矿井主井提升机PLC控制系统设计

摘 要：矿井提升机被称为矿山的咽喉，是矿山最重要的电气设备。提升机运行的安全性和可靠性对整个生产系统至关重要。
传统矿井提升机调速性能差，在启停车、制动、逻辑控制等方面存在诸多安全问题。随着计算机和PLC技术的不断发展，采用先进的技术改造传统矿山行业的传统系统，从而使矿井提升机的性能得到极大的改善，其自动化水平、安全性、可靠性都达到了新的高度，保证了提升机的安全运行。
本论文阐述了矿井直流提升机的分类、组成和工作原理。从解决实际矿井提升系统存在的问题出发，给出了矿井提升机PLC保护与控制系统的功能定义，包括行程控制、安全保护和辅助系统控制。对PLC系统进行了软硬件配置，并设计PLC软件，实现了部分保护控制的功能。控制系统采用了双线制保护策略，包括继电器安全回路和PLC安全回路。论文对提升机电控系统的发展进行了展望。
关键词：矿井提升机； PLC； 保护控制
1 绪论
1.1课题研究的背景
矿井提升机是矿井生产的主要设备之一，在矿山生产过程中起关键性作用，是一套复杂的机械电气机组，是煤炭生产运输的主要工具。其任务是用于升降人员和设备，提升矿石以及下放材料等。他是沟通井下生产与地面生产运输的纽带。矿井提升机的工作特点：在一定的距离内，以较高的速度往复运行，完成提升或下放任务。因此，矿山提升设备应具有良好的机械性能、先进的控制设备和完善的保护装置。它的特性和安全性直接影响采矿生产和工人生命安全，工作过程中一旦发生机械或电气故障，就会严重地威胁矿井的安全，损坏设备，影响生产，甚至造成人身伤亡事故。虽然矿井提升机本身有一些保护措施，但由于采矿作业的复杂性、环境的恶劣性和研究的局限性，有些保护措施未达到预期效果，致使煤矿生产中仍有很多由于提升系统造成的重大人员伤亡和设备损坏事故的发生，因此，素有“矿山咽喉”之称。随着技术的进步、现代化矿井的建设和对人生命的重视，人们对矿井提升机的安全可靠性提出了更高、更苛刻的要求。
我国对矿井提升机的安全问题非常重视，《煤矿安全规程》中对矿井提升机的性能参数有明确要求。虽然矿井提升机本身有一些保护措施，但由于煤矿生产的复杂性、环境的恶劣性和研究的局限性，有些保护措施未达到预期效果，一旦提升机没有按照给定速度曲线运行，就会发生提升机超速、过卷事故，轻者造成楔形罐道、罐笼的损害，影响矿井正常生产。严重的可拉倒井架，使得钢丝绳挫断、提升容器坠落和砸坏井筒内的机电设备，从而造成重大人员伤亡事故和重大设备事故，给煤矿生产带来极大的经济损失。
当前，我国有一批老的提升设备已经进入“损耗故障期”，故障率增多，从而如果要全部更新，经济负担很重，根本不可能。使提升机运行的可靠性和安全性不能得到最有效的保障。因此，开发一套简单实用的提升机保护控制系统是非常必要的。对原有提升机保护控制系统进行升级换代。使提升机运行的可靠性和安全性得到提高。通过对提升机的安全保护系统的研究, 利用现代控制技术和手段, 对各类提升机的安全保护系统进行数控化改造, 使之具有必要的、完善的保护功能, 对确保提升系统安全可靠运行是十分必要的, 对矿井提升机的安全运行具有非常重要的现实意义。
就计算机技术在工业现场应用情况而言，可编程控制器(PLC)是目前作为工业控制最理想的机型，PLC应用程序能够满足矿井提升机工艺控制要求，各项性能和指标都达到原设计要求。取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器和计数器等硬件，所以体积大大缩小，工作可靠性也大大提高。与继电器控制系统相比，控制功能更加合理、完善，现场使用与操作更加方便、灵活，得到了良好效果。它是采用计算机技术、按事先编好并储存在计算机内部的一段程序来完成设备的操作控制。采用PLC控制，硬件简洁、软件灵活性强、调试方便、维护量小，PLC技术己经广泛应用在各种提升机保护控制中，配合一些提升机专用电子模块组成的提升机保护控制设备，可供控制高压带动力制动或低频制动，单、双机拖动等。操作、监控和安全保护系统选用可编程控制器。主控计算机应用软件能完成于提升机自动、半自动、手动、检修、低速爬行等各种运动方式的控制要求。
1.2提升机国内外发展现状
国外研制的矿井提升机监控系统始于20世纪60年代，在提升机状态监控方面水平较高。特别是对闸控和速度监控等一些重要保护环节，设计更加的合理，有些环节设置双重保护，如过速保护，过卷保护等。这些监控保护的措施，对提升机的运行安全都是可靠的保证。下面简单介绍一下瑞典、德国和法国的提升机的速度监控系统。
瑞典的提升机速度保护功能齐全，系统可靠，能实现全自动开车。以单罐笼带平衡锤提升机为例，这种提升机配备有显示、监控、安全保护等电路。如：
(1)制动系统故障保护：当制动闸发生故障，闸衬磨损、闸盘变形、低油位以及制动油泵、冷却风扇电动机过负荷等故障出现时均产生紧急停车；
(2)全程的过速保护电路：包括加速区和全速区的过速保护，自动减速区的过速保护，爬行速度区的过速保护，当提升机在井筒中任何位置，速度超过额定速度的15%时，过速继电器动作，产生紧急停车。在爬行段当速度大于2m/s时，爬行继电器动作；
(3)钢丝绳保护电路：包括对钢丝绳速度、打滑等的监控；
(4)自动起动、运转电路：包括起动信号、自动起动控制、自动减速以及上/下运行控制、停车电路等部分；
(5)提升机监控器：监视提升机在井筒中各个部位的运行状态，从而发出各种相应的指令，控制提升机安全可靠地运行。
德国西门子公司全数字式提升机拥有世界上先进的数字驱动系统。它有如下特点：第一，紧急制动时的恒减速功能，第二，提升钢丝绳张力的动态监视功能，第三，提升系统及设备的动态显示和故障自诊断功能。主要由监控站，控制处理站，编程器和通讯总线四部分组成。控制处理站可实现本系统的逻辑过程控制功能和模拟量的检测，运算和调节功能。监控站的主要作用是通过与控制处理站的总线联络通讯，将控制处理站采集到的控制系统设备的状态信息输入到监控站中，通过已编制好的显示程序，以图形、表格形式动态地显示在显示器上，同时还可以通过操作键对对在程序中设定的操作量进行手动修改，以便进行设备的调整和试验。监控站的显示功能齐全，如：
(l)主要数据显示：显示提升机的主要运行参数；
(2)概貌显示：显示提升机的状态，实际控制方式，主要模拟信号，报警指示，故障及停车等数据；
(3) AK显示：显示提升机控制系统，保护系统，变流器以及手动紧急停车按钮工作状态的数据；
(4)提升机保护功能试验显示：此显示供进行提升机保护功能试验时使用，在该项显示上进行保护选择，并显示试验结果。显示功能包括接地故障监控，过速，减速段过速，过卷及制动五种；
(5)绳张力显示等14种显示功能，使用户一目了然。
法国的提升机对于安全保护的设置更加完善，设计的安全保护有60多种，按照对提升机的保护作用，分为三个系统。
系统一，包括液压站的故障，制动控制电路的故障以及速度控制系统的故障等。当这些故障出现时，对提升机施加机械的(制动闸)或者电气的(晶闸管逆变制动)制动力矩，控制提升机紧急停车；
系统二，包括提升机监控器，电枢整流器系统的电气故障等，这类故障出现时对提升机施加制动力矩，使之紧急停车；
系统三，包括盘形闸控系统，调零系统，电源的接地保护以及电机，变压器超温保护等，这类故障出现时，提升机不需要紧急停车而只需要切除基准速度信号，让提升机自动减速停车。另外在安全回路中，这些故障均设有旁路开关，当这些故障出现时，可以闭合旁路开关，将提升容器提升到井口，再做处理。
我国也有一些大型矿井引进了国外的提升系统，但由于国外公司都有技术保密制度，其核心技术无法掌握，在使用、维修和零部件的供应上都受到限制。而对于大多数的中小煤矿来说，其系统高昂的价格也难以承受的。
国产的矿井提升机经过广大技术人员的努力，电气传动系统也已经有了很大的发展，但在技术水平上还落后于国外同类产品的水平。电控系统主要以TKD交流拖动为代表，主令操作及故障监控仍采用传统的继电器控制线路，每台提升机需要数百个甚至上千个触点的继电器，系统可靠性差，故障率高，且不易维修，数目众多的控制线要和各种动力电缆通过狭小的井筒空间并行下井，安全性差，电磁干扰大。
为了弥补这个薄弱环节，保证提升机的安全运行，自九十年代以来，国内开展了提升系统安全监控的研究工作，全国近十余厂家先后研制了提升机综合后备保护装置，“ TJHB-11型矿井提升机微机后备保护装置”、“KTA-UP系列矿井提升安全监控系统装置”、“ WKHB型微机控制绞车后备保护装置”、“M12-3B提升机综合后备保护仪”等一批提升机监控装置应运而生。
1.3 课题主要研究内容
本论文阐述了矿井直流提升机的分类、组成和工作原理。从解决实际矿井提升系统存在的问题出发，给出了矿井提升机PLC保护与控制系统的功能定义，包括行程控制、安全保护和辅助系统控制。对PLC系统进行了软硬件配置，并设计了PLC软件，实现了部分保护控制功能。控制系统采用了双线制保护策略，包括继电器安全回路和PLC安全回路。
论文最后还对提升机电控系统的发展进行了展望。

2 矿井提升机概述
矿井提升机是矿井生产的重要环节，矿井提升的主要任务是将有用矿物或矸石从井下运到地面，将材料、设备和人员运往井下，或从井下运到地面。它在矿井生产中占有极其重要的地位。矿井提升是井上下运输的咽喉。为了保证生产和人员的安全，提升系统设备和运行必须要安全可靠，一旦发生故障，不仅使全矿生产陷于停顿，而且可能造成严重的人身事故。
2.1矿井提升机的简介
2.1.1矿井提升机的分类
矿井提升机系统设备有两大类组成。一类为机械设备，包括：减速器、井架和装卸载机构；另一类为电气及控制设备，包括：主拖动电动机（直流或交流）、电控系统以及制动装置等。
国外矿用提升机的研究比较先进，并能够及时地将研究的成果运用到矿用提升机的实际生产中。自1827年德国制造出第一台蒸汽提升机以来，矿井提升机大体分两种形式，一种为缠绕式提升机，另一种为摩擦式提升机。目前广泛使用单绳缠绕式提升机和多绳摩擦提升机。我国的提升机的分类（按提升机类型分）主要如下：
5 总结与展望
5.1全文总结
本文主要是针对矿井提升机安全保护当中存在的问题，设计出一套提升机保护控制系统。论文的研究主要完成了以下工作：矿井提升机保护控制系统的总体方案设计；保护控制系统的硬件设计；保护控制系统的软件设计。纵观整个系统，得到如下结论：
（1） 本设计的总体方案设计正确、可行，其主要功能基本得到实现。系统运行良好，显示准确，操作方便，并具有较强的抗干扰性能。
（2） 逻辑运算功能更强、更灵活。由于PLC 内设了数千个各类辅助继电器,使原来的控制回路全部由软件来实现,因此控制功能更强、更灵活。
（3） 体积小,维修方便。由于该系统引入了计算机,使系统的外部接线大大减少,且条理清晰,从而简化了日常维修难度。
（4） 故障实现自登录、自诊断。由于计算机具有智能,它可对系统发生故障进行自动检测、自动登录报警,使故障检测更快捷、更准确。
（5） 对系统主要的保护如行程控制等实现硬件、软件双重检测,使保护更可靠,运行更安全。
（6） 控制精度高、扩展功能强。如需对系统的功能及参数进行改变,不必更改硬件接线,只需改动内部程序即可
（7） 本文较好地解决了当前提升机速度保护中存在的不足，实践验证可以实现准确、可靠的速度保护。
5.2研究展望
在未来提升机的发展上，PLC将起到越来也重要的地位，本文只是泛泛的进行了讨论和研究，未涉及到更深的层次。但可以为实际应用提供理论基础。
本文设计的矿井提升机保护控制系统能基本满足矿山生产的需要，但同国外同类先进产品相比仍有不小的差距，下一步的研究可以从以下几个方面进行：
（1）为了系统能够长期稳定的工作，可以考虑采用性能更好的硬件模块。
（2）增加控制保护的参数，增强监控功能，如加入钢丝绳张力监测、制动系统制动力监测等。
（3）增强系统的控制功能以及增加故障诊断功能。由于作者理论水平的有限和工作经验的缺乏，文章一定存在着缺点和不足，恳请各位老师、同学批评指正。