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1第一章矿井提升机系统高仿真平台的概述1.1、系统简介矿井提升机系统自动控制高仿真平台以提高提升效率、节能降耗、安全运行为设计理念，针对交流提升系统进行仿真设计。该系统完全模拟井底煤仓装载、定量称重和箕斗自动装载、井上煤仓卸载及提升机全自动提升过程。可分别实现提升机全自动运行控制和手动控制。在控制面板上还包括了信号系统和故障模拟功能，具备以太网通讯功能，可实现与集中控制平台的连接。矿井提升机系统自动控制高仿真平台如图1所示。1.2、系统结构整个系统分为机械部分和电气控制部分，机械部分包括提升用交流电机、滚筒、天轮、井架、提升箕斗、钢丝绳、装卸载机构、摩擦轮等设备；电气部分包括西门子S7-300PLC、变频器、位置传感器、轴角编码器、控制面板、触摸屏和控制软件等。1.3、运行方式用户可以在远程控制平台、触摸屏以及就地控制面板完成对系统的监控。综合考虑系统对于实时性、可靠性以及传输距离等的要求，监控网络采用MPI网络与工业以太网相结合的形式。当设定为就地方式时，用户可图1提升机系统高仿真平台图1提升机系统高仿真平台2在就地控制面板完成对提升机系统和装载系统的操作；集中方式分别对应触摸屏，实现提升机和装载皮带的一键启停控制；选择远程方式时，提升机和装载系统将根据上一级系统条件自动启停，或根据当前系统条件执行自动控制程序。1.4、工作原理矿井提升机系统自动控制高仿真平台的整个工作过程是由采煤机采地煤，经过运输皮带进入主煤仓，在由皮带运送到定量仓，最后进入箕斗提升机，完成了煤炭的装载过程。由主电机带动卷筒旋转，绕过天轮的钢丝绳连结箕斗上下运动，完成上下提升运动。提升机中的箕斗在上下提升运动过程中主要进过几个阶段：①加速阶段，箕斗在装满煤后速度在不断增加这段时间很短；②匀速阶段，箕斗在加速阶段后，速度达到额定速度后就不会再增加，一直以这个速度提升，这个过程时间较长，路程也最长；③减速阶段，箕斗都经过减速开关后，就要一直在减速，这段时间也很短；④爬行阶段，箕斗经过减速阶段速度达到爬行速度，箕斗就一直以这个速度提升，直到箕斗到达停车点时，箕斗速度就会立即减为零，箕斗停止。1.5、使用说明用户可在就地控制面板完成对于提升机系统和装载系统运行方式的设定，可以将其设定为就地、集中、远程三种方式中的任意一个。当设定为就地方式时，用户可在就地控制面板完成对提升机系统和装载系统的操作；集中方式分别对应触摸屏，实现提升机和装载皮带的一键启停控制；选择远程方式时，提升机和装载系统将根据上一级系统条件自动启停，或根据当前系统条件执行自动操作。3第二章仿真平台改进的基本要求2.1电气部分的改进要求（1）提升机工作信号应声光兼备，并具有下井口向上井口发出开车信号—上井口收到下井口开车信号后向车房发出开车信号的顺序闭锁；井口信号装置必须与提升机的控制回路相闭锁。分析：矿井提升机实训仿真平台工作信号声光兼备，实现相关回路的闭锁。其控制系统由电气设备来实现。（2）提升机应具有下列保护装置：①防止过卷装置：超过终端停止位置0.5m。分析：当提升机的提升容器超过正常终端停止位置0.5m时，必须能自动断电，并能使保险闸发生制动作用。其保护由电气设备来实现。②防止过速装置：等速段15％。分析：当提升速度超过最大速度15%时，必须能自动断电，并能使保险闸发生作用。其保护由电气设备来实现。③过电流和欠电压保护装置。分析：当发生电动机过电流和欠电压时，实施保护。其保护由电气设备来实现。④限速保护装置。分析：提升速度超过3m/s的提升机必须装设限速保护装置，以保证提升容器到达终端的速度不超过2m/s。如果限速装置为凸轮板，其在一个行程内的旋转角度不小于270°。其保护由电气设备来实现。⑤闸间隙保护装置。分析：当闸间隙超过规定值时，能自动报警和自动断电。其保护由电气设备来实现。⑥松绳保护装置（只有单绳提升机才有）。4分析：缠绕式提升机必须设置松绳保护装置并接入安全回路和报警回路，在钢丝绳松弛时能自动断电和自动报警。其保护由电气设备来实现。⑦减速功能保护装置。分析：当提升容器到达设计减速位置时，能示警并开始减速。其保护由电气设备来实现。⑧满仓保护装置（只有箕斗提升机才有）。分析：箕斗提升的井口煤仓仓满时能报警和自动断电。其保护由电气设备来实现。（3）收到开车信号后，确定提升方向，按照（启动）加速、等速、减速、爬行、抱闸停车的顺序操作，在不同阶段，提升容器的运行速度也有所变化。说明：防止过卷装置、防止过速装置、限速装置和减速功能保护装置应设置为相互独立的双线型式。立井、斜井缠绕式提升绞车应加设定车装置。故障演示功能：如过卷0.5m后，提升机过卷保护动作，提升机自动断电，同时施保险闸。其他如过速保护、深度指示器失效保护等也可以试验。高、低压及操作台送电，启动润滑、制动油泵。（可模拟）2.2机械部分的改进要求（1）检查操作台上个仪表，如电流表、电压表、压力表等。操作台上应安有上述仪表，其指示数值与提升机运行状态对应。（2）深度指示器失效保护装置（应安装1台深度指示器）分析：当指示器失效时，能自动断电并使保险闸发生动作。也可以另外加设一台圆盘式深度指示器。（3）提升机应具有可调节的工作闸和自动控制的保险闸，在操作台上，有相应的手动闸把和应急按钮。分析：在操纵台上应安装有手动闸把和应急按钮及各种仪表，对提升机运行状态实施监控。5第三章控制面板的改进3.1控制面板的结构控制面板由控制按钮、触摸屏、运行状态指示灯和报警保护等组成。控制面板如图2所示。3.2控制面板的改进控制面板是集操作、提升运行状态指示、报警保护装置、将控制面板改进成操纵台，更能真实直观的了解提升系统的操纵平台。真实的体验提升机操作过程，更深刻的了解提升系统。操纵台主要由显示屏、制动手把、操纵手把、仪表、按钮和指示灯等触摸屏控制按钮运行状态指示灯报警保护报警保护图2控制面板6组成。操纵台前平面左侧装有4个主令开关，中间装有4个转换开关，左右两侧装有一定数量的按钮。仪表主要显示的内容有数字式深度指示器、提升速度、电流、电压、制动油压等。指示灯的内容有提升机及附属设备运行状态指示、信号指示和安全状态指示。选择开关由过卷复位开关、自锁式紧急停车按钮等。操纵台是提升机集中控制的操纵台，其上除司机用的操纵手把外，集中了各类仪表和信号指示器，以显示提升机制动系统压力。运动参数、电参数等各种运行参数和提升机工作状态。另外操纵台集中了部分安全制动按钮或踏板，以实现意外情况发生时的应急操作，保证提升运输安全。3.3改进后的操纵台操纵台斜面上装油压表、信号灯和电压表。油压表中指示制动系统的油压和润滑系统的油压值。在操纵台上装制动和操纵手把。操纵人员左手扳动的是制动手把，它是用来操纵制动系统和制动器，以实现对提升机主轴的装置的抱闸或松闸，该手把的下面与自整角机相连。改进后的操纵台如图3所示。图3操纵台牌坊式深度指示器踏板操纵手把制动手把显示屏屏指示灯按钮仪表73.4改进介绍在操纵台上装设显示屏、制动手把、操纵手把、仪表、按钮、踏板、指示灯等。（1）仪表仪表为嵌入式安装，两侧各有一个固定附件，将附件卡入仪表，拧紧螺丝，即可固定在屏上。电气保护管在仪表安装中使用较多它用来保护电线。配管时要注意保护管内径和管内穿的电缆数。通常电缆的直径之和不能超过保护管内径的一半。仪表如图4所示。（2）踏板安全制动踏板是在意外情况发生时的应急操作，保证提升运输安全。踏板安装到支架上，然后将踏板、支架移到合适的位置，再把所有螺栓拧紧。踏板如图5所示。（3）操纵手把操作人员右手操纵手把（操纵手把如图6所示）的作用是控制主电动机的启动、停止、和正反转，手把下部经过链条传动带动主令控制器（主令控制器如图7所示），使主电动机转子回路接入或切断电阻而使提升机实现减速或加速。当操纵手把处在中间位置时，主电动机断电停止转动；当操纵手把由中间位置向前推动时，主电动机正向启动；向后推动时，图4仪表图5踏板图6操作手把8反向启动；当操纵手把由最前面或最后面推到中间位置时，主电动机由减速直到断电停车，提升机完成一次提升任务。当操纵人员将手把向远离方向推到最前面，制动手把带动自整角机发出信号（自整角机输出电压最大），由光电编码器接受信号，并传送到plc，经过plc处理后，使提升机松闸。当手把向操纵人员方向拉回到最后面时，制动手把带动自整角机发出信号（自整角机输出电压最小），由光电编码器接受信号，并传送到plc，经过plc处理后，使提升机抱闸。①自整角机自整角机是一种将转角变换成电压信号或将电压信号变换成转角，以实现角度传输、变换和指示的元件。它可以用于测量或控制远距离设备的角度位置，也可以在随动系统中用作机械设备之间的角度联动装置，以使机械上互不相联的两根或两根以上转轴保持同步偏转或旋转。通常是两台或多台组合使用。自整角机如图8所示。选用时应注意的事项：自整角机的励磁电压和频率必须与使用的电源符合。对尺寸小的自整角机，选电压低的比较可靠；对长传输线，选用电压高的可降低线路压降的影响；要求体积小、性能好的，应选400Hz的自整角机否则，采用工频比较方便。相互联接使用的自整角机，其对接绕组的额定电压和频率必须相同。在电源容量允许的情况下，应选用输入阻抗较低的发送机，以便获得较大的负载能力。选用自整角变压器和差动发送机时，应选输入阻抗较高的产品，以减图7主令控制器图8自整角机9轻发送机的负载。②光电编码器光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴电动机旋旋转经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。光电编码器如图9所示。③西门子S7-300PLCPLC即可编程控制器是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。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。S7-300PLC是模拟式中小型PLC，电源、CPU和其他模块都是独立的，可以通过U形总线把电源（PS）、CPU和其他模块紧密固定在西门子S7-300的标准轨道上。每个模块都有一个总线连接器，后者插在各模块的背后。电源模块总是安装在机架的最左边，CPU模块紧靠电源模块。CPU的右边是可以选择的IM接口模块，如果只用主架导轨图9光电数字编码器图10西门子S7-300PLC10而没有使用扩展支架可以不选择IM接口模块。西门子S7-300PLC如图10所示。④联结轴联结轴的主要作用是传递转矩，在工作过程中承受载荷，支撑传动零部件。联结轴如图11所示。⑤齿轮齿轮传动用来传递任意两轴间的运动和动力，其圆周速度可达到300m/s，传递功率可达105KW，齿轮直径可从不到1mm到150m以上，是现代机械中应用最广的一种机械传动。齿轮传动的基本要求：传动准确平稳，承载能力强。齿轮传动的最基本要求之一是瞬时传动比恒定不变。以避免产生动载荷、冲击、震动和噪声。这与齿轮的齿廓形状、制造和安装精度有关。齿轮传动在具体的工作条件下，必须有足够的工作能力，以保证齿轮在整个工作过程中不致产生各种失效。这与齿轮的尺寸、材料、热处理工艺因素有关。齿轮如图12所示。采购所需零部件及各种材料，加工操纵台框架。对零部件进行组装。组装后的操纵台应如图13所示。主令控制器的作用是根据才做人员的操纵，来切断或加入主电动机的转子电阻，以达到加速或减速的目的。交流拖动时操纵手把只需带动主令控制器，而直流拖动时操纵手把下面的联结轴通过一对齿轮带动一个自整角机，通过自整角机转角的变化改变其输出电压的大小来控制主电动机的转速。这时的主令控制器仅起到操纵主电动机转动方向的作用。操纵台底部右侧装有一个踏板装置，供操纵动力制动时使用。当下放重物时，踏板通过杠杆机构使行程开