矿井提升机的组成、分类与操作

第1章 绪论 1.1 国内外提升及研究状况近三十年来，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。就在国外科学技术突飞猛进发展的时候，我国提升机电控系统很长时间都处于落后的状况。直到目前为止，我国正在服务的矿井提升机电控系统大多数还是转子回路串金属电阻的交流调速系统，设备陈旧、技术落后。国产提升机安全性、可靠性差，在关键部位上下两井口减速区段没有配套的有效的速度监视装置，就提升机控制技术而言，依然是陈旧的，和国外相比，我们存在很大的差距。矿井提升系统的类型很多，按被提升对象分:主井提升、副井提升;按井筒的提升道角度分:竖井和斜井;按提升容器分:箕斗提升、笼提升、矿车提升;按提升类型分:单绳缠绕式和多绳摩擦式等。我国常用的矿用提升机主要是单绳缠绕式和多绳摩擦式。我国的矿井与世界上矿业较发达的国家相比，开采的井型较小、矿井提升高度较浅，煤矿用提升机较多，其他矿(如金属矿、非金属矿)则较少。因此在20世纪60年代开始单绳缠绕式矿井提升机采用较多。 目前我国提升机90%以上均采用交流绕线式异步电动机的拖动方式，其电控系统用于单绳缠绕式提升机的有TKD系列，多绳磨擦式提升机的有JKM、幻J系列。这几种提升机通常在电动机转子回路中串接附加电阻进行起动和调速。串电阻调速是一种恒转矩调速方法转子功率的损耗随着串入的电阻的增大而增大。尽管转子串电阻调速方法很不经济，低速特性也很软，稳定性差，但是由于这种调速方法比较简单易行，起动转矩较大在拖动起重机等中、小容量的绕线式异步电动机中仍然应用广泛。20世纪80年代，我国从瑞典、西德等国引进20多套晶闸管直流电动机控制系统。直流电动机传动有两种电控系统，一种为直流发电机直流电动机机组，另一种为晶闸管直流电动机系统。我国自己生产的晶闸管直流电动机控制系统应用于20世纪90年代。这种控制系统的优点是:体积小、重量轻、占地面积小;基础省、安装方便、建筑费用低;无齿轮传动部分(不需要减速器)、总效率高、电能消耗少;单机容量大，适用范围广;调速平稳、调速范围广、调速精度高;易于控制，能实现自动化，安全可靠;节约电能。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。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:l)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:a、提升过程中各工况参数(如速度、电流)监视:b、各主要设备运行状态监视;c、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。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。安全回路极为重要，它是保护的最后环节之一，英、德几家公司都采用两台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项故障时都能准确地实施安全制动。而在电力拖动方面，近几年国外出现了不少新拖动方式，交一交变频供电方式就是最有前途的一种。20世纪80年代西欧一些工业先进国家将交流变频调速技术应用于提升机，有代表性的是西门子公司和ABB公司。我国在20世纪90年代也引进了交流变频调速提升机控制系统。变频调速方式类似于它励直流电动机取得很宽的调速范围、很好的调速平滑性和有足够硬度的机械特性，在提升机应用中显示了其独特的优势。1.2课题研究的目的和意义矿井提升机是煤矿，有色金属矿生产过程中的重要设备。提升机的安全、可靠、有效高速运行，直接关系到企业的生产状况和经济效益。矿井提升系统具有环节多、控制复杂、运行速度快、惯性质量大、运行特性复杂的特点，且工作状况经常交替转换。虽然矿井提升系统本身有一些安全保护措施，但是由于现场使用环境条件恶劣，造成了各种机械零件和电气元件的功能失效，以及操作者的人为过失和对行程监测研究的局限性，使得现有保护未能达到预期的效果，致使提升系统的事故至今仍未能消除。一旦提升机的行程失去控制，没有按照给定速度曲线运行，就会发生提升机超速、过卷事故，造成楔形罐道、箕斗的损坏，影响矿井正常生产，甚至造成重大人员伤亡，给煤矿生产带来极大的经济损失。所以提升机调速控制系统的研究一直是社会各届人士共同关注的一个重大课题。电气控制方式在很大程度上决定了提升机能否实现平稳、安全、可靠地起制动运行，避免了严重的机械磨损，防止较大的机械冲击，减少机械部分维修的工作量，延长提升机械的使用寿命。随着矿井提升系统自动化，改善提统的性能，以及提高提升设备的提升能力等的要求，对电气传动方式提出了更高的要求。对矿井提升机电气传动系统的要求是：有良好的调速性能，调速精度高，四象限运行，能快速进行正、反转运行，动态响应速度快，有准确的制动和定位功能，可靠性要求高等。目前，我国地下矿山矿井提升机的电气传动系统主要有：对于大型矿井提升机，主要采用晶闸管变流器直流电动机传动控制系统和同步电动机矢量控制交一交变频传动控制系统。这两种系统大都采用数字控制方式实现控制系统的高自动化运行，效率高，有准确的制动和定位功能，运行可靠性高，但造价昂贵，中小矿井难以承受。对于中、小型提升机，则多采用交流绕线式电动机转子切换电阻调速的交流电气传动系统，即TKD电控系统。这种电气传动系统设备简单，但属于有级调速，提升机在减速和爬行阶段的速度控制性能较差，特别在负载变动时很难实现恒加减速控制，经常会造成过放或过卷事故。提升机频繁的启动和制动工作过程会使转子串电阻调速产生相当严重的能耗，另外转子串电阻调速控制电路复杂，接触器、电阻器、绕线电机电刷等容易损坏，影响生产效益。将变频调速技术应用于矿井提升机是矿井提升机电气传动系统的发展方向。对于现采用TKD电控系统的中小型矿井，随着变频调速技术的发展，交一直一交电压型变频调速技术已开始在矿井提升机改造中应用。变频器的调速控制可以实现提升机的恒加速和恒减速控制，消除了转子串电阻造成的能耗，具有十分明显的节能效果10。变频器调速控制电路简单，克服了接触器、电阻器、绕线电机电刷等容易损坏的缺点，降低了故障和事故的发生。因此，变频器在提升机调速系统中的应用具有十分广阔的前景。本文介绍变频器在提升机调速控制系统中的应用。1.3本论文承担的任务本课题拟解决的关键问题是控制策略研究，提升机是矿山生产中的关键设备，它属于大转动惯量机-电-液系统，提升机要按所要求的速度图运行，否则在系统中容易产生大的惯性力，降低机器的寿命，甚至产生脱轨等恶性事故。控制策略研究就是要通过电液控实时地、准确地使提升机按给定的速度图运行，使控制系统的精度和稳定性满足提升机运行的要求。本论文的研究目标是将可编程控制器（PLC）与变频器相结合并应用于矿山实际生产中，对现有的提升机电控系统进行改造设计，提高精度，在更安全的范围内保证矿山生产的顺利进行。设计中充分考虑到保护系统恶劣的使用环境，采用控制功能强大的PLC来代替传统的大型交流接触器，简化了控制线路，并应用各种现场抗干扰措施，包括采用电抗器、空气开关、及RC防浪涌震荡电路等。尤其在软件中采用提升机电控系统中断模块及故障处理模块，使超速报警更加科学合理。为了更直观的显示提升机的工作状态及故障来源，增加了提升机监视控制系统，通过显示器对整个提升系统进行监控。本论文承担的主要任务如下：1提升机电控系统主电路部分结合煤矿生产实际情况，分析提升机工作过程及工作特点。给出提升系统的整体控制方案；确定基于PLC控制的大功率矿井提升机变频调速控制系统组成。确定各部分所要完成的控制功能，并给出控制电路连接电路图，分析其功能的实现。并采取一些提高系统安全运行和抗干扰能力的措施。2控制系统软件设计部分可编程控制器PLC有强大的可编程控制功能，它是编程软件STEP7来完成的。对于复杂的矿山提升机变频调速电控系统采用PLC控制，在本文中设计出程序控制功能流程图，并给出其它基本控制功能的梯形图及控制程序编程语言。提升机系统是一个对安全性要求极高的控制单元，所以在软件设计部分应有对其系统的故障诊断处理内容，在出现故障时应能及时报警或停车。3提升机速度给定方式分析由于矿山生产过程中，提升机所承受的载荷不同、提升的方式及提升行程不同，提升机的牵引力也就不同，应对其进行适当调节，提升速度也应能及时进行控制；如不做相应的处理和调整，系统将在较小的范围内产生极大的累计误差，导致系统的巨大波动，造成过载或松绳等，甚至导致矿车脱轨或过卷等重大事故，而造成巨大的损失。所以要寻求一种控制方法来提高控制精度。在实际中经常采用的转子串电阻调速因其为有级调速，调速不连续，且对电网冲击大。所以寻求一种理想的速度给定方式极为重要，以求能够提高电控系统控制性能，改善控制品质。4保护及抗干扰措施传统交流电控系统可靠性差，其安全保护、闭锁及监测系统不完善，均为单线系统，且与控制系统相混联，多数共用一套线路，互相影响。本文针对制约提升安全的主要环节设置减速、超速报警及过载、松绳、过卷等安全保护措施，增加监视系统，对提升机的运行状态及故障来源进行时时监视，使提升安全状况有所改善。为了保证其安全生产，在系统设计上应采用隔离、滤波、屏蔽、接地等抗干扰措施。安全回路应具有双重冗余功能。1.4小结本章详细介绍了矿井提升机信号系统的背景，阐述了本课题研究的目的意义。在此基础上提出了本文所承担主要任务和研究的主要内容为：提升机电控系统主电路设计部分、控制系统软件设计部分、提升机速度给定方式分析、保护及抗干扰措施。在完成以上设计内容时，此调速控制系统才能成为一个有机的整体，才能安全可靠的工作，并达到预期的控制效果。第2章 矿井提升机的组成及分类 2.1引言 矿井提升机定义：安装在地面，借助于钢丝绳带动提升容器沿井筒或斜坡道运行的提升机械。矿井提升机是一种大型绞车。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。中文名称：矿井提升机；英文名称：mine winder;mine hoist；其他名称：矿井卷扬机，绞车。2.2 矿井提升机的组成及分类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。矿井提升机按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提升机 。（一）缠绕式提升机：缠绕式提升机的主要部件有主轴、卷筒、主轴承、调绳离合器、减速器、深度指示器和制动器等（图2）。双卷筒提升机的卷筒与主轴固接者称固定卷筒，经调绳离合器与主轴相连者称活动卷筒。中国制造的卷筒直径为 25m。随着矿井深度和产量的加大，钢丝绳的长度和直径相应增加。因而卷筒的直径和宽度也要增大，故不适用于深井提升。 1.单绳缠绕式提升机 根据卷筒数目可分为单卷筒和双卷筒两种：单卷筒提升机，一般作单钩提升。钢丝绳的一端固定在卷筒上，另一端绕过天轮与提升容器相连；卷筒转动时，钢丝绳向卷筒上缠绕或放出，带动提升容器升降。双卷筒提升机，作双钩提升（图1）。两根钢丝绳各固定在一个卷筒上,分别从卷筒上、下方引出,卷筒转动时，一个提升容器上升，另一个容器下降。缠绕式提升机按卷筒的外形又分为等直径提升机和变直径提升机两种。等直径卷筒的结构简单，制造容易，价格低，得到普遍应用。深井提升时，由于两侧钢丝绳长度变化大，力矩很不平衡。早期采用变直径提升机（圆柱圆锥形卷筒），现多采用尾绳平衡。 2.多绳缠绕式提升机 提升机在超深井运行中，尾绳悬垂长度变化大，提升钢丝绳承受很大交变应力，影响钢丝绳寿命；尾绳在井筒中还易扭转，妨碍工作。20世纪 50年代末，英国人布雷尔（Blair）设计了一台直径3.2m双绳多层缠绕式提升机(又称布雷尔式提升机)，提升高度15802349m，一次提升量1020t。 （二）摩擦式提升机多绳摩擦式提升机的主要部件有主轴、主导轮、主轴承、车槽装置、减速器、 深度指示器、制动装置及导向轮等。主导轮表面装有带绳槽的摩擦衬垫。衬垫应具有较高的摩擦系数和耐磨、耐压性能,其材质的优劣直接影响提升机的生产能力、工作安全性及应用范围。目前使用较多的衬垫材料有聚氯乙烯或聚氨基甲酸乙酯橡胶等。由于钢丝绳与主导轮衬垫间不可避免的蠕动和滑动，停车时深度指示器偏离零位，故应设自动调零装置，在每次停车期间使指针自动指向零位。车槽装置用于车削绳槽，保持直径一致，有利于每根钢丝绳张力均匀。为了减少震动，可采用弹簧机座减速器。 1.井塔式提升机 机房设在井塔顶层，与井塔合成一体，节省场地；钢丝绳不暴露在露天，不受雨雪的侵蚀，但井塔的重量大，基建时间长，造价高，并不宜用于地震区（图3）。 2.落地式提升机 机房直接设在地面上，井架低，投资小，抗震性能好；缺点是钢丝绳暴露在露天，弯曲次数多,影响钢丝绳的工作条件及使用寿命（图4）。 2.4小结 本章主要介绍了矿井提升机的科技名词，以及详细讲述了矿井提升机的组成及分类。矿井提升机是一种大型绞车。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。 第3章 矿井提升机的制动装置及安全装置3.1引言 提升机在矿井中担负着提升煤炭、矸石。升降人员和设备、运送材料及丁具等任务。它是沟通矿井地面与井下的运输设备，是矿井的重要设备之一。而矿井提升机的制动和安全保护装置是提升系统的重要组成部分，它直接影响提升机正常丁作和安全运行，因此对提升机的制动器和安全保护装置必须给予充分的重视。并加强机房管理，为操作人员创造一个更好的更安全的工作环境。3.2 矿井提升机的制动装置3.2.1 制动装置的组成及种类 提升机制动系统是提升机重要组成部分，它直接关系到提升机设备得安全运行，它由制动器（闸）和传动装置组成。制动器直接作用到制动力矩的机构、传动装置是控制并调节制动力矩的机构。制动器按其结构可分为块闸(角移式和平移式)和盘问；传动装置按传动能源可分为液压、气动及弹簧等。3.2.2 制动装置的作用 （1）在提升终了或提升机不工作时，可靠的闸住提升机停车制动； （2）减速阶段参与提升机的速度控制工作制动； （3）作为安全机构，发生紧急事故时，进行安全制动，对提升系统进行保护紧急制动； （4）双卷筒提升机动作调绳离合器时，应能闸住活卷筒，动作死卷筒。3.2.3 制动装置的有关规定（一）煤矿安全规程第428条规定：提升绞车必须装设深度指示器、开始减速时能自动示警与不离开座位即能操纵的常用闸和保险闸，保险闸必须能自动发生制动作用。常用闸和保险闸共用1套闸瓦制动时，操纵和控制机构必须分开。双滚筒提升绞车的2套闸瓦的传动装置必须分开。对具有2套闸瓦只有1套传动装置的双滚筒绞车，应改为每个滚筒各自有其控制机构的弹簧闸。提升绞车除设有机械制动闸外，还应设有电气制动装置。严禁司机离开工作岗位、擅自调整制动闸。（二）煤矿安全规程第429条规定：保险闸必须采用配重式或弹簧式的制动装置，除可由司机操纵外，还必须能自动抱闸，并同时自动切断提升装置电源。常用闸必须采用可调节的机械制动装置。保险闸或保险闸第一级由保护回路断电时起至闸瓦接触到闸轮上的空动时间：压缩空气驱动闸瓦式制动闸不得超过0.5s，储能液压驱动闸瓦式制动闸不得超过0.6s，盘式制动闸不得超过0.3s。盘式制动闸的闸瓦与制动盘之间的间隙应不大于2mm。保险闸施闸时，杠杆和闸瓦不得发生显著的弹性摆动。（三）提升绞车的常用闸和保险闸制动时，所产生的力矩与实际提升最大静载荷旋转力矩之比不得小于3。在调整双卷筒提升绞车卷筒旋转的相对位置时（此时游动卷筒与主轴脱离连接），制动装置在各滚筒闸轮上所发生的力矩，不得小于该滚筒所悬重量（钢丝绳重量与提升容量重量之和）形成的旋转力矩的1.2倍。在立井和倾角大于30的倾斜井巷，提升装置的保险闸发生作用时，减速度必须符合：下放重载时，不得小于1.5m/s;3.3 矿井提升机的安全保护装置 煤矿安全规程第427条规定：提升机必须具有以下九种安全保护装置：防止过卷装置、防止过速装置、过负荷和欠电压保护装置、限速装置、深度指示器失效保护装置、闸间隙保护装置、松绳保护装置、满仓保护装置、减速功能保护装置 1、防止过卷装置：当提升容器超过正常终端停止位置（或出车平台）0.5m时，必须能自动断电，并能使保险闸发生制动作用。 2、防止过速装置：当提升速度超过最大速度15%时，必须能自动停电，并能使保险闸发生作用。 3、过负荷和欠电压保护装置：在提升机的配电开关上设有过电流和欠电压保护装置，在过负荷或欠电压情况下使配电开关自动跳闸，切断提升电动机电源，并使保险闸发生作用。 4、限速装置：提升速度超过3m/s的提升绞车必须装设限速装置，以保证提升容器（或平衡锤）到达终端位置时的速度不超过2m/s。如果限速装置为凸轮板，其在个提升行程内的旋转角度应不小于270。 5、深度指示器失效保护装置：当指示器失效时，能自动停电并能使保险闸发生作用。 6、闸间隙保护装置：当闸间隙超过规定值时，能自动报警或自动断电。 7、松绳保护装置：缠绕式提升绞车必须设置松绳保护装置并接入安全回路和报警回路，在钢丝绳松弛时能自动断电并报警。箕斗提升时，送绳保护装置动作后，严禁受煤仓放煤。 8、满仓保护装置：箕斗提升的井口煤仓仓满时能自动报警和自动断电。 9、减速功能保护装置：当提升容器（或平衡锤）达到设计减速位置时，能示警开始减速。防止过卷装置、防止过速装置、限速装置、减速功能保护装置应设置为相互独立的双线型式。3.4 小结 本章主要讲述了矿井提升机的制动装置及安全装置，提升机在矿井中担负着提升煤炭、矸石。升降人员和设备、运送材料及丁具等任务。它是沟通矿井地面与井下的运输设备，是矿井的重要设备之一。而矿井提升机的制动和安全保护装置是提升系统的重要组成部分，它直接影响提升机正常丁作和安全运行，因此对提升机的制动器和安全保护装置必须给予充分的重视。并加强机房管理，为操作人员创造一个更好的更安全的工作环境。第4章 提升机调速控制系统硬件实现4.1引言经过分析比较，权衡各种控制方案的优劣，结合提升机调速系统属于恒转矩负载特性，最终选择PLC与变频器相结合的变频调速方案，其变频控制方式为：矢量变频调速控制。此方案能够很好解决传统交流绕线式电机串电阻调速系统的缺点，变频调速是通过改变定子供电频率来达到电机调速的目的，无论转速高低，其机械特性基本上与自然机械特性平行，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。变频调速系统将是提升机电控系统的发展方向。4.2提升机电控系统总体结构基于PLC控制的大功率矿井提升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，系统框图如图31所示。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；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。变频调速器：是动力装置的能量供给单元，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。变频调速控制系统工作原理：如图31，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。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行走距离。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。4.3提升机电控系统变频器选择本调速控制系统包括：德国的西门子(Siemens)公司生产的模块式PLC S7-300和变频器各一台。变频器选用森兰公司的通用变频器系列SB61G110KW通用变频器，功率为110kW。根据变频调速原理，在变频器的控制输入回路中接入频率设定电路，由PLC输出的模拟量，即电压或电流信号来控制变频器的输出频率，实现电机速度控制。本系统中调速采用PLC+D/A模块配合变频器进行，通过PLC输出电压信号(010V)来控制变频器的频率。此时的变频器输出频率与设定电压输入成正比。为了便于监控变频器的运行状态并及时发现异常，应取出变频器的异常信号送到PLC的输入模块，以作为变频器的事故报警信号及安全制动。为了与变频调速系统配合，保证在启动力矩、低频转矩、过载能力等方面满足系统的要求，选用冶金起重专用变频电动机。变频电动机的电磁设计、结构设计和绝缘系统设计既考虑了对变频器电源供电和宽范围变频调速的适应能力，又体现了冶金及起重专用三相异步电动机过载能力大、机械强度高的特点。与变频调速良好的起、制动功能相结合，特别适用于采用变频调速，短时间或断续周期运行、频繁启动和制动的场合，既能保证电动机在高频时的过载能力，又能在低频时保持恒转矩输出。4.4变频控制部分设计4.4.1变频调速主系统设计变频调速单元采用森兰SB61系列SB61G110KW通用变频器，其变频调速系统主电路如图32所示。与标准的电压频率控制装置相比较，在速度参数和负载转矩都改变的情况下，VVCPLus的动态和稳定性较优越，可实现一个全数字化的保护，即使在最恶劣的操作条件下，也可确保可靠运行。SB61G110KW具有国际领先的无速度传感器矢量控制技术和拟超导技术，使电机低速时机械特性变硬。同时具有短路、接地和过载保护功能。调速控制系统主电路主要部件的功能和原理：空气断路器：过流过载保护；交流接触器：切断电源和启动；交流电抗器La：降低谐波，抑制浪涌电压，改善功率因数；噪声滤波LB：减小无线电干扰；电抗器LA：减小干扰和振动；热继电器FR：断相保护，过载保护；1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： 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。因此在选择电动机的保护元件时可以用1kw2A来估算电动机的额定电流值，从而达到快速选择保护元件的目的。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31所示：2变频器的容量选择在一台变频器驱动一台电机的情况下，变频器的容量选择要保证变频器的额定电流大于该电动机的额定电流，或者是变频器所适配的电动机功率大于当前该电动机的功率。另外矿用提升机属于频繁起动、加减速运转，其变频器容量的选定应根据加速、恒速、减速等各种运行状态下的电流值，按下式确定：式中 ： 变频器额定输出电流(A)； 各运行状态平均电流(A)； 各运行状态下的时间（s）； K0：安全系数(运行频繁时取1.2，其它条件下为1.1)。考虑到矿用电机性能上的差异及机械负载的波动，变频器容量取电动机容量的1.4倍，本系统中所需电动机的轴上功率为75KW，按1.4倍容量就选择105KW以上变频器。3变频器的选择绞车升降的运转具有较大惯性，四象限运行的特点，与其他传动机械相比对变频器有着更为苛刻的安全和性能上的要求，SB61G系列通用变频器是专为起重类负载而设计的专用变频器，该系列产品采用了最优的电机控制方法矢量控制技术，它可以对所有交流电动机的核心变量进行控制，并把定子磁通、转矩作为主要控制变量。其对负载的变化和瞬时掉电，能做出迅速响应；开环控制精度可以达到闭环矢量控制的精度（误差0.1%0.5%），开环转矩阶跃上升时间小于5 ms，起动转矩可达200%，并具有有效的磁通制动来提供最大可能的制动力矩。尤其它还提供了绞车应用宏程序，可以实现绞车过载保护、过卷保护、超速保护和各种故障监控及报警，模块化功能可方便实现施工现场多台绞车同步控制，确保使用时安全快速运行、故障处理容易、维护简单。根据变频器所需容量，查变频器型号规格：选择森兰SB61G110KW通用型变频器。其标称参数如表32所示：表32森兰SB61G110KW通用型变频器的参数4.4.2变频器外部电路设计 变频器可以输出频率可调的交流电源，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器和安全制动，更有效的对控制系统进行安全保护，外部电路连接如图33所示。1 声光报警回路(1)、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，发出报警；同是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）。(2)、声光报警电路由报警输出的动合（常开）触点“30B-30A”控制，当变频器跳闸时，触点“30B-30A”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。另外继电器线圈和电笛线圈的两端，也需要并联阻容吸收电路，以保护变频器内部报警继电器触点。2 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0 Hz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。一、能耗制动电路的作用在变频调速系统中，电动机的降速和停机，是通过逐渐减小频率来实现的。这时：1、电动机的工作状态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。当同步转速低于转子转速时，转子电流的相位几乎改变了180，电动机处于发电机状态。与此同时，电动机轴上的转矩变成了制动转矩，使电动机的转速迅速下降。从电动机的角度来看，处于再生制动状态。2、变频调速系统的工作状态电动机再生的电能经如图32所示与逆变管反并联的续流二极管全波整流后反馈到直流电路，由于直流电路的电能无法回输给电网，尽管各部分电路还在消耗电能，但电容上仍有短时间的电荷堆积，形成“泵生电压”，使直流电压升高。过高的直流电压将使各部分器件受到损害。因此，当直流电压超过一定值时，就要求提供一条放电回路，将再生的电能消耗掉。所以，从变频调速系统的角度来看，拖动系统在转速下降时减少的动能，由电动机“再生”电能后，在变频器的直流电路中被消耗掉了。归根结底，是通过消耗能量而获得制动转矩的，属于能耗制动状态。用于消耗电动机再生电能的电路，就是能耗制动电路。二、能耗制动电路的构成1、制动电阻能耗制动电路结构如图34所示，图中的BR就是制动电阻，用于将电动机的再生电能转换成热能而消耗掉。其选择方法如下：（1）的阻值一般情况下，的大小以使制动电流不超过变频器额定电流的一半为宜，即 （2）的功率由于的工况属于短时工作，帮其标称功率可以比长期通电时消耗的功率小很多：式中，为选用系数，取值范围约为=0.30.5,取决于电动机的容量和工况。通常，电动机容量较小时取小值，反之取大值。当电动机的再生制动状态属于正常工作状态时，应取=1.0。例如超重机械中，吊钩的下降过程就是。2、制动单元BV如图34，制动单元BV的功能是，当直流回路的电压超过规定的限值勤时，接通耗能电路，使直流回路通过释放能量。（I）制动单元BV的组成如图上划线框所示，BV的组成如下：a）功率管用于接通与关断能耗电路，是制动单元的主体。 图34能耗制动和制动单元电路b）电压取样与比较电路由于的驱动电路是低压电路，故只能按比例取出的一部分作为采样电压，和基准电压进行比较，得到控制导通或截止的指令信号。c）驱动电路驱动电路用于接受“取样与比较电路”给出的指令信号，驱动导通或截止。（II）功率管的选用的常用器件是GTR或IGBT。其主要参数的一般选择方法如下：a）击穿电压在电源电压为380V时，选=1000V即可。b）集电极最大电流按正常电压下流经的电流的两倍来选择三、直流制动单元能耗制动和直流制动配合使用能达到理想的制动效果。直流制动原理：所谓直流制动，就是向电动机的定子绕组内通入直流电流，使异步电动机处于能耗制动状态。具体操作是，将电机与变频器切断后向定子绕组内通入直流电流，定子磁场是静止的。这时，转子绕组切割磁力线后产生的电磁转矩与转子的旋转方向相反，是制动转矩。因为转子绕组切割磁力线的速度较大，所产生的制动转矩比较强烈，从而可缩短停机时间。此外，直流磁场本身具有吸住转子的作用，可以有效地消除转子的蠕动。直流制动功能预置A、直流制动的起始频率，通常直流制动都是和再生制动配合使用的。即：首先用再生制动方式将电动机的转速降至较低转速，然后再转换成直流制动，使电动机迅速停住。转换时对应的频率即为直流制动的起始频率，如图所示。预置起始频率的主要依据是负载对制动时间的要求，要求制动时间越短，则起始频率应越高。B、直流制动强度即预置在定子绕组上施加直流电压或直流电流的大小，它决定了直流制动的强度，如图35所示。预置直流制动电压 (或制动电流)的主要依据是负载惯性的大小，惯性越大者，直流制动强度(或)也应越大。一般情况下，直流电压以不超过50 V为宜。（三)直流制动时间直流制动时间即施加直流制动时间的长短。预置直流制动时间的主要依据是负载是否有“爬行”现象，以及对克服“爬行”的要求，要求越高者，应适当长一些。直流制动功能预置参数F403、F404、F405设置（见附录：变频器各项参数设定）。 图35直流制动功能预置4.5 PLC控制部分设计4.5.1基本控制功能 PLC是本控制系统中关键的一环，其主要控制电路如图36所示，主要的控制功能有如下几项：主令操作控制、保护监视控制。主令操作控制，对系统进行管理，实现提升机与操作台之间的指令传递，向提升系统发出相应的指令，并改变相应电控系统的工作状态，使提升机按照预定的力图和速度图安全运行，运行方式可分为启动、等速运行、减速、爬行、停车。PLC根据运行方式对变频器实现S形速度给定控制，实现箕斗运行速度的准S形曲线。PLC还完成各种保护监视功能。监控内容主要包括：超速监视、过卷监视、实时速度监视、井筒过卷监视、变频器故障监视、矿车行程监视、过载监视、深度指示器监视等，以上监视内容出现故障时，通过报警回路报警或安全回路实现抱闸停车保护。一、起动，停车 (1)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。图36 PLC外部接线(2)梯形图及编程语言二、上提升，下放 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，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。当按下停止按钮时，所有继电器常闭触头闭合，为下一次提升做准备。三、工频与变频转换 (1)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及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，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。 (2)梯形图及编程语言四、保护及连锁功能 (1)上过卷、下过卷保护，在离井口安全处和离井底一定距离处分别装上霍尔常开型接近开关，当矿车由于故障或操作员失误，矿车越过安全线时，传感器动作，同时PLC控制安全回路动作，实现对提升系统的保护，并伴随有声光报警。 (2)松绳保护：用一根细丝和一个常开型开关，在钢丝绳下放一定距离垂直钢丝绳方向处架起，当矿车在缓道上行走，而电机下放速度过快时，就会出再松绳现象。此时，钢丝绳下沉，压下开关，此时声光报警，显示屏上显示故障信息。操作员应该及时降速或停车。 (3)过载保护：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，电机堵转等故障而使负载转矩增大时，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。 (4)当提升过程中发生润滑油压力过高、过低，润滑油滤油器或液压站滤油器堵塞或油温高时，监视屏上有相应的故障信息显示，点亮相应信息灯，告知操作员可以完成本次提升工作，当故障解除后才允许司机进行下一次提升工作。 (5)当提升机因发生故障在中途停车，而且提升容器位于减速段行程内时，排除故障后允许司机按上次开车方向选择开车，并且只能低速开车；若提升容器不在减速行程内，由井口发出开车信号，允许司机高速开车。 (6)全矿停电时，由PLC保证提升机能实现安全制动，并做好提升机的后备保护。 (7)盘式制动器的工作制动力矩可调，紧急制动(安全制动)能产生二级制动，避免机械冲击。4.5.2位置检测电路 位置检测电路用来测量提升机的运行位置。旋转编码器与可编程控制器的高速计数单元相连，连接电路如图37所示。计数器通过累计正转与反转的脉冲个数经CPU运算可确定提升机的确切位置。旋转编码器每转脉冲数的选择取决于PLC允许输入的频率、提升速度、计数精度等。（1）计数脉冲的计算 OMRON系列编码器E6C2-CWZ6C型允许脉冲输入最大频率为100KHZ，记为 ，选择提升机最大允许速度Vmax=7m/s，本系统中所选电机转速为n=750r/min。为了在位置检测中取得很大的控制精度，应在允许范围内选取尽可能多的脉冲数，即选择每转输出脉冲数多的旋转编码器。设P为旋转编码器每转输出脉冲数。则得到：查OMRON系列编码器规格，选取每转输出1000个脉冲的编码器。这样每两个脉冲间隔中，矿车所运行的距离为： 图37旋转编码器与PLC连接图（2）FUN(98)功能指令 计数器能够根据提升机运行方向对当前计数进行加一或减一计数。通过PLC高速脉冲输入端输入的脉冲，由高速计数器FUN(98)指令累计并存于CNT47中(这时CNT47为其专用)，该指令可将当前计数值与设定在数据寄存器的DM32-DM63中的上下限值进行比较，然后，依照比较结果在FUN(98)指令指定的通道产生相应的输出。若当前计数值在设定的上下限值范围内，则对应的输出点为ON，反之为OFF。通过设定上下限值可按距离原则发出过卷信号。同时，计数值也能够经过计算得出目前矿车所在的位置及提升机运行速度。通过显示器显示出来，供操作员参考。另外，为了减小累计行程误差，分别在井筒和井底安装了两个同步开关，对行程位置进行校准。同时这两个同步开关还用作两个减速点用。在初次调试时，两个减速点和同步开关的位置都应设定好。要实现提升机矢量控制变频调速还需要对变频器进行参数设置，各参数设置参见附录。4.6硬件调速控制系统保护措施一、空气断路器短路保护短路保护应满足以下要求：（1）当电动机发生相间短路或在中性点直接接地系统中发生单相接地短路时，保护装置应能切断故障电路。（2）当电动机正常起动或制动时，保护装置不应动作。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。因此，用来控制电动机时，其额定电流(即指主触头的额定电流)选择得大于或等于电动机额定电流1.31.4倍即可。即1.3式中：空气断路器的额定电流（A）；电机正常工作时的额定电流（A）。空气断路器的额定电压应大于或等于电动机额定电压所以选用：富士康SA203BA断路器，其最大额定电流：225A，额定隔离电压：AC 690V，额定分断容量：30KA（在AC 380V下）二、热继电器过载保护矿山提升机由于负载沉重而需要限制起动时间，又容易堵转，且又长期处于频繁起动-停止状态，容易出现过载现象，所以需要对电机进行过载保护。过载保护一般采用热继电器保护。若用自动空气开关保护，应选用带长延时脱扣器的自动空气开关。对大功率的重要电动机采用反时限特性的过电流继电器进行过载保护。保护措施主要是通过切断电动机电源的方法实现保护。在一些特殊场合，也可以通过发出警报或使电动机自动减载来实现保护。本系统采用热继电器对电机进行保护。一般情况下，根据电动机的额定电流的1.11.25倍选取热继电器的额定电流。热继电器的整定值一般为电动机额定电流值。即：=根据电机实际负载与工艺流程的要求，也可上下波动5%，本系统取1.05倍电流保护，即：=1.05=1.05*148=155.4另外，根据矿山提升系统的要求，还应对提升机进行断相保护，因此应选用带断相保护装置的热继电器，本控制系统选用乐清市三亚电器制造厂生产的：JRS2-12.5/Z。它具有断相保护，清晰度补偿，脱扣指示功能，并能自动与手动复位。3.6.2调速控制系统抗