（电力电子与电力传动专业论文）矿井提升机数字监控器的研制.pdf

s u b j e e t ：s t u d y o nt h ed i g i t a lm o n i t o r i n gd e v i c eo f - , m i n ee l e v a t o r s p e e i a l 锣：p o w e re i e e t r o l l i e s & lo w e rd r i v e r s n a m e：l i uz l a i m i n g i n s t r u c t o r x uj u n a b s t r a c t ( s i g n a t u 呐鱼丝缘 ( s i g n a t u 哟丕町唑 t h em i l l ee l e v a t o ri si n s t i t u t e da st h et h r o a to f m i l l e a n di ti st h em o s tv i t a le q u i p m e n ti n m i n e t h ee l e v a t o rc h a n g ea l o n gw i t hd i s i 皇n c ea n de n e r g y , a n dt h ec h a r a c t e r i s t i co fe l e e l r i e p o w e rd r i v ei sv e r yc o m p l e x t h ee l e e l z o m o t o r1 m 0 v ef r e q u e n t l yp o s i t i v ea n da c t i v e , a n dr i m p a s sl o a da n de l e c t r om o t i o na n da p p l yt h eb r a k et r a n s f o r me o n t i n u a n y 1 h es a f e t ya n d s e c u r i t yi st h em o s tv i t a lt oe l e v a t o r s o ，t h es e c u r i t yi st h ek e yt oe l e v a t o r t h et r a d i t i o n a l e l e v a t o r m o n i t o r i n gs y s t e mo fm i l l e , w h i c ha d o p t sd o u b l ee o n n o lb yd i s cc a mb o a r d m e c h a n i s ma n dt h ej o w 硪铲s p e e di sg e t t i n gb e h i n di nt h et e d m o l o g ya n dp r e c i s i o na n di s f a l l i b i l i t y , a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no f c o m p u t e r a n d p r o g r a m m a b l el o g i c a l c o n l t o l l c r , 地- p l a e i n gt h et r a d i t i o n a lm a e l a i n e r ym o n i t o r i n gs y s t e m , t h em o n i t o r i n gc o n t r o l l e r o fm i n ee l e v a t o rc o m ef o r t hn e wv i 鞠g e ，t h el e v e lo fa u t o i m m u n i z a t i o na n ds a f e t ya n d s e c u r i t ya r r i v e da tt h en e w a l t i t u d e i nt h es y s t e m a t i cd e s i g no f t l a em i n eo f m o n i t o r i n go f e l e v a t o r , 锄a l y z i n gt h ei n f e c t i o no f c o u i s cc h a r a c t e r i s t i co f t h e m i n ee l e v a t o rb yd i f f e r e n tr u n n i n gc 珊v e ，d i s c u s s e su s i n gt h ei d e a l m i n i n ga 叫v ci nt h em i n ee l e v a t o ra n df o u n d i n gam a t hm o d e lo fi d e a lr n i n ga l r v e ：i t a d o p t sd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a la d v a n c e dp l cc o n t r o lt e e l m o l o g ya n dt o u c h i n gs c r 蝴 t e e l m o l o g yt or e p l a c et h et r a d i t i o n a la n dt h eb a c k w a r dm a c h i n e r ym o n i t o r i n gs y s t e m ； a d v a n c e di n d u s t r yc o n t r o lc o m p u t e ra 坞u s e dt dm o n i t o ra n d m a n a g et h ec o u l 麓o f e l e v a t o r l o c a ld e b u g g i n ga n dr u n l l i n gl 璐t t l ti n d i c a t et h a tt h es y s t e mi sc r e d i b l e ，t h ep r e c i s i o no f e o n l r o li sh i e , h , a n dc 缸f u l f i l lr e q u i 瑚o f t h el o c a lm a n u f a c t u r e k e y w o r d s ：m i n ee l e v a t o rc o m p u t e rc o n t r o l t r a v e lc o n t r o lt e c h n o l o g y 西要料技丈学 学位论文独创性说明 本人郑重声明；所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 学位论文作者签名：二1 畚硝日期；2 一7 6 2 ，o 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版本人允许论文被查阅和借阅学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学 保密论文待解密后适用本声明 学位论文作者签名：j , i 五允指导教师签名：v 、- t 哥 指导教师签名： 肖 哆年f 月沙日 1 绪论 1 绪论 1 1 论文选题的背景 矿井提升机是煤炭、有色金属矿石等生产过程中的大型关键设备，提升机主要用于 升降人员和矿石、煤炭等，其性能和安全可靠性直接影响着煤炭、矿石的生产及其作业 人员的生命安全，一旦发生事故必然导致人员伤亡和设备的严重损坏，矿山正常生产中 断，造成重大的经济损失，素有“矿山咽喉之称。随着现代科学技术的进步、现代化矿 井的建设、对作业人员生命的更加重视以及矿井设备的保护，对矿井提升机的安全可靠 性提出了更高的要求。近年来，我国有关部门在提升机安全方面做了大量工作，使矿井 提升机设备的安全可靠性有了长足进步，并将“可靠性系统工程”的理念引入了矿井提升 机领域。与之相适应，提升机对其电控系统安全可靠性的要求也愈来愈高。因此，在设 计矿山提升机时，总是把提升机的安全性、可靠性放在首要位置。就其本质而言，提升 机电控系统的高可靠性主要表现在两个方面：一是电控装置本身质量好，故障率极低； 二是电控系统出现故障后应能根据故障性质及时进行保护，并能对故障内容进行记忆和 显示，以便能迅速排除。矿井提升机电控系统硬件配套齐全、编程简单、通讯能力强等 优点，可大大提高矿井提升机的安全可靠性【l 】 随着数字技术的发展，可编程控制器的普遍应用，数字监控器代替机械式监控器和 井筒开关，作为提升机安全运行的后备保护势在必行。自8 0 年代开始，计算机技术在 提升机控制系统中逐步得到采用，从而使得提升机控制系统的安全性得到了很大的提 高。但是，监控设备仍然沿用传统的设备，如：机械式行程监控器和安装井筒位置的开 关来检测提升容器的实际位置，而这种检测方式精度很低，并且井筒开关容易损坏，且 更换不方便。而且限速保护采用凸轮板或滑线变阻器保护，技术落后，精度不高，保护 不可靠，严重影响生产及人身、设备安全。由于此类设备使用寿命和精度的问题，使得 提升机的主要后备保护环节仍然还是比较薄弱。按照目前国内外提升机安全规范的规 定，提升机除了控制系统具有的主保护外，还必须要有一套独立的后备保护系统，确保 提升机运行的安全可靠。如年代国外一些大的提升机生产厂家，相继研制开发了数字监 控器，它克服了以往后备保护的缺点，并在保护性能上有了很大提高，使矿井提升机始 终处于全行程严格的监视下，从而提高了提升机运行的安全性和可靠性【2 】 1 2 本课题研究领域国内外的研究动态及发展趋势 9 0 年代末国外许多搞提升机的大公司先后推出了各自的数字监控器，如a b b 公司、 s i e m e n s 、g e 公司。数字监控器在国外已普遍被采用。但国内只要极少数提升机采用了 l 西安科技大学硕士学位论文 此产品。由于数字监控器为提升机专用设备，其技术性能好，可靠性高，故提供产品的 价格很高，维护费用高，目前国内用户难以接受。国外的数字监控器除和主电控系统成 套销售外，国内用户很少单独购买。然而，从提高提升机安全性和可靠性的角度来看， 数字监控器必然以其自身的优越性能够吸引广大用户，而将被广泛采用。 目前国内大部分提升机用于安全监控的电气设备有接触式刷子开关、行程开关、井 筒磁性感应开关等，通过这些电气设备发出减速、停车、过卷信号。通过电控系统使提 升机按照正常的给定速度曲线运行。但是，由于矿井井筒的工作环境恶劣致使开关的使 用寿命短、故障多、维护困难。正因为井筒中检查困难，开关出现的故障不容易及时发 现，提升机一旦出现超速时，井筒开关不能及时发出信号，导致严重的事故。还有一种 普遍采用的是机一电式监控器，虽然机一电式监控器工作原理比较先进，但由于机械结 构复杂、有自身难以克服的缺陷，维护困难等原因，因此保护精度不够，特别是减速段 凸轮板制作困难、限速电阻盘曲线不平滑等原因，致使机电式监控器保护精度较低或误 动作较频繁例。 1 3 本课题研究的意义 随着现代技术的发展，我国矿井提升机在安全监控方面也不断完善提高。目前国内 提升机用于安全监控的电气设备有刷子开关、行程开关、井筒磁性感应开关等，通过这 些电气设备发出减速、停车、过卷信号。通过电控系统使提升机按正常给定速度曲线运 行，实现减速、爬坡、停车等。但是，由于矿井井筒的工作环境恶劣致使开关的使用寿 命短、故障多、维护困难，开关出现故障不容易及时发现，一旦提升机到达减速位置因 减速开关失灵而导致减速失控，提升机将以全速到达井口停车位置。这时尽管停车开关、 机械刹车工作正常，也会因提升机运行速度快、惯性大，井筒开关、继电器、机械闸反 应时间长而导致提升机严重过卷。因此，解决提升机速度监控问题，是防止提升机严重 过卷的关键。 国内大部分提升机使用的监控器为机械传动的牌坊式深发装置，它通过凸轮板、自 整角机实现行程一速度的转换，速度给定信号精度较低，可靠性不高。容器位置显示由 于采用机械传动，误差量较大。深发装置自身也经常发生卡死、断轴、丝杠变形、开关 误动作等故障，且检修困难、不易调整，给现场提升机的运行管理带来了许多不安全因 素 4 1 。 基于上述情况实现一种安全可靠，并且保护精度高的提升机速度后备保护装置。该 装置具有速度给定、速度保护、速度显示、行程显示、故障报警等主要功能，并用先进 的人机接口触摸屏来实现设计完善的人性化操作。从提高提升机安全性和可靠性的角 度看，数字监控器必然以自身的优越性具有广阔的发展前景。 2 1 绪论 1 4 课题的主要工作及预期目标 通过本课题的研究真正了解矿井提升机数字监控器的原理，在系统方案设计中引入 p l c 和触摸屏能够真正体现出其优点，尽可能多的应用到了矿井提升机的后备系统的改 造中去。本文的主要工作有： ( 1 ) 在分析和掌握矿井提升机运行机理和安全规范的基础上，完成数字监控器的总 体方案设计。 ( 2 ) 建立行程控制技术中的s 形曲线的理想数学模型。 ( 3 ) 在总体方案研究基础上进行原理图、总装图、接线图设计。 ( 完成基于p l c 和触摸屏的数字监控器软件设计工作。 ( 5 ) 完成基于故障树的数字监控器故障检测。 ( 6 ) 与矿井提升机主控系统连接进行系统调试。 1 5 本章小结， 本章概要地说明了本文的研究背景和矿井提升机数字监控器的国内外发展现状，对 论文的主要目标及所要做得工作也做了阐述。 3 西安科技大学硕士学位论文 2 行程控制技术 2 1 机械式监控器与数字监控器的比较 2 1 1 机械式监控器的工作原理 提升机机械式深度监控器是上个世纪的产品，由于当时的技术水平和p l c 的功能 限制，而采用的使用机械加电控的方式研制的一种深度发送装置，可以对提升机的深度 进行模拟监视，从而告诉提升操作人员提升机的大体位置，让操作人员通过对绞车的运 行情况和深度进行分析判断，确定提升机的运行是否正常，在上个世纪功不可没。 图2 1 机械式深度监控器 传统的机械式深度监控器，主要实现矿井提升机的安全保护、检测、控制等；发送 深度指示器信号( 自整角机) ，示出提升容器运行位置；发送减速、限速、停车等信号， 达到提升容器准确停车；发送减速、限速、过卷等信号，达到提升容器安全运行；发出 断轴( 指监控器传动系统元件失效) 信号，防止安全事故发生发出提升机运行错向信号， 以防操作失误；对于多绳摩擦式提升机还有调零机构装置，以解决因提升钢丝绳运行中 4 2 行程控制技术 的滑动和蠕动而造成的深度指示、安全信号等不准的问题( 单绳缠绕式提升机无此装置) 。 提升机机械式深度监控器的工作原理如下： ( 1 ) 采用和滚筒直接相连的方式采集提升机滚筒的运行信号。 ( 2 ) 过对提升机的设计深度的换算，设计变速齿轮，从而限制提升机运行时的深度 监控装置的转数和转速，达到精确换算深度的目的。 。 ( 3 ) 通在某一深度值需要进行开关设置的时候，将从动轴和主动轴上的机械连锁装 置进行调节，设置开关通断。 ( 4 ) 设计有方向判断开关，当主动轴随提升机运行而同时运行时，通过判断主动轴 的旋转方向来判断提升机的运行方向。 ( 5 ) 主动轴安装有发送自整角机，和安装在操作台上的接受自整角机连接后可以通 过转盘或丝锥来模拟显示提升容器的位置。 ( 6 ) 通过凸轮板装置或者由电阻组来提供电流或者电压信号，反映提升机在减速过 程中的电压或者电流变化，通过这个变化来反映提升机的速度变化，为控制系统提供减 速段的速度保护 2 1 2 数字监控器的工作原理 矿井提升机数字监控器是在上个世纪末发展起来的一种以p l c 为核心的矿井监控 系统，其工作流程简述如下： ( 1 ) 监控器对安装在滚筒轴端的轴编码器进行计数，再经过安装在井筒的同步开关 置数校正，检测出提升容器的提升行程s 和提升运行速度v l 。 ( 2 ) 对安装在减速箱轴端的测速发电机信号进行衰减，通过芯片进行a d 转换，监 控器求得提升容器的运行速度v 2 ，然后对v l 和v 2 求最大值作为运行实际速度值v ( 3 ) 将检测出的提升行程s 和提升速度v 进行数码转换、显示处理。 ( 4 ) 以提升行程s 为基础，监控器根据提升控制指令、所选的参数及停车位置，确 定提升速度给定曲线的有关参数( 包括提升运行最大行程、最大速度、加减速度、速度 给定曲线的方式等) ( 5 ) 在松闸开车后，根据提升行程s 和所确定的有关参数，利用函数v s ) 实时计 算出速度给定值v i ；根据预先设定的加、减速点与提升行程s 比较，由p l c 输出自动 加减速节点。 ( 6 ) 监控器根据检测到的提升行程s 、提升速度v 及速度给定v g ，按照有关保护设 定的原则做出与提升行程和速度有关的各项保护 图2 2 为监控器工作流程图： 5 西安科技大学硕士学位论文 2 1 3 两种监控器的优缺点 图2 , 2 监控器工作流程图 传统的机械式深度监控器的缺点主要有： ( 1 ) 装置中由齿轮的存在：齿轮是接触式的传递方式，随着运行时间的增加，齿轮 的磨损也随之增加，进而严重影响深度信号的准确性。 ( 2 ) 机械式的碰撞开关本身就存在着动作不够精确的弊端，碰撞不够准确时也容易 导致开关点的误动作或者不动作。 ( 3 ) 方向判断开关在恶劣的工作环境下寿命不长，也容易误动作而导致提升机的误 动作。 ( 4 ) 凸轮板装置和电阻组在实际的应用过程中，由于磨损和电阻的热敏感性，在对 速度的监控上，容易出现速度值的电压或者电流不准，影响提升机的正常运行。 与机械式监控器相比较，数字监控器其性能稳定，调试简单方便，程序标准化通用 性强、调整灵活，触摸屏方式提供丰富友好的人机接口，能够满足各矿井的不同工艺要 求和控制特点，设备无机械噪声，绞车司机操作环境美观、优雅，各项指标均优于机械 式监控器。提高了提升机监控的智能化程度，代表了机电一体化的发展方向。 总结起来，数字监控器与机械式监控器相比各个性能的比较如下表所示： 6 2 行程控制技术 表2 1 与机械式监控器相比具有如下特点 通过以上的比较可以得出，目前国内大部分提升机仍采用机械圆盘凸轮板式来实现 提升速度控制，近几年新上的矿井大部分采用机械圆盘凸轮板式和行程一速度双重控 制，而数字式行程控制器精度高( 可精确到e m ) ，且运行可靠，故采用精度与可靠性均佳 的数字式行程控制器代替机械式控制器将是一种必然的趋势。 2 2 提升机速度控制原理 在提升机系统中，提升行程控制是关键技术之一目前，国内对行程控制的认识不 一，实现行程控制的方法也多种多样。这种技术由计算机实现、全参数可调、以行程为 自变量，按行程自动生成设计速度图的速度给定值，控制提升拖动系统运行 矿井提升机与所有运输设备一样是一种被控对象。位置变化的控制，在实际应用中， 必然要受到各种外界条件的制约，其中最为关键的是受安全性的制约。 对提升机运行速度的控制，必须要有一个按照速度的要求而确定的可靠的控制参考 信号，即调节系统中的“速度给定信号”，才能保证准确安全地完成提升任务，目前采用 的方法有两种，即：一是时问给定：v = - f ( t ) ，给定参考以时间为函数( 其减速点仍然以设 定的某行程给出) ；二是行程给定：v - 项s ) ，给定参考值以行程为函数例 2 3 时间一速度控制方式的缺点 就时间给定方式而言，实际调速系统存在静态误差时( 目前国内提升机动力制动调 速系统大部分属此类) ，将会出现如下问题： 7 西安科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 下放重物时，提升容器到达井口速度加大，不安全。 c 2 ) 方式受负载影响其减速时间变化较大，影响效率和安全。 上述问题已在实践中得以证实，经进一步分析可知，即使系统不存在静态误差( 现 代控制调速系统都可以满足其要求) ，也将会由于调速系统的误差，在使用中出现对安 全和效率不可忽视的影响。若再考虑在速度变化时所出现的跟随误差，其影响将会更加 不利。在等速段、减速段，当实际v 、a 与设计值出现工业控制系统中所允许的微小误 差时，将会引起的最终位置的偏差。应该说，这些偏差值与停车精度的要求( 士o 2 m ) 和过 卷高度要求( 士o 5 m ) 相比，都是十分可观的数值，将会对提升安全和效率产生十分不利的 影响。 时间给定控制方式特别是在减速段，因其积分作用可能产生较大的路程一速度偏差 而导致对提升安全极为不利的影响。所以，无论从工作原理或从使用角度，时间给定方 式都不适宜在提升控制中推广使用。而行程给定控制中的被控参量速度和加速度的误差 和偏差出现后，会立即被调节纠正，或是不再经积分而扩大，因此不会导致最终在累计 值中出现不允许的偏差，因此，其控制精度较高，能够满足提升安全的要求。 提升机在运行过程中要求高效、平稳、安全，副井提升机还应保证矿井上下人员的 舒适感。梯形速度图是我国提升机运行中广泛采用的一种速度图，能够基本满足控制要 求，但也存在不足：一是对电网造成冲击，形成尖蜂负荷，影响整个电网系统的正常运 行；二是对提升系统机械部分产生动态冲击，加剧钢丝绳的摆动，对提升机的稳定运行 造成不良影响。究其原因，主要是这种折线形速度图的速度过渡不平滑，在速度的变化 拐点处加速度变化率过大而造成突变。因此，为了解决折线形速度曲线所产生的问题， 实现速度图的平稳变化，利用计算机技术，实现提升运行速度曲线的s 化，产生s 形速 度给定曲线，并且通过修改有关提升控制参数，使得无论是加速起动段，还是减速制动 段，都可以产生所期望的速度给定曲线。 速度计算是加速度的变化率对时同的双重积分，能绘出每一计算周期内的实际给定 值，从而产生计算过程的运行曲线、，= 日，t ) ，这样，用抛物线和直线综合成的速度曲线即 可实现速度折点处的平滑过渡州。 2 4 速度曲线优化设计 2 4 1s 形速度图提升的优点 s 形速度图提升的优点主要有以下三个方面川： ( 1 ) s 形速度图。对电流的变化率进行了限制，因而可以大大减小提升机加速产生的 有功冲击和无功冲击a ( 2 ) 采用s 形速度图时，加速度的变化是连续的，相应的拖动力也是连续变化的。 8 2 行程控制技术 减少了钢丝绳的动应力，缓和了钢丝绳的受力情况，消除了提升系统的冲击，减少了振 动。另外，由于加速度的连续变化，提升机由一个运行阶段转向另一个运行阶段的过程 中速度都是平滑过渡的，理想情况下应不产生反超调的速度冲击，在实际情况当中确实 也大大降低了提升速度反超的程度，对调速系统来说则降低了由于反超调引起的振荡程 度。从而使提升机运行更平稳。 ( 3 ) 采用s 形速度图，对电枢电流的变化率进行了限制，有利于晶闸管整流元件的 保护，对于晶闸管整流元件来说都有允许最大电流变化率的限制，当实际电流变化率超 过其限制时，会由于热损耗功率太大造成晶闸管元件损坏。采用s 形速度图，可以人为 地将实际电流变化率限制在允许的范围，从而在一定程度上避免了由于电流变化率过大 导致可控硅元件损坏的情况发生圈。 2 4 2 矿井提升机s 形速度曲线的模型研究 安全性、可靠性和高效性是对矿井提升机运行的基本要求。传统运行方式由于其速 度曲线在加减速和启停车都存在着严重的突变，极易在传动系统产生大电流冲击，造成 罐笼振动和设备故障，严重影响设备的安全运行和使用寿命，极大地增加设备的维护成 本，且无法满足人体对乘坐舒适感的基本要求。随着社会发展和技术的进步，人们对矿 井提升机运行的安全、高效和乘坐舒适感等特性要求越来越高。研究表明，采用s 形速 度运行曲线能有效地解决上述问题。为此，借助现代科技的各类平台，在矿井提升机运 行中已逐步采用了近似s 形速度曲线，并取得了良好的应用效果。本文正是在借鉴他人 研究的基础上，基于矿井提升机运行非对称五阶段速度图，来探求一种理想的s 形速度 曲线，以进一步提高提升机运行的安全性、高效性、舒适性网 ( 1 ) 矿井提升机速度曲线的选择及给定方式 速度曲线选择 传统上，矿井提升机罐笼的运行速度曲线，根据加减速特性的不同，可分为3 阶段 速度图、5 阶段速度图和6 阶段速度图i 其中，5 阶段速度图又可分为对称和非对称5 阶段速度图。运行非对称5 阶段速度是矿井提升机应用最为广泛和典型的运行方式。它 包括启动加速段、匀速段、一减速段、匀速爬行段和= 减制动段5 个阶段，构成了矿井 提升机一次完整的运行周删姗 矿井提升机在启动加速阶段不外乎有5 类主要运行速度曲线，加速度一时间和加加 速度一时问2 组曲线( 见图2 3 ) 。由图2 3 可以看出图2 3 ( d ) 是采用加速度曲线为正弦函 数的加速度曲线，其加速度变化率则为余弦函数，经过加速度阶段后，电梯进入稳定升 降速度阶段或停止状态。这种曲线是目前电梯设计中应用较多的一类，它能满足舒适感 及运行效率的综合要求。所以应选择图2 3 ( d ) 所示曲线实现其理想s 形速度曲线运行。 9 西安科技大学硕士学位论文 o t s ( i ) ，4 毒 o 屯 t l s t l a 曲 0t o屯 ，s ( c ) 0 ， ( e ) 一 d b l n i 图2 3 矿井提升机罐笼5 类运行曲线 矿井提升机速度给定方式 速度给定输入 斜坡作用输出速度 ；革滑作用后的最终给定速度 t ji 加速j 毳苎：平滑 图2 4 斜坡函数发生器 矿井提升机的实际速度运行曲线是由其控制部分的给定速度曲线决定。所以，要实 现按理想s 形速度曲线运行，只需速度给定曲线是理想s 形速度曲线即可。在现代矿井 l o 2 行程控制技术 提升机的控制系统中，s 形速度的给定方式一般有2 种方式。第1 种直接给定所需速度 值，并经过控制系统中传动装置的软件包中的斜坡函数发生器( r a m pf u n c t i o ng e n e r a t o r ) 平滑后生成( 见图2 4 ) 。 这种采用斜坡函数发生器的方式由传动装置提供直接应用平台，并受其制约，在此 不作进一步的讨论；本文所研究的是第2 种s 形速度给定方式，是通过软件方式直接生 成所需的理想s 形速度绘定曲线，一般由p l c 控制实现，其特点是可根据用户需要进 行编程，应用灵活。为此，必须首先建立理想s 形速度曲线的数学模型 u l 。 ( 2 ) 理想s 形速度曲线的数学模型 在现场的实际运行中，提升机的运行受到很多因素的影响，最大运行速度很难维持 为常数，如提升负载的变化、电网电压的波动等都会影响最大运行速度的大小。此外， 其他一些因素，如减速点、加减速度及其变化率、爬行速度等的任何变化都会影响运行 曲线的变化因此，在实际生成s 形速度给定时，必须考虑上述参数的影响，尽可能保 证提升机高效运行i i 副。 提升机速度给定采用行程控制方式，其给定信号是由提升机在矿井中的实际位置决 定的，其特点是任意一个位置都对应一个由该行程位置产生的速度给定信号，而与时间 无关。但在提升机加速运行阶段，不应采用行程给定方式，一是由于在初始加速度阶段， 其行程为零；二是由于在手动操作方式下，主令手柄也参与加速过程。因此在加速段采 用时间给定，其基本公式都是时间的函数，算法简单，容易实现。 根据前述分析可知，为了减速段的可靠运行、准确停车，在减速运行过程中应按行 程原则来确定给定速度。基于上述思想，为了便于实现。将图2 1 ( d ) 所示运行曲线应用 于矿井提升机非对称5 阶段速度图，就可得到所需的非对称5 阶段理想s 形速度曲线l l 玉1 4 l ( 见图2 5 ) 。 x。 d “t j o 0 f ， 、 _ ku t k 7 ；ir ，f 圈2 5 非对称5 阶段理想s 形速度曲线 西簧科技大学硕- k 芋位论更 图中v 、a 、p 分别为速度、加速度和加加速度：a l 是最大正向加速度值，p l 是最 大正向加加速度值。现在分段来研究图2 5 中不同曲线段的数学模型。 ( 1 ) o a b c 为提升机罐笼的启动加速阶段( o ，s ，3 ) ，它包括o a 、a b 、b c 三小段曲线 形成一个理想s 形启动加速曲线段。 在o a 段( 噼瞪1 ) ，a = a ls i n c o t p = i d a ：a l c o p , o s a j r ( 2 1 ) p 2 石2 8 【2 1 ) 当t - - 0 时，可得最大加加速度岛= 4 p v = f a d r = i a is i n a j t d f = 詈( 1 一c o s 硼 ( 2 2 ) 在上述区间内，提升机罐笼的运行距离为： t & = r 诎= i l 导卜c o s 耐) 毋= 警一7 a i 锄矾 ( 2 3 ) 在a b 启t ( q t t 9 提升机以a l 值作恒定加速度运行，此时加加速度p = o ，则 1 v = v 5 + a l ( t t 1 ) = 旦( 1 一c o s 甜0 + a l ( t r 1 ) ( 2 4 ) 当t = t 2 时，速度为： = 去( 1 一c o s 嘶) + 4 i ( f ：训 ( 2 5 ) 罐笼运行距离为： 。 艮= r 础= r e ( 1 一s 嘶) + 口l ( ，一f i ) 弦= 鲁( 1 一螂嘶一f 1 ) + 2 1 - - a i ( t 2 一f 1 ) 2 ( 2 6 ) 在b c 段( t 2 瞪3 ) 从图中可度曲线b c 段与o a 段曲线成轴对称，即： 口= a ! c o s 国o - t o ( 2 7 ) p = 睾一a f d s i n a , ( t t o ( 2 8 ) p 2 石一 8 一 【2 8 ) v = 屹+ l a d r = 屹+ 鲁s i n 【砷一t o ( 2 9 ) = h 一鲁( 2 a o ) 其罐笼运行距离为： 墨k = r w 办= v ：( b 一，2 ) 一j 兰- c o s c o ( q t o 一l ( 2 1 1 ) | 一 2 仃程捏币q 覆水 上述各式有关常数与确定的额定运行速度h 、最大加速度4 i 、最大加加速度岛之间 的关系为： 国2 等， 2 云2 署2 百a 1 2 ，屹= a 岛l _ 二2 ，如= 署+ 三一鲁， = 岛一屯 代入上式得到提升机罐笼在启动加速段的理想s 形速度曲线数学模型为： 忙鲁( 1 一c o s 耐) = 并”c r e p 4 l t t )心( 0 ，f i 】( 2 1 2 ) 国 n4 l v - 罢。一c o s 研t ) + 口1 ( 卜f 1 ) 2 丢+ 口l f 一筹旭】 n也喁 。一 v - v 2 + 鲁s i n o , ( t 一，2 ) 】_ a m t l + s i n o , - ( t _ ) 】，+ a l ( t 2 一t o = 啊一 一c o 妲卜萼+ 2 ) t ( t 2 ，t 3 ( 2 1 4 ) na l 4 _ & = 鲁”f i ) + f 2 2 - - t 1 2 ) = 百 l a l ( n - 2 ) + 缶2 ( 2 1 5 ) z n z “ ( 2 ) c d 提升机罐笼以额定速度h 作匀速运行，速度曲线为水平直线段。 ( 3 ) d e f g 为罐笼从额定速度v 1 减速到爬行速度啊，以d 点为起始0 点，包括d e 段 ( o t s ) 、e t 1 ) r s f 2 ) 段和局瓯t 2 见附录图2 。 参数设定图解画面采用图解的方式，说明电子监控器中一些距离的设定。见附 录图3 。 报警画面用于查看所有报警信息。见附录图4 。 参数设定画面用于修改电子监控器的参数，当密码输入正确时，才可以进入参 数设定画面，然后进行所有参数设定。见附录图5 、6 。 根据不同需要，运行画面的设计可以以动画的形式监控提升机容器，也可以以 曲线的形式显示提升容器的速度，在这个画面下提升容器的速度和提升容器在井筒中的 位置都以数字的形式实时地显示出来。见附录图7 。 事故数据画面用于显示提升机故障时的一些重要参数。见附录图8 。 速度曲线和包络线显示实际速度曲线、1 1 0 学习速度曲线、1 1 5 计算速度曲 。 西安科技大学硕士学位论文 线。见附录图9 。 图4 1 4 p r o - f i t 触摸屏应用程序的界面 在设计各画面控件时，首先在画面框中画出所需要的控件，然后进行大小比例调整， 上色，接下来进行属性连接，画面上的控件属性数据全部由下位机p l c 提供，所以g p 画面制作起来非常方便快捷，在实际运行过程中，若需在g p 画面中增加新的内容，如 配料开关、主令开关、菜单选择等，只需在设计软件中增加相应的项目传送至g p 即可 【4 l l 。本系统画面制作步骤： 在g p 和p l c 进行通讯和调试参数前，需特别注意以下几点： ( 1 ) 选择直接传送方式：选择直接通讯方式( 选择p l c 类型及对应f o 地址) ，该方 式下，g p 直接读取或改写p l c 的数据寄存器和继电器内容，这样可以大大减轻p l c 用 户程序的负担。 c 2 ) 系统数据区：当选择直接传送方式时，g p 内部寄存器被称为l s 区，以l s 区 首地址开始的数个数据寄存器被规定为系统数据区，系统数据完成画面切换等动作，g p 和p l c 内部占用特定的寄存器区，完成各种功能。系统数据区是g p 与p l c 交换数据 的媒体，g p 初始化时，需确定p l c 系统数据区的起始定义号，在本系统中为了和运算 时所用的p l c 数据寄存器区区分，将g p 所占用的数据区设定为r 6 0 0 0 ，防止在p l c 程序编制时使用，引起通讯错误和g p 死机。 4 0 4 提升机数字监控器的软件设计 图4 1 5p r o - f a c e 画面制作的步骤 4 4 本章小结 本章首先对p l c 应用软件的功能特点进行了简要的概述，给出了主要程序的软件 架构及其主要的流程图，介绍了p l c 程序的功能实现，然后对触摸屏软件进行了简要 的介绍并且阐述了触摸屏程序的功能实现。 4 1 西安科技大学硕士学位论文 5 故障分析 提升机是矿井生产、运输的主要设备之一，它担负着提升煤炭、矸石、下放材料、 升降人员和设备的任务，素有矿井咽喉”之称。提升机运行的安全可靠状况，直接影响 矿山生产人员的生命安全和矿井生产能力。如何在故障前进行预防，事故发生后如何快 速查找故障，将事故影响降低到最小，对矿井的生产及安全起着重要的作用。如何保证 提升设备的可靠性和安全性，成为越来越突出的问题。故障树分析法是分析系统可靠性 和安全性的重要方法，它适用于故障的预测和诊断。能帮助维修人员快速准确地查找故 障，分析或改进系统中的薄弱环节，以确保生产的安全、可靠【4 2 】。 5 1 故障树分析法 故障树分析法( 简称f t a ) 就是在系统设计过程中，通过对可能造成系统故障的各种 因素( 包括硬件、软件、环境、人为因素等) 进行分析，画出逻辑框图( 即故障树) ，从而 确定系统故障原因的各种可能组合方式及其发生概率，以计算系统故障概率，采取相应 的纠正措施，以提高系统可靠性的一种设计分析方法。故障树分析法是由美国b e l l 实 验室首先提出的，体现了以系统工程方法研究安全问题的系统性、准确性和预测性，它 是安全系统工程的主要分析方法之一。用该方法进行故障分析定位具有以下特点： ( 1 ) 具有很大的灵活性，除了对系统可靠性作一般的分析，还可以分析系统的各种 故障模式，不仅可以分析某些元部件故障对系统的影响，还可以对导致这些元部件故障 的特殊原因( 如环境的、人为的等) 进行统一考虑、分析。 ( 2 ) 故障树分析法f t a 是一种图形演绎方法，是对故障事件在一定条件下的逻辑推 理方法。建立故障树的过程本身就是对系统更深入认识的过程，只有把握系统的内在联 系，弄清各种潜在因素对故障发生影响的途径和程度，才能建立对系统维修具有实际意 义的故障树 ( 3 ) 故障树建成后，对那些不曾参与系统设计的人员，相当于一个形象的管理和维 修指南，对设备的使用、维护具有重要意义。 5 1 1 数学基础 基本概念 。 ( 1 ) 集：从最普遍的意义上说，集就是具有某种共同可识别特点的项( 事件) 的集合。 这些共同特点使之能够区别于他类事物。 ( 2 ) 并集 把集合a 的元素和集合b 的元素合并在一起，这些元素的全体构成的集合叫做a 4 2 5 故障分析 与b 的并集，记为a u b 或a + b 。若a 与b 有公共元素，则公共元素在并集中只出现 一次。 例如：a = a 、b 、c 、d ) ： b = c 、d 、e 、b ； a u b = a 、b 、c 、d 、e 、0 。 ( 3 ) 交集 两个集合a 与b 的交集是两个集合的公共元素所构成的集合。记为a o b 或针b 。 根据定义，交是可以交换的，即a a b = bn a 例如：a = a 、b 、c 、d ； b = c 、d 、e ； 则a a b = c 、m 。 ( 4 ) 补集 在整个集合( q ) 中集合a 的补集为一个不属于a 集的所有元素的集。补集又称余， 记为a 。 5 1 2 布尔代数规则 布尔代数用于集的运算，与普通代数运算法则不同。它可用于故障树分析，布尔代数可 以帮助我们将事件表达为另一些基本事件的组合。将系统失效表达为基本元件失效的组 合。演算这些方程即可求出导致系统失效的元件失效组合( e p 最小割集) ，进而根据元件 失效概率，计算出系统失效的概率。 布尔代数规则如下( a 、b 代表两个集合) ： 交换律a - b = b a ， a + b = b 十a 结合律州b + c 产( + b ) 忙 a 。c ) f f i ( a 。b ) c 分配律a ( b + c ) f f i a b + a c a 十c ) = = ( + b ) ( a + c ) 吸收律a ( a + b ) f f i a a + a b = a 。 互补律a + a , = f 扛- i a a = o 幂等律a a f a a + a = a 。 狄摩根定律( a 十b ) ，- a ，+ b ， 西安科技大学硕士学位论文 对合律 重叠律 ( a b ) q - b ( a ，) k a a + a 1 3 - a + b = b ，+ b a 5 2 提升机故障树的建立 故障树分析法是一种需要整体、综合、定量地考虑系统异常行为的系统方法，它将 系统的故障现象与最基本的故障原因之间的内在关系表示成树形的网络图，各层事件之 间通过“与”、“或”，“非”、“异或”等逻辑运算关系相关联，可以对系统进行定性和定量 分析 故障树分析法中常用术语、符号如下： 顶事件：系统不希望发生的事件，也就是要研究的事件，通常选择系统出现的故障 作为顶事件，它位于故障树的顶端，可形象的理解为“树根”。本文中顶事件选取为“提 升机故障” 中间事件：又称故障事件，它位于顶事件和底事件之间，可形象的理解为“树枝”， 采用矩形符号并紧跟一个逻辑门表示。 底事件：最基本的故障原因，可形象的理解为“树叶”，通常采用圆形表示。半圆形： 表示事件输入、输出关系的逻辑门，其内部“+ ”符号表示或门逻辑关系，“”符号表示与 门逻辑关系。圆形：不能再分解的最基本的事故事件。矩形：由门表示的事件跟逻辑门 连接。 矿井提升机故障，主要分为以下三种： 立即施闸类故障：发生故障时，若提升容器在井筒中，实行二级制动施闸停车，若 提升容器接近井口，立即进行安全制动施闸停车。 终端施闸类故障：发生故障时，允许一次提升循环结束后再停车。 报警类故障：发生故障时，仅发出声光报警，不停车。 监控器故障树建立如图5 1 所示，其中： 。x 1 提升机上过卷 x 2 提升机下过卷 x 3 提升机超速1 1 0 故障 x 4 提升机超速1 1 5 故障 x 5 - 爬行段超速故障 x 6 - 滑绳 x 7 编码器故障 x 8 - 同步开关1 故障 x 9 同步开关2 故障 “ 5 故障分析 x i o - 同步开关3 故障 x 1 1 上检测点误差过大 x 1 2 - 下检测点误差过大 x 1 3 - p l c 故障 x 1 4 - 供电电源故障 x 1 5 - 4 是升机同步失败 x 1 6 监控器与提升机位置误差过大 5 3 提升机故障分析 图5 1 监控器故障树 5 3 1 故障树的割集和最小割集 故障树分析的目的之一是找出导致系统故障发生的所有可能的故障模式。如果故障 树的某几个底事件的集合同时发生，将引起顶事件的发生，这个集合就称为割集，它是 系统的一种故障模式。将导致系统各种故障发生的最小故障模式的集合称最小割集，换 言之，一个最小割集就是包含了最少数量而又必需的底事件的集合，其含义在于它为我 们描绘出处于故障状态的系统所必须修理的基本故障。 最小割集表明系统的危险性，每个最小割集都是项上事件发生的一种可能渠道。最 小割集的数目越多，系统越危险。现分述如下： ( 1 ) 表示顶上事件发生的原因。事故发生必然是某个最小割集中几个事件同时存在 的结果。求出故障树全部最小割集，就可掌握事故发生的各