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德国AEO公司的Logidynt（32位机）、西门子公司的SIEM“ynd”（16位机）系统都已应用于提升机上。

此外，在国外，AEG公司生产的内装式提升机以结构简单、占地少、成本低等优势也逐步面向市场。

1.2我国矿井提升机电气控制系统的现状

历经几十年发展，我国的矿井提升机电控技术取得了不少的进步，但与美国、德国等世界发达国家相比，依然存在着很大的差距。

目前，发达国家的矿井提升机电控技术已全面实现了全数字控制，而国内绝大多矿井提升机电控系统还是交流串阻调速继电器—接触器控制，效率低下，安全隐患多，严重制约着我国矿山产业的健康发展，急需大规模的技术改造和更新。

目前，我国矿井提升机90％以上是采用单机容量在1000Kw以下传统的交流异步电机拖动，采用转子串、切电阻调速，由继电器-接触器构成逻辑控制装置。

其中，约70%采用串电阻调速的交流拖动方式。

采用改变转差率S的调速方法，在调速中产生大量的转差功率，使大量电能消耗在转子附加电阻上，导致调速的经济性变差。

极少数提升机采用串级调速方法，其调速范围窄，且投资大。

直流电动机拖动的提升机不足10%，其中多一半为电动机-发电机组供电，采用晶闸管整流传动的只占一少部分。

近年来，仅引进了几台交一交变频同步电机拖动系统。

计算机技术已在提升机电控系统中得到普遍应用。

这种由可编程序的控制、调节装置构成的提升机电控系统的主要特点是：

可完成提升行程的测量和设定；

实现了对提升过程的程序控制，精度高，对提升机进行闭环调节，具有良好的控制监视系统，实现了显示、记录等有关数据的全部自动化。

第2章提升机机械结构及工作原理

2.1机械结构

矿井提升机是采矿工业中联系井下与地面的主要运输工具。

由主轴、卷筒、制动器、减速器、牌坊式深度指示器，电控柜、操作台、液压站等部分组成。

一、主轴装置：

主轴装置由两个卷筒、主轴、四个轮毂、调绳装置等成。

右边卷筒叫固定卷筒，左边卷筒叫做游动卷筒，在调绳时可与主轴作相对滑动，主轴装置一般采用剖分式或整体焊接式，弹性结构卷筒。

卷筒受力均匀，强度大。

主轴与轮毂通常采用无键连接，提高了主轴强度。

二、减速器：

本提升机采用双级圆弧齿轮减速器，其结构有两级人字齿轮对和机体、机盖等组成。

润滑油是从单独的润滑油站进行稀油强制润滑，各轴承均采用滚动轴承。

三、盘形制动器：

盘形制动器是矿井提升机制动系统的重要部件，作为工作制动和安全制动时用。

因此该部件不仅要求结构紧凑，重量轻，而且要求安全可靠，动作灵敏[1]。

四、液压站：

液压站主要用于控制制动器，主要有以下特点：

产生压力可以调节的制动油从而控制制动器以获得不同的制动力矩；

能使制动器迅速回油，并可产生二级安全制动及一级安全制动；

产生压力油，控制双筒提升机调绳装置（即离合器的开合）。

五、润滑系统：

减速器轴承、齿轮及主轴承的润滑油均由润滑油站集中供给，其结构主要由齿轮油泵、薄片过滤器，旋塞、电接点压力表、供油指示器、管路等组成。

润滑油站的齿轮泵装置有两套，其中一套为备用。

过滤器应定期清洗。

六、深度指示器：

深度指示器是矿井提升机的一个重要部件，其用途有如下几点：

指示提升容器在井筒中实际位置；

发送减速和过卷讯号；

进行限速保护。

本例提升机所配为牌坊式深度指示器：

主要由深度指示器和传动装置组成。

七、测速发电机：

测速发电机装置，主要由直流电机、三角皮带轮、三角皮带、护罩等组成。

其主要作用如下：

随提升机减速轴的实际转数发出相应的直流电压给斜面操纵台上的直流电压表，反映容器的实际速度；

为限速保护和起速保护继电器等提供直流电源。

八、联轴器：

本例提升机采用两种联轴器，主电机与减速器高速轴采用蛇形弹簧联轴器，此种联轴器能减少机器运转时冲击，卷筒主轴与减速器低速轴之间采用齿轮联轴器，此种联轴器传递扭矩大，并能补偿两轴安装时的微量偏斜和不同心，上述两种联轴器内必须加润滑脂以减少磨损。

九、调绳联锁装置：

该装置用于调绳时发出信号，告诉司机离合器“合上”或“离开”位置，以及和液压站安全阀联锁。

2.2工作原理

如图所示，在主机也就是井筒的两端，一端是电机，一端是机械深度指示器，本设计采用牌坊式深度指示器。

牌坊式深度指示器的结构：

由四条支柱、两条丝杠、两个圆盘及数对齿轮、蜗轮、蜗杆等组成。

其中电机为主轴提供动力，矿井提升机主轴的旋转运动，由牌坊式深度指示器传动装置经过齿轮对传给丝杠，使两根直丝杠相反方向旋转，带动两左旋转梯形螺母一上一下作相反的直线运动，分别代表主井和副井的位置，运行同时可发送位置信号.

`

提升机机械原理示意

与电机相连的有转子控制柜和高压换向柜，它们分别接收来自主令控制柜和制动电源柜的控制信号。

转子控制柜通过串-切电阻来实现调速，高压换向柜实现对电机正反转的控制。

操作台通过人为或程序控制主令柜。

在辅助控制系统中，来自主令控制柜的信号控制液压站和润滑站的工作，保证提升机有效可靠的运行。

第3章串电阻调速系统

3.1串电阻调速系统原理

对电控系统进行局部的修改、完善，根据我国国情，按照可靠性系统工程的原理，对现有的提升电控系统进行综合分析、评价，尽量采用国内外的新技术成果，形成一套较为完整的改造方案及适用的换代产品。

使提升控制系统的速度图达到如图3-1所示的理想状态。

图3-1理想速度[2]

三相异步电动机转速公式为（3-1）式：

n=60f/p（1-s）（3-1）

从上式可见，改变供电频率f、电动机的极对数p及转差率s均可达到改变转速的目的。

从调速的本质来看，不同的调速方式无非是改变交流电动机的同步转速或不改变同步转两种。

矿井提升机是转子串电阻调速。

为确保有足够的拉力，串电阻调速属于恒转矩调速。

恒转矩调速是指电机高速、低速时输出转矩一样大，即高速时输出功率大，低速时输出功率小。

恒转矩的特点是，不管电机的转速快还是慢，其转矩不变。

从调速时的能耗观点来看，有高效调速方法与低效调速方法两种：

高效调速时转差率不变，因此无转差损耗，如多速电动机、变频调速以及能将转差损耗回收的调速方法（如串级调速等）。

有转差损耗的调速方法属低效调速，如转子串电阻调速方法，能量就损耗在转子回路中；

一般来说转差损耗随调速范围扩大而增加，如果调速范围不大，能量损耗是很小的。

绕线式异步电动机转子串入附加电阻，使电动机的转差率加大，电动机在较低的转速下运行。

串入的电阻越大，电动机的转速越低。

此方法设备简单，控制方便，但转差功率以发热的形式消耗在电阻上。

属有级调速，机械特性较软。

3.2串电阻调速程序

因为继电器工作于高压状态，触点闭合时会有高压电弧产生，因此需要做消弧处理，串电阻调速消弧处理程序如图3-2所示：

图3-2串电阻调速消弧程序

图3-3为串电阻调速程序：

图3-3串电阻调速程序

第4章提升机电控系统构成

4.1引言

提升机电控系统可简单地划分为：

控制系统（主控系统、辅控系统）、调速控制系统（调速系统、供电系统）、监控系统（上位机、操作台），提升机电控系统构成如图4-1所示。

图4-1提升机电控系统构成

主控系统主要是指完成提升机从加速、等速、减速、爬行到停车整个运行过程的开关逻辑控制及其必要的保护并与其他子系统交换信号共同完成对提升机整机有效控制的系统。

辅控系统是指各路供电电源、控制回路的接口以及辅机系统的控制部分。

对传统的继电器-接触器控制系统而言，还包括可调闸速度闭环环节、动力（低频）制动速度闭环环节（对交流提升机电控而言）、包络线速度保护环节和测速环节等。

调速系统是指根据控制系统的指令，作为执行机构最终对提升机的主拖动电机进行起停、加速、减速、稳速运行控制的系统。

监控系统是指对电控系统关键部件，包括提升机信号系统工作情况、提升机运行过程中关键参数、参量的曲线、以及司机操作的正确性进行监控和显示，并进行必要的记录以备需要查阅之需的系统。

操作台是电控系统的人机界面，担负着对提升机进行集中控制、监视、参量信号显示的重任。

因该控制线路大体可分为主回路、测速回路、安全回路、调绳闭锁回路、控制回路、可调闸控制回路、减速阶段过速保护控制回路、动力制动控制回路、自整角机深度指示器回路和辅助回路等10个部分，现分述主回路、测速回路、安全回路和控制回路。

4.2主回路

主回路用于供给提升电动机电源，实现失压、过流保护，控制电机的转向和调节转速。

主回路由高压开关柜、高压换向器的常开触头、动力制动接触器的常开主触头、动力制动电源装置、提升电动机、电机转子电阻、加速接触器的常开主触头和装在司机操作台上的指示电流表和电压表等组成。

地面变电所送来的二路6KV电源，一路工作，一路备用，经高压开关柜的隔离开关GLK、油开关、高压换向器线路接触器的主触头、正向（或反向）接触器后到主电机的定子。

在高压开关柜内还设有电压互感器YH，失压脱扣线圈SYQ，电流互感器LH和过流脱扣线圈GL，用于失压或过流保护。

在SYQ线圈回路中还串联接有紧急停车开关和换向器室栏栅门闭锁开关。

用以人为的产生安全制动。

当人员进入高压换向器室时栏栅门闭锁开关起安全闭锁作用。

在LH回路中串入三相电流继电器，它有三个电流线圈，用来反映启动过程中电动机定子电流的变化，与时间继电器1sJ～10sJ配合，共同调节启动过程中的速度，实现以电流为主时间为辅的自动启动过程。

高压换向器由XLC、ZC、FC等三组接触器组成，用以改变主电机的旋转方向。

正转时，XLC、ZC工作，反转时XLC、FC工作。

电动机转子回路接有外加金属电阻和加速晶闸管，用来获得电动不同的人工特性。

4.3测速回路

测速回路就是把提升机的实际速度测量出来并转化为电量，以供给速度回路和一些以速度为函数的电器控制元件。

在传统的提升机控制中，速度信号的获得都来源于测速发电机，为模拟信号量。

在PLC控制系统中为了增强系统的保护功能，我们通过计数模块计算提升机运行速度。

我们知道计数模块对位置脉冲的计数值代表了容器在井筒中的位置。

不同时刻测得的脉冲差值即为位置变量△S，而△S与时刻的变量△T之比即为速度。

基于这一原理，利用PLC具有软件可设置中断功能，通过中断程序来测速。

在测速回路中，有光电编码器，它与提升机主轴相连。

卷筒旋转一周，光电编码器也旋转一周，产生固定数量的脉冲列:

A，A-，B，B-。

其中一组A，B脉冲信号作为提升机深度控制的输入信号。

对光电编码器输出的脉冲计数可产生三个功能：

1）通过旋转脉冲的累加值可确定提升容器在井筒中的行程；

2）脉冲A，B之间相差90°

电角度，通过判断其相位差的正负，可以确定提升机滚筒的旋转方向；

3）通过测量旋转计数脉冲的频率，可确定实际提升速度[3]。

回路中还有低速继电器。

它主要用于低速爬行。

当提升机速度减小至继电器释放值时，它可以使高压换向器二次给电，提升机再次加速，当速度升高至其的吸合值时，它又使高压换向器（接触器）断电，切断电源而减速，由此实现脉动爬行。

另外，3个速度继电器，其触头分别接于加速接触器回路，以便在动力制动时按速度原则节转子电阻。

为了使提升重物时动力制动减速和下放重物时动力制动加速，切换速度均能在特性曲线的临界值附近。

4.4安全回路

安全回路用于防止和避免提升机发生意外事故。

安全回路中串有很多保护触头，当提升机工作不正常时，其中任一个触头打开，就产生安全制动。

主要包括通过软件和硬件设置的有关提升机连锁保护的各种重故障点，发生重故障时，具有对故障种类记忆功能。

排除故障后，用故障复位按钮复位，安全保护由以下几部分组成：

1）主令控制器手柄零位联锁当主令手柄处于中间零位时，零位继电器闭合允许安全回路接通。

当安全回路断电后，主令手柄必须回到零位，安全回路才允许重新接通。

2）工作闸制动手柄联锁限位开关当工作闸手柄在全抱闸位置时，其限位开关的常开触点闭合，允许安全回路接通。

3）测速断线保护当主测速机损坏或断线时，PLC判断后实现安全保护功能。

4）高压掉电保护当高压开关柜合闸时FK触点闭合。

当由于短路、过负荷、欠压、失压、司机人为紧急停车等原因而掉电时，断开安全回路。

5）制动油压高保护液压制动油压超过要求时，电接点压力表上触点闭合，相应继电器得电后断开安全回路。

6）错向保护当提升机运行方向与预选方向不同时，PLC判断后安全回路断开。

7）等速超速当提升机运行速度超过最大速度的15%时，PLC判断后断开安全回路。

8）PLC输出安全制动继电器当PLC判断系统发生重故障时（PLC内安全回路断开时），相应继电器失电，安全回路断开。

9）减速过速保护减速过程中，若提升机运行超速，安全回路断开。

10）过卷开关过卷开关分别装在深度指示器和井架上，当提升容器超出正常停车位0.5米时，相应的过卷开关动作，安全回路断开。

11）过卷复位开关当提升容器过卷后，若继续开车，应根据容器的过卷方向选择过卷复位开关的位置，安全回路方能重新接通，提升机只能向过卷的反方向开车。

待过卷故障解除后，过卷复位开关重新扳回工作位置。

另外还有断轴保护、弹簧疲劳，闸瓦磨损开关、松绳保护、制动电源保护、调绳联锁等保护。

4.5控制回路

采用单相220V交流电源，由一接触器的常开触头控制通断。

安全接触器和加速接触器的线圈都设置相交流电源靠近零线一侧，这可保证某些接点或导线绝缘损坏对地短路时，安全接触器立即断电，进行安全制动。

时间继电器均采用直流220V。

控制回路包括信号回路、电机正反转回路、动力制动接触器回路、低频制动接触器回路、转子电阻控制回路。

4.5.1信号回路

提升机的信号主要来自光电编码器、井筒磁开关、深度指示。

其中光电编码器和深度指示器分别在4.3节和2.1节介绍过，因此不再赘述。

井筒磁开关用于对位置信号进行校正。

两个提升容器上分别装上磁铁，在井筒接近减速区域的位置上装上磁开关。

当容器1和容器2向上通过各自井筒磁开关时，发出深度指示信号，对脉冲计数值各进行一次校正，即用预置数取代计数模块中原有的计数脉冲累加值，是减速阶段的计数值更加准确可靠。

通过软件编程，PLC将计数值同预置值进行比较，从而设置各种位置点，如：

减速点、二级制动解除点、精针投入点、2m/s限速点、各水平停车点等。

在提升机的运行过程中，PLC发出不同的位置信号，并根据提升工艺完成相应的操作控制。

4.5.2电机正反转回路

正反转换向回路由正反转换向接触器线圈和线路接触器线圈各保护元件的接点、方向继电器接点以及两个选择方向的主令控制器触头组成，用以安全地实现接通或断开提升主电动机的电源，并改变其旋转方向，实现自动爬行等。

电机正反转回路有自动换向回路和手动换向回路。

自动换向回路用于自动化提升。

在本控制线路中，自动换向回路不能进行自动换向和自动启动，只能自动控制正反转接触器到停车位置时切断电源，并防止司机因操作方向错误可能造成的过卷事故。

自动换向回路中，有两个方向继电器，它受装于井架上的终点开关控制。

当提升机反向运转终了时，容器碰撞，其常闭触头打开，常开触头闭合。

手动正反转回路中，常开触头闭合，提升机只能正转，同时实现闭锁。

反方向运行时，情况相同。

无论正反转时，即使司机误操作也保证不会发生事故。

4.5.3制动回路

制动回路主要包括可调闸控制以及二级制动控制。

在通常工作状态下，可调闸控制用于保证司机根据需要时调整工作制动油压以调整制动器的制动力，达到控制提升机速度的目的。

当提升容器处于减速阶段时，可调闸限速控制自动投入以保证提升机安全减速。

可调闸控制主要有两部分组成：

一是可调闸逻辑控制，确定是否敞闸；

二是可调闸油压控制，确定敞闸大小。

二级制动是指当提升机发生事故进行紧急制动时，使制动油压很快降到预先调定的某一数值，经过延时后，制动器的油压迅速回到零，使提升系统处于全制动状态，即停车状态。

当提升容器接近井口（或井底）某一位置时，若发生安全事故，提升机只能实行一级制动，使制动器的油压迅速回到零，提升系统立即处于全制动状态。

解除二级制动是根据提升容器的位置而设定的。

二级制动解除距离可通过调整井筒开关位置而定。

4.5.4转子电阻控制回路

转子控制回路由三相电流继电器，时间继电器，中间继电器，主令控制器触头等组成。

电流继电器有三个电流线圈，用来反映启动过程中定子电流的变化，它的常开接点与时间继电器配合，共同调节启动过程中的速度，用以实现以电流为主附加时间校正为原则的自动或手动控制。

在预备级电阻上，电动机定子电流很小，继电器不动作，因此，预备级电阻的切除是按时间原则切除的。

16个中间继电器，用以控制转子电阻的切除和接入。

在加速阶段它受lSJ～10SJ时间继电器的触头以及主令控制器触头的控制，可以实现以电流为主附加延时以及人工控制的加速过程。

线圈回路中还有常开触头，这些触头起闭锁作用，实现顺序切除电阻。

当电动机减速时，再将电阻依次加入到电动机转子，使电动机产生的转矩下降，得到一定的减速度。

1SJ～10SJ为时间继电器，用以控制加速接触器lZJ～10ZJ的延时，时间继电器受电流继电器常开触头控制，在启动过程中，只有当启动电流降到电流继电器整定和释放值时其触头才能打开，延时继电器才能断开，经整定时限后控制中间继电器，若启动电流没有降到规定的释放值，电流继电器触头仍然闭合，相应的加速接触器就无法切除电阻，防止了因切换电阻过早而造成启动电流过大的情况，由于延时继电器是直流继电器，故将交流电源经铁磁稳压器后再经桥式整流器整流，并经电容滤波后再接至各延时电器回路。

4.6监控系统

4.6.1上位机

1.简介

随着计算机技术发展以及PLC功能的增强和网络的发展，越来越多的需要得到提升机系统运行的具实际参数、工作状态、运行故障显示等具体、直观的表现形式，因此出现了不同种类的人机交互界面管理计算机站，集中管理系统运营数据，在工程上称为工程管理计算机站，简称为上位机监控系统。

一般地，上位机与过程控制机（一台或多台PLC）构成一个分布式计算机系统，如下图所示：

2.监控系统配置与组成

提升机上位机监控系统，选用工控机与PLC进行网络通讯：

利用自行开发设计的监控软件，实现实时多画面监控，已达到监控目的。

1）在电控系统内配置通讯单元，用通讯电缆将其连接到工控机的通讯端口上。

2）在司机操作室内配置工控机，工控机内装入监控软件。

图4-2上位机的一般构成

3.主要监控画面

监控系统形成后，可根据需要，随时切换当前工作画面。

主要监控画面有：

系统概貌，提升机实时运行状态，实时运行速度，安全回路，提升信号，液压站电磁阀工作状态等等。

4.6.2操作台

操作台上有两个手把，在司机左边的叫制动手把，在司机右边的叫操纵手把，其作用是操纵主电流启动、停止、正反向转等用。

斜面操纵台的斜面上装有两个油压表，12个讯号灯及五个电表，平面右侧装6个主令开关，在操纵台底部右侧装有一个脚踏开关，当机器在运转中发生紧急故障时，踩下此开关，切断高压电网，使主电机脱离高压电网，同时实现安全制动。

第5章PLC操作主控系统原理及应用

可编程控制器（PLC）是一种数字运算、操作的电子系统，专为工业环境下的应用设计。

它采用可编程序控制的存储器，存储并进行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算数逻辑运算等操作指令，通过数字式和模拟式的输入和输出来控制各机械和生产过程。

具有程序设计简单，通用性强，抗干扰能力强，可靠性高的技术特点。

可编程控制器PLC主要由电源、CPU、通讯单元、高速计数单元、模拟量I/O单元、数字量I/O单元等硬件组成。

下面对可编程逻辑控制器的各主要单元进行简介。

5.1PLC系统组成

主控PLC系统由电源、CPU、通讯单元、高速计数单元、模拟量I/O单元、数字量I/O单元等硬件组成。

装在主控柜内。

带有辅控PLC的电控系统，辅控PLC系统由电源、CPU、通讯单元、高速计数单元、基本I/O单元等硬件组成。

装在操作台内。

5.2各单元基本特点

1）电源单元：

电源输入电压100~240VAC.为PLC提供总线电源及基本电源。

2）CPU单元：

CPU单元为PLC的核心，包括有存储器接口，编程接口等，是程序设计的载体。

其上插入的存储器模块用锂电池保持RAM的内容：

PLC可在其上设置为程序执行“STOP”或“RUN”方式。

其中“STOP”方式：

不扫描程序，禁止输出（信号状态为“0”），可对PLC编程或修改程序。

“RUN”方式：

循环处理程序，读进输入状态，允许输出（信号状态为“1”）。

3）数字量输入单元：

由现场过程来的数字量信号用24VDC电压等级输入。

每个输入均采用光电隔离。

输入信号状态变化时，PLC上有对