煤矿绞车监控与保护系统设计

中文题目煤矿绞车监控与保护系统设计外文题目DESINGOFCOALMINEWINCHMONITORINFANDPROTECTIONSYSTEM毕业设计（论文）共65页（其中外文文献及译文13页）图纸共1张完成日期2015年6月答辩日期2015年6月摘要矿井提升绞车是重要的矿山设备之一，它肩负着井上、井下联系的重要任务在整个矿井中占有非常重要的地位。由此可见，解决提升绞车的行程，速度监控问题，是保护整个提升绞车系统的重中之重。但目前，国内矿山大多采用机械式装置来监测保护整个绞车系统，但是此类设备的精度不高，可靠性差，维护量大，这些都与煤矿的安全形势和采矿业的发展不相适应。因此，研制高精度的煤矿提升绞车监控保护系统是非常迫切的。本文从煤矿工业现场的实际情况出发，通过对煤矿提升系统和提升绞车的监控系统的功能的综合分析，提出了一套设计方案。把可编程序控制器，变频调速技术等应用到提升绞车的监控与保护系统中。通过电机和变频器的选定，再通过PLC进行编程，实现对提升绞车的控制。本文采用西门子系列的PLCS7200对提升绞车的监控系统进行编程，编写梯形图，再采用STEP7MIRCRO/WIN32编程软件实现对编完的PLC进行监测等过程。以实现整个提升绞车系统的安全运行。本次设计的煤矿提升绞车监控与保护系统基本满足了矿山生产的需要，达到预期效果，今后的任务是在此基础上对系统进行完善。关键词煤矿提升绞车；监控系统；PLCABSTRACTMINEHOISTISONEOFTHEIMPORTANTMINEEQUIPMENT,ITBEARSTHEIMPORTANTTASKOFINOUEANDUNDERGROUNDCONNECTION,ANDITPLAYSANIMPORTANTROLEINTHEWHOLEMINETHISSHOWSTHAT,TOSOLVETHEPROBLEMOFHOISTTRIP,SPEEDMONITORING,ISTHEKEYTOPROTECTTHEENTIREHOISTSYSTEMBUTATPRESENT,THEDOMESTICMINESMOSTOFTHEMECHANICALDEVICETOMONITORTHEWINCHSYSTEMPROTECTION,BUTTHEPRECISIONOFTHISKINDOFEQUIPMENTISNOTHIGH,POORRELIABILITY,MAINTENANCETHESEAREWITHCOALMINESAFETYSITUATIONANDMININGINDUSTRYDEVELOPMENTDOESNOTADAPTTHEREFORE,ITISVERYURGENTTODEVELOPAHIGHPRECISIONCOALMINEHOISTMONITORINGANDPROTECTIONSYSTEMFROMTHEACTUALSITUATIONOFCOALMINEINDUSTRYFIELD,THISPAPERPUTSFORWARDASETOFDESIGNSCHEMETHROUGHCOMPREHENSIVEANALYSISOFTHEFUNCTIONOFTHECOALMINELIFTINGSYSTEMANDTHEMONITORINGSYSTEMOFTHEHOISTAPPLICATIONOFPLC,FREQUENCYCONVERSIONANDSPEEDADJUSTMENTTECHNOLOGYTOTHEHOISTMONITORINGANDPROTECTIONSYSTEMTHROUGHTHEMOTORANDFREQUENCYCONVERTERSELECTED,THROUGHTHEPLCPROGRAMMING,TOIMPROVETHEWINCHCONTROLTHESIEMENSSERIESS7200PLCPROGRAMMINGTOIMPROVETHEMONITORINGSYSTEMOFTHEWINCH,LADDERDIAGRAMPROGRAMMING,THENTHESTEP7MIRCRO/WIN32PROGRAMMINGSOFTWAREOFPLCAFTERASERIESOFPROCESSMONITORINGTOREALIZETHEWHOLEHOISTSYSTEMSAFEOPERATIONTHISDESIGNOFMINEHOISTMONITORINGANDPROTECTIONSYSTEMBASICALLYMEETTHENEEDSOFMINEPRODUCTION,TOACHIEVETHEEXPECTEDRESULTS,THETASKISTOIMPROVETHESYSTEMONTHEBASISOFTHISKEYWORDSMINEHOISTMONITORINGSYSTEMPLC目录摘要ABSTRACT引言11绪论211研究背景212研究现状213绞车控制的发展趋势314设计意义及设计内容3141设计意义3142设计内容42矿井提升绞车监控与保护系统的分析与设计521绞车系统结构组成5211煤矿绞车系统分类5212煤矿绞车系统结构5213煤矿绞车的监测信号采集622矿井提升绞车电控系统组成623矿井提升绞车的监控系统组成7231绞车制动装置设计7232过负荷与欠电压保护装置与安全回路8233防过速装置与限速装置8234深度指示器及其失效保护装置9235防过卷装置9236闸间隙保护装置924监控系统总体框图确定103提升绞车监控系统的硬件设计1131提升绞车变频控制部分设计11311提升绞车变频器容量选择11312提升绞车变频器选择11313提升绞车系统变频器外部电路设计1332主控模块硬件设计13321PLC简介14322PLC工作原理15323控制系统I/O统计16324PLC选型16325控制系统I/O分配20326提升绞车监控系统的PLC外部电路设计2233信号采集模块硬件设计22331传感器的选择234提升绞车监控系统软件设计及调试3041PLC软件设计30411提升绞车调速系统的中断子程序功能31412提升绞车调速系统的故障处理子程序功能31413提升绞车调速系统的程序梯形图31414提升绞车调速系统的程序调试3342上位机设计35421组态软件36422提升绞车监控画面设计37423PLC与计算机通讯3843系统抗干扰措施设计385技术经济性分析416总结与展望4261研究成果及结论4262研究展望42致谢43参考文献44附录A译文46附录B外文文献52引言近几年我国煤炭工业蓬勃发展，越来越多的矿山向大型、高效方向发展，井下开采设备和支护设备也向大型化方向发展，需要提高井下提升设备的提升能力。随着老矿山不断向深部煤层开采，深井、超深井不断出现，也要求提高井下提升设备的提升长度和能力。因此，井下提升运输设备能力小，设备落后的矛盾越来越突出；大型设备下井不得不解体，然后在组装条件极差工作面恢复组装，不但效率低下、工人劳动强度大，而且所组装的设备性能难以保证；由于井下提升设备能力的限制，深井、超深井的提升长度不得不加以限制；这些都严重制约着矿山生产的发展。此外，随着国家对于煤矿安全越来越重视及煤矿安全事故的频繁发生，国家安全生产监管部门要求矿井井下采用的提升绞车安全性能要更高。绞车是工业生产过程中一种常见的机械，具有悠久的发展历史和比较成熟的设计制造技术。随着绞车制造技术的不断提高、加工材料的不断改进以及电子控制技术的不断发展，绞车在动力、节能和安全性等方面取得了很大的进步。目前，绞车正被广泛地运用于矿山、港口、工厂、建筑和海洋等诸多领域。在矿山采掘和运输场合，绞车作为重要辅助设备被大量而广泛地运用着，例如矿用提升绞车、调度绞车、耙矿绞车和凿井绞车等。提升绞车可用于矿山竖井或斜井中物品与人员的调度，具有较大的牵引功率和很好的安全性，是矿山生产中不可缺少的设备之一。12研究现状我国智能控制技术应用较晚，80年代初，从波兰、法国、德国、英国和美国等引进了一批安全监控系统，装备了部分煤矿；在引进的同时，通过消化、吸收并结合我国煤矿的实际情况研制监控系统，先后在我国煤矿大量使用。实践表明，安全监控系统对煤矿安全生产和管理起到了十分重要的作用。由于当时相当一部分监控系统由于技术水平低、功能和扩展性能差、现场维修维护和技术服务跟不上等原因，或者己淘汰、或停产。特别是矿用绞车控制系统大都是手动双打式打点器和连击电铃配合使用。由于提升系统的频繁提升，用手连续打动，手易疲劳，安全性能差；该手动控制信号系统靠铃声传输，没有记忆功能，易听混淆，造成打错点；提升绞车房及上下井口电气设备繁多，通信线路复杂，在一定程度上增加了维修难度，给安全生产带来影响。随着电子技术、计算机1绪论11研究背景近几年我国煤炭工业蓬勃发展，越来越多的矿山向大型、高效方向发展，井下开采设备和支护设备也向大型化方向发展，需要提高井下提升设备的提升能力。随着老矿山不断向深部煤层开采，深井、超深井不断出现，也要求提高井下提升设备的提升长度和能力。因此，井下提升运输设备能力小，设备落后的矛盾越来越突出；大型设备下井不得不解体，然后在组装条件极差工作面恢复组装，不但效率低下、工人劳动强度大，而且所组装的设备性能难以保证；由于井下提升设备能力的限制，深井、超深井的提升长度不得不加以限制；这些都严重制约着矿山生产的发展。此外，随着国家对于煤矿安全越来越重视及煤矿安全事故的频繁发生，国家安全生产监管部门要求矿井井下采用的提升绞车安全性能要更高。绞车是工业生产过程中一种常见的机械，具有悠久的发展历史和比较成熟的设计制造技术。随着绞车制造技术的不断提高、加工材料的不断改进以及电子控制技术的不断发展，绞车在动力、节能和安全性等方面取得了很大的进步。目前，绞车正被广泛地运用于矿山、港口、工厂、建筑和海洋等诸多领域。在矿山采掘和运输场合，绞车作为重要辅助设备被大量而广泛地运用着，例如矿用提升绞车、调度绞车、耙矿绞车和凿井绞车等。提升绞车可用于矿山竖井或斜井中物品与人员的调度，具有较大的牵引功率和很好的安全性，是矿山生产中不可缺少的设备之一。软硬件技术的迅猛发展和企业自身发展的需要，国内各主要科研单位和生产厂家又相继推出了一系列监控系统，以及WSN、WEBGIS等煤矿安全综合化和数字化网络监测管理系统，大大小小的系统生产厂家如雨后春笋般的不断出现，为用户提供了更多的选择机会、也促进了各厂家在市场竞争条件下不断提高产品质量和服务意识。尽管我们在煤矿安全监控工作方面取得了一定的成就，但是还有一些问题待解决（1）国内生产的矿用绞车控制装置功能单一，只有简单的通信功能，没能做智能控制，安全隐患严重。（2）国内煤矿监控系统没有统一的标准，造成一个煤矿使用多家的监控系统，互相不能够兼容，制约煤矿综合矿山自动化的建设。（3）国内生产的传感器的可靠性与稳定性与国外产品还有很大的差距。13绞车控制的发展趋势煤矿综合自动化是针对煤矿安全、生产工艺特点，结合具体煤炭企业管理模式和业务特点，运用计算机网络通信技术、自动控制技术、电子技术、信息化技术等先进技术和设备，开发出相应的自动监控系统、应用软件系统，实现一线生产与生产管理、企业决策管理的数据共享，使企业的管理决策信息和生产状况有机的结合起来。设备发生故障时，可能有几种具体的故障同时发生，而且各种具体故障对设备的作用程度不同，故障诊断的任务要把同时存在的各种具体故障都找出来，且区分其程度，对通过自动监测到的安全、数据采集、存储、分析、处理，提炼出对有效数据，开发出管理应用软件系统。14设计意义及设计内容141设计意义在科技飞速发展的今天，科技给提升绞车安全运转提供了安全保证，其机械系统和电气系统均有比较稳定控制性能。但目前多数的矿井安全监测系统采用有线方式进行信号的传输，它们的功能单一，纯手动操作，对矿用绞车安全运输存在较大的安全隐患。再次人们对矿用绞车控制系统的故障的发现与解决都提出了更高的要求，原有的检测及控制装置完全分散的接入控制装置中，且一些不方便连线的区域甚至还是盲点，没有做到智能化。为提高其智能化控制，必须把检测装置通过无线和有线的方式进行网络化连接，组成监控系统，通过故障模式与结果分析得出了系统状态特征，可大大提高了系统的安全性。绞车作为矿山井下主要提升设备，掌握其性能特点并在矿山井下恶劣的环境当中做好日常维护，保证其正常运转，在生产使用中不断地进行改进，从而使绞车保护功能更加完善以实现安全生产，具有重要的现实意义。142设计内容本设计在深入研究矿井提升绞车系统各种常见故障的基础上，对国内外的同类产品取长补短，开发出一种新型的实时监控、数据存储为一体的提升绞车状态监控系统，实现了对绞车实时位置、运行速度、抱闸间隙等参数的监控，并可将故障记录分类存储到专用数据库中，本系统良好的模块化设计和抗干扰措施使之能适应矿山恶劣的生产环境，提高了控制精度，可以保证矿山生产的安全顺利进行。设计的内容是通过PLC来控制变频器实现煤矿绞车的监控与保护。本次论文采用PLC为核心，组成绞车监控系统。在其主控器PLC内，将部分操作信号、部分保护信号以及设定的一些行程参数与轴编码器信号结合起来进行逻辑运算处理，自动产生煤矿绞车所需的速度给定信号，从而控制整个绞车的运行。（1）首先介绍本文的研究背景和意义，其次分析国内、外的研究现状，最后给出了本文的研究内容、研究方法和结构组织。（2）主要介绍矿井绞车工艺流程及控制要求（3）从总体上介绍矿井绞车监控系统总体方案选型设计，并对各部分的选型比较进行了阐述。（4）详细介绍矿井绞车监控系统的设计。（5）实现与上位机之间的通讯，实现对绞车的监控与保护。2矿井提升绞车监控与保护系统的分析与设计21绞车系统结构组成矿井提升绞车包括机械设备及拖动控制系统，是联系地下和地上的重要途径，是矿山生产的咽喉设备，其性能好坏直接关系到矿山的生产效率和安全性及可靠性，它的安全、可靠运行是整个矿井正常生产的必要条件，一旦发生故障，所造成的经济损失是巨大的。“运输是矿井的动脉，提升是咽喉”形象地描述了矿井提升运输系统的工作过程与重要作用。211煤矿绞车系统分类目前我国生产的主要结构形式有单绳缠绕式单双筒绞车摩擦多绳落地式和塔式多绳摩擦式绞车。拖动方式的设计取决于需要，而用于井下的有液压传动绞车等。我国常用的绞车形式主要是单绳缠绕式和多绳摩擦式。212煤矿绞车系统结构绞车系统通常由机械、电气、液压三部分及外围相关设备组成，由于绞车故障多数为电气故障，为便于采集故障诊断所需的各种信号，把电气部分又细分为调节、行程控制、操作保护三部分，即绞车系统由调节系统、行程控制系统、操作保护系统、信号系统、机械系统、液压制动系统、装卸载系统等几部分组成，绞车系统结构如图21所示。图21绞车系统结构FIGURE21WINCHSYSTEMSTRUCTURE213煤矿绞车的监测信号采集要进行设备的状态检测，首先应该采集设备的运行状态。对于煤矿绞车，需要采集的信号分为数字量与模拟量，数字量通常表示信号状态的接通与断开，信号经传感器采集后可直接送入到PLC的数字量输入模块DI；对于模拟量，传感器将各种物理量转换成电信号后，还要经过放大器、采样/保持器，进行信号的放大与保持，才能送入到PLC的模拟量/数字量转换模块DI。调节系统的各种控制信号以及反馈量，也要经PLC送入到上位机，以便进行状态监测与故障诊断，具体如图22所示。图22绞车监控信号采集过程FIGURE22WINCHMONITORINGSIGNALACQUISITIONPROCESS22矿井提升绞车电控系统组成“矿井提升绞车电控系统”实训装置由矿井提升绞车模型、三相异步电动机、操作台等部分组成。从功能上讲，主要由提升绞车、PLC电气控制系统、变频器变频调速系统、触摸屏监控系统组成，方案结构图如图23所示。图23绞车电控系统FIGURE23WINCHELECTRONICCONTROLSYSTEM1提升绞车模型提升绞车采用单绳缠绕式，该类型提升绞车在我国矿井提升中占有很大比重。其工作原理是把钢丝绳的一端固定并缠绕在提升绞车的滚筒上，另一端绕过井架上的天轮悬挂提升容器，利用滚筒转动方向的不同，将钢丝绳缠上或放出，完成提升或下放重物的任务。2电气控制系统主控系统采用西门子S7200系列的可编程控制器，通过对绞车速度、位置信号的检测，利用变频器实现提升绞车的速度控制及停车位的精确控制，满足运行的要求。3变频调速系统调速系统采用西门子MM440，性能优越，适合提升绞车工作环境，只需在控制单元给出对变频器的控制命令即可使提升绞车按照设定的速度曲线运行，满足提升阶段稳定运行的要求。4触摸屏监控系统利用触摸屏开发提升绞车监控软件，实现绞车的运行状态监测。23矿井提升绞车的监控系统组成矿井提升绞车是一套复杂的机械电气系统，是矿山生产中重要的设备。为确保提升绞车能够达到高效、安全、可靠地连续提升，它应具有较好的机械性能，良好的电气控制设备和完善的保护装置。煤炭工业部规定矿井提升绞车要装备安全监控系统，并具有以下基本功能。231绞车制动装置设计在绞车停止工作时，能可靠地闸住提升绞车，正常停车；在减速阶段及下重物时，参与提升绞车的控制，既工作制动；当发生紧急事故时，能迅速而合乎要求的闸住提升绞车，既安全制动；双滚筒提升绞车在更换水平、调节钢丝绳长度或更换钢丝绳时，应能闸住提升绞车的活滚筒。松开死滚筒。制动装置要绝对保证处于正常可靠状态，一旦制动装置失灵，将会造成重大事故。所以，应对制动装置提出了下列要求（1）保险闸或保险闸第一级由保护回路断电时起至闸瓦接触到闸轮上的空动时间；压缩空气驱动闸瓦式制动闸不得超过05S储能液压驱动闸瓦式制动闸不得超过06S盘式制动闸不得超过03S对斜井提升，为保证上提紧急制动不发生松绳而必须延时制动时，上提空动时间不受此限。盘式制动闸的闸瓦与制动盘之间的间隙应不大于2MM。保险闸施闸时，杠杆和闸瓦不得发生显著的弹性摆动。（2）提升绞车必须装设司机不离开座位既能操纵的常用闸和保险闸，保险闸必须能自动发生制动作用。（3）提升绞车的常用闸和保险闸制动时，所产生的力矩与实际提升最大静荷重旋转力矩之比K值不得小于3对质量模数较小的绞车，上提重载保险闸的制动减速度超过有关规定的限值时，可将保险闸的K值适当降低，但不得小于2凿井时期，升降物料用的绞车K值不得小于2在调整双滚筒绞车滚筒旋转的相对位置时，制动装置在各滚筒闸轮上所发生的力矩，不得小于该滚筒所悬重量（钢丝绳重量与提升容器重量之和形成的旋转力矩的12倍。计算制动力矩时，闸轮和闸瓦摩擦系数应根据实测确定，一般采用030035；常用闸和保险闸的力矩应分别计算。对摩擦轮式提升绞车常用闸和保险闸的制动，必须满足防滑要求。（4）立井、斜井缠绕式提升绞车除有制动装置（常用闸和保险闸）外，应加设定车装置，以变调整滚筒位置或修理制动装置时使用。（5）常用闸和保险闸共同使用1套闸瓦制动时，操纵和控制机构必须分开。双滚筒提升绞车的2套闸瓦的传动装置必须分开。严禁司机离开工作岗位，擅自调整制动闸。对具有2套闸瓦只有1套传动装置的双滚筒绞车，应改为每个滚筒各自有其控制机构的弹簧闸。保险闸必须采用配重式或弹簧式的制动装置，除可由司机操纵外，还必须能自动抱闸，并同时自动切断提升装置电源。常用闸必须采用可调节的机械制动装置。232过负荷和欠电压保护装置与安全回路过负荷保护装置也叫电流保护装置，用来保护提升电动机的过载和短路及其他设备的安全运行。欠电压保护装置装在电源开关柜内。当电压低于允许值时，使电源开关自动脱扣跳闸，实现安全制动。在提升绞车电控线路中，设有必要的保护和联锁装置。它的作用是当由于某种原因使安全接触器断电时，一方面使换向器及线路接触器线圈电路断开，从而使高压换向器断开，使提升电动机停电；另一方面使安全制动电磁铁释放，进行安全制动，使提升绞车停车。233防过速装置与限速装置当提升速度超过最大速度15时，必须能自动断电，并能使保险闸发生作用。提升速度超过3M/S的提升绞车必须装设限速装置，以保证提升容器（或平衡锤）到达终端位置时的速度不超过2M/S。如果限速装置为凸轮板，其在1个提升行程内的旋转角度应不小于270度。防止过卷装置能做到过卷后保险闸立即动作，但这并不能完全保证提升的安全，因为保险闸动作后，提升绞车并不能立即停止运转，需要有一个制动过程，而制动过程时间的长短取决于保险闸开始动作的提升速度。所以，必须用限速装置来保证提升容器到达井口时的速度不超过2M/S，否则仍会造成严重事故。例如，某矿提升绞车的防止过速装置拆除后未在装上，由于司机思想不集中，提升容器提至井口仍为减速，虽然防止过卷开关动作了，但提升绞车并为立即停止运转，提升容器升到天轮才被卡住，结果提升钢丝绳被拉断，提升容器坠到井底，打坏井筒设备，造成严重事故。234深度指示器及其失效保护装置深度指示器是司机对提升绞车运行情况的监视器，没有它随时可能发生提升事故。所以，提升绞车必须装设深度指示器、开始减速时能自动示警的警铃。提升装置必须装设深度指示器失效保护装置当指示器失效时，能自动断电并使保险闸发生作用。235防过卷装置过卷事故就是提升容器到该停位置不停，直冲天轮，轻者影响生产、损坏部分提升设备，重者可导致井架倒塌、人员伤亡、提升容器坠落等严重后果。对防止过卷装置的要求是当提升容器超过正常终端停止位置（或出车平台）005M时，必须能自动断电，并能使保险闸发生制动作用。为防止提升绞车过卷，提高其工作可靠性，应从如下4个方面着手设置准确可靠的检测点；装设安全迅速的2M/S过速保护；选用灵敏高效的过卷开关；增设先进实用的缓冲装置。236闸间隙保护装置提升绞车的停车，完全是依靠制动闸来实现的。在操作过程中，靠的是闸瓦与闸轮或闸盘间的摩擦力产生制动力矩，所以闸瓦是易磨损零件，当磨损到极限程度时，固定闸瓦的铜螺钉就要与闸轮或闸盘相摩擦而产生沟痕，减少制动力矩，或由于闸瓦间隙超限而不能产生制动力矩。因此，煤矿安全规程规定提升装置必须装设闸间隙保护装置，当闸间隙超过规定值时，能自动报警或自动断电。24监控系统总体框图确定现代煤矿绞车一般由相互联系的多模块组成，通过模块控制执行具体动作来实现系统功能。在设备主要部件上均装有传感器件，通过读取传感器，可以获取设备的运动状态信息和位置信息等。控制器信号、状态信号、设备控制中间信号等是设备控制器内的主要数据信号。根据以上分析，现场硬件结构大致如图24所示。图24绞车监控系统总框图FIGURE24TOTALBLOCKDIAGRAMOFWINCHMONITORINGSYSTEM3提升绞车监控系统的硬件设计31提升绞车变频控制部分设计变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。我们现在使用的变频器主要采用交直交方式，先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。结构图如图32所示图31变频器的基本结构FIGURE31BASICSTRUCTUREOFINVERTER311提升绞车变频器的容量选择在一台变频器驱动一台电机的情况下，变频器的容量选择要保证变频器的额定电流大于该电动机的额定电流，或者是变频器所适配的电动机功率大于当前该电动机的功率。另外矿用提升绞车属于频繁启动、加减速运转，其变频器容量的选择应根据加速、恒速、减速等各种运行状态下的电流值考虑到矿用电机性能上的差异及机械负载的波动，变频器容量取电动机容量的14倍，按照本系统电动机功率，选用100KW以上的变频器。312提升绞车电控系统变频器选择本调速控制系统变频器选用德国的西门子公司生产的MM440（MICROMASTER440）通用变频器，可以对01290KW或90250KW的电机进行控制。它采用高性能的矢量控制技术，提供低速高转矩输出和良好的动态特性，同时具备超强的过载能力，以满足广泛的应用场合。创新的BICO（内部功能互联）功能有无可比拟的灵活性。其主要特征（1）200V240V10，单相/三相，交流，012KW45KW；380V480V10，三相，交流，037KW250KW；（2）矢量控制方式，可构成闭环矢量控制，闭环转矩控制；（3）高过载能力，内置制动单元；（4）三组参数切换功能。控制功能线性V/F控制，平方V/F控制，可编程多点设定V/F控制，磁通电流控制免测速矢量控制，闭环矢量控制，闭环转矩控制，节能控制模式；（5）标准参数结构，标准调试软件；数字量输入6个，模拟量输入2个，模拟量输出2个，继电器输出3个；（6）独立I/O端子板，方便维护；采用BICO技术，实现I/O端口自由连接；（7）内置PID控制器，参数自整定；（8）集成RS485通讯接口，可选PROFIBUSDP/DEVICENET通讯模块；（9）具有15个固定频率，4个跳转频率，可编程；（10）可实现主/从控制及力矩控制方式；（11）在电源消失或故障时具有“自动再起动“功能；（12）灵活的斜坡函数发生器，带有起始段和结束段的平滑特性；（13）快速电流限制（FCL），防止运行中不应有的跳闸；（14）有直流制动和复合制动方式提高制动性能。保护功能过载能力为200额定负载电流，持续时间3秒和150额定负载电流，持续时间60秒；过电压、欠电压保护；变频器、电机过热保护；接地故障保护，短路保护；闭锁电机保护，防止失速保护；采用PIN编号实现参数连锁。根据变频调速原理，在变频器的控制输入回路中接入频率设定电路，由PLC输出的模拟量，即电压或电流信号来控制变频器的输出频率，实现电机速度控制。本系统中的调速采用PLCD/A模块配合变频器进行，通过PLC输出电压信号（010V）来控制变频器的频率。此时变频器输出频率与设定电压输入成正比。为了与变频调速系统配合，保证在启动力矩、低频转矩、过载能力等方面满足系统的要求，选用冶金起重专用电动机。既考虑了对变频器电源供电和宽范围变频调速的适应能力，又体现了冶金及起重专用三相异步电动机过载能力大、机械强度高的特点。与变频调速良好的起、制动功能相结合，特别适用于采用变频调速，短时间或断续周期运行、频繁启动和制动的场合，既保证电动机在高频时的过载能力，又能在低频时保持恒转矩输出。313提升绞车系统变频器外部电路设计变频器可以输出频率可调的交流电源，另外在变频器的外围加设有声光报警输出及制动单元能够实现变频器故障报警器和安全制动，更有效的对控制系统进行安全保护，外部接线图如图32所示图32提升绞车系统变频器外部接线图FIGURE32HOISTSYSTEMINVERTEREXTERNALWIRINGDIAGRAM32主控模块硬件设计本系统的主控系统采用PLC来控制，PLC正常运行时，高速计数模块对编码器信号进行采集，将提升绞车机运行实时状态信息通过逻辑处理后形成给定的行程速度曲线；A/D模块将传感器采集的模拟信号转化为数字信号，进而实现提升绞车的实时监控。321PLC简介随着PLC控制的日渐成熟，大多数矿井提升绞车电控系统都采用了可编程序逻辑控制器PROGRAMMABLELOGICCONTROLLER，简称PLC，PLC技术是现代工业自动化的重要手段，由它构成的控制系统逻辑控制由PLC通过软件编程实现，柔性强，控制功能多，控制线路大大简化；PLC的输入/输出回路均带有光电隔离等抗干扰和过载保护措施，程序运行为循环扫描工作方式，且有故障检测及诊断程序，可靠性极高。PLC控制系统结构为模块化结构，维护更换方便，并可显示故障类型。对于一般提升绞车电控系统来说，采用一套中小容量的PLC即可满足要求，其价格也不高。如果采用PLC技术对TKD电控系统进行改造，把原来由各种电器通过连线而实现的逻辑控制改由PLC通过软件编程实现，则控制线路将大大简化，设备体积、设备维修量将大大减小，抗干扰能力将大大增强，工作可靠性将大大提高，工艺改变时只需要改变控制程序即可。改造时保持原有的操作方式、按钮、开关、主令控制器作用不变，则用户使用起来将非常方便，不需要适应期。同时可以利用PLC的高速计数功能、网络通信功能、故障检测及诊断功能、信号显示功能等来增加一些新的控制功能，安全性将大大提高，运行将更加平稳、准确，完全能够满足矿山生产的苛刻要求，而且投资相对较少，性价比较高，具有很强的实用价值。可编程控制器面向控制过程、面向用户、适应工业环境、操作方便、可靠性高，成为现代工业控制的三大支柱（PLC、机器人和CAD/CAM）之一。PLC控制技术代表着当前程序控制的先进水平，PLC装置已成为自动化系统的基本装置。结构图如图33所示图33PLC的基本结构图FIGURE33PLCBASICSTRUCTUREDIAGRAM322PLC的工作原理PLC整个扫描过程分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行、程序输出几个阶段，全过程扫描一次所需要的时间称为扫描周期。内部处理阶段，PLC检查CPU模块的硬件是否正常，复位监视定时器等。在通信服务阶段，PLC与一些智能模块通信、响应编程器键入的命令、更新编程器的显示内容等。当PLC处于停止（PROG）状态时，只进行内部处理和通信操作服务等内容。在PLC处于运行（RUN）状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。（1）输入处理也叫输入采样。在此阶段，顺序读入所有输入端子的通电断状态，并将读入的信息存入内存中所对应的映像寄存器。在此输入映像寄存器被刷新。接着进入程序执行阶段，在程序执行时，输入映像寄存器与外界隔离，即使输入信号发生变化，其映象寄存器的内容不会发生改变，只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被读入信息。（2）程序执行根据PLC梯形图程序扫描原则，按先左右后上下的步序，逐句扫描，执行程序。但遇到程序跳转指令时则根据跳转条件是否满足决定程序的跳转地址。用户程序涉及到输入输出状态时，PLC输出映像寄存器中读出上一阶段采入的对应输入端子状态。根据用户程序进行逻辑运算，运算结果再存入有关器件寄存器中，对每个器件而言，器件映像寄存器中所存的内容，会随着程序执行过程而变化。（3）输出处理程序执行完毕后，将输出映像寄存器，既器件映像寄存器中的寄存器状态。在输出处理阶段转存到输出锁存器，通过隔离电路驱动功率放大电路，使输出端子向外界输出控制信号，驱动外部负载。扫描周期是PLC一个很重要的指标，小型PLC的扫描周期一般为十几毫秒到几十毫秒。PLC的扫描时间取决于扫描速度和用户程序的长短，毫秒级的扫描时间对于一般工业常是可以接受的，PLC的响应滞后是允许的。但是对某些I/O快速响应的设备，则应采取相应的处理措施。如选用高速CPU，提高扫描速度，采用快速响应模块、高速计数器模块以及不同的中断处理等措施减少滞后时间。影响I/O滞后的主要原因有输入滤波器的惯性、输出继电器接点的惯性、程序执行的时间、程序设计不当的附加影响等。对用户来说选择一个PLC，合理的编制程序是缩短响应的关键。323控制系统I/O统计为了提高系统的可靠性，PLC的输入输出信号采用了信号隔离的方式。在设计初期，应统计开关量和模拟量的I/O总数，根据I/O总数可以确定PLC的型号及模块数量。S7200系列PLC可提供4个不同基本型号的8种CPU，根据本课题提升绞车电控系统原理的调速控制要求，对电气控制系统中的调速方法进行了改进，开关输入量共需13个输入点，输出点共需12个，本设计选用S7200系列的CPU226可编程控制器，该可编程控制器共有24点输入和16点输出共40个数字量I/O点，它有7个扩展模块，有内置时钟，有更强大的模拟量和高速计数的处理能力。324PLC选型PLC选型要考虑到满足系统功能并且具备良好的性价比。因此在设计控制系统时，PLC模块的数量和型号的选择主要依据系统输入、输出点的总量来确定。此外，选择合理的PLC机型应遵循以下原则1选择PLC容量和输入输出点时应留有富裕，所以都应大于系统实际所需要的，其中输入输出点应该留出1520。2根据负载的类型和启停的频率等特点，选择不同的输出方式；3如果控制系统有模拟量，I/O模块的响应时间能要满足系统要求；4根据系统通讯要求的不同，选择PLC内部相应的通讯功能。A、可编程控制器CPU226系统采用西门子公司226CPU模块作为微控制器，226CPU模块是S7200系列中性能最好的PLC。S7200系列PLC是西门子公司上世纪末推出的具有很高性能价格比的小型PLC。由于它具有体积小、运行速度高、功能强等特点，使其在自动控制领域得以广泛应用。S7200PLC不但具有高可靠性，而且具有极强的抗干扰能力。它的I/O至少经过一级光藕，可以有效地抑制电磁干扰。功能强大，完全能满足斜巷运输监控系统长期不间断稳定运行、运行环境差、干扰多的要求。因而在像斜巷运输这类潮湿，多粉尘，电磁干扰强烈的恶劣环境中，优势更显突出。S7200主要功能及特点包括1执行指令速度高。布尔量运算执行速度为037S/指令，字传送指令执行速度为34S/指令。2丰富的指令功能。几乎包括了一般计算机所具有的各种基本操作指令。3灵活的中断功能。中断触发有4种形式；可用软件设定为中断输入信号的上升沿或下降沿，以便做出快速响应；可设为时间控制的自动中断；可由内置高速计数器自动触发中断；在与外设通信时可以以中断方式工作。4输入和输出的直接查询与赋值。在扫描周期内，可直接查询当前的输入和输出信号，在必要时，还可以用指令对输入和输出直接赋值或改变其值。这样不仅用少调试程序方便，同时也可使系统对过程事件做出快速响应。5严格的口令保护。S7200系统有3个不同的口令保护级别，以便用户对程序做有效保护。3级口令分别是自由存取、只读、完全保护。6友好的调试和故障诊断功能。包括整个用户程序可在用户规定的周期数内运行和分析，同时可记录下内存、定时器、计数器状态。7输入或输出的强制功能。用户在调试程序时，可对输入或输出强制接通。8通讯功能强大、灵活。具有点对点通讯和网络通讯功能。PLC内配有高速计数器。为系统备有专用的扩展模块，可方便地进行输入、输出及模拟量扩展，为系统调试提供了方便。S7226CPU模块集成24路输入6路输出共40路数字量I/O点，最多可连接7个扩展模块。本系统扩展了3个模块EM231、EM232、EM223。CPU模块程序存储区8192字节，数据存储区5120字节，掉电保护时间190小时。此外还具有2路独立的20KHZ高速脉冲输出，8回路PID控制器，2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力，可用于要求高的控制系统。因西门子S7200系列PLCCPU226较多的输入/输出点，较强的模块扩展能力，较快的运行速度和功能强大的内部集成功能，所以使用它作为本监控系统主控制。S7200PLC结构图如图34所示图34S7200PLC结构图FIGURE34S7200PLCSTRUCTUREB、高数计数器功能CPU226全部支持六个高速计数器HSC0到HSC5，每一个计数器都有时钟、方向控制、复位、启动的特定输入。对于双相计数器，两个时钟都可以运行在最高频率。在正交模式下，您可以选择一倍速（1X）或者四倍速（4X）计数速率。所有计数器都可以运行在最高频率下而互不影响。来自增量式旋转编码器的时钟和复位脉冲作为高速计数器的输入。高速计数器装入一组预置值中的第一个值，当前计数值小于当前预置值时，希望的输出有效。计数器设置成在当前值等于预置值和有复位时产生中断。当出现复位中断事件时，设置第一个预置值和第一个输出状态，这个循环又重新开始。由于中断事件产生的速率远低于高速计数器的计数速率，用高速计数器可实现精确控制，而与PLC整个扫描周期的关系不大。采用中断的方法允许在简单的状态控制中用独立的中断程序装入一个新的预置值。（同样的，也可以在一个中断服务程序中，处理所有的中断事件。）计数器共有四种基本类型带有内部方向控制的单相计数器，带有外部方向控制的单相计数器，带有两个时钟输入的双相计数器和A/B相正交计数器。并不是所有计数器都能使用每一种模式。其包含的所有模式如表31所示。表31高速计数器输入模式TABLE31HIGHSPEEDCOUNTERINPUTMODE模式中断描述输入点HSC0L00L01L02HSC1L06L07L00L01HSC2L02L03L04L05HSC3L01HSC4L03L04L05HSC5L040时钟1时钟复位2带有内部方向控制的单相计数器时钟复位启动3时钟方向4时钟方向复位5带有外部方向控制的单相计数器时钟方向复位启动6增时钟减时钟7增时钟减时钟复位8带有增减计数时钟的双相计数器增时钟减时钟复位启动9时钟A时钟B10时钟A时钟B复位11A/B相正交计数器时钟A时钟B复位启动12只有HSC0和HSC3支持模式12HSC0计数Q00输出的脉冲数HSC3计数Q01输出的脉冲数表中给出了与高速计数器相关的时钟、方向控制、复位和启动输入点。同一个输入点不能用于两个不同的功能，但是任何一个没有被高速计数器的当前模式使用的输入点，都可以被用作其它用途。旋转编码器与可编程控制器的高速计数单元相连，连接电路如图35所示。图35旋转编码器与PLC连接图FIGURE35ROTARYENCODERANDPLCCONNECTIONDIAGRAMC、I/O模块（1）数字量模块选用西门子EM233系列的数字量模块作为输入/输出数字量模块，此系列有多个型号，根据设计PLC控制系统的一般思路，要为系统的输入和输出留出一定得余量，所以本系统选用EM233的16输入/16输出数字量混合模块，如图36所示。图36EM233数字量混合模块FIGURE36EM233DIGITALHYBRIDMODULES（2）模拟量模块CPU226允许最大7个扩展模块的连接，为了满足项目的实际需求，在实际应用中总是数据的采集量多于输出的控制量，所以选用两个模拟量通道数最多的输入/输出混合模块EM235，它含有4个输入通道和1个输出通道，模块如图37所示。图37EM235模拟量混合模块FIGURE37EM235ANALOGHYBRIDMODULE此模块的输入属于高速12位模拟量输入，它可以在149S内将模拟信号输入转换成其对应的数字量值。EM235提供一个未经处理的数字值（未经线性化或滤波），它对应于模拟量输入端处出现的模拟量电压或电流。由于这种模块是高速模块，它们可以跟踪模拟量信号中的快速变化（包括内部和外部噪声）。对一个恒定或缓慢变化的模拟量输入，由噪声引起的信号读数之间的差异，可通过对读数值取平均值的方法使其影响为最小。325控制系统I/O分配PLC的I/O端口对应着不同的寄存器，端口的分配应该和程序中使用的寄存器相对应，否则会产生逻辑混乱，系统无法正常运行。根据矿井提升绞车的监控要求，CPU226端口定义如表32所示，数字量扩展模块端口定义如表33所示，模拟量扩张模块端口定义如表34所示。表32CPU226端口定义TABLE32THEPORTDEFINITIONOFCPU226输入端口端口定义输出端口端口定义I00旋转编码器Q00变频器通电I01起动Q01工频继电器I02停止Q02变频继电器I03变频Q03点动继电器I04工频Q04正转继电器I05复位Q05反转继电器I06上升Q06速度继电器I07下降Q07加速时间继电器I10过卷Q10减速时间继电器I11松绳Q11报警继电器I12过载Q12复位继电器I13正转点动Q13安全回路继电器I14反转点动I15井口同步脉冲信号表33数字量扩展模块端口定义TABLE33DIGITALQUANTITYEXTENSIONMODULEPORTDEFINITIONS模块输入端口端口定义输出端口端口定义EM233I30井底同步脉冲信号Q20减速段超速I31正向开车继电器信号Q21等速段超速I32反向开车继电器信号Q22爬行段超速I33安全回路信号Q23电气制动I34加速段信号Q24监控器同步故障I35等速段信号Q25监控器保护动作I36减速段信号Q26监控器正常指示灯I37爬行段信号Q27故障指示灯I40电源监视信号Q30预留I41监控器故障旁路信号Q31预留I42上停车点Q32预留I43下停车点Q33预留I44报警确认表34模拟量扩展模块端口定义TABLE34ANALOGVOLUMEEXPANSIONMODULEPORTDEFINITION326提升绞车监控系统的PLC外部电路设计PLC是本控制系统中关键一环，其外部接线图如图38所示图38提升绞车监控系统的PLC外部接线图FIGURE38PLCEXTERNALWIRINGDIAGRAMOFTHEHOISTMONITORINGSYSTEM主要的控制功能有如下几项主令操作控制、保护监视控制。主令操作控制，对系统进行管理，实现提升绞车与操作台之间的指令传递，向提升绞车系统发出相应的指令，并改变相应电控系统的工作状态，使提升绞车按照预定的力模块输入端口端口定义输出端口端口定义EM231AIW0电机轴温度AQW0温度表AIW2制动系统油温AIW4润滑系统油温EM2351AIW6减速箱轴端速度AQW2线速表1AIW8电机电枢电流AIW10润滑站油压AIW12制动系统油压EM2352AIW14闸瓦间隙位移AQW4线速表2AIW16钢丝绳拉力EM232AIW18制动系统电液调节阀AQW6变频器AIW20制动系统电液调节阀图和速度图安全运行，运行方式可分为启动、等速运行、减速、爬行、停车。PLC根据运行方式对变频器实现S形速度给定控制，实现箕斗运行速度的准S形曲线。PLC还完成各种保护监视功能。监控内容主要包括超速监视、过卷监视、实时速度监视、井筒过卷监视、变频器故障监视、矿车行程监视、过载监视、深度指示器监视等，以上监视内容出现故障时，通过报警回路或安全回路实现抱闸停车保护。33信号采集模块硬件设计信号的采集与处理电路位于系统的最前端，主要用于把传感器采集到的信号经过处理，送进CPU进行处理。我们要采集的主要信号包括拉力传感器、闸间隙传感器、松绳开关的状态等。331传感器的选择传感器是指能感受规定的物理量，并按一定规律转换成可用输入信号的器件或装置。简单地说，传感器是把非电量转换成电量的装置。传感器精度的好坏直接关系到整个系统的精度问题，因此传感器要选择灵敏度高，分辨率高，线性度好的。传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。首先，我们应该根据测量对象与测量环境来确定传感器的类型。要进行一个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。选择的传感器如下（1）温度传感器本系统对电机轴温度