机械毕业设计（论文）-煤矿井下升降机安全控制系统的设计

编编 号号 无锡太湖学院 毕毕业业设设计计（论论文文） 题目：题目： 煤矿井下升降机安全煤矿井下升降机安全 控制系统的设计控制系统的设计 信机 系系 机械工程及自动化 专专 业业 学 号： 学生姓名： 指导教师： （职称：副教授 ） （职称： ） 2013 年 5 月 25 日 无锡太湖学院本科毕业设计（论文）无锡太湖学院本科毕业设计（论文） 诚诚 信信 承承 诺诺 书书 本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） 煤矿井下升 降机安全控制系统的设计 是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以 标注引用，表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任 何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。 班 级： 机械 94 学 号： 0923170 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 I 无无锡锡太太湖湖学学院院 信信 机机 系系 机机械械工工程程及及自自动动化化 专专业业 毕毕 业业 设设 计计论论 文文 任任 务务 书书 一、题目及专题：一、题目及专题： 1、题目 煤矿井下升降安全控制系统的设计 2、专题 二、课题来源及选题依据二、课题来源及选题依据 在煤矿生产中，煤矿升降机起着非常重要的作用，不仅肩负着运输货物 的重任，还关系到作业员生命的安危。目前，我国煤矿井下升降机大多数调速 水平低下，反应滞后，调速方式落后，生产效率较低，安全性不高。 因此熟悉矿井升降机的性能、结构及动作原理，合理使用设备，对确保升 降机工作效率、提高安全可靠性、防止和杜绝事故的发生具有重大意义。 三、本设计（论文或其他）应达到的要求：三、本设计（论文或其他）应达到的要求： 完成升降机的变频调速系统的改造，并利用矢量控制完成调速系统设计； 基于 PLC 控制系统的设计； 设计升降机安全控制的主要环节包括过载、松绳、过卷等保护措施，使升降 机安全状况有所改善; 利用 MATLAB 进行仿真, 对设计的系统进行验证。 四、接受任务学生：四、接受任务学生： II 机械 94 班班 姓名姓名 姚 云 五、开始及完成日期：五、开始及完成日期： 自自 2012 年年 11 月月 12 日日 至至 2013 年年 5 月月 25 日日 六、设计（论文）指导（或顾问）：六、设计（论文）指导（或顾问）： 指导教师指导教师 签名签名 签名签名 签名签名 教教研研室室主主任任 学科组组长研究所所长学科组组长研究所所长 签名签名 系主任系主任 签名签名 2012 年年 11 月月 12 日日 摘摘 要要 煤矿井下升降机作为最重要的矿井运输设备，它不仅作为载体来运输煤矿，而且还 肩负着运输人员的重任。矿井升降机运行时的状况直接决定了煤矿工人的生命安全。而 我国当前的提升调速水平，大多数还停留在上世纪七十年代的继电器控制的基础上。尽 III 管，这些年有了不少的提高，但从根本上来说仍是由接触器继电器等组成的控制系统， 其硬件的连接繁琐，事故的发生较为频繁。在本次课题的设计中，利用 PLC 来控制煤矿 升降机的运行，接触器和继电器将被 PLC 中大量的元件所代替，从而完成了利用 PLC 对原有系统的改造；同时将 PLC 和变频器结合起来，运用到煤矿井下升降机的控制系统 中，改善现有的升降系统，提高精度，使得升降机运行更加的平稳和安全。针对升降机 的主要环节设置过载、松绳、过卷等安全保护措施，使升降机的安全状况有所改善。此 外，本文还利用简化的数学模型建立了矢量控制仿真系统，对变频调速系统进行仿真， 从而来验证设计的调速系统。 关键词：关键词：矿井升降机; PLC; 电控系统; 仿真 Abstract Mine hoister is one of the main equipment in mine. It conveys not only mineral but also miners. So the performance of mine hoister is concerned with hundreds of miners lives. At present, the mine hoisting equipment in China are mainly rest on the TDK electric control which is used in 1960s and 1970s. Although interrelated renovations has been done in recent years, essentially it is still the contact control system which is made up of the contactor-relay. The hardware wring system of the contact control system is complex and has high hazard rate. IV During the renovation of this mine hoister system, the PLC is applied to the control system, and plentiful soft components of the PLC are applied to replace the contactor and PLC control system has improved original electric control system. At the same time, Programmable logic controller (PLC) with the inverter applied to the production of the mine is to design the existing hoist control system. It will improve the accuracy and ensure the smooth progress of the mine production. As to the key elements of the lift, it makes senses to set speed alarm, overload protection, which is to enhance the security situation. In addition, it is also using a simplified mathematical model to establish vector control simulation system, which is to verify the feasibility of the speed control system. Key words: Mine Hoister; PLC; Electric Control System; Transducer Simulation 目目 录录 摘 要.II ABSTRACT III 1 绪论.1 1.1 课题研究背景、意义及内容.1 1.1.1 研究背景1 1.1.2 研究意义1 V 1.1.3 研究内容1 1.2 国内外煤矿升降机电气控制系统的发展现状.2 1.2.1 我国煤矿井下升降机电气控制系统的现状2 1.2.2 国外煤矿井下升降机电气控制系统的现状2 2 煤矿井下升降机控制系统的设计方案.4 2.1 矿井升降机概况.4 2.1.1 矿井提升系统概述4 2.1.2 矿井升降机主要组成部分及其工作原理4 2.2 升降机电控系统的功能要求.5 2.2.1 升降机的工作过程5 2.2.2 煤矿升降机的控制要求7 2.3 煤矿井下升降机电气控制系统组成.8 2.4 矿井提升机调速控制方式选择.9 2.4.1 变频调速的控制9 2.4.2 变频调速的频率控制方式矢量控制10 2.5 变频调速控制系统组成.10 2.6 小结.11 3 升降机控制系统的硬件和软件设计.12 3.1 系统硬件选型.12 3.1.1 提升电动机选择12 3.1.1 变频器的选型12 3.1.2 PLC 的选型.13 3.2 矿井升降机主接线图.13 3.2.1 升降机的主要电气设备15 3.3 I/O 地址分配表15 3.4 PLC 的 I/O 地址接线图16 3.5 软件系统设计.17 3.5.1 升降机调速设计17 3.5.2 升降机运行中过卷保护设计21 3.5.3 升降机运行中限位设计22 3.5.4 升降机安全报警系统的24 3.6 小结:26 4 升降机变频调速控制系统的仿真.27 4.1 变频调速控制系统的结构.27 4.2 仿真子模块功能.28 4.3 仿真参数设置和结果分析.28 5 总结与展望.30 5.1 研究总结.30 VI 5.2 展望.30 致 谢.31 参考文献.32 煤矿井下升降安全控制系统的设计 1 1 1 绪论绪论 1.1 课题研究背景、意义及内容课题研究背景、意义及内容 1.1.1 研究背景研究背景 煤矿升降机是矿井重要的生产设备，是煤矿“四大运转设备”之一，其中电力传动 相当复杂，电动机不停地正、反向运行，长时间的处于过负载运转，这样大大缩短了升 降机的使用寿命；因此可以想象升降机的安全性、可靠性是及其关键的，其运行的安全 行和可靠性直接担负着煤炭生产及操作人员的生命安危。事故的发生肯定会对人员以及 设备造成严重的影响，从而带来重大的经济损失。因此，升降机性能的提高，自动化控 制水平的提高，对于煤矿未来的发展具有重大的意义，设计出安全、可靠的升降系统一 定是未来发展新势头。 随着现代科学技术的进步和人类不断地创新，现代化矿井的建设，着重加大了对作 业人员生命安全的重视，对煤矿井下升降机的安全可靠性提出了更高的要求。近年来， 我国在升降机的安全方面做了很多的努力，投资了大量的人力物力，使矿井升降机设备 的安全可靠性有了巨大的进步，并将“可靠性系统工程”的理念引入了煤矿井下升降机 领域，与之相适应，升降机对其电控系统安全可靠性的要求也愈来愈高。因此，在设计 煤矿井下升降机，安全性以及可靠性的重要性就不言而喻了1。 1.1.2 研究意义研究意义 企业的生产安全和经济效益与升降机能否安全、可靠、有效的运行有着密切的关系。 即使矿井升降机系统本身有一些安全保护措施，但是由于升降机惯性大大、工作流程复 杂、环境恶劣、这些因素都会导致各种机械零件和电器元件的失效，再加上人为的疏忽 和以及监控系统的不完善，使得理想的安全保护措施未能实现。 因此社会各界人士开始纷纷的关注升降机调速控制系统的研究。而煤矿升降机能否 平稳、安全、可靠地运行，能否延长升降的使用寿命、防止惯性冲击以及减少机械部分 维修的工作量，包括作业人员在操作时的舒适度绝大数取决于取决于电器控制方式。随 着人们对煤矿升降机自动化水平以及设备提升能力要求的提高，人们开始逐步的改善电 器传动方式。目前，对煤矿升降机电气传动系统的具体要求有：调速性能良好，调速精 度高，能快速进行、反转运行，具备很快的动态响应速度，制动和定位功能准确，可靠 性高等。 传统升降机电控系统存在控制方式复杂、可靠性不高、调速性能不稳定等诸多问题。 提高整个电控系统的安全性、控制精度以及调速性能已成为我国改善矿井升降机电气传 动系统的当务之急。在这种情况下利用 PLC 对原有电控系统进行改造，将会取得非常明 显的成果，我们可以拭目以待。 1.1.3 研究内容研究内容 我国对于矿井升降机控制系统的改造，虽然已取得一些成就，但从全国的角度出发， 无锡太湖学院学士学位论文 2 这样的成就是微不足道的，因此需要不断地创新和研究。而本课题正是对目前我国中、 小煤矿煤矿升降机的安全控制系统进行改造, 本课题旨在研发一种既能可靠、灵敏、自动 动作，又能适应井下恶劣环境以及人为损坏要求的自动停送电开关装置。该装置由主机、 辅助接触线组成，借助接触网馈电电源线、受控电机车接触线和受电弓构成开关控制系 统。 (1)本课题将可编程控制器（PLC）控制技术应用到升降机的控制系统中，利用 PLC 的元件来代替传统继电器。 (2)通过 PLC 控制变频器，从而完成煤矿升降机的启动、加速运行、等速运行、减速、 低爬和停车的控制，使得控制系统更加完善和稳定，调速精度更加精确。同时设置了报 警环节，当出现事故或危险时，报警灯闪烁，已提醒作业员来采取相应的措施，从而保 证了升降机的安全运行。 (3)进一步完善升降机后备保护功能，保证升降机运行的安全可靠。 1.2 国内外煤矿升降机电气控制系统的发展现状国内外煤矿升降机电气控制系统的发展现状 1.2.1 我国煤矿井下升降机电气控制系统的现状我国煤矿井下升降机电气控制系统的现状 在煤矿生产中，煤矿井下升降机起着至关重要的作用，是最主要的生产设备。升降 机现代化水平的高低直接影响着煤矿的生产效率以及作业人员的生命安危,更代表着我国 生产力的发展水平。 目前，我国煤矿井下升降机大多数是采用传统的交流异步电机拖动，其调速方式存 在着诸多的问题。 传统调速系统的缺点较为明显：调速性能差，能耗较高，很多能量用在了电阻发热 上，升降机的运行过程中不稳定，安全性差。 传统交流电控系统可靠性差，其中有以下主要几个缺点，线路较为复杂，出现故障 很难进行分析，保护系统不完善，没有足够的保护措施，出现问题后不能及时进行反馈， 反应呆滞。近几年，对升降机的安全控制系统增设了过载、过卷。瓦斯浓度报警，使升 降机安全状况有所改善，大大增加了提升过程的可靠性。 在实施升降机电气控制改造技术时，一方面要跟随着国际发展的脚步，另一方面也 要综合考虑到我国国情，依靠自己的力量，自主创新，加强与先进国家的合作，吸收国 外较为先进的理念，采取引进、合作生产、联合改造等多种形式，实现符合中国国情的 煤矿升降机电控系统现代化2。 1.2.2 国外煤矿井下升降机电气控制系统的现状国外煤矿井下升降机电气控制系统的现状 国外从 70 年代开始，微机迅速的发展，使得升降机调速系统可以利用微机进行控制 目前，国外的这一水平已逐渐趋向成熟。其应用主要体现在以下几方面： （1）提升工艺过程微机控制 在交流变频装置中，微机控制在大多数工艺中得到了体现。由于微机功能强，使用 煤矿井下升降安全控制系统的设计 3 方便，反应灵敏，监视系统完善。 （2）提升行程控制 升降机的控制本质上说是一个位置控制，要保证升降机停位的精确，采用微机控制， 通过对相关信号的处理，使得升降的的调速更加平稳 1。 （3）提升过程监视 由于近代升降机控制系统的设计特别强调安全可靠性，所以升降机安全回路是现代 升降机控制的重要环节。 （4）安全回路 安全回路是指在调速系统出现问题时，能进行自我的调整，而且调整周期短，在很 快的时间里能恢复到正常的能力，此环节极为重要，对于保证作业员的人身安全和矿井 的正常运输有着重要的意义。 （5）全数字化系统调速控制 德国 AEG 公司的 Logidyn D 系统都已应用于升降机上。参数比较稳定、可方便地与 上位机联网等优点，因此这类的系统的维护需要作业人员有更高的知识素养和技术水平。 无锡太湖学院学士学位论文 4 2 2 煤矿井下升降机控制系统的设计方案煤矿井下升降机控制系统的设计方案 矿井升降机肩负着井上、井下运输的重要任务，对于整个煤矿而言，升降机有着重 要的地位，素有“矿山咽喉”之称。熟悉矿井升降机的性能、结构及动作原理，合理使 用设备，加强维护，对确保升降机工作效率、提高安全可靠性、防止和杜绝事故的发生 具有重大意义。 2.1 矿井升降机概况矿井升降机概况 2.1.1 矿井提升系统概述矿井提升系统概述 矿井提升设备主要有这几个部分组成：提升容器、提升钢丝绳、升降机、天轮、及 装卸载设备等。 由于井筒条件（竖井或斜井）运行时的方法和特性不同，导致他们构成的提升系统 也有差异。 图 2.1 为斜井升降机示意图: 图 2.1 斜井升降机示意图 2.1.2 矿井升降机主要组成部分及其矿井升降机主要组成部分及其工作原理工作原理 矿井升降机是一个完整的机械电气机组，其主要由以下几部分组成。 (1)工作机构 主要是指主轴装置和主轴承等，主轴装置由主轴、卷筒、滚动轴承、支轮、制动轮 等组成。 (2)制动系统 制动系统是升降机不可缺少的重要组成部分之一，也是最后一道安全保障装置，当 升降机出现紧急情况时可以起动制动系统，以保证升降机的安全。 煤矿井下升降安全控制系统的设计 5 (3)机械传动系统 机械传动系统，机械传动系统包括减速器和联轴器。减速器是用来进行减速和传递 力矩的，联轴器是用来衔接传动部分的，并传递动力。 (4)润滑系统 润滑系统是在提升运行过程中，向作相对运动的零件表面输送定量的清洁润滑油， 以实现液体摩擦，减小摩擦阻力，减轻机件的磨损。并对零件表面进行清洗和冷却。润 滑系通常由润滑油道、机油滤清器和一些阀门等组成，以保证轴承和齿轮的正常工作。 (5)观测和操纵系统 观测包括斜面操纵台，通过传感器集中来的信号，对现有的运行情况作出处理，从 而执行新的程序。 (6)拖动控制和自动保护系统 矿井升降机自动保护系统的作用是：在没有作业员的情况下，发生突发事故时，升 降机了能自行进行做出相应处理。 提升机工作原理：煤矿井下采煤，采好的煤通过斜井用升降机将其运输到地面上。 在井口处有升降机，电机经过减速器后传动给卷筒，这样控制升降机的运行。当快要到 达顶端时，制动减速。当卸完煤以后，变频器控制升降机进行反转，到煤矿深处进行运 输煤，这样刚好完成一个周期，当升降机需要停车时，发出停车指令，开始抱闸停车。 2.2 升降机电控系统的功能要求升降机电控系统的功能要求 随着科技的发展，对煤矿升降机的要求也逐步提高，怎样使得升降机平稳、安全、 可靠地运行，那就要求尽量避免零件的磨损、减少机械部分维修的工作量、延长升降机 械的使用寿命。随着人们对煤矿升降机自动化水平、煤矿升降机设备提升能力要求的提 高，对电器传动方式的改进提出了更高的挑战。 2.2.1 升降机的工作过程升降机的工作过程 升降机的过程是升降机在煤矿中往返的上下运动，通常以提升机运动的速度与时间 的关系来表示其运动规律，称为速度图，升降机的运动速度图，包括五个阶段，即：加 速阶段、减速阶段、爬行阶段、制动阶段、停车休止阶段。加速阶段是指从静止状态起 动加速到最高速度；等速阶段是提升机正常的运行状态，提升机以最高速度稳速运行； 减速阶段是提升机从最高速度减速到爬行速度；爬行阶段是准备安全停车阶段1。 速度图如图 2.2，加速度图如 2.3。 无锡太湖学院学士学位论文 6 （速度） V 0 t1 t2t3t4t5 t1t 图 2.2 为升降机的速度图 （加速度） 0 a a1 a2 a3 t a1 图 2.3 为升降机的加速度图 速度和加速度图显示了升降机一个周期类运行的工作过程： （1）加速阶段 t1 当升降机到达底端时，以加速度 a1 运行，一直达到最大速度 Vm。 （2）等速运行阶段 t2 升降机这时达到了最大提升速度 Vm。 （3）减速阶段 t3 升降机将要接近顶端时，开始以速度 a3 运行，从而实现减速。 （4）爬行阶段 t4 升降机到达设定的位置时，此时应该应以 v4 爬行。 （5）停车阶段 t5 当升降机运行至终点时，升降机施闸停车。 升降机过程中各部分动力计算，而这些惯性力与升降机速度变化规律密切相关。首 先，我们确定矿井升降机运动合力。 假定电动机克服所有阻力后的合力与全部静负荷和提升有害阻力的合力作用在同一 力臂上，则升降机运动部分有如下的动力平衡方程： 2 m 2 F r d x FM dt （2.1） 式中：电动机克服所有阻力后的合力； m F 全部静负荷和提升有害阻力的合力； r F 升降机所有运动部分的换算质量；M 煤矿井下升降安全控制系统的设计 7 提升加速度， 2 2 d x dt 一般情况下， 2 2 d r( , ) r x Ffx cM dt （2.2） 式中：x给定瞬时通过的距离； c各种不变提升参数的总和。 因此可得升降机的一般动力微分方程： 2 2 d ( , ) mr x Ffx cM dt （2.3） 因此，矿井升降机速度的变化规律为： f( ) dx Vt dt （2.4） 2 , 2 d ( )( , )( ), ( ) mmrrxt x Fftfx cMff t cMft dt （2.5） 因此可得电动机提升力如图 2.4 所示： （电动机提升力） 0 Fd Fd1 Fd2 Fd3 Fd1 F 图 2.4 电动机提升力图 要使升降机按给定速度图运行，电气传动系统应能根据负载的变化而自动的工作在 电动或制动状态。综合以上升降机的运行特点以及矿山生产固有的特点，对煤矿升降机 的控制方案进行设计。 2.2.2 煤矿升降机的控制要求煤矿升降机的控制要求 目前，对于煤矿控制系统的具体要求有：调速性能好、升降机运行稳定、定位准确、 能够迅速的进行正反转。 无锡太湖学院学士学位论文 8 (1)加（减）速度大小的确定应符合以下条件： 应符合国家有关安全生产规程的规定。升降人员时，加速度0.7m/s升降物料 时，加速度1.2m/s。 应不超过升降机的减速器所允许的动力矩。 (2)具有良好的调速性能。能够在加速、减速等阶段调速平稳，调速范围比较广，运 行中平稳和安全。 (3)有较好的启动性能。升降机是在装完货物后才开始启动的，这一点与其他机械不 同，因此必须要重载起动，对升降机的起动性能有较高的要求。 (4)特性曲线要硬。当系统受到负载变化时，调速系统能够在短时间内恢复到正常， 速度基本上不受到影响，当负载超过一定限度时，此时安全回路会出现相应的动作，进 行自我保护，制动抱闸停机。 (5)工作方式转换容易。能够方便进行转换，容易操作，可操作性强，不会因为转换 的繁琐影响生产。 (6)将高科技用到升降控制系统中，这样整体效率比较高。 (7)要求有相应的保护措施，以保证控制系统的安全性。 (8)要尽量节约成本，减少一些不必要的开销3。 2.3 煤矿井下升降机电气控制系统组成煤矿井下升降机电气控制系统组成 传统的提升机的控制方式是通过切换电阻的形式来实现的，这种方式效率低下，问 题复杂，其中的缺点如下所述: (1)提升机启动的一瞬间电流很大，对电机的伤害严重，且在加/减速运行时可控制性 弱，舒服度不好，停位不精确。 (2)提升机的运行效率比较低，很多的能量都消耗的在电阻发热上。 (3)电气控制系统中的线路老化比较明显、运行的情况比较复杂复杂，维护量比较大， 当出现事故时很难排查。因此，用 PLC 来控制升降机的运行，大大减少了这些麻烦，提 高了升降机的工作效率。 根据矿井提升机的工作过程和控制要求，在控制系统的设计开发过程中，有很多困 难需要克服,很多难点需要解决，其中关键性的问题有以下几点。 (1)系统的安全可靠性 设计升降机的安全控制系统，首先值得考虑的就是系统的安全性，安全是升降机运 行的第一保障，因此在设计时，怎样使得升降机安全平稳的运行成为本课题研究的一个 难点，也是一个重要的挑战。 (2)稳定的调速 为了设计出更优更稳定的调速系统，本课题采用 PLC 控制变频器，利用变频器控制 升降机的运行情况以及调速。硬件设计包括 PLC、变频器、电机等的选择。软件设计包 括 PLC 的控制的流程图、梯形图等。本控制系统为矿井提升机的稳定、安全和高效运行 提供了可靠的保障。 煤矿井下升降安全控制系统的设计 9 (3) 高效性和舒适性 拖动系统可以按照提升种类要求的额定速度不同，让舒适着乘坐比较舒服；同时调 速的稳定性使得升降机运行更加平稳，方便物资的进出，大大的提高运行效率。改进后 的电气控制系统组成图如图 2.5 所示。 PLC 操 作 台 变频器 编码器 M 减 速 箱 滚 筒 图 2.5 电气控制系统组成图 系统设有操作台，各种运行方式、系统状态及故障信号指示灯，以及各种音响警示 铃，在出现意外时提醒司机注意。操作人员可以根据控制要求进行各种操作，PLC 输出 相应指令控制变频器运行，从而调整升降机的运行。 (1)主控系统 本系统的主控系统采用 PLC 来控制，主 PLC 正常运行时，传感器将相应的信息转换 为控制信号，以保证控制系统的运行的正常。 (2)调速系统 调速系统采用 MM420 变频器, 通过程序编制对升降机进行控制，从而实现提升机的 正反转和速度的控制，以及过卷保护、松绳保护、超载保护。 2.4 矿井提升机调速控制方式选择矿井提升机调速控制方式选择 2.4.1 变频调速的控制变频调速的控制 根据相关的电机学原理知识,可以得到异步电动机的转速关系式为： (2.6) 1 1 60- (1) f nns p （1s） 式中：n升降机的转速； S定子每相绕组串联匣数; P极对数； 无锡太湖学院学士学位论文 10 f定子供电频率； 从式可知，异步电动机调速方法可分为以下三大类: (1)变极调速方法 (2)变转差率调速方法 (3)变频调速方法 其中变频调速是改变电动机定子电源的频率来实现调速的方法，具有调速范围广， 运行效率高，静态稳定性好，使用方便可靠，经济效益显著等优点，为了使升降机调速 控制 系统能取得良好的控制性能，综合上面所述的几种调速控制方式，权衡各种调速控 制方案的优劣，再结合升降机调速系统特性的特点，最终选择 PLC 与变频器相结合的变 频调速控制方案。 2.4.2 变频调速的频率控制方式变频调速的频率控制方式矢量控制矢量控制 矢量控制主要是用来实现电机的定子电流转矩分量和磁通分量的控制方法，通过改 变一系列坐标实现的。它还可以通过对瞬时转矩的控制进行提哦啊书，矢量控制两种， 调节电压，使电机电流与负载扭矩相匹配，到达改善低速扭矩特性的目的，但是其控制 器的设计在某种程度上依赖于电机的参数4。 矢量控制通过调节变频器的输出电压，以保证电机的磁通量不变，其大小可以通过 电机性能的设定来改变。 2.5 变频调速控制系统组成变频调速控制系统组成 采用矢量控制技术，只要变频器收到 PLC 的程序信号，就能做出相应的动作。变频 器自带欠压，过流等保护装置，传感器收集各种信号，然后传给 PLC，PLC 对各信号进 行相应处理，变频器接到相应信号后，从而控制升降机的转速。转速也可以经过传感器 反馈到 PLC,使得速度更加趋于平稳，调速更加精确。 变频调速控制系统框图 2.6 如图所示 速度给定 PLC控制器 变频器交流电机 编码器 + - 转速 图 2.6 基于 PLC 速度变频调速控制系统框图结构 煤矿井下升降安全控制系统的设计 11 2.6 小结小结 通过对升降机结构的分析，结合升降机的工作过程和特点，分析提升机五阶段速度 图，得出矿井提升机对电气控制系统的要求，并对变频调速系统进行分析，最终采用矢 量控制变频调速对升降机的运行过程进行控制，实现煤矿升降机运行过程中的平稳、安 全、可靠。 无锡太湖学院学士学位论文 12 3 3 升降机控制系统的硬件和软件设计升降机控制系统的硬件和软件设计 煤矿井下升降机控制系统硬件包括对电动机，变频器，PLC 的选型。PLC 控制可使 系统控制线路大大简化且柔性强，控制功能多，将可编程控制器（PLC）与变频器相结合 并应用于矿井实际生产中，对现有的升降机电控系统进行改造设计，提高精度。环境的 恶劣性也要在设计中考虑之中，采用 PLC 的元件代替传统的的接触器，大大简化了路线 的复杂性。 3.1 系统硬件选型系统硬件选型 3.1.1 提升电动机选择提升电动机选择 一般电动机的额定电流可以用如下公式计算即： 3cos . O P I UIn （3.1） 根据上述公式对一般三相交流异步电功机的额定电流计算得出：异步电动机的额定 电流与电动机额定功率的关系为：如果 U380V，电流大约为 1kW 是 2A。因此，可以 用 2A 来预估一下电流值，这样能粗略快速选择元件，本调速系统所选电动机为：QABP 系列三相异步变频调速电动机。其技术数据如表 3-1 所示 ： 表 3-1 电机技术参数 型号标称功率 /KW 额定电流 /A 额定转速 （r/min） 额定转矩 /N.m 转动惯量 /kg.m 重量/kg 315M8A751487419554.95911045 3.1.1 变频器的选型变频器的选型 对于升降类恒转矩负载,如升降机，电梯等，他们的相似点是：再启动的一瞬间电流 的冲击很大，而减速是靠自动完成的，于此同时会有回馈能量，因此对变频器的要求是： 能够有一定的缓冲余量，在选择变频器时，恒转矩负载的功率表达式为: 煤矿井下升降安全控制系统的设计 13 n 9550 T p （3.2） 式中: P)表示电动机的功率(KW); n)表示电动机的转速(r/min); T)表示电动机的转矩(NM); 系统设计时应注意适当留有余量，所以电动机或者变频器应该增大容量，通用变频 器的容量一般取 1.5 倍异步电动机的容量。 因此本系统选用西门子 MM420, 该变频器具有 7 个固定频率，4 个跳转频率，可编 程。同时具有多种可供选择接线方式的设备。可以设定为闭环矢量控制。其对负载的变 化和瞬时掉电，能做出迅速响应； 3.1.2 PLC 的选型的选型 PLC 选型要考虑到满足系统功能并且具备良好的性价比。因此在设计控制系统时， PLC 模块的数量和型号的选择主要依据系统输入、输出点的总量来确定。此外，选择合 理的 PLC 机型应遵循以下原则: (1)选择 PLC 容量和输入输出点时应该保留余地，其实际所选的值都要比理论值大， 其中输入输出点应该留出 15%-20%。 (2)根据负载的类型和启停的频率等特点,选择不同的输出方式; (3)如果控制系统有模拟量,I/O 模块的响应时间能要满足系统要求; (4)根据系统通讯要求的不同,选择 PLC 内部相应的通讯功能； S7-200 是西门子产品中的中小型产品，完全能够完成中等性能的控制要求。它的组 成主要有：CPU 模块、电源负载模块(PS)、信号模块(SM)、功能模块(FM)、接口模块(IM)和 通讯处理模块(CP)等，S7-200 系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆 能实现复杂控制功能，因此 S7-200 系列具有极高的性能/价格比4。 S7-200 系列 PLC 可提供 4 个不同基本型号的 8 种 CPU，根据升降机电控统原理 的调速控制要求，选择西门子公司的 CPU226 控制可靠、价格较低，性能优良，程序容 量较大、运行速度快、编程灵活等优点，既提高工作质量，又取得了良好的经济效 3.2 矿井升降机主接线图矿井升降机主接线图 变电站送来的 380V 电源，经高压开关柜的隔离开关 QF1 为电机供电。变频器 MM420 用来控制正反转和调速，从而实现升降机的上升和下降。通过改变变频器的频率来控制 电动机的转速，从而实现变频调速。RC 是灭弧装置，保证电路的正常分析和防止触头收 到严重的腐蚀，使得电路和电器元件工作安全可靠。熔断器则用来保护电路得过载。空 气断路器可以用来频繁地起动电动机并对电动机实现保护，由于有良好完备的灭弧装 置，操作速度也由弹簧机构执行，迅速可靠。 升降机主接线图如图 3.1 所示: 无锡太湖学院学士学位论文 14 图 3.1 升降机的主接线图 在主接线图中，实现了利用 PLC 控制变频器，利用变频器控制电机的正反转和调速。 使得系统的精确度更加高，电路简化，出现故障时，方便查找，提高整个电控系统的可 靠性。其中使用的主要元件如表 3-2 所示： 煤矿井下升降安全控制系统的设计 15 表 3-2 控制接线图主要元件表 符号名称型号数量备注 FU熔断器1 QF空气断路 器 2 FR1热继电器1 MM4 20变频器 SE MIENS1 高压接触器， 线圈电压交流 220V RC1灭弧装置1根据需要选配 M主提升电 动机 1三相异步电动 机 3.2.1 升降机的主要电气设备升降机的主要电气设备 （1）主提升电机 主提升电机是提升系统中的拖动设备，是提升控制过程中主要控制的对象，是整个 升降机的中心。 （2）主令控制器 主令控制器通过调换档位，来控制升降机的运行状态。 （3）各种信号灯 信号灯是在升降机的运行状态发生变化时，提醒操作人员做出相应的反应如报警信 号灯。 （4）过卷转换开关 过卷转换开关是在提升机过卷时投入使用，使提升机在下一次开车时只能向相反方 向开车，防止过卷事故的扩大。 3.3 I/O地址分配表地址分配表 地址分配表中，每一个输入点与一个而且经与一个输入电路相连，通过输入接口电 路把现场开关信号变成了 CPU 能接受的标准电信号,每一个输出点与一个且仅与一个输出 电路相连，通过电路把 CPU 运算处理结果转换成驱动现场执行机构的各种大功率开关信 无锡太湖学院学士学位论文 16 号。I/O 信号处理的方式为：提升机的电控系统运行过程从根本上说就是 PLC 把从现场釆 集回来的各种数据经运算、处理后转化为直观的提升机运行数据(如提升机运行的速度等) 在操作台上显示出来，与此同时 PLC 会在这些运行数据的基础上按照预先编写的程序控 制现场各种设备动作。并在司机的操作下完成每次提升、下放任务。 为了保证现场所采集信号的准确性、可靠性，本系统在设计过程中对输入、输出信 号采用了一定的隔离方式，具体 I/O 地址分配表如表 3-3 所示： 3-3 I/O 地址分配表 输入输入端口输出输出端口 停止I0.0变频器 10HZ 控制 Q0.0 正转(上升)I0.1变频器 20HZ 控制 Q0.1 反转(下降)I0.2变频器 50HZ 控制 Q0.2 上升过卷 保护 I0.3变频器正转控 制 Q0.3 下降过卷 保护 I0.4变频器反转控 制 Q0.4 瓦斯浓度 保护 I0.5上升过卷灯Q0.5 松绳保护I0.6下降过卷灯Q0.6 超载保护I0.7瓦斯浓度蜂鸣 器 Q0.7 上升极限 位 I1.0松绳蜂鸣器Q1.0 下降极限 位 I1.1超载蜂鸣器Q1.1 3.4 PLC的的I/O地址接线图地址接线图 I/O 地址接线图如图 3.2 所示 煤矿井下升降安全控制系统的设计 17 图 3.2 I/O 地址接线图 3.5 软件系统设计软件系统设计 升降机软件系统包括控制安全回路软件设程以及报警软件设计，安全回路设计要完 成整个提升过程所有的控制，包括升降机的正反转，变频调速等环节，以及过卷保护以 及上限位开关的的控制。报警软件设计包括报出现紧急情况时的安全制动和报警。报警 软件的主要任务是出现各种故障时如松绳、超载，瓦斯浓度超标时做出相应的动作，并 能控制相应的信号灯闪烁。 无锡太湖学院学士学位论文 18 3.5.1 升降机调速设计升降机调速设计 煤矿升降机在矿井中有着至关重要的作用。提升机变频调速控制系统主要由变频器、 操作台等组成，对煤矿升降机调速系统具体要求有：调速性能良好，调速精度高，能快 速进行、反转运行。 升降机的速度控制主要包括以下的流程： （1）PLC 检测阶段 PLC 检测阶段包括 PLC 硬件线路的连接，PLC 的初始化等。 （2）开车准备阶段 开车准备阶段包括对安全电路得检查，正反转回路得电的准备，使得各项指标符合 相关的要求。 （3）升降机的加速阶段流程如图 3.3 所示： 制动松闸 升降机开始加速 升降机达到最大速度 等速运行 发提升信号 图 3.3 加速阶段的流程图 当司机发提升信号以后, PLC 控制变频器进行调频，升降机开始缓慢加速，等升降机 的速度增加到最大，开始等速运行。 （4）升降机的等速运行阶段 升降机此时进行匀速运动，不需要任何操作。 （5）升降机的减速、爬行及停车阶段的流程如图 3.4 所示： 煤矿井下升降安全控制系统的设计 19 达到减速点 反接制动 减速灯信号亮 升降机达到爬行 速度进行爬行 到达终点停止 图 3.4 减速阶段的流程图 当升降机到达减速点后， PLC 控制变频器进行调频，变频器控制电机的这个反转从 而来达到反接制动，同时速度也会发生相应的变化。 一 、正反转控制 (1) 通过 PLC 来控制变频器 MM420，从而实现电机的正反转，这样就可以控制升降 机的上升和下降。程序中出现互锁保护功能，是的控制系统更加的安全和专一。 (2)梯形图 二、变频调速 （1）通过对 PLC 的编程来控制变频器，从而是频率发生变化，来达到速度的改变， 完成煤矿升降机从启动、加速运行、等速运行、减速、低爬和停车的控制，对 PLC 速度 控制进行改造。 （2）梯形图 无锡太湖学院学士学位论文 20 煤矿井下升降安全控制系统的设计 21 3.5.2 升降机运行中过卷保护设计升降机运行中过卷保护设计 过卷是指提升机在行驶过程中超过了正常停车位置而没有停车。如果司机在开车过 程中不小心开车过卷，过卷开关会立即动作，安全回路断开，提升机停车。此时，司机 必须首先判断过卷的方向。 过卷保护的流程图 3.5 如下： 过卷 电机反向转 过卷灯报警 安全保护 图 3.5 过卷保护的流程图 过卷保护: （1）当矿车由于故障或操作员失误，矿车越过安全线时，会造成升降机的过卷，这 时传感器要动作，同时 PLC 实现对提升系统的保护，并伴随有报警灯响应。 （2）梯形图 无锡太湖学院学士学位论文 22 3.5.3 升降机运行中限位设计升降机运行中限位设计 在提升机的运行过程中，当升降机运行到顶端或者低端的时，需要限位来加以 控制，确保行程的安全，在底端或者顶端停止一段时间，完成装货或者卸货后，升 降机可以自动调整方向，进行升降。 限位保护的流程如图 3.6 所示： 到达顶端（低端） 限位开关响应 升降机停止，卸货（装载） 电机反向转动 图 3.6 限位保护的流程图 煤矿井下升降安全控制系统的设计 23 上下限位置开关: （1）极限限位开关是防止机构动作超出设计范围而发生事故的，安装在升降机行程 中两个顶端，用来保护升降机动作过大出现机构损坏。开关动作后，给出信号，进行相 关动作。 （2）梯形图 无锡太湖学院学士学位论文 24 3.5.4 升降机安全报警系统的升降机安全报警系统的 升降机的安全的报警系统主要包括过载、松绳、瓦斯浓度等安全保护措施，对提升 机的运行状态及故障来源进行时时控制，使提升安全状况有所改善。此调速控制系统才 能才能安全可靠的工作。 报警回路是在出现故障时，控制相应的信号灯闪烁，以提醒操作人员做出相应的处 理,报警系统包括: 一、松绳报警 当升降机下放速度过快时，就会出现松绳现象，这个时候如果继续下降，后果将不 敢设想。此时，松绳感应器收到信号，传给 PLC 进行处理，操作员应该及时降速或停车。 二、瓦斯浓度超标报警 当煤矿井下瓦斯浓度超过规定值时就会引发瓦斯爆炸，瓦斯爆炸产生的高温高压， 促使爆源福建的气体以极大的速度向外冲击，造成人员伤亡，破坏器材设施，另外瓦斯 爆炸通常会伴随着有毒气体，使得相关人员中毒死亡，因此在矿井设置瓦斯浓度报警器 很有现实意义。 三、超载报警 热继电器常闭触点串接于安全控制回路，当电机因负载过重，热继电器动作，常闭 触点断开，使安全回路动作，保护提升机不受损坏。 当升降机运行的过程中发生超载、松绳、瓦斯浓度超标报警时，报警回路的动作要 靠报警信号灯闪烁或者蜂鸣器鸣笛来触发，比如当煤矿井下瓦斯浓度超标时，瓦斯蜂鸣 器就会鸣笛，设备停止运行，直到故障被排除后消声。 安全报警系统对升降机的整个运行过程都十分重要，当出现故障时，要及时出现报 警，这样才能保证升降机的运行时的平稳以及作业人员的安全，根据对控制系统功能的 煤矿井下升降安全控制系统的设计 25 分析，给出报警系统的流程图。 报警系统的流程如图 3.7 所示： 开始 程序初始化 自检 正常？ 故障处理 超载？报警灯闪烁并卸载 松绳？ 瓦斯浓 度正常？ 蜂鸣器鸣笛并处理 N Y 报警灯闪烁并处理 结束 Y Y Y N N N 图 3.7 报警系统的流程图 报警系统: （1）报警回路的控制包括超载报警，松绳报警，瓦斯浓度超标报警。报警回路的动 作要靠报警信号灯闪烁或者蜂鸣器鸣笛来触发，比如当煤矿井下瓦斯浓度超标时，瓦斯 无锡太湖学院学士学位论文 26 蜂鸣器就会鸣笛，设备停止运行，直到故障被排除。 （2）梯形图 3.6 小结小结: 主要介绍了煤矿井下升降机控制系统硬件包括对变频器，PLC 的选型。通过 PLC 的 控制，使得调速系统更加的平稳和安全，变频器调速系统的设计大大简化了线路的复杂 性，问题得到了简化。同时设计了相应的保护和安全环节，使得升降机的运行中更加安 全和平稳。 煤矿井下升降安全控制系统的设计 27 4 4 升降机变频调速控制系统的仿真升降机变频调速控制系统的仿真 数字仿真技术现在已经广泛的应用到各种设计的控制系统中，它可以对大型复杂的 系统进行仿真，只要建立完善的数学模型，其仿真的效果和真实值相比还是很乐观的， 经过多次的仿真验证，其真实性已经得到了认证。本章就是根据前面建立的简单数学模 型，对设计的矢量变频控制系统进行仿真，借助于 MATLAB 的强大仿真能力，对系统 的可行性进行检测。 本文利用基于 MATLAB 环境下对交流变频调速系统进行了仿真。首先根据数学模 型，在 Simulink 中给出仿真结构原理图，根据结构原理图进行仿真实验，并对仿真的结 果进行分析。 本课题的整个仿真系统的关键环节是 Speed-Controller 环节，把电动机的实际转速与 参考给定转速进行比较，并进行偏差处理，最终产生所需要的控制变量16。 4.1 变频调速控制系统的结构变频调速控制系统的结构 R(s) 为速度的给定值，经过一系列的传递函数，反馈到起始值，是的输入量逐渐趋 于平稳。控制结构图如图 4.1 所示： R(s) Gc(s) + - C(s) Go(s) 图 4.1 变频调速控制系统的结构 其数学模型为： 2 25 (s) +7s+25 c G s （4.1） 系统开环传递函数： _0.05 9 (s) (0.451) s O Ge s （4.2） 控制器对误差信号 e(t)分别进行比例、微分、积分运算，其结果送给被控制对象 控制的规律为： 0 i 1de( ) ( )( )( ) pD t u tke te t dtT Tdt 无锡太湖学院学士学位论文 28 （4.3）设定比例系数；0.09 P K 积分时间常数=594； i T 微分时间常数=0.25； D T 任何一个闭环控制系统，都应该达到稳(稳定)、快(快速)、准(准确)的响应命令。调 节的主要任务就是为了达到这一目的，所以要较好的调节各参数。 （1）比例环节：当比例系数增大时，会使响应更加敏捷，于此带来不好的一面是它 不能消除偏差，过大的比例系数会使系统产生过大的振幅，并产生震荡，影响系统稳定 性。 （2）积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分时间越长，变化越缓 慢，即相应速度变慢。 （3）微分环节：主要体现偏差信号的变化速率，减缓调节时间16。 4.2 仿真子模块功能仿真子模块功能 Speed Controller 子模块，如图 4.2 所示。速度调节器由比较环节、比例积分环节和 饱和环节等组成。利用基于 MATLAB 环境下提供的 Simulink 电力仿真平台，对交流变 频调速系统进行了仿真。 图 4.2 Speed Controller 子模块 4.3 仿真参数设置和结果分析仿真参数设置和结果分析 一、参数设置 所选用的电动机的性能参数如下: ； ； ；0.008233 S R 0.000724 S LH0.02711 M LH ； ； 2 =0.37.JKg m380 N UV50fhz Speed Controller 控制器参数如为： 煤矿井下升降安全控制系统的设计 29 积分增益；比例增益。0.145 i k 2.5 p k 当建模和参数设置完成后，即可进行仿真。为了验证所设计的交流提升机矢量控制 变频调速系统的反馈能力以及，当受到外界环境刺激时，怎么才能短时间内恢复到正常 范围。对设计的系统进行仿真，在经过一系列转速突变仿真后，得到转速输出波形如图 4.3 所示 图 4.3 转速输出波形 二、仿真结果分析 仿真系统以实际电机参数输入，对其变频调速控制系统进行了仿真研究，仿真结果 分析表明：速度的振幅较小，速度比较缓和，在 0.2s 时就基本趋于平稳。具有很强的抗 干扰能力及带负载能力，且控制精度高。仿真运行结果表明，该控制系统稳定性高，抗 干扰能力强，可以满足本系统的控制要求。t=0.4s 时突减负载，转速仍然稳定在给定的 120r/min 上，相比之下粗实线显示的传统调频，振幅比较明显，波动时间较长，对升降 机的损伤比较大。 仿真结果分析表明：控制系统结构简单，具有很强的抗干扰能力及带负载能力，且 控制精度高。 无锡太湖学院学士学位论文 30 5 5 总结与展望总结与展望 5.1 研究总结研究总结 矿井提升机是矿山生产的最主要的设备。其不仅肩负着运输煤矿的重任，而且关系 到成千上万作业员的生命安全。本文将 PLC 应用于提升机电控系统，从而使系统的性能 得到改善。 本论文的研究目标是将可编程控制器（PLC）与变频器相结合并运用到升降机的控制 系统中，研究出精度更高的控制系统。采用控制功能强大的 PLC 来代替传统的继电器， 代替了以前复杂的线路。将 PLC 和变频器结合起来控制升降机的运行。本文针对提升机 的安全环节还设置了减速、超速报警及过载、松绳、过卷等安全保护措施，使提升安全 状况有所改善。借助于 MATLAB 的强大仿真能力，对提升机变频调速拖动系统进行仿 真，以分析和研究其调速性能。 5.2 展望展望 本课题采用 PLC 对矿井提升机电控系统进行了改造，符合我国矿井提升机电控系统 发展的方向。采用可控制编程器和变频器相结合的方法来控制升降机的运行；变频器的 调速方法实现了提升机的平滑调速，提高了提升机的舒适度和安全性；由于缺乏实际工 程经验，同时受到时间和条件的限制，以及作者本人水平有限，矿井提升机控制系统在 很多方面还需要不断完善。 煤矿井下升降安全控制系统的设计 31 致致 谢谢 经过了为期几个月的毕业设计，在潘教授和系里各位老师的辛勤指导下已完成，从 设计的题目到具体的设计内容，都包含着潘教授的精心指导和无私的关怀，也让我在这 次设计中学到了很多理论实际知识，使我受益匪浅，我将铭记于心，并从中受益。在此 向导师表示深深的感谢和崇高的敬意。 本次课题也得到了系里老师帮助，以及小组成员的互相关心，让我明白怎么在 团体中成长，怎么与人更好的沟通，这也是我人生的一笔财富，让我更好的融入社 会，正是他们的支持和帮助，才使我的论文得以顺利的完成，再次表达深深的感谢。 无锡太湖学院学士学位论文 32 参考文献参考文献 1 艾国. 基于PLC矿井提升机变频控制系统的应用D. 西安: 西安科技大学, 2010. 2 李红. 矢量控制在矿井提升系统中的应用研究D. 辽宁: 辽宁工程技术大学, 2006. 3 李金金. 基于PLC控制的变频调速在矿井提升机中的应用D. 太原