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1、新型节能猴车智能控制系统研究报告作品类别: 科技发明制作B类121第十三届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛参赛作品 目 录摘 要11.作品研制的背景、意义和基本思路21.1作品研制的背景及意义21.2作品研制的基本思路22.系统优势分析及创新点42.1创新点42.2 系统优势分析53.本系统的推广前景及市场分析54系统组成54.1PLC及模拟量模块64.2红外热释电传感器64.3红外计数传感器74.4控制继电器组74.5 电控系统75.设计方案及系统原理85.1.检测系统95.2电控系统105.21 系统软件设计125.3远程监控实现原理166 系统保护功能196.1 检修方式196.
2、2停止方式196.3急停、禁启196.4 故障复位196.5 强制解锁196.6 机头、机尾越位保护206.7 过速、欠速保护206.8 重锤下限位保护206.9上变坡点掉绳保护206.10 全程急停保护206.11 断绳保护21参考文献21摘 要矿井架空人车(又名猴车)是一种采用无极钢丝绳牵引的矿井辅助设施, 它具有结构简单、安全可靠等优点，是煤矿运送人员的运输设备。一般情况下架设长度在几百米至一千多米。由于井下生产的特殊性,三班倒职工乘车的时间不易掌握,并且有零散作业人员, 为了能使职工随时乘车,目前的井下架空人车大多处于一直运行状态，也就是架空人车在有人乘坐时运行，在无人乘坐时也处于空运
3、行状态。这样运行很不经济,既造成设备的磨损,又增加了电能的损耗。因此需要设计、研制一套智能化的装置，来减少斜巷架空人车的无效空运行，将具有重要的经济效益和社会效益。且在各个矿井具有广阔的应用前景.本作品新型节能猴车智能控制系统，由计算机控制界面、PLC、继电器组、红外热释电传感器、转速传感器(本安型)、温度变送器(本安型)、矿用隔爆型真空磁力起动器以及计数传感器等组成。井下猴车在计算机和PLC控制下工作，通过电气控制箱控制使猴车运行、停止及实现保护功能。本系统基于组态王及PLC软件开发，控制精确、界面友好、操作简单、方便、运行平稳；与以往的猴车相比节约了大量能源，同时操作人员可在井上办公室和通
4、过互联网随时查看和控制该机器，实现了无人值守和远程监控。 关键词：节能猴车 智能 PLC控制 远程监控1.作品研制的背景、意义和基本思路1.1作品研制的背景及意义猴车全称是地下矿用架空索道，是煤矿井下斜巷常用的运人装置。其主要机械构架为将钢丝绳安装在驱动轮、托绳轮、迂回轮上，钢丝绳经张紧装置张紧后，由驱动装置输出动力来带动钢丝绳运行。在钢丝绳上由抱索器按一定间距悬挂座椅便于人员乘坐。用地下矿用架空索道来输送矿工，其目的是缩短矿工上下班的时间，减少矿工上下班爬坡时的体能消耗。近几年，国民的节能意识越来越强，越来越多的人都开始关注能源危机现象。目前，猴车采用额定功率不间断运行方式工作，能耗较大。如
5、果能通过改进控制系统降低能耗将是一件非常有意义的工作。现有猴车的不足之处还体现在不能自动运行，如停车、开车，调整电机输出功率等，且没有远程监控功能，由于猴车的电气操作台放在井下特定硐室，操作台作者希望其具有无人值守和远程监控功能。我们致力于解决这方面的不足，设计了本作品。本系统实现节能的同时能在矿井下全自动运行，可以进行就地操作和远程监控。1.2作品研制的基本思路 如图1所示的猴车系统连接图可以看到，猴车机头及机尾的两端装有红外热释电传感器，如果红外热释电传感器感应到乘员存在，控制箱发出预警信号，开启电铃，发出开车预警；预警过后安全制动器松闸；安全制动器松闸之后，工作制动器松闸；然后主电机启动
6、，开车。机头和机尾两端装有红外计数感应器，每个乘员通过的时候计数器数值加1，计数器记录上行与下行人数，下行人数多于上行人数时，系统产生变频信号将主电机输出功率调小，这时系统利用下行人员的重力势能将上行人员运送上去。在以下信号出现的时候，系统自动停车：红外感应器六分钟内感应不到乘员的信号，沿线拉停车信号，重锤下限位尾轮小车限位信号，越位、吊绳信号，油泵温度检测超过波动值信号，油泵制动压力检测超过规定压力信号。井下架空乘人器节能运行系统所涉及的所有部件全部为本安或隔爆型，电气控制部分全部放在隔爆箱中，绝对安全可靠。 图1 猴车系统连接图控制原理如图2所示，PLC控制主磁力起动器的通断来停车、开车。
7、本系统有很多保护装置，在节能的基础上保证安全，比如：速度保护，猴车运动速度一般为0.81.2m/s，当速度超过这个范围时，系统停车；压力保护，当油泵的压力超过一定范围，系统停车等。操作台人机界面由触摸屏实现，同时系统还基于组态王开发了互联网远程监控功能（需要用户名和密码）。 图2 控制系统原理图2.系统优势分析及创新点2.1创新点：1）采用红外热释电传感器检测乘员，无人乘坐时自动停车；2) 采用红外计数传感器，统计当前上行和下行人数，当下行人数多于上行人数时，为充分利用下行人员的重力势能，系统自动减小电机输出功率，节约能源3）本系统设有各类安全保护措施，在节能的同时确保乘员安全。同时提高了矿井
8、下的抗电磁干扰措施。 4）系统实现了无人值守，但可通过现场操作台修改运行参数和控制设备运行，还能通过矿井网络进行远程监控。实现了矿山数字化。2.2 系统优势分析：目前使用的猴车智能化程度较低，24小时不停运转造成能源的大量浪费同时系统的机械磨损也比较严重，故障率较高；抗电磁干扰能力差；很多保护功能不到位；此外，系统不能自行调节电机的输出功率且没有无人值守及远程监控功能。本系统在这个基础上能够实现确保乘员安全、智能化水平高并且节约能源。首先节能猴车在矿井下能够全自动工作，可以进行就地操作和远程监控。其次本系统设有各类安全保护措施，比如掉绳、松绳、安全闸失效、乘员越位等保护和减速机油温油压超限保护
9、等，在节能的同时确保乘员安全。最后本系统采取的节能措施，主要体现在以下两个方面：（1）猴车机头和机尾两端都安装红外热释电感应器，检测到乘员则自动开车，未检测到乘员则自行停车，避免在无人乘坐时猴车长时间空运行，节约了能源；（2）该系统充分利用下行人员的重力势能，系统自动检测同时上行及下行的人数，当下行人数多于上行人数时自行减小电机的输出功率，节约了能源。3.本系统的推广前景及市场分析该作品是先进的智能控制技术与软件相结合的产物，严格按照煤矿安全规程设计，在确保安全的同时具有节能效果。可广泛应用于煤矿井下斜巷人员运输系统，其控制精确，操作简便，实现了无人值守、远程监控功能。本系统智能化程度高，节能
10、效果明显，同时能做到抗电磁干扰能力强，保护功能强等特点，将具有重要的经济效益和社会效益。同时可以应用到矿井及地面各种运人载物的设备当中，具有广阔的应用前景和市场。4系统组成 节能猴车智能控制系统由矿用本安型转速传感器、矿用本质安全型温度变送器、矿用本质安全型压力变送器、PLC及模拟量模块、RS485通讯器、隔爆电机、速度传感器、红外热释电传感器、红外计数传感器、温度传感器、继电器组、PLC模拟量模块、操作台控制界面及远程控制界面等组成。4.1PLC及模拟量模块图3 本安型PLC控制箱 图4 PLC模拟量模块三菱FX2N-80MR小型可编程控制器及FX2N-4AD模拟量模块，采集减速器油温、油压
11、及各类传感器的数据，控制主电机运行和制动闸及安全闸电机运行。4.2红外热释电传感器图5 红外热释电传感器红外热释电传感器，用来感应机头和机尾两端的上车乘员。4.3红外计数传感器 图6 红外计数传感器猴车运行时，记录上行与下行人数。4.4控制继电器组图7 控制继电器组 用来传递PLC的控制信号至磁力启动器或其他执行机构。4.5 电控系统图8 电控系统其中通过操作界面和远程控制界面可实现各项操作功能，如索道停止、开车预警、调试运行、速度选择、变频器故障复位等。5.设计方案及系统原理 传统猴车一天24小时不间断运行，能耗较大，如果能通过改进控制系统降低能耗将是一件非常有意义的工作。传统候车的不足之处
12、还体现在不能自动运行，如停车、开车，调整电机输出功率等，且没有远程监控系统由于猴车的电气操作台放在井下特定硐室，操作台作者希望其具有无人值守和远程监控功能致力于解决这方面的不足我们实际了本作品。下面我们着重介绍一下本系统的设计方案和工作原理。井下节能猴车智能运行系统是一种节能的运行方式, 将以程序内部设定的时间限时运行 ( 此时间根据装置运行一周的 50% 的时间设定 , 可将乘坐人员从机头送到机尾或从机尾送到机头 , 再延时5分钟后自动停机 )。人机界面显示 系统运行。当安装在机头的人体检测传感器检测到机头有人需下行或人员按下安装在机头的下行按钮，系统预警5s后制动电机自动启动,8s 后乘人
13、装置电机自动启动，启动后计时器开始计时， 其后当人体检测传感器检测到机头还有人需下行或人员再次按下下行按钮，计时器将清零，并重新开始计时。在系统运行时，每次都以最后检测或按下按钮的人员开始计时，当计到装置运行一周时间的一半再加上5（可根据需要自行设定）分钟，无人乘车时，系统将自动停机，同时人机界面显示“停止运行”。当安装在机尾的人体检测传感器检测到机尾有人需上行或人员按下安装在机尾的上行按钮，系统启动、运行和停止过程与上述相同。系统的工作示意图9所示。 图9：系统工作示意图 本系统包含三个主要的子系统。分别是：检测系统 电控系统 远程监测系统。 5.1.检测系统 图10：红外热释电传感器效果图
14、 图11：红外计数传感器效果图 检测系统里面主要列举了红外热释电传感器及红外计数传感器的效果图，如图10，图11所示。猴车机头及机尾的两端装有红外热释电传感器，当无人的时候无信号输入，系统停车。当红外热式电传感器感应到乘员存在系统发出开车预警，猴车运行。此外，机头和机尾还装有红外计数传感器每个成员通过的时候计数器数位加1，计数器记录上行与下行的人数。 5.2电控系统井下智能猴车的控制系统的控制部分采用可编程控制器作为控制核心，加上相应的传感器、接口电路、通讯装置和智能化软件设计来自动识别猴车是否有人乘坐，通过人机界面显示用中文并辅助声光方式显示架空人车的运行情况，最终实现猴车的智能运行。 为使系统安全可靠运行，我们选用了日本三菱公司的PLC FX21S30，（三菱PLC介绍），为直观显示运行信息，配有人机界面WEINVIEW （人机界面简介）。X0X1X2X3X4X5X6X7X10X11X12X13
