基于PLC的矿井摩擦升降机的安全监控系统设计

1、图书分类号：密 级：毕业设计(论文)基于PLC的矿井摩擦升降机的安全监控系统设计FRICTION MINEHOIST SAFETY MONITORING SYSTEM BASED ON PLC学位论文原创性声明本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用或参考的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标注。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。论文作者签名： 日期：年月日学位论文版权协议书本人完全了解关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：本校学生

2、在学习期间所完成的学位论文的知识产权归所拥有。有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的纸本复印件和电子文档拷贝，允许论文被查阅和借阅。可以公布学位论文的全部或部分内容，可以将本学位论文的全部或部分内容提交至各类数据库进行发布和检索，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。论文作者签名： 导师签名：日期：年月日 日期：年月日摘要煤炭作为中国的保证国家能源安全的国民经济的支柱产业，在促进国民经济和区域经济发展，维护社会稳定方面发挥了不可替代的作用，并在相当长今后一段时期，煤电为主的能源层次不会动摇。此论文探讨使用PLC对提升机提升速度和制动间隙以及制动油压的监测。关于如何检测提

3、升速度本设计采用轴编码器将主轴转速转化为脉冲信号，通过PLC中预设程序的计算、分析，得出提升速度。制动间隙的检测选用位移传感器把收集到的数据与安全值进行对比观察能否合格。制动油压的检测采用本身配置的标准传感器采集数据，收集到的数据与规定值相比较判断是否合格。当所收集的数据超出设定的安全极限时，系统立即自动进入报警状态。进行简易的传感器支架设计并且对人机界面做出合理的规划，使在速度和制动间隙以及制动油压方面的PLC监测系统更加完备。关键词PLC；速度；制动间隙；制动油压AbstractCoal as China to ensure national energy security and nat

4、ional economy pillar industry, to promote the development of the national economy and regional economy, maintain social stability play an irreplaceable role, and in quite long henceforth period of time, coal dominated energy levels will not be shaken. This paper discusses the use of PLC to enha

5、nce the speed and brake clearance and brake oil pressure monitoring.On how to detect lifting speed this design uses axis encoder to convert the spindle speed to pulse signal. Through the calculation and analysis of the preset program in PLC, the speed of lifting is obtained. The detection of th

6、e brake clearance selects the displacement sensor to compare the collected data with the safety values and observe the qualified. The detection of the brake oil pressure adopts the standard sensor data collected in itself, and the data collected is compared with the specified value. When t

7、he collected data is out of the set of the security limit, the system automatically enters the alarm state.The simple sensor bracket design and the man-machine interface to make reasonable planning, so that in the speed and braking gap and brake oil pressure PLC monitoring system more complete.Keywo

8、rdsMine hoist PLC Speed Brake clearance Brake oil pressure Monitor目 录摘要IAbstractII目 录I1 绪论11.1 课题背景和意义11.2 研究现状以及未来发展11.2.1 国内外研究情况11.2.2 矿井监控系统中所存在的问题31.3 论文的研究内容31.4 本设计关键问题和解决方案31.5 本章小结32 矿井摩擦提升机的安全监控系统的总体设计42.1 安全监控系统的整体结构42.2 安全监控系统的运行原理42.3 本章小结53监控系统检测方案设计63.1闸瓦间隙检测63.1.1位移传感器的选型63.1.2传感器支架设

9、计63.1.3 传感器的安装73.1.4 报警方案73.2提升速度监控83.2.1轴编码器的选型83.2.3 联轴器103.2.4 速度曲线优化设计113.2.5 报警方案133.3 液压站压力检测133.3.1 液压站传感器的选用133.3.2 检测原理143.3.3报警方案143.4 本章小结144 硬件选型设计154.1 PLC选型154.2 SIMATIC S7-200164.3 本章小结215 提升机控制系统215.1 制动间隙控制方案设计225.2提升机控制系统方案235.2.1提升机控制系统技术指标235.2.2提升机控制系统设计要求235.3提升机控制系统设计245.4安全监控

10、系统安全回路结构设计255.5本章小结266 提升机控制系统软件设计276.1主程序设计276.3 制动油压程序设计316.4 提升速度程序设计336.5上位监控组态软件366.6 提升机监控画面设计376.7 本章小结377 控制柜壳体设计设计387.1整体设计387.2 主壳体设计417.3 报警灯设计427.4 本章小结42结论43致谢44参考文献451 绪论1.1 课题背景和意义煤炭作为中国的关键产业稳定着工业生产中庞大的能源需求，在促进地方工业以及经济的发展，维护社会和谐、平稳运作的方面起到了无与伦比的作用，并在今后的生活中，以煤为根本的能源供应层次不会动摇。矿井提升机是矿井中的主要

11、生产设备之一，是矿山生产过程中的大型关键设施，是一套复杂化的机械电气机组，是矿井输送煤炭的主要工具。用于升降人员和工具、设备、材料以及提放矿石等工作。所以作为矿井提升机需要具有的基本特征（1）良好的机械性（2）先进的控制设备(3)完善的保护装置。它的安全情况时刻关系着采矿安全和工人的生命安全，一旦在工作中发生电气故障，就会对矿井产生严重的威胁，破坏矿井设备，影响生产效率，甚至造成人员伤亡。尽管提升机本身就带有一些安全防护措施，但是由于矿井采矿工作环境的复杂性，有些安全措施并没有达到预期效果，致使矿井发生不少由于提升系统所导致的重大人员事故以及设备损坏事故。伴随着科技的进步，时代对维持矿井安全的

12、作业环境提出了更高的要求。我国政府时刻对矿井安全保持密切关注，煤矿安全规章中就矿井提升机的性能参数的各项指标做出了明确的轨道。所以，根据煤矿的实际情况，设计出一组低消耗、低成本、可靠性高的安全监控系统无疑对煤矿的安全发展有着重大意义。就计算机技术当前的工业应用而言，可编程控制器（PLC）可以说是工业管理最好的机型，PLC的相关程序能够满足矿井提升机的监控要求，各项性能和指标更容易达到设计要求。由于取代了继电器控制系统中所存在的大量的中间继电器、时间继电器和计数器等，使其体积大大减小，工作的可靠性也得到了大幅度的提高。它采用计算机技术，事先按照设计要求编写好相关程序，工作是按照每一段的程序指令来

13、完成操作控制。利用PLC进行控制，硬件简单、软件灵活、调试方便、维护量大幅度减小，如今PLC技术已广泛应用于各种提升机的安全监控中。1.2 研究现状以及未来发展1.2.1 国内外研究情况矿井安全监控系统在国外的发展始于20世纪60年代，在提升机的安全监控方面有着丰富的经验。特别是对制动器以及速度监控等一系列需要重视的环节，国外的设计更加合理。1960年，在英国的矿用运输的综合控制通信首次被工程师运用。 1970年法国波兰工程师学习技术，开发出了危险气体，摄氏度，风速等系数都可以监测的CMC-1系统监测，共128个点，这个意思就是必须要有256条电缆连接到主机，很显然，这种技术需要大量的电缆铺设

14、在井下。在20世纪70年代，仍然是在英国，频分通信技术在矿井成功应用使传输晶体管显著替代了电缆为核心的传输信道，以实现多个传输在相同的电路上，这是一种新专利，非常迅速的代替ASU系统来优化矿井监测传输系统的多路通信。在20世纪70年代末，集成电路的高速进化，直接促成了配电系统的进步。最大的特点是随着时间的推移更加严格的通信协议分配制度，独立于传输电缆和测试点，配置灵活，结构简单，抗干扰能力强的能力。 1976年，英国的煤炭事业部研究所已经推出了系统MINOS基本煤矿监控系统，并在乐队成功，监测井下环境，供电，供水和监测监控安装洗煤等输送，并全世界的推广。在20世纪80年代，随着各种技术和煤矿分

15、布式微处理器等高科技监控系统的快速发展。具有开放性，集成和网络，以及最能代表加拿大噚里昂600系统，美国MSA DAN社会系统的主要特点。自上世纪90年代，硬件和软件，芯片，传感器的进步，将形成数字化的矿井监控系统的一部分：监测，控制以及和上位计算机相互照应的程序;拓扑式计算机连接;传输信道和传输接口; 低得多的数据收集站;多样化的监测设备;相关的机构。进入21世纪，软件，嵌入式系统的到来，智能设备，网络，工业生产信息技术的飞速发展，已成为一个主要标志。基于GIS的安全监控远程煤矿和控制系统中的数据库技术已在美国已顺利的使用在后续产品上，数据库，GIS无线传输技术被合并起来作为关键，以组成一个

16、远程数据收集器，数据库存储，配置控制，在平台的大型综合化的监测系统，该系统采集实时的背景环境参数，设备状态，报警位置状态动态监测并显示在远程网上。该系统目标是造出一个多层次的网络警报系统用于煤矿煤矿安全管理提并供用于监视防止矿井的安全隐患1。监测国内矿山的研究，从改革开放之初，通过学习的过程和持续改进，研究引进国外技术到中国，奠定该基金会为矿井监控系统的发展。随后，煤炭从法国等国家引进了第一批不同类型的监视系统（如DAN6400，MINOS），并在煤矿设备的一部分设立。通过对引进技术的处理，吸收并结合中国的实际情况，我们制定了KJ2，KJ4，KJ10，KJ19，KJ38等系统，即使这些系统可以

17、挖掘在大量的传感器，但需要大量的参数和采样布线它花费了很多，所以很难广泛应用于许多中小型矿山。进入90年代，随着中国科学技术的飞速发展，中国也制定了一系列矿井安全监控系统增加了社会的水平，慧天诚KDJ1北京科技有限公司系统/ KJ70N，KJ95系统的自动化总医院煤炭科学研究院常州。他们拥有高智能，出色的网络连接，使用Windows操作系统和其他功能的系统软件。随着社会的不断发展，在新的世纪里，电脑，现场总线技术，煤矿安全监控系统进入自动化，数字化的世纪，如镇江电子有限公司，独立的监控参数监测矿井和煤KJ101控制系统，完整的硬件和软件，还有查找、表现出能够不被装配处、接口、接收处的影响，目前

18、在煤矿中有了相对优秀的地位。1.2.2 矿井监控系统中所存在的问题安全监控系统在煤矿的系统中处于关键位置，管理和控制的基本内容已成为必要的手段，用来保障煤矿稳定生产，但在系统安全监控，仍有问题需要解决。存在问题：（1）提升机缆绳有时出现滑动。 （2）控制保护的参数不高，监控功能较弱。 （3）制动器油压不稳。（4）制动器制动间隙难以监测。1.3 论文的研究内容本设计面对小型煤矿的经济能力和结构层次，设计基于 PLC 技术的矿井摩擦提升机的安全监控系统，通过PLC对提升机提升速度、制动间隙、制动器油压进行监控，实现对矿井环境的控制，实现保障矿井安全的各项要求。1.4 本设计关键问题和解决方案（1）

19、设计适当的方案对缆绳的提升速度进行监测。（2）设计适当的方案对制动器的制动间隙进行监测。（3）设计适当的方案对制动器的油压进行监测。（4）设计PLC机壳模型。（5）相关传感器安装支架的设计。（6）针对各方面的监测要求编写相应的监测程序。1.5 本章小结这部分分析了矿井安全监控系统，说明整个系统的不足和发展趋势，以及背景和意义。最后，研究煤矿安全监控系统，确定关键问题和解决方案。2 矿井摩擦提升机的安全监控系统的总体设计2.1 安全监控系统的整体结构安全摩擦矿井提升机监控系统由地下控制中心和井上的无线传感器网络的配置，控制中心井上主要由上位机，PLC，电机等设备组合该物。主要宿主计算机上的位置监

20、控软件，访问远程计算机通过以太网主机上运行，让设备拥有在远程监控功能。 PLC通过ZigBee协调器传送接收到速度，制动间隙等相应的控制信息。基于井下无线无线通信技术的ZigBee传感网技术，在四种形式协调员，路由器，设备和矿工的ZigBee节点终端节点存在传感器。矿上监控中心和矿下无线传感器网络与计算机通过ZigBee和PLC协调连接，矿井摩擦提升机的安全监控系统部分示意图如图 2-1 所示。 远端计算机以太网上位计算机RS-232转RS-485PLC系统RS-232RS-232转RS-422ZigBee协调器ZigBee路由器终端设备ZigBee路由器终端设备提升机制动器油泵图 2-1 系

21、统整体结构图2.2 安全监控系统的运行原理矿上系统分为监控中心和矿下无线传感器网络，首要目的是安全监视监控。下面介绍的是安全监控操作的原理。环境监测：环境监测主要是为了监测提升速度，制动间隙，制动油压等，由位于终端的传感器进行监测，由ZigBee无线通信，通过路由器协调然后再通过协调器对PLC和计算机分别发送记录。制动系统：PLC的写入和设定数值与监测到的数值进行比较，该传感器没有检测到异常时，制动工作正常。但是，当检测到的速度，制动间隙，制动油压异常时，PLC将控制制动器刹车以及提醒地勤人员。2.3 本章小结本章对整个系统的结构进行了分析和设计，确定了整个设计的方向。3监控系统检测方案设计3

22、.1闸瓦间隙检测3.1.1位移传感器的选型 该传感器被连接到所述被测物体和检测系统，它提供了原始信息处理系统，接口的选用很大程度上对系统操作有决定性的影响。本设计选用 ST188 单光速反射取样非接触式光电传感器，这是一种高性能的红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管所组成的感应器，接收反射光的强度，用于检测物体的距离。特点：体积小，性能可靠，结构简单，与被测不发生物体接触，单输出的线性函数和位移05毫米良好的线性关系的测量值。广泛适用于多电能表，IC卡水表，测量发动机和其他测量计数场合的速度测量2。 外形图及内部电路图如图3.1所示。光电二极管发射红外线至被测物体，晶体管接收被测物体反射的红外线

23、，将接收光线的强弱转换成模拟电压信号通过模数转换器输入给控制器。 图 3-1 传感器外形图3.1.2传感器支架设计如图3-2所示，上部为传感器，下部为U型支架，两者利用螺孔连接。支架的宽度与传感器的宽度相同。长度根据现场要求确定。图3-2 传感器支架设计3.1.3 传感器的安装安装位置如图3-3所示，安装在阀块外侧，支架与外侧利用螺丝连接，传感器伸出至间隙位置，在传感器最后确定位置前,需要对传感器的位置进行微调,使得传感器能够面对需要检测的区域。安装位置图3-3 3.1.4 报警方案传感器采集到的信号与PLC中的预设值相比较，如果监测值小于标准值,说明闸瓦间隙符合要求,假如越过了设定值,则表明该闸瓦间隙过大,机器出现问题,必须立刻修正。PLC制动间隙报警灯将会亮起，对操作人员进行警示。3.2提升速度监控3.2.1轴编码器的选型编码器（Encoder）是把信号（例如比特流），或汇编的数据，转换成可应用于通信，运输和储存的形式的信号。角位移编码器或线性位移转换成电信号。前者被称为码盘。后者称为码尺。根据