【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 的知識(shí)素養(yǎng)和技術(shù)水平。 無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 4 2 煤礦井下升降機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案 礦井升降機(jī)肩負(fù)著井上、井下運(yùn)輸?shù)闹匾蝿?wù)， 對(duì)于整個(gè)煤礦而言 ， 升降機(jī)有著重要的地位， 素有“礦山咽喉”之稱。熟悉礦井升降機(jī)的性能、結(jié)構(gòu)及動(dòng)作原理，合理使用設(shè)備，加強(qiáng)維護(hù)，對(duì)確保升降機(jī)工作效率、提高安全 可靠性、防止和杜絕事故的發(fā)生具有重大意義。 礦井升降機(jī)概況 礦井提升系統(tǒng)概述 礦井提升設(shè)備主要有這幾個(gè)部分組成 ：提升容器、提升鋼絲繩、升降機(jī)、天輪、及裝卸載設(shè)備等。 由于井筒條件（豎井或斜井） 運(yùn)行時(shí)的方法和特性不同 ， 導(dǎo)致他們構(gòu)成的提升系統(tǒng) 也有差異。 圖 為斜井升降機(jī)示意圖 : 圖 斜井升降機(jī)示意圖 礦井升降機(jī)主要組成部分及其工作原理 礦井升降機(jī)是一個(gè)完整的機(jī)械－電氣機(jī)組，其主要由以下幾部分組成。 (1)工 作機(jī)構(gòu) 主要是指主軸裝置和主軸承等，主軸裝置由主軸、卷筒、滾動(dòng)軸承、支輪、制動(dòng)輪等組成。 (2)制動(dòng)系統(tǒng) 制動(dòng)系統(tǒng)是升降機(jī)不可缺少的重要組成部分之一，也是最后一道安全保障裝置，當(dāng)升降機(jī)出現(xiàn)緊急情況時(shí)可以起動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)，以保證升降機(jī)的安全。 (3)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng) 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)包括減速器和聯(lián)軸器。減速器是用來(lái)進(jìn)行減速和傳遞力煤礦井下升降安全控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 5 矩的，聯(lián)軸器是用來(lái)銜接傳動(dòng)部分的，并傳遞動(dòng)力。 (4)潤(rùn)滑系統(tǒng) 潤(rùn)滑系統(tǒng)是在提升運(yùn)行過(guò)程中， 向作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件表面輸送定量的清潔潤(rùn)滑油，以實(shí)現(xiàn)液體摩擦，減小摩擦阻力，減輕機(jī)件的磨 損。并對(duì)零件表面進(jìn)行清洗和冷卻。潤(rùn)滑系通常由潤(rùn)滑油道、機(jī)油濾清器和一些閥門等組成 ，以保證軸承和齒輪的正常工作。 (5)觀測(cè)和操縱系統(tǒng) 觀測(cè)包括斜面操縱臺(tái)，通過(guò)傳感器集中來(lái)的信號(hào)，對(duì)現(xiàn)有的運(yùn)行情況作出處理，從而執(zhí)行新的程序。 (6)拖動(dòng)控制和自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng) 礦井升降機(jī)自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)的作用是：在沒有作業(yè)員的情況下，發(fā)生突發(fā)事故時(shí)，升降機(jī)了能自行進(jìn)行做出相應(yīng)處理。 提升機(jī)工作原理：煤礦井下采煤，采好的煤通過(guò)斜井用 升降機(jī)將其運(yùn)輸?shù)降孛嫔?。 在井口處有升降機(jī) ， 電機(jī)經(jīng)過(guò)減速器后傳動(dòng)給卷筒，這樣控制升降機(jī)的運(yùn)行 。 當(dāng)快要到達(dá)頂端時(shí)，制動(dòng)減速。當(dāng)卸完煤以后，變頻器控制升降機(jī)進(jìn)行反轉(zhuǎn)，到煤礦深處進(jìn)行運(yùn)輸煤，這樣剛好完成一個(gè)周期，當(dāng)升降機(jī)需要停車時(shí)，發(fā)出停車指令，開始抱閘停車。 升降機(jī)電控系統(tǒng)的功能要求 隨著科技的發(fā)展，對(duì) 煤礦升降機(jī) 的要求也逐步提高，怎樣使得升降機(jī)平穩(wěn)、安全、可靠地運(yùn)行 ， 那就要求盡量 避免 零件的磨損 、減少機(jī)械部分維修的工作量、延長(zhǎng)升降機(jī)械的使用壽命。隨著人們對(duì)煤礦升降機(jī)自動(dòng)化水平、煤礦升降機(jī)設(shè)備提升能力要求的提高，對(duì)電器傳動(dòng)方式的改進(jìn)提出了更高的挑戰(zhàn)。 升降機(jī)的工作過(guò)程 升降機(jī)的過(guò)程是升降機(jī)在 煤礦中往返的上下運(yùn)動(dòng)，通常以提升機(jī)運(yùn)動(dòng)的速度與時(shí)間的關(guān)系來(lái)表示其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，稱為速度圖，升降機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度圖，包括五個(gè)階段，即：加速階段、減速階段、爬行階段、制動(dòng)階段、停車休止階段。 加速階段是指從靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)加速到最高速度；等速階段是提升機(jī)正常的運(yùn)行狀態(tài)，提升機(jī)以最高速度穩(wěn)速運(yùn)行；減速階段是提升機(jī)從最高速度減速到爬行速度；爬行階段是準(zhǔn)備安全停車階段 [1]。 速度圖如圖 ，加速度圖如 。 無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 6 （速度）V0t1 t2 t3 t4 t5 t1 t圖 為升降機(jī)的速度圖 （加速度）0aa1a2a3ta1 圖 為升降機(jī)的加速度圖 速度和加速度圖顯示了升降機(jī)一個(gè)周期類運(yùn)行的工作過(guò)程： （ 1）加速階段 t1 當(dāng)升降機(jī)到達(dá)底端時(shí)，以加速度 a1 運(yùn)行，一直達(dá)到最大速度 Vm。 （ 2）等速運(yùn)行階段 t2 升降機(jī) 這時(shí)達(dá)到了 最大提升速度 Vm。 （ 3）減速階段 t3 升降機(jī)將要接近頂端時(shí)，開始以速度 a3 運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)減速。 （ 4）爬行階段 t4 升降機(jī)到達(dá)設(shè)定的位置時(shí)，此時(shí)應(yīng)該應(yīng)以 v4 爬行。 （ 5）停車階段 t5 當(dāng)升降機(jī)運(yùn)行至終點(diǎn)時(shí)，升降機(jī)施閘停車。 升降機(jī)過(guò)程中各部分動(dòng)力計(jì)算， 而這些慣性力與升降機(jī)速度變化規(guī)律密切相關(guān)。首先，我們確定礦井升降機(jī)運(yùn)動(dòng)合力 。 假定電動(dòng)機(jī)克服所有阻力后的合力與全部靜負(fù)荷和提升有害阻力的合力作用在同一力臂上，則升降機(jī)運(yùn)動(dòng)部分有如下的動(dòng)力平衡方程： 2m 2F r dxFMdt?? （ ） 式中： mF －電動(dòng)機(jī)克服所有阻力后的合力； rF －全部靜負(fù)荷和提升有害阻力的合力； M －升降機(jī)所有運(yùn)動(dòng)部分的換算質(zhì)量； 22dxdt — 提升加速度， 煤礦井下升降安全控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 7 一般情況下， 22dr ( , )r xF f x c M dt?? （ ） 式中： x－給定瞬時(shí)通過(guò)的距離； c－各種不變提升參數(shù)的總和。 因此可得升降機(jī)的一般動(dòng)力微分方程： 22d( , )mr xF f x c M dt?? （ ） 因此，礦井升降機(jī)速度的變化規(guī)律為： f( ) dxVtdt?? （ ） 2 ,2d( ) ( , ) [ ( ) , ] ( )m m r r x txF f t f x c M f f t c M f tdt? ? ? ? ? （ ） 因此可得電動(dòng)機(jī)提升力如圖 所示： （電動(dòng)機(jī)提升力）0FdFd1Fd2Fd3Fd1F 圖 電動(dòng)機(jī)提升力圖 要使升降機(jī)按給定速度圖運(yùn)行，電氣傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)能根據(jù)負(fù)載的變化而自動(dòng)的工作在電動(dòng)或制動(dòng)狀態(tài)。綜合以上升降機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)以及礦山生產(chǎn)固有的特點(diǎn)，對(duì)煤礦升降機(jī)的控制方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。 煤礦升降機(jī)的控制要求 目前，對(duì)于煤礦控制系統(tǒng)的具體要求有：調(diào)速性能好、升降機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定、定位準(zhǔn)確、能夠迅速的進(jìn)行正反轉(zhuǎn) 。 (1)加（減）速度大小的確定應(yīng)符合以下條件： ①應(yīng)符合國(guó)家有關(guān)安全生產(chǎn)規(guī)程的規(guī)定。升降人員時(shí)，加速度ａ≤ 178。升降物料時(shí)，加速度ａ≤ 178。 ②應(yīng) 不超過(guò)升降機(jī)的減速器所允許的動(dòng)力矩。 (2)具有良好的調(diào)速性能。 能夠在加速、減速等階段調(diào)速平穩(wěn)，調(diào)速范圍比較廣，運(yùn)行中平穩(wěn)和安全。 無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 8 (3)有較好的啟動(dòng)性能。 升降機(jī)是在裝完貨物后才開始啟動(dòng)的，這一點(diǎn)與其他機(jī)械不同，因此必須要重載起動(dòng)，對(duì)升降機(jī)的起動(dòng)性能有較高的要求 。 (4)特性曲線要硬。 當(dāng)系統(tǒng)受到負(fù)載變化時(shí)，調(diào)速系統(tǒng)能夠在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到正常，速度基本上不受到影響， 當(dāng)負(fù)載超過(guò)一定限度時(shí)，此時(shí)安全回路會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的動(dòng)作，進(jìn)行自我保護(hù)，制動(dòng)抱閘停機(jī)。 (5)工作方式轉(zhuǎn)換容易。 能夠方便進(jìn)行轉(zhuǎn)換，容易操作 ， 可操作性強(qiáng)，不 會(huì)因?yàn)檗D(zhuǎn)換的繁瑣影響生產(chǎn)。 (6)將高科技用到升降控制系統(tǒng)中，這樣 整體 效率比較高 。 (7)要求 有相應(yīng)的保護(hù)措施，以保證控制系統(tǒng)的安全性 。 (8)要盡量節(jié)約成本，減少一些不必要的開銷 [3]。 煤礦井下升降機(jī)電氣控制系統(tǒng)組成 傳統(tǒng)的提升機(jī) 的控制方式 是通過(guò) 切換電阻的形式 來(lái)實(shí)現(xiàn)的， 這種方式效率低下，問(wèn)題復(fù)雜， 其中的缺點(diǎn)如下所述 : (1)提升機(jī)啟動(dòng)的一瞬間電流很大，對(duì)電機(jī)的傷害嚴(yán)重，且在加 /減速運(yùn)行時(shí)可控制性弱，舒服度不好，停位不精確。 (2)提升機(jī)的運(yùn)行效率比較低，很多的能量都消耗的在電阻發(fā)熱上。 (3)電氣控制系統(tǒng)中的線路老化比較明顯、運(yùn)行的情況比較復(fù)雜復(fù)雜，維護(hù)量比較大，當(dāng)出現(xiàn)事故時(shí)很難排查。因此，用 PLC 來(lái)控制升降機(jī)的運(yùn)行，大大減少了這些麻煩，提高了升降機(jī)的工作效率。 根據(jù)礦井提升機(jī)的工作過(guò)程和控制要求，在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)過(guò)程中，有很多困難需要克服 ,很多難點(diǎn)需要解決，其中關(guān)鍵性的問(wèn)題有以下幾點(diǎn)。 (1)系統(tǒng)的安全可靠性 設(shè)計(jì)升降機(jī)的安全控制系統(tǒng)，首先值得考慮的就是系統(tǒng)的安全性，安全是升降機(jī)運(yùn)行的第一保障，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，怎樣使得升降機(jī)安全平穩(wěn)的運(yùn)行成為本課題研究的一個(gè)難點(diǎn)，也是一個(gè)重要的挑戰(zhàn)。 (2)穩(wěn)定的調(diào)速 為了設(shè)計(jì)出更優(yōu)更穩(wěn)定的調(diào)速系統(tǒng)，本課題采用 PLC 控制變頻器，利用變頻器控制升降機(jī)的運(yùn)行情況以及調(diào)速。硬件設(shè)計(jì)包括 PLC、變頻器、電機(jī)等的選擇。軟件設(shè)計(jì)包括 PLC的控制的流程圖、梯形圖等。本控制系統(tǒng)為礦井提升機(jī)的穩(wěn)定、安全和高效運(yùn)行提供了可靠的保障。 (3) 高效性和舒適性 拖動(dòng)系統(tǒng)可以按照提升種類要求的額定速度不同，讓舒適著乘坐比較舒服；同時(shí)調(diào)速的穩(wěn)定性使得升降機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)，方便物資的進(jìn)出，大大的提高運(yùn)行效率。 改進(jìn)后的電氣控制系統(tǒng)組成圖如圖 所示。 煤礦井下升降安全控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 9 PLC操作臺(tái)變頻器編碼器M~減速箱滾筒 圖 電氣控制系統(tǒng)組成圖 系統(tǒng)設(shè)有操作臺(tái)，各種運(yùn)行方式、系統(tǒng)狀態(tài)及故障信號(hào)指示燈，以及各種音響警示鈴，在出現(xiàn)意外時(shí)提醒司機(jī)注意。操作人員可以根據(jù)控制要求進(jìn)行各種操作， PLC 輸出相應(yīng)指令控制變頻器運(yùn)行，從而調(diào)整升降機(jī)的運(yùn)行。 (1)主控系統(tǒng) 本系統(tǒng)的主控系統(tǒng)采用 PLC 來(lái)控制，主 PLC 正常運(yùn)行時(shí) ， 傳感器將相應(yīng)的信息轉(zhuǎn)換為控制信號(hào)， 以保證控制系統(tǒng)的運(yùn)行的正常 。 (2)調(diào)速系統(tǒng) 調(diào)速系統(tǒng)采用 MM420 變頻器 , 通過(guò)程序編制對(duì)升降機(jī)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)提升機(jī)的正反轉(zhuǎn)和速度的控制 ，以及過(guò)卷保護(hù)、松繩保護(hù)、超載保護(hù)。 礦井提升機(jī)調(diào)速控制方式選擇 變頻調(diào)速的控制 根據(jù)相關(guān)的電機(jī)學(xué)原理知識(shí) ,可以得到異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速關(guān)系式為： 11 6 0 (1 ) fn n s p? ? ? （ 1s ） () 式中： n—— 升降 機(jī)的轉(zhuǎn)速； S—— 定子每相繞組串聯(lián)匣數(shù) 。 P—— 極對(duì)數(shù)； f—— 定子供電頻率； 從式可知，異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法可分為以下三大類 : (1)變極調(diào)速方法 (2)變轉(zhuǎn)差率調(diào)速方法 (3)變頻調(diào)速方法 其中變 頻調(diào)速 是改變電動(dòng)機(jī)定子電源的頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速的方法，具有調(diào)速范圍廣， 運(yùn)行效率高，靜態(tài)穩(wěn)定性好，使用方便可靠 ， 經(jīng)濟(jì)效益顯著等優(yōu)點(diǎn) ， 為了使升降機(jī)調(diào)速控制 無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 10 系統(tǒng)能取得良好的控制性能，綜合上面所述的幾種調(diào)速控制方式，權(quán)衡各種調(diào)速控制方案的優(yōu)劣，再結(jié)合升降機(jī)調(diào)速系統(tǒng)特性的特點(diǎn)，最終選擇 PLC 與變頻器相結(jié)合的變頻調(diào)速控制方案。 變頻調(diào)速的頻率控制方式 —— 矢量控制 矢量控制主要是用來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的定子電流轉(zhuǎn)矩分量和磁通分量的控制方法，通過(guò)改變一系列坐標(biāo)實(shí) 現(xiàn)的。它還可以通過(guò)對(duì)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩的控制 進(jìn)行提哦啊書， 矢量控制 兩種，調(diào) 節(jié)電壓，使電機(jī)電流與負(fù)載扭矩相匹配，到達(dá)改善低速扭矩特性的目的 ， 但是其控制器的設(shè)計(jì)在某種程度上依賴于電機(jī)的參數(shù) [4]。 矢量控制通過(guò)調(diào)節(jié)變頻器的輸出電壓，以保證電機(jī)的磁通量不變，其大小可以通過(guò)電機(jī)性能的設(shè)定來(lái)改變。 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)組成 采用矢量控制技術(shù)，只要變頻器收 到 PLC 的程序信號(hào)，就能做出相應(yīng)的動(dòng)作。 變頻器自帶欠壓，過(guò)流 等保護(hù)裝置， 傳感器收集各種信號(hào)，然后傳給 PLC， PLC 對(duì)各信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)處理， 變頻器接到相應(yīng)信號(hào)后 ，從而控制升降機(jī)的轉(zhuǎn)速 。 轉(zhuǎn)速也可以經(jīng)過(guò)傳感器反饋到PLC,使得速度更加趨 于平穩(wěn)，調(diào)速更加精確。 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)框圖 如圖所示 速度給定PL C控 制器 變頻器 交流電機(jī)編碼器+轉(zhuǎn)速 圖 基于 PLC 速度變頻調(diào)速控制系統(tǒng)框圖結(jié)構(gòu) 煤礦井下升降安全控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 11 小結(jié) 通過(guò)對(duì)升降機(jī)結(jié)構(gòu)的分析，結(jié)合升降機(jī)的工作過(guò)程和特點(diǎn)，分析提升機(jī)五階段速度圖，得出礦井提升機(jī)對(duì)電氣控制系統(tǒng)的要求，并對(duì)變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行分析，最終采用矢量控制變頻調(diào)速對(duì)升降機(jī)的運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn) 煤礦升降機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的平穩(wěn)、安全、可靠。 無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 12 3 升降機(jī)控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì) 煤礦井下升降機(jī)控制系統(tǒng)硬件包括對(duì)電動(dòng)機(jī)，變頻器， PLC 的選型。 PLC 控制可使系統(tǒng)控制線路大大簡(jiǎn)化且柔性強(qiáng)，控制功能多， 將可編程控制器（ PLC）與變頻器相結(jié)合并應(yīng)用于礦井實(shí)際生產(chǎn)中，對(duì)現(xiàn)有的升