基于PLC控制的变频调速在矿井提升机中的应用设计
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基于PLC控制的变频调速在矿井提升机中的应用设计,基于,PLC,控制,变频,调速,矿井,提升,中的,应用,设计
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河南理工大学万方科技学院本科毕业论文基于PLC控制的变频调速在矿井提升机中的应用摘要矿井提升机是一种大型提升机械设备 。由电机带动机械设备，以带动钢丝绳从而带动容器在井筒中升降，完成输送任务。矿井提升机是由原始的提水工具逐步发展演变而来。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，这类提升机通常在电动机转子回路中串接附加电阻进行启动和调速。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。 本文针对传统提升机控制系统中存在的上述问题，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研究。尽可能的改善提升机的性能,使他们具有提升量大，速度高，安全性高等优点。国际电工委员会（IEC）在1987年2月颁布的可编程控制器标准草案的第三稿中将其进一步定义为：“可编程控制器是一种熟悉运算操作的电子装置，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指令，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。”PLC控制系统由于运行可靠性高，使用维护方便，抗干扰性强，设计和调试周期较短等优点，备受人们重视，已经成为目前在矿井提升机控制系统中使用最多的控制方式。关键词：矿用提升机，矢量控制，变频调速，PLC控制。 Abstract Mine hoist is a kind of large scale lifting machinery and equipment.The motor drives the mechanical equipment, to drive the wire rope to drive the container in a wellbore lifting, complete the task of conveying.Mine hoist is composed of the original lifting water tool gradually evolved.The traditional control system of mine hoist mainly adopts relay, contactor control, this kind of hoist is usually in the motor rotor loop is connected in series with additional resistance start and speed control.This control system the existence of poor reliability, complicated operation, high failure rate, the waste of energy, the disadvantage of low efficiency.This article in view of the traditional hoist control system of the existence of the above problems, the programmable controller and inverter applied to the elevator control system, and the feasibility was studied.As much as possible to improve machine performance, so they have to enhance the volume of large, high speed, high security.The International Electrotechnical Commission (IEC) in 1987 February standards promulgated programmable controller on the third release will be further defined as: a programmable controller is a kind of familiar with the operation of the electronic device, designed for applications in the industrial design environment.It uses a programmable memory, used in the implementation of its internal storage logical, sequential control, timing, counting and arithmetic operations such as operation instructions, and through digital, analog input and output control various types of machinery or production process.PLC control system with high reliability,convenient maintenance, strong anti-interference, design and debugging cycle is short and other advantages, has attracted people attention, had become current in mine hoist control system used in most control mode.Keywords: Mine hoist, vector control, frequency control, PLC control. 目录摘要11 绪论51.1课题研究原因51.2国内外提升机研究状况51.3课题的研究内容及意义71.3.1研究内容71.3.2研究意义82 矿井提升机电气控制系统的现状与改进.92.1矿井提升机对电气控制的要求92.2 控制单元基本原理152.3调速装置172.3.1调速方式172.3.2提升机交流调速方式182.4系统设计212.5系统特点及预期达到效果233 PLC的特点与基本结构和控制应用243.1 PLC的特征和组成243.2 PLC的工作原理254 变频调速系统264.1变频调速在提升机控制中的应用264.2变频调速的基本原理264.3变频调速的控制方式矢量控制274.3.1矢量控制274.3.2矢量控制的思路284.4变频器的选择284.4.1变频器选型294.4.2变频器容量选择304.4.3变频器参数设定325 矿井提升机变频调速系统的软件设计365.1 上位机监控系统365.1.1 上位机子程序设定思路365.2 PLC控制软件设计365.3理想S曲线产生的方法435.4系统抗干扰措施436 总结44致谢45参考文献46附图471 绪论1.1课题研究原因 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。广泛用于煤炭、有色金属、黑色金属、非金属、化工等矿山的竖井、斜井，是生产运输的主要工具。在煤炭生产中提升机担负着提升煤炭、矸石、下放材料、升降人员和设备的任务，是联系井上与井下的唯一途径 。提升枫的电力传动特性复杂，电动机频繁正反向，经常处于过负荷运转和电动、制动不断地转换的状态中。对提升机来说，运行的安全、可靠性是至关重要的，主并直接关系到矿山的生产效率，作为运送人员的副井，一旦发生故障，往往造成机毁人亡。提升机运行的安全可靠性不仅直接影响整个矿井的生产能力，影响整个矿山的经济效益，而且还涉及到井下工作人员的生命安全。因此，研制并制造即安全可靠又节省能源的提升机是煤矿安全生产的一项重要课题。 1.2国内外提升机研究状况矿井提升装置是采矿业的重要设备，随着科学技术的不断发展和矿井生产现代化的不断提高,国内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70年代国外将可编程控制器应用于提升机控制，80年代初,计算机又被用于提升机的监事和管理.计算机和PLC的应用标志着提升机的控制新时代已经到来。1.2.1国外矿井提升机控制系统的发展现状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MAVGHI-I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，此时期在国外一些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峰J。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。1.2.2国内矿井提升机控制系统的发展状况直到目前为止，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，我国开采井较小矿井提升高度浅 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。1.2.3国内矿井提升机控制方面的比较目前我国提升机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、KJ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：1)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N+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川。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；4）、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。1.3课题的研究内容及意义1.3.1研究内容 当前国内提升机电控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，设备陈旧、技术落后。而且这种控制方式存在着很多的问题：1)转子回路串接电阻，消耗电能，造成能源浪费。2)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。3)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。4)交流绕线异步电动机的滑环存在接触不良问题，容易引起设备事故。5)电动机依靠转子电阻获得的低速，其运行特性较软。6)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。 上述问题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，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。就计算机技术在工业现场应用情况而言，可编程控制器(PLC)是目前作为工业控制最理想的机型，它是采用计算机技术、按照事先编好并储存在计算机内部一段程序来完成设备的操作控制。采用PLC控制，硬件简洁、软件灵活性强、调试方便、维护量小，PLC技术已经广泛应用于各种提升机控制，配合一些提升机专用电子模块组成的提升机控制设备，可供控制高压带动力制动或低频制动，单、双机拖动等。操作、监控和安全保护系统选用可编程控制器。主控计算机应用软件能完成提升机自动、半自动、手动、检修、低速爬行等各种运动方式的控制要求而在PLC电控系统的基础上配合变频调速装置，运用现在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。1.3.2研究意义 在调研中发现，目前各大煤矿的矿井提升机系统的调速方案大多采用继电器接触器控制的转子串电阻调速。该方案耗能大，占地面积大，已不能适应现代矿业发展的需要。因此有必要对其调速方案进行改造。在广泛考察现行的变频调速方案后，本文提升机系统控制单元采用目前工控适用的可编程控制器来控制，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，运用先进的矢量控制技术，优化了调速系统的性能，这一控制方法目前仍为现代交流调速的重要研究方向之一。采用先进的工业计算机、现场总线和工业自动化技术叫，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。使用上位机监控系统，采用组态模式，实现良好的人机对话；实时监控提升机的运行状态，上位机动态模拟显示及故障闭锁；可进行故障报警、数据查询、报表打印；记录提升钩数以及每班、每日、每月、每年的提升量累计；故障声光指示、记忆及部分传感器上位机的紧急处理。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、自诊断以及记录和保护装置(如负载、速度、加减速、产量、运行时间等记录)。本文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。表明本文所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。2 矿井提升机电气控制系统的现状与改进2.1矿井提升机对电气控制的要求 提升机控制系统方案的选用应满足生产工艺的要求，即满足各种可能出现的运行速度图和力图。所以需要先来分析提升机电控系统的静、动态特性。提升机的电气传动系统的给定速度v=f（t），如图2-l所示，根据动力学方程式 (2-1) 式中 -电动机电动力矩 ； -传动系统静阻转矩 ； -传动系统的飞轮力矩，,其中J为转动惯量（kg），g为重力加速度（）； - 传动系统的动态转矩(Nm）； -加速度。可以得出按给定速度图所需转矩=f(t)的特性，从而可以得到拖动系统所需的力F=f（t），如图2-1所示。提升机的负载静力，决定于提升机辊筒承受的静张力差，在双罐笼的平衡提升系统中，力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)，对辊筒必须施加机械闸。从图2-l可以看出，要使提升机按照给定的速度图运行，电动力矩可能为正，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。图2-2表示出了平衡提升系统的四种不同的运行状态。图2-1提升机传动系统给定速度图，力图 (1)重物上提，静载量较大()。其给定速度图与力图如图2-2(a)所示在加速段 (2-2)其中为加速力矩与等速力矩之差 加速力矩为： （2-3）在等速段，等速力矩为： (2-4) 在减速段，但，所以减速段力矩为： (2-5)其中，为减速力矩与等速力矩之差 在爬行段，爬行力矩为： (2-6)根据此力图可知，电动机在各级段均工作在正向电动状态。2)重物上提，静载量较小()。其给定速度图和力图如图2-2(b)所示 在加速段，加速度力矩 (2-7) 在等速段，等速度力矩 (2-8) 在减速段，减速度力矩，但，所以 爬行段,爬行力矩F4=图2-2在不同负载下的给定速度图与力图 根据力图可知，电动机在加速段和等速段，工作在正向电动状态；在减速段，工作在正向制动状态；在爬行段，又工作在正向电动状态。也就是说，在整个提升过程中，电动机的运行状态应切换两次。(3)重物下放，静载量较小()。其给定速度图与力图如图22(c)所示。在加速段， (2-11)在等速段 (2-12)在减速段， (2-13)在爬行段 (2-14) 根据力图可知，电动机在加速阶段，工作在正向电动状态;在等速、减速和爬行阶,电动机均工作在正向制动状态。 (4)重物下放，且静载量较大()。其给定的速度图和力图如图2-2(d)所示。 在加速阶段 ，, (215) 在等速、减速和爬行段，F均为负。根据力图可知，电动机在整个提升过程中始终工作在正向制动状态。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，也就是说要求电气传动系统能满足四象限运行。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，升降物料时，加速度。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。2.2 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。 如图23所示是一个继电器控制系统。它是由继电器、接触器用导线连接起来以实现控制程序的，其输入对输出的控制通过接线程序来实现，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(电动机、电炉、电磁阀门等) 图2-3继电器控制系统框图 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(Programmable Logic Controller)，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的输入腧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2-4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2-4可编过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TKDA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。 在实施提升机电气控制系统技术改造时，即要有超前一步的意 识紧盯国际先进水平，也要考虑我国国情，依靠自己的力量，加强 与先进国家的合作，采取引进消化、吸收、合作生产、联合改造等 多种形式，实现符合中国国情的煤矿提升机电控系统现代化。2.3调速装置 2.3.1调速方式 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VM调速系统VM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GM系统)，一类是晶闸管供电的系统(简称VM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GM系统相比，V-M系统具有以下优点：功率放大倍数高，GM系统的功率放 大倍数在101左右，V-M系统可高达104，比GM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GM系统效率提高10以上；调速范围大，由于剩磁影响，GM系统在调速时转速受到限制，而VM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VM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。 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。2.3.2提升机交流调速方式 图2-5提升机八段转子串电阻调速原理图 在传统的矿井提升机的交流拖动系统中选用绕线式异步电动机作为主拖动电动机，在绕线式异步电动机的转子回路串接电阻或频敏变阻器，可以改善动态性能，但可以减小启动电流，还可以增加启动转矩，并能在一定范围内进行调速。如图2-5所示为提升机转子串入八段电阻调速原理图。 绕线式异步电动机的机械特性方程使用式(2-16）表示： （2-16）式中M电动机某瞬间所产生的电磁转矩：电动机的最大转矩(临界转矩)；对应于最大转矩的转差率(临界转差率)；S对应于转矩M的转差率，转差率可用下式表示：n与转矩M对应的转速;电动机的同步转速;由式(2-16)可绘出电动机的特性曲线，如图2-6所示： 图2-6异步电动机杠械特性曲线 图2-6中Tz为自然特性，TIT8为人工特性。在Rz特性曲线中，1段曲线为稳定运行区域，1Mq段为不稳定运行区域。在自然特性上，启动转矩Mq很小，而启动电流Iq很大。为了使提升机在低速时也能得到稳定运行区域，同时加大启动转矩和减小启动电流。必须在电动机转子内适当的配置电阻，以获得不同的机械特性。图2-5中T1T8即为在电机转子中串有八段电阻的机械特性。 电动机转子电阻的计算，对提升设备的正常运转有着重要的作用。进行启动电阻计算时，首先要确定预备级级数和加速级级数。因为所选的级数直接影响到最大切换力矩的增大或减小及平均启动加速度的提高或降低，甚至由于过载能力不够而需加大电动机容量，故需要全面考虑，选出经济合理的级数。 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。变频调速的有关原理将在第四章中作具体介绍。2.4系统设计图27提升机控制系统框图 1) 主控系统 图27为提升机控制系统框图。系统的主控系统采用SIEMENS S7-300系列的可编程控制器，一备一用互为热备，当主PLC发生故障的时候可以迅速切换备用PLC不影响生产。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；AD 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予变频器，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)上位机监视系统 用计算机控制技术实现对矿井提升机的监视及故障自诊断，提高提升机的可靠性和可维护性，从而保证矿山安全生产并提高生产效率。 整个系统由上位计算机监视系统和主控系统的PLC两级微机来组成。上位机完成智能化的后台管理和实时显示运行信息等监视功能；下位机承担现场信号、现场数据的采集及实时控制任务。为使系统安全可靠，上位机采用了工业控制计算机，配有CRT显示器和打印机，可对系统运行信息及故障进行信息实时显示并可实时打印或历史打印。可编程控制器和工业控制计算机均有RS232C标准和RS422标准的串行口，可轻松实现通讯，达到监视、控制同时进行。4)信号控制 提升机的信号来自提升系统工作现场的不同环节，比如天轮、井筒、深指器、液压站、润滑站等，信号包括运行状态、运行参数、操作信号和保护信号，这些信号均引入到主控系统中，将这些参数和信号与操作控制相关内容进行逻辑运算和闭锁，最后产生控制指令；各种故障信号将送给安全回路以及PLC输入，根据故障信号的轻重度分开轻重等级，与故障操作保护系统进行逻辑运算和判断，最后执行为不同的故障处理动作，如立即施闸、提升终了施闸、电气制动，然后通过机械机构来实施，同时这些信号将在上位机中显示故障类型并控制声光报警。5) 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。2.5系统特点及预期达到效果系统为总线式控制，操作台内配置两套独立的可编程序控制器(一备一用)，与上位机及现场信号采集器构成网络控制系统，各控制单元设计为功能完善的标准化独立部件，软件设计可以实现不同用户的特殊工艺要求。系统预计达到较高的可靠性，控制柜之间、控制柜与操作台之间、提升机电控和信号及提升调度之间的信号连接采用快速电缆插头及总线通信方式，简化了设备之间的连接，提高了信号传输的可靠性。采用冗余技术，主备PLC互为热备，可快速切换，如发生故障系统仍然能够正常工作。在操作台设计上尽量采用原来的操作模式，使操作人员可以不需长时间适应即可熟练操作。系统具有优良的动、静态特性，发挥矢量控制的良好性能，实现真正意义上的无级调速。起动及加速换挡时冲击电流很小，减轻了对电网的冲击，简化了操作，降低了工人的劳动强度。设备的体积小、重量轻、占地面积小、安装维修方便，操作简单，维护工作量小，工作效率高，节电效果明显，噪音小。3 PLC的特点与基本结构和控制应用3.1 PLC的特征和组成可编程控制器(Programmable Controller)缩写为PC，为了于个人计算机的PC(Personal Computer)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、匿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机构。 图3-1 可编程控制器结构框图可编程控制器作为“蓝领计算机”有着其它工业控制设备很难具备的特性： I)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。例如西门子S7-300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) 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。这种图形编程方式易懂易编。 3) 环境要求低可编程控制器适用于恶劣的工业环境。 4) 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10V或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AD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。 3.2 PLC的工作原理在工作中PLC进行扫描,整个扫描过程为内部处理,通讯操作程序输入处理,程序输出几个阶段,全部扫描一次所需要的时间成为扫描周期。PLC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式。（1）每次扫描过程。集中对输入信号进行采样。集中对输出信号进行刷新。（2）输入刷新过程。当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。（3）一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。（4）元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。（5）扫描周期的长短由三条决定：CPU执行指令的速度、指令本身占有的时间、指令条数。（6）由于采用集中采样。集中输出的方式。存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟。 4 变频调速系统4.1变频调速在提升机控制中的应用 传统调速系统中，直流调速以其控制容易，调速精度高等特点长期占据了主导地位，但是由于结构复杂，过流能力不强，环境适应差，难以实现高速度化等原因，一直限制了其应用范围的进一步扩大。相比较而言，交流异步电机具有环境适应能力强、过流能力大、牢固耐用、结构简单、容易维护及价格低廉等优点，但异步电机的调速性能难以满足生产要求。随着电力电子器件的产生和控制理论的飞速发展，现代控制理论越来越多的应用到交流调速系统中，使得交流调速性能可以和直流调速相媲美、相竞争，交流调速系统的应用领域不断扩大。近年来，电力电子技术的发展和DSP微处理器的推出，更为高性能交流调速系统的实现奠定了基础，目前已经进入了实用化阶段，作为众多调速方案之一的变频调速，其发展不超过40年，却取得了长足的进步，变频调速以其节能和可平滑调速，调速范围宽等优点得到了广泛的应用。4.2变频调速的基本原理 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中通入对称的三相交流电，在电机气隙内会产生一个旋转磁场，其旋转速度为同步转速 （4-1）式中定子绕组电源频率；p电机磁极对数。异步电动机转差率 （4-2）则异步电动机转速 （4-3）由上式可知，异步电动机调速方法有如下几种a变同步转速： 变极p、变频f1b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。由电机学可知，转差功率： （4-4）式中电磁功率；转子铜耗。由式4-4可知，变频调速与变极调速为转差功率不变型不论其转速高低，转差功率消耗基本不变，因此调速效率为最高。4.3变频调速的控制方式矢量控制4.3.1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。4.3.2矢量控制的思路 图4-6矢量控制过程框图4.4变频器的选择随着电力电子技术、微电子技术和计算机控制技术的飞速发展，交流变频调速技术的发展也十分迅速。电动机交流扁平技术是电机节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种手段。变频器调速以优异的调速性能和其平稳性能、高效率、高功率因数等优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。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。变频器通常包含3个组成部分：整流器（Rectifier）和逆变器（Inverter）,还有直流部分(DC)。其中，整流器将输入的交流电转换为直流电，逆变器将直流电再转换成所需频率的交流电。除了这2个部分之外，变频器还有可能包含变压器和电池。其中，变压器用来改变电压并可以隔离输入/输出的电路，电池用来补偿变频器内部线路上的能量损失。选择变频器时应以负载特性为基本依据，分析提升机的负载属于重力，其负载特性属于恒转矩负载特性。由于恒转矩负载类设备都存在一定静摩擦力，负载的惯量很大，在启动时要求有足够的启动转矩。这就要求通用变频器有足够的低频转矩提升能力和短时过流能力。但当低速时负载较重的情况下，为提高转矩提升能力而使电压补偿提的过高，往往容易引起过电流保护动作。选型时应充分考虑这些情况，必要时应将通用变频器的容量提高一档，或者采用具有矢量控制或直接转矩控制的通用变频器,采用矢量控制或直接转矩控制通用变频器可以在不过电流的情况下提供较大的起动转矩。对于升降类恒转矩负载，如提升机、电梯等，这类负载的特点是启动时冲击电流大，在其下降过程中需要一定制动转矩，同时会有能量回馈，因此要求变频器有一定余量。选择通用变频器时，恒转矩负载的功率表达式为： P=Tn9550 (4-5)式中P异步电动机的功率(kW)；T异步电动机的转矩(Nm)；n异步电动机的转速(rmin)系统设计时应注意适当增大异步电动机的容量或增大通用变频器的容量。通用变频器的容量一般取1115倍异步电动机的容量。4.4.1变频器选型选择变频器应满足的条件：（1）根据被控设备的负载特性选择通用变频器的类型。（2）所选择通用变频器的类型与被控制异步电动机的参数匹配。（3）为降低电梯成本，首选通用变频器。（4）电梯的启动和停车都要平稳。（5）变频器带有防止失速功能。（6）变频器具有优良的转矩特性。随着变频器性能价格比的提高，交流变频调速已应用到许多领域，由于变频调速的诸多优点，使得交流变频调速在电梯行业也得到广泛应用。目前，有为电梯控制而设计的专业变频器，其功能较强，使用灵活，但其价格相对较贵。目前市场上流行的变频器的种类繁多，而电梯行业的使用的品牌也不少，其控制系统的结构不尽相同，但其总的控制思想却是大同小异。根据选型原理和注意事项，本次设计选用的是西门子6SE70变频器。该变频器变频器的特点如下:（1）包括电流矢量控制在内的四种控制方式均实现了标准化。（2）有丰富的内藏与选择功能。（3）由于采用了最新式的硬件，因此，功能全、体积小。（4）保护功能完善、维修性能好。6SE70系列变频器是具有多种可供选择接线方式的设备：有将整流部分与逆变部分装于一体的变频器、用于变频器的制动电阻和制动单元、单独的整流单元、整流回馈单元和单独的逆变器。制动运行的方式：对于不经常制动的设备可以选择变频器+制动单元+制动电阻的方式；对于经常制动的设备采用整流回馈单元向公共直流母线供电，再由直流母线向多台逆变器供电；对于不同时制动的逆变器可以在直流母线上交换能量，当制动功率大时从回馈单元向电网回馈能量；还可以将多台变频器的直流母线直接连接，形成公共直流母线，再接入制动单元与制动电阻，当制动功率大时由制动电阻消耗能量。6SE70系列变频器具有多种控制方式：可以设定为VVVF控制、开环矢量控制、闭环矢量控制中的一种。闭环矢量控制的性能最好，必须接入测速装置；6SE70系列变频器的所有设备均有故障自诊断功能。6SE70装置本身提供了多种可靠有效的故障保护措施。同时也提供了简单实用的故障查询手段，装置可以记录同时发生的多个故障(最多达8个)，并可以保存最近8次所发生过的故障代码。4.4.2变频器容量选择 提升机构平均起动转即一般来说可为额定力矩值的13-16倍。考虑到电源电压波动因素及需通过125tfl载试验要求等因素，其最大转距必须有182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力矩值。此时变频器容量为 (4-6)式中cos电机的功率因素，cos=025 P提升额定负载所需功率,kW 电机效率，=085 变频器容量，KVA K系数，K=2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： (4-7)式中变频器额定电流，A电机额定电流，A交频器系统器件，主要由断路器、接触器、整流单元、逆变单元组成。、断路器为避开变频器投入时直流回路电容器的充电电流峰值，为此变频器配置的断路器容量应为电机额定电流的1314倍，整定值为断路器额定值的34倍。、接触器接触器在变频器主回路中仅在变频器辅助器件或控制回路故障时起断开主回路的作用，一般不作回路开断器件用，故可按电机额定电流选用接触器容量，无须按开断次数考核其寿命。、带能量回馈的整流单元整流回馈单元由两个反并联、6脉动晶闸管桥组成且能在两个方向上有电能流动，即能够将电能送回电网(四象限工作)。脉冲式整流，回馈单元的核心部件是一个带有闭环控制板CUSA的逆变器，它将三相交流电源变成可调直流电压。这个直流电压调节给三相交流电源侧叠加一个快速矢量控制。这个矢量控制发送给电网一个近似正弦波的电流。因而，在电网净化滤波器的帮助下，电网保持一个很小的扰动。矢量控制也可调节功率因(costp)，因而也能补偿无功功率。四象限工作的装置能将发电状态的电能返回三相交流电网。在大惯量传动系统且经常进行快速制动时，使用这种工作方式、逆变单元接到直流母线的逆变器，采用整流单元或整流回馈单元向直流母线供电。作为系统模块，可提供用对于单电机传动或多电机传动的合适的解决措施。在本文提升机系统中采用变频调速的矢量控制技术，与使用最为广泛的转子串电阻调速系统相比较无论在性能和经济上都显示出变频调速的巨大优势。1)技术性能串电阻调速属有级调速，开环控制，调速精度低，爬行速度不易控制。重物下放操作时，需动力制动与转子电阻配合操作，全凭司机的经验和感觉，很难准确控制，安全性能差。变频调速属无级调速，闭环控制，调速范围大，调速精度高，爬行速度易控翎，重物下放操作时易操作，安全性能好。2)节电性能串电阻调速装置在减速和重物下放时需投入动力制动，消耗电源功率，并将电动机的再生能量消耗在转子电阻上。而四象限变频调速装置在减速和重物下放操作时，能自动地将电动机的再生能量反馈至供电电网，实现再生反馈制动，节电效果明显。以250KW380v一中2.5m提升机为例，采用变频调速装置较串电阻调速装置省电63以上，年节约电费8万元左右。3) 提升机保护 转子串电阻调速装置，无电动机过负荷、缺相、超温保护，无限速、自动减速功能,对过卷和超速只有单一保护功能。转子串电阻调速装置内的主令控制器、正反向接触器通过电流大，又频繁动作，触点易烧损；电阻发热量大、接头多、易氧化或接触不良而发热，所以维护量极大。变频调速装置采用无触点控制，电机的正转、反转采用计算机控制，加上变频调速装置的功率器件及控制计算机模件采用进13产品，产品质量优良可靠，维护量极低。 4)间接经济效益变频调速系统可以实现提升机的“软启动”和“软停车”，对提升机的机械部分冲击力小，从而可以延长提升机寿命，减升提升机的维护量。4.4.3变频器参数设定 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： 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。 简单应用参数设置步骤 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： 专家应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。专家应用的参数设置经常应用于事先不能确切了解装置的使用条件且具体的参数的调整必须在本机上完成的情况。以下就参数的设置做一个简单的说明。1）功率部分：功率设定一般在发货前设定，如果更换CUVC则需要重新设定。 P060=8P070=?P060=1选择“功率部分定义”菜单输入相关装置的代号，可从装置铭牌数据中得到系统实际设置：P070=120；P071=5100返回参数菜单2)电子板的定义：配置期间，控制电子板被告知安装的选件板是如何配置的，如果使用选件板CBX(通讯板)或SLB(总线接口)，这些步骤是必要的。在此并未用到所以不需要设置。在电子板的只读参数中可以看到所用到的电子板的代码，只读参数r8261=92，代表主板位置用的为CUVC-控制单元矢量控制。3)系统定义：系统设置功能展示了简单参数的设置的启动功能。在系统设置期间，控制电子板得到管局系统变频器工作的进线电压、关于所连接的电机及编码器的情况。此外，也选择了电机控制形式(VF开环控制或矢量控制)和脉冲频率。在设置期间，电流、电压、频率、转速及转矩信号额定值也可确定。5 矿井提升机变频调速系统的软件设计5.1 上位机监控系统为使系统安全可靠,上位机采用了触摸屏式工控机,并配有打印机等输出设备,可对系统运行信息或故障信息进行实时显示或打印,也可实现历史数据的打印。PLC和工控计机均RS232C标准和 RS422标准的串行口,可轻松实现通讯, 达到监视、 控制同时进行的目的。上位机监视系统画面切换示意见图 5-1。图5-1 上位机监视系统画面切换示意5.1.1 上位机子程序设定思路 在这个子程序中需要设置上位显示的数据位，以及其它的系数设置。上位机需要显示提升机运行过程中的一系列的数据达到实时监控的目的。由于在运行数据的处理过程中有一部分数据需要提前设置，例如在深度和速度计算中历要用到的矿井深度、电机轴比例系数、辊筒轴比例系数；在模拟量的显示中需要设置数显表的量程；在保护程序中需要的各个软开关点的位置数据，如上下过卷点、上下减速点；在施闸过程中计算时间需要的闸空动时间和人的判断时间等。5.2 PLC控制软件设计 本系统控制核心主要由 PLC和上位机组成,因此,系统软件包括 PLC控制软件和上位机软件, 本文主要讨论 PLC 控制软件。PLC控制软件的主要功能是对提升机的启动、 加速、 等速、 减速、 停车等过程控制、 信号采集、 逻辑处理。PLC控制任务和过程可被分解为许多子任务和子过程, 通过对各个子任务和子过程进行模块设计、 功能说明,形成一个模块化的程序结构, 如图 5-2所示。图5-2 PLC控制软件结构在上述子程序中,系统控制子程序比较重要,其整体流程如图 5-3所示。系统根据提升信号、 工作手柄以及所选择的工作方式, 驱动变频器实现提升下放操作,完成对绞车的启动、 加速、 等速、 减速、 保护、停止等运行过程的转矩和频率控制。1)控制子程序如图5-3所示，系统根据提升信号、工作手柄以及所选择的工作方式，驱动变频器实现提升下放操作，完成对绞车的启动、加速、等速、减速、停止等运行过程的转矩和频率控制。故障时，通过对液压站电磁阀的控制，实施一二级安全制动。主要输出驱动控制功能为：主电机的变频调速控制；制动泵液压泵的控制；液压站电磁阀的控制；调绳调闸操作；安全保护、安全制动。程序设置有半自动运行(主井提升可实现自动运行)、手动运行、检修运行、应急运行等四种运行方式。在正常情况下可采用半自动或手动运行；检修运行时系统自动给定一个检修速度(O3ms)低速运行：当故障时，在系统保护停机后，故障被确认但不能立即排除，此时可采用应急运行方式，应急运行速度不超过05ms。 图5-3 控制子程序流程2)深度、速度检测子程序 速度、深度检测采用光电旋转编码器双线输入。利用高速计数模块对编码器信号计数，其中一路编码器信号用于行程速度保护，一路用于显示与监测。两套编码器的数据在程序中不断进行比较，当比较结果发生不一致时，程序会发出故障安全制动指令。深度、速度子程序流程图如图5-4所示。 图5-4深度速度子程序流程图3)保护设置子程序对各种保护点(减速点开关、过卷开关、终点开关、解除二级制动中继接点等)除在外部设置硬接点外，在程序中也设置软开关进行双重保护，如图5-5所示。在程序中设置的保护如下：过卷保护，当提升容器超出正常停车位置05m时，过卷保护动作，实现安全制动。等速段超速、减速段超速、爬行段超速保护。程序中设置各种运行方式下的速度保护包络线，对各种情况的超速全程监控，任何超速均会断开安全回路，实现安全制动。自动减速功能，当提升容器到达减速位置时，系统发出警示铃声并开始减速。深指失效保护，程序通过读取深度指示器上编码器的数值，与其它编码器的数值进行比较，当判断深指失效时，自动断电并实现安全制动。变频故障保护，程序不断监测变频器运行状态，当发现变频故障时，自动断电并实现安全制动。松绳保护，程序不断监测松绳开关状态，当发现松绳故障时，断开安全回路，实现安全制动。 溜车保护功能，当提升机无运行指令而有运行速度时，系统自动断开安全回路，实现安全制动。润滑油过压欠压、润滑油超温、闸瓦磨损、制动油超温保护功能。这类故障发生在运行中，则允许本次提升完成，但不允许下次开车。开车前出现这类故障，则不允许再开车。错向保护功能，程序判断提升信号方向与开车方向不一致时，不允许开车。 图5-5保护子程序流程图4)故障处理子程序故障处理子程序流程图如图5-6所示。程序进行故障处理时，分为以下几种情况：立即安全制动故障，这类故障发生时立即断开安全回路，停止油泵运行，停止变频运行，根据在井中和井口不同情况，结合电磁阀的工作状态，实施一级或二级制动。主要有：主电源失压、制动油过压、后备保护、变频故障、操作台急停信号、过卷信号、减速段超速、等速段超速、爬行段超速，松绳信号、深指失效、误松闸保护、错向保护、测速反馈断线(编码器失效)、PLC故障、溜车故障等。完成本次提井的故障，这类故障发生在运行中，则允许本次提升完成，但不允许下次开车。开车前出现这类故障，则不允许再开车。如润滑油过压欠压、润滑油超温、闸瓦磨损、制动油超温。工作制动失效时的故障处理，程序检测工作闸制动失效时，安全制动立即投入，同时检测制动油压，若正常，则系统断电实施安全制动；若不正常，系统则自动投入电气制动，使提升机不会出现高速遛车现象，将车安全的停放至井底平台。同时系统发出特殊报警，提醒操作人员人为安全制动(在制动油缸回油口加装泄压阀和回油箱油路)。 图5-6故障处理子程序流程图5.3理想S曲线产生的方法将运行距离分成加速段、匀速段和减速段。加速段和减速段具有对称性，这可以简化程序。然后按照S
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