CN113270011A - 一种立井提升系统实验台及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种立井提升系统实验台及其控制方法，包括机械结构、防护系统和控制面板，所述主体包括支架、罐道梁、刚性罐道、罐笼、滚轮罐耳、挂钩、钢丝绳、定滑轮、电机架、提升电机和卷线辊，所述防护系统包括第一行程开关、第一光电开关、第二行程开关、第二光电开关和挡板，所述控制面板包括安装板、PLC、触摸屏、变频器、第一中间继电器、第二中间继电器、第三中间继电器、第四中间继电器、第五中间继电器、第六中间继电器、24伏直流开关电源、接触器和漏电保护开关。本发明能够完整的模拟立井提升系统的结构和工作形式，解决了用于立井提升系统实验的装置不够完善，功能不够齐全，不具备一套较为完整的提升系统试验台及控制方法的问题。

Description

一种立井提升系统实验台及其控制方法

技术领域

本发明涉及立井刚性罐道故障诊断，具体为一种立井提升系统实验台及其控制方法。

背景技术

矿井提升设备承担着煤炭、设备和人员等运输任务，刚性罐道、罐耳作为提升容器的导向装置，保证提升容器方向运行正确，是提升系统的重要组成部分,矿井提升系统的健康状态将直接关系到煤矿的安全高效生产，在工作过程中任何一个系统出现故障都会影响煤矿的安全生产，严重的可导致重大安全生产事故，因此需要对刚性罐道工作状态进行检测，矿井提升系统的安全高效运行是煤矿提高生产效率、减少生产成本和保障生命财产安全的重要前提，及时发现导向装置潜在的故障和安全隐患，对整个提升系统运行状况进行评估，预测可能发生的故障，对整个煤矿的安全生产具有重要的意义。

矿井立井均是位于深度较深的地底，同时井下的环境较为复杂、环境较差，并且对于下井人员和设备有着较为严格的要求管理，从而导致在日常的科学研究和仿真实验中很难实现在矿井立井现场进行实验。所以按照矿井立井提升系统的工作模式、结构模型等搭建一种提升系统智能控制实验台来用于日常的科研与实验，可以减少甚至避免实验人员下井实验采集数据，具备一定的意义，同时现有的刚性罐道健康监测用的实验台仍不完善，其功能存在很多缺陷，同时控制方法也不能满足日常实验的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种立井提升系统实验台及其控制方法，本实验台的机械结构部分完善，各主要部件均能实现立井提升系统的实际功能，能够完善的模拟立井刚性罐道存在多种故障模式，同时其控制方法有效的实现了多种运行状态的控制与转换，同时实现了多种方法防护控制，控制操作简便、准确，方便了研究人员和学生等进行相关课题的研究和实验，减少了实验时的潜在风险，解决了现阶段用于立井提升系统实验的装置不够完善，功能不够齐全，不具备一套较为完整的提升系统试验台及控制方法的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种立井提升系统实验台及其控制方法，包括机械结构、防护系统和控制面板，所述主体包括支架、罐道梁、刚性罐道、罐笼、滚轮罐耳、挂钩、钢丝绳、定滑轮、电机架、提升电机和卷线辊，所述罐道梁通过螺栓固定连接于支架的内部，所述刚性罐道通过螺栓安装于罐道梁的一侧，所述罐笼的顶部和底部均通过螺栓安装有罐耳架，所述滚轮罐耳通过转轴、轴承和卡销装配于罐耳架的内部，所述滚轮罐耳的表面与刚性罐道的工作面相接触，所述罐笼顶部的中间位置通过螺纹连接有挂钩，所述挂钩的一端延伸至罐笼的内部，所述支架顶部的前侧和中间位置均固定安装有定滑轮，所述支架的前侧设置有电机架，所述提升电机通过螺栓固定连接于电机架顶部的左侧，所述卷线辊通过轴承架和螺栓固定连接于电机架顶部的右侧，所述提升电机的转轴与卷线辊的转轴通过联轴器连接，所述钢丝绳的一端固定连接于卷线辊的表面，且钢丝绳的另一端依次穿过两组定滑轮与挂钩相连接。

所述防护系统包括第一行程开关、第一光电开关、第二行程开关、第二光电开关和挡板，所述第一行程开关通过安装架固定连接于支架内部顶部的中间位置，所述第一光电开关固定连接于支架内部前侧的顶部，所述第二行程开关通过安装架固定连接于支架内部底部的中间位置，所述第二光电开关固定连接于支架内部前侧的底部，所述挡板设置有两组且分别固定连接于罐笼顶部和底部的前侧。

所述控制面板包括安装板、PLC、触摸屏、变频器、第一中间继电器、第二中间继电器、第三中间继电器、第四中间继电器、第五中间继电器、第六中间继电器、24伏直流开关电源、接触器、空气开关、熔断器和漏电保护开关，所述PLC、触摸屏、变频器、第一中间继电器、第二中间继电器、第三中间继电器、第四中间继电器、第五中间继电器、第六中间继电器、24伏直流开关电源、接触器、空气开关、熔断器和漏电保护开关均通过螺栓和卡槽固定连接于安装板的一侧，所述熔断器、接触器和漏电保护开关均设置有若干组，所述PLC的L、N端口和变频器的L、N端口均通过导线与空气开关的输出端相连接，所述PLC的L端口与空气开关之间串联有一组熔断器，所述变频器的L、N端口之间串联有一组漏电保护器、一组接触器和一组熔断器，所述变频器的U、V、W端通过一组漏电保护器与提升电机的U、V、W端相连接，所述24伏直流开关电源的L、N端通过导线与一组漏电保护器的输出端相连接，所述触摸屏通过数据线于PLC相连接。

进一步的，所述罐耳架、滚轮罐耳均设置有十二组，所述刚性罐道设置有三个工作面，所述滚轮罐耳与罐笼之间连接有弹簧和阻尼器，所述刚性罐道设置有若干组，所述提升电机的制动阀的L、N端口通过导线与靠近变频器的一组接触器的L、N端口相连接，所述第一行程开关的位置低于第一光开关的位置，所述第二行程开关的位置高于第二光电开关的位置。

进一步的，所述第一行程开关和第二行程开关均设置为常开状态，所述第一行程开关的两个常开端子分别通过导线与PLC输入端的COM端口和X00端口相连接，所述第二行程开关的两个常开端子分别通过导线与PLC输入端的COM端口和X01端口相连接，所述第一光电开关和第二光电开关的正极均通过导线与PLC的输出端+24V端口相连接，所述第一光电开关和第二光电开关负极均通过导线与PLC输入端的COM端口相连接，所述第一光电开关的信号端子通过导线与PLC输入端的XO5端口相连接，所述第二光电开关的信号端子通过导线与PLC输入端的XO6端口相连接，所述第一中间继电器、第二中间继电器、第三中间继电器、第四中间继电器、第五中间继电器、第六中间继电器均采用常开状态的接线方式，所述触摸屏的正极和负极分别通过导线与24伏直流开关电源的正极和负极相连接。

进一步的，所述PLC的型号为三菱FX2N型，所述变频器型号为爱得利AS系列，所述触摸屏型号为MCGSTPC，所述第一中间继电器、第二中间继电器、第三中间继电器、第四中间继电器、第五中间继电器、第六中间继电器型号均为PEOTR-HH52P，所述接触器、漏电保护器和空气开关均采用交流220伏电源。

进一步的，所述PLC输出端的COM端口通过导线与变频器的端口相连接，所述PLC输出端的YO1端口通过导线与变频器的FWD端口相连接，所述PLC输出端的YO2端口通过导线与变频器的REV端口相连接，所述PLC输出端的YO3和Y06端口通过导线与变频器的CF1端口相连接，所述PLC输出端的YO4和Y06端口通过导线与变频器的CF2端口相连接，所述PLC输出端的YO5和Y07端口通过导线与变频器的CF3端口相连接，所述PLC输出端的Y10端口通过导线与靠近变频器的一组接触器线圈的A2端口相连接，所述PLC输出端的COM5端口通过导线与靠近变频器的一组接触器线圈的零线端口相连接。

进一步的，所述第一中间继电器、第二中间继电器、第三中间继电器、第四中间继电器、第五中间继电器、第六中间继电器均设置有a端口、b端口、c端口、d端口、e端口、f端口、g端口和h端口，其中a端口、b端口分别为内部线圈的正极和负极端口，其中c端口、g端口和d端口、h端口均为内部常闭线路的端口，其中c端口、e端口和d端口、f端口均为内部常开线路的端口，所述第一中间继电器、第二中间继电器、第三中间继电器、第四中间继电器、第五中间继电器、第六中间继电器的a端口均通过导线与24伏直流开关电源正极相连接，所述第一中间继电器的b端口通过导线与PLC输出端的Y11端口相连接，所述第二中间继电器的b端口通过导线与PLC输出端的Y12端口相连接，所述第三中间继电器的b端口通过导线与PLC输出端的Y13端口相连接，所述第四中间继电器的b端口通过导线与PLC输出端的Y14端口相连接，所述第五中间继电器和第六中间继电器的b端口均通过导线与PLC输出端的Y15端口相连接，所述PLC输出端的COM5端口和COM6端口均通过导线与24伏直流开关电源的正极相连接，所述第一中间继电器、第二中间继电器、第三中间继电器、第四中间继电器、第五中间继电器、第六中间继电器的c端口均通过导线与PLC输入端的COM端相连接，所述第一中间继电器的e端口通过导线与PLC输入端的X02端口相连接，所述第二中间继电器的e端口通过导线与PLC输入端的X03端口相连接，所述第三中间继电器的e端口通过导线与PLC输入端的X04端口相连接，所述第四中间继电器的e端口通过导线与PLC输入端的X07端口相连接，所述第五中间继电器的e端口通过导线与PLC输入端的X10端口相连接，所述第六中间继电器的e端口通过导线与PLC输入端的X11端口相连接。

一种立井提升系统实验台控制方法，具体步骤如下：

A、在触摸屏上点击上升图标，PLC得到信号，第一中间继电器的线圈得电，随后第一中间继电器内部常开电路闭合，PLC通过X02端口得到信号,随即PLC通过输出端的Y10端口控制靠近变频器的接触器线圈得电，随后变频器得电启动、提升电机的制动阀得电松开，同时PLC通过输出端Y00端口将信号传输至变频器FWD端口，随后变频器带动提升电机正转，卷线辊收卷钢丝绳，钢丝绳牵引罐笼在沿着刚性罐道向上提升。

B、在触摸屏上点击下降图标，PLC得到信号，第二中间继电器的线圈得电，随后第二中间继电器内部常开电路闭合，PLC通过X03端口得到信号,随即PLC通过输出端的Y10端口控制靠近变频器的接触器线圈得电，随后变频器得电启动、提升电机的制动阀得电松开，同时PLC通过输出端Y01端口将信号传输至变频器REV端口，随后变频器带动提升电机反转，卷线辊放出钢丝绳，钢丝绳牵引罐笼在沿着刚性罐道向下降落。

C、在触摸屏上点击变速上升图标，PLC得到信号，第三中间继电器的线圈得电，随后第三中间继电器内部常开电路闭合，PLC通过X07端口得到信号,随即PLC通过输出端的Y10端口控制靠近变频器的接触器线圈得电，随后变频器得电启动、提升电机的制动阀得电松开，同时PLC通过输出端Y02端口将信号传输至变频器CF1端口，随后变频器带动提升电机以正转方式低速启动，卷线辊收卷钢丝绳，钢丝绳牵引罐笼在沿着刚性罐道向上提升，且提升电机转速逐渐增加，5s后罐笼提升速度达到5m/s，此时PLC输出端的Y03将信号传输至变频器CF2端口，变频控制提升电机开始匀速转动，提升电机匀速转动5s后，PLC输出端的Y04将信号传输至变频器CF3端口，变频器控制提升电机减速转动，3s后降速至1m/s，其中各段转速运行的时间和转速均可以通过控制程序进行更改。

D、在触摸屏上点击变速下降图标，PLC得到信号，第四中间继电器的线圈得电，随后第四中间继电器内部常开电路闭合，PLC通过X10端口得到信号,随即PLC通过输出端的Y10端口控制靠近变频器的接触器线圈得电，随后变频器得电启动、提升电机的制动阀得电松开，同时PLC通过输出端Y05端口将信号传输至变频器CF1端口，随后变频器带动提升电机以反转方式低速启动，卷线辊放出钢丝绳，钢丝绳牵引罐笼在沿着刚性罐道向下降落，且提升电机转速逐渐增加，5s后罐笼提升速度达到5m/s，此时PLC输出端的Y06将信号传输至变频器CF2端口，变频控制提升电机开始匀速转动，提升电机匀速转动5s后，PLC输出端的Y07将信号传输至变频器CF3端口，变频器控制提升电机减速转动，3s后降速至1m/s，其中各段转速运行的时间和转速均可以通过控制程序进行更改。

E、在触摸屏上点击停止图标，PLC得到信号，第五中间继电器和第六中间继电器的线圈得电，随后第五中间继电器和第六中间继电器内部常开电路闭合，PLC通过X04端口或者X11端口得到信号，随即PLC通过输出端的Y10端口控制靠近变频器的接触器线圈失电，随后变频器失电停止、提升电机的制动阀失电抱紧，提升电机停止转动，罐笼悬停。

F、当罐笼运行至支架顶部时，罐笼的顶部触碰到第一行程开关，此时第一行程开关内部的常开电路闭合，PLC输入端X00端口得到输入信号，随后PLC输出端的Y01端口将信号传输至变频器REV端口，变频器控制提升电机反向转动，卷线辊放出钢丝绳，罐笼沿着刚性罐道向下降落，若第一行程开关未能及时做出反应时，继续上行的罐笼顶部的挡板运行至第一光电开关的内部，第一光电开关被触发，PLC输入端的X05端口得到输入信号，随即PLC通过输出端的Y10端口控制靠近变频器的接触器线圈失电，随后变频器失电停止、提升电机的制动阀失电抱紧，提升电机停止转动，罐笼悬停。

G、当罐笼运行至支架底部时，罐笼的底部触碰到第二行程开关，此时第二行程开关内部的常开电路闭合，PLC输入端X01端口得到输入信号，随后PLC输出端的Y00端口将信号传输至变频器的FWD端口，变频器控制提升电机反向转动，卷线辊收卷钢丝绳，罐笼沿着刚性罐道向上提升，若第二行程开关未能及时做出反应时，继续下行的罐笼顶部的挡板运行至第二光电开关的内部，第二光电开关被触发，PLC输入端的X06端口得到输入信号，随即PLC通过输出端的Y10端口控制靠近变频器的接触器线圈失电，随后变频器失电停止、提升电机的制动阀失电抱紧，提升电机停止转动，罐笼悬停。

本发明提供了一种立井提升系统实验台及其控制方法，根据现实矿井立井，搭建了一套主要部件完整、结构完善、功能的齐全的仿真实验台，并且设计了一套完整、高效的控制方法，实现了提升系统实验台的多种运行状态控制与变换，满足了多工况、多速度的控制以及井底井口安全防护控制，本发明能够用于科研人员和学校教学的立井提升系统故障诊断和健康监测研究，有效的解决了矿井立井人员下井不便，井下实验环境较差，环境较为危险的问题。

附图说明

图1为本发明结构的示意图；

图2为本发明顶部结构的后视图；

图3为本发明底部结构的正视图；

图4为本发明控制面板的示意图；

图5为本发明控制的系统图；

图6为本发明PLC的外部接线图。

图中：1机械结构、2防护系统、3控制面板、4支架、5罐道梁、6刚性罐道、7罐笼、8罐耳架、9滚轮罐耳、10挂钩、11钢丝绳、12定滑轮、13电机架、14提升电机、15卷线辊、16第一行程开关、17第一光电开关、18第二行程开关、19第二光电开关、20挡板、21安装板、22PLC、23触摸屏、24变频器、25第一中间继电器、26第二中间继电器、27第三中间继电器、28第四中间继电器、29第五中间继电器、30第六中间继电器、31 24伏直流开关电源、32接触器、33空气开关、34熔断器、34漏电保护开关。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-6，一种立井提升系统实验台及其控制方法，包括机械结构1、防护系统2和控制面板3，所述主体包括支架4、罐道梁5、刚性罐道6、罐笼7、滚轮罐耳9、挂钩10、钢丝绳11、定滑轮12、电机架13、提升电机14和卷线辊15，所述罐道梁5通过螺栓固定连接于支架4的内部，所述刚性罐道6通过螺栓安装于罐道梁5的一侧，所述罐笼7的顶部和底部均通过螺栓安装有罐耳架8，所述滚轮罐耳9通过转轴、轴承和卡销装配于罐耳架8的内部，所述滚轮罐耳9的表面与刚性罐道6的工作面相接触，所述罐笼7顶部的中间位置通过螺纹连接有挂钩10，所述挂钩10的一端延伸至罐笼7的内部，所述支架4顶部的前侧和中间位置均固定安装有定滑轮12，所述支架4的前侧设置有电机架13，所述提升电机14固通过螺栓固定连接于电机架13顶部的左侧，所述卷线辊15通过轴承架和螺栓固定连接于电机架13顶部的右侧，所述提升电机14的转轴与卷线辊15的转轴通过联轴器连接，所述钢丝绳11的一端固定连接于卷线辊15的表面，且钢丝绳11的另一端依次穿过两组定滑轮12与挂钩10相连接。

所述防护系统2包括第一行程开关16、第一光电开关17、第二行程开关18、第二光电开关19和挡板20，所述第一行程开关16通过安装架固定连接于支架4内部顶部的中间位置，所述第一光电开关17固定连接于支架4内部前侧的顶部，所述第二行程开关18通过安装架固定连接于支架4内部底部的中间位置，所述第二光电开关19固定连接于支架4内部前侧的底部，所述挡板20设置有两组且分别固定连接于罐笼7顶部和底部的中间位置。

所述控制面板3包括安装板21、PLC22、触摸屏23、变频器24、第一中间继电器25、第二中间继电器26、第三中间继电器27、第四中间继电器28、第五中间继电器29、第六中间继电器30、24伏直流开关电源31、接触器32、空气开关33、熔断器34和漏电保护开关35，所述PLC22、触摸屏23、变频器24、第一中间继电器25、第二中间继电器26、第三中间继电器27、第四中间继电器28、第五中间继电器29、第六中间继电器30、24伏直流开关电源31、接触器32、空气开关33、熔断器34和漏电保护开关35均通过螺栓和卡槽固定连接于安装板21的一侧，所述熔断器34、接触器32和漏电保护开关35均设置有若干组，所述PLC22的L、N端口和变频器24的L、N端口均通过导线与空气开关33的输出端相连接，所述PLC22的L端口与空气开关33之间串联有一组熔断器34，所述变频器24的L、N端口之间串联有一组漏电保护器、一组接触器32和一组熔断器34，所述变频器24的U、V、W端通过一组漏电保护器与提升电机14的U、V、W端相连接，所述24伏直流开关电源31的L、N端通过导线与一组漏电保护器的输出端相连接，所述触摸屏23通过数据线于PLC22相连接。

所述罐耳架8、滚轮罐耳9均设置有十二组，所述刚性罐道6设置有三个工作面，所述滚轮罐耳9与罐笼7之间连接有弹簧和阻尼器，所述刚性罐道6设置有若干组，所述提升电机14的制动阀的L、N端口通过导线与靠近变频器24的一组接触器32的L、N端口相连接，所述第一行程开关16的位置低于第一光开关的位置，所述第二行程开关18的位置高于第二光电开关19的位置。

所述第一行程开关16和第二行程开关18均设置为常开状态，所述第一行程开关16的两个常开端子分别通过导线与PLC22输入端的COM端口和X00端口相连接，所述第二行程开关18的两个常开端子分别通过导线与PLC22输入端的COM端口和X01端口相连接，所述第一光电开关17和第二光电开关19的正极均通过导线与PLC22的输出端+24V端口相连接，所述第一光电开关17和第二光电开关19负极均通过导线与PLC22输入端的COM端口相连接，所述第一光电开关17的信号端子通过导线与PLC22输入端的XO5端口相连接，所述第二光电开关19的信号端子通过导线与PLC22输入端的XO6端口相连接，所述第一中间继电器25、第二中间继电器26、第三中间继电器27、第四中间继电器28、第五中间继电器29、第六中间继电器30均采用常开状态的接线方式，所述触摸屏23的正极和负极分别通过导线与24伏直流开关电源31的正极和负极相连接。

所述PLC22的型号为三菱FX2N型，所述变频器24型号为爱得利AS系列，所述触摸屏23型号为MCGSTPC，所述第一中间继电器25、第二中间继电器26、第三中间继电器27、第四中间继电器28、第五中间继电器29、第六中间继电器30型号均为PEOTR-HH52P，所述接触器32、漏电保护器和空气开关33均采用交流220伏电源。

所述PLC22输出端的COM端口通过导线与变频器24的端口相连接，所述PLC22输出端的YO1端口通过导线与变频器24的FWD端口相连接，所述PLC22输出端的YO2端口通过导线与变频器24的REV端口相连接，所述PLC22输出端的YO3和Y06端口通过导线与变频器24的CF1端口相连接，所述PLC22输出端的YO4和Y06端口通过导线与变频器24的CF2端口相连接，所述PLC22输出端的YO5和Y07端口通过导线与变频器24的CF3端口相连接，所述PLC22输出端的Y10端口通过导线与靠近变频器24的一组接触器32线圈的A2端口相连接，所述PLC22输出端的COM5端口通过导线与靠近变频器24的一组接触器32线圈的零线端口相连接。

所述第一中间继电器25、第二中间继电器26、第三中间继电器27、第四中间继电器28、第五中间继电器29、第六中间继电器30均设置有a端口、b端口、c端口、d端口、e端口、f端口、g端口和h端口，其中a端口、b端口分别为内部线圈的正极和负极端口，其中c端口、g端口和d端口、h端口均为内部常闭线路的端口，其中c端口、e端口和d端口、f端口均为内部常开线路的端口，所述第一中间继电器25、第二中间继电器26、第三中间继电器27、第四中间继电器28、第五中间继电器29、第六中间继电器30的a端口均通过导线与24伏直流开关电源31正极相连接，所述第一中间继电器25的b端口通过导线与PLC22输出端的Y11端口相连接，所述第二中间继电器26的b端口通过导线与PLC22输出端的Y12端口相连接，所述第三中间继电器27的b端口通过导线与PLC22输出端的Y13端口相连接，所述第四中间继电器28的b端口通过导线与PLC22输出端的Y14端口相连接，所述第五中间继电器29和第六中间继电器30的b端口均通过导线与PLC22输出端的Y15端口相连接，所述PLC22输出端的COM5端口和COM6端口均通过导线与24伏直流开关电源31的正极相连接，所述第一中间继电器25、第二中间继电器26、第三中间继电器27、第四中间继电器28、第五中间继电器29、第六中间继电器30的c端口均通过导线与PLC22输入端的COM端相连接，所述第一中间继电器25的e端口通过导线与PLC22输入端的X02端口相连接，所述第二中间继电器26的e端口通过导线与PLC22输入端的X03端口相连接，所述第三中间继电器27的e端口通过导线与PLC22输入端的X04端口相连接，所述第四中间继电器28的e端口通过导线与PLC22输入端的X07端口相连接，所述第五中间继电器29的e端口通过导线与PLC22输入端的X10端口相连接，所述第六中间继电器30的e端口通过导线与PLC22输入端的X11端口相连接。

一种立井提升系统实验台控制方法，具体方法如下：

A、在触摸屏23上点击上升图标，PLC22得到信号，第一中间继电器25的线圈得电，随后第一中间继电器25内部常开电路闭合，PLC22通过X02端口得到信号,随即PLC22通过输出端的Y10端口控制靠近变频器24的接触器32线圈得电，随后变频器24得电启动、提升电机14的制动阀得电松开，同时PLC22通过输出端Y00端口将信号传输至变频器24FWD端口，随后变频器24带动提升电机14正转，卷线辊15收卷钢丝绳11，钢丝绳11牵引罐笼7在沿着刚性罐道6向上提升。

B、在触摸屏23上点击下降图标，PLC22得到信号，第二中间继电器26的线圈得电，随后第二中间继电器26内部常开电路闭合，PLC22通过X03端口得到信号,随即PLC22通过输出端的Y10端口控制靠近变频器24的接触器32线圈得电，随后变频器24得电启动、提升电机14的制动阀得电松开，同时PLC22通过输出端Y01端口将信号传输至变频器24REV端口，随后变频器24带动提升电机14反转，卷线辊15放出钢丝绳11，钢丝绳11牵引罐笼7在沿着刚性罐道6向下降落。

C、在触摸屏23上点击变速上升图标，PLC22得到信号，第三中间继电器27的线圈得电，随后第三中间继电器27内部常开电路闭合，PLC22通过X07端口得到信号,随即PLC22通过输出端的Y10端口控制靠近变频器24的接触器32线圈得电，随后变频器24得电启动、提升电机14的制动阀得电松开，同时PLC22通过输出端Y02端口将信号传输至变频器24CF1端口，随后变频器24带动提升电机14以正转方式低速启动，卷线辊15收卷钢丝绳11，钢丝绳11牵引罐笼7在沿着刚性罐道6向上提升，且提升电机14转速逐渐增加，5s后罐笼7提升速度达到5m/s，此时PLC22输出端的Y03将信号传输至变频器24CF2端口，变频控制提升电机14开始匀速转动，提升电机14匀速转动5s后，PLC22输出端的Y04将信号传输至变频器24CF3端口，变频器24控制提升电机14减速转动，3s后降速至1m/s，其中各段转速运行的时间和转速均可以通过控制程序进行更改。

D、在触摸屏23上点击变速下降图标，PLC22得到信号，第四中间继电器28的线圈得电，随后第四中间继电器28内部常开电路闭合，PLC22通过X10端口得到信号,随即PLC22通过输出端的Y10端口控制靠近变频器24的接触器32线圈得电，随后变频器24得电启动、提升电机14的制动阀得电松开，同时PLC22通过输出端Y05端口将信号传输至变频器24CF1端口，随后变频器24带动提升电机14以反转方式低速启动，卷线辊15放出钢丝绳11，钢丝绳11牵引罐笼7在沿着刚性罐道6向下降落，且提升电机14转速逐渐增加，5s后罐笼7提升速度达到5m/s，此时PLC22输出端的Y06将信号传输至变频器24CF2端口，变频控制提升电机14开始匀速转动，提升电机14匀速转动5s后，PLC22输出端的Y07将信号传输至变频器24CF3端口，变频器24控制提升电机14减速转动，3s后降速至1m/s，其中各段转速运行的时间和转速均可以通过控制程序进行更改。

E、在触摸屏23上点击停止图标，PLC22得到信号，第五中间继电器29和第六中间继电器30的线圈得电，随后第五中间继电器29和第六中间继电器30内部常开电路闭合，PLC22通过X04端口或者X11端口得到信号，随即PLC22通过输出端的Y10端口控制靠近变频器24的接触器32线圈失电，随后变频器24失电停止、提升电机14的制动阀失电抱紧，提升电机14停止转动，罐笼7悬停。

F、当罐笼7运行至支架4顶部时，罐笼7的顶部触碰到第一行程开关16，此时第一行程开关16内部的常开电路闭合，PLC22输入端X00端口得到输入信号，随后PLC22输出端的Y01端口将信号传输至变频器24REV端口，变频器24控制提升电机14反向转动，卷线辊15放出钢丝绳11，罐笼7沿着刚性罐道6向下降落，若第一行程开关16未能及时做出反应时，继续上行的罐笼7顶部的挡板20运行至第一光电开关17的内部，第一光电开关17被触发，PLC22输入端的X05端口得到输入信号，随即PLC22通过输出端的Y10端口控制靠近变频器24的接触器32线圈失电，随后变频器24失电停止、提升电机14的制动阀失电抱紧，提升电机14停止转动，罐笼7悬停。

G、当罐笼7运行至支架4底部时，罐笼7的底部触碰到第二行程开关18，此时第二行程开关18内部的常开电路闭合，PLC22输入端X01端口得到输入信号，随后PLC22输出端的Y00端口将信号传输至变频器24的FWD端口，变频器24控制提升电机14反向转动，卷线辊15收卷钢丝绳11，罐笼7沿着刚性罐道6向上提升，若第二行程开关18未能及时做出反应时，继续下行的罐笼7顶部的挡板20运行至第二光电开关19的内部，第二光电开关19被触发，PLC22输入端的X06端口得到输入信号，随即PLC22通过输出端的Y10端口控制靠近变频器24的接触器32线圈失电，随后变频器24失电停止、提升电机14的制动阀失电抱紧，提升电机14停止转动，罐笼7悬停。

使用时，需要进行对刚性罐道6进行故障诊断时，首先通过改变刚性罐道6在罐道梁5上的安装方式来模拟刚性罐道6的故障，如改变安装角度可以可以模拟刚性罐道6倾斜和弯曲的故障模式，改变相邻两组刚性罐道6之间的间隙，可以模拟刚性罐道6安装缝隙的故障模式，改变刚性罐道6与罐道梁5之间的距离，可以模拟刚性罐道6接头台阶的故障模式，在刚性罐道6工作面粘贴异物，可以模拟刚性罐道6表面凸起的故障模式，将用于实验的测量仪器安装于罐笼7的顶部，随后通过操作触摸屏23来实现触摸屏23—PLC22—变频器24—提升电机14—罐笼7运动，当滚轮罐耳9运行过故障处时，会引起罐笼7的振动，从而测量仪器采集到的故障数据，并且在实验时，可以通过旋转变频器24旋钮来改变提升电机14的转速，从而实现多提升速度的实验操作，并且可以在罐笼7内部增加负载和改变负载位置来时实现多负载、多工况的实验操作。

本发明中搭建了一套主要部件完整、结构完善、功能的齐全的仿真实验台，并且设计了一套完整、高效的控制方法，实现了提升系统实验台的多种运行状态控制与变换，满足了多工况、多速度的控制以及井底井口安全防护控制，本发明能够用于科研人员和学校教学的立井提升系统故障诊断和健康监测研究，有效的解决了矿井立井人员下井不便，井下实验环境较差，环境较为危险的问题。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种立井提升系统实验台及其控制方法，包括机械结构(1)、防护系统(2)和控制面板(3)，其特征在于：所述主体包括支架(4)、罐道梁(5)、刚性罐道(6)、罐笼(7)、滚轮罐耳(9)、挂钩(10)、钢丝绳(11)、定滑轮(12)、电机架(13)、提升电机(14)和卷线辊(15)，所述罐道梁(5)通过螺栓固定连接于支架(4)的内部，所述刚性罐道(6)通过螺栓安装于罐道梁(5)的一侧，所述罐笼(7)的顶部和底部均通过螺栓安装有罐耳架(8)，所述滚轮罐耳(9)通过转轴、轴承和卡销装配于罐耳架(8)的内部，所述滚轮罐耳(9)的表面与刚性罐道(6)的工作面相接触，所述罐笼(7)顶部的中间位置通过螺纹连接有挂钩(10)，所述挂钩(10)的一端延伸至罐笼(7)的内部，所述支架(4)顶部的前侧和中间位置均固定安装有定滑轮(12)，所述支架(4)的前侧设置有电机架(13)，所述提升电机(14)通过螺栓固定连接于电机架(13)顶部的左侧，所述卷线辊(15)通过轴承架和螺栓固定连接于电机架(13)顶部的右侧，所述提升电机(14)的转轴与卷线辊(15)的转轴通过联轴器连接，所述钢丝绳(11)的一端固定连接于卷线辊(15)的表面，且钢丝绳(11)的另一端依次穿过两组定滑轮(12)与挂钩(10)相连接。所述防护系统(2)包括第一行程开关(16)、第一光电开关(17)、第二行程开关(18)、第二光电开关(19)和挡板(20)，所述第一行程开关(16)通过安装架固定连接于支架(4)内部顶部的中间位置，所述第一光电开关(17)固定连接于支架(4)内部前侧的顶部，所述第二行程开关(18)通过安装架固定连接于支架(4)内部底部的 中间位置，所述第二光电开关(19)固定连接于支架(4)内部前侧的底部，所述挡板(20)设置有两组且分别固定连接于罐笼(7)顶部和底部的前侧。 所述控制面板(3)包括安装板(21)、PLC(22)、触摸屏(23)、变频器(24)、第一中间继电器(25)、第二中间继电器(26)、第三中间继电器(27)、第四中间继电器(28)、第五中间继电器(29)、第六中间继电器(30)、24伏直流开关电源(31)、接触器(32)、空气开关(33)、熔断器(34)和漏电保护开关(35)，所述PLC(22)、触摸屏(23)、变频器(24)、第一中间继电器(25)、第二中间继电器(26)、第三中间继电器(27)、第四中间继电器(28)、第五中间继电器(29)、第六中间继电器(30)、24伏直流开关电源(31)、接触器(32)、空气开关(33)、熔断器(34)和漏电保护开关(35)均通过螺栓和卡槽固定连接于安装板(21)的一侧，所述熔断器(34)、接触器(32)和漏电保护开关(35)均设置有若干组，所述PLC(22)的L、N端口和变频器(24)的L、N端口均通过导线与空气开关(33)的输出端相连接，所述PLC(22)的L端口与空气开关(33)之间串联有一组熔断器(34)，所述变频器(24)的L、N端口之间串联有一组漏电保护器、一组接触器(32)和一组熔断器(34)，所述变频器(24)的U、V、W端通过一组漏电保护器与提升电机(14)的U、V、W端相连接，所述24伏直流开关电源(31)的L、N端通过导线与一组漏电保护器的输出端相连接，所述触摸屏(23)通过数据线于PLC(22)相连接。

2.根据权利要求1所述的一种立井提升系统实验台及其控制方法，其特征在于：所述罐耳架(8)、滚轮罐耳(9)均设置有十二组，所述刚性罐道(6)设置有三个工作面，所述滚轮罐耳(9)与罐笼(7)之间连接有弹簧和阻尼器，所述刚性罐道(6)设置有若干组，所述提升电机(14)的制动阀的L、N端口通过导线与靠近变频器(24)的一组接触器(32)的L、N端口相连接，所述第一行程开关(16)的位置低于第一光开关的位置，所述第二行程开关(18)的位置高于第二光电开关(19)的位置。

3.根据权利要求1所述的一种立井提升系统实验台及其控制方法，其特征在于：所述第一行程开关(16)和第二行程开关(18)均设置为常开状态，所述第一行程开关(16)的两个常开端子分别通过导线与PLC(22)输入端的COM端口和X00端口相连接，所述第二行程开关(18)的两个常开端子分别通过导线与PLC(22)输入端的COM端口和X01端口相连接，所述第一光电开关(17)和第二光电开关(19)的正极均通过导线与PLC(22)的输出端+24V端口相连接，所述第一光电开关(17)和第二光电开关(19)负极均通过导线与PLC(22)输入端的COM端口相连接，所述第一光电开关(17)的信号端子通过导线与PLC(22)输入端的XO5端口相连接，所述第二光电开关(19)的信号端子通过导线与PLC(22)输入端的XO6端口相连接，所述第一中间继电器(25)、第二中间继电器(26)、第三中间继电器(27)、第四中间继电器(28)、第五中间继电器(29)、第六中间继电器(30)均采用常开状态的接线方式，所述触摸屏(23)的正极和负极分别通过导线与24伏直流开关电源(31)的正极和负极相连接。

4.根据权利要求1所述的一种立井提升系统实验台及其控制方法，其特征在于：所述PLC(22)的型号为三菱FX2N型，所述变频器(24)型号为爱得利AS系列，所述触摸屏(23)型号为MCGSTPC，所述第一中间继电器(25)、第二中间继电器(26)、第三中间继电器(27)、第四中间继电器(28)、第五中间继电器(29)、第六中间继电器(30)型号均为PEOTR-HH52P，所述接触器(32)、漏电保护器和空气开关(33)均采用交流220伏电源。

5.根据权利要求1所述的一种立井提升系统实验台及其控制方法，其特征在于：所述PLC(22)输出端的COM端口通过导线与变频器(24)的端口相连接，所述PLC(22)输出端的YO1端口通过导线与变频器(24)的FWD端口相连接，所述PLC(22)输出端的YO2端口通过导线与变频器(24)的REV端口相连接，所述PLC(22)输出端的YO3和Y06端口通过导线与变频器(24)的CF1端口相连接，所述PLC(22)输出端的YO4和Y06端口通过导线与变频器(24)的CF2端口相连接，所述PLC(22)输出端的YO5和Y07端口通过导线与变频器(24)的CF3端口相连接，所述PLC(22)输出端的Y10端口通过导线与靠近变频器(24)的一组接触器(32)线圈的A2端口相连接，所述PLC(22)输出端的COM5端口通过导线与靠近变频器(24)的一组接触器(32)线圈的零线端口相连接。

6.根据权利要求1所述的一种立井提升系统实验台及其控制方法，其特征在于：所述第一中间继电器(25)、第二中间继电器(26)、第三中间继电器(27)、第四中间继电器(28)、第五中间继电器(29)、第六中间继电器(30)均设置有a端口、b端口、c端口、d端口、e端口、f端口、g端口和h端口，其中a端口、b端口分别为内部线圈的正极和负极端口，其中c端口、g端口和d端口、h端口均为内部常闭线路的端口，其中c端口、e端口和d端口、f端口均为内部常开线路的端口，所述第一中间继电器(25)、第二中间继电器(26)、第三中间继电器(27)、第四中间继电器(28)、第五中间继电器(29)、第六中间继电器(30)的a端口均通过导线与24伏直流开关电源(31)正极相连接，所述第一中间继电器(25)的b端口通过导线与PLC(22)输出端的Y11端口相连接，所述第二中间继电器(26)的b端口通过导线与PLC(22)输出端的Y12端口相连接，所述第三中间继电器(27)的b端口通过导线与PLC(22)输出端的Y13端口相连接，所述第四中间继电器(28)的b端口通过导线与PLC(22)输出端的Y14端口相连接，所述第五中间继电器(29)和第六中间继电器(30)的b端口均通过导线与PLC(22)输出端的Y15端口相连接，所述PLC(22)输出端的COM5端口和COM6端口均通过导线与24伏直流开关电源(31)的正极相连接，所述第一中间继电器(25)、第二中间继电器(26)、第三中间继电器(27)、第四中间继电器(28)、第五中间继电器(29)、第六中间继电器(30)的c端口均通过导线与PLC(22)输入端的COM端相连接，所述第一中间继电器(25)的e端口通过导线与PLC(22)输入端的X02端口相连接，所述第二中间继电器(26)的e端口通过导线与PLC(22)输入端的X03端口相连接，所述第三中间继电器(27)的e端口通过导线与PLC(22)输入端的X04端口相连接，所述第四中间继电器(28)的e端口通过导线与PLC(22)输入端的X07端口相连接，所述第五中间继电器(29)的e端口通过导线与PLC(22)输入端的X10端口相连接，所述第六中间继电器(30)的e端口通过导线与PLC(22)输入端的X11端口相连接。

7.根据权利要求1所述的一种立井提升系统实验台及其控制方法，其特征在于：其具体控制方法如下：

A、在触摸屏(23)上点击上升图标，PLC(22)得到信号，第一中间继电器(25)的线圈得电，随后第一中间继电器(25)内部常开电路闭合，PLC(22)通过X02端口得到信号,随即PLC(22)通过输出端的Y10端口控制靠近变频器(24)的接触器(32)线圈得电，随后变频器(24)得电启动、提升电机(14)的制动阀得电松开，同时PLC(22)通过输出端Y00端口将信号传输至变频器(24)FWD端口，随后变频器(24)带动提升电机(14)正转，卷线辊(15)收卷钢丝绳(11)，钢丝绳(11)牵引罐笼(7)在沿着刚性罐道(6)向上提升。

B、在触摸屏(23)上点击下降图标，PLC(22)得到信号，第二中间继电器(26)的线圈得电，随后第二中间继电器(26)内部常开电路闭合，PLC(22)通过X03端口得到信号,随即PLC(22)通过输出端的Y10端口控制靠近变频器(24)的接触器(32)线圈得电，随后变频器(24)得电启动、提升电机(14)的制动阀得电松开，同时PLC(22)通过输出端Y01端口将信号传输至变频器(24)REV端口，随后变频器(24)带动提升电机(14)反转，卷线辊(15)放出钢丝绳(11)，钢丝绳(11)牵引罐笼(7)在沿着刚性罐道(6)向下降落。

C、在触摸屏(23)上点击变速上升图标，PLC(22)得到信号，第三中间继电器(27)的线圈得电，随后第三中间继电器(27)内部常开电路闭合，PLC(22)通过X07端口得到信号,随即PLC(22)通过输出端的Y10端口控制靠近变频器(24)的接触器(32)线圈得电，随后变频器(24)得电启动、提升电机(14)的制动阀得电松开，同时PLC(22)通过输出端Y02端口将信号传输至变频器(24)CF1端口，随后变频器(24)带动提升电机(14)以正转方式低速启动，卷线辊(15)收卷钢丝绳(11)，钢丝绳(11)牵引罐笼(7)在沿着刚性罐道(6)向上提升，且提升电机(14)转速逐渐增加，5s后罐笼(7)提升速度达到5m/s，此时PLC(22)输出端的Y03将信号传输至变频器(24)CF2端口，变频控制提升电机(14)开始匀速转动，提升电机(14)匀速转动5s后，PLC(22)输出端的Y04将信号传输至变频器(24)CF3端口，变频器(24)控制提升电机(14)减速转动，3s后降速至1m/s，其中各段转速运行的时间和转速均可以通过控制程序进行更改。

D、在触摸屏(23)上点击变速下降图标，PLC(22)得到信号，第四中间继电器(28)的线圈得电，随后第四中间继电器(28)内部常开电路闭合，PLC(22)通过X10端口得到信号,随即PLC(22)通过输出端的Y10端口控制靠近变频器(24)的接触器(32)线圈得电，随后变频器(24)得电启动、提升电机(14)的制动阀得电松开，同时PLC(22)通过输出端Y05端口将信号传输至变频器(24)CF1端口，随后变频器(24)带动提升电机(14)以反转方式低速启动，卷线辊(15)放出钢丝绳(11)，钢丝绳(11)牵引罐笼(7)在沿着刚性罐道(6)向下降落，且提升电机(14)转速逐渐增加，5s后罐笼(7)提升速度达到5m/s，此时PLC(22)输出端的Y06将信号传输至变频器(24)CF2端口，变频控制提升电机(14)开始匀速转动，提升电机(14)匀速转动5s后，PLC(22)输出端的Y07将信号传输至变频器(24)CF3端口，变频器(24)控制提升电机(14)减速转动，3s后降速至1m/s，其中各段转速运行的时间和转速均可以通过控制程序进行更改。

E、在触摸屏(23)上点击停止图标，PLC(22)得到信号，第五中间继电器(29)和第六中间继电器(30)的线圈得电，随后第五中间继电器(29)和第六中间继电器(30)内部常开电路闭合，PLC(22)通过X04端口或者X11端口得到信号，随即PLC(22)通过输出端的Y10端口控制靠近变频器(24)的接触器(32)线圈失电，随后变频器(24)失电停止、提升电机(14)的制动阀失电抱紧，提升电机(14)停止转动，罐笼(7)悬停。

F、当罐笼(7)运行至支架(4)顶部时，罐笼(7)的顶部触碰到第一行程开关(16)，此时第一行程开关(16)内部的常开电路闭合，PLC(22)输入端X00端口得到输入信号，随后PLC(22)输出端的Y01端口将信号传输至变频器(24)REV端口，变频器(24)控制提升电机(14)反向转动，卷线辊(15)放出钢丝绳(11)，罐笼(7)沿着刚性罐道(6)向下降落，若第一行程开关(16)未能及时做出反应时，继续上行的罐笼(7)顶部的挡板(20)运行至第一光电开关(17)的内部，第一光电开关(17)被触发，PLC(22)输入端的X05端口得到输入信号，随即PLC(22)通过输出端的Y10端口控制靠近变频器(24)的接触器(32)线圈失电，随后变频器(24)失电停止、提升电机(14)的制动阀失电抱紧，提升电机(14)停止转动，罐笼(7)悬停。

G、当罐笼(7)运行至支架(4)底部时，罐笼(7)的底部触碰到第二行程开关(18)，此时第二行程开关(18)内部的常开电路闭合，PLC(22)输入端X01端口得到输入信号，随后PLC(22)输出端的Y00端口将信号传输至变频器(24)的FWD端口，变频器(24)控制提升电机(14)反向转动，卷线辊(15)收卷钢丝绳(11)，罐笼(7)沿着刚性罐道(6)向上提升，若第二行程开关(18)未能及时做出反应时，继续下行的罐笼(7)顶部的挡板(20)运行至第二光电开关(19)的内部，第二光电开关(19)被触发，PLC(22)输入端的X06端口得到输入信号，随即PLC(22)通过输出端的Y10端口控制靠近变频器(24)的接触器(32)线圈失电，随后变频器(24)失电停止、提升电机(14)的制动阀失电抱紧，提升电机(14)停止转动，罐笼(7)悬停。

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