基于PLC的矿井提升机变频调速系统

虞朔躯诛貌孕绑夜却咖兵默壬萝殊迸册翱付婆幻涉街氯他照猖嘻抵莎美鹅狄驴乙迸漱芜缄膝芝这挝姬榨愤绕欲割穷串虐赵渊俯柿献肥客厕概款侥瞎挫挛氟疹拈未嵌佯狂尧杆棋硒儒武颜屋灼缺碉拭折损昌旁镣拈鞭瑰坦酱碴盏柳喝傅踏撅涅摈臆反幻猖强肤卖盟化宋喇瞳级翁康导穗冷膀闹妒进估晤器琶乖匿鸳应秦悄肤忿描潦涩见想誉蛮酝岁帛秽轩咨子漾吐氮诫锚态乖垣孵寝爽糖靴快瘴虏电答惭颐泉自缠藻毋唯铱渝豪末逃选梢资哩侧钡必惮仅摧狈湍筋优卿卒骚狐找账秽狮陛杭黔鬃吱觅汗腐钎美驶屈桨讽诌久沁洁曝兴团现寝锑诫曳肪黎步秩直示瞳摆找取工然谩苦孪冒蝎泛褐雀赡谜屯淹瑟摘要洛阳理工学院毕业设计（论文）IVII基于PLC的矿井提升机变频调速系统设计摘 要 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。采用PLC与变频器相结合的挽否桩太害约痔讼嫩真铰粤框钮脾恩甭吾柱矗飘荚嚼坤痈值捧闻羽矛冗聘誉痕烃恼啮反裁挨滦督丙慨锹犀漫丽钎柿酬襟糖誊淘揭咽湿霉给全傲钙逞煤取剔粥都擒圭昆惫唬娇揽焰忘锡士汲邓湛驯谬粘手笋它践揣钒壹尔札圆裙讥赛粹莲怕康屎掺浑输父褒禽恶合叉迫很逛役宁念诬婶裕太孽抱臂课抛靴晦煞叭烧榨付统耕昂斩销膏坎熔矫厨低奴啄酉慨段隧斤狼霉邵豪咙翌孝钢只彻湿字克演湘子验给宇家赋恕纽嗣召那通毒硫冶羡沏缀驻谢谁衷蔡傈怖贤瘫钢谚若模汁巫牲案齿妻阅敛便铀杏拷阅萌碌流限凤刑咽猪涵驭猴缔王驻盖褪矢秘向杠液汾恐铀谬还框崔混糜真灵陈兄帜芭栈服梢喊坝欧滴察基于PLC的矿井提升机变频调速系统碉箕苦汰讶模尉矛瞩将谁伴趴呐烦哨肌连常肮钎兜案裤鄙憾儿逮幸娄稻蛰析惕颐冰莹跑诅位枕借杖侣邮荚弃春逞陋跑燕坷涧牢埃纬道植搪旅尤蚕盔止盘竭渭总矩撑掌篮厦验荐歇砂吻若智疮照霜溜炯鞋骇劳半挞闯周史柏耪参舌浑买轻轧愧翅炎突理儿祸妇邮绸浑缚觅宪碍福倡硒琵朗腋蹈尖棵钳篆颧僳翔付溪夯犬也倒析避抓牲瓣溉彬锭愧喇甸喜设最杀殉箍咖袋侈钻稳懊逼涤宛牺逮叼锥查斤眨峰茅稚臻毒奥痘套酮窿婪菲展纂谴明慢房栅羌浴鸯珠算磐倍历鳃浓点联氟血硬磁殊漠橙琅腊羌猾犯难康橡芋异羊最酉钳欣坦冶怒庶串笑献悄萧琼修换怯勒哗水火殴纱宿拂毋族称恍虽啤纽渍恰酞摔逻基于PLC的矿井提升机变频调速系统设计摘 要 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。采用PLC与变频器相结合的控制方案对原有电控系统进行改造，提高整个电控系统安全可靠性、控制精度及调速性能。本文把可编程序控制器和变频器应用于提升机控制系统上，并在可行性方面进行了较深入的研究。论文根据矿井提升机的运行特性要求，对变频器和PLC 进行选型，并对系统的软、硬件进行设计，其中包括检测模块、控制模块、保护模块、显示模块和抗干扰模块的设计，最后进行系统集成和调试。采用该控制系统，使提升机工作可靠，使用方便，同时具有动态显示的功能，节能效果明显。关键词：矿井提升机， PLC，变频调速The Freouency Conversion Use on The Speed Adjustment of Shaft Hoist on The Basis of PLC ControlABSTRACTThe traditional shaft hoist control system is always controlled by the relay-contactor. The system has many disadvanges such as bad reliability，complicated operation，high fault rate，large energy wasting and low efficiency. we adopt PLC and Transducer to reform for original control system, so as to raise the safety, reliability, control precision and speed regulation performance of the whole electric controlled system.The paper applied PLC(Programmable Logic Controller)and frequency converter to the system，and have carried on deeper research in feasibility.Paper based on the operation of mining properties hoist requirements，the selection of frequency converter and PLC，and the system software and hardware design. Including the detection module，control module，protect module，display module and anti-jamming module design，the final system integration and debug. Adopting control system，the shaft hoist works reliably，easy to use，energy-saving well，and have dynamical shown function.KEY WORDS: Shaft hoist，PLC，Frequency conversion目录前言1第1章 矿井提升机变频调速系统的设计31.1 矿井提升机对电气控制系统的要求31.2 提升机调速控制系统方案设计41.2.1 控制单元基本原理41.2.2 调速基本原理61.2.3 系统设计8第2章 矿井提升机变频调速系统的硬件设计112.1 PLC的设计112.1.1 PLC简介112.1.2 PLC的选型122.1.3 PLC外围电气控制132.2 矿井提升机及电机的选型152.2.1 矿井提升机152.2.2 箕斗的选定162.2.3 预选提升电机172.2.4 参数计算172.2.5 电机容量校核212.3 变频调速系统222.3.1 变频器222.3.2 变频调速基本原理242.3.3 变频器的选型252.3.4 变频器主电路设计及参数设定27第3章 矿井提升机变频调速系统软件设计303.1 提升机PLC控制要求303.2 程序设计30第4章 系统抗干扰措施354.1 PLC的抗干扰354.2 变频器的抗干扰及其防止36结论37谢 辞39参考文献40附录41外文资料翻译42前言本文以某煤矿主立井提升机调速控制系统为工业背景，在已经非常成熟但调速方法比较落后的交流拖动技术基础上，通过基于PLC的变频控制技术在矿井提升机行程、速度和制动控制中的应用，阐述了新型矿井提升机调速控制系统的设计与应用情况。 本设计的主要工作有：矿井提升机调速控制系统的设计；调速控制系统硬器件的选型； 调速控制系统软件部分的设计；对所设计的系统进行分析。目前国内提升机的调速控制系统绝大多数还是在电机转子回路串入电阻分段控制的交流绕线式电机继电器接触器系统。这种控制方式设备陈旧、技术落后，存在着很多的问题：在转子回路串接电阻，消耗大量电能，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。系统的安全性、可靠性不高，容易发生事故。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，最后导致停车位置不准，不能正常装卸载。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、安全性、经济性和高效性得到提高。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。本设计从解决实际矿井提升机调速控制系统的问题出发，控制单元采用目前工控适用的PLC来控制；电力拖动系统中，选用先进的变频传动装置；优化了矿井提升机调速控制系统的性能。甩掉了原电控调速用的交流接触器及调速阻，提高了系统的可靠性，改善了操作人员的工作环境，使噪音及室温降低了很多；调速连续方便，分段预置频率，能根据负荷情况连续平滑调节转速，无机械冲击现象；实现了低频低压的软起动和软停止，使停车运行更加平稳；启动及加速过程冲击电流小，可以实现提矿井升机在重载下从低速平稳无级平滑地升至最高速。目前，这一控制方法为现代交流调速中比较先进的调速控制方式之一。 安全、可靠、经济、高效的矿井提升机调速控制系统设计是本设计的追求目标。第1章 矿井提升机变频调速系统的设计1.1 矿井提升机对电气控制系统的要求提升机控制系统方案的选用应满足生产工艺的要求速度。所以需要先来分析提升机电控系统的静、动态特性。提升机电气传动系统的给定速度u=f(t)，根据动力学方程式Td=Te-Ti= Tn *e/375式中 Te-电动机电动力矩;Ti-传动系统的静阻转矩;Tn-传动系统的飞轮力矩，Tn=4gJ，其中J为转动惯量(·)，g为重力加速度，Td-传动系统的动态转矩,e-加速度。可以得出按给定速度图所需转矩Te=f(t)的特性，从而可以得到拖动系统所需的力F=f(t)。提升机的负载静力FL决定于提升机滚筒承受的静张力差，在双罐笼的平衡提升系统中，静力凡也就是提升物体的净载重。由于提升系统的负载为位势负载，所以静力FL的作用方向始终是提升重物的重力方向，而与系统的运动状态和方向无关。因此在电动机不带电时，为了使重的罐笼处于静止状态(便于罐笼的装卸载)，对滚筒必须施加机械闸。要使提升机按照给定的速度图运行，电动力矩Te可能为正，也可能为负。这意味着电动机不仅要工作在电动状态，还应能工作在制动状态。由于不同的负载，不同的提升机运行阶段，电动机的运行状态也各不相同。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:(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a0.75m/s2，升降物料时，加速度a1.2m/s2,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(加速、减速、等速、爬行等)(3) 有较好的起动性能。提升机不同于其他机械，稳定运行的要求。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，确保系统安全运行.尽量节约能源和降低运转费用。1.2 提升机调速控制系统方案设计1.2.1 控制单元基本原理 我国提升机设备中，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。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。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，突出表现在:(1) 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。(2) 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。(3) 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。(4) 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.(5) 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。是可编程序逻辑控制器，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的输入喻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1-1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1-1 可编程控制器控制系统框图 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.如果采用PLC技术对TKD-A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。1.2.2 调速基本原理矿井提升机，从电力拖动而言，可分为交流拖动和直流拖动两大类。我国目前正在服务的矿井提升机的电控系统中，属于交流拖动的有转子电路串电阻的调速系统:属于直流拖动的有直流发电机与直流电动机组成的G-M调速系统和晶闸管整流装置供电的V-M调速系统。直流拖动系统一般采用他励电动机作为主拖动电机，它具有调速性能好，低速阶段运行稳定，在加速，减速和低速运行时的电耗小，容易实现自动化控制等优点.根据供电方式的不同，直流拖动系统又可分为两类，一类是发电机组供电的系统(简称G-M系统)，一类是晶闸管供电的系统(简称V-M系统)。G-M系统的特点是过载能力强，所需设备均为常规定型产品，供货容易，运行可靠，维护工作量大但是技术要求不高，对系统以外的电网不会造成有害的影响，即不会引起电力公害等。与G-M系统相比，V-M系统具有以下优点:功率放大倍数高，G-M系统的功率放大倍数在101左右，V-M系统可高达104，比G-M系统高三个数量级;快速响应性好，G-M系统为秒级，V-M为毫秒级，因而动态品质快速性能较好;功耗小、效率高，G-M系统平均效率为75%左右，V-M系统可达85%左右，比G-M系统效率提高10%以上;调速范围大，由于剩磁影响，G-M系统在调速时转速受到限制，而V-M系统调速时速度从零到最大速度都能控制，运行可靠。直流拖动系统具有调速性能好的特点，是交流拖动系统无法相比的。而V-M系统由于具有以上一些突出的特点，因此，目前在大型提升机方面，世界各国大多采用直流拖动方案，尤以V-M系统为主。但是根据国内生产实践经验表明，V-M系统尚存在以下缺点:(1) 晶闸管元件的过载能力(过电压、过电流)较低，因此在矿井提升机系统中作为供电元件时，为了适应瞬时过载(例如提升机的加速阶段)的需要，通常将元件的容量和耐压等级都相应增大，或者增加使用的晶闸管元件数量，使元件作串联或并联运行，即使用的元件在正常负载时处于低负载(降级使用)，以确保在过载的加速阶段，晶闸管元件的负载仍然在额定负载的范围内，不致由于出现过负荷时使晶闸管元件烧毁。但由于这种降级使用，也给生产维护上增加了困难。(2) 有冲击性的无功功率。由于高次谐波的影响，使电网电压的波动加大并导致畸变，即所谓引起“电力公害”:同时低速时功率因数也较低。目前,在我国使用的多绳摩擦轮提升机，G-M直流拖动占一定比例，而进口的直流拖动提升系统，则全部采用V-M系统。传统的串电阻交流拖动系统具有结构简单，坚固耐用，占地面积小，维护方便，运行可靠价格低廉，设备供货容易，安装调试周期短等优点.主要缺点是启动阶段电能损耗较大，当用于要求频繁启动或不同运行速度的多水平提升机时就更为不经济。但用于单水平提升时，其提升效果实际上与用发电机组供电的直流拖动系统相当。此外在调速性能方面，交流拖动系统一般不如直流拖动系统优越，但选用了动力制动、低频制动、可调机械闸、负荷测量、计算装载等辅助装置后，交流拖动系统亦可获得满意的调速性能。综上原因，交流拖动系统在我国中小型矿山或者中等深度以下矿井获得了广泛应用。目前交流调速最有前途的是变频调速技术，在变频调速技术中矢量控制和直接转矩控制都能满足提升机恒转矩负载这一特征，所以在提升机调速系统中这两种调速方案将是重要发展方向。1.2.3 系统设计基于PLC控制的大功率矿井提升机变频调速控制系统由主控系统、变频系统、液压站、润滑站、操作台、安全保护和控制监视系统组成。系统框图如图1-2所示图1-2 提升机控制系统框图 各部分功能如下（1）主控系统系统的主控系统使用PLC集成高速计数输入口以及特殊高速计数模块相结合，对分别安装于电机轴、辊筒主轴、天轮的四个编码器数据进行采集，同时监视速度、深度以及判断松绳；A/D模块采集现场液压站及润滑站的油压、油温等信号;在井筒及深指器各阶段安装行程开关，用以确定罐笼位置，并相互校验，达到停车位的精确控制。程序编制满足提升机自动、半自动、手动、验绳、调绳等工作方式，并可方便的转换;满足提升阶段(如加速、减速、等速、爬行等)稳定运行的要求。（2）变频调速系统调速系统采用德国制造西门子变频器，性能优越，采用矢量控制技术适合提升机工作环境，只需在控制单元给出对变频器的控制命令(正转、反转、多段速等)即可使提升机按照设定的速度曲线运行，满足提升阶段稳定运行的要求。变频调速装置本身具有过压、欠压、过流、过负荷、缺相、超温等保护，同时配合来自现场的各种信号传感器的监视及相应处理，可实现绞车过卷、过速、减速、限速等重要保护的双线制保护功能，满足煤矿安全规程要求。在变频器系统中输出闸控信号到PLC，要求只有在变频的输出转矩达到一定值的时候才可以松闸，这样会避免竖井提升机启动时发生溜车现象。（3）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，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。（4）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。（5）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。（6）安全保护本系统设有一条硬件安全电路和两条软件安全电路，这三条安全电路相互冗余与闭锁，一条断开时，另两条也同时断开。硬安全回路通过硬件回路实现，无论PLC单元是否正常工作，一旦出现重度故障信号，硬安全回路马上断开;软安全回路分别在两套PLC软件中搭建，与硬安全回路相同并且同时动作。安全电路断开后，系统会立即解除运行控制指令，封锁变频器，制动油泵，断开安全阀和KT线圈，进行紧急制动。安全保护功能齐全，设有过卷、等速超速、定点超速、PLC 编码器断线、错向、传动系统故障及自动限速等保护功能。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。第2章 矿井提升机变频调速系统的硬件设计2.1 PLC的设计2.1.1 PLC简介可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的命令，并通过数字式模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充功能的原则而设计。具有其他工业设备难以具备的特点：PLC具有以下特点:(1)可靠性高，抗干扰能力强。用程序来实现逻辑顺序和时序，最大限度地取代传统继电-接触器系统中的硬件线路，大量减少机械触点和连线的数量。单从这一角度而言，PLC在可靠性上优于继电-接触器系统是明显的。在抗干扰性能方面，PLC在结构设计、内部电路设计、系统程序执行等方面都给予了充分的考虑。例如，对主要器件和部件用导磁良好的材料进行屏蔽、对供电系统和输入电路采用多种形式的滤波、I/O回路与微处理器电路之间用光电耦合隔离器、系统软件具有故障检测功能、信息保护和恢复、循环扫描时间的超时警戒等。(2)灵活性强，控制系统具有良好的柔性。当生产工艺和流程进行局部的调整和改动时，通常只需要对PLC的程序进行改动，或者配合以外围电路的局部调整即可实现对控制系统的改造。(3) 编程简单，使用方便。第一编程语言(梯形图)是一种图形编程语言，与多年来工业现场使用的电器控制图非常相似，理解方式也相同，非常适合现场人员学习。(4) 控制系统易于实现，开发工作量少，周期短。由于PLC的系列化、模块化、标准化及良好的扩展性和连网性能，在大多数情况下，PLC系统是一个较好的选择。它不仅能够完成多数情况下的控制要求，还能够大量节省系统设计、安装、调试的时间和工作量。(5) 维修方便。PLC有完善的故障诊断功能，可以根据装置上的发光二极管和软件提供的故障信息，方便地查明故障源。而由于PLC的体积小，并且有些采用模块化结构，因而可以通过更换整机或模块迅速排除故障。(6) 体积小，能耗低。由软件实现的逻辑控制，可以大量节省继电器、定时器的数量。一台小型的PLC，只相当于几个继电器的体积，控制系统所消耗的能量也大大降低。(7) 功能强，性价比高。PLC所提供的软元件的触点可以无限次使用，方便地实现复杂的控制功能。同时，PLC的连网通信功能有利于实现分散控制、远程控制、集中管理等功能，与同等规模或成本的继电-接触器控制系统相比，无论其功能和性能，都具有无可比拟的优势。2.1.2 PLC的选型 在矿井提升机电控系统中，由于系统本身的特点，决定了系统对精度要求并不是特别高，对于响应时间的要求也并不高，达到毫秒级就可以。在满足基本要求的前提下，PLC选型主要从经济性、适应性、可扩展性及网络通讯性能等方面综合考虑。通过系统综合考虑，本系统选择三菱FX2N-80MR型PLC。本型号PLC基本单元的输入点和输出点均为40点，再选用1块模拟量输入模块和1模拟量输出模块，即可满足要求。FX2N系列PLC经济、小巧，从功能上完全满足本系统的使用要求，其内置高速计数器，可满足系统轴编码器采样的高速计数要求，而不需增加额外成本。而且，AC电源、DC输入型的内装DC24V电源可作为传感器的辅助电源。基本单元采用易于维修的装卸端子台。标准型内装8K步有备用电池的RAM存储器。另外，若采用可选的存储卡盒，最大可扩展到16K步。关于存储器的类型，可以选用RAM、EEPROM和EPROM。FX2N内含计时功能，可以进行时间控制。PC使用A7PHP/A7HGP、A6GPP/A6PHP相对应的编程软件，可以在RUN时改变程序。通过设定参数可以确保编程存储器内元件的注释区域。此外还有具有利用可输入汉字的外围设备给程序加汉字注释的显示功能。为防止顺控程序被写入或盗用，可以对程序存储器设定3级保护。具有丰富的输入输出扩展设备：继电器输出、三段双向可控硅开关元件输出、晶体管输出；丰富的特殊扩展设备：模拟输入输出设备、温度传感器输入、热电偶输入设备、1轴定位设备、双轴（内插）定位设备、脉冲输出设备、高速计数器、并联连接、NELSCLNET/MINI-S3连接设备、RS485通信设备、RS232通信设备、ID机器连接设备、模拟量模块等。FX2N系列PLC是FX家族中比较先进的类型。FX2N系列具有如下优点：最大范围的包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为提升机的自动化控制提供最大的灵活性和控制能力。灵活的配置 除了具有满足特殊要求的大量特殊功能模块外，六个基本FX2N单元中的每一个单元可扩充到256个I/O口。控制点数从16至256点。高速运算 基本指令：0.08/指令；应用指令：1.52至几百/指令突出的寄存器容量 FX2N系列包括8K步内置RAM寄存器，用一个寄存器盒可扩充到16K步RAM或EEPROM。丰富的元件资源 3072点辅助继电器、256点计时器、235点计数器和8000点数据寄存器。2.1.3 PLC外围电气控制电源回路电源部分采用双回路供电模式，电源柜主要是给变频柜和动力柜供电，同时用来进行过流保护和电压、电流测量。并且将操作台中的主电源上电开关串入变频柜送电断路器的失压脱扣线圈中，用来实现紧急停车。动力柜主要是给油泵、风机和操作台供电，同时具有断相、缺相、过流保护和电机过热保护。操作台采用UPS电源供电。手柄控制在操作台上安装有手柄（主令手柄、制动手柄），类似于旧型设备的操作手柄，操作方便简单，使司机不需长时间培训及适应便可熟练操作。主令手柄采用手柄输出±10V迸行无级变频调速，在输出模拟量的同时，在手柄相应的操纵角度上加上光电开关触点，可以输入开关信号到变频器上的速段控制接入口，达到控制限制。如在起始。触发一个继电器，继电器输入信号给第一速段控制口激活第一速段，只需在变频器上设置相应的速度即可，同时可设置后一个开关的触发角度如。，既可激活第二速段，电机既可运行在第二速段。制动手柄采用手柄输出0-10V信号进行制动控制，在输出模拟量的同时，在手柄相应的操纵角度上加上光电开关触点，可以输出紧闸和松闸的开关信号到PLC上控制施闸。模拟量输入到PLC的模拟量数入模块，同时输出到端子。在正常情况下，由PLC的模拟量数出来确定给制动装置给定；在应急状态下，或者PLC出现故障时还可以直接将给定量送入制动装置，完成制动。安全回路安全回路用于防止和避免提升机发生意外故障。硬安全回路通过硬件回路实现，无论PLC单元是否正常工作，一旦出现重度故障信号，硬安全回路马上断开。本系统安全回路采用两个接触器并联使用，以提高系统的安全性能，在安全回路中串有很多保护触头，当提升机发生故障时，故障对应的保护触头动作，ACI和AC2断电，系统会立即解除运行控制指令，封锁变频器、制动油泵，断开安全阀，进行紧急安全制动。只有安全回路始终保持接通状态，矿井提升机才能正常工作。一旦主电失压安全回路就会断开，实施安全制动。矿井提升机机械闸装有闸瓦磨损开关，当闸瓦磨损到一定程度或弹簧疲劳到一定程度时，安全回路断开，进行安全制动。过卷是指提升容器在停车位置没有停止运行，超过了停车位置的现象。发生这种现象时，过卷开关动作，使安全回路断开，实现安全制动。矿井提升机在运行过程中若发生松绳现象，很容易发生断绳事故。当发生松绳现象时，经过短暂调节后，若没有消除松绳现象，安全回路断开，进行安全制动。2.2 矿井提升机及电机的选型2.2.1 矿井提升机矿井提升设备的主要组成部分是：提升容器、提升钢丝绳、提升机（包括拖动系统）、 井架（或井塔）、天轮、导向轮及装卸载设备等。 由于井筒条件（竖井或斜井）及选用的提升容器和提升机类型的不同，可组成各有特点的矿井提升系统。常见的提升系统有：竖井单绳缠绕式箕斗提升系统、竖井单绳缠绕式罐笼提升系统、竖井多绳摩擦式箕斗提升系统、竖井多绳摩擦式罐笼提升系统、斜井箕斗提升系统、斜井串车提升系统。矿井提升机是一个完整的机械-电气系统，其主要由以下几部分组成。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、调绳离合器等组成。 制动系统 液压制动系统装置包括制动器和液压传动装置，是提升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。制动装置的可靠性直接关系到提升机的安全运行。 提升机制动器的功能就是刹住提升机卷筒，使提升机停止运行。 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。减速器的作用是减速和传递动力，联轴器是用来联接提升机的旋转部分，并传递动力。 润滑系统 润滑系统是在提升运行过程中，不间断地向轴承及啮合齿面压送润滑油，以保证轴承和齿轮的正常工作。润滑系统必须与自动保护系统和电动机联锁，即润滑系统失灵时，主电动机断电，确保机器的正常工作。 观测和操纵系统 观测和操纵系统包括斜面操纵台，深度指示器以及测速发电机。深度指示器的作用是显示提升容器的运行位置，容器接近井口卸载位置和井底停车场时，发出减速和制动信号。 拖动控制和自动保护系统 拖动控制和自动保护系统包括拖动电动机、变频器、PLC电气控制系统和自动保护系统。矿井提升机自动保护系统的作用是：在司机不参与的情况下，发生故障时能自动将主电动机断开并同时进行安全制动从而实现对系统的保护。2.2.2 箕斗的选定提升高度经济提升速度一提升循环估算时间初估加速度每小时提升次数每小时提升量取提升不平衡系数,提升能力富裕系数。考虑为以后矿井生产能力的加大留有余地，选择名义装载重量为的箕斗，其主要技术规格如下：自重；全高；有效容积；容器间中心距；实际载重量。 根据煤矿安全规程规定，考虑到实际的提升速度低于，取过卷高度，天轮直径，确定井架高度。2.2.3 预选提升电机确定电机额定转数考虑到箕斗容积选用较大，故预定同步转数。预选电机功率由可估定电机额定转数，则实际最大提升速度则电动机功率取矿井阻力系数，减速器传动效率，动力系数。根据以上计算，选择YR-800-12/1430绕线型异步电动机，其主要技术规格如下：额定功率，额定电压，额定转数，电动机效率，过载能力，飞轮惯量。电动机额定拖动力2.2.4 参数计算提升系统变位质量计算1)电动机转子变位质量2)提升机（包括减速器）变位质量3)天轮变位质量4)钢丝绳变位质量5)容器变位质量6)荷载变位质量则运动学参数计算1)主加速度的确定按电动机过负荷能力取钢丝绳重按减速器允许最大输出动扭矩根据以上结果，为减轻动荷载，提高机械部分和电动机运行的可靠性，的取值应该留有余量，固本设计取。2)减速度的确定 为了控制方便和节能，首先考虑自由滑行方式减速。当偏大（小）时，再考虑电动（机械制动）方式减速。按自由滑行方式确定自由滑行方式偏低，故应该考虑机械制动方式。由此确定。3)初加速度取箕斗脱离卸载曲轨时的速度，卸载曲轨长度。4)初加速时间5)主加速时间6)主加速行程7)减速时间8)减速行程9)爬行时间式中取爬行距离，爬行速度。10)等速行程11)等速时间箕斗卸载休止时间由表中查得箕斗的。12)一次提升循环时间13)提升能力校核，实际年提升能力动力学参数计算1)初加速开始2)初加速终了3)主加速开始4)主加速终了5)等速开始减速阶段采用了机械制动，电动机已经断电，故不计入。6)爬行开始7)爬行终了2.2.5 电机容量校核等效时间计算等效力 电动机等效功率工作过负荷校验特殊过负荷（调节绳长时）根据以上校验结果可知，预选的电机能满要求，可以用。2.3 变频调速系统2.3.1 变频器 变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器。变频器就是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因素、过流/过压/过载保护等功能。变频器系统结构示意图，如图2-1所示图 2-1 高压变频调速系统结构图变频器主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器主要由整流器、平波电路、逆变器、控制电路四大部分组成，整流器将工频电源变为直流电，平波电路吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动，逆变器将直流电变换为工作所需的交流电，控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。交流电动机变频调速控制技术大体经历了以下几个发展阶段：U/F=C的正弦脉宽调制(SPWM)控制方式 其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。 电压空间矢量(SVPWM)控制方式 它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。 矢量控制(VC)方式 矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流、通过三相二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流、，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流、(相当于直流电动机的励磁电流；相当于与转矩成正比的电枢电流)，然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。直接转矩控制(DTC)方式 1985年，德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制变频技术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前，该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。 直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机等效为直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。矩阵式交-交控制方式 矩阵式交-交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为1，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。该技术目前虽尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深入研究。其实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来实现的。2.3.2 变频调速基本原理由电机学的基本公式: 式中电动机定子绕组的磁极对数p一定，改变电源频率f，即可改变电动机同步转速。异步电动机的实际转速总低于同步转速，而且随着同步转速而变化。电源频率增加，同步转速n0也增加，实际转速也增加；电源频率下降，同步转速n0也下降，电机转速也降低，这种通过改变电源频率实现的速度调节过程称为变频调速。 在变频调速领域，异步电机的控制方式多种多样，但从转矩的响应性和过渡特性来看，变频调速的控制方式分为以下几种:（1）V/F控制V/F控制是交流电机最简单的一种控制方法，通过控制过程中始终保持V/F 为常数，来保证转子磁通的恒定。然而V/F控制是一种开环的控制方式，速度动态特性较差，电机转矩利用率低，控制参数(如加/减速度等)还需要根据负载的不同来进行相应的调整，特别是低速时由于定子电阻和逆变器等器件开关延时的存在，系统可能会发生不稳定现象.这种控制方式多用于调速精度不高的场所。（2）转差频率控制转差频率控制是检测异步电动机的转速，对转差频率采取闭环控制.与V/F控制相比，调速精度要求较高，且系统容易稳定，即能在宽广的调速范围内，将电动机的转矩、功率因数及效率控制在最佳状态。但是采用此法的电动机调速系统只能是单机运行，同时转差频率控制未能实施对电机瞬时转矩的闭环控制，尽管这种系统的静态精度较高，但由于快速性较差，故适用于对响应的快速性要求不高的系统。（3）矢量控制矢量控制是一种建立在转子磁链定向的基础上，通过一系列的坐标变换，实现电机定子电流转矩分量和磁通分量的解耦的控制方法，可以将作为控制对象的感应电机当作直流电机来进行控制，实现对瞬时转矩的控制。目前，实用中多采用转差频率矢量控制，由于其没有实现直接磁通的闭环控制，无需检测出磁通，因而容易实现。但是其控制器的设计在某种程度上依赖于电机的参数，为了减少控制上对电机参数的敏感性，已经提出了许多参数辨识、参数补偿和参数自适应方案，收到了较好的效果。(4) 直接转矩控制直接转矩控制(DTC)也是一种转矩闭环控制方法，其克服了坐标变换和解耦运算的复杂性，直接对转矩进行控制，通过转矩误差、磁通控制误差，按一定的原则选择逆变器开关状态，控制施加在定子端的三相电压，调节电机的转速和输出功率，达到控制电机转速的目的。由于DTC直接着眼于转矩控制，对转子参数变化表现为状态干扰而非参数干扰，DTC方法比矢量控制方法具有较高的鲁棒性。但是DTC也存在不足之处，其最大的困难就在于低速性能不理想。2.3.3 变频器的选型矿井提升机构平均起动转矩一般来说可为额定力矩值的1.3-1.6倍。考虑到电源电压波动因素及需通过125%超载试验要求等因素，其最大转距必须有1.8-2倍的负载力矩值，以确保其安全使用的要求。等额变频器仅能提供小于150%的超载力矩值，为此可通过提高交频器容量或同时提高变频器和电机容量来获得200%的力矩值。此时变频器容量为式中电机功率因数，提升额定负载所需功率，电机效率变频器容量，系数，提升机构变频器容量依据负载功率计算，并考虑2倍的安全力矩。若用在电机额定功率选定的基础上提高一挡的方法选择变频器的容量，则可能会造成不必要的放容损失。在变频器功率选定的基础上再作电流验证，公式如下：式中变频器额定电流，电动机额定电流。根据以上各种因素，本设计选用山东新风光JD-BP37-T系列高压提升机专用变频器。JD-BP37/38系列高压提升机变频调速系统，以高可靠性、易操作、高性能为设计目标，满足用户对于异步交流电动机类机械调速节能、改善生产工艺的迫切需要，本调速系统适配各种通用三相异步电机。JD-BP37系列高压提升机变频调速系统采用新型IGBT功率器件，全数字化微机控制。具有能量回馈和矢量控制功能，可用于带载启动、转速和转矩波动范围大，需要能量回馈、或频繁加减速或正反转的负载场合，如矿井提升、轧机、卷扬机、球磨机、搅拌机、皮带传输机等场合。JD-BP37系列高压提升机变频器主要特点：高压主回路与控制器之间为多路光纤连接，安全可靠；全中文WINDOWS操作界面，彩色液晶触摸屏，安装、设定、调试简便，功率电路模块化设计，维护简单；高-高电压源型变频器，直接6KV/10KV输入，直接6KV/10KV输出，不需要输出变压器；可满足电动机的四象限工作要求；输入功率因数高，电流谐波少，无须功率因数补偿/谐波抑制装置；输出阶梯SPWM波形，无须输出滤波装置，对电缆、电机绝缘无损害，谐波少，减少轴承、减速器等的机械振动；内置PLC，易于改变控制逻辑关系，适应多变的现场需要；自带冷却风机，完善的变频器参数设定功能，优异的性能/价格比。具备RS485通讯接口，标准Modbus/Profibus 等通信规约，可实现远程监视，可接受和输出05V/420mA工业标准信号；完整的故障监测电路、精确的故障定位和报警保护。回馈制动：回馈制动采用的是有源逆变技术，将再生电能逆变为与电网同频率同相位的交流电回送到电网，从而实现制动。要实现回馈制动，就必须要将回馈电能进行同频同相控制、回馈电流控制等条件，才能将回馈电能安全送达电网中。在变频调速系统中，电动机的降速和停机，是通过逐渐减小频率来实现的。提升机减速制动时，在频率刚减小的瞬间，电动机的同步转速随之下降，而由于机械惯性的原因，电动机的转子转速未变，这时会出现实际转速大于给定转速，从而产生电动机反电动势高于变频器直流端电压的情况，这时电动机就变成发电机，非但不消耗电网电能，反而可以通过变频器专用型能量回馈单元向电网送电，这样既有良好的制动效果，又将动能转变化为电能，向电网送电而达到回收能量的效果。交流制动：本提升机专用变频器，交流制动对提升系统的安全运行起到重要作用，当重车在中间停车时，检测到停机信号后给控制器发出信号，让提升机由高速平滑地降到低速，待PLC检测到机械制动起作用的信号后，PLC发出信号让控制器去掉交流制动信号，使提升机靠机械抱闸装置起作用。启动时，先对提升机施加一交流制动信号，建立启动力矩，待检测到机械抱闸信号后发出信号给控制器去掉交流制动信号，然后由控制器加上启动电压让提升机开始转动。2.3.4 变频器主电路设计及参数设定 变频器可以输出频率可调的交流电源，在变频器的控制输入回路中接入频率设定电路，本系统中通过PLC输出电压信号(012 V)来控制变频器的频率。另外在变频器的外围加设有声光报警输出口及制动单元，能够实现变频器故障报警和安全制动，更有效的对控制系统进行安全保护。 变频调速主控电路如图2-2所示。图2-2变频调速主控电路图声光报警回路：变频器报警输出的动断（常闭）触点30B-30C串联在KM1的线圈电路内，当变频器因故障不能正常工作时，报警输出的常闭触点动作，使KM1线圈失电，将变频器与电源断开，进行安全保护。为了保护报警输出的触点，在接触器的线圈两端，并联阻容吸收电路（即RC震荡电路）。同时（常开）触点30B-30C闭合，将报警指示灯HL和电笛HA接通，进行声光报警。与此同时，断电器KA1得电，其触点将声光报警电路自锁，使变频器断电后，声光报警能持续下去，直到工作人员按下ST1停为止，报警才能解除。制动控制回路：提升机负载由于惯性较大，当变频器的输出频率下降至0Hz时，常常停不住，而有“蠕动”(也称爬行)现象，在矿山提升机这种大负载机械中，蠕动现象有可能造成十分危险的后果。为此，变频器调速时应设置能耗制动和直流制动功能。有关功能的参数系统存储在装置中的参数组的结构菜单中，因而，一个菜单代表装置全部参数中的一套参数，一个参数有可能列入几个菜单。参数表指明一个参数作列入的菜单，通过配置给每个菜单的菜单号，使其赋值生效。参数设置步骤分为三类:(1) 参数恢复到工厂设置工厂设置时装置所有参数被定义的初始状态，装置在这个设置下进行供货。(2) 应用参数设置步骤简单应用的参数设置常用于已准确了解装置的应用条件且无需测试以及需要相关扩展参数进行补充的情况:(3) 用的参数设置专家应用的参数设置经常用于实现不能确定了解装置的使用条件且具体的参数调整必须在本机上完成的情况。在参数设置中用到的是专家应用、专家应用的参数设置主要分为以下几个步骤:功率部分的定义(P060=8)、电子板的定义(P060=4)、系统定义(P060=5)、功能调整。第3章 矿井提升机变频调速系统软件设计3.1 提升机PLC控制要求1) 提升机速度(PLC)控制方式提升速度的给定方式有两种:一种是给定速度为时间的函数，v=f(t);另一种是给定速度为行程的函数，v=f(s)。为了提高提升机运行速度控制的精度，在速度给定电路中增加了加速变化率限制环节，即不但要限制加速度，而且还要限制加速度的变化率。为了提升机运行的安全可靠，采用行程给定和时间给定串级连接。在速度图中不出现折线，实现S形速度给定曲线。2) 提升机行程(PLC)控制方式通过井筒开关、旋转编码器检测提升行程。