基于变频器的矿井提升机的设计.doc

1、摘 要矿井提升机常被人们称为矿山的咽喉，是矿山最重要的关键设备，是地下矿井与外界的唯一通道，肩负着运输矿石、物料、人员等的重要责任。对提升机来说，运行的安全性与可靠性是至关重要的。传统的矿井提升机控制系统主要采用继电器接触器进行控制，这类提升机通常在电动机转子回路中串接附加电阻进行启动和调速。这种控制系统存在可靠性差、操作复杂、故障率高、电能浪费大、效率低等缺点。因此对矿井提升机控制系统进行研究具有现实意义，也是国内外相关行业专家学者的一个研究课题。随着计算机和PLC技术的不断发展，采用先进的控制技术改造传统矿山行业的传统控制系统，从而使矿井提升机的控制性能得到极大的改善，其自动化水平、安全性

2、、可靠性都达到了新的高度，并采用现代化的管理和监视手段保障提升机的安全运行，保证矿井提升机可靠、准确地运行，实现矿井提升机的计算机控制。变频调速是近年来发展起来的一门新兴的自动控制技术，它利用改变被控对象的电源频率，成功实现了交流电动机大范围的无级平滑调速，在运行过程中能随时根据电动机的负载情况，使电机始终处于最佳运行状态，在整个调速范围内均有很高的效率，节能效果明显。采用变频器对异步电动机进行调速控制，由于使用方便、可靠性高并且经济效益显著，所以得到广泛应用。因此，应用变频器对矿井提升机的控制系统进行改造，将成为历史的必然趋势。关键词：矿井提升机，PLC，变频调速，控制系统 ABSTRACT

3、The mine elevator is entitled as the throat of mine, and it is the most vital equipment in mine. The mine elevator is the only channel to the underground mines, and it is shouldering the transportation of mineral, materials and people. The safety and security is the most vital to elevator. The tradi

4、tional shaft hoist control system is always controlled by the relaycontactor, and adopts the methods of connect series additional resistant in rotors winding loop to start and adjust speed. The system has many disadvantages such as bad reliability, complicated operation, high fault rate, large energ

5、ywasting and low efficiency. So, carrying on the research on the shaft hoist control system has realistic meanings, and it is a subject for research by relevant experts and scholars, both at home and abroad too.Along with the development and application of computer and programmable logical controlle

6、r, the controller of mine elevator come forth new visage, the level of automatization and safety and security arrived at the new altitude, and provided a new and modern manage and monitor means. Advanced industry control computer are used to monitor and manage the course of elevator 18.Frequency con

7、version is developed as a new automatic control technology in recent years, which is used to change the power frequency of the controlled objects, it successfully achieve the speed step less adjusting of the Ac motor in a large scope, and it can make the motor be always in the best state according t

8、o the load conditions at any time. It has very high efficiency and the energy-saving effect is obvious in the whole range of speed. Adopting inverter speed to control the asynchronous motors is widely used because of it is convenient, high reliability and the economic benefit is remarkable. Therefor

9、e, adopting inverter to reform the control system of shaft hoist will become the inevitable trend of history.KEY WORDS：shaft hoist, PLC, frequency conversion, control system33目 录第1章 绪 论11.1 国内外矿井提升机研究现状与发展趋势11.1.1 国外矿井提升机的现状11.1.2 国内提升机的现状与发展趋向21.2 本文研究意义及内容21.2.1 研究意义31.2.2 研究内容3第2章 系统工艺流程及控制要求42.1

10、 矿井提升机系统简介42.2 提升机电动机运行方式52.3 提升机的速度要求及受力情况52.3.1 提升机的速度要求52.3.2 提升机的受力情况62.4 矿井提升机的电气传动方案8第3章 系统控制方案设计113.1 控制单元基本原理113.2 控制系统总体设计123.3 可编程控制器（PLC）介绍143.3.1 PLC的基本特点143.3.2 PLC的基本结构153.3.3 PLC的工作原理153.3.4 可编程控制器的编程语言163.4 变频器介绍173.4.1 变频调速基本原理173.4.2 变频器按中间直流环节方式分类19第4章 控制系统硬件设计214.1 引言214.2 提升机电控系

11、统变频器选择224.3 变频控制部分设计214.3.1 变频调速主控系统设计214.3.2 变频器外部电路设计214.4 PLC控制部分设计214.4.1 基本控制功能214.4.2 位置检测电路214.5 硬件调速控制系统保护措施214.6 小结21 第5章 控制系统软件设计285.1 控制程序流程图285.2 系统控制程序梯形图29第6章 人机交互界面316.1 触摸屏概述316.2 触摸屏在工业控制中的应用316.3 PWS3261触屏简介326.4 触摸屏在矿井提升机控制系统中的应用32第7章 结 论34参考文献35致 谢37第1章 绪 论1.1 国内外矿井提升机研究现状与发展趋势矿井

12、提升装置是采矿业的重要设备，随着科学技术的进步和矿井生产现代化要求的不断提高，人们对提升机工作特性的认识进一步深化，提升设备及拖动控制系统也逐步趋于完善，各种新技术、新工艺逐步应用于矿井提升设备中。特别是模拟技术、微电子技术、微电脑技术在提升机控制中的应用已成为必然的发展。1.1.1 国外矿井提升机的现状近三十年来，国外提升机机械部分和电气部分都得到了飞速的发展，而且两者相互促进，相互提高。起初的提升机是电动机通过减速器传动卷筒的系统，后来出现了直流慢速电动机和直流电动机悬臂安装直接传动的提升机。上世纪七十年代西门子发明矢量控制的交一直一交变频原理后，标志着用同步电动机来代替直流电机实现调速的

13、技术时代已经到来。1981年第一台用同步机悬臂传动的提升机在德国Monopol矿问世，1988年由MAVGHH和西门子合作制造的机电一体的提升机(习惯称为内装电机式)在德国Romberg矿诞生了，这是世界上第一台机械和电气融合成一体的同步电机传动提升机。在提升机机械和电气传动技术飞速发展的同时，电子技术和计算机技术的发展，使提升机的电气控制系统更是日新月异。早在上世纪七十年代，国外就将可编程控制器(PLC)应用于提升机控制。上世纪八十年代初，计算机又被用于提升机的监视和管理。计算机和PLC的应用，使提升机自动化水平、安全、可靠性都达到了一个新的高度，并提供了新的、现代化的管理、监视手段。特别要

14、强调的是，此时期在国外一著名的提升机制造公司，如西门子、ABB、ALSTHOM都利用新的技术和装备，开发或完善了提升机的安全保护和监控装置，使安全保护性能又有了新的提高。矿井提升机对安全性、可靠性和调速性能的特殊要求，使得提升机电控系统的技术水平在一定程度上代表一个厂或国家的传动控制技术水平17。比较国内外矿用提升机系统，具体来说国外矿井提升机在电控方面的应用特点有以下几个方面：(1)提升工艺过程微机控制提升工艺过程大都采用微机控制，由于微机功能强，使用灵活，运算速度快，监视显示易于实现，并具有诊断功能，这是采用模拟控制无法实现的。(2)提升行程控制提升机的控制从本质上说是一个位置控制，要保证

15、提升容器在预定地点准确停车，要求准确度高，目前可达到2cm。采用微机控制，可通过采集各种传感信号，如转角脉冲变换、钢丝绳打滑、井筒、滚筒及钢丝绳磨损等信号进行处理，计算出容器准确的位置而施以控制和保护。一般过程控制用微机作监视，行程控制也采用单独下位机完成。(3)提升过程监视提升过程监视与安全回路一样，是现代提升机控制的重要环节。提升过程采用微机主要完成如下参数的监视：提升过程中各工况参数(如速度、电流)监视；各主要设备运行状态监视；各传感器(如位置开关、停车开关)信号的监视。使各种故障在出现之前就得以处理，防止事故的发生，并对各被监视参数进行存储、保留或打印输出，甚至与上位机联网，合并于矿井

16、监测系统中。(4)安全回路安全回路是指提升机在出现机械、电气故障时控制提升机进入安全保护状态的极为重要的环节。为确保人员和设备的安全，对不同故障一般采用不同的处理方法12。安全回路极为重要，它是保护的最后环节之一。1.1.2 国内提升机的现状与发展趋向目前国内的矿井提升机大多采用以下两种拖动方式：(1)交流拖动方式目前我国提升机约70%采用串电阻调速的交流拖动方式。有单绳和多绳两种系列，大都采用改变转差率S的调速方法，在调速中产生大量的转差功率，使大量电能消耗在转子附加电阻上，导致调速的经济性变差19。极少数提升机采用串级调速方法，其调速范围窄，且投资大。(2)直流拖动方式我国提升机采用直流拖

17、动有两种系统：直流发电机直流电动机机组（FD)和晶闸管直流电动机(SCRD)系统。国内矿井提升机的发展趋势如下。国产大型直流提升机及电控系统正在逐步完善和推广使用。大功率变频调速电控提升机其效率可达98%，国内正在组织研究这种系统，不少院校和研究单位都在着手研制。如天津电气传动研究所已研制了一台300kw的变频调速装置。可编程序控制器在提升机电控系统的应用。可编程序控制器具有可靠性高、抗干扰能力强、实现继电逻辑容易，基本免于维护等独特优点，特别适用于对我国占大部分的交流提升机继电接触器电控系统进行技术改造。因此有不少单位都在着手研制，如焦作矿务局，韩城矿务局均用可编程序控制器对TKD电控系统进

18、行改造，已投入正常运行和使用，已经显示出了很强的生命力20。这是今后一段时期乃至几十年对我国占绝大多数采用继电控制的交流提升系统进行技术改造的必由之路。1.2 本文研究意义及内容采用新技术、新设备、新工艺来装备煤炭生产的各个环节，以达到减人提效、确保安全生产的目的，是科技兴煤的必由之路。矿井提升设备，其中主要是提升机及其控制和安全设备，也同样要面临着这一必经之路11。多年来，矿井提升机及其拖运、安全保护系统等设备的技术水平和安全水平一直是困扰煤炭安全生产和效益提高的重要因素。为改变这一状况，煤炭行业的科研、高校、生产企业和待业主管部门以及行业的科研和生产企业的工程技术人员做了大量的工作，已开发

19、了众多适用的产品和技术，积累了丰富的经验，取得了长足的进步。大家可以看到，目前我国已经可提供多种技术先进、性能可靠、安全性高的矿井提升设备，大多数已在煤矿基建、生产和技术改造等方面获得了成功的应用。1.2.1 研究意义在调研中发现，目前国内各大煤矿的矿井提升机系统的调速方案大多采用继电器接触器控制的转子串电阻调速。该方案耗能大，占地面积大，已不能适应现代矿业发展的需要。因此有必要对其调速方案进行改造。在广泛考察现行的变频调速方案后，本文提升机系统控制单元采用目前工控适用的可编程控制器来控制，具有编程简单和控制可靠性高的优点，电力拖动系统中，选用先进的变频传动装置，运用先进的矢量控制技术，优化了

20、调速系统的性能，这一控制方法目前仍为现代交流调速的重要研究方向之一16。采用先进的工业计算机、现场总线和工业自动化技术，按照结构标准化、产品系列化、性能现代化、体积小型化的原则，研制生产适合矿井提升机电控设备是进行技术改造和新建矿井设备选型的理想选择。为保证提升设备无事故，在提升设备有可能出现故障的各个重要环节上，设有各种检测、控制、自诊断以及记录和保护装置(如超载、速度、加减速等记录)1。1.2.2 研究内容在煤矿生产中，矿井提升机起着非常重要的作用。矿井提升机是矿井生产过程中的一个重要环节，它的任务是提升有用矿物和矿石、升降人员和设备、下放材料等。提升机电控装置的技术性能，既直接影响矿山生

21、产的效率及安全，又代表着矿井提升机发展的整体水平，是矿井安全生产中重中之重的一大环节。当前国内提升机电控绝大多数还是转子回路串电阻分段控制的交流绕线式电机继电器接触器系统，设备陈旧、技术落后。而且这种控制方式存在着很多的问题：转子回路串接电阻，消耗电能，造成能源浪费；电阻分级切换，为有级调速，设备运行不平稳，容易引起电气及机械冲击；继电器、接触器频繁动作，电弧烧蚀触点，影响接触器使用寿命，维修成本较高；交流绕线异步电动机的滑环存在接触不良问题，容易引起设备事故；电动机依靠转子电阻获得的低速，其运行特性较软；提升容器通过给定的减速点时，由于负载的不同，而将得到不同的减速度，不能达到稳定的低速爬行

22、，最后导致停车位置不准，不能正常装卸载。上述问题使提升机运行的可靠性和安全性不能得到有效的保障。因此，需要研制更加安全可靠的控制系统，使提升机运行的可靠性和安全性得到提高。在提升机控制系统中应用计算机控制技术和变频调速技术，对原有提升机控制系统进行升级换代。就计算机技术在工业现场应用情况而言，可编程控制器(PLC)是目前作为工业控制最理想的机型，它是采用计算机技术、按照事先编好并储存在计算机内部一段程序来完成设备的操作控制。采用PLC控制，硬件简洁、软件灵活性强、调试方便、维护量小，PLC技术己经广泛应用于各种提升机控制。第2章 系统工艺流程及控制要求2.1 矿井提升机系统简介矿井提升机是一种

23、大型绞车。用钢丝绳带动容器（罐笼或箕斗）在井筒中升降，完成输送物料和人员的任务。矿井提升机是由原始的提水工具逐步发展演变而来。现代的矿井提升机提升量大，速度高，已发展成为电子计算机控制的全自动重型矿山机械。矿井提升机可分为竖井提升机和斜井提升机两种。矿井提升机主要由电动机、减速器、卷筒（或摩擦轮）、制动系统、深度指示系统、测速限速系统和操纵系统等组成，采用交流或直流电机驱动。提升钢丝绳的工作原理分缠绕式矿井提升机和摩擦式矿井提升机。缠绕式矿井提升机有单卷筒和双卷筒两种，钢丝绳在卷筒上的缠绕方式与一般绞车类似。单筒大多只有一根钢丝绳，连接一个容器。双筒的每个卷筒各配一根钢丝绳，连接两个容器，运转

24、时一个容器上升，另一个容器下降。缠绕式矿井提升机大多用于年产量在120万吨以下、井深小于400米的矿井中。摩擦式矿井提升机的提升绳搭挂在摩擦轮上，利用与摩擦轮衬垫的摩擦力使容器上升。提升绳的两端各连接一个容器，或一端连接容器，另一端连接平衡重。摩擦式矿井提升机根据布置方式分为塔式摩擦式矿井提升机（机房设在井筒顶部塔架上）和落地摩擦式矿井提升机（机房直接设在地面上）两种。按提升绳的数量又分为单绳摩擦式矿井提升机和多绳摩擦式矿井提升机。后者的优点是：可采用较细的钢丝绳和直径较小的摩擦轮，从而机组尺寸小，便于制造；速度高、提升能力大、安全性好。年产120万吨以上、井深小于2100米的竖井大多采用这种

25、提升机。目前，我国单绳缠绕式提升机，广泛采用交流绕线式电动机拖动，提升过程一般包括：起动加速、匀速、减速、爬行和停车几个主要环节。矿井提升机是矿山运输系统中的主要设备之一，主要用于矿井提升矿石或人员、材料，因此在矿井提升系统中，需遵循着“安全、可靠、经济运行”的原则进行设计，“可靠性”包含两个含义，一是“安全可靠性”，二是“工作可靠性”。二者密不可分，又各有侧重、相互区别4。“安全可靠性”是指当出现故障时，要确保把系统引入安全状态，一般是指安全制动，也就是我们通常所说的“故障安全型”。而“工作可靠性”则要求在一定的时间内，系统尽可能长地保持正常工作状态，这时就要研究如何把系统故障率降到最低。在

26、矿山设备中，如主要通风机、主排水泵等当属此类。对提升系统而言，当然也需要较高的工作可靠性，就是要使提升容器按要求快速、准确地送到规定位置，保证高效长期运行。在确保提升安全、可靠运行的前提下，提高系统运行质量，减少操作难度和维修保养时间，延长系统的有效服务年限，则应是实现系统经济运行的研究课题。在此需着重指出，坚持“安全、可靠、经济运行”的原则不仅仅是设计者的指导思想，也应是用户选型时应坚持的最重要的原则。为了真正实现“安全、可靠、经济运行”的原则，在利用众多新技术、新产品来实现提升系统现代化改造时，必须以“可靠性系统工程”理论为指导10。 2.2 提升机电动机运行方式提升机电动机的运行方式 ,

27、主要根据系统的力图来确定：加速阶段：提升时为正力，采用电动加速。下放时为负力，若负力值较小，可考虑自由加速，并配合使用盘式制动器，若负力值较大，则采用动力制动加速。匀速阶段：提升时为正力，采用电动拖动。下放时为负力，采用能耗制动、闭环控制，单闭环速度控制系统由与距离有关的理想速度给定电路、速度负反馈电路、PID调节器、移相触发电路及双向可控硅能耗制动电路组成，下放速度由PID调节。主减速阶段：提升时为正力，采取逐级接入转子附加电阻和机械制动的方式。下放时为负力，一方面接入转子附加电阻，另一方面增大制动电流并辅以机械制动方式减速。爬行阶段：当为正力时，转子接入几段附加电阻，由 PLC控制运行；当

28、为负力时，在能耗制动方式下接入转子附加电阻。2.3 提升机的速度要求及受力情况合理地确定提升机的力图和速度图，可以提高其运行的安全可靠性，以及减小电动机的功耗。2.3.1 提升机的速度要求(1)主加速阶段如图21所示，正常提升时，电动机产生的力矩比阻力矩大3%5%，产生比较低的加速度a 0.3m/s2。当V0上升到Vm时，电动机运行在自然特性曲线上。下放时，由于负力较大，需要制动力来维持稳定的下放速度和规定的减速度。(2)匀速阶段t2上升时，根据负载状况使电动机保持电动状态，且速度Vm=1.12ms。下放时，由测速发电机反映转子下放速度 ，当速度高于Vm时，增大励磁电流If，提高制动力矩，使观

29、览车在斜坡上匀速运行。(3)主减速阶段t3为使提升机准确停车，在停车前应进行减速。减速按照速度图要求进行，由装在斜坡上的位置开关动作发出信号，PLC 再根据与电动机同轴运行的旋转编码器发出的脉冲数进行比较发出指令，增大励磁电流If，使下放速度在规定的时间内降低。(4)爬行阶段t4V4在 0.3 m/ s左右，此数值实际上是一个平均值，因为提升机由较高的Vm不可能很准确的变为速度V4。(5)停车阶段t5将盘式制动器的KT线圈断电，抱闸迅速抱住卷筒，提升机停转。图21 提升机速度图2.3.2 提升机的受力情况由直线运动的运动方程可得： F = + ma 式（21）式中：F提升机在某运动阶段的力，N

30、；提升机的静阻力（包括车重、提升机重量和绳重），N；m把旋转运动的部件折算到直线运动的变位质量，kg；a各阶段的加速度、减速度值，m/。当 a =0时，F = ，匀速运行；a0时，F，加速运行；a0时，F，减速运行。根据以上分析，F = f（t）的力图见图22：图22 提升机力图综合以上提升机的运行特点以及矿山生产固有的特点，提升机工艺对提升机电控系统的要求如下9：(1)加(减)速度符合国家有关安全生产规程的规定提升人员时，加速度，升降物料时，加速度。另外不得超过提升机的减速器所允许的动力矩。(2)具有良好的调速性能要求速度平稳，调速方便，调速范围大，能满足各种运行方式及提升阶段(如加速、减速

31、、等速、爬行等)稳定运行的要求。(3)有较好的起动性能提升机不同于其他机械，不可能待系统运转后再装加物料，因此，必须能重载启动，有较高的过载能力。(4)特性曲线要硬要保证负载变化时，提升速度基本上不受影响，防止负载不同时速降过大，影响系统正常工作(当然，当负载超过一定的限度时，还要求系统能有效的自我保护。迅速安全制动停车，即所谓要具备挖土机机械特性)。(5)工作方式转换容易要能够方便的进行自动、半自动、手动、验绳、调绳等工作方式的转换，操作方便，控制灵活，不至于因工作方式的转换影响正常生产。(6)采用新技术和节能设备易于实现自动化控制和提高整个系统的工作效率。具备必要的连锁和安全保护环节，确保

32、系统安全运行。尽量节约能源和降低运转费用。2.4 矿井提升机的电气传动方案根据提升机对电控系统的要求，提升机的电气传动方案一般有以下几种，现将几种传动方案进行比较。绕线转子异步电动机转子回路串电阻调速系统：这种方案的电动机转速调节是通过改变转子回路串联的附加电阻来实现的。显然这是有级调速，并且调速时能耗很大，属转子功率消耗型调速方案。在加速阶段和低速运行时，大部分能量(转差能量)以热能的形式消耗掉了，因此电控系统的运行效率较低。这种调速方案是在低同步状态下产生制动转矩，需采用直流能耗制动方案(即动力制动)，或采用低频制动。但无论采用何种方式，总需要设置辅助电源和绕组的二次切换操作。综上所述，这

33、种调速方案存在着调速性能差，运行效率低、运行状态的切换死区大及调速不平滑等缺点。但目前在我国的各种矿山中，这种方案使用得相当普遍，以后将面临着技术改造的问题。GM直流可逆调速系统：GM(原称FD)直流可逆调速系统如图23所示。直流电动机的励磁电流是恒定的，改变直流发电机的输出电压来改变直流电动机的转速。直流发电机一般由同步电动机带动的，其输出电压是靠改变直流发电机的励磁电流的大小来实现的。直流发电机的励磁电流是通过电机扩大机GA的励磁实现控制和调节的。本方案的特点是可实现无级调速，电动状态与制动状态的切换是快速平的，即能满足四象限平滑调速的要求，由于采用了速度闭环控制，因此调速精度也比较高。系

34、统在起动时的无功冲击小，且功率因数较高，而且还可向电网提供超前无功功率，以改善电网的功率因数。但本方案有一系列缺点：运行效率低，因为功率变换的效率是同步电动机和直流发电机两台电机效率的乘积，通常变流组的效率只有0.8左右(考虑直流发电机组平时不停机)，占地面积大，噪声大，维护工作量大，耗费金属量大等。图23 GM直流可逆调速系统VM直流可逆调速系统：由晶闸管变流器代替旋转变流器，可以提高功率变换的运行效率。晶闸管变流器的运行效率可达0.95左右。VM直流可逆调速系统可分为电枢换向的可逆调速系统(见图24a)和磁场换向的可逆调速系统(见图24b)。 （a） （b）图24 V-M直流可逆调速系统在

35、电枢换向的可逆调速系统中，励磁电流的大小和方向是恒定不变的，电动机转矩的大小和方向是改变电枢变流器输出电流的大小和方向实现的。其特点是转矩的反向快(由于电枢电流的反向快)，需设置正反向两组电枢整流器，故造价较高。在磁场换向的可逆调速系统中，电枢电流的方向是不变的。转矩极性的改变是通过改变励磁电流的方向实现的。这种方案的特点是转矩的反向过程即励磁电流的反向过程较长，为了缩短反向时间需采取强励磁措施。另一个特点是电枢变流器只需设置一组，故装置的总体造价低。由于矿井提升机对转矩转变的快速性要求不算太高，所以在大容量的情况下，为了减少投资，往往采用磁场换向的可逆调速方案。不过在现在的制造技术进步的条件

36、下，两种方案总造价的差别己不很显著。交流电动机交交变频调速系统：交流电动机交交变频调速系统在70年代奠定了理论基础，80年代开始在矿井提升机上应用，首先是交交变频器同步电动机系统投入运行，然后是日本的交交变频器笼型异步电动机系统投入运行，而且实现了多微机全数字控制。这些系统都具有优良的控制性能、运行效率高、传动系统的飞轮力距小和维护工作量少等优点，特别适用于大容量、低转速的矿井提升机上。目前传动功率己经能达到50008000kw。将同步电动机转子外装的摩擦式提升机的滚筒合为一体的机电一体化方案具有体积更小、重量更轻的优点，可以明显地降低投资费用，成为低速大容量矿井提升机传动的发展方向。由于矿井

37、提升机要求四象限运行，并且负载变化较大，故比较适合采用电源自然换相的交交直接变频调速系统，其主要电路原理图如图25所示。图25 交交变频调速系统交交变频器由三组可逆整流器组成，其三相移相信号为一组频率与幅值可调的三相正弦信号，则变频器输出相应的频率、幅值可变的三相交流电压，给三相同步电动机或异步电动机供电，实现变频调速。调速的本质是根据负载转矩的变化控制驱动电动机的转矩，而交流电动机的转矩决定了定、转子磁通势矢量的大小与相对位置。一般可采用控制交流电动机定子电压幅值与频率(电压控制型)或定子电流幅值与频率(电流控制型)的标量控制系统但其动态控制性能较差为改善转矩控制的动态性能可采用对交流电动机

38、的定子电压与电流实行磁通方向的矢量变换控制13。采用PLC与变频器相结合的控制方案对传统电控系统进行改造，变频调速是通过改变定子供电频率，成功实现了提升电动机大范围的无级平滑调速，在运行过程中能随时根据电动机的负载情况，使电机始终处于最佳运行状态，能够满足提升机特殊工作环境的要求且有着明显的节电效果。采用PLC对提升系统进行保护和监控，使系统更加安全可靠3。因此本次设计选用交流电动机交交变频调速系统。第3章 系统控制方案设计3.1 控制单元基本原理在我国传统的提升机设备中，普遍使用TKD系统，这种控制系统是采用继电器有触点的逻辑控制，以磁放大器为核心组成模拟量闭环调节。在继电器控制系统中，要完

39、成一个控制任务，支配控制系统工作的“程序”是由各分立元件(继电器、接触器、电子元件等)用导线连接起来加以实现的，这样的控制系统称为接线程序控制系统14。在接线程序控制系统中，控制程序的修改必须通过改变接线来实现。如图31所示是一个继电器控制系统。它是由继电器、接触器用导线连接起来以实现控制程序的，其输入对输出的控制通过接线程序来实现，输入设备(按钮、行程开关、限位开关、传感器等)用以向系统送入控制信号。输出设备(接触器、电磁阀等执行元件)用以控制生产机械和生产过程中的各种被控对象(电动机、电炉、电磁阀门等)。图31 继电器控制系统框图几十年来，这种控制系统由于受元件水平的限制而存在着缺陷，突出

40、表现在：使用大量继电器、接触器及其它分立电子元件，系统体积大，运行噪声大，功耗高，接线复杂，故障率高，工作稳定性和可靠性差，控制速度慢，控制精度差，功能改变难度大，使用寿命短；在启动过程中，由于罐笼的实际载重量不同，实际的加速过程并非按照预定的设计参数运行，常常出现停车不准确甚至提前停车现象；采用磁放大器做调节控制，稳定性差，线性度差，调速精度很难保证；系统安全保护环节不全面，工作不可靠，故障显示不直观，分析查找故障难度大，缺乏运行参数显示功能；调速性能差，机械冲击大，人员乘车舒适性差。这些不足主要是因为采用继电器控制方式造成的，在这种控制方式下继续改善的余地不大。如果对该竖井提升机电控系统进

41、行技术改造，那么需要改变控制策略，采用当代高新实用技术来控制，使之成为安全、可靠、高效率、自动化程度高的电控系统。可编程序逻辑控制器(Programmable logic controller)，简称PLC，PLC技术是现代工业自动化的重要手段，由它构成的控制系统逻辑控制由PLC通过软件编程实现，柔性强，控制功能多，控制线路大大简化；PLC的输入/输出回路均带有光电隔离等抗干扰和过载保护措施，程序运行为循环扫描工作方式，且有故障检测及诊断程序，可靠性极高。PLC控制系统结构为模块化结构，维护更换方便，并可显示故障类型。图32为可编程控制器控制系统。其输入设备和输出设备与继电器控制系统相同，但它

42、们是直接接到可编程序控制器的输入端和输出端的。控制程序是通过一个编程器写到可编程控制器的程序存储器中。每个程序语句确定了一个顺序，运行时依次读取存储器中的程序语句，对它们的内容进行解释并加以执行，执行结果用以接通输出设备，控制被控对象工作。在存储程序控制系统中，控制程序的修改不需要通过改变控制器内部的接线(即硬件)，而只需通过编程器改变程序存储器中某些语句的内容。图32 可编程控制器控制过程系统框图可编程逻辑控制器因为其具有高可靠性以及软件可编程的优点，在现代控制中越来越广泛的应用。对于一般提升机电控系统来说，采用一套中小容量的PLC即可满足要求，其价格也不高。如图32所示，如果采用PLC技术

43、对TKD电控系统进行改造，把原来由各种电器通过连线而实现的逻辑控制改由PLC通过软件编程实现，则控制线路将大大简化，设备体积、设备维修量将大大减小，抗干扰能力将大大增强，工作可靠性将大大提高，工艺改变时只需要改变控制程序即可。改造时保持原有的操作方式、按钮、开关、主令控制器作用不变，则用户使用起来将非常方便，不需要适应期。同时可以利用PLC的高速计数功能、网络通信功能、故障检测及诊断功能、信号显示功能等来增加一些新的控制功能，安全性将大大提高，运行将更加平稳、准确，完全能够满足矿山生产的苛刻要求，而且投资相对较少，性价比较高，具有很强的实用价值15。3.2 控制系统总体设计基于PLC的矿井提升

44、机变频调速控制系统由动力装置、液压站、变频器、操作台和控制监视系统组成，其系统框图如图33所示：图33 控制系统框图系统框图中各部分功能如下：动力装置：包括主电机、减速器、卷筒、制动器和底座，完成人、物料的运输任务。主电机通过减速器向卷筒提供牵引所需的动力。对于矿井提升机这样的 大型机械来说，在电机脱离电源后，由于运行惯性较大，往往要经过一段时间才能停止转动，这将影响生产效率，甚至威胁到生产人员的生命安全和物料的运输。因此必须在系统里加入制动器，避免产生“蠕动”现象，从而保证运输的人和物料的安全。液压站：为提升机提供制动力，停车时先通过液压站给卷筒施加机械制动力，再取消直流制动力；提升机起动时

45、，先对电机施加直流制动，再松开机械抱闸，防止溜车，以保证系统安全可靠地工作。变频器：是动力站的能量供给单元，通过它可将输入工频电能转换成频率可调的电能提供给交流电动机，以达到控制交流电动机转速的目的。操作台：操作台设置两个手柄，分别用于速度辅助给定及制动力给定。它是整个矿井提升机运输系统的控制核心，通过它可以设定系统的工作方式和控制方式，可以发布系统的各种控制命令，以实现对提升机启动、加速、平稳运行、减速、停车以及紧急制动等各种控制功能。控制监视系统：是操作人员和控制系统及运输系统之间的桥梁，它可以在线监测提升机运输系统的各种工作参数、工作状态、故障参数和故障状态。提升过程监视与安全回路一样，

46、是现代提升机控制的重要环节。提升过程采用微机主要完成如下参数的监视：提升过程中各工况参数(如速度、电流)监视；各主要设备运行状态监视；各传感器(如位置开关、停车开关)信号的监视。使各种故障在出现之前就得以处理，防止事故的发生，并对各被监视参数进行存储、保留或打印输出。甚至与上位机联网，合并于矿井监测系统中2。系统框图中用旋转编码器来测试电机的转速。变频调速控制系统工作原理：如图33，系统内部采用矢量控制思想，AC380V三相动力电源由隔爆接线腔R,S,T 3个接线柱接入隔爆主腔内，大功率变频（SB61G110KW）可以将工频三相交流电经过交直变换之后经过逆变器，利用设定的参数进行逆变，使得输出

47、为某一相应设定频率的交流电，经变频后输出U,V,W来驱动电机的运行。变频器输出频率的变化，将导致电动机的输出转速变化，二者之间的关系近似线性。这样，就起到了调速的作用。控制系统工作原理：当司机听到开车信号时，按下启动按钮，PLC控制将380V动力电源接入变频器。再松开液压制动闸并将主令控制器推到正向（或反向），提升机开始运行。在提升过程中，控制提升机运行的主速度给定S形速度曲线由PLC编程产生，经过A/D转换，由模拟量输出口输出，以驱动变频器工作；对变频器输出频率的调整控制，也可根据现场的工况需要，由操作台速度控制手柄以辅助给定的方式进行控制。旋转编码器可以检测主电动机的转速，并将此信号传送给可编程控制器，PLC通过该信号可以累计计算提升机的速度及行走距离，监视器可以时时显示提升机速度和位置。操作人员通过操作台向PLC发送控制提升机运行的控制命令。控制监视系统通过与PLC的通信，将电动机的所有运行参数和故障参数都显示出来，并对矿车的位置及速度进行时时监控。为操作人员分析故障、判断故障和处理提供依据