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西安科技大学 硕士学位论文 基于plc矿井提升机变频控制系统的应用 姓名：艾国 申请学位级别：硕士 专业：电气工程 指导教师：付周兴 论文题目：基于 plc 矿井提升机变频控制系统的应用 专 业：电气工程 硕 士 生：艾 国 （签名） ： 指导教师：付周兴 （签名） ： 摘 要 矿井提升机是矿山最重要的设备，肩负着矿石、物料、人员等的运输责任。传统矿 井提升机电控系统采用绕线式转子串电阻调速，控制线路复杂、调速性能较差、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。 本文以 plc 为提升机电控系统控制核心器件， 采用基于矢量控制的变频调速系统对 原有的调速控制系统进行改造。论文根据矿用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。 实际运行结果表明，该系统运行可靠、安全性高、控制灵活、节能显著，控制性能 明显优于传统的 tdk 控制系统，提高了矿井提升系统的自动化水平。 关 键 词：变频器；提升机；plc；变频调速；仿真 研究类型：应用研究 subject : application research of the frequency conversion control system use on mine hoist based on plc specialty : electrical engineering name : ai guo (signature) instructor : fu zhouxing (signature) abstract the mine hoist is the most important key equipment in the mine and it shoulders the responsibility of transporting ore、material and people.tranditional tdk electric control system is used in tranditional control system,and uses cascade speed regulation as its control pattern.thus,large ac contactors and dc timing relay are usually used in control system,but the control circuit is complicated and has a low performance of speed regulation.this kind of control system has many shortcomings,such as low reliability、complex operations、high failure rate、high waste of electric power and inefficiency.so it is vital to do research on hoist control system. with the continuous development of computer and plc technology,it has become imperative to change the tranditional equipment of mine by using advanced control technology. it not only improves the control performance of mine hoist,but also makes the whole control system to be a high level in automation、safety and reliability. this paper makes an modification to existed speed control system based on vector control and frequency control. the whole hardwares of mine hoist control system are made of transducer、programmable controller、driver platform、supervisory system and the part of mechanical transmission.considering the wretched conditons where the control system is used,i adopt some measures on protection and anti-jamming.in the course of designing the software,recovery processing block is added to the system so as to improve the safety and reliability of operating system. mine hoist frequency converter control system based on plc has being used more than a year in yulin.the application of the control system shows that the control system designed in this paper has high reliability 、apparent effect of energy conservation and it is easy to use. keywords: invert hoist plc frequency control simulation thesis : application and research 1 绪论 1 1 绪论 1.1 课题研究背景 矿井提升机是煤矿、有色金属矿中的重要运输设备,是煤矿“四大运转设备”之一，其 电力传动特性复杂1，电动机频繁正、反向运行，经常处于过负荷运转和电动、制动不 断转换的状态中23；它的安全性、可靠性亦是至关重要，其运行性能和安全可靠性直 接影响着煤炭生产及作业人员的生命安全， 一旦发生事故必然导致人员伤亡和设备的严 重损坏，矿山正常生产中断，并造成重大的经济损失。因此，提高提升机的性能，提高 其自动化水平，使其安全性、可靠性达到一个新的高度势在必行。 随着现代科学技术的进步，现代化矿井的建设，以及对作业人员的生命更加重视， 对矿井提升机的安全可靠性提出了更高的要求。近年来，我国有关部门在提升机安全方 面做了大量工作，使矿井提升机设备的安全可靠性有了长足进步，并将“可靠性系统工 程”的理念引入了矿井提升机领域，与之相适应，提升机对其电控系统安全可靠性的要 求也愈来愈高。因此，在设计矿井提升机时，总是把安全性、可靠性放在首要位置。就 其本质而言，提升机电控系统的高可靠性主要表现在两个方面：一是电控装置本身质量 好，故障率低；二是电控系统出现故障后应能根据故障性质及时进行保护，并能对故障 内容进行记忆和显示，以便能迅速排除。 自 80 年代开始，随着数字、电力电子技术的发展，可编程控制器(plc)和变频器在 提升机控制系统中逐步得到采用，可编程控制器具有可靠性高、抗干扰力能强、实现继 电逻辑容易，基本免于维护等独特优点，从而使得提升机控制系统的安全性得到了很大 的提高。 1.1.1 变频器发展概况 变频器自 20 世纪 60 年代问世，到 80 年代在主要工业化国家已广泛使用。随着人 们对节能环保意识的加强，变频器的应用越来越普及，广泛应用于国民经济的各行各业 和人民的日常生活中，变频器产品也从以大功率双极晶体管(gtr)为主的时代发展为以 绝缘栅晶体管(igbt)为主的时代4，国际知名的“arc 机构”研究统计 1998 年世界交 流电动机实施调速控制的传动产品的销售额为 48.5 亿美元，其中北美占 21%，日本占 27%，日本之外的亚洲占 12%，欧洲、中东及非洲占 39%，拉丁美洲占 1%，1999 年， 国际大功率交流调速装置的销售额为 24 亿美元5。 目前，我国电动机的总装机容量已达 4 亿千瓦，年耗电量占全国用电量的近 60%， 但电机驱动系统的能源利用率却非常低，基本上要比国外平均水平低 20%，70%的电机 西安科技大学工程硕士学位论文 2 只相当于国际 20 世纪 50 年代的技术水平，电机驱动系统能效比国外低 20%左右，节能 潜力巨大。 国内交流变频调速技术产业现状是： （1） 变频器的整机技术落后，国内虽有很多单位投入了一定的人力、物力，但由 于力量分散，并没有形成一定的技术开发能力和生产规模。 （2） 变频器产品所用半导体功率器件的制造业几乎是空白。 （3） 相关配套产业及行业落后。 （4） 产销量少，可靠性及工艺水平不高。 国外交流变频调速技术高速发展有以下特点： （1） 市场需求空间大。 随着工业自动化程度的不断提高和能源全球化短缺， 变频 技术越来越广泛地应用在机械、纺织、化工、造纸、冶金、食品等各个行业以及风机、 水泵等设备，并取得显著的经济效益。 （2） 功率器件的发展。近几年来高电压、大电流的 gtr，gto，igbt， igct 等器件的生产和面世，使高电压、大功率变频器产品的生产及应用成为现实。 （3） 控制理论和微电子技术的发展。矢量控制、磁通控制、转矩控制、模糊控制 等新的控制理论为高性能的变频器提供了理论基础；16 位、32 位高速微处理器以及信 号处理器（dsp）和专业集成电路（asic）技术的快速发展，为实现变频器高精度、多 功能和智能化提供了硬件手段。 （4） 基础工业和各种制造业的高速发展， 变频器相关配套件社会化、 专业化生产。 1.1.2 可编程控制器的发展及应用 20 世纪 60 年代，生产线的控制主要采用继电器控制，修改一条生产线要更换许多 硬件设备， 进行复杂的接线， 既浪费了许多硬件又大大的拖延了工期， 增加产品的成本。 1968 年，美国通用汽车公司（gm）液压部提出了十项技术指标6： （1） 编程简单，可在现场修改和调试程序； （2） 维护方便，各部件最好采用插件方式； （3） 可靠性高于继电器控制系统； （4） 设备体积小于继电器控制系统； （5） 数据可以直接送给管理计算机； （6） 成本可与继电器控制系统相竞争； （7） 输入电压是 115v 交流电； （8） 输出电压也是 115v 交流电，输出电流达 2a 以上，可以直接驱动电磁阀； （9） 系统扩展时，原系统只需做很小的变动； （10）用户程序存储量可扩展到 4kb。 1 绪论 3 美国数宇设备公司(dec)于 1969 年成功研制了一台符合要求的控制器，型号为 pdp-14，投入通用汽车公司的生产线控制中，取得了令人满意的效果。美国电气制造协 会（nema）经过 4 年的调查，于 1980 年把这种控制器正式命名为可编程控制器 （programmable logical controller） ，从此开创了 plc 的新纪元。在短时间内，plc 在 其他工业部门也得到应用，到 70 年代初，食品、金属和制造等工业部门相继使用 plc 代替继电器控制设备，迈出了其实用化阶段的第一步。可编程控制器的出现，立即引起 了各国的注意， 日本、 德国分别于 1971 年、 1973 年引进可编程控制器技术， 我国于 1973 年开始研制可编程控制器，1977 年应用到生产线上7 8。 1.2 矿井提升机电控系统的发展趋势和应用现状 由于矿井提升机对安全性、可靠性和调速性的特殊要求，使得提升机电控系统的技 术水平在一定程度上代表一个国家的传动控制技术水平，因此世界各大公司纷纷将新 的、成熟的技术应用于提升机电控系统12。 矿井提升机作为矿井运输系统的主要运行形式之一，最早起源于英国、美国、德国 等一些采煤技术发达的国家，五十年代已大规模服务于煤炭生产13。 （一）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，其调速范 围窄，且投资大。 （二）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组(f-d)和晶闸 管直流电动机(scr-d)系统。其生产和使用情况如下: 国内研制大型直流提升机主要有三大厂家: 上海电机厂主要生产配套电机， 己生 产低速直流电机 80 多台，最大容量 5775kw，额定转速 5or/min，其中长广煤矿及五村 煤矿的提升机为 100okw、48r/min，淮南潘三矿采用一台 26o0kw 低速直联电机;上海 冶金矿山机械厂主要生产主机及信号系统，己生产 80 多台提升机，1979 年生产过一台 低速直联落地式提升机;北京整流器厂主要生产配套电控，己从瑞士 bbc 公司和瑞典 asea 公司引进了晶闸管电控整机系统及元件生产线， 直流电控容量可达 7000kw;还引进 了交流变频调速(交一直一交)电控生产线， 可生产单机 4200kw 变频调速电控设备;1986 年向甘肃金川矿提供了一套带微机控制的 800kw 直流电控设备。 从国外引进的晶闸管供 电的直流提升机 20 多套，其中 aeg 公司 12o0kw 低速直联 6 套、西门子公司低速直联 4 套、瑞典 asea 公司 9 套。另外，还正在引进计算机控制的低速直联电控系统 （三）研制与发展 西安科技大学工程硕士学位论文 4 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 89%，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。 （四）可编程序控制器在提升机电控系统中的应用 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继电-接触器电控系统进行技术改 造。 从 70 年代开始，随着微机技术的发展，微机控制技术己逐步应用于矿井提升机中。 目前，国外已达到相当成熟的阶段，使整个拖动控制产生一次重大的变革。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， 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。如 aeg 公司采用 cp-80 微机、 abb 公司采用 master-200 和 siemens 公司采用 s-150 等微机 实现的变频控制，都获得了相当成功。它们把控制、监视、基准值预测以及模拟控制等 组合在公共的微机控制总线上.组成静止变流器的传动控制，计算机实现速度及多个变 量的调节。 （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，要保证提升罐笼在预定地点准确停车， 要求准确度高，目前的误差率小于 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、井筒位置、滚筒及钢丝绳磨损等信号进行处理，计算出罐 笼准确的位置而施以控制和保护。在罐笼提升时可实现无爬行提升，大大提高了提升能 力。如 aeg、abb、siemens 等公司己采用 32 位微机来构成行程给定器，并还提供性能 不尽相同的机械行程控制器。一般过程控制用微机不同时用于监视，行程控制也采用单 独微机完成，从而大大提高了系统的可靠性。 （3）提升过程监视 由于近代提升机控制系统的设计特别强调安全可靠性， 所以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。其目的在于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贮、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。 （4）安全回路 1 绪论 5 安全回路旨在出现机械、电气故障时控制提升机进入安全保护状态。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，大致分为以下四种情况:报警显 示，如冷却器温度过高等;二次不能开车，如电机绕组过热、制动油过热等; 立即 进行电气制动，如停车终点设备出现故障时本次提升应尽快停下来;立即进行安全制 动，如过卷、超速等。安全回路极为重要，它是保护的最后环节之一，英，德等公司都 采用两台 pc 微机构成安全回路， 使安全回路具有完善的故障监视功能.无论是提升机还 是安全回路本身出现故障时都能准确地实施安全制动。 （5）制动系统的控制与监视 制动(可调闸)控制系统除要可靠地完成工作制动和安全制动外， 还要完成对液压站 的控制以及各环节参数(如油压、闸瓦磨损等)的监视，其技术要求与安全回路相似。如 西门子公司采用两套可编程序控制器(plc)的双重控制与保护系统。 （6）全数字化调速控制系统 德国 aeg 公司的 logidyn(32 位机)、西门子公司的 siemadyn d(16 位机)以及 abb 公司的 dcr(16 位机)系统都己应用于提升机上。全数字化系统具有硬件结构单一，参数 稳定且调整方便，可方便地与上位机联网等优点。当然此类系统要求维护人员有更高的 技术水平和计算机知识。 目前，国内提升机行程控制的水平还较低，速度给定环节以时间给定和机械式行程 给定为主， 以计算机为核心的矿井提升机行程监控和保护的研究还处于尝试阶段14。“九 五” 期间国产全数字直流提升机己成为煤矿提升机的首选机型， 由于采用了计算机技术， 提升机的安全保护系统更为完善。但到目前为止，还未见采用智能控制装置实现高性能 的行程控制系统的成套装置，对于我国的矿井提升机，实现高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课题。 总体来说，我国近 10 余年来关于提升机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在控制技术上都取得了长足进展， 积累了大量的文献，取得了很大成绩1516。 1.3 本文选题依据及主要研究内容 1.3.1 选题依据 传统控制系统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。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。 可编程控制器（plc）是目前工业控制最理想的机型。而在 plc 电控系统的基础上 配合变频调速装置，运用先进的矢量控制技术，不但适合提升机运行工艺的要求，还将 西安科技大学工程硕士学位论文 6 解决整套提升机系统的电力拖动方面的一系列问题。 变频装置取代复杂的串联电阻切换 装置，对提升机运行速度曲线、转矩大小的要求都由变频器来完成，简化了控制操作流 程，提高了控制精度。 经过调研和论证，开发研制基于 plc 控制的矿井提升机变频调速控制系统对提高 矿井提升机的安全性、可靠性、以及运输效率具有重要的现实意义。 1.3.2 研究内容 本文以榆林某煤矿主斜井提升机电气改造为工业背景， 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 的控制技术在矿井提升机行程、速度 和制动控制中的应用研究，阐述了新型提升机控制系统的设计与应用情况。本文分析推 导出行程给定中 s 形速度给定曲线的数学模型， 又着重分析了 s 形曲线拟合算法和变频 控制系统设计。 主要工作有： 1、 矿井提升机电控系统设计； 2、 plc 控制技术研究； 3、 提高提升系统的运行效率； 4、 提高提升系统的可靠性； 5、 控制系统抗干扰分析。 1.4 本章小结 本章讲述了课题研究的重要性和意义，介绍了国内外研究现状及应用情况，分析了 几种提升机调速方式：晶闸管-电动机（scr-d）直流低速直联拖动系统、交流变频调速 同步机驱动提升系统、微机控制在矿井提升机上的应用，提出了本文的主要研究内容。 2 矿井提升机及其电气控制系统 7 2 矿井提升机及其电气控制系统 矿井提升机肩负着井上、井下运输的重要任务，在整个矿井生产中占有非常重要的 地位，素有“矿山咽喉”之称。熟悉矿井提升机的性能、结构及动作原理，合理使用设 备，加强维护，对确保提升机工作效率、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 矿井提升机概况 2.1.1 矿井提升系统概述 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、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： （1）竖井单绳缠绕式箕斗提升系统。 （2）竖井单绳缠绕式箕斗提升系统。 （3）竖井多绳摩擦式箕斗提升系统。 （4）竖井多绳摩擦式罐笼提升系统。 （5）斜井箕斗提升系统。 （6）斜井串车提升系统。图 2.1 为斜井提升机示意图。 图 2.1 斜井提升机示意图 2.1.2 矿井提升机主要组成部分及其作用 矿井提升机是一个完整的机械电气机组， 其主要由以下几部分组成。 构示意图如 图 2.2 所示： 西安科技大学工程硕士学位论文 8 图 2.2 提升机卷筒机械传动系统结构 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、 调绳离合器等组成。 2、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。 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。 4、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。 5、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，发出减速信号。 6、拖动控制和自动保护系统 拖动控制和自动保护系统包括主拖动电动机、微拖动电动机、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 矿井提升机电气控制系统 为了设计出满足有关规程规定要求的矿井提升机控制系统， 我们将首先分析矿井提 升机的工艺过程和特点。 提升机各部分动力计算， 需要知道提升容器在井筒中的运动质量在各个瞬间所产生 2 矿井提升机及其电气控制系统 9 的惯性力，而这些惯性力与提升机速度变化规律密切相关。首先，我们确定矿井提升机 运动合力以及阻碍它们作用的阻力与提升机运行速度图之间的关系。 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，则提升机运动部分有如下的动力平衡方程181920： 2 2 dt xd mff rm += （2.1） 式中：fm电动机克服所有阻力后的合力； fr全部静负荷和提升有害阻力的合力； m提升机所有运动部分的换算质量； 2 2 dt xd 提升加速度。 一般情况下， ),(cxff rr = （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。 因此可得提升机的一般动力微分方程： 2 2 ),( dt xd mcxff rm += （2.3） 因此，矿井提升机速度的变化规律为： dt dx tfv=)( （2.4） )(),(),()( 2 2 tmfctff dt xd mcxftff txrrmm +=+= （2.5） 根据给定的速度图确定变化规律。 2.2.1 矿井提升机运行速度图 提升机的过程是提升容器在井筒中周期往返运动， 通常以提升容器的运动速度与时 间的关系来表示其运动规律，称为速度图，我们常用的提升系统的速度图，包括五个阶 段，一般称为五阶段速度图。即：加速阶段、减速阶段、爬行阶段、制动阶段22。提升 机电气传动系统速度给定)(tfv =如图2.3所示。 西安科技大学工程硕士学位论文 10 图 2.3 提升机传动系统给定速度图、力图 fig.2.3 the diagram on preset velocity and force of hoist drive system 速度图表达了提升容器在一个提升循环内的运动规律，现简述如下： （1）加速阶段 t1 当罐笼开井底时，以加速度 a1 运行，直到到达最大提升速度 vm。 （2）等速运行阶段 t2 罐笼在此阶段以最大提升速度 vm 运行，直至罐笼快要到 达井口开始减速为止。 （3）减速阶段 t3 罐笼将要接近井口时，开始以减速度 a3 运行，实现减速。 （4）爬行阶段 t4 罐笼将到达预定位置时，为了准确停车应以 v4 爬行。 （5）停车休止阶段 t5 当罐笼运行至终点时，提升机施闸停车。 要使提升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 2 矿井提升机及其电气控制系统 11 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 a 0.75m/ 2 s，升降物料时，加速度 a1.2m/ 2 s。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、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，防止负载大小不 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。 2.2.2 提升机控制系统分析 我国提升机设备中，普遍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， 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。继电 器控制系统如图2.4所示。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20。 图 2.4 继电器控制系统框图 这种控制系统存在着显著的弊端： (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，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。 西安科技大学工程硕士学位论文 12 (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。 随着可编程控制器技术的发展，由于其安全、可靠、自动化程度高等优点，plc控 制系统逐渐替代了原来的继电器控制系统。plc控制系统通过软件编程实现的，因此， 柔性强，功能多，控制线路少，易于系统扩展、维护。 2.2.3 提升机交流调速方式 矿井提升机调速系统采用交流异步电动机，其交流异步电动机转速公式 为:n=60f(1-s)/p。 由上式可见，改变供电频率 f，电动机的极对数 p 及转差率 s 均可达到改变转速的 目的。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 电动机的同步转速两种。 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. 1、变极对数调速方法 这种调速方法是用改变定子绕组的接线方式来改变笼型电动机定子极对达到调速 目的，绕组有多少种极对数，转速就有多少级。 改变定子极对数的办法有： 1在定子槽里放上两套极对数不同的独立绕组；2在同 一套定子绕组，改变它的联结方法，得到不同的极对数； 3在定子槽里放上两套极对数 不同的独立绕组，而每套独立绕组本身又可以通过改变它的联结方法，得到不同的极对 数。特点如下： 1具有较硬的机械特性，稳定性良好；2无转差损耗，效率高；3接线 简单、控制方便、价格低； 4有级调速，级差较大，不能获得平滑调速；此调速方法可 以与调压调速、电磁转差离合器配合使用，获得较高效率的平滑调速特性。 2、变频调速方法 变频调速是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。变频调 速时可以从基频往下调， 也可往上调。 变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器， 变频器可分成交流直流交流变频器和交流交流变频器两大类， 目前国内大都使用 交直交变频器。其特点： 1效率高，调速过程中没有附加损耗；2应用范围广，可 用于笼型异步电动机； 3调速范围大，特性硬，精度高；4技术复杂，造价高，维护检 修困难。 3、改变转差率调速 2 矿井提升机及其电气控制系统 13 改变转差率的方法主要有三种：定子调压调速、转子电路串电阻调速和串级调速。 下面分别介绍。 a 定子调压调速方法 当改变电动机的定子电压时， 可以得到一组不同的机械特性曲线， 从而获不同转速。 由于电动机的转矩与电压平方成正比，因此最大转矩下降很多，其调速范围较小，使一 般笼型电动机难以应用。为了扩大调速范围，调压调速应采用转子电阻值大的笼型电动 机，如专供调压调速用的力矩电动机，或者在绕线式电动机上串联频敏电阻。 调压调速的主要装置是一个能提供电压变化的电源， 目前常用的调压方式有串联饱 和电抗器、自耦变压器以及晶闸管调压等几种。晶闸管调压方式为最佳。调压调速的特 点：1、调压调速线路简单，易实现自动控制；2、调压过程中转差功率以发热形式消耗 在转子电阻中，效率较低。3、调压调速一般适用于 100kw 以下的生产机械。 b、转子电路串电阻调速方法 绕线式异步电动机转子串入附加电阻，使电动机的转差率加大，电动机在较低的转 速下运行。串入的电阻越大，电动机的转速越低。 绕线式异步电动机转子串电阻后能 够限制启动电流和提高启动转矩，用逐段切除电阻的方法，能在一定范围内进行调速。 此方法设备简单，控制方便，但转差功率以发热的形式消耗在电阻上，属有级调速，机 械特性较软。提升机转子串入三段电阻调速原理如图2.5所示。 图 2.5 提升机三段转子串电阻调速原理图 c、串级调速 串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机的转 m 3 km1 km2 km3 km2 r22 r12r13 r21 r11 r31r32 r23 r33 西安科技大学工程硕士学位论文 14 差，达到调速的目的。大部分转差功率被串入的附加电势所吸收，再利用装置，把吸收 的转差功率返回电网或转换为其它能量加以利用。根据转差功率吸收利用方式，串级调 速可分为电机串级调速、机械串级调速及晶闸管串级调速形式。应用中多采用晶闸管串 级调速，其特点为：1、可将调速过程中的转差损耗回馈到电网或生产机械上，效率较 高；2、装置容量与调速范围成正比，投资小，适用于调速范围在额定转速 7090 的生产机械上；3、调速装置故障时可以切换 至全速运行，避免停产；4、晶闸管串级 调速功率因数偏低，谐波影响较大。 综上所述， 直流调速的电枢和励磁是分开的，能够精确控制；且直流调速转矩速 率特性好并能在大范围内平滑地调速，因此在矿井提升系统中得到广泛应用。电刷是直 流电动机的一个重要部件，但在实际应用中，电刷磨损严重，且在负载工作条件下，出 现打火现象，甚至形成环火，极易造成电枢两极短路，危及整个系统的安全。但交流电 机不存在电刷损坏的问题，因此也得到广泛应用，但交流调速性能离直流电机优越的调 速性能还有差距。随着电子科技技术的发展，运用现代控制理论，将直流调速原理应用 于交流调速控制系统中，使交流调速在很大程度上得到发展。 2.3 提升机制动方式分析 1.动力制动 动力制动也叫能耗制动，动力制动是指将电动机定子从电网切除，另加直流电源， 电动机此时变为发电机，产生的电能都消耗在电阻上，电动机在动力制动时发出的是负 力，负力的大小是通过定子的制动电流和转子电阻的函数。一般适用于要求准确停车的 系统。 2.反接制动 反接制动是把正向运行的他励直流电动机的电源电压突然反接， 同时在电枢回路串 入限流的反接制动电阻来实现。频繁正反转的电力拖动系统，常常采用这种先反接制动 停车、接着进行反接起动的运行方式，达到迅速制动并反转的目的。 3.回馈制动 回馈制动是指他励直流电机电源电压从高降低， 转速从高向低调节的过程。 在此过 程中机械功率的输入不是原动机送进， 而是系统从高速向低速降速过程中释放出来的动 能所提供。电功率的输出不是给用电设备而是给直流电源，这种运行状态成为正向回馈 制动过程，“回馈”是指电动机把功率回馈电源。“过程”指没有稳定的工作点，而是 一个变速的过程。 2.4 矿井提升机主电路 主电路图如图2.6所示，表2.1为主要电气元件表。 2 矿井提升机及其电气控制系统 15 图2.6 提升机主电路 变电站送来的两路380v电源，一路工作，一路备用，经高压开关柜的隔离开关qs1、 油开关qf为电机供电。电流互感器ta和过流脱扣器kiq2用于过流保护。对于过载、短 路和欠压等保护性断电由油开关来自实现。 动力制动电源装置由晶闸管整流电路组成。当采用动力制动方式运行时，使电路断 开，动力制动装置接触器kmdz闭合，所需直流电源接入电动机定子两侧绕组，由于容 量的限制kmdz的触头串联使用。当动力制动交流电源欠压时，失压继电器kusy动作， 安全电路断电，提升机安全制动停车。pa2为监视用电流表装在司机操作台上。 接触器kmz、kmf控制电机定子电路的通断和换向。在电流互感器ta电路中串入 三相电流继电器kijl,用来反映起动过程中定子电流的变化，与时间继电器配合，共同调 节起动过程中的速度，实现以电流为主时间为辅的自起动过程，pa1为监视用电流表， 装在司机操作台上。 西安科技大学工程硕士学位论文 16 表表2.1主电路主要元件表 主电路主要元件表 符号 名称 型号 数量 备注 fu1 熔断器 2 qf 断路器 1 qs1、 qs2、 qs3 隔离开关 3 kiq2 、 kiq1 过留脱扣器线圈 5a 2 ta1、ta2 电流互感器 2 kmz、kmf 电机正反转接触器cg5 1 组 高压接触器，线圈电压交流 220v kmdz 动力制动切换电阻cg5 1 高压接触器，线圈电压交流 220v r11r33 金属电阻 根据需要选配 kusy 动力制动失压继电 器 jz7-44 1 线圈电流交流380v kijl 定子三相电流接触 器 jl-7 1 5a m 主提升电动机 1 绕线电动机 2.5 本章小结 本章分析了几种调速方式：变极对数调速法、变频调速法、改变转差率调速等。通 过提升机五阶段速度图分析了矿井提升机对电气控制系统的要求,并对串电阻调速系统 以及制动系统进行分析，还介绍了提升机主电路。 3 基于 plc 控制的变频调速系统总体设计 17 3 基于 plc 控制的变频调速系统总体设计 可编程控制器plc (programable logical controller)是一种数字运算操作的电子系统, 它采用可编程序的存贮器,用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和 算术运算等操作的指令,并通过数字的模拟的输入和输出,控制各种类型的机械过程。 plc 具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高,抗干扰能力强,编程简单等特点。 3.1 plc 概述及其系统组成 为了将可编程控制器与个人计算机的(personalcomputer)相区别， 有时在pc中人为 地增加了l(logical)而写成plc。自1969年第一台可编程控制器问世以来，经历近40年 的发展，可编程控制器已经成为一种最重要、最普及、应用场合最多的工业控制器，可 以说只有可编程控制器才是真正的工业控制计算机。 初期可编程控制器只是用于逻辑控 制的场合，用于代替继电器控制盘，但是现在可编程控制器已经进入包括过程控制、位 置控制等场合的所有控制领域。 现在可编程控制器继续保留了原来逻辑控制器的所有优 点，同时它吸收了其它控制设备(如过程仪表、计算机、集散系统、分散系统等)的优点， 在许多场合只需可编程控制器即可构成包括逻辑控制、工程控制、数据采集及控制、图 形工作站的经济合算、体积小巧、设计调试方便的综合控制系统 。 可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，它采用一类可编程的存储器，用于 其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算数操作等面向用户的指令， 并通过数字式或输入输出控制各类型的机械或生产过程。 可编程控制器及有关外部设备 都按易于与工业控制系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。如图3.1所示为 可编程控制器的基本结构。 可编程控制器作为“蓝领计算机”有着其它工业控制设备很难具备的特性: l)高可靠性 到目前为止没有任何一种工业控制设备可以达到可编程控制器的可靠性。 随着器件水平 的提高，可编程控制器的可靠性还在继续提高。例如三菱fxi、fxz系列平均无故障 时间可达30万小时。事实上，如果某种控制装置可以连续运行20年以上不出问题，在当 前技术更新瞬息万变的世界上，则可以认为是永远不会坏的装置了。在可编程控制器使 用中发生的故障，大部分是由可编程控制器外部的开关、传感器、执行器引起的，而不 是可编程控制器本身发生的故障。 2）丰富的i/o接口模块 plc 针对不同的工业现场信号，如交流或直流，开关量或模拟量，电压或电源，脉 西安科技大学工程硕士学位论文 18 图 3.1 plc 系统框图 冲或电位，强电或弱电等，有相应i/o 模块与工业现场的器件或设备，如按钮、行程开 关、接近开关、传感器及变送器、电磁线圈、控制阀、等直接连接。另外为了提高操作 性能、他还有多种人机对话的接口模块；为了组成工业局部网络。它还有多种通信联 网的接口模块等。 3）采用模块化结构 为了适应工业控制需要，除了单元式的小型plc以外，绝大多数plc均采用模块化结 构。plc的各个部件，包括cpu、电源、i/o等均采用模块化设计，由机架及电缆将模块 连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合，使系统构成十分灵活。plc 的内部不需要接线和焊接，只要编程就可以使用，故安装方便。plc辅助触点的使用不 受欢迎的限制，内部器件可多到使用户不感觉到有什么限制，只需考输入、输出点个数 即可。 4)编程方便，易于使用 可编程控制器采用与实际电路接线图非常接近的梯形图，编程方式易懂易编。 5)环境要求低 可编程控制器适用于恶劣的工业环境。 6)与其他装置配置联接方便 可编程控制器的接口原则是使外部接线、电平转换尽量少。 对于开关量，输入可以是无源出点开关量或集电极开路晶体管输出;输出有继电 器、晶闸管、晶体管等各种不同的形式，可直接接各种不同类型的接触器、电磁阀等。 对于模拟量，只要模拟信号电平在一定的范围内(通常为士10v或士20ma)，就可以 按要求自由设置转换特性，而不需另加电平转换。另外还有运用热电偶直接输入的刀d 转换器等，此时就连放大器、冷端补偿也不需要。 对于各种显示、音响输出更是以最方便的形式提供接口，大量的问题都在可编程 3 基于 plc 控制的变频调速系统总体设计 19 控制器内部解决了。 对于数据通讯，只需同轴电缆和普通rs232或rs422接口即可，不必由用户来考虑 波特率及通讯规程等具体问题。 7）设计施工周期短 使用plc 完成一项控制工程，在系统设计完成后，现场施工和plc程序设计可同时进 行，设计周期短，且程序调试和修改方便。 3.2 本系统中 plc 的选型及特点 本系统中采用欧姆龙公司开发的cpm1a型40点 plc实现提升机离开控制系统的 半自动控制。欧姆龙的plc具有以下特点：指令系统功能强大，处理复杂控制的功能强； 编程语言是梯形图和语句表并重， 变成简单， 易掌握； 特殊功能模块和智能模块品种多， 使用方便；plc的网络配置简单、实用、造价低；具有明显的价格优势及良好的售后服 务系统。 3.3 pm1a 系列 plc cpm1a 系列plc的规格见表3.1。 3.4 提升机变频调速控制系统设计 本设计以欧姆龙可编程控制器cpm1a为核心，对传统落后的提升机系统进行改造。 设计中采用串电阻调速，由司机发提升信号实现提升机的自动加速、匀速、减速、爬行 以及停车等运行过程。制动方式采用动力制动，设计中考虑到下放重物的需要设计了脚 踏动力制动，以控制下放重物时的速度，防止下放重物时速度过高。设计中考虑到调绳 的需要，设计了调绳回路，及在需要调绳时投入调绳回路可以进行调绳。设计中充分考 虑到提升机安全性的需要，设计了安全回路，安全回路中设计有等速过速保护、深度指 示器过卷保护、动力制动、失压保护、深度指示器短线保护、测速线路短线保护、动力 制动油过压保护、减速过速保护、井架过卷保护等。设计中还