【文章內容簡介】 本論文的研究目標是將可編程控制器（ PLC）與變頻器相結合并應用于礦山實際生產中，對現有的提升機電控系統(tǒng)進行改造設計，提高精度，在更安全的范圍內保證礦山生產的順利進行。設計中充分考慮到保護系統(tǒng)惡劣的使用環(huán)境，采用控制功能強大的 PLC 來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的大型交流接觸器，簡化了控制線路，并應用各種現場抗干擾措施，包括采用電抗器、空氣開關、及 RC 防浪涌震蕩電路等。尤其在軟件 中采用提升機電控系統(tǒng)中斷模塊及故障處理模塊，使超速報警更加科學合理。為了更直觀的顯示提升機的工作狀態(tài)及故障來源，增加了提升機監(jiān)視控制系統(tǒng)，通過顯示器對整個提升系統(tǒng)進行監(jiān)控。 本論文承擔的主要任務如下： 1．提升機電控系統(tǒng)主電路部分 結合煤礦生產實際情況，分析提升機工作過程及工作特點。給出提升系統(tǒng)的整體控制方案；確定基于 PLC 控制的大功率礦井提升機變頻調速控制系統(tǒng)組成。確定各部分所要完成的控制功能，并給出控制電路連接電路圖，分析其功能的實現。并采取一些提高系統(tǒng)安全運行和抗干擾能力的措施。 2．控制系統(tǒng)軟件設計 部分 可編程控制器 PLC 有強大的可編程控制功能，它是編程軟件 STEP— 7 來完成的。對于復雜的礦山提升機變頻調速電控系統(tǒng)采用 PLC 控制，在本文中設計出程序控制功能流程圖，并給出其它基本控制功能的梯形圖及控制程序編程語言。提升機系統(tǒng)是一個對安全性要求極高的控制單元，所以在軟件設計部分應有對其系統(tǒng)的故障診斷處理內容，在出現故障時應能及時報警或停車。 3．提升機速度給定方式分析 由于礦山生產過程中，提升機所承受的載荷不同、提升的方式及提升行程不同，提升機的牽引力也就不同，應對其進行適當調節(jié)，提升速度也應能及時進行控 制；如不做相應的處理和調整，系統(tǒng)將在較小的范圍內產生極大的累計誤差，導致系統(tǒng)的巨大波動，造成過載或松繩等，甚至導致礦車脫軌或過卷等重大事故，而造成巨大的損失。所以要尋求一種控制方法來提高控制精度。在實際中經常采用的轉子串電阻調速因其為有級調速，調速平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術學 院 畢業(yè)設計說 明 書 （ 論 文 ） 第 6 頁 不連續(xù)，且對電網沖擊大。所以尋求一種理想的速度給定方式極為重要，以求能夠提高電控系統(tǒng)控制性能，改善控制品質。 4．保護及抗干擾措施 傳統(tǒng)交流電控系統(tǒng)可靠性差，其安全保護、閉鎖及監(jiān)測系統(tǒng)不完善，均為單線系統(tǒng)，且與控制系統(tǒng)相混聯，多數共用一套線路，互相影響。本文針對制 約提升安全的主要環(huán)節(jié)設置減速、超速報警及過載、松繩、過卷等安全保護措施，增加監(jiān)視系統(tǒng)，對提升機的運行狀態(tài)及故障來源進行時時監(jiān)視，使提升安全狀況有所改善。 為了保證其安全生產，在系統(tǒng)設計上應采用隔離、濾波、屏蔽、接地等抗干擾措施。安全回路應具有雙重冗余功能。 第 2章 礦 井提升機的 組 成及分 類 礦井提升機的組成及分類 礦井提升機主要由電動機、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驅動。 礦井提升機按提升鋼絲繩的工作原理分纏繞式礦井提升機和摩擦 式礦井提升機。纏繞式礦井提升機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。單筒大多只有一根鋼絲繩，連接一個容器。雙筒的每個卷筒各配一根鋼絲繩，連接兩個容器，運轉時一個容器上升，另一個容器下降。纏繞式礦井提升機大多用于年產量在 120 萬噸以下、井深小于 400 米的礦井中。摩擦式礦井提升機的提升繩搭掛在摩擦輪上，利用與摩擦輪襯墊的摩擦力使容器上升。提升繩的兩端各連接一個容器，或一端連接容器，另一端連接平衡重。摩擦式礦井提升機根據布置方式分為塔式摩擦式礦井提升機（機房設在井筒頂部塔架上）和落地摩擦式 礦井提升機（機房直接設在地面上）兩種。按提升繩的數量又分為單繩摩擦式礦井提升機和多繩摩擦式礦井提升機。后者的優(yōu)點是：可采用較細的鋼絲繩和直徑較小的摩擦輪，從而機組尺寸小，便于制造；速度高、提升能力大、安全性好。年產 120 萬噸以上、井深小于 2100 米的豎井大多采用這種提升機 。 （一）纏繞式提升機： 纏繞式提升機的主要部件有主軸、卷筒、主軸承、調繩離合器、減速器、深度指示器平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術學 院 畢業(yè)設計說 明 書 （ 論 文 ） 第 7 頁 和制動器等（圖 2）。雙卷筒提升機的卷筒與主軸固接者稱固定卷筒，經調繩離合器與主軸相連者稱活動卷筒。中國制造的卷筒直徑為 2～ 5m。隨著礦井 深度和產量的加大，鋼絲繩的長度和直徑相應增加。因而卷筒的直徑和寬度也要增大，故不適用于深井提升。 根據卷筒數目可分為單卷筒和雙卷筒兩種： ① 單卷筒提升機，一般作單鉤提升。鋼絲繩的一端固定在卷筒上，另一端繞過天輪與提升容器相連；卷筒轉動時，鋼絲繩向卷筒上纏繞或放出，帶動提升容器升降。 ② 雙卷筒提升機，作雙鉤提升（圖1）。兩根鋼絲繩各固定在一個卷筒上 ,分別從卷筒上、下方引出 ,卷筒轉動時，一個提升容器上升，另一個容器下降。纏繞式提升機按卷筒的外形又分為等直徑提升機和變直徑提升機兩種。等直徑卷筒 的結構簡單，制造容易，價格低，得到普遍應用。深井提升時，由于兩側鋼絲繩長度變化大，力矩很不平衡。早期采用變直徑提升機（圓柱圓錐形卷筒），現多采用尾繩平衡。 提升機在超深井運行中，尾繩懸垂長度變化大，提升鋼絲繩承受很大交變應力，影響鋼絲繩壽命；尾繩在井筒中還易扭轉，妨礙工作。 20 世紀 50 年代末，英國人布雷爾（ Blair）設計了一臺直徑 (又稱布雷爾式提升機 )，提升高度 1580～ 2349m，一次提升量 10～ 20t。 （二）摩擦式提升機 多繩摩擦式提升機的主要 部件有主軸、主導輪、主軸承、車槽裝置、減速器、 深度指示器、制動裝置及導向輪等。主導輪表面裝有帶繩槽的摩擦襯墊。襯墊應具有較高的摩擦系數和耐磨、耐壓性能 ,其材質的優(yōu)劣直接影響提升機的生產能力、工作安全性及應用范圍。目前使用較多的襯墊材料有聚氯乙烯或聚氨基甲酸乙酯橡膠等。由于鋼絲繩與主導輪襯墊間不可避免的蠕動和滑動，停車時深度指示器偏離零位，故應設自動調零裝置，在每次停車期間使指針自動指向零位。車槽裝置用于車削繩槽，保持直徑一致，有利于每根鋼絲繩張力均勻。為了減少震動，可采用彈簧機座減速器。 升機 機房設在井塔頂層，與井塔合成一體，節(jié)省場地；鋼絲繩不暴露在露天，不受雨雪的侵蝕，但井塔的重量大，基建時間長，造價高，并不宜用于地震區(qū)（圖 3）。 機房直接設在地面上，井架低，投資小，抗震性能好；缺點是鋼平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術學 院 畢業(yè)設計說 明 書 （ 論 文 ） 第 8 頁 絲繩暴露在露天，彎曲次數多 ,影響鋼絲繩的工作條件及使用壽命（圖 4）。 平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術學 院 畢業(yè)設計說 明 書 （ 論 文 ） 第 9 頁 第 3章 礦 井提升機的制 動 裝置及安全裝置 礦井提升機的制動裝置 制動裝置的組成及種類 提升機制動系統(tǒng)是提升機重要 組成部分，它直接關系到提升機設備得安全運行，它由制動器（閘）和傳動裝置組成。制動器直接作用到制動力矩的機構、傳動裝置是控制并調節(jié)制動力矩的機構。制動器按其結構可分為塊閘 (角移式和平移式 )和盤問；傳動裝置按傳動能源可分為液壓、氣動及彈簧等。 制動裝置的作用 （ 1）在提升終了或提升機不工作時，可靠的閘住提升機 —— 停車制動； （ 2）減速階段參與提升機的速度控制 —— 工作制動； （ 3）作為安全機構，發(fā)生緊急事故時，進行安全制動，對提升系統(tǒng)進行保護 —— 緊急制動； （ 4）雙卷筒 提升機動作調繩離合器時，應能閘住活卷筒，動作死卷筒。 制動裝置的有關規(guī)定 （一） 《煤礦安全規(guī)程》第 428 條規(guī)定：提升絞車必須裝設深度指示器、開始減速時能自動示警與不離開座位即能操縱的常用閘和保險閘，保險閘必須能自動發(fā)生制動作用。 常用閘和保險閘共用 1 套閘瓦制動時，操縱和控制機構必須分開。雙滾筒提升絞車的 2 套閘瓦的傳動裝置必須分開。 對具有 2 套閘瓦只有 1 套傳動裝置的雙滾筒絞車，應改為每個滾筒各自有其控制機構的彈簧閘。 提升絞車除設有機械制動閘外，還應設有電氣制動裝置。 嚴禁司機離開工作崗位、擅自調 整制動閘。 （二） 《煤礦安全規(guī)程》第 429 條規(guī)定：保險閘必須采用配重式或彈簧式的制動裝置，除可由司機操縱外，還必須能自動抱閘，并同時自動切斷提升裝置電源。 常用閘必須采用可調節(jié)的機械制動裝置。 保險閘或保險閘第一級由保護回路斷電時起至閘瓦接觸到閘輪上的空動時間：壓縮空氣驅平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術學 院 畢業(yè)設計說 明 書 （ 論 文 ） 第 10 頁 動閘瓦式制動閘不得超過 ，儲能液壓驅動閘瓦式制動閘不得超過 ，盤式制動閘不得超過 。 盤式制動閘的閘瓦與制動盤之間的間隙應不大于 2mm。保險閘施閘時，杠桿和閘瓦不得發(fā)生顯著的彈性擺動。 （三） 提升絞車的常用閘和保險閘制動時 ，所產生的力矩與實際提升最大靜載荷旋轉力矩之比不得小于 3。在調整雙卷筒提升絞車卷筒旋轉的相對位置時（此時游動卷筒與主軸脫離連接），制動裝置在各滾筒閘輪上所發(fā)生的力矩，不得小于該滾筒所懸重量（鋼絲繩重量與提升容量重量之和）形成的旋轉力矩的 倍。 在立井和傾角大于 30176。的傾斜井巷，提升裝置的保險閘發(fā)生作用時，減速度必須符合：下放重載時，不得小于 。 礦井提升機的安全保護裝置 《煤礦安全規(guī)程》第 427 條規(guī)定：提升機必須具有以下九種安全保護裝置： 防止過卷裝置、防止過速裝置、過負荷和欠 電壓保護裝置、限速裝置、深度指示器失效保護裝置、閘間隙保護裝置、松繩保護裝置、滿倉保護裝置、減速功能保護裝置 防止過卷裝置：當提升容器超過正常終端停止位置（或出車平臺） 時，必須能自動斷電，并能使保險閘發(fā)生制動作用。 防止過速裝置：當提升速度超過最大速度 15%時，必須能自動停電，并能使保險閘發(fā)生作用。 過負荷和欠電壓保護裝置：在提升機的配電開關上設有過電流和欠電壓保護裝置，在過負荷或欠電壓情況下使配電開關自動跳閘，切斷提升電動機電源，并使保險閘發(fā)生作用。 限速裝置：提升 速度超過 3m/s 的提升絞車必須裝設限速裝置，以保證提升容器（或平衡錘）到達終端位置時的速度不超過 2m/s。如果限速裝置為凸輪板，其在１個提升行程內的旋轉角度應不小于 270176。 深度指示器失效保護裝置：當指示器失效時，能自動停電并能使保險閘發(fā)生作用。 閘間隙保護裝置：當閘間隙超過規(guī)定值時，能自動報警或自動斷電。 松繩保護裝置：纏繞式提升絞車必須設置松繩保護裝置并接入安全回路和報警回路，平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術學 院 畢業(yè)設計說 明 書 （ 論 文 ） 第 11 頁 在鋼絲繩松弛時能自動斷電并報警。箕斗提升時，送繩保護裝置動作后，嚴禁受煤倉放煤。 滿倉保護裝置 ：箕斗提升的井口煤倉倉滿時能自動報警和自動斷電。 減速功能保護裝置：當提升容器（或平衡錘）達到設計減速位置時，能示警開始減速。 防止過卷裝置、防止過速裝置、限速裝置、減速功能保護裝置應設置為相互獨立的雙線型式。 第 4章 提升機 調 速控制系 統(tǒng) 硬件 實現 提升機電控系統(tǒng)總體結構 基于 PLC 控制的大功率礦井提升機變頻調速控制系統(tǒng)由動力裝置、液壓站、變頻器、操作臺和控制監(jiān)視系統(tǒng)組成，系統(tǒng)框圖如圖 3— 1 所示。各部分功能如下：動力裝置：包括主電機、減速器、卷筒、制動器和底座，完成人、物、料的運輸任務。主電機通 過減速器向卷筒提供牽引所需的動力； 液壓站：為提升機提供制動力，停車時先通過液壓站給卷筒施加機械制動力，再取消直流制動力；提升機