矿井提升机plc控制系统设计正文文档格式.docx

1、在紧急制动过程中，若盘式制动器产生的制动力矩超标，紧急时的减速度超过规定的自然减速度，提升系统中的钢丝绳将会发生松绳现象，这种情况会引起冲击断绳及跑车的严重事故；相反使制动力矩过小，在限定的距离中不能使提升系统停止运行，这样会导致提升机的过卷过放的严重事故。影响矿井提升机制动性能的因素有很多，如制动盘的碟形弹簧刚度，闸瓦间隙，油压，温度变化，工作腔残压，闸瓦摩擦系数，制动盘偏摆度等，在紧急制动过程中制动引起的抖动同样是需要解决的制动振动和噪声中的一个问题，如果处理不好将会导致重大的质量问题。因此，为保证提升设备能够安全可靠地运行工作，除了在对现场实际工作运行状态的动态监测外，最重要的是在于优化

2、设计时使其制动系统能够进行及时精密有效地控制，当遇到紧急情况时候，可以依赖于优秀的制动性能进行减速停车，使事故发生的情况减少，更好的情况就是避免发生事故，以保证煤矿生产的安全性。根据相关研究得出，与提升机制动性能相关的因素很多而且复杂，并且有可能在不同的工况下产生一定的变化，因此在深入理解并分析提升机制动系统工作原理的基础上，对影响制动性能的重要参数进行分析，建立制动系统的数学模型并利用软件完成动力学仿真分析，为完善制动系统制动性能提供优化方法与依据。因此，开展对提升机制动系统动态特性仿真分析及试验研究，可及时检查出机构设计的合理性，并进行完善，防患于未然。1.2国内外研究现状矿井提升机的盘式

3、制动器在国外获得了良好的发展，液压盘式制动器的泄漏情况改善很多，同时改良了制作闸瓦的材料，获得更好的摩擦系数以及在高温情况下的耐磨性能高，因此在矿井提升机中通常都是使用液压盘式制动器，在紧急制动控制方式上，对其进行安全制动时通常采用分级制动，一般使用二级制动，为了到达更好的制动性能，甚至采用三级制动的方式，这样提高了矿井提升机制动性能，达到了提升货物和升降员工的使用要求。同时，国外的提升机制造公司在新的提升机设计制造中不断更新采用各种高新技术来提高提升机的整机性能以及安全性能。运用的新技术有：采用电动机拖动与控制的技术准确性更高，更加有效，提高的提升设备的自动化水平，甚至不需要安排专门的值班员

4、工在司机岗位；采用的液压盘式制动器性能更好并更新应用了恒压减速制动的液压系统控制方式，提升机运行的平稳性和停车的精准性得以提高；运用功能齐全的矿井提升机运行工况在线监测系统，通过在线监测提升机运行参数，不仅可以在超量时及时地进行报警，而且还可以进行自动调节排除故障等。矿井提升机生产企业在研制一种新提升机或者优化现存的提升机时，总是首先考虑提升机运行的安全性以及保证制动系统的可靠性要高。提升机制动系统的制动性能是采矿企业安全及稳定生产的关键保证，主要体现在一下两点：一是制动性能本身可靠性要高，发生故障机会非常低；二是当提升机制动系统发生错误后应该能够依据错误的性质及时采取一定措施进行相应的保护，

5、而且能够将故障的详细内容进行保存并在计算机上显示出来，方便用户迅速准确地排除故障恢复生产。因此为确保其安全可靠地运行，除了在对实际运行状态的动态监测外，关键在于设计与计算时合理地选择运行状态参数，以及在结构、材质等系统设计上应有较高的可靠性。矿井提升机的制动系统制动性能的研究，直接关系到提升机的安全运行。国内对于这类研究相对较少，近几年才有一些科研人员运用虚拟样机技术和动力学仿真技术对提升机制动系统进行了研究。对于矿井提升机，虽然进行了机械和液压系统的联合仿真，但是仅仅分析制动油压、闸瓦间隙和制动力之间的关系，分析的因素比较局限；将液压系统与机械系统进行耦合仿真，分析了制动油压、闸瓦摩擦系数对

6、制动性能的影响，影响制动性能因素的分析比较单一；对制动盘温度仿真分析，得出温度分布规律和温度随时间的变化关系，未深入分析影响温度分布的因素。综上所述，影响矿井提升机制动性能的因数有很多，如制动盘的碟形弹簧刚度、闸瓦间隙、使用环境温度变化、工作腔残压、闸瓦摩擦系数、制动盘偏摆度等。在紧急制动过程中出现的制动引起的抖动同样是影响制动性能的因素，如果不减小抖动问题会导致制动性能不能满足要求。对于影响提升机制动性能各因素的分析，国内外的研究大都是针对某一个参数进行比较单一的仿真分析，没有系统而全面的整体分析，特别是针对不同的工况下参数对制动性能影响的分析更是少。为了解决矿井提升机在工作过程中出现的问题

7、，特别是液压系统的参数对矿井提升机制动系统的影响，这需要对制动过程中影响制动性能的各参数进行分析，并建立相关数学模型并进行动力学仿真。2.矿井提升机制动系统在矿井提升机制动系统中，由液压站和制动器两部分组成，由液压系统产生压力控制盘式制动器，完成提升机的制动过程，因此液压站和制动器的可靠性能都对制动系统的安全性具有决定性作用。进一步了解制动系统中液压系统和盘式制动器的工作原理有助于深入了解分析影响制动系统制动性能的因素。2.1提升机液压系统的组成与工作原理2.1.1液压系统的组成（1）油源部分：液压系统中的两套独立工作的油源均是由粗、精过滤器、叶片泵、电机、调压装置及管件等组成，调压装置由电液

8、比例溢流阀8和溢流阀7组成。为系统提供P=0.56.3MPa，Q=14Lmin-1的可调压力油源，一用一备。（2）集油路装置：集油路装置由两个相同的二位三通型电磁换向阀10、11，两个相同的二位二通型电磁换向阀8、9，弹簧蓄能器13和二级制动溢流阀11等组成，为制动系统的A、B管油路提供压力油，紧急电延时二级制动等功能。即TH118C（2JK矿井提升机）型液压站。该装置上加装一个油路块及二位三通电磁阀14、单向阀、截止阀，即可为系统提供调绳油缸的离合功能，满足2JTP矿井提升绞车的调绳功能。（3）出油过滤装置：该装置由精过滤器及管件等组成。2.1.2液压系统工作原理（1）系统正常工作状态：根据

9、电控系统原理图将相应的电线接好后，启动与油泵相连的电动机，从油泵输出的液压油经过直动型电磁比例溢流阀7流回油箱，当接通两个二位三通电磁换向阀，同时修改电磁比例阀7的输入电流信号时，系统中的油压值就会跟随电磁比例阀的信号输入的改变而变化，A、B管油压将在P=0.56.3MPa间呈线性变化。进而将盘式制动器产生正压力的改变，油压值越低，制动正压力越大。在提升机正常工作的情况下，液压系统中除了以上元件进行工作以外，其余的液压元件均不会有动作。（2）系统紧急制动状态：当在设备运行过程中需要实施紧急制动时，提升机的制动系统进入紧急制动过程。液压系统中的电动机3、电磁换向阀10、11，直动型电磁比例溢流阀

10、7均变为断电状态。此时，与A管路相连的固定卷筒制动油缸中的油液经过阀11直接返回到油箱，与B管相连的游动卷筒制动器中的液压油则经过阀10被接入二级制动控制油路中，整个系统中的油压大小由溢流阀调节。二位二通电磁换向阀9在阀10、11断电的同时进入通电状态，使B管路中的油压从最大工作油压下降到溢流阀15调定的压力值P2，经过延时几秒后（按实际工作条件计算出一个调定值），阀9进入通电状态的同时阀8进入断电状态，而此时盘式制动器中的压力油返回油箱，油压从P2直接下降为0。在弹簧蓄能器中保存的压力油及时地补充了各个阀件的泄漏损失，使B管路中油压P2值在延时过程中保持不变。完成整个紧急制动过程。（3）手动

11、紧急回油装置为提升机的安全保护装置，当提升机紧急制动失效后，扳动手动紧急制动中手动换向阀S（H-4WMM6E50）的手柄，使制动器油缸的油迅速泄油，以达到紧急制动。2.1.3液压系统重要参数（1）最大松闸油压值的计算根据实际的静张力差计算相对应的最大油压值。1.竖井提升的最大油压值的计算：PmaxPX+PfPX=2.57KFc/AnPf=1.65MPaPmax=2.75KFc/An+Pf式中：Fc实际最大静张力差，N；A制动器活塞有效面积，mm2；n制动器总个数；K制动器力矩计算系数K=3.25cc=（Fcm）10-1=（FcgG ）10-1G整个提升系统的变位重量，kg当0c1时，K=3.2

12、5c；当1c时，K =3.252.斜井提升时最大油压值得计算：Pmax 2.57K1KFcAn +1.56K1斜井倾角影响系数斜井倾角影响系数Tab.2-1 Inclined angle of influence coefficient斜井倾角 30 25 20 20K1 1 0.89 0.8 0.65（2）二级制动油压值P2的确定1.竖井重物下放时：P2=2PX-（7.8G +5.1Fc）An2.斜井重物提升时：双钩提升时：P2=2PX-51.4（m1a+0.1Fd）Anm1不包括提升侧的系统终端负荷变位质量，kgs2m。Fd为下放侧的静张力，N；a在倾角a上的自然减速度 a=3m/s2 a

13、17g（sina+fcosa） a17,f=0.015单钩重物提升P2=2PX-51.4m2aAnm2所有转动部分的变位质量，kgs2m。（3）二级制动延时时间的计算t=Vmax/aa制动减速度竖井重物下放时：a=1.5 m/ s2斜井重物提升时：=3m /s2 17a=g（sin+fcos）Vmax提升机最大运行速度2.2提升机盘式制动器的结构与工作原理2.2.1盘式制动器的结构制动器是矿井提升机制动系统的重要组成部分，它工作的正常与否，不但关系着提升机的正常运转，而且也关系着提升机的安全性与可靠性。现在的提升机均采用液压盘式制动器，它与老产品的提升机采用的油压或气压传动的块式制动装置比较具

14、有下列优点：由于提升机正常工作的时候都是多付盘式制动器一同产生正压力制动，若其中有一付盘式制动器出现故障失灵，也只会失去部分正压力，所以盘式制动器的可靠性比较高高；惯量小，动作较灵敏；通用性能好；结构紧凑，可调性好。盘式制动器产生的制动力矩是依靠两侧的制动闸瓦从制动盘的两侧挤压制动盘而作用的。为了使制动盘不产生额外的变形，主轴不产生附加轴向力，在提升机中盘式制动器采用成对的使用方法就是为了不让制动盘产生附加的变形，同时主轴也不会受到额外的轴向力。根据提升机设计要求所需要的制动力矩的大小，在每一台矿井提升机的制动盘上可以对称地布置多付制动器。2JTP-1.2型提升机采用的是四付盘式制动器2.2.

15、2盘式制动器工作原理盘式制动器是靠油缸内的碟形弹簧6 产生制动正压力的，而依靠液压系统产生的压力油使制动器松闸的。当液压油进入油缸7，推动活塞5 去压缩碟形弹簧，同时带动调节螺栓4、螺钉3、推杆12 向左运动，滑套9、钢板10 和闸瓦11 在回位弹簧以及拉紧螺栓的共同作用下也都一起向左运动，使闸瓦脱离制动盘，使盘式制动器呈现出松闸的状态。当制动器中油缸内油压值减小时，油压产生的力小于碟形弹簧产生的弹簧力，碟形弹簧就会推动活塞向右运动，并且使调节螺栓4，螺钉3、推杆12、滑套9 一起向右运动，推动闸瓦向制动盘移动并挤压制动盘产生制动力矩，达到制动的目的。盘式制动器处于制动状态的时候，闸瓦向制动盘

16、施加的正压力大小，是由油缸内油压值大小决定的，若油缸中的油压值处于最小值的时候（由于有残压的存在，最小值一般不会为零），碟形弹簧的产生的弹簧力几乎全部施加于活塞之上，这个时候制动盘上所受到的正压力为最大值，处于全制动状态。相反，若油缸内的工作油压值是液压系统所提供的最大油压值时，处于松闸状态。2.3制动性能及其影响因素2.3.1制动性能制动系统作为提升机的重要组成部分，是矿井提升机安全保护的最后一个环节，其制动性能好坏是实现提升机紧急制动的基本保证，直接影响到提升机工作可靠性以及安全生产。机械行业标准、煤矿安全规程以及TH118C液压站各项性能指标都对提升机制动性能有相应的要求。1.响应时间煤

17、矿安全规程中第431条规定：闸瓦在第一级经过保护回路断电时起至制动闸瓦接触到制动盘上的空动时间（即安全制动空行程时间），盘式制动器不得超过0.3s。对于斜井提升时，为保障在上提时紧急制动过程中不发生松绳而必须采用延时制动的方式时，上提时空动时间没有此限。对在工作运行中要求制动盘和盘式制动器之间的间隙不大于2mm。闸瓦在进行制动的时候，推杆和闸瓦之间不能出现明显的弹性摆动。2.制动力平衡煤矿安全规程中第432 条规定：提升机的制动系统在进行制动的时候，盘式制动器所施加的制动力矩与在现场工况中最大提升静荷重产生的旋转力矩之比值K要大于等于3。但是针对质量模数较小的矿井提升机，当在上提重载货物的时候

18、，盘式制动器作用产生的制动减速度如果大于所规定的限值时，可以把盘式制动器要求的这个比值K下降到合理的值，但是必须大于等于2。在调节双滚筒提升机的滚筒旋转相对位置的时候，盘式制动器在每个滚筒制动盘上所施加的制动力矩，要求必须大于或等于该滚筒受静张力差所产生的旋转力矩的1.2倍。盘式制动器的液压油路出现堵塞现象，就会造成其制动时的回油受到附加阻力，进而使该制动器中油缸内油压减小速度小于对面的油缸内的油压减小速度，这种情况下这一付盘式制动器就会在轴向对制动盘产生一个额外的作用力。3.同步性提升机的制动系统的同步性表现为两种情况，一种是提升机中一付盘式制动器中每个闸瓦与制动盘之间的间距是不同。在安装或

19、者在运行中制动盘的偏摆时，以及在长时间的而且频繁的制动工作中闸瓦就会产生磨损的现象，同时因为一付制动闸瓦的磨损量不同，导致一付盘式制动器中两个闸瓦间隙不一致的情况出现，最终造成闸瓦的空动时间不同，出现制动时间的不同，这就是提升机盘式制动器同步性的表现。还有一种情况就是提升机中的每付盘式制动器之间的同步性。4.跟随性在紧急制动过程中，通过调节二级制动油路中溢流阀压力值来控制紧急油压，将溢流阀设到一定的压力值，但是在制动系统运行的中盘式制动器中的油压值低于溢流阀调定的压力值，这种情况下，被认为制动系统的跟随性差不满足要求。制动系统施加的制动正压力是由液压系统中电磁比例溢流阀控制的，通过调节电磁比例

20、溢流阀的输入电流来改变盘式制动器施加的制动力矩，电磁比例溢流阀在调节系统油压过程中，它的油压电流特性在P = 0.5P𝑥之间应该近似为直线关系，而且油压滞后于电流改变的时间应该小于等于0.1s，P𝑥是闸瓦刚刚离开制动盘时的油压值。电流变化的范围450m A，油压值变化范围6.5MPa。2.3.2影响制动性能的因素矿井提升机在制动过程中，在碟形弹簧和液压系统的共同作用下通过推动闸瓦挤压提升机的制动盘产生制动力矩，使提升机进入减速并停车的过程，在制动过程中有多种不同的因素影响着制动系统的制动性能，尤其是液压系统中的相关因素。1.弹簧蓄能器的弹簧刚度在TH118C中低

21、压电延时二级制动液压系统中，在紧急二级制动回油路上设计安装了弹簧式蓄能器，在制动系统进行二级制动的时候，游动卷筒制动盘上的四个盘式制动器中的液压油进入电磁换向阀10、弹簧式蓄能器13及溢流阀15建立起保压油压并进行保压过程，弹簧式蓄能器中的弹簧刚度的选择对液压系统的压力冲击、系统的快速稳定性和系统的跟随性有影响，对于系统所需的保压压力也同样有影响。2.空气含量对于液压系统中所使用的L-HM32抗磨矿物系液压油，一般情况下，液压油的弹性模量EY值变化很小，但是若液压油中混入气体，液压油的压缩性就会明显增加，弹性模量将会显著减小。通常，若液压油中没有混入空气，弹性模型可取EY= （1.42.0）

22、109Pa。若液压油中混入的空气含量为 1%时，弹性模量EY值将减小到50%左右。3.液压管路在矿井提升机制动系统中，液压站与盘式制动器是依靠一段液压管路连接起来的，每个制动器所连接的液压管路的长度有所不同，这就影响了每个盘式制动器中液压油油压值变化的不同，从而影响了制动器的动作响应的不同。4.电磁换向阀阀口通流截面积提升机采取紧急制动方式，在二级制动降压过程中，盘式制动器中油缸内的液压油以及弹簧蓄能器内的液压油要经过电磁换向阀8流回到油箱，所以二级制动油路上的电磁换向阀阀口通流截面积对二级制动卸压过程有一定的影响，从而影响了制动系统的响应速度。5.电磁换向阀固有频率矿井提升机进行二级制动时，

23、电磁换向阀将油路切换至二级制动油路，电磁换向阀的固有频率影响了自身阀件的响应速度，在切换快慢影响了紧急制动中保压油压的建立，矿井提升机在进行一级制动时，在固定卷筒上的盘式制动器进行抱闸状态，同时在游动卷筒上的盘式制动器也要抱闸，电磁换向阀固有频率直接6.紧急制动油压值液压系统提供的压力油控制着制动力的变化，可对制动力矩进行有效合理的控制，在遇到突发事件，进行紧急制动时，液压系统为游动卷筒上制动器所提供的油压值迅速减小至设定的紧急制动油压值，经过二级制动保压时间，油缸内油压迅速减小至零，制动系统实施全制动，保证提升机正常运行，所以紧急制动油压值会对提升机的运行产生直接的影响。7.其它影响因素（1

24、）制动盘偏摆矿井提升机的制动盘在运行前或者运行中都会存在有偏摆的现象，主轴装置是许多个零部件装配起来的，所以造成制动盘偏摆超限的因素是多方面的，如加工时产生的误差、安装时的误差，以及在运行中受力不均。（2）制动盘端面跳动因为加工工艺的因素，会使制动盘的加工表面上产生划痕、沟壑等表面形状。同时制动盘在存放过程中，其摩擦表面会产生化学反应，造成制动盘的表面出现锈蚀现象。（3）摩擦热提升机在制动过程中将系统的动能通过摩擦做功而转化为热能而耗散掉。在制动过程中，盘式制动器产生的正压力使闸瓦挤压制动盘，从而产生的持续的摩擦热流使得它们接触表面温度迅速增大，而且制动时间延长及频繁地制动会产生热衰退的现象，

25、从而造成制动系统的制动性能会降低。2.4系统硬件部分为了保障提升机紧急制动时快速、有效，满足制动性能要求，选择合适的传感器至关重要。2.4.1闸间隙位移传感器盘式制动器的闸瓦与制动盘之间的间隙应不大于2mm。选用B300型差动变压器式位移传感器测量闸间隙，测量范围为05mm，具有抗干扰能力强，传输距离远的特点，将4mA20m A电流信号传输到控制器。2.4.2压力传感器采用WP800B型压力传感器，测量范围为010MPa，输出范围为4mA 20mA，传感器采用DC24V供电电源。压力信号转化为电信号，传输到主控PLC，实现数字化显示与控制保护。2.4.3液位传感器采用KYB19液位传感器检测油

26、箱液位信号，测量范围为30mm1500mm，输出范围为4m A20m A，传感器采用DC24V供电电源。利用硅敏感元件的压阻效应将液体静压转换为电阻信号，经过温度补偿和线性修正，将液位信号转换成电流信号传输到主控PLC。2.4.4控制模块配置作为该制动系统设计的重要部分，控制系统模块选择西门子S7系列模块。电源模块选择PS3072A；处理器模块选择S7314；数字量输入模块选择SM321，16点输入；数字量输出模块选择SM322，16点输出； 模拟量输入模块选择SM331，完成A/D信号转换。2.4.5声光报警装置声光报警装置实现液压站油温高、油位过低等故障时的报警。由报警蜂鸣器、指示灯、控制

27、继电器及相关控制元件等组成，方便操作人员掌握工作状况。2.5系统软件部分2.5.1主控程序设计S7314控制器主要完成液压泵站压力、液位、盘形闸间隙信号的采集，滤波及标度转换。同时将盘形闸动作、液压泵站启停、声光报警等信号接入PLC控制器。SM331能将4 20m A模拟信号转换为0 32000的数字信号。2.5.2抗干扰设计硬件措施对供电系统选用西门子专用电源模块，同时采用滤波网络，抑制高频干扰信号。在PLC控制器模块与外部I /O回路之间采用光电隔离、继电器隔离等措施，提高系统的抗干扰能力，防止外部设备故障损坏模块接口。软件措施在主程序中设置故障检测程序，定期检测掉电、欠压、干扰等外部环境

28、，以便及时处理。采用智能I /O接口诊断，将输出控制信号进行比较确认，结果一致时才输出给负载。使用循环采样的方式，将采集到的信号进行滑动平均滤波，防止瞬时干扰影响。2.5.3上位机监控系统设计本系统显示提升机制动控制系统的各种静、动态参数，将S7 314采集的现场数据通过工业以太网传输到上位机中并显示。为了方便数据传输，提高系统稳定性，采用西门子Wincc V6 0组态软件完成控制面板设计。监控界面包括闸间隙、油压和液位的实时数值，运行记录查询、归档、报表打印等功能。为保证系统正常运行，设计了故障监控显示界面，发生故障时，监控界面指示灯颜色由绿变红，在上位机界面进行报警提示的同时，实现声光报警

29、装置的动作。3.结语本文以矿山提升机为例，设计了提升机制动系统。矿山行业是我国的传统行业，目前有很多的提升机控制系统仍采用发电机-直流电机调速、接触器-继电器逻辑控制、由传统老旧的模拟深度指示器提升容器位置等落后技术的提升系统，这种落后的控制系统已经不再适合当前矿山企业的发展要求，因此，本文在分析和比较当前矿井提升机控制系统的现状和国内外提升控制技术发展的基础上，对提升机的控制系统进行了研究和设计。当前，我国在有色、煤炭、非金属等矿井中有成百上千台提升机在运行，而这些提升机大多都是绕线式电机转子串金属电阻调速系统，这些系统性能差、能耗大、运行效率低，尤其是用于安全保护的设施也不完善，过卷和超速等事故时有发生，对其进行技术改造和设备的更新换代势在必行。本文采用理论联系实际