（电气工程专业论文）矿井交流提升机电控系统研究.pdf

摘要 我国矿井提升机大多是采用交流异步电机拖动，其电气控制系统采用转子 串、切电阻调速，由继电器一接触器构成逻辑控制装置。本文以安全、可靠、 高效、经济为出发点，以可靠性原则为依据，对矿井交流提升机电控系统中转 子电路串电阻调速部分，进行研究设计，由可编程控制器( p l c ) 代替继电器 一接触器构成的逻辑控制装置。本文以j k d 4 x 6 多绳摩擦提升机为例，提出了 研究设计方案，并且在开滦( 集团) 荆各庄矿业公司成功实施。p l c 电控系统 实现了对提升过程的程序控制，精度高；实现了速度、电流以及矢量的数字交 换等，对提升机进行闭环调节；实现行程、速度等重要参数及提升状态的监视； 实现无触点控制，寿命长，可靠性大大提高；具有良好的控制监视系统，实现 了显示、记录和打印等有关数据的全部自动化。 关键词：矿井交流提升机p l c 电控技术研究 a b s t r a c t i nc h i n a 。m i n ee l e v a t o rw h o s ee l e c t r i cc e n t r e ls y s t e mu s e ss p e e dr e g u l a t i o n b ym e a n so fs t r i n g i n ga n ds l i c i n gt h er o t o rr e s i s t a n c e ，a n dc o n s t i t u t e st h el o g i c c e n t r e id e v i c eb yt h er e l a ya n dc o n t a c t o ra d o p t st h em e a n so ft h ed r i v eo fa c a s y n c h r o n o u sm o t o ri nm o s tc a s e s t h i sp a p e rw h i c hs t u d i e sa n dd e s i g n st h ep a r t s o fs p e e dr e g u l a t i o nb ym e a n so fs t r i n g i n gt h er o t o rr e s i s t a n c ei nt h ee l e c t r i c c o n t r o ls y s t e mo fa cm i n ee l e v a t o r a d o p t i n gp l cw h i c ht a k e st h ep l a c eo ft h e t o g i cc e n t r e ld e v i c ec o n s t i t u t e db yt h er e l a ya n dc o n t a c t o rt a k e st h es e c u r i t y r e l i a b i l i t y ，h i g he f f i c i e n c y ，e c o n o m ya sas t a r t i n gp o i n t ，a n dt a k e st h er e l i a b i l i t y p r i n c i p l ea st h eb a s i s ，t h i sp a p e rs e t sj k d 4 x 6m u l t i r o p e sr u b b e de l e v a t o rf o ra n e x a m p l e ，p r o p o s e st h er e s e a r c ha n dd e s i g np l a nw h i c hp u t si np r a c t i c es u c c e s s f u l l y i n j i n gg e z h u a n gm i n i n gi n d u s t r yc o m p a n yo fk a i l u a n ( g r o u p ) ，t h ee l e c t r i c c o n t r o ls y s t e mb a s e do np l ch a sc a r r i e do u tt h ep r o c e d u r ec e n t r e lo fh o i s tp r o c e s s a n dh i g ha c c u r a c y , c l o s e d c y c l ec o n t r o lo fm i n ee l e v a t o rt h r o u g hs p e e d ，e l e c t r i c c u r r e n ta sw e l la sd i g i t a ls w i t c h i n go fv e c t o ra n ds oo n ，t h e m o n i t o ro fi m p o r t a n t p a r a m e t e r ss u c ha st h ed i s t a n c eo ft r a v e i ，s p e e d ，t h es t a t eo fh o i s t i na d d i t i o n ，t h e s y s t e ma l s oh a sc a r r i e do u tc o n t a c t l e s sc o n t r o l ，l o n gl i f e - s p a n ，r e l i a b i l i t yg r e a t l y i m p r o v e d ，g o o dc o n t r o ls u p e r v i s o r ys y s t e ma n dc o m p l e t e l ya u t o m a t i o no fr e l e v a n t d a t a s d e m o n s t r a t i o n ，r e c o r d i n g ，p r i n t i n ga n ds oo i l 。 k e yw o r d s ：a cm i n ee l e v a t o r p l ce l e c t r i cc o n t r o lt e c h n o l o g y r e s e a r c h 辽宁工程技术大学硕士学位论文 前言 在煤矿生产中，矿井提升机起着非常重要的作用。矿井提升是矿井生产过 程中的一个重要环节，它的任务是提升有用矿物和矸石；升降人员和设备；下 放材料等。提升机电控装置的技术性能，既直接影响矿山生产的效率及安全， 又代表着矿井提升机发展的整体水平，是矿井安全生产中重中之重的一大环 节。 我国目前正在服务的矿井提升机的电控系统主要有以下3 几种方案：转子 电路串电阻的交流调速系统、直流发电机与直流电动机组成的g m 直流调速 系统和晶闸管整流装置供电的v m 直流调速系统。本文以安全、可靠、高效、 经济为出发点，以可靠性原则为依据，对矿井提升机电控系统中转子电路串电 阻调速部分，由可编程控制器( p l c ) 代替继电器一接触器构成的逻辑控制装 置的电路的改造设计。可编程控制器( p l c ) 是采用微机技术的通用工业自动 化装置，是一种数字运算操作的电子系统，该电子系统采用一类可编程的存储 器用其内部存储的控制程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时和计数、算术运 算等操作，并通过数字式或模拟式、输入输出来控制被控对象。 p l c 其与传统的继电器控制系统相比有以下许多优点： 1 ) 可靠性高、抗干扰能力强：其硬件和软件两方面采用了屏蔽，滤波， 隔离，故障诊断和自动恢复等措施，使可编程控制器具有很强的抗干扰能力， 无故障时间长达( 3 - 5 ) 宰1 0 4 小时以上。 2 ) 编程简单、直观：可编程控制器是面向用户，面向现场，采用的是面 向控制过程的梯形图语言： 3 ) 适应性强，应用灵活：可编程控制器是通过程序实现控制的，当控制 要求发生改变时，只要修改程序即可，由于可编程控制器产品已标准化、系列 化、模块化，因此能方便的灵活的进行系统配置，组成规模不同、功能不同的 控制系统，适应能力强，即可控制一台单机一条生产线，又可以控制一个复杂 的群控系统，即可以现场控制，又可以远距离控制。 4 ) 功能完善，接口功能强：目前的可编程控制器具有数字量和模拟量的 输入输出、逻辑和算术运算、定时、技术、计数、顺序控制、通信、人机对话、 自检、记录和显示等功能，使设备控制水平大大提高，接口功率驱动极大的方 便了用户，可以将可编程控制器与各种不同的现象设备顺利联结，输出接口在 辽宁工程技术大学硕士学住论文 大多数情况下也可以直接与各种传统的继电器、接触器及电磁阀等联接。 5 ) 维修方便、维修工作量小：p l c 有完善的自诊断、履历情报存储及监视 功能。p l c 对于其内部工作状态、通信状态、异常状态和i 0 点的状态均有显 示。工作人员通过它可以查处故障原因，便于迅速处理。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 3 1 概述 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 是提升机及其控制和安全设备，也同样要面临着这一必经之路。 多年来，矿井提升机及其拖运、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及机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，眨眼间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。 由于可编程控制器结构简单、容易掌握、价格便宜，在一定范围内能满足 控制要求，因而使用面甚广，在工业控制领域中一直占主导地位。对于继电接 触器控制系统有明显的缺点：设备体积大，可靠性差，动作速度慢，功能少， 难于实现较复杂的控制，特别是由于它是靠硬连线逻辑构成的系统，接线复杂， 当生产工艺或对象需要改变时，原有的接线和控制盘( 柜) 就要更换，所以通 用性和灵活性较差。 1 1我国矿井提升机电气控制系统的现状 目前，我国矿井提升机9 0 以上是采用单机容量在1 0 0 0 k w 以下传统的交流 异步电机拖动，采用转子串、切电阻调速，由继电器一接触器构成逻辑控制装 置；直流电动机拖动的提升机不足1 0 ，其中多一半为电动机一发电机组供电， 采用晶闸管整流传动的只占一少部分。近年来，仅引进了几台交一交变频同步 电机拖动系统。计算机技术已在提升机电控系统中得到普遍应用。这种由可编 程序的控制、调节装置构成的提升机电控系统的主要特点是：可完成提升行程 的测量和设定；实现了对提升过程的程序控制，精度高，甚至可以取消爬行段； 实现了速度、电流以及矢量的数字交换等，对提升机进行闭环调节；实现行程、 速度等重要参数及提升状态的监视；具有良好的控制监视系统，实现了显示、 记录和打印等有关数据的全部自动化。 1 2 安全、可靠、经济运行的原则进行技术改造 在矿井提升系统中，可靠性包含两个含义，一是安全可靠性，二是 辽宁工程技术大学硕士学位论文4 工作可靠性。二者密不可分，又各有侧重、相互区别。 ”安全可靠性”是指当出现故障时，要确保把系统引入安全状态，一般是指 安全制动，也就是我们通常所说的4 故障安全型。 而工作可靠性”则要求在一定的时间内，系统尽可能长地保持正常工作状 态，这时就要研究如何把系统故障率降到最低。在矿山设备中，如主要通风机、 主排水泵等当属此类。对提升系统而言，当然也需要较高的工作可靠性，就是 要使提升容器按要求快速、准确地送到规定位置，保证高效长期运行。 在确保提升安全、可靠运行的前提下，提高系统运行质量，减少操作难度 和维修保养时间，延长系统的有效服务年限，则应是实现系统经济运行的研究 课题。 在此需着重指出，坚持安全、可靠、经济运行的原则不仅仅是设计者的 指导思想，也应是用户选型时应坚持的最重要的原则。为了真正实现安全、 可靠、经济运行的原则，在利用众多新技术、新产品来实现提升系统现代化 改造时，必须以可靠性系统工程”理论为指导“1 。 1 3 工艺对提升机速度的要求 矿井提升机是矿山运输系统中的主要设备之一，主要用于矿井提升矿石或 人员、材料。不论何种提升系统，都有固定的循环运行方式，亦即按照一定的 速度图进行运转。 该提升机的速度图和加速度图，如图1 1 所示。 0 图1 - 1 速度图和加速图 v i e , 1 - 1t h e d i a g r a m o f s p e e d a n ds p e e du p 辽宁工程技术大学硕士学位论文 工艺对提升机电控系统的要求如下： 1 ) 加( 减) 速度大小的确定应符合以下条件： 应符合国家有关安全生产规程的规定。升降人员时，加速度a 0 7 5 m s2 ， 升降物料时，加速度a 1 2 m s2 。 应不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 ) 有较好的启动性能。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，有较高的过负荷能力。 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 系统能有效地自我保护，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。要能够方便地进行自动、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 ) 尽量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。 7 ) 要求具备各种必要的连锁和安全保护环节，确保系统安全运行。 8 ) 要尽量节约投资和降低运转费用。 1 4 矿井提升机电控系统改造的途径和技术要点 j k d 4 6 多绳摩擦提升机，摩擦轮直径为4 m ，钢丝绳根数6 根，钢丝绳最大静 张力差1 8 0 k n ，钢丝绳最大静张力7 0 0 k n ，钢丝绳最大直径3 9 5 m m ，钢丝绳间 距3 0 0 m m ，最大提升速度1 2 m s ，导向轮直径3 2 m 。 提升机的主电动机采用绕线型异步电动机，通过其转子轴上的滑环，向转子绕 组回路接入电阻，以便进行起动和调速。对电控系统进行局部的修改、完善， 根据我国国情，按照可靠性系统工程的原理，对现的提升电控系统进行综合分 析、评价，尽量采用国内外的新技术成果，形成一套较为完整的改造方案及适 用的换代产品。根据现有的经济条件，对绕线异步电机串电阻的调速部分的电 路，采用无触点的p l c 系统代替原有触点的继电器逻辑控制系统，提高系统的 安全性及可靠性，充分利用p l c 的多种功能，进一步改善控制性能，防止控制 系统的内外部干扰。使提升控制系统的速度图达到如图l 一2 所示的理想状态。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 0 图l 2 理想速度 f i g 1 2 i d e a ls p e e d 提升高度日= 啊+ 吃+ 岛，式中 、心、魑分别为加速、等速、减速运行距 离，单位为m ；一次提升时间五= t t + f 2 + ，3 + t 4 + t 5 ，式中f ，、t 2 、t 3 分别为加速、 等速、减速运行时间，单位为s ；一次运行周期等于提升时间加上间歇时间， 即t = z + 目，式中占为停歇时间，单位为s 。 辽宁工程技术大擘硕士学位论支1 2j k d 4 6 多绳摩擦提升机的电控系统 j k d 4 6 系列电控系统，是目前已经定型的控制系统，它可以完成半自动 控制的以下五种运行方式： 1 ) 电动加速一等速运行一动力制动减速； 2 ) 电动加速一等速运行一电动减速； 3 ) 电动加速一发电制动运行一动力制动减速； 4 ) 动力制动加速一动力制动等速运行一动力制动减速； 5 ) 脚踏动力制动。 系统原理如附图1 所示，图中元件代表符号说明见表2 一l 。为分析方便，将电控系统 原理线路分为7 1 条回路，在附图l 每条线路的旁边分别用1 、2 、3 7 1 等数字进行标注， 线路中还标注了每个元件的接线端子号数，如k d c 线圈在第2 8 回路中的常开触头接线端 子号为( 3 7 5 ，3 7 6 ) 。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 8 777 777 g l k ，飞：o r d 印 叫g r d 2 。5 i id r d ；：；y h5 ， d ll 中r ：l h 山l 1 =舟叫 l h 钆 甲卜_ 当一警 1 9 一 l h ：午if 孚”。 l5 ”耐a 【 l n c ，皇。， 。，二 翱善：。：子 ”： r 1j l j i l - _ 一l ! ；一丰旮 l hs ! ； 一寻刊 龇 。j4 - 。_ ja o b dc d o p y c j l ij- 艮b 真n 。氏。? 一$ z j 乡弋l 陆竽l l 夕漱帝，一一 审 ) c j 警审c 审 罂 白6 产 由6 严 白6p _卣审p 赴_ 古6p 赴一白6f 赴一 白6f l 叫古6 产 卣6 审1 屯专6 审。1 鬯 卣6 产古审产 白审产 卣 5 牛 附图l电控系统原理主电路图 表2 一lj k d 电控系统主要元件符号说明。 辽宁工程技术大擘硕士学位论文 9 t a b 2 1t h em a i ne x p l a n a t i o no f s y m l m l so f c o m p o n e n to f j k de l e o r i ec o n t r o ls y s t o l n 序号代号名称规格型号 l x l c 。x l g z c ，、高压接触器 c g 5 - 1 5 0 f c l 、z g 、fg b p y c 、d p c i d p g 、d c 2 1 z j l 8 z j l中间继电器j z l 5 - - 6 2 1 z j 2 8 z j 2 3 c jg c j中间继电器j z l 5 - 6 2 4 o j继电器j z l 5 6 2 5 x ck d c 直流接触器 c z 3 一0 4 0 4 6 d z j中间继电器j z l 5 - f 2 z 。7 y z j 继电器 j t 3 8 继电器 j z t 5 6 2 z 9 v i 延时继电器j t 3 1 0a l 继电器j t 3 1 l s y j继电器j z l 5 - 6 2 z 1 2 a 2继电器 j t 3 1 3k z g 继电器 j t 3 1 4y d 交流接触器c 2 1 0 4 0 1 5 j t k 。继电器 j x j 1 6l s k 继电器j x j 1 7上 时间继电器j s 7 2 a 1 8z c 、f c 继电器 j z 7 - 4 4 1 9d z c 接触器 c j l 0 1 0 2 0 s d j 接触器 c j l 2 4 0 0 2 1v 2 接触器c j t 0 4 0 2 2 d z j接触器 c j 0 1 0 0 2 3 1 9 j 3 9 j接触器c j l 0 4 0 2 4 j 2 制动电磁铁 g z s l - 2 5 b 辽宁y - f r 技术大学硕士学位论文 1 0 该控制线路大体可分为主回路、测速回路、安全回路、调绳闭锁回路、控 制回路、可调闸控制回路、减速阶段过速保护控制回路、动力制动控制回路、 自整角机深度指示器回路和辅助回路等1 0 个部分，现分述主回路、测速回路、 安全回路和控制回路。 2 1 主回路 主回路用于供给两台提升电动机电源，实现失压、过流保护，控制电机的 转向和调节转速。 主回路由高压开关柜、高压换向器的常开触头、动力制动接触器的常开主 触头、动力制动电源装置、提升电动机、电机转子电阻、加速接触器的常开主 触头由晶闸管和装在司机操作台上的指示电流表和电压表等组成。 地面变电所送来的二路6 k v 电源，一路工作，一路备用，经高压开关柜的 隔离开关g l k 3 、油开关d l 、高压换向器线路接触器x l c l 、x l c 2 的主触头、 正向( 或反向) 接触器z c l 、z c 2 ( 或f c l f c 2 ) 后到主电机的定子。线路中 之所以设置x l c l 、x l c 2 ，是由于z c l 、z c 2 ( 或f c i f c 2 ) 的触头只能承受 3 k v 电压，设置了x l c l 、x l c 2 后，使x l c l 、x l c 2 的触头和z c l 、z c 2 ( 或 f c l 、f c 2 ) 的触头串联使用，避免电器元件因过压而烧毁。在高压开关柜内还 设有电压互感器y h ，失压脱扣线圈s y q ，电流互感器l h 和过流脱扣线圈g l ， 用于失压或过流保护。在s y q 线圈回路中还串联接有紧急停车开关m k l 、m k 2 和换向器室栏栅门闭锁开关t k 。m k - 、m k 2 用以人为的产生安全制动。当人 员进入高压换向器室时t k 起安全闭锁作用。在l h 回路中串入三相电流继电 器，j l j l 、j l j 2 ，它有三个电流线圈，用来反映启动过程中电动机定子电流的变 化，与时间继电器1 s j $ s j 配合，共同调节启动过程中的速度，实现以电流 为主时间为辅的自动启动过程。 高压换向器由x l c 、z c 、f c 等三组接触器组成，用以改变主电机的旋转 方向。正转时，x l c 、z c 工作，反转时x l c 、f c 工作。 电动机转子回路接有外加金属电阻和加速晶闸管，用来获得电动不同的人 工特性。 2 2测速回路 测速回路就是把提升机的实际速度测量出来并转化为电量，以供给速度回 路和一些以速度为函数的电器控制元件【”。附图1 的测速回路中，c s f 为直流 测速发电机，它的转子由提升机主轴所带动，激磁由固定的稳压电源供给，因 此c s f 的电压与提升机的实际速度成正比。一般当v = v 。时，c s f 的端电压u = 2 2 0 v 。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 电机正反转的测速由二级管z d 、f d 控制，当电机正转时，二极管z d 工作， f d 反向截止。反之，f d 工作，z d 截止，其中各个回路串联的电阻起到在高压 时起到分压的作用。第7 1 回路的s d j l 为低速继电器。s d j l 速继电器主要用于 低速爬行。当提升机速度减小至s d j l 释放值时，它可以使高压换向器二次给 电，提升机再次加速，当速度升高至s d j - 的吸合值时，它又使高压换向器( 接 触器) 断电，切断电源而减速，由此实现脉动爬行。 1 v j 、2 v j 、3 v j 为3 个速度继电器，其触头分别接于加速接触器回路，用 于控制2 z j l 2 z j 。、3 z j l 、3 z j 。、4 z j i 、4 z j 2 ，以便在动力制动时按速度原则调 节转子电阻。为了使提升重物时动力制动减速和下放重物时动力制动加速，切 换速度均能在特性曲线的临界值附近，希望l v j 、2 v j 、3 v j 的吸合值和释放值 非常接近。通常l v j 、2 v j 、3 v j 分别按大约7 5 、5 0 、2 5 最大速度来整定。 在1 v j 、2 v j 、3 v j 线圈回路中分别串入2 r 、3 r 、4 r 电阻，为了使速度继电器 的持值降低以便与释放值接近，令速度继电器本身的常闭触头与外加电阻并 联，使外加电阻在继电器吸持前不起作用，这样吸持值降低满足上述要求。 第7 0 回路g s j 2 为等速阶段过速继电器，在等速阶段过速1 5 时动作，第 l l 回路其常闭触头打开，断开安全回路，进行安全制动。g s j 2 的整定电压为 1 15x 2 2 0 = 2 5 3 v 。 2 3安全回路 安全回路用于防止和避免提升机发生意外事故。安全回路中串有很多保护 触头，当提升机工作不正常时，其中任一个触头打开，第l l 回路安全接触器 a c j 断电，就产生安全制动。a c j 断电的同时，其1 3 回路的常开触头断开， 使高压换向器断电，切断提升机电源，使提升机迅速断电抱闸。安全回路串有 下列保护触头。 主令控制器触头g c b k 和制动手柄闭锁开关的触头k k 一1 。g c b k 在主令 控制器手柄置于零位、k k 一1 在工作制动手柄置于紧闸位置时才能闭合。当提 升机在运转中产生安全制动而中途停车后，必须将主令控制器手柄和工作制动 手柄分别恢复到零位及紧闸位置，才能解除安全制动，再次重新启动电机，这 样可以防止突然跑车。g c b k 和k k l 触头，在提升机正常启动后虽均处于断 开位置，但因接触器a c j 的辅助触头自锁，所以安全回路仍然通电。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 3 装载) 位置过卷时，碰压过卷开关，使a c j 断电，实现安全制动。图2 - - 3 中 f w 2 、f w 3 为过卷复位开关的触头，它的作用有两个，一个是用以短路被碰 开的过卷开关，使a c j 回路暂时接通，解除安全制动；再一个是使系统必须反 向开车，以防止继续过卷而扩大事故。 z m k i 、z m k 2 为闸瓦磨损开关的触头，当闸瓦磨损到一定程度时，该触头 断开。 除了装于安全回路的保护装置外，还有一些保护装置，它不要求提升机立 即停车，可以使这一循环提升完毕，但下一次不允许再次启动。当本次提升循 环结束后，x c 不可能再次通电，提升机不能开动。 2 4 控制回路 采用单相2 2 0 v 交流电源，由一接触器的常开触头控制通断。如附图2 所 示，安全接触器a c j 和加速接触器i z j i 8 z j i ，1 z j 2 8 z j 2 的线圈都设置在单 相交流电源靠近零线一侧，这可保证某些接点或导线绝缘损坏对地短路时，a c j 立即断电，进行安全制动。时间继电器均采用直流2 2 0 v 。 控制回路包括信号回路、电机正反转回路、动力制动接触器回路、低频制 动接触器回路、转子电阻控制回路。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 q ! 勤：盥 a cj i - - - - 一 型d 百i 与 t xo a8 a 2 ej ”坐兰兰8 sj ，z 吖 吲日i 附图2 控制电路 1 4 ” ” ”“ ” ” ” 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 5 2 4 1信号回路 信号接触器x c 接于第4 2 回路中，当发出提升信号后，x c 得电，闭合其自 保触头；同时使电机正反转回路1 4 及转子电阻控制回路2 8 中的x c 触头闭合， 为提升电动机送电及加速准备条件。当容器到达减速点时。深度指示器上的减 速开关y w k 被闭合，z c j 得电，各个主令开关都归零，使x c 断电，将主电机的 电源切断，投入三相低频电源，并在转子加入全部电阻，同时d z j 得电，有可 能实现低频制动减速。 第4 4 回路k d c 为动力制动控制继电器，其在x c 回路的触头在正常提升时 一直闭合，当采用动力制动时，此触头打开，使信号接触器x c 不起作用。 y z j 为油至中间继电器的触头。该触头在提升机低速爬行开始时有电，使 x c 从爬行开始可以再次接收外部提升中信号，为再提和下个循环做好准备。 2 h k 为主令控制器触头。该触头在x c 回路的作用是：当采用动力制动结束 后，k d c 已断电，只有使其再次得电，换向回路或信号回路，才有可能成为通 路。为此必须使主令控制器手柄放在中间位置才行。 2 4 2 电机正反转回路 正反转换向回路由正反转换向接触器线圈z c 。、z c 。和f c 、f c ：线路接触器 线圈x l c - 、x l c 。各保护元件的接点、方向继电器接点z j 、f j 以及两个选择方 向的主令控制器触头1 h k 组成，用以安全地实现接通或断开提升主电动机的电 源，并改变其旋转方向，实现自动爬行等。 电机正反转回路有自动换向回路和手动换向回路。自动换向回路用于自动 化提升。在本控制线路中，自动换向回路不能进行自动换向和自动启动，只能 自动控制正反转接触器到停车位置时切断电源，并防止司机因操作方向错误可 能造成的过卷事故。 自动换向4 6 4 9 回路中，有方向继电器z j ：和f j ：，它受装于井架上的终点 开关k k 一3 、k k 一4 、3 h k 、f w - 1 、f w - 2 控制。当提升机反向运转终了时，3 h k 被 容器碰撞，其常闭触头打开，常开触头闭合，此时如果发出提升信号，闭和k k 一3 和f w l ，z j 。有电。手动正反转1 4 回路中的z j ：常开触头闭合，为z c 、z c ：通 电准备了条件，提升机只能正转。由于z j ：有电，使回路中z j 。的常闭触头打开， f j ：不能有电，实现闭锁。z j ：常开触头闭合，自保维持zj 2 通电。反方向运行 时，情况相同。无论正反转时，即使司机误操作也保证不会发生事故。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 6 2 4 3 制动接触器回路 制动接触器d z j 回路用来控制动力制动的投入和切除。k d c 为动力制动控 制接触器，其线圈在第4 4 回路，当踏动制动开关j t k 时，或者当容器到达减 速点后自动投入制动时，均可使k d c 断电，本触头闭合，投入动力制动。 2 4 4 转子电阻控制回路 转子控制回路由三相电流继电器j l j 。、j l j 。时间继电器l s j 。8 s j 、中间 继电器1 z j 。8 z j 。、l z j 2 8 z j ：、主令控制器触头k k 一5 k k 1 0 及信号接触器 x c 等组成。 电流继电器j l j 。、j l j 。、有三个电流线圈，用来反映启动过程中定子电流 的变化，它的常开接点与时间继电器l s j 。8 s j 。配合，共同调节启动过程中的 速度，用以实现以电流为主附加时间校正为原则的自动或手动控制。j l j 。、j l j 。 的线圈接在电动机定子侧电流互感器l h 回路里。在预备级电阻上，电动机定 子电流很小，继电器j l j 不动作，因此，预备级电阻的切除是按时间原则切 除的。 l z j - 8 z j 。、1 z j ，8 z j 。为1 6 个中间继电器，接于附图2 中2 8 - 4 0 回路， 用以控制转子电阻的切除和接入。在加速阶段它受l s j 。8 s j 。时间继电器的触 头以及k k 一5 k k 一1 0 主令控制器触头的控制，可以实现以电流为主附加延时 以及人工控制的加速过程。1 4 回路中串有x c 触头是使2 z j 。8 z j 。、2 9 j ：8 z j 。 在加速和自由停车减速时受x c 的控制，如果采用电动机减速时完全由司机靠 主令控制器触头将电阻加入的方法，这时回路中短路x c 的触头。在2 z j 。8 z j 、 2 z j ：8 z j 。的线圈回路中还有t z j 。7 z j ：、l z j 。7 z j 。的常开触头，这些触头均 起闭锁作用，实现顺序切除电阻。当电动机减速时，再将电阻依次加入到电动 机转子，使电动机产生的转矩下降，得到一定的减速度。1 s j 8 s j 。为时间继 电器，用以控制加速接触器l z j 8 z j 。、1 z j ：8 z j ：的延时，时间继电器受电 流继电器j l j 。、j l j ：的常开触头控制，在启动过程中，只有当启动电流降到j l j 、 j l j z 整定和释放值时其触头才能打开，延时继电器才能断开，经整定时限后控 制中间继电器，若启动电流没有降到规定的释放值，j l j 。、j l j 。触头仍然闭合， 相应的加速接触器就无法切除电阻，防止了因切换电阻过早而造成启动电流过 大的情况，由于延时继电器是直流继电器，故将交流电源经铁磁稳压器后再经 桥式整流器整流，并经电容滤波后再接至各延时电器回路。 2 5 提升机的操作及控制过程 对提升机的操作及控制顺序说明如下： 1 ) 开车前准备工作。 辽宁x - , i f _ 技术大学硕士学位论文 首先将制动手柄置于紧闸位置，此时安全回路1 1 回路的k k 一1 触头闭合， 回路提升方向控制4 7 回路的3 h k 常闭触头打开；然后将主令控制器的操纵手 柄置于中间零位，此时安全1 1 回路g c b k 常开触头闭合，油至中间继电器4 3 回路中的y w k 常开触头闭合。以上各触头的闭合，为安全制动接触器a c 和信 号接触器x c 的得电条件。 检查2 h k 的位置是否与本次提升的减速方式相符，若不相符，则置于相符 位置。 合上高压开关柜的隔离开关g l k 。、g l k ：( 或g l k 。) 及油开关d l ，使高压换向 器的电源端有电，此时，高压电压表v 。应指示出高压线路电压。 合上低压盘上的交流电源迸线开关，使各种油泵，电磁铁及动力制动柜电源 端有电。 检查过卷复位开关f w 是否在正常位置( 即中间位置) 。 启动制动油泵、润滑油泵及动力制动电源柜。 最后使控制电源接通。 上述准备工作完毕后，正常情况下，安全制动接触器 c j 则带电吸合并自 锁解除安全制动。 2 ) 提升机的加速。当井口发出开车信号后，信号接触器x c 得电并自锁， 司机将制动手柄向前推离紧闸位置，此时，第提升方向控制4 7 回路的制动手 柄连锁开关3 h k 的常闭触头闭合中，工作闸继电器s z j 或s f j 得电，其常开触 头闭合，接通可调闸磁放大器的电源及可调闸手动自整角机的电源。随着制动 手柄不断向前推进，电液调压装置线圈中的电流不断增大，提升机松闸。与此 同时，司机将主令控制器的手柄推向正向( 反向) 极端，高压换向控制回路中 的1 h k 、2 h k 、第3 4 回路k k - - 1 0 也同时闭合，以上各接点使z c ( 或f c ) 、x l c 得电并联使转子电阻逐步切除做好准备( 此时转子电阻全部接入回路) 。由于 z c ( 或f c ) 、x l c 的得电吸合，使高压送入主电机定子，随着各段电阻的依次 切除，提升机实现自动加速过程，直到切除第八段电阻为止。转子电阻全部切 除后，电机在自然特性曲线上运转。 等速阶段，电机工作在自然特性曲线上，不需要任何控制。 3 ) 提升机的减速、爬行与停车。 采用电动机减速方式时，应将2 h k 置于正力减速位置，使电机处于减速准 备阶段。 当容器到达减速点时，2 h k 闭合，使电机投入到动力制动状态，此时使6 z j 。、 6 z j ：8 z j ，8 z j z 接触器释放，主电机转子接入一部分电阻，电机就由自然特 辽宁- y - t l 技术大学硕士学位论文 1 8 性过渡到人工特性上，开始减速，司机可根据减速的要求，用主令控制手柄将 电阻逐段加入，直到快到终点位置时，投入低频制动，使提升机稳定停车。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 3p l c 的基本原理及在提升系统中的实现 3 1p l c 控制系统的概述 可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设 计的，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、定时和计数，算术操作等面向用户的指令，并通过数字式或者模拟式 输入输出控制各种类型的机械或生产过程”1 可编程控制器及其外部有关设备 都按易于与工业控制系统连成一个整体，易于扩充其功能原则设计的。可编程 控制器的性能指标是有使用者先提出的，它具有以下四个特点： 1 ) 可靠性高； - 2 ) 编程方便，易于使用： 3 ) 对环境要求低； 4 ) 与其他装置配置联结方便； 一般p l c 控制系统的设计原则是： 1 ) 选用的p l c 必须满足被控制对象的要求。 2 ) 选用的p l c 不仅要着眼于现在还要适当的考虑将来发展的需要。 3 ) 在满足上述两个前提的情况下，力求使系统具有较好的性能和低廉的 价格。 p l c 控制系统的设计步骤如下： 1 ) 根据被控对象的控制要求，确定这个系统的输入输出设备的数量，从 而确定p l c 的i o 的点数，包括开关量i o ，模拟量i 0 以及特殊功能模块。 2 ) 选用的p l c 的i o 点数应有一点余量，在性能价格比变化不大的情况 下，尽可能选用同类型中功能强的一代p l c 。 3 ) 建立i o 分配表，绘制p l c 控制系统的输入输出接线图。 3 2p l c 与继电器控制系统的区别 p l c 的梯形图与继电器控制线路图十分相似，主要原因是p l c 梯形图在绘 制上沿用了继电器控制的电路元件符号和术语，仅个别之处有些不同。同时， 信号的输入输出形式及控制功能基本上也是相同的，但p l c 的控制与继电器 的控制又有根本的不同之处，主要表现在以下几个方面。 1 ) 控制逻辑 继电器控制逻辑采用硬接线逻辑，利用继电器机械触点的串联或并联。及 延时继电器的滞后动作等组合成控制逻辑，其接线多而复杂、体积大、功耗大、 故障率高，一旦系统构成后，想再改变或增加功能都很困难。另外，继电器触 点数目有限，每个只有4 8 对触点。因此灵活性和扩展性很差。而p l c 采用 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 0 存储器逻辑，其控制逻辑以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需要 改变程序即可，故称为。软接线”哺1 。因此灵活性和扩展性都很好。 2 ) 工作方式 电源接通时，继电器控制线路中各继电器同时都处于受控状态，即该吸合 的都应吸合，不该吸合的都因受某种条件限制不能吸合，它属于并行工作方式。 而p l c 的控制逻辑中，各内部器件都处于周期性循环扫描过程中，属于串行工 作方式。 3 ) 可靠性和可维护性 继电器控制逻辑使用了大量的机械触点，连线也多。触点开闭时会受到电 弧的损坏，并有机械磨损，寿命短，因此可靠性和可维护性差。而p l c 采用微 电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，体积小、寿命长、 可靠性高。p l c 还配有自检和监督功能，能检查出自身的故障，并随时显示给 操作人员，还能动态地监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方 便。 4 ) 控制速度 继电器控制逻辑依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低，触点的开闭 动作一般在几十m s 数量级。另外，机械触点还会出现抖动问题。而p l c 是由 程序指令控制半导体电路来实现控制，属于无触点控制，速度极快，一般一条 用户指令的执行时间在s 数量级，且不会出现抖动。 5 ) 定时控制 继电器控制逻辑利用时间继电器进行时间控制。一般来说，时间继电器存 在定时精度不高，定时范围窄，且易受环境湿度和温度变化的影响，调整时间 困难等问题。p l c 使用半导体集成电路做定时器，时基脉冲由晶体振荡器产生， 精度相当高，且定时时间不受环境的影响，定时范围一般从0 1 m s 到若干天或 更长。用户可根据需要在程序中设置定时值，然后由软件来控制定时时间。 6 ) 设计和施工 使用继电器控制逻辑完成一项控制工程，其设计、施工、调试必须依次进 行，周期长，而且修改困难。工程越大，这一点就越突出。而用p l c 完成一项 控制工程，在系统设计完成以后，现场施工和控制逻辑的设计( 包括梯形图设 计) 可以同时进行，周期短，且调试都很方便。 从以上几个方面的比较可知，p l c 在性能上比继电器控制逻辑优异，特别 是可靠性高、通用性强、设计施工周期短，而且体积小、功耗低、调试、使用 维护方便。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 3 3p l c 的工作原理 整个扫描过程分为内部处理、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。内部处理阶段， p l c 检查c p u 模块的硬件是否正常，复位监视定时器等。在通信服务阶段，p l c 与一些智能模块通信、响应编程器键入的命令、更新编程器的显示内容等。当 p l c 处于停止( s t o p ) 状态时，只进行内部处理和通信操作服务等内容。在p l c 处于运行( r u n ) 状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程 序输出，一直循环扫描工作。 1 ) 输入处理 也叫输入采样。在此阶段，顺序读入所有输入端子的通电断状态，并将读 入的信息存入内存中所对应的映像寄存器。在此输入映像寄存器被刷新。接着 进入程序执行阶段，在程序执行时，输入映像寄存器与外界隔离，即使输入信 号发生变化，其映象寄存器的内容不会发生改变，只有在下一个扫描周期的输 入处理阶段才能被读入信息。 2 ) 程序执行： 根据p l c 梯形图程序扫描原则，按先左右后上下的步序，逐句扫描，执行 程序。但遇到程序跳转指令时则根据跳转条件是否满足决定程序的跳转地址。 用户程序涉及到输入输出状态时，p l c 输出映像寄存器中读出上一阶段采入的 对应输入端子状态。根据用户程序进行逻辑运算，运算结果再存入有关器件寄 存器中，对每个器件而言，器件映像寄存器中所存的内容，会随着程序执行过 程而变化。 3 ) 输出处理： 程序执行完毕后，将输出映像寄存器，既器件映像寄存器中的寄存器状态。 在输出处理阶段转存到输出锁存器，通过隔离电路驱动功率放大电路，使输出 端子向外界输出控制信号，驱动外部负载。 扫描周期是p l c 一个很重要的指标，小型p l c 的扫描周期一般为十几毫秒 到几十毫秒。p l c 的扫描时间取决于扫描速度和用户程序的长短，毫秒级的扫 描时间对于一般工业常是可以接受的，p l c 的响应滞后是允许的。但是对某些 i 0 快速响应的设备，则应采取相应的处理措施。如选用高速c p u ，提高扫描 速度，采用快速响应模块、高速计数器模块以及不同的中断处理等措施减少滞 后时间。影响i o 滞后的主要原因有：输入滤波器的惯性、输出继电器接点的 惯性、程序执行的时间、程序设