CN2304637Y - 矿井交流提升机可编程控制装置 - Google Patents

Abstract

一种矿井交流提升机可编程控制装置,属矿井提升机电控设备,有可编程序控制器PC,包括CPU、脉冲计数模块、输入模块、输出模块、A/D模块、D/A模块等,脉冲计数模块与轴编码器之间设有方向判别电路WF模块;由主电机电流取信号采用磁平衡式电流传感器、其输出与A/D模块连接;D/A模块输出端,与控制动力制动的移相触发电路、可调闸电流放大PWM电路连接。可靠性、安全性高,控制性能好,适应性好,紧凑模块化,易维修,是高档数字化PC装置。

Description

矿井交流提升机可编程控制装置

本实用新型涉及矿井提升设备的电控装置，进一步讲是一种采用可编程序控制器控制的矿井交流提升机电控装置。

在已有技术中，老式的矿井交流提升机TKD电控系统，采用继电器控制，故障率高，维护量大，整定困难，可靠性差。由磁放大器构成的动力制动速度闭环控制环节、可调闸闭环及超速保护环节调试困难，灵敏度达不到规程要求。目前，已开始把可编程控制技术应用于矿井交流提升机电控技术改造，以实现交流提升机的微机控制。在已出现的矿井交流提升机可编程控制装置中，一般有如下特点：①提升距离、提升速度信号采用电机轴上加磁块，利用霍尔开关采样，由综合显示仪计算出容器位置和提升速度；②采用有机械触点的电流继电器控制动作；③手闸自整角机电压、测速电压进入单独开发的可调闸-动力制动电路，由运算放大器组成的比例放大器、单端输入比较器、最小值选择器、最大值选择器和射极跟随器等电路，模拟实现磁放大器功能，对可调闸、动力制动进行控制；④提升距离、提升速度和电机电流的显示利用单独开发的提升机综合显示控制仪实现。目前已有的可编程控制装置有整体型结构的缺点，及传感器件、信号处理电路不先进的缺点。

本实用新型的设计目的在于克服已有技术的不足之处，而提供一种可靠性、安全性高，维修简单，紧凑型模块化结构，适应性好，可适用于各种型号、不同控制方式的交流提升机，系统控制性能好，在线调试和监视运行状态直观，实现无触点控制，高档数字化的矿井交流提升机可编程控制装置。

本实用新型的设计目的可以通过以下措施来达到：

在矿井交流提升机可编程控制装置中，有可编程序控制器PC(10)，它包括CPU单元、脉冲计数模块、输入模块、输出模块、模数转换模块、数模转换模块等。输入模块与提升系统的开关量输入信号电路连接；输出模块与输出开关量电路、显示电路连接；手闸自整角机电压信号、测速发电机输出电压信号、凸轮板给定自整角机电压信号和主电机定子电流传感信号四路模拟量信号输入电路，接模数转换模块；脉冲计数模块20与为提升机滚筒的提升行程、速度信号采样的旋转轴编码器4之间加有方向判别电路WF模块16，WF模块16的输入端与旋转轴编码器4的输出端连接，WF模块16的脉冲输出端和方向输出端与脉冲计数模块20连接。

本实用新型的设计目的还可以通过以下措施来达到：

该可编程控制装置的由提升机主电机定子电流取信号的传感器采用磁平衡式电流传感器8，其电压信号输出端，与PC(10)的模数转换模块19连接。

该可编程控制装置的可编程序控制器的数模转换模块22的输出端子，接控制动力制动的移相触发控制电路26。

该可编程控制装置的可编程序控制器的数模转换模块22的输出端子，经可调闸电流放大电路27----PWM电路，与控制可调闸电路28连接。

该可编程控制装置的可编程序控制器的多点输出模块23的输出端子，与显示提升行程、提升速度、主电机定子电流值、故障提示的显示电路模块29的输入端子相连接。

该可编程控制装置的可编程序控制器的晶体管输出模块24的输出端子，经固态继电器37，与接触器线圈36相连接。

本实用新型与已有技术相比具有如下优点：

①可靠性、安全性高。高档小型PC本身可靠性很高，I／O模块又采用无触点模块，大功率负载采用SSR，去掉了需要定期整定的电流继电器，减少了输入输出机械触点、故障点，使系统具有更高的可靠性和安全性。

②维修简单。紧凑型模块化结构，克服了目前PC系统整体型结构的缺点，组态灵活，维护很方便，故障时不用拆模块接线，仅更换故障模块即可。

③适应性好。因逻辑电路用编程方式实现，故在现场可根据用户实际要求，随时改变控制方式。可适用于各种型号、不同控制方式的交流提升机。

④在线调试和监视运行状态直观。可编程序控制器的输入输出模块上有相应的发光管指示；通过编程器或计算机；可以直接观察控制电路中的数据和每个模块的工作状态，因而现场处理问题简单直观。系统具有清晰直观的提升距离、提升速度、主电机电流显示、提升状态指示和故障原因提示。

⑤系统完整性好。由一套PC就能完成主控电路的逻辑功能和全部保护功能，避免已有PC系统采用外加电子电路降低控制系统完整性可靠性的缺陷。

⑥系统控制性能好。将模拟量数字化，运用先进的数字PID控制算法，去掉原控制系统的磁放大器，改善可调闸和动力制动性能，提高了可靠性。

⑦控制系统采用双重化设计、保护措施，实现了后备保护的全部功能。

⑧具有自诊断功能，故障时LED指示灯显示并可安全制动；扩充能力强，可根据需要增减I／O模块；联网能力强，可与上位机组成分布控制系统，用计算机现场监视提升机的运行状态，用户界面良好。

附图的图面说明如下：

图1：矿井交流提升机电控系统示意图

图2：可编程控制柜外部结构及轴编码器、四路模拟量采集装置示意图

图3：本实用新型可编程控制柜内部构成示意图

图4：本实用新型电控原理框图

图5：脉冲计数电路与PC连接电路的电路图

图6：四路模拟量输入电路与PC连接电路的电路图

图7：动力制动移相触发控制电路及可调闸电路与PC连接电路的电路图

图8：显示电路模块与PC连接电路的电路图

图9：固态继电器电路与PC连接电路的电路图

图10：发光二极管指示灯电路与PC连接电路的电路图

图11：接触器辅助接点输入电路与PC连接电路的电路图

图12：开关量输入电路与PC连接电路的电路图

图13：可调闸电流放大电路PWM电路的电路原理图

图中：1-数码管显示器、2-发光二极管指示灯、3-可编程控制柜、4-旋转轴编码器、5-手闸自整角机、6-测速发电机、7-凸轮板给定自整角机、8-磁平衡式电流传感器、9-柜门、10-可编程序控制器PC、11-输出量开关电源、12-输入量开关电源、13-空气开关、14-安全接触器、15-稳压电源、16-方向判别电路WF模块、17-四路模拟量输入电路、18-CPU单元、19-模数转换模块、20-脉冲计数模块、21-晶体管输入模块、22-数模转换模块、23-多点输出模块、24-晶体管输出模块、25-PS221扩展电源单元、26-移相触发控制电路、27-可调闸放大电路PWM电路、28-可调闸电路、29-显示电路模块、30-输出开关量指示灯电路、31-固态继电器电路、32-接触器辅助接点输入电路、33-开关量输入电路、34-毫安表、35-可调闸电流线圈、36-接触器线圈、37-固态继电器。

下面将结合附图对本实用新型的实施例作进一步详述：

图1示出了矿井交流提升机电控系统的框图。

提升机主电机由换向器柜内的高压真空接触器接通6KV电压启动，经减速箱带动滚筒运转；转子柜内有低压真空接触器、电阻器，为主电机调速所用；动力制动柜将380V交流电压变为直流电，由换向器柜加给主电机定子电路，产生制动力矩；在液压站内，通过调节可调闸电路的KT线圈的电流控制制动。轴编码器通过联轴器与滚筒轴联接，产生提升行程、速度信号的采样脉冲信号；测速发电机经联轴器与主电机轴联接，获得电机转速电压信号；凸轮板给定自整角机产生提升机运行速度的电压信号；电流传感器通过6KV母线，获取主电机定子电流传感信号；司机操作台有手闸自整角机、操作手把、脚踏动力制动器；上述传感信号传给可编程控制柜内的PC，实施程控。

图2示出了本实用新型可编程控制柜的外部结构及轴编码器、四路模拟量采集装置的外形。可编程控制柜3的上部面板上有数码管显示器1、发光二极管指示灯2。控制柜上、下部的面板均为活门，可用其把手打开。

柜外的轴编码器4、手闸自整角机5、测速发电机6、凸轮板给定自整角机7、磁平衡式电流传感器的五路传感信号传给可编程控制柜内的PC。

图3示出了可编程控制柜3的内部组成。打开柜门9，可以看到柜内的上部框架内有可编程序控制器PC(10)，控制柜下部框架内安放有输出量开关电源11、输入量开关电源12、空气开关13(DZ20-400型)、安全接触器14(CJ20-40型)、稳压电源15。输入量开关电源12为输入电路提供电源电压，输出量开关电源11为输出电路提供电源电压，稳压电源15为开关电源11、12提供电源电压，空气开关13是控制柜总电源开关，安全接触器14起安全保护控制。

图4示出了本实用新型电控原理框图。主要部分介绍如下：

1．主机：该控制系统的可编程序控制器10的主机选用日本OMRON公司的高档小型可编程序控制器C200H。它采用模块化结构，组成系统方便灵活，具有速度快，指令丰富，扩展I／O点数多，可以与计算机组成主从式通讯网络，抗干扰能力强，有多种特殊功能I／O单元及高机能单元，体积小，功能强等特点，可构成高档次控制系统。它包括如下主要部分：①C200H-BC081：八槽基板；②CPU单元(18)：C200H-CPU01-E；③存储单元C200H-ME831：EEPROM存储器，容量8K字，用户程序可使用6974字；④八槽I／O扩展装置；⑤I／O电源单元：扩展电源单元(25)C200H-PS221。

2．输入单元：选用16点晶体管输入模块(21)C200H-ID212，DC 24V。

3．输出单元：选用12点晶体管输出模块(24)C200H-OD211，DC 24V。

4．高机能单元：

①A／D单元：选用模数转换电路模块(19)C200H-AD001，具有四路模拟量输入，可以是4～20mA(1～5V)电流或0～10V直流电压输入；

②D／A模块：选用数模转换模块(22)C200H-DA001，具有两路模拟量输出，输出可以是4～20mA(1～5V)电流或0～10V直流电压；

③脉冲计数单元：选用高速脉冲计数模块(20)C200H-CT001，主要用于接收旋转轴编码器4的高速脉冲信号，计数速度50Kcps，范围-8388608～+8388607，使其工作在线性工作模式下；

④多点I／O单元：选用多点输出模块(23)C200H-OD215，用于提升距离、速度、电流、故障代码的显示。

可编程序控制器10与外围电路连接的主要部分介绍如下：

①旋转轴编码器4经方向判别电路WF模块16，接脉冲计数模块(20)CT001；

②四路模拟量信号经四路模拟量输入电路17，接至模数转换电路模块19；

③接触器辅助接点输入电路32、开关量输入电路33分别接到一块晶体管输入模块(21)C200H-ID212上，其余四块晶体管输入模块21供扩展用；

④数模转换模块(22)C200H-DA001的输出端，一路接至移相脉冲控制电路26，另一路经可调闸放大电路27接至可调闸电路28；

⑤多点输出模块(23)C200H-OD215的输出端接至显示电路模块29；

⑥晶体管输出模块(24)C200H-OD211，其中一块接输出开关量指示灯电路30，有两块接固态继电器电路31，其余三块晶体管输出模块24供扩展用。

图5示出了脉冲计数单元与PC连接电路的电路原理。

旋转轴编码器4：型号为E6D，A为A相脉冲信号端，B为B相脉冲信号端，Z为复位脉冲信号端；方向判别电路WF模块16：型号为E63-WF，其3脚为A相脉冲信号接收端、4脚为B相脉冲信号接收端、10脚为Z相脉冲信号接收端，5、6脚为电源端，7、8脚为脉冲输出端、方向输出端；高速脉冲计数单元(20)CT001模块：其B19端子为脉冲接收端，B17端子为方向接收端。B15、B16端子为24V、0V电源端。

图6示出了四路模拟量输入电路与PC连接电路的电路原理。

四路模拟量输入信号：手闸自整角机电压信号CD1、测速发电机输出电压信号CSF、凸轮板给定自整角机电压信号CD6和主电机定子电流传感器电压信号。前三路信号分别经R601、V601、R602，R603、V602、R604及R605、V603、R606分压和限压保护，接至模数转换模块19的B0、A0、B2、A2、B4、A4端子。电流传感器8：采用磁平衡式电流传感器，型号为LT50型，由主电机定子电流取信号，其1、3端为输出电压的正极和接地端，此两端接限压保护稳压管V604正、负极和模数转换模块19的B6、A6端子；其2、4端为+15V和-15V电源端。模数转换模块(19)AD001的A0～A6、B0～B6为接线端子，输入0～10V直流电压采样信号。稳压二极管V601～V604额定电压为10V。

图7示出了移相触发控制电路及可调闸电路与PC连接电路的电路原理。

数模转换模块(22)DA001的接线端子为A0～A8、B0～B9，其B3、A3接可调闸电流放大电路27的输入端，可调闸电流放大电路27的输出端接可调闸电路28，即可调闸电流放大电路27的输出端正极经工作继电器常开接点GZJ1、毫安表34、转换开关K701、可调闸电流线圈(35)KT1及可调热敏电阻Rt5-1，回到可调闸电流放大电路27的负端；或流经另一路备用回路的可调闸电流线圈KT2及可调电阻Rt5-2，回到负端。可调闸电流放大电路27为PWM电路，工作电压为24V，其电路工作原理详见图13。

数模转换模块22的A0、B0端子输出0～10V直流电压，接由电阻R701、电容器C701、电位器R702构成的控制动力制动的移相触发控制电路26。

图8示出了显示电路与PC连接电路的电路原理。

显示电路模块29选用型号：3F88M，多点输出模块23为OD215，电源11为其提供24V直流电压。图中：Signal为符号，Pin为接线端子。

多点输出模块23的接线端子：D0～D7为数据线，A1～A8是数据线接线端子，STR0～STR3为选通线，B1～B4是选通线接线端子；COM6、COM1为+24V电源的地，A9、B9是其接线端子；0V、1V为+24V电源正极，A10、B10是其接线端子。STR4～STR7(B5～B8)、Nc(A11、A12、B11、B12)未用。

显示电路模块29：D0～D7为数据线，3～10是数据线接线端子，STR1～STR4为选通线，14～11#是选通线接线端子；GND为24V电源的地，1#是其接线端子；24V是电源正极，16#为其接线端子；Nc(2#、15#)未用。

多点输出模块23的数据线D0～D7与显示电路模块29数据线D0～D7连接；多点输出模块23选通线STR0～STR3与显示模块29选通线STR4～STR1连接。

图9示出了固态继电器电路与PC连接电路的电路原理。

晶体管输出模块(24)OD211，其中两块接固态继电器电路31。固态继电器电路31包括12个固态继电器(37)SSR1～SSR12和12组接触器线圈(36)1JC～12JC。晶体管输出模块24的A0～A5、B0～B5输出端子接固态继电器37正极，固态继电器37负极接A8(COM)端子，固态继电器37的交流端，串入交流电源和接触器线圈36的回路中。输出量开关电源11接B9、A8，提供电源电压。

图10示出了输出开关量指示灯电路与PC连接电路的电路原理。

晶体管输出模块(24)OD211中的其中一块，接输出开关量指示灯电路30。指示灯电路30由发光二极管LED1～LED12构成，晶体管输出模块24的A0～A6、B0～B6输出端子接LED1～LED12的正极，LED1～LED12的负极接A8(COM)端子，输出量开关电源11接B9、A8之间，提供电源电压。

图11示出了接触器辅助接点输入电路与PC连接电路的电路原理。

接触器辅助接点FJC1～FJC16组成接触器辅助接点输入电路32，FJC1～FJC16的一端接到一块晶体管输入模块(21)ID212的A0～A7、B0～B7接线端子上；FJC1～FJC16的另一端接输入量开关电源12的正极，输入量开关电源12的负极接A8(COM)端子。

图12示出了开关量输入电路与PC连接电路的电路原理。

开关量输入电路33由接点KJ1～KJ16组成，KJ1～KJ16的一端接到一块晶体管输入模块(21)ID212的A0～A7、B0～B7接线端子上，KJ1～KJ16的另一端接输入量开关电源12的正极，输入量开关电源12的负极接A8(COM)端子。

图13示出了可调闸电流放大电路PWM电路的电路原理。

电路分两部分：上部是±9V电源变换电路，下部是PWM放大电路。

1．电源变换电路：①三极管V3(TIP132)、集成运放N1(LM339)及其外围元件稳压二极管V2、V4、电阻R1～R9、电容器C3构成直流稳压电路；三极管V3作电压，调整管，运放N1作电压放大器，稳压管V4提供6．2V的基准电压，电位器R8和电阻R7、R9作电压取样；C0～C2、V1输入电压滤波和极性保护。②运放N2和三极管V5(9013)、V6(9012)及其外围元件电阻R10～R16、电容器C4构成直流±9V电压变换电路，为PWM电路提供所需的±9V直流工作电压。

2．PWM脉冲调制放大电路：①运放N3、N4及其外围元件电阻R17～R27、电容器C5构成两级反相放大电路；取样信号由INPUT端输入，经电位器R19对输入信号大小调节，送运放N3负极性输入端，由电位器R17作基准调整，由电位器R25为运放N4调零；②运放N5、N6及其外围元件电阻R37～R39、电容器C6构成三角波振荡电路；③运放N7及其外围元件电阻R28～R30构成比例放大电路；④三极管V7(9013)、V8(TIP147)及其外围元件电阻R31～R34、二极管V9构成功放电路，输出端(out)接可调闸电流线圈KT(35)。电阻R35、R36、电容器C7作滤波用。上述电路元件的参考型号及参数：

集成电路：N1～N7：集成运放LM339×2；

晶体管：V1：1N4001、V2：20V稳压管、V3：TIP132、V4：6．2V稳压管V5：9013、V6：9012、V7：9013、V8：TIP147、V9：1N4001；

电阻：R1：1K、R2：27Ω、R3：2．7K、R4：1K、R5：1．5K、R6：7．5K、R10：4．7K、R11：4．7K、R12：100Ω、R13：10K、R14：2．7K、R15：2．7K、R16：100Ω、R18：51K、R20：51K、R21：51K、R23：51K、R24：47K、R26：11K、R27：10K、R29：10K、R30：27K、R31：15K、R32：10K、R33：10K、R34：1Ω、R35：10K、R36：1K；R7、R9、R22、R28：由调整而定；

电位器：R8：1K、R17：10K、R19：10K、R25：10K；

电容器；C0：3300μF、C1：1μF、C2：1μF、C3：100μF、C4：22μFC5：0．0047μF、C6：0．1μF、C7：0．0047μF。

本可编程控制装置工作原理：因矿井交流提升机控制复杂，仅作简述。

1．起动前准备：①司机操作手闸至抱闸位置，操作手把置中间零位。②合上换向器柜内的隔离开关及油开关。③合上可编程控制柜的空气开关13，给控制柜送220V交流电源，PC控制装置10开始工作。④使动力制动柜有电，使制动油泵和润滑油泵的电机运转。如果安全接触器14回路的各保护接点及联锁接点闭锁正常，则安全接触器14带电，解除安全制动，准备工作完毕。

2．起动加速：①可编程控制柜3上信号灯亮和平罐信号灯亮，司机操作手闸推至松闸位置，解除工作制动，此时KT线圈电流最大；司机根据提升方向将操作手把由中间位置推到终点位置，提升机主电机开始起动加速。②滚筒开始转动后，与滚筒轴联接的轴编码器4开始旋转，产生脉冲信号经方向判别电路WF模块16处理，送PC的脉冲计数模块20处理、然后送PC的CPU单元处理。③手闸自整角机、测速发电机、凸轮板给定自整角机开始运转，输出电压信号，电流传感器由主电机定子电流取得传感电压信号，这四路模拟量信号送PC的模数转换电路模块19处理，然后送PC的CPU单元处理。④16个开关接点KJ1～KJ16闭合，16个接触器辅助接点FJC1～FJC16闭合，经晶体管输入模块21处理，然后送PC的CPU单元处理，可编程控制柜3上数码管显示器1，在CPU单元、显示电路模块29控制下，显示提升行程、速度、主电机电流值。

3．等速运行：司机不需作任何控制，提升机在PC的程序控制下运行，但需观察控制柜3上提升行程、提升速度、主电机电流正常与否，及深度指示。

4．减速：提升罐笼到达减速点时，提升机在可编程序控制器PC的程序控制下，使主电机断电，使动力制动投入。当速度降低至爬行速度时，由于速度控制作用可实现而二次给电。

5．爬行：当速度降至爬行速度时，提升机在可编程序控制器PC的程序控制下，自动切除动力制动，自动将高压电送入主电机。此时，司机可操作手闸控制提升机速度，直到终点停车。

6．停车：信号工发出停车信号，司机将手闸拉至紧闸位置，KT线圈电流为零，操作手把拉至零位，控制柜3上停车指示灯亮，此次提升循环结束。

7．故障指示：①当某部分出现故障时，在PC控制下，控制柜上相应的故障指示灯亮，需检查相应部分的故障。②当PC上的ERROR指示灯亮，需将控制柜的空气开关13断电，过一会再送电，若仍不正常运行，需请维修人员处理。③当PC上的ALARM指示灯若闪烁，可能模块出现故障，需更换故障模块。

Claims (6)

1．一种矿井交流提升机可编程控制装置，有可编程序控制器PC(10)，它包括CPU单元、脉冲计数模块、输入模块、输出模块、模数转换模块、数模转换模块，脉冲计数模块与为提升机滚筒的提升行程、速度信号采样的旋转轴编码器连接，输入模块与提升系统的开关量输入信号电路连接，输出模块与输出开关量电路、显示电路连接，手闸自整角机电压信号、测速发电机输出电压信号、凸轮板给定自整角机电压信号和主电机定子电流传感信号四路模拟量信号输入电路，接模数转换模块，其特征在于：旋转轴编码器(4)与脉冲计数模块(20)之间有方向判别电路WF模块(16)，WF模块(16)的输入端与旋转轴编码器(4)的输出端相连接，WF模块(16)的脉冲输出端和方向输出端与脉冲计数模块(20)相连接。

2．根据权利要求1所述的矿井交流提升机可编程控制装置，其特征在于所说的由提升机主电机定子电流取信号的传感器为磁平衡式电流传感器(8)，其电压信号输出端，与可编程序控制器的模数转换模块(19)相连接。

3．根据权利要求1所述的矿井交流提升机可编程控制装置，其特征在于所说的可编程序控制器的数模转换模块(22)的输出端子，与控制动力制动的移相触发控制电路(26)相连接。

4．根据权利要求1所述的矿井交流提升机可编程控制装置，其特征在于所说的可编程序控制器的数模转换模块(22)的输出端子，经可调闸电流放大电路(27)PWM电路，与控制可调闸电路(28)相连接。

5．根据权利要求1所述的矿井交流提升机可编程控制装置，其特征在于所说的可编程序控制器的多点输出模块(23)的输出端子，与显示提升行程、提升速度、主电机定子电流值、故障提示的显示电路模块(29)的输入端子相连接。

6．根据权利要求1所述的矿井交流提升机可编程控制装置，其特征在于所说的可编程序控制器的晶体管输出模块(24)的输出端子经固态继电器(37)，与接触器线圈(36)相连接。

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