新型智能猴车控制运行系统.docx

1、新型智能猴车控制运行系统新型节能猴车智能控制系统研究报告作品类别：科技发明制作B类1.作品研制的背景、意义和基本思路1.1作品研制的背景及意义1.2作品研制的基本思路2.系统优势分析及创新点2.1创新点2.2系统优势分析3.本系统的推广前景及市场分析 4系统组成4.1PLC及模拟量模块4.2红外热释电传感器4.3红外计数传感器4.4控制继电器组4.5电控系统5.设计方案及系统原理5.1.检测系统5.2电控系统105.2 . 1系统软件设计125.3远程监控实现原理166系统保护功能196.1检修方式196.2停止方式196.3急停、禁启196.4故障复位196.5强制解锁196.6机头、机尾越

2、位保护206.7过速、欠速保护206.8重锤下限位保护206.9上变坡点掉绳保护206.10全程急停保护206.11断绳保护21参考文献21矿井架空人车（又名猴车）是一种采用无极钢丝绳牵引的矿井辅助设施 ，它 具有结构简单、安全可靠等优点，是煤矿运送人员的运输设备。一般情况下架设 长度在几百米至一千多米。由于井下生产的特殊性 ，三班倒职工乘车的时间不易 掌握,并且有零散作业人员，为了能使职工随时乘车，目前的井下架空人车大多 处于一直运行状态，也就是架空人车在有人乘坐时运行， 在无人乘坐时也处于空 运行状态。这样运行很不经济，既造成设备的磨损，又增加了电能的损耗。因此需要设计、研制一套智能化的装

3、置，来减少斜巷架空人车的无效空运行， 将具有重 要的经济效益和社会效益。且在各个矿井具有广阔的应用前景 .本作品新型节能猴车智能控制系统，由计算机控制界面、 PLC继电器组、红外热释电传感器、转速传感器（本安型）、温度变送器（本安型）、矿用隔爆型真 空磁力起动器以及计数传感器等组成。井下猴车在计算机和PLC控制下工作，通 过电气控制箱控制使猴车运行、停止及实现保护功能。本系统基于组态王及PLC软件开发，控制精确、界面友好、操作简单、方便、 运行平稳；与以往的猴车相比节约了大量能源，同时操作人员可在井上办公室和 通过互联网随时查看和控制该机器，实现了无人值守和远程监控。1.作品研制的背景、意义和

4、基本思路1.1作品研制的背景及意义猴车全称是地下矿用架空索道，是煤矿井下斜巷常用的运人装置。 其主要机 械构架为将钢丝绳安装在驱动轮、托绳轮、迂回轮上，钢丝绳经张紧装置张紧后， 由驱动装置输出动力来带动钢丝绳运行。 在钢丝绳上由抱索器按一定间距悬挂座 椅便于人员乘坐。用地下矿用架空索道来输送矿工，其目的是缩短矿工上下班的 时间，减少矿工上下班爬坡时的体能消耗。近几年，国民的节能意识越来越强，越来越多的人都开始关注能源危机现象。 目前，猴车采用额定功率不间断运行方式工作， 能耗较大。如果能通过改进控制 系统降低能耗将是一件非常有意义的工作。现有猴车的不足之处还体现在不能自 动运行，如停车、开车，

5、调整电机输出功率等，且没有远程监控功能，由于猴车 的电气操作台放在井下特定硐室，操作台作者希望其具有无人值守和远程监控功 能。我们致力于解决这方面的不足，设计了本作品。本系统实现节能的同时能在 矿井下全自动运行，可以进行就地操作和远程监控。1.2作品研制的基本思路如图1所示的猴车系统连接图可以看到，猴车机头及机尾的两端装有红外热 释电传感器，如果红外热释电传感器感应到乘员存在， 控制箱发出预警信号，开 启电铃，发出开车预警；预警过后安全制动器松闸；安全制动器松闸之后，工作 制动器松闸；然后主电机启动，开车。机头和机尾两端装有红外计数感应器，每 个乘员通过的时候计数器数值加1,计数器记录上行与下

6、行人数，下行人数多于 上行人数时，系统产生变频信号将主电机输出功率调小， 这时系统利用下行人员 的重力势能将上行人员运送上去。在以下信号出现的时候，系统自动停车：红外 感应器六分钟内感应不到乘员的信号， 沿线拉停车信号，重锤下限位尾轮小车限 位信号，越位、吊绳信号，油泵温度检测超过波动值信号，油泵制动压力检测超 过规定压力信号。井下架空乘人器节能运行系统所涉及的所有部件全部为本安或 隔爆型，电气控制部分全部放在隔爆箱中，绝对安全可靠。图1猴车系统连接图2所示，PLC控制主磁力起动器的通断来停车、开车。本系统控制原理如图有很多保护装置，在节能的基础上保证安全，比如：速度保护，猴车运动速度一 般为

7、0.81.2m/s，当速度超过这个范围时，系统停车；压力保护，当油泵的压 力超过一定范围，系统停车等。操作台人机界面由触摸屏实现，同时系统还基 于组态王开发了互联网远程监控功能（需要用户名和密码）。图2控制系统原理图2.系统优势分析及创新点2.1创新点:1） 采用红外热释电传感器检测乘员，无人乘坐时自动停车；2） 采用红外计数传感器，统计当前上行和下行人数，当下行人数多于上行 人数时，为充分利用下行人员的重力势能，系统自动减小电机输出功率，节约 能源3）本系统设有各类安全保护措施，在节能的同时确保乘员安全。同时提高 了矿井下的抗电磁干扰措施。4 ）系统实现了无人值守，但可通过现场操作台修改运行

8、参数和控制设备运 行，还能通过矿井网络进行远程监控。实现了矿山数字化。2.2系统优势分析:目前使用的猴车智能化程度较低，24小时不停运转造成能源的大量浪费同 时系统的机械磨损也比较严重，故障率较高；抗电磁干扰能力差；很多保护功能 不到位；此外，系统不能自行调节电机的输出功率且没有无人值守及远程监控功 能。本系统在这个基础上能够实现确保乘员安全、智能化水平高并且节约能源。 首先节能猴车在矿井下能够全自动工作，可以进行就地操作和远程监控。其次本 系统设有各类安全保护措施，比如掉绳、松绳、安全闸失效、乘员越位等保护和 减速机油温油压超限保护等，在节能的同时确保乘员安全。最后本系统采取的节 能措施，主

9、要体现在以下两个方面：（1）猴车机头和机尾两端都安装红外热释电 感应器，检测到乘员则自动开车，未检测到乘员则自行停车，避免在无人乘坐时 猴车长时间空运行，节约了能源；（2）该系统充分利用下行人员的重力势能，系 统自动检测同时上行及下行的人数，当下行人数多于上行人数时自行减小电机的 输出功率，节约了能源。3.本系统的推广前景及市场分析该作品是先进的智能控制技术与软件相结合的产物，严格按照煤矿安全规程 设计，在确保安全的同时具有节能效果。可广泛应用于煤矿井下斜巷人员运输系 统，其控制精确，操作简便，实现了无人值守、远程监控功能。本系统智能化程 度高，节能效果明显，同时能做到抗电磁干扰能力强，保护功

10、能强等特点，将具 有重要的经济效益和社会效益。同时可以应用到矿井及地面各种运人载物的设备 当中，具有广阔的应用前景和市场。4系统组成节能猴车智能控制系统由矿用本安型转速传感器、矿用本质安全型温度变送 器、矿用本质安全型压力变送器、PLC及模拟量模块、RS485通讯器、隔爆电机、 速度传感器、红外热释电传感器、红外计数传感器、温度传感器、继电器组、PLC 模拟量模块、操作台控制界面及远程控制界面等组成。4.1 PLC及模拟量模块图4 PLC模拟量模块三菱FX2N-80MR小型可编程控制器及 FX2N-4AD模拟量模块，采集减速 器油温、油压及各类传感器的数据，控制主电机运行和制动闸及安全闸电机运

11、行。4.2红外热释电传感器图5红外热释电传感红外热释电传感器，用来感应机头和机尾两端的上车乘员。4.3红外计数传感器图6红外计数传感器猴车运行时，记录上行与下行人数。* . i - , - 图7控制继电器组用来传递PLC的控制信号至磁力启动器或其他执行机构。图8电控系统其中通过操作界面和远程控制界面可实现各项操作功能， 如索道停止、开车预警、调试运行、速度选择、变频器故障复位等。5.设计方案及系统原理传统猴车一天24小时不间断运行，能耗较大，如果能通过改进控制系统降 低能耗将是一件非常有意义的工作。传统候车的不足之处还体现在不能自动运 行，如停车、开车，调整电机输出功率等，且没有远程监控系统由

12、于猴车的电气 操作台放在井下特定硐室，操作台作者希望其具有无人值守和远程监控功能致力 于解决这方面的不足我们实际了本作品。 下面我们着重介绍一下本系统的设计方 案和工作原理。井下节能猴车智能运行系统是一种节能的运行方式，将以程序内部设定的 时间限时运行（此时间根据装置运行一周的50%的时间设定，可将乘坐人员 从机头送到机尾或从机尾送到机头，再延时5分钟后自动停机）。人机界面显 示系统运行。当安装在机头的人体检测传感器检测到机头有人需下行或人员 按下安装在机头的下行按钮，系统预警5s后制动电机自动启动,8s后乘人装 置电机自动启动，启动后计时器开始计时， 其后当人体检测传感器检测到机头还有人需下

13、行或人员再次按下下行按钮，计时器将清零，并重新开始计时。在 系统运行时，每次都以最后检测或按下按钮的人员开始计时， 当计到装置运行一 周时间的一半再加上5 （可根据需要自行设定）分钟，无人乘车时，系统将自动 停机，同时人机界面显示“停止运行”。当安装在机尾的人体检测传感器检测到 机尾有人需上行或人员按下安装在机尾的上行按钮，系统启动、运行和停止过 程与上述相同。系统的工作示意图 9所示。图9:系统工作示意图本系统包含三个主要的子系统。分别是：检测系统电控系统远程监 测系统。5.1.检测系统红外线感应图10：红外热释电传感器效果图cX图11:红外计数传感器效果图检测系统里面主要列举了红外热释电传

14、感器及红外计数传感器的效果图， 如图10，图11所示。猴车机头及机尾的两端装有红外热释电传感器，当无人的时 候无信号输入，系统停车。当红外热式电传感器感应到乘员存在系统发出开车预 警，猴车运行。此外，机头和机尾还装有红外计数传感器每个成员通过的时候计 数器数位加1,计数器记录上行与下行的人数。5.2电控系统井下智能猴车的控制系统的控制部分采用可编程控制器作为控制核心，加上相应的传感器、接口电路、通讯装置和智能化软件设计来自动识别猴车是否有人乘坐，通过人机界面显示用中文并辅助声光方式显示架空人车的运行情况， 最终实现猴车的智能运行。为使系统安全可靠运行，我们选用了日本三菱公司的PLCFX2- 1

15、S-30，（三 菱PLC介绍），为直观显示运行信息，配有人机界面WEINVIEW（人机界面简介）。人机界面PLC F1S-30三菱FX系列小型可编程控制器，将 CPU和输入/输出一体化，使用更为方便。为了进一步迎合不同客户的要求，FX系列有多种不同的型号供选择。另外 更有多种不同的特殊功能模块提供给不同使用场合。 FX1S系列不仅具有小型可编 程控制器所必需的结构紧凑、性能优越、功能丰富、性能价格比高等优点，而且 应用范围广泛，具有定位控制功能、丰富的设定显示功能、丰富的通信功能。我们采用的FX1S-30输入输出共30点，其中输入16点，输出14点。继电 器输出型，结构紧凑。FX1S系列可编程

16、控制器与操作信号、传感器及输出控制 连接如图12所示。采用可编程控制器（PLC作为控制核心，加上直接准确的检测装置和智能化并具有声光报警显的控制设计，通过人机接口显示屏实时显示猴车的运行状况,控制程序为PLC上位机组态王开发软件。为了修改PLC内各控制参数，让操 作者了解该系统的工作进程，用组态王软件开发了上位机控制程序， 该程序界面 友好，操作简单，能在线显示并修改PLC内各参数，同时实现了互联网远程控制功能（需用户名密码访问），远程操作界面以网页形式显示，和上位计算机操作 界面完全一样，通过授权，能在远程界面对井下架空乘人器节能运行系统的各种 操作，让其随时随地掌握该系统的工作情况。M80

17、00系统部分程序清单如下：1OUTM202LDX0003OUTM04LDX0015OUTM16LDX0027SETM28LDX0059RSTM210LDX00311ORPX00313SETM314RSTM415LDX00416ORPX00418SETM419RSTM320RSTM1021RSTM1122RSTM1223RSTM1324RSTM1425RSTM1526RSTM1627RSTM1728LDPX0060 LD30SETM631LDPX00733SETM734LDM635ORM736ANDM037 ANIM138ANIM339ANIY 00040ANIM1041ANDM242OUTT0

18、45SETY 00246LDT047RSTY 00248OUTT151LDT152ANDM053ANIM154ANIM355ANIM1056ANDM257SETY 00058LDM059ANIM160ANIM361ANIX00662ANIX00763ANDY 00064ANDM265OUTT268LDT269ORM10K50K30K900070ORIM271RSTY 00072RSTM673RSTM774LDX01075SETM1176LDX01177SETM1278LDX01279SETM1380LDX01381SETM1482LDX01483SETM1584LDX01585SETM1686

19、LDX01687SETM1788LDM1189ORX00390ORM1291ORM1392ORM1493ORM1594ORM1695ORM1796RSTY 00097SETM1098SETY 00199OUTT3102OUTY015103LDT3104RSTY 001K30O105 END5.3远程监控实现原理我们选用的是MT506L触摸屏人机界面，它可以全面提供标准内置的配方卡 内存和实时时钟，配方内存的容量为128KB可用于配方数据和故障记录的掉电 保存。人机界面MT506L支持与各种主流PLC的直接连接，无需配置任何特殊的硬 件软件就可以利用EasyView500系列触摸屏人机界面与可编

20、程控制器 PLC进行通 讯。其通讯连接如图14所示。人机界面控制程序为PLC上位机组态王开发软件。为了修改PLC内各控制参数，让操 作者了解该系统的工作进程，用组态王软件开发了上位机控制程序， 该程序界面 友好，操作简单，能在线显示并修改PLC内各参数，同时实现了互联网远程控制 功能（需用户名密码访问），远程操作界面以网页形式显示，和上位计算机操作 界面完全一样，通过授权，能在远程界面对井下节能猴车智能控制系统的各种操 作，让其随时随地掌握该系统的工作情况。图15、图16、图17分别是对应的人机界面显示画面，如下图所示。矿井架空人车智能运行装置猴车停止运行矿井架空人车智能运行装置111正常状态

21、机头越位保护1检修状态机尾越位保护1停止状态过速欠速保护急停禁止重锤下陷保护1机头乘人上坡掉绳保护!机尾乘人全程急停保护PLC停止机头越位保护系统停止运行断绳保护安感理工犬学 * d图16： 人机界面显示画面 2心1架空人车書能运行装置安徽理壬衣鱼研图17: 人机界面在实际运行中的显示画面6系统保护功能该系统具有机头、机尾越位保护、过速、欠速保护、变坡点掉绳保护、断绳 保护、重锤下限位保护、全程急停保护等功能。在任意一种保护动作发生后系统 都将停止运行，同时因故障而将电控系统闭锁并发出报警声。在出现故障报警 时，只有维修人员到现场进一步确认故障原因且处理故障， 并确保设备正常后, 才能按下“故

22、障复位”按钮，重新启动设备。6.1检修方式当把安装在操作台上的转换开关转换到检修档时 ，人机界面显示窗口显示“系统检修”。此时系统为点动启动方式，即按下 启动按钮不松开，制动电 机立即启动,3s后乘人装置电机自动启动，且窗口显示系统运行，松开启动 后系统将马上停止运行。6.2停止方式在系统运行的任何状态下，按下安装在操作台上的“停止”按钮，系统将停 止运行。6.3急停、禁启安装在操作台上的“急停、禁启”按钮具有电控闭锁功能，在系统进入待机 状态时，按下此按钮后，按钮自锁，此时不管是机头还是机尾的人体检测传感器 或启动按钮都不能启动系统运行，系统处于“禁启”状态，同时人机界面窗口显 示“急停、禁

23、启”。当系统在运行状态并发生意外情况时，按下此按钮后，系统将马上停止运行, 并发出急停报警，同时人机界面窗口显示“急停、禁启”。6.4故障复位当系统故障被排除后，按下安装在控制室的“故障复位”按钮，将 PLC的故障闭锁解除，系统回到待机状态。6.5强制解锁作为抛开因速度保护的故障而停机的系统运行。6.6 机头、机尾越位保护当人员乘坐吊椅上行或下行进入机头或机尾的禁止越位点时 ，由安装在机头或机尾禁止越位点的越位保护装置给控制系统-个越位的信号，控制系统停 机并发出故障报警，同时人机界面显示窗口显示“机头越位”或“机尾越位”。6.7过速、欠速保护30%或超过当系统运行中速度传感器检测到的运行速度

24、低于设定速度的 20%时，系统将自动停止运行，并发出声光故障报警，同时人机界面显示窗 口显示“欠速保护”或 “过速保护”。6.8重锤下限位保护当重锤因牵引钢丝绳的伸长而下降，当下降到离地面200mm时，此限位 保护装装置将给控制系统一个限位信号，控制系统将会自动停止运行，并发出 故障报警.同时人机界面显示窗口将显示“重锤下限”。6.9上变坡点掉绳保护由于牵引索的张紧力不够或托压绳轮的安装中心偏移，以及托压绳轮的轮衬磨损未及时调整时，都会导致牵引索从托绳轮上往下掉落，此时，安装在上变 坡点的捕绳器会自动捕绳，掉绳保护开关给控制系统一个信号，乘人装置同时 自动停机。并发出故障报警，同时人机界面显示

25、窗口将显示“变坡掉绳”。6.10全程急停保护100-200m的多个急停拉线开关，并与直径为中3mm的钢丝绳捆联，在沿线 的任意一个地方只要拉到该钢丝绳，相应的急停拉线开关将给系统一个急停信 号，控制系统将自动停止运行，并发出故障报警，同时人机界面显示窗将显示急停故障06.11断绳保护钢丝绳在长期运行中出现断绳现象后，这时尾轮会迅速向后滑动，并触 动断绳保护装置，控制系统接到信号后，将自动停止运行，并发出故障报警， 同时人机界面窗口显示“断绳保护”。参考文献1张宪.传感器与测控电路，化学工业出版社出版,20112375-86张国雄测控电路（第4版）机械工业出版社,2011廖常初.可编程控制器的编程方法与工程应用，重庆大学出版社， 2007：4 htt p:/www.k in ，亚控科技技术支持黄娟.Solidworks2010基础教程，冶金工业出版社， 2010： 100-123胡寿松.自动控制原理，科学出版社，20077廖常初.PLC编程及应用，机械工业出版社，20088王为强.山东煤炭科技.2011.02期9刘凯.机电信息.2011.12期10罗毅.煤矿安全.2010.09期