PLC控制煤矿矿井提升机

1、山东科技大学学士学位论文 摘要 摘要煤矿矿井提升机是煤矿的重要设备，随着计算机PLC和液压技术的不断进步，采用先进的控制技术和液压比例加载技术来改造传统矿山行业的传统控制系统，从而使矿井提升机的控制性、安全性、防冲击能力得到很大发的改善，其控制系统和液压比例加载系统的技术性能和可靠性能直接影响煤矿的安全生产。本设计重点对矿井提升机液压站系统和比例溢流阀应用上进行了重点研究。电液比例控制系统与可编程控制器PLC相结合，压力传感器将采集的信号经处理后送入PLC中对信号进行处理从而发出控制信号，控制信号经放大控制器处理后作用在比例溢流阀上，控制比例电磁铁作用，控制液压源到液压缸的流量在液压缸中产生不

2、同的压力从而达到控制盘闸制动器的目的。关键词：提升机，电液比例，PIDAbstract Mine hoist is the important equipment in coal mine, with the development of computer PLC and hydraulic technology, the traditional control system to transform the traditional mining industry to adopt the control technology and hydraulic proportional loadin

3、g technology advanced, so that the mine safety machine anti impact ability obtained the very big development improvement, its technical performance control system and hydraulic proportional loading system and reliable performance directly affects the safety in production of coal mine. This paper ado

4、pts PLC technology to control the electro-hydraulic loading system. The PLC programmable controller so that it can be compared to the traditional mine safety system greatly improve the electro-hydraulic proportional loading system, running more stable and accurate. The reconstructed system can meet

5、the stringent requirements of the mine production, but relatively little investment, high cost performance, has a strong practical value.Keywords: hoister ，electro-hydraulic， proportional PID 1山东科技大学学士学位论文 目录目录第一章 绪论51.1 课题研究意义5第二章 电液比例控制系统与PLC概述92.1电液比例控制系统9 2.2 PLC的简介10第三章 矿井提升机制动系统及其液压站设计143.1 盘闸

6、制动器的工作原理143.2 制动过程分析研究153.3 性能参数的确定193.4 盘式制动系统的液压站20第四章 基于PLC的电液比例控制系统244.1 比例控制放大器254.2比例液压系统设计294.3 基于PLC的电控系统设计314.4建模与分析33第五章 电气控制要求415.1 I/O地址分配415.2 S7-200程序设计梯形图46参考文献54致谢词54附录-外文文献及翻译5674前言 矿井提升机是矿山生产的至关重要的大型设备，对矿井的生产和安全起着非常重要的作用，有着重要的国民经济意义。提升机电力传动系统运行复杂，提升机的电动机经常正反向切换运行，频繁的处于电动和制动状态不断转换和处

7、于超负荷的状态。对提升机来说，提升的运行过程中的安全性和可靠性是至关重要的，特别是用于搭载乘务人员的副井，如果发生故障往往会造成机毁人亡，因此，为了保证提升机能够安全可靠的运行，提升机的安全性和可靠性就成为研究和制造时必须首要考虑的至关重要的问题。 我国是个采矿大国，也是矿山机电设备制造和使用大国。矿山企业的提升机是咽喉设备，产品不断更新换代。老产品运行年深日久，原本落后的结构问题暴露突出，故障增多，严重影响矿山的安全运转，抑制了矿山工业的快速发展，给国民经济带来了不良的影响。随着国内矿井生产量的飞速的提高，对提高提升机的安全性、可靠性、生产效率以及整机的自动化水平，降低操作维护人员的劳动强度

8、和提高处理设备故障的速度等，成了非常迫切的要求。所以本文就以研究和设计提升机控制系统为目的，仔细的研究和分析了提升机系统的各个组成部分及其之间的联系，来更近一步的了解提升机系统，更好的为矿山单。更好的为矿山单位服务。 山东科技大学学士学位论文 第一章 绪论 第一章 绪论1.1 课题研究意义 我国有丰富的矿产资源，低廉的劳动成本，本应该在国际市场中占有优势，但由于技术、管理和体制等原因，大部分矿山企业的前景不容乐观。从采用先进技术的采矿国家发展经验可以得出的结论是:采用高新技术和先进的设备改造落后的矿井提升系统的现状是我国矿山企业在国内国际竞争中胜出的必由之路。本课题的研究意义也就在此：应用先进

9、的PLC和计算机技术与电液比例控制技术相结合，提高提升机的速度控制性能，实现恒减速制动控制，减小机械冲击，增强矿井提升机的安全性能，提高工作效率，同时也降低了器件的磨损，节约成本。1.2 矿井提升机的发展现状及其制动系统的简介1.2.1 矿井提升机的发展现状 提升机是矿井的主要设备，用于升降人员和物料。提升机的发展随着矿山建设的需要，经历了三个阶段，现在成批生产的提升机按工作方式分为：缠绕式矿井提升机和摩擦式矿井提升机。目前使用的矿用提升机，在机械部分有很大提高，近几年的提升机技术，正向着体积小、重量轻、提升运输能力大、效率高、性能稳定、安全可靠、自动化、智能化的方向发展。在机械部分无太大的变

10、化，主要是在电控系统。较为先进的PLC控制代替原来的继电器技术，变频调速代替原来的串接电阻的调速方式。从企业的安全和经济效益考虑，在电控系统上，静态无功补偿系统和变频调速系统是提升绞车发展普及方向，他们对电网的安全运行、提高企业的经济效益、节能减排等方面意义巨大。 深井及大终端荷载时，钢丝绳直径和卷筒容绳面积要求很大，这将导致提升机体积庞大，给制造、使用带来一定不便，限制了单筒缠绕式提升机在深井条件下的使用，所以深井多使用摩擦式提升机。 缠绕式矿井提升机是以电动机为动力源，通过减速器将动力传给缠绕钢丝绳的卷筒，实现容器的提升下放，通过电气传动实现调速，盘型制动器由液压和电气控制进行制动，通过位

11、置指示系统实现容器的深度指示，通过各种传感器、测速发电机控制元件，组成安全保护系统。 摩擦式提升机具有安全性高、钢丝绳直径细、主导轮直径小、设备重量轻、耗电少、价格便宜等优点，发展很快。除用于深立井提升外，还可用于浅立井和斜井提升。钢丝绳搭放在提升机的主导轮（摩擦轮）上，两端悬挂提升容器或一端挂平衡重（锤）。运转时，借主导轮的摩擦衬垫与钢丝绳间的摩擦力，带动钢丝绳完成容器的升降。钢丝绳一般为2-10根。摩擦式提升机主轴与轮毂为整体锻造，轮毂与摩擦轮辐采用高强度螺栓联接。摩擦衬垫采用高性能摩擦衬垫，摩擦系数高、耐磨性能好，吸收钢丝绳振动能，防止钢丝绳扭转，不会被浸湿，并抗腐蚀性强。滚动轴承选用双

12、列向心球面滚子轴承，允许绕轴承中心微量蹿动，以补充由于轴受力弯曲而带来的角位移。 缠绕式提升机和摩擦式提升机的现状和特点： 减速器采用圆弧形人字齿轮减速器，提高了承载能力并减轻了重量。主轴装置的减速器和电动机布置在同一线轴上，对安装、检修极为方便。减速器有双力线和行星减速器两种。双力线中心驱动减速器是在使高速轴、低速轴在同一直线上，从而使主电机、减速器、主轴装置呈“一”字布局，结构紧凑减小机房面积，安装、维修方便。双力线中心驱动减速器全为人字齿结构，它除了具有斜齿轮的特点外，还能自行平衡转动过程中产生的轴向力。进一步提高了承载能力和平稳性。中间齿轮采用弹性齿轮，整个减速器传递扭矩大，运行平稳噪

13、音小，抗冲击能力强。在相同功率的前提下，可比其它型式的减速器输出功率更大。 主轴装置采用滚动轴承，便于安装调整。主轴上采用的新结构形式滚筒与主轴同心度好，主轴抗冲击力强、寿命长。 液压传动装置为手动控制的低压电液调节阀和电磁铁控制的安全三通阀，操纵省力，易于实现自动化和半自动化控制。双系统液压站，该液压站采用两套完全独立的控制系统，使用过程中当一套系统出故障时，可立即转换到另一套系统正常使用。液控元件使用了先进的电液比例控制技术，具有先导控制、负载传感和压力补偿等功能，使液压站拥有更优良的使用性、高效的运行可靠性和方便的维护保养性。盘式制动灵敏，安全可靠。采用碟型弹簧产生压力，液压控制，制动时

14、间小于0.3秒。机器控制完全集中在操作台上，方便，灵活。仪表齐全、操作简便。 目前使用的矿用提升机，在机械部分有很大提高，控制系统普遍采用绕线电机转子串电阻的方式进行调速，该系统存在以下缺点： 大量的电能消耗在转差电阻上，造成了严重的能源浪费，同时电阻器的安装需要占用很大的空间：控制系统复杂，导致系统的故障率高，接触器、电阻器、绕线电机碳刷容易损坏，维护工作量很大，直接影响了生产效率；低速和爬行阶段需要依靠制动闸皮摩擦滚筒实现速度控制，特别是在负载发生变化时，很难实现恒减速控制，导致调速不连续、速度控制性能较差；启动和换档冲击电流大，造成了很大的机械冲击，导致电机的使用寿命大大降低，而且极容易

15、出现“掉道”现象；自动化程度不高，增加了开采成本，影响了产量；低电压和低速段的启动力矩小，带负载能力差，无法实现恒转矩提升。 提升机的发展趋势： 近几年的提升机技术，正向着体积小、重量轻、提升运输能力大、效率高、性能稳定、安全可靠、自动化、智能化的方向发展。1.2.2 矿机提升机的制动系统简介 矿用提升设备是借助于钢丝绳带动提升容器（罐笼、箕斗、矿车、人车等），沿竖井井筒或倾斜井巷运行的提升机械，矿井提升机是矿山系统中必不可少的重要设备，是沟通矿井上下的纽带，矿井提升机启动频繁，负荷变化大，运行速度要求的十分严格，这就必须配备良好的控制装置和保护装置。所以，设备的安全运行，不仅影响着整个矿井生

16、产，而且还涉及到人的自身安全。随着工业的进步以及对人身价值观的重视，矿井提升设备安全运行已成为考核煤矿企业落实规程的一项重要指标。所以，对于制动系统的研究就更尤为重要。矿井提升机常用制动方式和制动系统的现状： 提升机除了正常工作时的工作制动外，还有紧急情况下的恒减速制动，二级制动和一级制动等几种方式。(1)工作制动 当提升机在正常的工作状态时，提升机经加速、全速、减速、爬行等过程到达停车位时，制动安全贴闸，保证提升机停车的稳定；(2)恒减速制动 当提升机在井中发生运行故障时，可以使提升机以恒定的减速度减速，直至速度为零；(3)二级制动 二级制动又称为恒力矩制动，在制动系统投入运行前将系统的制动

17、压力调整好，若发生紧急制动，系统的制动力不随外负载变化，这是一种开环控制方式；(4) 一级制动 一级制动多用于接近井口时或在井口时，当发生事故时，制动器的全部液压油回油箱，系统压力回到零值，使系统处于完全制动状态。 对比以上几种制动方式，可见当发生事故需要紧急制动时，因恒减速制动可以维持减速度是一个恒定值，故为首选方式。而二级制动因其是维持制动力矩恒定，减速度因外负载的变化而变化，就会出现不符合煤矿安全规程规定或摩擦式提升防滑极限减速度等诸多不安全的现象，因此只有在恒减速制动不满足条件的时候才实施二级制动，当在井口速度较低时实施一级制动。 山东科技大学学士学位论文 第二章 电液比例控制系统与P

18、LC概述第二章 电液比例控制系统与PLC概述2.1电液比例控制系统2.1.1 电液比例控制技术 电液比例技术是流体传动与控制技术中的一个新的分支。一般人们把使用比例控制元件(含比例控制阀、比例控制泵及比例放大器)的液压系统称为电液比例控制系统。比例控制是实现元件或系统的被控制量与控制量之间线性关系的技术，依靠这一技术保证输出量的大小按确定的比例随着输入量的变化而变化。2.1.2 电液比例控制系统及特点电液比例控制系统分为开环控制和闭环控制系统。开环控制系统不对被控制量进行检测和反馈，当出现被控量与期望值的偏差时无法进行修正。这类系统一般控制精度不高。但与开关式液压控制相比，控制质量和方式都有改

19、进和简化。这类开环系统由于不存在信号和能量的反馈，因而系统稳定性好，容易设计·。是目前最常见的比例控制系统。闭环系统引入了反馈回路。它用被控制量与输入量(给定)的偏差信号作为真正的控制信号，最后使输出量尽量与输入量相一致。在受到干扰时仍能消除偏差或把偏差控制在要求的精度内，系统的输出能较准确地复现输入信号的变化规律。但由于有反馈的存在，其稳定性成为设计的主要考虑问题，特别是比例阀下作在较大的范时，其非线性的影响不能忽略。电液比例控制系统由放大元件、电液比例控制元件、动力执行元件及动力源、工程负载及信号检测反馈处理元件组成。此次设计所应用到的核心器件比例溢流阀： 图2.1 直动式比例溢

20、流阀示意图 它主要包括阀体6，带位置传感器1、比例电磁铁2、阀座7、阀芯5及调压弹簧4等主要零件。当电信号输入时，电磁铁产生相应的电磁力，通过弹簧座3加在调压弹簧4和阀芯上，并对弹簧预压缩。此预压缩量决定了溢流压力。而压缩量正比输入电信号，所以溢流压力也正比于输入电信号，实现对压力的比例控制。2.2 PLC的简介随着微电子技术的飞速发展，特别是微处理器和微计算机的快速发展，PLC已从原来由中小集成电路组成到由大规模集成芯片成为其核心部件转换其被广泛用于各方面的控制。2.2.1 PLC基本结构PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，分为中央处理单元(CPU)&#

21、160;，存储器，输入、输出接口，扩展接口，电源，通信模块，编程工具，IO接口等。     中央处理单元(CPU)     中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象

22、区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。      （2）存储器     PLC存储器是用来存放系统程序、用户程序和运行数据的单元。按其作用有系统存储器（存放系统软件的存储器）和用户存储器（存放应用软件的存储器）。     （3）输入、输出接口     现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是PLC与现场

23、控制的接口界面的输入通道。     现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。 （4）扩展接口   扩展接口用于将扩展单元与基本单元相连，使PLC的配置更加的灵活，以满足不同控制系统的要求。  （5）电源     PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，

24、可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。    （6）通信模块  如以太网、RS485、Profibus-DP通讯模块等。 （7）编程工具 编程工具是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视用的设备。最常用的是编程器编程器有简易性和智能型两类。简易型的编程器只能联机编程，且往往是先将梯形图转化为机器语言助记符后才能输入，它一般由简易键盘和发光二极管或其他显示器件组成。智能编程器又称图形编程器，它可以联机，也可以脱机编程，具有LCD或CRT图形显示功能，可以直接输入图形图和通过屏幕对话。2.2.2 PLC的工作原理

25、PLC的全工作过程主要分为上电处理、扫描过程和出错处理。其中扫描过程分为输入采样阶段、用户程序执行阶段和输出刷新阶段。 （1） 输入采样阶段   在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应的单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。  （2） 用户程序执行阶段  &

26、#160; 在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的

27、凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。  （3） 输出刷新阶段    当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。山东科技大学学士学位论文 第三章 矿井提升机制动系统及其液压站设计第三章 矿井提升机制动系统及其液压站设计3.1 盘闸制动器的工作原理盘闸制动系统是应用于矿井提升机上的新型制动系统。它具有结构紧凑、

28、重量轻、动作灵敏、安全性好、便于矿井提升自动化的优点。盘闸制动系统包括两部分: 盘闸制动器和液压站。盘闸制动系统主要用于控制提升机的正常停车、工作制动和安全制动。就目前使用状况来看： 提升机发生的事故大部分与制动有关，如断绳、过卷、墩罐、滑动等。究其原因：一方面在提升终了或提升机不工作时，不能可靠地闸住提升机；另一方面在减速阶段不能参与提升机的速度控制， 以至发生紧急事故时，不能进行安全制动。从矿井生产来看， 提升机一旦发生事故,将引起停工停产，甚至人员伤亡。因而有必要对盘闸制动器的制动过程进行受力分析, 以便确定制动力矩和性能参数，为保证提升机运行的可靠性和矿井安全生产提供必要依据。N 51

29、23油压p4 NF2 闸瓦间隙 1-制动盘 2-闸瓦 3-活塞 4-弹簧 5-压力传感器 图3.1 盘闸工作原理示意图 盘闸制动器是由蝶形弹簧4 产生制动力，靠油压松闸的。当压力油充入油缸，推动活塞压缩蝶形弹簧，筒体和闸瓦在回复弹簧和拉紧螺栓的作用下一起右移；闸瓦离开制动盘， 呈松闸状态。当油缸内油压降低， 蝶形弹簧就回复其松闸状态时的压缩变形，推动活塞向左移动， 使闸瓦压向制动盘， 达到制动的目的。制动状态时，闸瓦压向制动盘的正压力大小，决定于油缸内工作油的压力。当油缸内压力为最小值时( 一般不等于零，有残压) ， 弹簧力几乎全部作用在活塞上。此时制动盘上的正压力最大， 呈全制动状态。反之，

30、 当工作油压为系统最大油压时,呈全松闸状态。3.2 制动过程分析研究1. 全制动状态时 提升机在全制动状态即停机状态时， 液压站断电， 盘闸制动器工作腔内的液压油全部回油。此时， 工作腔内的油压p=0， 蝶形弹簧压缩量为( mm)， 弹簧力=k×( K-蝶形弹簧刚度系数， N/ mm) 。在弹簧和作用下， 盘形闸制动器闸瓦压紧在提升机滚筒上的制动盘上。制动器受力如图所示： N Ft图3.2 全制动状态时制动器受力图-制动器内活塞和筒体的运动阻力(N)N-制动盘对闸瓦的正压力( N)制动器闸瓦的力平衡方程为： N=Ft-=K- (3-1)所以制动力矩： =ZuRm（Nm） (3-2)-

31、制动盘与闸瓦间的摩擦系数-制动盘的制动半径（m）分析( 3-1) ( 3-2) 两式可知, 在全制动状态时， 制动力矩主要与弹簧的压缩量 和弹簧的刚度系数K及活塞和筒体的运动阻力 有关。若发生制动失效， 则主要是由于弹簧压缩量太小或蝶形弹簧刚度系数K太小造成的。当然， 若闸瓦与制动盘之间的摩擦系数太小也会导致制动失效。2. 松闸状态时 提升机系统从停机状态到工作状态时， 必须解除制动器的制动。启动液压站，向制动器工作腔内注入压力油。推动活塞，带动筒体，压缩蝶形弹簧闸瓦离开制动盘， 呈松闸状态。制动器受力如图所示： 图3.3 松闸状态时制动器受力图 -制动器的内油液对筒体的作用力（N） -制动器

32、内油液压力（Pa）-制动器内油缸面积（） （3-3） 在松闸过程中，随着油压力p 的增大， 蝶形弹簧预压力和运动阻力将逐渐被克服。当Ft+ Fz 与Fy 相低消时，制动正压力N= 0。此时， 闸瓦与制动盘处于脱开的临界状态， 制动器内的油压称为开闸油压Pk。 （3-4） 随着液压站油压的继续升高， 蝶形弹簧的压缩量继续增加。当液压站油压达到设定的最大油压值 时， 闸瓦与制动盘间隙达到最大。 （3-5）3. 制动状态时 盘闸制动闸瓦从全开闸状态到贴闸状态时， 液压站油压逐渐降低，活塞和筒体的运动方向指向制动盘。制动盘受力如图所示： N 图3.4 制动状态时制动器受力图制动闸瓦的力平衡方程为： （

33、3-6）当闸瓦与制动盘刚好贴上时, 闸瓦与制动盘处于贴上的临界状态, 制动器内的油压称为贴闸油压Pt。 即： （3-7）当工作腔内油压降低到液压站开动时的最低压力Pc（残压）时，正压力为最大压力。 （3-8）所以最大制动力矩： （3-9）分析( 3-4) ( 3-7) 两式可知, 开闸油压力和贴闸油压力是不同的, 说明松闸过程和制动过程是不重合的。分析( 3-8) ( 3-9) 两式可知, 制动器产生的最大制动力矩与残压Pc有关。若液压站发生油路堵塞, 制动器内的液压油不能及时回油时, 将导致制动力矩过小, 从而出现制动失效。在实践实习中, 西峪煤矿就曾发生过油路堵塞、制动力矩过小而出现的制动

34、失效。3.3 性能参数的确定1. 蝶形弹簧刚度系数K盘闸制动器是靠油压力松闸, 弹簧力制动的。为了提高盘闸制动的可靠性和稳定性, 蝶形弹簧的刚度是一个关键参数, 同时也是造成盘闸制动失效的主要原因之一。目前, 在计算制动力矩时, 常以蝶形弹簧刚度的理论值来代入。而实际上, 盘形闸在循环往复的抱闸松闸过程中, 蝶形弹簧的刚度系数在变化且不断降低。因此, 要以刚度系数的实际值代入。将式( 3-4) ( 3-5) 联立, 可得实际刚度: (3-10)因为Pk、Pt、0 能通过仪器实测, A 为己知参数, 因而(3-10)式可确定制动器内一组蝶形弹簧的实际刚度系数。每片蝶形弹簧的刚度系数。 -制动器内

35、一组蝶形弹簧的片数2. 最大制动力矩 煤矿安全规程 针对不同的矿井条件, 对盘闸制动力矩提出了不同的要求。如对于立井和倾角在30°以上的斜井, 工作制动或安全制动的制动力矩不得小于提升或下放载荷时最大静力矩的3 倍。制动力矩不能太大, 也不能太小。因为制动力矩过小, 将不能及时停车或稳定可靠地工作; 过大, 则将导致过大的紧急制动减速度。一方面使设备产生过大的动载荷, 引起整个提升系统的剧烈振动; 另一方面也会对被提人员造成伤害。可见, 制动力矩是影响提升机运行可靠性和稳定性的最主要因素。根据制动的力学分析, 可得最大制动力矩: （3-11） - 制动器个数 因为、n、A均为已知参数

36、，和能通过仪器实测，因为（3-11）式可确定实际最大力矩。3.4 盘式制动系统的液压站液压站原理图如下：图3.5 液压站原理图 出于对煤矿安全性要求较高的考虑，本液压系统共设计有3套液压源，有2个液压泵(一个工作，一个备用)和一个蓄能器组成。正常工作时由变量泵1供油，作为主液压源，电磁换向阀Y1阀口常开，单向阀5可防止油液回流进泵，起到保护泵的作用；在主液压源发生故障时，主油路上压力低于压力继电器8的设定值，压力继电器8动作使电磁阀Yl通电，阀口关闭，电磁阀Y2通电，阀口开启，第2套液压源启动，保障系统正常工作；蓄能器作为第3套液压源，在主、备液压源都发生故障(包括电液比例溢流阀发生故障)或突

37、然断电时，主油路上压力低于压力继电器8的设定值，压力继电器8动作使电磁阀Y2断电，阀口关闭、电磁阀Y7通电，阀口开启，第3套液压源启动，保证系统仍能临时实现制动，然后对主备液压源进行检修。这样就保证了提升机能够安全、可靠的制动。提升机液压制动系统工作情况如下： (1)提升机正常工作制动 当提升机在正常工作状态时，到达停车位置，提升机速度降为零，这时电磁换向阀Y3、Y6阀口开启，液压缸14中油液通过节流阀13和电磁换向阀Y3、Y6分别所在的两条回油路迅速的流回油箱，工作压力迅速降到系统残压，由盘式制动器迅速抱死提升机滚筒，可靠平稳的使提升机处于停车位置； (2)提升机恒减速制动当提升机出现故障不

38、能正常工作时，在满足恒减速制动的条件时，应迅速进行恒减速制动，当主备液压泵未同时出现故障时，系统由液压泵供油，通过电液比例溢流阀6调节系统压力来调节单作用液压缸14作用在滚筒15上的制动力矩，进而实现恒减速制动，当主备用液压泵同时出现故障或全矿停电时，此时的压力油由蓄能器保证，电磁换向阀Y7通电，系统的压力仍由电液比例溢流阀6设定，Y7和比例溢流阀的电源由UPS提供； (3)提升机二级制动当电液比例溢流阀发生故障，无法进行恒减速制动或提升机的位置不满足恒减速制动条件时，若提升机需要紧急制动，应立即投入二级制动。此时电磁换向阀Y5通电，系统的工作压力由溢流阀10设定，溢流阀l0的压力预先设定，工

39、作时不能更改，制动力矩不变，提升机在恒力矩下制动； (4)一级制动本系统可实施一级缓冲制动和一级紧急制动。当提升机出现故障的位置距停车点尚有一定距离时，进行一级缓冲制动。液压缸14中油液通过节流阀13、9和电磁阀Y4流回油箱，节流阀9使此回油路产生一定背压，使系统制动更平稳，减小了对提升机的冲击。而在提升机故障点接近停车点时，这时电磁换向阀Y3、Y6阀口开启，液压缸14中油液通过节流阀13和电磁换向阀Y3、Y6分别所在的两条回油路迅速的流回油箱，实现系统紧急快速的制动，防止过卷或过放事故的发生。 山东科技大学学士学位论文 第四章 基于PLC的电液比例控制系统第四章 基于PLC的电液比例控制系统

40、基于PLC的电液比例控制系统主要有比例液压控制部分 电控部分组成，系统组成如下图所示：液压源比例溢流阀比例放大器盘式制动器液压缸PLC压力传感器 图4.1 基于PLC的电液比例控制系统其基本原理为，当液压缸运动时，闸片所受压力通过压力传感器测得，测得后将模拟信号送入PLC的扩展模块EM235中实现模数转换，转换后的数字量送入PLC中由PLC进行处理，PLC采用相应的控制算法对系统进行实时控制，经过处理后的数据再由EM235转换成模拟信号送入比例放大器，比例放大器将电压信号经整形放大后转换为电流信号，通过比例电磁铁控制比例溢流阀阀芯的运动，进而控制液压缸活塞杆的位置，形成闭环控制；电液比例控制系

41、统本身具有滞后时变特性，由于比例阀本身是非线性的，因此就决定整个系统是一个非线性系统。但是实际工作中，比例阀在加入补偿后工作特性可以认为是线性的。因此，在建模和分析使，比例阀完全可以近似的认为是线性的。系统是采用PLC控制的，从原理上讲与计算机控制相似，计算机控制本身上是一种离散控制，由于PLC的扫描周期非常快（微秒或毫秒级），所以可以将它看成连续系统.因此整个系统可以看成是一个连续的线性系统。 4.1 比例控制放大器比例控制放大器是一种用来对比例电磁铁提供特定性能电流，并对电液比例阀或电液比例控制系统进行开环或闭环调节的电子装置。它是电液比例控制元件或系统的重要组成单元。下图是比例控制放大器

42、的典型结构：图 4.2 比例控制放大器的典型结构其模拟电路图为：功率驱动电路321震颤信号 图 4.3 比例控制放大器模拟电路 比例控制放大器是一种用来对比例电磁铁提供特定性能电流，并对电液比例阀或电液比例控制系统进行开环或闭环调节的电子装置。它是电液比例控制元件或系统的重要组成单元。 比例控制放大器的作用，主要是将输入的电压信号转化成电流信号，对受控的电-机械转换器（EM）比例电磁铁提供特定性能电流，以驱动、控制受控的电-机械转换器（EM）比例电磁铁。1-模拟量输入模块我们所用的为差分输入电路，正相端接入指令信号，负向端与指令信号的参考地相连接。这样就可以消除指令信号与比例放大器内部参考地之

43、间的共模干扰。但是必须注意该共模信号的幅度不应该超过比例放大器运算单元的正负电压范围。2-信号处理电路 为了适应各种不同控制对象和工况的要求，比例放大器中还有各种信号处理电路，用来对输入指令信号进行相应的处理。我们所用的为斜坡信号发生器。 斜坡信号发生器的作用是把给定的阶跃信号变成持续给定的斜坡上升信号，上升的时间即是斜坡信号发生器的设定时间，为的是使比例阀的开口度动作逐渐的打开，控制流体的流量的，不像普通的先导阀动作迅速。3-调节器 调节器是电反馈比例控制放大器中的一个组成单元，其用途为改善电反馈闭环控制比例阀或系统的稳定性和动态品质；使控制比例阀或系统稳定并达到一定的控制精度；对干扰起抑制

44、作用；使动态特性得到提高。4-颤振信号 为了降低比例电磁铁的摩擦滞缓，往往采用在控制信号上叠加颤振信号的方法。我们所采用的为三角波颤振信号发生器。比例溢流阀是电液比例控制系统的关键部件,它既是电液比例系统中电气控制部分和液压执行部分的接口,又是实现用小信号控制大功率的放大元件。缺点是内泄漏大、易堵塞,抗污染能力差。一般为减少静摩擦影响和提高抗污染能力,保证电液比例阀具有灵敏的控制性能,常常在控制信号上叠加一个高频小振幅颤振信号。颤振信号能够有效地提高电液比例阀的灵敏度,减小比例阀卡堵概率。5-功率放大级。功率放大级为比例控制放大器的核心单元。比例控制放大器的稳态和动态性能及其工作可靠性很大程度

45、上取决于功率放大级。功率放大级除了必须有足够的输出功率外，还必须具有良好的静、动特性。其输出的控制电流要有足够的稳定性，能抵抗温度变化、电源电压变化的干扰。功率放大级主要由信号放大和功率驱动电路组成。下图是它的典型结构。在保证功率放大级工作稳定的前提下，一般应尽量提高前向通道电压放大倍数，以提高输出电流抵抗电源电压波动和负载阻抗变化的能力，改善电流动态特性。比例电磁铁电流负反馈电压放大 图4.4 功率放大器典型结构4.2比例液压系统设计 比例液压系统主要由下列单元组成：液压泵、溢流阀、比例溢流阀、被控液压缸。 比例液压控制系统的基本工作原理为：根据输入信号的大小，通过比例放大器，将该输入信号（

46、0-10V）转换成相应的电流信号。这个电流信号再作为输入量被送入比例磁铁，比例磁铁产生与输入电流信号成比例的输出量-力或位移。该力或位移又作为输入量送入比例阀，比例控制阀产生一个与前者成比例的流量。通过这样的转换，输入一个变化的电信号，不但能控制被控液压缸的运动方向，而且可以对其运动速度进行调节。 电液比例溢流阀输出量是随着输入电信号的正负变化而改变运动方向，并且改变流量大小，因此电液比例方向控制本质上是一个方向流量控制阀。电液比例溢流阀是由FEST0公司生产的直控式比例阀，三位四通，中位机能为0型。与伺服阀相比，比例溢流阀的四个控制边均有较大的正遮盖量，并且弹簧安装时产生一定的预压缩量。如果

47、忽略阀芯与衔铁的摩擦和比例电磁铁的死区电流，则从阀芯处于中位到阀口打开，比例电磁铁需要提供的实际电流为： （4-1） 式中，i（0）-比例方向阀的起始电流；Ke-电磁铁电路-力增益；Xv0-阀口遮盖量；Xs0-弹簧的预压缩量；Ks-弹簧的刚度比例溢流阀的特性是由二组特性曲线来表示。这些特性曲线是使用和设计比例方向阀控制回路的重要依据，包括有不同压差下输入电流信号与输出流量关系曲线，该曲线反映比例方向阀的静态特性：比例阀的频率响应曲线和阶跃响应曲线，这两种曲线反映了比例阀的动态特性。FEST0公司比例溢流阀，工作电压为24V，输入电流为0-1000mA.在定压差下，死区范围外输入电流与输出电流基

48、本呈比例关系，而且比例方向阀口的压差越大，流经比例方向阀的流量越大。 液压缸为单出杆单作用作用活塞缸。活塞直径为16m,活塞杆直l0ram。额定工作压力为6Mpa,最大工作压力为12Mpa，活塞杆的行程为20ram。单出杆单作用活塞缸的特点是工作空间小，结构简单。4.3 基于PLC的电控系统设计 采用PLC作为电控单元，在控制上不仅可以充分利用开关控制功能，而且可以利用其模拟量输入、输出模块进行运算，不仅简化了控制系统的结构，更使得控制系统稳定可靠，精度高，体积小，安装方便。采用PLC代替原有控制系统，要对PLC进行软件设计，从而使得其模拟量模块不仅具有开关控制和较为复杂的运算控制功能，还具有

49、与上位机的通信功能，即采集、处理、模拟信号输入输出的功能，进而通过电液比例溢流阀实现对液压缸活塞杆的位置控制，使其能够快速、准确到达指定位置，提高位置控制精度，也能在微型计算机上直接观测实验结果。 电液比例位置控制的电控系统主要由四门子s7-200、 PLC的扩展模块EM235 (A/D和D/A转换模块)、PID调节、位移传感器、比例放大器组成。PLC负责数据采集和控制任务，软件是刊用计算机编程软件sTEP7-Micro/WIN32提供的编程语言来实现的。其基本控制原理是，当液压缸运动时，位移传感器将位移信号转换成电压信号，测出的信号送入EM235中，EM235将这个模拟量转换成数字量，在PL

50、C处理器中将这个数字量与给定量相比较，计算出的偏差进行算法控制，得到的控制变量为数字量，再经EM235转换为模拟量送入比例放大器中对比例方向阀进行控制，进一步调节液压缸的位置。西门子s7-200可编程控制器是一种小型PLC，它的作过程有两个显著特点:一个是周期性顺序扫描，一个是集中处理。S7-200的工作过程可分为4个扫描阶段：1）公共处理扫描阶段；2）输入采样扫描阶段：3)执行用户程序扫描阶段；4）输出刷新扫描阶段。 本文所研究电液比例控制系统，是一个闭环的控制系统，PLC的输入包含有压力传感器输入的模拟量，输出中含有控制比例溢流阀的模拟量，另外在输入端口处还要有一个数据串口，用以接收上位机

51、的数据和向上位机发送数据。S7-200主要包括如下单元:(1)中央处理器(CPU226) (2)扩展模块EM235 (3)输入和输出(I/O)编程口。其中中央处理器CPU226, 14点输入，10点愉出;扩展的模拟量模块EM235为混合模拟量输入输出模块，4个模拟量输入，1个模拟量输出。 比例放大器 本系统采用FEST0比例控制配套的二通道的比例放大器，使用24V单极性直流电源，其作用是向比例控制阀提供所需的直流电流。比例放大器能按输入电压的大小成比例的输出电流，井且根据比例阀的控制需要对控制电信号进行处理、运算和功率放大。比例放大器不仅能实现从电压信号到电流信号的转换，且能产生正确有效的信号

52、处理装置，为减少比例控制元件死区的影响，可以提供幅值可调的初始电流；为减少磁滞的影响，可以使输出电流有一定频率和幅值的颤振电流分量。比例放大器包括稳压电源电路、信号发生电路、信号处理电路、功率放大电路逻辑控制电路。 传感器采用拉杆式线性位移传感器。位移传感器的拉杆随液压缸活塞杆一起运动，并将活塞杆的位移量转换为电压信号。它的工作电压为13一30VDC,输出电压为0-10VDC,精度为1%，线性度为1%，测量行程为200mm。控制系统的要求一般的控制系统的要求是具有稳定性、快速型和准确性，这三者的关系又是相互制约的，它们可以通过不同的控制算法使得控制达到良好的综合性能。系统采用PLC作为主控机直

53、接处理模拟量和开关量信号，选用PC机作为上位机与下位机进行通信，控制系统构成如下图所示。压力传感器控制按钮等 其他比例溢流阀输入量 PLC 上位机输出量 图4.5 控制系统结构图4.4建模与分析 电液比例控制系统本身具有滞后、时变的特性，由于比例阀本身是非线性的，因此就决定整个系统是一个非线性系统。但是实际工作过程中，比例阀在加入补偿后可以认为工作状况是线性的，因此，在系统建模和分析时，比例阀可以近似的认为是线性的。系统的其它已主要组成部分也都可以认为是线性的。另外，系统采用PLC控制的，从原理上讲与计算机控制相似，计算机控制本质上是一种离散控制，由于PLC的扫描周期非常快(微秒或毫秒级)，所以进行理论分析时，可以将它看成连续系统。因此整个系统可以看作是一个连续线性系统。 下图为电液比例位置控制系统原理图。电液比例位置控制系统包括控制器环节、比例放大器环节、电液比例方向阀环节、液压缸一负载环节和反馈环节。 图4.6 电液比例位置控制系统框图基于PLC的控制器 PLC控制单元的主要任务是完成信号的采集并转换成数宇量，与给定信号相比较进行控制算法的运算，再将运算结果通过EM235转换成模拟量送给比例放大器。比例放大器 系统中采用的是比例溢流阀，比例放大器为双通道状态，通过选择电控和控制信号的极性，保证在任一时刻只有一个比例电磁铁上工作。经过PLC控制器运算的数字电压信号，由E