1、大学毕业设计猴车控制系统方案说明书摘 要为了缩短矿工上下井的路途时间，减轻矿工上下井的体能消耗，并且针对部分地区煤矿因斜井巷道比较窄，索道长度在500米左右，最大倾角为15，地势环境比较差以及起重运输不便等原因，不能使用双向无极循环运行模式，而需采用单向循环运行模式。实现其具有运行安全可靠、人员上下方便、随到随行、不需等待、一次性投入低、动力消耗小、操作简单、便于维护、工作人员少和运送效率高等特点。于是本设计采用PLC系统控制，并在控制系统中加入一氧化碳传感器、甲烷传感器、紧急停车装置、过摆保护开关等元件进行设计，设计出满足要求的猴车控制系统，对架空乘人装置、PLC、气体传感器进行选型和计算，
2、解决实际使用中容易出现的问题，根据系统要求设计出能满足控制要求的控制电路、流程图以及控制程序，并达成预期目标。关键词：猴车；PLC；斜井；单向运行；起重运输ABSTRACTIn order to shorten the journey time miners fluctuation Wells, and reduce the miners fluctuation Wells physique consume, and in order for some part of inclined coal roadway is narrow in somewhere, the maximum Angle
3、 in about 500m for 15, hypsography environment is poorer, and lifting transportation inconvenient and so on, cannot use two-way non-polar circular running mode, and the need to adopt one-way cycle operating mode. So this design adopts PLC control system and the control system by adding carbon monoxi
4、de sensors, methane sensors, emergency mobile forces stop apparatus, over pendulum protect switch and other components pendulum design designed to meet the requirements of the sitting-like-a monkey control system, overhead Equipment, PLC, gas sensors for selection and calculation easy to use in solv
5、ing practical problems depending on system requirements designed to meet the control requirements of the control circuit, flowchat and control program reach target.Keywords: Sitting-like-a monkey; PLC; Inclined; One-way operation; Hoisting and conveying 4.3 本章小结 29第1章 绪 论1.1 设计背景及其意义 随着矿井的大型化发展和开采深度
6、的增加，如何既能减少人员下井的体力消耗，又能安全舒适地运送人员，是广大煤矿工作者一直致力研究的一项工作。猴车以其安全性而得到各矿物局的支持，跟过去的罐笼车相比，它投资少，使用简单。地下矿用架空索道（俗称猴车）为矿山长距离安全快速地运输人员提供了经济适用的解决方案。其工作原理类似于地面旅游索道，它通过电动机传动到减速机上的摩擦轮作为驱动装置，以架空，无极循环的钢丝绳作为牵引承载，此钢丝绳靠尾轮张紧装置进行张紧和绳长调节，沿途采用绳轮支撑，以维持钢丝绳在托轮间的贴合力；抱索器将乘人抱索器与钢丝绳连接并循环运行，从而实现运送人员的目的。其优势能长期运输，维护工作量较少，这种井下索道运输具有安全实用、
7、运送能力大、动力消耗小、设备简单等优点，深受井下工人的欢迎，大大提高了井下辅助运输的效率。地下矿用架空索道的最新发展方向呈现大运量、高速度、集中控制、稳定安全等特点。具有大运量、连续运输、连续变坡拐弯的特点，而且运行可靠，易于实现自动化和集中控制，经济效益十分明显。地下矿用架空索道也是煤矿乘人装置最为理想的高效连续辅助运输设备，特别是煤矿高产高效现代化的大型矿井，地下矿用架空索道已成为矿井辅助运输机电一体化技术与设备的关键设备。随着高产高效矿井的发展，矿用架空索道各项技术指标有了很大提高。1.2国内外研究现状矿用架空索道在国内一直被作为一个煤矿辅助运输机械装备，传统矿用架空索道在技术上已经基本
8、成熟，产品应用很普遍，由于它只是生产过程中的辅助设备，产品不需要很高的科技含量就能满足要求，国内厂家所生产的产品已经能够满足生产中的要求，其中绝大部分驱动方式为机械传动，液压驱动方式使用的不多，从2009 年开始，才有部分厂家生产液压驱动方式的矿用架空索道，这是因为液压驱动投资大、技术含量高、难以维修，而在全国范围内我国的液压传动技术水平较低，难以占领高端产品市场。在国外，架空乘人装置技术水平比较高，他们采用比较先进的液压驱动技术，系统采用悬挂式无极 绳连续运转的工作方式，用于各类煤矿井下随时快运送人员。动力源采用全液压驱动，运输系统无论是高速还是低速均可实现等加速启动以及电动机的无负荷启动，
9、对其他电力设备影响小。运行速度调节方便、液压驱动的功率控制准确、系统无过载运行，因无需增加电动机备用功率而节能、运行特性软，无冲击。驱动部件与泵站分开布置，而液压驱动所具备的高功率密度的特点，使得设备的动力部件体积小、重量轻，占用空间小，非常适应煤矿井下的小断面巷道以及起重运输不便的场合布置、安装和维修。油箱采用全封闭增压构造以及多道过滤元件和完善的保护装置，杜绝了油的泄漏和故障率。整机性能稳定、工作可靠且寿命长。由于液压减速机体积小且没有倾斜角度的限制，驱动部安装时无倾角要求且不需要挑顶，对巷道的适应行更强，安装施工量小、钢丝绳使用寿命长。液压驱动方式可以同时满足高速和低速两种形式的运行，高
10、速运行时无需配备变频装置。因此，以PLC 为主体构成的煤矿井下的小断面巷道，矿井地势环境比较差以及起重运输不便的场合控制系统，尤其是对我国多煤矿的省市地区来说，其具有广阔的应用前景和明显的经济效益。1.3 设计研究内容 本次研究的主要内容是基于PLC 控制一台驱动电机运行的煤矿运人猴车控制系统，该控制系统主要由PLC、显示器、气体传感器等组成。本次研究的目标是对煤矿安全性和猴车的使用性给予提升，减少工人上下班的时间，使系统的稳定性和节能效果进一步提高，故障报警及故障排除及时迅速。根据系统要求，设计出满足要求的猴车控制系统，对架空乘人装置、PLC、气体传感器进行选型和计算，解决实际使用中容易出现
11、的问题，根据系统要求设计出能满足控制要求的控制电路、流程图以及控制程序。第2章 课题的提出及方案论证2.1 架空乘人装置结构组成架空乘人装置主要由驱动部分、乘人部分、托绳部分、尾轮部分、张紧部分以及电控系统组成（如下图2.1）。本文主要是针对猴车电控系统的设计图2.1 斜井架空乘人装置的组成框图2.2系统的控制要求猴车作为一个煤矿辅助运输机械装备，在国内绝大部分驱动方式为机械传动，液压驱动方式使用的不多，并且主要应用在巷道比较空旷的场合；而在国外大多采用比较先进的液压驱动技术，并且非常适应煤矿井下的小断面巷道以及起重运输不便的场合。减少矿井工作人员上下班时间是该控制系统的第一个目的，经济实用和
12、安全是本设计的另外一个目的。而本系统拟解决国内现在存在的这一不足，以减少工人的上下班时间，为企业带来一定的经济利益，具有一定的实用性，为该控制系统的第一个目的。保证工人的生命和财产安全是本设计的另一个目的。 系统控制要求实现的功能如下：（1） 猴车控制系统启动要求 在井上和井下分别设有操作台，当在井上有人需上车时，井上操作人员按下正转启动按钮，制动器松闸，系统发出3声预警信号用以提示乘客猴车即将启动，注意安全；另外一个作用是作为与井下操作台上的工作人员之间的一种通信信号：告知矿井下的操作人员此时井上有人上车，若井下有人需上车，此时必须等待，只到所有上车的人都到达井下时，方可上车；同理若是在井下
13、的操作人员按下反转启动按钮，则若井上有人需上车时，此时必须等待，只到所有上车的人都到达井上时，方可上车。当第3声预警时，猴车启动开始运行，5秒后播放MP3。如果在井上（井下）所有矿工都已上车并在不过载的情况下时，控制台操作人员调节减速机调速开关，使电机加速运转，达到节能、减少乘坐时间的目的；若有乘车者下车，调节减速机调速开关，使电机减速运转。若过载，则重锤上升到达上限限定高度，触动钢丝绳张紧保护开关动作，架空乘人索道自动停车。（2）系统停车 正常停车：转换开关置于停止位置，设备进入停机状态，任何设备不能启动。（3）完善的系统保护、报警功能。全程紧急停车保护：在架空乘人装置的沿线装有紧急停车拉线
14、开关间隔80米1 个，并由钢丝绳连接起来。当巷道内有紧急情况时，在沿线的任意一个地方拉动该钢丝绳，相应的急停拉线开关将给控制系统一个急停信号，架空乘人装置将自动停止运行，同时显示窗将显示触动此开关的相应位置。乘人吊椅摇摆保护：间隔80m安装一个，此开关是用于防止吊椅过摆而设置的保护装置。当吊椅过摆到一定高度时，车触动此开关动作，候车自动停车。同时显示窗将显示触动此开关的相应位置。 煤矿安全报警系统：当矿井内的一氧化碳（CO）和甲烷（CH4）的气体浓度高于安全标准浓度时， 由CO传感器和CH4 传感器给控制系统一个井内有毒气体超标的信号，使电机反转，使猴车返回矿井地面并发出警报。越位保护。机头、
15、机尾越位保护：机头和机尾分别有越位行程开关，当矿工乘坐吊椅上井或下井进入机头或机尾的禁止部位点时，由越位保护装置给控制系统一个越位的信号，系统自动停机并发出故障报警声，同时显示窗口显示相应的故障。 制动器动作保护：制动器与电机在电气上为互锁保护，主电机启动前，制动器提前3秒松闸，处于非制动状态。如制动器未能松闸，主电机不能启动，从而达到保护主电机的目的。电机的过载、短路保护：控制电路中接有熔断器和热继电器，分别用于电路短路和过载保护。2.3控制系统的方案选择架空乘人装置按驱动方式可分为机械传动和液压驱动两种驱动方式，其主要控制方式有：（1）纯继电器控制方式这是猴车电控过去常用的一种控制方式，这
16、种控制方式存在很多的缺点：当保护开关增多时线路变得很复杂，而且不便于接线，设计困难，维修困难，安全性差，触点多，也不能显示各种保护。 （2）PLC 电路控制方式 该控制方式能够实现对电机的加速和减速控制，达到减少乘坐人员的乘坐时间和上下车安全的目的。气体传感器的任务是检测矿井内有毒气体的浓度，通过气体传感器反馈信号给控制电路一个气体浓度偏高的信号，输出给电机一个反转的控制信号。对于这种控制方式，随着电路中的保护开关的增加，使电路的安全性和准确性都能得到提高，却不会给电路接线带来困难。采用这种控制方式具有可靠性高、程序简单、设备便于维护和维修，电路连接方便，一次性投资小等优点。 所以从以上两种控
17、制方式看，本设计采用PLC 控制方式。比较得出PLC 有明显的优越性。本设计采用松下公司的FP1系列的FP1-C72型号PLC，其相应的软件为FPWIN-GR 和手持编程器来完成猴车控制系统的设计。2.4猴车控制系统2.4.1架空乘人装置电控系统架空乘人装置系统具有设备电气互锁，电机失压、短路、过载保护，张紧保护，沿途紧急停车闭锁等较为全面的安全保护功能。具有启动前预警信号，开车、停车按设定的程序控制等功能。具有数码显示功能，当设备发生故障时，给出相应的故障位置提示，极大方便了用户对设备的维护和维修。2.4.2系统的基本结构猴车控制系统主要以PLC为主要控制单元，控制操作台及语音箱作为操作及报
18、警设备，PLC外围开关，传感器构成保护系统。系统框架如图3.1 所示。 系统各组成主要作用说明如下： （1）按钮开关：在煤矿上水平面和下水平面各自都设有两个按钮开关，其中一个是停止按钮，另外一个是：在上水平面为正转启动按钮，下水平面为反转启动按钮。其主要目标是实现在异地共同控制同一台电机的运行和停止。 （2）保护开关：本设计在索道沿途共安装12个保护开关，其中6个用作全程紧急停车保护开关，另外6个用作吊椅摇摆保护开关，分别间隔80m安装一个；通过PLC 控制系统将数据送往数码管显示，以便工作人员准确定位故障的位置，减少了故障的排查时间，便于维护和维修。 （3）传感器：本设计通过在矿井安装CO传
19、感器和CH4传感器并连接PLC 控制回路，当浓度超标时，传感器就给控制系统一个井内气体偏高的信号并发出警报，使电机反转，即使猴车返回上水平面。 （4）减速机：通过减速机上的调速开关，将马达的回转数减速到所要的回转数，以达到调节猴车运行速度的目的。综合本设计需求，并查阅图书馆和网络资料，系统硬件选型暂定有电动机、减速机、PLC、传感器、A/D装换元件、制动器等几项硬件设计选择。（1）电动机：综合系统要求并假设设计环境为索道长度500M、斜角15，来进行运算，并最后选择出合适的电动机型。（2）PLC：根据系统输入输出开关电位数量，并秉承物美价廉的原则进行选择、确定型号。（3）制动器的选择：从安全性
20、方面考虑，并从实际使用情况出发，结合使用代价选定型号。（4）减速机：即直接从设计中所需的运动调速方式，以及有轻度腐蚀的工作环境并结合各减速机型号的侧重性能来综合考虑选型。（5）传感器：本设计中涉及的传感器包括：一氧化碳、甲烷传感器，该传感器的选择，秉承矿区常规选择的传感器习惯，并考虑与本设计需求的契合程度来综合选择。（6）另有A/D转换元件的选择，则从PLC的选择中来连带考虑该元件的选型。图2.2 猴车电控系统组成框图2.5本章小结本章先对猴车装置的组成、系统控制的预期效果做了概述。其中猴车的结构主要由驱动部分、乘人部分、托绳部分、尾轮部分、张紧部分及电控系统组成。作为本设计重点的猴车电控系统
21、主要包括猴车控制系统启动、系统停车、系统保护、报警等功能。其次综合本设计的设计需要，选择了松下公司的FP1-C72型号PLC作为控制核心。最后就此系统方案做出了猴车电控系统的系统组成框图，并就设计中需求到得系统硬件其中包括按钮开关、保护开关、传感器、减速机进行了具体的阐述和对系统的一些主要硬件提出了选择思路和整体方案。第3章 控制系统的硬件设计3.1 PLC的选型（1）PLC 简介 PLC 即可编程控制器（Programmable logic Controller，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会（International Electrical Commi
22、ttee）颁布的PLC 标准草案中对PLC 做了如下定义：PLC 英文全称Programmable Logic Controller ,中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程.PLC是可编程逻辑电路，也是一种和硬件结合很紧密的语言，在半导体方面有很重要的应用，可以说有半导体的地方就有PLC。具有以下特点：1.可靠性高，抗干扰能力强；2.通用性强，控制程序可变，使用方便；3.功能强
23、，适应面广；4.编程简单，容易掌握；5.减少了控制系统的设计及施工的工作量；6.体积小、重量轻、功耗低、维护方便。 PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。 PLC是以微处理器为核心，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置，具有结构简单、性能优越、可靠性高、灵活通用、易于
24、编程、使用方便等优点，近年来在工业自动控制、机电一体化、改造传统产业等方面得到了广泛应用。 发展方向： 产品规模向两极分化； 处理模拟量； 追求高可靠性； 通讯接口和智能模块； 系统操作站配高分辨率的监视器； 追求软、硬件标准化。 （2）PLC 的选型 在控制系统方案中共有开关量输入点23个、开关量输出点26个。故采用松下公司的FP1-C72可编程逻辑控制器，FP1 系列的C72 可编程逻辑控制器共有 40个输入点和32个输出点，共72个I/O点，输入寄存器为X0X27输出寄存器为Y0Y1F，有内置时钟。C72系列PLC器件价格较低，性能优良，程序容量较大、运行速度快、可在线编程等优点。3.2
25、 驱动装置的选型3.2.1电机的选择（1）计算说明 已知参数： 巷道斜长：L=500m 巷道坡度： =15 驱动轮直径：D=1000mm。 钢丝绳的运行速度：V=0.8m/s。 主要参数的确定预选钢丝绳：6X19-20（q0 =1.47 m）。 设吊椅间距为： 112m。 托轮间距： 2=8m。 驱动轮绳槽与牵引钢丝绳间的摩擦系数：=0.2。 牵引绳在驱动轮上的围包角：=180。 (2) 牵引钢丝绳张力的计算 最小点张力的计算： （3.1）式中： Smin最小张力点的张力，N；C 钢丝绳的绕度系数，取C=1000；q0预选牵引钢丝绳的每米质量 1.47 m；g重力加速度，g=9.8m/s； =
26、14406N。 各点张力的计算： 当下放侧无人而上升侧满员是：（动力运行状态） 线路运行阻力： （3.2） (3.3)各点张力： S3 = Smin =14406N S4 =1.01 Smin = 14550.06NS1 = S4 + W4-1 =26760.2N S2 = S3 W2-3 =17598.06N （3.4）式中：q0 每米钢丝绳的质量 1.47 m； Q1 每人人体重量 取 Q1 =75 ； Q2 每把吊椅重量 取Q2 =15 ； 牵引钢丝绳运行阻力系数，动力运行时，取=0.02，制动运行时，取=0.015； L矿井斜长。当下放侧满员而上升侧无人时：（制动运行状态） 线路运行阻
27、力： （3.5） (3.6)各点张力： S3 = Smin =14406N S4 =1.01Smin =14550.06NS1 = S4 + W4-1 = 18252.58 N S2 = S3W2-3 =24932.76N(3) 电动机功率的计算与选择选择电动机选择电动机类型选用Y型笼型三相异步电动机选择电动机容量由电动机至钢丝绳的传动总功率为： (3.7)式中， 1 是联轴器1 传动的效率2 是锥齿传动的效率3 轴承传动的效率4 是齿轮传动的效率5 是联轴器 2 传动的效率6 是驱动轮传递的效率。其大小分别为1=0.99， 2=0.95， 3 =0.98， 4 =0.97， 5 =0.99，
28、 6 =0.96。则电动机输出功率：动力运行时： (3.8)制动运行时： (3.9)式中Kb 电动机功率备用系数，一般取 Kb =1.6 取=2.08 所以选取电动机功率为：30KW确定电动机的转速： (3.10)初选圆锥齿轮的传动比i1 =23，单级圆柱齿轮传动比i=35，二级齿轮传动比i2 =925,故电动机转速的 可选范围为d n =( i1 in ) nN = (1875) 15.29 r/min = (275.221146.75) r/min。 综合考虑选择电动机型号为Y200L-6 笼型三相异步电动机。 表3.1 Y200L-6 型电机的主要性能额定功率（kw）满载转速（r/min
29、）效率（%）功率因素电流（A）3097589.50.8558.6（4）电动机启动方式选择电机的启动方式主要有：全压直接启动、自耦减压起动、Y- 起动、软起动器、变频器。 全压直接启动：优点是操纵控制方便，维护简单，而且比较经济。主要用于小功率电动机的起动，从节约电能的角度考虑，大于11kw的电动机不宜用此方法。 自耦减压启动：利用自耦变压器的多抽头减压，既能适应不同负载起动的需要，又能得到更大的起动转矩，是一种经常被用来起动较大容量电动机的减压起动方式。它的最大优点是起动转矩较大，当其绕组抽头在80%处时，起动转矩可达直接起动时的64%。 Y-起动：适用于无载或者轻载起动的场合。并且同任何别的
30、减压起动器相比较，其结构最简单，价格也最便宜。 软起动器：这是利用了可控硅的移相调压原理来实现电动机的调压起动，主要用于电动机的起动控制，起动效果好但成本较高。因使用了可控硅元件，可控硅工作时谐波干扰较大，对电网有一定的影响。另外电网的波动也会影响可控硅元件的导通，特别是同一电网中有多台可控硅设备时。因此可控硅 元件的故障率较高，因为涉及到电力电子技术，因此对维护技术人员的要求也较高。 变频器：变频器是现代电动机控制领域技术含量最高，控制功能最全、控制效果最好的电机控制装置，它通过改变电网的频率来调节电动机的转速和转矩。因为涉及到电力电子技术，微机技术，因此成本高，对维护技术人员的要求也高，因
31、此主要用在需要调速并且对速度控制要求高的领域。 根据上述情况本文选择自耦减压启动方式，这种启动方式主要用于较大容量的电动机，以减小启动电流对电网的影响。其优点是：启动时对电网的电流冲击小，功耗损耗小。如图3.3 所示，当按下正转（反转）启动按钮SB0（SB1），接触器KM1、KM2 与时间继电器KT的线圈同时得电，KM1、KM2 的主触 点闭合，电动机定子绕组经自耦变压器接至电源减压启动。当时间继电器KT延时时间到，一方面其常闭延时触点打开，KM1、KM2线圈失电，KM1、KM2 主触点断开，将自耦变压器切除；同时，KT的常开触点闭合，接触器线圈KM3（KM4）得电，KM3（KM4）主触点闭合，电机投入正常运转。图3.1 主电路图3.2.2 制动器的选择（1）制动器的选型原则： 考虑输送机的工作重要性，当输送机工作场所十分重要时，如主运输输送机，应重点考虑可靠性配置，才采用液粘制动加盘闸制动器，实现双保险。 考虑输送机（长度短、运量小）制动力矩大小，制动力矩小，相应动载冲击小，可选用普通推杆制动器；否则，应选用可控制动器，如液粘制
