基于PLC控制的变频调速在矿井提升机中的应用【控制理论与控制工程专业优秀论文】 .pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 基于p l c 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。传统的矿井提升机控制系统主要采用继电器一接触器进行控制，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。 因此对矿井提升机控制系统进行研究具有现实意义，也是国内外相关行业 专家学者的一个研究课题。 本文针对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较深入的研究。 ( 1 ) 根据提升机的运行特点，控制系统采用工控机监控提升机变频调速 系统，该系统主要由上位机( 工控机或触摸屏) ，下位机( p l c 控制系统) 、变 频调速系统等组成。 ( 2 ) 为了提高系统的可靠性，对提升机各种物理量及控制单元进行控制 监控。提升机的动态监测由工控机或触摸屏和组态软件组成。用户在组态 环境中完成动画设计、设备连接、编写控制流程和工程所需要的信息报表 以及结果打印等。 ( 3 ) 主控系统采用p l c 系统，硬件简洁、软件灵活性强、调试方便、维 护量小，配合一些专用电子模块组成的提升机控制设备，可供控制高压带 动动力制动或低频制动等。同时能检测各电机故障现象并送往上位机显示。 太原理工大学硕士研究生学位论文 减少了传统继电器接触式控制系统的中间环节，减少了硬件和控制线，极 大提高了系统的稳定性，可靠性。 ( 4 ) 电气拖动单元采用目前先进的变频调速方案。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。 ( 5 ) 在故障保护上采用软硬件相结合，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，最后处理为不同的故障 处理动作，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。设 置软硬两套安全回路，将各种重度故障信号送给安全回路，一旦出现重故 障安全电路立即断开，系统进行紧急制动。 运行表明，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。 关键词：矿用提升机，变频调速，矢量控制，可编程控制器，组态软件 知识水坝为您整理 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h e f r e q u e n c y c o n v e r s i o nu s eo n t h e s p e e da d j u s t m e n to fs h a f th o i s to n t h e b a s i so fp l cc o n t r o l a b s t r a c t t h es h a f th o i s ti st h ef o r e m o s te q u i p m e n to fm i n e s ，i ti sw i d e l yu s e dt o t r a n s p o r tt h em a t e r i a l s ，s t a f fa n de q u i p m e n t t h et r a d i t i o n a ls h a f th o i s tc o n t r o l s y s t e mi sa l w a y sc o n t r o l l e db yt h er e l a y - c o n t a c t o r ，a n da d o p t st h em e t h o d so f c o n n e c ts e r i e sa d d i t i o n a lr e s i s t a n ti nr o t o r sw i n d i n gl o o pt os t a r ta n da d j u s t s p e e d t h es y s t e mh a sm a n yd i s a d v a n t a g e ss u c h 豁b a dr e l i a b i l i t y , c o m p l i c a t e d o p e r a t i o n ，h i g hf a u l tr a t e ，l a r g ee n e r g y - w a s t i n ga n dl o we f f i c i e n c y s o ，c a r r y i n g o nt h er e s e a r c ho nt h es h a f th o i s tc o n t r o ls y s t e mh a sr e a l i s t i cm e a n i n g s ，a n di ti s as u b j e c tf o rr e s e a r c hb yr e l e v a n te x p e r t sa n ds c h o l a r s b o t ha th o m ea n da b r o a d t ot h e s eq u e s t i o n se x i s t i n gi nt h es h a rh o i s tc o n t r o ls y s t e m ，t h ep a p e r a p p l i e dp l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) a n df r e q u e n c yc o n v e r t e rt ot h e s y s t e m ，a n dh a v ec a r r i e do nd e e p e rr e s e a r c hi nf e a s i b i l i t y ( 1 ) a c c o r d i n gt ot h eo p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i co ft h es h a f th o i s t , t h ec o n t r o l s y s t e ma d o p t si n d u s t r yc o m p u t e r t om o n i t o rt h es h a f th o i s t f r e q u e n c y c o n v e r s i o ns y s t e m t h es y s t e mm a i n l yi n c l u d et h eh o s tc o m p u t e r ( i n d u s t r y c o m p u t e ro rt o u c h s e n s i t i v es c r e e n ) ，t h es l a v em a c h i n e ( p l cc o n t r o ls y s t e m ) i 知识水坝为您整理 太原理工大学硕士研究生学位论文 a n df r e q u e n c yc o n v e r s i o ns y s t e m ( 2 ) t oi m p r o v i n g t h es y s t e mr e l i a b i l i t y , a l lt h ep h y s i c a la n dc o n t r o lu n i t so f t h es h a f th o i s ta r em o n i t o r e d t h ed y n a m i cm o n i t o rs y s t e mf o rs h mh o i s ti s c o m p o s e do fi n d u s t r yc o m p u t e r ( o rt o u c hs c r e e n s ) a n dc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e t h eu s e rc a nc o m p l e t et h ea n i m a t i o nd e s i g n i n g ， e q u i p m e n tc o n n e c t i n g ， p r o g r a m m i n g t h ef l o wo f c o n t r o l ，g e t t i n gt h ei n f o r m a t i o na n dp r i n t i n gt h er e s u l t i nt h ee n v i r o n m e n to f c o n f i g u r a t i o n ( 3 ) t h em a i nc o n t r o ls y s t e ma d o p t sp l cs y s t e m i th a sm a n ya d v a n t a g e s s u c ha st h es i m p l eh a r d w a r e ，f l e x i b l es o t t w a r e ，c o n v e n i e n td e b u g g i n ga n dl e s s w o r kf o rm a i n t e n a n c e 。w ec a nc o n t r o lt h eb r a k ew i t hh i 曲p r e s s u r eo rl o w e r f r e q u e n c yi nc o n j u n c t i o nw i t ht h ec o n t r o le q u i p m e n to fs h a f th o i s tw h i c hi s c o m p o s e do fs p e c i a l i z e de l e c t r o n i cm o d u l e a tt h es a m et i m e ，i tc a nm e a s u r e e a c hm o t o r sf a u l tp h e n o m e n o na n ds e n dt h es i g n a lt oc o m p u t e rt od i s p l a y , w h i c hr e d u c e dt h ei n t e n n e d i a t el i n ko f t r a d i t i o n a lr e l a yc o n t a c t o rc o n t r o ls y s t e m ， a n dt h es y s t e ms t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yb ei m p r o v e dg r e a t l y ( 4 ) t h ee l e c t r i c a ld r i v i n g u n i t a d o p t s t h em o s ta d v a n c e df r e q u e n c y c o n v e r s i o nt e c h n o l o g y , t h ev e c t o rc o n t r o lt e c h n o l o g yi ss u i t a b l ef o rt h ew o r k i n g e n v i r o n m e n to fs h a f th o i s t w ec a nm a k et h ee l e v a t o rt or u na c c o r d i n gt ot h e s p e c i f i e ds p e ec u r v e s t om e e tr u n n i l l gs t a b i l i t ya tt h eu p g r a d es t a t e ，j u s tb y g i v i n gt h ec o n t r o lo r d e r so ft h ei n v e r t e r ( r e v e r s er o t a t i o n , p o s i t i v er o t a t i o ne t c ) 抽t h ec o n t r o lu n i t i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 5 ) t h ec o m b i n a t i o no f h a r d w a r ea n ds o f t w a r ei su s e di nf a u l tp r o t e c t i o n t h ef a u l ts i g n a lc h a n g e st od i f f e r e n tf a u l to p e r a t i o n sa c c o r d i n gt ot h er e s u l to f l o g i co p e r a t i o na n dj u d g m e n t a b o u tt h ed i f f e r e n tg r a d e so ff a u l ts i g n a lw i t hf a u l t p r o t e c t i o ns y s t e m a tt h es a l n et i m et h e s es i g n a l sw i l lb es h o w ni np ca n d c o n t r o lt h es o u n da n dl i g h ta l a r m t h es y s t e ms e t st w ok i n d so fs e c u r i t yl o o p ， a n ds e n d sv a r i o u ss e r i o u ss i g n a l st ot h es e c u r i t yl o o p ，b r e a k sd o w nt h es e c u r i t y c i r c u i to n c et h es y s t e mh a ss e r i o u sf a u l t sa n db r a k e si m m e d i a t e l y t h et u n i n gi n d i c a t e s ，a d o p t i n gt h i sc o n t r o ls y s t e m 。t h es h a rh o i s tw o r k s r e l i a b l y , e a s yt ou s e ，e n e r g y - s a v i n gw e l l ，a n d h a v ed y n a m i c a ls h o w nf u n c t i o n k e yw o r d s ：s h a rh o i s t ，f r e q u e n c yc o n v e r s i o n ，v e c t o rc o n t r o l ，p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i c a lc o n t r o l l e r ) ，c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e v 太原理工大学硕士研究生学位论文 图表索引 图卜1 山底矿矿井提升机旧设备l 图卜2 竖井井架设备3 图卜3 矿用提升机变频调速控制系统5 图2 一l 提升机传动系统给定速度图、力图8 图2 2 在不同负载下的给定速度图与力图9 图2 3 继电器控制系统框图1 1 图2 4 可编过程控制器控制系统框图1 2 图2 5 提升机八段转子串电阻调速原理图1 4 图2 6 异步电动机机械特性曲线1 5 图2 7 提升机控制系统框图1 6 图3 1 可编程控制器结构框图1 9 图3 2f x 2 n 系列p l c 的硬件2 1 图3 3 基本单元或扩展单元d c 2 4 v 供电范围示意图2 9 图3 4 基本单元或扩展单元d c 5 v 供电范围示意图3 0 图3 5p l c 系统组织图3 2 图3 6 供电主回路图3 2 图3 7 操作台供电方式3 3 图3 8 深指器及辊筒3 4 图3 - 9 井架及并筒行程开关的设置3 4 图3 1 0 液压站及润滑站3 5 图3 一i l 主令手柄控制单元，3 6 图3 1 2 制动手柄模拟量给定3 6 图3 1 3 信号隔离电路原理图3 7 图3 一1 4 安全回路原理图，3 8 图3 1 5 调绳离合器回路4 l 图3 1 6 提升信号回路4 l 图3 1 7 二级制动回路4 2 i x 太原理工大学硕士研究生学位论文 图3 - 1 8 电磁阀回路4 2 图3 1 9 直流电磁阀回路4 3 图3 2 0 矿用提升机系统保护信号分类4 4 图4 一l 异步电动机等效电路4 8 图4 2 变频器的基本结构4 9 图4 3 电磁转矩等效图5 0 图4 4 等效的交流电机绕组和直流电机绕组物理模型5 l 图4 5 a 一坐标轴与d q 坐标轴的设定5 3 图4 6 矢量控制过程框图5 4 图4 - 7 变频器系统组成图5 6 图4 8 专家应用的参数设置5 9 图5 1 用户应用系统结构图6 3 图5 2 设备配置界面6 5 图5 3 组态软件设计开发流程图6 5 图5 4 上位机主画面和报警画面6 7 图5 5p l c 故障记录画面和提升机速度图画面6 7 图5 6 安全回路监视画面和状态指示画面6 8 图5 7 计算机与p l c 通讯的基本格式6 9 图5 8 计算机链接网络图7 1 图5 9 计算机从可编程控制器读取数据7 2 图5 1 0 计算机向可编程控制器发送数据7 2 图5 1 l 可编程控制器向计算机发送数据7 2 图5 1 2p l c 软件结构图7 4 图5 1 3 控制子程序流程图7 5 图5 一1 4 深度、速度子程序流程图7 6 图5 一1 5 模拟量子程序流程图7 7 图5 1 6 保护子程序流程图7 8 图5 一1 7 故障处理子程序流程图7 9 图6 1 操作台和控制柜8 1 x 太原理工大学硕士研究生学位论文 图6 2 各控制柜内部布置8 2 表3 1f x 2 n 系列功能 表3 2p l c 的输入点统计 表3 3p l c 的输出点统计 表3 4 提升机系统p c 元件选型方案 表3 5d c 2 4 v 供给电流容量 表3 6 各单元d c 5 v 电源容量 表5 一l 三菱f x 系列特殊辅助继电器。 表5 2 通讯格式( d 8 1 2 0 ) 表5 3 三菱f x 系列特殊数据寄存器 x i 毖 弘 盯 勰 凹 弛 伯 n ， ， ， 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：公含余日期：论文作者签名：强、儡、日期：聊5 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定。其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的。 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) o 签名： 导师签名： 日期：j 翌巫 日期：尘多土，6 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 课题来源 第一章绪论 矿井提升机是机、电、液一体化的大型机械，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， 素有矿井“咽喉”之称【l 】。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【2 】【3 】。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。 山底煤矿位于山西省榆次境内，有十分丰富的煤炭资源，品位高，储量大，是我省 中型矿山，具备日产煤炭3 0 0 吨。山底煤矿于1 9 7 6 年开始建设，1 9 8 3 年建成投产，为 了使矿山持续稳产和延长服务年限，需要对提升机等设备进行改造，以达到安全高效的 目的。主并提升高度为2 3 7 米，提升机为j k 一2 5 2 0 e 提升机，最大提升速度为3 1 9 米 ，秒，采用交流电动机拖动，电动机为2 5 0 千瓦，3 8 0 伏，5 2 1 安培，7 4 4 转分，采用电 动一发电机组供电。如图1 1 所示为山底矿矿井提升机原设备实物拍摄。 ( a ) 操作台及辊筒 ( b ) 转子串电阻 图1 1 山底矿矿井提升机旧设备 f i g u r e l 一1o l ds h a f t h o i s te q u i p m e n t o f s h a n d im i n e 太原理工大学硕士研究生学位论文 提升机改造工程是山底矿提高矿山安全指标的重要工程。提升机改造完成后将使矿 井的日产量提高到4 5 0 吨，并对井下的正常生产起着十分重要的作用。经研究讨论，矿 方要求主井电气控制系统改造，建设成为安全可靠、效率高，自动化程度高的系统。 根据山底煤矿的现有情况，并广泛调查国内外提升机的发展状况确定课题，对该矿 提升机电控设备进行技术改造。 1 2 国内外提升机研究状况 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【4 】。1 9 8 1 年第一台用同步机悬臂传动的提升机在德国m o n o p o l 矿问世，1 9 8 8 年由m a v g h i - - 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 r o m b e r g 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 ( p l c ) 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p l c 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、a b b 、a l s t h o m 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。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 井道角度分：竖井( 如图1 - 2 所示为竖井井架设备) 和斜井；按提升容器分：箕斗提升、 罐笼提升、矿车提升；按提升类型分：单绳缠绕式和多绳摩擦式等【2 】。我国常用的矿用 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 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2 0 世纪6 0 年代开始单绳缠绕式矿井提升机采用较多( 4 】。 ( 1 ) 井架( 2 ) 天轮 图卜2 竖并井架设备 f i g u r e l - 2t h eh e a d f r a m ee q u i p m e n to f s i l o 目前我国提升机9 0 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t k d 系列，多绳磨擦式提升机的有j k m 、k 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【1 1 。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f l 】。 2 0 世纪8 0 年代，我国从瑞典、西德等国引进2 0 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2 0 世纪9 0 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【l 】【6 j 。 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 太原理工大学硕士研究生学位论文 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1 7 1 。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 8 】： 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 + 2 c m 。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；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p c 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 7 1 1 9 1 。 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【2 】。2 0 世纪8 0 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a b b 公司。我国在2 0 世纪9 0 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【2 j 。 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 3 本文内容及研究意义 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( p l c ) 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p l c 控制，硬件简洁、软件灵活性强、调试方便、维护量 小，p l c 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f 2 】。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 2 1 。 提 、 升 传转 提 帆 一 升 系 动 矩 统 一 控j 一控 系 控 澍错 统 制 图卜3 矿用提升机变频调速控制系统 f i g u r e l 3s h 稚h o i s tf r e q u e n c yc o n v e r s i o ns y s t e m 太原理工大学硕士研究生学位论文 而在p l c 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。如图1 3 所示，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【lo 】。 1 3 2 研究意义 在调研中发现，目前山西省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【1 2 l ，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。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章矿井提升机计算机控制系统的设计 2 1 矿井提升机对电气控制系统的要求 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【l l 】【1 3 1 1 1 4 t 。 提升机的电气传动系统的给定速度v = ，( 0 如图2 一l 所示，根据动力学方程式 t a = 兀一乃= 旦占( 2 1 ) 3 7 5 式中冗电动机电动力矩： 乃传动系统的静阻转矩： l 传动系统的飞轮力矩，矗= 4 m ，其中j 为转动惯量幢m 2 ) ，g 为重力加 速度( m l s 2 ) ； 乃传动系统的动态转矩( 舶) ； 占加速度。 可以得出按给定速度图所需转矩兄= f ( t ) 的特性，从而可以得到拖动系统所需的力 f = ，( f ) ，如图2 - 1 所示。 提升机的负载静力兄，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e 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e 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，电动力矩乏可能为正，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。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 图2 - 1 提升机传动系统给定速度图，力图 f i g u r e 2 - 1h o i s t e rd r i v es y s t e mf i x e ds p e e da n df o r c ed i a g r a m ( 1 ) 重物上提，静载量较大( e ， o ( 瓦 。) 其中乃。为加速力矩与等速力矩之差 加速力矩为：e = 五+ 乃l 0 在等速段，等速力矩为：最= 瓦 0 在减速段，乃， 0 根据此力图可知，电动机在各级段均工作在正向电动状态。 8 ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( a ) 重物上撮，静袭量较大以】 ，) 、 ，f n、 蕾“皿t 知n ( c ) 重物下放，静虢t 较小i ，)重物下放静载量较大化i ，) 图2 - 2 在不同负载下的给定速度图与力图 f i g u r e 2 - 1f i x e ds p e e da n df o w e , t i a g r a mi nd i f f e r e n tl o a d s ( 2 ) 重物上提，静载量较小( 乃， f 。) 。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e = 玩+ 乃。 0 ( 2 - 7 ) 在等速段，等速度力矩最= e 0 ( 2 8 ) 在减速段，减速度力矩兄， 瓦，所以 i 乃“= 阮+ 乃3 | 0 ( 2 1 0 ) 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( 乃。 r ) 。其给定速度图与力图如图2 2 ( c ) 所示。 在加速段e 。 o ，e 阪i 巧= 瓦+ 乃i o ( 2 - 1 1 ) 在等速段e = 五 0 ( 2 1 2 ) 在减速段i 乃，l = r i r + 乃，i o ，尼， 0 ， ( 2 - 1 3 ) 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 在爬行段 只= 瓦 0 根据力图可知，电动机在加速阶段， 段，电动机均工作在正向制动状态。 ( 2 1 4 ) 工作在正向电动状态：在等速、减速和爬行阶 ( 4 ) 重物下放，且静载量较大( 兄。 o ，尼 o ，乃。 o ：6 9 0 m a - 9 0 m a * 3 3 0 m a * 3 = 3 3 0 n 请 o 。 ( x 2 n - 4 8 5 - b d 耗电6 0 m a ，f x 2 n i h c 耗电9 0 m a ：模拟量模块耗电3 0 n e ) ( 3 ) 对于f x 2 n 基本单元，外接特殊单元、特殊模块的数量，最多不超过8 台。 特殊模块具体参数介绍： 1 ) f x 2 n - 4 仰模拟量输入模块 提供1 2 位高精度分辨率( 包括符号) 4 通道电压输入( 一1 0 至1 0 v 直流) 或电流输入( - 2 0 至2 0 m a 直流) 对每一通道，可以规定电压会电流输入。 在模拟和数字电路之间光电隔离，直流直流变压器隔离主单元电源，在模拟通道 之间没有隔离。 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 ) f x 2 n 一8 a d 模拟量输入和温度传感器输入模块 提供1 6 位高精度分辨率( 包括符号) 8 通道电压输入( 一l o 至l o v 直流) 或电流输入( 4 至2 0 m h ，直流一2 0 m a 至2 0 m a 直流) 或热电耦温度传感器输入。 对每一通道，可以单独规定