电大论文矿山机电专业专科毕业论文

1、学海无涯苦作舟!网络与继续教育学院毕业论文论文题目：PLC矿井提升机变频调速控制系统设计学校：武汉理工大学层次：专科专 业：矿山机电摘要矿井提升机是矿山最重要的设备，是沟通矿井上下的纽带。矿井提升机的可靠 运行直接关系到煤矿生产的安全，矿井提升机电控系统的可靠性和准确性是矿井提 升和安全运输的重要保证。当前国内矿井提升机主要还是以转子回路用电阻分段控 制的交流绕线式电机继电器一一接触器为控制系统，但是该系统的设备陈旧、技术 落后，已不能满足煤矿的生产及安全需要。为了提高提升系统的安全性，本文以安 全、可靠、高效、经济为出发点，对矿井提升机电控系统中转子电路用电阻调速部 分进行改造研究，把可编程

2、序控制器（PLC）和变频器应用于提升机控制系统上， 由可编程控制器（PLC）控制变频器进行变频调速系统的设计。采用 PLC控制系统, 减少了硬件和控制线和传统继电器接触式控制系统的中间环节，极大提高了系统的稳定性，可靠性。在故障保护上采用软硬件相结合，电气拖动单元采用矢量控制变 频调速方案。PLC控制矿井提升变频调速系统是运用高科技的新型电控系统，其克 服了传统电控系统的缺陷，而且对提升机控制过程实现了程序化、 数字化、自动化; 其控制精度高，对速度、行程等重要参数及提升状态进行监控。关键词：矿井提升机；PLC控制技术；变频器AbstractThe shaft hoist is the for

3、emost equipment of mines,mine is the communication link from top to bottom. The reliable operation of the mine hoist directly related to the coal mine safety, mine hoist control system reliability and accuracy is mine, and the importance of ensuring the safe transport. Currently, China mainly for mi

4、ne hoist series resistance of rotor circuit in the exchange of sub-wound motor control relay - contactor to control the system, but the system obsolete equipment and backward technology can not meet the needs of coal production and safety . In order to enhance the system to improve security, this sa

5、fe, reliable, efficient and economic as the starting point of the mine hoist control system, part of the rotor circuit series resistance to reform of speed, the programmable logic controller (PLC) and the inverter elevator control system used by the programmable logic controller (PLC) control invert

6、er frequency control system. By PLC system, reducing hardware and control lines and traditional relay contact control system in the middle part, greatly improving system stability and reliability. Adopted in the fault protection software and hardware combination, electric drag unit is Vector Control

7、 program.Frequency Mine PLC control system is the use of high technology in the new electronic control system and its electronic control system to overcome the traditional shortcomings of the control process but also to enhance the machine to achieve a programmed, digital, automatic; its high contro

8、l precision, on the speed , itinerary and other important parameters to monitor and improve the state.Key words： mine hoist; PLC electric control techonlogy; frequency transformer目录1绪论 11.1 课题研究的意义及现状 11.2 本文设计的内容和思想 22矿井提升机的控制系统分析 22.1 矿井提升机的简介 22.2 异步电动机的工作原理 32.3 提升机对电控系统的要求 43提升机调速控制系统设计 93.1 提升

9、机调速控制方案选择 93.2 异步电动机变频调速原理 113.3 控制系统总体方案设计 144PLC设计原理及选型 164.1 PLC的简介 164.1.1 PLC的特点和设计原则 164.1.2 PLC的组成和工作原理 164.2 PLC在调速中的应用 184.3 控制系统I/O点数确定 184.4 PLC的选型 205变频器设计原理及选型 205.1 变频器的构成及原理 205.1.1 变频器的构成 205.1.2 变频器的工作原理 215.1.3 变频器选型 226PLC控制变频调速系统设计 246.1 系统的特点 246.2 PLC控制速度曲线优化 256.2.1 S形速度曲线的优点

10、256.2.2 S形速度曲线的实现 256.3 控制系统硬件设计 286.3.1 PLC控制电路设计 296.3.2 变频器主电路设计 316.3.3 旋转编码器的安装 326.3.4 A/D 和D/A模块的选择 326.3.5 PLC接线图和接线表 326.4 控制系统的软件设计 347总结与展望 41致谢 42参考文献 431绪论1.1 课题研究的意义及现状在我国的能源工业中，煤矿占我国一次能源生产和消费结构中的70流右，预计煤矿在相当长的时期内仍将是我国的主要能源。为此，必须加强煤矿的安 全生产，确保煤炭工业持续、稳定、健康发展。而提升机在煤矿中属于咽喉部 位，广泛应用于煤炭矿山的竖井、

11、斜井，试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、肝石、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。提升机的电力传动特性复杂，电动机频繁正反转向， 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 的安全性与可靠性是至关重要的。主井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。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。传统矿井提升机调速性能较差，在启停车、制动、逻辑控制等方面存在诸 多安全问题，它的电气线路过于复杂化，系统中间继电器、

12、电气接点、电气联 线多，造成提升机因电气故障停车事故不断发生。随着计算机和 PLCJ术的不断 发展，采用先进的控制技术改造传统矿山行业的传统控制系统，从而使矿井提 升机的控制性能得到极大的改善，其自动化水平、安全、可靠性都达到了新的 高度，并采用现代化的管理和监视手段保障提升机的安全运行。而采用PLC技术的新型电控系统都已较成功的应用于矿井提升实践，并取得了较好的运行经 验，克服了传统电控系统的缺陷，代表着交流矿井提升机电控技术发展的趋势。 因此，研制并制造既安全可靠又节省能源的提升机电控系统是煤矿安全生产的 一项重要课题。国内各大煤矿的矿井提升机系统的调速方案大多采用继电器一一接触器控 制的

13、转子用电阻的交流调速。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。本文的提升机电控系统控 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。本文从解决实际矿井提升机电控系统存在的问 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。1.2 本文设计的内容和思想本文的设计主要是针对当前矿井提升机电控系统的提升故障多，安全系数 低等原因，而对其进行改造设计；以安全、经济、高效等为出发点

14、，将转子回 路用电阻绕线式调速方式进行基于 PLC控制变频器的变频调速系统改造设计。 本文的设计思想是引用国内外高科技来设计矿井提升机电控系统，以达到现代 煤矿以安全可靠性、高效率生产等为原则的新型控制系统的要求。本文不仅有理论的探讨，而且包括原理分析、硬件设计、硬件选择、软件 设计、软件编程等步骤。设计中采用先进的 PLC控制变频调速系统来提高提升 系统的安全可靠性，利用S行曲线速度给定来实现提升机速度的平滑变化，并 提高其舒适性。本文第一章为绪论，整体描述矿井提升系统的设计目的、国内外现状等。 第二章对矿井提升机的控制系统进行总体分析。第三章对系统总体方案的选择 和总体设计。第四章和第五章

15、分别介绍系统硬件 PLCft变频器的选型及其原理, 第六章具体分析PLC控制变频调速系统，包括原理、功能、程序流程图等控制 系统各部分内容。2矿井提升机的控制系统分析2.1 矿井提升机的简介矿井提升机英文名称为mine hoist ,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。按提升钢丝纯的工作原理分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，

16、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纯搭挂在摩擦轮上，利用与摩擦轮衬垫的摩擦力使容 器上升。提升纯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。按提升纯 的数量又分为单纯摩擦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。2.2 异步电动机的工作原理本文主要是对矿井提升机的调速系

17、统进行设计，本文设计的是基于PLC控制提升机变频调速系统，而变频器的控制对象即为三相异步电动机，所以很有 必要对异步电动机的工作原理进行介绍。感应电机是利用电磁感应原理，通过定子的三相电流产生旋转磁场，并与 转子绕组中的感应电流相互作用产生电磁转矩，以进行能量转换。正常情况下，感应电机的转子转速总是略低或略高于旋转磁场的转速（同步转速ns）,因此感应电机又称“异步电机”。旋转磁场的转速ns与转子转速n之差称为转差，转差 n与同步转速ns的比值称为转差率，用s表示，即s= （ns-n） /ns。转差率是 表征感应电机运行状态和特性的一个基本变量。不难看出，当转子转速n=0时,转差率s=1;当转子

18、为同步转速时，s=0o当感应电机的负载发生变化时，转子 的转速和转差率将随之变化，使转子导体中的电动势、电流和电磁转矩发生相 应的变化，以适应负载的需要。当向三相定子绕组中通入对称的三相交流电时，就产生了一个以同步转速 ns沿定子和转子内圆空间作顺时针方向旋转的旋转磁场。由于旋转磁场以ns转速旋转，转子导体开始时是静止的，故转子导体将切割定子旋转磁场而产生感 应电动势（感应电动势的方向用右手定则判定）。由于转子导体两端被短路环短 接，在感应电动势的作用下，转子导体中将产生与感应电动势方向基本一致的 感生电流。转子的载流导体在定子磁场中受到电磁力的作用（力的方向用左手 定则判定）。电磁力对转子轴

19、产生电磁转矩，驱动转子沿着旋转磁场方向旋转。通过上述分析可以总结出电动机工作原理为： 当电动机的三相定子绕组（各 相差120度电角度），通入三相对称交流电后，将产生一个旋转磁场，该旋转磁 场切割转子绕组，从而在转子绕组中产生感应电流（转子绕组是闭合通路），载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力，从而在电机转轴上形成电 磁转矩，驱动电动机旋转，并且电机旋转方向与旋转磁场方向相同。2.3 提升机对电控系统的要求矿井提升机在矿井生产中起着至关重要的作用，其是否安全运行直接关系 到生命安全和生产效率，因此，对提升机运行要进行严格的要求。(1)具有良好的调速性能。要求速度平稳，调速方便，调速范围

20、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)稳定运行的要求以下 为提升机运行时的要求。(2)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。(3)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)(4)工作方式转换容易。要能够方便地进行自动、半自动、手动、验纯、调 纯等工作方式的转换，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。(5)尽量采用新

21、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。(6)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。(7)要尽量节约投资和降低运转费用。提升机控制系统方案的选用应满足生产工艺的要求度图和力图。所以需要 先来分析提升机电控系统的静、动态特性。提升机的电气传动系统的给定速度v=f(t)如图2 1所示，根据动力学方程 式Td -丁”上一(2-1)375式中Te 电动机电动力矩；T1 传动系统白飞轮力矩，Tn =4gJ,其中J为转动惯量(kg *m2 ) ,g为重力加速度(m/s2) ; Td传动系统的动态转矩(N，m) ； 8加速度。可以得出按给定速度图所需转矩 Te = f

22、 (t)的特性，从而可以得到拖动系统所需白力F = f(t),如图2 1所示提升机的负载静力Fl ,决定于提升机辗筒承受的静张力差，在平衡提升系 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），对辗筒必须施加机械闸。从图2-1可以看出，要使提升机按照给定的速度图运行，电动力矩有可能为 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。

23、图2-2表示出了平衡提升系统的四种不同的运行状态。（速度）v（时间）d3图2-1提升机传动系统给定速度图、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2-2 （a）所示。在加速度工-dn0(Fl0)375 dt(2-2)其中Fdi为加速力矩与等速力矩之差加速力矩为:Fi =Fl Fdi>0(2-3)在等速段，等速力矩为：F2 = FL >0(2-4)在减速段，Fd3M0,但Fd<Fl,所以减速段力矩为:F3 =FlFd3 0(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 A0(2-6)根据此力图可知，电动机在各

24、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 2(b)所示:在加速段,加速度力矩Fl = Fl Fdi 0(2-7)在等速段,等速度力矩F2 = F10(2-8)在减速段,减速度力矩Fd30,但Fd3 >Fl，所以F3 = Fl +Fd3:二 0(2-9)在爬行段F4 ; Fl0(2-10)(a)重物上提，静载量较大(Fd3 ：二 Fl)(Fd3 Fl)(c)重物下放，静载量较小(FdiFl)(Fdi :二 Fl)图2-2在不同负载下给定的速度图和力图根据力图可知，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

25、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(Fdi >Fl)。其给定速度图与力图如图22(c)所示。在加速段Fdi >0, Fl <0,Fdi > Fl(2-11)Fl =FlFdi0(2-12)在等速段在减速段F2 = Fi0(2-13)Fd3 = Fl +Fd3 <0, Fd3 <0(2-14)在爬行段F4=Fl；0(2-15)根据力图可知，电动机在加速阶段，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 屋

26、)其给定的速度图和力图如图2-2(d)所示。在加速阶段为:Fd1 <0, Fl <QFd1 > Fl(2-16)F1 =Fl Fd1 ：二0(2-17)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。3提升机调速控制系统设计3.1提升机调速控制方案选择目前，国内各个矿井的电气调速系统主要有以下几种方案：转子电路用电 阻的交流调速系统、直流发电机和直流电动机组成的G-M直流调速系统、品闸管整流装置供电的

27、V-M直流可逆调速系统和交流电动机的变频调速系统。1 .转子电路用电阻调速系统这种方案的电动机转速调节时通过改变回路串联的附加电阻来实现的，如 图3-1所示。这是有级调速，调速时能耗很大，在加速阶段和低速阶段运行时， 大部分能量以热能形式消耗掉，属于转子功率消耗型调速方案。这种调速方案 是在低同步状态下产生制动转矩，需要采用能耗制动方案，即动力制动。虽然 目前在我国各种矿山中，采用该方案来调速的居多，但该方案存在调速性能差、 运行效率低、运行状态的切换死区大和调速不平滑等缺陷。图3-1转子电路串电阻的交流调速系统2 . G-M直流调速系统G-M直流调速系统是由直流发电机和直流电动机组成的，如图

28、3-2所示。直流电动机的励磁电流是恒定的，是用改变直流发电机的输出电压来改变直流电动机的转速。直流发电机一般是由同步电动机带动的，具输出电压是靠改变直 流发电机的励磁电流的大小来实现的。直流发电机的励磁电流时通过电机扩大 机的励磁实现控制和调节的。此方案可实现无级调速，能满足四象限平滑调速 的要求，而且调速精度较高，启动时无功冲击小，功率因数也较高。但是该方 案运行效率低、占地面积大、噪声大、维修量大及耗费金属量大等缺点。图3-2 G-M直流调速系统3 . V-M直流可逆调速系统V-M直流可逆调速系统可分为电枢换向的可逆调速系统（图3-3a）和磁场换向的可逆调速系统（图3-3b）。在电枢换向的

29、可逆调速系统中，励磁电流的大 小和方向是恒定不变的，电动机转矩的大小和方向是改变电枢变流器输出电流 的大小和方向实现的。具特点是转矩的反向快（由于电枢电流的方向快），需设置正反向两组电枢整流器，故造价较高。在磁场换向的可逆调速系统中，电枢 电流的方向是不变的。转矩极性的改变是通过改变励磁电流的方向实现的。这 种方案的特点是转矩的方向过程即励磁电流的反向过程较长，为了缩短反向时 间需采取强励磁措施。而矿井提升机对转矩转变的快速性要求不算太高，且该 方案的投资也较大。（a）（b）图3-3 V-M直流可逆调速系统4 .交流电动机变频调速系统交流电动机变频调速系统具有优良的控制性能、运行效率高、传动系

30、统的 飞轮力矩小和维护工作量少等优点，特别适用于大容量、低转速的矿井提升机。由于矿井提升机要求四象限运行，且负载变化较大，故比较适合采用电源自然 换向的交-交直接变频调速系统，变频器主要原理图如图 3-4所示。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幅值可调的三相正弦 信号，则变频器输出相应的频率和幅值可变的三相交流电压，给三相同步电动 机或异步电动机供电，实现变频调速。调速的本质是根据负载转矩的变化控制驱动电动机的转矩，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。一般可采用控制交流电 动机定子电压幅值与频率或定子电流幅值与频率 （电流控制型）的标量控制

31、系 统，但其动态控制性能较差，为改善转矩控制的动态性能，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。从上述各种调速方案的对比可以知道， 转子电路用电阻的交流调速方案、G 一M直流调速方案和VM直流可逆调速系统，由于控制性能较差、效率较低、 维护工作量大和投资大等原因，不是今后的发展方向，所以此次设计不采用这 三种方案。从国内外的发展状况及结合各种方案的优缺点，此次设计考虑第四 种方案，即交流电动机变频调速系统。3.2异步电动机变频调速原理交流异步电动机是应用最广泛的一种动力机械。异步电动机由于它结构简 单、制造容易、运行可靠、维护方便，而且效率高、重量轻、价格低而得到广 泛

32、的应用。但异步电动机存在的缺点之一是调速性能差。交流异步电动机的变频调速的原理，可从异步电动机的转速方程得出。转 速方程如下所示：(3-1)(3-2)ni=60fi/pn=60fi（1-s）/p式中：n电动机转子转速（r/min ）；fi定子交流电源频率（Hz）； s转差率；ni旋转磁场转速（r/min ）；P电动机极对数。从式中可见，改变异步电动机的供电频率fi,就可改变电动机的转速ni和n,达到调速目的。但fi的升高或降低影响到异步电动机的其它参数，如定子绕 组中的输入电压U,输入电流Ii和磁通。三相异步电动机每相电压 U1有以下关系式：U=Ei=4.44f iNK（3-3）式中：Ui定子

33、相电压Ei定子相电动势Ni定子相绕组总匝数Ki基波绕组系数一一每极气隙磁通三相异步电动机在设计时，都给定了额定电压Un,额定电流I in及相应的额 定频率fiN,磁通的数值都定为接近磁路饱和的数值。从（3-i）和（3-2）中 可见，降低fi ,可使电动机减速，但在降低fi时，从（3-3）式可见，若保持 U不变，必须增大。但 增大是不可能的，因为它已接近饱和值。保持 不变，只有降低Ui,保持U/ fk常数（3-4）这种降低电动机转速n,是在fi<fiN情况下采用，不变，故称为恒磁通 控制方式，它的调速机械特性如图 3-i所示。图3-i恒磁通控制坐标图从图中可见，这种调速具有最大转矩变化较小

34、，近似认为恒转矩的特征。 进一步讨论还可得出，在相同的负载转矩下有近似相同的电流，该电流与频率 无关。而且输出转矩也近似认为与频率变化也无关。这种fi<fiN,近似不变的调速。当频率fi下降到比较小的数值时，电动 机定子阻抗不可忽略不计，Ui/f i的数值要适当提高，以补偿电动机定子阻抗下 降引起的数值下降，以维持 值近似不变。若fi升高，以使电动机增速，由（3-3）式可见，fi的升高，如果 不变， 则电压U要升高，但是电动机有本身的额定电压 U1升高的最大值与Un相等。U二Un=常数（3-5）U不能升高，为维持U不变，必须降低，此时fi与的关系： 8 1/fi（3-6）这是升高电动机转

35、速的调速方法。它的调速机械特性如图3-2所示。从图可见，在fi>fiN情况下调速，随着fi的升高，转矩下降很多。故称为 包功率调速。第三种变频调速控制方法是保持定子电流Ii不变，fi改变，称为恒电流控制方式，也称恒电流变频调速。 在fi同一数值下，不同的定子电流Ii, 可得到不同的转矩值。不同的fi数值相同的定子电流Ii值，可得到相同的转矩 值。n f i2 f > f ii > ien i2n iin i n eMmax M图3-2恒压调速坐标图综上所述变频调速是，在额定频率f in以下，采用定子电压补偿的Ui/fk常 数的恒转矩变频调速。在额定频率f in以上的U二常数的

36、恒功率变频调速。定子 电流I i不变的恒电流变频调速，都可以用图 3-3表示。图3-3变频调速坐标图3.3控制系统总体方案设计基于PLC空制的矿井提升机变频调速控制系统由动力装置、 PLG变频器、 操作台和控制监视系统组成，控制系统总体设计框图如图3-4所示。各部分功能如下：动力装置：包括主电机、减速器、卷筒、制动器和底座，完成人、物、料 的运输任务。主电机通过减速器向卷筒提供牵引所需的动力。PLC其主令控制用来控制电动机的启动、停止，提升机的上升、下降，变频 器的启动、复位，警报器、指示灯、安全回路的动作等过程。变频器：是动力站的能量供给单元，通过它可将输入工频电能转换成频率可 调的电能提供

37、给交流电动机，以达到控制交流电动机转速的目的。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。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。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

38、，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。T提升机wl车厢编码器图3-4控制系统总体设计框图4 PLC设计原理及选型4.1 PLC的简介4.1.1 PLC的特点和设计原则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

39、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。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。PLC勺特点如下：(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；(5)采用模块化结构，使系统组合灵活方便；(6)编程语言简单、易学、便于掌握；(7)系统设计周期短；(8)对生产工艺改变适应性强；(9)安装简单、调试方便、维护工作量小；PLC空制系统的设计原则是：(1)选用的PL3、须满足被控制对象的要求。(2)选用的P

40、L6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。4.1.2 PLC的组成和工作原理基本组成：可编程控制器(PLQ的硬件由微处理器、存储器、I/O接口电 路、电源、扩展接口、外设接口及编程器等组成。图 4-1为可编程控制器的硬 件简化框图。PLCT以分为输入部分、逻辑部分和输出部分组成。各部分的主要作用是：输入部分：他收集并保存被控对象实际运行的数据和信息。逻辑部分：处理输入部分所取得的信息，并按照被控对象实际的动作要求 做出反应。输出部分：提供正在被控制的许多装置中， 那几个设备需要实时操作处理。PL而用由大规模集成电路

41、构成的微机处理和存储器来组成逻辑部分。PLC的制造厂家对微机处理机进行了软件硬件的开发，为用户提供了许多适用于电 气控制的逻辑部件。例如：继电器逻辑(与、或、非运算)、定时器、计数器、 移位寄存器、触发器和寄存器等。同时也提供了描述这些逻辑部件的符号和语 句，即编程语言。图4-1可编程控制器的硬件简化框图工作原理：PLC勺工作原理与计算机的工作原理基本上是一致的，可以简单 地表述为在系统程序的管理下，通过运行应用程序完成用户任务。但个人计算 机与PLC勺工作方式有所不同，计算机一般采用等待命令的工作方式，如常见的 键盘扫描方式或I/O扫描方式。当键盘有键按下或I/O 口有信号输入时则中断转 入

42、相应的子程序，而PLCE确定了工作方式，系统公告做任务管理(内部处理、 通信操作等)及用户程序执行都是循环扫描方式完成的。PLC!过编程器编制才$制程序，即将PL加部的各种逻辑部件按照控制工艺 进行组合以达到一定逻辑功能。PLC等输入信息采入PL加部，之后执行逻辑部 件组合后做达到的逻辑功能，最后输出达到控制要求。这就是PLCS本控制原理。PLC勺工作是在系统软件支持下以扫描方式实现的。完成整个扫描过程所需要的时间为扫描周期。一般说来，可将整个扫描周期分为以下几个部分。(1)自监视扫描。为保证设备运行的可靠性，可编程控制器都具有此功能。 该功能是由时间监视器完成的。当扫描过程的时间超过时间监视

43、器的设定时间， 则CPU?止运行，复位I/所报警。(2)与编程器进行信息交换。为系统配备编程器且编程器同PLC!线连接时, 在系统软件支持的情况下，用户可以使用编程器修改内存程序、启动或停止CPU 读CPUt态、封锁或开放I/O?。(3)与数字处理器进行信息交换。为系统配备有数字处理器时，数字处理器 与CPU进行数据交换。(4)与网络进行通讯。用于PL2间以及PLCW其他计算机之间进行信息交 流。(5)输入、输出服务扫描。CP而处理用户程序时，在内存中设置了两个缓 存区，即输入状态缓存区和输出状态缓存区。在输入服务的扫描过程中，CPU1实际输入点的状态读人输入缓存区； 在输出服务扫描过程中，C

44、PU巴输出状态缓 存区的值传送到实际输出点。4.2 PLC在调速中的应用PLC*有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高，抗干扰能力强，编程 简单等特点。结合利用无速度传感器矢量控制技术，将提升机直流控制中的双 闭环(速度环、电流环)调节控制通过一系列矢量交换后，用于交流三相电机的 控制，使交流三相异步电动机的调速性能与直流电机一样好，使提升机调速范 围宽，调速精度高。采用 APE自动换向变频技术，将变频器网侧的不可控整流 桥换成可控整流桥，对网侧交流电流的大小和相位进行实时检测并控制，当绞 车进入发电状态时能量从逆变器返回到直流母线，系统立即控制交流输入电流 的相位与电源相位相反.能量回馈至

45、电网。如图 4-2所示。图4-2 PLC控制系统框图4.3 控制系统I/O点数确定在设计时需要统计I/O的总量，包括开关量和模拟量，以确定选用 PLC的 模块数量以及型号。表1 PLC的输入点统计信号内容点数 备注1点动按钮12启动按钮1控制电机启动3停止按钮1控制电机停止4复位按钮1复位作用5运行开关2控制电机正反转6复位故障开关3故障后软件复位7变/工频切换开关2变/工频切换8工作闸制动手柄1制动作用9制动泵启动按钮1启动制动泵10润滑泵启动按钮1启动润滑泵11制动油过压开关1制动泵故障反馈输入12润滑油过压开关1润滑泵故障反馈输入13主要指令开关5用于基本的常规输入14旋转编码器2引自电

46、动机反馈15主电失压1引自变频器主电源16变频故障1引自变频器输出据表125表2 PLC的输出点统计编号信号内容点数1常规控制输出端6正常工作时的信号输出）2故障报警指示1故障时切换到备用PLC3安全制动指示1故障时切换到备用PLC4制动泵继电器1制动泵动作5润滑泵继电器1润滑泉动作6变频多速段37变频止转输出中间继电器18变频反转输出中间继电器19变频给定量4-24mA10制动手柄给定0-10V11变频预留1故障时切换到备用PLC2164.4 PLC的选型三菱公司的可编程控制器分 A系列和F、F1、F2系列以及FX1、FX2等FX 系列。FX1、FX2、FX2c是三菱公司近几年推出的高性能小

47、型系列可编程控制器， FX。FX0s FX0解口 FX2N微型系列的可编程控制器。根据这次系统所需的容 量、I/O点数等参数，本系统的PLCS用FX2N系列的。FX2N系列每条基本指令执行时间为 0.08微秒；具有27条基本指令、2条 步进指令和128种功能指令；有3027点辅助继电器、1000点状态继电器、256 点定时器、235点计数器、8000多点16位数据寄存器、128点跳步指针和15 点中断指针；内附8K步RAM（RUNS程中可更改程序），最大可达16K （包括注 释），最大可扩展到256个I/O点。FX2N系列可编程控制器输入继电器采用八进制编码，基本单元输入继电器 最大范围为X0

48、-X77共64点，扩展后系统可达X0-X267共184点。其输出继电 器也采用八进制编码，基本单元输出继电器最大范围为Y0-Y77共64点，扩展后系统可达Y0-Y267共184点。FX2陈列既可以选择在内部安装一块FX2N-232-BDS信用功能扩展板，用于 与各种RS-232CS备通信；又可以内部安装一块FX2N-422-BD勺通信用功能扩展 板，用于与RS-422!信；还可以内部安装一块FX2N-485-BD!信用功能扩展板， 用于与RS-485!信。安装在内部的模拟量设定功能扩展板 FX2N-8AV-BD上面有 8个电位器，PLCIt够将模拟量转换为8为二进制数字后存入存储器，然后用模拟

49、 量功能扩展板读出指令VRR映出作为定时器或计数器的设定值。FX2N（列拥有 大量适用于特殊用途的选件，如用于模拟控制的 FX2N-4AD口FX2N-4DA用于定 位控制的FX2N-1PG用于高速计数的FX2N-1HC0用于数字通信的FX2N-232IF。 FX2N（列不仅功能很多，而且面积、体积也都很小，总之，FX2NFX系列功能最强、速度最快的微型可编程控制器。5变频器设计原理及选型5.1 变频器的构成及原理5.1.1 变频器的构成变频器实际上就是一个逆变器。它首先是将交流电变为直流电，然后用电 子元件对直流电进行开关，变为交流电。一般功率较大的变频器用可控硅，并 设一个可调频率的装置，使

50、频率在一定范围内可调.用来控制电机的转数，使转 数在一定的范围内可调。变频器广泛用于交流电机的调速中，变频调速技术是 现代电力传动技术重要发展的方向，随着电力电子技术的发展，交流变频技术 从理论到实际逐渐走向成熟。变频器不仅调速平滑，范围大，效率高，启动电 流小，运行平稳，而且节能效果明显。因此，交流变频调速已逐渐取代了过去 的传统滑差调速、变极调速、直流调速等调速系统，越来越广泛的应用于冶金、 纺织、印染、烟机生产线及楼宇、供水等领域。一般分为整流电路、平波电路、 控制电路、逆变电路等几大部分。1 .整流电路整流电路的功能是把交流电源转换成直流电源。整流电路一般都是单独的 一块整流模块。2

51、.平波电路平波电路在整流器、整流后的直流电压中含有电源 6倍频率脉动电压，此 外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动，为了抑制电压波动采用电感和电 容吸收脉动电压（电流），一般通用变频器电源的直流部分对主电路而言有余量， 故省去电感而采用简单电容滤波平波电路。3 .控制电路现在变频调速器基本系用16位、32位单片机或DS皿控制核心，从而实现 全数字化控制。变频器是输出电压和频率可调的调速装置。提供控制信号的回路称为主控 制电路，控制电路由以下电路构成：频率、电压的“运算电路”，主电路的“电 压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”。运算电路的控制信号送至 “驱动电路”以及逆变器和电动机的“

52、保护电路”。变频器采取的控制方式，即速度控制、转拒控制、PID或其它方式。4 .逆变电路逆变电路同整流电路相反，逆变电路是将直流电压变换为所要频率的交流 电压，以所确定的时间使上桥、下桥的功率开关器件导通和关断。从而可以在 输出端U、V、W三相上得到相位互差120°电角度的三相交流电压。5.1.2 变频器的工作原理变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电 能控制装置。我们现在使用的变频器主要采用交一直一交方式（VVV注频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流 电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般

53、 由整流、中间直流环节、逆变和控制 4个部分组成。整流部分为三相桥式不可 控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWMfe形，中间直流环 节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。变频器的调速：基于调速方便、节能、运行可靠的优点，变频调速器已逐渐替代传统的变极调速、电磁调速和调压调速方式。在推出PW瞰通矢量控制的变频器数年后，1998年末又出现采用DTC空制技术的变频器。AB腔司的 ACS60藤列是第一代采用DTCfc术的变频器，它能够用开环方式对转速和转矩 进行准确控制，而且动态和静态指标已优于 PWMO环控制指标。直接转矩控制 以测量电机电流和直流电压作为自适应电机模型的输入。该模型

54、每隔25仙s产生一组精确的转矩和磁通实际值，转矩比较器和磁通比较器将转矩和磁通的实 际值与转矩和磁通的给定值进行比较，以确定最佳开关位置。由此可以看出它 是通过对转矩和磁通的测量，即刻调整逆变电路的开关状态，进而调整电机的 转矩和磁通，以达到精确控制的目的。5.1.3 变频器选型提升机普遍选用带低速转矩提升功能的电压型变频器，如日本的安川，三 菱，富士，德国的西门子及丹麦的丹佛斯等。本次设计采用西门子MM44变频器，西门子MM44变频器的防护等级为IP20,无滤波器，三相380V俞入，0.37kw, A型尺寸，输入频率为47H焊63HzMM44®盖了微机处理器、电力电子、现代控制理论

55、和通讯等多种先进技术， 拥有控制交流电动机速度的变频器系列产品，额定功率范围从120处Ij200kw|a定 转矩CT空制方式，或者可达250kw可变转矩VT空制方式供用户选用。变频器的控 制器采用微机处理控制，主电路采用现代先进技术水平的绝缘栅双极晶体管 IGBT乍为功率输出器件，具有较高的运行可靠性和功能的多样性；采用脉冲宽 度调制技术，控制IGBT勺开关频率，降低了电动机运行的噪声，具有较强的控 制功能和完善的保护功能，可用于生产实际中的单机驱动系统和集成的自动化 系统中。MM44变频器的控制电路由单片微机处理器(或 DSP主控制器、电源板、 键盘与显示板、控制电源板等构成，为防止主电路对

56、控制电路的干扰，主、控 电路之间采用光耦隔离、变压器隔离等方法。(1)主控制器变频器主控制器由硬件和软件组成，硬件的核心是单片微机处理器及模拟 量输入、模拟量输出、数字量输入、输出继电器输出、BO控制盘等外围器件。控制软件采用模块化程序结构，包括主程序、控制算法子程序、SPWM形中断程序、检测运算子程序、保护功能子程序等。主要作用是接收BOPS盘及外部输入的各种信号；接收内部主电路中电压与电流的采样信号、温度的采样信号和 各逆变器的采样信号；把接收的各种信号进行判断和综合运算，并发出脉冲宽 度调制SPWM制指令驱动逆变器工作；向外电路和显示屏提供控制信号与显示 信号；实时检测系统故障并随时保护指令等功能。MM4蝴供6个可编程数字输入信号，数字/&入信号经光耦隔离是输入 CPU 对电动机进行正反转、点动、固定频率设定值控制等，并提供了高精度的 1