基于PLC的矿井提升机控制系统设计

广西科技大学2019届本科毕业设计（论文）说明书22课题名称基于PLC的矿井提升机控制系统设计DesignofMineHoistControlsystembasedonPLCI中文摘要矿井提升机是煤矿等行业的重要设备，集机械系统、电气系统、液压系统于一身，在能源开发方面有着重要的国民经济意义。在煤矿生产过程中，矿井提升机是不可或缺的重要设备，主要担任着煤矿提升、物料下放和人员、设备的升降等任务，是井下与井上联络的唯一途径，因此被称为矿井的“咽喉”。国内的传统矿井提升机主要采用继电器—接触器来实现控制，并且启动和调速是通过在电机转子回路串接电阻的方式来实现。这种电气结构复杂的控制系统存在着诸多缺点，比如可靠性较差、容易发生故障、故障排除困难、电能耗费大、运行效率较低、控制效果不够理想等。这对煤矿行业日后的发展有着很不利的影响，所以需要设计一个可靠性和安全性高、控制精度准和调速性能好的提升机控制系统来推进煤矿行业的现代化发展。针对以上传统提升机的问题，本课题设计采用基于PLC的矿井提升机控制系统，并且与变频器结合实现对提升机运行速度的控制，利用上位机来实时监控运行状态。PLC是控制系统的核心，具有很强的灵活性和扩展性，能在系统硬件不变的情况下，仅需要修改内部用户程序就可以实现现场控制要求，有效的替代了大量的继电器和接触器元件，使整个系统体积减小了，同时也简化了接线线路。形成节能省源且安全又可靠的矿井提升机控制系统。不仅提高了自动化水平，而且降低了工作人员的劳动强度和提高处理设备故障的效率等。随着计算机智能化、工业网络、过程自动控制等技术的发展，更多成熟和先进的技术正在用于工业自动化控制领域。对于应用基于PLC的矿井提升机控制系统，是现代化发展所趋。通过对本课题的学习研究，完成系统设计，根据设计选择合适的硬件设备，完成相关硬件系统框图设计。然后画出主要框图的外部接线图，编写PLC程序。通过PLC控制变频器实现变频调速，变频调速是通过改变电机的电源频率，实现电机较宽的无级平滑的调速。本课题设计目的是要实现提升机的启动加速过程、匀速过程、减速过程、爬行过程和停车过程，并且通过上位机WinCC对提升机运行过程进行实时监控，完成提升机运行过程各种信息的规范化管理，从而保证整个运营过程的安全生产。关键字：矿井提升机，PLC，变频器，WinCC，控制系统IIIIIABSTRACTMinehoistisanimportantequipmentincoalmineandotherindustries.Itintegratesmechanicalsystem,electricalsystemandhydraulicsystem.Ithasimportantnationaleconomicsignificanceinenergydevelopment.Intheprocessofcoalmineproduction,minehoistisanindispensableandimportantequipment,whichmainlytakesonthetasksofcoalminelifting,materiallowering,personnel,equipmentliftingandsoon.Itistheonlywaytocontactundergroundandunderground.Itisthereforecalledthethroatofthemine.Thetraditionalminehoistinourcountrymainlyusesrelay-contactortorealizethecontrol,andthestart-upandspeedregulationarerealizedbymeansofserialresistanceintherotorcircuitofthemotor.Thiscontrolsystemwithcomplexelectricalstructurehasmanyshortcomings,suchaspoorreliability,easyfailure,difficulttroubleshooting,highpowerconsumption,lowoperatingefficiency,andpoorcontroleffect,andsoon.Thecontrolsystemhasmanydisadvantages,suchaspoorreliability,easyfailure,difficulttroubleshooting,highpowerconsumption,lowoperatingefficiency,etc.Therefore,itisnecessarytodesignahoistcontrolsystemwithhighreliabilityandsafety,accuratecontrolprecisionandgoodspeedregulationperformancetopromotethemoderndevelopmentofcoalmineindustry.Inordertosolvetheproblemsofthetraditionalhoist,thecontrolsystemoftheminehoistbasedonPLCisdesignedinthispaper,andthespeedofthehoistiscontrolledbythecombinationofthefrequencyconverterandtheminehoist.PLCisthecoreofthecontrolsystem.PLCisthecoreofthecontrolsystem,andithasstrongflexibilityandexpansibility.Itcanrealizethefieldcontrolrequirementonlybymodifyingtheinternaluserprogramundertheconditionthatthehardwareofthesystemremainsthesame.Iteffectivelyreplacesalargenumberofrelayandcontactorcomponents,reducesthesizeofthewholesystem,andsimplifiesthewiringatthesametime.Toformasafeandreliableminehoistcontrolsystemwhichisenergy-savingandresource-saving.Itnotonlyimprovestheautomationlevel,butalsoreducesthelaborintensityofthestaffandimprovestheefficiencyofhandlingequipmentfaults.Withthedevelopmentofcomputerintelligence,industrialnetwork,processautomaticcontrolandothertechnologies,morematureandadvancedtechnologiesarebeingusedinthefieldofindustrialautomationcontrol.TheapplicationofminehoistcontrolsystembasedonPLCisthetrendofmodernization.Throughthestudyofthissubject,completethesystemdesign,selecttheappropriatehardwareequipmentaccordingtothedesign,completetherelevanthardwaresystemblockdiagramdesign.Thendrawoutthemainblockdiagramoftheexternalwiringdiagram,andwritethePLCprogram.Thevariablefrequencyspeedregulationisrealizedbycontrollingthefrequencyconverterbyplc.Thevariablefrequencyspeedregulationisrealizedbychangingthepowerfrequencyofthemotorandrealizingthesteplessandsmoothspeedregulationofthemotor.Thepurposeofthispaperistorealizethestart-upandaccelerationprocess,uniformspeedprocess,decelerationprocess,crawlingprocessandstoppingprocessofthehoist,andtomonitorthehoistrunningprocessinreal-timethroughtheuppercomputerwincc.Completethestandardizedmanagementofallkindsofinformationduringtheoperationprocessofthehoist,soastoensurethesafeproductionofthewholeoperationprocess.Keyword:Minehoist，PLC，Frequencyconverter，WinCC，ControlsystemIV目录1绪论 绪论1.1选题背景及意义矿井提升机是一种大型机械设备，由机械系统、电气系统、液压系统组成，在煤矿行业中有着举足轻重的作用[19]。在煤矿生产过程中，提升机的任务是运输矿物、物料设备及作业人员等[2,7]。国内普遍采用的是传统矿井提升机，其电气系统结构非常复杂，是由于使用了大量的继电器—接触器元件来实现控制，且启动和调速是通过电机转子回路串接电阻的方式来实现[11]。像这样的控制系统，不仅接线线路极多，而且占地面积大。在运行的时候可靠性较差，容易发生故障，操作过程复杂，且电能耗费多，工作效率低下，控制效果不是很理想等[21]。所以，我们需要研究开发一套节能省源、自动化程度高，在可靠性方面和安全性方面都有所提高的矿井提升机控制系统。随着智能计算机、工业网络、控制技术的发展，更多成熟和先进的技术应用到自动化工业领域。PLC的出现替代了大量的继电器—接触器，使控制系统体积得到了极大的缩小，减少了土地面积的占用。变频器的快速发展也使得变频调速成为可能，应用变频调速技术可以实现提升机无极且平滑的调速，运行过程更平稳顺畅。上位机是从最起初的工控机发展而来的，属于上层软件监控设备，通过采集现场数据信号来得知各种设备的工况参数，达到实时监控整个控制系统是否正常运行的目的。本课程设计采用PLC、变频器和上位机相结合，PLC是控制系统的核心，不需要硬件接线的太大变动，通过编写或修改用户程序就可以很方便地实现现场控制要求[4]。PLC可以按照事先编好的程序自动执行并控制变频器调速，从而实现提升机全程五个运行阶段的控制，提升了自动化水平。同时可以把现场数据反馈到上位机进行有效的监控，实时掌握提升机的运行状态，在可靠性方面、安全性方面都得到了提高。该控制系统能使整个煤矿的生产能力得到提升，这将推进矿井提升机控制系统的现代化发展，也体现出了重要的国民经济意义[10]。1.2矿井提升机的国内外发展情况国外的一些发达国家是最早一批进入工业化时期的，经过长期的快速发展，各种技术比如电机传动、计算机处理器、工业网络控制等技术得到了升级改进。在19世纪70年代，多数的发达国家开始把PLC（可编程控制器）应用到矿井提升机控制系统。经过十年的发展，计算机被应用于控制系统的监测和管理。PLC和计算机的使用，使电机运行和自动化控制得到改进[13]。同时，也使得提升机控制系统逐步走向自动化。此外，国外非常注重安全，在处理故障方面通常都会考虑的很周到，比如在安全回路设计方面，他们会采用两台主备计算机和两个主备PLC来构成冗余。这样即使出现故障时，都能启动保护机制和准确制动，提升了安全保障。目前，国外的矿井提升机控制系统基于PLC与变频器的技术已经非常成熟。国内的矿井提升机控制系统的发展起步较国外晚[1]。由于计算机技术和控制技术水平的落后，还有迫于各种影响因素，国外科技技术在迅速发展的时候，国内还处于较为落后的发展阶段。由于没有及时掌握国外最先进技术的发展趋势，使得国内矿井提升机控制技术水平依然很低。随着改革开放几十年的发展，国内开始以计算机为核心的矿井提升机的尝试研究阶段到后来以计算机、PLC为核心的矿井提升机的应用验证阶段。从中见证了国内对提升机的改造取得了很大的进步。但总体而言，国内的提升机控制技术与国外相比还是有一定的差距和欠缺。随着工业技术的发展，计算机、PLC等处理器将会往小型化、智能化方面发展，每一项新技术的出现都将惠及人类。1.3本课题主要研究内容本文是以PLC（型号为CPU313C-2DP）为控制核心，通过它执行事先编写好的用户程序指令来控制变频器进行变频调速，从而实现提升机五段速运行要求。PLC具有小型化、硬件接线简单、编程软件使用灵活、容易调试、易于维护等优点，在自动化控制程度高的工业领域中，已经得到了普遍性的使用。选用PLC作为系统核心控制，不仅方便调试和修改用户程序，而且接线简单，可以更容易、更快速的处理故障。串接附加电阻的提升机控制系统属于有级调速，选用变频调速装置（型号为西门子MM440）可以取代这些串接附加电阻，运用先进的控制技术，即能实现无级平滑调速，同时也提高了控制精度。为了能及时掌握现场工况，需要附加一套上位机监控系统，本文选择WinCC作为上位机监控软件。WinCC是属于西门子开发的系列产品，与同是西门子开发的S7-300PLC具有更好的兼容性，通讯连接易于实现[23]。WinCC具有良好的开发界面和简单的工程组态，能满足现场工况数据的采集和控制整个生产过程，具有很出色的监控功能，比如记录数据、报警等。该组态软件由组态和运行两部分组成，这两种操作环境是相互独立的，同是又相互联系。通过组态环境完成图形画面的设计，然后与S7-300PLC通讯，连接上关联变量，生成数据库，最后进入运行环境，根据课题设计的各项要求进行分析调试，直到得到满意的结果。本文旨在通过对传统矿井提升机的改造升级，设计一个基于PLC的矿井提升机控制系统。1.4本章小结本章节先对选题的背景和意义作了较为详细的说明，介绍了有关矿井提升机的系统结构和工作性质，然后是分析了国内外发展情况和日后发展趋势，接着是阐述了本课题的主要研究内容，最后给出了基于PLC结合变频调速技术和应用上位机监控的设计思路。2直接转矩变频调速技术2.1直接转矩概述直接转矩控制技术（简称为DTC），外国有的文献也称为DSC，译过来是直接自控制。其主要是通过转矩为中心去实行一系列的综合控制。除了可以控制转矩，还可以运用到控制磁链量和磁链的自控制这些方面。直接转矩控制是继矢量控制后又一种新型的、发展快速的、性能优越的变频调速控制技术。与矢量控制相比，矢量控制需要涉及很多的方程式和坐标的变换等复杂计算过程，而直接转矩控制是没有这样的繁杂过程，它作用更直接，直接通过控制转矩来实现调速，省去了更多的中间变换环节。在20世纪70年代，就出现了有关直接转矩控制的初步理论思想。后来，A.B.Plunkett在研究电机的控制方式时，就考虑过直接用转矩和磁链来实现对电机转速的控制，限于当时技术的落后，对于定子磁链的测量没有技术支持，暂时做不到，这也使得直接转矩控制新思维被搁浅了。经过10年多的发展，直接转矩控制理论越来越被更多的人所知晓和学习研究，而后相继出现了六边形直接转矩控制和圆形直接转矩控制的理论概念。之后，该理论概念也应用到弱磁调速领域。直接转矩控制沿用了空间矢量的分析方法，通过定子的磁场定向，经过调节产生PWM脉宽信号，然后直接对逆变器作出最佳控制，以此来得到控制系统的高动态性能。此种方法省去了一系列的坐标变换，简化了电机数学模型，直接在电机定子坐标系上计算和实现电机的转矩控制。2.2变频调速原理及控制方式根据我们学习过的知识，知道有如下公式：

N=60fp式中，N—同步转速（r/min）；f—电源频率（HZ）；P—磁极对数。由上式可得出，当电机定子绕组的磁极对数P为固定不变的值时，电机的同步转速N和电源频率f是线性关系，即成正比。电源频率升高，异步电机同步转速会跟着增加，同时实际转速也会跟着增加，反之亦如此，只是实际转速要比同步转速小。这就是通过改变电源频率来实现对电机转速控制的方式称为变频调速。变频调速的控制方式有：V/F控制，转差频率控制，矢量控制，直接转矩控制[9]。V/F控制是一种开环控制，对交流电机来说是比较容易实现的控制方式，但在调速精度要求高的场合是不适用的；转差频率控制能实现电机速度上的闭环控制，但不能对电机转矩实现闭环控制，且只能控制单个电机，虽然调速范围大，精度高，但在时间要求响应快的场合是不适用的；电机转矩的闭环控制在矢量控制下是可以实现的，也可以实现零速启动、减速变化平稳，调速反应快且精准，但控制过程在一定程度上需要依赖电机参数；直接转矩控制是通过直接控制电机转矩来实现调速，调速反应快，且不受负载和电机参数影响，可以改善电机的低频特性。2.3本章小结本章节对直接转矩控制技术作了一番概述，对变频调速的原理进行了简单说明，并给出了几种变频调速的控制方式，从中对比，不难得出，直接转矩变频调速技术是本课题设计最理想的变频调速控制方式。3矿井提升机控制系统概述3.1提升机运行过程提升机有升、降两个运行过程，负责矿物和人员的运输，不管是处于哪个工作过程，都需要有启动加速过程、匀速过程、减速过程、爬行过程和停车过程这五个运行阶段。通过对提升机运行速度的控制把矿物及人员安全送达指定位置。其速度变化曲线如图3所示。VVVtttttVVVVVt图3矿井提升机运行速度曲线图从图3可以看出，t1是启动加速阶段，对应速度v1；t2是以最高速匀速运行阶段，对应速度v2=vmax；t3是减速阶段，对应速度v3；t3.2控制系统表现出的性能特点本文设计的提升机控制系统，均是应用西门子生产的设备。PLC、变频器和组态监控软件WinCC等都是西门子系列的产品。对基于PLC的矿井提升机控制系统设计应该表现出如下几个方面的性能特点：（1）运行时，能够在工频范围内自动切换到预设好的变频值来实现无极平滑调速。（2）借助于辅助控制系统，能实现有效的闭环控制，使提升机在不同速度下正常运行。（3）应用灵活的PLC编程实现各个阶段速度的自动给定或经操作台人工给定的两种形式调速，具有灵活性和操作简单。（4）PLC取代了大量的继电器-接触器，变频器取代了串接的附加电阻，使整个系统的硬件接线电路变得简单，维护起来更简便，且自动化水平更高。（5）系统出现故障时，能及时检测和处理故障，且故障期间不能影响煤矿的生产。（6）在可靠性方面和安全性方面都得到了很大程度的提高[8]。（7）降低了故障率和人员的劳动强度，提升了生产效率。3.3本章小结本章节理清了提升机的运行过程，并列出了提升机控制系统性能特点的几个方面，为下一章节的方案设计提供思路。4提升机控制系统硬件方案设计4.1提升机控制系统整体结构本文设计的基于PLC矿井提升机控制系统主要组成部分有PLC可编程控制器、上位机、变频器、操作台、液压站、润滑站和制动单元等。其系统整体结构框图如图4.1所示。网络通信接口网络通信接口上位机PLC可编程控制器打印机制动单元井筒信号液压站油温油压润滑站操作台轴编码器供电电路变频器电机减速器辊筒圆盘制动器图4.1提升机控制系统设计框图（1）可编程控制器PLC（可编程控制器）是根据工业发展需求而设计的一种可操作的数字化运算系统模块，具有很高的集成度。其具备的高速计数功能可以对安装在电机和辊筒上的编码器进行数据采集，然后通过相应的逻辑运算和标度转换得到实际的转速和提升容器的运行位置数据，并将其反馈到上位机进行监控。油温、油压等是模拟量信号，采集的数据要经过A/D转换，才能直观的观察数值，从而方便过程监控和故障预判。传感器检测到信号时，就会触发PLC输入端的开关信号使其动作，然后PLC通过输出端的输出信号控制变频器的输出频率，从而实现电机转速的控制。PLC是提升机控制系统的控制核心，生产现场采集的数据大部分都要输入到PLC里进行一系列的比较、计算，得出的结果作为PLC的输出控制各路器件的动作，同时也反馈到上位机进行实时监控，监控人员可以通过监控屏幕及时了解提升机的实际运行状态。根据实际的需求，程序设计要有自动和手动两类工作模式，运行时可以选定任意一种工作模式。（2）变频器变频器是随着工业自动化水平的提高得到广泛应用的电力控制设备，它结合了变频技术和微电子技术，可以改变工作电源频率，其变换过程可以用于电机的转速控制和调节系统中[18]。变频器自身具有很多完善的安全保护功能，比如有电流过大、电压过大、电压过低、电源缺相和过载等保护。一旦触发这些功能时，提升机也能安全停车。PLC输出给定转速变量和方向信号，变频器接收到信号并改变电机工作电源频率，从而达到控制电机的转速和改变提升机的运行方向的目的。为了防止提升机出现溜车现象，变频器控制电机的转矩要足够大才能放开制动闸，停车时变频器输出为零必须要在启动制动闸这个动作之后。（3）上位机这是一个可以实时监控的软件系统，主监控界面能够显现出提升机的各种工作状态，比如是否在正常运行，运行的位置在哪、速度多少等[14]；报警画面能够显示系统故障信息；参数设置画面可以显示主要参数的设定值，并且能够根据实际要求进行修改。此外，还有数据归档记录功能，方便历史数据查询，及时排除故障和维护设备。通过打印机也可以把记录数据以纸质的形式打印出来。（4）操作台操作台有很多控制开关和显示仪表，作为一种控制手段的媒介，操作员可以通过操作相应的开关和手柄，设置参数等控制提升机按指定的曲线图运行。（5）液压站是提升机的辅助动力系统，主要用于提供动力给制动单元的制动泵，通过控制油压完成对圆盘制动器的控制，从而控制辊筒的转动。对于双滚筒提升机，还能方便实现调整调绳离合器的钢丝绳长度。（6）安全保护通过程序设计使提升机控制系统有很好的安全保护功能。有故障发生时，比如过卷、超速、过载等，PLC会第一时间作出停车指令响应，控制提升机安全停车。发生更严重的故障时，比如安全电路断开，提升机会紧急制动抱死，并终止各种运行指令，保证运输人员的生命安全。此外，程序设计还体现了一些互锁功能，防止操作人员的误操作。4.2PLC（可编程控制器）设计4.2.1PLC选型PLC选型要充分考虑各种影响因素和实际需求，最主要的是要满足控制要求。在PLC的输入、输出和模拟量开关数量上要足够用的同时也要留出一定的余量，便于功能扩充和某些开关量故障时可以更换到还没使用过的开关余量[3]。提升机控制系统有数字量和模拟量的数据采集，且提升机运行过程也比较快，所以要求PLC的运算处理能力要强，输入、输出点的响应时间要足够快，也要具备高速计数功能，用于配套编码器实现监测提升容器的具体位置。综上考量，S7-300PLC能满足以上要求。S7-300PLC是西门子研发的高性能小型化产品，其具有可靠耐用、编程的形式化易懂易学、非常强的抗干扰特性等优点，能在恶劣的环境下正常工作[22]。它由很多子模块构成，有电源PS、CPU、接口IM、信号SM、功能FM和通讯CP等模块[15]。电源模块后面的各个子模块之间是用背板总线连起来通信的，可以根据需求合理选用需要的模块，节约了资源，性价比高，使用起来非常方便。4.2.2控制系统I/O口分配在完成PLC选型和硬件设计前，还需要对连接到PLC输入输出口的控制系统变量进行统计和合理的I/O口分配。这样做既有利于梳理编程思路，也为后面PLC编程打下良好基础。PLC输入输出点分配见表4.2、4.3。表4.2PLC输入点分配输入地址变量名称I0.0电机轴编码器A相信号I0.1电机轴编码器B相信号I0.3辊筒轴编码器A相信号I0.4辊筒轴编码器B相信号I0.6紧急制动I0.7上过卷I1.0下过卷I1.1井筒上终端I1.2井筒下终端I1.3开车信号I1.4故障复位I1.5正向运行I1.6反向运行I1.7手动控制I2.0半自动控制I2.1停车I2.2紧闸I2.3松闸I2.4主令零位I2.5变频故障I2.6松绳故障I2.7制动泵故障I3.0闸瓦磨损I3.1主电源失压故障I3.2制动油过压I3.3制动油过热I3.4井口开关I3.5上减速点I3.6下减速点I3.7润滑油欠压过压I4.0润滑油过热I4.1检修开车I4.2应急开车PIW6制动油油压模拟量采集PIW8制动油油温模拟量采集PIW10润滑油油压模拟量采集PIW12润滑油油温模拟量采集表4.3PLC输出点分配Q0.0加速段指示灯Q0.1等速段指示灯Q0.2减速段指示灯Q0.3爬行段指示灯Q0.4停车指示灯Q0.5正向（上升）运行指示灯Q0.6反向（下降）运行指示灯Q0.7等速段超速报警Q1.0减速段超速报警Q1.1爬行段超速报警Q1.2上过卷报警Q1.3下过卷报警Q1.4松绳故障指示Q1.5变频故障指示Q1.6闸瓦磨损故障指示Q1.7制动油过压报警Q2.0制动油过热报警Q2.1主电源失压故障指示Q2.2总故障指示Q2.3制动泵故障指示Q2.4变频正转Q2.5变频反转Q2.6润滑油欠压过压报警Q2.7润滑油过热报警PQW6电压输出（控制变频器输出频率）4.3变频器选型变频器在选型上既要满足提升机的控制要求，也要具有良好的性能特性。提升容器下降时有自身重力的作用，需要变频调控电机转速来控制下降速度。上升时，提升机启动负载大和某时段速度会降得很低，这时变频器需要提供足够大的转矩才能保证其正常运行。通常，电机启动时启动电流会很大，此瞬间过电流必须不可以触发变频器的过流保护，否则升降任务就没办法进行。所以，选择的变频器功率范围和负载特性要符合要求。能够实现直接转矩的变频器可以在电流未到极限时就能输出足够大的转矩。本文设计所使用的变频器是西门子研发的产品MICROMASTER440（MM440）。MM440可以用于控制三相交流电机的转速，该变频器在运行的时候可靠性非常高，且有多种多样的功能。通过脉宽调制能降低电机的运行噪声，具备完善的保护和控制功能[5]。既能在单台电机的驱动系统中使用，也能在自动化系统中集成使用。控制变频器的输出频率是通过改变PLC模拟量0～27648所对应的0～10V输出电压来实现的，在PLC与变频器通信前，需要对变频器设置相关的参数，使其与铭牌电机的参数相一致。快速调试参数设置见表4.4。表4.4变频器相关参数设置序号参数号出厂值设置值备注说明1P000313用户访问级2P001001选择快速调试3P010000选择欧洲/北美工作地区频率缺省值4P020500变频器应用对象5P030011电动机类型选择6P0304230380电动机额定电压7P03053.250.35电动机额定电流8P03070.750.06电动机额定功率9P03080电动机额定功率因数10P03090电动机额定效率11P03105050电动机额定频率12P031101440电动机额定速度13P03200电动机磁化电流14P033500电动机的冷却15P0640150电动机过载因子（%）16P070022命令源选择“由端子排输入”17P100022选择频率设定值18P108000电动机运行的最低频率（Hz）19P10825050电动机运行的最高频率（Hz）20P11201018斜坡上升时间（s）21P11211018斜坡下降时间（s）22P113555快速停车斜坡下降时间23P13000控制方式24P150000选择转矩设定值25P191001选择电动机数据自动检测方式26P390003结束快速调试4.4系统硬件电路4.4.1供电电路设计提升机控制系统的供电电路是由电网引入的交流380V电压作为主电源供电，此外，还需要准备一个备用电源，作为主电源故障时的应急供电电源。系统供电路如图4.5所示。~380V~380V主电源总闸电源开关备用电源总闸变频器M逆变器直流电源（备用）电压检测备用电源故障主电源故障PLC继电器开关传感器上位机零线故障输出故障输出

图4.5系统供电电路4.4.2安全回路设计提升机安全运行由安全回路提供保障，安全回路是整个控制系统的重点设计环节，这关乎到运输人员生命安全，必须引起重视。各种安全保护信号在故障发生时要第一时间作出响应，并按故障类型不同触发相对应的安全回路。安全回路除了要有软安全回路保护，还要有硬件安全回路保护[12]。对于重事故的故障，要实行双重安全回路保护，即软保护和硬件保护；对于轻事故故障，只需要软保护就行了。如果发生重事故故障，则重事故信号触发，属于紧急制动类故障，不管软保护的PLC是否在工作，独立于软保护的硬件保护会首先通过继电器动作完成紧急抱闸制动，然后PLC有在工作的话也会触发软安全回路，断开所有的运行程序，并切断变频器的频率输出或使变频器频率输出为零。如果发生轻事故故障，则轻事故信号触发，属于非紧急制动类故障，此时允许提升机走完行程，到达终端抱闸停车后PLC软安全回路被触发，此后提升机不能再启动运行，必须处理完故障后才能再次开车。同时，只要有故障发生，不管是什么类型的故障，PLC都有故障报警信号输出，并通过上位机实时监控到。安全回路设计得好，可以提高提升机控制系统的安全性。本文的系统安全回路设计框图如图4.6所示。安全保护信号安全保护信号重事故信号轻事故信号硬件安全保护回路软安全保护软安全保护

PLC继电器动作故障报警紧急制动类故障非紧急制动类故障立即抱闸停车走完行程抱闸停车制动系统图4.6系统安全回路设计框图4.5制动泵的控制提升机的升降工作主要由动力系统和制动系统完成。其中，最需要引起重视的是制动系统，因为它要完成提升机的正常停车制动、减速制动和超速制动、调绳制动、过卷制动等安全制动[17]。提升机运行过程发生故障时，会触发安全制动回路，制动泵立即动作使闸抱死，保证了运输人员的生命安全。所以，提升机安全运行的前提是要有制动系统的保障。根据国家在《煤炭安全规程》里的明令规定：提升机在运行过程中有正常的停车制动和出现故障时的安全制动，这两种情况要求制动时的最大制动力矩值必须大于等于升降过程三倍的最大静负荷力值；在双滚筒提升机控制系统中，滚筒旋转位置需要校正的情况下，要求制动系统提供的的制动力矩要大于等于斜井或立井全部承载装置产生的静力矩总和的1.2倍[6]。4.6系统参数检测传感器矿井提升机能做到整个运行过程的稳定性和准确性，除了要有PLC程序控制外，还需要一系列的检测传感器安放在主要设备上进行数据监测和反馈到PLC，通过计算、比较、判断后修正提升机运行状态。所以，检测传感器也是整个提升机控制系统不可缺少的一部分，它关系到系统运行的安全性。下面对几种常用的检测传感器进行介绍：（1）磁敏开关：需要搭配磁体一起使用，磁敏开关安装在井筒不同深度的位置，磁体安装在提升容器的上端顶部，随着提升容器的上下运行吸合不同位置的磁敏开关，PLC输入接通进行开关闭合判断，就能知道提升机所处的实际位置。该传感器可用于检测上过卷和下过卷以及各个速度点的位置检测。（2）旋转编码器：安置在电机的转轴上，可用于检测提升机的运行速度，安置在辊筒的承轴上，可用于检测提升机的运行深度。传感信号先经过PLC计算处理，再传递到上位机呈现更直观的监测数据[16]。（3）压力变送器：用于监测油压。它是通过基体受力产生应力，使内部检测电路的电阻应变片发生形变，阻值也跟着改变，加在电阻上的电压产生变化，然后经过转换电路把实时压力值显示出来[16]。（4）霍尔传感器：用于提升容器的深度检测，需要在规定位置上安装带磁性的小钢块。该霍尔元件靠近小钢块时，根据电磁感应原理产生电压，指示灯亮起，接着把信号传给PLC进行控制提升容器的的具体深度位置。（5）碰头式行程开关：用于闸瓦磨损检测，安装时是成对头碰头安装的，正常时两行程开关是接触的。出现闸瓦磨损后，这两行程开关不能正常接触，然后得以及时断开安全回路，避免了事故和闸瓦磨损给闸阀的开关带来的影响。（6）摇臂式行程开关：用于松绳检测，它是一根绳子两端接上该行程开关，然后垂直贴近安装于牵引提升容器的一排钢丝绳的运行平面。出现松绳时，横向绳子受力，导致行程开关动作并开启安全保护回路，迫使提升机紧急抱闸制动，从而保证了提升机的安全运行。4.7系统干扰源及预防措施矿井提升机是在恶劣的环境下工作的，周围存在的干扰因素会影响到设备的正常运行。所以，需要有针对性地实施相应的预防措施，才能使系统在可靠性方面和安全性方面得到进一步的提高。其中，系统的干扰源主要有电缆、变频器、信号的传输、控制电路开关元件等。电缆有传递弱压、小电流信号的，也有传递强压、大电流信号的，不同信号传输会形成彼此干扰和造成信号衰减，且电缆铺设越长，干扰越大；变频器输出时会有很多谐波存在，能产生强电磁干扰；信号的传输指同一电缆的不同环芯的传输信号不在一个级别时，会导致两相邻的环芯导线产生无益的感应电动势，进而降低了信号质量；控制电路开关元件指通过PLC来控制的物理开关器件在通断过程中，触点开闭所产生的电弧会使电流发生突变，从而影响PLC控制系统的正常工作。综合以上的干扰源，相应的预防措施有：变频器不能和PLC靠的太近，要保持一定的距离，且最好安放在开关柜内；开关柜和所有控制设备均要可靠接地；传输信号不同的电缆要垂直铺设和保持距离；改用屏蔽双绞线来传输信号，屏蔽层必须要接地，同一电缆的不同环芯只能传输同一级别的信号；电缆铺设距离不能太远；隔离PLC的输入和输出之间电的联系，这样就不会受到电流突变的影响。4.8本章小结本章节对提升机控制系统的硬件设计给出了合理的方案，介绍了系统结构，硬件选型，硬件电路，端口分配，传感器作用和给出了解决系统干扰的方法。有了PLC的硬件方案设计这一基础，就可以为下章节的软件方案设计提供思路。5提升机控制系统软件方案设计5.1PLC软件设计5.1.1系统控制程序流程图基于PLC的矿井提升机控制系统，结合变频器，实现提升机的启动加速阶段、匀速阶段、减速阶段、爬行阶段和停车阶段这五个运行过程的变频调速。同时，也要有安全回路和故障程序的设置，在系统运行前和运行的过程中，都要实时检测是否存在故障。有故障则停车检查，无故障则正常运行。从一定的程度上提高了系统的可靠性和安全性。系统控制程序流程图如图5.1所示。开始开始初始化控制主程序提升信号和方向给定加速度段速度给定走完加速段？等速段速度给定走完等速段？减速段速度给定走完减速段？爬行速度给定走完爬行段？

到达井口或井底？抱闸停车YYYYYNNNNN故障子程序过卷？超速？停车故障处理正常运行安全回路正常？NNNYYY图5.1系统控制程序流程图5.1.2主控制程序设计PLC的主控制程序是要实现提升机的整个运行过程的循环，包括启动加速过程、等速过程、减速过程，爬行过程以及停车过程这五个运行阶段。通过程序设计对提升机运行阶段进行判断，每到一个阶段就接通相对应的程序段，并自动给定已设定好的速度值和点亮运行指示灯。走完一个周次行程，就停车等待下一周次行程的开车信号，依次反复循环运行。PLC主控制程序如图5.2所示。图5.2主控制程序5.1.3安全回路程序设计安全回路程序设计如图5.3所示。和硬件保护回路原理一样，把各种故障信号串联在一起构成软安全回路。出故障时，故障信号得电断开常闭开关，串联到主控制程序的“安全回路开关”（常开开关）失电断开，从而切断主控制程序的运行。图5.3安全回路程序5.1.4故障处理程序设计故障处理程序包括了各个故障点信号，一旦发生故障，对应的故障点就会得电自锁。同时，软安全回路因常闭开关断开而被开启，从而切断主控制程序运行。待故障处理完，再通过故障复位键进行故障复位，这时提升机才能恢复正常运行。故障子程序如图5.4所示。图5.4故障处理程序5.2本章小结本章节给出了PLC软件设计的主要功能程序，通过执行这些功能程序，保证了提升机安全可靠地运行。再配套使用下一章节介绍的上位机监控软件，能进一步提高提升机控制系统的安全可靠性。6上位机监控系统设计6.1WinCC组态软件WinCC是西门子公司研发并向市场提供的基于Windows操作系统强大的监控组态软件，其集成有数据采集、界面监控、画面组态、脚本编程语言和OPC等技术，同时也是全集成自动化（TIA）的重要组成部分。WinCC是上个世纪末投入工业市场使用的，经过更新优化，在最短时间内成为了世界通用的主流工控软件。SIMATICWinCC是一个高度开放的过程可视化软件系统，可与多种自动化设备和控制软件集成[20]。它可以通过全集成自动化直接访问SIMATICPLC控制器的外部变量和报警组态系统，节省了另外建立变量连接的工作时间，使用起来非常方便。WinCC具有良好的人机界面设计，能为用户提供图形组态、脚本编程和数据归档管理等功能，可操作性强，具有多种语言切换，广泛应用于世界范围的各种自动化行业[24]。如图6.1所示是WinCC的项目管理界面。图6.1WinCC项目管理界面6.2组态软件的结构设计在进行组态软件的设计时，要充分利用WinCC的可视化的特点，把提升机的运行状态和主要过程参数实时显示到监控画面上，方便操作员及时了解提升机是否正常运行。出现故障也能第一时间通过故障报警画面找出故障点，然后快速启动应急措施，到现场进行故障排除。数据归档记录可以保存一定的天数，也可以用打印机把详细的历史数据以数据报表的形式打印出来，方便相关人员去研究排查。该组态软件还具有系统登录权限管理，禁止任何人都可以登录操作系统，提高了安全性。其中，上位机的结构框图设计如图6.2所示。上位机上位机系统登录数据归档记录组态画面PLC操作员权限管理数据报表打印主监控画面参数设置画面故障报警画面控制设备现场数据反馈图6.2上位机结构框图设计6.3监控画面设计上位机监控画面设计好之后，关联上PLC的外部变量，然后使WinCC进入运行环境。通过运行PLC程序仿真，可以清楚的看到提升机的运行状态。条形图显示提升机的运行位置，输出框图显示提升机速度和运行深度以及油温油压的数值，油温油压数值是模拟抱闸停车时的实际环境所给定的模拟量采集数据。升降指示灯显示提升机是上升还是下降，各个阶段指示灯和速度曲线图可以清楚地知道提升机运行到哪个阶段。总故障报警灯是为了方便监控人员及时发现故障，然后根据提供的画面切换按钮，可以切换到相应的画面进行查看和操作。提升机主监控画面如图6.3所示。图6.3提升机主监控画面参数设置画面如图6.4所示。通过该画面，工作人员可以实时了解参数设定值情况，也可以根据需要进行相应的参数修改设定，以达到实际运行要求。图6.4参数设置画面故障报警画面如图6.5所示。出现故障时，可以通过该画面及时了解故障情况。任何一个故障点出现故障，对应该故障点的报警指示灯就会变为黄色亮起，工作人员能第一时间知道故障的位置，然后维修人员可以根据故障提示很方便地找到故障点并进行维修处理。这不仅节省了需要各个故障点逐一排查的大量时间，而且减少了维修人员繁重的工作量，从而进一步提高了工作效率。图6.5故障报警画面超速程序设计如图6.6所示，以爬行段超速故障为例，作一个案例分析。提升机实际运行的速度会因为一些因素的影响而相对于速度设定值有微小的波动，所以本文取速度设定值的15%为上限值，如果提升机爬行速度低于速度设定值的15%，可以正常运行。相反，如果提升机爬行速度超过速度设定值的15%，则开启软安全回路，同时触发爬行段超速报警灯报警及总故障报警灯报警。图6.6爬行段超速程序提升机在加速段运行的画面如图6.7所示，通过该画面可以看到上升指示灯和加速段指示灯亮起，提升机运行的具体位置，此时深度指示为472m，提升机速度为4m/s，对应的油温油压数值是模拟实际环境所给定的模拟量采集数据。图6.7加速段运行画面提升机在等速段运行的画面如图6.8所示，通过该画面可以看到上升指示灯和等速段指示灯亮起，提升机运行的具体位置，此时深度指示为270m，提升机速度为10m/s，对应的油温油压数值是模拟实际环境所给定的模拟量采集数据。图6.8等速段运行画面提升机在减速段运行的画面如图6.9所示，通过该画面可以看到上升指示灯和减速段指示灯亮起，提升机运行的具体位置，此时深度指示为68m，提升机速度为7m/s，对应的油温油压数值是模拟实际环境所给定的模拟量采集数据。图6.9减速段运行画面提升机在爬行段运行的画面如图7.1所示，通过该画面可以看到上升指示灯和爬行段指示灯亮起，提升机运行的具体位置，此时深度指示为11m，提升机速度为2m/s，对应的油温油压数值是模拟实际环境所给定的模拟量采集数据。图7.1爬行段运行画面提升机在停车段运行的画面如图7.2所示，通过该画面可以看到上升指示灯和停车段指示灯亮起，提升机运行的具体位置，此时深度指示为1m，提升机速度为1m/s，对应的油温油压数值是模拟实际环境所给定的模拟量采集数据。图7.2停车段运行画面提升机检修运行的画面如图7.3所示，通过该画面可以看到下降指示灯和检修指示灯亮起，提升机运行的具体位置，此时深度指示为239m，提升机速度恒为0.5m/s，对应的油温油压数值是模拟实际环境所给定的模拟量采集数据。图7.3检修运行画面6.4本章小结本章节在组态软件方面选择了WinCC组态软件并对其作了介绍，通过结构设计，组态画面设计，与PLC通信连接等步骤，最后在上位机软件监控界面上完成对提升机运行状态的实时监控。7总结与展望矿井提升机是运输矿物和人员的动力传送设备，是矿井内外联系的枢纽，人员的生命安全保证和煤矿生产能力取决于它运行的安全可靠性和负载特性。国内传统的矿井提升机依然有矿企在使用，它是通过大量的继电器—接触器元件来实现控制，启动和调速是由电机转子回路串接电阻的方式来实现。这种电气结构复杂的控制系统初期投资成本低，对操作人员的要求较低，但运行时存在可靠性差、容易发生故障、电能耗费过多、生产效率较低等缺点，这也使得日常维护工作量大，故障排除困难。本文采用变频调速和基于PLC的矿井提升机控制系统，不仅减少了大量继电器—接触器的使用，简化了系统线路，而且还能实现无极的调速，平滑的特性好、可调速的范围广。整体上提高了系统的自动化水平。通过使用上位机WinCC组态软件，根据实际要求设计相应的组态画面，一般都有主监控、参数设定、报警等画面。连接通信上PLC，然后运行系统，通过调试后完成对各项数据的实时监控，实现对传统提升机升级改造的目的。本文充分考量了工业自动化的快速发展和煤矿业的发展需求，采用PLC、变频器和组态监控软件，能实现系统的稳定高效运行和实时监控，在安全性方面和可靠性方面都有所提高。不仅使日常维护检修的工作量大大减少，而且节能省源，提高了经济效益。PLC软件和组态软件的功能是非常强大的，控制手段和监控手段可以通过软件的各种内外设置得到完善，由于作者的知识水平有限，很多可以用来改善系统的功能没有被充分应用。但随着基于PLC的矿井提升机控制系统的全面成熟使用，相信很多的不足之处会得到不断改善与提高。致谢首先，本课题能在规定时间内如愿完成，得益于老师的精心指导和殷切关怀。在此，我要向敬爱的黄永捷导师表示由衷的感谢和崇高的敬意。其次，在课题展开的工作过程中，也得到了周宇权老师和同学们的极大帮助，老师给予耐性的解答和同学们的热切帮忙深深地感动了我，在这里也非常地感谢他们。周老师就像是我的学长，更像是我的挚友，他是一个有着渊博的学识、教学严谨、工作务实，并且随和可亲、平易近人的人。本课题自开展工作以来，从资料文献的查阅，到系统硬件设计，然后到软件设计，再到仿真调试，最后到论文的撰写，都从中得到了老师的启发和指导。他在为人做事和教学方面教会了我很多，使我受益颇多。同时，他求真务实、工作上进的精神也值得我去学习。最后，也衷心的感谢授予我们知识的每一位老师，在大学的四年里，你们孜孜不倦地传授专业的知识给我们，为我们耐心地答疑解惑，还向我们提供了各种实践设备和良好的学习环境。在我们成长的过程中，也教会了我们很多如何做人做事的道理。非常感谢老师们为我们辛勤付出，你们的教诲，我一定感恩于心。