高压变频矿井提升机电控系统设计毕业论文

1、摘 要摘 要矿井提升机常被人们称为矿山的咽喉，是矿山最重要的关键设备。传统矿井提升机控制系统采用机械的继电器-接触器控制，技术落后，精度差，保护不可靠，采用PLC的电控系统代替传统的机械式控制系统，从而使矿井提升机的控制性能得到极大的改善。本文设计的矿井提升机电控系统，具有数字行程监控、提升机工作过程控制、安全保护和遇故障制动控制的功能，从而有效的保证提升系统安全可靠的运行。主控系统采用三菱FX2N系列PLC完成各种功能实现；TDR-J360-RE轴编码器连接在电机高速轴作为速度检测元件；HIVERT-YVF型变频器作为系统调速设备。从而实现整套系统运行的安全性、稳定性、可靠性。关键词 矿井提

2、升机 PLC 变频调速 电控系统I目 录AbstractMine Hoist are often referred to as the throat of mines, which is the most important mining equipment. Traditional mine hoist control system uses mechanical relay - access control. Using the PLC electronic control system to replace the traditional mechanical control syste

3、m because of backward technology, poor accuracy and protection is not reliable .so that the mine hoist control of a performance gains great improvement.The winch designed in this paper upgrade electronic control systems, having digital surveillance programmer to enhance the work of process control,

4、security protection and control function confronting the case of braking failure, and thus effectively raise the guarantee system of safe and reliable operation. Main Control system using Mitsubishi FX2N PLC completed series of function to achieve; TDR-J360-RE-axis encoder connected the high-speed m

5、otor shaft as the speed detection devices; HIVERT-YVF installed with counter-converter system is considered as the Speed Equipment. Thus the security, stability, reliability to the Operation of the entire system is achieved.Key Words Mine Hoist，PLC，Frequency Control，Electronic Control system目 录摘 要 I

6、Abstract II1 绪论 11.1 课题研究的重要性 11.2 课题研究的意义 11.3 矿井提升机电控系统的国内外发展状况 21.3.1 国外矿井提升机电控系统的发展现状 21.3.2 国内矿井提升机电控系统的发展现状 31.4 课题的设计目标 42 提升电控系统概述 62.1 矿井提升机工作原理及机械结构 62.2 提升设备对电控系统的要求72.2.1 提升设备对电控系统的安全要求72.2.2 提升设备对电控系统的性能要求82.3 提升机的电气传动82.4 提升机变频电控的组成 102.5 变频调速系统的优越性 113 PLC在矿井提升机系统中的应用 133.1 PLC作为控制核心的

7、优越性 133.2 由PLC组成的提升机控制系统功能 144 提升机主控系统硬件设计 164.1 主控台的组成164.2 电控系统功能设计 174.3 电控系统安全保护设计 174.4 变频设备 184.4.1 变频柜在提升电控系统中的功能 184.4.2 变频装置的基本原理 194.5 其他设备 225 PLC程序设计 245.1 行程及速度计算 245.2 主程序流程图255.3 I/O口分配 266 系统的实际应用 276.1 系统操作方法276.2 按钮和转换开关的功能 286.3 高压变频柜的性能 30结 论32致 谢33参考文献 34附录一 PLC程序 35附录二 电控系统原理图

8、51河北工程大学毕业设计说明书1 绪论1.1 课题研究的重要性矿井提升机(又称绞车、卷扬机)是矿山生产中至关重要的大型设备，是井下与外界的唯一通道，素有“矿山咽喉”之称。在绝大多数矿井中，提升设备的提升量就是矿井的主产量。矿井提升系统对矿井的生产和安全起着至关重要的作用，有重要的国民经济意义。矿井提升系统是24小时连续作业的高强度作业系统，即使短时间的停机维修也会给生产带来很大的损失。据估算，一个年产150万吨的中型煤矿，如果停产一天，将造成约八十万元的直接经济损失，同时将产生二十多万元的能源浪费（通风、排水、供电系统都必须正常运行）。因此，提升机的传动及控制装置一直是各国工控界一个重要的研究

9、领域，也是各个国家矿山工业发展的一个重要标志。据统计，电控系统故障引起的矿井提升事故占一定比例。因为电控系统自动化程度不够高，生产现场需要大量的操作人员，种种原因导致现场事故的频繁发生。目前，我国很多矿井提升机仍然采用传统的交流提升机电控系统（以TKA-A为代表）。TKA控制系统是由继电器逻辑电路、大型空气接触器、测速发电机等组成的有触点控制系统。它的电气线路过于复杂化，系统中间继电器、电气接点、电气连线多，造成提升机因电气故障停车事故不断发生。我国矿井提升系统发生的故障中，80%以上是电气故障。提升机电控系统的技术性能，是矿井提升机发展的整体水平的标志，直接影响矿山生产的效率及安全，提升机电

10、控系统的技术水平是现代化矿井建设的重中之重，已成为考核矿井提升设备性能的重要内容之一。1.2 课题研究的意义我国的矿井提升机，有相当一部分是功率为100KW500KW的电动机驱动的。由于历史的原因，此部分提升机一直是沿用交流绕线转子电动机转子串电阻调速的方式。此种调速方式技术落后，且运行效果很不理想。而大于500KW并且希望获得比较高性能的提升机则大部分采用直流传动的方案，直流电动机由于其结构的复杂，带来的则是运行过程中高昂的维护费用。交流电动机变频调速技术，目前已经非常成熟，且电气控制性能与直流传动方案相当，并有超过直流传动方案的趋势，是在工业控制领域大量采用的技术。可靠性指标已达到非常高的

11、程度。因此，用交流变频器直接驱动鼠笼电动机，应作为矿井提升机电气传动的首选方案。采用具有能量回馈特性的矢量控制型四象限变频器，直接驱动鼠笼电动机形成的电控系统，具有类似或优于直流电动机的优良机械特性，具有接近于1的功率因数和大于95的能量转换效率，节能效果非常显著。不仅使提升工艺过程性能优良，而且使用维护简单，整机效率也大大提高，将是提升机电控系统发展的方向。随着3C技术和半导体电力电子技术的不断发展，现代矿井提升机系统正在向数字化、信息化、网络化和智能化的方向发展。现代化矿井建设对人的生命更加重视，对矿井提升机电控系统的自动化程度和安全可靠性提出了更高的要求。2005年6月国务院关于促进煤炭

12、工业健康发展的若干意见提出加快高产、高效矿井建设，提高煤矿装备现代化、系统自动化、管理信息化水平，淘汰落后的技术装备与工艺，推动煤炭工业科技进步。可见提高电控系统的自动化程度、智能化程度和网络化程度具有重大现实意义和理论意义。自动控制技术、通信技术、网络技术在矿产行业中的应用极大地提高了矿业生产的产量、安全性、企业的自动化和管理水平。另外，作为能源工业尤其是煤炭工业企业构建煤炭企业网对提高其生产效率、效益，增强企业活力具有十分重要的作用。采用当前世界上先进的工业计算机、现场总线和自动化技术，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，研制适合生产需要的网络化矿井提升机电控设备是进

13、行设备改造和新建矿井设备选型的理想选择，也是矿井提升机电控系统实现综合自动化的关键一步，对企业乃至整个矿山行业有着重大影响。1.3 矿井提升机电控系统的国内外发展状况矿井提升机电控系统在一定程度上代表一个国家的传动控制技术水平，它的电气传动及控制装置也一直是各国电气传动界的一个重要研究领域。因此世界各大公司纷纷将新的、成熟的技术应用于提升机电控系统。下面就国内外矿井提升机中的应用情况作一介绍。1.3.1 国外矿井提升机电控系统的发展现状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视和管理。计算机和PLC的应用，使提升机的控制出现了崭新的面貌，其自动化水平、

14、安全、可靠性都达到了一个新的高度。在80年代，晶闸管交-交变频的转差功率不变型调速系统应用在矿井提升机上，开辟了提升机的节能时代。但就自动化程度而言，目前世界上最先进的提升设备电控系统应该是瑞典的北方墓律纳铁矿，1台大型提升设备，由两个人监控即可。集散控制在国外已经普遍应用。可见，矿井提升机的综合自动化和智能化程度己达到很高水平并且正在逐步提高。目前国外提升机控制系统的现状如下： 近几年，国际上矿井提升机正朝着安全可靠，高效益，高自动化和大型、特大型的方向发展。出现了适用于年产7501000万吨的特大型矿井，开采深度已达1900余米，单次提升量达50余吨，提升速度超过25米/秒的提升机。 在交

15、流变频装置中，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。 提升行程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，一些公司生产的提升控制系统采用微机控制提升技术，提升精度已经达到2cm，并且使箕斗（罐笼）提升时可实现无爬行提升，大大提高了提升能力，如SIEMENS， ABB等公司已采用32位微机来构成行程给定器。 提升过程监视：由于近代提升机控制系统的设计特别强调安全可靠性，所以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。提升过程采用微机主要完成如下参数的监视

16、：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。并能够运用先进的预测理论进行故障诊断和预测，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。作为当代工业自动化领域的热点现场总线技术的应用，更为矿业生产的自动化、数字化、网络化提供了技术支持。 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。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，它是安全保护的最重要的环节之一。英、德几家公司都采用两台PC微机构成安全回路，使安全

17、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现故障时都能准确地实施安全制动。1.3.2 国内矿井提升机电控系统的发展现状我国矿井提升设备的发展有近五十年的历史，其总体技术水平有了长足的进步，但和发达国家相比仍有一定差距。主要表现在电机拖动技术、电气控制技术、高压变频技术及提升机系统动力学等方面。目前，国内年产400万吨以上的大型和特大型矿井提升机尚属空白。对大型提升机设备及关键技术进行研究，开发年产400600万吨大型、特大型矿井提升机，成为国家大型矿山的发展需要。因此，国家机械工业“十一五”规划已将年产400600万吨以上煤矿成套设备列入优先支持发展的重大技术装备领域。我国提升

18、电控系统整体上处于中等水平，主要表现在以下几个方面： 行程控制：提升机行程控制的水平还较低，对速度给定以时间给定和机械式行程给定为主，而以计算机为核心的矿井提升机行程监控和保护的还没有得推广。目前，我国大多采用机械给定方式。 传动方面：虽然变频技术很早就有研究了，但是由于我国矿山的固有特点，采用先进的变频技术的提升机并不多，有很大一部分提升机采用绕线式异步电动机转子串电阻调速系统。其缺点是： 调速时，大量的转差电能消耗在回路电阻上，造成能源浪费； 调速性能差，自动化程度不高，控制系统复杂导致故障率高； 启动过程中造成对电网较大的冲击电流，同时产生较大的机械冲击，造成设备使用寿命降低； 安全可靠

19、性差，且维护工作量大、费用高； 机械特性软，启动力矩小，带负载能力差，无法实现恒转矩提升。还有一小部分矿井提升采用直流传动设备。但由于直流电动机结构复杂，付出的代价是高昂的维修费用。 监控方面：自1986年以来，针对制约提升安全的主要环节。陆续增设了解决行程安全的深度指示器、自动减速、限速等安全监测及后备保护设备。初步实现了对提升容器的定点位置监测及几项重要安全保护的监控，使提升安全状况有所改善；由于计算机技术的发展和智能仪器的发展以及各种组态软件的开发，监控系统的人机界面越来越友好。近几年一些大的矿井提升机生产企业都开发了矿井提升系统专用计算机软件。 安全回路：安全保护、闭锁及监测系统不够完

20、善。但由于计算机技术的引进，使提升机的安全保护系统得到了一定程度的改善。目前我国对老式矿井的落后现状采取信息化和自动化的改造政策，如中国神华集团神府东胜煤炭有限责任公司所属的大柳塔矿，2000年通过综合自动化改造，将信息技术、高新科技应用到矿井的生产和管理中，改造后，在生产规模、机械化、自动化程度上跃居国内领先水平。总的来说，国家出台的一系列有关煤矿发展的政策确保了煤矿生产的高速发展，先进的控制设备和控制策略也正在逐步应用，我国的矿井提升机电控系统的建设已经开始踏上网络化、智能化、自动化和数字化之路。1.4 课题的设计目标本设计从解决实际矿井提升系统存在的问题出发， 在分析了国内外矿井提升机电

21、控系统的现状、变频技术和PLC技术特性的前提下，以实用、经济、高效、可靠作为提升机系统的设计目标，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，寻求适合提升机运行工艺的方案。本文以三菱FX2N可编程控制器为核心，采用合康亿盛HIVERT-YVF高压变频调速装置为调速设备设计提升机电控系统，其中重点设计PLC对提升机行程的监控以及安全保护功能，主要内容如下： 系统采用三菱FX2N可编程控制器，以行程控制、速度控制以及安全回路为核心，按照GB 20181-2006 矿井提升机和矿用提升绞车安全要求、JB 8516-1997矿井提升机和矿用提升绞车安全要求、JBT4263-2

22、000交流传动矿井提升机电控设备技术条件三个标准，对提升机进行必要的安全连锁。 整套系统采用三套轴编码器，其中两套安装于高速轴的轴编码器实现数字化的行程、速度和保护给定；另外一套用于主令控制器，形成数字化的主令，用于电机的调速控制。 将工业显示屏应用于提升机电控系统，显示提升机的各种静、动态参数。采用GP2500型液晶显示屏，它的存储容量大，具有多种数据接口及工业以太网接口，可以将所有画面上传至以太网，并且可完全取代上位机，和上位监控系统构成双冗余监控，极大提高了系统安全可靠性。 采用具有正弦波特性、功率容量足够大的不间断电源UPS为控制回路供电。 变频装置选用HIVERT-YVF系列高压变频

23、设备，主电路开关元件为IGBT。其产品采用功率单元串联，叠波升压，充分利用常压变频器的成熟技术，具有很高的可靠性。2 提升电控系统概述2.1 矿井提升机工作原理及机械结构矿井提升机是连接矿井井下和地面的工作机械，是一种大型绞车。用钢丝绳带动容器（罐笼或箕斗）在井筒中升降，完成输送物料和人员的任务。矿井提升机是由原始的提水工具逐步发展演变而来。现代的矿井提升机提升量大，速度高，已发展成为电子计算机控制的全自动重型矿山机械。图2-1-1摩擦式矿井提升机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。按钢丝绳的提升方式分

24、为缠绕式矿井提升机和摩擦式矿井提升机。缠绕式矿井提升机有单卷筒和双卷筒两种，钢丝绳在卷筒上的缠绕方式与一般绞车类似。单筒大多只有一根钢丝绳，连接一个容器。双筒的每个卷筒各配一根钢丝绳，连接两个容器，运转时一个容器上升，另一个容器下降。缠绕式矿井提升机大多用于年产量在120万吨以下、井深小于400米的矿井中。摩擦式矿井提升机的提升绳搭挂在摩擦轮上，利用与摩擦轮衬垫的摩擦力使容器上升，提升绳的两端各连接一个容器，或一端连接容器另一端连接平衡重。摩擦式矿井提升机根据布置方式分为塔式摩擦式矿井提升机（机房设在井筒顶部塔架上）和落地摩擦式矿井提升机（机房直接设在地面上）两种。按提升绳的数量又分为单绳摩擦

25、式矿井提升机和多绳摩擦式矿井提升机。后者的优点是：可采用较细的钢丝绳和直径较小的摩擦轮，从而机组尺寸小，便于制造；速度高、提升能力大、安全性好。年产120万吨以上、井深小于2100米的竖井大多采用这种提升机。如图2-1-2所示，这是一种落地摩擦式主矿井提升机。起始时，箕斗处在上限位位置，当开车信号发出后，电机反转，箕斗下降至下限位后停车，同时箕斗上阀门打开，装料装置向箕斗中装煤；装满煤后电机正转，提升机上升，提升至上限位位置时停车，箕斗下阀门打开，通过卸料装置将煤存放在煤仓中。平衡重用于保持箕斗与提升绳另一端的对重平衡，使箕斗平稳运行。图2-1-2 落地摩擦式矿井提升机2.2 提升设备对电控系

26、统的要求2.2.1提升设备对电控系统的安全要求根据JBT4263-2000交流传动矿井提升机电控设备技术条件在如下情况时，电控系统应具有可靠的安全制动并发出事故报警。 提升容器过卷时，应能防止将电动机过卷方向电路接通的误操作; 当提升机速度超过规定的额定速度的115%时; 闸瓦磨损超过允许值时； 提升电动机过流或失压时; 深度指示器失灵时； 制动油压过压时; 测速回路故障时; 控制线路短路或失压时; 单绳提升机，当钢丝绳松驰超过规定值时； 当司机脚踏紧急停车开关时。2.2.2提升设备对电控系统的性能要求对于单水平提升系统，在每次提升循环中，容器的上升或下降的运动距离是相同的；对于多水平提升系统

27、，每次提升循环中，容器的运动距离不一定相同。但无论哪种情况，提升机在工作过程中都有固定的循环运行方式，即按照一定的速度图进行运转。根据提升机的运行方式和矿山企业的固有特点，综合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: 能够四象限运行。只有这样，提升机才能根据负载变化及工作需要，按给定速度图自动地工作在正向或反向、电动或制动等工作状态。 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。 具有良好的调速性能。要求速度平稳，调速方便，调速范围大，调速方便，能满足各种运行方式及提升阶段(如加速、减速、等

28、速、爬行等)稳定运行的要求。 操作方式转换容易。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。 要设置准确可靠的速度给定装置，以实现加、减速时的平稳运行。 要设置完善的故障监视、安全联锁、信号报警及闸控电路，确保系统安全运行。 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。 采用新技术和节能设备。要易于实现自动化控制和提高整个系统的工作效率，并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 提升机的电气传动提升机的电气传

29、动方案大体上可分为四类： 绕线型转子异步电动机转子回路串电阻调速系统这是矿井提升机电气传动发展的第一阶段，时间大约在20世纪50年代至60年代初期。采用这种方案，电动机的转速调节是靠改变转子回路串联的附加电阻来实现的。这种方案为有级调速，调速时能耗大。属转子功率消耗型调速方案。为在低同步状态下产生制动转矩，需采用动力制动或低频制动方案，应设置辅助电源和定子绕组的二次切换操作装置。这种系统结构简单、价格低廉，坚固耐用、维护方便，在我国中、小型矿山企业应用较为普遍。缺点是调速性能差、运动效率低、运行状态切换死区大、调速不平滑等。 发电机-电动机直流调速系统此方案亦属于矿井提升机电气传动发展的第一阶

30、段，20世纪60年代前的大型矿井提升机基本上都采用这种方案，该方案的特点是主提升电动机由专设的直流发电机单独供电，通过调节直流发电机的励磁大小来改变直流电动机电枢两端的电压，属于调压调速系统。采用该方案可实现无级调速，电动状态与制动状态的切换快速平滑，能很好地满足四象限平滑调速的要求。由于引入了速度闭环控制，故可达到较高的调速精度，同时，这种系统启动时的无功冲击小，功率因数高。缺点是运行效率低、占地面积大、噪声大、维护工作量大、维护费用高等。 晶闸管变流装置供电的直流调速系统20世纪60年代初到70年代，伴随着电力电子技术的飞速发展，晶闸管变流装置供电的直流可逆调速系统得到迅速发展和普及，这是

31、矿井提升机电气传动发展的第二阶段。为获得可逆运行特性，以实现四象限运行和调速，这种系统通常有两种控制方案：电枢换向的可逆调速系统和磁场换向的可逆调速系统。在电枢换向的可逆调速系统中，励磁电流的大小和方向是恒定的，电动机转矩的大小和方向靠改变电枢变流器输出电流的大小和方向来实现。其特点是转矩反向快，但需设置正、反向两组电枢整流器，造价相对较高。在磁场换向的可逆调速系统中，电枢电流的方向是不变的，转矩极性的改变是靠改变励磁电流的方向来实现的。其特点是转矩的反向过程，即励磁电流的反向过程较长。为了缩短反向过程的时间需采取强励措施，但优点是直流主回路只需设置一组整流器，造价相对较低。由于矿井提升机对快

32、速性的要求不算太高，所以在容量较大时，为减少投资，往往采用磁场换向的可逆调速方案。与发电机-电动机直流调速方案相比，晶闸管变流装置供电的直流调速系统具有效率高、噪声小、调速范围大、快速性好等优点；但这种系统存在元件过载能力差、功率因数低、有冲击性无功功率等缺点。 交-交变频交流调速系统交-交变频交流调速系统于20世纪80年代开始应用于矿井提升机，这是提升机电气传动发展的第三阶段。这种方案是将三相交流电源从固定的电压和频率直接变换成电压和频率可调的三相交流电源，而实现交流电动机的变频调速。它的最大优点是只进行一次能量变换，所以效率较高。交-交变频器由三组可逆整流器组成，其三相移相信号为一组频率与

33、幅值可调的三相正弦信号，因此结构较为复杂。这种方案调速的实质是根据负载转矩的变化，控制主提升电动机的转矩，而交流电动机的转矩决定了定、转子磁通势矢量的大小与相对位置。按照控制变量的不同，这种系统一般分为电压控制型和电流控制型两类，这两类控制方式各有许多优点，但共同的缺点是动态控制性能较差。为了改善动态性能，可采用对交流电动机的定子电压与电流实行磁通方向的矢量变换控制。在本系统中采用交交变频调速，方便的实现四象限控制，并且可以获得较大的调速范围，节省能源。2.4 提升机变频电控的组成变频提升机电控系统适用于地面或井下非防爆场合中50KW5000KW，用鼠笼式电动机拖动的各种型号提升机。变频电控系

34、统主要由智能型变频主控台、变频调速柜、高压开关柜、轴编码器、制动润滑泵站和各外部控制端子构成，如图2-4所示。轴编码器图2-4 矿井提升机变频电控系统 智能型变频主控台（BPDK- ZKT）主控台是变频电控系统的控制中心。该设备采用操作台式结构，除位置、速度、温度、压力、电流等必要的信号采集传感器和终端执行设备外，所有控制回路都装到操作台中。司机可操作主控台上的开关及按钮来控制提升机运行，并通过指示灯和人机界面及时了解提升机的运行状态及运行参数。此人机界面采用GP2500型液晶彩色显示屏，可显示提升机的运行状态、运行参数及各种控制元器件的工作情况，具有上位监控功能。主控台采用技术先进、性能可靠

35、的可编程控制器，按安全回路双线制的设计原则，配以多种检测控制组件完成了提升机运行过程中应有的逻辑控制、时间和速度控制，具有按行程的速度给定、PID速度闭环控制以及上述各种情况下的安全保护。具有逻辑编程简单、安全保护可靠、状态显示齐全、语言报警等功能，并能实现与调度室计算机的联网，提高了矿井管理水平的现代化。 变频调速柜（BPDK-BPG）变频调速柜是该系统的调速设备，由北京合康亿盛科技有限公司HIVERT-YVF系列全数字、矢量控制型变频调速装置及其它必要的电器组成，用于向鼠笼式交流电机供电，构成高性能、数字化的变频调速系统。它将50Hz工频变成050Hz连续可调的变频电源，以满足矿井提升机工

36、艺要求，同时完成提升机运行参数的调节，其设置与保护为： 采用优化SPWM控制技术，改善电流波形减轻负载运转颤动； 具有静音控制特性，能有效降低电动机发热造成的能源损耗； 具有PID闭环控制功能； 具有瞬时停电再启动，多段速度设定，跳跃频率设定，S曲线加减速及速度反馈控制； 保护功能齐全，具有完善的软、硬件保护功能，如过热、电流短路、接地、过压、欠压、电动机过载、电涌保护、主器件自保护等。 高压开关柜（BPDK-KGG）高压开关柜用于提升机6KV的配电，在系统中起通断、控制或保护等作用。主要包括高压断路器、高压隔离开关与接地开关、高压负荷开关等部分。是高压变频矿井提升系统的重要组成部分，占有非常

37、重要的地位。 轴编码器（TDR-J360-RE）轴编码器连接在高速轴上，用于检测电机转速，通过PLC实现PID回路控制，保证电机稳定运行；用于行程检测，通过PLC处理，实现减速点测量和提升机位置显示。 制动泵站(BPDK-ZKBZ)制动液压泵站是液压制动器的驱动和控制设备，与液压盘型制动器、液压弹簧闸等液压制动器配套使用，根据主机对制动系统的要求，实现松闸、合闸，并控制松闸、合闸的快慢和制动力的大小。与矿用提升机系统配合，实现诸如紧急制动、二级制动等不同制动模式；力求用最可靠、最简单的元件实现不同的制动模式，减少故障率，减小维护工作量，降低配件消耗；设有双泵双电机，一套工作，一套备用，在其中一

38、套出现故障的情况下，不影响主机的正常运行。2.5 变频调速系统的优越性目前，矿用提升机普遍使用交流绕线式电动机转子串电阻调速控制系统，提升机在减速和爬行阶段的速度控制性能较差，特别是负载变动时很难实现恒减速控制，经常会造成过放和过卷事故。提升机频繁的起动和制动工作过程会使转子串电阻调速产生相当严重的能耗，且转子串电阻调速控制电路复杂。这种转子串电阻调速属于有级调速，低速转矩小，转差功率大，起动电流和换档电流冲击大；中高速运行振动大，制动不安全，对再生能量处理不力。提升机运行中调速不连续，接触器、电阻器、绕线电动机电刷等容易损坏，故障率高，影响生产效益，特别是在煤矿生产中不能实现防爆要求。相比串

39、电阻调速系统的问题，变频器在提升机调速系统体现了其良好的性能。变频器的调速控制可以实现提升机的恒加速和恒减速控制，能很好的防止提升机过卷和过放事故发生。变频器的调速还可以实现电动机的软起动，节省了转子串电阻造成的能耗，具有十分明显的节能效果。变频器调速控制电路简单，克服了接触器、电阻器、绕线电动机电刷等容易损坏的缺点，降低了故障和事故的发生。3 PLC在矿井提升系统中的应用老式的矿井提升机控制系统是由继电器逻辑电路、大型空气接触器、测速发电机等组成的有触点控制系统，其系统可靠性差、控制精度低，而且硬件接线繁杂、故障率高。本次设计采用可编程序控制器( PLC) 着重解决以上问题，取代传统的继电器

40、逻辑控制回路，使原系统中大量的时间继电器、中间继电器和计数器等硬件由软件来实现，在大大减小体积的同时，更提高了系统的控制精度和可靠性，降低故障率。3.1 PLC 作为控制核心的优越性PLC是以微处理器为核心，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置，具有结构简单、性能优越、可靠性高、灵活通用、易于编程、使用方便等优点，近年来在工业自动控制、机电一体化、改造传统产业等方面得到了广泛应用。由于控制对象的复杂性，使用环境的特殊性和运行工作的连续长期性，使得PLC在设计、结构上具有许多其他控制器无法相比的特点。1 可靠性和抗干扰能力强PLC为了满足在工业环境下的

41、要求，采取了如下硬件和软件措施：第一，采用光电耦合隔离RC滤波器，有效防止了干扰信号的进入。第二，内部采用电磁屏蔽，防止辐射干扰。第三，采用优良的开关电源，防止电源线引入的干扰。第四，具有良好的自诊断功能，可以对CPU等内部电路机型检测，一旦出错，立即报警。第五，对程序及有关数据用电池供电进行后备，一旦断电或停止运行，有关状态及信息不会丢失。第六，采用的器件都进行了严格的筛选，排除因器件问题而造成的故障。第七，采用了冗余技术进一步增强了可靠性。2 安装简便且维护工作量小PLC一般不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端子相连，系统便可投入

42、运行，安装接线工作量比继电器控制系统少得多。由于PLC本身故障率很低，又有完善的自诊断功能和显示功能，一旦发生故障时，可以根据PLC上的发光二极管或编程器提供信息，迅速查明原因。如果PLC本身故障，则可用更换模块的方法排除故障。这样提高了维护的工作效率，保证了生产的正常运行。3 通用性强且使用方便PLC产品已系列化和模块化，其配备的各种I/O模块和配套部件，可供用户选择使用，可以很方便地组合成能满足不同控制要求的控制系统。用户不需要自己设计和制作硬件装置。4 先进的模块化结构使系统组合灵活方便PLC的各个部件，包括CPU、电源、I/O等均采用模块化设计，由机架和电缆将各模块连接进来。系统的功能

43、和规模可根据用户的实际要求自行组合，这样便可实现用户要求的合理的性能价格比。5 对生产工艺改变的适用性强PLC实质是一种工业控制计算机，其控制操作的功能是通过软件编程来确定的。当生产工艺发生变化时，不必改变PLC的硬件设备，只需改变PLC的程序。3.2 由PLC组成的提升控制系统功能变频电控系统的PLC控制系统见图3-2。图3-2 PLC控制系统 安装在提升机上的轴编码器与容器提升速度、容器提升位置成正比，用于提升机速度与行程的采集与显示，并可作为速度闭环控制的反馈量。 控制功能：根据提升机起动、等速运行、减速、停车、换向及安全保护的设计要求，改变相应电控系统的工作状态，实现必要的电气联锁和保

44、护功能。 保护及联锁功能：安全制动时，配合液压站安全阀使提升机实现一级或二级制动：同时变频器进入回馈制动状态，工作闸继电器及制动油泵等控制回路断电，使制动油压降为零。 任何情况下，只有司机接到开车信号后，才能提升运行。 当提升过程中发生润滑油压力过高、过低，润滑油滤油器或液压站滤油器堵塞或油温过高时，显示屏上有相应的故障显示，点亮相应信息灯，告知司机可以完成本次提升工作，当故障接触后才允许司机进行下一次提升工作。 当提升基因发生故障在中途停车，而提升容器位于减速段行程内时，排除故障后允许司机按上次开车方向选择开车，并且只能低速开车；若提升容器不在减速行程内，由井口发出开车信号，允许司机高速开车

45、。 全矿停电时，由PLC保证提升机能实现二级制动，并做好提升的后备保护。4 提升机主控系统硬件设计4.1 主控台的组成主控系统主要由三菱FX2N系列PLC、显示器、开关、按钮、主令控制器、报警器、指示灯、接触器、电磁阀等部件构成。如图4-1所示。指示灯数字显示蜂鸣器显示器输 输入 PLC 出端 端行程开关压力传感器温度传感器速度传感器执行元件接触器电磁阀离合器主令控制器手闸控制器开关按钮图4-1 提升机主控台系统框图在本系统中使用了三菱FX2N-64MT作为主控机，保证系统工作可靠、安全；采用特殊模块FX2N-4AD用于将检测制动油压、润滑油压、电机电流转换为数字量，进行显示、保护；FX2N-

46、4DA将数字量转换为模拟量对电机进行调速控制。具体配置如表4-1所示。 表4-1 主控台PLC模块组成序号名称类型规格数量1通讯模块FX2N-485DB12接口模块FX2N-64MT13AD转换模块FX2N-4AD14DA转换模块FX2N-4DA14.2 电控系统系统功能设计电控系统主要实现以下三大功能：控制提升机稳定运行；监视提升机的运行状态，自动采取相应措施;自动检测故障，并发出声光报警；本系统设定三种工作模式，分别是全自动模式、半自动模式和手动模式。全自动模式。司机在看到允许开车信号以后，按下开车按钮，由主控系统自动判断开车方向，自动实现提升机开车、加速、等速、减速、停车的全过程，监视提

47、升机运行过程中的安全状况，发现问题自动采取相应措施，完全不用司机参与控制的工作模式。在所有设备、仪器仪表工作状态正常，对提升机运行速度没有特殊要求，一般采用这种工作方式。半自动模式。由司机通过操作手柄控制提升机运行的方向、速度和停车，由主控系统实现自动减速控制，监视提升机运行过程中的安全状况，发现问题自动采取相应对策的工作模式。在对提升机运行速度有特殊要求、或者某些设备、仪器仪表工作状态不正常而没有投入时，一般采取这种工作模式。手动模式。司机控制提升机运行的方向，完全控制提升机开车、加速、等速、减速、停车的全过程，并负责监视提升机运行过程中的安全状况，发现问题由司机采取相应对策的工作模式。在主

48、控系统PLC部分被切除（PLC部分发生故障、或者因某些重要设备、仪器仪表工作状态不正常而导致PLC禁止开车）时，一般采用这种工作模式。4.3 电控系统安全保护设计提升机运行的安全问题，是提升机电控系统首先要考虑的，在本系统中设计了由PLC主控系统、上位机监控系统等实施的多重监视保护措施。其中，主控系统的保护是最全面、最可靠的。在提升机运行过程中，主控系统在检测到故障后，会根据故障采取不同措施进行处理，包括进行安全制动、一级制动、二级制动、故障指示灯提示等。行程检测行程是电控系统进行容器位置、速度计算以及下达减速、停车命令最基础的数据。容器行程、速度出现问题，将直接影响提升机运行的安全。本系统采

49、将两套高速轴编码器安装在提升机的高速轴上，实现了数字化的行程、速度和保护给定，将数字信号传送到主控PLC和变频柜控制器上，用来测量提升机的行程和速度，具有很高的测量精度；同时两个轴编码器互相独立，相互监视，一旦出现问题，立即安全制动。提升机运行状态参数监测对提升容器运行过程中的参数进行检测，发现问题后，根据情况采取不同措施进行处理，这些监测包括：超速，提升容器在速度曲线的等速段高速运行时，提升容器的最大运行速度超过设计规定值。本设计设定提升机的最大速度是3.6m/s，一旦检测出提升容器最大运行速度超过3.6m/s的115时%，为确保人员或物料的安全，采取二级制动。过速，在提升容器进入速度曲线的

50、减速阶段或者爬行阶段，以超过设定值速度15%的速度向井口（井底）运行，视为过速，应采取一级制动。正、反向过卷，提升容器运行超过上、下井口位置0.5米为正、反向过卷，应采取一级制动。松绳，提升机运行过程中，钢丝绳在松弛状态下突然受力而产生的事故，应采取一级制动。错向操作，当开车方向与打点信号方向不同时，属错向操作。这可能是司机操作失误，也可能是某种特殊情况的要求，这时将以声光报警的形式提示司机，由司机决定如何操作。设备、仪器仪表检测与提升机运行相关的设备、仪器仪表很多，主控系统不断检测它们的工作状况，一旦发生故障，根据故障严重程度分别采取相应措施。采取安全制动。即安全回路动作，并切断电路，这是针

51、对最严重的故障采取的措施。这是不管箕斗（罐笼）在什么位置，速度有多大，都将立即被迫停止运动。要全抱闸的情况有：润滑油泵故障、主回路过压、变频柜故障等。采取一级制动。即立即制动，并对电机抱闸，使箕斗（罐笼）快速停止。采取一级制动的情况有：过卷、减速段过速、等速段超速、松绳、制动油过压等。采取二级制动。即系统自动降低速度，然后再施闸停车。采取二级制动的情况有：制动油故障、闸磨损等。限制一次开车。即本次提升机运行到结束点亮故障指示灯，下次排除故障、按下故障消除按钮后再开车。要采取一级制动的情况有：润滑油超温、制动油超温等。4.4 变频设备4.4.1变频柜在提升电控系统中的功能本系统采用的合康亿盛HI

52、VERT-YVF型高压变频柜，接口电路实现了变频器与控制系统的连接，包括正、反转控制、多段速、停车和速度调节。 正、反转主令控制器给出“正转”或“反转”命令后，如果没有给出“松闸”信号，变频器会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。在给出“松闸”信号后，变频器开始运行。制动油泵开启后，若不小心松开制动闸触动“松闸”行程开关，变频器接收到“松闸”信号，同时在电机上施加直流制动转矩，确保重车不下滑。当重车在井筒中间停车时，变频器由高速至停机后，随之施加直流制动转矩使电机停止转动，当机械制动起作用后，方去掉直流制动，使重车靠机械抱闸的作用停止。 多速段变频器内部预置了三个速度段，

53、分别对应于变频器运行频率15Hz、25Hz、35Hz，以适应控制系统对提升机不同运转速度的要求。各速度段对应频率可以分别设置，以满足各种工况运行需要。 自动减速变频器接收到系统给出的减速信号后，启动机内的减速程序，按照设定要求将提升机的运行速度逐渐降低。 紧急停车变频器提供了紧急停车信号输入端子，急停信号动作后，变频器立即停止输出，电机处于自由运转状态，然后依靠机械制动装置停车。4.4.2变频装置的基本原理1 控制原理HIVERT-YVF采用转子带速度反馈的矢量控制技术。在转子磁场的定位坐标下电机定子电流分解成励磁电流与转矩电流。维持励磁电流不变，控制转矩电流也就是控制电机转矩。电机转速采用闭环控制。实际运用中给定转速与实际转速的差值通过PID调节生成转矩电流It 。经过矢量变换将It、Im变换为电机三相给定电流Ia*、Ib*、Ic*，他们与电机运行电流相比较生成三相驱动信号。图4-4-2-1 控制原理 主电路HIVERT-YVF系列高压变频器采用交-直-交直接高压（高-高）方式，主电路开关元件为IGBT。HIV