基于PLC的礦井提升機(jī)控制系統(tǒng).doc

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。 摘 要 礦井被稱作地下礦井系統(tǒng)的咽喉，是井下與地面最重要的通道。礦井提升機(jī)承擔(dān)著礦井與井下人員、礦料、設(shè)備等物資運(yùn)輸?shù)闹厝?，是整個(gè)礦井系統(tǒng)中的核心部分，礦井提升機(jī)的安全可靠運(yùn)行至關(guān)重要。所以設(shè)計(jì)一套安全可靠的礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)具有極大的意義。PLC出現(xiàn)后以其顯著優(yōu)點(diǎn)迅速成為工業(yè)生產(chǎn)控制系統(tǒng)的主流發(fā)展方向，其可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)；編程簡單，使用方便；控制程序可變，具有很好的柔性功能完善；擴(kuò)充方便，組合靈活，極大減少控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及施工工作量；體積小，重量輕；非常適用“機(jī)電一體化”設(shè)備?；赑LC設(shè)計(jì)礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)，極大滿足對大型機(jī)械控制安全與可靠性的要求，且節(jié)能環(huán)保，便于操作與維護(hù)。 關(guān)鍵詞：礦井提升機(jī)；PLC；控制系統(tǒng)。 Abstract The mine is called the throat of the underground mine, which is the most important channel of the underground mine. The mine hoist bears the heavy responsibility of the mine and the underground personnel, the ore material, equipment and so on. It is the core part of the entire mine system, and the safe and reliable operation of the mine hoist is very important. Therefore, it is of great significance to design a safe and reliable control system of mine hoist. PLC appears with its remarkable advantages quickly become industrial production control system of the mainstream of the development direction of, the high reliability, strong anti-interference ability; programming is simple, easy to use; variable control procedures, with perfect good flexible function; to facilitate the expansion, flexible combination, greatly reducing the control system design and construction work; has the advantages of small volume, light weight; very applicable electromechanical integration equipment. Design of mine hoist control system based on PLC, which greatly meets the requirements of safety and reliability of large mechanical control, and energy saving and environmental protection, easy to operate and maintain. Key words: mine hoist; PLC; control system. 目 錄 中文摘要......................................... .................Ⅲ 英文摘要......................................... .................Ⅲ 目錄...............................................................Ⅴ 1 緒論..............................................................1 1.1 課題研究的背景.................................................2 1.2 提升機(jī)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀...........................................2 1.3 課題主要研究內(nèi)容...............................................3 2 礦井提升機(jī)概述 2.1 礦井提升機(jī)的簡介...............................................3 2.1.1 礦井提升機(jī)的分類............................................4 2.1.2 礦井提升機(jī)的主要組成部分及工作原理..........................6 2.2 礦井提升機(jī)的運(yùn)行...............................................7 2.3 提升機(jī)故障及保護(hù)...............................................8 3 礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 3.1 礦井提升機(jī)控制要求.............................................9 3.2 硬件的選擇及其電氣連接........................................10 3.3 控制系統(tǒng)的參數(shù)推導(dǎo)及設(shè)置......................................14 3.3.1提升過程參數(shù)推導(dǎo)............................................14 3.3.2變頻器參數(shù)設(shè)置..............................................17 3.4 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)............................................18 4 礦井提升機(jī)的保護(hù)設(shè)計(jì) 4.1 安全報(bào)警與監(jiān)控板的設(shè)計(jì)........................................19 4.2 抗干擾措施....................................................20 5 總結(jié) ............................................................21 6 參考文獻(xiàn).........................................................22 7 致謝.............................................................24 8 附錄.............................................................25 控制流程圖......................................................25 MM440說明書（部分）.............................................26 軟件設(shè)計(jì)指令表..................................................26 程序梯形圖......................................................30 仿真結(jié)果圖......................................................33  1 緒論 采礦業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，采礦業(yè)的健康發(fā)展對社會主義建設(shè)具有重大的意義。我國幅員遼闊，礦產(chǎn)資源豐富，但是開采難度大，露天礦山屈指可數(shù)，眾多的礦產(chǎn)資源都埋在深土里。我國的采礦大都是地下做業(yè)，對礦井提升機(jī)這種礦山的核心設(shè)備需求極大。 美國通用汽車制造公司（GM）最先于1968年提出研制一種新的控制器，并且在用戶角度給出了設(shè)計(jì)要求。第二年美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）研制出了第一臺可編程控制器（ProgrammableLogicController）PDP-14，用于通用汽車生產(chǎn)線。隨后日本西歐等國也引進(jìn)PLC制造技術(shù)，反展自己的PLC技術(shù)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與PLC技術(shù)的融合，PLC的功能得到了巨大的飛躍，其超高的運(yùn)算速度，可靠的抗干擾設(shè)計(jì)能力，數(shù)字模擬量處理功能，強(qiáng)大的PID功能，極小的體積，極高的性價(jià)比，讓它在眾多工業(yè)化國家中得到大量使用。 通過對PLC的大量實(shí)踐應(yīng)用國外的PLC廠家積累了大量的開發(fā)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，憑借技術(shù)優(yōu)勢，發(fā)達(dá)國家生產(chǎn)PLC的公司在PLC的全球份額占到了80%，幾家大型PLC制造公司主導(dǎo)了全球的PLC行業(yè)，這幾家公司是德國的西門子 （SIEMENS）公司、AEG公司、法國的TE公司。日本的三菱、歐姆龍、松下、富士，韓國的三星（SAMSUNG）、LG。 PLC技術(shù)是現(xiàn)代控制技術(shù)的主流技術(shù)，代表了高度發(fā)達(dá)的自動化，智能化水平，PLC技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的蓬勃發(fā)展，得益于其優(yōu)良的可靠性，抗干擾能力；簡單的編程要求，方便的使用方法；可變的控制程序，良好的柔性且功能完善；擴(kuò)充方便，組合靈活，極大減少控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及施工工作量；體積小，重量輕。發(fā)展PLC理論，應(yīng)用PLC控制，能極大的解放生產(chǎn)力，極大的緩解中國“老齡化”所帶來的生產(chǎn)力不足和國家產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的政策要求。 采礦業(yè)中的地下做業(yè)是及其危險(xiǎn)的，礦井下環(huán)境復(fù)雜，塌方沁水等問題層出不窮，礦石采掘及其繁重。作為礦山生產(chǎn)中的核心設(shè)備—礦井提升機(jī)，它的安全可靠運(yùn)行就幾乎決定了整個(gè)礦井的安全。我國對于礦井提升機(jī)的研發(fā)較晚，一直以來，國有大型廠礦都使用國外設(shè)備，這即推高了企業(yè)的運(yùn)行成本，也不方便維護(hù)，若發(fā)生意外事故，還拖延救援的黃金時(shí)間。所以，將PLC技術(shù)應(yīng)用于礦井提升機(jī)的研發(fā)中來，具有極大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，科研價(jià)值和社會價(jià)值。 1.1課題研究的背景 礦井是礦山的咽喉，是井下與地面溝通最重要的通道；礦井提升機(jī)是礦井工作系統(tǒng)中的核心部分，承擔(dān)著礦料、設(shè)備、人員的進(jìn)出，礦井提升機(jī)的安全可靠至關(guān)重要。傳統(tǒng)礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)，需要數(shù)量眾多的繼電器設(shè)備，布線復(fù)雜，體積龐大，耗能多，啟動，停車，制動，邏輯控制等方面難盡人意。工作過程中整車下行，體積大，重量高，維護(hù)困難，產(chǎn)生大量的熱，有電火花，給安全生產(chǎn)帶來巨大隱患。 采礦業(yè)作為現(xiàn)代工業(yè)的重要組成部分，伴隨著控制技術(shù)的進(jìn)步，由人工控制，半自動控制，逐步向自動化，智能化發(fā)展。PLC代表了現(xiàn)代工業(yè)控制的先進(jìn)水平，相對于傳統(tǒng)控制，其可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)；編程簡單，使用方便；控制程序可變，具有很好的柔性功能完善；擴(kuò)充方便，組合靈活，極大減少控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及施工工作量；體積小，重量輕，是“機(jī)電一體化”的理想設(shè)備。 基于PLC設(shè)計(jì)的礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)，能極大改善提升機(jī)的控制，提升整個(gè)礦井生產(chǎn)的安全性，可靠性與自動化水平，符合社會生產(chǎn)力反展與國家的產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級政策。 1.2提升機(jī)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 工業(yè)革命刺激了對礦料的需求，第一次工業(yè)革命時(shí)國外就開始研制礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)，20世紀(jì)60年代國外開始研制礦井提升機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，長時(shí)間的技術(shù)積累使國外在提升機(jī)狀態(tài)監(jiān)控方面水平較高。特別是對閘控和速度監(jiān)控等一些重要保護(hù)環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)更加合理，有些環(huán)節(jié)設(shè)置雙重保護(hù)，如過速保護(hù)，過卷保護(hù)等。這些監(jiān)控保護(hù)措施，對提升機(jī)的運(yùn)行安全都是可靠的保證，如瑞典ABB公司的礦井提升機(jī)速度保護(hù)功能齊全，系統(tǒng)可靠，能實(shí)現(xiàn)全自動開車；德國西門子公司全數(shù)字式提升機(jī)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字驅(qū)動，具有緊急制動時(shí)恒減速，提升鋼絲繩張力動態(tài)監(jiān)視，提升系統(tǒng)及設(shè)備動態(tài)顯示和故障自診斷功能。 國內(nèi)有關(guān)提升機(jī)控制系統(tǒng)的研究起步較晚，相對于國外設(shè)備性價(jià)比不高。國內(nèi)大型礦井一般引進(jìn)國外提升機(jī)設(shè)備，但是國外企業(yè)實(shí)行嚴(yán)格的技術(shù)保密措施， 其核心技術(shù)(如程序等)無法掌握，在使用、維修和零部件的供應(yīng)上都受到限制，且價(jià)格昂貴，推高了礦井的生產(chǎn)成本，中小礦井更是難以承擔(dān)，只好使用質(zhì)量較 差的設(shè)備，給安全生產(chǎn)帶來隱患。改革開放后國內(nèi)積極開展了提升機(jī)的研制工作， 取得了長足進(jìn)步，但是與國外同類產(chǎn)品比較，還是存在著巨大差距。以交流電控 系統(tǒng)主要以TKD交流拖動為代表，主令操作及故障監(jiān)控仍采用傳統(tǒng)的繼電器控制線路，每臺提升機(jī)需要數(shù)百個(gè)甚至上千個(gè)觸點(diǎn)的繼電器，系統(tǒng)可靠性差，故障率高，且不易維修，數(shù)目眾多的控制線要和各種動力電纜通過狹小的井筒空間并行下井，安全性差，電磁干擾大。 隨著技術(shù)進(jìn)步，當(dāng)代的礦井提升機(jī)控制走向自動化，小型化，節(jié)能化。以PLC為代表的控制理論技術(shù)是礦井提升機(jī)控制未來的發(fā)展方向。 1.3課題主要研究內(nèi)容 本文闡述部分闡述現(xiàn)代主流礦井提升機(jī)的主要機(jī)型，運(yùn)行、保護(hù)方式，控制系統(tǒng)主要性能指標(biāo)。設(shè)計(jì)部分基于PLC設(shè)計(jì)出一套滿足實(shí)際生產(chǎn)的礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)。包括硬件選擇，參數(shù)推導(dǎo)，PLC外部接線示意圖，控制流程圖，主電路圖，I/O分配表，控制版面，安全保護(hù)。 2 礦井提升機(jī)概述 2.1 礦井提升機(jī)的簡介 礦井提升機(jī)又稱“提升絞車”， 是一種大型提升機(jī)械電氣設(shè)備。主要用于地下采礦作業(yè)，通過電機(jī)帶動鋼絲繩連接的容器在井筒中升降，完成輸送任務(wù)。 現(xiàn)代礦井提升機(jī)的控制由繼電器控制，分離元件控制，模擬電路控制到微電子（PC,PLC）的全自動化控制,不過，出于安全考慮，提升機(jī)的自動化控制還是相對的，需要人工監(jiān)測，設(shè)計(jì)中都會給人工控制留出較高的控制等級。目前使用較廣泛的型號有：JTP型、JK型、JTK型。 2.1.1 礦井提升機(jī)的分類 礦井提升機(jī)以電機(jī)驅(qū)動方式分類有交流式與直流式。交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，組合緊湊，質(zhì)量堅(jiān)固，價(jià)格便宜，容量大，維護(hù)簡單，可直接三相電源使用，使用場合廣，長時(shí)間應(yīng)用于井下采礦作業(yè)等復(fù)雜環(huán)境場合；但是，交流電機(jī)調(diào)速性能差，在礦井內(nèi)調(diào)速停車一般是機(jī)械硬停，對機(jī)械零部件照成沖擊，降低了其使用壽命，且沖擊過程容易出現(xiàn)火花，增加了安全隱患。 20世紀(jì)70年代，得益于大功率可控硅與電子控制技術(shù)發(fā)展，直流電機(jī)憑借其良好的調(diào)速性能，優(yōu)良的啟動停車，大范圍的平滑調(diào)速能力，主導(dǎo)了一段時(shí)間大中型礦的提升機(jī)種類。 隨著電力電子器件，交流控制理論，PC、PLC控制技術(shù)的發(fā)展，對于交流電機(jī)獲得了同直流電機(jī)一樣的調(diào)速性能，尤其是大功率的電機(jī)，交流電機(jī)有明顯優(yōu)勢。當(dāng)前國內(nèi)井下采礦系統(tǒng)中，提升機(jī)大多采用交流繞線式異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻的調(diào)速方案。 礦井提升機(jī)按鋼纜繞行分為兩類：纏繞式與摩擦式。兩種方式均可用于主副井，提拉阡石、設(shè)備、礦料、人員等，布線簡單，操作效果好，機(jī)械沖擊小，最大的節(jié)省材料。下井方式可垂直也可斜入,均能有效利用地形，較好的滿足采礦作業(yè)需求，國內(nèi)年產(chǎn)120萬噸以下，井深小于400米的礦井大多用纏繞式。摩擦式提升機(jī)分作單繩摩擦式和多繩摩擦式，后者摩擦輪和鋼絲都較小，故機(jī)組尺寸小，制造簡單，速度高。多用于年產(chǎn)120萬噸以上，井深2100米以下的豎井。 經(jīng)過多年的實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)積累，目前國際上的大中型礦井都使用這兩中提升模式，還有其它特殊環(huán)境的提升方式，本文就不多做介紹。 單繩摩擦塔式 摩擦式 多繩摩擦落地式 礦井提升機(jī) 可分離式單卷筒 單繩纏繞式 纏繞式單卷筒 多繩纏繞式(布雷爾/Blair式) 1 4 3 2 5 圖2.1.1 單繩纏繞式提升機(jī)原理示意圖 1、 卷筒；2；鋼絲繩；3、天輪；4、容器；5、平衡輪 單繩纏繞式提升機(jī)布線簡單，所用鋼繩少，大量減輕其質(zhì)量與體積，節(jié)約鋼材，由于質(zhì)量小，工作過程中對電機(jī)的額外負(fù)載較少，反應(yīng)迅速，不易出現(xiàn)卷筒打滑現(xiàn)象。不過同樣的，由于鋼繩少，在電機(jī)急停過程中，鋼繩出現(xiàn)斷裂可能性增大?，F(xiàn)代材料幾歲的發(fā)展有效的解決了這個(gè)問題，應(yīng)用新的復(fù)合材料，鋼繩的 強(qiáng)度得到極大的提升。 4 3 2 1 5 1 3 4 5 2 圖2.1.2 多繩摩擦式提升機(jī)機(jī)原理示意 1、卷筒；2；鋼絲繩；3、天輪；4、容器；5、平衡繩 2.1.2 礦井提升機(jī)的主要組成部分及工作 礦井提升機(jī)主要由六部分組成，分別為工作機(jī)構(gòu)：包括主軸裝置和離合器；制動系統(tǒng)：包括制動閘和傳動裝置；機(jī)械傳動系統(tǒng)：包括減速器和連軸器；潤滑系統(tǒng)：包括油泵和油管；觀測和操作系統(tǒng)：包括操作臺、深度指示器與測速裝置；拖動、控制和安全保護(hù)系統(tǒng)：包括主動機(jī)、拖動裝置、電氣控制系統(tǒng)和安全保護(hù)系統(tǒng)。 圖2.1.3 礦井提升機(jī)組成示意圖 2.2 礦井提升機(jī)的運(yùn)行 礦井提升機(jī)的運(yùn)行分為啟動、勻加速、勻速、勻減速、停車幾個(gè)階段，每個(gè)階段對速度要求不相同，且為提升提升機(jī)的工作效率，加速度要盡可能大，為減小機(jī)械沖擊，增加提升機(jī)使用壽命，啟動、停車、變速過程要平順。礦井提升機(jī) 在理論速度要求與實(shí)際工作中不完全相同，理論中速度要求是到點(diǎn)變化，在實(shí)際生產(chǎn)中呈“S”曲線變化，平順的速度改變能減少機(jī)械沖擊，同時(shí)減少對回路的電變化干擾，原來使用繼電器做控制時(shí)，一般串多級電阻，以實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的平滑調(diào)速，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中對三相交流電機(jī)實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)一般是用變頻器。通過變頻器進(jìn)行平滑調(diào)速，以達(dá)到生產(chǎn)工藝的要求。 通常情況下，生產(chǎn)過程中電機(jī)輸出功率一定時(shí)，當(dāng)速度達(dá)到最大值，運(yùn)轉(zhuǎn)速度一定，扭力最小。利用電機(jī)的這個(gè)功能，有時(shí)可以不用特意調(diào)節(jié)速度，讓其直接運(yùn)行即可。 2.1 提升機(jī)運(yùn)行情況示意圖 圖2.2.2 五階段速度示意圖 根據(jù)國內(nèi)眾多礦井實(shí)地生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，得到礦井提升機(jī)在一個(gè)提升循環(huán)里的運(yùn)動規(guī)律： 1）加速階段容器離開井底后經(jīng)過t1時(shí)間段，以加速度a1運(yùn)行至最大速度。對于提升機(jī)，加速度一般不大于。 2）勻速階段容器以最大速度運(yùn)行t2完時(shí)間段，直至接近井口。 3）減速階段容器接近井口后以加速度a3運(yùn)行完t3時(shí)間段，實(shí)現(xiàn)減速至爬行速度，對于提升機(jī)加速度a3一般不大于。 4) 爬行階段容器以爬行速度勻速行駛完t4時(shí)間段，以便準(zhǔn)確停車。 5）預(yù)備停車階段容器在t5時(shí)間段內(nèi)速度由至0，施閘停車。 2.3 提升機(jī)故障及保護(hù) 礦井提升機(jī)工作環(huán)境復(fù)雜，高溫、潮濕、重粉塵等多重因素影響著提升機(jī)的 正常運(yùn)行提升機(jī)工作過程中不可避免各種故障，大致分為三類。 第一類是造成礦井提升機(jī)緊急停車的故障，此事故是最嚴(yán)重的故障，故障原因有主回路過壓；主回路過流；卷筒兩端過卷；提升機(jī)錯(cuò)向運(yùn)行；主電動機(jī)失去 勵(lì)磁；終端超速運(yùn)行；制動系統(tǒng)液壓站電動機(jī)故障；運(yùn)行過程中各水平穩(wěn)定器動作等。 第二類是造成提升機(jī)事故停車的故障，故障原因有提升機(jī)制動輪變形；尾繩故障；緊急停車后未調(diào)零；操作限位開關(guān)失靈；開車時(shí)安全門打開；提升機(jī)調(diào)零電機(jī)故障；終端之間超速等。 第三類是造成提升機(jī)信號預(yù)報(bào)的故障，故障原因有直流操作電流接地；主電機(jī)軸承過熱；制動閘瓦磨損；潤滑油壓異常；提升機(jī)通風(fēng)故障等。 為保障礦井從業(yè)人員的生命安全，保護(hù)整個(gè)礦井系統(tǒng)的設(shè)備使用，保證完成安全生產(chǎn)的要求，礦井提升機(jī)的故障提示，系統(tǒng)保護(hù)設(shè)計(jì)必不可少。開機(jī)后，系統(tǒng)預(yù)先進(jìn)行自檢后運(yùn)行，當(dāng)?shù)V井提升機(jī)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)能夠迅速識別故障類型，做出反應(yīng)，反饋故障部位，以便及時(shí)維修。同時(shí)應(yīng)該加載外部保護(hù)電路。 3 礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 3.1 礦井提升機(jī)控制要求 礦井提升機(jī)是礦井生產(chǎn)設(shè)備的核心，關(guān)乎人員安全和高效生產(chǎn)。礦井內(nèi)部情況復(fù)雜，礦井提升機(jī)在工作時(shí)要克服礦井內(nèi)部高溫、潮濕、高粉塵等復(fù)雜的外界環(huán)境，還需要處理高低壓、電流過載、電熱效應(yīng)、閘瓦磨損、液壓不足等自身設(shè)備問題。所以，礦井提升機(jī)的控制要求極高，其控制需要有極高的可靠性，礦井 提升機(jī)的監(jiān)測要有及時(shí)準(zhǔn)確，故障處理要迅速精確。 用PLC設(shè)計(jì)礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)，需要處理眾多的模擬信號，傳感器選擇很重要，所以需要質(zhì)量好的傳感器。同時(shí)，礦井是非常特殊的生產(chǎn)場合，除了系統(tǒng)設(shè)計(jì)上通過計(jì)算設(shè)定參數(shù)值意外，還需要通過安裝的電氣設(shè)備來監(jiān)測礦井提升機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行情況。當(dāng)兩者完全都失靈時(shí)，還需要有應(yīng)急保護(hù)措施，以保護(hù)整個(gè)礦井的人員財(cái)產(chǎn)安全。當(dāng)發(fā)生不可控的災(zāi)害，如地震、塌方、戰(zhàn)爭等破壞時(shí)，整個(gè)礦井系統(tǒng)要完全關(guān)斷電源，避免礦井提升機(jī)系統(tǒng)對人員進(jìn)行二次傷害。 通過對礦井提升機(jī)盡可能完善的設(shè)計(jì)，保護(hù)整個(gè)礦區(qū)生產(chǎn)的安全，同時(shí)帶來良好的社會效應(yīng)，減少采礦人員的恐慌心理，避免因恐慌而造成的人為操作失誤，降低采礦生產(chǎn)行業(yè)的事故發(fā)生率。 圖3.1 控制系統(tǒng)示意圖 控制過程如下： 1） 開機(jī)啟動，系統(tǒng)自檢，自檢無故障選擇是否開車，開車后進(jìn)行自動控制， PLC控制變頻器調(diào)節(jié)電動機(jī)速度，通過其帶動滾筒按照五階段速度示意圖旋轉(zhuǎn)，完成循環(huán)。 2）開車后自動控制過程中，實(shí)時(shí)顯示運(yùn)行參數(shù)，監(jiān)測是否出現(xiàn)故障，出現(xiàn)故障迅速判斷故障等級，做出緊急停車或者聲音燈光警報(bào)，顯示故障區(qū)域。 3）出現(xiàn)緊急停車故障后，系統(tǒng)自動跳轉(zhuǎn)到手動操作，進(jìn)行點(diǎn)動控制。 4）運(yùn)行過程中，出現(xiàn)超速、過卷、松繩等輕故障，系統(tǒng)進(jìn)行安全回路動作，自動調(diào)整運(yùn)行狀態(tài)。 5）井口下行與井底上行前檢測是否過載，若過載預(yù)先進(jìn)行警報(bào)。 3.2 硬件的選擇及其電氣連接 PLC控制是當(dāng)代主流的工業(yè)控制技術(shù)，邏輯控制、順序控制、計(jì)數(shù)、定時(shí)、數(shù) 據(jù)運(yùn)算、多點(diǎn)通信功能強(qiáng)，能自診斷、中斷控制、加載模塊，適合復(fù)雜的控制設(shè)計(jì)，模塊結(jié)構(gòu)簡化了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，方便維護(hù)，可靠性高。 本次設(shè)計(jì)使用Siemens（西門子）公司PLC的S7-200-CPU226，其共有24點(diǎn)輸入，16點(diǎn)輸出，內(nèi)置時(shí)鐘，有7個(gè)擴(kuò)展模塊，高速計(jì)數(shù)器功能強(qiáng)大，工作環(huán)境要求較低，系統(tǒng)配置方便，內(nèi)置存儲器，體積小，價(jià)格低廉，適用于眾多特殊工作場合，能滿足本次設(shè)計(jì)的要求。 下面是S7-200的內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)。 圖3.2.1 S7-200基本結(jié)構(gòu)圖 三相異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速相對于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速低，轉(zhuǎn)子繞組與磁場間存在著相對運(yùn)動，從而產(chǎn)生感生電動勢和電流，并與磁場相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩， 通過電磁感應(yīng)現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)能量變換。與單相異步電動機(jī)相比，三相異步電動機(jī)運(yùn)行 性能好，并可節(jié)省各種材料。按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同，三相異步電動機(jī)可分為籠式和繞線式兩種。現(xiàn)代以變頻技術(shù)為主的新技術(shù)的發(fā)展使交流電機(jī)擁有了良好的調(diào)速性能，克服了傳統(tǒng)三相交流啟動轉(zhuǎn)矩不大，啟動電流大，能量轉(zhuǎn)換率低等問題，為得到良好的調(diào)速性能和控制效果，本次設(shè)計(jì)電機(jī)采用三相異步電機(jī)。使用YR-800-12/1230繞線型異步電機(jī)。 傳感器使用溫度、壓力、電壓和電流傳感器。為了有效的監(jiān)控提升容器的位置，二次監(jiān)測采用磁接近開關(guān)，形成對提升容器的雙效監(jiān)控。 為能完成控制要求，發(fā)揮外接電氣設(shè)備的最大功能，需要充分考慮PLC的輸入輸出點(diǎn)分配，外接模塊信號的處理，充分發(fā)掘PLC的運(yùn)算能力。根據(jù)S7-200的輸入輸出點(diǎn)分配位置，得到其的I/O分配表。并由此的到PLC電氣連接示意圖。 表一 控制系統(tǒng)I/O分配表 S7-200PLC I/O分配表 輸入 輸出 I0.0 啟動 Q0.0 變頻器通電 I0.1 停止 Q0.1 變頻上升 I0.2 變頻 Q0.2 變頻下降 I0.3 工頻 Q0.3 工頻上升 I0.4 上升 Q0.4 工頻下降 I0.5 下降 Q0.5 系統(tǒng)復(fù)位 IO.6 緊急停車 Q0.6 變頻器故障報(bào)警 I0.7 系統(tǒng)復(fù)位 Q0.7 變頻器停止 I1.0 自動 Q1.0 緊急停車 I1.1 點(diǎn)動 Q1.1 速度1 I1.2 旋轉(zhuǎn)編碼器 Q1.2 速度2 I1.3 過載 Q1.3 速度3 I1.4 松繩 Q1.4 輕事故 I1.5 過卷 Q1.5 重事故 I1.6 過流 Q1.6 降溫設(shè)備 I1.7 過壓 Q1.7 液壓泵 I2.0 超速 I2.1 液溫過高 I2.2 電機(jī)溫度過高 I2.3 液壓過低 I2.4 液壓過高 I2.5 閘瓦過熱 I2.6 運(yùn)行方向錯(cuò)誤 I2.7 液壓泵故障 圖3.2.2 PLC外部連接示意圖 PLC的電氣連接應(yīng)能完成指定任務(wù)，同時(shí)要節(jié)約電氣設(shè)備，即自動化程度要 高，節(jié)約輸入觸點(diǎn)與輸出觸點(diǎn)。在設(shè)計(jì)途中，考慮觸點(diǎn)的使用頻率，盡量提高其使用壽命，通常是能自動控制最好自動控制，將控制過程交由內(nèi)部處理。通過內(nèi)部處理，充分發(fā)揮PLC的快速運(yùn)算的功能，同時(shí)考慮長時(shí)間運(yùn)行產(chǎn)生的高溫對CPU性能影響，需要有降溫措施。PLC外部接線圖如。 旋轉(zhuǎn)編碼器采用Omron(歐姆龍)公司生產(chǎn)的E6C2-CWZ6CZ，將其置于滾筒主軸 上，信號進(jìn)入PLC對比計(jì)算后得到相應(yīng)控制。計(jì)數(shù)器通過累計(jì)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的脈沖個(gè)數(shù)，通過計(jì)算可得到提升容器的確切位置。 圖3.2.3 旋轉(zhuǎn)編碼器與PLC連接圖 變頻器采用西門子公司生產(chǎn)的MM440，其能將輸入工頻電能轉(zhuǎn)換成變頻可控電能，以實(shí)現(xiàn)對交流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。變頻器容量一般取電動機(jī)容量的1.4倍。其外部加設(shè)聲光報(bào)警回路和制動回路，以保護(hù)變頻器和維護(hù)生產(chǎn)安全。接線圖如下。 圖3.2.4 變頻器接線示意圖 電氣接線應(yīng)在達(dá)到控制要求前提下，盡量減少繼電器數(shù)量，避免過多繼電器工作而產(chǎn)生大量的熱量影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，同時(shí)節(jié)約能源，節(jié)省材料，減小系統(tǒng)體積，方便系統(tǒng)設(shè)備的維護(hù)。主電路圖如下。 圖3.2.5 主電路示意圖 3.3 控制系統(tǒng)的參數(shù)推導(dǎo)及設(shè)置 為符合實(shí)際的生產(chǎn)要求，此次設(shè)計(jì)參數(shù)以《煤礦安全規(guī)程》垂直井標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)。則升降人員主加減加速度不得超過，最大速度低于，升降物料時(shí)，主加減加速度不得超過。最大速度不得超過，則過卷行程不得大于。且根據(jù)國內(nèi)一般常設(shè)速度，檢修運(yùn)行速度，應(yīng)急運(yùn)行速度。 3.3.1提升過程參數(shù)推導(dǎo) 本次設(shè)計(jì)行程給定時(shí)間和速度。設(shè)定礦井提升機(jī)的有效行程為，主加速度a1=a3=，最大速度，爬升速度，井口加速度。 則根據(jù)運(yùn)動學(xué)公式 （公式3-1） （公式3-2） 可得主加速時(shí)間t1= t1通過距離s1= 第一次減速時(shí)間t3= t3通過距離s3= 爬升結(jié)束至停止時(shí)間t5= 同理，t5通過距離s5= 擇根據(jù)通過以上計(jì)上計(jì)算數(shù)據(jù)，經(jīng)理論推出礦井提升機(jī)在井下勻速通過的距離為s2+S4= 為了提高工作效率，兼顧生產(chǎn)安全，以運(yùn)行s2=，以運(yùn)行s4= 則可得 t2=,t4=。 一個(gè)提升周期時(shí)間t= 圖3.3.1 行程參數(shù)示意圖 取卷筒直徑為，卷筒由周長公式 （公式3-3） 得L= 則一個(gè)提升周期卷筒旋轉(zhuǎn)次數(shù)N= 我們通過卷筒轉(zhuǎn)一周旋轉(zhuǎn)編碼器發(fā)出脈沖2000個(gè)，則可以算出一個(gè)提升周期脈為個(gè)，該系統(tǒng)平均每米脈沖。 YR-800-6/1230繞線型異步電機(jī)參數(shù)如下： 額定功率 額定電壓 額定轉(zhuǎn)速 機(jī)械效率 過載系數(shù) 由三相異步電機(jī)轉(zhuǎn)速公式 （公式3-3）推出頻率公式 （公式3-4）n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，單位 f為電機(jī)頻率，單位 p為電機(jī)磁極對數(shù)，以上述電機(jī)為參考， s為電機(jī)轉(zhuǎn)差率，以上述電機(jī)為參考， 由頻率公式（3-4）推得 由線速度與轉(zhuǎn)速換算公式 （公式3-5） 得卷筒以速度運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速 卷筒以速度運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速 設(shè)電機(jī)與卷筒的減速比為16：1。則電機(jī)相對應(yīng)轉(zhuǎn)速 由公式（3-4）得 最高運(yùn)行速度電機(jī)頻率 爬升運(yùn)行速度電機(jī)頻率 3.3.2變頻器參數(shù)設(shè)置 根據(jù)MM440說明書（詳見附錄）與上述參數(shù)可得變頻器參數(shù)設(shè)置表，參數(shù)設(shè)置前先復(fù)位為工廠缺省設(shè)定值；電機(jī)參數(shù)設(shè)定快速調(diào)試P0010=1，設(shè)置完成后準(zhǔn)備P0010；P0003=2允許訪問擴(kuò)展參數(shù)。 表二 變頻器參數(shù)設(shè)置 數(shù)字量輸入?yún)?shù) 功能 P0003=1 允許訪問使用最多參數(shù) P0010=1 快速調(diào)速 P0100=0 頻率缺省值50HZ P0300=1 選擇電動機(jī)為異步電機(jī) P0304=380V 電動機(jī)額定電壓 P0305=292A 電動機(jī)額定電流 P0307=22KW 電動機(jī)額定功率 P0308=0.95 電動機(jī)額定功率因數(shù) P0310=50 電動機(jī)額定頻率 P0601=1 電動機(jī)溫度傳感器 P0701=1 ON/OFF正向運(yùn)行 P0702=1 ON/OFF反向運(yùn)行 P0970=1 復(fù)位 P1002=5 速度2頻率 P1005=20 速度3頻率 P1011=50 速度1頻率 P1120=72.7 正轉(zhuǎn)時(shí)間 P1121=72.7 反轉(zhuǎn)時(shí)間 P1058=30 正向點(diǎn)動頻率 P1059=20 反向點(diǎn)動頻率 3.4 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)梯形圖詳見附錄。 4 礦井提升機(jī)的保護(hù)設(shè)計(jì) 4.1 安全報(bào)警與監(jiān)控板的設(shè)計(jì) 礦井提升機(jī)在工作過程中難免出現(xiàn)故障，安全回路一般在停車故障發(fā)生時(shí)工作，用以保護(hù)礦井提升記得安全，避免造成更大的事故。一般采用電氣設(shè)計(jì)。此時(shí)礦井提升機(jī)需要報(bào)警回路的及時(shí)響應(yīng)，使之防患于未然，并指示出故障等級與故障位置，為工作人員做決策做依據(jù)。 。 圖4.1 安全報(bào)警回路示意圖 同時(shí)，為了較準(zhǔn)確的定位容器位置，需要設(shè)計(jì)一個(gè)電氣的電路，用于監(jiān)測容器位置。使用磁性接近開關(guān)TCK-1T。在容器上安裝一個(gè)永磁體，當(dāng)其接近磁性開關(guān)時(shí)，磁性開關(guān)閉合，連接該開關(guān)的指示燈亮，兩秒后其自動復(fù)位。用這種方法輔助觀察，幫助操作員做出合理判斷，以便操作。由于礦井提升機(jī)的安全要求較高，磁接近開關(guān)在接近井口與井底的兩個(gè)開關(guān)還需要連接聲光提升。通過聲光提醒，警示提升容器旁的工作人員回避，以免發(fā)生事故。 同時(shí)，由于井下布線復(fù)雜，有時(shí)電回路產(chǎn)生強(qiáng)磁現(xiàn)象，提升容器自身磁化都會干擾磁接近接近開關(guān)的正常工作。為了避免出現(xiàn)這種狀況。對磁接近開關(guān)的的抗干擾保護(hù)要做好，避免發(fā)生磁擾動等電磁干擾現(xiàn)象。 圖4.2 磁性接近開關(guān)示意圖 為方便監(jiān)控提升機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，需要一個(gè)便于操控的面板。監(jiān)控面板示意圖如下。 圖4.3 控制面板示意圖 4.2 抗干擾措施 礦井生產(chǎn)場合干擾量大，對系統(tǒng)正常運(yùn)行影響極大，所以抗干擾措施是必不可少的。一般抗干擾的主要措施有： 1）保持良好的通風(fēng)環(huán)境，盡量不要將PLC柜安裝在潮濕、多塵、有腐蝕性氣體、熱源、油煙重或強(qiáng)電磁的環(huán)境中。 2）對數(shù)字與模擬信號，必須分開電纜傳輸。模擬量信號采用雙芯屏蔽線作為信號線，并盡量縮短其長度。 3）合理布線。電力電纜、輸入輸出電纜、信號回路匯接線均要分開鋪設(shè)，不能合成一捆包扎，且信號電纜線接線端子都需要安裝在柜體下側(cè)。 4）采集數(shù)據(jù)最好用屏蔽電纜，為擴(kuò)大屏蔽作用且抑制芯線間干擾，所有屏蔽電纜層匯線接地，多芯電纜中的備用芯線也需一端接地。 5總結(jié) 本次基于PLC對礦井提升機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，我通過指導(dǎo)老師的細(xì)心指導(dǎo)，自己學(xué)習(xí)PLC的硬件工作原理與語言編程教程，上網(wǎng)查閱資料，加上同學(xué)之間的探討，基本完成了此次設(shè)計(jì)任務(wù)的要求。了解了礦井提升機(jī)在礦井生產(chǎn)中的重要作用，深刻感受到未來PLC在自動化領(lǐng)域中的重要作用。此次設(shè)計(jì)我獨(dú)立完成了控制流程，PLC輸入輸出點(diǎn)的分配，PLC外部電器接線，PLC控制程序的編程，操作界面的設(shè)計(jì)，保護(hù)電路設(shè)計(jì)，變頻器理論調(diào)試。不過由于自己的知識儲備不夠充分，設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)過少，動手能力差，該次設(shè)計(jì)在實(shí)際生產(chǎn)還有一些欠缺。但基本功能夠完成基本的生產(chǎn)任務(wù)的要求。 此次設(shè)計(jì)作為我大學(xué)最重要的一次設(shè)計(jì)，即興奮，有傷感。興奮的是大學(xué)四年所學(xué)的專業(yè)知識第一次能用在重要的場合；傷感的是之前浪費(fèi)了許多時(shí)間，沒有好好鉆研PLC知識，以至于很多要點(diǎn)不能好好把握。通過這次設(shè)計(jì)，我感觸良多，重壓之下犯了許多低等錯(cuò)誤，本來以為自己承壓能力很強(qiáng)，看來還很欠佳，今后要更加努力，完善自己的性格，增強(qiáng)自己的能力，才能回饋社會，做一個(gè)有用新時(shí)代的大學(xué)畢業(yè)生。 本次設(shè)計(jì)經(jīng)歷了很多困難，難點(diǎn)在于提升機(jī)速度的控制與故障保護(hù)的及時(shí)處理。通過與傳統(tǒng)繼電器控制比較，在理解PLC的編程語言與模塊功能后，采用變頻器與外接模塊，比較理想的解決了這一問題。同時(shí)，切身感受PLC在自動控制領(lǐng)域中的廣闊未來，其智能化，自動化水平相對于傳統(tǒng)繼電器控制，高了好多個(gè)層級，給予我在科技快速反展的今天，不與時(shí)俱進(jìn)就要被社會所淘汰的警示。 畢業(yè)設(shè)計(jì)讓我檢驗(yàn)自己是否有所進(jìn)步，審視自己還有那些不足，給我未來的方向有所指引。設(shè)計(jì)中解決問題的過程中讓我受益良多，硬件的搭載讓我復(fù)習(xí)了 一遍控制理論與繼電保護(hù)知識，軟件的設(shè)計(jì)要求我靜下心來，不可浮躁。這為畢業(yè)后到工作崗位創(chuàng)造價(jià)值，為脫離了學(xué)校生活后融入社會，為完成社會與自我的價(jià)值積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。 感謝母校的細(xì)心栽培，指導(dǎo)老師的關(guān)心指導(dǎo)，同學(xué)的熱心幫助，今后的時(shí)間 我會到以后的時(shí)間里加倍努力做有意義的事，做有意義的人。 6 參考文獻(xiàn) [1]程麗，郭健.PLC控制系統(tǒng)編程與實(shí)現(xiàn)（第三版）[M].北京：中國鐵道出版社，2010 [2]廖常初.可編程序控制器應(yīng)用技術(shù)（第四版）[M].重慶: 重慶大學(xué)出版社,2002 [3]俞國亮.PLC原理及應(yīng)用 [M].北京：清華大學(xué)出版社，2005 [4]閆綱.可編程控制器原理及應(yīng)用[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2012 [5]張運(yùn)剛，宋小春，郭武強(qiáng).從入門到精通—西門子S7300/400PLC技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2007. 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