矿井提升机的系统设计

1、目 录摘要 .I第 1 章 绪论.11.1 国内外矿井提升机研究现状与发展趋势.11.2 目的和意义.1第 2 章 系统控制方案设计.22.1 控制单元基本原理.22.2 控制系统总体设计.32.3 可编程控制器（PLC）介绍.42.3.1 PLC 的基本特点.52.3.2 PLC 的基本结构.62.4 本章小结.6第 3 章 控制系统硬件设计.73.1 PLC 的选型及特点.73.2 变频调速主电路设计.83.3 PLC 控制系统设计.83.4 本章小结.9第 4 章 人机交互界面.274.1 触摸屏概述.274.2 触摸屏在工业控制中的应用.274.3 TPC1262H 触屏简介.284.

2、4 触摸屏在矿井提升机控制系统中的应用.294.5 本章小结.30结论.31参考文献.32 摘要 设计出控制速度性能好、能耗低、高精度的矿井提升机控制系统，该系统采用PLC 控制，主要包括正反转控制、正转点动控制、反转点动控制，过卷、过载、松绳报警和故障处理，与变频器配合提高控制速度性能。PLC 控制任务和过程可被分解为许多子任务和子过程,通过对各个子任务和子过程进行模块设计、功能说明。PLC 应用于矿井提升集中提高矿井提升机的效率与安全性。研究的具体内容包括：（1） 分析矿井提升机系统的特点及性能要求。（2） 控制系统设计。包括硬件设计，PLC 的选择，变频器的选择，软件设计，变成方法。（3

3、） 对编写好的编译程序进行实际调试并仿真。0 第 1 章 绪 论1.1 国内外矿井提升机研究现状与发展趋势矿井提升机是机、电、液一体化的大型机械，广泛用于煤矿的竖井、斜井，是生产运输的主要工具。在煤炭生产中提升机担负着提升煤炭、矸石、下放材料、升降人员和设备的任务，是联系井上与井下的主要途径，素有矿井 “咽喉”之称。提升机运行的安全可靠性不仅直接影响整个矿井的生产能力，影响整个矿山的经济效益，而且还涉及到井下工作人员的生命安全。因此，改造并研制新型的安全可靠又节省能源的矿井提升机电控系统是煤矿安全生产的一项重要课题。前些年我国提升机 90以上采用交流绕线式异步电动机的拖动方式，提升机通常在电动

4、机转子回路中串接附加电阻进行启动和调速，转子串电阻调速方法很不经济，低速特性很软，稳定性差，使用寿命短，无法实现精确控制。随着计算机控制技术及电力电子的发展，采用先进的计算机及辅助控制技术实现矿井提升机电气控制系统，已成为势在必行的方向。而用 PLC、高压变频器改造传统的提升机电控系统是一条适合我国国情的道路。目前,在国产矿井提升机控制系统中，PLC 主要用于处理开关、以替代老式提升机控制系统中众多的继电器、接触器、复杂的连线以及信号显示系统 ,而涉及到提升机安全运行的制动系统中的模拟,和自动调节过程,大多还是通过用半导体器件、运算放大器等可调闸和可控硅动力制动的普通电子模式来处理。使用过程中

5、经常会出现琴点漂移、电子元件损坏,并且存在维修难,新调试难、可靠性差等缺点,因而使提升机电控系统的可靠性降低。针对上述问题,深入研究用户控制矿井提升机控制系统是非常必要的。1.2 目的和意义矿井提升机是煤矿、有色金属矿生产过程中的重要设备，提升机的安全可靠及有效的高速运行直接关系到企业的生产状况和经济效益。随着矿井提升系统自动化，改善系统性能，提高提升设备的提升能力等的要求，对电气传动方式提出了更高的要求。将 PLC 与变频器结合应用于矿井提升机，可以改善其速度控制性能，提高精度降低故障率。这也是矿井提升机电气传动系统的发展方向，前景十分广阔。 1 第 2 章 系统控制方案设计2.1 控制单元

6、基本原理继电器控制系统。它是由继电器、接触器用导线连接起来以实现控制程序的，其输入对输出的控制通过接线程序来实现，输入设备(按钮、行程开关、限位开关、传感器等)用以向系统送入控制信号。输出设备(接触器、电磁阀等执行元件)用以控制生产机械和生产过程中的各种被控对象(电动机、电炉、电磁阀门等)。这些不足主要是因为采用继电器控制方式造成的，在这种控制方式下继续改善的余地不大。如果对该竖井提升机电控系统进行技术改造，那么需要改变控制策略，采用当代高新实用技术来控制，使之成为安全、可靠、高效率、自动化程度高的电控系统。可编程序逻辑控制器(Programmable logic controller)，简称

7、 PLC，PLC 技术是现代工业自动化的重要手段，由它构成的控制系统逻辑控制由 PLC 通过软件编程实现，柔性强，控制功能多，控制线路大大简化；PLC 的输入/输出回路均带有光电隔离等抗干扰和过载保护措施，程序运行为循环扫描工作方式，且有故障检测及诊断程序，可靠性极高。PLC 控制系统结构为模块化结构，维护更换方便，并可显示故障类型。图 2.2 为可编程控制器控制系统。其输入设备和输出设备与继电器控制系统相同，但它们是直接接到可编程序控制器的输入端和输出端的。控制程序是通过一个编程器写到可编程控制器的程序存储器中。每个程序语句确定了一个顺序，运行时依次读取存储器中的程序语句，对它们的内容进行解

8、释并加以执行，执行结果用以接通输出设备，控制被控对象工作。在存储程序控制系统中，控制程序的修改不需要通过改变控制器内部的接线(即硬件)，而只需通过编程器改变程序存储器中某些语句的内容。2输入设备按钮、限位开关、操作手柄可编程控制器输出设备继电器和电磁阀被控制的机械设备或生产过程图 2.2 可编程控制器控制过程系统框图可编程逻辑控制器因为其具有高可靠性以及软件可编程的优点，在现代控制中越来越广泛的应用。对于一般提升机电控系统来说，采用一套中小容量的 PLC 即可满足要求，其价格也不高。2.2 控制系统总体设计基于 PLC 的矿井提升机变频调速控制系统由动力装置、液压站、变频器、操作台和控制监视系

9、统组成，其系统框图如图 2.3 所示：3上位机监测系统PLCVVVFMAC380减速器卷筒液压站操作台旋转编码器图 2.3 控制系统框图系统框图中各部分功能如下：动力装置：包括主电机、减速器、卷筒、制动器和底座，完成人、物料的运输任务。主电机通过减速器向卷筒提供牵引所需的动力。对于矿井提升机这样的 大型机械来说，在电机脱离电源后，由于运行惯性较大，往往要经过一段时间才能停止转动，这将影响生产效率，甚至威胁到生产人员的生命安全和物料的运输。因此必须在系统里加入制动器，避免产生“蠕动”现象，从而保证运输的人和物料的安全。液压站：为提升机提供制动力，停车时先通过液压站给卷筒施加机械制动力，再取消直流

10、制动力；提升机起动时，先对电机施加直流制动，再松开机械抱闸，防止溜车，以保证系统安全可靠地工作。4变频器：是动力站的能量供给单元，通过它可将输入工频电能转换成频率可调的电能提供给交流电动机，以达到控制交流电动机转速的目的。操作台：操作台设置两个手柄，分别用于速度辅助给定及制动力给定。它是整个矿井提升机运输系统的控制核心，通过它可以设定系统的工作方式和控制方式，可以发布系统的各种控制命令，以实现对提升机启动、加速、平稳运行、减速、停车以及紧急制动等各种控制功能。控制监视系统：是操作人员和控制系统及运输系统之间的桥梁，它可以在线监测提升机运输系统的各种工作参数、工作状态、故障参数和故障状态。提升过

11、程监视与安全回路一样，是现代提升机控制的重要环节。提升过程采用微机主要完成如下参数的监视：提升过程中各工况参数(如速度、电流)监视；各主要设备运行状态监视；各传感器(如位置开关、停车开关)信号的监视。使各种故障在出现之前就得以处理，防止事故的发生，并对各被监视参数进行存储、保留或打印输出。甚至与上位机联网，合并于矿井监测系统中。系统框图中用旋转编码器来测试电机的转速。2.3 控制器（PLC）介绍可编程控制器是以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术和通信网络技术发展起来的一种通用工业自动控制装置。它面向控制过程、面向用户、适应工业环境、操作方便、可靠性高，成为

12、现代工业控制的三大支柱（PLC、机器人和 CAD/CAM）之一。PLC 控制技术代表着当前程序控制的先进水平，PLC 装置已成为自动化系统的基本装置。2.3.1 PLC 的基本特点可编程控制器（PLC）的诞生给工业控制带来革命性的飞跃，与传统的继电器控制相比有着突出的特点：(1)灵活性、通用性强继电器控制系统如果工艺要求稍有变化，控制电路必须随之作相应的变动，所有布线和控制柜极有可能重新设计，耗时且费力然而是利用存储在机内的程序实现各种控制功能的。因此当工艺过程改变时，只需修改程序即可，外部接线改动极小，甚至可以不必改动，其灵活性和通用性是继电器控制电路无法比拟的。(2)可靠性高，抗干扰能力强

13、继电器控制系统中，由于器件的老化、脱焊、触点的抖动以及触点电弧等现象是5不可避免的，大大降低了系统的可靠性。而在控制系统中，大量的开关动作是由无触点的半导体电路来完成的，加之在硬件和软件方面都采取了强有力的措施，使产品具有极高的可靠性和抗干扰能力可以直接安装在工业现场稳定地工作。(3)编程简单，使用方便PLC 采用面向过程，面向问题的“自然语言”编程方式，直观易懂，主要采用梯形图和语句表编写程序，使得广大电气技术人员更易接纳和理解。同时设计人员也可根据自己的喜好和实际应用的要求选择其他编程语言。标准是编程语言的标准，除了梯形图和语句表之外，还存在顺序流程图、结构化文本和功能块图三种编程语言的表

14、达方式。一个程序的不同部分可用任何一种语言来描述，支持复杂的顺序操作功能处理以及数据结构。(4)功能强大，可扩展PLC 的主要功能包括开关量的逻辑控制、模拟量控制部分还具备控制或模糊控制功能、数字量智能控制、数据采集和监控、通信、联网及集散控制等功能。PLC 的功能扩展也极为方便，硬件配置相当灵活,根据控制要求的改变，可以随时变动特殊功能单元的种类和个数，再相应修改用户程序就可以达到变换和增加控制功能的目的。2.3.2 可编程控制器的编程语言PLC 是一种工业控制计算机，不仅有硬件，软件也必不可少，目前 PLC 常用的编程语言有四种：梯形图编程语言，指令语句表语言，功能图编程语言，高级编程功能

15、语言。其中梯形图语言形象直观，类似电气控制系统中继电器控制电路图，逻辑关系明显；指令语句表编程语言虽然不如梯形图编程语言直观，但有键入方便的特点；功能图编程语言和高级编程语言需要比较多的硬件设备，工程当中特殊场合下不是经常用到。以下重点介绍梯形图语言编程。梯形图语言沿袭了继电器控制电路的形式，梯形图编程语言是在电气控制系统中常用的继电器，接触器逻辑控制基础上简化了符号演变而来的，形象，直观、实用，电气技术人员容易接受，是目前用的最多的一种 PLC 编程语言。PLC 梯形图中的继电器、定时器、计数器不是物理继电器，物理定时器和物理计数器，这些器件实际上6是存储器的存储器位，又称软器件。相应为“1

16、”状态，表示继电器线圈通电或者常开接点闭合或者常闭接点断开。PLC 的梯形图是形象化的编程语言，梯形图左右两端的母线是不接任何电源的。梯形图中并没有真实的物理电流流动，而仅仅是概念电流(虚电流)，或者称假想电流。把 PLC 梯形图中左边母线假想为电源相线，把右边母线假想为电源地线。假想电流是执行用户程序时满足输出执行条件的形象理解。PLC 梯形图中每个网络有多个梯形组成，每个梯级有一个或者几个支路组成。 2.4 本章小结本章主要进行了继电器控制系统和可编程控制器控制系统的的功能特点对比，突出可编程控制器的优越性能，以此为基础进行可编程控制器与变频器搭配调速的总体方案设计。 第 3 章 控制系统

17、硬件设计3.1 PLC 的选型及特点西门子系列是由电源、CPU、存储器和输入输出器件组成的单元型可编程控制器。而且，AC 电源、DC 输入型的内装 DC24V 电源可作为传感器的辅助电源。基本单元采用易于维修的装卸端子台。标准型内装 8K 步有备用电池的 RAM 存储器。另外，若采用可选的存储卡盒，最大可扩展到 16K 步。模拟输入输出设备、温度传感器输入、热电偶输入设备、脉冲输出设备、高速计数器、RS485 通信设备、RS232 通信设备、模拟量模块等CPU 功能与结构的选择。对于开关量控制的应用系统，当对控制速度要求不高时，选用小型 PLC 就能满足要求。PLC 工作时，从输入信号到输出控

18、制存在着滞后7现象，滞后时间一般应控制在几十毫秒之内。为了提高 PLC 的实时处理速度，可选择处理速度快的 PLC，使执行一条基本指令的时间不超过 0.5US。PLC 的结构主要有整体式和模块式两种，对于单机控制系统、集中控制系统往往选用整体式结构；对于控制规模较大的集散控制系统、远程 I/O 系统常用模块式结构，模块式结构组态灵活、易于扩充。所以本系统 PLC 选用西门子 200 系列。作系统设计时应注意适当增大异步电动机的容量或增大通用变频器的容量。通用变频器的容量一般取 1.1 一 1.5 倍异步电动机的容量。本设计中变频器选用通用变频器 FRA500，根据矿井提升机的速度要求确定变频器

19、的参数设置如表 3.1：表 3.1 变频器的参数设置参数名称参数号设置参数上限频率下限频率基底频率上升时间下降时间运行模式Pr.1Pr.2Pr.3Pr.7Pr.8Pr.7950Hz0Hz50Hz3000200013.2 变频调速主电路设计系统主电路采用 380V 电源。变频器可以输出频率可调的交流电源，在变频器的控制输入回路中接入频率设定电路，本系统中通过 PLC 输出电压信号(010 V)来控制变频器的频率。另外在变频器的外围加设有声光报警输出口及制动单元，能够实现变频器故障报警和安全制动，更有效的对控制系统进行安全保护，变频调速主电路主要包括以下几个回路。制动控制回路：提升机负载由于惯性较

20、大，当变频器的输出频率下降至 0Hz 时，常常停不住，因而有“蠕动”(也称爬行)现象，在矿山提升机这种大负载机械中，蠕动现象有可能造成十分危险的后果。为此，变频器调速时应设置能耗制动和直流制动功能。安全回路：安全回路用于防止和避免矿井提升机发生意外事故。安全回路中串有很多保护触头，当矿井提升机工作不正常时，其中任意一个触头打开，安全回路接触器断电，就产生安全制动，安全回路接触器断电的同时，安全回路中的常开触头断开，8使提升机断电。3.3 PLC 控制系统设计系统设计包括硬件系统设计和软件系统设计。硬件系统设计计主要包括 PLC 及外围线路的设计、电气线路的设计和抗干扰措施的设计等。软件系统设计

21、主要指编制PLC 控制程序。选定 PLC 和分配 I/O 地址后硬件设计的主要内容就是电气控制系统原理图的设计，电气控制元器件的选择和控制柜的设计电气控制系统原理图包括主电路和控制电路。控制电路中包括 PLC 和 I/O 接线。电气元器件的选择主要是根据控制要求选择按钮、开关、传感器、保护电器、接触器、指示灯和电磁阀等。控制系统软件设计的难易程度因控制任务而异，也因人而异。PLC 接线图的 I/O 端口分配表如表 3.2：表 3.2 PLC 接口的 I/O 端口分配表输入端子输入外设输出端子输出外设I0.0I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5I0.6I0.7I1.0I1.1I1.2编码器接

22、入点停止启动正转反转正转点动反转点动复位工频变频热继电器保护 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6 Q0.7变频器停止工频切换正转反转故障继电器复位继电器变频器制动9I1.3I1.4I1.53.4 本章小结本章根据本设计的需要，进行了控制系统硬件设计。通过输入输出点的计算和用户存储量的估算，选择了 PLC 的型号。 第 4 章 人机交互界面 4.1 触摸屏概述随着计算机技术的普及，在90年代初，出现了一种新的人机交互技术触摸屏技术。利用这种技术，使用者只要用手指轻轻地触碰计算机显示屏上的图符或文字，就能实现对主机的操作或查询，这样就摆脱了键盘和鼠标操作，从而大大

23、地提高了计算机的可操作性。触摸屏是一种最直观的操作设备，只要触摸屏幕上的图形对象，计算机便会执行相应的操作。人的行为和机器的行为变得简单、直接、自然，达到完美的统一。触摸屏具有方便直观、图像清晰、坚固耐用和节省空间等优点。触摸屏的基本原理如下：用户用手指或其它物体触摸安装在显示器前端的触摸屏时，所触摸的位置的坐标被触摸屏控制器检测，并通过通信接口（例如RS-232CRS-10485串行口）送到CPU，从而得到输入的信息。触摸屏系统一般包括两个部分：触摸屏控制器和触摸检测装置。触摸屏控制器的主要作用是接收来自触摸点检测装置的触摸信息，并将它转换成触点坐标，再送CPU，它同时能接收CPU发来的命令

24、并加以执行，例如动态地显示开关量和模拟量。触摸检测装置安装在显示器的显示表面，用于检测用户的触摸位置，再将该处的信息传送给触摸屏控制器。触摸屏也从低档向高档发展，从红外线式、电阻式到电容感应式，现在发展到了表面声波触摸屏和五线电阻触摸屏，性能越来越可靠，技术越来越先进。4.2 触摸屏在工业控制中的应用PLC是一种以微处理器为基础的通用的工业自动控制装置，具有体积小、功能强、程序设计简单、维护方便、可靠性高等优点，特别适于在恶劣的工业环境使用，被称为现代工业自动化的三大支柱之一。很多工业被控对象要求控制系统具有很强的人机接口功能，用来实现操作人员与计算机控制系统之间的对话和相互作用。它们用来显示

25、控制器的I/O 状态及各种系统信息，接收并执行操作人员发出的各种命令。很多设备需要在现场环境使用的人机接口装置，它们一般安装在控制屏上。触摸屏的按键在屏幕上，总的面积小，每个画面可以设置不同的按键，每个按键的意义可由用户设置，使用直观方便，可以在恶劣的工业现场环境下使用，在工业控制中得到广泛的应用。触摸屏是在操作人员和机器设备之间作双向沟通的桥梁，用户可以自由的组合文字、按钮、图形、数字等，来处理或监控不断变化的信息。过去的操作界面需要熟练的操作员才能操作，而且操作困难。使用触摸屏和计算机控制后，能明确告知操作员机器设备目前的状况，给出操作的提示，使操作变得简单生动，可以减少操作失误，即使是新

26、手也可以很轻松的操作整个机器设备。使用触摸屏还可以使机器的配线标准化、简单化，用画面上的按钮和指示灯等代替相应的硬件元件，减少PLC 所需的I/O 点数，降低系统的成本。由于显示面板的小型化及高性能，提高了整套设备的附加价值。4.3 TPC1262H 触屏简介昆仑公司生产的 TPC-1262H 触屏式彩色 HMI 是免维护型工业级可编程终端，适11合于在恶劣的工业环境下使用。它可用于振动、潮湿和高粉尘的环境中作为监控和人机操作介面，可以显示状态、故障和过程变量，显示文字、曲线和图形。操作人员可在触摸屏上实现对工业生产现场的过程控制，操作简便易学，方便直观。触摸屏上的触摸键取代了传统的控制面板功

27、能，可使操作者把触摸屏当作一个操作面板，只要操纵触摸屏上配置的虚拟按钮，即可进行简单直观的操作。输入给触摸屏的数据可以传递给 PLC，省去了大量现场的硬件按钮开关、数字设定等易损器件，大大提高了系统的可靠性，使系统尽可能地工作于最佳状态。本系统采用 9600 bps、19200bps 等多种传输速率，8 位偶校验，1 位停止位。RS485 的 PLC 站号为 2，PWS 端通信口为 COM2。HMI 的监控及参数设置画面在计算机上使用 MGCS 编程软件进行规划、定义和编制，通过这些图形介面完成系统的现场监控和参数设置。4.4 触摸屏在矿井提升机控制系统中的应用根据矿井提升机对控制系统的要求，

28、本系统的控制界面设计控制面板主要包括启动、停止、正转、反转、时间和日期显示等。控制面板设定了一些功能按钮。12 4.5 本章小结本章主要介绍了触摸屏技术，触摸屏是一种最新的电脑输入设备，它可以让使用者只用手指轻轻地碰计算机显示屏上的图符或文字，就能实现对主机的操作，这样摆脱了键盘和鼠标操作 ，人与机交互更为直截了当。它具有坚固耐用、反应速度快、节省空间、易于交流等优点。 结 论本课题在分析和比较当前矿井提升机控制系统的现状与国内外控制技术发展的基础上，对矿井提升机的控制系统进行了研究和设计。总结本文的主要工作有以下几点:根据提升机的运行特点，矿井提升机控制系统采用工控机监控提升机变频调速系13

29、统，该系统主要由上位机(工控机)、下位机(PLC 控制系统)、变频调速系统等组成。组态软件作为用户可定制功能的软件平台工具，利用其良好的人机界面和通信力，在 PC 机上开发出友好人机界面，下载至工控机中，使工作人员可以实现提升机行实时监控，同时可实现系统故障报警、打印报表。PLC 系统采用三菱公司产品，能控制起提升机的运行方向和速度换档；提升机的升、降速、深度监测；同时能检测各个电机故障现象并送往上位机进行显示，减少了硬件和控制线，极大提高了系统的稳定性，可靠性。采用 PLC 后，克服了原继电器系统的不足，系统安全可靠，性价比提高，且控制程序可根据需要修改，对提高控制技术水平具有广阔的应用前景。变频调速系统在提升机控制系统中显示出其控制性能优良、操作简便、运行效率高、维护工作量小等诸多优点，是矿用提升机传动的发展方向。参考文献1Beus Michael J New technology for hoist conveyance monit