基于plc的主井以重定载系统研究硕士学位论文.docx
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基于plc的主井以重定载系统研究硕士学位论文
1绪论
1.1背景
随着煤炭资源在现代工业中的地位越来越重要，矿山提升及装载系统作为矿井咽喉部位在现代煤矿开采中体现出愈发重要的地位。
但是，目前我国部分地区煤矿，一些年产120万吨以下的中小型煤矿提升装载设备落后，采用设备多为国产或前苏联时期进口，使用年限较长，存在隐患繁杂且突出，需进行升级改造。
装载设备的改造作为矿山提升的重点设备，保证其安全可靠运行显得十分重要。
1.2主井以重定载系统存在问题及解决方法
当前的以重定载控制系统，除了提升煤重的测量本身就缺乏准确可靠性以外，目前部分装载设备采用各类继电器作为基本控制部件，但是继电器对井下潮湿、高温等恶劣环境适应能力差故障率较高。
因而，本课题要解决的主要问题就在于设计出一套对煤重信号煤重信号能准确获取，如何高效、可靠运行以重定载系统，最大程度的发挥提升潜力，确保矿山企业的利润。
它在控制以重定载的同时，还应与其它装载提升设备实现闭锁，进而实现主井装载过程的自动化。
在其控制部分的设计建模过程中，针对上述装载设备存在的各类问题，提出以下急需解决的问题。
1.2.1煤重信号的可靠测量
影响其可靠性、高效性的分析：
为了获得定量装载箕斗中的煤重，一般测量传感器（如压磁传感器、压力应变传感器等）被置于潮湿、多尘的定量装载箕斗下方，致使这些电气测量传感器故障率普遍偏高，无法长期正常工作，特别是在井下潮湿环境下。
为了解决这个问题，就必须改变传感器的类型，以使得称重现场无电气量。
重量信号的采集、转换，分析、输出，是本定重系统的关键，合适压力传感器的选择尤为重要，如何寻找一种抗干扰能力强的新型替代品是急需解决的难题【2】。
1.2.2采用PLC系统实现以重定载设备的逻辑控制优点
可编程逻辑控制器故障率低、工作稳定，调试周期短，维修方便易懂，可随时接入矿井环网【3】。
以重定载控制系统所控制的对象为井下的装载称重系统，其工业环境比较恶劣，对系统安全性、可靠性要求比较高，输入输出以开关量居多，用PLC进行控制是比较适宜的。
本设备选取的核心部件为日本三菱公司FX系列可编程逻辑控制器，并使用了一些特殊的信息处理方式，以有效解决以往存在的各类问题与隐患【6】。
硬件设备以三菱PLC可编程控制器为核心，输入输出端口部分采用继电器优化，实现各种复杂的逻辑关系控制。
精简设备部件及各采样、传动设施，确保装载设备安全高效运行。
2系统整体初步设计
2.1提升及装载方法原理
2.1.1提升原理
图2.1提升系统的原理图
Fig.2.1Theprinciplediagramofthemainhoistingsystem
在进行控制系统设计之前，先要熟悉提升流程及装载流程，分析其中的关键环节和存在的故障隐患，为控制系统的设计打下基础。
如图2.1所示,提升系统原理图。
它主要由以下几部分组成【8】：
（1）提升机
上图中矿井提升机。
经由主提升信号人员发出升降信号，实现矿石的提升。
（2）箕斗
箕斗是主井提升设备主要设备，被用作输送煤炭。
包括连接装置、斗体、卸载装置。
（3）井底装载系统
井底以重定载装载系统包括煤仓、输煤皮带、输煤机和称重装置。
箕斗井底到位，且左定量装载箕斗已完成称重，则定量装载箕斗在装载控制系统的控制下完成向箕斗的装载。
与此同时，输煤机也在控制系统的控制下完成对右定量装载箕斗的称重【1】。
若左箕斗已装好煤，则控制系统应及时向井口车房发出提升信号，从而实现左斗的提升和右斗的下放。
按照设计逻辑循环往复，完成预定提升任务、目标。
2.1.2装载方式及原理
按照煤重测量方式的不同，装载系统可分为定时、定容、定重三类【】。
（1）定时装载
定时装载的原理为：
在一定时间范围做好装煤设备的装载。
其多采用时间继电器设定给煤时间从而进一步控制给煤设备的装载量。
由于井下不同水平出煤的颗粒大小、松散度、含水量有所不同，而且皮带输煤机同一时间内输送的煤的重量差异较大，其装载极差。
（2）定容装载
“定容”，顾名思义就是根据计量斗仓中煤的体积的大小来确定其重量。
同定时测量一样，由于井下出煤的容重差异问题，使得装载只能按容重大的定位。
运行效率不高，造成资源的浪费，同时对矿井的提煤产量统计造成一定误差【9】。
（3）以重定载
以重定载的原理为利用各类传感器及各种工控设备等控制设备直接测量装载设备中的煤重，与其他两种方法对比以重定载测量数据直接，准确，时效性高。
图2.2立井箕斗称重斗的装载设备图
Fig.2.2loadingequipmentofverticalshaftskipweighingbucket
如图2.2为立井箕斗定量装载箕斗装载设备图，安装在定量装载箕斗下方的压力传感器将重量信号转变为压力信号，传入PLC系统，进行后续逻辑控制。
2.1.3装载控制系统
煤炭装载系统目前大多工作在人工控制形势下，由于人多主观因素限制，薄弱时间薄弱环节容易出现问题。
随着矿山设备升级改造，自动化水平不断提高，人工控制装载形势不能满足现形式下的实际要求。
为合理解决这一问题，上世纪末期出现了定重自动控制装载设备。
它采用定重测量的形式，自动控制煤炭的称重和装载过程【27】。
2.2主井井底以重定载系统总体设计规划及控制策略
在熟知系统的原理后，便可以着手进行系统的总体设计规划。
这一阶段，应在熟悉系统各组件原理和性能的基础上，完成系统组件的搭构，明确控制系统的各项功能。
2.2.1系统组成及原理
（1）系统组成
图2.3系统组成图
Fig.2.3Systemdiagram
图2.3为本设计结构组成，包含四部分：
a.信号采集设备：
压力传感设备（4组）及各类到位信号；
b.PLC系统（3组），本系统两组PLC系统分别位于地面绞车房和井底信号室，通过光缆连接，绞车主控PLC系统（原有），通过数字量串接【27】；
c.通信设备：
通讯光缆以及光电转换设备；
d.操作、执行设备：
操作台、用于控制给煤机开停，闸板控制的线缆、各类显示设备。
（2）系统原理
压力测量传感器位于定量装载箕斗底部铁板处安装，在所载重物重力的作用下，其核心部件采用液压原理产生对应的压力模拟量信息。
压力变送器用于接收来自设备的模拟量信息，并时时转换为PLC系统可识别的信号，传入井底部的PLC装置的模拟量输入口。
井底PLC系统是本系统控制核心。
作用为：
分析转换外部的模拟量信息，利用编辑好的程序对整个过程进行控制并时时优化、报警，使用光线通讯技术连接绞车房内的PLC系统与之通讯，根据现场实际的情况，在井上下做出各类警示、显示，车房内PLC利用输出口与绞车主控PLC系统进行闭锁及信号传递，随时根据现场情况进行停车报警操作及在上位组态画面中显示其对应的工作状态。
2.2.2系统控制策略
本文所研究的装载提升系统属于单向给煤类型，形式是双输煤机、双定量装载箕斗。
通过给煤挡板来改变给煤方向，从而实现向两个定量装载箕斗的给煤。
可以通过调配输煤机来控制给煤量：
当煤炭量较大时，开两台设备；当要求给煤量较小时，开一台输煤机即可。
系统控制参数包含有：
其主要控制用参数包括。
两组设备的到位信号，用于判断设备是否到达指定位置；输煤机的控制量（2个），用于设备启停；两组挡板到位信号；两组设备重量信号（模拟量）；两组挡板信号；挡板到位量，用来判定其状态；井口煤仓仓满信号（2个）。
其装载过程主要有以下几部分【30】：
（1）称重
主要控制参数有：
a.箕斗井底到位开关量（2个）
b.输煤机的开关量（2个）；
c.挡板到位开关量（1个）；
d.重量值模拟信号（1个）；
e.挡板到位开关量（1个）。
定量载重的程序设计：
PLC根据称载重重量传感器及程序内设定值判断是否已完成装载，达到程序内设定值时输煤机或装载皮带停止运行，设备停止运行。
需要注意的是，一旦发生定量装载箕斗超重及其他事故，应及时发出报警信号。
另外，由于箕斗由井底提升到井口需要1~2分钟，而定量装载箕斗的装载过程只需几秒。
因此，为了保证称重过程的可靠性，这里约定只有当两个箕斗均到位时，才可以进行称重。
（2）装载
装载部分所用到的设施包含挡板和箕斗等。
其主要需要控制点设备信号参数为：
a.箕斗井下到位开关量（1个）；
b.输煤机的开关量（2个）；
c.挡板开关量（1个）；
d.重量信号（1个模拟量）。
装载的条件可归纳为：
输煤皮带停止，称重设备已经装好煤，箕斗到位，到位传感器发出到位信号。
对于控制过程中，应避免在初始发车时刻发生重装事故。
重装是指：
当某一个箕斗装好煤后，在尚未提升到井口卸载的情况下，再次下放，而定量装载箕斗又对其再次装煤。
这势必会导致箕斗的超重，从而给安全提升带来不利影响。
控制系统利用两组箕斗的到位开关的逻辑关系，避免了重装事故的发生，具体方法将在下一章详述。
（3）提升信号控制
装载完成后，现场PLC控制系统发给绞车控制系统提升信号，主井提升设备在其PLC自动控制设备的控制下，将已完成以重定载的设备提升至指定位置。
绞车动车信号返回给现场PLC系统后，挡板关闭。
下列情况，禁止发出运行信号，并在安全回路内闭锁【9】：
a.正进行装载；b.严重超重。
若出现上述情况，现场PLC控制设备已自动发出声光报警，并在主井绞车安全回路内闭锁，在故障排除后，方可人工解除系统安全回路闭锁并复位，进行正常的设备运行。
（4）卸载
设备到位后，打开挡板，煤炭卸入洗煤厂主皮带。
使用井筒到位磁钢，PLC系统判定另一箕斗运行状态。
3系统硬件设计
本章硬件结构主要分为：
压力传感器、压力信号变送器、可编程逻辑控制器、通讯传输部分、其他功能设计。
3.1压力传感器
3.1.1结构
图3.1压力传感器结构图
Fig.3.1Pressuresensorstructure
本系统使用的压力传感器，属于QYD型液压密闭定重装置。
由于较好的解决了油缸密封的关键技术，从而保证了它在生产现场的可靠使用。
性能特点:
a.灵敏度高、线性好，称重准确可靠，其精度等级为±1.5%FS，称重分辨率为250N；
b.密封性能好，稳定性好，防水、防尘、防砸，可在－10℃～＋50℃环境下工作，适合于煤矿井下工作环境【10】；
c.结构简单，尺寸小，重量轻，安装维修简单方便。
图3.1为其结构图，由5部分组成。
数字1为压盖，定量装载箕斗就安装在压盖上；2是柱塞；3是密封囊，主要用来防止密封油在压力作用下沿柱塞边沿发生泄露；4是油压输出端，把导压管连在油压输出端上，以便引出油压量；5是底座，支撑着整个压力传感器。
一般矿井箕斗的标准载荷为10吨两组，因此压力传感器线性测量范围完全可以满足要求。
传感变送设备位于井底装载硐室信号间内，较井下其他地点该环境较为干燥恒温，加之现使用压力信号变送器可靠性较以往有大幅度提升，其工作性能可以相信。
它的安装工作除本身以外，还包括导压管和电缆的敷设。
安装时需要注意导压管长度不可太长（一般不超过20m），以免引起压力传感器振动过大，缩短使用寿命。
本设备应工作性能可靠，适应性强，能够满足现场的使用要求。
3.1.2特性测定
在使用压力传感器之前，先要借助标准压力机对其进行特性测定。
采用取样一组典型重量数值，获得对应的压力对应值。
下表为其典型的特性试验值。
表3.1特性试验值
Table3.1characteristictestvalues
压力MPa
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
煤重吨
3.02
4.88
6.58
8.45
10.25
12.22
14.2
16.18
18.11
20.2
图3.2压力传感器特性曲线
Fig.3.2pressuresensorcharacteristiccurve
从3.2图可以看出，压力传感器特性具有很好的线性度，在3～20吨范围内的特性曲线可视为直线。
由于本系统测量的主要目的是准确测定定量装载箕斗的标准载荷，而对定量装载箕斗装载的动态过程要求并不是很高，因此不用再进一步进行曲线线性化处理。
3.2压力信号变送器
3.2.1概述
压力变送器通过导压管与压力发生器相连。
它将被测压力参数通过其传感元件的检测，转换部件的放大和变换，输出一个统一对应的电流信号（4～20mA）。
3.2.2结构
压力信号变送器的检测部件和转换部件是做在一起的，结构紧凑，体积较小。
这里采用的是电容式压力信号设备。
经过弹性元件的位移转换为电容量的变化，此电子设备的细微变化经过适当的转换电路，可以有效输出标准电流信号（4~20mA）。
此设备使用范围较为广泛，结构实用，灵敏度高；精度高，其精确度可达±0.25%~±0.05%【10】。
3.2.3选型
可在井下使用传感器必须为防爆型设计。
防爆变送器的接线、安装和普通变送器不完全一样，有一些特殊要求。
防爆变送器有两种防爆形式，一种是隔爆型（或耐压防爆），另一种是本安型。
对隔爆变送器来说，主要是表壳的密封，不让表壳内的爆炸能量向外传爆，所以导线应密封引入；而对本安变送器的要求是不让由操作室到现场变送器的供电线上混入高电压或其他能量，因而中间需加隔离设备，如安全栅、安保器等。
为了减少本安关联设备，简化系统结构，本系统采用了隔爆型变送器【47】。
3.2.4校验
图3.3防爆型变送器
Fig.3.3explosion-prooftypetransducer
图3.3防爆型变送器采用两线制设计，使用之前需一般要要进行基础信号准确度校验。
校验时，一般将直流电源、负载电阻R和变送器的信号端串接在一起。
R的大小按下式计算：
（3.1）
一般取电源为24V，负载为500Ω，此时对应灵敏度较为可靠。
改变压力传感器的压力值，在信号端得到相应电压值，最终得到一组P-V值。
3.3可编程逻辑控制器（PLC）
井下可编程控制装置分为车房内用PLC和井底控制用PLC两部分，以及需与绞车主控PLC靠数字量点串接，以便在装载出现问题时。
井底现场控制用PLC完成称重装载的所有控制任务，而车房用PLC仅仅起到远程监视及上位动态显示的作用。
图3.4PLC的扫描过程
Fig.3.4PLCofthescanningprocess
3.3.1井底现场控制用PLC
（1）工作原理
PLC是整个装置的运算控制核心。
工作过程如图3.4所示。
在输入刷新的状态下按顺序运算程序000步至结束指令。
在进行自诊断及定时器，计数器处理和更新输出之后，又刷新输入并从000步开始用同样的方法进行运算处理。
（2）选型和配置
根据输入输出的点数和A/D模拟量数、显示信息的位数，本系统选用了三菱可编程控制器系列中的FX2N型，I/O为64点，属于一体化中型的PLC。
为了使PLC的I/O速度与外部数字电路相匹配，将它改造成为光耦的I/O，兼顾了可靠性和经济性。
FX2N型PLC的单步处理速度为1.2μs/步，即使程序存储区（4K）完全使用0.5ms完成一次刷新，刷新频率完全可满足现场使用需求。
对于井底现场控制用PLC，考虑到可靠性，配备了两个PLC，一个是自动运行模块，另一个是手动后备模块。
正常情况下可编程控制装置处于自动运行状态，故障或紧急情况下可以转换到手动状态。
与车房内PLC实时通讯，可配备了以太网通讯模块再进行光电转换实现，也可利用矿山工业通讯网络实现【】。
（3）转换电路板
由电源、A/D转换和显示电路三部分组成，与PLC相互配合完成装置的主要测控任务，详见第3章。
3.3.2车房内PLC
它主要用来显示箕斗煤重及提升运行信号，完成显示和报警功能。
它的结构和功能与井底现场控制用PLC类似，主要部件均为PLC和转换电路板，而且PLC部分只配备了一个主PLC模块和一个通讯模块。
因此这里不再赘述。
3.3.3绞车主控用PLC
它为绞车系统原有，与本系统车房内PLC通过数字量串接，在程序内将装载信号串入安全回路，可在出现故障时绞车无法运行。
3.3.4PLC之间的通讯部分
本设计采用光缆在主井筒内进行信号的通讯，使用三菱fx2n系列通用以太网模块AJ71E71-S3以及光电转换模块，利用三菱自有的RS485通讯协议实现井上下两组PLC的通讯。
其主要硬件包括三菱fx2n系列通用以太网模块AJ71E71-S3，光电转换模块【】。
3.4外部功能设计
本部分包含两部分：
操作台功能设计、显示功能设计、具体运行操作部分。
3.4.1操作台部分
（1）自动、手动转换功能
设备设置了手动控制、自动控制切换旋钮装置。
在设备正常运行情况下，系统工作在自动控制状态，当系统出现较大的故障，无法利用自动状态运行时，可把系统切换到手动工作状态。
通过设置手动/自动切换开关，将其转换至手动状态人工进行操作，避免因设备问题造成企业经济损失。
（2）设定功能
a.定重设定
控制逻辑为采用控制系统可进行重量参数输入功能来调配定量装载设备的额定值。
可利用现场触摸上位设备实现，亦可通过绞车主控用PLC进行设定，设定用户访问登记，避免误操作。
b.输煤机设定
为合理配置装载效率，布置了输煤机数量选择功能键，用以选择输煤设备使用方式及台数。
（3）面板结构及按键功能
图3.5井上下控制面板结构图
Fig.3.5wellfluctuationcontrolpanelstructure
图3.5为面板结构图.其中的按键可分为自动和手动区。
（1）自动状态下各键的作用
a.输煤机选定：
用以选择哪台输煤机及使用数量。
b.定重设定：
当定重设定开关处于设定状态，且提升箕斗已到位，设定电位器才有效。
c.设定电位器：
其作用为合理调配本系统的定重额定值.其为本系统的关键参数。
d.检查允许：
检查允许开关需要与检查键配合使用。
e.检查键：
当检查允许开关处于接通状态，该键用于检查左、右罐前50次所提煤的重量。
每按一次检查键，数码管显示上一沟所提煤的重量和该重量所对应的沟数。
f.清零键：
按下该键，使存储在PLC中累计的提升机所提煤的总重量清零。
g.累计煤重：
系统可显示主井设定时间内的累加提升量信息。
h.强制打点：
该键在正常情况下无效。
当定量装载箕斗把严重超重的煤卸入提升机后，系统处于报警状态，系统就不允许提升，且不发提升信号。
通过人工对严重超重的煤进行处理后，操作者确认可以提升后，按下该键，就可以向提升机房发出提升信号。
（2）手动工作状态说明
a.输煤机1：
开输煤机1的按键。
只有当控制挡板的的继电器关后该键才有效。
按一次该键输煤机1开，再按一次输煤机1就关。
b.输煤机2：
开输煤机2的按键。
只有当控制挡板的的继电器关后该键才有效。
按一次该键输煤机2开，再按一次输煤机2就关。
c.卸煤门1：
对到位信息输入后，本按键输入有效。
按一次该键挡板1开，再按一次挡板1就关。
d.卸煤门2：
对到位信息输入后，本按键输入有效。
按一次该键挡板2开，再按一次挡板2就关。
e.点铃（提升信号）：
当提升机处于到位状态，只有当控制挡板的继电器都关闭后，按下该键可向提升机房发送点铃信号；当提升机不在到位状态时，按下该键，随时都可以发送点铃信号。
3.4.2显示功能部分
（1）数码显示功能
控制装置应具备实时显示功能，设置9个LED数码管，正常情况下显示两组定量装载箕斗的煤重和沟数，显示采用1位小数精度【17】。
图3.6正常显示
Fig.3.6Showsnormal
（2）状态显示功能
除上位显示画面外，本地装置应具有状态显示功能，主要参数有：
输煤机状态（2组开关量），挡板到位及不到位状态（3组开关量），挡板开关状态（2组开关量），箕斗到位状态（2组开关量）、提升信号（1组开关量）。
（3）报警显示功能
设置设备超重声光报警系统，井口仓满信号及超时报警提示，利用多方位的报警信息，及时可靠的通讯保证，确保设备出现问题可及时反馈至维修技术人员。
具体的软件显示驱动及引脚插接详见第4章说明。
3.4.3具体运行操作部分
（1）自动工作状态
a.启动
打开电源，系统初始化，数码管显示左、右定量装载箕斗煤的重量。
b.额定装载重量的设置
额定值的设置方法是：
打开定重设定开关，使装置处于设定状态，数码管的显示方式为：
图3.7定值设定显示
Fig.3.7Fixedvaluesettingdisplay
当调至所需的设定值后，关闭设定开关，设定值被系统读入。
c.自动称重、装载
每走沟一次且提升机斗到位后，提升沟数自动加一。
若左提升斗到位，则左定量装载箕斗自动向左提升斗装煤，同时把此时定量装载箕斗的煤重送PLC内存保存，以备后查。
若右提升斗到位，则右定量装载箕斗自动向左提升斗装煤，同时把此时定量装载箕斗的煤重送PLC内存保存，以备后查。
d.超重故障作为本系统的重故障，通过通讯系统进入主井安全回路禁止设备运行。
当定量装载箕斗中的煤超过设定值的10％时，系统应发出超重报警，并使超重指示灯亮。
定量装载箕斗中的煤超过设定值的20％时，系统应发出严重超重报警，并使严重超重指示灯亮。
此时禁止提升，当把此故障处理完毕后，若要提升，通过强制打点键向车房发送提升信号【】。
e.提升重量检查、累计重量检查和累计重量清零
本系统应记录两组罐每罐的前50次所提煤的重量，并累计提煤重量进行总计。
提升重量检查方法：
检查每沟的提升重量时，检查允许开关与检查键配合使用。
此时，每按一次检查键，数码管显示上一沟所提煤的重量和该重量所对应的沟数。
图3.8检查显示方式
Fig.3.8Checkthedisplaymode
累计重量检查方法：
按下累计煤重键，数码管显示提升机累计提升重量（8位数），显示方式为：
图3.9累计煤重显示
Fig.3.9Cumulativecoalweightdisplay
累计重量清零方法：
按下清零键，使存储在PLC中累计的提升机所提煤的总重量清零。
f.防止重装
定量装载设备到达井口指定位置卸载，经信号采集装置判定卸载后，方可允许向其再次进行装填操作。
否则，即使到达井底也不向该提升斗卸煤，从而杜绝重装事故。
g.压力信号变送器出现故障时，在触屏内显示故障，如备用压力信号变送器也出现故障，则显示报警信息。
h.当左仓满或右仓满时，系统禁止提升。
（2）手动工作状态
在此状态下装、卸载全靠手动按键来进行，与一般意义上的手动不同之处是：
本系统即使在手动状态下工作也具有严格的闭锁和相应的到位指示灯显示，防止操作不当引起事故【39】。
a.只有当提升机到位后，才能开相应的卸煤门（即相应的卸煤门按键才有效），只要提升机离开数秒，即使操作者不关卸煤门，程序也自动关卸煤门。
b.卸煤挡板闭合后才能发启动输煤机信号。
按下卸煤挡板键，自动关闭输煤机。
c.当提升机处于到位状态，只有关闭了卸煤门才能打出手动电铃（即提升信号）。
只要提升机不处于到位状态，随时都可以打手动电铃。
3.4.4本章硬件的设计特点
本章硬件设计特点：
（1）手动、自动选择功能，上位动态显示功能；
（2）具有主要参数人工设定、报警功能和主井安全回路闭锁功能；
（3）具有启停设备全自动，自动信号发送功能，通过与主井电控配合可实现主井的无人化操作功能；
（4）主井绞车安全回路闭锁功能，保证设备可靠运行；
（5）历史显示功能，提升量统计汇总；
（6）设备损坏自动报警功能。
4软件系统与显示驱动的设计
4.1概述
本系统可分为车房和井下信号硐室两大部分。
其中井下PLC为整个系统的核心部分，实现输入输出自动采集控制，车房
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