PLC控制煤矿矿井提升机Word文档格式.docx
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4.4建模与分析33
第五章电气控制要求41
5.1I/O地址分配41
5.2S7--200程序设计梯形图46
参考文献54
致谢词54
附录-外文文献及翻译56
前言
矿井提升机是矿山生产的至关重要的大型设备,对矿井的生产和安全起着非常重要的作用,有着重要的国民经济意义。
提升机电力传动系统运行复杂,提升机的电动机经常正反向切换运行,频繁的处于电动和制动状态不断转换和处于超负荷的状态。
对提升机来说,提升的运行过程中的安全性和可靠性是至关重要的,特别是用于搭载乘务人员的副井,如果发生故障往往会造成机毁人亡,因此,为了保证提升机能够安全可靠的运行,提升机的安全性和可靠性就成为研究和制造时必须首要考虑的至关重要的问题。
我国是个采矿大国,也是矿山机电设备制造和使用大国。
矿山企业的提升机是咽喉设备,产品不断更新换代。
老产品运行年深日久,原本落后的结构问题暴露突出,故障增多,严重影响矿山的安全运转,抑制了矿山工业的快速发展,给国民经济带来了不良的影响。
随着国内矿井生产量的飞速的提高,对提高提升机的安全性、可靠性、生产效率以及整机的自动化水平,降低操作维护人员的劳动强度和提高处理设备故障的速度等,成了非常迫切的要求。
所以本文就以研究和设计提升机控制系统为目的,仔细的研究和分析了提升机系统的各个组成部分及其之间的联系,来更近一步的了解提升机系统,更好的为矿山单。
更好的为矿山单位服务。
第一章绪论
1.1课题研究意义
我国有丰富的矿产资源,低廉的劳动成本,本应该在国际市场中占有优势,但由于技术、管理和体制等原因,大部分矿山企业的前景不容乐观。
从采用先进技术的采矿国家发展经验可以得出的结论是:
采用高新技术和先进的设备改造落后的矿井提升系统的现状是我国矿山企业在国内国际竞争中胜出的必由之路。
本课题的研究意义也就在此:
应用先进的PLC和计算机技术与电液比例控制技术相结合,提高提升机的速度控制性能,实现恒减速制动控制,减小机械冲击,增强矿井提升机的安全性能,提高工作效率,同时也降低了器件的磨损,节约成本。
1.2矿井提升机的发展现状及其制动系统的简介
1.2.1矿井提升机的发展现状
提升机是矿井的主要设备,用于升降人员和物料。
提升机的发展随着矿山建设的需要,经历了三个阶段,现在成批生产的提升机按工作方式分为:
缠绕式矿井提升机和摩擦式矿井提升机。
目前使用的矿用提升机,在机械部分有很大提高,近几年的提升机技术,正向着体积小、重量轻、提升运输能力大、效率高、性能稳定、安全可靠、自动化、智能化的方向发展。
在机械部分无太大的变化,主要是在电控系统。
较为先进的PLC控制代替原来的继电器技术,变频调速代替原来的串接电阻的调速方式。
从企业的安全和经济效益考虑,在电控系统上,静态无功补偿系统和变频调速系统是提升绞车发展普及方向,他们对电网的安全运行、提高企业的经济效益、节能减排等方面意义巨大。
深井及大终端荷载时,钢丝绳直径和卷筒容绳面积要求很大,这将导致提升机体积庞大,给制造、使用带来一定不便,限制了单筒缠绕式提升机在深井条件下的使用,所以深井多使用摩擦式提升机。
缠绕式矿井提升机是以电动机为动力源,通过减速器将动力传给缠绕钢丝绳的卷筒,实现容器的提升下放,通过电气传动实现调速,盘型制动器由液压和电气控制进行制动,通过位置指示系统实现容器的深度指示,通过各种传感器、测速发电机控制元件,组成安全保护系统。
摩擦式提升机具有安全性高、钢丝绳直径细、主导轮直径小、设备重量轻、耗电少、价格便宜等优点,发展很快。
除用于深立井提升外,还可用于浅立井和斜井提升。
钢丝绳搭放在提升机的主导轮(摩擦轮)上,两端悬挂提升容器或一端挂平衡重(锤)。
运转时,借主导轮的摩擦衬垫与钢丝绳间的摩擦力,带动钢丝绳完成容器的升降。
钢丝绳一般为2-10根。
摩擦式提升机主轴与轮毂为整体锻造,轮毂与摩擦轮辐采用高强度螺栓联接。
摩擦衬垫采用高性能摩擦衬垫,摩擦系数高、耐磨性能好,吸收钢丝绳振动能,防止钢丝绳扭转,不会被浸湿,并抗腐蚀性强。
滚动轴承选用双列向心球面滚子轴承,允许绕轴承中心微量蹿动,以补充由于轴受力弯曲而带来的角位移。
缠绕式提升机和摩擦式提升机的现状和特点:
减速器采用圆弧形人字齿轮减速器,提高了承载能力并减轻了重量。
主轴装置的减速器和电动机布置在同一线轴上,对安装、检修极为方便。
减速器有双力线和行星减速器两种。
双力线中心驱动减速器是在使高速轴、低速轴在同一直线上,从而使主电机、减速器、主轴装置呈“一”字布局,结构紧凑减小机房面积,安装、维修方便。
双力线中心驱动减速器全为人字齿结构,它除了具有斜齿轮的特点外,还能自行平衡转动过程中产生的轴向力。
进一步提高了承载能力和平稳性。
中间齿轮采用弹性齿轮,整个减速器传递扭矩大,运行平稳噪音小,抗冲击能力强。
在相同功率的前提下,可比其它型式的减速器输出功率更大。
主轴装置采用滚动轴承,便于安装调整。
主轴上采用的新结构形式滚筒与主轴同心度好,主轴抗冲击力强、寿命长。
液压传动装置为手动控制的低压电液调节阀和电磁铁控制的安全三通阀,操纵省力,易于实现自动化和半自动化控制。
双系统液压站,该液压站采用两套完全独立的控制系统,使用过程中当一套系统出故障时,可立即转换到另一套系统正常使用。
液控元件使用了先进的电液比例控制技术,具有先导控制、负载传感和压力补偿等功能,使液压站拥有更优良的使用性、高效的运行可靠性和方便的维护保养性。
盘式制动灵敏,安全可靠。
采用碟型弹簧产生压力,液压控制,制动时间小于0.3秒。
机器控制完全集中在操作台上,方便,灵活。
仪表齐全、操作简便。
目前使用的矿用提升机,在机械部分有很大提高,控制系统普遍采用绕线电机转子串电阻的方式进行调速,该系统存在以下缺点:
大量的电能消耗在转差电阻上,造成了严重的能源浪费,同时电阻器的安装需要占用很大的空间:
控制系统复杂,导致系统的故障率高,接触器、电阻器、绕线电机碳刷容易损坏,维护工作量很大,直接影响了生产效率;
低速和爬行阶段需要依靠制动闸皮摩擦滚筒实现速度控制,特别是在负载发生变化时,很难实现恒减速控制,导致调速不连续、速度控制性能较差;
启动和换档冲击电流大,造成了很大的机械冲击,导致电机的使用寿命大大降低,而且极容易出现“掉道”现象;
自动化程度不高,增加了开采成本,影响了产量;
低电压和低速段的启动力矩小,带负载能力差,无法实现恒转矩提升。
提升机的发展趋势:
近几年的提升机技术,正向着体积小、重量轻、提升运输能力大、效率高、性能稳定、安全可靠、自动化、智能化的方向发展。
1.2.2矿机提升机的制动系统简介
矿用提升设备是借助于钢丝绳带动提升容器(罐笼、箕斗、矿车、人车等),沿竖井井筒或倾斜井巷运行的提升机械,矿井提升机是矿山系统中必不可少的重要设备,是沟通矿井上下的纽带,矿井提升机启动频繁,负荷变化大,运行速度要求的十分严格,这就必须配备良好的控制装置和保护装置。
所以,设备的安全运行,不仅影响着整个矿井生产,而且还涉及到人的自身安全。
随着工业的进步以及对人身价值观的重视,矿井提升设备安全运行已成为考核煤矿企业落实规程的一项重要指标。
所以,对于制动系统的研究就更尤为重要。
矿井提升机常用制动方式和制动系统的现状:
提升机除了正常工作时的工作制动外,还有紧急情况下的恒减速制动,二级制动和一级制动等几种方式。
(1)工作制动当提升机在正常的工作状态时,提升机经加速、全速、减速、爬行等过程到达停车位时,制动安全贴闸,保证提升机停车的稳定;
(2)恒减速制动当提升机在井中发生运行故障时,可以使提升机以恒定的减速度减速,直至速度为零;
(3)二级制动二级制动又称为恒力矩制动,在制动系统投入运行前将系统的制动压力调整好,若发生紧急制动,系统的制动力不随外负载变化,这是一种开环控制方式;
(4)一级制动一级制动多用于接近井口时或在井口时,当发生事故时,制动器的全部液压油回油箱,系统压力回到零值,使系统处于完全制动状态。
对比以上几种制动方式,可见当发生事故需要紧急制动时,因恒减速制动可以维持减速度是一个恒定值,故为首选方式。
而二级制动因其是维
持制动力矩恒定,减速度因外负载的变化而变化,就会出现不符合《煤矿安全规程》规定或摩擦式提升防滑极限减速度等诸多不安全的现象,因此只有在恒减速制动不满足条件的时候才实施二级制动,当在井口速度较低时实施一级制动。
第二章电液比例控制系统与PLC概述
2.1电液比例控制系统
2.1.1电液比例控制技术
电液比例技术是流体传动与控制技术中的一个新的分支。
一般人们把使用比例控制元件(含比例控制阀、比例控制泵及比例放大器)的液压系统称为电液比例控制系统。
比例控制是实现元件或系统的被控制量与控制量之间线性关系的技术,依靠这一技术保证输出量的大小按确定的比例随着输入量的变化而变化。
2.1.2电液比例控制系统及特点
电液比例控制系统分为开环控制和闭环控制系统。
开环控制系统不对被控制量进行检测和反馈,当出现被控量与期望值的偏差时无法进行修正。
这类系统一般控制精度不高。
但与开关式液压控制相比,控制质量和方式都有改进和简化。
这类开环系统由于不存在信号和能量的反馈,因而系统稳定性好,容易设计·
。
是目前最常见的比例控制系统。
闭环系统引入了反馈回路。
它用被控制量与输入量(给定)的偏差信号作为真正的控制信号,最后使输出量尽量与输入量相一致。
在受到干扰时仍能消除偏差或把偏差控制在要求的精度内,系统的输出能较准确地复现输入信号的变化规律。
但由于有反馈的存在,其稳定性成为设计的主要考虑问题,特别是比例阀下作在较大的范时,其非线性的影响不能忽略。
电液比例控制系统由放大元件、电液比例控制元件、动力执行元件及动力源、工程负载及信号检测反馈处理元件组成。
此次设计所应用到的核心器件比例溢流阀:
图2.1直动式比例溢流阀示意图
它主要包括阀体6,带位置传感器1、比例电磁铁2、阀座7、阀芯5及调压弹簧4等主要零件。
当电信号输入时,电磁铁产生相应的电磁力,通过弹簧座3加在调压弹簧4和阀芯上,并对弹簧预压缩。
此预压缩量决定了溢流压力。
而压缩量正比输入电信号,所以溢流压力也正比于输入电信号,实现对压力的比例控制。
2.2PLC的简介
随着微电子技术的飞速发展,特别是微处理器和微计算机的快速发展,PLC已从原来由中小集成电路组成到由大规模集成芯片成为其核心部件转换其被广泛用于各方面的控制。
2.2.1PLC基本结构
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机,其硬件结构基本上与微型计算机相同,分为中央处理单元(CPU)
,存储器,输入、输出接口,扩展接口,电源,通信模块,编程工具,I∕O接口等。
⑴
中央处理单元(CPU)
中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。
它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据;
检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态,并能诊断用户程序中的语法错误。
当PLC投入运行时,首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据,并分别存入I/O映象区,然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序,经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。
等所有的用户程序执行完毕之后,最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置,如此循环运行,直到停止运行。
(2)存储器
PLC存储器是用来存放系统程序、用户程序和运行数据的单元。
按其作用有系统存储器(存放系统软件的存储器)和用户存储器(存放应用软件的存储器)。
(3)输入、输出接口
①现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路,作用是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。
②现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成,作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。
(4)扩展接口
扩展接口用于将扩展单元与基本单元相连,使PLC的配置更加的灵活,以满足不同控制系统的要求。
(5)电源
PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。
如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的,因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。
一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内,可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。
(6)通信模块
如以太网、RS485、Profibus-DP通讯模块等。
(7)编程工具
编程工具是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视用的设备。
最常用的是编程器编程器有简易性和智能型两类。
简易型的编程器只能联机编程,且往往是先将梯形图转化为机器语言助记符后才能输入,它一般由简易键盘和发光二极管或其他显示器件组成。
智能编程器又称图形编程器,它可以联机,也可以脱机编程,具有LCD或CRT图形显示功能,可以直接输入图形图和通过屏幕对话。
2.2.2PLC的工作原理
PLC的全工作过程主要分为上电处理、扫描过程和出错处理。
其中扫描过程分为输入采样阶段、用户程序执行阶段和输出刷新阶段。
(1)输入采样阶段
在输入采样阶段,PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据,并将它们存入I/O映象区中的相应的单元内。
输入采样结束后,转入用户程序执行和输出刷新阶段。
在这两个阶段中,即使输入状态和数据发生变化,I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。
因此,如果输入是脉冲信号,则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期,才能保证在任何情况下,该输入均能被读入。
(2)用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段,PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。
在扫描每一条梯形图时,又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路,并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算,然后根据逻辑运算的结果,刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态;
或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态;
或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
即在用户程序执行过程中,只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化,而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化,而且排在上面的梯形图,其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用;
相反,排在下面的梯形图,其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。
(3)输出刷新阶段
当扫描用户程序结束后,PLC就进入输出刷新阶段。
在此期间,CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路,再经输出电路驱动相应的外设。
这时,才是PLC的真正输出。
第三章矿井提升机制动系统及其液压站设计
3.1盘闸制动器的工作原理
盘闸制动系统是应用于矿井提升机上的新型制动系统。
它具有结构紧凑、重量轻、动作灵敏、安全性好、便于矿井提升自动化的优点。
盘闸制动系统包括两部分:
盘闸制动器和液压站。
盘闸制动系统主要用于控制提升机的正常停车、工作制动和安全制动。
就目前使用状况来看:
提升机发生的事故大部分与制动有关,如断绳、过卷、墩罐、滑动等。
究其原因:
一方面在提升终了或提升机不工作时,不能可靠地闸住提升机;
另一方面在减速阶段不能参与提升机的速度控制,以至发生紧急事故时,不能进行安全制动。
从矿井生产来看,提升机一旦发生事故,将引起停工停产,甚至人员伤亡。
因而有必要对盘闸制动器的制动过程进行受力分析,以便确定制动力矩和性能参数,为保证提升机运行的可靠性和矿井安全生产提供必要依据。
N
5123
油压p4
NF2
闸瓦间隙
1-制动盘2-闸瓦3-活塞4-弹簧5-压力传感器
图3.1盘闸工作原理示意图
盘闸制动器是由蝶形弹簧4产生制动力,靠油压松闸的。
当压力油充入油缸,推动活塞压缩蝶形弹簧,筒体和闸瓦在回复弹簧和拉紧螺栓的作用下一起右移;
闸瓦离开制动盘,呈松闸状态。
当油缸内油压降低,蝶形弹簧就回复其松闸状态时的压缩变形,推动活塞向左移动,使闸瓦压向制动盘,达到制动的目的。
制动状态时,闸瓦压向制动盘的正压力大小,决定于油缸内工作油的压力。
当油缸内压力为最小值时(一般不等于零,有残压),弹簧力几乎全部作用在活塞上。
此时制动盘上的正压力最大,呈全制动状态。
反之,当工作油压为系统最大油压时,呈全松闸状态。
3.2制动过程分析研究
1.全制动状态时
提升机在全制动状态即停机状态时,液压站断电,盘闸制动器工作腔内的液压油全部回油。
此时,工作腔内的油压p=0,蝶形弹簧压缩量为
(mm),弹簧力
=k×
(K-蝶形弹簧刚度系数,N/mm)。
在弹簧和
作用下,盘形闸制动器闸瓦压紧在提升机滚筒上的制动盘上。
制动器受力如图所示:
N
Ft
图3.2全制动状态时制动器受力图
--制动器内活塞和筒体的运动阻力(N)
N--制动盘对闸瓦的正压力(N)
制动器闸瓦的力平衡方程为:
N=Ft-
=K
-
(3-1)
所以制动力矩:
=Z
u
Rm(N
m)(3-2)
--制动盘与闸瓦间的摩擦系数
--制动盘的制动半径(m)
分析(3-1)(3-2)两式可知,在全制动状态时,制动力矩主要与弹簧的压缩量
和弹簧的刚度系数K及活塞和筒体的运动阻力
有关。
若发生制动失效,则主要是由于弹簧压缩量
太小或蝶形弹簧刚度系数K太小造成的。
当然,若闸瓦与制动盘之间的摩擦系数
太小也会导致制动失效。
2.松闸状态时
提升机系统从停机状态到工作状态时,必须解除制动器的制动。
启动液压站,向制动器工作腔内注入压力油。
推动活塞,带动筒体,压缩蝶形弹簧闸瓦离开制动盘,呈松闸状态。
图3.3松闸状态时制动器受力图
--制动器的内油液对筒体的作用力(N)
--制动器内油液压力(Pa)
--制动器内油缸面积(
)
(3-3)
在松闸过程中,随着油压力p的增大,蝶形弹簧预压力和运动阻力将逐渐被克服。
当Ft+Fz与Fy相低消时,制动正压力N=0。
此时,闸瓦与制动盘处于脱开的临界状态,制动器内的油压称为开闸油压Pk。
(3-4)
随着液压站油压的继续升高,蝶形弹簧的压缩量继续增加。
当液压站油压达到设定的最大油压值
时,闸瓦与制动盘间隙达到最大。
(3-5)
3.制动状态时
盘闸制动闸瓦从全开闸状态到贴闸状态时,液压站油压逐渐降低,活塞和筒体的运动方向指向制动盘。
制动盘受力如图所示:
图3.4制动状态时制动器受力图
制动闸瓦的力平衡方程为:
(3-6)
当闸瓦与制动盘刚好贴上时,闸瓦与制动盘处于贴上的临界状态,制动器内的油压称为贴闸油压Pt。
即:
(3-7)
当工作腔内油压降低到液压站开动时的最低压力Pc(残压)时,正压力为最大压力
(3-8)
所以最大制动力矩:
(3-9)
分析(3-4)(3-7)两式可知,开闸油压力和贴闸油压力是不同的,说明松闸过程和制动过程是不重合的。
分析(3-8)(3-9)两式可知,制动器产生的最大制动力矩与残压Pc有关。
若液压站发生油路堵塞,制动器内的液压油不能及时回油时,将导致制动力矩过小,从而出现制动失效。
在实践实习中,西峪煤矿就曾发生过油路堵塞、制动力矩过小而出现的制动失效。
3.3性能参数的确定
1.蝶形弹簧刚度系数K
盘闸制动器是靠油压力松闸,弹簧力
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