煤矿井下升降机安全控制系统的设计论文.docx
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煤矿井下升降机安全控制系统的设计论文
摘要
煤矿井下升降机作为最重要的矿井运输设备，它不仅作为载体来运输煤矿，而且还肩负着运输人员的重任。
矿井升降机运行时的状况直接决定了煤矿工人的生命安全。
而我国当前的提升调速水平，大多数还停留在上世纪七十年代的继电器控制的基础上。
尽管，这些年有了不少的提高，但从根本上来说仍是由接触器—继电器等组成的控制系统，其硬件的连接繁琐，事故的发生较为频繁。
在本次课题的设计中，利用PLC来控制煤矿升降机的运行，接触器和继电器将被PLC中大量的元件所代替，从而完成了利用PLC对原有系统的改造；同时将PLC和变频器结合起来，运用到煤矿井下升降机的控制系统中，改善现有的升降系统，提高精度，使得升降机运行更加的平稳和安全。
针对升降机的主要环节设置过载、松绳、过卷等安全保护措施，使升降机的安全状况有所改善。
此外，本文还利用简化的数学模型建立了矢量控制仿真系统，对变频调速系统进行仿真，从而来验证设计的调速系统。
关键词：
矿井升降机;PLC;电控系统;仿真
Abstract
Minehoisterisoneofthemainequipmentinmine.Itconveysnotonlymineralbutalsominers.Sotheperformanceofminehoisterisconcernedwithhundredsofminers’lives.Atpresent,theminehoistingequipmentinChinaaremainlyrestontheTDKelectriccontrolwhichisusedin1960sand1970s.Althoughinterrelatedrenovationshasbeendoneinrecentyears,essentiallyitisstillthecontactcontrolsystemwhichismadeupofthecontactor-relay.Thehardwarewringsystemofthecontactcontrolsystemiscomplexandhashighhazardrate.Duringtherenovationofthisminehoistersystem,thePLCisappliedtothecontrolsystem,andplentifulsoftcomponentsofthePLCareappliedtoreplacethecontactorandPLCcontrolsystemhasimprovedoriginalelectriccontrolsystem.Atthesametime,Programmablelogiccontroller（PLC）withtheinverterappliedtotheproductionofthemineistodesigntheexistinghoistcontrolsystem.Itwillimprovetheaccuracyandensurethesmoothprogressofthemineproduction.Astothekeyelementsofthelift,itmakessensestosetspeedalarm,overloadprotection,whichistoenhancethesecuritysituation.Inaddition,itisalsousingasimplifiedmathematicalmodeltoestablishvectorcontrolsimulationsystem,whichistoverifythefeasibilityofthespeedcontrolsystem.
Keywords:
MineHoister;PLC;ElectricControlSystem;TransducerSimulation
1绪论
1.1课题研究背景、意义及内容
1.1.1研究背景
煤矿升降机是矿井重要的生产设备，是煤矿“四大运转设备”之一，其中电力传动相当复杂，电动机不停地正、反向运行，长时间的处于过负载运转，这样大大缩短了升降机的使用寿命；因此可以想象升降机的安全性、可靠性是及其关键的，其运行的安全行和可靠性直接担负着煤炭生产及操作人员的生命安危。
事故的发生肯定会对人员以及设备造成严重的影响，从而带来重大的经济损失。
因此，升降机性能的提高，自动化控制水平的提高，对于煤矿未来的发展具有重大的意义，设计出安全、可靠的升降系统一定是未来发展新势头。
随着现代科学技术的进步和人类不断地创新，现代化矿井的建设，着重加大了对作业人员生命安全的重视，对煤矿井下升降机的安全可靠性提出了更高的要求。
近年来，我国在升降机的安全方面做了很多的努力，投资了大量的人力物力，使矿井升降机设备的安全可靠性有了巨大的进步，并将“可靠性系统工程”的理念引入了煤矿井下升降机领域，与之相适应，升降机对其电控系统安全可靠性的要求也愈来愈高。
因此，在设计煤矿井下升降机，安全性以及可靠性的重要性就不言而喻了[1]。
1.1.2研究意义
企业的生产安全和经济效益与升降机能否安全、可靠、有效的运行有着密切的关系。
即使矿井升降机系统本身有一些安全保护措施，但是由于升降机惯性大大、工作流程复杂、环境恶劣、这些因素都会导致各种机械零件和电器元件的失效，再加上人为的疏忽和以及监控系统的不完善，使得理想的安全保护措施未能实现。
因此社会各界人士开始纷纷的关注升降机调速控制系统的研究。
而煤矿升降机能否平稳、安全、可靠地运行，能否延长升降的使用寿命、防止惯性冲击以及减少机械部分维修的工作量，包括作业人员在操作时的舒适度绝大数取决于取决于电器控制方式。
随着人们对煤矿升降机自动化水平以及设备提升能力要求的提高，人们开始逐步的改善电器传动方式。
目前，对煤矿升降机电气传动系统的具体要求有：
调速性能良好，调速精度高，能快速进行、反转运行，具备很快的动态响应速度，制动和定位功能准确，可靠性高等。
传统升降机电控系统存在控制方式复杂、可靠性不高、调速性能不稳定等诸多问题。
提高整个电控系统的安全性、控制精度以及调速性能已成为我国改善矿井升降机电气传动系统的当务之急。
在这种情况下利用PLC对原有电控系统进行改造，将会取得非常明显的成果，我们可以拭目以待。
1.1.3研究内容
我国对于矿井升降机控制系统的改造，虽然已取得一些成就，但从全国的角度出发，这样的成就是微不足道的，因此需要不断地创新和研究。
而本课题正是对目前我国中、小煤矿煤矿升降机的安全控制系统进行改造,本课题旨在研发一种既能可靠、灵敏、自动动作，又能适应井下恶劣环境以及人为损坏要求的自动停送电开关装置。
该装置由主机、辅助接触线组成，借助接触网馈电电源线、受控电机车接触线和受电弓构成开关控制系统。
（1）本课题将可编程控制器（PLC）控制技术应用到升降机的控制系统中，利用PLC的元件来代替传统继电器。
（2）通过PLC控制变频器，从而完成煤矿升降机的启动、加速运行、等速运行、减速、低爬和停车的控制，使得控制系统更加完善和稳定，调速精度更加精确。
同时设置了报警环节，当出现事故或危险时，报警灯闪烁，已提醒作业员来采取相应的措施，从而保证了升降机的安全运行。
（3）进一步完善升降机后备保护功能，保证升降机运行的安全可靠。
1.2国内外煤矿升降机电气控制系统的发展现状
1.2.1我国煤矿井下升降机电气控制系统的现状
在煤矿生产中，煤矿井下升降机起着至关重要的作用，是最主要的生产设备。
升降机现代化水平的高低直接影响着煤矿的生产效率以及作业人员的生命安危,更代表着我国生产力的发展水平。
目前，我国煤矿井下升降机大多数是采用传统的交流异步电机拖动，其调速方式存在着诸多的问题。
传统调速系统的缺点较为明显：
调速性能差，能耗较高，很多能量用在了电阻发热上，升降机的运行过程中不稳定，安全性差。
传统交流电控系统可靠性差，其中有以下主要几个缺点，线路较为复杂，出现故障很难进行分析，保护系统不完善，没有足够的保护措施，出现问题后不能及时进行反馈，反应呆滞。
近几年，对升降机的安全控制系统增设了过载、过卷。
瓦斯浓度报警，使升降机安全状况有所改善，大大增加了提升过程的可靠性。
在实施升降机电气控制改造技术时，一方面要跟随着国际发展的脚步，另一方面也要综合考虑到我国国情，依靠自己的力量，自主创新，加强与先进国家的合作，吸收国外较为先进的理念，采取引进、合作生产、联合改造等多种形式，实现符合中国国情的煤矿升降机电控系统现代化[2]。
1.2.2国外煤矿井下升降机电气控制系统的现状
国外从70年代开始，微机迅速的发展，使得升降机调速系统可以利用微机进行控制目前，国外的这一水平已逐渐趋向成熟。
其应用主要体现在以下几方面：
（1）提升工艺过程微机控制
在交流变频装置中，微机控制在大多数工艺中得到了体现。
由于微机功能强，使用方便，反应灵敏，监视系统完善。
（2）提升行程控制
升降机的控制本质上说是一个位置控制，要保证升降机停位的精确，采用微机控制，通过对相关信号的处理，使得升降的的调速更加平稳[1]。
（3）提升过程监视
由于近代升降机控制系统的设计特别强调安全可靠性，所以升降机安全回路是现代升降机控制的重要环节。
（4）安全回路
安全回路是指在调速系统出现问题时，能进行自我的调整，而且调整周期短，在很快的时间里能恢复到正常的能力，此环节极为重要，对于保证作业员的人身安全和矿井的正常运输有着重要的意义。
（5）全数字化系统调速控制
德国AEG公司的LogidynD系统都已应用于升降机上。
参数比较稳定、可方便地与上位机联网等优点，因此这类的系统的维护需要作业人员有更高的知识素养和技术水平。
2煤矿井下升降机控制系统的设计方案
矿井升降机肩负着井上、井下运输的重要任务，对于整个煤矿而言，升降机有着重要的地位，素有“矿山咽喉”之称。
熟悉矿井升降机的性能、结构及动作原理，合理使用设备，加强维护，对确保升降机工作效率、提高安全可靠性、防止和杜绝事故的发生具有重大意义。
2.1矿井升降机概况
2.1.1矿井提升系统概述
矿井提升设备主要有这几个部分组成：
提升容器、提升钢丝绳、升降机、天轮、及装卸载设备等。
由于井筒条件（竖井或斜井）运行时的方法和特性不同，导致他们构成的提升系统也有差异。
图2.1为斜井升降机示意图:
图2.1斜井升降机示意图
2.1.2矿井升降机主要组成部分及其工作原理
矿井升降机是一个完整的机械－电气机组，其主要由以下几部分组成。
（1）工作机构
主要是指主轴装置和主轴承等，主轴装置由主轴、卷筒、滚动轴承、支轮、制动轮等组成。
（2）制动系统
制动系统是升降机不可缺少的重要组成部分之一，也是最后一道安全保障装置，当升降机出现紧急情况时可以起动制动系统，以保证升降机的安全。
（3）机械传动系统
机械传动系统，机械传动系统包括减速器和联轴器。
减速器是用来进行减速和传递力矩的，联轴器是用来衔接传动部分的，并传递动力。
（4）润滑系统
润滑系统是在提升运行过程中，向作相对运动的零件表面输送定量的清洁润滑油，以实现液体摩擦，减小摩擦阻力，减轻机件的磨损。
并对零件表面进行清洗和冷却。
润滑系通常由润滑油道、机油滤清器和一些阀门等组成，以保证轴承和齿轮的正常工作。
（5）观测和操纵系统
观测包括斜面操纵台，通过传感器集中来的信号，对现有的运行情况作出处理，从而执行新的程序。
（6）拖动控制和自动保护系统
矿井升降机自动保护系统的作用是：
在没有作业员的情况下，发生突发事故时，升降机了能自行进行做出相应处理。
提升机工作原理：
煤矿井下采煤，采好的煤通过斜井用升降机将其运输到地面上。
在井口处有升降机，电机经过减速器后传动给卷筒，这样控制升降机的运行。
当快要到达顶端时，制动减速。
当卸完煤以后，变频器控制升降机进行反转，到煤矿深处进行运输煤，这样刚好完成一个周期，当升降机需要停车时，发出停车指令，开始抱闸停车。
2.2升降机电控系统的功能要求
随着科技的发展，对煤矿升降机的要求也逐步提高，怎样使得升降机平稳、安全、可靠地运行，那就要求尽量避免零件的磨损、减少机械部分维修的工作量、延长升降机械的使用寿命。
随着人们对煤矿升降机自动化水平、煤矿升降机设备提升能力要求的提高，对电器传动方式的改进提出了更高的挑战。
2.2.1升降机的工作过程
升降机的过程是升降机在煤矿中往返的上下运动，通常以提升机运动的速度与时间的关系来表示其运动规律，称为速度图，升降机的运动速度图，包括五个阶段，即：
加速阶段、减速阶段、爬行阶段、制动阶段、停车休止阶段。
加速阶段是指从静止状态起动加速到最高速度；等速阶段是提升机正常的运行状态，提升机以最高速度稳速运行；减速阶段是提升机从最高速度减速到爬行速度；爬行阶段是准备安全停车阶段[1]。
速度图如图2.2，加速度图如2.3。
图2.2为升降机的速度图
图2.3为升降机的加速度图
速度和加速度图显示了升降机一个周期类运行的工作过程：
（1）加速阶段t1当升降机到达底端时，以加速度a1运行，一直达到最大速度Vm。
（2）等速运行阶段t2升降机这时达到了最大提升速度Vm。
（3）减速阶段t3升降机将要接近顶端时，开始以速度a3运行，从而实现减速。
（4）爬行阶段t4升降机到达设定的位置时，此时应该应以v4爬行。
（5）停车阶段t5当升降机运行至终点时，升降机施闸停车。
升降机过程中各部分动力计算，而这些惯性力与升降机速度变化规律密切相关。
首先，我们确定矿井升降机运动合力。
假定电动机克服所有阻力后的合力与全部静负荷和提升有害阻力的合力作用在同一力臂上，则升降机运动部分有如下的动力平衡方程：
（2.1）
式中：
－电动机克服所有阻力后的合力；
－全部静负荷和提升有害阻力的合力；
－升降机所有运动部分的换算质量；
—提升加速度，
一般情况下，
（2.2）
式中：
x－给定瞬时通过的距离；
c－各种不变提升参数的总和。
因此可得升降机的一般动力微分方程：
（2.3）
因此，矿井升降机速度的变化规律为：
（2.4）
（2.5）
因此可得电动机提升力如图2.4所示：
图2.4电动机提升力图
要使升降机按给定速度图运行，电气传动系统应能根据负载的变化而自动的工作在电动或制动状态。
综合以上升降机的运行特点以及矿山生产固有的特点，对煤矿升降机的控制方案进行设计。
2.2.2煤矿升降机的控制要求
目前，对于煤矿控制系统的具体要求有：
调速性能好、升降机运行稳定、定位准确、能够迅速的进行正反转。
（1）加（减）速度大小的确定应符合以下条件：
①应符合国家有关安全生产规程的规定。
升降人员时，加速度ａ≤0.7m/s²升降物料时，加速度ａ≤1.2m/s²。
②应不超过升降机的减速器所允许的动力矩。
（2）具有良好的调速性能。
能够在加速、减速等阶段调速平稳，调速范围比较广，运行中平稳和安全。
（3）有较好的启动性能。
升降机是在装完货物后才开始启动的，这一点与其他机械不同，因此必须要重载起动，对升降机的起动性能有较高的要求。
（4）特性曲线要硬。
当系统受到负载变化时，调速系统能够在短时间内恢复到正常，速度基本上不受到影响，当负载超过一定限度时，此时安全回路会出现相应的动作，进行自我保护，制动抱闸停机。
（5）工作方式转换容易。
能够方便进行转换，容易操作，可操作性强，不会因为转换的繁琐影响生产。
（6）将高科技用到升降控制系统中，这样整体效率比较高。
（7）要求有相应的保护措施，以保证控制系统的安全性。
（8）要尽量节约成本，减少一些不必要的开销[3]。
2.3煤矿井下升降机电气控制系统组成
传统的提升机的控制方式是通过切换电阻的形式来实现的，这种方式效率低下，问题复杂，其中的缺点如下所述:
（1）提升机启动的一瞬间电流很大，对电机的伤害严重，且在加/减速运行时可控制性弱，舒服度不好，停位不精确。
（2）提升机的运行效率比较低，很多的能量都消耗的在电阻发热上。
（3）电气控制系统中的线路老化比较明显、运行的情况比较复杂复杂，维护量比较大，当出现事故时很难排查。
因此，用PLC来控制升降机的运行，大大减少了这些麻烦，提高了升降机的工作效率。
根据矿井提升机的工作过程和控制要求，在控制系统的设计开发过程中，有很多困难需要克服,很多难点需要解决，其中关键性的问题有以下几点。
（1）系统的安全可靠性
设计升降机的安全控制系统，首先值得考虑的就是系统的安全性，安全是升降机运行的第一保障，因此在设计时，怎样使得升降机安全平稳的运行成为本课题研究的一个难点，也是一个重要的挑战。
（2）稳定的调速
为了设计出更优更稳定的调速系统，本课题采用PLC控制变频器，利用变频器控制升降机的运行情况以及调速。
硬件设计包括PLC、变频器、电机等的选择。
软件设计包括PLC的控制的流程图、梯形图等。
本控制系统为矿井提升机的稳定、安全和高效运行提供了可靠的保障。
（3）高效性和舒适性
拖动系统可以按照提升种类要求的额定速度不同，让舒适着乘坐比较舒服；同时调速的稳定性使得升降机运行更加平稳，方便物资的进出，大大的提高运行效率。
改进后的电气控制系统组成图如图2.5所示。
图2.5电气控制系统组成图
系统设有操作台，各种运行方式、系统状态及故障信号指示灯，以及各种音响警示铃，在出现意外时提醒司机注意。
操作人员可以根据控制要求进行各种操作，PLC输出相应指令控制变频器运行，从而调整升降机的运行。
（1）主控系统
本系统的主控系统采用PLC来控制，主PLC正常运行时，传感器将相应的信息转换为控制信号，以保证控制系统的运行的正常。
（2）调速系统
调速系统采用MM420变频器,通过程序编制对升降机进行控制，从而实现提升机的正反转和速度的控制，以及过卷保护、松绳保护、超载保护。
2.4矿井提升机调速控制方式选择
2.4.1变频调速的控制
根据相关的电机学原理知识,可以得到异步电动机的转速关系式为：
（2.6）
式中：
n——升降机的转速；
S——定子每相绕组串联匣数;
P——极对数；
f——定子供电频率；
从式可知，异步电动机调速方法可分为以下三大类:
（1）变极调速方法
（2）变转差率调速方法
（3）变频调速方法
其中变频调速是改变电动机定子电源的频率来实现调速的方法，具有调速范围广，运行效率高，静态稳定性好，使用方便可靠，经济效益显著等优点，为了使升降机调速控制
系统能取得良好的控制性能，综合上面所述的几种调速控制方式，权衡各种调速控制方案的优劣，再结合升降机调速系统特性的特点，最终选择PLC与变频器相结合的变频调速控制方案。
2.4.2变频调速的频率控制方式——矢量控制
矢量控制主要是用来实现电机的定子电流转矩分量和磁通分量的控制方法，通过改变一系列坐标实现的。
它还可以通过对瞬时转矩的控制进行提哦啊书，矢量控制两种，调节电压，使电机电流与负载扭矩相匹配，到达改善低速扭矩特性的目的，但是其控制器的设计在某种程度上依赖于电机的参数[4]。
矢量控制通过调节变频器的输出电压，以保证电机的磁通量不变，其大小可以通过电机性能的设定来改变。
2.5变频调速控制系统组成
采用矢量控制技术，只要变频器收到PLC的程序信号，就能做出相应的动作。
变频器自带欠压，过流等保护装置，传感器收集各种信号，然后传给PLC，PLC对各信号进行相应处理，变频器接到相应信号后，从而控制升降机的转速。
转速也可以经过传感器反馈到PLC,使得速度更加趋于平稳，调速更加精确。
变频调速控制系统框图2.6如图所示
图2.6基于PLC速度变频调速控制系统框图结构
2.6小结
通过对升降机结构的分析，结合升降机的工作过程和特点，分析提升机五阶段速度图，得出矿井提升机对电气控制系统的要求，并对变频调速系统进行分析，最终采用矢量控制变频调速对升降机的运行过程进行控制，实现煤矿升降机运行过程中的平稳、安全、可靠。
3升降机控制系统的硬件和软件设计
煤矿井下升降机控制系统硬件包括对电动机，变频器，PLC的选型。
PLC控制可使系统控制线路大大简化且柔性强，控制功能多，将可编程控制器（PLC）与变频器相结合并应用于矿井实际生产中，对现有的升降机电控系统进行改造设计，提高精度。
环境的恶劣性也要在设计中考虑之中，采用PLC的元件代替传统的的接触器，大大简化了路线的复杂性。
3.1系统硬件选型
3.1.1提升电动机选择
一般电动机的额定电流可以用如下公式计算即：
（3.1）
根据上述公式对一般三相交流异步电功机的额定电流计算得出：
异步电动机的额定电流与电动机额定功率的关系为：
如果U＝380V，电流大约为1kW是2A。
因此，可以用2A来预估一下电流值，这样能粗略快速选择元件，本调速系统所选电动机为：
QABP系列三相异步变频调速电动机。
其技术数据如表3-1所示：
表3-1电机技术参数
型号
标称功率/KW
额定电流/A
额定转速（r/min）
额定转矩/N.m
转动惯量/kg.m²
重量/kg
315M8A
75
148
741
955
4.9591
1045
3.1.1变频器的选型
对于升降类恒转矩负载,如升降机，电梯等，他们的相似点是：
再启动的一瞬间电流的冲击很大，而减速是靠自动完成的，于此同时会有回馈能量，因此对变频器的要求是：
能够有一定的缓冲余量，在选择变频器时，恒转矩负载的功率表达式为:
（3.2）
式中:
P）表示电动机的功率（KW）;
n）表示电动机的转速（r/min）;
T）表示电动机的转矩（N·M）;
系统设计时应注意适当留有余量，所以电动机或者变频器应该增大容量，通用变频器的容量一般取1.5倍异步电动机的容量。
因此本系统选用西门子MM420,该变频器具有7个固定频率，4个跳转频率，可编程。
同时具有多种可供选择接线方式的设备。
可以设定为闭环矢量控制。
其对负载的变化和瞬时掉电，能做出迅速响应；
3.1.2PLC的选型
PLC选型要考虑到满足系统功能并且具备良好的性价比。
因此在设计控制系统时，PLC模块的数量和型号的选择主要依据系统输入、输出点的总量来确定。
此外，选择合理的PLC机型应遵循以下原则:
（1）选择PLC容量和输入输出点时应该保留余地，其实际所选的值都要比理论值大，其中输入输出点应该留出15%-20%。
（2）根据负载的类型和启停的频率等特点,选择不同的输出方式;
（3）如果控制系统有模拟量,I/O模块的响应时间能要满足系统要求;
（4）根据系统通讯要求的不同,选择PLC内部相应的通讯功能；
S7-200是西门子产品中的中小型产品，完全能够完成中等性能的控制要求。
它的组成主要有：
CPU模块、电源负载模块（PS）、信号模块（SM）、功能模块（FM）、接口模块（IM）和通讯处理模块（CP）等，S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能，因此S7-200系列具有
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