《毕业设计-基于PLC和变频器的矿井提升机电控系统》

1、毕业设计论文题 目 基于PLC和变频器的矿井提升机电控系统姓 名 学 号 专业班级 电气自动化 091 班 院系名称 太原科技大学成人教育学院 指导老师 2011 年 11 月 10 日摘 要矿井提升机被称为矿山的咽喉，是生产的关键设备，是地下矿井与外界的唯一通道，肩负着运输矿石、物料、人员等的重要责任。对提升机来说，运行的平安性与可靠性是至关重要的。传统的矿井提升机控制系统主要采用继电器接触器进行控制，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

2、行业专家学者的一个研究课题。随着计算机和PLC技术的不断开展，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、平安性、可靠性都到达了新的高度，并采用现代化的管理和监视手段保障提升机的平安运行，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。变频调速是近年来开展起来的一门新兴的自动控制技术，它利用改变被控对象的电源频率，成功实现了交流电动机大范围的无级平滑调速，在运行过程中能随时根据电动机的负载情况，使电机始终处于最正确运行状态，在整个调速范围内均有很高的效率，节能效果明显。采用变频器对异步电动机进行调速控制，由于使用方便、可

3、靠性高并且经济效益显著，所以得到广泛应用。因此，应用变频器对矿井提升机的控制系统进行改造，将成为历史的必然趋势。关键词：矿井提升机，PLC，变频调速，控制系统 ABSTRACTThe mine elevator is entitled as the throat of mine, and it is the most vital equipment in mine. The mine elevator is the only channel to the underground mines, and it is shouldering the transportation of mineral

4、, materials and people. The safety and security is the most vital to elevator. The traditional shaft hoist control system is always controlled by the relaycontactor, and adopts the methods of connect series additional resistant in rotors winding loop to start and adjust speed. The system has many di

5、sadvantages such as bad reliability, complicated operation, high fault rate, large energywasting and low efficiency. So, carrying on the research on the shaft hoist control system has realistic meanings, and it is a subject for research by relevant experts and scholars, both at home and abroad too.A

6、long with the development and application of computer and programmable logical controller, the controller of mine elevator come forth new visage, the level of automatization and safety and security arrived at the new altitude, and provided a new and modern manage and monitor means. Advanced industry

7、 control computer are used to monitor and manage the course of elevator Frequency conversion is developed as a new automatic control technology in recent years, which is used to change the power frequency of the controlled objects, it successfully achieve the speed step less adjusting of the Ac moto

8、r in a large scope, and it can make the motor be always in the best state according to the load conditions at any time. It has very high efficiency and the energy-saving effect is obvious in the whole range of speed. Adopting inverter speed to control the asynchronous motors is widely used because o

9、f it is convenient, high reliability and the economic benefit is remarkable. Therefore, adopting inverter to reform the control system of shaft hoist will become the inevitable trend of history. KEY WORDS：shaft hoist, PLC, frequency conversion, control system目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc26484

10、4573 第1章 绪 论 PAGEREF _Toc264844573 h 1 HYPERLINK l _Toc264844574 1.1 国内外矿井提升机研究现状与开展趋势 PAGEREF _Toc264844574 h 1 HYPERLINK l _Toc264844575 1.1.1 国外矿井提升机的现状 PAGEREF _Toc264844575 h 1 HYPERLINK l _Toc264844576 国内提升机的现状与开展趋向 PAGEREF _Toc264844576 h 2 HYPERLINK l _Toc264844577 1.2 本文研究意义及内容 PAGEREF _Toc

11、264844577 h 3 HYPERLINK l _Toc264844578 1.2.1 研究意义 PAGEREF _Toc264844578 h 3 HYPERLINK l _Toc264844579 研究内容 PAGEREF _Toc264844579 h 3 HYPERLINK l _Toc264844580 第2章 系统工艺流程及控制要求 PAGEREF _Toc264844580 h 4 HYPERLINK l _Toc264844581 2.1 矿井提升机系统简介 PAGEREF _Toc264844581 h 4 HYPERLINK l _Toc264844582 2.2 提升

12、机电动机运行方式 PAGEREF _Toc264844582 h 5 HYPERLINK l _Toc264844583 2.3 提升机的速度要求及受力情况 PAGEREF _Toc264844583 h 6 HYPERLINK l _Toc264844584 2.3.1 提升机的速度要求 PAGEREF _Toc264844584 h 6 HYPERLINK l _Toc264844585 提升机的受力情况 PAGEREF _Toc264844585 h 7 HYPERLINK l _Toc264844586 2.4 矿井提升机的电气传动方案8 HYPERLINK l _Toc2648445

13、87 第3章 系统控制方案设计9 HYPERLINK l _Toc264844588 3.1 控制单元根本原理9 HYPERLINK l _Toc264844589 3.2 控制系统总体设计11 HYPERLINK l _Toc264844590 3.3 可编程控制器PLC介绍11 HYPERLINK l _Toc264844591 3.3.1 PLC的根本特点12 HYPERLINK l _Toc264844592 3.3.2 PLC的根本结构13 HYPERLINK l _Toc264844593 3.3.3 PLC的工作原理13 HYPERLINK l _Toc264844594 3.3

14、.4 PLC的编程语言14 HYPERLINK l _Toc264844595 3.4 变频器介绍14 HYPERLINK l _Toc264844596 3.4.1 变频调速根本原理15 HYPERLINK l _Toc264844597 变频器按中间直流环节方式分类16 HYPERLINK l _Toc264844598 第4章 控制系统硬件设计18 HYPERLINK l _Toc264844599 4.1 控制系统硬件选型18 HYPERLINK l _Toc264844604 第5章 控制系统软件设计19 HYPERLINK l _Toc264844605 5.1 控制程序流程图20

15、 HYPERLINK l _Toc264844606 5.2 系统控制程序梯形图21 HYPERLINK l _Toc264844607 第6章 人机交互界面22 HYPERLINK l _Toc264844608 6.1 触摸屏概述22 HYPERLINK l _Toc264844609 6.2 触摸屏在工业控制中的应用23 HYPERLINK l _Toc264844610 6.3 PWS3261触屏简介24 HYPERLINK l _Toc264844611 6.4 触摸屏在矿井提升机控制系统中的应用24 HYPERLINK l _Toc264844612 第7章 结 论25 HYPER

16、LINK l _Toc264844613 参考文献26致 谢27第1章 绪 论1.1 国内外矿井提升机研究现状与开展趋势矿井提升装置是采矿业的重要设备，随着科学技术的进步和矿井生产现代化要求的不断提高，人们对提升机工作特性的认识进一步深化，提升设备及拖动控制系统也逐步趋于完善，各种新技术、新工艺逐步应用于矿井提升设备中。特别是模拟技术、微电子技术、微电脑技术在提升机控制中的应用已成为必然的开展。国外矿井提升机的现状近三十年来，国外提升机机械局部和电气局部都得到了飞速的开展，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

17、传动的提升机。上世纪七十年代西门子创造矢量控制的交一直一交变频原理后，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。1981年第一台用同步机悬臂传动的提升机在德国Monopol矿问世，1988年由MAVGHH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Romberg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开展的同时，电子技术和计算机技术的开展，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

18、PLC的应用，使提升机自动化水平、平安、可靠性都到达了一个新的高度，并提供了新的、现代化的管理、监视手段。1.1.2 国内提升机的现状与开展趋向目前国内的矿井提升机传动方式大多为以下几种：1、交流绕线式异步电动机转子串电阻调速2、直流可逆调速3、交流变频调速1异步电动机的交直交变频2大惯量低速同步电动机交交变频国内矿井提升机的开展趋势如下：1 随着国家出台一系列节能降耗、开展低碳经济相关政策，各大煤炭企业将不得不淘汰掉那些高耗能、高污染、生产技术落后的设备。矿井提升机作为生产重要设备，除高耗能以外，还有着工作结构复杂、危险程度大等突出问题，因此，技术落后、设备陈旧逐渐不能满足开展要求，取而代之

19、的将会是节能环保、平安高效的全数字化生产模式。 2 使用变频器调速的矿井提升机，可以实现启动时的软启动、软停车，减轻对电网的冲击；可根据负载需要，自动输出适宜的功率大大降低了不必要的能量耗损；调速平滑连续，使运行更加平安、稳定、高效。据此，变频器以其独特的优势在提升机行业的应用也迎来了开展的新时期。1.2 本文研究意义及内容1.2.1 研究意义目前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开展的需要。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

20、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，这已成为现代交流调速的重要研究方向。采用先进的工业计算机、现场总线和工业自动化技术，按照结构标准化、产品系列化、性能现代化、体积小型化的原那么，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。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，设有各种检测、控制、自诊断以及记录和保护装置(如超载、速度、加减速等记录)。1.2.2 研究内容在煤矿生产中，矿井提升机起着非常重要的作用。矿井提升机是矿井生产过程中的一个重要环节，它的任

21、务是提升有用矿物和矿石、升降人员和设备、下放材料等。提升机电控装置的技术性能，既直接影响矿山生产的效率及平安，又代表着矿井提升机开展的整体水平，是矿井平安生产中重中之重的一大环节。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：转子回路串接电阻，消耗电能，造成能源浪费；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；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，维修本钱较高；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；电动机依靠转子电阻获得的低速，其运行特性

22、较软；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，不能到达稳定的低速爬行，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平安性不能得到有效的保障。因此，需要研制更加平安可靠的控制系统，使提升机运行的可靠性和平安性得到提高。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(PLC)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PLC控制，硬件简洁、软件灵活性强、调试方便、维护量小，PLC技术己经广泛

23、应用于各种提升机控制。第2章 系统工艺流程及控制要求2.1 矿井提升机系统简介矿井提升机可分为竖井提升机和斜井提升机两种。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。提升钢丝绳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，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

24、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、平安性好。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。目前，我国单绳缠绕式提升机，广泛采用交流绕线式电动机拖动，提升过程一般包括：起动、加速、匀速、减速、爬行和停车几个主要环节。2.2

25、提升机电动机运行方式提升机电动机的运行方式 ,主要根据系统的力图来确定：加速阶段：提升时为正力，采用电动加速。下放时为负力，假设负力值较小，可考虑自由加速，并配合使用盘式制动器，假设负力值较大，那么采用动力制动加速。匀速阶段：提升时为正力，采用电动拖动。下放时为负力，采用能耗制动、闭环控制，单闭环速度控制系统由与距离有关的理想速度给定电路、速度负反应电路、PID调节器、移相触发电路及双向可控硅能耗制动电路组成，下放速度由PID调节。主减速阶段：提升时为正力，采取逐级接入转子附加电阻和机械制动的方式。下放时为负力，一方面接入转子附加电阻，另一方面增大制动电流并辅以机械制动方式减速。爬行阶段：当为

26、正力时，转子接入几段附加电阻，由 PLC控制运行；当为负力时，在能耗制动方式下接入转子附加电阻。2.3 提升机的速度要求及受力情况合理地确定提升机的力图和速度图，可以提高其运行的平安可靠性，以及减小电动机的功耗。 提升机的速度要求(1)主加速阶段如图21所示，正常提升时，电动机产生的力矩比阻力矩大3%5%，产生比较低的加速度a 0.3m/s2。当V0上升到Vm时，电动机运行在自然特性曲线上。下放时，由于负力较大，需要制动力来维持稳定的下放速度和规定的减速度。(2)匀速阶段t2上升时，根据负载状况使电动机保持电动状态，且速度Vm=1.12ms。下放时，由测速发电机反映转子下放速度 ，当速度高于V

27、m时，增大励磁电流If，提高制动力矩，使观览车在斜坡上匀速运行。(3)主减速阶段t3为使提升机准确停车，在停车前应进行减速。减速按照速度图要求进行，由装在斜坡上的位置开关动作发出信号，PLC 再根据与电动机同轴运行的旋转编码器发出的脉冲数进行比较发出指令，增大励磁电流If，使下放速度在规定的时间内降低。(4)爬行阶段t4V4在 0.3 m/ s左右，此数值实际上是一个平均值，因为提升机由较高的Vm不可能很准确的变为速度V4。(5)停车阶段t5将盘式制动器的KT线圈断电，抱闸迅速抱住卷筒，提升机停转。图21 提升机速度图 提升机的受力情况由直线运动的运动方程可得： F = + ma 式21式中：

28、F提升机在某运动阶段的力，N；提升机的静阻力包括车重、提升机重量和绳重，N；m把旋转运动的部件折算到直线运动的变位质量，kg；a各阶段的加速度、减速度值，m/。当 a =0时，F = ，匀速运行；a0时，F，加速运行；a0时，F，减速运行。根据以上分析，F = ft的力图见图22：图22 提升机力图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)速度符合国家有关平安生产规程的规定提升人员时，加速度，升降物料时，加速度。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

29、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，提升速度根本上不受影响，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。迅速平安制动停车，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

30、平安保护环节，确保系统平安运行。尽量节约能源和降低运转费用。2.4 矿井提升机的电气传动方案矿井提升机的电气传动方式一般有以下4种。本文以英威腾公司CHV190-1000G-6高性能矢量变频器在提升机调速系统中的应用为例，详细介绍了交-直-交变频调速的原理与传动方案。1绕线转子异步电动机转子回路串电阻调速系统2直流可逆调速系统3交流电动机交交变频调速系统4交-直-交变频调速系统变频器的主电路大体上可分为两类，电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容；电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。 它由三局部构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器，吸收在

31、变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器，如图23所示。图23 交-直-交变频原理图1整流器：最近大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。 2平波回路：在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，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。装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。3逆变器：同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个

32、开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。以电压型pwm逆变器为例示出开关时间和电压波形。 传动系统方案如图2-4所示， CHV190-1000G-6变频器采用并机方式，即由2台690V500KW变频器并机拖动950KW大功率提升机同步电机组成，每台图24 变频器调速方案变频器均配置输入、输出电抗器，与电动机同轴安装UVW型同步电动机专用编码器。制动器选用2台DBU-350-6能耗制动单元；每台制动单元连接4180KW制动电阻。控制电路由控制变压器输出的AC220V电源再通过隔离变压器、开关电源后，输出AC220V、DC24V、DC12V电源分别提供应PLC、显示器、继电器、检测器件、电磁阀等

33、；变频器采用端子控制模式，操作指令由控制台发起，经 PLC处理后输出，通过PLC与变频器控制板I/O接口连接线传递信号，实现远程控制。 为了提高变频器对电机的精确控制，采用闭环控制模式，防止溜钩或因上 升或下降启动时电机输出转矩缺乏而引起冲击机械系统产生振动的现象。变频器多功能端子组S1S4对应指令为频率给定、上行、下行、复位；多功能模拟量输入AI2设定外部频率采用PLC与变频器相结合的控制方案对传统电控系统进行改造，变频调速是通过改变定子供电频率，成功实现了提升电动机大范围的无级平滑调速，在运行过程中能随时根据电动机的负载情况，使电机始终处于最正确运行状态，能够满足提升机特殊工作环境的要求且

34、有着明显的节电效果。采用PLC对提升系统进行保护和监控，使系统更加平安可靠。因此本次设计选用交流电动机交交变频调速系统。第3章 系统控制方案设计3.1 控制单元根本原理随着PLC控制的日渐成熟，大多数矿井提升机电控系统都采用了可编程序逻辑控制器(Programmable logic controller)，简称PLC，PLC技术是现代工业自动化的重要手段，由它构成的控制系统逻辑控制由PLC通过软件编程实现，柔性强，控制功能多，控制线路大大简化；PLC的输入/输出回路均带有光电隔离等抗干扰和过载保护措施，程序运行为循环扫描工作方式，且有故障检测及诊断程序，可靠性极高。PLC控制系统结构为模块化结

35、构，维护更换方便，并可显示故障类型。图32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语句，对它们的内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内部的接线(即硬件)，而只需通过编程器改变程序存储器中某些语句的内容。图32 可编程控制器控制过程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。

36、对于一般提升机电控系统来说，采用一套中小容量的PLC即可满足要求，其价格也不高。如图32所示，如果采用PLC技术对TKD电控系统进行改造，把原来由各种电器通过连线而实现的逻辑控制改由PLC通过软件编程实现，那么控制线路将大大简化，设备体积、设备维修量将大大减小，抗干扰能力将大大增强，工作可靠性将大大提高，工艺改变时只需要改变控制程序即可。改造时保持原有的操作方式、按钮、开关、主令控制器作用不变，那么用户使用起来将非常方便，不需要适应期。同时可以利用PLC的高速计数功能、网络通信功能、故障检测及诊断功能、信号显示功能等来增加一些新的控制功能，平安性将大大提高，运行将更加平稳、准确，完全能够满足矿

37、山生产的苛刻要求，而且投资相对较少，性价比较高，具有很强的实用价值。3.2 控制系统总体设计基于PLC的矿井提升机变频调速控制系统由动力装置、液压站、变频器、操作台和控制监视系统组成，其系统框图如图33所示：图33 控制系统框图系统框图中各局部功能如下：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。对于矿井提升机这样的 大型机械来说，在电机脱离电源后，由于运行惯性较大，往往要经过一段时间才能停止转动，这将影响生产效率，甚至威胁到生产人员的生命平安和物料的运输。因此必须在系统里参加制动器，防止产生“蠕动现象，从而保证运输的人和

38、物料的平安。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，以保证系统平安可靠地工作。变频器：是动力站的能量供应单元，通过它可将输入工频电能转换成频率可调的电能提供应交流电动机，以到达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

39、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。提升过程监视与平安回路一样，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：提升过程中各工况参数(如速度、电流)监视；各主要设备运行状态监视；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、保存或打印输出。甚至与上位机联网，合并于矿井监测系统中。系统框图中用旋转编码器来测试电机的转速。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

40、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。操作人员通过操作台向PLC发送控制提升机运行的控制命令。控制监视系统通过与PLC的通信，将电动机的所有运行参数和故障参数都显示出来，并对矿车的位置及速度进行时时监控。为操作人员分析故障、判断故障和处理提供依据。3

41、.3 可编程控制器PLC介绍可编程控制器是以微处理器为根底，综合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术和通信网络技术开展起来的一种通用工业自动控制装置。它面向控制过程、面向用户、适应工业环境、操作方便、可靠性高，成为现代工业控制的三大支柱PLC、机器人和CAD/CAM之一。PLC控制技术代表着当前程序控制的先进水平，PLC装置已成为自动化系统的根本装置。3.3.1 PLC的根本特点可编程控制器PLC的诞生给工业控制带来革命性的飞跃，与传统的继电器控制相比有着突出的特点：(1)灵活性、通用性强继电器控制系统如果工艺要求稍有变化，控制电路必须随之作相应的变动，所有布线和控制柜极有可能

42、重新设计，耗时且费力然而是利用存储在机内的程序实现各种控制功能的。因此当工艺过程改变时，只需修改程序即可，外部接线改动极小，甚至可以不必改动，其灵活性和通用性是继电器控制电路无法比较的。(2)可靠性高，抗干扰能力强继电器控制系统中，由于器件的老化、脱焊、触点的抖动以及触点电弧等现象是不可防止的，大大降低了系统的可靠性。而在控制系统中，大量的开关动作是由无触点的半导体电路来完成的，加之在硬件和软件方面都采取了强有力的措施，使产品具有极高的可靠性和抗干扰能力可以直接安装在工业现场稳定地工作。PLC在硬件方面采取电磁屏蔽、光电隔离、多级滤波等措施在软件方面采取警戒时钟、故障诊断、自动恢复等措施，并利

43、用后备电池对程序和数据进行保护,因此被称为“专为适应恶劣的工业环境而设计的计算机。(3)编程简单，使用方便PLC采用面向过程，面向问题的“自然语言编程方式，直观易懂，主要采用梯形图和语句表编写程序，使得广阔电气技术人员更易接纳和理解。同时设计人员也可根据自己的喜好和实际应用的要求选择其他编程语言。标准是编程语言的标准，除了梯形图和语句表之外，还存在顺序流程图、结构化文本和功能块图三种编程语言的表达方式。一个程序的不同局部可用任何一种语言来描述，支持复杂的顺序操作功能处理以及数据结构。(4)功能强大，可扩展PLC的主要功能包括开关量的逻辑控制、模拟量控制局部还具备控制或模糊控制功能、数字量智能控

44、制、数据采集和监控、通信、联网及集散控制等功能。PLC的功能扩展也极为方便，硬件配置相当灵活,根据控制要求的改变，可以随时变动特殊功能单元的种类和个数，再相应修改用户程序就可以到达变换和增加控制功能的目的。 PLC的根本结构PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构根本上与微型计算机相同，如图34所示： 图34 PLC的根本结构图3.3.3 PLC的工作原理整个扫描过程分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行、程序输出几个阶段，全过程扫描一次所需要的时间称为扫描周期。内部处理阶段，PLC检查CPU模块的硬件是否正常，复位监视定时器等。在通信效劳阶段，PLC与一些智能模块通信、响应

45、编程器键入的命令、更新编程器的显示内容等。当PLC处于停止(STOP)状态时，只进行内部处理和通信操作效劳等内容。在PLC处于运行(RUN)状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。(1) 输入处理也叫输入采样。在此阶段，顺序读入所有输入端子的通电断状态，并将读入的信息存入内存中所对应的映像存放器。在此输入映像存放器被刷新。接着进入程序执行阶段，在程序执行时，输入映像存放器与外界隔离，即使输入信号发生变化，其映象存放器的内容不会发生改变，只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被读入信息。(2)程序执行根据PLC梯形图程序扫描原那么，按先左右后上下的步序，逐句

46、扫描，执行程序。但遇到程序跳转指令时那么根据跳转条件是否满足决定程序的跳转地址。用户程序涉及到输入输出状态时，PLC输出映像存放器中读出上一阶段采入的对应输入端子状态。根据用户程序进行逻辑运算，运算结果再存入有关器件存放器中，对每个器件而言，器件映像存放器中所存的内容，会随着程序执行过程而变化。(3) 输出处理程序执行完毕后，将输出映像存放器，既器件映像存放器中的存放器状态。在输出处理阶段转存到输出锁存器，通过隔离电路驱动功率放大电路，使输出端子向外界输出控制信号，驱动外部负载。扫描周期是PLC一个很重要的指标，小型PLC的扫描周期一般为十几毫秒到几十毫秒。PLC的扫描时间取决于扫描速度和用户

47、程序的长短，毫秒级的扫描时间对于一般工业常是可以接受的，PLC的响应滞后是允许的。但是对某些I/O快速响应的设备，那么应采取相应的处理措施。如选用高速CPU，提高扫描速度，采用快速响应模块、高速计数器模块以及不同的中断处理等措施减少滞后时间。影响I/O滞后的主要原因有：输入滤波器的惯性、输出继电器接点的惯性、程序执行的时间、程序设计不当的附加影响等。对用户来说选择一个PLC，合理的编制程序是缩短响应的关键。3.3.4 PLC的编程语言PLC是一种工业控制计算机，不仅有硬件，软件也必不可少，目前PLC常用的编程语言有四种：梯形图编程语言，指令语句表语言，功能图编程语言，高级编程功能语言。其中梯形

48、图语言形象直观，类似电气控制系统中继电器控制电路图，逻辑关系明显；指令语句表编程语言虽然不如梯形图编程语言直观，但有键入方便的特点；功能图编程语言和高级编程语言需要比较多的硬件设备，工程当中特殊场合下不是经常用到。以下重点介绍梯形图语言编程。梯形图语言沿袭了继电器控制电路的形式，梯形图编程语言是在电气控制系统中常用的继电器，接触器逻辑控制根底上简化了符号演变而来的，形象，直观、实用，电气技术人员容易接受，是目前用的最多的一种PLC编程语言。PLC梯形图中的继电器、定时器、计数器不是物理继电器，物理定时器和物理计数器，这些器件实际上是存储器的存储器位，又称软器件。相应为“1”状态，表示继电器线圈

49、通电或者常开接点闭合或者常闭接点断开。PLC的梯形图是形象化的编程语言，梯形图左右两端的母线是不接任何电源的。梯形图中并没有真实的物理电流流动，而仅仅是概念电流(虚电流)，或者称假想电流。把PLC梯形图中左边母线假想为电源相线，把右边母线假想为电源地线。假想电流是执行用户程序时满足输出执行条件的形象理解。PLC梯形图中每个网络有多个梯形组成，每个梯级有一个或者几个支路组成。3.4 变频器介绍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直交方式，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

50、源以供应电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个局部组成。整流局部为三相桥式不可控整流器，逆变局部为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。 变频调速根本原理异步电机的VVVF调速系统一般简称变频调速系统。由于在变频调速时转差功率不变，在各种异步电机调速系统中效率较高，同时性能也最好，故是交流调速的主要开展方向。交流调速系统的控制量最根本上是转矩、速度、位置，根据不同的用途适当组合可构成各种闭环系统。异步电动机定子对称的三相绕组中通入对称的三相交流电，在电机气隙内会产生一个旋转磁场，其旋转速度为同步转速： 式(31)式中f1定

51、子绕组电源频率；P电机磁极对数。异步电动机转差率： 式(32) 式(33)由上式可知，异步电动机调速方法有如下几种：变同步转速n0：变极p、变频f1。变转差率s：定子调压、转子串电阻、电磁转差离合器、串极调速。由电机学可知，转差功率： 式(34)式中Pem电磁功率；PCu2转子铜耗。由式34可知，变频调速与变极调速为转差功率不变型不管其转速上下，转差功率消耗根本不变，因此调速效率为最高。在变频调速领域，异步电机的控制方式多种多样，但从转矩的响应性和过渡特性来看，变频调速的控制方式分为以下几种：(1)V压控制V压控制是交流电机最简单的一种控制方法，通过控制过程中始终保持V用为常数，来保证转子磁通

52、的恒定。然而V压控制是一种开环的控制方式，速度动态特性较差，电机转矩利用率低，控制参数(如加/减速度等)还需要根据负载的不同来进行相应的调整，特别是低速时由于定子电阻和逆变器等器件开关延时的存在，系统可能会发生不稳定现象。这种控制方式多用于调速精度不高的场所。(2)转差频率控制转差频率控制是检测异步电动机的转速，对转差频率采取闭环控制。与V用控制相比，调速精度要求较高，且系统容易稳定，即能在宽广的调速范围内，将电动机的转矩、功率因数及效率控制在最正确状态。但是采用此法的电动机调速系统只能是单机运行，同时转差频率控制未能实施对电机瞬时转矩的闭环控制，尽管这种系统的静态精度较高，但由于快速性较差，

53、故适用于对响应的快速性要求不高的系统。(3)矢量控制矢量控制是一种建立在转子磁链定向的根底上，通过一系列的坐标变换，实现电机定子电流转矩分量和磁通分量的解藕的控制方法，可以将作为控制对象的感应电机当作直流电机来进行控制，实现对瞬时转矩的控制。目前，实用中多采用转差频率矢量控制，由于其没有实现直接磁通的闭环控制，无需检测出磁通，因而容易实现。但是其控制器的设计在某种程度上依赖于电机的参数，为了减少控制上对电机参数的敏感性，已经提出了许多参数辨识、参数补偿和参数自适应方案，收到了较好的效果。(4)直接转矩控制直接转矩控制(DTC)也是一种转矩闭环控制方法，其克服了坐标变换和解祸运算的复杂性，直接对

54、转矩进行控制，通过转矩误差、磁通控制误差，按一定的原那么选择逆变器开关状态，控制施加在定子端的三相电压，调节电机的转速和输出功率，到达控制电机转速的目的。由于DTC直接着眼于转矩控制，对转子参数变化表现为状态干扰而非参数干扰，DTC方法比矢量控制方法具有较高的鲁棒性。但是DTC也存在缺乏之处，其最大的困难就在于低速性能不理想。异步电动机用变频器传动的方块图，如图35所示，变频器由变流器、平滑电路、逆变器、控制器四大局部组成，变流器将交流电变为直流电，平滑电路将此直流电平滑后，由逆变器将它变换为频率可调的交流电，向电动机提供电压、电流和频率。 图35 变频器的根本结构3.4.2 变频器按中间直流

55、环节方式分类(1)电流型变频器当交直交变压变频装置的中间直流环节采用大电感滤波时，直流电流波形比较平直，因而电源内阻抗很大，对负载来说根本上是一个电流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，这类变频装置叫做电流源型变频器。有的交交变频装置用电抗器将输出电流强制变成矩形波或阶梯波，具有电流源的性质，它也是电流源型变频器。这种电流源型变频器，其逆变器中的晶闸管每个周期工作1200 ，属于1200导电型。电流源型变频器一个突出的优点是当电动机处于再生状态时，反应到直流侧的再生电能可以方便的回馈到交流电网，不需要主回路中附加任何设备，只要利用网侧的可逆变流器改变其输出电压极性即可，这种电流型变频器有制动发电

56、能力，又能设置电流环提高承载能力，适合需要快速减速和调速范围宽的场合，适配大功率电机，国内单机容量可达12000kw，国外达数万千瓦级。 (2)电压型变频器在交直交变压变频装置中，当中间直流环节采用大电容滤波时，直流电压波形比较平直，在理想情况下是一个内阻抗为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波，这类变频装置叫做电压源型变频器。一般的交直交变压变频装置虽然没有滤波电容，但供电电源的低阻抗使它具有电压源的性质，也属于电压源型变频器。对负载电动机而言，变频器是一个交流电压源，在不超过电压容量的情况下可以驱动多台电动机并联运行，具有不选择负载的通用性。中小功率变频器通常采用电容滤波即电压型变频器

57、。逆变器开关器件己由晶闸管 SCR)、功率晶体管 GTR)，开展到绝缘栅双极型晶体管 (IGBT)，以至智能型功率模块 (IPM)，集成门极换流晶闸管 (IGCT)等。第4章 控制系统硬件设计4.1 提升机电控系统变频器选择本调速控制系统包括：三菱公司生产的FX2N系类PLC一套； INVT公司的CHV190起重专用变频器一台外加制动单元，功率为1000kW，闭环矢量控制。根据变频调速原理，在变频器的控制输入回路中接入频率设定电路，由PLC输出的模拟量，即电压或电流信号来控制变频器的输出频率，实现电机速度控制。本系统中调速采用PLC+D/A模块配合变频器进行，通过PLC输出电压信号(010V)

58、来控制变频器的频率。此时的变频器输出频率与设定电压输入成正比。为了便于监控变频器的运行状态并及时发现异常，应取出变频器的异常信号送到PLC的输入模块，以作为变频器的事故报警信号及平安制动。为了与变频调速系统配合，保证在启动力矩、低频转矩、过载能力等方面满足系统的要求，选用变频电动机。变频电动机的电磁设计、结构设计和绝缘系统设计既考虑了对变频器电源供电和宽范围变频调速的适应能力，又表达了过载能力大、机械强度高的特点。与变频调速良好的起、制动功能相结合，特别适用于采用变频调速，短时间或断续周期运行、频繁启动和制动的场合，既能保证电动机在高频时的过载能力，又能在低频时保持恒转矩输出。第5章 控制系统

59、软件设计5.1 控制程序流程图系统控制程序流程图如图51所示。PLC控制主程序完成系统初始化、自检、故障诊断、调速系统控制及平安保护等工作。图51 控制程序流程图系统开机运行，PLC首先进行初始化，接着完成自检及提升机初始位置显示，当收到开车指令时，PLC转入速度给定控制，在系统运行过程中，当PLC接收到来自接近开关或变频器故障等外部控制信号时，PLC控制程序转到相应的中断处理程序处，完成过卷、过载、松绳等保护及提升机位置、速度监控、变频器故障监控等。当有故障出现时可转到相应的故障处理模块进行故障处理，并通过报警回路报警或平安回路实现抱闸停车保护。5.2 系统控制程序梯形图系统控制程序梯形图如

60、图52所示：图52 系统梯形图第6章 人机交互界面6.1 触摸屏概述随着计算机技术的普及，在90年代初，出现了一种新的人机交互技术触摸屏技术。利用这种技术，使用者只要用手指轻轻地触碰计算机显示屏上的图符或文字，就能实现对主机的操作或查询，这样就摆脱了键盘和鼠标操作，从而大大地提高了计算机的可操作性。触摸屏是一种最直观的操作设备，只要触摸屏幕上的图形对象，计算机便会执行相应的操作。人的行为和机器的行为变得简单、直接、自然，到达完美的统一。触摸屏具有方便直观、图像清晰、巩固耐用和节省空间等优点。触摸屏的根本原理如下：用户用手指或其它物体触摸安装在显示器前端的触摸屏时，所触摸的位置的坐标被触摸屏控制