毕业设计（论文）-基于PLC的矿井提升机保护与控制系统设计.doc

中 国 矿 业 大 学 本科生毕业论 文 姓 名： 学 号： 学 院： 应用技术学院应用技术学院 专 业： 电气工程及其自动化电气工程及其自动化 设计题目： 基于基于 plcplc 的矿井提升机保护与控制系统设计的矿井提升机保护与控制系统设计 专 题： 指导教师： 张晓张晓 职 称： 副教授副教授 20102010 年 6 月 徐州 中国矿业大学毕业设计任务书 学院应用技术学院应用技术学院专业年级 电气电气 06-106-1 班班 学生姓名 陈露露陈露露 任任务务下下达达日日期期：2010年年 3 月月 8 日日 毕业设计日期：毕业设计日期： 2010年年 3月月 10 日至日至 2010 年年 6 月月 15 日日 毕业设计题目：毕业设计题目：基于基于 plcplc 的矿井提升机保护与控制系统设计的矿井提升机保护与控制系统设计 毕业设计专题题目：毕业设计专题题目： 毕业设计主要内容和要求：毕业设计主要内容和要求： 1 1、 学习矿井提升机的结构、工作原理、工作流程等相关知识。学习矿井提升机的结构、工作原理、工作流程等相关知识。 2 2、 详细学习提升机电控系统的相关知识。详细学习提升机电控系统的相关知识。 3 3、 学习学习 plcplc 的相关知识。的相关知识。 4 4、 分析矿井提升机电控的需求，给出矿井提升机保护与控制的分析矿井提升机电控的需求，给出矿井提升机保护与控制的 功能定义。功能定义。 5 5、 设计基于设计基于 plcplc 的矿井提升机保护与控制系统。的矿井提升机保护与控制系统。 6 6、 翻译一篇不少于翻译一篇不少于 30003000 字的相关领域英文专业文献。字的相关领域英文专业文献。 院长签字： 指导教师签字： 中国矿业大学毕业设计指导教师评阅书 指导教师评语（基础理论及基本技能的掌握；独立解决实际问题的能力；研究 内容的理论依据和技术方法；取得的主要成果及创新点；工作态度及工作量；总 体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）： 成 绩： 指导教师签字： 年 月 日 中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书 评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识 解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程 度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）： 9 成 绩： 评阅教师签字： 年 月 日 中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书 评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识 解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程 度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）： 9 成 绩： 评阅教师签字： 年 月 日 中国矿业大学毕业设计答辩及综合成绩 答 辩 情 况 回 答 问 题 提 出 问 题 正 确 基本 正确 有一 般性 错误 有原 则性 错误 没有 回答 答辩委员会评语及建议成绩： 答辩委员会主任签字： 年 月 日 学院领导小组综合评定成绩： 学院领导小组负责人： 年 月 日 摘 要 矿井提升机被称为矿山的咽喉，是矿山最重要的电气设备。提升机运行的安全性与 可靠性对整个生产系统至关重要。 传统矿井提升机调速性能较差，在启停车、制动、逻辑控制等方面存在诸多安全问 题。随着计算机和 plc 技术的不断发展，采用先进的技术改造传统矿山行业的传统系统， 从而使矿井提升机的性能得到极大的改善，其自动化水平、安全、可靠性都达到了新的 高度，保证了提升机的安全运行。 本论文阐述了矿井直流提升机的分类、组成和工作原理。从解决实际矿井提升系统 存在的问题出发，给出了矿井提升机 plc 保护与控制系统的功能定义，包括行程控制、 安全保护和辅助系统控制。对 plc 系统进行了软硬件配置，并设计了 plc 软件，实现了 部分保护控制功能。控制系统采用了双线制保护策略，包括继电器安全回路和 plc 安全 回路。 论文对提升机电控系统的发展进行了展望。 关键词：矿井提升机； plc； 保护控制 abstract the mine hoist is intituled as the throat of mine, and it is the most vitalequipment in mine. the safety and security is the most vital to mine hoist. so, the security is the key to elevator. the electromotion change along with distance and energy, and the characteristic of electric power drive is very complex. the electromotion move frequently positive and negative, and always run pass load, and electromotion and apply the brake transform continually. along with the development and lication of computer and programmable logical controller, the controller of mine elevator come forth new visage, the level of automatization and safety and security arrived at the new altitude, and provided a new and modern manage and monitor means. this paper elaborated the classification of direct current mine hoist and its constitute and work principle. set out from the actual problem of mine hoist electricity controller system existence to solution. give the function definition of mine hoists plc protection and control system, including route of travel control, safe protection and assistance system control. softwave configuration and hardwave configuration of the plc system are completed ,and plc program was designed to achieve some protection functions. the highlight is illustrating the doubleline protection circuit of hoist which include the safety circuit of relay and the safety circuit of plc. the paper carried on an outlook to the development of mine hoist electricity to control system. keywords:mine hoist; programmable logic controller; protect and control 目 录 1 绪论.1 1.1 课题研究的背景 .1 1.2 提升机国内外发展现状 .2 1.3 课题主要研究内容.3 2 矿井提升机概述.3 2.1 矿井提升机的简介 .4 2.1.1 矿井提升机的分类.4 2.1.2 矿井提升机的主要组成部分及工作原理.5 2.2 矿井提升机的运行.7 2.3 提升机后备保护 .9 2.4 矿井提升机的传动方式10 3 矿井提升机 plc 保护与控制系统功能定义11 3.1 行程 plc 控制 11 3.1.1 速度给定方式分析12 3.2 保护系统 plc 控制 19 3.2.1 双线制提升机安全保护回路 .20 3.2.2 继电器安全回路 .21 3.2.3 plc 安全回路21 3.2.4 故障保护在 plc 中的实现 .22 3.2.5 plc 中的部分闭锁23 3.2.6 plc 控制液压制动系统24 3.2.7 其它保护措施24 3.3 辅助系统 plc 控制 24 4 矿井提升机 plc 保护与控制系统实现25 4.1 行程控制 plc 系统设计 25 4.1.1 提升行程控制 plc 硬件系统设计25 4.1.2 提升行程控制 plc 软件系统设计26 4.2 提升机 plc 操作保护系统设计 30 4.2.1 操作保护系统硬件配置 .30 4.2.2 操作保护系统软件设计 .31 4.3 辅助系统 plc 系统技术 33 4.3.1 plc 控制的主井提升信号和装、卸载系统33 4.3.2 plc 控制的副井提升信号和操车系统34 5 总结与展望35 5.1 全文总结 35 5.2 研究展望 36 参考文献37 翻译部分39 英文原文39 中文译文46 致 谢51 中国矿业大学 2010 届本科生毕业设计（论文）第 0 页 1 绪论 1.1 课题研究的背景 矿井提升机是矿井生产的主要设备之一，是矿山生产过程中的大型关键设备，是一 套复杂的机械电气机组，是煤炭生产运输的主要工具。其任务是用于升降人员和设备、 提升矿石以及下放材料等。他是沟通井下生产与地表生产运输的纽带。矿井提升机的工 作特点是在一定的距离内，以较高的速度往复运行，完成提升或下放任务。因此，矿山 提升设备应具有良好的机械特性、先进的控制设备和完善的保护装置。它的性能和安全 性直接影响采矿生产和工人生命安全，工作过程中一旦发生机械或电气故障，就会严重 地威胁矿井的安全，损坏设备，影响生产，甚至造成人身伤亡事故。虽然矿井提升机本 身有一些保护措施，但由于采矿作业的复杂性、环境的恶劣性和研究的局限性，有些保 护措施未达到预期效果，致使煤矿生产中仍有不少由于提升系统造成的重大人员伤亡和 设备损坏事故的发生，因此，素有“矿山咽喉”之称。随着技术的进步、现代化矿井的 建设和对人生命的重视，人们对矿井提升机的安全可靠性提出了更高的要求。 我国对矿井提升机的安全问题极为重视， 煤矿安全规程中对矿井提升机的性能参 数有明确要求。虽然矿井提升机本身有一些保护措施，但由于煤矿生产的复杂性、环境 的恶劣性和研究的局限性，有些保护措施未达到预期效果，一旦提升机没有按照给定速 度曲线运行，就会发生提升机超速、过卷事故，轻者造成楔形罐道、罐笼的损害，影响 矿井正常生产。严重的可拉倒井架，使得钢丝绳挫断、提升容器坠落和砸坏井筒内的机 电设备，从而造成重大人员伤亡事故和重大设备事故，给煤矿生产带来极大的经济损失。 当前，我国有一大批老的提升设备已经进入“损耗故障期” ，故障率增多，从而如果 要全部更新，经济负担很重，根本不可能。使提升机运行的可靠性和安全性不能得到有 效的保障。因此，开发一套简单实用的提升机保护控制系统是非常必要的。对原有提升 机保护控制系统进行升级换代。使提升机运行的可靠性和安全性得到提高。通过对提升 机的安全保护系统的研究, 利用现代控制技术和手段, 对各类提升机的安全保护系统进行 数控化改造, 使之具有必要的、完善的保护功能, 对确保提升系统安全可靠运行是十分必 要的, 对矿井提升机的安全运行具有非常重要的现实意义。 就计算机技术在工业现场应用情况而言，可编程控制器(plc)是目前作为工业控制最 理想的机型，plc 应用程序能够满足矿井提升机工艺控制要求，各项性能与指标都达到 原设计要求。取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器和计数器等硬件， 所以体积大大缩小，工作可靠性也大为提高。与继电器控制系统相比，控制功能更加合 理、完善，现场使用与操作更加方便、灵活，收到了良好效果。它是采用计算机技术、 按照事先编好并储存在计算机内部一段程序来完成设备的操作控制。采用 plc 控制，硬 件简洁、软件灵活性强、调试方便、维护量小，plc 技术己经广泛应用于各种提升机保 护控制中，配合一些提升机专用电子模块组成的提升机保护控制设备，可供控制高压带 动力制动或低频制动，单、双机拖动等。操作、监控和安全保护系统选用可编程控制器。 主控计算机应用软件能完成提升机自动、半自动、手动、检修、低速爬行等各种运动方 中国矿业大学 2010 届本科生毕业设计（论文）第 1 页 式的控制要求。 1.2 提升机国内外发展现状 国外研制矿井提升机监控系统始于 20 世纪 60 年代，在提升机状态监控方面水平较 高。特别是对闸控和速度监控等一些重要保护环节，设计更加合理，有些环节设置双重 保护，如过速保护，过卷保护等。这些监控保护措施，对提升机的运行安全都是可靠的 保证。下面简单介绍一下瑞典、德国和法国的提升机速度监控系统。 瑞典的提升机速度保护功能齐全，系统可靠，能实现全自动开车。以单罐笼带平衡 锤提升机为例，这种提升机配备有显示、监控、安全保护等电路。如： (1)制动系统故障保护：当制动闸发生故障，闸衬磨损、闸盘变形、低油位以及制动 油泵、冷却风扇电动机过负荷等故障出现时均产生紧急停车； (2)全程的过速保护电路：包括加速区和全速区的过速保护，自动减速区的过速保护， 爬行速度区的过速保护，当提升机在井筒中任何位置，速度超过额定速度的 15%时，过 速继电器动作，产生紧急停车。在爬行段当速度大于 2m/s 时，爬行继电器动作； (3)钢丝绳保护电路：包括对钢丝绳速度、打滑等的监控； (4)自动起动、运转电路：包括起动信号、自动起动控制、自动减速以及上/下运行控 制、停车电路等部分； (5)提升机监控器：监视提升机在井筒中各个部位的运行状态，从而发出各种相应的 指令，控制提升机安全可靠地运行。 德国西门子公司全数字式提升机拥有世界上先进的数字驱动系统。它有如下特点： 第一，紧急制动时的恒减速功能，第二，提升钢丝绳张力的动态监视功能，第三，提升 系统及设备的动态显示和故障自诊断功能。主要由监控站，控制处理站，编程器和通讯 总线四部分组成。控制处理站可实现本系统的逻辑过程控制功能和模拟量的检测，运算 和调节功能。监控站的主要作用是通过与控制处理站的总线联络通讯，将控制处理站采 集到的控制系统设备的状态信息输入到监控站中，通过已编制好的显示程序，以图形、 表格形式动态地显示在显示器上，同时还可以通过操作键对对在程序中设定的操作量进 行手动修改，以便进行设备的调整和试验。监控站的显示功能齐全，如： (l)主要数据显示：显示提升机的主要运行参数； (2)概貌显示：显示提升机的状态，实际控制方式，主要模拟信号，报警指示，故障 及停车等数据； (3) ak 显示：显示提升机控制系统，保护系统，变流器以及手动紧急停车按钮工作 状态的数据； (4)提升机保护功能试验显示：此显示供进行提升机保护功能试验时使用，在该项显 示上进行保护选择，并显示试验结果。显示功能包括接地故障监控，过速，减速段过速， 过卷及制动五种； (5)绳张力显示等 14 种显示功能，使用户一目了然。 法国的提升机对于安全保护的设置更加完善，设计的安全保护有 60 多种，按照对提 升机的保护作用，分为三个系统。 系统一，包括液压站故障，制动控制电路的故障以及速度控制系统的故障等。当这 中国矿业大学 2010 届本科生毕业设计（论文）第 2 页 些故障出现时，均对提升机施加机械的(制动闸)或者电气的(晶闸管逆变制动)制动力矩， 控制提升机紧急停车； 系统二，包括提升机监控器，电枢整流器系统的电气故障等，这类故障出现时对提 升机施加制动力矩，使之紧急停车； 系统三，包括盘形闸控系统，调零系统，电源的接地保护以及电机，变压器超温保 护等，这类故障出现时，提升机不需要紧急停车而只是切除基准速度信号，让提升机自 动减速停车。另外在安全回路中，这些故障均设有旁路开关，当这些故障出现时，可以 闭合旁路开关，将提升容器提升到井口，再做处理。 我国也有一些大型矿井引进了国外的提升系统，但由于国外公司都有技术保密制度， 其核心技术(如程序等)无法掌握，在使用、维修和零部件的供应上都受到限制。而对于大 多数的中小煤矿来说，其系统高昂的价格也使难以承受的。 国产的矿井提升机经过广大技术人员的努力，电气传动系统也已经有了很大的发展， 但在技术水平上还落后于国外同类产品的水平。电控系统主要以 tkd 交流拖动为代表， 主令操作及故障监控仍采用传统的继电器控制线路，每台提升机需要数百个甚至上千个 触点的继电器，系统可靠性差，故障率高，且不易维修，数目众多的控制线要和各种动 力电缆通过狭小的井筒空间并行下井，安全性差，电磁干扰大。 为了弥补这个薄弱环节，保证提升机的安全运行，自九十年代以来，国内开展了提 升系统安全监控的研究工作，全国近十余厂家先后研制了提升机综合后备保护装置， “ tjhb-11 型矿井提升机微机后备保护装置” 、 “kta-up 系列矿井提升安全监控系统装置” 、 “ wkhb 型微机控制绞车后备保护装置” 、 “m12-3b 提升机综合后备保护仪”等一批提 升机监控装置应运而生。 1.3 课题主要研究内容 本论文阐述了矿井直流提升机的分类、组成和工作原理。从解决实际矿井提升系统 存在的问题出发，给出了矿井提升机 plc 保护与控制系统的功能定义，包括行程控制、 安全保护和辅助系统控制。对 plc 系统进行了软硬件配置，并设计了 plc 软件，实现了 部分保护控制功能。控制系统采用了双线制保护策略，包括继电器安全回路和 plc 安全 回路。 论文最后还对提升机电控系统的发展进行了展望。 2 矿井提升机概述 矿井提升机是矿井生产的重要环节，矿井提升的主要任务是将有用矿物或矸石从井 下提到地面，将材料、设备和人员运往井下，或从井下运到地面。它在矿井生产中占有 极其重要的地位。矿井提升是井上下运输的咽喉。为了保证生产和人员的安全，提升系 统设备和运行必须安全可靠，一旦发生故障，不仅使全矿生产陷于停顿，而且可能造成 严重的人身事故。 中国矿业大学 2010 届本科生毕业设计（论文）第 3 页 2.1 矿井提升机的简介 2.1.1 矿井提升机的分类矿井提升机的分类 矿井提升机系统设备有两大类组成。一类为机械设备，包括：减速器、井架和装卸 载机构；另一类为电气及控制设备，包括：主拖动电动机（直流或交流） 、电控系统以及 制动装置等。 国外矿用提升机的研究比较先进，并能及时地将研究的成果运用到矿用提升机的实 际生产中。自 1827 年德国制造出第一台蒸汽提升机以来，矿井提升机大体分为两种形式， 一种为缠绕式提升机，另一种为摩擦式提升机。目前广泛使用单绳缠绕式提升机和多绳 摩擦提升机。我国的提升机的分类（按提升机类型分）主要如下： 可分离式单卷筒 单绳缠绕式 缠绕式提升机 双卷筒 多绳缠绕式布雷尔式（blair） 矿井提升机 单绳摩擦式塔式 摩擦式提升机 多绳摩擦式落地式 缠绕式提升机和摩擦式提升机二者都可以用于主井或副井提升。6另外，根据不同的 出发点，矿井提升设备还有以下几种分类方法： 1、按用途可分为 a、主井提升设备，提升煤炭或矿物； b、副井提升设备，用来引降人员、材料、设备和矸石，也称辅助提升，完成辅助升 任务。 2、按提升容器可分为： a、箕斗提升设备，用于主井提升，采用箕斗提升，由于装卸载快，所以生产率高， 一都采用底卸式，当箕斗运行到卸载曲轨时，通过装在扇形闸门上 的导轮，将扇形闸门打开，煤自动从箕斗底部流入煤仓； b、罐笼提升设备，大型矿井用于副井提升，小型矿井也可兼作主井提升用。它是将 矿车推人其中，需要井底车场和地面车场。罐笼主要用于上下人员、 材料、设备或扦石，也可用于提升有益矿物。 3、按拖动方式可分为： 中国矿业大学 2010 届本科生毕业设计（论文）第 4 页 交流提升设备和直流提升设备(其中又有电动一发电机组供电与可控硅供电之分)。 4、按井筒的角度可分为： a、立井提升设备，提升容器在井中做上下往复运动，具有位势负载性质。 b、斜井提升设备，可采用斜井串车提升，即采用矿车作为提升容器。也可采用斜 井箕斗提升，具有生产能力大、装卸载自动化等优点。还可采用 斜井胶带运输提升，具有安全可靠、运输量大等优点。 c、露天矿斜坡提升设备。 2.1.2 矿井提升机的主要组成部分及工作原理矿井提升机的主要组成部分及工作原理 矿井提升设备的主要组成部分有：提升容器、提升钢丝绳、提升机(包括机械及拖动 控制)、井架或井塔以及装卸设备等，这些设备构成了矿井提升系统。一般的矿井提升机 都有两个提升容器，并且两个提升容器在矿井中做方向相反的直线运动，即一个提升容 器以一定的速度上升时另一个提升容器以相同的速度下降。矿井提升系统也可分为两大 类，即用以提升煤炭、矿石的主井箕斗提升系统和完成其它辅助任务的副井罐笼提升系 统。矿井提升机的系统并非只是上面所示的提升机部分，它还包括润滑系统、机械传动 系统、观测与操纵系统、拖动控制和自动保护系统以及制动系统等。 1)润滑系统：在提升机运行过程中不间断的给轴承以及齿轮啮合面压送润滑油，保证 轴承和齿轮的正常工作。 2)机械传动系统：由减速器和连轴器组成。减速器用来减速并传递动力;连轴器用来 连接提升机的旋转部分，并向其传递动力。 3)观测与操纵系统：包括操作台、深度指示器等装置。其中深度指示器可以显示提升 容器的所处的深度位置。 4)拖动控制和自动保护系统：包括主拖动电机和微拖动电机、电气控制系统以及由 plc 控制的保护系统。 5)制动系统：一般都是液压制动系统，包括制动器和液压传动装置两部分。制动系统 的功能就是使提升机卷筒刹车，停止提升机的运行，它的可靠性直接关系到提升机的安 全运行33。制动系统不但需要在提升机停车时牢固的闸住提升机卷筒，还需要参与提升 机的速度控制，保持提升运行的速度不偏离预设的数值，同时在双滚筒提升机中，制动 系统还被用来调节钢丝绳的长度8。熟悉矿井提升机的结构和工作原理，对于确保提升机 的安全，防止和杜绝故障及事故的发生具有重大意义。下面简单介绍一下提升机的结构 及其工作原理。 单绳缠绕式提升机的工作原理如图 21 所示。提升机安装在地面的提升机机房里， 中国矿业大学 2010 届本科生毕业设计（论文）第 5 页 图 21 单绳缠绕式提升机工作原理示意图 1 卷筒；2 钢丝绳；3 天轮；4 提升容器；5 平衡尾绳 钢丝绳一端固定在卷筒上，另一端绕过天轮后悬挂提升容器，卷筒上固定两根钢丝绳， 并应使每根钢丝绳在卷筒上的缠绕方向相反。这样，当电动机经过减速器带动卷筒旋转 时，两根钢丝绳便经过天轮在卷筒上缠上和缠下，从而使提升容器在井筒里做上下运动。 单绳缠绕式双卷筒提升机具有两个卷简，每个卷筒上固定一根钢丝绳，并应使钢丝 绳在两卷筒上的缠绕方向相反，其工作原理和特点与单卷筒提升机完全相同。单绳缠绕 式提升机的一个特点就是需要用较粗的钢丝绳缠绕在卷筒上，这就要求卷筒必须具备一 定的绕组表面积，以便能容纳下根据井深或提升高度所确定的钢丝绳悬垂长度。单纯缠 绕式提升机的规格性能、应用范围和机械结构等，都是由这一特点来确定的。目前我国 浅井及中等深度的矿井多使用单绳缠绕式双滚筒提升机。其为不平衡提升系统。 多绳摩擦式提升机如图 22 所示，由于使用了数根钢丝绳代替一根钢丝绳，钢丝绳 的直径变小了，摩擦轮的直径因而变小，但由于有钢丝绳的根数增加，所以摩擦轮的宽 度相应的也要增加。多根钢丝绳连接在两个容器之间，分别绕过摩擦筒 1 和天轮 2，通过 摩擦筒的转动来带动容器提升或者下放。与单绳缠绕式相比较，钢丝绳与摩擦筒的直径 都有明显的减小27。由于多绳提升系统具有突出的优点，目前被广泛采用。 中国矿业大学 2010 届本科生毕业设计（论文）第 6 页 图 22 多绳摩擦式提升机工作原理示意图 1、卷筒 ；2、天轮 ； 3、钢丝绳 ；4、提升容器 2.2 矿井提升机的运行 矿井提升设备的工作过程是提升容器在井筒中往返运动的过程，通常以提升容器的 运动速度与时间的关系来表示其运动规律，称为速度图6。图 23 为提升机的五阶段速 度图。 图 23 五阶段速度图 中国矿业大学 2010 届本科生毕业设计（论文）第 7 页 （1） 加速阶段 tl：两个提升容器离开卸载曲轨，以较大的加速度 al 运行，直至 最大提升速度 vmax。 （2） 等速阶段 t2：此阶段中两个提升容器以不变的速度 vmax、在井筒中运行。 （3） 减速阶段 t3：此时上升的提升容器己接近井口，下降的提升容器接近装载 点，应该减速，减速度为 a3，直至速度降至 v4。 （4） 爬行阶段 t4：此时提升容器进入卸载曲轨，为了减少冲击，容器以低速 v4 进行“爬行” 。 （5） 停车休止阶段 t5：此时提升机刹车，停止运行。 提升机的运行情况，如图 24 所示： 图 24 提升机运行情况示意图 矿井提升机的运行特点有： （1） 具有周期性 在时刻，提升机启动，容器 a 开始上提、容器 b 开始下放，到时刻提升机由静 1 t 2 t 止加速到最高运行速度，当运行到时刻时，提升机开始减速，到时刻速度降至 m 3 t 4 t 爬行速度，爬行速度是为了使容器准确停在需要的位置而设置的。当达到时刻时，容 5 t 器 a 到达最终位置，提升机停车，而容器 b 到达井底，下一次提升是容器 b 按照上述速 度图运行，如此按一定规律，往返周期运行。 （2） 电动机存在两种运行状态 根据电动机负载情况的不同，电动机轴上的受力方向有时与容器的运动方向相反， 如向上提升重物，就需要电动机发出拖动转矩，即为电动状态，我们称之为正力。有时 轴上受力的方向与容器运动方向相同，如提升机下放重物，此时为了限制下放重物的速 度，可采用制动状态，使电动机发出转矩的方向与重物方向相反，我们称之为负力。 （3） 绕线型感应电动机转子回路串电阻交流拖动系统在减速阶段电动机的运行状态， 中国矿业大学 2010 届本科生毕业设计（论文）第 8 页 可能有三种情况：自由滑行、负力减速、正力减速。 自由滑行。减速时，电动机从电网断开，电动机的拖动转矩为零，系统在阻力作用 下逐渐减速。 负力减速。减速时，使电动机产生的力矩的方向与运动方向相反，此时电动机工作 在制动状态，保证系统按照要求的减速度进行减速。 正力减速。此时电动机仍处于电动状态，只不过产生的转矩小于负载转矩，以使提 升系统按要求的减速度减速，避免减速度过大。 （4） 加速度、减速度的限制 由于提升系统存在有绳索（弹性环节） ，多数情况下还存在着减速器齿轮间隙，加速 度过大，则会产生过大的机械震动应力，对机械有害。 煤矿安全规程规定，当升降人 员时，加速度不得大于 0.75m/，而在主井提升中，一般根据设计规定，加、减速度也 2 s 最好不大于 1.2m/。近年来，为了改善钢丝绳在启动、制动过程中可能出现的动态张力， 2 s 采用变加速度控制，或称加速度变化率限制，这样就可以在加、减速阶段减小冲击，同 时也可减小钢丝绳的摆动。 2.3 提升机后备保护 矿井提升机本身带有一些保护装置，但由于监控方法和手段的局限性以及矿井中相 对恶劣的环境，常使这些保护装置失效，人们为了增强对提升机的保护，做出了许多尝 试，经理论与实践的证明，为提升机增加一套后备保护装置是提高其安全性的非常有效 的方法国内外的后备保护装置产品有许多种9，但其都具备以下的后备保护功能: l)显示功能 提升容器位置(深度、斜坡长)显示对容器在井筒中运行位置进行动态显示。 速度显示动态显示提升容器在整个过程中的瞬时速度。 提升次数显示自动记录显示提升机次数。 2)保护功能 等速段超速保护在等速段的瞬时速度超过最大提升速度巧%时，保护仪发出声光 报警信号，并发出制动信号。 自动减速容器到达减速点时，保护装置发出自动减速控制信号并有声光提示。 减速段保护在减速段对提升机瞬时速度实行包络线保护，近井口实现限速保护。 深度指示器失效保护深度指示器失效后，保护装置发出声光报警信号，并且在接 近井口时发出制动信号。 卡箕斗保护当提升箕斗卡阻时发出保护控制信号，并伴有声光报警。 过卷保护过卷保护是矿井提升机所有保护中的最后一道安全保护，在矿井提升机 前面的安全保护失灵后，过卷保护发挥作用，实施安全保护。当提升容器超过正常 终端位置的 0.5 米时，发出制动信号并有声光信号提示。 3)打印功能 可用打印机将存入保护装置内的数据打印出来。 目前国内提升机后备保护装置主要都是基于单片机、plc(可编程控制器)或工控机为 核心。用这些方法在开发装置时，其软、硬件方面都要花费相当大的人力、物力和 中国矿业大学 2010 届本科生毕业设计（论文）第 9 页 时间，特别是国内的一些后备保护装置，人机界面不友好，功能不够完善，灵活性 欠佳，可操作性不好，同时易外界环境的干扰，需要改进35。 2.4 矿井提升机的传动方式 矿井提升系统是矿井生产中极其重要的环节，它的正常运行与否直接影响到矿井的 产量。对于提升机传动方式的选择，必须在满足矿井生产工艺要求即满足各种可能出现 的运行速度图的前提下，对各种可能的传动方案进行技术经济比较后，选择最合理的一 种传动方式。 我国在 20 世纪 5060 年代，一般采用交流传动方式。交流传动的最大优点是：技 术比较简单，设备及安装费用低，占地面积小，运行维护容易。但它的最大缺点是：电 气调速性能差，在减速和爬行阶段需要另外增设传动装置，如动力制动、低频传动以及 晶闹管串级传动等，虽然调速性能得到了改善，然而设备投资和系统的复杂性也增加了。 由于交流传动受主电动机和控制设备制造容量的限制，所以，对要求提升容量大、速度 高的大型矿井，一般采用直流传动装置。 我国进人 20 世纪 70 年代后，矿井的规模愈来愈大，年设计生产能力为 300 万 t、400 万 t 或 500 万 t，甚至更大。特别是对于一些井深 600 m 以上的矿井，要求装载容 量大、提升速度高，箕斗容且从 12t、18t 增大到 32t，提升速度从 6m/s、8m/s 提高到 14m/s，甚至还高，对于提升自动化的水平要求也愈来愈高，因此，原来的交流传动已远 远不能满足需要，必须采用直流传动方式。 直流传动的最大优点是：调速平滑稳定，调速范围宽，容易实现提升自动化。因为 电动机的转速几乎与提升负载无关，在低速范围内也能稳定运行。负力减速时可将机械 能转换为电能返回电网。它的缺点是建设投资大，基础费用高。 直流传动方式又分为发电机电动机传动和晶闸管变流器电动机传动两种，两者 相比，晶闸管变流器电动机传动又具有动作速度快、可靠性高、维护工作量小、故障 少、运行效率高、体积小、重量轻和占地面积小等优点。它的缺点是对交流电网的无功 冲击大，因而产生较大的启动压降；它的高次谐波会引起交流电网电压正弦波形的畸变， 干扰其他用电设备；运行功率因数低；等等。但如对变流器采取特殊接线方式，电枢回 路用两组晶闸管桥串联，采用“顺序控制”方法可以提高功率因数，特别是系统中配置 无功补偿和谐波吸收装置后，将大大削弱晶闸管整流装置对交流电网的无功冲击和谐波 污染，为此，晶闸管交流变流器供电的直流传动装置具有广阔的前景。 20 世纪 70 年代后期，我国煤炭系统从瑞典、德国、法国、波兰等国引进了多台晶闸 管变流器供电的直流提升机，其中有一批为建井期间施工用提升机。 随着晶闸管变流器供电传动技术的引进和发展，国内也进行了设计和制造，并取得 了良好的效果。目前晶间管元件的容量已发展到 4000 v，3000 a 以上，直流快速断路器 的容量已扩展到 6000 a 以上。 随着世界电力半导体技术和交流同步机传动的开发和生产，矿井提升机传动装置又 向交流传动方式发展。目前我国大容量交-交变频器和交-直-交变频器供电的交流同步机 传动系统已经被普遍引进，全数字化的自动化提升机已经成为当今矿井提升技术的发展 方向。 中国矿业大学 2010 届本科生毕业设计（论文）第 10 页 矿井提升机全自动化运行的实现将极大的提高系统的可靠性、运行效率，以及控制 的精确性，减少人为因素的影响，使主提升系统成为具有自动判断、显示故障，自我调 整运行速度，多重互锁和后备保护，实现远程监测等全自动化、智能化的控制系统。为 矿山进一步实那数据采集离散化、设备控制智能化、调度操作集中化、生产管理信息化、 办公管理自动化等综合自动化矿井打下坚实的基础 3 矿井提升机 plc 保护与控制系统功能定义 控制系统功能有主令操作控制和保护监视控制。 主令操作控制包括：对系统迸行管理，实现提升机与操作台之间的指令传递，向提 升系统发出相应的指令，并改变相应电控系统的工作状态，使提升机按照预定的力图和 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。pic 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。 保护监控控制主要包括：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，通过报警回路报警或安全回路实现抱闸停车保护。 3.1 行程 plc 控制 矿井提升机与所有的运输设备一样，其工作目标是把被运输物体从原始出发点运输 到目的地，即从一个提升水平(例如 a)运至另个提升水平(例如 b)。实质上就是位置控 制,保证提升容器在预定地点准确停车。因此对控制系统而言，它是一种对被控对象“位 置变化”的控制。为保证提升机运行安全、准确、经济、高效，当提升机运行位置变化 时，其速度也应做相应的变化。 在实际工作中，实现提升机从 a 水平至 b 水平的运输时，其速度一般要经过初加速、 正常加速、等速、减速和低速爬行五个阶段的变化，要完成提升机运行速度的控制，则 必须有一个按上述要求确定的可靠的速度参考信号，即调节系统中的“速度给定信号”， 才能保证安全可靠和准确高效地完成提升仟务。 行程监控 plc 的主要功能是：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, 自动产生提升机所需的速度给定信号 即运行曲线, 为了尽减少起动、制动过程中的机械冲击, 提高提升机控制精度, 速度给 定信号的加速、减速段为“ s” 型曲线, 减速段行程通过 plc 实际运算来调节减速度以 保证减速段为一固定值, 从而保证了停车点不变和停车点的精度。此外行程监控还将轴 编码器信号经软件计算后处理成罐笼在井筒中的位置和在线速度,送到操作台监视器显示, 此外还产生包络曲线对提升机的速度进行连续监视11。 中国矿业大学 2010 届本科生毕业设计（论文）第 11 页 3.1.1 速度给定方式分析速度给定方式分析 目前提升机采用的给定方式有两种：一是给定速度为时间的函数(vf(t)，简称时 间给定，其给定速度图如图 31(a)所示；二是结定速度为行程的函数(vf(s)，简称 行程给定，其给定速度图如图 31(b)所示。 当调速系统的机械特性具有足够的硬度时，这两种给定方式效果基本是一样的，仅 当调速系统的静差率较大，负载的波动较大(例如副井)时，这两种给定方式的效果就有 差别。 为了改善提升系统的运行性能，近年来在速度给定电路中增加了加速度变化率限制 环节，即不但要限制加速度 a，而且还要限制加速度的导数 da/dt，为了使提升系统更加 安全可靠地运行，有的提升机速度给定电路中采用行程给定和时间给定串级连接。但这 种电路设计复杂、参数调整不易，因而为了获得理想的速度给定曲线，现已采用计算机 软件来实现速度给定信号的计算。 （a）时间给定速度图 （b）行程给定速度图 图 31 提升机给定速度图 （1）时间给定方式 对于时间给定方式，我们分析以下两种情况：一是在负载波动时，若系统的静差率 较大，其实际速度是波动的；二是在提升运行最大速度较低时，其减速段运行时间有明 显变化。在这两种情形下，提升机运行在减速段的行程距离是变化的。下面举例说明。 中国矿业大学 2010 届本科生毕业设计（论文）第 12 页 图 32(a)中的曲线所示的是全速 vm10 m/s、减速度 a21.0 m/s、爬行速度 vp0.4 m/s 的给定速度图。在提升重物时，实际运行的速度 v19.8m/s，实际运行的 速度图如图 32(a)中的曲线所示。 由图 32(a)可以看出，在减速段，实际上运行距离比给定速度图少运行 ae 段(忽略 爬行段的速度偏差)。而 ae 段折合的运行距离h 为： h=tvv ea )( 2 1 式中 ta 点减至 e 点所需时间，t(10-9.8)/1.0=0.2s 2 / )(avv ea 则： h=（10+9.8）0.2=1.98m 2 1 由于减速点 a 到停车点 e 的距离是一点的，减速段距离减少 1.98m。一般爬行速度 vp 很小，在 0.30.5m/s 之间，那么会使爬行段的运行时间增加好几秒，致使提升周期延 长，提升能力降低。 若为下放重物，在等速度段的实际速度大于给定速度 vm,实际运行速度图如图 3 2(b)中的曲线所示，曲线 i 为给定速度图。若实际运行时全速为 10.2m/s，则在减速段， 实际上比给定速度图多运行了 ce 段。经分析 ce 段的距离为 2.02m。 由于减速段多运行了 2.02m，则爬行段距离就减少了 2.02m，为了尽量缩 (a) 提升重物 （b）下放重物 图 32 时间给定方式下的偏差分析 中国矿业大学 2010 届本科生毕业设计（论文）第 13 页 短提升周期，一般爬行距离仅有 23m，若调速系统的静差率再大一些，则有可能在停车 时速度仍较高，以致停车时因速度过高而产生机械冲击，或停车不准确，甚至造成上提 过卷，给提升机的安全运行造成不安全因素。 时间给定的特点是在任何情况下不论提升速度大小，减速度 a 都是恒定的，这就形 成了不同提升速度下减速曲线差别很大。如果速度图是按最大速度下最短周期的情况设 计的，则在速度较低情况下运行时减速段缩短，将有很长段爬行距离，大大延长了提 升时间，如图 33 所示。 图 33 时间给定速度图 仍如上例，提升机设计速度 vm10.0m/s，减速度 a 1.0 m/s ，爬行速度 vp = 2 2 0.4 m/s，若按最大速度下最短周期的情况考虑，则减速点到停车点距离s = =50 m，运行时间 t10 s。 2 2 2/ avm 2 /avm 当提升机以5.0m/s 运行时，可以计算出减速点至爬行点的距离为： 1m v s = =12.34 m 2 22 1 2a vv pm 减速点至爬行点的时间为： = 4.6 s 2 1 12 a vv tt pm 爬行距离：s2s - sl37.66 m 爬行时间：t4 t2s2/vp94.15 s 顶速点至停车点运行时间：tt4t198.75 s 由以上计算结果可以看出，时间给定方式在最大提升速度较低的情况下升循环周期 大大延长，从而也就降低了提升设备的生产效率。 （2） 行程给定方式 行程给定就是按行程原则产生速度给定信号，过去通常是采用汽轮板给定方法，即 由凸轮板控制自理角机的输出电压。目前已有不少系统采用电子线路(例如 siemens 公司 产品)或计算机(例如原 aeg 公司产品)来实现按行程原则产生速度给定信号，即首先通过 中国矿业大学 2010 届本科生毕业设计（论文）第 14 页 轴编码器检测提升行程，然后根据行程及期望的速度图，由电子线路或计算机产生速度 给定信号。 对于行程给定方式，当负载变化时，若系统的静差率较大，则在减速阶段的实际速 度也是波动的，但是减速距离变化很小，下面举例说明。 若给定的等速段速度 vm10 m/s，减速度 a21.0 m/s2，爬行速度 vp0.4 m/s， 给定的速度图如图 34 中的曲线 i 所示。 （a）提升重物 （b）下放重物 图 34 行程给定方式的误差分析 在提升重物时，实际运行的速度图如图 34(a)中的曲线所示(忽略爬行阶段的速 度偏差)。设定的爬行距离为 bf 段，但实际的爬行段为 df 段，致使爬行距离增加了 db 段，若等速段的实际速度 vc=9.8 m/s。速度偏差为 0.2 m/s。在 d 点时的实际速度为 0.4，而在给定速度图中此点的速度 vc=0.6 m/s，速度偏差也为 0.2m/s。经计算，速度 从 0.6m/s 下降到 0.4m/s 时所需的时间为 0.2s，则 db 段距离为： h（0.4+0.6）0.2=0.1 m db 2 1 )( 2 1 tvv be 在下放重物时，实际运行的速度图如图 34(b)个的曲线所示(忽略爬行段的速度 偏差)。设定的爬行段为 bf，但实际的爬行段为 df，致使爬行距离减少了 bd 段。若在等 速段的速度 vc10.2 m/s，经计算，bd 段的距离为 h0.1m。 db 显然，当负载波动时爬行段的距离基本不变，由此可见，行程给定方式比时间给定 方式优越。 对于行程给定方式，下面就最大运行速度变化时做一分析，并和时间方式下的控制 性能比较。假设本次开车最大速度值，如果还强行按照原最大速度 km 设计的行 1m v m v 程给定作为提升机的速度给定信号，则会在减速点处速度给定信号发生一个大幅值方向 的跳变，这是提升机运行工艺所不容许的。因此，这里所采取的行程原则是提升机到减 速点后，并不立即减速而是等待一段时间，当检测到实际减速值时，才升始减速，这就 相当于根据等速段的实际速度值把减速点适当后移。对这种行程给定原则，我们做一简 单计算。 仍如上例，vm10 m/s,a21.0 m/s 。减速点到停车点距离50 2 2 2 m 2/vas 减 m，减速运行时间，10 s。 2m/ vat 减 时间段间隔： 2 t 4 t 中国矿业大学 2010 届本科生毕业设计（论文）第 15 页 savtt m 5/ 2124 段内行程： 4 t 2 t 4