)安全狀況有所改善，大大增加了提升過(guò)程的可靠性。在實(shí)施升降機(jī)電氣控制改造技術(shù)時(shí)，一方面要跟隨著國(guó)際發(fā)展的腳步，另一方面也要綜合考慮到我國(guó)國(guó)情，依靠自己的力量，自主創(chuàng)新，加強(qiáng)與先進(jìn)國(guó)家的合作，吸收國(guó)外較為先進(jìn)的理念，采取引進(jìn)、合作生產(chǎn)、聯(lián)合改造等多種形式，實(shí)現(xiàn)符合中國(guó)國(guó)情的煤礦升降機(jī)電控系統(tǒng)現(xiàn)代化2。1.2.21.2.2 國(guó)外煤礦井下升降機(jī)電氣控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀國(guó)外煤礦井下升降機(jī)電氣控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀國(guó)外從 70 年代開(kāi)始，微機(jī)迅速的發(fā)展，使

20、得升降機(jī)調(diào)速系統(tǒng)可以利用微機(jī)進(jìn)行控制目前，國(guó)外的這一水平已逐漸趨向成熟。其應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾方面：（1）提升工藝過(guò)程微機(jī)控制在交流變頻裝置中，微機(jī)控制在大多數(shù)工藝中得到了體現(xiàn)。由于微機(jī)功能強(qiáng)，使用. . . . 3 / 47方便，反應(yīng)靈敏，監(jiān)視系統(tǒng)完善。（2）提升行程控制升降機(jī)的控制本質(zhì)上說(shuō)是一個(gè)位置控制，要保證升降機(jī)停位的精確，采用微機(jī)控制，通過(guò)對(duì)相關(guān)信號(hào)的處理，使得升降的的調(diào)速更加平穩(wěn) 1。（3）提升過(guò)程監(jiān)視由于近代升降機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特別強(qiáng)調(diào)安全可靠性，所以升降機(jī)安全回路是現(xiàn)代升降機(jī)控制的重要環(huán)節(jié)。（4）安全回路安全回路是指在調(diào)速系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，能進(jìn)行自我的調(diào)整，而且調(diào)整周期短，在很快

21、的時(shí)間里能恢復(fù)到正常的能力，此環(huán)節(jié)極為重要，對(duì)于保證作業(yè)員的人身安全和礦井的正常運(yùn)輸有著重要的意義。（5）全數(shù)字化系統(tǒng)調(diào)速控制德國(guó) AEG 公司的 Logidyn D 系統(tǒng)都已應(yīng)用于升降機(jī)上。參數(shù)比較穩(wěn)定、可方便地與上位機(jī)聯(lián)網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)，因此這類(lèi)的系統(tǒng)的維護(hù)需要作業(yè)人員有更高的知識(shí)素養(yǎng)和技術(shù)水平。. . . . 2 2 煤礦井下升降機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案煤礦井下升降機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案礦井升降機(jī)肩負(fù)著井上、井下運(yùn)輸?shù)闹匾蝿?wù)，對(duì)于整個(gè)煤礦而言，升降機(jī)有著重要的地位，素有“礦山咽喉”之稱。熟悉礦井升降機(jī)的性能、結(jié)構(gòu)與動(dòng)作原理，合理使用設(shè)備，加強(qiáng)維護(hù)，對(duì)確保升降機(jī)工作效率、提高安全可靠性、防止和杜絕事故

22、的發(fā)生具有重大意義。2.12.1 礦井升降機(jī)概況礦井升降機(jī)概況2.1.12.1.1 礦井提升系統(tǒng)概述礦井提升系統(tǒng)概述礦井提升設(shè)備主要有這幾個(gè)部分組成：提升容器、提升鋼絲繩、升降機(jī)、天輪、與裝卸載設(shè)備等。由于井筒條件（豎井或斜井）運(yùn)行時(shí)的方法和特性不同，導(dǎo)致他們構(gòu)成的提升系統(tǒng)也有差異。圖 2.1 為斜井升降機(jī)示意圖:圖 2.1 斜井升降機(jī)示意圖2.1.22.1.2 礦井升降機(jī)主要組成部分與其礦井升降機(jī)主要組成部分與其工作原理工作原理礦井升降機(jī)是一個(gè)完整的機(jī)械電氣機(jī)組，其主要由以下幾部分組成。 (1)工作機(jī)構(gòu)主要是指主軸裝置和主軸承等，主軸裝置由主軸、卷筒、滾動(dòng)軸承、支輪、制動(dòng)輪等組成。. . .

23、 . 5 / 47(2)制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)是升降機(jī)不可缺少的重要組成部分之一，也是最后一道安全保障裝置，當(dāng)升降機(jī)出現(xiàn)緊急情況時(shí)可以起動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)，以保證升降機(jī)的安全。 (3)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)包括減速器和聯(lián)軸器。減速器是用來(lái)進(jìn)行減速和傳遞力矩的，聯(lián)軸器是用來(lái)銜接傳動(dòng)部分的，并傳遞動(dòng)力。(4)潤(rùn)滑系統(tǒng)潤(rùn)滑系統(tǒng)是在提升運(yùn)行過(guò)程中，向作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件表面輸送定量的清潔潤(rùn)滑油，以實(shí)現(xiàn)液體摩擦，減小摩擦阻力，減輕機(jī)件的磨損。并對(duì)零件表面進(jìn)行清洗和冷卻。潤(rùn)滑系通常由潤(rùn)滑油道、機(jī)油濾清器和一些閥門(mén)等組成，以保證軸承和齒輪的正常工作。 (5)觀測(cè)和操縱系統(tǒng)觀測(cè)包括斜面操縱臺(tái)，通過(guò)傳感器集中來(lái)的

24、信號(hào)，對(duì)現(xiàn)有的運(yùn)行情況作出處理，從而執(zhí)行新的程序。(6)拖動(dòng)控制和自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)礦井升降機(jī)自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)的作用是：在沒(méi)有作業(yè)員的情況下，發(fā)生突發(fā)事故時(shí)，升降機(jī)了能自行進(jìn)行做出相應(yīng)處理。提升機(jī)工作原理：煤礦井下采煤，采好的煤通過(guò)斜井用升降機(jī)將其運(yùn)輸?shù)降孛嫔?。在井口處有升降機(jī)，電機(jī)經(jīng)過(guò)減速器后傳動(dòng)給卷筒，這樣控制升降機(jī)的運(yùn)行。當(dāng)快要到達(dá)頂端時(shí)，制動(dòng)減速。當(dāng)卸完煤以后，變頻器控制升降機(jī)進(jìn)行反轉(zhuǎn)，到煤礦深處進(jìn)行運(yùn)輸煤，這樣剛好完成一個(gè)周期，當(dāng)升降機(jī)需要停車(chē)時(shí)，發(fā)出停車(chē)指令，開(kāi)始抱閘停車(chē)。2.22.2 升降機(jī)電控系統(tǒng)的功能要求升降機(jī)電控系統(tǒng)的功能要求隨著科技的發(fā)展，對(duì)煤礦升降機(jī)的要求也逐步提高，怎樣使得升降

25、機(jī)平穩(wěn)、安全、可靠地運(yùn)行，那就要求盡量避免零件的磨損、減少機(jī)械部分維修的工作量、延長(zhǎng)升降機(jī)械的使用壽命。隨著人們對(duì)煤礦升降機(jī)自動(dòng)化水平、煤礦升降機(jī)設(shè)備提升能力要求的提高，對(duì)電器傳動(dòng)方式的改進(jìn)提出了更高的挑戰(zhàn)。2.2.12.2.1 升降機(jī)的工作過(guò)程升降機(jī)的工作過(guò)程升降機(jī)的過(guò)程是升降機(jī)在煤礦中往返的上下運(yùn)動(dòng)，通常以提升機(jī)運(yùn)動(dòng)的速度與時(shí)間的關(guān)系來(lái)表示其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，稱為速度圖，升降機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度圖，包括五個(gè)階段，即：加速階段、減速階段、爬行階段、制動(dòng)階段、停車(chē)休止階段。加速階段是指從靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)加速到最高速度；等速階段是提升機(jī)正常的運(yùn)行狀態(tài)，提升機(jī)以最高速度穩(wěn)速運(yùn)行；減速階段是提升機(jī)從最高速度減速到爬行速

26、度；爬行階段是準(zhǔn)備安全停車(chē)階段1。速度圖如圖 2.2，加速度圖如 2.3。. . . . （速度）V0t1t2t3t4t5t1t圖 2.2 為升降機(jī)的速度圖（加速度）0aa1a2a3ta1 圖 2.3 為升降機(jī)的加速度圖速度和加速度圖顯示了升降機(jī)一個(gè)周期類(lèi)運(yùn)行的工作過(guò)程：（1）加速階段 t1 當(dāng)升降機(jī)到達(dá)底端時(shí)，以加速度 a1 運(yùn)行，一直達(dá)到最大速度 Vm。（2）等速運(yùn)行階段 t2 升降機(jī)這時(shí)達(dá)到了最大提升速度 Vm。（3）減速階段 t3 升降機(jī)將要接近頂端時(shí)，開(kāi)始以速度 a3 運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)減速。（4）爬行階段 t4 升降機(jī)到達(dá)設(shè)定的位置時(shí)，此時(shí)應(yīng)該應(yīng)以 v4 爬行。（5）停車(chē)階段 t5 當(dāng)

27、升降機(jī)運(yùn)行至終點(diǎn)時(shí)，升降機(jī)施閘停車(chē)。升降機(jī)過(guò)程中各部分動(dòng)力計(jì)算，而這些慣性力與升降機(jī)速度變化規(guī)律密切相關(guān)。首先，我們確定礦井升降機(jī)運(yùn)動(dòng)合力。假定電動(dòng)機(jī)克服所有阻力后的合力與全部靜負(fù)荷和提升有害阻力的合力作用在同一力臂上，則升降機(jī)運(yùn)動(dòng)部分有如下的動(dòng)力平衡方程： 2m2Frd xFMdt（2.1）式中：電動(dòng)機(jī)克服所有阻力后的合力；mF. . . . 7 / 47全部靜負(fù)荷和提升有害阻力的合力；rF升降機(jī)所有運(yùn)動(dòng)部分的換算質(zhì)量；M提升加速度，22d xdt一般情況下， 22dr( , )rxFfx cMdt（2.2）式中：x給定瞬時(shí)通過(guò)的距離；c各種不變提升參數(shù)的總和。因此可得升降機(jī)的一般動(dòng)力微分方

28、程： 22d( , )mrxFfx cMdt（2.3）因此，礦井升降機(jī)速度的變化規(guī)律為： f( )dxVtdt（2.4） 2,2d( )( , )( ), ( )mmrrxtxFftfx cMff t cMftdt（2.5） 因此可得電動(dòng)機(jī)提升力如圖 2.4 所示：（電動(dòng)機(jī)提升力）0FdFd1Fd2Fd3Fd1F圖 2.4 電動(dòng)機(jī)提升力圖要使升降機(jī)按給定速度圖運(yùn)行，電氣傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)能根據(jù)負(fù)載的變化而自動(dòng)的工作在電動(dòng)或制動(dòng)狀態(tài)。綜合以上升降機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)以與礦山生產(chǎn)固有的特點(diǎn)，對(duì)煤礦升降機(jī)的控制方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。. . . . 2.2.22.2.2 煤礦升降機(jī)的控制要求煤礦升降機(jī)的控制要求目前，對(duì)于煤礦

29、控制系統(tǒng)的具體要求有：調(diào)速性能好、升降機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定、定位準(zhǔn)確、能夠迅速的進(jìn)行正反轉(zhuǎn)。(1)加（減）速度大小的確定應(yīng)符合以下條件：應(yīng)符合國(guó)家有關(guān)安全生產(chǎn)規(guī)程的規(guī)定。升降人員時(shí)，加速度0.7m/s升降物料時(shí)，加速度1.2m/s。應(yīng)不超過(guò)升降機(jī)的減速器所允許的動(dòng)力矩。(2)具有良好的調(diào)速性能。能夠在加速、減速等階段調(diào)速平穩(wěn)，調(diào)速圍比較廣，運(yùn)行中平穩(wěn)和安全。(3)有較好的啟動(dòng)性能。升降機(jī)是在裝完貨物后才開(kāi)始啟動(dòng)的，這一點(diǎn)與其他機(jī)械不同，因此必須要重載起動(dòng)，對(duì)升降機(jī)的起動(dòng)性能有較高的要求。(4)特性曲線要硬。當(dāng)系統(tǒng)受到負(fù)載變化時(shí)，調(diào)速系統(tǒng)能夠在短時(shí)間恢復(fù)到正常，速度基本上不受到影響，當(dāng)負(fù)載超過(guò)一定限度時(shí)，

30、此時(shí)安全回路會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的動(dòng)作，進(jìn)行自我保護(hù)，制動(dòng)抱閘停機(jī)。(5)工作方式轉(zhuǎn)換容易。能夠方便進(jìn)行轉(zhuǎn)換，容易操作，可操作性強(qiáng)，不會(huì)因?yàn)檗D(zhuǎn)換的繁瑣影響生產(chǎn)。 (6)將高科技用到升降控制系統(tǒng)中，這樣整體效率比較高。(7)要求有相應(yīng)的保護(hù)措施，以保證控制系統(tǒng)的安全性。(8)要盡量節(jié)約成本，減少一些不必要的開(kāi)銷(xiāo)3。2.32.3 煤礦井下升降機(jī)電氣控制系統(tǒng)組成煤礦井下升降機(jī)電氣控制系統(tǒng)組成傳統(tǒng)的提升機(jī)的控制方式是通過(guò)切換電阻的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這種方式效率低下，問(wèn)題復(fù)雜，其中的缺點(diǎn)如下所述:(1)提升機(jī)啟動(dòng)的一瞬間電流很大，對(duì)電機(jī)的傷害嚴(yán)重，且在加/減速運(yùn)行時(shí)可控制性弱，舒服度不好，停位不精確。 (2)提升機(jī)的

31、運(yùn)行效率比較低，很多的能量都消耗的在電阻發(fā)熱上。(3)電氣控制系統(tǒng)中的線路老化比較明顯、運(yùn)行的情況比較復(fù)雜復(fù)雜，維護(hù)量比較大，當(dāng)出現(xiàn)事故時(shí)很難排查。因此，用 PLC 來(lái)控制升降機(jī)的運(yùn)行，大大減少了這些麻煩，提高了升降機(jī)的工作效率。根據(jù)礦井提升機(jī)的工作過(guò)程和控制要求，在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，有很多困難需要克服,很多難點(diǎn)需要解決，其中關(guān)鍵性的問(wèn)題有以下幾點(diǎn)。(1)系統(tǒng)的安全可靠性設(shè)計(jì)升降機(jī)的安全控制系統(tǒng)，首先值得考慮的就是系統(tǒng)的安全性，安全是升降機(jī)運(yùn)行的第一保障，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，怎樣使得升降機(jī)安全平穩(wěn)的運(yùn)行成為本課題研究的一個(gè)難點(diǎn)，也是一個(gè)重要的挑戰(zhàn)。(2)穩(wěn)定的調(diào)速為了設(shè)計(jì)出更優(yōu)更穩(wěn)定的調(diào)速系

32、統(tǒng)，本課題采用 PLC 控制變頻器，利用變頻器控制. . . . 9 / 47升降機(jī)的運(yùn)行情況以與調(diào)速。硬件設(shè)計(jì)包括 PLC、變頻器、電機(jī)等的選擇。軟件設(shè)計(jì)包括PLC 的控制的流程圖、梯形圖等。本控制系統(tǒng)為礦井提升機(jī)的穩(wěn)定、安全和高效運(yùn)行提供了可靠的保障。(3)高效性和舒適性拖動(dòng)系統(tǒng)可以按照提升種類(lèi)要求的額定速度不同，讓舒適著乘坐比較舒服；同時(shí)調(diào)速的穩(wěn)定性使得升降機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)，方便物資的進(jìn)出，大大的提高運(yùn)行效率。改進(jìn)后的電氣控制系統(tǒng)組成圖如圖 2.5 所示。PLC操作臺(tái)變頻器編碼器M減速箱滾筒圖 2.5 電氣控制系統(tǒng)組成圖系統(tǒng)設(shè)有操作臺(tái)，各種運(yùn)行方式、系統(tǒng)狀態(tài)與故障信號(hào)指示燈，以與各種音響警

33、示鈴，在出現(xiàn)意外時(shí)提醒司機(jī)注意。操作人員可以根據(jù)控制要求進(jìn)行各種操作，PLC 輸出相應(yīng)指令控制變頻器運(yùn)行，從而調(diào)整升降機(jī)的運(yùn)行。(1)主控系統(tǒng)本系統(tǒng)的主控系統(tǒng)采用 PLC 來(lái)控制，主 PLC 正常運(yùn)行時(shí)，傳感器將相應(yīng)的信息轉(zhuǎn)換為控制信號(hào)，以保證控制系統(tǒng)的運(yùn)行的正常。(2)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)采用 MM420 變頻器, 通過(guò)程序編制對(duì)升降機(jī)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)提升機(jī)的正反轉(zhuǎn)和速度的控制，以與過(guò)卷保護(hù)、松繩保護(hù)、超載保護(hù)。2.42.4 礦井提升機(jī)調(diào)速控制方式選擇礦井提升機(jī)調(diào)速控制方式選擇2.4.12.4.1 變頻調(diào)速的控制變頻調(diào)速的控制根據(jù)相關(guān)的電機(jī)學(xué)原理知識(shí),可以得到異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速關(guān)系式為：. .

34、. . (2.6)1160-(1)fnnsp（1s）式中：n升降機(jī)的轉(zhuǎn)速；S定子每相繞組串聯(lián)匣數(shù);P極對(duì)數(shù)；f定子供電頻率；從式可知，異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法可分為以下三大類(lèi): (1)變極調(diào)速方法 (2)變轉(zhuǎn)差率調(diào)速方法(3)變頻調(diào)速方法其中變頻調(diào)速是改變電動(dòng)機(jī)定子電源的頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速的方法，具有調(diào)速圍廣， 運(yùn)行效率高，靜態(tài)穩(wěn)定性好，使用方便可靠，經(jīng)濟(jì)效益顯著等優(yōu)點(diǎn)，為了使升降機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)能取得良好的控制性能，綜合上面所述的幾種調(diào)速控制方式，權(quán)衡各種調(diào)速控制方案的優(yōu)劣，再結(jié)合升降機(jī)調(diào)速系統(tǒng)特性的特點(diǎn)，最終選擇 PLC 與變頻器相結(jié)合的變頻調(diào)速控制方案。2.4.22.4.2 變頻調(diào)速的頻率控制方式變

35、頻調(diào)速的頻率控制方式矢量控制矢量控制矢量控制主要是用來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的定子電流轉(zhuǎn)矩分量和磁通分量的控制方法，通過(guò)改變一系列坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)的。它還可以通過(guò)對(duì)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩的控制進(jìn)行提哦啊書(shū)，矢量控制兩種，調(diào)節(jié)電壓，使電機(jī)電流與負(fù)載扭矩相匹配，到達(dá)改善低速扭矩特性的目的，但是其控制器的設(shè)計(jì)在某種程度上依賴于電機(jī)的參數(shù)4。矢量控制通過(guò)調(diào)節(jié)變頻器的輸出電壓，以保證電機(jī)的磁通量不變，其大小可以通過(guò)電機(jī)性能的設(shè)定來(lái)改變。2.52.5 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)組成變頻調(diào)速控制系統(tǒng)組成采用矢量控制技術(shù)，只要變頻器收到 PLC 的程序信號(hào)，就能做出相應(yīng)的動(dòng)作。變頻器自帶欠壓，過(guò)流等保護(hù)裝置，傳感器收集各種信號(hào)，然后傳給 PLC，PLC

36、對(duì)各信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)處理，變頻器接到相應(yīng)信號(hào)后，從而控制升降機(jī)的轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速也可以經(jīng)過(guò)傳感器反饋到 PLC,使得速度更加趨于平穩(wěn)，調(diào)速更加精確。變頻調(diào)速控制系統(tǒng)框圖 2.6 如圖所示. . . . 11 / 47速度給定PLC控制器變頻器交流電機(jī)編碼器+-轉(zhuǎn)速 圖 2.6 基于 PLC 速度變頻調(diào)速控制系統(tǒng)框圖結(jié)構(gòu)2.62.6 小結(jié)小結(jié)通過(guò)對(duì)升降機(jī)結(jié)構(gòu)的分析，結(jié)合升降機(jī)的工作過(guò)程和特點(diǎn)，分析提升機(jī)五階段速度圖，得出礦井提升機(jī)對(duì)電氣控制系統(tǒng)的要求，并對(duì)變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行分析，最終采用矢量控制變頻調(diào)速對(duì)升降機(jī)的運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)煤礦升降機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的平穩(wěn)、安全、可靠。. . . . 3 3 升降機(jī)控制

37、系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)升降機(jī)控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)煤礦井下升降機(jī)控制系統(tǒng)硬件包括對(duì)電動(dòng)機(jī)，變頻器，PLC 的選型。PLC 控制可使系統(tǒng)控制線路大大簡(jiǎn)化且柔性強(qiáng)，控制功能多，將可編程控制器（PLC）與變頻器相結(jié)合并應(yīng)用于礦井實(shí)際生產(chǎn)中，對(duì)現(xiàn)有的升降機(jī)電控系統(tǒng)進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，提高精度。環(huán)境的惡劣性也要在設(shè)計(jì)中考慮之中，采用 PLC 的元件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的的接觸器，大大簡(jiǎn)化了路線的復(fù)雜性。3.13.1 系統(tǒng)硬件選型系統(tǒng)硬件選型3.1.13.1.1 提升電動(dòng)機(jī)選擇提升電動(dòng)機(jī)選擇一般電動(dòng)機(jī)的額定電流可以用如下公式計(jì)算即：. . . . 13 / 47 3cos .OPIUIn（3.1）根據(jù)上述公式對(duì)一般三相交流

38、異步電功機(jī)的額定電流計(jì)算得出：異步電動(dòng)機(jī)的額定電流與電動(dòng)機(jī)額定功率的關(guān)系為：如果 U380V，電流大約為 1kW 是 2A。因此，可以用2A 來(lái)預(yù)估一下電流值，這樣能粗略快速選擇元件，本調(diào)速系統(tǒng)所選電動(dòng)機(jī)為：QABP 系列三相異步變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)。其技術(shù)數(shù)據(jù)如表 3-1 所示 ：表 3-1 電機(jī)技術(shù)參數(shù)型號(hào)標(biāo)稱功率/KW額定電流/A額定轉(zhuǎn)速（r/min）額定轉(zhuǎn)矩/N.m轉(zhuǎn)動(dòng)慣量/kg.m重量/kg315M8A751487419554.959110453.1.13.1.1 變頻器的選型變頻器的選型對(duì)于升降類(lèi)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載,如升降機(jī)，電梯等，他們的相似點(diǎn)是：再啟動(dòng)的一瞬間電流的沖擊很大，而減速是靠自動(dòng)完

39、成的，于此同時(shí)會(huì)有回饋能量，因此對(duì)變頻器的要：能夠有一定的緩沖余量，在選擇變頻器時(shí)，恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的功率表達(dá)式為: n9550Tp （3.2）式中:P)表示電動(dòng)機(jī)的功率(KW);n)表示電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速(r/min);T)表示電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩(NM);系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意適當(dāng)留有余量，所以電動(dòng)機(jī)或者變頻器應(yīng)該增大容量，通用變頻器的容量一般取 1.5 倍異步電動(dòng)機(jī)的容量。因此本系統(tǒng)選用西門(mén)子 MM420, 該變頻器具有 7 個(gè)固定頻率，4 個(gè)跳轉(zhuǎn)頻率，可編程。同時(shí)具有多種可供選擇接線方式的設(shè)備?？梢栽O(shè)定為閉環(huán)矢量控制。其對(duì)負(fù)載的變化和瞬時(shí)掉電，能做出迅速響應(yīng)；3.1.23.1.2 PLCPLC 的選型的選型PL

40、C 選型要考慮到滿足系統(tǒng)功能并且具備良好的性價(jià)比。因此在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，PLC 模塊的數(shù)量和型號(hào)的選擇主要依據(jù)系統(tǒng)輸入、輸出點(diǎn)的總量來(lái)確定。此外，選擇合理的 PLC 機(jī)型應(yīng)遵循以下原則:(1)選擇 PLC 容量和輸入輸出點(diǎn)時(shí)應(yīng)該保留余地，其實(shí)際所選的值都要比理論值大，其中輸入輸出點(diǎn)應(yīng)該留出 15%-20%。(2)根據(jù)負(fù)載的類(lèi)型和啟停的頻率等特點(diǎn),選擇不同的輸出方式;(3)如果控制系統(tǒng)有模擬量,I/O 模塊的響應(yīng)時(shí)間能要滿足系統(tǒng)要求;(4)根據(jù)系統(tǒng)通訊要求的不同,選擇 PLC 部相應(yīng)的通訊功能；. . . . S7-200 是西門(mén)子產(chǎn)品中的中小型產(chǎn)品，完全能夠完成中等性能的控制要求。它的組成主要

41、有：CPU 模塊、電源負(fù)載模塊(PS)、信號(hào)模塊(SM)、功能模塊(FM)、接口模塊(IM)和通訊處理模塊(CP)等，S7-200 系列的強(qiáng)大功能使其無(wú)論在獨(dú)立運(yùn)行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能，因此 S7-200 系列具有極高的性能/價(jià)格比4。S7-200 系列 PLC 可提供 4 個(gè)不同基本型號(hào)的 8 種 CPU，根據(jù)升降機(jī)電控統(tǒng)原理的調(diào)速控制要求，選擇西門(mén)子公司的 CPU226 控制可靠、價(jià)格較低，性能優(yōu)良，程序容量較大、運(yùn)行速度快、編程靈活等優(yōu)點(diǎn)，既提高工作質(zhì)量，又取得了良好的經(jīng)濟(jì)效3.23.2 礦井升降機(jī)主接線圖礦井升降機(jī)主接線圖變電站送來(lái)的 380V 電源，經(jīng)高壓開(kāi)關(guān)柜的隔離

42、開(kāi)關(guān) QF1 為電機(jī)供電。變頻器 MM420用來(lái)控制正反轉(zhuǎn)和調(diào)速，從而實(shí)現(xiàn)升降機(jī)的上升和下降。通過(guò)改變變頻器的頻率來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速。RC 是滅弧裝置，保證電路的正常分析和防止觸頭收到嚴(yán)重的腐蝕，使得電路和電器元件工作安全可靠。熔斷器則用來(lái)保護(hù)電路得過(guò)載?？諝鈹嗦菲骺梢杂脕?lái)頻繁地起動(dòng)電動(dòng)機(jī)并對(duì)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)保護(hù)，由于有良好完備的滅弧裝置，操作速度也由彈簧機(jī)構(gòu)執(zhí)行，迅速可靠。升降機(jī)主接線圖如圖 3.1 所示:. . . . 15 / 47圖 3.1 升降機(jī)的主接線圖 在主接線圖中，實(shí)現(xiàn)了利用 PLC 控制變頻器，利用變頻器控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和調(diào)速。使得系統(tǒng)的精確度更加高，電路簡(jiǎn)化，出

43、現(xiàn)故障時(shí)，方便查找，提高整個(gè)電控系統(tǒng)的可靠性。其中使用的主要元件如表 3-2 所示：. . . . 表 3-2 控制接線圖主要元件表符號(hào)名稱型號(hào)數(shù)量備注FU熔斷器1QF空氣斷路 器2FR1熱繼電器1MM420變頻器SE MIENS1高壓接觸器，線圈電壓交流 220VRC1滅弧裝置1根據(jù)需要選配M主提升電動(dòng)機(jī)1三相異步電動(dòng) 機(jī)3.2.13.2.1 升降機(jī)的主要電氣設(shè)備升降機(jī)的主要電氣設(shè)備（1）主提升電機(jī)主提升電機(jī)是提升系統(tǒng)中的拖動(dòng)設(shè)備，是提升控制過(guò)程中主要控制的對(duì)象，是整個(gè)升降機(jī)的中心。（2）主令控制器主令控制器通過(guò)調(diào)換檔位，來(lái)控制升降機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。（3）各種信號(hào)燈信號(hào)燈是在升降機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生

44、變化時(shí)，提醒操作人員做出相應(yīng)的反應(yīng)如報(bào)警信號(hào)燈。（4）過(guò)卷轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)過(guò)卷轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)是在提升機(jī)過(guò)卷時(shí)投入使用，使提升機(jī)在下一次開(kāi)車(chē)時(shí)只能向相反方向開(kāi)車(chē)，防止過(guò)卷事故的擴(kuò)大。3.33.3 I/OI/O地址分配表地址分配表地址分配表中，每一個(gè)輸入點(diǎn)與一個(gè)而且經(jīng)與一個(gè)輸入電路相連，通過(guò)輸入接口電路把現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)信號(hào)變成了 CPU 能接受的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào),每一個(gè)輸出點(diǎn)與一個(gè)且僅與一個(gè)輸出電路相連，通過(guò)電路把 CPU 運(yùn)算處理結(jié)果轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各種大功率開(kāi)關(guān)信號(hào)。I/O 信號(hào)處理的方式為：提升機(jī)的電控系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程從根本上說(shuō)就是 PLC 把從現(xiàn)場(chǎng)釆集回來(lái)的各種數(shù)據(jù)經(jīng)運(yùn)算、處理后轉(zhuǎn)化為直觀的提升機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)(如提

45、升機(jī)運(yùn)行的速度等)在操作臺(tái)上顯示出來(lái)，與此同時(shí) PLC 會(huì)在這些運(yùn)行數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上按照預(yù)先編寫(xiě)的程序控制現(xiàn)場(chǎng)各種設(shè)備動(dòng)作。并在司機(jī)的操作下完成每次提升、下放任務(wù)。. . . . 17 / 47為了保證現(xiàn)場(chǎng)所采集信號(hào)的準(zhǔn)確性、可靠性，本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)輸入、輸出信號(hào)采用了一定的隔離方式，具體 I/O 地址分配表如表 3-3 所示： 3-3 I/O 地址分配表輸入輸入端口輸出輸出端口停止I0.0變頻器 10HZ 控制Q0.0正轉(zhuǎn)(上升)I0.1變頻器 20HZ 控制Q0.1反轉(zhuǎn)(下降)I0.2變頻器 50HZ 控制Q0.2上升過(guò)卷保護(hù)I0.3變頻器正轉(zhuǎn)控制Q0.3下降過(guò)卷保護(hù)I0.4變頻器反轉(zhuǎn)控制

46、Q0.4瓦斯?jié)舛缺Ｗo(hù)I0.5上升過(guò)卷燈Q0.5松繩保護(hù)I0.6下降過(guò)卷燈Q0.6超載保護(hù)I0.7瓦斯?jié)舛确澍Q器Q0.7上升極限位I1.0松繩蜂鳴器Q1.0下降極限位I1.1超載蜂鳴器Q1.13.43.4 PLCPLC的的I/OI/O地址接線圖地址接線圖I/O 地址接線圖如圖 3.2 所示. . . . 圖 3.2 I/O 地址接線圖3.53.5 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)升降機(jī)軟件系統(tǒng)包括控制安全回路軟件設(shè)程以與報(bào)警軟件設(shè)計(jì)，安全回路設(shè)計(jì)要完成整個(gè)提升過(guò)程所有的控制，包括升降機(jī)的正反轉(zhuǎn)，變頻調(diào)速等環(huán)節(jié)，以與過(guò)卷保護(hù)以與上限位開(kāi)關(guān)的的控制。報(bào)警軟件設(shè)計(jì)包括報(bào)出現(xiàn)緊急情況時(shí)的安全制動(dòng)和報(bào)警。報(bào)警軟件

47、的主要任務(wù)是出現(xiàn)各種故障時(shí)如松繩、超載，瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)時(shí)做出相應(yīng)的動(dòng)作，并能控制相應(yīng)的信號(hào)燈閃爍。3.5.13.5.1 升降機(jī)調(diào)速設(shè)計(jì)升降機(jī)調(diào)速設(shè)計(jì)煤礦升降機(jī)在礦井中有著至關(guān)重要的作用。提升機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)主要由變頻器、操作臺(tái)等組成，對(duì)煤礦升降機(jī)調(diào)速系統(tǒng)具體要求有：調(diào)速性能良好，調(diào)速精度高，能快速進(jìn)行、反轉(zhuǎn)運(yùn)行。升降機(jī)的速度控制主要包括以下的流程：. . . . 19 / 47（1）PLC 檢測(cè)階段PLC 檢測(cè)階段包括 PLC 硬件線路的連接，PLC 的初始化等。（2）開(kāi)車(chē)準(zhǔn)備階段開(kāi)車(chē)準(zhǔn)備階段包括對(duì)安全電路得檢查，正反轉(zhuǎn)回路得電的準(zhǔn)備，使得各項(xiàng)指標(biāo)符合相關(guān)的要求。（3）升降機(jī)的加速階段流程如圖

48、 3.3 所示：制動(dòng)松閘升降機(jī)開(kāi)始加速升降機(jī)達(dá)到最大速度等速運(yùn)行發(fā)提升信號(hào)圖 3.3 加速階段的流程圖當(dāng)司機(jī)發(fā)提升信號(hào)以后, PLC 控制變頻器進(jìn)行調(diào)頻，升降機(jī)開(kāi)始緩慢加速，等升降機(jī)的速度增加到最大，開(kāi)始等速運(yùn)行。（4）升降機(jī)的等速運(yùn)行階段升降機(jī)此時(shí)進(jìn)行勻速運(yùn)動(dòng)，不需要任何操作。（5）升降機(jī)的減速、爬行與停車(chē)階段的流程如圖 3.4 所示：達(dá)到減速點(diǎn)反接制動(dòng)減速燈信號(hào)亮升降機(jī)達(dá)到爬行速度進(jìn)行爬行到達(dá)終點(diǎn)停止圖 3.4 減速階段的流程圖. . . . 當(dāng)升降機(jī)到達(dá)減速點(diǎn)后， PLC 控制變頻器進(jìn)行調(diào)頻，變頻器控制電機(jī)的這個(gè)反轉(zhuǎn)從而來(lái)達(dá)到反接制動(dòng)，同時(shí)速度也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。一 、正反轉(zhuǎn)控制(1)

49、通過(guò) PLC 來(lái)控制變頻器 MM420，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，這樣就可以控制升降機(jī)的上升和下降。程序中出現(xiàn)互鎖保護(hù)功能，是的控制系統(tǒng)更加的安全和專(zhuān)一。(2)梯形圖二、變頻調(diào)速（1）通過(guò)對(duì) PLC 的編程來(lái)控制變頻器，從而是頻率發(fā)生變化，來(lái)達(dá)到速度的改變，完成煤礦升降機(jī)從啟動(dòng)、加速運(yùn)行、等速運(yùn)行、減速、低爬和停車(chē)的控制，對(duì) PLC 速度控制進(jìn)行改造。（2）梯形圖. . . . 21 / 47. . . . 3.5.23.5.2 升降機(jī)運(yùn)行中過(guò)卷保護(hù)設(shè)計(jì)升降機(jī)運(yùn)行中過(guò)卷保護(hù)設(shè)計(jì)過(guò)卷是指提升機(jī)在行駛過(guò)程中超過(guò)了正常停車(chē)位置而沒(méi)有停車(chē)。如果司機(jī)在開(kāi)車(chē)過(guò)程中不小心開(kāi)車(chē)過(guò)卷，過(guò)卷開(kāi)關(guān)會(huì)立即動(dòng)作，安全回路斷

50、開(kāi)，提升機(jī)停車(chē)。此時(shí)，司機(jī)必須首先判斷過(guò)卷的方向。過(guò)卷保護(hù)的流程圖 3.5 如下：過(guò)卷電機(jī)反向轉(zhuǎn)過(guò)卷燈報(bào)警安全保護(hù)圖 3.5 過(guò)卷保護(hù)的流程圖過(guò)卷保護(hù):（1）當(dāng)?shù)V車(chē)由于故障或操作員失誤，礦車(chē)越過(guò)安全線時(shí)，會(huì)造成升降機(jī)的過(guò)卷，這時(shí)傳感器要?jiǎng)幼鳎瑫r(shí) PLC 實(shí)現(xiàn)對(duì)提升系統(tǒng)的保護(hù)，并伴隨有報(bào)警燈響應(yīng)。（2）梯形圖. . . . 23 / 473.5.33.5.3 升降機(jī)運(yùn)行中限位設(shè)計(jì)升降機(jī)運(yùn)行中限位設(shè)計(jì)在提升機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)升降機(jī)運(yùn)行到頂端或者低端的時(shí)，需要限位來(lái)加以控制，確保行程的安全，在底端或者頂端停止一段時(shí)間，完成裝貨或者卸貨后，升降機(jī)可以自動(dòng)調(diào)整方向，進(jìn)行升降。限位保護(hù)的流程如圖 3.6

51、 所示：到達(dá)頂端（低端）限位開(kāi)關(guān)響應(yīng)升降機(jī)停止，卸貨（裝載）電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)圖 3.6 限位保護(hù)的流程圖上下限位置開(kāi)關(guān):（1）極限限位開(kāi)關(guān)是防止機(jī)構(gòu)動(dòng)作超出設(shè)計(jì)圍而發(fā)生事故的，安裝在升降機(jī)行程中兩個(gè)頂端，用來(lái)保護(hù)升降機(jī)動(dòng)作過(guò)大出現(xiàn)機(jī)構(gòu)損壞。開(kāi)關(guān)動(dòng)作后，給出信號(hào)，進(jìn)行相關(guān)動(dòng)作。（2）梯形圖. . . . . . . . 25 / 473.5.43.5.4 升降機(jī)安全報(bào)警系統(tǒng)的升降機(jī)安全報(bào)警系統(tǒng)的升降機(jī)的安全的報(bào)警系統(tǒng)主要包括過(guò)載、松繩、瓦斯?jié)舛鹊劝踩Ｗo(hù)措施，對(duì)提升機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)與故障來(lái)源進(jìn)行時(shí)時(shí)控制，使提升安全狀況有所改善。此調(diào)速控制系統(tǒng)才能才能安全可靠的工作。報(bào)警回路是在出現(xiàn)故障時(shí)，控制相應(yīng)的信號(hào)

52、燈閃爍，以提醒操作人員做出相應(yīng)的處理,報(bào)警系統(tǒng)包括:一、松繩報(bào)警當(dāng)升降機(jī)下放速度過(guò)快時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)松繩現(xiàn)象，這個(gè)時(shí)候如果繼續(xù)下降，后果將不敢設(shè)想。此時(shí)，松繩感應(yīng)器收到信號(hào)，傳給 PLC 進(jìn)行處理，操作員應(yīng)該與時(shí)降速或停車(chē)。二、瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)報(bào)警當(dāng)煤礦井下瓦斯?jié)舛瘸^(guò)規(guī)定值時(shí)就會(huì)引發(fā)瓦斯爆炸，瓦斯爆炸產(chǎn)生的高溫高壓，促使爆源的氣體以極大的速度向外沖擊，造成人員傷亡，破壞器材設(shè)施，另外瓦斯爆炸通常會(huì)伴隨著有毒氣體，使得相關(guān)人員中毒死亡，因此在礦井設(shè)置瓦斯?jié)舛葓?bào)警器很有現(xiàn)實(shí)意義。三、超載報(bào)警熱繼電器常閉觸點(diǎn)串接于安全控制回路，當(dāng)電機(jī)因負(fù)載過(guò)重，熱繼電器動(dòng)作，常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，使安全回路動(dòng)作，保護(hù)提升機(jī)不受損

53、壞。當(dāng)升降機(jī)運(yùn)行的過(guò)程中發(fā)生超載、松繩、瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)報(bào)警時(shí)，報(bào)警回路的動(dòng)作要靠報(bào)警信號(hào)燈閃爍或者蜂鳴器鳴笛來(lái)觸發(fā)，比如當(dāng)煤礦井下瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)時(shí)，瓦斯蜂鳴器就會(huì)鳴笛，設(shè)備停止運(yùn)行，直到故障被排除后消聲。安全報(bào)警系統(tǒng)對(duì)升降機(jī)的整個(gè)運(yùn)行過(guò)程都十分重要，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，要與時(shí)出現(xiàn)報(bào)警，這樣才能保證升降機(jī)的運(yùn)行時(shí)的平穩(wěn)以與作業(yè)人員的安全，根據(jù)對(duì)控制系統(tǒng)功能的分析，給出報(bào)警系統(tǒng)的流程圖。報(bào)警系統(tǒng)的流程如圖 3.7 所示：. . . . 開(kāi)始程序初始化自檢正常？故障處理超載？報(bào)警燈閃爍并卸載松繩？瓦斯?jié)舛日?？蜂鳴器鳴笛并處理NY報(bào)警燈閃爍并處理結(jié)束YYYNNN圖 3.7 報(bào)警系統(tǒng)的流程圖報(bào)警系統(tǒng):（1）報(bào)警

54、回路的控制包括超載報(bào)警，松繩報(bào)警，瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)報(bào)警。報(bào)警回路的動(dòng)作要靠報(bào)警信號(hào)燈閃爍或者蜂鳴器鳴笛來(lái)觸發(fā)，比如當(dāng)煤礦井下瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)時(shí)，瓦斯蜂鳴器就會(huì)鳴笛，設(shè)備停止運(yùn)行，直到故障被排除。（2）梯形圖. . . . 27 / 473.63.6 小結(jié)小結(jié): :主要介紹了煤礦井下升降機(jī)控制系統(tǒng)硬件包括對(duì)變頻器，PLC 的選型。通過(guò) PLC 的控制，使得調(diào)速系統(tǒng)更加的平穩(wěn)和安全，變頻器調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化了線路的復(fù)雜性，問(wèn)題得到了簡(jiǎn)化。同時(shí)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的保護(hù)和安全環(huán)節(jié)，使得升降機(jī)的運(yùn)行中更加安全和平穩(wěn)。. . . . 4 4 升降機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的仿真升降機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的仿真數(shù)字仿真技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)

55、廣泛的應(yīng)用到各種設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)中，它可以對(duì)大型復(fù)雜的系統(tǒng)進(jìn)行仿真，只要建立完善的數(shù)學(xué)模型，其仿真的效果和真實(shí)值相比還是很樂(lè)觀的，經(jīng)過(guò)多次的仿真驗(yàn)證，其真實(shí)性已經(jīng)得到了認(rèn)證。本章就是根據(jù)前面建立的簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)模型，對(duì)設(shè)計(jì)的矢量變頻控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，借助于 MATLAB 的強(qiáng)大仿真能力，對(duì)系統(tǒng)的可行性進(jìn)行檢測(cè)。本文利用基于 MATLAB 環(huán)境下對(duì)交流變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。首先根據(jù)數(shù)學(xué)模型，在 Simulink 中給出仿真結(jié)構(gòu)原理圖，根據(jù)結(jié)構(gòu)原理圖進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，并對(duì)仿真的結(jié)果進(jìn)行分析。本課題的整個(gè)仿真系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是 Speed-Controller 環(huán)節(jié)，把電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與參考給定轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，并

56、進(jìn)行偏差處理，最終產(chǎn)生所需要的控制變量16。4.14.1 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)R(s) 為速度的給定值，經(jīng)過(guò)一系列的傳遞函數(shù)，反饋到起始值，是的輸入量逐漸趨于平穩(wěn)?？刂平Y(jié)構(gòu)圖如圖 4.1 所示： R(s)Gc(s)+-C(s)Go(s)圖 4.1 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 其數(shù)學(xué)模型為： 225(s)+7s+25cGs（4.1）系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)： _0.059(s)(0.451)sOGes（4.2）控制器對(duì)誤差信號(hào) e(t)分別進(jìn)行比例、微分、積分運(yùn)算，其結(jié)果送給被控制對(duì)象控制的規(guī)律為：. . . . 29 / 47 0i1de( )( )( )( )pDtu tke t

57、e t dtTTdt（4.3）設(shè)定比例系數(shù)；0.09PK 積分時(shí)間常數(shù)=594；iT微分時(shí)間常數(shù)=0.25；DT任何一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，都應(yīng)該達(dá)到穩(wěn)(穩(wěn)定)、快(快速)、準(zhǔn)(準(zhǔn)確)的響應(yīng)命令。調(diào)節(jié)的主要任務(wù)就是為了達(dá)到這一目的，所以要較好的調(diào)節(jié)各參數(shù)。（1）比例環(huán)節(jié)：當(dāng)比例系數(shù)增大時(shí)，會(huì)使響應(yīng)更加敏捷，于此帶來(lái)不好的一面是它不能消除偏差，過(guò)大的比例系數(shù)會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生過(guò)大的振幅，并產(chǎn)生震蕩，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。（2）積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。積分時(shí)間越長(zhǎng)，變化越緩慢，即相應(yīng)速度變慢。（3）微分環(huán)節(jié)：主要體現(xiàn)偏差信號(hào)的變化速率，減緩調(diào)節(jié)時(shí)間16。4.24.2 仿真子模塊功能仿真子模塊功

58、能Speed Controller 子模塊，如圖 4.2 所示。速度調(diào)節(jié)器由比較環(huán)節(jié)、比例積分環(huán)節(jié)和飽和環(huán)節(jié)等組成。利用基于 MATLAB 環(huán)境下提供的 Simulink 電力仿真平臺(tái)，對(duì)交流變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。圖 4.2 Speed Controller 子模塊4.34.3 仿真參數(shù)設(shè)置和結(jié)果分析仿真參數(shù)設(shè)置和結(jié)果分析一、參數(shù)設(shè)置所選用的電動(dòng)機(jī)的性能參數(shù)如下: ； ； ；0.008233SR 0.000724SLH0.02711MLH. . . . ； ； 2=0.37.JKg m380NUV50fhzSpeed Controller 控制器參數(shù)如為：積分增益；比例增益。0.145ik

59、2.5pk 當(dāng)建模和參數(shù)設(shè)置完成后，即可進(jìn)行仿真。為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的交流提升機(jī)矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)的反饋能力以與，當(dāng)受到外界環(huán)境刺激時(shí)，怎么才能短時(shí)間恢復(fù)到正常圍。對(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行仿真，在經(jīng)過(guò)一系列轉(zhuǎn)速突變仿真后，得到轉(zhuǎn)速輸出波形如圖 4.3 所示圖 4.3 轉(zhuǎn)速輸出波形二、仿真結(jié)果分析仿真系統(tǒng)以實(shí)際電機(jī)參數(shù)輸入，對(duì)其變頻調(diào)速控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究，仿真結(jié)果分析表明：速度的振幅較小，速度比較緩和，在 0.2s 時(shí)就基本趨于平穩(wěn)。具有很強(qiáng)的抗干擾能力與帶負(fù)載能力，且控制精度高。仿真運(yùn)行結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)穩(wěn)定性高，抗干擾能力強(qiáng)，可以滿足本系統(tǒng)的控制要求。t=0.4s 時(shí)突減負(fù)載，轉(zhuǎn)速仍然穩(wěn)定在給定

60、的 120r/min 上，相比之下粗實(shí)線顯示的傳統(tǒng)調(diào)頻，振幅比較明顯，波動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)升降機(jī)的損傷比較大。仿真結(jié)果分析表明：控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有很強(qiáng)的抗干擾能力與帶負(fù)載能力，且控制精度高。. . . . 31 / 475 5 總結(jié)與展望總結(jié)與展望5.15.1 研究總結(jié)研究總結(jié)礦井提升機(jī)是礦山生產(chǎn)的最主要的設(shè)備。其不僅肩負(fù)著運(yùn)輸煤礦的重任，而且關(guān)系到成千上萬(wàn)作業(yè)員的生命安全。本文將 PLC 應(yīng)用于提升機(jī)電控系統(tǒng)，從而使系統(tǒng)的性能得到改善。本論文的研究目標(biāo)是將可編程控制器（PLC）與變頻器相結(jié)合并運(yùn)用到升降機(jī)的控制系統(tǒng)中，研究出精度更高的控制系統(tǒng)。采用控制功能強(qiáng)大的 PLC 來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繼電器，