《機械畢業(yè)設(shè)計（論文）-煤礦井下升降機安全控制系統(tǒng)的設(shè)計》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《機械畢業(yè)設(shè)計（論文）-煤礦井下升降機安全控制系統(tǒng)的設(shè)計（63頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、編編 號號 無錫太湖學(xué)院 畢畢業(yè)業(yè)設(shè)設(shè)計計（論論文文） 題目：題目： 煤礦井下升降機安全煤礦井下升降機安全 控制系統(tǒng)的設(shè)計控制系統(tǒng)的設(shè)計 信機 系系 機械工程及自動化 專專 業(yè)業(yè) 學(xué) 號： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： （職稱：副教授 ） （職稱： ） 2013 年 5 月 25 日 無錫太湖學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）無錫太湖學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 誠誠 信信 承承 諾諾 書書 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文） 煤礦井下升 降機安全控制系統(tǒng)的設(shè)計 是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進(jìn)行研 究所取得的成果，其內(nèi)容除了在畢業(yè)設(shè)計（論文）中特別加以 標(biāo)注引用，表示致謝的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計（論文）不包含任 何其

2、他個人、集體已發(fā)表或撰寫的成果作品。 班 級： 機械 94 學(xué) 號： 0923170 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 I 無無錫錫太太湖湖學(xué)學(xué)院院 信信 機機 系系 機機械械工工程程及及自自動動化化 專專業(yè)業(yè) 畢畢 業(yè)業(yè) 設(shè)設(shè) 計計論論 文文 任任 務(wù)務(wù) 書書 一、題目及專題：一、題目及專題： 1、題目 煤礦井下升降安全控制系統(tǒng)的設(shè)計 2、專題 二、課題來源及選題依據(jù)二、課題來源及選題依據(jù) 在煤礦生產(chǎn)中，煤礦升降機起著非常重要的作用，不僅肩負(fù)著運輸貨物 的重任，還關(guān)系到作業(yè)員生命的安危。目前，我國煤礦井下升降機大多數(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。

3、 因此熟悉礦井升降機的性能、結(jié)構(gòu)及動作原理，合理使用設(shè)備，對確保升 降機工作效率、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（論文或其他）應(yīng)達(dá)到的要求：三、本設(shè)計（論文或其他）應(yīng)達(dá)到的要求： 完成升降機的變頻調(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； 基于 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計； 設(shè)計升降機安全控制的主要環(huán)節(jié)包括過載、松繩、過卷等保護(hù)措施，使升降 機安全狀況有所改善; 利用 MATLAB 進(jìn)行仿真, 對設(shè)計的系統(tǒng)進(jìn)行驗證。 四、接受任務(wù)學(xué)生：四、接受任務(wù)學(xué)生： II 機械 94 班班 姓名姓名 姚 云 五、開始及完成日期：五、開始及完成日期： 自自 2012 年年

4、11 月月 12 日日 至至 2013 年年 5 月月 25 日日 六、設(shè)計（論文）指導(dǎo)（或顧問）：六、設(shè)計（論文）指導(dǎo)（或顧問）： 指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師 簽名簽名 簽名簽名 簽名簽名 教教研研室室主主任任 學(xué)科組組長研究所所長學(xué)科組組長研究所所長 簽名簽名 系主任系主任 簽名簽名 2012 年年 11 月月 12 日日 摘摘 要要 煤礦井下升降機作為最重要的礦井運輸設(shè)備，它不僅作為載體來運輸煤礦，而且還 肩負(fù)著運輸人員的重任。礦井升降機運行時的狀況直接決定了煤礦工人的生命安全。而 我國當(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 管，這些年有了不少的提高，但從

5、根本上來說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)計中，利用 PLC 來控制煤礦 升降機的運行，接觸器和繼電器將被 PLC 中大量的元件所代替，從而完成了利用 PLC 對原有系統(tǒng)的改造；同時將 PLC 和變頻器結(jié)合起來，運用到煤礦井下升降機的控制系統(tǒng) 中，改善現(xiàn)有的升降系統(tǒng)，提高精度，使得升降機運行更加的平穩(wěn)和安全。針對升降機 的主要環(huán)節(jié)設(shè)置過載、松繩、過卷等安全保護(hù)措施，使升降機的安全狀況有所改善。此 外，本文還利用簡化的數(shù)學(xué)模型建立了矢量控制仿真系統(tǒng)，對變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真， 從而來驗證設(shè)計的調(diào)速系統(tǒng)。 關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：礦井升降機; PLC

6、; 電控系統(tǒng); 仿真 Abstract Mine hoister is one of the main equipment in mine. It conveys not only mineral but also miners. So the performance of mine hoister is concerned with hundreds of miners lives. At present, the mine hoisting equipment in China are mainly rest on the TDK electric control which is use

7、d in 1960s and 1970s. Although interrelated renovations has been done in recent years, essentially it is still the contact control system which is made up of the contactor-relay. The hardware wring system of the contact control system is complex and has high hazard rate. IV During the renovation of

8、this mine hoister system, the PLC is applied to the control system, and plentiful soft components of the PLC are applied to replace the contactor and PLC control system has improved original electric control system. At the same time, Programmable logic controller (PLC) with the inverter applied to t

9、he production of the mine is to design the existing hoist control system. It will improve the accuracy 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 ad

10、dition, it is also using a simplified mathematical model to establish vector control simulation system, which is to verify the feasibility of the speed control system. Key words: Mine Hoister; PLC; Electric Control System; Transducer Simulation 目目 錄錄 摘 要.II ABSTRACT III 1 緒論.1 1.1 課題研究背景、意義及內(nèi)容.1 1.1

11、.1 研究背景1 1.1.2 研究意義1 V 1.1.3 研究內(nèi)容1 1.2 國內(nèi)外煤礦升降機電氣控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀.2 1.2.1 我國煤礦井下升降機電氣控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀2 1.2.2 國外煤礦井下升降機電氣控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀2 2 煤礦井下升降機控制系統(tǒng)的設(shè)計方案.4 2.1 礦井升降機概況.4 2.1.1 礦井提升系統(tǒng)概述4 2.1.2 礦井升降機主要組成部分及其工作原理4 2.2 升降機電控系統(tǒng)的功能要求.5 2.2.1 升降機的工作過程5 2.2.2 煤礦升降機的控制要求7 2.3 煤礦井下升降機電氣控制系統(tǒng)組成.8 2.4 礦井提升機調(diào)速控制方式選擇.9 2.4.1 變頻調(diào)速的控制9 2

12、.4.2 變頻調(diào)速的頻率控制方式矢量控制10 2.5 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)組成.10 2.6 小結(jié).11 3 升降機控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計.12 3.1 系統(tǒng)硬件選型.12 3.1.1 提升電動機選擇12 3.1.1 變頻器的選型12 3.1.2 PLC 的選型.13 3.2 礦井升降機主接線圖.13 3.2.1 升降機的主要電氣設(shè)備15 3.3 I/O 地址分配表15 3.4 PLC 的 I/O 地址接線圖16 3.5 軟件系統(tǒng)設(shè)計.17 3.5.1 升降機調(diào)速設(shè)計17 3.5.2 升降機運行中過卷保護(hù)設(shè)計21 3.5.3 升降機運行中限位設(shè)計22 3.5.4 升降機安全報警系統(tǒng)的24 3.6

13、 小結(jié):26 4 升降機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的仿真.27 4.1 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu).27 4.2 仿真子模塊功能.28 4.3 仿真參數(shù)設(shè)置和結(jié)果分析.28 5 總結(jié)與展望.30 5.1 研究總結(jié).30 VI 5.2 展望.30 致 謝.31 參考文獻(xiàn).32 煤礦井下升降安全控制系統(tǒng)的設(shè)計 1 1 1 緒論緒論 1.1 課題研究背景、意義及內(nèi)容課題研究背景、意義及內(nèi)容 1.1.1 研究背景研究背景 煤礦升降機是礦井重要的生產(chǎn)設(shè)備，是煤礦“四大運轉(zhuǎn)設(shè)備”之一，其中電力傳動 相當(dāng)復(fù)雜，電動機不停地正、反向運行，長時間的處于過負(fù)載運轉(zhuǎn)，這樣大大縮短了升 降機的使用壽命；因此可以想象升降機的安全性、

14、可靠性是及其關(guān)鍵的，其運行的安全 行和可靠性直接擔(dān)負(fù)著煤炭生產(chǎn)及操作人員的生命安危。事故的發(fā)生肯定會對人員以及 設(shè)備造成嚴(yán)重的影響，從而帶來重大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，升降機性能的提高，自動化控 制水平的提高，對于煤礦未來的發(fā)展具有重大的意義，設(shè)計出安全、可靠的升降系統(tǒng)一 定是未來發(fā)展新勢頭。 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和人類不斷地創(chuàng)新，現(xiàn)代化礦井的建設(shè)，著重加大了對作 業(yè)人員生命安全的重視，對煤礦井下升降機的安全可靠性提出了更高的要求。近年來， 我國在升降機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 領(lǐng)

15、域，與之相適應(yīng)，升降機對其電控系統(tǒng)安全可靠性的要求也愈來愈高。因此，在設(shè)計 煤礦井下升降機，安全性以及可靠性的重要性就不言而喻了1。 1.1.2 研究意義研究意義 企業(yè)的生產(chǎn)安全和經(jīng)濟(jì)效益與升降機能否安全、可靠、有效的運行有著密切的關(guān)系。 即使礦井升降機系統(tǒng)本身有一些安全保護(hù)措施，但是由于升降機慣性大大、工作流程復(fù) 雜、環(huán)境惡劣、這些因素都會導(dǎo)致各種機械零件和電器元件的失效，再加上人為的疏忽 和以及監(jiān)控系統(tǒng)的不完善，使得理想的安全保護(hù)措施未能實現(xiàn)。 因此社會各界人士開始紛紛的關(guān)注升降機調(diào)速控制系統(tǒng)的研究。而煤礦升降機能否 平穩(wěn)、安全、可靠地運行，能否延長升降的使用壽命、防止慣性沖擊以及減少機械

16、部分 維修的工作量，包括作業(yè)人員在操作時的舒適度絕大數(shù)取決于取決于電器控制方式。隨 著人們對煤礦升降機自動化水平以及設(shè)備提升能力要求的提高，人們開始逐步的改善電 器傳動方式。目前，對煤礦升降機電氣傳動系統(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、反轉(zhuǎn)運行，具備很快的動態(tài)響應(yīng)速度，制動和定位功能準(zhǔn)確，可靠 性高等。 傳統(tǒng)升降機電控系統(tǒng)存在控制方式復(fù)雜、可靠性不高、調(diào)速性能不穩(wěn)定等諸多問題。 提高整個電控系統(tǒng)的安全性、控制精度以及調(diào)速性能已成為我國改善礦井升降機電氣傳 動系統(tǒng)的當(dāng)務(wù)之急。在這種情況下利用 PLC 對原有電控系統(tǒng)進(jìn)行改造，將會取得非常明 顯的成果，我們可以拭目以待。 1.

17、1.3 研究內(nèi)容研究內(nèi)容 我國對于礦井升降機控制系統(tǒng)的改造，雖然已取得一些成就，但從全國的角度出發(fā)， 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 2 這樣的成就是微不足道的，因此需要不斷地創(chuàng)新和研究。而本課題正是對目前我國中、 小煤礦煤礦升降機的安全控制系統(tǒng)進(jìn)行改造, 本課題旨在研發(fā)一種既能可靠、靈敏、自動 動作，又能適應(yīng)井下惡劣環(huán)境以及人為損壞要求的自動停送電開關(guān)裝置。該裝置由主機、 輔助接觸線組成，借助接觸網(wǎng)饋電電源線、受控電機車接觸線和受電弓構(gòu)成開關(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)用到升降機的控制系統(tǒng)中，利用 PLC 的元件來代替?zhèn)鹘y(tǒng)繼電器。 (2)通過 PLC 控制變頻器，從

18、而完成煤礦升降機的啟動、加速運行、等速運行、減速、 低爬和停車的控制，使得控制系統(tǒng)更加完善和穩(wěn)定，調(diào)速精度更加精確。同時設(shè)置了報 警環(huán)節(jié)，當(dāng)出現(xiàn)事故或危險時，報警燈閃爍，已提醒作業(yè)員來采取相應(yīng)的措施，從而保 證了升降機的安全運行。 (3)進(jìn)一步完善升降機后備保護(hù)功能，保證升降機運行的安全可靠。 1.2 國內(nèi)外煤礦升降機電氣控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀國內(nèi)外煤礦升降機電氣控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 1.2.1 我國煤礦井下升降機電氣控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀我國煤礦井下升降機電氣控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀 在煤礦生產(chǎn)中，煤礦井下升降機起著至關(guān)重要的作用，是最主要的生產(chǎn)設(shè)備。升降 機現(xiàn)代化水平的高低直接影響著煤礦的生產(chǎn)效率以及作業(yè)人員的生

19、命安危,更代表著我國 生產(chǎn)力的發(fā)展水平。 目前，我國煤礦井下升降機大多數(shù)是采用傳統(tǒng)的交流異步電機拖動，其調(diào)速方式存 在著諸多的問題。 傳統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)的缺點較為明顯：調(diào)速性能差，能耗較高，很多能量用在了電阻發(fā)熱 上，升降機的運行過程中不穩(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缺點，線路較為復(fù)雜，出現(xiàn)故障 很難進(jìn)行分析，保護(hù)系統(tǒng)不完善，沒有足夠的保護(hù)措施，出現(xiàn)問題后不能及時進(jìn)行反饋， 反應(yīng)呆滯。近幾年，對升降機的安全控制系統(tǒng)增設(shè)了過載、過卷。瓦斯?jié)舛葓缶?，使?降機安全狀況有所改善，大大增加了提升過程的可靠性。 在實施升降機電氣控制改造技術(shù)時，一方面要跟隨著國際發(fā)展的腳步，另一

20、方面也 要綜合考慮到我國國情，依靠自己的力量，自主創(chuàng)新，加強與先進(jìn)國家的合作，吸收國 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，實現(xiàn)符合中國國情的 煤礦升降機電控系統(tǒng)現(xiàn)代化2。 1.2.2 國外煤礦井下升降機電氣控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀國外煤礦井下升降機電氣控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀 國外從 70 年代開始，微機迅速的發(fā)展，使得升降機調(diào)速系統(tǒng)可以利用微機進(jìn)行控制 目前，國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）提升工藝過程微機控制 在交流變頻裝置中，微機控制在大多數(shù)工藝中得到了體現(xiàn)。由于微機功能強，使用 煤礦井下升降安全控制系統(tǒng)的設(shè)計 3 方便，反應(yīng)靈敏，監(jiān)視系統(tǒng)完善。 （2

21、）提升行程控制 升降機的控制本質(zhì)上說是一個位置控制，要保證升降機停位的精確，采用微機控制， 通過對相關(guān)信號的處理，使得升降的的調(diào)速更加平穩(wěn) 1。 （3）提升過程監(jiān)視 由于近代升降機控制系統(tǒng)的設(shè)計特別強調(diào)安全可靠性，所以升降機安全回路是現(xiàn)代 升降機控制的重要環(huán)節(jié)。 （4）安全回路 安全回路是指在調(diào)速系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，能進(jìn)行自我的調(diào)整，而且調(diào)整周期短，在很 快的時間里能恢復(fù)到正常的能力，此環(huán)節(jié)極為重要，對于保證作業(yè)員的人身安全和礦井 的正常運輸有著重要的意義。 （5）全數(shù)字化系統(tǒng)調(diào)速控制 德國 AEG 公司的 Logidyn D 系統(tǒng)都已應(yīng)用于升降機上。參數(shù)比較穩(wěn)定、可方便地與 上位機聯(lián)網(wǎng)等優(yōu)點，因

22、此這類的系統(tǒng)的維護(hù)需要作業(yè)人員有更高的知識素養(yǎng)和技術(shù)水平。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 4 2 2 煤礦井下升降機控制系統(tǒng)的設(shè)計方案煤礦井下升降機控制系統(tǒng)的設(shè)計方案 礦井升降機肩負(fù)著井上、井下運輸?shù)闹匾蝿?wù)，對于整個煤礦而言，升降機有著重 要的地位，素有“礦山咽喉”之稱。熟悉礦井升降機的性能、結(jié)構(gòu)及動作原理，合理使 用設(shè)備，加強維護(hù)，對確保升降機工作效率、提高安全可靠性、防止和杜絕事故的發(fā)生 具有重大意義。 2.1 礦井升降機概況礦井升降機概況 2.1.1 礦井提升系統(tǒng)概述礦井提升系統(tǒng)概述 礦井提升設(shè)備主要有這幾個部分組成：提升容器、提升鋼絲繩、升降機、天輪、及 裝卸載設(shè)備等。 由于井筒條件（豎

23、井或斜井）運行時的方法和特性不同，導(dǎo)致他們構(gòu)成的提升系統(tǒng) 也有差異。 圖 2.1 為斜井升降機示意圖: 圖 2.1 斜井升降機示意圖 2.1.2 礦井升降機主要組成部分及其礦井升降機主要組成部分及其工作原理工作原理 礦井升降機是一個完整的機械電氣機組，其主要由以下幾部分組成。 (1)工作機構(gòu) 主要是指主軸裝置和主軸承等，主軸裝置由主軸、卷筒、滾動軸承、支輪、制動輪 等組成。 (2)制動系統(tǒng) 制動系統(tǒng)是升降機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) 升降機出現(xiàn)緊急情況時可以起動制動系統(tǒng)，以保證升降機的安全。 煤礦井下升降安全控制系統(tǒng)的設(shè)計 5 (3)機械傳動系統(tǒng) 機械傳動系統(tǒng)，機

24、械傳動系統(tǒng)包括減速器和聯(lián)軸器。減速器是用來進(jìn)行減速和傳遞 力矩的，聯(lián)軸器是用來銜接傳動部分的，并傳遞動力。 (4)潤滑系統(tǒng) 潤滑系統(tǒng)是在提升運行過程中，向作相對運動的零件表面輸送定量的清潔潤滑油， 以實現(xiàn)液體摩擦，減小摩擦阻力，減輕機件的磨損。并對零件表面進(jìn)行清洗和冷卻。潤 滑系通常由潤滑油道、機油濾清器和一些閥門等組成，以保證軸承和齒輪的正常工作。 (5)觀測和操縱系統(tǒng) 觀測包括斜面操縱臺，通過傳感器集中來的信號，對現(xiàn)有的運行情況作出處理，從 而執(zhí)行新的程序。 (6)拖動控制和自動保護(hù)系統(tǒng) 礦井升降機自動保護(hù)系統(tǒng)的作用是：在沒有作業(yè)員的情況下，發(fā)生突發(fā)事故時，升 降機了能自行進(jìn)行做出相應(yīng)處理

25、。 提升機工作原理：煤礦井下采煤，采好的煤通過斜井用升降機將其運輸?shù)降孛嫔稀?在井口處有升降機，電機經(jīng)過減速器后傳動給卷筒，這樣控制升降機的運行。當(dāng)快要到 達(dá)頂端時，制動減速。當(dāng)卸完煤以后，變頻器控制升降機進(jìn)行反轉(zhuǎn)，到煤礦深處進(jìn)行運 輸煤，這樣剛好完成一個周期，當(dāng)升降機需要停車時，發(fā)出停車指令，開始抱閘停車。 2.2 升降機電控系統(tǒng)的功能要求升降機電控系統(tǒng)的功能要求 隨著科技的發(fā)展，對煤礦升降機的要求也逐步提高，怎樣使得升降機平穩(wěn)、安全、 可靠地運行，那就要求盡量避免零件的磨損、減少機械部分維修的工作量、延長升降機 械的使用壽命。隨著人們對煤礦升降機自動化水平、煤礦升降機設(shè)備提升能力要求的提

26、高，對電器傳動方式的改進(jìn)提出了更高的挑戰(zhàn)。 2.2.1 升降機的工作過程升降機的工作過程 升降機的過程是升降機在煤礦中往返的上下運動，通常以提升機運動的速度與時間 的關(guān)系來表示其運動規(guī)律，稱為速度圖，升降機的運動速度圖，包括五個階段，即：加 速階段、減速階段、爬行階段、制動階段、停車休止階段。加速階段是指從靜止?fàn)顟B(tài)起 動加速到最高速度；等速階段是提升機正常的運行狀態(tài)，提升機以最高速度穩(wěn)速運行； 減速階段是提升機從最高速度減速到爬行速度；爬行階段是準(zhǔn)備安全停車階段1。 速度圖如圖 2.2，加速度圖如 2.3。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 6 （速度） V 0 t1 t2t3t4t5 t1t 圖 2

27、.2 為升降機的速度圖 （加速度） 0 a a1 a2 a3 t a1 圖 2.3 為升降機的加速度圖 速度和加速度圖顯示了升降機一個周期類運行的工作過程： （1）加速階段 t1 當(dāng)升降機到達(dá)底端時，以加速度 a1 運行，一直達(dá)到最大速度 Vm。 （2）等速運行階段 t2 升降機這時達(dá)到了最大提升速度 Vm。 （3）減速階段 t3 升降機將要接近頂端時，開始以速度 a3 運行，從而實現(xiàn)減速。 （4）爬行階段 t4 升降機到達(dá)設(shè)定的位置時，此時應(yīng)該應(yīng)以 v4 爬行。 （5）停車階段 t5 當(dāng)升降機運行至終點時，升降機施閘停車。 升降機過程中各部分動力計算，而這些慣性力與升降機速度變化規(guī)律密切相關(guān)

28、。首 先，我們確定礦井升降機運動合力。 假定電動機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，則升降機運動部分有如下的動力平衡方程： 2 m 2 F r d x FM dt （2.1） 式中：電動機克服所有阻力后的合力； m F 全部靜負(fù)荷和提升有害阻力的合力； r F 升降機所有運動部分的換算質(zhì)量；M 煤礦井下升降安全控制系統(tǒng)的設(shè)計 7 提升加速度， 2 2 d x dt 一般情況下， 2 2 d r( , ) r x Ffx cM dt （2.2） 式中：x給定瞬時通過的距離； c各種不變提升參數(shù)的總和。 因此可得升降機的一般動力微分方程： 2 2 d ( ,

29、) mr x Ffx cM dt （2.3） 因此，礦井升降機速度的變化規(guī)律為： f( ) dx Vt dt （2.4） 2 , 2 d ( )( , )( ), ( ) mmrrxt x Fftfx cMff t cMft dt （2.5） 因此可得電動機提升力如圖 2.4 所示： （電動機提升力） 0 Fd Fd1 Fd2 Fd3 Fd1 F 圖 2.4 電動機提升力圖 要使升降機按給定速度圖運行，電氣傳動系統(tǒng)應(yīng)能根據(jù)負(fù)載的變化而自動的工作在 電動或制動狀態(tài)。綜合以上升降機的運行特點以及礦山生產(chǎn)固有的特點，對煤礦升降機 的控制方案進(jìn)行設(shè)計。 2.2.2 煤礦升降機的控制要求煤礦升降機的控制

30、要求 目前，對于煤礦控制系統(tǒng)的具體要求有：調(diào)速性能好、升降機運行穩(wěn)定、定位準(zhǔn)確、 能夠迅速的進(jìn)行正反轉(zhuǎn)。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 8 (1)加（減）速度大小的確定應(yīng)符合以下條件： 應(yīng)符合國家有關(guān)安全生產(chǎn)規(guī)程的規(guī)定。升降人員時，加速度0.7m/s升降物料 時，加速度1.2m/s。 應(yīng)不超過升降機的減速器所允許的動力矩。 (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)速范圍比較廣，運 行中平穩(wěn)和安全。 (3)有較好的啟動性能。升降機是在裝完貨物后才開始啟動的，這一點與其他機械不 同，因此必須要重載起動，對升降機的起動性能有較高的要求。 (4)特性曲線要硬。當(dāng)系統(tǒng)受到負(fù)載變化時，調(diào)速

31、系統(tǒng)能夠在短時間內(nèi)恢復(fù)到正常， 速度基本上不受到影響，當(dāng)負(fù)載超過一定限度時，此時安全回路會出現(xiàn)相應(yīng)的動作，進(jìn) 行自我保護(hù)，制動抱閘停機。 (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，不會因為轉(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銷3。 2.3 煤礦井下升降機電氣控制系統(tǒng)組成煤礦井下升降機電氣控制系統(tǒng)組成 傳統(tǒng)的提升機的控制方式是通過切換電阻的形式來實現(xiàn)的，這種方式效率低下，問 題復(fù)雜，其中的缺點如下所述: (1)提升機啟動的一瞬間電流很大，

32、對電機的傷害嚴(yán)重，且在加/減速運行時可控制性 弱，舒服度不好，停位不精確。 (2)提升機的運行效率比較低，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)事故時很難排查。因此，用 PLC 來控制升降機的運行，大大減少了這些麻煩，提 高了升降機的工作效率。 根據(jù)礦井提升機的工作過程和控制要求，在控制系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)過程中，有很多困 難需要克服,很多難點需要解決，其中關(guān)鍵性的問題有以下幾點。 (1)系統(tǒng)的安全可靠性 設(shè)計升降機的安全控制系統(tǒng)，首先值得考慮的就是系統(tǒng)的安全性，安全是升降機運 行的第一保障，因此在設(shè)計時，怎樣使得升降

33、機安全平穩(wěn)的運行成為本課題研究的一個 難點，也是一個重要的挑戰(zhàn)。 (2)穩(wěn)定的調(diào)速 為了設(shè)計出更優(yōu)更穩(wěn)定的調(diào)速系統(tǒng)，本課題采用 PLC 控制變頻器，利用變頻器控制 升降機的運行情況以及調(diào)速。硬件設(shè)計包括 PLC、變頻器、電機等的選擇。軟件設(shè)計包 括 PLC 的控制的流程圖、梯形圖等。本控制系統(tǒng)為礦井提升機的穩(wěn)定、安全和高效運行 提供了可靠的保障。 煤礦井下升降安全控制系統(tǒng)的設(shè)計 9 (3) 高效性和舒適性 拖動系統(tǒng)可以按照提升種類要求的額定速度不同，讓舒適著乘坐比較舒服；同時調(diào) 速的穩(wěn)定性使得升降機運行更加平穩(wěn)，方便物資的進(jìn)出，大大的提高運行效率。改進(jìn)后 的電氣控制系統(tǒng)組成圖如圖 2.5 所示

34、。 PLC 操 作 臺 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，各種運行方式、系統(tǒng)狀態(tài)及故障信號指示燈，以及各種音響警示 鈴，在出現(xiàn)意外時提醒司機注意。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)指令控制變頻器運行，從而調(diào)整升降機的運行。 (1)主控系統(tǒng) 本系統(tǒng)的主控系統(tǒng)采用 PLC 來控制，主 PLC 正常運行時，傳感器將相應(yīng)的信息轉(zhuǎn)換 為控制信號，以保證控制系統(tǒng)的運行的正常。 (2)調(diào)速系統(tǒng) 調(diào)速系統(tǒng)采用 MM420 變頻器, 通過程序編制對升降機進(jìn)行控制，從而實現(xiàn)提升機的 正反轉(zhuǎn)和速度的控制，以及過卷保護(hù)、松繩保護(hù)、超載保護(hù)。

35、2.4 礦井提升機調(diào)速控制方式選擇礦井提升機調(diào)速控制方式選擇 2.4.1 變頻調(diào)速的控制變頻調(diào)速的控制 根據(jù)相關(guān)的電機學(xué)原理知識,可以得到異步電動機的轉(zhuǎn)速關(guān)系式為： (2.6) 1 1 60- (1) f nns p （1s） 式中：n升降機的轉(zhuǎn)速； S定子每相繞組串聯(lián)匣數(shù); P極對數(shù)； 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 10 f定子供電頻率； 從式可知，異步電動機調(diào)速方法可分為以下三大類: (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)速是改變電動機定子電源的頻率來實現(xiàn)調(diào)速的方法，具有調(diào)速范圍廣， 運行效率高，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，為了使升降機調(diào)

36、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)合升降機調(diào)速系統(tǒng)特性的特點，最終選擇 PLC 與變頻器相結(jié)合的變 頻調(diào)速控制方案。 2.4.2 變頻調(diào)速的頻率控制方式變頻調(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實現(xiàn)電機的定子電流轉(zhuǎn)矩分量和磁通分量的控制方法，通過改 變一系列坐標(biāo)實現(xiàn)的。它還可以通過對瞬時轉(zhuǎn)矩的控制進(jìn)行提哦啊書，矢量控制兩種， 調(diào)節(jié)電壓，使電機電流與負(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)計在某種程度上依賴于電機的參數(shù)4。 矢量控制通過調(diào)節(jié)變頻器的輸出電壓，以保證電機的磁通量不變，其大小可以

37、通過 電機性能的設(shè)定來改變。 2.5 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，就能做出相應(yīng)的動作。變頻 器自帶欠壓，過流等保護(hù)裝置，傳感器收集各種信號，然后傳給 PLC，PLC 對各信號進(jìn) 行相應(yīng)處理，變頻器接到相應(yīng)信號后，從而控制升降機的轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速也可以經(jīng)過傳感器 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 速度給定 PLC控制器 變頻器交流電機 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) 煤礦井下升降安全控制系統(tǒng)的設(shè)計 11 2.6 小結(jié)小結(jié) 通過對升

38、降機結(jié)構(gòu)的分析，結(jié)合升降機的工作過程和特點，分析提升機五階段速度 圖，得出礦井提升機對電氣控制系統(tǒng)的要求，并對變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行分析，最終采用矢 量控制變頻調(diào)速對升降機的運行過程進(jìn)行控制，實現(xiàn)煤礦升降機運行過程中的平穩(wěn)、安 全、可靠。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 12 3 3 升降機控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計升降機控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計 煤礦井下升降機控制系統(tǒng)硬件包括對電動機，變頻器，PLC 的選型。PLC 控制可使 系統(tǒng)控制線路大大簡化且柔性強，控制功能多，將可編程控制器（PLC）與變頻器相結(jié)合 并應(yīng)用于礦井實際生產(chǎn)中，對現(xiàn)有的升降機電控系統(tǒng)進(jìn)行改造設(shè)計，提高精度。環(huán)境的 惡劣性也要在設(shè)計中考慮

39、之中，采用 PLC 的元件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的的接觸器，大大簡化了路線 的復(fù)雜性。 3.1 系統(tǒng)硬件選型系統(tǒng)硬件選型 3.1.1 提升電動機選擇提升電動機選擇 一般電動機的額定電流可以用如下公式計算即： 3cos . O P I UIn （3.1） 根據(jù)上述公式對一般三相交流異步電功機的額定電流計算得出：異步電動機的額定 電流與電動機額定功率的關(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)所選電動機為：QABP 系列三相異步變頻調(diào)速電動機。其技術(shù)數(shù)據(jù)如表 3-1 所示 ： 表 3-1 電機技術(shù)參數(shù) 型號標(biāo)稱功率 /KW

40、額定電流 /A 額定轉(zhuǎn)速 （r/min） 額定轉(zhuǎn)矩 /N.m 轉(zhuǎn)動慣量 /kg.m 重量/kg 315M8A751487419554.95911045 3.1.1 變頻器的選型變頻器的選型 對于升降類恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載,如升降機，電梯等，他們的相似點是：再啟動的一瞬間電流 的沖擊很大，而減速是靠自動完成的，于此同時會有回饋能量，因此對變頻器的要求是： 能夠有一定的緩沖余量，在選擇變頻器時，恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的功率表達(dá)式為: 煤礦井下升降安全控制系統(tǒng)的設(shè)計 13 n 9550 T p （3.2） 式中: P)表示電動機的功率(KW); n)表示電動機的轉(zhuǎn)速(r/min); T)表示電動機的轉(zhuǎn)矩(NM); 系統(tǒng)設(shè)

41、計時應(yīng)注意適當(dāng)留有余量，所以電動機或者變頻器應(yīng)該增大容量，通用變頻 器的容量一般取 1.5 倍異步電動機的容量。 因此本系統(tǒng)選用西門子 MM420, 該變頻器具有 7 個固定頻率，4 個跳轉(zhuǎn)頻率，可編 程。同時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。其對負(fù)載的變 化和瞬時掉電，能做出迅速響應(yīng)； 3.1.2 PLC 的選型的選型 PLC 選型要考慮到滿足系統(tǒng)功能并且具備良好的性價比。因此在設(shè)計控制系統(tǒng)時， PLC 模塊的數(shù)量和型號的選擇主要依據(jù)系統(tǒng)輸入、輸出點的總量來確定。此外，選擇合 理的 PLC 機型應(yīng)遵循以下原則: (1)選擇 PLC 容量和輸入輸出點時應(yīng)該保留余地，其實際

42、所選的值都要比理論值大， 其中輸入輸出點應(yīng)該留出 15%-20%。 (2)根據(jù)負(fù)載的類型和啟停的頻率等特點,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 內(nèi)部相應(yīng)的通訊功能； S7-200 是西門子產(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 成主要有：CPU 模塊、電源負(fù)載模塊(PS)、信號模塊(SM)、功能模塊(FM)、接口模塊(IM)和 通訊處理模塊(CP)等，S7-200 系列的強大功能使其無論在獨立運行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆 能實現(xiàn)復(fù)雜控制功能，因此 S7-200 系列具有極高的性能/

43、價格比4。 S7-200 系列 PLC 可提供 4 個不同基本型號的 8 種 CPU，根據(jù)升降機電控統(tǒng)原理 的調(diào)速控制要求，選擇西門子公司的 CPU226 控制可靠、價格較低，性能優(yōu)良，程序容 量較大、運行速度快、編程靈活等優(yōu)點，既提高工作質(zhì)量，又取得了良好的經(jīng)濟(jì)效 3.2 礦井升降機主接線圖礦井升降機主接線圖 變電站送來的 380V 電源，經(jīng)高壓開關(guān)柜的隔離開關(guān) QF1 為電機供電。變頻器 MM420 用來控制正反轉(zhuǎn)和調(diào)速，從而實現(xiàn)升降機的上升和下降。通過改變變頻器的頻率來控制 電動機的轉(zhuǎn)速，從而實現(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

44、工作安全可靠。熔斷器則用來保護(hù)電路得過載?？?氣斷路器可以用來頻繁地起動電動機并對電動機實現(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構(gòu)執(zhí)行，迅速可靠。 升降機主接線圖如圖 3.1 所示: 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 14 圖 3.1 升降機的主接線圖 在主接線圖中，實現(xiàn)了利用 PLC 控制變頻器，利用變頻器控制電機的正反轉(zhuǎn)和調(diào)速。 使得系統(tǒng)的精確度更加高，電路簡化，出現(xiàn)故障時，方便查找，提高整個電控系統(tǒng)的可 靠性。其中使用的主要元件如表 3-2 所示： 煤礦井下升降安全控制系統(tǒng)的設(shè)計 15 表 3-2 控制接線圖主要元件表 符號名稱型號數(shù)量備注 FU熔斷器1 QF空氣斷路 器 2 F

45、R1熱繼電器1 MM4 20變頻器 SE MIENS1 高壓接觸器， 線圈電壓交流 220V RC1滅弧裝置1根據(jù)需要選配 M主提升電 動機 1三相異步電動 機 3.2.1 升降機的主要電氣設(shè)備升降機的主要電氣設(shè)備 （1）主提升電機 主提升電機是提升系統(tǒng)中的拖動設(shè)備，是提升控制過程中主要控制的對象，是整個 升降機的中心。 （2）主令控制器 主令控制器通過調(diào)換檔位，來控制升降機的運行狀態(tài)。 （3）各種信號燈 信號燈是在升降機的運行狀態(tài)發(fā)生變化時，提醒操作人員做出相應(yīng)的反應(yīng)如報警信 號燈。 （4）過卷轉(zhuǎn)換開關(guān) 過卷轉(zhuǎn)換開關(guān)是在提升機過卷時投入使用，使提升機在下一次開車時只能向相反方 向開車，防止過

46、卷事故的擴(kuò)大。 3.3 I/O地址分配表地址分配表 地址分配表中，每一個輸入點與一個而且經(jīng)與一個輸入電路相連，通過輸入接口電 路把現(xiàn)場開關(guān)信號變成了 CPU 能接受的標(biāo)準(zhǔn)電信號,每一個輸出點與一個且僅與一個輸出 電路相連，通過電路把 CPU 運算處理結(jié)果轉(zhuǎn)換成驅(qū)動現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)的各種大功率開關(guān)信 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 16 號。I/O 信號處理的方式為：提升機的電控系統(tǒng)運行過程從根本上說就是 PLC 把從現(xiàn)場釆 集回來的各種數(shù)據(jù)經(jīng)運算、處理后轉(zhuǎn)化為直觀的提升機運行數(shù)據(jù)(如提升機運行的速度等) 在操作臺上顯示出來，與此同時 PLC 會在這些運行數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上按照預(yù)先編寫的程序控 制現(xiàn)場各種設(shè)備動

47、作。并在司機的操作下完成每次提升、下放任務(wù)。 為了保證現(xiàn)場所采集信號的準(zhǔn)確性、可靠性，本系統(tǒng)在設(shè)計過程中對輸入、輸出信 號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 上升過卷 保護(hù) I0.3變頻器正轉(zhuǎn)控 制 Q0.3 下降過卷 保護(hù) I0.4變頻器反轉(zhuǎn)控 制 Q0.4 瓦斯?jié)舛?保護(hù) I0.5上升過卷燈Q0.5 松繩保護(hù)I0.6下降過卷燈Q0.6 超載保護(hù)I0.7瓦

48、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Q1.1 3.4 PLC的的I/O地址接線圖地址接線圖 I/O 地址接線圖如圖 3.2 所示 煤礦井下升降安全控制系統(tǒng)的設(shè)計 17 圖 3.2 I/O 地址接線圖 3.5 軟件系統(tǒng)設(shè)計軟件系統(tǒng)設(shè)計 升降機軟件系統(tǒng)包括控制安全回路軟件設(shè)程以及報警軟件設(shè)計，安全回路設(shè)計要完 成整個提升過程所有的控制，包括升降機的正反轉(zhuǎn)，變頻調(diào)速等環(huán)節(jié)，以及過卷保護(hù)以 及上限位開關(guān)的的控制。報警軟件設(shè)計包括報出現(xiàn)緊急情況時的安全制動和報警。報警 軟件的主要任務(wù)是出現(xiàn)各種故障時如松繩、超載，瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)時做出相應(yīng)的動作

49、，并 能控制相應(yīng)的信號燈閃爍。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 18 3.5.1 升降機調(diào)速設(shè)計升降機調(diào)速設(shè)計 煤礦升降機在礦井中有著至關(guān)重要的作用。提升機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)主要由變頻器、 操作臺等組成，對煤礦升降機調(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)運行。 升降機的速度控制主要包括以下的流程： （1）PLC 檢測階段 PLC 檢測階段包括 PLC 硬件線路的連接，PLC 的初始化等。 （2）開車準(zhǔn)備階段 開車準(zhǔn)備階段包括對安全電路得檢查，正反轉(zhuǎn)回路得電的準(zhǔn)備，使得各項指標(biāo)符合 相關(guān)的要求。 （3）升降機的加速階段流程如圖 3.3 所示： 制動松閘 升降機開始加速 升降機達(dá)

50、到最大速度 等速運行 發(fā)提升信號 圖 3.3 加速階段的流程圖 當(dāng)司機發(fā)提升信號以后, PLC 控制變頻器進(jìn)行調(diào)頻，升降機開始緩慢加速，等升降機 的速度增加到最大，開始等速運行。 （4）升降機的等速運行階段 升降機此時進(jìn)行勻速運動，不需要任何操作。 （5）升降機的減速、爬行及停車階段的流程如圖 3.4 所示： 煤礦井下升降安全控制系統(tǒng)的設(shè)計 19 達(dá)到減速點 反接制動 減速燈信號亮 升降機達(dá)到爬行 速度進(jìn)行爬行 到達(dá)終點停止 圖 3.4 減速階段的流程圖 當(dāng)升降機到達(dá)減速點后， PLC 控制變頻器進(jìn)行調(diào)頻，變頻器控制電機的這個反轉(zhuǎn)從 而來達(dá)到反接制動，同時速度也會發(fā)生相應(yīng)的變化。 一 、正反轉(zhuǎn)

51、控制 (1) 通過 PLC 來控制變頻器 MM420，從而實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)，這樣就可以控制升降 機的上升和下降。程序中出現(xiàn)互鎖保護(hù)功能，是的控制系統(tǒng)更加的安全和專一。 (2)梯形圖 二、變頻調(diào)速 （1）通過對 PLC 的編程來控制變頻器，從而是頻率發(fā)生變化，來達(dá)到速度的改變， 完成煤礦升降機從啟動、加速運行、等速運行、減速、低爬和停車的控制，對 PLC 速度 控制進(jìn)行改造。 （2）梯形圖 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 20 煤礦井下升降安全控制系統(tǒng)的設(shè)計 21 3.5.2 升降機運行中過卷保護(hù)設(shè)計升降機運行中過卷保護(hù)設(shè)計 過卷是指提升機在行駛過程中超過了正常停車位置而沒有停車。如果司機在開車過 程

52、中不小心開車過卷，過卷開關(guān)會立即動作，安全回路斷開，提升機停車。此時，司機 必須首先判斷過卷的方向。 過卷保護(hù)的流程圖 3.5 如下： 過卷 電機反向轉(zhuǎn) 過卷燈報警 安全保護(hù) 圖 3.5 過卷保護(hù)的流程圖 過卷保護(hù): （1）當(dāng)?shù)V車由于故障或操作員失誤，礦車越過安全線時，會造成升降機的過卷，這 時傳感器要動作，同時 PLC 實現(xiàn)對提升系統(tǒng)的保護(hù)，并伴隨有報警燈響應(yīng)。 （2）梯形圖 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 22 3.5.3 升降機運行中限位設(shè)計升降機運行中限位設(shè)計 在提升機的運行過程中，當(dāng)升降機運行到頂端或者低端的時，需要限位來加以 控制，確保行程的安全，在底端或者頂端停止一段時間，完成裝貨或者

53、卸貨后，升 降機可以自動調(diào)整方向，進(jìn)行升降。 限位保護(hù)的流程如圖 3.6 所示： 到達(dá)頂端（低端） 限位開關(guān)響應(yīng) 升降機停止，卸貨（裝載） 電機反向轉(zhuǎn)動 圖 3.6 限位保護(hù)的流程圖 煤礦井下升降安全控制系統(tǒng)的設(shè)計 23 上下限位置開關(guān): （1）極限限位開關(guān)是防止機構(gòu)動作超出設(shè)計范圍而發(fā)生事故的，安裝在升降機行程 中兩個頂端，用來保護(hù)升降機動作過大出現(xiàn)機構(gòu)損壞。開關(guān)動作后，給出信號，進(jìn)行相 關(guān)動作。 （2）梯形圖 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 24 3.5.4 升降機安全報警系統(tǒng)的升降機安全報警系統(tǒng)的 升降機的安全的報警系統(tǒng)主要包括過載、松繩、瓦斯?jié)舛鹊劝踩Ｗo(hù)措施，對提升 機的運行狀態(tài)及故障來源

54、進(jìn)行時時控制，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。 報警回路是在出現(xiàn)故障時，控制相應(yīng)的信號燈閃爍，以提醒操作人員做出相應(yīng)的處 理,報警系統(tǒng)包括: 一、松繩報警 當(dāng)升降機下放速度過快時，就會出現(xiàn)松繩現(xiàn)象，這個時候如果繼續(xù)下降，后果將不 敢設(shè)想。此時，松繩感應(yīng)器收到信號，傳給 PLC 進(jìn)行處理，操作員應(yīng)該及時降速或停車。 二、瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)報警 當(dāng)煤礦井下瓦斯?jié)舛瘸^規(guī)定值時就會引發(fā)瓦斯爆炸，瓦斯爆炸產(chǎn)生的高溫高壓， 促使爆源福建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)舛葓缶?

55、很有現(xiàn)實意義。 三、超載報警 熱繼電器常閉觸點串接于安全控制回路，當(dāng)電機因負(fù)載過重，熱繼電器動作，常閉 觸點斷開，使安全回路動作，保護(hù)提升機不受損壞。 當(dāng)升降機運行的過程中發(fā)生超載、松繩、瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)報警時，報警回路的動作要 靠報警信號燈閃爍或者蜂鳴器鳴笛來觸發(fā)，比如當(dāng)煤礦井下瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)時，瓦斯蜂鳴 器就會鳴笛，設(shè)備停止運行，直到故障被排除后消聲。 安全報警系統(tǒng)對升降機的整個運行過程都十分重要，當(dāng)出現(xiàn)故障時，要及時出現(xiàn)報 警，這樣才能保證升降機的運行時的平穩(wěn)以及作業(yè)人員的安全，根據(jù)對控制系統(tǒng)功能的 煤礦井下升降安全控制系統(tǒng)的設(shè)計 25 分析，給出報警系統(tǒng)的流程圖。 報警系統(tǒng)的流程如圖 3.7

56、 所示： 開始 程序初始化 自檢 正常？ 故障處理 超載？報警燈閃爍并卸載 松繩？ 瓦斯?jié)?度正常？ 蜂鳴器鳴笛并處理 N Y 報警燈閃爍并處理 結(jié)束 Y Y Y N N N 圖 3.7 報警系統(tǒng)的流程圖 報警系統(tǒng): （1）報警回路的控制包括超載報警，松繩報警，瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)報警。報警回路的動 作要靠報警信號燈閃爍或者蜂鳴器鳴笛來觸發(fā)，比如當(dāng)煤礦井下瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)時，瓦斯 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 26 蜂鳴器就會鳴笛，設(shè)備停止運行，直到故障被排除。 （2）梯形圖 3.6 小結(jié)小結(jié): 主要介紹了煤礦井下升降機控制系統(tǒng)硬件包括對變頻器，PLC 的選型。通過 PLC 的 控制，使得調(diào)速系統(tǒng)更加的平穩(wěn)和

57、安全，變頻器調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計大大簡化了線路的復(fù)雜 性，問題得到了簡化。同時設(shè)計了相應(yīng)的保護(hù)和安全環(huán)節(jié)，使得升降機的運行中更加安 全和平穩(wěn)。 煤礦井下升降安全控制系統(tǒng)的設(shè)計 27 4 4 升降機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的仿真升降機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的仿真 數(shù)字仿真技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)廣泛的應(yīng)用到各種設(shè)計的控制系統(tǒng)中，它可以對大型復(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值相比還是很樂觀的， 經(jīng)過多次的仿真驗證，其真實性已經(jīng)得到了認(rèn)證。本章就是根據(jù)前面建立的簡單數(shù)學(xué)模 型，對設(shè)計的矢量變頻控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，借助于 MATLAB 的強大仿真能力，對系統(tǒng) 的可行性進(jìn)行檢測。 本文利用基于 MATLA

58、B 環(huán)境下對交流變頻調(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)行仿真實驗，并對仿真的結(jié) 果進(jìn)行分析。 本課題的整個仿真系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是 Speed-Controller 環(huán)節(jié)，把電動機的實際轉(zhuǎn)速與 參考給定轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，并進(jìn)行偏差處理，最終產(chǎn)生所需要的控制變量16。 4.1 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

59、： 2 25 (s) +7s+25 c G s （4.1） 系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)： _0.05 9 (s) (0.451) s O Ge s （4.2） 控制器對誤差信號 e(t)分別進(jìn)行比例、微分、積分運算，其結(jié)果送給被控制對象 控制的規(guī)律為： 0 i 1de( ) ( )( )( ) pD t u tke te t dtT Tdt 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 28 （4.3）設(shè)定比例系數(shù)；0.09 P K 積分時間常數(shù)=594； i T 微分時間常數(shù)=0.25； D T 任何一個閉環(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

60、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，會使響應(yīng)更加敏捷，于此帶來不好的一面是它 不能消除偏差，過大的比例系數(shù)會使系統(tǒng)產(chǎn)生過大的振幅，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)的無差度。積分時間越長，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)偏差信號的變化速率，減緩調(diào)節(jié)時間16。 4.2 仿真子模塊功能仿真子模塊功能 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，對交流變 頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。 圖

61、4.2 Speed Controller 子模塊 4.3 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 所選用的電動機的性能參數(shù)如下: ； ； ；0.008233 S R 0.000724 S LH0.02711 M LH ； ； 2 =0.37.JKg m380 N UV50fhz Speed Controller 控制器參數(shù)如為： 煤礦井下升降安全控制系統(tǒng)的設(shè)計 29 積分增益；比例增益。0.145 i k 2.5 p k 當(dāng)建模和參數(shù)設(shè)置完成后，即可進(jìn)行仿真。為了驗證所設(shè)計的交流提升機矢量控制 變頻調(diào)速系統(tǒng)的反饋能力以及，當(dāng)受到外界環(huán)境刺激時，怎么才能短時間內(nèi)恢復(fù)到正常 范

62、圍。對設(shè)計的系統(tǒng)進(jìn)行仿真，在經(jīng)過一系列轉(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)以實際電機參數(shù)輸入，對其變頻調(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 時就基本趨于平穩(wěn)。具有很強的抗 干擾能力及帶負(fù)載能力，且控制精度高。仿真運行結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)穩(wěn)定性高，抗 干擾能力強，可以滿足本系統(tǒng)的控制要求。t=0.4s 時突減負(fù)載，轉(zhuǎn)速仍然穩(wěn)定在給定的 120r/min 上，相比之下粗實線顯示的傳統(tǒng)調(diào)頻，振幅比較明顯，波動時間較長，對升降 機的損傷比較大。 仿真結(jié)果分析表明：控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，

63、具有很強的抗干擾能力及帶負(fù)載能力，且 控制精度高。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 30 5 5 總結(jié)與展望總結(jié)與展望 5.1 研究總結(jié)研究總結(jié) 礦井提升機是礦山生產(chǎn)的最主要的設(shè)備。其不僅肩負(fù)著運輸煤礦的重任，而且關(guān)系 到成千上萬作業(yè)員的生命安全。本文將 PLC 應(yīng)用于提升機電控系統(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)合并運用到升降機的控制 系統(tǒng)中，研究出精度更高的控制系統(tǒng)。采用控制功能強大的 PLC 來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繼電器， 代替了以前復(fù)雜的線路。將 PLC 和變頻器結(jié)合起來控制升降機的運行。本文針對提升機 的安全環(huán)節(jié)還設(shè)置了減速、超速報警及過載、松繩

64、、過卷等安全保護(hù)措施，使提升安全 狀況有所改善。借助于 MATLAB 的強大仿真能力，對提升機變頻調(diào)速拖動系統(tǒng)進(jìn)行仿 真，以分析和研究其調(diào)速性能。 5.2 展望展望 本課題采用 PLC 對礦井提升機電控系統(tǒng)進(jìn)行了改造，符合我國礦井提升機電控系統(tǒng) 發(fā)展的方向。采用可控制編程器和變頻器相結(jié)合的方法來控制升降機的運行；變頻器的 調(diào)速方法實現(xiàn)了提升機的平滑調(diào)速，提高了提升機的舒適度和安全性；由于缺乏實際工 程經(jīng)驗，同時受到時間和條件的限制，以及作者本人水平有限，礦井提升機控制系統(tǒng)在 很多方面還需要不斷完善。 煤礦井下升降安全控制系統(tǒng)的設(shè)計 31 致致 謝謝 經(jīng)過了為期幾個月的畢業(yè)設(shè)計，在潘教授和系里各

65、位老師的辛勤指導(dǎo)下已完成，從 設(shè)計的題目到具體的設(shè)計內(nèi)容，都包含著潘教授的精心指導(dǎo)和無私的關(guān)懷，也讓我在這 次設(shè)計中學(xué)到了很多理論實際知識，使我受益匪淺，我將銘記于心，并從中受益。在此 向?qū)煴硎旧钌畹母兄x和崇高的敬意。 本次課題也得到了系里老師幫助，以及小組成員的互相關(guān)心，讓我明白怎么在 團(tuán)體中成長，怎么與人更好的溝通，這也是我人生的一筆財富，讓我更好的融入社 會，正是他們的支持和幫助，才使我的論文得以順利的完成，再次表達(dá)深深的感謝。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 32 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) 1 艾國. 基于PLC礦井提升機變頻控制系統(tǒng)的應(yīng)用D. 西安: 西安科技大學(xué), 2010. 2 李紅. 矢量控制在礦井提升系統(tǒng)中的應(yīng)用研究D. 遼寧: 遼寧工程技術(shù)大學(xué), 2006. 3 李金金. 基于PLC控制的變頻調(diào)速在礦井提升機中的應(yīng)用D. 太原