1、I摘 要矿井提升机 是矿山重要设备,肩 负着矿石、材 料、人员运输 责任。传统的矿山机械 和电气控制 系统采用绕组转子串联电阻 调速,控制电 路复杂、效率低、能耗 大等缺点。所以提升 控制系统的研究 具有重要 的现实意义。本文针对当 前矿井提升机 电控系统的现 状，在可编程序 控制器(PLC)和变频器的基 础上，研究并设 计了一套可靠性 高、控制性能良 好的矿井提升机控制 系统。分 析了 PLC 和变频 器的性能特点 并进行选型，论 文根据矿用提升机的 运行特性要求，对变 频器和 PLC 进行 选型，最终选定 西门子公司的 S7-200 PLC 和 ABB 公司的 ACS800 变频器。对系统
2、的软、 硬件进行设计，最后进行系 统集成和调 试,选用 MCGS 组 态软件 来完成矿井提 升机控制系统的上位监控。关键词 矿井提 升机 变频器 PLC MCGSIIABSTRACTMine hoist is the most important equipment in mines, is shouldering the ore, materials, personnel transportation liability. Traditional mine mechanical and electrical control system adopts winding rotor series
3、 resistance speed control, poor control circuit is complex, high performance, high failure rate, power consumption, low efficiency of faults, so the mine hoist control system Research has practical significance.This article in view of the current status of mine mechanical and electrical control syst
4、em, the programmable controller (PLC) and frequency converter, on the basis of research and design a set of high reliability, good control performance of mine hoist control system. Analyzes the performance characteristics of PLC and frequency converter and selection, the paper according to the requi
5、rements of the mine hoist running characteristics, the selection of frequency converter and PLC, finally selected Siemens S7-200 PLC and ABB ACS800 inverter. The system hardware and software design, finally carries on the system integration and debugging, use the MCGS configuration software to compl
6、ete the upper monitoring of mine hoist control system.Key words Mine hoist Inverter PLC MCGSIII目 录摘 要 .IAbstract .II第 1 章 绪 论 .11.1 引言 .11.2 国内外研究现状 .11.2.1 国外提 升机的研究现状 .21.2.2 国内提升机的研究现状 .31.3 系统技术要求 .31.4 提升机电气传动系统速度图 .41.5 方案比较 .6第 2 章 矿井提升机及其电气控制系统 .72.1 矿井提升机种类 .72.2 矿井提升机主要组成部分及其作用 .72.3 变频调速基
7、本原理 .9第 3 章 提升机控制系统硬件设计 .103.1 变频器选择 .103.2 确定合理的经济速度 .103.3 提升机滚筒直径的确定 .123.4 提升机的最大静张力计算 .133.5 电动机功率的估算 .133.6 估算电动机转速 .143.7 加速度和减速度的确定 .153.8 设备选型 .173.8.1 断路器选择 .193.8.2 隔离开关选择 .203.8.3 熔断器选择 .203.8.4 输入电抗器设计 .213.8.5 接触器选择 .24IV3.8.6 制动电阻选择 .253.8.7 PLC 选型 .273.8.8 触摸屏选型 .283.8.9 深度指示器系统选择 .2
8、83.8.10 角编码器选择 .29第 4 章 提升机控制系统软件设计 .314.1 PLC 软件设计 .314.1.1 主程序及注释 .324.1.2 故障子程序及注释 .404.1.3 逆变子程序及注释 .464.2 MCGS 触摸屏软件设计 .504.2.1 MCGS 嵌入版组态软件的主要功能 .504.2.2 矿井提升机运行监控画面 .514.2.3 矿井提升机报警记录画面 .524.2.4 矿井提升机数据修改画面 .53结 论 .54致 谢 .55参 考 文 献 .56附 录 .57VContentsAbstract ( in Chinese ).IAbstract ( in Eng
9、lish ) .IIChapter 1 Introduction.11.1 Introduction.11.2 Research status at home and abroad .11.2.1 The foreign research situation of the elevator.21.2.2 The research status of domestic elevator .31.3 System technical requirements .31.4 Speed electric drive system in figure .41.5 Scheme comparison .6
10、Chapter 2 mine hoist and electrical control system.72.1 Mine hoist type .72.2 Mine hoist the main component and its effects .72.3 Basic principle of frequency control of motor speed.9Chapter 3 hoist control system hardware design.103.1 Inverter choose.103.2 To determine the reasonable economic speed
11、.103.3 Determine the diameter of the hoist drum .123.4 Hoist the maximum static tension calculation .133.5 Motor power estimation.133.6 Estimate the motor speed .143.7 The determination of acceleration and deceleration .153.8 The original selection.173.8.1 Circuit breaker selection .193.8.2 Isolatin
12、g switch choice.203.8.3 Fuse choice.203.8.4 Enter the reactor design .213.8.5 Contactor selection.24VI3.8.6 The brake resistance selection .253.8.7 The PLC type selection.273.8.8 Touch screen selection.283.8.9 Depth indicator system choice .283.8.10 Angle encoder options .29Chapter 4 Elevator contro
13、l system software design .314.1 The PLC software design.314.1.1 The main program and comments.314.1.2 Fault subroutine and annotations .394.1.3 Inverter subroutine and comments.454.2 The MCGS touch screen software design.494.2.1 The main function of configuration software MCGS embedded version.494.2
14、.2 Mine hoist running monitoring picture .504.2.3 Mine hoist alarm record .514.2.4 Mine hoist data change .52Conclusion.54Extend Thanks to .55Reference .56Appendix.570第 1 章 绪 论1.1 引言矿井提升机 的任务是提升或 下放矿物和 材料、升降工作 人员和设备，它是煤矿生 产的关键设备 之一，是运输井上 和井下货物及人 员的枢纽。矿井提升系统 的组成主要包括 :提升容器、 滚筒、钢丝绳 、减速器、井架、拖动电机、电控 设备以及
15、制 动装置等 几个部分。整个 煤矿的生产能 力和经济效益取决于提 升机的电控系统 是否安全可 靠，因为它 直接影响 到井下工作人员的生命安全。目前，发 达国家的矿井 提升机电控 技术己经全面 实现了全 数字控制，而国内绝 大多数矿井提升 机的电控系统还是采用 效率低下、安全隐 患多的继电器一 接触器控制技术， 严重影响着我 国矿山产业的健 康发展，所以需要对 矿井提升机 进行大规模技 术改造和更新。在设计矿井 提 升机时，总是把安全性、 可靠性放 在首要位 置。就其本质而 言，提升机电 控系统的高可靠性 主要表现在两个方面: 一是 电控装置本身质量好 ，故障率低；二是 电控系统出 现故障后应
16、能根据故障 性质及时进行保护，并能 对故障内容进 行记忆和显示，以便 能迅速排除。1.2 国内外研究现状由于矿井提 升机对电控系 统的安全性、可靠性和调 速性能的要 求很高，以至于它的技 术水平在一定程 度上可以代表这 个国家的传动技 术控制水平 1，所以在提 升机电控系统中世界 各个国家都采用 了最新技术。 近三十年来，矿井提 升系统中电 气控制和机 械制造部分在国 内外都有了很好 的发展，并且两者的发 展相互促 进和提高。1.2.1 国外提 升机的研究现状从 70 年代 开始，随着国外计算 机技术的发展，他们在 矿井提 升机的控制1系统中也采 用了计算机控制技术。目前，国 外提升机的拖动系
17、 统己经产生了新的变 革，达到了相当成 熟的阶段，主要体现在。1.计算 机控制由于计算 机运行速度快，处理 功能强且具 有自诊断功能，因 而可以很容易的实现 提升过程的 显示和监测，模拟控制 却无法实现。因 此，在交流变频装置 中，计算机控 制在矿井提 升机的提升 过程中得到 了广泛的应用。目前，ABB , SIEMENS 等公司 用计算机实现 的变频控制 4，成功 地把对系统的监测 、控制及模糊 控制等综合在计 算机公共控 制总线上，从而 可以用计算机实现 对速度及多 个变量的调节。2.提升行 程控制提升机行 程是提升容器加 速、等速、减速运 行后在预定地 点准确停车的过程，从本 质来讲，是
18、 一个位置控制过程，因此 其控制精度 要求很高，目前的控 制误差可 以达到 2cm。而采用计算 机控制提升机 行程，可以实现无爬行段 提升，而且通过 采集各路传感 器信号，如天轮、滚筒等计 算出提升容器准确位置 再分别加以 监测、处理和控 制，大大提高了提升机运行的可靠性和安全性。3.提升过程监测由于安全可靠性在提升机控制系统中非常重要，所以提升过程监测和安全回路在提升控制中也很重要。目前，主要利用计算机来完成提升过程的监测:(1) 对提升过程中系统各个设备的工作状况和运行状态进行监测(如电压、电流、速度、温度等)。(2) 对提升系统中的各个传感信号进行监测(如编码器信号、减速点开关、终点开关
19、等)。对这些参数进行监测的主要是目的是在系统故障发生时可以及时的发现并处理，从而避免发生更大的事故，同时在矿井提升机的监测系统中，还可以对监测的参数进行存储、打印并发送至上位机监控系统。4.安全回路安全回路是指在提升机出现故障时，可以及时的控制提升机立即进入安全保护状态。安全回路是对提升机控制系统保护的最后环节，非常重要。提升机出现故障主要有以下几种情况，对于不同情况，应采用不同的处理方法。(1) 电机温度过高时，应立即报警显示。(2) 电机绕组过热时，提升机二次不能开车。(3) 提升机停车终点设备出现故障时，应立即进行动力制动。2(4) 提升机过卷或超速时，应立即进行安全制动。目前国外提升机
20、控制系统都采用两台计算机共同构成冗余安全回路，这样无论是提升机出现机械或者电气故障时，都能够施以准确的保护或制动。1.2.2 国内提升机的研究现状目前，我国 90%以上的矿井提升机都是采用单机容量在 1000KW 以下的交流异步机来拖动的。这种拖动系统的控制装置主要由继电器、接触器组成，通过串、切转子回路中的附加电阻来实现对电机的调速，它存在很多的缺点1.不能实现无极调速，调速性能不好且调速范围有限，速度控制较差。2.电机启动时电能损耗严重且对电机冲击很大，工作效率低。3.电机低速运转时转速波动很大。而直流电动机的传动系统则大多数为发电机一发电机组的传动，电控则多为触点式继电器的逻辑控制系统，
21、具有很多缺点: 费用高、安全性差、不好维护等，晶闸管的直流供电系统也存在着线路复杂、维护困难等缺点。所以根据当前技术发展的趋势最符合我们的系统是交直交变频调速系统，它具有调速性能好、范围宽、控制精度高等优点 23。1.3 系统技术要求1.工作制度：即年工作日 br，日工作小时数 t， 煤炭工业设计规范规定：br 300 天，t14h；2.井筒深度：Hs=354m；3.提升方式：箕斗，单绳摩擦式提升；4.矿井年产量(t/a)：An=500000t/a；5.矿井电机电压等级：U=660v ，P=400KW ；6.提升种类:提物、提人、检修；7.提升机工作方式包括手动、半自动、检修、应急；8.提升机行程实时监测并有信息记录、故障报警；9.提升机监测控制静态精度应不大于 0.1，动态精度应不大于 5%，停车精度5cm ，速度指示精度应为0.lm/s 。10.提升、下放按速度图运行，相关要求按煤矿安全规程标准执行。31.4 提升机电气传动系统速度图提升机的过程是提升容器在井筒中周期往返运动，通常以提升容器的运动速度与时间的关系来表示其运动规律，称为速度图 5，我们常用的提升系统的速度图，包括五个阶段，一般称为五阶段速度图。即:加速阶段、减速阶段、爬行阶段、制动阶段。提升机电气传动系统速度给定如图 1-1 所示。
