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摘 要
矿井提升机是最重要的矿山设备之一。它不仅是矿物运输的载体，而且还担负着矿井人员的运送工作。矿井提升设备的好坏，直接关系到成百上千矿井工人的生命安全。而我国目前的矿井提升设备，大部分还停留在上世纪六七十年代的TKD 电控基础上。虽然，近年来对其做了不少相关的改造，但本质上仍是由接触器-继电器、测速发电机等组成的有触点控制系统，其硬件接线繁杂，故障率高。
在本矿井提升系统开发中，将可编程控制器（PLC）应用于矿井提升机控制系统，用 PLC 中大量的软元件代替原电控系统中的接触器和继电器，完成了 PLC 对原有系统的改造；结合 PLC 特点，在系统中实现了安全回路的双冗余；用 S 形速度曲线改进原有五阶段速度曲线图，解决原有速度图折线处加速度变化率过大的问题，实现速度图的平稳过渡；将模糊控制算法引入提升机控制系统，采用模糊自整定 PID 控制策略来实现制动系统与调速系统之间的协调控制，使提升更加安全平稳。
现场调试和运行表明，该系统运行平稳可靠，控制精度高，操作简单，完全可以满足煤矿实际生产需要。
关 键 词：矿井提升机，PLC,电控系统，模糊控制
ABSTRACT
Mine hoister is one of the main equipment in mine. It conveys not only mineral but also miners. So the performance of mine hoister is concerned with hundreds of miners' lives. At present, the mine hoisting equipment in China are mainly rest on the TDK electric control which is used in 1960s and 1970s. Although interrelated renovations have been done in recent years, essentially it is still the contact control system which is made up of the contactor-relay, tachogenerator, etc. The hardware wring system of the contact control system is complex and has high hazard rate.
During the renovation of this mine hoister system, the PLC is applied to the control system, and plentiful soft components of the PLC are applied to replace the contactor and relay of the original electric control system to remould the PLC control system. Combining with the features of PLC, the dual redundant of the safety circuit is achieved. S velocity curve is used to improve the present five-stage velocity diagram, avoiding oversized change of acceleration and realizing the smooth transition of original velocity diagram. The fuzzy control arithmetic is introduced to the mine hoister system, employing fuzzy-PID control strategy to achieve coordination control between braking system and velocity control system, to make the control system works safely and placidly.
Live-debugging and operating indicate that this system operates steadily and reliably, the control accuracy is high, the operation is simple and it can totally satisfy the needs of actual mineral production.
KEY WORDS: Mine Hoister, PLC, Electric Control System, Fuzzy Control Dissertation Type: Applied Research
目 录
第1章绪论
1.1课题来源
矿井提升机是机、电、液一体化大型机械，它是连接井底与井口的惟一通道，被称为矿井的"咽喉"[1].提升机在运行过程中，电动机频繁正反向运转，经常处于电动和制动状态的转换过程中，其控制性能的好坏、控制系统的安全可靠性，直接关系到煤矿工作者的人身安全。目前，我国绝大部分矿井提升机采用继电器-接触器构成的逻辑控制系统，其接触点多，故障点多，安全性和可维护性差。因此，对现有提升机进行改造，提高其安全可靠性，是非常必要的。
江西煤炭产量只占全国煤炭产量的很小一部分，但江西中小煤矿矿井众多，分布分散。江西萍乡煤矿安全检查站在多年对矿井提升机安全进行检测的过程中，发现原有矿井提升系统故障率高且故障不好排查，检测工作量大、生产效率低、极易出现操作事故。故提出对原矿井继电器-接触器系统进行改造。
1.2国内外矿井提升机发展状况
1.2.1国外矿井提升机发展状况
国外矿井提升机无论是机械部分还是电气部分，近三十年来都得到了飞速的发展。提升机机械部分由电动机通过减速机传动卷筒，发展到直流慢速电动机和直流电动机悬壁安装直接传动的提升机。七十年代西门子发明矢量控制的交-直-交变频控制装置后，标志着可以用同步电动机来代替直流电机实现调速的时代已经到来[5].1988年9月MANGHH和西门子共同研制成功了世界上第一台同步电机传动提升机（内装电机式提升机）。
随着电子技术和计算机技术的发展，国外提升机电控系统也发生着日新月异的变化。早在上世纪七八十年代，可编程控制器（PLC）和计算机就相继被应用于矿井提升机的控制和监视[6].PLC和计算机的应用，使提升机的自动化水平、操作性能、生产效率、安全可靠性都达到了一个新的高度。与此同时，西门子、ALSTHOM等提升机制造公司，都利用新的技术和装备，开发或完善了安全保护和监控装置，从而使安全保护性能又有了新的提高[7].而今，交流变频同步机拖动调速系统因其提升容量大、功率因数高、调速范围宽等特点，正成为大型矿井提升机提升系统的新宠[8].
1.2.2国内矿井提升机发展状况
交流绕线式异步电动机转子串电阻调速系统在我国现有的矿井提升机系统中占绝大多数。常见的有TKD电控系统，TKDG电控系统及JKMK/J电控系统。
其中TKD、TKDG电控系统用于单绳缠绕式提升机，JKMK/J电控系统用于多绳摩擦式提升机。直流电动机传动系统在我国常用的有发电机-电动机直流电力拖动系统和可控硅变流器-电动机直流电力拖动系统。近年来我国陆续引进了几套交-交变频交流传动系统，并在逐步对其实现国产化[2].
1.交流绕线式异步电动机转子串电阻系统
该系统在70年代以前就已开始使用。经过40余年的发展，我国中小矿山现在绝大部分都采用该控制系统。其特点为矿井提升机采用绕线式异步电机，通过控制转子外串电阻的通、断级数进行调速，具有价格低、控制简单等优点[3].它也存在以下几个方面的问题：第一、调速方式为分级调速，在调速过程中所设计的加减速度为一个平均值，实际调速过程中的加减速是个上下波动的变化值。因而调速性能差，且级数分得越少，上下波动范围就越大，目前TKD-A系统常用的级数为8级和10级调速。第二、在调速时以电机转差功率的降低为代价，在转子电阻上消耗了大量的电能，能源利用率低。第三、从使用上讲，目前TKD系列及JKMK系列的电控系统的调速原则是以电流为主、时间为辅的加速控制原则，其工作参数一经安装调试，就基本保持不变。虽然在系统中增加了速度闭环控制回路，但是系统调节能力有限，动态响应性差的问题并没有根本改变。特别是在提升工况多，速度变化范围大的大型矿井的副井提升系统，这种控制原则无法满足实际生产的需要，往往只能依靠操作司机人为的调节。第四、该调速控制电路复杂，接触器、时间继电器、中间继电器等触点众多，给设备的安全可靠性和可维护性带来了很大麻烦。
近年来，变频调速技术正逐步被应用于矿井提升机调速系统的改造，由于是对转子串电阻调速方式根本性的改变，采用该技术就从根本上杜绝了转子串电阻所造成的能耗问题。
2.直流电动机传动系统
我国的矿井提升机一般在主提升电动机功率较大（1000KW以上）或者对提升机调速性能要求较高的情况下才选用该传动系统。目前，该传动系统在我国矿井提升系统中占的比重约为10%.虽然应用的较少，但无论是发电机-电动机传动系统，还是晶闸管整流供电系统的静、动态特性和实现自动化方面均明显的优于交流电动机转子串电阻系统[4].
1.3本文研究意义及内容
1.3.1研究意义
矿井提升机是煤矿，铁矿及有色金属矿生产的重要设备。提升机能否安全、可靠、有效的运行，直接关系到企业的生产安全和经济效益。虽然矿井提升系统本身有一些安全保护措施，但是由于提升机惯性质量大、运行特性复杂、工作环境恶劣，常造成各种机械零件和电气元件的功能失效，再加上操作者的人为过失和对行程监测研究的局限[9],使得现有的保护措施未能达到预期的效果。
因此提升机调速控制系统的研究得到了社会各界人士的广泛关注。而矿井提升机能否平稳、安全、可靠地运行，能否避免严重的机械磨损、防止机械冲击以及减少机械部分维修的工作量、延长提升机械的使用寿命在很大程度上取决于电气控制方式。随着人们对矿井提升机自动化水平、矿井提升设备提升能力要求的提高，对电气传动方式的改进提出了更高的挑战。目前，对矿井提升机电气传动系统的具体要求有：调速性能良好，调速精度高，能快速进行正、反转运行，具备很快的动态响应速度，制动和定位功能准确，可靠性高等[10].
传统提升机电控系统存在控制方式繁琐、可靠性低、调速性能差等诸多问题。在这种情况下采用PLC对原有电控系统进行改造，提高整个电控系统的安全性、控制精度及调速性能，将成为我国矿井提升机电气传动系统今后的发展趋势。
1.3.2研究内容
我国矿井提升机电气传动系统的改造，虽然已经取得了一些成果，但在全国范围来看这一工作仍然任重而道远，尤其是对于那些财力和技术有限的中、小矿井。而本课题正是对目前我国中、小矿井普遍使用的绕线式异步电动机转子串电阻系统进行改造。
1.本课题应用可编程控制器（PLC）控制技术，在不改变原有提升机控制逻辑的情况下，使原系统中大量的时间继电器、中间继电器等硬件设备由PLC软元件实现。
2.通过PLC控制，完成矿井提升机从启动、加速运行、等速运行、减速、低爬和停车的控制，对PLC速度控制进行改进，并将智能控制应用于提升机的制动系统和调整系统之间的协调控制。
3.进一步完善提升机后备保护功能，保证提升机运行的安全可靠。
4.实现与上位机之间的通讯，实现对矿井提升机的监控。
1.4本章小结
本章详细介绍了当前国内外矿井提升机的发展现状及应用情况，指出了我国矿井提升机控制系统的不足，阐述了本课题研究的目的和意义，并在此基础上，提出了课题主要研究的内容。
矿井提升系统的的设计流程图：
第 2 章 矿井提升系统的分析与设计
2.1 控制单元基本原理
2.2 工艺对提升机电控的要求
2.3 提升机结构简介
2.3.1 制动系统
2.3.2 液压系统
2.3.3 调速装置
2.3.4 信号给定装置
2.3.5 安全保护装置
2.4 提升机控制系统的设计
2.4.1 概述
2.4.2 主控系统
2.4.3 上位机监控系统
2.4.4 信号系统
2.4.5 安全保护系统
2.5 本章小结
第 3 章 矿井提升机 PLC 控制系统硬件的设计
3.1 PLC 简介
3.1.1 PLC 的基本特点
3.1.2 PLC 的控制功能
3.1.3 PLC 的发展方向
3.2 本系统中 PLC 的选型及特点
3.3 系统设计
3.3.1 主控系统设备要求
3.3.2 控制系统 I/O 统计
3.3.3 PLC 装置
3.4 PLC 外围电气控制硬件原理
3.4.1 电源回路
3.4.2 提升系统信号采集
3.4.3 安全回路
3.4.4 位置闭环控制回路
3.4.5 可调闸回路的设计
3.4.6 应急停车系统的设计
3.5 本章小结
第 4 章 矿井提升机智能控制系统的建立
4.1 矿井提升机速度控制设计
4.1.1 提升机速度控制方案的确定
4.1.2 S 形提升系统速度图的确定
4.1.3 矿井提升机 S 形速度图数学模型的建立
4.1.4 矿井提升机行程控制算法的分析
4.2 提升机制动系统与调速系统控制策略
4.3 提升机模糊自整定 PID 控制器的设计
4.3.1 提升机模糊自整定 PID 参数控制策略
4.3.2 模糊变量及其隶属函数的确定
4.3.3 模糊自整定 PID 控制规则的建立
4.3.4 模糊自整定 PID 控制仿真
4.4 本章小结
第 5 章 现场安装与调试
5.1 安装
5.2 调试报告
5.3 本章小结
第6章总结与展望
6.1研究总结
矿井提升机是矿山主要生产设备，是矿井生产的枢纽。其安全可靠性不仅直接影响着整个矿井的生产能力，而且对矿山生产的安全起着举足轻重的作用。提升机运行质量如何，主要取决于它的电气传动及电气控制装置是否具有先进性和可靠性。本文在对矿井原有继电器-接触器控制系统研究的基础上，将PLC应用于提升机电控系统，从而使系统的性能得到改善。
提升机原有速度曲线在速度转换处加速度变化率过大，极易对提升机传动系统产生动态冲击和形成尖峰负荷，严重影响设备的安全运行和使用寿命。本文结合国内外对行程控制的研究现状，用理想的S形速度曲线图取代原有的阶段性速度曲线图，以进一步提高提升机运行的安全性、高效性、舒适性，并在此基础上运用模糊控制系统策略进一步改善提升机的电控系统。
本系统主要特点：
1.在对我国当前中、小煤矿常用的TKD电控系统进行深入理解分析的基础上，采用PLC控制技术，对原有煤矿电控系统进行了改造。将原系统中大量的接触器、继电器用PLC内部的软元件代替；结合PLC特点，实现安全回路双冗余，加强了矿井提升机的后备保护。
2.将工控机运用到提升机的控制上来，开发出友好的人机界面，实现对矿井提升机各种运行状态的实时监控；同时开发出矿井提升机故障预诊断系统，方便了对提升机故障的预防和分析；将故障信息写进数据库，可方便实现事后查看和打印。
3.采用S形速度曲线取代原有5阶段速度图，在提升加速阶段和减速阶段分别采用时间给定和行程给定的方式对提升速度进行控制，使矿井提升的运行更加安全，平稳。
4.通过对传统提升机制动系统和调整系统控制方法的研究，结合模糊控制技术原理，提出了提升机制动系统和调整系统相协调的自寻优模糊控制策略。并通过MATLAB建立了系统的仿真模型，仿真结果表明：模糊自整定PID控制器比传统PID控制器的动态响应曲线好、响应时间短、超调量小、稳态精度高，动静态性能好。
6.2展望
本课题采用PLC对矿井提升机电控系统进行了改造，符合我国矿井提升机电控系统发展的方向。本改造过程中仍采用了转子串、切电阻的调速方式，只是将接触器切、串电阻控制改为通过触发可控硅来实现电阻的切、串控制，并未从根本上改变调速过程中控制精度低、为有级调速，调速性能差、电阻消耗大量能量的问题。而如今随着矿井提升机传动技术的发展，交流变频调速已成为提升机调速系统的首选[53],而这无疑将是本课题下一步的研究方向。
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致 谢
回首这三年的学习时光，我要感谢的人很多很多。首先向我的导师张洛平教授致以深深的谢意。张老师在本论文的选题，研究方案制定、全文的总体构思以及撰写等各个环节都对我进行了悉心的指导。他严谨求实的科研态度、执着追求的敬业精神以及平易近人的工作作风都给作者以潜移默化的影响，必将使作者在未来的工作中受益匪浅。同时要感谢河南科技大学机电工程学院的王会良老师。
王老师在本论文相关的萍乡项目上给了我很多具体的指导和帮助。
在课题研究和论文撰写过程中河南科技大学李强硕士、闫素倩硕士以及师弟任振锁、王鹏飞，师妹李恒鑫都给我提供了很多帮助，提出了很多有价值的建议，在此作者一并感谢。感谢众多同窗好友的关心和支持，让这三年成为一段美好的回忆。
感谢敬爱的父母和懂事的妹妹和女友对我的殷切希望和鼓励。多年以来，正是他们的默默支持和关爱，才使我有信心完成学业。毕业在即，谨向他们表示深深的谢意！
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