2022年基于PLC的矿井提升机控制系统设计.docx

精品学习资源基于 PLC 的矿井提升机掌握系统设计2021-2-9 20:25:00来源：1 引言目前，我国绝大部分矿井提升机（超过70% ）采纳传统的沟通提升机电控系统（tkd-a 为代表）； tkd 掌握系统是由继电器规律电路、大型空气接触器、测速发电机等组成的有触点掌握系统；经过多年的进展， tkd-a 系列提升机电控系统虽然已经形成了自己的特点，然而其不足之处也显而易见， 它的电气线路过于复杂化，系统中间继电器、电气接点、电气联线多，造成提升机因电气故障停车事故不断发生；采纳 plc 技术的新型电控系统都已较胜利的应用于矿井提升实践，并取得了较好的运行经验，克服了传统电控系统的缺陷，代表着沟通矿井提升机电控技术进展的趋势；2 总体设计方案 基于plc 技术的矿井沟通提升机电控系统掌握电路组成结构如图1 所示，要由以下 5 部分组成：高压主电路（包括高压换向器、电动机、启动柜、动力制动电源）、主控plc 电路、提升行程检测与显示电路、提升速度检测、提升信号电路，其中高压主电路部分仍采纳传统的继电器掌握电路；图 1 矿井沟通提升机电控系统框图工作过程：当井口或井底通过信号通信电路发出开车信号后，开车条件具备；司机将制动手柄向前推离紧闸位置，主电动机松闸；司机将主令掌握器的操作手柄推向正向（或反向）极端位置，主控plc 通过程序掌握高压换向器第一得电，使高压信号送入主电动机定子绕组，主电动机接入全部转子电阻启动，然后依次切除 8 段电阻，实现自动加速，最终运行在自然机械特性上；沟通提升机运行时，旋转编码器跟随主电动机转动，输出2 列 a/b 相脉冲，分别接到主控 plc 的高速计数器 hsc0 的 a/b 相脉冲输入端，由主控 plc 依据 a/b 脉冲的相位关系，自动确定hsc0 的加、减计数方式；依据hsc0 的计数值，就可以运算出提升行程并显示；同时只依据旋转编码器输出的a 相脉冲，主控 plc 进行加计数；依据 hsc1 在恒定间隔时间内的计数值，就可以运算出提升速度；3 硬件设计3.1 提升机主回路部分设计主回路用于供应提升电动机电源，实现失压、过流爱护，掌握电机的转向和调剂转速；主回路由高压开关柜、高压换向器的常开触头、动力制动接触器的常开主触头、动力制动电源装置、提升电动机、电机转子电阻、加速接触器的常开主触头（1jc8jc）和装在司机操作台上的指示电流表和电压表等组成；系统原理图如图2 所示；欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源图 2 提升机主回路系统原理图图 2 提升机主回路系统原理图主拖动电机挑选：鼠笼式异步电动机尽管结构简洁、价格廉价、爱护便利，但很难满意提升机启动和调速性能的要求，因此，矿井提升机沟通拖动系统均选用绕线式异步电动机作为主拖动电动机，绕线式异步电动机转子串电阻后能限制启动电流和提高启动转矩，并能在肯定范畴内进行调速；地面变电所送来的二路 6kv 电源，一路工作，一路备用，经tgg-6 型高压开关柜的隔离开关glk1 、油开关 gyd、高压换向器线路接触器 xlc 的主触头、正向（或反向）接触器zc（或 fc ）后到主电机的定子；在高压开关柜内仍设有电压互感器 yh，失压服扣线圈 syq，电流互感器 lh 和过流脱扣线圈 glq ，用于失压或过流爱护；在 syq 线圈回路中仍串联接有紧急停车开关jtk1 和换向器室栏栅门闭锁开关lsk；3.2 制动回路设计矿井提升机大多数采纳绕线式异步电动机来拖动，且多数场合下采纳有级切换转子回路电阻来实现调速；其制动系统多采纳可控硅动力制动和可调闸制动系统；前者为电气制动，后者为机械制动；提升机在减速段运行中，当速度在0 5%范畴内，电气制动起作用，可调闸不起作用；当超速在5% 10%范畴内，电气制动限幅，并爱护最大制动功率，同时可调闸起作用，总制动力矩增大；当超速10%时，过速继电器 gsj1 作用于安全回路，可调闸将提升机滚筒闸住；晶闸管动力电源装置主要有两部分组成，一部分为主回路，另一部分为触发回路；本文设计中采纳kzg 型三相可控硅动力制动系统；此系统为单闭环动力制动系统，系统方框图如图3 所示，从图中可以看出速度偏差掌握和脚踏掌握是“或”的关系，哪个信号大，就答应哪个信号通过，亦即相应的掌握方式发挥作用；因此，单闭环掌握时司机可以脚踏制动进行掌握，而在脚踏掌握时，如提升机超速，闭环系统又可起监视爱护作用；图 3 单闭环动制动系统方框图3.3 速度给定回路速度给定方式就是按行程原就产生速度给定信号；在矿井提升机电控系统中，通常是采纳凸轮板给定方法，即由凸轮板掌握自整角机的输出电压；由于自整角机没有可滑动的触点，因此电压变化较平稳，工作较牢靠，爱护量较小；原理图如图4 所示；图 4 速度给定电路自整角机作为给定装置应用时是将激磁绕组通以单相110 伏沟通电，在三相同步绕组中任取两相的输出作为给定电压的输出；其输出电压为沟通，如需要直流就应通过桥式整流输出；3.4 动力制动回路晶闸管整流器及其触发装置成套地装在电源柜中，动力制动电源装置输出电压的大小与触发装置输入的掌握信号电压的高低有关；欢迎下载精品学习资源图 5 动力制动电压形成回路掌握信号电压由两个回路组成一个或门电路，如图5 所示；只要其中之一达到触发要求时，即可使晶闸管触发起制动作用；这两个回路，一个是由实际速度与给定速度形成的速度偏差值，自动掌握cf3 磁放大器的输出和动力制动输出，另一条回路由司机掌握自整角机cd2 的输出以实现人工调剂；在人工掌握动力制动系统时，由司机掌握脚踏板带动自整角机cd2 发生掌握电压；调整时应使其与磁放大器cf3 的输出相协作；当脚跟刚刚踩下，脚尖尚未下踏时，相当于掌握开关闭和，使dzc 得电吸合，晶闸管动力制动投入，但此时自整角机cd2 输出很小，动力制动电流最小；当司机脚尖踏下后，自整角机cd2 输出最大；在脚踏动力制动与cf3 输出回路中，分别由 z1 和 z2 两个二极管组成一个或门电路，此两种掌握信号成并联关系，互不影响；3.5 行程检测与显示利用旋转编码器将提升机的运行位置转化为脉冲，plc 对此脉冲进行高速计数，通过相应的运算自动生成提升机位置的相关数据，传送到 plc 内部高速计数器的储备单元；为了提高计数器的脉冲精度，选用日本 omron 公司的 e6c-cwsc 型可逆旋转编码器， 其脉冲精确精度高，在低速时不会丢失脉冲；为了便于提升机司机操作，提升机电控系统需设置牢靠的行程显示装置（又称深度指示器）用于显示提升容器在井筒中的位置；本文设计依据编码器所测的运行距离（ 0 570m），采纳 3 个 led 七段显示器作为提升机位置的显示；图 6 plc 数字显示电路图 6 所示电路中，用具有锁存，译码，驱动功能的芯片cd4513 驱动共阴极 led 七段显示器，三只 cd45 - 13 的数据输入端 ad 共用可编程掌握器的4 个输出端，其中 a 为最低位， d 为最高位； le 是锁存使能输入端，在 le 信号的上升沿将数据输入端输入的bcd 数锁存在片内的寄存器中，并将该数译码后显示出来；假如输入的不是十进制数，显示器熄灭；le 为高电平常，显示的数不受数据输入信号的影响；明显， n 个显示器占用的输出点数为： 4+n ；3.6 帮助回路设计帮助回路是用于对帮助设备进行供电和掌握的；帮助回路的电源电压为沟通380v ，两回路供电；帮助回路所带负荷有：晶闸管动力制动电源装置、制动油泵电动机、润滑油泵电动机等；4 提升机主电动机转子电阻运算电动机转子电阻的运算，对欢迎下载精品学习资源提升设备的正常运转有着重要的作用；进行启动电阻运算时，第一应确定预备级级数和加速级级数；由于所选的级数直接影响到最大切换力矩的增大或减小及平均启动加速度的提高或降低，甚至由于过载才能不够而需加大电动机容量，故应全面考虑，选出经济合理的级数；一般情形下，预备级级数和加速级级数的挑选见附表所示；三相平稳启动电阻的运算方法许多，但基本上可分为两种类型：一类是按给定加速度来运算启动电 阻，另一类是以充分利用电动机的过载才能为动身点来运算；因第一类方法运算简便精确，故本文中采纳此方法运算； 5 plc 掌握系统设计 5.1 主控 plc 掌握电路设计依据提升机的运行方式和煤矿企业的固有特点，国产矿井提升机电掌握系统中应用plc 也进展很快；但从现场使用情形来看，目前，在国产煤矿提升机掌握系统中， plc 主要用于处理开关量，以替代老式提升机掌握系统中众多的继电器、接触器、复杂的连线以及信号显示系统，而涉及到提升机安全运行的制动系统中的模拟量和自动调剂过程，大多仍是通过用半导体器件、运算放大器等可调闸和可控硅动力制动的一般电子模式来处理；使用过程中常常会显现零点漂移、电子元件损坏，并且存在修理及重新调试难、牢靠性差等缺点，因而使提升机电控系统的牢靠性降低；针对上述问题，深化讨论用 plc 掌握煤矿提升机掌握系统是特别必要的；本文中主控单元可编程序掌握器（ plc ）设计，由一个 cpu226 主机和两片 i/o 扩展模块 em223 和em222 组成，设计含有 40 个输入点 40 个输出点，就详细 i/o 接线如图 7 所示；欢迎下载精品学习资源5.2 plc 掌握软件设计图 7 主控 plc 电路及扩展 i/o 接线欢迎下载精品学习资源图 8 主程序掌握流程图plc 掌握软件主程序流程图如图 8 所示；（ 1）初始化子程序用于对高速计数器 hsc0 和 hsc1 进行以下操作：写掌握字，定义工作模式，清零，写设定值，设置定时中断，连接中断，启动计数；（ 2）制动油泵、润滑油泵、动力制动电源、五通阀电磁铁、四通阀电磁铁和安全阀电磁铁等的掌握属于沟通提升机安全运行所需帮助设备的掌握；（3）制动油过压信号、制动油过热信号和润滑油过压信号的显示控 制用于沟通提升机工作状态的显示掌握；（4）调绳闭锁回路是在调绳过程中起安全爱护作用；双卷简 提升机换水平调绳时，调绳转换开关1hk-3 断开，使调绳连锁环节串入安全回路；正常运行时，lhk-3 接通，调绳连锁不起作用；（ 5）提升信号回路用于对沟通提升电动机启动或减速作好预备；（6）位置测量子程序用于测量提升机在矿井中的位置；（7）行程显示子程序依据旋转编码器的脉冲个数来显 示当前的行程位置；（ 8）减速信号回路和减速信号铃用于减速掌握并且发出铃声提示信号；（9）自欢迎下载精品学习资源动换向工作回路和手动正反转工作回路分别用于自动和手动方式下对沟通提升电动机进行正反转控制；（ 10）安全回路用于防止和防止沟通提升机发生意外事故；（11）定时器掌握回路和转子电阻通断掌握用于沟通提升电动机启动或减速时的转子电阻切换掌握；（12）动力制动回路用于动力制动电源的投入与切除掌握；（13）脚踏制动联锁和工作闸继电器用于沟通提升电动机制动掌握；6 终止语 提升机的掌握系统采纳 plc 掌握与 tkd-a 掌握系统结合的方式，具有牢靠、安全、实现便利等优点；采纳plc 实现提升机主要掌握规律，增加掌握功能，实现高效自动化生产；其关键是充分发挥plc 的优势， 利用其综合测控机制，解决好测速、爱护等问题，实现与原系统的良好连接，提高系统的综合性能，达到低投入高产出；从系统的应用情形看仍存在一些需进一步完善的问题如：网络通信功能和先进控制技术及策略如智能掌握等，在现有plc 技术的基础上进一步进行功能扩充，将会进一步提高我国矿井提升电控系统的现代化水平； 作者简介 徐成毅男毕业于辽宁工学院电气工程及其自动化专业现供职于大连三洋制冷有限公司技术研发本部；参考文献1 卢燕.矿井提升机电力拖动与掌握 .北京:冶金工业出版社,20012王永华，陈玉国 .现代电气掌握及 plc 应用技术 .北京:航空航天高校出版社 ,20033 余发止 .国内为矿井提升机的现状与进展 .矿井机电 ,1995 年第 3 期4 叶予光 .基于 plc 技术的矿井提升机电控系统 .机电一体化 ,2004 年第 6 期5 蒋宏民 .plc 技术在我国矿井沟通提升系统中的应用讨论.冶金矿山设计与建设， 1998 年第 4 期6 张红岩 .可编程掌握器在沟通提升机电控中的应用.中州煤炭 ,2005 年第 4 期主拖动电机挑选：鼠笼式异步电动机尽管结构简洁、价格廉价、爱护便利，但很难满意提升机启动和调速性能的要求，因此，矿井提升机沟通拖动系统均选用绕线式异步电动机作为主拖动电动机， 绕线式异步电动机转子串电阻后能限制启动电流和提高启动转矩，并能在肯定范畴内进行调速；地面变电所送来的二路 6kv 电源，一路工作，一路备用，经tgg-6 型高压开关柜的隔离开关glk1、油开关 gyd、高压换向器线路接触器xlc 的主触头、正向（或反向）接触器zc（或 fc）后到主电机的定子；在高压开关柜内仍设有电压互感器yh，失压服扣线圈syq，电流互感器 lh 和过流脱扣线圈 glq ， 用于失压或过流爱护；在syq 线圈回路中仍串联接有紧急停车开关jtk1 和换向器室栏栅门闭锁开关lsk；3.2 制动回路设计矿井提升机大多数采纳绕线式异步电动机来拖动，且多数场合下采纳有级切换转子回路电阻来实现调速；其制动系统多采纳可控硅动力制动和可调闸制动系统；前者为电气制动，后者为机械制动；提升机在减速段运行中，当速度在05%范畴内，电气制动起作用，可调闸不起作用；当超速在 5%10%范畴内，电气制动限幅，并爱护最大制动功率，同时可调闸起作用， 总制动力矩增大；当超速10%时，过速继电器 gsj1 作用于安全回路，可调闸将提升机滚筒闸住；晶闸管动力电源装置主要有两部分组成，一部分为主回路，另一部分为触发回路；本文设计中采纳kzg 型三相可控硅动力制动系统；此系统为单闭环动力制动系统，系统方框图如图3 所示，从图中可以看出速度偏差掌握和脚踏掌握是“或”的关系，哪个信号大，就答应哪个信号通过，亦即相应的掌握方式发挥作用；因此，单闭环掌握时司机可以脚踏制动进行掌握，而在脚踏掌握时，如提升机超速，闭环系统又可起监视爱护作用；欢迎下载精品学习资源图 3 单闭环动制动系统方框图3.3 速度给定回路速度给定方式就是按行程原就产生速度给定信号；在矿井提升机电控系统中，通常是采纳凸轮板给定方法，即由凸轮板掌握自整角机的输出电压；由于自整角机没有可滑动的触点， 因此电压变化较平稳，工作较牢靠，爱护量较小；原理图如图4 所示；图 4 速度给定电路自整角机作为给定装置应用时是将激磁绕组通以单相110 伏沟通电，在三相同步绕组中任取两相的输出作为给定电压的输出；其输出电压为沟通，如需要直流就应通过桥式整流输出；3.4 动力制动回路晶闸管整流器及其触发装置成套地装在电源柜中，动力制动电源装置输出电压的大小与触发装置输入的掌握信号电压的高低有关；图 5 动力制动电压形成回路掌握信号电压由两个回路组成一个或门电路，如图5 所示；只要其中之一达到触发要求时，即可使晶闸管触发起制动作用；这两个回路，一个是由实际速度与给定速度形成的速度偏差值，自动掌握cf3 磁放大器的输出和动力制动输出，另一条回路由司机掌握自整角机cd2 的输出以实现人工调剂；在人工掌握动力制动系统时，由司机掌握脚踏板带动自整角机cd2 发生掌握电压；调整时应使其与磁放大器 cf3 的输出相协作；当脚跟刚刚踩下，脚尖尚未下踏时，相当于掌握开关闭和，使dzc 得电吸合，晶闸管动力制动投入，但此时自整角机cd2 输出很小，动力制动电流最小；当司机脚尖踏下后，自整角机 cd2 输出最大；在脚踏动力制动与cf3 输出回路中，分别由 z1 和 z2 两个二极管组成一欢迎下载精品学习资源个或门电路，此两种掌握信号成并联关系，互不影响；3.5 行程检测与显示利用旋转编码器将提升机的运行位置转化为脉冲，plc 对此脉冲进行高速计数，通过相应的运算自动生成提升机位置的相关数据，传送到 plc 内部高速计数器的储备单元；为了提高计数器的脉冲精度，选用日本omron 公司的e6c-cwsc型可逆旋转编码器，其脉冲精确精度高，在低速时不会丢失脉冲；为了便于提升机司机操作，提升机电控系统需设置牢靠的行程显示装置（又称深度指示器）用于显示提升容器在井筒中的位置；本文设计依据编码器所测的运行距离（0570m），采纳 3 个 led 七段显示器作为提升机位置的显示；图 6 plc 数字显示电路图 6 所示电路中，用具有锁存，译码，驱动功能的芯片cd4513 驱动共阴极 led 七段显示器，三只cd45 -13 的数据输入端 ad 共用可编程掌握器的 4 个输出端，其中 a 为最低位， d 为最高位； le 是锁存使能输入端，在le 信号的上升沿将数据输入端输入的bcd 数锁存在片内的寄存器中，并将该数译码后显示出来；假如输入的不是十进制数，显示器熄灭；le 为高电平常，显示的数不受数据输入信号的影响；明显， n 个显示器占用的输出点数为：4+n； 3.6 帮助回路设计帮助回路是用于对帮助设备进行供电和掌握的；帮助回路的电源电压为沟通380v，两回路供电；帮助回路所带负荷有：晶闸 管动力制动电源装置、制动油泵电动机、润滑油泵电动机等；4 提升机主电动机转子电阻运算电动机转子电阻的运算，对提升设备的正常运转有着重要的作用；进行启动电阻运算时，第一应确定预备级级数和加速级级数；由于所选的级数直接影响到最大切换力矩的增大或减小及平均启动加速度的提高或降低，甚至由于过载才能不够而需加大电动机容量，故应全面考虑，选出经济合理的级 数；一般情形下，预备级级数和加速级级数的挑选见附表所示；三相平稳启动电阻的运算方法许多，但基本上可分为两种类型：一类是按给定加速度来运算启动电阻，另一类是以充分利用电动机的过载才能为动身点来运算；因第一类方法运算简便精确，故本文中采纳此方法运算； 5 plc 掌握系统设计 5.1 主控 plc 掌握电路设计依据提升机的运行方式和煤矿企业的固有特点，国产矿井提升机电掌握系统中应用plc 也进展很快；但从现场使用情形来看，目前，在欢迎下载精品学习资源国产煤矿提升机掌握系统中， plc 主要用于处理开关量，以替代老式提升机掌握系统中众多的继电器、接触器、复杂的连线以及信号显示系统，而涉及到提升机安全运行的制动系统中的模拟量和自动调剂过程，大多仍是通过用半导体器件、运算放大器等可调闸和可控硅动力制动的一般电子模式来处理；使用过程中常常会显现零点漂移、电子元件损坏，并且存在修理及重新调试难、牢靠性差等缺点，因而使提升机电控系统的牢靠性降低；针对上述问题，深化讨论用 plc 掌握煤矿提升机掌握系统是特别必要的；本文中主控单元可编程序掌握器（ plc）设计，由一个 cpu226 主机和两片 i/o 扩展模块 em223 和 em222 组成，设计含有 40 个输入点 40 个输出点，就详细 i/o 接线如图 7 所示；欢迎下载精品学习资源5.2 plc 掌握软件设计图 7 主控 plc 电路及扩展 i/o接线欢迎下载精品学习资源图 8 主程序掌握流程图plc 掌握软件主程序流程图如图 8 所示；（ 1）初始化子程序用于对高速计数器 hsc0 和 hsc1 进行以下操作：写掌握字，定义工作模式，清零，写设定值，设置定时中断，连接中断，启动计数；（ 2）制动油泵、润滑油泵、动力制动电源、五通阀电磁铁、四通阀电磁铁和安全阀电磁铁等的掌握属于交流提升机安全运行所需帮助设备的掌握；（3）制动油过压信号、制动油过热信号和润滑油过压信号的显示掌握用于沟通提升机工作状态的显示掌握；（4）调绳闭锁回路是在调绳过程中起安全爱护作用；双卷简提升机换水平调绳时，调绳转换开关1hk-3 断开，使调绳连锁环节串入安全回路；正常运行时， lhk-3 接通，调绳连锁不起作用；（5）提升信号回路用于对沟通提升电动机启动或减速作 好预备；（ 6）位置测量子程序用于测量提升机在矿井中的位置；（7）行程显示子程序依据旋转编码器的脉冲个数来显示当前的行程位置；（8）减速信号回路和减速信号铃用于减速掌握并且发出铃欢迎下载精品学习资源声提示信号；（ 9）自动换向工作回路和手动正反转工作回路分别用于自动和手动方式下对沟通提升电动机进行正反转掌握；（10）安全回路用于防止和防止沟通提升机发生意外事故；（11）定时器掌握回路和转子电阻通断掌握用于沟通提升电动机启动或减速时的转子电阻切换掌握；（12）动力制动回路用于动力制动电源的投入与切除掌握；（13 ）脚踏制动联锁和工作闸继电器用于沟通提升电动机制动掌握； 6 终止语 提升机的掌握系统采纳plc 掌握与 tkd-a 掌握系统结合的方式，具有牢靠、安全、实现便利等优点；采纳plc 实现提升机主要掌握规律，增加掌握功能，实现高效自动化生产；其关键是充分发挥 plc 的优势，利用其综合测控机制，解决好测速、爱护等问题，实现与原系统的良好连接，提高系统的综合性能，达到低投入高产出；从系统的应用情形看仍存在一些需进一步完善的问题如：网络通信功能和先进掌握技术及策略如智能掌握等，在现有plc 技术的基础上进一步进行功能扩充，将会进一步提高我国矿井提升电控系统的现代化水平；作者简介 徐成毅男毕业于辽宁工学院电气工程及其自动化专业现供职于大连三洋制冷有限公司技术研发本部；参考文献1 卢燕. 矿井提升机电力拖动与掌握 .北京:冶金工业出版社 ,20012王永华，陈玉国 .现代电气掌握及plc 应用技术.北京:航空航天高校出版社 ,20033 余发止 .国内为矿井提升机的现状与进展.矿井机电 ,1995 年第 3 期4 叶予光 .基于 plc 技术的矿井提升机电控系统 .机电一体化 ,2004 年第 6 期5 蒋宏民 .plc 技术在我国矿井沟通提升系统中的应用讨论.冶金矿山设计与建设，1998 年第 4 期6 张红岩.可编程掌握器在沟通提升机电控中的应用 .中州煤炭 ,2005 年第 4 期欢迎下载