【正文】 和多繩兩種系列，大都采用改變轉(zhuǎn)差率 s 的調(diào)速方法，在調(diào)速中產(chǎn)生大量的轉(zhuǎn)差功率，使大量電能消耗在轉(zhuǎn)子附加電阻上，導(dǎo)致調(diào) 速的經(jīng)濟(jì)性變差。極少數(shù)提升機(jī)采用串級調(diào)速方法，其調(diào)速范圍窄且投資大。 （ 2）直流拖動方式 我國提升機(jī)采用直流拖動有兩種系統(tǒng)：直流發(fā)電機(jī) — 直流電動機(jī)機(jī)組 (F— D)和晶閘管 — 直流電動機(jī) (SCR— D)系統(tǒng)。 （ 3）研制與發(fā)展 ①國產(chǎn)大型直流提升機(jī)及電控系統(tǒng)正在逐步完善和推廣使用；②大功率變頻調(diào)速電控提升機(jī)其效率可達(dá) 98％，國內(nèi)正在組織研究這種系統(tǒng)，不少院校和研究單位都在著手研制；③可編程序控制器在提升機(jī)電控系統(tǒng)的應(yīng)用可編程序控制器具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、實(shí)現(xiàn)繼電邏輯容易，基本免于維護(hù)等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，特別適用于對 我國占大部分的交流提升機(jī)繼電 — 接觸器電控系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造。 本文針對傳統(tǒng)、落后的繼電器 接觸器式罐籠運(yùn)行系統(tǒng)，采用先進(jìn)的 PLC 控制技術(shù)The genral stf(1mpoyidvc,uh)0jb。5wT進(jìn)行基于 PLC的礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)改造。采用先進(jìn)的變頻調(diào)速技術(shù)實(shí)現(xiàn)提升機(jī)多段速穩(wěn)定運(yùn)行；采用編碼器、接近開關(guān)等準(zhǔn)確檢測提升容器的位置和速度；采用液壓站和盤形制動器實(shí)現(xiàn)提升機(jī)的工作制動和安全制動；采用先進(jìn)的上位機(jī)監(jiān)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)提升機(jī)的狀況實(shí)時監(jiān)測，從而保證提升機(jī)可靠安全地運(yùn)行。主要內(nèi)容包括： （ 1）系統(tǒng)總體方案的設(shè)計； （ 2） PLC 控制回路電路的設(shè)計； （ 3） 變頻器主回路電路的設(shè)計； （ 4）系統(tǒng)主程序流程圖的設(shè)計； （ 5）上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計； 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 The genral stf(1mpoyidvc,uh)0jb。5wT 2 系統(tǒng)方案設(shè)計 礦井提升機(jī)可分為豎井提升機(jī)和斜井提升機(jī)兩種。 礦井提升機(jī)主要由電動機(jī)、減速器、卷筒（或摩擦輪）、制動系統(tǒng)、深度指示系統(tǒng)、測速限速系統(tǒng)和操縱系統(tǒng)等組成，采用交流或直流電機(jī)驅(qū)動。 按 提升鋼絲繩的工作原理分纏繞式礦井提升機(jī)和摩擦式礦井提升機(jī)。纏繞式礦井提升機(jī)有單卷筒和雙卷筒兩種，鋼絲繩在卷筒上的纏繞方式與一般絞車類似。按提升繩的數(shù)量又分為單繩摩擦式礦井提 升機(jī)和多繩摩擦式礦井提升機(jī)。 目前，我國單繩纏繞式提升機(jī)，廣泛采用交流繞線式電動機(jī)拖動。 目前提升機(jī)電控系統(tǒng)組成可簡單的劃分為：控制系統(tǒng)（主控系統(tǒng)、輔控系統(tǒng)）、調(diào)速控制系統(tǒng)（調(diào)速系統(tǒng)、供電系統(tǒng)）、監(jiān)控系統(tǒng)（上位機(jī)、操作臺）。主控系統(tǒng)主要是指完成提升機(jī)加速、等速、減速、爬行到停車整個運(yùn)行過程的開關(guān)量邏輯控制及其必要的保護(hù)并與其他子系統(tǒng)交換信號共同完成對提升機(jī)整機(jī)有效控制的系統(tǒng)；輔控系統(tǒng)是指各路供電電源、控制回路的接口以及輔機(jī)系統(tǒng)的控制等部分；調(diào)速系統(tǒng)是指根據(jù)控制系統(tǒng)的指令，作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)最終對提升機(jī)的主拖動電動機(jī) 進(jìn)行啟停、加速、減速、穩(wěn)速運(yùn)行控制的系統(tǒng)；監(jiān)控系統(tǒng)是指對電控系統(tǒng)關(guān)鍵部件，包括提升信號系統(tǒng)工作情況、提升機(jī)運(yùn)行過程中關(guān)鍵參數(shù)、參量的曲線、以及司機(jī)操作的正確性進(jìn)行監(jiān)控和顯示，并進(jìn)行必要的記錄以備系統(tǒng)的查閱之需；操作臺是電控系統(tǒng)的人機(jī)界面，擔(dān)負(fù)著對提升機(jī)進(jìn)行集中控制、監(jiān)視、參量信號顯示的重任。 司 機(jī) 操 作 臺 主 控 系 統(tǒng)輔 控 系 統(tǒng)上 位 機(jī) 監(jiān) 控系 統(tǒng)速 度 位 置 檢測 系 統(tǒng)供 電 系 統(tǒng)調(diào) 速 系 統(tǒng) 主 電 機(jī)主 機(jī) 設(shè) 備液 壓 站 潤 滑站 等 圖 21提升機(jī)電控系統(tǒng)構(gòu)成 本設(shè)計采用單繩纏繞式提升機(jī)（單卷筒），提升過程包括：啟動加速段、勻速段、一次減速段、勻速爬行段和二次減速制動段五個主要環(huán)節(jié)。 The genral stf(1mpoyidvc,uh)0jb。5wT表 21 礦井提升機(jī)主要技術(shù)參數(shù) 提升機(jī)型號 JK2 卷筒 個數(shù) 1 直徑 mm 2021 寬度 1500 鋼絲繩最大靜張力 載人 KN 55 載物 62 鋼絲繩最大靜張力差 載人 55 載物 62 鋼絲繩 直徑 mm 24 最小破斷拉力總和 KN 500 鋼絲繩最大提升速度 m/s 傳動比 提升高度或運(yùn)輸長度 一層纏繞 不 大 于 m 305 二層纏繞 650 三層纏繞 1025 電動機(jī) 型號 YR355M38J 功率 kW 180 轉(zhuǎn)速 r/min 735 提升機(jī)的速度要求： (1)主加速階段 t1 如圖 22所示，正常提升時，電動機(jī)產(chǎn)生的力矩比阻力矩大 3%～ 5%，產(chǎn)生比較低的加速度 a ≤ 。當(dāng) V0上升到 Vm時，電動機(jī)運(yùn)行在自然特性曲線上。下放時，由于負(fù)力較大，需要制動力來維持穩(wěn)定的下放速度和規(guī)定的減速度。 (2)勻速階段 t2 上升時，根據(jù)負(fù)載狀況使電動機(jī)保持電動狀態(tài)，且速度 Vm=／ s。下放時，由旋轉(zhuǎn)編碼器反映轉(zhuǎn)子下放速度， 當(dāng)速度高于 Vm 時，增大勵磁電流 If，提高制動力矩，河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 The genral stf(1mpoyidvc,uh)0jb。5wT7 提升容器勻速運(yùn)行。 (3)主減速階段 t3 為使提升機(jī)準(zhǔn)確停車，在停車前應(yīng)進(jìn)行減速。減速按照速度圖要求進(jìn)行，由裝在井筒內(nèi)的位置開關(guān)動作發(fā)出信號， PLC 再根據(jù)與電動機(jī)同軸運(yùn)行的旋轉(zhuǎn)編碼器發(fā)出的脈沖數(shù)進(jìn)行比較發(fā)出指令，增大勵磁電流 If，使下放速度在規(guī)定的時間內(nèi)降低。 (4)爬行階段 t4 V4在 m/ s 左右，此數(shù)值實(shí)際上是一個平均值，因?yàn)樘嵘龣C(jī)由較高的 Vm 不可能很準(zhǔn)確的變?yōu)樗俣?V4。 (5)停車階段 t5 將控制盤式制動器的液壓站電動機(jī)斷電，抱閘迅速抱住卷 筒，提升機(jī)停轉(zhuǎn)。 Vt 1 t 2 t 3 t 4 t 5V 0V m = 1 . 1 2 m / sV 4 = 0 . 3 m / s 圖 22提升機(jī)速度圖 提升機(jī)的受力情況： 由直線運(yùn)動的運(yùn)動方程可得： F = cF + ma （ 21） 式中： F －提升機(jī)在某運(yùn)動階段的力， N； cF －提升機(jī)的靜阻力（包括車重、提升機(jī)重量和 繩重）， N； m－把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的部件折算到直線運(yùn)動的變位質(zhì)量， kg； a－各階段的加速度、減速度值， m/ 2s 。 當(dāng) a =0時， F = cF ，勻速運(yùn)行； a＞ 0時， F ＞ cF ，加速運(yùn)行； a＜ 0時， F＜ cF ，減速運(yùn)行。 根據(jù)以 上分析， F = f（ t）的力圖如圖 2－ 3所示： The genral stf(1mpoyidvc,uh)0jb。5wTFF 1F 2F 3F 4F 5主加速勻 速主減速爬 行停 車t 1t 2t 3t 4 t 5 圖 2－ 3 提升機(jī)力圖 由以上分析可知，調(diào)速系統(tǒng)中 變頻器 受高壓電后，主控臺通過檢測變頻器的運(yùn)行信號，判斷變頻器已經(jīng)可以運(yùn)行，主控臺在自動模式下，通過控制變頻器，實(shí)現(xiàn)礦井提升機(jī)運(yùn)行的五段速度曲線，即啟動加速段、勻速段、一次減速段、勻速爬行段和二次減速制動段。 （ 1） 啟動加速段：主控臺接受井下操作人員的提升請求命令，對變頻器輸出正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)命 令，變頻器按照預(yù)先設(shè)定的加速時間運(yùn)行至最低頻率，將運(yùn)行信號反饋給主控臺，此時作用于滾筒上的抱閘系統(tǒng)處于抱閘狀態(tài)，滾筒靜止，拖動滾筒的電機(jī)處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)。主控臺接收到變頻器運(yùn)行信號后，在此稍做延時，一秒鐘后主控臺驅(qū)動液壓站液壓閥，液壓閥再驅(qū)動滾筒抱閘系統(tǒng)，松開抱閘系統(tǒng)，電機(jī)堵轉(zhuǎn)結(jié)束，開始旋轉(zhuǎn)，通過減速機(jī)，滾筒開始運(yùn)行，從而通過鋼繩拖動提升容器上下運(yùn)行。變頻器接受主控臺轉(zhuǎn)速給定信號，按照預(yù)先設(shè)定的加速時間逐步提高運(yùn)行頻率，滾筒轉(zhuǎn)速逐步提高。 （ 2）勻速段：當(dāng)轉(zhuǎn)速給定指令提高至 50赫茲，變頻器運(yùn)行至 50 赫茲時，進(jìn)入 勻速段，此階段，變頻器維持最大輸出，滾筒運(yùn)行至最高速度，拖動提升容器在最高速度下運(yùn)行。 （ 3）一次減速段：主控臺通過立井系統(tǒng)的位置傳感器接收提升容器運(yùn)行位置信號，當(dāng)?shù)竭_(dá)一次減速區(qū)間的時候，主控臺按照預(yù)先設(shè)定的程序減小轉(zhuǎn)速給定指令數(shù)值，變頻器接收到新的轉(zhuǎn)速給定數(shù)值后，執(zhí)行，開始降低運(yùn)行頻率，拖動電機(jī)及滾筒減速運(yùn)行。 （ 4）勻速爬行段：主控臺通過提升容器的位置傳感信號，通過預(yù)設(shè)數(shù)值，給定變頻器低轉(zhuǎn)速數(shù)值，變頻器在此轉(zhuǎn)速信號下維持低頻率輸出不變，提升容器低速運(yùn)行，進(jìn)入勻速爬行段。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 The genral stf(1mpoyidvc,uh)0jb。5wT9 （ 5）二次減速制動 段：主控臺通過提升容器的位置傳感信號，判斷提升容器即將進(jìn)入預(yù)定停車位置后，給變頻器更低轉(zhuǎn)速信號，變頻器運(yùn)行至最低頻率，當(dāng)提升容器即將到達(dá)預(yù)定位置后，主控臺發(fā)出急停指令，變頻器停止驅(qū)動電機(jī)，同時控制液壓站，關(guān)斷液壓閥，從而驅(qū)動滾筒抱閘系統(tǒng)，經(jīng)過二級制動，抱閘系統(tǒng)抱死，滾筒靜止，提升容器停運(yùn)。 根據(jù)礦井提升機(jī)控制工藝要求，要完成任務(wù)有多種選擇方案。 方案一 采用繼電器和主令開關(guān)構(gòu)成主回路，采用點(diǎn)信號來代表各種提升信號和檢測信號。 這種信號系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、操作方便 ,但存在如下 缺點(diǎn) : (1) 由于無法保留和復(fù)現(xiàn)點(diǎn)數(shù) ,所以信號識別全憑操作者的聽覺和視覺 ,容易造成信號的誤認(rèn)和誤傳 ,因信號的誤認(rèn)和誤傳而導(dǎo)致的提升事故屢見不鮮。 (2) 信號之間、信號系統(tǒng)與提升機(jī)電控系統(tǒng)之間沒有聯(lián)鎖 ,井口總信號工和司機(jī)的操作不受制約 ,很容易因誤操作而引發(fā)事故。 (3) 聲光信號一瞬即逝 ,無據(jù)可查 ,一旦發(fā)生事故 ,給事故分析帶來困難 ,很難找出真正的事故原因 ,致使同類事故重復(fù)發(fā)生。 (4) 由于信號稍縱即逝 ,操作人員的精力必須高度集中 ,加重了工人的負(fù)擔(dān)。 以上缺點(diǎn)嚴(yán)重影響了提升機(jī)運(yùn)行的安全，傳統(tǒng)的繼電器信號系統(tǒng)為有 觸點(diǎn)系統(tǒng)，元件易發(fā)生故障。工作可靠性差，一旦控制或閉鎖失靈，則事故將不可避免。此信號系統(tǒng)正在被淘汰。 方案二 采用單片機(jī)作為主控制系統(tǒng)，各控制臺通過單片機(jī)的串行口來實(shí)現(xiàn)主從式多級通訊。 新型礦井提升機(jī)信號裝置在系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)用了先進(jìn)的單片機(jī)技術(shù)、數(shù)字通信技術(shù)和漢字顯示技術(shù) , 具有聲光兼?zhèn)?、漢字顯示、數(shù)字存儲、故障診斷、安全閉鎖保護(hù)等特點(diǎn)。尤其在通信方面 , 采用了數(shù)字通信技術(shù) , 只需兩對普通電纜 , 且信號種類和數(shù)量不受限制 , 提高了信號傳輸?shù)目煽啃院挽`活性 , 功能靈活多樣 , 擴(kuò)展方便。新型礦井提升機(jī)信號裝 置的使用有效地解決了在微機(jī)系統(tǒng)中信號的遠(yuǎn)距離傳輸和可靠性問題。 但煤礦工作環(huán)境惡劣 ,各種電機(jī)的頻繁啟動與運(yùn)行引起的電磁干擾以及電網(wǎng)的不穩(wěn)定 ,對通訊信號和通訊裝置都將產(chǎn)生巨大的影響。 The genral stf(1mpoyidvc,uh)0jb。5wT方案三 采用 PLC作為信號系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，結(jié)合變頻調(diào)速技術(shù)，旋轉(zhuǎn)編碼器、接近開關(guān)等傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)礦井提升機(jī)的安全可靠運(yùn)行。 PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計時、計數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的 輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。 PLC 及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計 。它具以下特點(diǎn)： （ 1）可靠性高，抗干擾能力強(qiáng) 高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。 PLC 由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。 （ 2）配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng) PLC 可以用于各種規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代 PLC 大多具有完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。加上 PLC 通信能力的增強(qiáng) 及人機(jī)界面技術(shù)的發(fā)展，使用 PLC 組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。它接口容易，編程語言易于為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達(dá)方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近，只用 PLC的少量開關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實(shí)現(xiàn)繼電器電路的功能。 （ 3）系統(tǒng)的設(shè)計、建造工作量小，維護(hù)方便，容易改造 PLC 用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計及建造的周期大為縮短，同時維護(hù)也變得容易起來。更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。 （ 4）體積小，重量輕，能耗低 方案二和方案 三的控制系統(tǒng)都比較安全、可靠，且能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計要求。兩者的控制系統(tǒng)一個為單片機(jī)，另一各為 PLC。為了進(jìn)行方案確定，我們首先看一下兩者的區(qū)別：單片機(jī)的編程麻煩，可讀性差，實(shí)時控制不太占優(yōu)勢，但是他的成本低，控制方式比較靈活，而 PLC對于實(shí)時控制來說就比較優(yōu)越，他的編程方式簡單，可以用指令或是梯形圖來進(jìn)行編程，易學(xué)易懂，但是成本較高，適合用于工業(yè)控制。 對于本設(shè)計，由于礦井工作環(huán)境比較惡劣，且常用事故發(fā)生，各種電機(jī)的頻繁啟動與運(yùn)行引起的電磁干擾以及電網(wǎng)的不穩(wěn)定 ,對通訊信號和通訊裝置都將產(chǎn)