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1、#技校矿井提升机复合控制仿真系统技术方案矿井提升机复合控制系统仿真研究和开发技术方案中煤职业技术学院2013年 1 月 7 日一、概述2二、主要功能和特点4三、结构组成5四、主要技术要求11五、实训培训项目12六、各部分原理要求12七、操作和安全运行22 附录一：触摸屏操作要求.41矿井提升机复合控制系统技 术 方 案一、概述矿井提升机复合控制系统即全数字直流控制提升机系统实训培训装置，主要由操作台、控制柜、主提升机控制实物对象模型组成。利用PLC及直流调速器代替原控制系统中的继电器逻辑系统、速度处理系统以及各信号反馈系统等；利用操作台上的人机界面对提升机位置、速度及各状态进行监控。该实训装置

2、设计方案，从实际的矿井提升设备出发，按实际比例缩小的模拟仿真实训装置，适用于主提升机操作工、矿井维修电工、矿井维修钳工等各机电工种的职业技能培训、考核。通过对我国现有矿井提升系统仿真实训和培训的状况进行调研，我们发现，在目前我国矿井提升系统实训教学中，由于实训教学设备的限制，而采用理论教学和设备实训分开教学的模式，这种模式在理论教学阶段，学生学习不直观，对整个系统、电气设备只有抽象的认识，不便于理解掌握及使用，而在采用实际设备进行实训教学时，由于矿井提升系统庞大，设备众多，投资巨大，各院校实训、培训和考核这方面的项目不具备条件，而到生产单位去实训、培训、考核，由于生产和安全的限制，既不现实，也

3、不允许，所以达不到实训和培训教学的目的，既使大投入购买了实际生产设备，但由于在实训、培训教学时，元器件、设备损坏率很高，设备维护费用很高，从而实训和培训费用均很高，同时这种教学模式也不能做到集讲授、训练、考核于一体，达不到良好的培训教学效果。为此，开发矿井提升机复合控制系统应达到如下目的：1、为学员提供操作培训训练的机会，包括全数字提升机控制系统设备的使用、编程、调试等操作，提高自主维护和完善调试系统的能力；2、为学员提供拓展学习的机会，帮助他们学习掌握PLC、交、直流双闭环调速装置、现场总线、触摸屏、上位计算机、智能仪表等全数字提升机控制系统相关技术知识，提高技术水平；3、为学员提供晋级训练

4、的机会，通过熟悉仿真系统构成、功能和性能，分析处理模拟故障，实现计算机出题，自动判分的培训考核平台；4、通过矿井提升机复合控制系统的仿真研究和开发，使系统达到国内领先水平，为矿井提升系统的实训和培训教学提供科学的教学手段；5、为我国矿井提升系统的实训和培训教学提供紧跟煤矿生产技术的发展、高安全、低成本、培训效果好、形象直观、高效实用的教学平台；6、充分利用我公司人力、设备资源，减少实训设备损坏率和实训材料的消耗量，节省总体实训费用；7、通过研究和开发，实现仿真提升系统的现场工作环境，较大程度改善教学脱离实际的不足，切实提高矿井提升系统实训和培训教学的质量，使实训和培训教学水平再上新台阶；8、紧

5、密结合我公司生产实际，注重新技术、新工艺、新设备的使用，以培养更加适应公司发展需求的技能型人才。二、主要功能和特点（一）主要功能1、教学培训以直流调速、PLC 使用、电气控制等培训教材为基础，提供和课程内容对接的实验实训培训教程。2、操作培训以全数字提升机控制系统一般操作流程为基础，提供一般工况和特殊工况下的模拟操作；3、维护培训以全数字提升机控制系统日常维护及故障排除为基础,提供日常维护项目及预定故障排除的训练；4、查线接线训练以全数字提升机控制系统模拟装置原理图为基础，提供按预定目标进行查线接线训练；5、技术革新提供PLC、调速装置、继电控制、工控机等硬件和软件平台, 为技术革新编制程序或

6、开发系统提供实验条件。6、鉴定考核提供智能考核系统，电脑出题、自动评判，实现培训技能考核的公平和公正。（二）特点1、井架模型部分参照实际尺寸按一定比例缩小设计；2、电气线路接点在控制柜面板上均有相应测试点，主要是便于学生检修故障；3、装置上配有智能考核单元模块，并设有240128点阵蓝底背光液晶显示屏及PVC轻触键盘，使考核管理及信息管理方面更加方便；在配置选择上更加灵活。三、结构组成实训培训装置设计成三部分,即控制柜、操作控制台和提升机模型。1、控制柜部分(1)控制柜门在控制柜门上装有高压电源进线开关QS2(备用开关QS3)，高压隔离开关QS1，高压断路器QF，同时安装有电压表和电流表。电压

7、表用来监视主回路电压，电流表用来监视电动机定子电流。(2)高压主电路及保护回路部分该部分包括电流互感器、电压互感器、过电流继电器、熔断器、欠电压继电器、主接触器。(3)直流调速器部分该部分由直流调速器组成。(4)智能考核部分该部分包括“240128点阵蓝底背光液晶显示屏”及PVC轻触键盘，用于智能考核的设故、排故。(5)PLC控制部分该部分的PLC主机采用西门子S7-300系列CPU313 C主机产品。2、操作台部分该部分集中了提升机的启动、运行、制动操作及状态监控。(1)指示部分：包括MT4523T人机界面、高压电压表、定子电流表、制动油压表等。(2)操作部分：包括工作闸制动手柄SA2、主电

8、动机操纵手柄SA1、正力减速开关SA3、调绳转换开关SA4、过卷转换开关SA5及辅助回路电源开关QC1、QC2、QC3等。(3)在操作台底部安装有脚踏动力制动开关SF2（左边）和紧急停车开关SF1。用于提升机的制动及紧急停车。3、提升机模型部分井架模型部分参照实际尺寸按一定比例缩小设计，该部分组成包括井架部分、主轴控制部分、液压部分。井架部分 模型开关盒(1)井架部分：分为井上和井下，组成包括模型开关盒、罐笼、矿用电铃、警示灯、换向开关、限位开关等。(2)主电动机控制部分： 该部分有主电动机（直流电动机）、减速器、编码器、主轴、固定滚筒、游动滚筒及制动油泵电机等组成。(3)液压控制部分：该部分

9、主要有高压滤油器、耐震压力表、比例压力溢流阀、三通电磁换向阀、四通电磁换向阀、压力继电器等组成。四、主要技术要求1、输入电压：三相五线制 380V10% 50Hz；2、工作环境：环境温度-5+40，相对湿度85%(25)，海拔4000m；3、装置容量：3KVA；4、装置尺寸：操作台1600mm 770mm1296mm;控制柜2000mm600mm1200mm；5、提升模型：2200mm1000mm1000mm；6、绕线式异步电动机：额定电压AC380V,额定功率500W,额定转速1400r/min；7、该设置配有漏电保护设置，以确保学员实训操作中的安全。五、实训培训项目1、煤矿安全生产的法律法

10、规、安全规程、提升设备操作规程和相关制度规定；2、提升设备的结构组成、工作原理；3、信号和各种保护的种类及作用；4、提升机的启动和运转操作；5、提升机的紧急停车操作；6、提升设备的维护检修；7、提升设备的常见故障分析技术及检修动画演示排故帮助信息。六、各部分原理要求矿井提升PLC控制系统是近年来矿井提升机的发展趋势。本实训培训装置以全数字直流控制提升机系统为例，对提升机各部分原理要求。1、主电路主电路是指主电动机、直流调速器以及给其供电及保护的电路。图1 主电路如图1(a)所示，提升机电动机经直流调速器、接触器KM1、高压断路器QF、高压隔离开关QS1、高压隔离开关QS2或QS3和6kV高压电

11、源相连。高压断路器设有失压脱扣器KV1及过电流脱扣器KA1、KA2，当电源电压过低或电路过流时，断路器跳闸以保护电动机；另外，在安全回路串有断路器的辅助触点QF，同时实现安全制动。在电压互感器TV1的二次侧和失压脱扣器KV1相串联的还有紧急停车开关SF1、高压换向器室栅栏门闭锁开关SL1，前者用于紧急情况下司机脚踏停车；后者用于栅栏门和高压电源闭锁。当打开栅栏门时，SL1即断开，失压脱扣器KV1断电，断路器跳闸，可以保证进入高压区域人员的安全。2、辅助回路辅助电路用以对提升机辅助设备供电和控制。低压380V电源（也有备用电源）通过转换开关QC1进行切换。M1为制动油泵电动机，用转换开关QC2转

12、换，通过PLC控制接触器KM2的通断来控制制动油泵电动机的通断。M2为润滑油泵电动机，用转换开关QC3转换，通过PLC控制接触器KM3的通断来控制润滑油泵电动机的通断。另外，在辅助回路上还接有安全制动电磁铁Y7、Y8、Y9，它由PLCQ5.6控制。控制离合器油路的三通电磁铁Y4、Y5，Y4和Y5分别由PLCQ1.5及PLCQ5.7控制。图2 辅助回路3、可调闸控制回路(1)电液调压阀的工作过程如图3所示，可调闸是通过电液调压阀调节制动油压的大小，从而达到调节制动转矩的目的。电液调压阀线圈Y1（或Y2）中的电流，是由制动手把带动自整角机B1发出的信号，经磁放大器A1放大供给的。当制动手把处于全紧

13、闸位置时，自整角机同步绕组中的输出电压为零。这时磁放大器的输出电流最小，线圈Y1产生的电磁力也最小，克服不了十字弹簧的反力，使挡板处于最高位置，喷嘴喷油量多，因而溢流阀的油压力下降，工作闸在自身弹簧的作用下抱紧。当制动手把逐渐向松闸位置移动时，带动自整角机反时针旋转，其电压逐渐升高，磁放大器输出给线圈Y1中的电流也逐渐增大。线圈Y1在永久磁铁气隙中产生的电磁力也逐渐增大，于是压缩十字弹簧，带动挡板下移，使喷嘴喷油量逐渐减少，制动油压增高，制动闸逐渐松开。手把推至全松闸位置时，自整角机大约转50，这时输出电压最高，线圈Y1中的电流也最大，工作闸处于全松闸状态。Y1和Y2两套线圈互为备用（本设备只

14、设置了调压阀Y1）。图3 电液调压阀工作原理图4 可调闸控制回路(2)磁放大器的控制过程如图4所示，磁放大器A1的4个交流绕组接成内正反馈方式，由306，307两点输出电压，经C1滤波后加在电液调压阀线 圈Y1（或Y2）上，输出电压的特性如图5所示。由于是正反馈，使特性曲线起始工作点落在D点，采用正偏移线圈使磁放大器接近饱和，工作点移至A点，此时输出电压最大。KC2为工作闸继电器，用它控制可调闸的工作状态。在手动操作时，当司机将制动手把置于紧闸位置，工作闸闭锁开关SA2被压开，其动断触点打开，KC2断电，其触点使磁放大器A1和自整角机B1和电源断开，线圈Y1中无电流，盘形闸处于抱闸状态。如司机

15、将制动手把向松闸位置推动时，SA2被释放，其动断触点闭合，KC2通电，A1和B1才有可能通电，可调闸才有可能松开。可调闸制动转矩的调节也有手动和自动两种方式(本设备只有手动控制方式)。手动调节由司机通过制动手柄控制，当手把向松闸位置移动时，A1和B1均接通电源，同时还带动B1转动，使B1的输出电压由零慢慢增大，经VC2整流，由电位器RPt8输出给A1的控制线圈，由于RPt8的正端接控制线圈的单号，故其电流由流向，对放大器铁心呈正激磁。而控制线圈的双号端接于A1的输出正端（306），对铁心呈负激磁。当电位器上的电压高于磁放大器A1的输出电压时，二极管VD5起堵截作用，控制绕组中无电流流过。但当R

16、Pt8上的电压低于A1的输出电压时，则有电流由A1的输出端306VD5线圈RPt8307流回A1的输出端，对铁芯其负激磁作用。所以，控制线圈称为截止负反馈线圈，电位器RPt8上的电压叫堵截电压。调整时手柄放在松闸位置，RPt8上的电压和A1的输出电压接近相等，截止负反馈线圈中的电流接近于零，使A1仍工作于A点（图5），此时输出最大，全松闸。随着手把由全松闸向紧闸位置移动时，B1的输出呈线性减小，RPt8上的电压线性降低，截止负反馈线圈中的电流便增加，A1的输出减小，其工作点有A向D，E转化。当手把移到紧闸位置时，RPt8上的电压最小，截止负反馈线圈中的电流最大，使A1的输出最小，闸便抱紧，实现

17、了手动控制。4、提升信号回路提升信号系统由电源变压器、开关、按钮、信号指示灯、电铃、继电器、线路及其他电气元件组成。 一套完整的提升信号应包括:(1)工作信号。(2)事故信号(急停信号)。(3)检修信号。(4)各种安全保护信号。 (5)通讯系统。为保证提升系统安全可靠地运转，各类提升信号必须满足下列基本要求：(1)信号电源电压不得大于127V+5V，并须设置独立的信号电源变压器和电源指示灯。(2)工作信号必须声光兼备，警告信号必须为声响信号，一般指示灯为灯光信号。(3)信号系统应和提升机控制系统有连锁关系，即不发信号则提升机无法启动。本装置针对罐笼基本提升信号系统进行分析。(1)简要说明开车信

18、号由井口转发，井底不发信号，井口便发不出信号。开车信号除有声响外，还有灯光保留，直至打停车信号时消除。信号系统和提升机加减速控制回路有闭锁关系，不发开车信号，提升机无法加速。停车信号兼作事故信号，井底、井口均可直发至提升机房，以便司机及时停车。(2)工作过程基本信号系统分别为停车及事故信号回路、井下对井口的开车信号回路、井口对绞车房的开车信号回路，以及提升机的信号回路。停车及事故信号回路停车信号可由井底或井口发出，1DL2，2DL3，3DL2分别是井底、井口、绞车房的电铃，3HL1、2HL3、1HL2分别是安装在绞车房、井口、井底的停车或事故指示灯，当井底按下按钮1SB1或井口按下2SB1时，

19、1DL2，2DL3，3DL2都可以响铃，1HL2、2HL3、3HL1发光，向井底、井口、绞车房同时发出停车信号或事故信号。绞车司机听到铃响并看到3HL1亮的信号后进行停车或紧急制动。井底对井口的开车信号回路开车信号按钮1SB2设于井下，由井下信号工控制，按钮由井门开关闭锁。井门是保障上下罐笼的人员、物料安全的重要设施，当提升机在停车位停车时，井门打开，人员或物料进出罐笼。要进行提升时必须关闭井门，井门上的2个限位开关闭合（2个限位开关对应2个井门开关）。当井底的井门全部关闭后，信号按钮才能发出信号，这时信号工按下1SB2。1SB2接通两个控制回路；第一个回路是处于井底和井口的2个电铃1DL1和

20、2DL1，使之响铃以声音方式传递信号；第二个回路是灯光控制回路，将使井底和井口的信号灯1HL1和2HL1同时亮并自保持，直到停车回路接通，井口对绞车房的开车信号回路当井下已经向井口发出开车信号后和井口门被关闭（井门开关闭合）这两个条件同时具备时按下2SB2，有两个回路被闭合：其一，电铃2DL2（井口）、3DL1（安装和绞车房）被接通发出声音信号；其二，指示灯2HL2，3HL2发光指示并自保持。七、操作和安全运行首先将控制柜、操作台和实物模型用航空插座联接起来。（控制柜航空插座一、航空插座二、航空插座三分别和操作台上的航空插座一、二、三相连接；控制柜航空插座四和航空插座五分别和模型上的航空插座一

21、、二相连接）1)起动前的准备工作：开车前应先将操作台上的工作闸制动手柄SA2置于“紧闸”位置，主电动机操纵手柄SA1置于“零位”位置，过卷转换开关SA5置于“0”位置，将正力减速开关SA3打至“正常提升”的位置，调绳转换开关SA4置于“复位”位置，SA10置于“关”位置，SA6、SA7置于“正常”位置；将模型上ST1按下，1SB3、2SB3置于“关”位置，KP1、KP2置于“正常”位置，SL6、SL7置于“复位”位置，SL9、SL10置于“复位”位置，SL2、SL3置于“正常”位置，SL8按下。合上高压控制柜上的电源进线开关QS2（或QS3）、高压隔离开关QS1和高压断路器开关QF，使高压换向

22、器电源端有电，同时操作台及控制柜上的高压电压表指示出电压数值。将辅助回路开关QC1打到“接通”位置（操作台上），给辅助回路送电；将QC2、QC3分别打到“接通”位置（操作台上），为制动油泵和润滑油泵启动做准备。合上SA8（操作台上）开关，控制回路接通电源。按下SB1启动主电源，继电器KM1吸合，电源指示灯HLG亮，安全制动HLR5灭，Y7、Y8、Y9电磁换向阀均得电吸合。按下SB3、SB5（操作台上）分别启动制动油泵、润滑油泵；相应的KM2、KM3得电吸合，制动油泵工作指示灯HLG3、润滑油泵工作指示灯HLG4亮。 2)提升信号的操作井底对井口的信号指示：将井门开关1SB3打到“关”的位置，按

23、下开车信号1SB2，1SB2控制两个回路：一个回路使电铃1DL1、2DL1响，即井底向井口传递信号,另一个回路使信号灯1HL1、2HL1 保持常亮。直到停车信号接通时灯灭。井口对操作台的信号指示：将井门开关2SB3打到“关”的位置，按下开车信号2SB2，2SB2控制两个回路：一个回路使电铃2DL2、3DL1响，即井口向操作台传递信号,另一个回路使信号灯2HL2和开车信号3HL2保持常亮。直到停车信号接通时灯灭。（3DL1电铃、3HL2信号灯在操作台上） 3)提升机启动的操作将工作闸制动手柄SA2打到松闸位置，同时观察操作台上压力表值，使其范围在0.81.2MPa之间。此时操作人员可操纵主电动机

24、操纵手柄SA1向上（或向下）逐档推向终端位置，可通过触摸屏界面观看档位及频率，操作人员在操作时根据触摸屏界面监控罐笼状态。在井口（或是井底）人员观察罐笼即将到达井口（或是井底）位置时，由井口（或是井底）人员，按动停车按钮1SB1（或2SB1）时，操作台会接收到相应的停车信号，停车电铃3DL2响（停车指示灯3HL1亮），操作台操作人员在接收到停车信号以后，即开始执行停车操作扳动主电动机操纵手柄SA1至零位，将工作闸制动手柄打到紧闸位置，按下SB6、SB4及SB2关闭制动油泵电源及主电源。断开控制电源SA8。如操作未及时造成罐笼过卷，过卷指示灯HLR7亮，主电动机安全回路断开，主电动机停止运行。此

25、时需切换过卷开关SA3至反向位置（如是副罐笼过卷则切换至正向位置）。过卷操作：然后再次执行的操作，操作人员再次操纵主电动机操纵手柄SA1向下（或向上）使主罐笼缓慢下降（或上升），脱离过卷状态。过卷指示灯HLR7灭。即可停止主轴电动机，即开始执行停车操作（扳动主电动机操纵手柄SA1至零位）。然后把过卷开关打向“0”位。（如未发生过卷，则不用进行本步操作）停车操作：将开关QC1、QC2、QC3打在“停止”位置，再分开高压开关柜的隔离开关QS1，QS2（或QS3）和开关QF，至此完成整个上升过程（或是下降的过程）。下降操作步骤参考-在罐笼升降过程中可以在触摸屏上同步观测到罐笼的运行状态，在界面右下角

26、可以观测到主罐笼距离井底的位置（模型和触摸屏界面按照1：100的比例扩展行程），在行进过程中，当罐笼位置到达减速点时，操作人员即开始执行减速操作，达到停车监测点时，执行停车操作。4)提升机减速的操作将正力减速开关SA3打至“正力减速”位置旋动减速开关SL9（或SL10），减速信号传送至PLC，PLC控制变频器进行减速。此时，操作人员也可操作主电动机操纵手柄逐渐降低档位，以降低提升机速度。5)脚踏动力制动的操作在提升机上升或下降过程中，若需动力制动减速，操作人员可及时踩下脚踏动力制动开关SF2（在操作台下面左边位置），使主电动机停止运行。若需恢复提升机的运行，只需松开脚踏开关，同时将主电机操纵手

27、柄SA1至零位，即可继续操作提升机的升降。6)脚踏紧急停车的操作在提升机运行过程中，若需紧急停车，操作人员可及时踩下紧急停车开关SF1（在操作台下面右边位置），安全回路会立即断电，主电动机停止运行。若要使主电动机继续运行，需要重新恢复供电。7)调绳的操作过程和联锁将调绳开关SA4打至调绳位置，调绳联锁环节接入安全回路；为液压站的电磁换向阀Y4、Y5通电做准备；触摸屏显示调绳。将安全回路实验开关SA10打到“开”状态，按下安全回路闭锁开关SL8，按下离合器啮合按钮ST1，离合器啮合指示灯HLR3亮。将SA6打到“调绳”位置，电磁阀Y4通电；将SA7打到“调绳”位置，电磁阀Y5通电。按下按钮SB1

28、，启动安全回路；按下按钮SB3，启动制动油泵。此时除活动滚筒回路无压力外，其余压力表均显示一定压力。再按下ST1，使其复位，离合器啮合和离合器脱开指示灯都亮，表示离合器刚离开。然后按下ST2，离合器啮合指示灯灭，离合器脱开指示灯亮，表示离合器已处于离开状态。调节工作闸制动手柄，使压力上升到1.1MPa，然后操作主提升机操纵手柄，使固定滚筒单独转动，进行调绳，直到固定滚筒上的提升容器达到所需位置，停车抱闸。将工作闸制动手柄打到“紧闸”位置，按下SB4，关闭制动油泵，按下SB2，关闭主电源及安全回路；分别将SA6、SA7打到“正常位置，将安全回路实验开关SA10打到“关”状态，将调绳安全连锁SL8

29、复位，将离合器脱开按钮ST2复位，将离合器啮合按钮ST1按下，啮合器啮合指示灯亮。将调绳转换开关SA4复位，解除调绳时的全部联锁，调绳过程结束。8）故障调试的操作故障点故 障 现 象故 障 描 述K1制动油泵工作指示灯不亮KM2到PLC的输入端信号开路，I8.0无输入，导致制动油泵工作指示灯不亮。K2润滑油泵工作指示灯不亮KM3到PLC的输入端信号开路，I8.1无输入，导致润滑油泵工作指示灯不亮。K3离合器脱开HLR1指示灯不亮离合器脱开连锁开关ST2输入到PLC的信号开路，I1.7无输入，导致HLR1指示灯不亮。K4无法调绳调绳安全连锁开关SL8输入到PLC的信号开路，I1.6无输入，导致调

30、绳回路开路。K5减速回路开路，减速铃不响减速开关SL9、SL10输入到PLC的信号开路，I1.3无输入，导致减速回路开路，减速铃不响。K6反向过卷不起作用过卷限位开关SL3、SL5输入到PLC的信号开路，I1.5或12.3无输入，导致反向过卷回路开路。K7正向过卷不起作用过卷限位开关SL2、SL4输入到PLC的信号开路，I1.4或12.4无输入，导致正向过卷开路回路。K8井口不能发出开车信号2SB2输入到PLC的信号开路,I0.2无输入,导致接收不到提升信号。K9提升机不能运行直流调速器输出和接触器KM1之间开路，导致KM1不能吸合，提升机无法运行。K10安全制动指示灯HLR5不亮Q5.0和安全制动指示灯之间的连线开路，导致安全制动指示灯HLR5不亮。K11制动油过压KP1输入到PLC的信号开路,I1.0无输入K12制动油过热KP2输入到PLC的信号开路，I1.1无输入K13安全电磁阀不能得电Q5.6输出开路K14电源指示灯HLG不亮Q1.0和电源指示灯HLG之间的连线开路，导致电源指示灯HLG不亮。K15提升机上升时HLG1不亮Q1.1和提升机上升指示灯HLG1之间的连线开路，导致提升机上升时HLG1不亮。K16提升机下降时HLG2不亮Q1.2和提升机下降指示灯HLG2之间的连线开路，导致提升机下降时HLG2不亮。K17制动油泵工作时HLG3