货物提升控制系统

1、MCGS软件设计说明书17基于PLC与变频器的矿井提升控制系统摘 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。在该矿井提升机控制系统设计中，采用国内外先进的PLC控制技术改造矿井

2、传统、落后的继电器一接触器式罐笼逻辑运行系统；采用变频调试系统与PLC和上位机组成一个集散控制系统。从而，保证矿井提升机可靠、准确地运行，实现矿井提升机的计算机控制。经调试和运行结果表明，该系统工作可靠、控制精度高，完全可以满足现场生产运行的要求。应扼要叙述本论文研究工作的主要内容、方法、观点和成果，要求文字简练、准确（一般在论文完成后再写），摘要约200-400字。关键词（黑体小四号字）关键词1；关键词2；（宋体小四号字，38个）矿井提升机，变频调速，可编程控制器 目 录摘 要I目 录1引言（前言）21. 正文21.1 标题21.1.1标题2x. 结论3参考文献3附录（必要时）4致谢（必要时

3、）4引言矿井提升机是机、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。提升机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。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。近三十年来，国

4、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。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，

5、并提供了新的、现代化的管理、监视手段。但国内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。课题概述矿井提升机是煤矿“四大运转设备”之一，其电力传动特性复杂，电动机频繁正、反向运行，经常处于过负荷运转和电动、制动不断转换的状态中；它的安全性、可靠性亦是至关重要，其运行性能和安全可靠性直接影响着煤炭生产及作业人员的生命安全，一旦发生事故必然导致

6、人员伤亡和设备的严重损坏，矿山正常生产的中断，造成重大的经济损失。因此，提高提升机的性能，提高其自动化水平，使其安全性、可靠性达到一个新的高度势在必行。随着现代科学技术的进步，现代化矿井的建设，以及对作业人员的生命更加重视，对矿井提升机的安全可靠性提出了更高的要求。近年来，我国有关部门在提升机安全方面做了大量工作，使矿井提升机设备的安全可靠性有了很大进步，并将“可靠性系统工程”的理念引入了矿井提升机领域，与之相适应，提升机对其电控系统安全可靠性的要求也愈来愈高。因此，在设计矿井提升机时，总是把安全性、可靠性放在首要位置。就其本质而言，提升机电控系统的高可靠性主要表现在两个方面：一是电控装置本身

7、质量好，故障率低；二是电控系统出现故障后应能根据故障性质及时进行保护，并能对故障内容进行记忆和显示，以便能迅速排除。由于国内现有提升设备陈旧、技术落后、故障率高，提升效率低，不能满足实际生产需求，存在的问题主要有以下几点：能源让费大，设备运行不稳定，使用寿命低，维修费用高，可靠性低。正由于以上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。在提升机控制系统应用可编程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。随着数字、电力电子技术的发展，可编程控制器和变频器在提升机控制系统中逐步得到使用，从而使得

8、提升机控制系统的安全性得到了很大的提高。可编程逻辑控制器(PLC)是目前工业领域应用广泛的机型。而在PLC电控系统的基础上配合变频调速装置，运用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。经过调研和论证，开发研制基于PLC控制的矿井提升机变频调速控制系统对提高矿井提升机的安全性、可靠性、以及运输效率具有重要的现实意义。国外矿井提升机的发展 矿井提升机作为矿井运输系统的主要运行形式之一，最早起源于英国、美国、德国等一

9、些采煤技术发达的国家，五十年代以大规模服务于煤炭生产。1)绕线转子异步电动机转子回路串金属电阻调速系统电动机转速调节是靠改变转子回路串联的附加电阻来实现的。该系统调速方法简单，曾被广泛使用。它是有级调速，并且调速时能耗很大，属转子功率消耗型调速。由于其调速性能差、运行效率低、运行状态的切换死区大及调速不平滑等缺点，这种调速方法已逐渐被淘汰。2)晶闸管一电动机(SCR-M)直流低速直联拖动系统部分发达国家原有交流提升机基本上被晶闸管一电动机(SCRM)系统取代。此类系统优点在于：体积小，重量轻，占地面积小，安装方便，建筑费用低；无减速器，总效率高，电能消耗少；维护工作量小，备件少，处理事故快：单

10、机容量大，适用范围广：调速平滑，精度高；易于实现最佳控制和自动化，安全可靠；其缺点在于：功率因数低，无功冲击大，高次谐波对电网影响大。3)微机控制技术在矿井提升机的应用70年代开始，随着微机技术的发展，微机控制技术己逐步应用于矿井提升机中。目前，已达到相当成熟的阶段，使整个拖动控制产生一次重大的变革。它主要在提升工艺过程、提升行程控制、提升过程监视、安全回路等方面应用微机控制技术，使得矿井提升机电控系统自动化程度，运行效率和可靠率变高，大大地加速了矿井提升机的发展。国内矿井提升机的发展 目前，我国矿井提升机90以上是采用单机容量在1000KW以下传统的交流异步电机拖动，采用转子串电阻调速，由继

11、电器一接触器构成逻辑控制装置。其中多半为电动机一发电机组(M-G机组)供电，采用晶闸管整流传动(SCR-M)的只占一部分。传统的交流拖动系统的显著缺点是：调速性能差，调速时能量要大量消耗在电阻上，给定方式落后，控制精度低，安全保护和监测环节不完善，安全可靠性差，维护工作量大，而且运行不经济。国内提升机行程控制的水平还较低，速度给定环节以时间给定和机械式行程给定为主，以计算机为核心的矿井提升机行程监控和保护的研究还处于尝试阶段。“九五"期间国产全数字直流提升机己成为煤矿提升机的首选机型，由于采用了计算机技术，提升机的安全保护系统更为完善。但到目前为止，还未见采用智能控制装置实现高性能的

12、行程控制系统的成套装置，对于我国的矿井提升机，实现高精度行程控制和制动控制系统安全可靠是一个急待解决的课题。总体来说，我国近10余年来关于提升机计算机控制系统的研究发展迅速，采用了先进的控制设备和控制策略，无论在驱动方式上还是在控制技术上都取得了很大进展，积累了大量的经验，取得了很大成绩。矿井提升机电控系统分析矿井提升机肩负着井上、井下运输的重要任务，在整个矿井生产中占有非常重要的地位，素有“矿山咽喉”之称。熟悉矿井提升机的性能、结构及动作原理，合理使用设备，加强维护，对确保提升机工作效率、提高安全可靠性、防止和杜绝事故的发生具有重大意义。矿井提升机系统主要组成部分及其作用矿井提升机电控系统是

13、一个完整的机械一电气机组，图2-1为矿井提升电控系统示意图，其主要由以下几部分组成。PLC变频器M液压站AC380V旋转编码器A减速器提升机图2-1 矿井提升机电控系统示意图矿井提升机电控系统主要电气部分和机械部分组成。电气部分主要是由计算机网络、PLC编程器、变频器、调试装置等组成。机械部分主要是有工作机构、制动系统、机械传动系统、拖动控制等组成。1、 工作机构主要是指主轴装置和主轴承等，主轴装置由主轴、卷筒、滚动轴承、支轮、制动轮、调绳离合器等组成。2、制动系统液压制动系统装置包括制动器和液压传动装置，是提升机不可缺少的重组成部分之一，也是最后一道安全保障装置，制动装置的可靠性直接关系到提

14、升机的安全运行。提升机制动器的功能就是刹住提升机卷简，使提升机停止运行。3、 机械传动系统机械传动系统，机械传动系统包括减速器和联轴器。减速器的作用是减速和传递动力，联轴器是用来联接提升机的旋转部分，并传递动力。4、拖动控制和自动保护系统拖动控制和自动保护系统包括主拖动电动机、微拖动电动机、电气控制系统和自动保护系统。矿井提升机自动保护系统的作用是：在司机不参与的情况下，发生故障时能自动将主电动机断开并同时进行安全制动从而实现对系统的保护。矿井提升机电控系统分析为了设计出满足有关规程规定要求的矿井提升机控制系统，我们将首先根据矿井提升机的工艺过程和特点，分析矿井提升机电控系统的动、静态性能。提

15、升机各部分动力计算，需要知道提升容器在井简中的运动质量在各个瞬间所产生的惯性力，而这些惯性力与提升机速度变化规律密切相关。首先，我们确定矿井提升机运动合力以及阻碍它们作用的阻力与提升机运行速度图之间的关系。根据动力学方程：式2-1式中：Td一传动系统的动态转矩(N·m)；Te一电动机电动力矩；Tl一传动系统静阻转矩；-传动系统的飞轮力矩，=4gJ，其中J为转动惯量(kg·m2)，g为重力加速度(ms2)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FM =f(t)。矿井提升机运行速度图提升机的过程是提升容器在井筒中周期往返运动，通常以提升容器

16、的运动速度与时间的关系来表示其运动规律，称为速度图，我们常用的提升系统的速度图，包括五个阶段，一般称为四阶段速度图。即：加速阶段、减速阶段、爬行阶段、制动阶段。提升机电气传动系统速度给定v=f(t)。如图2-2所示。图2-2 提升机传动系统给定速度图、力图矿井提升机静、动态性能要求提升机的负载静力FL，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FL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)，对辊筒必须施加机械闸。从图2-

17、2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。图2-3表示出了平衡提升系统的四种不同的运行状态。2-3 在不同负载下的给定速度图与力图(1) 重物上提，静载量较大(Fd3<FL)。其给定速度图与力图如图2-3(a)所示。在加速段Fd1=0 (FL0) 式2-2其中Fd1为加速力矩与等速力矩之差。加速力矩为：F1= FL+ Fd1>0 式2-3在等速段，等速力矩为：F2= FL>0 式2-4在减速段，Fd3<0，但|F

18、d3|<FL，所以减速段力矩为： F3= Fd3+ FL>0 式2-5其中Fd3为减速力矩与等速力矩之差。在爬行段，爬行力矩为：F4= FL >0 式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(Fd3>FL)。其给定速度图和力图如图2-3(b)所示在加速段，加速度力矩 F1= FL+ Fd1>0 式2-7在等速段，等速度力矩 F2 = F1>0 式2-8在减速段，减速度力矩 Fd3<0,但|Fd3|> FL，所以|Fd3|=|Fd3+ FL|<0 式2-9 在爬行段，爬行力矩 F4= FL>

19、0 式2-10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(Fd1> FL)。其给定速度图与力图如图23（c)所示。在加速段 Fd1 >0，FL<0，Fd1 >| FL| F1 =FL +Fd1>0 式2-11在等速段 F2 = F1>0 式2-12在减速段 |Fd3|=|Fd3+ FL|<0 ，Fd3 <0 ， 式2-13在爬行段 F4 = FL <0 式2-14根据力图可知，电动机

20、在加速阶段，工作在正向电动状态；在等速、减速和爬行阶段，电动机均工作在正向制动状态。(4)重物下放，且静载量较大(Fd1< FL)。其给定的速度图和力图如图2-3（d）所示。在加速阶段 Fd1>0，FL <0，Fd1<| FL| F1=Fd1+ FL<0 式2-15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

21、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 075ms2，升降物料时，加速度a 12ms2。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

22、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。2.3.2提升机交流调速方式交流变频调速目前交流调速最有前途的是变频调速技术。变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流一直流一交流变频器和交流一交流变频器两大类，目前国内大都使用交一直一交变频器。其特点：1

23、、效率高，调速过程中没有附加损耗；2、应用范围广，可用于笼型异步电动机；3、调速范围大，特性硬，精度高；4、技术复杂，造价高，维护检修困难。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。系统硬件实现PLC硬件实现PLC概述及其系统组成可编程控制器(Programmable Controller)缩写为PC，为了于个人计算机的PC(Personal Computer)相区别，因而将它写成PLC。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

24、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：1)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。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

25、可编程控制器的接口原则是使外部接线、电平转换尽量少。变频器硬件实现矿井提升机系统变频调速原理在交流异步电动机的诸多调速方法中，变频调速的性能最好，其调速范围大，静态稳定性好，运行效率高。矿井提升机采用变频调速系统甩掉了原电控调速用的交流接触器及调速电阻，提高了系统的可靠性，改善了操作人员的工作环境；调速连续方便，分段预置频率，能根据负荷情况连续平滑调节转速，无机械冲击现象；实现了低频低压的软起动和软停止，使停车运行更加平稳；启动及加速过程冲击电流小，提升机在重载下从低速平稳无级平滑地升至最高速，最大启动电流不超过13倍的额定电流，大大地减小了对电网的冲击；增加了直流制动功能，使重车停车时更加平

26、稳，有效避免了“倒车”现象；采用了能耗制动、回馈制动或超级电容吸收技术，成功解决了位能负载在快速、减速或急停时的再生能量处理问题，保证了变频器的安全运行；避免了原绕线式电机故障率高的情况，提高了连续稳定运行率。变频调速主系统设计变频调速单元采用BPDK-BPG系列通用变频器，其变频调速系统主电路如图3-3所示图3-3 变频调试系统主电路变频调速系统主电路各部分主要功能：1)断路器，接通或切断电源，过载、过流保护。为避开变频器投入时直流回路电容器的充电电流峰值，变频器配置的断路器容量为电机额定电流的1314倍，整定值为断路器额定值的34倍；2)输入电抗器，降低谐波，抑制浪涌电压，改善功率因数；3

27、)整流电路，将三相交流电转换为可调的直流电；4)逆变电路，逆变过程是变频器核心部分，它改变电机定子的供电频率，从而改变输出电压，起到调速作用； 5)滤波器，减少无线电干扰；6)输出电抗器，减少干扰和振动。1、变频器的选择在一拖一的情况下，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。矿井提升机属于频繁起动、加减速运转，其变频器容量应根据加速、恒速、减速等各种运行状态下的电流值确定：式3-8 式中：k一安全系数，一般取1.11.2；Ii一提升机各个运行阶段平均电流，i=1，25；ti一提升机各个阶段运行时间，i=l，25。由于

28、控制对象的容量大、安全性高，设备容量达到160KW，且要求有很高的安全性能，因此我门选用了BPDK-BPG型号的变频柜，内置四象限高压变频调速装置，它适用于地面或井下非防爆场合中50-600KW的矿井提升机，它对于多绳，多水平，双机，斜井等复杂运行的场合，表现的优越性就更为明显了。变频器硬件接线图如图3-4所示。图3-4 变频器接线图2、直流制动主令控制器给出“正转或“反转"命令后，如果没有给出“松闸信号，变频器在电机上施加直流制动转矩，确保松开制动闸过程中重车不下滑，避免“溜勾”现象。提升机负载由于惯性较大，当变频器的输出频率由高速下降至0 Hz时，常常停不住，而有“蠕动"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，变频器调速时要设置直流制动功能。提升机控制设计提升机控制主要包括制动泵控制、润滑泵控制、调零电机控制、调绳控制、安全阀控制等控制。制动泵控制主要是控制工作闸的制动，实现卷扬机的安全停止。在提升机还未工作或者产生的力矩不够大时，此时，制动泵就会工作，防止卷扬机出现蠕动。此系统用到了两台电机，工作时只有一台运行，当其中一台出现故障是，就可以切换到另一台电机，实现安全控制。润滑泵控制主要是实现润滑油的供给，润滑装置能有效地减少设备故障，降低