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矿井提升机控制系统设计
摘要
矿井提升机是矿井运输的重要设备，是沟通矿井上下的纽带的。
矿井提升机的可靠运行直接关系到煤矿生产的安全，矿井提升机信号系统的可靠性和准确性是矿井提升和安全运输的重要保证。
本设计主要完成的矿井提升机信号系统设计和组态设计。
设计中运用PLC控制技术，PLC系统采用三菱公司的FX2N系列作为主控制器，对井口、井底、机房信号台进行信号联络。
组态设计使用WINCC完成，能够实现上位监控功能。
使用编程软件实现信号的联络。
采用PLC控制不但提高了信号传输的可靠性和准确性,而且具有极大的灵活性和扩展性。
在不改变系统硬件的前提下,仅靠改变PLC内部的程序就可满足用户要求。
有效地解决了信号系统中的远距离传输和可靠性问题。
关键词：
矿井提升机信号系统；PLC；上位监控;WINCC
Abstract
Minehoististheimportantequipmentoftransportation,it’sthelinksthatthroughoutthemine.Thereliabilityandaccuracyofsignalsystemofminehoistisanimportantguaranteefortheupgradingandsafetransport.
Thecompletionofthedesignisthesignalsystemofminehoistandconfigurationdesign.PLCcontroluseofthedesignoftechnology,PLCsystemusesMitsubishiFX2Nseriesasthemaincontroller,tocontactthewellhead,bottom,andtheengineroomsystem.WINCCcompletedconfigurationdesign,toachievethetopmonitoring.
TheuseofsoftwareprogrammingsignalcontactPLCcontrolnotonlyimprovetheuseofthesignaltransmissionreliabilityandaccuracy,butalsohasgreatflexibilityandscalability.Withoutchangingthesystem’shardware,onlychangetheprogramofPLCwillmeetuser’srequirements.Effectivesolutiontothesignalsystemoflong-distancetransmissionandreliabilityissues.
Keywords:
signalsystemofminehoist;PLC;thetopmonitoring;WINCC
.
1.2.3设计简介
第一章矿井提升机信号系统概述
1.1矿井提升机信号系统的背景
矿山多中段提升竖井，一般都是副井或混合井，其提升任务繁重,作业种类复杂，中途停靠频繁。
因此，需要一个高度安全可靠、功能完善,由可编程序控制器programmableLogicacontroller，简称PLC）为控制核心的提升信号系统。
国内多数矿山的竖井提升信号系统，一般由各种控制继电器和主令开关构成，且多为20世纪50年代的仿苏产品。
它的突出特点是用“点信号”（即电铃振响或指示灯明灭的次数）来代表各种提升信号。
例如有的公司以一长点表示要罐,一长两短表示上行，一长三短表示下行，两短表示提物，三短表示提人等等。
各提升中段发出的点信号直接传递到井口总信号房，再由井口总信号工转发到提升机房。
这种系统信号简洁,操作方便,快慢自如，多年来已沿用成习，尽管各单位点信号的组合方式有所不同，但原理是相同的。
虽然这种信号系统结构简单、操作方便,但存在如下缺点：
（1由于无法保留和复现点数,所以信号识别全凭操作者的听觉和视觉，容易造成信号的误认和误传,因信号的误认和误传而导致的提升事故屡见不鲜。
（2信号之间、信号系统与提升机电控系统之间没有联锁，井口总信号工和司机的操作不受制约，很容易因误操作而引发事故。
（3）声光信号一瞬即逝，无据可查，一旦发生事故，给事故分析带来困难,很难找出真正的事故原因，致使同类事故重复发生。
（4）由于信号稍纵即逝，操作人员的精力必须高度集中，加重了工人的负担。
近年来,研制成功的、且已为许多矿山实际应用的PLC信号系统，能够克服上述缺点。
它不但完全符合《冶金矿山安全规程》中有关提升信号的各项规定，而且保留了原信号系统的特点和操作习惯，技术改造方便，功能齐全。
新型矿井提升机信号装置的使用有效地解决了在微机系统中信号的远距离传输和可靠性问题。
1.2本次毕业设计的工艺及要求
本设计做的是矿井提升机信号系统设计，取材于某矿山提升机信号系统工程实例，设计系统包括：
车房信号台、井口信号台、井下各中段信号台三部分构成。
各部分由井口信号台PLC集中控制，实现各部分的信号联络。
1.2.1工艺及设计介绍
了解项目要求包括熟悉工艺条件及要求，了解控制要求，确定控制方案包括根据工艺条件及控制要求指标，被控对象的特点确定难点。
确定整体控制方案包括系统的设计设计依据，控制设计包括电器的选择、工艺设计、控制器设备及元器件的选择、图纸的设计，软件设计流程图结构设计，软件设计说明，具体的编程设计，修改完善，系统的安装调试及参数整定，操作说明书。
为了具体去做本次设计，我们先了解一下矿井提升机信号系统（其设备配置示意图如下页图所示）：
目前,国内多数矿山传统的竖井提升信号系统，一般由各种控制继电器和主令开关构成，它的突出特点是用“点信号”。
矿井提升机的信号系统包括声、光信号、辅助信号、电话等,信号种类一般有:
工作执行信号、提升去向信号、罐位信号、提升种类信号、检修信号、事故信号、联络信号等。
为便于操作,各个矿山企业均制定了相应的信号规定，如规定声音一长为要罐、二短为上行、三短为下行等,并辅之以电话联系。
但是，信号规定仅仅从制度上保证操作安全，实际上并不能保证生产中不发生事故。
这是因为:
（1）信号是由人来执行操作的，人所处的环境因素不同,精神状态也处于变化之中，难免发生误操作。
（2）传统的信号系统没有“记忆”功能，即无法“记忆”起井下各中段所发出的信号，当提升机司机注意力不集中或离岗后重新返回时，由于无法确认井下所发出的信号，极易误操作而引发事故。
（3）传统的继电器电控或信号系统，为有触点系统，元件易发生故障，工作可靠性差，一旦控制闭锁失灵，则事故将不可避免。
图1-1设备配置示意图（实际做时只有两个灌位）
近年来，研制成功的、且已为许多矿山实际应用的PLC信号系统，能够克服上述缺点。
它不但完全符合《冶金矿山安全规程》中有关提升信号的各项规定，而且保留了原信号系统的特点和操作习惯，技术改造方便，功能齐全。
采用PLC控制的电控系统,能按照国家安全规程的有关规定，来设计电控或信号系统的硬件和软件，并可对系统进行显示和控制,只有当提升机司机和信号人员都严格按规定程序进行操作无误,才能解除对提升机的闭锁。
一套完备的PLC系统，通常由竖井信号、工业电视监控、数字深度指示器、有关计算及程控电话交换机等部分组成。
这种系统有如下特点：
（1）提升系统增加了自动控制的功能。
例如，当井下发出紧急停车信号时，能自动使提升机停车并进行停车闭锁。
除此之外，还能实现对提升机过负荷和各种故障的检测、保护、联锁及罐笼对位等功能。
（2）显示方面具有特色。
能根据需要显示井下各个中段的情况和显示信号种类。
（3）具有“记忆”功能。
能“记忆”地面及井下各中段发出的信号，包括各种检修信号。
（4）工作可靠性高。
由于PLC为无触点系统,可靠性更高,尤其是近年来PLC方面的技术发展迅速,使由PLC组成的系统的抗干扰能力越来越强,它能在恶劣的环境中可靠地工作,较为适合矿山环境不佳的特点。
（5）控制程序可变,具有很好的柔性。
对于分期投产的矿山企业,这一点是十分重要的，因为，井下中段等工艺条件变化之后，不需改变信号系统的硬件，只需修改原有程序就可满足新的要求。
新型矿井提升机的信号系统，大体上可分为信号输入、信号输出及保护环节三大部分。
PLC信号系统是在原有信号系统的基础上，加入控制核心PLC及相应装置，将老系统的点信号送入PLC输入端，经处理输出各种指令或保护信号。
它具有以下功能：
信号显示和保留：
提升点信号的点数和提升中段名称分别用数码管显示，提升种类用汉字显示。
提升机房的信号显示器,只显示由井口总信号工转发的信号点数，井口和各中段的信号显示器，既显示由本中段自发的信号，又显示井口转发的信号。
这些显示均一直保留到相应的提升过程结束，避免了信号的误认和误传。
信号显示和保留：
提升点信号的点数和提升中段名称分别用数码管显示,提升种类用汉字显示。
提升机房的信号显示器，只显示由井口总信号工转发的信号点数，井口和各中段的信号显示器，既显示由本中段自发的信号,又显示井口转发的信号。
这些显示均一直保留到相应的提升过程结束，避免了信号的误认和误传。
信号闭锁：
当井口总信号工根据提升作业的需要,同意罐笼在某中段工作时,只有在该中段发出开车信号后,井口总信号工才能向提升机房转发出工作信号。
否则,即使中段转换开关转到去向井口的位置,井口总信号工也无法向提升机房发出开车信号,实现了罐位自锁。
同时,自发信号一经发出,系统自动闭锁,后面续发的信号无效,实现了信号自锁。
此外,系统还具备程序闭锁,上下行信号闭锁、信号系统与提升机电控系统间的闭锁等功能。
总之,PLC电控系统不仅大大增加了安全保护功能,而且安全可靠,操作方便,维修容易,值得大力推广。
1.2.2功能
本次设计的功能包括车房信号台、井口信号台、井下信号台三部分的各自功能以及它们之间的相互联络：
车房信号台功能：
井口、井下提升信号的数字显示及文字显示。
包括运人、运物、检修等工作方式的灯光显示信号，上行、下行，满上，满下，停车，急停等工作执行信号的灯光和数显信号。
存储井口信号台本次、前次的打点信号。
在极短的时间内响应井口信号台发出的指令,控制绞车的运行或停止。
完成急停信号对安全回路的闭锁、停车信号,闭锁等内容。
井口信号台功能：
完成各种提升信号的按钮检测、显示及声音提示，包括运人、运物、检修，水平联系等选择按钮；上行、下行，满上，满下，停车、急停等信号按钮，完成水平及井下各种信号的闭锁和监控。
完成向车房发送信号的功能，完成本次、前次的打点信号的存储。
语言报警功能。
井下信号台功能：
完成各种信号的按钮检测、显示及声音提示，包括工作方式信号，工作执行信号及其他信号；完成本水平各种信号的闭锁功能，完成向井口发送信号的功能。
完成对信号的存储记忆功能。
1.2.3设计简介
现实生活中的矿井有多个灌位，就像电梯的运行环境一样，各个灌位就像每个楼层，车房信号台可以显示提升机所在的具体灌位。
但在本次设计中，乔老师在给我布置设计任务时将问题简单化了，他只让我做两个灌位：
井口、井底。
而且故障报警也只规定了三个：
过电流报警，过电压报警提升机故障报警。
该信号系统的关键是信号联络，在井底信号台只能进行按钮输入操作，车房信号台只能显示输出结果，井口信号台既能输入又能进行信号转发，在各自灌位只能进行一些特定的操作，例如在井口只能进行井口发灌，要灌，下行等操作。
若操作不正常或误操作，信号将解除，不能发送出去，只能是井底、井口信号一致且无误时，才能在井口进行信号确认，而后信号转发出去。
（注：
运行时安全门打开时信号发不出去，一切信号将解除。
）
设计中我用了指示灯、响铃、蜂鸣器作为输出显示。
用不同声次的响铃分别代表上行、下行、慢上、慢下。
同时代表各自运行的指示灯亮，并且有文字显示（文字注释在指示灯的下面，灯亮时文字即显示出来）。
报警时蜂鸣器响，且代表不同故障的各自故障指示灯亮，同样有输出文字显示。
由于在设计中除了电流检测、电压检测两个模拟量输入外其余的全是数字量（开关量），因此信号采集非常简单，可直接由开关量送给PLC，电流和电压的信号由电量变送器（再加个模拟块）传送给PLC。
图1-2提升系统平台原理图
第二章控制系统方案论证与选择
2.1系统总体设计思想
2.1.1矿井提升机信号系统的控制系统
我们在对矿井提升机信号系统的控制系统进行选择之前先了解一下其组成及工作原理：
矿井提升机在矿山、建筑等行业应用非常广泛,是集机、电于一体的大型复杂系统矿井提升机是矿井生产中极其重要的环节,是矿井生产的关键的设备之一。
矿井提升机是联系矿山井上和井下的“咽喉”设备,主要用于提运煤炭和煤研石、运送物料、提升人员和设备。
提升系统的工作任务是安全、快速、可靠、高效地完成提升运输任务,而安全运行是最重要的。
矿井提升机信号系统是矿井提升机的重要组成部分，提升机的运行全靠信号系统的信号发出。
该系统工作的关键是信号如何联络。
矿井提升机的信号系统包括声、光信号。
辅助信号、电话等。
信号种类一般有：
工作执行信号提升去向信号罐位信号、提升机种类信号、检修信号、故障信号、联络信号等。
首先我们应清楚提升机给信号系统的信号以及提升机从信号系统所得到的信号,由此而进行各种操作。
图2-1控制系统内容
2.1.2系统总体设计
本设计以某矿山提升机信号系统工程实例基础。
信号系统有保护系统、信号系统、和信号输入。
信号系统有功能信号（运人、运物、运矿、检修、上行、下行），罐笼去向（井口、井底），罐位（井口、井底）。
注：
本设计罐位不包括井下各中段，只有井口、井底两罐位。
如2-1图所示。
设计内容包括三大部分：
井口信号台、井底信号台、以及车房信号台。
系统设计要求能实时反映提升机的各种状态及罐位。
且井口井底的输出一致经信号确认后，方可发送信号到车房信号台。
两罐位信号部一致或误操作，信号会解除。
不能发送。
需重新进行信号联络。
2.2控制系统方案论证与选择
根据上述工艺介绍及设计要求，要完成任务有多种选择方案，可以由各种控制继电器和主令开关构成，它的突出特点是“点信号”（电铃震响或指示灯明灭的次数）来代表各种提升信号。
各提升中段的点信号直接传送到井口总信号房，再由井口总信号工转发到提升机房。
也可以采用单片机作为主控制系统。
控制台通过单片机的串行口来实现主从式多级通讯,系统以上井口控制台作为主控制台,下井口、绞车房控制台为从控制台。
也可以采用PLC作为信号系统的控制系统，可在井口、井底、车房信号台给用一个PLC亦可以只在井口使用PLC，原理和使用继电器的一样，都通过井口信号工的信号确认以及转发，完成信号系统的功能。
2.1.1方案一
采用继电器和主令开关构成主回路。
采用点信号来代表各种提升信号。
例如以一长点表示要罐,一长两短表示上行,一长三短表示下行,两短表示提物,三短表示提人等等。
这种信号系统结构简单、操作方便,但存在如下缺点:
（1）由于无法保留和复现点数,所以信号识别全凭操作者的听觉和视觉,容易造成信号的误认和误传,因信号的误认和误传而导致的提升事故屡见不鲜。
（2）信号之间、信号系统与提升机电控系统之间没有联锁,井口总信号工和司机的操作不受制约,很容易因误操作而引发事故。
（3）声光信号一瞬即逝,无据可查,一旦发生事故,给事故分析带来困难,很难找出真正的事故原因,致使同类事故重复发生。
（4）由于信号稍纵即逝,操作人员的精力必须高度集中,加重了工人的负担。
以上缺点严重影响了提升机运行的安全，传统的继电器信号系统为有触点系统，元件易发生故障。
工作可靠性差，一旦控制或闭锁失灵，则事故将不可避免。
此信号系统正在被淘汰。
2.1.2方案二
该控制系统采用了先进的数字通信技术,该系统分上井口、下井口和绞车房三个控制台,各控制台采用MCS89C51单片机作CPU,控制台通过单片机的串行口来实现主从式多级通讯,系统以上井口控制台作为主控制台,下井口、绞车房控制台为从控制台。
下井口到上井口需两对电缆。
各控制台还配有数字、汉字提示,语音提示,这样既照顾了操作人员的习惯操作,又减轻了工作人员的负担。
同时,增加了信号的存储功能,便于以后的查证。
系统采用分时的半双工通讯电路,通过改变电平来分时完成对下井口和绞车房的通讯。
其原理框图见下图所示。
2-2系统原理框图
新型矿井提升机信号装置在系统设计中应用了先进的单片机技术、数字通信技术和汉字显示技术,具有声光兼备、汉字显示、数字存储、故障诊断、安全闭锁保护等特点。
尤其在通信方面,采用了数字通信技术,只需两对普通电缆,且信号种类和数量不受限制,提高了信号传输的可靠性和灵活性,功能灵活多样,扩展方便。
新型矿井提升机信号装置的使用有效地解决了在微机系统中信号的远距离传输和可靠性问题。
该控制系统功能齐全，下井口到上井口只需两对电缆,既方便又经济。
各控制台还配有数字、汉字提示,语音提示,这样既照顾了操作人员的习惯操作,又减轻了工作人员的负担。
同时,增加了信号的存储功能,便于以后的查证。
但煤矿工作环境恶劣,各种电机的频繁启动与运行引起的电磁干扰以及电网的不稳定,对通讯信号和通讯装置都将产生巨大的影响。
2.1.3方案三
在井口信号台使用PLC，井底只进行按钮操作，车房只能显示输出结果：
如文字显示各种工作执行信号和罐位信号，声音提示运行状态及故障。
各部分的逻辑控制中心均由日本三菱公司生产的PLC所构成。
信号有模拟信号和数字信号，大部分是开关量，可直接传送给PLC，模拟信号由电量变送器再用模拟输入模块FX2N-2AD传送给PLC。
各部分之间的信号经信号确认，直接转发到PLC。
车房信号台安装在绞车司机房内,井口、井下信号台分别安装在井口、井下的信号房内。
井口、井下罐位信号由光电开关采集。
该控制系统原理框图见下图2-3所示。
该系统的信号的发送方式：
（1）转发方式。
井下的信号必须经由井口转发,不得越过井口信号工直接向车房发送,井口信号工必须在井下信号发出后,才能发出信号。
当井口信号和井下信号一致时,该信号才能传到车房,否则无效,需井口信号工重发。
在信号发出的同时,井口、井下均有灯光显示、声音提示、数字记忆。
记忆的数字直到下一个信号发出才会消失。
（2）直发方式。
停车（急停）信号采用直接向车房发送的方式,不经上井口转发以保证快速停车。
当急停信号发出后,其他指令信号均不能发出,并能闭锁提升机安全控制回路。
当信号为慢上、慢下时能闭锁提升机的高速运转控制回路。
该控制系统对对信号系统进行检测和控制，增加并完善信号装置的功能，使提升设备的工作更加安全可靠。
方案二和三的控制系统都比较安全、可靠，且能够实现设计要求。
两者的控制系统一个为单片机，另一各为PLC。
为了进行方案确定，我们首先看一下两者的区别：
PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设
2-3PLC控制系统原理框图
图2-4PLC控制系统示意图
计。
通过以上几种方案综合考虑，但由于煤矿工作环境恶劣,各种电机的频繁启动与运行引起的电磁干扰以及电网的不稳定,对通讯信号和通讯装置都将产生巨大的影响。
它具以下特点：
（1）可靠性高，抗干扰能力强。
高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。
例如三菱公司生产的FX系列PLC平均无故障时间高达30万小时。
一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。
从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。
此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。
在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。
这样，整个系统具有极高的可靠性。
（2）配套齐全，功能完善，适用性强。
PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。
可以用于各种规模的工业控制场合。
除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。
近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。
加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
（3）易学易用，深受工程技术人员欢迎
PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。
它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。
梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。
为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
（4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。
更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。
这很适合多品种、小批量的生产场合。
（5）体积小，重量轻，能耗低
以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。
由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。
总之，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。
（1）开关量的逻辑控制
这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。
如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
（2）模拟量控制
在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。
为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。
PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。
（3）运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。
从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。
如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。
世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
（4）过程控制
过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。
作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。
PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。
大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。
PID处理一般是运行专用的PID子程序
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