基于PLC1200的矿井提升机控制系统设计(仿真+文档+IO表)-171主机测评

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文章目录：

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1.1 选题背景

1.2 研究意义

1.3 国内外研究现状

1.3.1 国外研究现状

1.3.2 国内研究现状

1.4 本文主要研究内容

2 控制系统软件设计与仿真分析

2.1 软件介绍

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1.1 选题背景

矿山开采行业是我国能源和工业原材料供应的主要支撑产业，井下运输部分的效率及安全程度会直接影响到整个矿山的生产能力，矿井提升机是连接井下工作面同地面生产系统的至关重要的运输设备，它负责完成人员，物料以及矿石的垂直提升任务，该设备的控制性能和运行可靠性乃是保障矿山安全顺利生产并维持一定产量的关键所在，伴随矿山开采深度不断加深，其生产规模也处于持续增长态势之中，这就使得对于提升机在运行速度，控制精确度，连续工作能力和安全保障等级等方面的要求变得越发严格起来，传统的控制手段已经难以适应现代矿山所追求的智能化，高效化，高安全性的发展需要。

长期以来，国内矿井提升机普遍采用继电器—接触器控制系统，在实际应用中存在明显短板：控制逻辑由硬件连线确定，线路繁杂，出错几率高，改动或者增添功能比较难，很难应对各种变化的工作环境，安全防护步骤简单，出现毛病时找出问题并处理很慢，像过卷，过放，溜车，带闸行走这些危险情况很容易发生，调速能力差，加快减速的时候震动很大，机械部分磨损厉害，耗电量多而且停下来的定位不够准确，这些状况既缩减了产量又直接危害到井下工作人员的生命安全。

可编程逻辑控制器（PLC）技术较成熟，抗干扰性好，编程方便，易扩展，能够完成逻辑控制、运动控制、状态监测、故障防护等功能于一体，非常适于矿井井下高温、高湿、大量灰尘以及强烈的电磁干扰等工作环境，在基于PLC进行提升机控制系统的设计上克服了以往的一些不足之处，是目前提升设备更新换代中最常用的技术方案。

1.2 研究意义

本课题展开基于PLC的矿井提升机控制系统设计及研究工作，对于改善提升矿山运输安全，加强生产效能，缩减运维开支有着关键的工程价值与实际意义。

安全保障得到明显改善，系统融合了众多安全联锁及冗余防护功能，能够做到急停，上下限位，松闸状况，过载，过压，欠压等各种情况的即时检测，由工程运用的数据可以看出，此控制系统能让提升机安全事故的发生几率缩减百分之八十点五以上，可以防止出现诸如过卷，溜车，坠罐之类的严重安全事故，从而很大程度上优化了井下作业的安全水平。

运行效率及控制精度得到优化，利用S曲线加减速以及速度闭环控制手段，使得机车启动变得平滑，调速过程精确无误，停车位置准确无偏，同传统的系统相比，每次提升所用的时间缩减了百分之十五到二十，停车时的位置偏差被控制在正负十毫米之内，极大地提升了提升作业的连续性与准确性，符合矿山高效运作的需求，设备的运营成本大幅度下降，该系统拥有自我诊断，发出声音和光线警示以及保存过往记录的功能，当出现故障的时候，找出问题所在的时间减少了百分之六十以上，而且，由于采用了平滑调速的方式，从而减轻了机械受到的撞击和零部件产生的磨损情况，每年用于维护设备的资金开支减少了大约百分之二十五，延长了提升机主轴，制动系统，钢丝绳这些主要部件的使用寿命。

工程推广及行业价值体现本设计硬件选用普遍，软件具备模块化特性，现场调试便利，已在国内诸多中小型煤矿以及金属矿得到运用，用以改造正在使用的提升机之时，单台改造费用缩减三成，施工所需时间缩减一半，可以给其他同类矿山设备智能化更新给予成熟，稳定且成本较低的方案，促使矿山机电装备自动化程度全面改善。

1.3 国内外研究现状

1.3.1 国外研究现状

国外矿山装备自动化领域发展较早，工业和智能融合度高，对矿井提升机这种矿山核心重载设备的研究已经从传统的硬件结构优化转向了核心部件全生命周期管理、复杂工况智能识别、无源感知技术和数字孪生建模等前沿方向上，形成了一套以基础理论创新为主线、关键技术突破为支撑的完整研究体系，为提升机装备智能化提供了坚实的理论基础。

对于提升机工作中遇到的主要问题，国内外研究人员也开展了一系列的研究工作，Jiang等人为了解决矿井提升机主轴承在不同负载、不同速度情况下故障特征难以获取以及识别率较低的问题，提出一种基于CBAM-MobileNetV2故障迁移诊断方法，克服传统方法对工况不适用问题，在不同工况下实现对主轴承早期故障的有效检测，为提升机重要转动元件的预警提供新思路[1]；Guo等人为解决提升机摩擦传动状态不能进行无源在线检测的问题，设计一种摩擦衬垫内置摩擦纳米发电机自供电传感器，在摩擦面上进行改进以实现对摩擦传动状态的连续监测，为提升机重要传动部件无源监测提供一种新方案[2]；Ding等人采用双胞胎效应驱动的方法建立矿井提升机轴承随机振动系统数字双胞胎模型，对轴承工作情况以及可能发生的故障进行仿真预测从而解决传统仿真模型与实际情况相匹配度不足的问题[3]。Wei等人为了改善井下高粉尘、低光照条件下提升机摄像头拍摄图像的质量较差且细节模糊的现象，提出一种适合矿井特殊环境下的图像优化方法，有效提高了图像中的细节可见性，为提升机的工作状态可视化监控提供技术支持[4]。

国外研究主要集中在核心部件的前沿技术革新以及基础理论方面的冲破，针对提升机运行的全部生命时段检测及故障预报创建起诸多层面的技术系统，有关算法更新及感应器技术的研究成就带有明显的前瞻性与革新性特征，给国内矿井提升机控制系统迈向智能化给予非常关键的参照依照。

1.3.2 国内研究现状

国内研究紧密结合我国矿山行业安全生产及智能化转型的实际需要，把PLC当作主要载体，针对矿井提升机控制系统结构设计，性能改进，安全保障以及工程实施展开全方位，链条化的系统性探究，产出众多符合国内井下繁杂工况的理论成果和工程化方案，促使PLC控制技术变成国内矿井提升机电控系统更新换代的关键技术走向。

就系统整体设计及控制策略改良而言，国内学者具备完备的理论架构，赵亚飞等人依照矿井提升机的运作特点，完成设备全流程控制策略的规划并加以改善，确定出多环节协同控制的关键思路[5]，李晓榕展开矿井提升机PLC控制系统的研究工作，证实此种模式比传统继电器控制有着明显的优势[6]，李彪完结了依靠PLC的矿井提升机自动控制装置的规划与达成，形成起管控，观测，警报相融合的综合型系统[7]，李志乾针对矿井提升机电控系统实施深入剖析，整理出系统重点改良途径及其设计准则[8]，吴葵勇就矿井提升机运作控制系统展开探究，细致划分各个功能板块的设计需求[9]，王鹏完成了基于PLC的提升机电控系统优化设计，从多个方面提高了系统的运行稳定度[10]，孔庆睿对PLC控制系统运行中的难点进行了改进，降低了系统的故障率[11]。

从安全防护角度着手，学者们提出全面的安全防护措施，刘进利用电液动制动法对提升机制动系统进行改进，提高了设备的主要安全防护能力[12]，宋波等设计基于PLC的矿井提升机后备保护控制系统，大大增加设备运行中的安全冗余量[13]，杨龙龙设计矿井提升机液压制动器检测系统，完善了制动方面的所有监控内容[14]。

从技术改进到工程应用方面，我国的研究成果丰富，李波对矿井提升机变频控制进行研究并实现，实现了提升机提升速度精确闭环控制[15]；冯哲豪对PLC变频调速系统进行研究，提高了提升机加速减速过程稳定性[16]；王立伟对变频调速技术应用于煤矿提升机进行研究，降低设备运行过程中振动幅度和能耗[17]；郑雪军对基于PLC提升机电能节约控制系统进行研究，可以及时对设备运行状态进行改变[18]；郑杰等对现有使用的提升机智能化控制系统进行改造，提出了一个整体方案对老设备进行更新[19]；兰永平利用西门子S7-1500PLC完成整个提升机控制系统的设计[20]。兰永平及其团队还对提升机调速系统进一步优化，提供了一套完整的设计方案[21]。

国内研究侧重于工程应用，形成起由理论设计直至落地应用的研究链路，其研究成果完全符合国内矿山的工况特点及生产需求，拥有很强的工程推广意义，给我国矿山改善装备迈向智能化给予了有力的技术保障。

1.4 本文主要研究内容

以矿山井下提升的要求为基础，进行基于PLC矿井提升机控制系统的设计与实现，在保证提升机的安全性、准确性、可靠性的基础上，设计系统的总体结构，明确系统的功能要求、工作原理及安全等级等，结合现场情况和设备参数选择适合的PLC主控器、状态检测传感器、制动装置、人机交互设备等硬件并连接它们之间的连线，建立适合井下恶劣条件的硬软件结合体，根据提升机的工作流程将软件分为多个模块进行编程，主要有初始化、安全检查、松闸启动、S形加减速、匀速运行、慢速爬行、到达后停车等功能，还包括相应的判断、报警以及应急处理等功能。建立仿真平台，进行软硬件调试及各种工况下的试验，对系统的速度控制精度、命令响应速度、安全性以及鲁棒性等进行测试，最后得到一个可以应用的矿井提升机PLC控制系统设计方案，为类似的矿山项目提供参考。系统设计如图1.1所示。

程序内部有按键防抖滤波去除由机械振动引起的误触，模式状态以保持的方式，在断电后再上电时可恢复之前所选择的模式，在切换完成后立即点亮对应的指示灯，并将此状态发送到HMI上供操作者查阅，该部分同时适用于一般性的生产和对设备进行检测的不同情况，切换过程平稳无突兀，也不影响设备处于等待的情况，符合井下提升的真实使用体验。

图4.2 模式切换子程序

4.4.2 安全联锁保护子程序

安全联锁保护子程序是整个系统最高等级的模块，包含了急停、上下限位、松闸确认、电气过载以及制动失灵等多种防护逻辑，采取常闭信号形式，一旦出现断线或者失效状况就会立即启动保护机制。

急停信号被触发后，立即用MC_Halt停止驱动输出同时进行抱闸操作，响应迅速，上下限位传感器一旦被触发就马上停止该方向的动作防止发生超卷或超放现象，只有在松闸状态下满足条件才能使回路工作，不允许带闸启动，所有联锁信号都不断被高速检查如果存在问题就锁住回路并且报警同时将错误信息保存至DB100供日后查看，完全符合作业需求。