基于PLC的矿井提升自动罐笼门的设计.pdf

2 0 1 1年第 7期 液压与气动 8 5 基于 P L C的矿 井提升 自动罐 笼门的设计 叶圣伟 ，苗运江 De s i g n o f a u t o ma t i c c a g e d o o r f o r mi n e h o i s t i n g b a s e d o n P L C Y E S h e n g w e i ， MI A O Y u n - j i a n g 中国矿业大学 机电工程学院 ， 江苏 徐州2 2 1 1 1 6 摘要 针对 目前矿井提升罐笼 门原理与结构的不足 ， 设计 了一种矿井提升 自动罐笼门。该装置以 P L C 为控制核心 ， 采用外动力开关门机构 ， 无极绳传递 牵引力， 能够实现矿 井提升过程 中罐笼 门的安全闭锁。其 结构简单、 运行灵活可靠、 自动化程度 高， 能够达到电梯的安全、 美观和舒适 ， 具有广泛的实用性。 关键词 矿井提升 ； 无极绳 ； 罐笼 门； P L C 中图分类号 T D 5 3 4 ； T H1 3 7 文献标识码 B文章编号 1 0 0 0 - 4 8 5 8 2 0 1 1 0 7 - 0 0 8 5 - 0 4 在矿山立井提升系统中 ， 罐笼作为一种多用途 的 提升容器 ， 既可升降人员及井下使用的各类机电设备 ， 也可下放材料和提升矿物。特别是升 降人员时， 必须 保证升降人员的人身安全 ， 以防止人员身体意外超出 罐外而受到损害 ， 为此在 提升罐笼的两端 出人 口必须 安装安全罐笼门 ， 其要求是安全可靠且便于使用。罐 笼的结构形式虽然历经数次改进 ， 但是罐笼的设计理 念一直强调的是安全 ， 而对其乘座人员 的舒适性 和人 性化则忽略； 同时由于罐笼的使用环境制约 ， 在电梯上 很多成熟的技术难 以在罐笼上应用。为了保障罐笼的 安全和舒适 ， 提高 自动化程度 ， 降低手动门工人 的劳动 强度 ， 设计了一种矿井提升 自动罐笼门。 1 罐笼门现状及存在的问题 目前 ， 在矿山立井提升系统 中， 罐笼是提升运输的 关键设备， 肩负着对物料 、 人员等重要运输 的责任。但 是罐笼门的结构形式虽然历经数次改进 ， 却一直都是 采用的人工罐帘门， 没有根本性变革 。其结构是在罐 笼上下人 口两边 固定 由钢丝绳或 圆钢制作成 的滑道 ， 由垂直悬挂的两根链条或钢丝绳及在其上等距固定若 干横杆组成的罐帘， 横杆两端 由圆钢或钢管制作成绳 环或钢环套在滑道上。工作时通过人工的方法开关罐 帘门， 机械化水平低 ， 工人的劳动强度大 。现常用的罐 帘门有 4种形式 1 新型罐帘门⋯ 采用滑槽式门边框 ， 并在 门 扇横杆的各杆端设置与门边框滑槽滑动配合的滑轮。 罐帘门关闭时 ， 用力将罐帘拉下 ， 并通过蜗卷弹簧储存 能量 ； 罐帘门打开时， 依靠蜗卷弹簧储存的能量 自动开 启。但是 由于罐帘门关闭时 ， 蜗卷弹簧储存有能量， 在 罐笼运行过程 中， 若挂钩 断裂 ， 容 易发生罐帘 f 1自动 开启 ； 2 无极绳罐笼 门_ 2 利用导向滑轮构建一无 极绳闭合运动环 ， 能够保证罐帘横杆两端沿上下方向 同步上下运行 ， 但是靠人工启闭罐帘 门， 机械化水平 低， 工人 的劳动强度大 ； 3 罐帘 自动启闭装置 通过罐笼 口一侧上 部的罐帘定滑轮组 ， 将牵引绳缠绕在滑车上， 通过带动 滑车往复运动来实现罐帘的打开与关闭 ； 4 电动罐帘门_ 4 利用 电动滚筒通过牵引钢 丝绳带动罐帘门横杆上升进行开门， 依靠罐帘的 自重 或人工将罐帘拉下进行关门 ， 电机采用蓄电池供电， 需 经常更换 。 上述的主要 目的都是提供一种实现罐笼安全打开 与关闭的装置。不足之处是 罐笼门都是简易的帘子 门， 档次低 ； 没有外动力驱动 ， 仅靠 自重落下。由于环 境因素 ， 开关 门滑块 工作阻力变化大 ， 帘子横杆易变 形 ， 靠 自重有时难以落下 ， 可靠性差。为了保障罐笼的 安全和舒适 ， 提高 自动化程度 ， 降低手动罐帘门工人的 劳动强度 ， 设计 了一种矿井提升 自动罐笼门。 收稿 日期 2 0 1 1 - 0 3 - 2 8 作者简介 叶圣伟 1 9 8 7 一 ， 男 ， 安徽阜阳人 ， 硕 士 ， 主要从事 机械 电子和液压技术方面的科研工作 。 8 6 液压与气动 2 0 1 1年第7期 2矿井提升 自动罐笼门的结构及原理 2 ． 1 自动罐 笼 门的结构 本装置总体方案是以 P L C为控制核心， 采用外动 力开关门机构， 运用无极绳闭合运动环传递牵引力 ， 能 够实现矿井提升过程中罐笼门的安全闭锁。罐笼门与 电梯门结构基本相同， 采用两侧分开的形式 ， 门采用 吊 挂式， 底部安装有承重 的滚轮组 ， 通过长、 短吊挂拉紧 装置固定在无极绳上 ， 开关门机构设置在罐笼的一侧， 动力来 自罐笼外部 。 由于钢丝绳伸长 ， 罐笼重量不同而引起的弹性伸 长量变化以及容器本身的振动等原 因， 罐笼上下定位 误差非常大 ； 同时提升钢丝绳运行一段时间后会伸长。 为了能够适应这种变化 ， 在井 口上下开关 门机构 中设 置有随动系统 ， 可 以适应 4 0 0 m m钢 丝绳伸长 变化。 矿井提 升 自动罐 笼 门 的结 构与 原理 如 图 1和 图 2 所示 。 1 、 5～8 、 1 1 ． 传感器2 ． 滑槽3 ． 无极绳4 ． 连接卡头 9 ． 摆动液压缸1 O ． 动力液压缸1 2 ． 滑块 图 2 自动罐笼门的外动力开关门机构 2 ． 2 自动罐笼 门的工作原理 外动力开关门机构初始状态为 动力液压缸在传 感器 6位置和摆 动液压缸 在传感 器 8位置 ， 如 图 2 所示 。 开门时， P L C控制系统发出动作信号， 控制动力液 压缸伸出， 检测到传感器 5的限位信号后 ， 动力液压缸 停止并闭锁 ； 然后摆动液压缸开始伸出， 检测到传感器 7的限位信号后 ， 摆动液压缸停止并闭锁 ； 此时连接卡 头与滑块相扣合 ， 动力液压缸继续伸出， 检测到传感器 1的限位信号后 ， 动力液压缸停止并闭锁 ， 开 门结束 ， 等待关 门。 关 门时 ， P L C控制系统发出动作信号 ， 控制动力液 压缸缩 回， 检测到传感器 1 1的限位信号后 ， 动力液压 缸停止并闭锁 ； 然后摆动液压缸开始缩 回， 检测到传感 器 8的限位信号后 ， 摆动液压缸停止并闭锁 ； 然后动力 液压缸继续缩回， 检测到传感器 6的限位信号后 ， 动力 液压缸停止并闭锁， 关门结束 ， 等待下一次开门。 关 门过程 中， 检测液压 系统 的压力 ， 若超过预设 值 ， 则判断罐笼门可能出现夹人 ， 系统发 出报警 ， 同时 动力液压缸伸出到传感器 1 位置 ， 并等待一段时间， 再 缩回完成关门。 当门已关闭／ 打开 ， 需要 中间打开／ 关闭时 ， 按手动 开j q ／ 关门按钮 ， 动 力液压缸和摆动液压缸会在 P L C 控制下顺序动作进行开门／ 关 门。 3 自动控制系统 本装置在工作时， 需要液压控制系统和 P L C控制 系统的帮助。 3 ． 1 液 压 系统 设计 由自动罐笼 门的外动力开关 门机构工作原理可 知， 本系统需要液压控制系统的帮助。采用两个双作 用液压缸 ， 在 P L C的控制下 ， 顺 序动作实现 开门／ 关 门。为了提高系统的效率和节省能源， 采用单叶片泵 供油 ， 利用蓄能器作为辅助能源。液压控制系统原理 图为图 3所示。 1 ． 液压泵2 ． 卸荷 阀3 ． 压力 继电器4 ． 蓄能器5 ． 截止阀 6 ． 压力表7 ． 电磁换向阀8 ． 液压锁9 ． 摆动液压缸 l O ． 动力液压缸l 1 ． 滤油器1 2 ． 电动机l 3 ． 放油阀 图 3 液压系统原 理 3 ． 2控制 系统硬 件设 计 西门子 s 7 - 2 0 0系列 P L C具有指令丰富、 功能强大 2 0 1 1年第 7期 液压与气动 8 7 和可靠性高 等特点。采用 S T E P ／ 一 Mi c r o ／ WI N 3 2编程 软件， 可实现各种工作场合的检测 、 显示及控制。其 中 C P U 2 2 6自带输人点数为 2 4点 ， 输 出为 1 6点 ； 可带 7 个扩展模块 ， 6个 高速计数器 和 2个 R S - 4 8 5通信 口。 具有 P P I 通信协议 、 MP I 通信协议和 自由口协议 的通 信能力。运行速度快 、功能强 ，适用于中小型控制系 统。根据控制系统 的要求 ， 系统需要 1 1个数字输入 量 ， 7个 数 字 输 出 量。故 本 系 统 采 用 西 门 子 S 7 2 0 0 C P U 2 2 6和通 信模 块 E M 2 7 7 ， 组 成 P R O F I B U S D P 网络。P L C的 I ／ O地址分配如表 1所列 。 表 1 P L C的 L ／ o 地址分配 序号 输入设 备 编程 地址 输 出设备 编程地址 1 开门信 号 1 0 ． 0 液压泵 电机 Q 0 ． 0 2 关 门信号 1 0 ． 1 正常工作指示灯 Q O ． 1 3 罐笼到位信号 l 0 ． 2 故障报警 Q O ． 2 4 安全门状态信号 1 0 ． 3 电磁铁 1 Y Q o ． 3 5 压力继电器信号 【 0 ． 4 电磁铁 2 Y Q o ． 4 6 传感器 1 信号 1 0 ． 5 电磁铁3 Y Q o ． 5 7 传感器 5信号 I O ． 6 电磁铁 4 Y Q o ． 6 8 传感器 6信号 I O ． 7 9 传感器 7信号 I 1 ． 0 l O 传感器 8信号 I 1 ． 1 l 1 传感器 1 1 信号 I 1 ． 2 本 系 统 中选 用 的 7 - 2 0 0 P L C可 以通 过 扩 展 E M 2 7 7模块与现有 的提升集成控制系统 组成 P R 0 F I B U S D P网络。E M 2 7 7通过 D P通信端 口连接到 P R O F I B U S D P网络 的一 个 主站 S 7 3 0 0 ／ 7 - 4 0 0上 ， 通过 I ／ O总线连接到 S 7 ． 2 0 0 C P U模块。E M 2 7 7模块 的 D P 从站端 口可以按 9 ． 6 k b i t ／ s一1 2 Mb i t ／ s的比特率运行。 作为从站 ， E M 2 7 7模块可以向主站发送数据和接受来 自主站的数据及 ／ ／ O配置 ， s 7 3 0 0 ／ 7 - 4 0 0可以通过其 读写 S 7 ． 2 0 0 C P U模块 中定义变量存储器中的数据块 ， 从而对该制系统的报警数据进行分析、 显示 、 打印等。 3 ． 3 控 制 系统软件 设计 罐笼开关门控制与安全门开关、 提升信号实行闭 锁控制 ， 在提升过程 中和安全 门未 打开时， 均不 能开 门。只有在罐笼到位后 ， 安全 门已打开且发 出开门信 号时 ， 外动力开门机构才能有效 。 通过对传感器信号和控制信号进行检测， 对系统 本身的故障进行判断 ， 从而实现罐笼 的 自动控制与安 全门的联动与闭锁。系统软件采用模块化设计 ， 开机 进行初始化设置 ， 然后进入监控状态 ， 控制系统工作流 程如图4所示。 初始化 ] f 动力液压缸』 f 停止并闭锁I f 摆臂液 压缸伸出f 一 ‘ 苊 广 夏 I 是 动 力 液 压 缸 伸 出 l 摆臂 液压缸 } l 停止并闭 锁 l ’ 衰面司 I继续伸出 l 动力液压缸缩回 a 开 门程序流程图 过 ／ ＼／ 1否 查／ 达传感 ＼ I 是 l 动力液压缸 I 停止并闭锁 摆臂液压缸缩回 j 是 蕊 [ 中 返 回 卜 一 l 丝 笪 H 堑 堕 I c 报警 中断程序流程 图 图 4 控 制系统 工作流程 4结语 矿井提升 自动罐笼门适合于矿井的单层或多层罐 笼提升系统 ， 能够在立井井 口及井下停车位置进行罐 笼门的 自动开启和关 闭， 并能实现罐笼提升过程 中的 罐笼门安全闭锁 ， 结构简单 、 运行灵活可靠 ， 自动化程 度高 ， 能够达到电梯的安全 、 美观和舒适 ， 具有广泛的 实用性 。 8 8 液压与 气动 2 0 1 1年第 7期 阀岛在钻机气控 系统 中的应用 徐申林 ， 赵海悦 ，王位伟 ， 赵金波 ， 吴利琼 ，张涛 ，崔建光 T h e a p p l i c a t i o n o f v a l v e t e r mi n a l f o r r i g p n e u ma t i c c o n t r o l s y s t e m XU S h e n． 1 i n 。 ，Z HAO Ha i 。 y u e ，WA NG W e i we i ，Z HAO J i n ． b o ， WU L i - q i o n g ，Z HAN G T a o ，CU I J i a n g u a n g 1 ． 中原石油勘探局井下特种作业处 ， 河南 濮阳4 5 7 0 0 1 ； 2 ． 中原总机石油设备有限公司， 河南 濮阳4 5 7 0 0 1 3 ． 石油大学 华东 ，山东 东营2 5 7 0 0 0 摘要 以中原总机石油设备有限公司生产的 z J 7 0 ／ 4 5 0 0 D B钻机为例 ， 介绍 阀岛的组成 以及在钻机 气 控 系统 中实现的多项功能 盘刹 紧急刹车、 气喇叭开关、 转盘惯性刹车、 自动送钻、 防碰释放等。阀岛在气控 系统中的应用提高了钻机的 自动化程度和工作效率。 关键 词 阀导 ； 气控 ； 应 用 中图分类号 T H 1 3 8 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 0 - 4 8 5 8 2 0 1 1 0 7 - 0 0 8 8 - 0 2 随着油 田勘探开发的逐步深人 ， 人们对钻机的 自 动化程度的要求越来越高。 目前 ， 国内先进的 7 0 0 0米 级深井钻机采用交流变频电机直接驱动单轴绞车 ， 配 备电机 自动送钻和转盘独驱 ， 运用 A C D C ． A C交 流变 频电传动全数字控制， 实现了智能化司钻控制 。与 钻机的数字化控制相适应 ， 其气控 系统采用 了电控气 的阀岛集成控制 ， 该控制不仅提高了钻机的 自动化程 度 ， 而且节省 了以往大量的气路控制软管的连接时间。 现以中原总机石油设备有限公司生产的 Z J 7 0 ／ 4 5 0 0 D B 钻机为例 ， 介绍阀岛的组成及在气控系统中的应用。 1 阀岛的组成 Z J 7 0 ／ 4 5 0 0 D B钻 机 采 用 F E S T O 生 产 的 型 号 为 l O P 一 1 8 - 6 A M P R ． V ． C H C H1 0阀岛 ， 阀岛安装在绞车底 座的阀岛控制箱内， 由4组功能阀片， 气路板、 多针插 头、 安装附件等组成。功能阀片的每一片代表 2个二 位三通 电控气阀 ， 该阀岛共有 8个二位三通 电控气阀。 功能图如图 1所示。顶盖上的多针插头采用 2 7芯 E X A 1 1 T 4 ， 其作用是将控制信号通过多芯电缆传输 到阀 岛 ， 控制阀岛完成各项设定的功能 。 L 二 十 二 _ {一一 } 一 二 十- 二 一 一 l 一 一} 一一 } J 转盘 自动 防 释放 备 换向阀口一转盘惯刹 自动送钻 备用 防碰释放备用 备用 图 1阀岛功能图 2阀岛的功能 该钻机气控系统的阀岛控制分为面板控制和触摸 屏控制 两种方法 ， 两种 控制功 能完全 相同。它们 和 P L C连接 ， 通过逻辑来控制阀岛和执行元件的气控阀， 完成液压盘刹紧急刹车、 气喇叭开关 、 转盘惯性刹车、 自动送钻、 防碰释放等功能 控制原理见图2 。 1 液压盘刹紧急刹车Z J 7 0 ／ 4 5 0 0 D B钻机配备 液压盘式刹车 ， 当系统处于正常工作状态 ， 即无信号输 入时， 阀 1 无电控制信号 ， 处于关闭状态 ，司钻通过操 收稿 日期 2 0 1 1 - 0 1 - 2 0 作者简介 徐申林 1 9 7 6 一 ， 男， 湖北荆 门人， 工程师， 学士， 主要从事石油设备管理工作。 参考文献 [ 1 ] 秦强， 唐大根， 郑德民， 等． 新型罐帘门[ P ] ． 中国专利 ZL 9 72 23 7 2 0． 8． 1 9 981 0～o 7． [ 2 ] 孟繁英． 元极绳罐笼门[ P ] ． 中国专利 Z H 1 2 2 1 5 8 1 ． 3 ． 2 0 o 2 0 13 O ． [ 3 ] 达善荣， 王燕桥． 罐帘 自动启闭装置[ P ] ． 中国专利 Z L 0 2 2 5 6 1 9 5 ． 1 ， 2 0 0 31 20 3． [ 4 ] 刘伟 ， 岳修科． 矿井乘人罐笼新型电动罐帘门[ J ] ． 煤矿 机械， 2 0 0 7 ， 2 8 2 1 1 91 2 0 ．