基于PLC矿井提升机变频调速系统毕业论文

毕业设计（论文）（说 明 书）题 目：基于PLC矿井提升机变频调速系统设计 姓 名： XXX 编号：XXXXXXXXXXXXXX2013 年 5 月 10 日XXXXXXXXXX毕业设计 （论文） 任 务书 XXX 专业任 务 下 达 日 期 2013 年 3 月 4 日设计（论文）开始日期 2013 年 3 月 11 日设计（论文）完成日期 2013 年 5 月 17 日设计（论文）题目： 基于PLC矿井提升机变频调速系统设计 A编制设计B设计专题（毕业论文）指 导教师 XXX 系（部）主 任 XXX 2013年 5 月24日XXXXXXXXX毕业设计（论文）答辩委员会记录XXX系 XXX 专业，学生 XXX 于年月日进行了毕业设计（论文）答辩。设计题目： 基于PLC矿井提升机变频调速系统设计 专题（论文）题目： 基于PLC矿井提升机变频调速系统设计指导老师： XXX 答辩委员会根据学生提交的毕业设计（论文）材料，根据学生答辩情况，经答辩委员会讨论评定，给予学生毕业设计（论文）成绩为 。答辩委员会人，出席人答辩委员会主任（签字）：答辩委员会副主任（签字）：答辩委员会委员：， ， ， 36 / 43XXXXXXX毕业设计（论文）评语第页共页学生： XXX 专业XXX 年级 2010 毕业设计（论文）题目： 基于PLC矿井提升机变频调速系统设计 评阅 人：指导教师： XXX （签字） 年 月 日成 绩：系（科）主任： （签字） 年 月 日毕业设计（论文）与答辩评语：摘要本设计在原有的继电器接触器电控系统的基础上，对提升机的电控系统进行了改进。改用PLC控制，与传统的继电器接触器电控系统相比，调速时的能耗大大降低，运行效率也有很大的提高，而且减少了维修的成本。如果需要改变系统的装置，可以直接在计算机上相应的梯形图进行修改，不像传统的电控系统，需要改变很多继电器，接触器的接线，这在无形之中就节省了大量的劳动力和时间，进而提高了劳动生产率。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，在整个调速围均有很高的效率，节能效果明显。在矿井提升机控制系统研究中，采用变频器和可编程控制器相结合的方法，在使用过程中实现了变频调速，换向等功能，使运行更加平稳可靠。适应围广，节能效果更加明显。通过对已改造的提升机设备进行调研以与相关文献的阅读可以看出PLC控制的变频调速提升机有明显的社会效益和经济效益。关键词： 矿井提升机，变频调速， PLC，控制系统目 录摘要1第一章概述11.1系统设计的目的与意义11.2 矿井提升机的国外发展研究现状21.2.1 国外矿井提升机的现状21.2.2 国提升机的现状与发展趋向21.3设计方案分析与确定41.3.1拖动与调速方案分析41.3.2控制方案分析与确定4第二章主要元部件的选择92.1可编程控制器（PLC）的选择92.1.1 S7-200系列西门子PLC的基本特点92.2 变频器的选择112.2.1 MM440通用变频器的简介112.2.2 MM440变频器的工作原理与其调速原理122.2.3变频器MM440的控制面板132.2.4 MM440通用变频器的参数设置142.2.5变频器各端子说明152.3 电动机的选择16第三章系统硬件设计183.1 矿井提升机控制系统的主回路183.1.1系统主回路原理图183.1.2 PLC与变频器的接线图183.2 变频调速主控电路接线193.3矿井提升机控制系统的控制回路20第四章系统软件设计224.1提升速度图与分析224.2 控制程序流程图224.3梯形图编制234.3.1 梯形图的编程原则234.3.2 系统梯形图244.4 调试过程314.5系统抗干扰措施31第五章人机交互界面335.1 触摸屏概述335.2 PWS3261触屏简介335.3触摸屏在矿井提升机控制系统中的应用33第六章结论35参考文献37致38第一章 概述1.1系统设计的目的与意义矿井提升机常被人们称为矿山的咽喉，是矿山最重要的设备，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，这种系统存在着很多的缺点。因此对矿井提升机控制系统进行研究具有现实意义，也是国外相关行业专家学者的一个研究课题。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，其中主要是提升机与其控制和安全设备，也同样要面临着这一必经之路。多年来，矿井提升机与其拖运、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与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。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、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，在整个调速围均有很高的效率，节能效果明显。在矿井提升机控制系统设计中，采用变频器和可编程控制器相结合的方法，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，优化了调速系统的性能，在使用过程中实现了变频调速，换向等功能，使运行更加平稳可靠。适应围广，节能效果更加明显。通过对已改造的提升机设备进行调研以与相关文献的阅读可以看出PLC控制的变频调速提升机有明显的社会效益和经济效益。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，设置双回路系统，并在系统的各个环节上设有各种检测、控制、自诊断以与记录和保护装置(如负载、速度、加减速、产量、运行时间等记录)。1.2 矿井提升机的国外发展研究现状矿井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，提升设备与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、微电脑技术在矿井提升机控制中的应用已成为必然的发展。1.2.1 国外矿井提升机的现状矿井提升机作为矿井运输系统的主要运行形势之一，最早起源于英国、美国、德国等一些采煤技术发达的国家，五十年代已经大规模服务于煤炭行业。随着科学技术的发展，近三十年来，国外矿井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。上世纪七十年代德国西门子公司发明矢量控制的交直交变频原理后，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。特别要强调的是，此时期在国外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。1.2.2 国提升机的现状与发展趋向我国矿井提升机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，设备旧、技术落后，这种控制系统存在着操作复杂、故障率高、电能浪费大、调速性能差、运行效率低、控制精度低、安全保护和监测环节不完善、维修成本高等不足。就拖动方式而言，目前我国的矿井提升机主要有以下两种拖动方式：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。极少数提升机采用串级调速方法，其调速围窄，且投资大。图1-1为提升机的交流拖动原理图。图1-1 矿井提升机的交流拖动2. 直流拖动方式我国提升机采用直流拖动有两种系统:直流发电机直流电动机机和晶闸管直流电动机系统。对于我国的矿井提升机实现精度行程控制和制动控制系统安全可靠是一个急待解决的问题。总体来说，随着科学技术不断的发展和PLC可编程控制技术、变频技术的发展，我国近十年来关于矿井提升计算机控制系统的研究发展迅速,采用了先进的控制设备和控制策略,无论在驱动方式上还是控制技术上都取得了很大的进展,积累了大量的经验,取得了很大的成绩。提升机的直流拖动如图1-2所示。图1-2 矿井提升机的直流拖动 1.3设计方案分析与确定1.3.1拖动与调速方案分析1.拖动方案斜井提升是典型的摩擦性负载，即恒转矩特性负载。重车上行时，电机的电磁转矩必须克服负载阻转矩，起动时还要克服一定的静摩擦力矩，电机处于电动工作状态，且工作于第一象限，在重车减速时，虽然重车在斜井面上有一向下的分力，但重车的减速时间较短，电机仍会处于再生状态，工作于第二象限。当另一列重车上行时，电机处于反向电动状态，工作在第三象限和第四象限，另外有占总运行时间10%的时候单独运送工具或器材到井下时，电机纯粹处于第二或第四象限，此时电机长时间处于再生发电状态，需要进行有效的制动。经分析本文将采用交流绕线式电动机拖动，长期以来，我国广泛使用交流绕线式电动机拖动，与直流他励电动机拖动比较，其主要优点是：系统比较简单、设备价格较低；在加速阶段采用附加电阻调速，效果良好。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。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。提升机经过变频调速改造后，系统的工作过程变化不大，操纵杆控制电机正转三档速度和反转三档速度。不管电机正转还是反转，都是从矿井中将煤拖到地面上来，电机工作在正转和反转电动状态，只有在满载拖车快接近井口时，需要减速并制动。2.调速方案矿井提升机调速系统采用交流异步电动机拖动，其交流异步电动机转速公式为：n=60f/p(1-s)从上式可见，改变供电频率f、电动机的极对数p与转差率s均可达到改变转速的目的。PLC变频调速是一种理想的高效率、高性能的调速方法，从调速的本质来看，不同的调速方式无非是改变交流电动机的同步转速或不改变同步转速两种。在生产机械上广泛使用的调速方法中，不改变同步转速的有：绕线式电动机的转子串电阻调速、斩波调速、串级调速等。改变同步转速的有：变极对数调速，改变定子电压、频率的变频调速，无换向电动机调速等。经分析本文将采用改变定子电压、频率的变频调速的方案，近年来交流变频调速技术迅速发展起来，调速方式的不断进步使得运用于提升机系统的交流调速技术不仅仅局限于传统的转子串电阻方式，变频调速技术也越来越多地在提升机控制系统中广泛应用，充分发挥出交流调速的优势。此方案调速平滑，实施时采用闭环系统，机械特性较硬，调速围较宽。1.3.2控制方案分析与确定1、传统继电器接触器控制国大多继电器接触器式矿井提升机设备还是以磁放大器为核心组成模拟量闭环调节构成的，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。图1-3为继电器接触器控制系统框图。图1-3 继电器接触器控制系统框图而这种控制方式还存在着很多的问题：（1）使用大量继电器、接触器与其它分立电子元件使系统体积大、运行噪声大。（2）继电器、接触器频繁动作，电弧烧蚀触点，使用寿命短。 （3）在启动过程中由于罐笼的实际载重量不同，而使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，不能正常装卸载。 （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）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，比如先进的工业计算机、现场总线和工业自动化技术来控制，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，从而使之成为安全、可靠、高效率、自动化程度高的电控系统。2、PLC控制变频调速为了改善旧式提升机的不足，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。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。PLC控制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与相应处理，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。采用PLC控制变频调速，在最大限度满足生产设备和生产工艺对电气控制系统要求的前提下，力求运行安全、可靠、动作准确、结构简单、经济、电动机与电气元件选用合理，操作、安装、调试和维修方便。图14为可编程控制器（PLC）控制系统。其输入设备和输出设备与继电器控制系统一样，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容。图1-4 可编程控制器控制过程系统框图本次设计采用PLC控制变频调速系统，选用PLC和变频器的组合可完成数字量的输入，实现模拟量和数字量的输出控制。采用PLC技术，克服原继电器系统的不足，系统安全可靠，性价比提高，且控制程序可根据需要修改，对提高控制技术水平具有广阔的应用前景。通过对频率的调节来实现对速度的控制，使得速度变化更加平滑和实现精确调速。从解决实际矿井提升系统存在的问题出发，对传统的调速方案进行了控制方式的革新和数字化改造，降低了成本，提高了控制精度，加强了系统稳定性, 使速度变化更加平滑和实现精确调速。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。本文将提出的设计方案具有实用价值。适用、经济、高效、可靠是本文提升机系统设计的追求目标。基于PLC的矿井提升变频调速控制系统图如图1-5所示。图1-5 基于plc的矿井提升变频调速控制系统图基于PLC的矿井提升机变频调速控制系统由控制监视系统、操作台、PLC、编码器、变频器和液压站等系统组成。图1-6为矿井提升机变频调速控制的系统框图。图1-6 控制系统框图系统框图中部分系统功能如下：控制监视系统：是操作人员和控制系统与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，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。系统框图中用旋转编码器来测试电机的转速。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。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与制动力给定，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、停车以与紧急制动等各种控制功能。第二章 主要元部件的选择2.1可编程控制器（PLC）的选择PLC技术是工业自动化的重要手段，它可以实现逻辑控制、顺序控制、定时、计数、算数运算、数据运算、数据通信等功能，并且具有处分支、中断、自诊断能力。PLC技术的逻辑控制功能通过软件编程来实现，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。程序运行为周期性顺序扫描和集中批处理的工作方式，具有故障检测与诊断程序，可靠性极高。PLC控制系统为模块结构，维护更换方便，并可显示故障类型。因此本文决定采用PLC进行，并且保持原有的操作方式、按钮、开关的作用不变，以方便用户，缩短适应期。根据PLC的技术特点又可增加一些新的功能。S7-200系列西门子PLC家族中的成员之一，在西门子工控领域中占有重要的地位。S7-200系列PLC体积小，价格低廉，软硬件功能强大，系统配置方便，它一推向市场就在各行各业得到了广泛的应用。而S7-200系列的产品可以满足设计要求，因此本次设计以西门子公司的S7-200系列入手。S7-200可编程控制器（PLC）的基本结构如图2-1所示。图2-1 PLC的基本结构图2.1.1S7-200系列西门子PLC的基本特点PLC通电后，需要对硬件和软件做一些初始化工作。为了使PLC的输出与时地响应各种输入信号，初始化后PLC要反复不停地分段处理各种不同的任务，这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。整个扫描过程分为部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行、程序输出几个阶段，全过程扫描一次所需要的时间称为扫描周期。部处理阶段，PLC检查CPU模块的硬件是否正常，复位监视定时器等。在通信服务阶段，PLC与一些智能模块通信、响应编程器键入的命令、更新编程器的显示容等。当PLC处于停止(STOP)状态时，只进行部处理和通信操作服务等容。在PLC处于运行(RUN)状态时，从部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。可编程控制器（PLC）的诞生给工业控制带来革命性的飞跃，与传统的继电器控制相比有着突出的特点：(1)灵活性、通用性强继电器控制系统如果工艺要求稍有变化，控制电路必须随之作相应的变动，所有布线和控制柜极有可能重新设计，耗时且费力然而是利用存储在机的程序实现各种控制功能的。因此当工艺过程改变时，只需修改程序即可，外部接线改动极小，甚至可以不必改动，其灵活性和通用性是继电器控制电路无法比拟的。(2)可靠性高，抗干扰能力强继电器控制系统中，由于器件的老化、脱焊、触点的抖动以与触点电弧等现象是不可避免的，大大降低了系统的可靠性。而在控制系统中，大量的开关动作是由无触点的半导体电路来完成的，加之在硬件和软件方面都采取了强有力的措施，使产品具有极高的可靠性和抗干扰能力可以直接安装在工业现场稳定地工作。PLC在硬件方面采取电磁屏蔽、光电隔离、多级滤波等措施在软件方面采取警戒时钟、故障诊断、自动恢复等措施，并利用后备电池对程序和数据进行保护,因此被称为“专为适应恶劣的工业环境而设计的计算机”。(3)编程简单，使用方便PLC采用面向过程，面向问题的“自然语言”编程方式，直观易懂，主要采用梯形图和语句表编写程序，使得广大电气技术人员更易接纳和理解。同时设计人员也可根据自己的喜好和实际应用的要求选择其他编程语言。标准是编程语言的标准，除了梯形图和语句表之外，还存在顺序流程图、结构化文本和功能块图三种编程语言的表达方式。一个程序的不同部分可用任何一种语言来描述，支持复杂的顺序操作功能处理以与数据结构。(4)功能强大，可扩展PLC的主要功能包括开关量的逻辑控制、模拟量控制部分还具备控制或模糊控制功能、数字量智能控制、数据采集和监控、通信、联网与集散控制等功能。PLC的功能扩展也极为方便，硬件配置相当灵活,根据控制要求的改变，可以随时变动特殊功能单元的种类和个数，再相应的修改用户程序就可以达到变换和增加控制功能的目的。(5)控制系统易于实现、开发工作量少由于PLC的系列化、模块化、标准化与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。(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。2.2 变频器的选择从80年代初通用变频器问世以来，经过近20年，通用变频器更新换代了五次。第一代是80年代初模拟式通用变频器；第二代是80年代中期数字式通用变频器；第三代是90年代初智能型通用变频器；第四代是90年代中期的多功能型通用变频器；最近研制上市第五代集用变频器；通用变频器的发展情况可以从几个方面来说明：1通用变频器的应用围不断扩大。2通用变频器使用的功率器件不断更新换代。3通用变频器的控制技术性能达到了直流电机调速水平。目前国外变频调速技术发展较快，性能也非常好，在各行各业中得到了广泛的应用，如日本富士、瑞典ABB等变频调速系统应用领域非常广泛。国变频调速技术发展较慢，产品性能较差，很难满足连续化工生产的需求，而且无法实现闭环自动控制。因此国使用单位主要以进口为主，很少使用国生产的产品。变频器的基本结构如图2-2所示。图2-2变频器的基本结构本次设计变频器主要选用德国西门子公司研发、生产的交直交方式变频器系列MM440通用变频器,三相交流电源电压。2.2.1MM440通用变频器的简介变频器MM440系列（MicroMaster440）是德国西门子公司广泛应用与工业场合的多功能标准变频器。它采用高性能的矢量控制技术，提供低速高转矩输出和良好的动态特性，同时具备超强的过载能力，以满足广泛的应用场合。对于变频器的应用，必须首先熟练对变频器的面板操作，以与根据实际应用，对变频器的各种功能参数进行设置MM420变频器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。2.2.2MM440变频器的工作原理与其调速原理1. MM440变频器的工作原理我们现在使用的MM440变频器主要采用交直交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。图2-3 交-直-交变频器结构图异步电机的VVVF调速系统一般简称变频调速系统。由于在变频调速时转差功率不变，在各种异步电机调速系统中效率较高，同时性能也最好，故是交流调速的主要发展方向。交流调速系统的控制量最基本上是转矩、速度、位置，根据不同的用途适当组合可构成各种闭环系统。异步电动机定子对称的三相绕组入对称的三相交流电，在电机气隙会产生一个旋转磁场，从而形成一定的旋转速度。2. MM440变频调速的原理异步电动机定子对称的三相绕组入对称的三相交流电，在电机气隙会产生一个旋转磁场，其旋转速度为同步转速： (21)式中f1-定子绕组电源频率；P-电机磁极对数。异步电动机转差率： (22) (23)由上式可知，异步电动机调速方法有如下几种：变同步转速n0：变极p、变频f1。变转差率s：定子调压、转子串电阻、电磁转差离合器、串极调速。VVVF变频调速、矢量控制变频调速、直接转矩控制变频调速都是交-直-交变频调速中的一种。交流拖动中以改变转差率为目的调速方法有：定子调压调速、转子变电 阻调速、电磁转差离合器调速、串极调速等。图2-4为MM440变频调速系统接线图，检查电路正确无误后， 合上主电源开关QS。图2-4 MM440变频调速系统接线图本文研究的定子调压调速主要是通过改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法，当负载转矩一定时，随着电机定子电压的降低，主磁通减少，转子感应电动势减少，转子电流减少，转子受到的电磁力减少，转差率s增大，转速减小，从而达到速度调节的目；同理，定子电压升高，转速增加。调压调速的优点是调速平滑，采用闭环系统时，机械特性较硬，调速围较宽，缺点是低速时，转差功率损耗较大，功率因素低，电流大，效率低。调压调速既非恒转矩调速，也非恒功率调速，比较适合于大型类的负载。2.2.3变频器MM440的控制面板变频器MM440的BOP控制面板。如图2-4所示。图2-4 BOP控制面板操作步骤如下：1. 按 （功能键），最右边的一个数字闪烁2. 按 / ，修改这位数字的数值3. 再按 （功能键），相邻的下一位数字闪烁4. 执行2至4步，直到显示出所要求的数值5. 按 ，退出参数数值的访问级2.2.4MM440通用变频器的参数设置如果所用的变频器刚刚出厂的变频器，则需对它进行快速调试。如表2-1所示。表2-1 变频器的快速调试序号参数号出厂值设定值说明1P000313专家级2P070022端子输入3P070111接通正转/停车命令4P0702122接通反转/停车命令5P070399故障复位6P07041515 固定频率7P07051515固定频率8P07061515固定频率9P073152.352.3变频器故障10P073277报警信号11P073322运行信号12P100023固定频率设定13P10800.020最低频率14P108250.0050.00最高频率15P112010.02.00斜坡上升时间16P112110.02.00斜坡下降时间17P123702工作/停止时间的比率为1018P13120.0180启动提升注:（1）设置参数前先将变频器参数复位为工厂的缺省设定值：设定P0010=30，设定P0970=1。（2）设定P0003=3，P0010=1，P3900=1,P0003=3,允许访问扩展参数。（3）设定电机参数时先设定P0010=1(快速调试),电机参数设置完成设定P0010=0(准备)。2.2.5变频器各端子说明1.变频器各端子分布如图2-5所示。图2-5变频器控制端子图2.变频器各端子与其端子功能说明如表2-2所示。表2-2 变频器各端子功能说明端子号符号功能说明110V电源输出+10V20V电源输出0V3AIN1+模拟输入1（+）4AIN 1-模拟输入1（-）10AIN2+模拟输入2（+）11AIN2-模拟输入2（+）5DIN1数字输入16DIN2数字输入27DIN3数字输入38DIN4数字输入416DIN5数字输入517DIN6数字输入6924V带隔离的输出+24V28-控制电源接地端14PTCA过热保护输入端（+）15PTCB过热保护输入端（-）12AOUT1+模拟输出1（+）13AOUT1-模拟输出1（-）26AOUT2+模拟输出2（+）27AOUT2-模拟输出2（-）20COM数字输出1/转换触点19NO数字输出1/常开触点18NC故障常闭点29P+RS485信号（+）30N-RS485信号（-）2.3 电动机的选择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子、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的定子电压与电流实行磁通方向的矢量变换控制。因此本次设计选用三相交流笼型异步电动机。第三章 系统硬件设计3.1 矿井提升机控制系统的主回路3.1.1系统主回路原理图图3-1是矿井提升机控制系统主回路原理图。从图中可以看到，系统分别从L1、L2、L3三个端子引出三根线接到变频器上，从变频器的输出端引出三根线经过熔断器、接触器、热继电器接到三相交流绕线电动机上边，从而达到变频调速。图3-1 系统主回路原理图：熔断器；：接触器；：热继电器；：电动机；QS:隔离开关；3.1.2 PLC与变频器的接线图PLC和变频器采用I/O硬接线方式，通过S7-200的开关量输出控制变频器的启动/停止，通过模拟量输出（4-20mA）控制变频器的频率，通过开关量输入模块采集变频器的状态信号（运行、故障等）。PLC与变频器的外围接线图如图3-2所示，PLC的I0.0端接电机启动按钮SB1，I0.1端接电机停止按钮SB2，再使用PLC的一个模拟量输出点作为使电机正转启动的输出信号，接到MM420变频器的AIN1+，AIN1-端子上。图3-2 PLC与变频器的外围接线图3.2 变频调速主控电路接线变频调速主控电路接线图如图3-3。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与制动单元，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。变频器报警输出的动断（常闭）触点串联在KM1的线圈电路，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为止，报警才能解除。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，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。 图3-3 变频调速主控电路接线图3.3矿井提升机控制系统的控制回路1.使用PLC的两个输入点I0.0和I0.1分别作为系统的启动和停止信号的输入点。2.PLC的输入端I0.2和I0.3作为变频和工频信号的输入点。3.PLC的输入端I0.5、I0.6为提升机上升、下降开关控制端；I0.7、I0.8、I0.9为提升机的过卷、松绳、过载控制端。4.PLC的输出端Q4.2和Q4.1作为变频和工频信号的输出点。5.PLC的输出端Q4.5和Q4.6接报警、安全回路继电器。图3-4为系统控制回路电路图。图3-4 系统控制回路电路图其I/O口分配如表3-1所示：表3-1 控制系统/分配表PLCI/O分配表输 入输 出I0.1电机启动按钮Q4.1工频输出端I0.2电机停止按钮Q4.2变频输出端I0.3变频控制端Q4.3正转继电器I0.4工频控制端Q4.4反转继电器I0.5上升控制端Q4.5安全回路继电器I0.6下降控制端Q4.6报警继电器I0.7过卷保户端Q4.7复位I1.0松绳保户端Q4.8点动控制I1.1过载保护端COMAC 220V第四章 系统软件设计4.1提升速度图与分析提升设备在一次提升过程中，提升速度、转矩等运行参量随提升时间变化的曲线，称为提升工作图。其中提升速度随时间变化的曲线称为提升速度图。提升工作图是根据提升设备运行的安全性、可靠性和经济性的要求确定的。图4-1为箕斗提升速度图，它包括提升过程的六个阶段，故称为六阶段速度图。图4-1 箕斗提升速度图（1）t1段：初加速阶段。在提升刚开始，箕斗尚在卸载曲轨运行，为了减小提升容器通过卸载曲轨时对井架的冲击，提升容器在曲轨的速度和加速度不能太大，一般要将其速度限制在1.5m/s以下。（2）t2段：主加速阶段。当箕斗离开卸载曲轨后，可以按较大的加速度运行，直至达到最大提升速度V max。对于箕斗提升，加速度a2一般不大于1.2m/s。（3）t3段：等速阶段。提升速度以规定的最大速度V max运行。（4）t4段：主减速阶段。这时重载箕斗已接近井口，空箕斗接近装载点，提升容器以加速度a4运行，a4一般不大于1.2m/s。（5）t5段：爬行阶段。提升容器进入装卸载曲轨，为减小冲击并且便于停车，容器一般要以0.4-0.5m/s的低速爬行。（6）t6段：停车阶段。提升容器到达终点，提升机施闸停车，井底箕斗装载，井口箕斗卸载。以上t1-t6的六个阶段组成提升系统的一个提升过程4.2 控制程序流程图系统控制程序流程图如图4-2所示。PLC控制主程序完成系统初始化、自检、故障诊断、调速系统控制与安全保护等工作。系统开机运行，PLC首先进行初始化，接着完成自检与提升机初始位置显示，当收到开车指令时，PLC转入速度给定控制，在系统运行过程中，当PLC接收到来自接近开关或变频器故障等外部控制信号时，PLC控制程序转到相应的中断处理程序处，完成过卷、过载、松绳等保护与提升机位置、速度监控、变频器故障监控等。当有故障出现时可转到相应的故障处理模块进行故障处理，并通过报警回路报警或安全回路实现抱闸停车保护。图4-2 控制程序流程图4.3梯形图编制4.3.1 梯形图的编程原则梯形图语言作为一种标准PLC编程语言，在编制时必须遵循一定的规则，如图4-3所示。具体规则如下：1. 梯形图的每一行指令都在母线右边开始画起。2. 输出指令不能直接跟母线连接。3. 触点应在水平线上，不能在垂直分支上，且应遵循自左至右、自上而下的原则。4. 不包含触点的分支应放在垂直方向，不可放在水平位置，以便于识别触点的组合和对输出线圈的控制路径。5. 在有几个串联回路相并联时，应将触点最多的那个串联回路放在梯形图的最上面；而在有几个并联回路相串联时，应将触点最多的并联回路放在梯形图的最左面。6. 不能将触点画在输出线圈的右边，线圈仅能画在同一行中所有触点的最右边。图4-3 梯形图简图4.3.2 系统梯形图1.设计思路软件部分说明由于控制工艺比较复杂，本程序采用主子程序模块化顺序结构进行编程，程序中的存地址可分成:参数设定、上位机显示、故障存储、运行数据存储、中间量这五部分，系统各种子程序均由主循环程序调用执行，按事先输入的控制程序实现自动控制，系统编程灵活，修改程序方便，仅需修改子程序梯形图程序就可改变控制功能，便于现场维护管理，使提升机运行安全性和可靠性得到了大幅度提高。1)、起动，停车多数变频器不能适应上电运行功能，所以应对控制系统加入保护功能。当需要开机运行时，按下起动按钮I0.0(SB1)，其输出继电器KM1便吸合，置于电源与变频器之间的常开触点闭合，将三相AC380V动力电接入变频调速回路中；当减速停车，并实现机械抱闸制动后，可以将变频器与动力电源脱开，按下停止按钮I0.2(SB2)，使继电器KM1失电，其常开触点断开，变频器便与动力电源脱开。2)、上升，下降在控制回路中利用正转继电器K1的常闭触头控制反转继电器K2的线圈；利用反转继电器K2的常闭触头控制正转继电器K1的线圈。从而达到互锁作用。其动作过程如：当要下放矿车或送工人到井下时，按下下降按钮IO.6，继电器K2吸合，其常开触点闭合，常闭触点断开。此时变频器REV与CM端相连，电机反转下放重物。同时断开继电器K1回路，形成下降闭锁；当按下上升按钮I0.5时，K2吸合，断开K1回路，形成上升闭锁。此时FWD与CM相连，电机正转上提煤车。当按下停止按钮I0.1时，所有继电器常闭触头闭合，为下一次提升做准备。3)、工频与变频转换工变频转换系统可使电机转速需在工频运行或变频出现故障时进行自由切换。正常工作状态，为变频调速运行。此时继电器KM2得电，KM3失电；置于变频器与电机之间的KM2常开触点闭合，跨过变频器，连接电机与三相动力电源的KM3常开触点断开。变频器接入调速回路，并接受操作台控制信号与PLC反馈信号，进行调速控制。当变频器出现故障或需要对电机进行点动调节时，按下工频按钮I0.3，使KM2断开，KM3闭合，电机进入工频状态。这样便于检修和故障排除。控制系统的梯形图如图4-4所示：图4-4系统梯形图4.4 调试过程1先将程序传入PLC中，连接外部连线和按键以与各个状态指示灯。2按下启动按钮，然后用万用表测模拟量I/0模块的两点间的电压，看是否按照规定曲线运行，如果运行正确则证明PLC部分调试成功。3在各个时刻切换各种状态观察状态指示灯以与电压输出情况。4.5系统抗干扰措施1.PLC的抗干扰PLC的主要应用场合是工业现场，工作环境中各种干扰对系统设备的正常运行存在着严重的影响。所以在本系统中也不例外，有必要考虑系统的抗干扰措施。抗干扰的主要措施有：数据采集采用屏蔽电缆，所有屏蔽电缆层汇线接地，多芯电缆中的备用芯线也要一端接地，这样可扩大屏蔽作用，并抑制芯线间干扰。必要时可采用带有屏蔽层的输入和输出信号电缆。信号回路汇线接，输入信号电缆、输出信号电缆和电力电缆都要分开敷设，不能扎在一起，信号电缆接线端子均安装在柜体下侧。所有机柜、操作台等均需保护接地，台柜需有独立的PLC直流地、机壳安全地、电缆屏蔽地接地端子，与结构部未接地电路板在电气上隔离。电源柜、动力柜、交频柜进线方式均为：下进下出。引至PLC柜的电缆要尽量远离那些会产生电磁干扰的装置。同一电平等级的信号才能用一条多芯电缆传输。因此对数字信号和模拟信号，在任何情况下，都必须分开电缆迸行传输。低电平信号线应与其它信号线分开。尽量缩短模拟量加信号线的长度，并采用双芯屏蔽线作为信号线。保证PLC柜良好的通风环境，在设备现场，要充分考虑周围环境的影响，尽量不要将PLC安装在多尘、有油烟、有导电灰尘、有腐蚀性气体、振动、热源或潮湿的地方。采用标准化软件程序可以提高运行的可靠性，故障诊断软件定期的检测外界环境，以便与时进行处理。2.变频器的抗干扰与其防止在变频器的输入和输出电路中，除了较低次的谐波外，还有许多频率很高的谐波电流，这些高次谐波电流除了增加输入侧的无功功率、降低功率因数外，频率较高的谐波电流将以各种方式把自己的能量传播出去，形成对其他设备的干扰信号，严重的甚至使某些设备无常工作。干扰信号的传播方式主要有：电路传导方式、感应耦合方式和空中辐射方式。根据干扰信号的产生原因和传播方式，可以有针对性的采用不同的抗干扰措施。主要措施有：合理布线、削弱干扰源、对线路进行屏蔽、隔离干扰信号和准确接地。第五章 人机交互界面5.1 触摸屏概述随着计算机技术的普与，在90年代初，出现了一种新的人机交互技术触摸屏技术。利用这种技术，使用者只要用手指轻轻地触碰计算机显示屏上的图符或文字，就能实现对主机的操作或查询，这样就摆脱了键盘和鼠标操作，从而大提高了计算机的可操作性。触摸屏是一种最直观的操作设备，只要触摸屏幕上的图形对象，计算机便会执行相应的操作。人的行为和机器的行为变得简单、直接、自然，达到完美的统一。触摸屏具有方便直观、图像清晰、坚固耐用和节省空间等优点。5.2 PWS3261触屏简介DELTA公司生产的PWS-3261触屏式彩色HMI是免维护型工业级可编程终端，适合于在恶劣的工业环境下使用。它可用于振动、潮湿和高粉尘的环境中作为监控和人机操作介面，可以显示状态、故障和过程变量，显示文字、曲线和图形。操作人员可在触摸屏上实现对工业生产现场的过程控制，操作简便易学，方便直观。本系统以S7-200系列PLC为控制核心，配以DELTA公司的PWS-3261型HMI，二者通过RS485接口互连，传输速率为9600 bps，8位偶校验，1位停止位。RS485的PLC站号为2，PWS端通信口为COM2。HMI的监控与参数设置画面在计算机上使用ADP 6.0编程软件进行规划、定义和编制，通过这些图形介面完成系统的现场监控和参数设置。5.3触摸屏在矿井提升机控制系统中的应用根据矿井提升机对控制系统的要求，本系统的控制界面设计如图5-1所示。控制面板主要包括启动、停止、正转、反转、时间和日期显示等。控制面板设定了一些功能按钮。通过时间设置按钮操作人员可以很方便地设置时间。操作面板上还有一个仪表可以显示出电机的转速。图5-1（a） 控制面板主屏幕图5-1（b） 系统控制面板 第六章 结论经过近一个多月的设计研究工作，通过在图书馆、互联网查阅相关资料，不仅加深了对矿井提升机运行过程与其调速控制系统的认识，而且熟悉了PLC和变频器的运用。通过本次设计提高了自身的学习能力和动手的能力，而且使原来所学的知识有了系统化、理论化、实用化。对如何使用已有知识与获取相关资料方面的能力也有了提高。本次设计基本达到了预定的设计目的。本文主要是为矿井提升机设计一套PLC控制的变频调速控制系统，实现提升机速度的可调节，以节约能源和适应生产的需要。采用变频器实现提升机的调速运行，使用PLC的强大功能 ,实现在对提升机的运行控制和参数调节。本文在对矿井提升机控制系统研究中，采用变频器和可编程序控制器相结合的方法，取得了一定的成果，通过对已改造的提升机设备进行调研以与相关文献的阅读可以看出PLC控制的变频调速提升机有明显的社会效益和经济效益。采用PLC后，克服了原继电器系统的不足，系统安全可靠，性价比提高，且控制程序可根据需要修改，对提高控制技术水平具有广阔的应用前景。变频调速系统在提升机控制中显示出其控制性能优良、操作简便、运行效率高、维护工作量小等诸多优点，是矿井提升机传动的发展方向。在使用过程中实现了软起动、软停车，减少了机械冲击，使运行更加平稳可靠;该系统四象限运行，可实现绞车的调速、换向、能量回制动等功能，适应围广，节能效果更加明显。采用PLC来控制提升机的整个工作过程，实现电机的启、停、制动阀的开关，数值的转换、速度的检测等。总结本文的主要工作有以下几点：根据提升机的运行特点，矿用提升机控制系统采用PLC控制的变频调速系统，该系统主要由PLC控制系统、变频调速系统等组成。本文矿井提升机控制系统设计中，采用变频器和可编程控制器相结合的方法，采用了PLC后，克服了原继电器系统的不足，系统安全可靠，性价比高，且控制程序可根据需要进行修改，变频调速系统在提升机中显示出其控制性能优良、操作简便、运行效率高、维护工作量小等诸多优点。在使用过程中实现了软起动，软停车，减少机械冲突，使运行更加平稳可靠；该系统四象限运行，可实现绞车的调速、换向、能量回馈制动等功能。