矿井提升机矿电控系统PLC改造设计

1、论文资源网()-最专业的论文与设计资源学习分享下载平台目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc326431435 引言 PAGEREF _Toc326431435 h 1 HYPERLINK l _Toc326431436 第一章 传统矿井提升机电控系统2 HYPERLINK l _Toc326431437 1.1 传统矿井提升机电控系统概述2 HYPERLINK l _Toc326431438 1.2 矿井提升机电控系统的组成 PAGEREF _Toc326431438 h 2 HYPERLINK l _Toc326431439 1.2.1 TKD-A电控系统的

2、主回路 PAGEREF _Toc326431439 h 2 HYPERLINK l _Toc326431440 1.2.2 TKD-A电控系统的控制系统3 HYPERLINK l _Toc326431449 1.3 提升机电气控制方式6 HYPERLINK l _Toc326431452 1.3.1 提升机运行速度图6 HYPERLINK l _Toc326431453 1.3.2 提升机的运行过程7 HYPERLINK l _Toc326431454 1.4 传统矿井提升机电气控制系统存在的问题 PAGEREF _Toc326431454 h 12 HYPERLINK l _Toc32643

3、1455 第二章 电控系统PLC改造设计 PAGEREF _Toc326431455 h 13 HYPERLINK l _Toc326431456 2.1电控系统PLC改造的意义 PAGEREF _Toc326431456 h 13 HYPERLINK l _Toc326431457 2.2电控系统PLC改造总体方案 PAGEREF _Toc326431457 h 13 HYPERLINK l _Toc326431458 2.3 PLC控制系统的组成及各部分的功能 PAGEREF _Toc326431458 h 15 HYPERLINK l _Toc326431459 2.3.1 PLC控制系

4、统的组成 PAGEREF _Toc326431459 h 15 HYPERLINK l _Toc326431460 2.3.2 PLC控制系统各部分的功能 PAGEREF _Toc326431460 h 15 HYPERLINK l _Toc326431461 2.4 PLC的选择及I/O点的分配16 HYPERLINK l _Toc326431462 2.4.1 PLC的选择16 HYPERLINK l _Toc326431463 2.4.2 确定系统的输入设备和输出设备16 HYPERLINK l _Toc326431464 2.4.3 S7-300 PLC接线图18 HYPERLINK

5、l _Toc326431465 2.4.4 PLC与其他原元件的对应关系18 HYPERLINK l _Toc326431466 2.5 PLC电控系统原理设计23 HYPERLINK l _Toc326431467 2.5.1 主控逻辑电路24 HYPERLINK l _Toc326431468 2.5.2 可调闸动力制动电路24 HYPERLINK l _Toc326431469 2.5.3 信号检测控制仪电路26 HYPERLINK l _Toc326431470 2.5.4 加速电阻切换接触器柜27 HYPERLINK l _Toc326431471 2.5.5高压换向动力制动切换柜2

6、7 HYPERLINK l _Toc326431472 2.5.6 动力制动电源28 HYPERLINK l _Toc326431473 2.6工作过程介绍28 HYPERLINK l _Toc326431474 2.6.1 开车前准备28 HYPERLINK l _Toc326431475 2.6.2 速度图的实现28 HYPERLINK l _Toc326431476 2.6.3 各阶段的实现29 HYPERLINK l _Toc326431477 2.7 结构化程序编制31 HYPERLINK l _Toc326431478 2.7.1 软件结构31 HYPERLINK l _Toc32

7、6431479 2.7.2结构化梯形图程序编制31 HYPERLINK l _Toc326431480 2.7.3 语句表程序编制 PAGEREF _Toc326431480 h 32 HYPERLINK l _Toc326431482 第三章 工艺设计33 HYPERLINK l _Toc326431483 3.1 设备平面布置示意图 PAGEREF _Toc326431483 h 33 HYPERLINK l _Toc326431486 3.2 主要电控柜内配置33 HYPERLINK l _Toc326431486 3.3 提升机电控设备接线35 HYPERLINK l _Toc3264

8、31488 第四章 故障检测36 HYPERLINK l _Toc326431489 4.1故障检测36 HYPERLINK l _Toc326431490 4.2 故障诊断36 HYPERLINK l _Toc326431491 结论39 HYPERLINK l _Toc326431492 附录一 AI/AO端口原理图40 HYPERLINK l _Toc326431493 附录二 西门子S7-300 PLC41 HYPERLINK l _Toc326431494 参考文献47 HYPERLINK l _Toc326431495 致谢48引言矿井提升机是井上井下的唯一输送通道，是矿山的咽喉设

9、备，其运行性能的好坏和优劣不仅直接影响到矿山的生产效率，而且影响到矿山的生产安全；同时矿井提升机也是矿山机电自动、智能化发展水平的显著标志，是数字化矿山建设的重要组成部分。所以就要求矿井提升设备必须具备安全、可靠、经济的特点。矿井提升机是电控系统控制的核心对象, 提升机的运行应该按照预定的力图和速度图, 实现平稳启动、等速运行、减速运行、爬行和停车，矿井提升机系统通常包括驱动电动机、主滚筒、主轴装置、减速机构、导向机构、提升钢丝绳、提升容器、制动系统、润滑系统、电气传动控制系统、装卸载系统、信号系统及井架、天轮等部分。本文主要论述用可编程控制器PLC来改造传统的TKD-A型矿井提升机，提高传统

10、提升系统的性能，使提升机更加安全、可靠、高效。TKDA型提升机的电控系统主要由主回路、测速回路、安全回路、调绳闭锁回路、控制回路、可调闸控制回路、减速阶段过速保护回路、动力制动回路、自整角机深度指示器回路、辅助回路等组成。其电气控制系统存在许多缺点：故障率高、系统柔性差、控制系统体积大、运行噪声大、功耗高、控制线路复杂、工作稳定性和可靠性差、缺乏故障诊断功能及排查故障困难等。针对以上的缺点，我们用PLC代替低压控制系统中的接触器-继电器进行电动机的控制。改造后的控制系统具备以下优点：可靠性高、抗干扰能力强、通用性强、控制程序可变、功能强大，适应面广、容易操作、减少了控制系统的设计及施工的工作量

11、体积小、重量轻、功耗低、维护方便。用PLC控制电气系统，其高压主回路与TKD-A型大致相同，不同的是通过事先的程序对低压控制回路进行控制,用软件功能实现速度检测、安全保护、操作控制。其原理是在内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输人和输出，来控制低压控制系统来实现提升机的启动、加速、等速、减速、爬行及停车的过程。第一章 传统矿井提升机电控系统1.1 传统矿井提升机电控系统概述矿井提升机对安全性、可靠性和调速性能的特殊要求，使得提升机电控系统的技术水平在一定程度上代表一个厂或国家的传动控制技术水平。交流提升机电控系统的类型有很多,目前，国产用于

12、单绳交流提升机的电控系统主要有:TKD-A系列、TKDG系列、TKD-NT系列和JTKD-PC系列。用于多绳交流提升机的电控系统主要有JKMK/J-A系列、JKMK/J-NT系列和JKMK/J-PC系列等。国内外矿井提升机有着较大差别，相比国内提升机国外的提升机的提升工艺过程大都采用微机控制，这样无论是在行程控制、行程监视还是安全保护方面都比国内的传统矿井提升机高效、可靠、安全、易操作。目前，在我国大型矿井提升机，主要采用晶闸管变流器直流电动机传动控制系统和同步电动机矢量控制交一交变频传动控制系统。这两种系统大都采用数字控制方式实现控制系统的高自动化运行，效率高，有准确的制动和定位功能，运行可

13、靠性高，但造价昂贵，中小矿井难以承受。对于中、小型提升机，则多采用交流绕线式电动机转子切换电阻调速的交流电气传动系统，即TKD电控系统。这种电气传动系统设备简单，但属于有级调速，提升机在减速和爬行阶段的速度控制性能较差，特别在负载变动时很难实现恒加减速控制，经常会造成过放或过卷事故。为了减少安全事故，为了更加高效的产煤，运煤，我们现针对TKD-A电控系统进行改造。我们这里研究的传统提升机电控系统主要是TKD-A系列的电控系统。1.2 矿井提升机电控系统的组成TKD-A系列电控系统是由高压控制回路、测速回路、安全回路、调绳闭锁回路、控制回路、可调闸控制回路、减速阶段过速回路、动力制动回路、辅助回

14、路等组成。1.2.1 TKD-A电控系统的主回路主回路用于供给提升机电动机电源，实现失压、过流保护，控制电动机的转向和调节转速。现在电控系统的主回路大部分采用交流绕线式电机串电阻调速系统，电阻的投切用继电器交流接触器来控制。绕线式异步电动机转子串电阻后能限制启动电流和提高启动转矩,用逐级切除电阻的方法。主电路由高压换向器的常开触点、动力制动接触器和常开触头、动力制动电源装置、提升电动机、电动机转子电阻、加速接触器的常开主触头和装在司机操作台上的指示电流表和电压表组成。高压换向器线路接触器的触头、正向或反向接触器后接到主电机的定子。高压换向器由XLC、ZC、FC等三组接触器组成用来改变电动机的旋

15、转方向。图1.1 绕线式异步电动机转子串电阻调速控制主电路图绕线式异步电动机转子串电阻调速控制主电路如图1.1 所示，转子共串有八级起动电阻在启动时转子绕组中接入八组电阻，随着电动机转速的不断增加，起动电阻被逐级短接，至电动机启动完毕，电阻全部短接切除，完成电动机的启动过程和调速。但由于其调速为有级调速，在低速异步状态没有制动力矩，而提升工艺要求控制系统在低速爬行阶段能够工作在制动状态（下放重物）或电动状态（提升重物），到达井口时必须减速。故该控制方法可以选用动力制动、低频制动进行减速和准确停车。1.2.2 TKD-A电控系统的控制系统主要是指完成提升机从加速、等速、减速、爬行到停车的整个运行

16、过程的开关逻辑控制及其必要的保护并于其他的子系统交换信号，共同完成对提升机整机有效的控制的系统。其主要包括：测速回路、安全回路、调绳闭锁回路、控制回路、可调闸控制回路、减速阶段过速回路、动力制动回路、辅助回路等。其组成原理框图如图1.2。（一）测速回路测速回路就是把提升机的实际速度测量出来并转化为电量，以供给速度回路和一些以速度为函数的电器控制元件。回路中有低速继电器。它主要用于低速爬行，当提升机速度减小至继电器释放值时它可以使高压换向器二次给电，提升机再次加速，当速度升高至它的吸合值时，它又使高压换向器断电，通过切断电源来减速，由此实现脉动爬行。另外，3个速度继电器，其触头分别接与加速接触器

17、回路，以便在制动时按速度原则切除转子电阻，为了使提升重物时动力制动减速和下放重物时加速，切换速度均能在特性曲线的临界值附近。图1.2 提升机电控系统组成图 (二) 安全回路安全回路用于防止和避免提升机发生意外事故。主要包括通过软件和硬件设置的有关提升机连锁保护的各种重故障点，发生故障时，具有对故障种类的记忆功能。安全回路中串有很多保护触头，当提升机工作不正常时，其中任一一个触头打开，安全回路接触器AC断电，就产生安全制动。安全保护有以下几部分组成：主令控制器手柄零位连锁、工作闸制动手柄连锁限位开关、测速断线保护、高压掉电保护、制动油压高保护、错向保护、等速超速、PLC输出安全制动继电器、减速过

18、速保护、过卷开关和过卷复位开关，除此之外还有断轴保护、弹簧疲劳、闸瓦磨损开关、松绳保护、制动电源保护、调绳连锁等保护。（三）辅助回路辅助回路是用于是对辅助设备进行供电和控制的回路。辅助回路的电源电压为380V，一路供电。辅助回路所带负荷有：晶闸管动力制动电源装置、制动油泵电动机，润滑油泵电动机、安全阀电磁铁、五通阀电磁铁、四通阀电磁铁以及控制回路电源等。它们分别采用通用的启动控制设备进行操作。（四）控制回路 采用单相220V交流电源，由接触器的常开触头控制通断。安全接触器和加速接触器1JC-8JC等的线圈都设置在单相交流电源靠近零线一侧，这可保证某些点或导线绝缘损坏对地短路时，安全接触器立即断

19、电，进行安全制动。时间继电器均采用直流220v。控制回路包括信号回路、电动机正反转回路，动力制动接触器回路、转子电阻控制回路。其中信号回路中的信号主要来自光电编码器、井筒磁开关、深度指示。正反转换向回路由正反转换向接触器线圈和线路接触器线圈各保护原件的接点。电机正反转回路有自动换向回路和手动换向回路，自动换向回路用于自动化提升。在本控制线路中自动换向回路不能进行自动换向和自动启动，只能自动控制正反转接触器到停车位置时切断电源。转子控制回路由三相电流继电器，时间继电器，中间继电器，主令控制器触头等组成。（五）调绳闭锁回路调绳闭锁回路由第十回路中1HK-3、10AK、JXK5、Q1、Q2所组成。此

20、回路在调绳过程中起安全保护作用。双卷筒提升机换水平调绳时，调绳转换开关1HK-3断开，使调绳连锁环节串入安全回路。正常运行时，1HK-3接通，调绳连锁不起作用。（六）可调闸控制回路可调闸控制回路用以控制电液调压装置的线圈电源，从而调节制动缸内压力油的压力，使盘式制动器产生不同的制动力矩。该矿继电器电控系统有两套电液调压装置，其线圈分别为KT1、KT2（见第66回路），其中一套工作一套备用。用转换开关K3进行转换。线圈KT由磁放大器CF1供电，当KT线圈中流过的电流加大时，盘形闸制动缸中的油压升高，制动力矩减小，提升机处于松闸过程。反之当KT中电流减小时，处于紧闸过程。（七）减速阶段过速保护控制

21、回路减速阶段过速保护控制回路由保护磁放大器CF2控制的过速继电器GSJ1来实现。（八）动力制动回路动力制动回路由自整角机CD2、CD5、CD6和磁放大器CF3组成。它是通过调节动力制动电源柜中触发装置输入的控制信号电压来调节晶闸管输出的电源电流，从而达到调节动力制动动力的目的。1.3 提升机电气控制方式1.3.1 提升机运行速度图无论是何种类型的交流提升机，其电气控制方式都是类似的。都是按照提升机工作图的要求，通过控制拖动电动机的运行状态，来实现提升机的加速、等速、减速、爬行等工作过程。下面以绕线型异步电动机转子回路传八段电阻为例，分析各运行阶段的控制过程。提升速度通常设计为六个阶段，即初加速

22、、主加速、等速、减速、爬行、停车六个阶段。如图1.3所示。在加速和减速阶段加减速度一般不得超过0.75m/s2,其最大运行速度不应该超过12m/s，爬行阶段速度一般为0.3-0.5m/s，爬行距离一般为2v(m/s)VV t(s) t0 t1 t 2 t3 t4 图1.3 矿井提升机提升速度图图中： t0为初加速阶段 t t 2为等速运行阶段 t t4为低速爬行阶段 t5 t61.3.2 提升机的运行过程(一) 加速阶段电动机启动时,首先将全部电阻串入电动机转子回路,如图1.4，电动机的八段加速特性曲线由两段预备级电阻R1、R2和六段主加速级电阻R3R6组成。图中ML为负载转矩。提升开始时，定

23、子绕组接通电源，转子回路串入全部电阻，电动机工作在第一级电阻R1特性曲线的a点。因为此时的电磁转矩M过小，约为额定转矩的0.30.4倍，所以电动机不能运行，只能起到拉紧钢丝绳、消除机械传动系统齿轮啮合间隙的作用，为提升机加速做准备。经过短时间延时后，控制继电器动作，通过接触器切除第一级电阻R1，电动机工作在第二级电阻R2特性曲线上a点。此时电磁转矩大于负载转矩ML，提升机以平均初加速度a0加速运行。如图1.3中的t0时间段，当电动机转速n沿特性曲线R2上升到b点，完成提升工作图的初加速阶段。主加速阶段，由逐渐切除转子回路的六段加速电阻实现。如图t1时间段，当电动机加速至特性曲线的b点时，通过控

24、制继电器、接触器切除切除第二级电阻R2，电动机工作在主加速级电阻R3特性曲线上的c点，然后沿R3特性曲线加速；当电动机转速上升到c点时，切除第三级电阻R3，电动机又工作在第四级电阻R4特性曲线上的d点，沿R4特性曲线加速；此后按上述规律逐段切除加速电阻，使得电动机沿图中折线dd、eehh加速过程中各段电阻切除的方法，通常可采用时间控制法、电流控制法和电流为主附加时间控制法等。本设计的是采用电流为主附加时间控制法。图1.4 电动机加速特性曲线 (二) 等速阶段转子回路电阻全部切除以后，电动机转速沿工频自然特性曲线上升至额定工作点Q，进入等速阶段，如图1.3中的t 2时间段。提升机在等速阶段，根据

25、负荷情况，可进行电动运行或发电制动运行。电动运行时，电动机工作在自然特性曲线的第一象限，在负载转矩对应的转速下稳定运行，发电制动运行是在提升机下方重物时，电动机将工作在特性曲线的第二象限，在相应负载转矩对应的转速下，以高于同步转速的某一速度稳定运行(三) 减速阶段当提升容器接近终点时，进入减速阶段。提升机在这个阶段可采用以下几种方法进行减速。1.自由滑行减速自由滑行减速开始时，切断电动机电源，使得提升机系统在负载转矩作用下减速。这时电动机电磁转矩为零，其工作点瞬间平移到纵轴，并沿纵轴下降减速。这种方法简单易行，不需要其它控制设备。2.正力减速（电动机减速）电动机减速时，由主令控制器将转子回路电

26、阻逐段投入，使得电磁转矩小于负载转矩，电动机沿特性曲线点1、2、3减速。因为这种方法是在较小的电磁力作用下，以小于自由滑行的减速度减速，电动机工作在特性曲线的第一象限而输出正力，所以称为正力减速。3.负力减速（电气制动减速）电气制动减速时，电动机产生了与拖动力相反的制动动力，故称负力减速。此时，提升机将以大于自由滑行减速的速度进行减速。电气制动又分为动力制动和低频制动。图1.5和图1.6分别是两种制动的特性曲线。 Nn1 Nn132325454767688991010ML MM 图1.5 动力制动特性曲线当电动机转子旋转时，切断定子交流电输入直流电，转子绕组则接到外电阻上，此时不动的定子磁场与

27、转子电流相互作用产生制动力矩，电动机从而被制动，这种制动方式称为动力制动。提升电动机从等速段切换到动力制动区时,电动机演变为发电机,它将机械能转变为电能，消耗在转子电阻上，所以又称为能耗制动。电动机在动力制动区内发的是负力。当减速阶段提升机负力较大，特别是下放重物时，需要制动力来维持稳定的下放速度和减速度，此时通常采用动力制动方式工作。动力制动减速时，电动机转子应该全部都切除，使它运行在自然特性曲线上的某一点，否则接入电阻反而会使提升机速度升高，甚至发生“飞车”事故。利用高压接触器，将电动机交流电网断开，同时在定子绕组中通入直流电，并将加速电阻重新投入转子回路，使得电动机工作在第二象限，如图1

28、.5随着转子回路电阻的逐渐切除，工作点沿特性曲线点的1、2、3减速，完成减速过程。动力制动力矩随着速度的降低而减小，因此不能用动力制动停车，必须采用低频爬行方式停车。低频制动分为低频发电制动和低压变频器制动两种方式。nNnN1122334455Nn0Nn06MMMLM图1.6 低频制动特性曲线低频制动不仅可用于减速，而且可用于低速爬行。减速时，利用高压接触器断开电动机工频电源，同时通入相序相同、频率为2.5Hz5Hz的低频电源，并将加速电阻串入转子绕组回路。由于电源频率降低，电动机的机械特性随之改变，其特性曲线如图1.6，这时电动机的同步转速n0为式中 f低频频率投入低频电源时，在转速惯性作用

29、下，电动机工作点由Q平移至1点，由于此时应对的转速n0远高于频率为f对应的同步转速n0,因而电动机工作再发电制动状态，提升机在制动转矩作用下减速。利用减速继电器和时间继电器配合控制接触器逐段切除转子加速电阻，减速过程将沿特性曲线的1、2、3本次设计采用动力制动减速。(四) 爬行阶段提升容器到达爬行阶段，为了实现准确停车，提升机在减速末要求以0.5m/s以下的低速稳定运行，来补偿以前各段运行中的行程误差。常采用的方法有脉动爬行、低频爬行和微电动机拖动爬行。脉动爬行是一种传统的控制方式，当提升机减速至爬行阶段时，利用低速继电器自动控制电动机断续通电，是提升机速度保持在0.5m/s1.5m/s之间，

30、其运行特性如图1.7（a）所示。当提升机容器到达爬行阶段时，提升电动机交替工作在自由滑行减速和电动运行加速状态，使提升机的平均速度约为爬行速度。如图中1点（动力制动）或1点（自由滑行、机械制动），电动机接通电源并串入全部电阻，工作点平移至2点（该点也是电动机减速终了时的工作点），这时电动机对应的转矩小于负载转矩而继续沿R1特性减速；到达3点时，切除第一级电阻R1，工作点平移到R2特行曲线的4点，由于此点电磁转矩大于负载转矩，则电动机沿R2特性曲线运行，到5点时切断电源，工作点平移至6点，并沿纵轴减速到1点，然后再次送电，重复以上过程，电动机沿特性曲线的1-2-3-4-5-6-1循振荡运行，形成

31、脉动的爬行速度。其速度变化曲线如图1.7（b）所示(a) 特性曲线 (b) 速度曲线 图1.7 电动机脉动运行特性低频爬行是使提升电动机改由低频电源供电，低频电源主要有晶闸管变频器和变频机组。当减速阶段终了时，转子回路电阻全部切除，电动机的工作点平滑过渡到低频自然特性曲线的Q点，以电动状态低速稳定运行。爬行终了，提升机切断低频电源，是施闸停车。电动机拖动爬行是当提升机容器到达爬行阶段时，将主电动机从电网断开，有一台容量较小的电动机通过另一套减速装置带动提升机卷筒低速运行。由于此时的小电动机工作在自然特性曲线上，所以爬行速度很稳定。只要适当选择小电动机的转速和减速比，即可获得工作图要求的爬行速度

32、，小电动机的功率一般为主电动机的5%-10%，故称微电动机。1.4 传统矿井提升机电气控制系统存在的问题通过对TKDA型提升机继电器电控系统图进行认真研究分析,可以得出传统矿井提升机电气控制系统存在的问题有：1. 主控系统为继电器控制系统,故障率比较高,系统柔性比较差,对现场要求的适应性比较差;系统故障信号显示较少,查找难度增大;系统的信号监测、记录显示系统缺乏,通常需要增加综合后备保护仪,而现场使用的综合后备保护仪功能少,效果不理想,通常不能实现可靠的减速段超速保护、倒车保护、卡箕斗保护及行程和速度的精确测定显示。2控制系统体积大、运行噪声大、功耗高，各项保护通常都采用机械构造与继电器的触点

33、连锁来控制。由于使用年限长，机构磨损大，继电器的触点腐蚀严重，机械动作不够灵敏，各项保护整定不易调整，一旦发生继电器触点粘连或卡住，保护机构拒动，安全回路又没有后备保护，提升机将会发生过卷、超速飞车等严重恶性事故，严重制约了煤矿的安全性生产。3控制线路较复杂，工作稳定性和可靠性较差，缺少故障诊断功能及排查故障困难。如：在TKD-A电控系统的八级延时回路中，节点有27对，有9个元件。共有36个连接点，一旦发生故障，将会很难迅速查找和排除。4缺乏运行参数显示功能。如在传统的控制系统中，速度及距离显示的实现，方法比较粗糙，不够精确。同时，不能反映出电机电流的变化。5. 辅控系统是以磁放大器为综合比较

34、环节的反馈控制回路, 经过长期使用证明具有调试困难, 速度闭环环节跟随性与灵敏度差等等缺点。第二章 电控系统PLC改造设计2.1 电控系统PLC改造的意义目前, 我国矿山使用的提升机控制系统主要有交流和直流两种。交流提升机控制系统均为几十年前的TDK 系统, 直流提升机控制系统主要有G-M 电动发电机组和V-M 晶闸管整流2 种。无论交流提升机或是直流提升机, 其电控系统由于技术落后, 结构庞大, 连线复杂, 故障率高, 维护难度很大, 直接影响了矿井提升的安全和效率, 也阻碍了矿井提升自动化和管理现代化的步伐,改造后的系统维护工作量比原系统减少了40%，耗电量减少了20%-30%，节能效果显

35、著，急需采用高新技术改造传统产品，我国绝大部分矿井提升机（超过70%）采用传统的交流提升机电控系统（TKD-A）,TKD控制系统是由继电器逻辑电路、大型空气接触器、测速发电机等组成的有触点控制系统。采用PLC技术的新型电控系统都已较成功的应用于矿井提升实践，克服了传统电控系统的缺陷，代表着交流矿井提升电控技术发展的趋势。矿井提升机电控系统PLC的输入信号有63个，输出有52个，是根据TKD系统的工作过程，结合现场实际情况用编程的方法解决各项控制和保护功能之间的逻辑关系的。在实际工业运行中，用PLC技术对矿井提升机电控系统进行改造后，不但可以加强系统的控制功能，加强系统对故障的判断能力，而且也大

36、大提高了系统的可靠性和安全性。改造的目标是, 除代替原系统的功能外, 据用户需要扩展适当的功能, 改造后系统具有体积小、质量轻、可靠性高、抗干扰能力强、易扩展和改变控制功能, 易与其它系统交换信息等特点。我们这里主要改造的是TKD-A型的电气控制系统。2.2 电控系统PLC改造总体方案采用可编程序控制器（PLC）、先进的网络化控制技术以及一些专用的电子模块，完成提升机的操作控制和监控功能，对交流绕线式提升机异步电动机的启动、加速、等速、减速、爬行、停车与换向等进行控制，并具有提升机必要的电气保护和联锁，有所要求的各种功能。系统图如图2.1所示。该系统中利用PLC技术替代了有触点电器的逻辑控制功

37、能，使得控制线路简化，自动化程度得到较大的提升。用PLC控制电气系统，其高压主回路与TKD-A型大致相同，不同的是用可编程控制器代替有触点的控制器件，用软件功能实现速度检测、安全保护、操作控制。系统加电后, PLC 首先进行初始化, 主要对高速计数单元进行以下操作: 写控制字、定义工作模式、清零、写 图2.1 PLC控制电控系统设定值、设置定时中断、连接中断、启动计数。接着检查各保护环节是否正常及输入信号状态, 如果正常则解除安全制动, 否则不允许开车。其次, 当井下发出提升信号时, 提升机按照预定程序进行。在提升过程中, 外设控制开关或传感器的输出信号被PLC 调用, 经逻辑、时序、微分、比

38、较、计数等出继电器、控制继电器、加速接触器、高压换向器、制动回路、信号回路等外部被控对象动作, 控制主电机的开车、停车、正转、反转、调速的工作。对整个电控系统中的继电器控制部分也即主控系统 (主要是主控制回路 ) 采用可编程控制器( PLC ) 技术进行改造。（1）用 PLC 代替这些回路的所有中间继电器、时间继电器的功能. 控制逻辑保持不变, 由软件来实现, 必要时根椐用户要求改进设计。 （2）在原中间继电器、时间继电器与 PLC 之间设立转换开关, 当新系统发生故障时, 通过转换开关可立即恢复使用老系统。 （3）增加必要的综合后备保护、信号显示, 便于故障查找。2.3 PLC控制系统的组成

39、及各部分的功能2.3.1 PLC控制系统的组成操作台 PLC控制系统主要有主控柜、加速接触器柜、高压换向柜、制动电源柜等部分组成，其结构框图如图2.2操作台可编程序控制器（PLC）可编程序控制器（PLC）检测信号可调闸制动高压换向器制动电源柜加速接触器检测信号可调闸制动高压换向器制动电源柜加速接触器提升机电动机提升机电动机图2.2 控制系统结构框图2.3.2 P（1）主控台：主控台是电气控制的核心设，通过通讯模块间工作指令的传递，将各种外设控制开关传感器送来的信号接到主控台PLC的输入端，经PLC的逻辑运算，被控对象的动作及驱动相应的输出继电器动作，再控制安全继电器、工作继电器及各种控制单元，

40、完成提升机的工作过程。（2）加速柜：可控硅加速柜在布线结构上与转子接触器相同, 功能相当于加速时的电阻切换, 主要由晶闸管及其触发回路构成。其主回路每段采用3只单向可控柜构成三角形接法，作为主电机转子回路外接电阻切换开关使用，由主控台来控制实现提升机的加速和减速。（3）制动电源柜：主要作用是提供主电机减速段低频制动、下放重物时脚踏低频制动、爬行段低频运行拖动及验绳时低频运行拖动的电源。（4）检测信号：主要作用是随时随地上传信号，起到监测监控的重要作用，保证在提升机工作的过程中提升机能安全有效的完成规定的任务。2.4 PLC的选择及I/O点的分配2.4.1 PPLC 是以微处理器为核心, 综合了

41、计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用自动控制装置, 其结构简单、性能优越、可靠性高、灵活通用、易于编程、使用方便, 在工业自动控制、机电一体化、传统产业改造等方面得到了广泛应用。本次设计采用西门子S7-300 PLC，S7-300系列 PLC是一种通用型PLC，能适应自化工程中的各种应用场合，具有：（1）高速指令处理，指令处理时间为0.1-0.6us（2）人机界面，方便的人机界面已经集成在S7-300操作系统内（3）诊断功能，CPU的智能化的诊断系统可连续监控系统的功能是否正常（4）口令保护等强大功能S7-300基于模块化、无风扇结构设计，采用DIN标准导轨安装，配置灵活、安装

42、简单、维护容易、扩展方便，各种模块可以进行广泛的组合和扩展。2.4.2 S7-300 PLC的输入输出设备如下表所示开关量：手动方式；自动方式；正常运行；紧急制动；接近井口位置；油位信号；模拟量：油压信号；油温信号；操作台制动手柄给定制动；测速机制动。输 入 设 备输 出 设 备正向接触器(反向,线路,低频)（3）松绳脚踏开关制动定子电流继电器信号液压站(运行,温度高,压力高)低频(正向,反向,爬行)润滑站(运行,欠压,超温,油超温,出油温度高)SYMA工作闸开关加热器主令控制器电铃工作方式(工作/调绳)检修亚同步(低频使用)手选正向(反向)加速开关(18)方向复位正(反)向输出正力提升(负力

43、)速度方向继电器紧急开关工作闸输出故障复位安全输出正向(反向)过卷复位信号灯加速开关(18)提升方向外部安全回路减速灯松 绳低频投入灯输 入 设 备输 出 设 备离心开关正(负)力灯正向(反向)减速开关(井筒)一(二)次开车灯正向(反向)两米定点开关(井筒)检修(验绳)灯断 轴选正(反)向灯二级制动切除(牌坊)零位灯减速开关中间继电器(牌坊)安全回路灯正(反)向终端停车(牌坊)比较(深度指示器用)过卷开关(井筒)深度指示器弹簧疲劳可调闸电流闸瓦磨损SMJ检 修停车信号信号选向信号急停Dzc-run手闸给定限速给定(正向/反向)表2.1 系统的输入设备和输出设备表注释： (2)：有2次；(18)

44、有8个； 0未用(7.0未用)；空：未用； 如有不适，以接线图为准。2.4.3 S7-300 PLC接线图（一）S7-300 PLC I/O地址分配1.分配原则: 重要输入信号（如松绳开关、过卷开关等）直接送入主令柜PLC的输入模块或通过继电器转换后（如井筒磁开关信号）送入主令柜PLC的输入模块，主PLC的中央处理器（CPU）在接受这些信号后，会根据系统的情况及操作指令对其进行运算、控制，给出开关信号的继电器输出或模拟量信号的输出，这些不同的输出信号再分别控制不同的设备，如液压站、润滑站等。采用就近原则，如操作台的按钮、开关等直接进入从PLC进行控制；两个光电编码器分别进入主PLC、从PLCF

45、M350高速计算模块，对每一套编码器分别计数，并通过软件比较两套FM350之间的计数值，形成互为监视。若程序检测到编码器故障信号，发出报警并进入电气制动停车。2.初步统计 依次对应分配：数字量D(I:96 Q:64) 模拟量A(I:32 Q:32)DI DO AI AOI4.0I4.7 Q16.0Q16.7 I24.1I24.3 Q28.0I5.0I5.6 Q17.0Q17.7(3.4.5空) I6.0I6.5 Q18.0Q18.7 I7.0I7.5 Q19.0Q19.7(1.3空)I8.0I8.7 Q20.0Q20.7I9.0I9.6 Q21.0Q21.7(4空)I10.0I10.7 Q22

46、I11.1I11.6 Q23 I12.0I12.7 I13.0I13.7I14.0I14.5图2.3 S7-300的 I/O地址分配(二) S7-300 PLC的模块组合图2.4 S7-300 PLC模块组合2.4.4 P（一）继电器电路中的执行元件与PLC的输出继电器对应器 件输 入输 出 名称项目代号接口代号对应器件项目代号接口代号对应器件交直流接触器IC_IN I4.1KM2.1 IC_OUT Q19.0 KA13.1 正向接触器FC_IN I4.2 KM2.2 FC_OUT Q19.2 KA13.2 反向接触器Q19.4KA13.4 正向限速Q19.5KA13.5 反向限速Q19.6K

47、A14.6 工作闸/手闸DIC_IN I4.4 KM3.1DIC_OUTQ16.3 KA3.3 低频接触器DICO_IN I6.6DICO_OUT Q16.1KA3.1 电磁阀YV7.1YV7.6G5_OUT Q17.0 KA7.2 控制G5 G6_OUTQ17.1KA7.3 控制G6 指示灯主令控制LK_1I7.0KA10.1LK_1DZK_1Q21.5HL4.15零位灯工作闸开关DLK_1 I7.5KA10.6S_ZJ I8.1SB2.9 S_Z_LED Q21.1 HL4.7 选正向灯 (手选)S_FJ I8.2SB3.1 S_F_LED Q21.3HL4.11 选反向灯 (手选)ZLI

48、8.4 SA2.2ZL_LED Q20.5 HL5.2 正力提升灯FL I8.5 FL_LED Q20.6 HL5.1 负力提升灯AC_IN I10.5KM9.0 LED_ACQ21.6 HL4.14 安全回路灯JSJ_IN I13.0 KM15.10 JSJ_LED Q20.3 HL5.6 减速灯XC_XHI14.0LXG1 (开车) CHECK_LED Q21.1HL5.3检修灯(验绳灯)ST_XH I14.1 LXG2(停车) XC XC_LED Q16.2 Q20.0 KA3.2 HL5.5 信号灯 (选向) 停 车Z_KC_XH I14.2 LXG3 (正向)开 车 信 号 F_KC

49、_XH I14.3 LXG4 (反向) XH_JT I14.4 LXG5 急 停DP_LED DP_ZJ DP_FJ Q20.4 Q16.4 Q16.5 HL5.7 KA3.5 KA3.6 低频投入灯(正/反向)B_T_H I5.3 液压站温 度 高1KC_LED XC_LED Q20.7 Q21.0 HL5.9 HL5.10 一次开车灯 二 次 开 车 灯H_P/H I6.0 润滑站超 温 TPJ I13.5 弹簧疲劳表2.2继电器电路中的执行元件与PLC的输出继电器对应关系(二) 继电器电路中的主令电器与PLC的输入继电器对应器件 项目代号 接口代号对应器件 名 称 旋转开关 LK_9 I

50、6.4 SA3.0 主令控制器 LK_11 I6.5 LK_1 I7.0 KA10.1SA3.0 LK_3 I7.1 KA10.2/SA3.3 LK_4 I7.2 KA10.3/SA3.3 L 5 I7.3 KA10.4 L_7 I7.4 KA10.5I24.1/I28.0KA10.7SA3.1/SA3.12 旋转开关 脚踏 开关 JTK I4.7 KA3.4SL2.2 脚踏开关 JLK_1K I5.0 FL27 定子电流 继电器 JLK_2K I5.1FL28旋转开关 DIK_2 I6.3 SA2.0 工作闸开关 DIK_1 I7.5 KA10.6/SA2.0 2HK_YS I9.0 SA3

51、.2 工作方式(工作/调绳)检修Z_OV_RST I8.1SA3.3 正向过卷复位F_OV_RST 反向过卷复位加速开关器件 1JC_IN 1JC_OUTI9.3/Q18.0KA4.1/KA11.1/KA10.8 加速开关 2JC_IN 2JC-OUTI9.4/Q18.1KA4.2/KA11.2/KA10.8 3JC_IN 3JC_OUTI9.5/Q18.2KA4.3/KA11.3 4JC_IN 4JC_OUTI9.6/Q18.3KA4.4/KA11.4项目代号接口代号对应器件名 称加速开关 5JC_IN 5JC_OUTI10.0/Q18.4KA4.5/KA11.5 6JC_IN 6JC_OU

52、TI10.1/Q18.5KA4.6/KA12.1 7JC_IN 7JC_OUTI10.2/Q18.6KA4.7/KA12.2 8JC_IN 8JC_OUTI10.3/Q18.7KA4./KA12.3 离心开关 LXK I10.7KA14.3/SL14.3 离心开关接近开关 Z_JSK I12.0KA15.1/SQ15.1 正向减速开关(井筒) F_JSK I12.1KA15.2/SQ15.2 反向减速开关(井筒) Z_DDK I12.2KA15.3/SQ15.3 正向两米定点开关(井筒) F_DDK I12.3KA15.4/SQ15.4 反向两米定点开关(井筒)断 轴 DZ_1 I12.4S1

53、5.1 断 轴 DZ_2 I12.5行程开关 Z_2JK I12.6SL15.11二级制动解除(牌坊) F_2JK I12.7SL15.12 JSJ_IN I13.0SL15.10减速开关中间继电器(牌坊) Z_ST I13.1KA15.5/SL15.5正向开关中间继电器(牌坊) F_ST I13.2KA15.6/SL15.6反向开关中间继电器(牌坊)Z_OV_IN I13.3KA15.7/SL15.7过卷开关(井筒)F_OV_IN I13.4KA15.8/SL15.8 TPJ I13.5KA16.1/SL16.1SL16.16 弹簧疲劳 ZMJ I13.6KA16.2/SL16.17SL16

54、.32 闸瓦磨损 SMJ I13.7 转换开关WORK_TS I8.0SA2.1 工作方式 按钮开关 S_ZJ I8.1SB2.9 手选正向 S_FJ I8.2SB3.1 手选反向 RST_2FJ I8.3SB2.1e 方向复位 ZL I8.4SA2.2 正力提升 FL I8.5SA2.2 反向提升 EM_ST I8.6SB3.11 紧急开关(无) ERR_RST I8.7SB2.8 故障复位压力继电器 B_RUN I5.2KM7.1/SA2.1;SB2.3;SB2.4/FR7.1 液压站 运行 B_T_H I5.3PW7.1/PY7.2/PY7.3 温度高 B_P_H I5.4KA7.1/P

55、Y7.1 压力高 U_RUN I5.5KM8.1/SB2.2;SB2.2/FR8.1 润滑站 运行 U_1K I5.6LU1_1 欠压 U_P/H I6.0LU1_2 超温 U_P/T_2 I6.1LU1_3 油超压 U_T/H I6.2LU1_4 出油温度高表2.3继电器电路中的主令电器与PLC的输入继电器对应关系注释：FR：热继电器；既可安装在外部电路，也可安装在内部电路，视I/O接口容量大小而定。本次设计安装在外部电路。（三）继电器电路中的时间继电器与PLC的定时器或计数器对应项目代号标注号 名 称 项目代号 标注号 名 称XSJ M41.0速度信号延时 中间继电器 T_XSJ T31

56、速度方向时间继电器T_XSJ_D T40 方向延时VB2M/SM50.0 两米速度检测 T_DZ_1 T14I12.4断轴信号延时T_DZ_2 T15 /I12.5ERR_2M/SM150.4 两米限速故障 T_DDT13 定点M_Z_ST M42.6 终端停车(编码器) Z_ST_TBT8 /I13.1正向停车延时继电器 M_F_ST M42.7 F_ST_TBT9 /I13.2反向停车延时继电器V_F_M M2.1 方向联锁 T_CX T16 错向V_Z_M M52.0 DP_G2M14.3 低频故障记忆M_XC_Y_GT65低频信号延时DZC_Y_GZT66低频延时（故障记忆）ERR_G

57、SJ2M150.0 等速过速故障T_GSJ2T10 等速过速ERR_SSM150.2 松绳故障T_SST11 /I10.6;Q16.0 松绳延时继电器ERR_LXM150.3 编码器故障T_LXT12 离心开关延时继电器 ERR_CXM150.6 错向故障T_CXT16 错向M_ACM151.7 安全回路T_ACT17/T28 /Q1 安全回路（未用）M_JSJ项目代号M152.1标注号减速点名称T_JSJT29/T10减速铃时间KTZ_JST45可调闸减速时间项目代号标注号名称TZT60 贴闸时间M_XCM152.2 信号T_XCT18/T65 信号延时（未用）GYXHM153.0 二次开车

58、信号T_XC_Y/xh_ysT50/T51 信号延时M_XC2M152.3RK_2JM100.0二次开车中间继电器M_2JKM152.6二级制动解除继电器T_DZCT28 二级制动延时T_G5T30 二级制动时间ERR_GSJ1M152.7 减速过速故障T_GSJ1T46 /I8.7 减速过速2_8JCM41.4 加速开关1SJ8SJT20T27 /Q18.1Q18.7 加速开关延时继电器 DL_MM51.7电铃中间继电器 XT_XH_YT35/T29 定钟延时（未用）表2.4 继电器电路中的时间继电器与PLC的定时器或计数器对应注释：时间继电器有“通延型”, “ 断延型”两种；定时器只有“通

59、延型”； 如有不当之处，参看梯形图。2.5 PLC电控系统原理设计交流提升机电控系统是由PLC控制的全自动控制系统。主控PLC电控系统由高压主回路和低压控制回路组成，其中高压主回路又由定子回路、转子回路组成，低压控制回路主要由主控逻辑电路、可调闸动力制动回路、信号检测控制仪、安全保护电路及各种控制柜组成，由于PLC控制交流提升机电控系统的高压主回路与TKD-A型系统的基本相似，前面第二章已经介绍过了，这里就不介绍，重点介绍低压控制回路。2.5.1 主控逻辑电路本电控系统由于使用了工业控制计算机可编程控制器PLC作为组要控制器件，因而各项控制和保护功能之间的逻辑关系，是根据TKD系统的工作过程，

60、结合现场的实际情况用编程的方法解决的。通过PLC控制各接触器、继电器的触点实现控制。各外设控制开关或传感器作为输入信号，接到PLC的输入端子，这些信号的工作状态被PLC调用，经逻辑、时序、微分、积分、比较、计数等程序处理后，PLC相应的输出继电器动作，控制安全继电器，加速接触器高压换向器、制动回路、信号回路等外部被控对象动作，完成提升机的加速等速、减速、爬行、制动、停车、保护、信号、显示等工作过程。2.5.2 可调闸动力制动电路本系统采用可调闸、动力制动电路模块进行开环、闭环控制和减速段限制超速10%的保护控制，替代原TKD的磁放大器。基本控制作用对可闸进行开环、闭环控制开环控制时，当操作台上