煤礦井下升降機(jī)安全控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

I 摘 要 煤礦井下升降機(jī)作為最重要的礦井運(yùn)輸設(shè)備，它不僅作為載體來(lái)運(yùn)輸煤礦，而且還肩負(fù)著運(yùn)輸人員的重任。礦井升降機(jī)運(yùn)行時(shí)的狀況直接決定了煤礦工人的生命安全。而我國(guó)當(dāng)前的提升調(diào)速水平，大多數(shù)還停留在上世紀(jì)七十年代的繼電器控制的基礎(chǔ)上。盡管，這些年有了不少的提高，但從根本上來(lái)說(shuō)仍是由接觸器 繼電器等組成的控制系統(tǒng)，其硬件的連接繁瑣，事故的發(fā)生較為頻繁。在本次課題的設(shè)計(jì)中，利用 PLC 來(lái)控制煤礦升降機(jī)的運(yùn)行，接觸器和繼電器將被 PLC 中大量的元件所代替，從而完成了利用 PLC 對(duì)原有系統(tǒng)的改造； 同時(shí)將 PLC 和變頻器結(jié) 合起來(lái) ， 運(yùn)用到煤礦井下升降機(jī)的控制系統(tǒng)中，改善現(xiàn)有的升降系統(tǒng) ，提高精度， 使得升降機(jī)運(yùn)行更加的平穩(wěn)和安全 。針對(duì)升降機(jī)的主要環(huán)節(jié)設(shè)置過(guò)載、松繩、過(guò)卷等安全保護(hù)措施，使升降機(jī)的安全狀 況有所改善。此外 ，本文還利用簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)模型建立了矢量控 制仿真系統(tǒng)，對(duì)變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真，從而來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的調(diào)速系統(tǒng)。 關(guān)鍵詞： 礦井升降機(jī) ； PLC； 電控系統(tǒng) ； 仿真 Abstract Mine hoister is one of the main equipment in mine. It conveys not only mineral but also miners. So the performance of mine hoister is concerned with hundreds of miners lives. At present, the mine hoisting equipment in China are mainly rest on the TDK electric control which is used in 1960s and 1970s. Although interrelated renovations has been done in recent years, essentially it is still the contact control system which is made up of the contactor-relay. The hardware wring system of the contact control system is complex and has high hazard rate. During the renovation of this mine hoister system, the PLC is applied to the control system, and plentiful soft components of the PLC are applied to replace the contactor and PLC control system has improved original electric control system. At the same time, Programmable logic controller (PLC) with the inverter applied to the production of the mine is to design the existing hoist control system. It will improve the accuracy and ensure the smooth progress of the mine production. As to the key elements of the lift, it makes senses to set speed alarm, overload protection, which is to enhance the security situation. In addition, it is also using a simplified mathematical model to establish vector control simulation system, which is to verify the feasibility of the speed control system. Key words: Mine Hoister； PLC； Electric Control System； Transducer Simulation 目 錄 摘 要 . I ABSTRACT . II 1 緒論 . 1 1.1 課題研究背景、意義及內(nèi)容 . 1 1.1.1 研究背景 . 1 1.1.2 研究意義 . 1 1.1.3 研究?jī)?nèi)容 . 1 1.2 國(guó)內(nèi)外煤礦升降機(jī)電氣控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 . 2 1.2.1 我國(guó)煤礦井下升降機(jī)電氣控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀 . 2 1.2.2 國(guó)外煤礦井下升降機(jī)電氣控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀 . 2 2 煤礦井下升降機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案 . 4 2.1 礦井升降機(jī)概況 . 4 2.1.1 礦井提升系統(tǒng)概述 . 4 2.1.2 礦井升降機(jī)主要組成部分及其工作原理 . 4 2.2 升降機(jī)電控系統(tǒng)的功能要求 . 5 2.2.1 升降機(jī)的工作過(guò)程 . 5 2.2.2 煤礦升降機(jī)的控制要求 . 7 2.3 煤礦井下升降機(jī)電氣控制系統(tǒng)組成 . 8 2.4 礦井提升機(jī)調(diào)速控制方式選擇 . 9 2.4.1 變頻調(diào)速的控制 . 9 2.4.2 變頻調(diào)速的頻率控制方式 矢量控制 . 10 2.5 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)組成 . 10 2.6 小結(jié) . 11 3 升降機(jī)控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì) . 12 3.1 系統(tǒng)硬件選型 . 12 3.1.1 提升電動(dòng)機(jī)選擇 . 12 3.1.1 變頻器的選型 . 12 3.1.2 PLC 的選型 . 13 3.2 礦井升降機(jī)主接線圖 . 13 3.2.1 升降機(jī)的主要電氣設(shè)備 . 15 3.3 I/O 地址分配表 . 15 3.4 PLC 的 I/O 地址接線圖 . 16 3.5 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) . 17 3.5.1 升降機(jī)調(diào)速設(shè)計(jì) . 17 3.5.2 升降機(jī)運(yùn)行中過(guò)卷保護(hù)設(shè)計(jì) . 21 3.5.3 升降機(jī)運(yùn)行中限位設(shè)計(jì) . 22 3.5.4 升降機(jī)安全報(bào)警系統(tǒng)的 . 24 3.6 小結(jié) : . 26 4 升降機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的仿真 . 27 4.1 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) . 27 4.2 仿真子模塊功能 . 28 4.3 仿真參數(shù)設(shè)置和結(jié)果分析 . 28 5 總結(jié)與展望 . 30 5.1 研究總結(jié) . 30 5.2 展望 . 30 致 謝 . 31 參考文獻(xiàn) . 32 煤礦井下升降安全控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 1 緒論 1.1 課題研究背景、意義及內(nèi)容 1.1.1 研究背景 煤 礦升降機(jī)是 礦井重要的生產(chǎn)設(shè)備 ，是煤礦“四大運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備”之一，其中電力傳動(dòng)相當(dāng)復(fù)雜，電動(dòng)機(jī)不停地正、反向運(yùn)行，長(zhǎng)時(shí)間的 處于過(guò)負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn) ，這樣大大縮短了升降機(jī)的使用壽命 ； 因此可以想象升降機(jī)的安全性、可靠性是及其關(guān)鍵的，其運(yùn)行的安全行和可靠性直接擔(dān)負(fù)著 煤炭生產(chǎn) 及操作人員的生命安危。事故的發(fā)生肯定會(huì)對(duì)人員以及設(shè)備造成嚴(yán)重的影響 ，從而帶來(lái)重大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，升降機(jī)性能的提高，自動(dòng)化控制水平的提高 ， 對(duì)于煤礦未來(lái)的發(fā)展具有重大的意義，設(shè)計(jì)出安全、可靠的升降系統(tǒng) 一定是未來(lái)發(fā)展新勢(shì)頭 。 隨著現(xiàn) 代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和人類不斷地創(chuàng)新 ，現(xiàn)代化礦井的建設(shè) ，著重加大了對(duì)作業(yè)人員生命安全的 重視，對(duì)煤礦 井下升降機(jī)的安全可靠性提出了更高的要求。近年來(lái)，我國(guó)在升降機(jī)的安全方面做了很多的努力，投資了大量的人力物力，使礦井升降機(jī)設(shè)備的安全可靠性有了巨大的進(jìn)步，并將“可靠性系統(tǒng)工程”的理念引入了煤礦井下升降機(jī)領(lǐng)域，與之相適應(yīng)，升降機(jī)對(duì)其電控系統(tǒng)安全可靠性的要求也愈來(lái)愈高。因此，在設(shè)計(jì)煤礦井下升降機(jī)，安全性以及可靠性的重要性就不言而喻了 1。 1.1.2 研究意義 企業(yè)的生產(chǎn)安全和經(jīng)濟(jì)效益 與 升降機(jī)能否安全、可靠、有效的運(yùn)行 有著密切的關(guān)系。即使 礦井升降機(jī)系統(tǒng)本身有一些安全保 護(hù)措施，但是由于升降機(jī)慣性大大、工作流程復(fù)雜、環(huán)境惡劣、這些因素都會(huì)導(dǎo)致各種機(jī)械零件和電器元件的 失效，再加上 人為的疏忽和以及監(jiān)控系統(tǒng)的不完善，使得理想的安全保護(hù)措施未能實(shí)現(xiàn) 。 因此 社會(huì)各界人士開(kāi)始紛紛的關(guān)注 升降機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的研究。而煤礦升降機(jī)能否平穩(wěn)、安全、可靠地運(yùn)行，能否 延長(zhǎng)升降的使用壽命、防止慣性 沖擊以及減少機(jī)械部分維修的工作量 ，包括作業(yè)人員在操作時(shí)的舒適度絕大數(shù)取決于 取決于電器控制方式。隨著人們對(duì)煤礦升降機(jī)自動(dòng)化水平 以 及設(shè)備提升能力要求的提高，人們開(kāi)始逐步的改善 電器傳動(dòng)方式。目前，對(duì)煤礦升降機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的具體要求有：調(diào)速性能良好，調(diào)速精度高，能快速進(jìn)行、反轉(zhuǎn)運(yùn)行，具備很快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，制動(dòng)和定位功能準(zhǔn)確，可靠性高等。 傳統(tǒng)升降機(jī)電控系統(tǒng)存在控制方式復(fù)雜、可靠性不高、調(diào)速性能不穩(wěn)定 等諸多問(wèn)題。提高整個(gè)電控系統(tǒng)的安全性、控制精度以及調(diào)速性能已成為 我國(guó) 改善礦井升降機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的當(dāng)務(wù)之急 。 在這種情況下 利用 PLC 對(duì)原有電控系統(tǒng)進(jìn)行改造， 將會(huì)取得非常明顯的成果，我們可以拭目以待。 1.1.3 研究?jī)?nèi)容 我國(guó) 對(duì)于礦井升降機(jī)控制系 統(tǒng)的改造，雖然已取得一些成就，但從全國(guó)的角度出發(fā)，無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 這樣的成就是微不足道的，因此需要不斷地創(chuàng)新和研究 。而本課題正是對(duì)目前我國(guó)中、小煤礦煤礦升降機(jī)的安全控制系統(tǒng)進(jìn)行改造 , 本課題旨在研發(fā)一種既能可靠、靈敏、自動(dòng)動(dòng)作，又能適應(yīng)井下惡劣環(huán)境 以 及人為損壞要求的自動(dòng)停送電開(kāi)關(guān)裝置。該裝置由主機(jī)、輔助接觸線組成，借助接觸網(wǎng)饋電電源線、受控電機(jī)車接觸線和受電弓構(gòu)成開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)。 (1)本課題將可編程控制器（ PLC）控制技術(shù)應(yīng)用到升降機(jī)的控制系統(tǒng)中，利用 PLC 的元件來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)繼電器。 (2)通過(guò) PLC 控制變頻器，從而完成煤礦 升降機(jī)的啟動(dòng)、加速運(yùn)行、等速運(yùn)行、減速、低爬和停車的控制，使得控制系統(tǒng)更加完善和穩(wěn)定，調(diào)速精度更加精確。同時(shí)設(shè)置了報(bào)警環(huán)節(jié)，當(dāng)出現(xiàn)事故或危險(xiǎn)時(shí)，報(bào)警燈閃爍，已提醒作業(yè)員來(lái)采取相應(yīng)的措施，從而保證了升降機(jī)的安全運(yùn)行。 (3)進(jìn)一步完善升降機(jī)后備保護(hù)功能，保證升降機(jī)運(yùn)行的安全可靠。 1.2 國(guó)內(nèi)外煤礦升降機(jī)電氣控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 1.2.1 我國(guó)煤礦井下升降機(jī)電氣控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀 在煤礦生產(chǎn)中，煤礦 井下升降機(jī)起著至關(guān)重要的作用 ， 是最主要的生產(chǎn)設(shè)備 。 升降機(jī)現(xiàn)代化水平的高低直接影響著煤礦的生產(chǎn)效率以及作業(yè)人員的生命 安危 ,更代表著我國(guó)生產(chǎn)力的發(fā)展水平 。 目前，我國(guó)煤礦井下升降機(jī) 大多數(shù) 是采用傳統(tǒng)的交流異步電機(jī)拖動(dòng)， 其調(diào)速方式存在著諸多的問(wèn)題 。 傳統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)的缺點(diǎn)較為明顯：調(diào)速性能差，能耗較高，很多能量用在了電阻發(fā)熱上，升降機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中不穩(wěn)定，安全性差 。 傳統(tǒng)交流電控系統(tǒng)可靠性差 ，其中有以下主要幾個(gè)缺點(diǎn)，線路較為復(fù)雜，出現(xiàn)故障很難進(jìn)行分析，保護(hù)系統(tǒng)不完善，沒(méi)有足夠的保護(hù)措施，出現(xiàn)問(wèn)題后不能及時(shí)進(jìn)行反饋，反應(yīng)呆滯 。近幾年，對(duì)升降機(jī)的安全控制系統(tǒng)增設(shè)了過(guò)載、過(guò)卷。瓦斯?jié)舛葓?bào)警，使升降機(jī)安全狀況有所改善，大大增加了提升過(guò)程的可 靠性。 在實(shí)施升降機(jī)電氣控制改造技術(shù)時(shí)， 一方面要跟隨著國(guó)際發(fā)展的腳步，另一方面也要綜合考慮到 我國(guó)國(guó)情，依靠自己的力量， 自主創(chuàng)新， 加強(qiáng)與先進(jìn)國(guó)家的合作， 吸收國(guó)外較為先進(jìn)的理念， 采取引進(jìn)、合作生產(chǎn)、聯(lián)合改造等多種形式，實(shí)現(xiàn)符合中國(guó)國(guó)情的煤礦升降機(jī)電控系統(tǒng)現(xiàn)代化 2。 1.2.2 國(guó)外煤礦井下升降機(jī)電氣控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀 國(guó)外從 70 年代開(kāi)始， 微機(jī)迅速的發(fā)展，使得升降機(jī) 調(diào)速系統(tǒng)可以利用微機(jī)進(jìn)行控制目前，國(guó)外的這一水平已逐漸趨向成熟 。其應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾方面： （ 1）提升工藝過(guò)程微機(jī)控制 在交流變頻裝置中，微機(jī)控制 在 大多數(shù)工藝中得到了體現(xiàn) 。由于微機(jī)功能強(qiáng)，使用方便，反應(yīng)靈敏，監(jiān)視系統(tǒng)完善。 煤礦井下升降安全控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) （ 2）提升行程控制 升降機(jī)的控制本質(zhì)上說(shuō)是一個(gè)位置控制 ，要保證升降機(jī)停位的精確，采用微機(jī)控制，通過(guò)對(duì)相關(guān)信號(hào)的處理，使得升降的的調(diào)速更加平穩(wěn) 1。 （ 3）提升過(guò)程監(jiān)視 由于近代升降機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特別強(qiáng)調(diào)安全可靠性， 所以升降機(jī)安全回路是現(xiàn)代升降機(jī)控制的重要環(huán)節(jié)。 （ 4）安全回路 安全回路是指 在調(diào)速系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，能進(jìn)行自我的調(diào)整，而且調(diào)整周期短，在很快的時(shí)間里能恢復(fù)到正常的能力，此環(huán)節(jié)極為重要，對(duì)于保證作業(yè)員的人身安全和礦井的正常運(yùn)輸有著重要的意義。 （ 5）全數(shù)字化系統(tǒng)調(diào)速控制 德國(guó) AEG 公司的 Logidyn D 系統(tǒng)都已應(yīng)用于升降機(jī)上。 參數(shù)比較穩(wěn)定、可方便地與上位機(jī)聯(lián)網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)，因此這類的系統(tǒng)的維護(hù)需要作業(yè)人員有更高的知識(shí)素養(yǎng)和技術(shù)水平。 無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 2 煤礦井下升降機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案 礦井升降機(jī)肩負(fù)著井上、井下運(yùn)輸?shù)闹匾蝿?wù)， 對(duì)于整個(gè)煤礦而言 ， 升降機(jī)有著重要的地位， 素有“礦山咽喉”之稱。熟悉礦井升降機(jī)的性能、結(jié)構(gòu)及動(dòng)作原理，合理使用設(shè)備，加強(qiáng)維護(hù)，對(duì)確保升降機(jī)工作效率、提高安全可靠性 、防止和杜絕事故的發(fā)生具有重大意義。 2.1 礦井升降機(jī)概況 2.1.1 礦井提升系統(tǒng)概述 礦井提升設(shè)備主要有這幾個(gè)部分組成 ：提升容器、提升鋼絲繩、升降機(jī)、天輪、及裝卸載設(shè)備等。 由于井筒條件（豎井或斜井） 運(yùn)行時(shí)的方法和特性不同 ， 導(dǎo)致他們構(gòu)成的提升系統(tǒng) 也有差異。 圖 2.1 為斜井升降機(jī)示意圖 : 圖 2.1 斜井升降機(jī)示意圖 2.1.2 礦井升降機(jī)主要組成部分及其工作原理 礦井升降機(jī)是一個(gè)完整的機(jī)械電氣機(jī)組，其主要由以下幾部分組成。 (1)工作機(jī)構(gòu) 主要是指主軸裝置和主軸承等，主軸裝置由主軸、卷筒、滾動(dòng)軸承、支輪、制動(dòng)輪等組成。 (2)制動(dòng)系統(tǒng) 制動(dòng)系統(tǒng)是升降機(jī)不可缺少的重要組成部分之一，也是最后一道安全保障裝置，當(dāng)升降機(jī)出現(xiàn)緊急情況時(shí)可以起動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)，以保證升降機(jī)的安全。 (3)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng) 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)包括減速器和聯(lián)軸器。減速器是用來(lái)進(jìn)行減速和傳遞力煤礦井下升降安全控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 矩的，聯(lián)軸器是用來(lái)銜接傳動(dòng)部分的，并傳遞動(dòng)力。 (4)潤(rùn)滑系統(tǒng) 潤(rùn)滑系統(tǒng)是在提升運(yùn)行過(guò)程中， 向作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件表面輸送定量的清潔潤(rùn)滑油，以實(shí)現(xiàn)液體摩擦，減小摩擦阻力，減輕機(jī)件的磨損。并 對(duì)零件表面進(jìn)行清洗和冷卻。潤(rùn)滑系通常由潤(rùn)滑油道、機(jī)油濾清器和一些閥門等組成 ，以保證軸承和齒輪的正常工作。 (5)觀測(cè)和操縱系統(tǒng) 觀測(cè)包括斜面操縱臺(tái)，通過(guò)傳感器集中來(lái)的信號(hào)，對(duì)現(xiàn)有的運(yùn)行情況作出處理，從而執(zhí)行新的程序。 (6)拖動(dòng)控制和自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng) 礦井升降機(jī)自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)的作用是：在沒(méi)有作業(yè)員的情況下，發(fā)生突發(fā)事故時(shí)，升降機(jī)了能自行進(jìn)行做出相應(yīng)處理。 提升機(jī)工作原理：煤礦井下采煤，采好的煤通過(guò)斜井用 升降機(jī)將其運(yùn)輸?shù)降孛嫔?。 在井口處有升降機(jī) ， 電機(jī)經(jīng)過(guò)減速器后傳動(dòng)給卷筒，這樣控制升降機(jī)的運(yùn)行 。 當(dāng)快要到達(dá)頂端時(shí)， 制動(dòng)減速。當(dāng)卸完煤以后，變頻器控制升降機(jī)進(jìn)行反轉(zhuǎn)，到煤礦深處進(jìn)行運(yùn)輸煤，這樣剛好完成一個(gè)周期，當(dāng)升降機(jī)需要停車時(shí)，發(fā)出停車指令，開(kāi)始抱閘停車。 2.2 升降機(jī)電控系統(tǒng)的功能要求 隨著科技的發(fā)展，對(duì) 煤礦升降機(jī) 的要求也逐步提高，怎樣使得升降機(jī)平穩(wěn)、安全、可靠地運(yùn)行 ， 那就要求盡量 避免 零件的磨損 、減少機(jī)械部分維修的工作量、延長(zhǎng)升降機(jī)械的使用壽命。隨著人們對(duì)煤礦升降機(jī)自動(dòng)化水平、煤礦升降機(jī)設(shè)備提升能力要求的提高，對(duì)電器傳動(dòng)方式的改進(jìn)提出了更高的挑戰(zhàn)。 2.2.1 升降機(jī)的工作過(guò)程 升降機(jī)的過(guò)程是升降機(jī)在煤礦中 往返的上下運(yùn)動(dòng)，通常以提升機(jī)運(yùn)動(dòng)的速度與時(shí)間的關(guān)系來(lái)表示其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，稱為速度圖，升降機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度圖，包括五個(gè)階段，即：加速階段、減速階段、爬行階段、制動(dòng)階段、停車休止階段。 加速階段是指從靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)加速到最高速度；等速階段是提升機(jī)正常的運(yùn)行狀態(tài)，提升機(jī)以最高速度穩(wěn)速運(yùn)行；減速階段是提升機(jī)從最高速度減速到爬行速度；爬行階段是準(zhǔn)備安全停車階段 1。 速度圖如圖 2.2，加速度圖如 2.3。 無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 （速度）V0t1 t2 t3 t4 t5 t1 t圖 2.2 為升降機(jī)的速度圖 （加速度）0aa1a2a3ta1 圖 2.3 為升降機(jī)的加速度圖 速度和加速度圖顯示了升降機(jī)一個(gè)周期類運(yùn)行的工作過(guò)程： （ 1）加速階段 t1 當(dāng)升降機(jī)到達(dá)底端時(shí)，以加速度 a1 運(yùn)行，一直達(dá)到最大速度 Vm。 （ 2）等速運(yùn)行階段 t2 升降機(jī) 這時(shí)達(dá)到了 最大提升速度 Vm。 （ 3）減速階段 t3 升降機(jī)將要接近頂端時(shí)，開(kāi)始以速度 a3 運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)減速。 （ 4）爬行階段 t4 升降機(jī)到達(dá)設(shè)定的位置時(shí)，此時(shí)應(yīng)該應(yīng)以 v4 爬行。 （ 5）停車階段 t5 當(dāng)升降機(jī)運(yùn)行至終點(diǎn)時(shí)，升降機(jī)施閘停車。 升降機(jī)過(guò)程中各部分動(dòng)力計(jì)算，而這些 慣性力與升降機(jī)速度變化規(guī)律密切相關(guān)。首先，我們確定礦井升降機(jī)運(yùn)動(dòng)合力 。 假定電動(dòng)機(jī)克服所有阻力后的合力與全部靜負(fù)荷和提升有害阻力的合力作用在同一力臂上，則升降機(jī)運(yùn)動(dòng)部分有如下的動(dòng)力平衡方程： 2m 2F rdxFMdt （ 2.1） 式中：mF電動(dòng)機(jī)克服所有阻力后的合力； rF全部 靜負(fù)荷和提升有害阻力的合力； M 升降機(jī)所有運(yùn)動(dòng)部分的換算質(zhì)量； 22dxdt 提升加速度， 煤礦井下升降安全控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 一般情況下， 22dr ( , )rxF f x c M dt （ 2.2） 式中： x給定瞬時(shí)通過(guò)的距離； c各種不變提升參數(shù)的總和。 因此可得升降機(jī)的一般動(dòng)力微分方程： 22d( , )mrxF f x c Mdt （ 2.3） 因此，礦井升降機(jī)速度的變化規(guī)律為： f ( ) dxVtdt （ 2.4） 2 ,2d( ) ( , ) ( ) , ( )m m r r x txF f t f x c M f f t c M f tdt （ 2.5） 因此可得電動(dòng)機(jī)提升力如圖 2.4 所示： （電動(dòng)機(jī)提升力）0FdFd1Fd2Fd3Fd1F 圖 2.4 電動(dòng)機(jī)提升力圖 要使升降機(jī)按給定速度圖運(yùn)行，電氣傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)能根據(jù)負(fù)載的變化而自動(dòng)的工作在電動(dòng)或制動(dòng)狀態(tài)。綜合以上升降機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)以及礦山生產(chǎn)固有的特點(diǎn)，對(duì)煤礦升降機(jī)的控制方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。 2.2.2 煤礦升降機(jī)的控制要求 目前，對(duì)于煤礦控制系統(tǒng)的具體要求有：調(diào)速性能好、升降機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定、定位準(zhǔn)確、能夠迅速的進(jìn)行正反轉(zhuǎn) 。 (1)加（減）速度大小的確定應(yīng)符合以下條件： 應(yīng)符合國(guó)家有關(guān)安全生產(chǎn)規(guī)程的規(guī)定。升降人員時(shí)，加速度 0.7m/s升降物料時(shí)，加速度 1.2m/s。 應(yīng)不超過(guò) 升降機(jī)的減速器所允許的動(dòng)力矩。 (2)具有良好的調(diào)速性能。 能夠在加速、減速等階段調(diào)速平穩(wěn)，調(diào)速范圍比較廣，運(yùn)行中平穩(wěn)和安全。 無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 (3)有較好的啟動(dòng)性能。 升降機(jī)是在裝完貨物后才開(kāi)始啟動(dòng)的，這一點(diǎn)與其他機(jī)械不同，因此必須要重載起動(dòng)，對(duì)升降機(jī)的起動(dòng)性能有較高的要求 。 (4)特性曲線要硬。 當(dāng)系統(tǒng)受到負(fù)載變化時(shí)，調(diào)速系統(tǒng)能夠在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到正常，速度基本上不受到影響， 當(dāng)負(fù)載超過(guò)一定限度時(shí)，此時(shí)安全回路會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的動(dòng)作，進(jìn)行自我保護(hù)，制動(dòng)抱閘停機(jī)。 (5)工作方式轉(zhuǎn)換容易。 能夠方便進(jìn)行轉(zhuǎn)換，容易操作 ， 可操作性強(qiáng)，不會(huì)因?yàn)?轉(zhuǎn)換的繁瑣影響生產(chǎn)。 (6)將高科技用到升降控制系統(tǒng)中，這樣 整體 效率比較高 。 (7)要求 有相應(yīng)的保護(hù)措施，以保證控制系統(tǒng)的安全性 。 (8)要盡量節(jié)約成本，減少一些不必要的開(kāi)銷 3。 2.3 煤礦井下升降機(jī)電氣控制系統(tǒng)組成 傳統(tǒng)的提升機(jī) 的控制方式 是通過(guò) 切換電阻的形式 來(lái)實(shí)現(xiàn)的， 這種方式效率低下，問(wèn)題復(fù)雜， 其中的缺點(diǎn)如下所述 : (1)提升機(jī)啟動(dòng)的一瞬間電流很大，對(duì)電機(jī)的傷害嚴(yán)重，且在加 /減速運(yùn)行時(shí)可控制性弱，舒服度不好，停位不精確。 (2)提升機(jī)的運(yùn)行效率比較低，很多的能量都消耗的在電阻發(fā)熱上。 (3)電氣 控制系統(tǒng)中的線路老化比較明顯、運(yùn)行的情況比較復(fù)雜復(fù)雜，維護(hù)量比較大，當(dāng)出現(xiàn)事故時(shí)很難排查。因此，用 PLC 來(lái)控制升降機(jī)的運(yùn)行，大大減少了這些麻煩，提高了升降機(jī)的工作效率。 根據(jù)礦井提升機(jī)的工作過(guò)程和控制要求，在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，有很多困難需要克服 ,很多難點(diǎn)需要解決，其中關(guān)鍵性的問(wèn)題有以下幾點(diǎn)。 (1)系統(tǒng)的安全可靠性 設(shè)計(jì)升降機(jī)的安全控制系統(tǒng)，首先值得考慮的就是系統(tǒng)的安全性，安全是升降機(jī)運(yùn)行的第一保障，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，怎樣使得升降機(jī)安全平穩(wěn)的運(yùn)行成為本課題研究的一個(gè)難點(diǎn)，也是一個(gè)重要的挑戰(zhàn)。 (2)穩(wěn)定 的調(diào)速 為了設(shè)計(jì)出更優(yōu)更穩(wěn)定的調(diào)速系統(tǒng)，本課題采用 PLC 控制變頻器，利用變頻器控制升降機(jī)的運(yùn)行情況以及調(diào)速。硬件設(shè)計(jì)包括 PLC、變頻器、電機(jī)等的選擇。軟件設(shè)計(jì)包括 PLC的控制的流程圖、梯形圖等。本控制系統(tǒng)為礦井提升機(jī)的穩(wěn)定、安全和高效運(yùn)行提供了可靠的保障。 (3) 高效性和舒適性 拖動(dòng)系統(tǒng)可以按照提升種類要求的額定速度不同，讓舒適著乘坐比較舒服；同時(shí)調(diào)速的穩(wěn)定性使得升降機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)，方便物資的進(jìn)出，大大的提高運(yùn)行效率。 改進(jìn)后的電氣控制系統(tǒng)組成圖如圖 2.5 所示。 煤礦井下升降安全控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) PLC操作臺(tái)變頻器編碼器M減速箱滾筒 圖 2.5 電氣控制系統(tǒng)組成圖 系統(tǒng)設(shè)有操作臺(tái)，各種運(yùn)行方式、系統(tǒng)狀態(tài)及故障信號(hào)指示燈，以及各種音響警示鈴，在出現(xiàn)意外時(shí)提醒司機(jī)注意。操作人員可以根據(jù)控制要求進(jìn)行各種操作， PLC 輸出相應(yīng)指令控制變頻器運(yùn)行，從而調(diào)整升降機(jī)的運(yùn)行。 (1)主控系統(tǒng) 本系統(tǒng)的主控系統(tǒng)采用 PLC 來(lái)控制，主 PLC 正常運(yùn)行時(shí) ， 傳感器將相應(yīng)的信息轉(zhuǎn)換為控制信號(hào)， 以保證控制系統(tǒng)的運(yùn)行的正常 。 (2)調(diào)速系統(tǒng) 調(diào)速系統(tǒng)采用 MM420 變頻器 , 通過(guò)程序編制對(duì)升降機(jī)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)提升機(jī)的正反轉(zhuǎn)和速度的控制 ，以及過(guò)卷保護(hù)、松繩保護(hù)、超載保護(hù)。 2.4 礦井提升機(jī)調(diào)速控制方式選擇 2.4.1 變頻調(diào)速的控制 根據(jù)相關(guān)的電機(jī)學(xué)原理知識(shí) ,可以得到異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速關(guān)系式為： 11 6 0 -(1 ) fn n s p （ 1s ） (2.6) 式中： n 升降 機(jī)的轉(zhuǎn)速； S 定子每相繞組串聯(lián)匣數(shù) ； P 極對(duì)數(shù)； f 定子供電頻率； 從式可知，異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法可分為以下三大類 : (1)變極調(diào)速方法 (2)變轉(zhuǎn)差率調(diào)速方法 (3)變頻調(diào)速方法 其中變 頻調(diào)速 是改變電動(dòng)機(jī)定子電源的頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速的方法，具有調(diào)速范圍廣， 運(yùn)行效率高，靜態(tài)穩(wěn)定性好，使用方便可靠 ， 經(jīng)濟(jì)效益顯著等優(yōu)點(diǎn) ， 為了使升降機(jī)調(diào)速控制 無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)能取得良好的控制性能，綜合上面所述的幾種調(diào)速控制方式，權(quán)衡各種調(diào)速控制方案的優(yōu)劣，再結(jié)合升降機(jī)調(diào)速系統(tǒng)特性的特點(diǎn)，最終選擇 PLC 與變頻器相結(jié)合的變頻調(diào)速控制方案。 2.4.2 變頻調(diào)速的頻率控制方式 矢量控制 矢量控制主要是用來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的定子電流轉(zhuǎn)矩分量和磁通分量的控制方法，通過(guò)改變一系列坐標(biāo)實(shí) 現(xiàn)的。它還可以通過(guò)對(duì)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩的控制 進(jìn)行提哦啊書(shū)， 矢量控制 兩種，調(diào) 節(jié)電壓，使電機(jī)電流與負(fù)載扭矩相匹配，到達(dá)改善低速扭矩特性的目的 ， 但是其控制器的設(shè)計(jì)在某種程度上依賴于電機(jī)的參數(shù) 4。 矢量控制通過(guò)調(diào)節(jié)變頻器的輸出電壓，以保證電機(jī)的磁通量不變，其大小可以通過(guò)電機(jī)性能的設(shè)定來(lái)改變。 2.5 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)組成 采用矢量控制技術(shù)，只要變頻器收 到 PLC 的程序信號(hào)，就能做出相應(yīng)的動(dòng)作。 變頻器自帶欠壓，過(guò)流 等保護(hù)裝置， 傳感器收集各種信號(hào)，然后傳給 PLC， PLC 對(duì)各信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)處理， 變頻器接到相應(yīng)信號(hào)后 ，從而控制升降機(jī)的轉(zhuǎn)速 。 轉(zhuǎn)速也可以經(jīng)過(guò)傳感器反饋到PLC,使得速度更加趨 于平穩(wěn)，調(diào)速更加精確。 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)框圖 2.6 如圖所示 速度給定P L C