1、矿山提升机 PLC 监控系统设计（论文） I摘要张家洼铁矿是位于山东省莱芜市里的一座最高水平为-500 水平的中深度矿井，它运用的电控系统肩负着提人提物料的重要职责，所以原先工业所运用的继电器保护措施，已经大大的不能改变矿山对于现在工业生产的作用。所以新一代的数字化矿山需要有更具逻辑的数字话控制系统，无论在任何时候都能保障人员的安全。所以 PLC 控制的现代化系统应运而生。改善了一般继电器保护的稳定性差，安全系数低，故障程度高，电能损耗大，浪费度高和效率低的特点。综合一些电控系数的安全方面的问题，做出了合理化的解决方案，切实的改变了矿山的安全。提升机的控制从本质上说是一个位置控制，要保证提升容
2、器在预定地点准确停车，要求准确度高。采用微机控制，可通过采集各种传感信号，如各水平变换、钢丝绳制动、井筒所到位置、滚筒及液压站打开等信号进行处理，计算出容器准确的位置而施以控制和保护。一般过程控制用微机作监视，行程控制也是。当前国内提升机电控绝大多数还是转子回路串电阻分段控制的交流绕线式电机继电器接触器系统，设备陈旧、技术落后。而且这种控制方式存在着很多的问题，问题使提升机运行的可靠性和安全性不能得到有效的保障。因此，需要研制更加安全可靠的控制系统，使提升机运行的可靠性和安全性得到提高。在提升机控制系统中应用计算机控制技术和变频调速技术，对原有提升机控制系统进行升级换代。总体设计基于 PLC
3、控制的大功率矿井提升机，由动力装置、制动装置、液压站、变频器和控制监视系统组成。关键词：提升机 变频器 盘形闸 液压站 可编程控制器沈阳工程学院毕业设计（论文）IIAbstractMine hoist is the most important equipment in the mine, and shoulder the transportation lresponsibility of mineral, material and personnel. The control system of the traditional coal mine hoist mainly adopts re
4、lay contactor for control, and the hoist usually starts and adjust the extra resistance in the rotor circuit of the motor. The control system has the disadvantages of poor reliability, complex operation, high failure rate, waste of power and low efficiency. Therefore, it has practical significance t
5、o study the control system of the mine hoist, and is also a research subject of domestic and foreign experts and scholars. The in the view of the elevator control system in the presence of the above problems, the programmable program controller and a frequency converter used in elevator control syst
6、em, and have carried on deeper research in feasibilityThe control of the hoist is essentially a position control, to ensure that the lifting container is located in the reservation location, the accuracy is high, and the current can reach to the 2cm. shaft, a cylinder and a wire rope wear signal pro
7、cessing calculated container accurate position and impose control and protection. General process control with microcomputer for monitoring, stroke control is alsoAt present, the AC winding motor relay contactor system, which is the most of the electromechanical control system, is controlled by the
8、series resistance of the rotor loop. The equipment is obsolete and the technology is backward. And there are many problems in this control, the reliability and security of the hoist cant be guaranteed effectively. Therefore, it is necessary to develop a more secure and reliable control system, which
9、 can improve the reliability and security of the hoist operation. In the hoist control system, the application of computer control technology and frequency conversion technology, the upgrading of the original hoist control system.Keywords: cage hoist Disc brake hydraulic station Programmable control
10、矿山提升机 PLC 监控系统设计（论文） III目 录摘要 .IABSTRACT .II目录 .III1 引言 .12 提升机简介 .22.1 提升机工程概况 .22.2 提升机制动装置概述 .4 2.2.1 提升机制动系统作用 .42.2.2 制动装置的整体结构 .42.2.3 主体盘车闸的制动作用 .62.3 液压站 .73 PLC 系统在矿山的应用 .83.1 PLC 在矿山提升机控制系统中的概述 .83.2 研究内容 .83.3 本系统中 PLC 选型及特点 .93.3.1 西门子少-300 系列的编程器件组成 .114 PLC 系统设计 .134.1 系统的 I/O 统计. .134
11、.1.1 S7-300 可编程控制器概述和 I/O 编址 .134.1.2 PLC 输入输出分析及 I/O 地址分配 .154.2 控制系统的硬件组成及工作原理 .184.2.1 控制程序和保护程序的设计思路 .194.2.2 子程序的设计 .194.3 控制和保护程序的设计 .214.3.1 变频器（M440）在提升机中的作用 .264.3.2 提升机 WINCC 组态软件及其子系统 .274.3.3 创建 Wincc 项目 .28结论 .33致谢 .34参 考 文 献 .35矿山提升机 PLC 监控系统设计（论文）- 1 -1引言每一个矿山的提升系统都是都是最重要的主要生产设备，提升机的主
12、要参数已经安全系数至关重要。一个矿山是否能够安全正常的运行，提升机的电控是最基础的也是最重要的一个环节。随着世界发达国家矿山提升机控制水平的提高，我国矿山提升机控制已逐步淘汰耗能巨大、自动化水平极低的系统，而变频及PLC数字化控制技术已成熟，经过多年在矿山提升绞车上的实际应用，其性能优越、节能显著已为公众所认知。但矿井提升是矿井生产的咽喉部位，再加我们现有提升机操作人员的水平所限，为保证系统工作的可靠性，应保留原TKD操作系统，改造后，以变频系统为主，既充分发挥了变频系统的优越性，又减少了工作上的后顾之忧；原系统的监控保护功能采用双PLC（冗余设置）实现，使变频保护与其形成双重保护。在采用先进
13、技术的同时，必须充分考虑系统工作的可靠性、完善性，充分考虑操作的简易性，尽可能简化系统，适合现场条件，这是我们设计的根本。矿井提升系统是一个高强度作业系统，因此对提升机电气传动系统也有更高的要求。传统 TKD，是多数运用继电器来保护，不经济，而且电能的损耗比较大。本设计对传统的电控系统进行了改进，采用 PLC 进行变频控制，并且加入了上位机监控系统，包括工艺控制、行程控制、监视系统、安全回路、制动系统、调速系统和信号系统等。本系统大大提高了矿井提升系统的安全性、可靠性、完善了检测系统、提高了调速性能，节约了能源，对于铁矿安全生产有重大意义 1。沈阳工程学院毕业设计（论文）- 2 -2 提升机简
14、介2.1 提升机工程概况图 2.1 提升机工程概况张家洼铁矿是鲁中矿业有限公司的主体生产单位之一，地处公司北部，占地面积6.74 平方公里，地理坐标：东经 11736391173903，北纬 361510361738.矿区北邻济青高速南线莱芜北出口处，南邻鲁矿大街，东邻鹿鸣路，西邻莱城大道，交通运输四通八达，十分便利 2。多年来，张家洼铁矿组织机构经历了较大变化。1974 年 10 月，张家洼工程指挥部成立矿山建设工程处，1975 年 5 月副井和东南风井开始建设。1977 年 12 月，张家洼工程指挥部进行机构调整，撤销矿建处，两个工程队由指挥部直接领导。1982 年 4 月，指挥部恢复“上
15、海矿山井巷公司” 的建制。1983 年 4 月，经指挥部批准， “上海矿山井巷公司”更名为“井巷工程公司 ”。1994 年 3 月，张家洼铁矿挂牌成立，正式投产，井巷工程公司牌子保留。2009 年 3 月，公司成立井巷工程公司，井巷工程公司牌子移交公司。截止 2013年末，张家洼铁矿拥有固定资产净值 5.2 亿元。1#副井提升机，于 1991 年正式投入运行，经过多方面的考证研究，测量出钢丝绳的承重能力和其拉力程度，再根据工程项目的要求，最后按照规划和矿山的实际程度运用的矿山提升机 PLC 监控系统设计（论文）- 3 -型号为 JKD（Z）2.86 多绳摩擦轮提升机，在实际工程中运用 JKD（
16、Z ） ）2.86 多绳摩擦轮提升机，配一套双层单罐笼，重量为 13.4 吨，最大载重量为 14 吨，每罐可乘 70 人，每层 35 人。主要由主机、主电机、提升方式及提升容器、提升钢丝绳、液压站以及冷却风机组成。其中主机型号为 JKD（Z）2.86，上海冶金矿山机械厂制造，主导轮直径为2.8m，卷筒总重 36.3 吨，导向轮直径为 2.5 米，导向轮总重为 6.988t，最大静张力476KN，最大静张力差 137KN。提人运行速度为 8.06m/s，提物速度为 9.26m/s。提升钢丝绳共 15 根，其中首绳 6 根，尾绳 3 根，稳绳 6 根。主电机型号 ZD215/48.5，功率1250
17、kw，电压 660V，额定电流 2140A，额定励磁电压 220/110V，励磁电流 69.5/139A。转速 78rpm，总重 38 吨。图 2.1 多绳摩擦式提升机要想使提升机能够安全稳定的起到矿山公司中的人员运输和材料运输的作用，由于提升机的制动大部分是采用盘车制动器，所以盘车闸是不可或缺的重要组成部分。从某种意义上来讲盘车制动器上的弹簧有不可维修的因素在里面。所以这种一次性的设备，在某些时候会增加矿山安全的医患。一个弹簧损坏之后必须马上换上新的盘车制动弹簧，以迅速解决矿山中的不稳定安全因素。所以矿山电控的安全包含两个方面：一个是固有可靠性，和使用可靠性，两者综合所反映出来的结果。固有可
18、靠性是由液压站的制动来实现的，二使用的可靠性是根据厂家所能维修的年限来确定的。由此可知矿山电控的液压站和盘形闸是矿山的重中之重。必须进行故障的及时检修和日常的维护，经调试后能够很好的起到矿山安全的需要 3。 因此，矿山安全性能的体现,受各方面的限制，生产效率再高，安全性能却较低，制动器的实际工作可靠性依然不会高。沈阳工程学院毕业设计（论文）- 4 -制动提升机最高要求是运用盘车制动器作为故障时的制动装置，可以进行一级制动。在进行故障保护的时候和提升机失电的时候运动二级制动。制动装置提升机(提升绞车)的重要组成部分之一，直接关系着提升机设备的安全运行。它由两部分组成：制动器(通常称做闸)和传动装
19、置。制动器是直接作用于制动轮或制动盘上产生制动力矩的机构，传动装置是控制并调节制动。2.2 提升机制动装置概述无论在什么时候矿山人员运输都是，生产过程之中的最重要的。提升机的制动系统能够很好的确保这一点使人员的安全得到保障，提升装置的液压站，主要是起到对于意外故障的保障和平衡电机与油动之间稳定性的重要因素。盘形闸的保护更是如此，每一个盘车弹簧都从中起到了非常重要的作用，保证了每一次运输，每一次提升的安全基础，从广义上讲将矿山的自动化水平提升到一个很鲜明的层次，从细节上讲实现了安全运行的最重要的一个部分 4。无论在什么时候矿山人员的安全性质都是由于制动器的安全稳定来实现的，所以切记马虎大意，在提
20、升的控制上面不加重视，实现没有必要的麻烦，即减少工作的效率，又使电能损耗大大增加。 因此，固有可靠性的体现,受使用可靠性的限制，固有可靠性再高，使用可靠性却较低，制动器的实际工作可靠性依然不会高。制动装置提升机(提升绞车)的重要组成部分之一，直接关系着提升机设备的安全运行。它由两部分组成：制动器(通常称做闸)和传动装置。制动器是直接作用于制动轮或制动盘上产生制动力矩的机构，传动装置是控制并调节制动力矩的机构。2.2.1 制动系统的作用制动系统是为了提高矿山提升系统的安全稳定性来生产的，另外提升机最重要的一环就是安全保障的装置，比如防止卷筒过卷，以及到达某水平位置的力矩改变等影响安全的直接因素。
21、(1)矿山提升机的正常停车，是使用制动闸来使提升机停止工作。(2)在提升机提人提物的时候，在减速的时候控制，所以为工作制动。(3)当在提升过程中发生意外状况时候，盘形闸能够准确，而且有效的使提升机停止下来。(4)多绳摩擦提升机，在更换滚筒和钢丝绳的时候，盘形闸能够按时的使滚筒制动并使卷筒不会过卷。矿山提升机 PLC 监控系统设计（论文）- 5 -2.2.2 制动装置的整体结构图 2.3 盘车制动器制动装置中的制动器按结构分为块闸(角移式或评移式)和盘闸；传动装置按传动能源分为油压( 液压 )、压气(气动 )及弹簧等。KJ 型( 23m) 和 BM 型提升机使用油压角移式制动装置。KJ 型( 4
22、6m) 和 HKM3 型提 升机使用压气平移式制动装置。JKA 型提升机使用液压综合式制动装置。XKT 型、JK 型、GKT 型 ( 2m)、JKD 型、 JKM 型、JKMD 型提升机使用液压盘式制动装置。矿用提升绞车使用手动角移式制动器作为工作制动.重锤电磁铁丝杠螺母操纵的角移式制动器或重锤电力液压推杆操纵的平移式制动器作为安全制动，但新系列 JT 型( 1.21.6m) JKM（JKMD）型提升绞车则使用液压盘式制动装置 5。盘式制动器一级制动闸和二级制动闸是由预压缩的蝶形弹簧组使闸瓦与卷筒上的制动盘贴紧而产生制动力。当油缸冲入压力油后，再次压缩蝶形弹簧，使闸瓦脱开制动盘，从而制动力消失
23、。 盘式制动器的性能与用途 盘式制动器是靠碟形弹簧产生制动力，用油压解除制动，制动力沿轴向作用的制动器。提升机制动时，蝶形弹簧的预压力迫使活塞向制动盘移动，通过联接螺钉，将滑套连同其上的制动块推出，使制动块与卷筒的制动盘接触，并产生正压力，形成摩擦力而产生制动。提升机松闸运行时，油缸腔中充入压力油，活塞再次压缩蝶形弹簧，并通过联接螺钉带动滑套向后移动离开制动盘，从而使制动块离开制动盘，解除制动力。 滑套是由钢套和拉杆组成的装配件，其拉杆承受制动时的切向力。制动块嵌合在滑套的燕尾槽中，并用压板、螺钉将其固定。键防止滑套转动。转动放气螺钉，可排出油缸中的存留气体，以沈阳工程学院毕业设计（论文）-
24、6 -保证盘形闸能灵活地工作。盘形闸在密封件允许泄漏范围内，可能有微量的内泄，虽内泄油可起润滑滑套与支架的作用，但时间较长时，内泄油可能存留过多，因此应定期从螺塞处排放内泄油液。 在电动机运行的时候可以使油压增加，一次来起到增加运行速度的目的，更添加相同盘式制动器和液压站、管路系统配套组成一套完整的制动系统。适用于码头缆车、矿井提升机及其它提升设备，作工作制动安全制动之用。 其制动动力大小、使用维护、制动力调整对整个提升系统安全运行都具有重大的影响。 盘式制动器具有以下特点： 制动力矩具有良好的可调性； 惯性小，动作快，灵敏度高； 可靠性高 通用性好；结构简单、维修调整方便 6。2.2.3 主
25、体盘形闸的制动作用（1）在提升机制动时，调节系统制动时的油压，通过盘型闸，使提升机获得不同制动力矩。（2）在紧急制动或事故状态下，使盘型闸迅速回油，实现恒减速度制动或者二级恒力矩制动等方式的安全制动，以及井口区域的一级紧急制动。（3）正常停车制动状态。提升机正常减速后进入爬行，当至停车点 0.5 米时，在电气控制下，爬行速度降到更低值，此时，1） 电液阀经贴皮油压施闸，阀门的电流分二级减小。2） 第一级，从贴皮降至 8 兆帕，经过很短的时间，3）第二级油压降至 5-3 兆帕，至停车点时，阀门断电卸荷，盘型闸制动，提升机卷筒停转。采用二级的目的在于快速而平稳的调整制动器。图 C 为盘车闸外观：图 2.3 盘车制动器矿山提升机 PLC 监控系统设计（论文）- 7 -2.3液压站液压站是矿井提升机的重要部件，它与盘式制动器、电机轴制动器组合为一完整的制动系统，其性能和质量好坏，直接影响到矿山的产量，设备的寿命、人身的安全等。 液压站主要作用 为盘式制动器、电机轴制动器提供可调节的压力油，以获得不同的制动力矩。 在任何事故状态下，可以使制动器 7的油压迅速降到预先调定的某一压值，经过延时后，制动器的全部油压值迅速回到零，使制动器达到全制动状态。见图 2.3图 2.3 液压站
