基于PLC的矿井提升机变频调速控制系统设计说明

1、电控学院监测监控系统的设计】（提升机变频调速控制系统设计 ）班级：学号：日期：基于 PLC 的矿井提升机变频调速控制系统设计摘要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。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， PLC 控制系统、变频调速系统等组成。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。主控系统采用PLC系统，硬件简

2、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。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。关键词 ：矿用提升机；变频调速；矢量控制；可编程控制器第 1 章 矿井提升机调速系统的设计1.1 矿井提升机对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速度图。 所以需要先来分 析提升机电控系统的静、动态特性。提升机电气传动系统的给定速度 u=f(t) 如 图 2-1 所示，根据动力学方程式 Td=Te-Ti= Tn *e

3、/375 (2.1) 式中 Te- 电动机电 动力矩 ;Ti- 传动系统的静阻转矩 ;Tn- 传动系统的飞轮力矩， Tn=4gJ，其中 J 为转 动惯量 ( ) ，g 为重力加速度 Td-传动系统的动态转矩 ,e- 加速度。可以得出 按给定速度图所需转矩 Te=f(t) 的特性，从而可以得到拖动系统所需的力 F=f(t) ，提升机传动系统给定速度图、力图如图 2-1 所示。图a图bFL图cFd图d图 1-1 提升机传动系统给定速度图、力图提升机的负载静力 FL决定于提升机滚筒承受的静力差， 在双罐笼的平衡提升 系统中，静力凡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

4、FL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 ) ， 对滚筒必须施加机械闸。从图2-1 可以看出，要使提升机按照给定的速度图运行，电动力矩 Te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。 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，加速度 a 0.75m/s 2，升降物料

5、时，加速度a1.2m/s 2, 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，调速围大，能满足各 种运行方式及提升阶段 ( 加速、减速、等速、爬行等 )(3) 有较好的起动性能。 提升机不同于其他机械， 稳定运行的要求。 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

6、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。1.2 提升机调速控制系统方案设计1.2.1 控制单元基本原理图2-2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

7、语句， 对它们的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 器中某些语句的容。输入设备 按钮、限位开关、操作手柄可编程控制器输出设备继电器和电磁阀操作手柄 继电 操作手柄被控制的机械设备或生产过程图 2-2 可编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。1.2.2 调速装置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

8、，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围， 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

9、。(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 V-M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

10、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。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

11、发展方向。1.2.3 主控系统设计基于 PLC控制的大功率矿井提升机变频调速控制系统由主控系统、 变频系统、 液压站、润滑站、操作台、安全保护和控制监视系统组成，系统框图如图 2-3 所示。各部分功能如下。控制监视系统变频器380VPLC主令控制2-3 提升机控制系统框图1）主控系统图2-3 为提升机控制系统框图。系统的主控系统采用三菱 FX2N系列的可编程 控制器，一备一用，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；A/

12、D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子变频器， 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

13、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）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。（4）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

14、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。（5）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。（6）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

15、，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。控制系统工作原理： 当司机听到开车信号时， 按下启动按钮， PLC控制将380V 动力电源接入变频器。再松开液压制动闸并将主令控制器推到正向（或反向）， 提升机开始运行。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

16、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速度及行走距离，监视 器可以时时显示提升机速度和位置。第 2 章 变频调速系统的设计2.1 变频器主电路设计及参数设定变频器可以输出频率可调的交流电源， 在变频器的控制输入回路中接入频率设定电路，本系统过 PLC输出电压信号 （012 V）来控制变频器的频率。变频器的 容量可从三个角度表述 : 额定电流、可用电动机功率和额定容量，其中后两项变 频器生产厂家由本国或本公司生产的标准电动机给出， 或随变频器输出电压而降 低，都很难确切表达变频器的能力。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

17、元与制动电阻， 当制动功率大时由制动电阻消 耗能量。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和安全制动， 更有效的对控 制系统进行安全保护，变频调速主控电路如图 3-1 所示。FRKM1RUSTVVR2 辅助给定AC220HLHAK4K3K2K1复位REVFWDCM30AKA1ST130B-30C串接 KM1 线圈制动电阻R=10k C=0.05uFKA1声光报警电W3-1 变频

18、调速主控电路图声光报警回路：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，当变频器因故障不能正常工作时，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）。同时（常开）触点 30B-30C 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 停为止，报警才能解除。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

19、降至 0Hz 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。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。第 3 章 PLC控制程序设计3.1 程序设计（1） 软件结构由于系统控制核心主要由 PCL和上位机组成， 因此，软件包括 PLC控制软件和 上位机组态软件。 PLC软件的主要功能是对提升机的启动、加速、减速

20、、停车等 过程控制、信号采集、逻辑处理。PLC软件设计采用模块化结构，程序编制采用梯形图。上位机软件主要对系 统运行状态、故障状态实时监控，对运行数据、故障数据进行存储和记忆。PLC软件结构的设计是根据提升机工艺和控制要求，将控制任务和过程分解 为许多子过程和子任务， 再对各个子过程和子任务进行模块设计、 功能说明， 形 成一个模块化的程序结构。如图 5-1 所示。循环执行）图5-1 PLC 软件结构图(2) 设计思路软件部分说明由于控制工艺比较复杂， 本程序采用主子程序模块化顺序结构进行编程， 程 序中的存地址可分成 : 参数设定、上位机显示、故障存储、运行数据存储、中间 量这五部分， 系统

21、各种子程序均由主循环程序调用执行， 按事先输入的控制程序 实现自动控制， 系统编程灵活， 修改程序方便， 仅需修改子程序梯形图程序就可 改变控制功能， 便于现场维护管理， 使提升机运行安全性和可靠性得到了大幅度主程序和部分子程序分别介绍如下1) 控制程序控制子程序流程图如图 5-2 所示。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 :a 电机变频调速控制； b 制动泵液压 泵的控制； c 液压站电磁阀的控制； d

22、调绳调闸操作； e 安全保护、安全制动。程序置有半自动运行 (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 (0.3m/s) 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 0.5m/s 。抱闸给定速度至曲轨速度是否过曲 线 速度Y给定至 速度给定至 等速值是否到减 速点 Y自动减速图5-2 控制子程序流程图2) 深度、速度检测子程序速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

23、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。3) 程序软安全回路功能设置在PLC软安全回路中具有如下保护接点 : 过卷保护、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、减速段超速、等速段超速、爬行段 超速、松绳信号、深指失效、松闸保护、错向保护、编码器失效、PLC故障、溜车故障。以上任一故障发生均会断开安全回路实现安全制动。此外，主令零位、 工作闸零位与安全回路闭锁。4）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

24、点外，在程序中也设置软开关进行双重保护。PLC是本控制系统中关键的一环，其主要控制电路如图 5 3 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

25、监视、过载监视、深度 指示器监视等， 以上监视容出现故障时， 通过报警回路报警或安全回路实现抱闸 停车保护。1、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 5-3 PLC 外部接线(2) 梯形图及编程语言、上提升，下放在控制回路中利用正转继电器K1的常

26、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