毕业论文-基于plc 控制的煤矿运人猴车控制系统设计

摘要为了缩短矿工上下井的路途时间，减轻矿工上下井的体能消耗，并且针对部分地区煤矿因斜井巷道比较窄，索道长度在500米左右，最大倾角为15，地势环境比较差以及起重运输不便等原因，不能使用双向无极循环运行模式，而需采用单向循环运行模式。实现其具有运行安全可靠、人员上下方便、随到随行、不需等待、一次性投入低、动力消耗小、操作简单、便于维护、工作人员少和运送效率高等特点。于是本设计采用PLC系统控制，并在控制系统中加入一氧化碳传感器、甲烷传感器、紧急停车装置、过摆保护开关等元件进行设计，设计出满足要求的猴车控制系统，对架空乘人装置、PLC、气体传感器进行选型和计算，解决实际使用中容易出现的问题，根据系统要求设计出能满足控制要求的控制电路、流程图以及控制程序，并达成预期目标。关键词猴车；PLC；斜井；单向运行；起重运输ABSTRACTINORDERTOSHORTENTHEJOURNEYTIMEMINERSFLUCTUATIONWELLS,ANDREDUCETHEMINERSFLUCTUATIONWELLSPHYSIQUECONSUME,ANDINORDERFORSOMEPARTOFINCLINEDCOALROADWAYISNARROWINSOMEWHERE,THEMAXIMUMANGLEINABOUT500MFOR15,HYPSOGRAPHYENVIRONMENTISPOORER,ANDLIFTINGTRANSPORTATIONINCONVENIENTANDSOON,CANNOTUSETWOWAYNONPOLARCIRCULARRUNNINGMODE,ANDTHENEEDTOADOPTONEWAYCYCLEOPERATINGMODESOTHISDESIGNADOPTSPLCCONTROLSYSTEMANDTHECONTROLSYSTEMBYADDINGCARBONMONOXIDESENSORS,METHANESENSORS,EMERGENCYMOBILEFORCESSTOPAPPARATUS,OVERPENDULUMPROTECTSWITCHANDOTHERCOMPONENTSPENDULUMDESIGNDESIGNEDTOMEETTHEREQUIREMENTSOFTHESITTINGLIKEAMONKEYCONTROLSYSTEM,OVERHEADEQUIPMENT,PLC,GASSENSORSFORSELECTIONANDCALCULATIONEASYTOUSEINSOLVINGPRACTICALPROBLEMSDEPENDINGONSYSTEMREQUIREMENTSDESIGNEDTOMEETTHECONTROLREQUIREMENTSOFTHECONTROLCIRCUIT,FLOWCHATANDCONTROLPROGRAMREACHTARGETKEYWORDSSITTINGLIKEAMONKEYPLCINCLINEDONEWAYOPERATIONHOISTINGANDCONVEYING目录摘要IABSTRACTII第1章绪论111设计背景及其意义112国内外研究现状113设计研究内容2第2章课题的提出及方案论证321架空乘人装置结构组成322系统的控制要求323控制系统的方案选择424猴车控制系统5241架空乘人装置电控系统5242系统的基本结构525本章小结6第3章控制系统的硬件设计731PLC的选型732驱动装置的选型8321电机的选择8322制动器的选择12323减速机的选型1333气体传感器的选型14331一氧化碳传感器的选型14332甲烷传感器的选型1534FP1A/D转换单元1735PLC电气控制线路2036PLC控制I/O分配2237本章小结24第4章软件设计2541控制系统程序流程图设计2542控制系统程序梯形图设计2543本章小结29结论30参考文献31致谢32附录程序梯形图33第1章绪论11设计背景及其意义随着矿井的大型化发展和开采深度的增加，如何既能减少人员下井的体力消耗，又能安全舒适地运送人员，是广大煤矿工作者一直致力研究的一项工作。猴车以其安全性而得到各矿物局的支持，跟过去的罐笼车相比，它投资少，使用简单。地下矿用架空索道（俗称猴车）为矿山长距离安全快速地运输人员提供了经济适用的解决方案。其工作原理类似于地面旅游索道，它通过电动机传动到减速机上的摩擦轮作为驱动装置，以架空，无极循环的钢丝绳作为牵引承载，此钢丝绳靠尾轮张紧装置进行张紧和绳长调节，沿途采用绳轮支撑，以维持钢丝绳在托轮间的贴合力；抱索器将乘人抱索器与钢丝绳连接并循环运行，从而实现运送人员的目的。其优势能长期运输，维护工作量较少，这种井下索道运输具有安全实用、运送能力大、动力消耗小、设备简单等优点，深受井下工人的欢迎，大大提高了井下辅助运输的效率。地下矿用架空索道的最新发展方向呈现大运量、高速度、集中控制、稳定安全等特点。具有大运量、连续运输、连续变坡拐弯的特点，而且运行可靠，易于实现自动化和集中控制，经济效益十分明显。地下矿用架空索道也是煤矿乘人装置最为理想的高效连续辅助运输设备，特别是煤矿高产高效现代化的大型矿井，地下矿用架空索道已成为矿井辅助运输机电一体化技术与设备的关键设备。随着高产高效矿井的发展，矿用架空索道各项技术指标有了很大提高。12国内外研究现状矿用架空索道在国内一直被作为一个煤矿辅助运输机械装备，传统矿用架空索道在技术上已经基本成熟，产品应用很普遍，由于它只是生产过程中的辅助设备，产品不需要很高的科技含量就能满足要求，国内厂家所生产的产品已经能够满足生产中的要求，其中绝大部分驱动方式为机械传动，液压驱动方式使用的不多，从2009年开始，才有部分厂家生产液压驱动方式的矿用架空索道，这是因为液压驱动投资大、技术含量高、难以维修，而在全国范围内我国的液压传动技术水平较低，难以占领高端产品市场。在国外，架空乘人装置技术水平比较高，他们采用比较先进的液压驱动技术，系统采用悬挂式无极绳连续运转的工作方式，用于各类煤矿井下随时快运送人员。动力源采用全液压驱动，运输系统无论是高速还是低速均可实现等加速启动以及电动机的无负荷启动，对其他电力设备影响小。运行速度调节方便、液压驱动的功率控制准确、系统无过载运行，因无需增加电动机备用功率而节能、运行特性软，无冲击。驱动部件与泵站分开布置，而液压驱动所具备的高功率密度的特点，使得设备的动力部件体积小、重量轻，占用空间小，非常适应煤矿井下的小断面巷道以及起重运输不便的场合布置、安装和维修。油箱采用全封闭增压构造以及多道过滤元件和完善的保护装置，杜绝了油的泄漏和故障率。整机性能稳定、工作可靠且寿命长。由于液压减速机体积小且没有倾斜角度的限制，驱动部安装时无倾角要求且不需要挑顶，对巷道的适应行更强，安装施工量小、钢丝绳使用寿命长。液压驱动方式可以同时满足高速和低速两种形式的运行，高速运行时无需配备变频装置。因此，以PLC为主体构成的煤矿井下的小断面巷道，矿井地势环境比较差以及起重运输不便的场合控制系统，尤其是对我国多煤矿的省市地区来说，其具有广阔的应用前景和明显的经济效益。13设计研究内容本次研究的主要内容是基于PLC控制一台驱动电机运行的煤矿运人猴车控制系统，该控制系统主要由PLC、显示器、气体传感器等组成。本次研究的目标是对煤矿安全性和猴车的使用性给予提升，减少工人上下班的时间，使系统的稳定性和节能效果进一步提高，故障报警及故障排除及时迅速。根据系统要求，设计出满足要求的猴车控制系统，对架空乘人装置、PLC、气体传感器进行选型和计算，解决实际使用中容易出现的问题，根据系统要求设计出能满足控制要求的控制电路、流程图以及控制程序。第2章课题的提出及方案论证21架空乘人装置结构组成架空乘人装置主要由驱动部分、乘人部分、托绳部分、尾轮部分、张紧部分以及电控系统组成（如下图21）。本文主要是针对猴车电控系统的设计图21斜井架空乘人装置的组成框图22系统的控制要求猴车作为一个煤矿辅助运输机械装备，在国内绝大部分驱动方式为机械传动，液压驱动方式使用的不多，并且主要应用在巷道比较空旷的场合；而在国外大多采用比较先进的液压驱动技术，并且非常适应煤矿井下的小断面巷道以及起重运输不便的场合。减少矿井工作人员上下班时间是该控制系统的第一个目的，经济实用和安全是本设计的另外一个目的。而本系统拟解决国内现在存在的这一不足，以减少工人的上下班时间，为企业带来一定的经济利益，具有一定的实用性，为该控制系统的第一个目的。保证工人的生命和财产安全是本设计的另一个目的。系统控制要求实现的功能如下（1）猴车控制系统启动要求在井上和井下分别设有操作台，当在井上有人需上车时，井上操作人员按下正转启动按钮，制动器松闸，系统发出3声预警信号用以提示乘客猴车即将启动，注意安全；另外一个作用是作为与井下操作台上的工作人员之间的一种通信信号告知矿井下的操作人员此时井上有人上车，若井下有人需上车，此时必须等待，只到所有上车的人都到达井下时，方可上车；同理若是在井下的操作人员按下反转启动按钮，则若井上有人需上车时，此时必须等待，只到所有上车的人都到达井上时，方可上车。当第3声预警时，猴车启动开始运行，5秒后播放MP3。如果在井上（井下）所有矿工都已上车并在不过载的情况下时，控制台操作人员调节减速机调速开关，使电机加速运转，达到节能、减少乘坐时间的目的；若有乘车者下车，调节减速机调速开关，使电机减速运转。若过载，则重锤上升到达上限限定高度，触动钢丝绳张紧保护开关动作，架空乘人索道自动停车。（2）系统停车正常停车转换开关置于停止位置，设备进入停机状态，任何设备不能启动。（3）完善的系统保护、报警功能。全程紧急停车保护在架空乘人装置的沿线装有紧急停车拉线开关间隔80米1个，并由钢丝绳连接起来。当巷道内有紧急情况时，在沿线的任意一个地方拉动该钢丝绳，相应的急停拉线开关将给控制系统一个急停信号，架空乘人装置将自动停止运行，同时显示窗将显示触动此开关的相应位置。乘人吊椅摇摆保护间隔80M安装一个，此开关是用于防止吊椅过摆而设置的保护装置。当吊椅过摆到一定高度时，车触动此开关动作，候车自动停车。同时显示窗将显示触动此开关的相应位置。煤矿安全报警系统当矿井内的一氧化碳（CO）和甲烷（CH4）的气体浓度高于安全标准浓度时，由CO传感器和CH4传感器给控制系统一个井内有毒气体超标的信号，使电机反转，使猴车返回矿井地面并发出警报。越位保护。机头、机尾越位保护机头和机尾分别有越位行程开关，当矿工乘坐吊椅上井或下井进入机头或机尾的禁止部位点时，由越位保护装置给控制系统一个越位的信号，系统自动停机并发出故障报警声，同时显示窗口显示相应的故障。制动器动作保护制动器与电机在电气上为互锁保护，主电机启动前，制动器提前3秒松闸，处于非制动状态。如制动器未能松闸，主电机不能启动，从而达到保护主电机的目的。电机的过载、短路保护控制电路中接有熔断器和热继电器，分别用于电路短路和过载保护。23控制系统的方案选择架空乘人装置按驱动方式可分为机械传动和液压驱动两种驱动方式，其主要控制方式有（1）纯继电器控制方式这是猴车电控过去常用的一种控制方式，这种控制方式存在很多的缺点当保护开关增多时线路变得很复杂，而且不便于接线，设计困难，维修困难，安全性差，触点多，也不能显示各种保护。（2）PLC电路控制方式该控制方式能够实现对电机的加速和减速控制，达到减少乘坐人员的乘坐时间和上下车安全的目的。气体传感器的任务是检测矿井内有毒气体的浓度，通过气体传感器反馈信号给控制电路一个气体浓度偏高的信号，输出给电机一个反转的控制信号。对于这种控制方式，随着电路中的保护开关的增加，使电路的安全性和准确性都能得到提高，却不会给电路接线带来困难。采用这种控制方式具有可靠性高、程序简单、设备便于维护和维修，电路连接方便，一次性投资小等优点。所以从以上两种控制方式看，本设计采用PLC控制方式。比较得出PLC有明显的优越性。本设计采用松下公司的FP1系列的FP1C72型号PLC，其相应的软件为FPWINGR和手持编程器来完成猴车控制系统的设计。24猴车控制系统241架空乘人装置电控系统架空乘人装置系统具有设备电气互锁，电机失压、短路、过载保护，张紧保护，沿途紧急停车闭锁等较为全面的安全保护功能。具有启动前预警信号，开车、停车按设定的程序控制等功能。具有数码显示功能，当设备发生故障时，给出相应的故障位置提示，极大方便了用户对设备的维护和维修。242系统的基本结构猴车控制系统主要以PLC为主要控制单元，控制操作台及语音箱作为操作及报警设备，PLC外围开关，传感器构成保护系统。系统框架如图31所示。系统各组成主要作用说明如下（1）按钮开关在煤矿上水平面和下水平面各自都设有两个按钮开关，其中一个是停止按钮，另外一个是在上水平面为正转启动按钮，下水平面为反转启动按钮。其主要目标是实现在异地共同控制同一台电机的运行和停止。（2）保护开关本设计在索道沿途共安装12个保护开关，其中6个用作全程紧急停车保护开关，另外6个用作吊椅摇摆保护开关，分别间隔80M安装一个；通过PLC控制系统将数据送往数码管显示，以便工作人员准确定位故障的位置，减少了故障的排查时间，便于维护和维修。（3）传感器本设计通过在矿井安装CO传感器和CH4传感器并连接PLC控制回路，当浓度超标时，传感器就给控制系统一个井内气体偏高的信号并发出警报，使电机反转，即使猴车返回上水平面。（4）减速机通过减速机上的调速开关，将马达的回转数减速到所要的回转数，以达到调节猴车运行速度的目的。综合本设计需求，并查阅图书馆和网络资料，系统硬件选型暂定有电动机、减速机、PLC、传感器、A/D装换元件、制动器等几项硬件设计选择。（1）电动机综合系统要求并假设设计环境为索道长度500M、斜角15，来进行运算，并最后选择出合适的电动机型。（2）PLC根据系统输入输出开关电位数量，并秉承物美价廉的原则进行选择、确定型号。（3）制动器的选择从安全性方面考虑，并从实际使用情况出发，结合使用代价选定型号。（4）减速机即直接从设计中所需的运动调速方式，以及有轻度腐蚀的工作环境并结合各减速机型号的侧重性能来综合考虑选型。（5）传感器本设计中涉及的传感器包括一氧化碳、甲烷传感器，该传感器的选择，秉承矿区常规选择的传感器习惯，并考虑与本设计需求的契合程度来综合选择。（6）另有A/D转换元件的选择，则从PLC的选择中来连带考虑该元件的选型。图22猴车电控系统组成框图25本章小结本章先对猴车装置的组成、系统控制的预期效果做了概述。其中猴车的结构主要由驱动部分、乘人部分、托绳部分、尾轮部分、张紧部分及电控系统组成。作为本设计重点的猴车电控系统主要包括猴车控制系统启动、系统停车、系统保护、报警等功能。其次综合本设计的设计需要，选择了松下公司的FP1C72型号PLC作为控制核心。最后就此系统方案做出了猴车电控系统的系统组成框图，并就设计中需求到得系统硬件其中包括按钮开关、保护开关、传感器、减速机进行了具体的阐述和对系统的一些主要硬件提出了选择思路和整体方案。PLC各种按键传感器保护开关钢丝绳减速机主电机制动器语音箱数码管显示器第3章控制系统的硬件设计31PLC的选型（1）PLC简介PLC即可编程控制器（PROGRAMMABLELOGICCONTROLLER，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会（INTERNATIONALELECTRICALCOMMITTEE）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义PLC英文全称PROGRAMMABLELOGICCONTROLLER,中文全称为可编程逻辑控制器，定义是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程PLC是可编程逻辑电路，也是一种和硬件结合很紧密的语言，在半导体方面有很重要的应用，可以说有半导体的地方就有PLC。具有以下特点1可靠性高，抗干扰能力强；2通用性强，控制程序可变，使用方便；3功能强，适应面广；4编程简单，容易掌握；5减少了控制系统的设计及施工的工作量；6体积小、重量轻、功耗低、维护方便。PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。PLC是以微处理器为核心，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置，具有结构简单、性能优越、可靠性高、灵活通用、易于编程、使用方便等优点，近年来在工业自动控制、机电一体化、改造传统产业等方面得到了广泛应用。发展方向产品规模向两极分化；处理模拟量；追求高可靠性；通讯接口和智能模块；系统操作站配高分辨率的监视器；追求软、硬件标准化。（2）PLC的选型在控制系统方案中共有开关量输入点23个、开关量输出点26个。故采用松下公司的FP1C72可编程逻辑控制器，FP1系列的C72可编程逻辑控制器共有40个输入点和32个输出点，共72个I/O点，输入寄存器为X0X27输出寄存器为Y0Y1F，有内置时钟。C72系列PLC器件价格较低，性能优良，程序容量较大、运行速度快、可在线编程等优点。32驱动装置的选型321电机的选择（1）计算说明已知参数巷道斜长L500M巷道坡度15驱动轮直径D1000MM。钢丝绳的运行速度V08M/S。主要参数的确定预选钢丝绳6X1920（Q0147M）。设吊椅间距为112M。托轮间距28M。驱动轮绳槽与牵引钢丝绳间的摩擦系数02。牵引绳在驱动轮上的围包角180。2牵引钢丝绳张力的计算最小点张力的计算（31）GQCS0MIN式中SMIN最小张力点的张力，N；C钢丝绳的绕度系数，取C1000；Q0预选牵引钢丝绳的每米质量147M；G重力加速度，G98M/S；14406N。GQCS0MIN各点张力的计算当下放侧无人而上升侧满员是（动力运行状态）线路运行阻力1420SINCO/121014GLQQW（32）336319SIC/12032各点张力S3SMIN14406NS4101SMIN1455006NS1S4W41267602NS2S3W231759806N（34）式中Q0每米钢丝绳的质量147M；Q1每人人体重量取Q175；Q2每把吊椅重量取Q215；牵引钢丝绳运行阻力系数，动力运行时，取002，制动运行时，取0015；L矿井斜长。当下放侧满员而上升侧无人时（制动运行状态）线路运行阻力52370SINCO/12032GLQQW（35）3661SI/121014各点张力S3SMIN14406NS4101SMIN1455006NS1S4W411825258NS2S3W232493276N3电动机功率的计算与选择选择电动机选择电动机类型选用Y型笼型三相异步电动机选择电动机容量由电动机至钢丝绳的传动总功率为3765245321式中，1是联轴器1传动的效率2是锥齿传动的效率3轴承传动的效率4是齿轮传动的效率5是联轴器2传动的效率6是驱动轮传递的效率。其大小分别为1099，2095，3098，4097，5099，6096。则706543电动机输出功率动力运行时38KWSKPB172310/21制动运行时39B/12式中KB电动机功率备用系数，一般取KB16取208所以选取电动机功率为30KW确定电动机的转速310MIN/29150/8106/106RDVNN初选圆锥齿轮的传动比I123，单级圆柱齿轮传动比I35，二级齿轮传动比I2925,故电动机转速的可选范围为DNI1INNN18751529R/MIN27522114675R/MIN。综合考虑选择电动机型号为Y200L6笼型三相异步电动机。表31Y200L6型电机的主要性能额定功率（KW）满载转速（R/MIN）效率（）功率因素电流（A）30975895085586（4）电动机启动方式选择电机的启动方式主要有全压直接启动、自耦减压起动、Y起动、软起动器、变频器。全压直接启动优点是操纵控制方便，维护简单，而且比较经济。主要用于小功率电动机的起动，从节约电能的角度考虑，大于11KW的电动机不宜用此方法。自耦减压启动利用自耦变压器的多抽头减压，既能适应不同负载起动的需要，又能得到更大的起动转矩，是一种经常被用来起动较大容量电动机的减压起动方式。它的最大优点是起动转矩较大，当其绕组抽头在80处时，起动转矩可达直接起动时的64。Y起动适用于无载或者轻载起动的场合。并且同任何别的减压起动器相比较，其结构最简单，价格也最便宜。软起动器这是利用了可控硅的移相调压原理来实现电动机的调压起动，主要用于电动机的起动控制，起动效果好但成本较高。因使用了可控硅元件，可控硅工作时谐波干扰较大，对电网有一定的影响。另外电网的波动也会影响可控硅元件的导通，特别是同一电网中有多台可控硅设备时。因此可控硅元件的故障率较高，因为涉及到电力电子技术，因此对维护技术人员的要求也较高。变频器变频器是现代电动机控制领域技术含量最高，控制功能最全、控制效果最好的电机控制装置，它通过改变电网的频率来调节电动机的转速和转矩。因为涉及到电力电子技术，微机技术，因此成本高，对维护技术人员的要求也高，因此主要用在需要调速并且对速度控制要求高的领域。根据上述情况本文选择自耦减压启动方式，这种启动方式主要用于较大容量的电动机，以减小启动电流对电网的影响。其优点是启动时对电网的电流冲击小，功耗损耗小。如图33所示，当按下正转（反转）启动按钮SB0（SB1），接触器KM1、KM2与时间继电器KT的线圈同时得电，KM1、KM2的主触点闭合，电动机定子绕组经自耦变压器接至电源减压启动。当时间继电器KT延时时间到，一方面其常闭延时触点打开，KM1、KM2线圈失电，KM1、KM2主触点断开，将自耦变压器切除；同时，KT的常开触点闭合，接触器线圈KM3（KM4）得电，KM3（KM4）主触点闭合，电机投入正常运转。图31主电路图322制动器的选择（1）制动器的选型原则考虑输送机的工作重要性，当输送机工作场所十分重要时，如主运输输送机，应重点考虑可靠性配置，才采用液粘制动加盘闸制动器，实现双保险。考虑输送机（长度短、运量小）制动力矩大小，制动力矩小，相应动载冲击小，可选用普通推杆制动器；否则，应选用可控制动器，如液粘制动器或可控盘闸制动器。输送机带速，当输送机带速高时，应选用可控制动器，或者选用液力或液压制动器先实现降速，速度降低以后，再加制动闸进行定车制动。考虑输送机（长度、运量）动载荷大小，动载荷较大时，必须采用可控制动器，当要求制动精度高时，选用液粘制动器，否则选用可控制盘闸制动器。考虑输送机经济性，性能要求越好，投资价格越高。一般情况选用可控盘闸制动器，既可实现可控制动，又能实现定车，且结构简单，相应投资也较小。制动器的选型制动器选用电力液压块式制动器，性能安全可靠，制动平稳，动作频率高，主要摆动较点设有自润滑轴承，传动效力高，寿命长，在使用过程中无需润滑，广泛用于起重、冶金、矿山、港口、码头、建筑机械等机械驱动装置的减速或停车制动。其推动器为隔爆型并有防爆证和煤安证。制动闸块选用在制动时不会引起爆炸和燃烧的材料制成，其材料性能符合MT113的规定、参数如下电力液压块式制动器型号BYWZ3B160/25防爆电液推动器YT125ZB/4制动力矩180NM下图32为YWZ3系列电力液压块式制动器外形图。其正常工作条件环境温度4050；一般用于三相交流电源50HZ、380V；电机安装地点海拔高度符合GB75587标准；安装形式一般适合推动器垂直工作，倾斜度不超过15。（2）工作原理当推动器通电时，电动机带动转轴及转轴上的叶轮旋转，在活塞内产生压力，使固定在活塞的推杆迅速上升，推动连接杠杆压缩主弹簧使制动瓦张开，机构得以运动。推动器断电时，主弹簧的力将制动瓦压紧于机构的制动轮上使机构停止运动。图32YW23系列电力液压块式制动器外形图323减速机的选型（1）减速机是一种动力传达机构，利用齿轮的速度转换器，将马达的回转数减速到所要的回转数，并得到较大转矩的机构。其作用是1、降速同时提高输出扭矩，扭矩输出比例按电机输出乘减速比，但要注意不能超出减速机额定扭矩。2、减速同时降低了负载的惯量，惯量的减少为减速比的平方。一般的减速机有斜齿轮减速机包括平行轴斜齿轮减速机、蜗轮减速机、锥齿轮减速机等等、行星齿轮减速机、摆线针轮减速机、蜗轮蜗杆减速机、行星摩擦式机械无级变速机等等。根据本设计的要求，采用MB系列的无级变速机，实现对猴车运行速度的控制。（2）工作变速原理带锥度的主动轮和压盘被一组蝶形弹簧压紧，输入轴和主动轮用平键联接，组成压紧主动轮装置。一组带锥度的行星摩擦轮内侧被夹在主动传输线和压盘之间，外侧夹在带锥度的固定环和调速凸轮之间组成福摩擦。当压紧的主动轮装置运转时，行星摩擦轮就作纯滚动，由于固定环和调速凸轮不动，因此行星轮在自转的同时也做公转，通过行星摩擦轮的中心轴及滑块轴承而带动行星架转动。在转动手轮改变角向位置的同时，调速凸轮的端而曲线经平面轴承和固定平面凸轮断面曲线作用，使调速凸轮产生轴向移动，从而匀速地改变调速凸轮的固定环之间的间隙，使行星摩擦轮产生径向移动，从而匀速地改变了行星轮与主动轮、压盘及固定环、调整凸轮摩擦处的工作半径，稳定地实现了无级变速。（3）性能特点高强度在加冲击负载或机器逆转时，本机性能可靠，能精确传动，无后座力。变速范围大变速比均为15，及输出转速可在145至1725之间任意变化。调速精度高调速精度为105转。性能稳定本机的传动部件都经过特殊的热处理，精密加工摩擦部位，润滑良好，运行平稳，噪声低，寿命长。同轴结构输入轴、输出轴同向旋转，体积小，重量轻。组合能力强本机可与各种类型减速机组合，实现低转速、大扭矩的变速效果。在允许负载的情况下，调定的转速恒定。全机密封，可适用于潮湿、多尘、有轻度腐蚀性的工作环境。技术参数功率018KW75KW转矩15NM2062NM变速范围A基本型2001000R/MINB变速机带一级齿轮减速（I255）40200R/MINC变速机带二级齿轮减速（I7125）8140R/MIND变速机带三级齿轮减速（I42100）2235R/MIN（4）调速方式主要有1、手轮调速分快慢手轮、指针手轮调速；2、配直角器调速；3、电动调速。快慢手轮调速直接看不出转速，指针手轮调速指针上显示的速度与实际输出轴转速有35转的偏差。但本文采用指针手轮调速，这种调速比较方便，便于控制。33气体传感器的选型331一氧化碳传感器的选型煤矿中CO气体最高浓度为00024，当CO传感情检测到其浓度不低于这个值时，传感器就输出一个模拟信号，通过A/D转换单元将其转换为数字信号，再经PLC控制猴车系统。本文选用KGA3型一氧化碳传感器。KGA3型煤矿用电化学式一氧化碳传感器（以下简称传感器）是矿用连续检测矿井下一氧化碳浓度的高精度仪表。传感器能够实时地测量并且显示矿井下的一氧化碳浓度，而且根据浓度值的大小产生声光报警信号，并且输出与一氧化碳浓度相对应的模拟信号。传感器能在具有瓦斯、煤尘爆炸的矿井内，对煤层自燃发火、机电设备、运输胶带事故等多种因数可能引发火灾和爆炸事故进行早期的预测和预报。下图33为KGA3型一氧化碳传感器外形图。图33KGA3型一氧化碳传感器外形图2主要技术参数表32KGA3技术参数表项目技术指标测量范围（CH4）（01000）106050502002001000基本误差（CH4）410645测量值10645测量值106响应时间35S报警方式间歇式声光交替断电点连续可调报警方式断续声，光报警防爆型式EXIBDI输出信号频率2001000HZ，0200HZ，515HZ电流15MA，420MA工作电压DC（924V）工作电流80MADC18V外形尺寸28018068MM外形尺寸200ML/MIN332甲烷传感器的选型煤矿中CH4气体最高浓度为4，当CO传感情检测到其浓度不低于这个值时，传感器就输出一个模拟信号，通过A/D转换单元将其转换为数字信号，再经PLC控制猴车系统。本文选用GJG10H型智能红外甲烷传感器。（1）产品介绍主要用于监测煤矿井下环境气体中的瓦斯浓度，采用国际最新（NDIR）非色散红外探测技术研制而成的新一代测量仪表，是煤矿预防瓦斯突出和瓦斯爆炸的更新换代产品。可以实现井下瓦斯浓度的实时测量就地显示和超限声光报警等功能，并且能够连续自动地将井下瓦斯浓度转换成标准电信号输送给关联设备。检测元件由国外原装进口，采用高稳定放大处理电路，保证了仪器的性能稳定和测量准确性。在检测原理上使用的是完全不同于传统催化原理的红外线检测技术，克服了催化原理传感器标定周期短、容易中毒等现象，具有测量准确、反应速度快、标定周期长、不受其它气体影响、测量范围宽、功耗低、使用寿命长等特点。在工作过程中由于采用光学测量并不消耗甲烷，无大功率器件，所以不存在受高瓦斯冲击损坏的现象（根据需要量程可任意扩展），测量不受风速影响，性能稳定调校周期最低一个月，响应时间也远远快于催化原理传感器。仪器软件上采用智能化设计，易于维护和调校，大大节约仪器的使用与维护费用。（2）其主要技术指标如下表33所示表33GJG10H型智能红外甲烷传感器主要技术指标表33GJG10H型智能红外甲烷传感器主要技术指标项目技术指标测量范围010CH4分辨率001CH4000100CH4100200CH4200400CH44001000CH4测量精度01CH402CH403CH4480真值元件检测反应速度20S报警方式间歇式声光报警报警点范围0525连续可调断电点范围0520连续可调采样方式限制扩散式整机工作电压924VDC,18VDC/51MA传输距离3KM输出信号2001000HZ、15MADC防爆型式EXIBI矿用本安型（4）下图34、35分别为GJG10H型智能红外甲烷传感器的各部件示意图和接线示意图。图34GJG10H型智能红外甲烷传感器的各部件示意图1、断电器信号输出2、电源正3、地线4、信号输出图35GJG10H型智能红外甲烷传感器接线示意图34FP1A/D转换单元（1）A/D转换单元的主要作用把传感器检测到的电压或电流信号模拟量转换成PLC能够识别的等效数字量，这些数字量经过PLC处理后控制系统运行状态。FP1A/D转换单元的技术参数如下表34所示。表34FP1A/D转换单元技术参数项目说明模拟输入点数4通道/单元（CH0CH3）电压05V、010V模拟输入范围电流020MA分辨率1/1000总精度满量程的1相应时间25MS/通道电压不小于1M输入阻抗电流250电压75V（05V）、15V（010V）绝对输入范围电流30MA数字输出范围K0K1000H0H03E8光耦合端子与内部电路之间绝缘方式无绝缘通道间连接方式端子板（M35螺丝）（2）占用通道及编程方法A/D转换单元有4个模拟输入通道，占用的输入端子分别为CH0WX9（X90X9F）CH1WX10（X100X10F）CH2WX11（X110X11F）CH3WX12（X120X12F）PLC每个扫描周期对各通道采样一次，并进行模数转换，转换的结果分别存放在各自的输入通道（WX9WX12F）中。A/D转换的编程可用指令F0实现，如【F0MV,WX9,DTO】执行这一指令后，CHO输入的模拟信号经A/D转换变成数字信号后送入WX9，并由F0指令读出保存到DTO中。（3）A/D转换单元的面板布置及接线方法图46是A/D转换单元的面板布置图。A/D单元的每个通道有4个接线端V、I、C和FG。此外，还有一对电压范围选择端子RANGE。其中，V是电压输入端，I是电流输入端，C是公共端，FG是屏蔽接地端。左端扩展插座用于连接FP1控制单元或者扩展单元，有段插座用于连接D/A转换单元或I/OLINK单元。A/D转换单元的接线方法电压输入方式的界限图如图47所示。信号有V和C两端输入，屏蔽外壳接FG端。当电压范围选择端子RANGE间开路时，输入模拟电压范围为05V；短路是，输入模拟电压范围为010V。电流输入方式的界限如图48所示。信号有I和C两端输入，将电压输入V和电流输入I端子连接在一起，屏蔽外壳接FG端。此时，需要将当电压范围选择端子RANGE开路。图36A/D单元的面板布置图图37电压输入接线方式图38电流输入接线方式（5）模拟量与数字量之间的转换气体传感器输出的电解电流和气体浓度之间的关系如下式表示INFADC/式中，I电解电流；N每1MOL气体产生的电子书；F法拉第常熟；A气体扩散面积；D扩散系数；C电解质溶液中电解的气体浓度；扩散层的厚度。在同一传感器中，N、F、A、D及是一定的，所以电解电流与气体浓度成正比。所以在本设计中选择一氧化碳传感器和甲烷传感器输出信号为电流信号，测量范围分别为420MA。和15MA。根据公式（1），由煤矿中一氧化碳和甲烷气体的最高浓度分别为00024、4，则一氧化碳浓度为00024对应的输出模拟电流为I24（204）/10004MA4384MA，对应PLC的A/D转换单元输出数值为1000/2026130。因此当PLC检测到一个一氧化碳浓度转换为数字量不小于220时或者甲烷浓度转化为数字量不小于130是，就给控制系统一个停机的信号。35PLC电气控制线路（1）数码管显示接线图，如下图（39）所示。ABGFECDPLC图39数码管显示接线图（2）本设计中数码管显示的位置与上水平面为参考起始点。七段数码管显示数据与输入关系如下表35、36所示。表35输入位选择开关与输出数值的关系输入输出X7X10X8X11X9X12XAX13XBX14XCX151XXXXX1X1XXXX2XX1XXX3XXX1XX4XXXX1X5XXXXX16表36数码管各位与输出数值的关系输入ABCDEFG输出01100001110110121111001301100114续表361011011510111116注“1”表示高电平，“0”表示低电平，“X”表示任意状态（3）PLC外围接线图PLC外围接线图如下图310。图310PLC外围接线图36PLC控制I/O分配PLC硬件配置确定后，对应I/O点进行分配，确定外部输入输出元件与PLC的I/O点的连接关系，完成I/O点地址定义表。表37、38为控制系统的输入输出信号的名称、代码。表37输入信号分配表输入接口输入信号代码名称X0SB0正转启动按钮X1SB1反转启动按钮X2Q1速度调节开关X3SB2停止按钮X4SQ1机头越位行程开关X5SQ2机尾越位行程开关X6SQ3重锤上限限位开关X7Q2X8Q3X9Q4XAQ5XBQ6XCQ7全程紧急停车保护开关XDQ14CO传感器模拟信号XEQ15CH4传感器模拟信号X10Q8X11Q9X12Q10X13Q11X14Q12X15Q13过摆保护开关X16Q14CO传感器信号清零开关X17Q15CH4传感器信号清零开关表38输出信号分配表输出接口输出信号代码名称Y0KM1自耦减压启动接触器1Y1KM2自耦减压启动接触器2Y2KM3电机正转接触器Y3KM4电机反转接触器Y4YB制动器松阀Y5BU报警蜂鸣器Y6KA1MP3播放器Y8HL1电机运行Y9HL2机头越位显示YAHL3机尾越位显示YBHL4减速机运行Y10AY11BY12CY13DY14EY15FY16G紧急停车开关触动位置数码管显示Y17AY18BY19CY1ADY1BEY1CFY1DG过摆开关触动位置数码管显示在程序中也用到一些内部继电器、数据存储器、时间继电器。如下表39所示。表39程序中使用到PLC机器内的器件及功能器件地址功能器件地址功能T0预警时间定时器RAT4电机启动时间定时器RBT2MP3开始播放时间定时器RC过摆保护开关位置显示数码管显示信号T3制动器报闸时间定时器RDR0紧急停车保护信号RER1过摆保护停车信号RFR2CO浓度偏高停车信号DT0COA/D转换数值存储区R3CH4浓度偏高停车信号DT1CH4A/D转换数值存储区R4R5R6R7R8R9紧急停车保护开关位置显示数码管显示信号37本章小结本章主要对系统的硬件进行选型和设计，其中包含电动机、减速机、制动器、PLC、传感器、A/D转换单元等器件的型号选择以及PLC控制电路外部接线图的设计与分配说明。第4章软件设计41控制系统程序流程图设计本系统运行流程设计如下。系统在井上和井下分别设有操作台，当在井上有人需上车时，井上操作人员按下正转启动按钮，制动器松闸，系统发出3声预警信号用以提示乘客猴车即将启动，注意安全；另外一个作用是作为与井下操作台上的工作人员之间的一种通信信号告知矿井下的操作人员此时井上有人上车，若井下有人需上车，此时必须等待，只到所有上车的人都到达井下时，方可上车；同理若是在井下的操作人员按下反转启动按钮，则若井上有人需上车时，此时必须等待，只到所有上车的人都到达井上时，方可上车。当第3声预警时，猴车启动开始运行，5秒后播放MP3。如果在井上（井下）所有矿工都已上车并在不过载的情况下时，控制台操作人员调节减速机调速开关，使电机加速运转，达到节能、减少乘坐时间的目的；若有乘车者下车，调节减速机调速开关，使电机减速运转。若过载，则重锤上升到达上限限定高度，触动钢丝绳张紧保护开关动作，架空乘人索道自动停车。途中设有紧急停车保护开关和座位过摆保护开关，用于工人沿途遇到紧急情况及时停车保护，除此之外，途中还设有气体检测传感器，对整个上下环境中的甲烷和一氧化碳气体做出检测，气体传感器通过A/D转换单元把数据传输给PLC，当气体浓度超出安全范围时，紧急制动，并电机开始反转，搭载工人回到原始乘坐点。该系统程序流程图如附图所示。42控制系统程序梯形图设计根据本设计要求和系统流程图的设计，控制系统程序分段设计如下。图41电机正转控制程序开机运行要求，按下电动机正转按钮前，制动器处于抱死状态，且紧急停车保护、过摆开关保护、机头、机尾越位、超载上限限定、传感器均处于断路状态，即正转按钮按下，制动器松闸，各硬件通电进入工作状态，程序如图41图42电机反转控制程序上图42程序段为遇到意外情况即气体浓度超标、机头机尾越位、紧急停车按钮按下、过摆开关按下和电机从下往上运行时的时候，按下反转按钮电机正常反转。图43电机减压启动控制程序电机运行因启动电压较大，故采用减压启动的方式，上式图43程序段即为按下正转反转按钮后电机的一段时间的减压启动，直至电机正常运转。猴车整个运行轨道中，沿途每隔80米分设紧急停车开关、过摆保护开关，来提防有特殊情况需要紧急停车，以保护人身安全。如下图44程序段所示，即为迎合此要求而进行的设计。此程序中沿途12个开关中只要有任一开关闭合，及触动过摆保护开关和紧急停车开关，即电机停止运行。图44停车开关、过摆开关控制程序图45系统报警装置控制程序系统中装有报警信号，即会在危险情况下鸣响警报，提醒工人危险和终止电机的运行，图45中的程序段就是在保证危险情况发生时，电机运行的同时报警警报鸣响。图46指示灯控制程序此段程序（如图46）对应的是在正转、反转时MP3定时播放，机头、机尾的越位灯得显示。图47气体传感器控制程序图47所示程序为气体传感器通过A/D转换单元把模拟量转换成数字量，从而在气体浓度超标时，即电动机停止运行，起到保护工人生命安全的作用。如图48此段程序是用来实现数码管显示紧急停车开关点位位置。当开关X8接通时，输出Y9、YA、YC、YD、YF接通即数码管显示数据值为2。如图48显示的梯形图，开关的位置是以煤矿上水平面作为起始参考点。同理，当X7接通时，输出YA、YB接通即数码管显示数据值为1；当X9接通时，输出Y9、YA、YB、YC、YF接通即输出值为3；图48数码管控制程序当XA接通时，输出YA、YB、YE、YF接通即输出值为4；当XB接通时，输出Y9、YB、YC、YE、YF接通即输出值为5；当XC接通时，输出Y9、YB、YC、YD、YE、YF接通即输出值为6。过摆保护开关接通时显示原理类似。43本章小结本章主要对本系统进行软件流程图的设计和程序的编写，并对程序梯形图的各个环节作以大概的简介，详细梯形图见附录。结论众所周知，猴车对于井下工作是非常重要的。例如在煤矿索道比较长的情况下，若工人靠步行上井和下井，则这就需要花费一段比较长的时间。如果采用猴车运人，不仅减少了工人上下井的时间，而且还可以为工人适当减少疲劳，为矿场带来经济效益。另外在全线路上设有传感器等一些保护系统，如与意外情况，系统紧急停车，使整个系统断电，制动器同时报闸制动，使系统更加安全可靠。本套系统在设计过程中，具体地分析了工作的环境和毕业设计要求。它以PLC为核心进行设计，它借助PLC强大而灵活的控制功能和智能A/D转换单元，实现了猴车安全、高效运行的要求；并且如在使用过程中发现问题，还可以根据需要灵活操作重新编程。该系统采用PLC控制减速机，按实际要求设定猴车运行速度，实现快速运人，乘坐人员低速安全下车，用PLC来控制A/D转换信号，适当减少由于瓦斯气体所做成的损失，提高煤矿的安全性。在设计过程中，由于个人能力的限制，系统还存在不完善的地方，需要进一步改进和优化，如座椅过摆保护开关有待于进一步提高。由于座椅未有多重加固故在电机启动和停止的过程中座椅会根据位置的不同会有不同程度的摆幅，而摆幅的大小又和乘坐人的体重关系，这就有了一定的不确定因素，因而体重轻的人可能会有着较大的摆幅，而体重重的人就可能会有时间较长的摆动，从而可能导致报警系统无故报警现象，这些方面的问题都在案记录并会在以后的学习和工作中逐步加强与完善。参考文献1周四六机电控制基础M北京化学工业出版社,200962袁任关实用电动机控制电路150例M北京机械工业出版社,20073马小军可编程控制器及其应用M南京东南大学出版社，20074成大先机械设计手册M北京化学工业出版业，200845周新年，郑丽风，邓盛梅等我国工程索道的发展与展望J福建林学院学报，20056单圣涤，汪斌，邓曼涯关于我国架空索道技术自主发展问题的探讨J森林工程，20037周新年架空索道理论与实践M北京中国林业出版社,20018孙宝元,杨宝清主编传感器及其应用手册M北京机械工业出版社，20049范永胜,王岷电气控制与PLC应用M北京中国电力出版社,200710施文有毒有害气体检测仪器原理和应用M北京化学工业出版社,2009,111刘子成猴车PLC自动控制系统J矿业快报,2005,612杨福新国外客运架空索道的进展J起重运输机械，200513张立忠我国矿山载人索道现状及其发展前景J中国索道，200214周博通机电控制基础M北京机械工业出版社，200415何希才，薛永毅传感器及其应用实例M北京机械工业出版社，200416常斗南可编程序控制原理、应用及实验M北京机械工业出版社，200817王庆武中国索道建设的现状与发展趋势J中国