基于PLC的矿井提升机控制综合系统.docx
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1、 摘 要矿井被称作地下矿井系统咽喉,是井下和地面最关键通道。矿井提升机负担着矿井和井下人员、矿料、设备等物资运输重担,是整个矿井系统中关键部分,矿井提升机安全可靠运行至关关键。所以设计一套安全可靠矿井提升机控制系统含有极大意义。PLC出现后以其显著优点快速成为工业生产控制系统主流发展方向,其可靠性高,抗干扰能力强;编程简单,使用方便;控制程序可变,含有很好柔性功效完善;扩充方便,组合灵活,极大降低控制系统设计及施工工作量;体积小,重量轻;很适用“机电一体化”设备。基于PLC设计矿井提升机控制系统,极大满足对大型机械控制安全和可靠性要求,且节能环境保护,便于操作和维护。关键词:矿井提升机;PLC
2、;控制系统。Abstract The mine is called the throat of the underground mine, which is the most important channel of the underground mine. The mine hoist bears the heavy responsibility of the mine and the underground personnel, the ore material, equipment and so on. It is the core part of the entire mine sy
3、stem, and the safe and reliable operation of the mine hoist is very important. Therefore, it is of great significance to design a safe and reliable control system of mine hoist. PLC appears with its remarkable advantages quickly become industrial production control system of the mainstream of the de
4、velopment direction of, the high reliability, strong anti-interference ability; programming is simple, easy to use; variable control procedures, with perfect good flexible function; to facilitate the expansion, flexible combination, greatly reducing the control system design and construction work; h
5、as the advantages of small volume, light weight; very applicable electromechanical integration equipment. Design of mine hoist control system based on PLC, which greatly meets the requirements of safety and reliability of large mechanical control, and energy saving and environmental protection, easy
6、 to operate and maintain.Key words: mine hoist; PLC; control system.目 录汉字摘要. .英文摘要. .目录.1 绪论.11.1 课题研究背景.21.2 提升机中国外发展现实状况.21.3 课题关键研究内容.32 矿井提升机概述2.1 矿井提升机介绍.32.1.1 矿井提升机分类.42.1.2 矿井提升机关键组成部分及工作原理.62.2 矿井提升机运行.72.3 提升机故障及保护.83 矿井提升机控制系统设计3.1 矿井提升机控制要求.93.2 硬件选择及其电气连接.103.3 控制系统参数推导及设置.143.3.1提升过程参数
7、推导.143.3.2变频器参数设置.173.4 控制系统软件设计.184 矿井提升机保护设计4.1 安全报警和监控板设计.194.2 抗干扰方法.205 总结 .216 参考文件.227 致谢.248 附录.25控制步骤图.25MM440说明书(部分).26软件设计指令表.26程序梯形图.30仿真结果图.33 1 绪论采矿业是国民经济关键组成部分,采矿业健康发展对社会主义建设含有重大意义。中国幅员广阔,矿产资源丰富,不过开采难度大,露天矿山屈指可数,众多矿产资源全部埋在深土里。中国采矿大全部是地下做业,对矿井提升机这种矿山关键设备需求极大。美国通用汽车制造企业(GM)最先于1968年提出研制一
8、个新控制器,而且在用户角度给出了设计要求。第二年美国数字设备企业(DEC)研制出了第一台可编程控制器(ProgrammableLogicController)PDP-14,用于通用汽车生产线。随即日本西欧等国也引进PLC制造技术,反展自己PLC技术。伴随计算机技术和PLC技术融合,PLC功效得到了巨大飞跃,其超高运算速度,可靠抗干扰设计能力,数字模拟量处理功效,强大PID功效,极小体积,极高性价比,让它在众多工业化国家中得到大量使用。 经过对PLC大量实践应用国外PLC厂家积累了大量开发设计经验,凭借技术优势,发达国家生产PLC企业在PLC全球份额占到了80%,几家大型PLC制造企业主导了全球
9、PLC行业,这几家企业是德国西门子 (SIEMENS)企业、AEG企业、法国TE企业。日本三菱、欧姆龙、松下、富士,韩国三星(SAMSUNG)、LG。PLC技术是现代控制技术主流技术,代表了高度发达自动化,智能化水平,PLC技术在工业生产中蓬勃发展,得益于其优良可靠性,抗干扰能力;简单编程要求,方便使用方法;可变控制程序,良好柔性且功效完善;扩充方便,组合灵活,极大降低控制系统设计及施工工作量;体积小,重量轻。发展PLC理论,应用PLC控制,能极大解放生产力,极大缓解中国“老龄化”所带来生产力不足和国家产业转型政策要求。 采矿业中地下做业是及其危险,矿井下环境复杂,塌方沁水等问题层出不穷,矿石
10、采掘及其繁重。作为矿山生产中关键设备矿井提升机,它安全可靠运行就几乎决定了整个矿井安全。中国对于矿井提升机研发较晚,一直以来,国有大型厂矿全部使用国外设备,这即推高了企业运行成本,也不方便维护,若发生意外事故,还拖延救援黄金时间。所以,将PLC技术应用于矿井提升机研发中来,含有极大经济价值,科研价值和社会价值。1.1课题研究背景 矿井是矿山咽喉,是井下和地面沟通最关键通道;矿井提升机是矿井工作系统中关键部分,负担着矿料、设备、人员进出,矿井提升机安全可靠至关关键。传统矿井提升机控制系统,需要数量众多继电器设备,布线复杂,体积庞大,耗能多,开启,停车,制动,逻辑控制等方面难尽人意。工作过程中整车
11、下行,体积大,重量高,维护困难,产生大量热,有电火花,给安全生产带来巨大隐患。采矿业作为现代工业关键组成部分,伴伴随控制技术进步,由人工控制,半自动控制,逐步向自动化,智能化发展。PLC代表了现代工业控制优异水平,相对于传统控制,其可靠性高,抗干扰能力强;编程简单,使用方便;控制程序可变,含有很好柔性功效完善;扩充方便,组合灵活,极大降低控制系统设计及施工工作量;体积小,重量轻,是“机电一体化”理想设备。基于PLC设计矿井提升机控制系统,能极大改善提升机控制,提升整个矿井生产安全性,可靠性和自动化水平,符合社会生产力反展和国家产业技术升级政策。1.2提升机中国外发展现实状况 工业革命刺激了对矿
12、料需求,第一次工业革命时国外就开始研制矿井提升机控制系统,20世纪60年代国外开始研制矿井提升机监控系统,长时间技术积累使国外在提升机状态监控方面水平较高。尤其是对闸控和速度监控等部分关键保护步骤,设计愈加合理,有些步骤设置双重保护,如过速保护,过卷保护等。这些监控保护方法,对提升机运行安全全部是可靠确保,如瑞典ABB企业矿井提升机速度保护功效齐全,系统可靠,能实现全自动开车;德国西门子企业全数字式提升机实现了数字驱动,含有紧急制动时恒减速,提升钢丝绳张力动态监视,提升系统及设备动态显示和故障自诊疗功效。 中国相关提升机控制系统研究起步较晚,相对于国外设备性价比不高。中国大型矿井通常引进国外提
13、升机设备,不过国外企业实施严格技术保密方法, 其关键技术(如程序等)无法掌握,在使用、维修和零部件供给上全部受到限制,且价格昂贵,推高了矿井生产成本,中小矿井更是难以负担,只好使用质量较差设备,给安全生产带来隐患。改革开放后中国主动开展了提升机研制工作,取得了长足进步,不过和国外同类产品比较,还是存在着巨大差距。以交流电控系统关键以TKD交流拖动为代表,主令操作及故障监控仍采取传统继电器控制线路,每台提升机需要数百个甚至上千个触点继电器,系统可靠性差,故障率高,且不易维修,数目众多控制线要和多种动力电缆经过狭小井筒空间并行下井,安全性差,电磁干扰大。伴随技术进步,现代矿井提升机控制走向自动化,
14、小型化,节能化。以PLC为代表控制理论技术是矿井提升机控制未来发展方向。1.3课题关键研究内容 本文叙述部分叙述现代主流矿井提升机关键机型,运行、保护方法,控制系统关键性能指标。设计部分基于PLC设计出一套满足实际生产矿井提升机控制系统。包含硬件选择,参数推导,PLC外部接线示意图,控制步骤图,主电路图,I/O分配表,控制版面,安全保护。 2 矿井提升机概述2.1 矿井提升机介绍 矿井提升机又称“提升绞车”, 是一个大型提升机械电气设备。关键用于地下采矿作业,经过电机带动钢丝绳连接容器在井筒中升降,完成输送任务。现代矿井提升机控制由继电器控制,分离元件控制,模拟电路控制到微电子(PC,PLC)
15、全自动化控制,不过,出于安全考虑,提升机自动化控制还是相正确,需要人工监测,设计中全部会给人工控制留出较高控制等级。现在使用较广泛型号有:JTP型、JK型、JTK型。2.1.1 矿井提升机分类 矿井提升机以电机驱动方法分类有交流式和直流式。交流电机结构简单,组合紧凑,质量坚固,价格廉价,容量大,维护简单,可直接三相电源使用,使用场所广,长时间应用于井下采矿作业等复杂环境场所;不过,交流电机调速性能差,在矿井内调速停车通常是机械硬停,对机械零部件照成冲击,降低了其使用寿命,且冲击过程轻易出现火花,增加了安全隐患。20世纪70年代,得益于大功率可控硅和电子控制技术发展,直流电机凭借其良好调速性能,
16、优良开启停车,大范围平滑调速能力,主导了一段时间大中型矿提升机种类。伴随电力电子器件,交流控制理论,PC、PLC控制技术发展,对于交流电机取得了同直流电机一样调速性能,尤其是大功率电机,交流电机有显著优势。目前中国井下采矿系统中,提升机大多采取交流绕线式异步电动机转子串电阻调速方案。矿井提升机按钢缆绕行分为两类:缠绕式和摩擦式。两种方法均可用于主副井,提拉阡石、设备、矿料、人员等,布线简单,操作效果好,机械冲击小,最大节省材料。下井方法可垂直也可斜入,均能有效利用地形,很好满足采矿作业需求,中国年产120万吨以下,井深小于400米矿井大多用缠绕式。摩擦式提升机分作单绳摩擦式和多绳摩擦式,后者摩
17、擦轮和钢丝全部较小,故机组尺寸小,制造简单,速度高。多用于年产120万吨以上,井深2100米以下竖井。经过多年实际生产经验积累,现在国际上大中型矿井全部使用这两中提升模式,还有其它特殊环境提升方法,本文就不多做介绍。单绳摩擦塔式摩擦式 多绳摩擦落地式矿井提升机 可分离式单卷筒 单绳缠绕式缠绕式单卷筒多绳缠绕式(布雷尔/Blair式)14325图2.1.1 单绳缠绕式提升机原理示意图1、 卷筒;2;钢丝绳;3、天轮;4、容器;5、平衡轮单绳缠绕式提升机布线简单,所用钢绳少,大量减轻其质量和体积,节省钢材,因为质量小,工作过程中对电机额外负载较少,反应快速,不易出现卷筒打滑现象。不过一样,因为钢绳
18、少,在电机急停过程中,钢绳出现断裂可能性增大。现代材料几岁发展有效处理了这个问题,应用新复合材料,钢绳强度得到极大提升。4321513452图2.1.2 多绳摩擦式提升机机原理示意 1、卷筒;2;钢丝绳;3、天轮;4、容器;5、平衡绳2.1.2 矿井提升机关键组成部分及工作矿井提升机关键由六部分组成,分别为工作机构:包含主轴装置和离合器;制动系统:包含制动闸和传动装置;机械传动系统:包含减速器和连轴器;润滑系统:包含油泵和油管;观察和操作系统:包含操作台、深度指示器和测速装置;拖动、控制和安全保护系统:包含主动机、拖动装置、电气控制系统和安全保护系统。 图2.1.3 矿井提升机组成示意图2.2
19、 矿井提升机运行 矿井提升机运行分为开启、匀加速、匀速、匀减速、停车多个阶段,每个阶段对速度要求不相同,且为提升提升机工作效率,加速度要尽可能大,为减小机械冲击,增加提升机使用寿命,开启、停车、变速过程要平顺。矿井提升机在理论速度要求和实际工作中不完全相同,理论中速度要求是到点改变,在实际生产中呈“S”曲线改变,平顺速度改变能降低机械冲击,同时降低对回路电改变干扰,原来使用继电器做控制时,通常串多级电阻,以实现对电机平滑调速,现代工业生产中对三相交流电机实现平滑调通常是用变频器。经过变频器进行平滑调速,以达成生产工艺要求。 通常情况下,生产过程中电机输出功率一定时,当速度达成最大值,运转速度一
20、定,扭力最小。利用电机这个功效,有时能够不用特意调整速度,让其直接运行即可。2.1 提升机运行情况示意图 图2.2.2 五阶段速度示意图依据中国众多矿井实地生产经验,得到矿井提升机在一个提升循环里运动规律: 1)加速阶段容器离开井底后经过t1时间段,以加速度a1运行至最大速度。对于提升机,加速度通常小于。2)匀速阶段容器以最大速度运行t2完时间段,直至靠近井口。3)减速阶段容器靠近井口后以加速度a3运行完t3时间段,实现减速至爬行速度,对于提升机加速度a3通常小于。4) 爬行阶段容器以爬行速度匀速行驶完t4时间段,方便正确停车。5)预备停车阶段容器在t5时间段内速度由至0,施闸停车。2.3 提
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