【正文】 載重。由于提升系統(tǒng)的負(fù)載為位勢(shì)負(fù)載，所以靜力 FL 的作用方向始終是提升重物的重力方向，而與系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和方向無(wú)關(guān)。因此在電動(dòng)機(jī)不帶電時(shí)，為了使重的罐籠處于靜止?fàn)顟B(tài) (便于罐籠的裝卸載 )，對(duì)滾筒必須施加機(jī)械閘。 要使提升機(jī)按照給定的速度圖運(yùn)行，電動(dòng)力矩 Te 可能為正，也可能為負(fù)。這意味著電動(dòng)機(jī)不僅要工作在電動(dòng)狀態(tài)，還應(yīng)能工作在制動(dòng)狀態(tài)。由于不同的負(fù)載，不同的提升機(jī)運(yùn)行階段，電動(dòng)機(jī)的 運(yùn)行狀態(tài)也各不相同。 綜合以上提升機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)以及礦山生產(chǎn)固有的特點(diǎn)，提升機(jī)工藝對(duì)提升機(jī)電控系統(tǒng)的要求如下 : (1) 加 (減 )速度符合國(guó)家有關(guān)安全生產(chǎn)規(guī)程的規(guī)定。提升人員時(shí)，加速度 a≦ ，升降物料時(shí)，加速度 a≦ ,另外不得超過(guò)提升機(jī)的減速器所允許的動(dòng)力矩。 (2) 具有良好的調(diào)速性能。要求速度平穩(wěn)，調(diào)速方便，調(diào)速范圍大，能滿足各種運(yùn)行方式及提升階段 (加速、減速、等速、爬行等 ) (3) 有較好的起動(dòng)性能。提升機(jī)不同于其他機(jī)械，穩(wěn)定運(yùn)行的要求。洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 不可能待系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)后再裝加物料，因此，必須能 重載啟動(dòng)，有較高的過(guò)載能力。 (4) 特性曲線要硬。要保證負(fù)載變化時(shí)，提升速度基本上不受影響，防止負(fù)載不同時(shí)速降過(guò)大，影響系統(tǒng)正常工作 (當(dāng)然，當(dāng)負(fù)載超過(guò)一定的限度時(shí)，還要求系統(tǒng)能有效的自我保護(hù)。迅速安全制動(dòng)停車(chē)，即所謂要具備挖土機(jī)機(jī)械特性 )。 (5) 工作方式轉(zhuǎn)換容易。要能夠方便的進(jìn)行自動(dòng)、半自動(dòng)、手動(dòng)、驗(yàn)繩、調(diào)繩等工作方式的轉(zhuǎn)換，操作方便，控制靈活，不至于因工作方式的轉(zhuǎn)換影響正常生產(chǎn)。 (6) 采用新技術(shù)和節(jié)能設(shè)備，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制和提高整個(gè)系統(tǒng)的工作效率。具備必要的連鎖和安全保護(hù)環(huán)節(jié)，確保系統(tǒng)安全運(yùn)行 .盡量節(jié)約能源和降低運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用。 提升機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 控制單元基本原理 我國(guó)提升機(jī)設(shè)備中，普遍使用 TKD 系統(tǒng)，這種控制系統(tǒng)是采用繼電器有觸點(diǎn)的邏輯控制，以磁放大器為核心組成模擬量閉環(huán)調(diào)節(jié)。在繼電器控制系統(tǒng)中，要完成一個(gè)控制任務(wù)，支配控制系統(tǒng)工作的“程序”是由各分立元件 (繼電器、接觸器、電子元件等 )用導(dǎo)線連接起來(lái)加以實(shí)現(xiàn)的，這樣的控制系統(tǒng)稱(chēng)為接線程序控制系統(tǒng)。在接線程序控制系統(tǒng)中，控制程序的修改必須通過(guò)改變接線來(lái)實(shí)現(xiàn)。 幾十年來(lái) ，這種控制系統(tǒng)由于受元件水平的限制而存在著缺 陷，突出表現(xiàn)在 : (1) 使用大量繼電器、接觸器及其它分立電子元件，系統(tǒng)體積大，運(yùn)行噪聲大，功耗高，接線復(fù)雜，故障率高，工作穩(wěn)定性和可靠性差，控制速度慢，控制精度差，功能改變難度大，使用壽命短。 (2) 在啟動(dòng)過(guò)程中，由于罐籠的實(shí)際載重量不同，實(shí)際的加速過(guò)程并非按照預(yù)定的設(shè)計(jì)參數(shù)運(yùn)行，常常出現(xiàn)停車(chē)不準(zhǔn)確甚至提前停車(chē)現(xiàn)象。 (3) 采用磁放大器做調(diào)節(jié)控制，穩(wěn)定性差，線性度差，調(diào)速精度很難洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 保證。 (4) 系統(tǒng)安全保護(hù)環(huán)節(jié)不全面，工作不可靠，故障顯示不直觀，分析查找故障難度大，缺乏運(yùn)行參數(shù)顯示功能 . (5) 調(diào)速 性能差，機(jī)械沖擊大，人員乘車(chē)舒適性差。 這些不足主要是因?yàn)椴捎美^電器控制方式造成的，在這種控制方式下繼續(xù)改善的余地不大。如果對(duì)該豎井提升機(jī)電控系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，那么需要改變控制策略，采用當(dāng)代高新實(shí)用技術(shù)來(lái)控制，使之成為安全、可靠、高效率、自動(dòng)化程度高的電控系統(tǒng)。是可編程序邏輯控制器，簡(jiǎn)稱(chēng) PLC，PLC 技術(shù)是現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的重要手段，由它構(gòu)成的控制系統(tǒng)邏輯控制由PLC 通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)，柔性強(qiáng)，控制功能多，控制線路大大簡(jiǎn)化 。PLC 的輸入喻出回路均帶有光電隔離等抗干擾和過(guò)載保護(hù)措施，程序運(yùn)行為循環(huán)掃描工作方式，且 有故障檢測(cè)及診斷程序，可靠性極高 。PLC 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為模塊化結(jié)構(gòu)，維護(hù)更換方便，并可顯示故障類(lèi)型。 圖 11 為可編程控制器控制系統(tǒng)。其輸入設(shè)備和輸出設(shè)備與繼電器控制系統(tǒng)相同，但它們是直接接到可編程序控制器的輸入端和輸出端的?？刂瞥绦蚴峭ㄟ^(guò)一個(gè)編程器寫(xiě)到可編程控制器的程序存儲(chǔ)器中 .每個(gè)程序語(yǔ)句確定了一個(gè)順序，運(yùn)行時(shí)依次讀取存儲(chǔ)器中的程序語(yǔ)句，對(duì)它們的內(nèi)容進(jìn)行解釋并加以執(zhí)行，執(zhí)行結(jié)果用以接通輸出設(shè)備，控制被控對(duì)象工作。在存儲(chǔ)程序控制系統(tǒng)中，控制程序的修改不需要通過(guò)改變控制器內(nèi)部的接線 (即硬件 )，而只需通過(guò)編程器 改變程序存儲(chǔ)器中某些語(yǔ)句的內(nèi)容。 輸 入 設(shè) 備按 鈕 、 限 位 開(kāi) 關(guān) 、操 作 手 柄可 編 程 控 制 器輸 出 設(shè) 備繼 電 器 和 電 磁 閥被 控 制 的 機(jī) 械 設(shè) 備 或 生 產(chǎn) 過(guò) 程 圖 11 可 編程控制器控制系統(tǒng)框圖 可編程邏輯控制器因?yàn)槠渚哂懈呖煽啃砸约败浖删幊痰膬?yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 代控制中越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。 對(duì)于一般提升機(jī)電控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，采用一套中小容量的 PLC 即可滿足要求，其價(jià)格也不高 .如果采用 PLC 技術(shù)對(duì) TKDA 電控系統(tǒng)進(jìn)行改造，把原來(lái)由各種電器通過(guò)連線而實(shí)現(xiàn)的邏輯控制改由 PLC 通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)，則控制線路將大大簡(jiǎn)化，設(shè)備體積、設(shè)備維修量將大大減小，抗干 擾能力將大大增強(qiáng)，工作可靠性將大大提高，工藝改變時(shí)只需要改變控制程序即可。改造時(shí)保持原有的操作方式、按鈕、開(kāi)關(guān)、主令控制器作用不變，則用戶使用起來(lái)將非常方便，不需要適應(yīng)期。同時(shí)可以利用 PLC 的高速計(jì)數(shù)功能、網(wǎng)絡(luò)通信功能、故障檢測(cè)及診斷功能、信號(hào)顯示功能等來(lái)增加一些新的控制功能，安全性將大大提高，運(yùn)行將更加平穩(wěn)、準(zhǔn)確，完全能夠滿足礦山生產(chǎn)的苛刻要求，而且投資相對(duì)較少，性價(jià)比較高，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。 調(diào)速基本原理 礦井提升機(jī)，從電力拖動(dòng)而言，可分為交流拖動(dòng)和直流拖動(dòng)兩大類(lèi)。我國(guó)目前正在服務(wù)的礦井 提升機(jī)的電控系統(tǒng)中，屬于交流拖動(dòng)的有轉(zhuǎn)子電路串電阻的調(diào)速系統(tǒng) :屬于直流拖動(dòng)的有直流發(fā)電機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)組成的GM 調(diào)速系統(tǒng)和晶閘管整流裝置供電的 VM 調(diào)速系統(tǒng)。 直流拖動(dòng)系統(tǒng)一般采用他勵(lì)電動(dòng)機(jī)作為主拖動(dòng)電機(jī)，它具有調(diào)速性能好，低速階段運(yùn)行穩(wěn)定，在加速，減速和低速運(yùn)行時(shí)的電耗小，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制等優(yōu)點(diǎn) .根據(jù)供電方式的不同，直流拖動(dòng)系統(tǒng)又可分為兩類(lèi)，一類(lèi)是發(fā)電機(jī)組供電的系統(tǒng) (簡(jiǎn)稱(chēng) GM 系統(tǒng) )，一類(lèi)是晶閘管供電的系統(tǒng) (簡(jiǎn)稱(chēng)VM 系統(tǒng) )。 GM 系統(tǒng)的特點(diǎn)是過(guò)載能力強(qiáng)，所需設(shè)備均為常規(guī)定型產(chǎn)品，供貨容易，運(yùn)行可靠， 維護(hù)工作量大但是技術(shù)要求不高，對(duì)系統(tǒng)以外的電網(wǎng)不會(huì)造成有害的影響，即不會(huì)引起電力公害等。 與 GM 系統(tǒng)相比， VM 系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn) :功率放大倍數(shù)高， GM 系統(tǒng)的功率放大倍數(shù)在 101 左右， VM 系統(tǒng)可高達(dá) 104，比 GM 系統(tǒng)高三個(gè)數(shù)量級(jí) ?？焖夙憫?yīng)性好， GM 系統(tǒng)為秒級(jí)， VM 為毫秒級(jí)，因而動(dòng)態(tài)品質(zhì)快速性能較好 。功耗小、效率高， GM 系統(tǒng)平均效率為 75%左右， VM 系統(tǒng)可達(dá) 85%左右，比 GM 系統(tǒng)效率提高 10%以上 。調(diào)速范圍大，由于剩磁洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 影響， GM 系統(tǒng)在調(diào)速時(shí)轉(zhuǎn)速受到限制，而 VM 系統(tǒng)調(diào)速時(shí)速度從零到最大速度都 能控制，運(yùn)行可靠。 直流拖動(dòng)系統(tǒng)具有調(diào)速性能好的特點(diǎn)，是交流拖動(dòng)系統(tǒng)無(wú)法相比的。而 VM 系統(tǒng)由于具有以上一些突出的特點(diǎn)，因此，目前在大型提升機(jī)方面，世界各國(guó)大多采用直流拖動(dòng)方案，尤以 VM 系統(tǒng)為主。但是根據(jù)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明， VM 系統(tǒng)尚存在以下缺點(diǎn) : (1) 晶閘管元件的過(guò)載能力 (過(guò)電壓、過(guò)電流 )較低，因此在礦井提升機(jī)系統(tǒng)中作為供電元件時(shí)，為了適應(yīng)瞬時(shí)過(guò)載 (例如提升機(jī)的加速階段 )的需要，通常將元件的容量和耐壓等級(jí)都相應(yīng)增大，或者增加使用的晶閘管元件數(shù)量，使元件作串聯(lián)或并聯(lián)運(yùn)行，即使用的元件在正常負(fù)載時(shí)處 于低負(fù)載 (降級(jí)使用 )，以確保在過(guò)載的加速階段，晶閘管元件的負(fù)載仍然在額定負(fù)載的范圍內(nèi)，不致由于出現(xiàn)過(guò)負(fù)荷時(shí)使晶閘管元件燒毀。但由于這種降級(jí)使用，也給生產(chǎn)維護(hù)上增加了困難。 (2) 有沖擊性的無(wú)功功率。由于高次諧波的影響，使電網(wǎng)電壓的波動(dòng)加大并導(dǎo)致畸變，即所謂引起“電力公害” :同時(shí)低速時(shí)功率因數(shù)也較低。 目前 ,在我國(guó)使用的多繩摩擦輪提升機(jī)， GM 直流拖動(dòng)占一定比例，而進(jìn)口的直流拖動(dòng)提升系統(tǒng)，則全部采用 VM 系統(tǒng)。 傳統(tǒng)的串電阻交流拖動(dòng)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，堅(jiān)固耐用，占地面積小，維護(hù)方便，運(yùn)行可靠?jī)r(jià)格低廉，設(shè)備供貨 容易，安裝調(diào)試周期短等優(yōu)點(diǎn) .主要缺點(diǎn)是啟動(dòng)階段電能損耗較大，當(dāng)用于要求頻繁啟動(dòng)或不同運(yùn)行速度的多水平提升機(jī)時(shí)就更為不經(jīng)濟(jì)。但用于單水平提升時(shí)，其提升效果實(shí)際上與用發(fā)電機(jī)組供電的直流拖動(dòng)系統(tǒng)相當(dāng)。此外在調(diào)速性能方面，交流拖動(dòng)系統(tǒng)一般不如直流拖動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)越，但選用了動(dòng)力制動(dòng)、低頻制動(dòng)、可調(diào)機(jī)械閘、負(fù)荷測(cè)量、計(jì)算裝載等輔助裝置后，交流拖動(dòng)系統(tǒng)亦可獲得滿意的調(diào)速性能。綜上原因，交流拖動(dòng)系統(tǒng)在我國(guó)中小型礦山或者中等深度以下礦井獲得了廣泛應(yīng)用。 目前交流調(diào)速最有前途的是變頻調(diào)速技術(shù)，在變頻調(diào)速技術(shù)中矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制 都能滿足提升機(jī)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載這一特征，所以在提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中這兩種調(diào)速方案將是重要發(fā)展方向。 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 基于 PLC 控制的大功率礦井提升機(jī)變頻調(diào)速 控制系統(tǒng)由主控系統(tǒng)、變頻系統(tǒng)、液壓站、潤(rùn)滑站、操作臺(tái)、安全保護(hù)和控制監(jiān)視系統(tǒng)組成。 系統(tǒng)框圖如圖 12 所示 控 制 監(jiān) 視 系統(tǒng)P L C 主 令 控 制 變 頻 器液壓站旋轉(zhuǎn)編碼器M交 流 提 升 電 動(dòng) 機(jī)3 8 0 V 潤(rùn)滑站操 作 臺(tái)保護(hù)和連接 圖 12 提升機(jī)控制系統(tǒng)框圖 各部分功能如下 （ 1）主控系統(tǒng) 系統(tǒng)的主控系統(tǒng)使用 PLC 集成高速計(jì)數(shù)輸入口以及特殊高速計(jì)數(shù)模塊相結(jié)合，對(duì)分別安裝于電機(jī)軸、輥筒主軸、天輪的四個(gè)編碼器數(shù)據(jù)進(jìn)行采 集，同時(shí)監(jiān)視速度、深度以及判斷松繩； A/D 模塊采集現(xiàn)場(chǎng)液壓站及潤(rùn)滑站的油壓、油溫等信號(hào) 。在井筒及深指器各階段安裝行程開(kāi)關(guān)，用以確定罐籠位置，并相互校驗(yàn)，達(dá)到停車(chē)位的精確控制。程序編制滿足提升機(jī)自動(dòng)、半自動(dòng)、手動(dòng)、驗(yàn)繩、調(diào)繩等工作方式，并可方便的轉(zhuǎn)換 。滿足提升階段 (如加速、減速、等速、爬行等 )穩(wěn)定運(yùn)行的要求。 （ 2）變頻調(diào)速系統(tǒng) 調(diào)速系統(tǒng)采用德國(guó)制造西門(mén)子變頻器，性能優(yōu)越，采用矢量控制技術(shù)適合提升機(jī)工作環(huán)境，只需在控制單元給出對(duì)變頻器的控制命令 (正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、多段速等 )即可使提升機(jī)按照設(shè)定的速度曲線運(yùn)行，滿足提 升階段穩(wěn)定洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 運(yùn)行的要求。變頻調(diào)速裝置本身具有過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、過(guò)負(fù)荷、缺相、超溫等保護(hù)，同時(shí)配合來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的各種信號(hào)傳感器的監(jiān)視及相應(yīng)處理，可實(shí)現(xiàn)絞車(chē)過(guò)卷、過(guò)速、減速、限速等重要保護(hù)的雙線制保護(hù)功能，滿足煤礦安全規(guī)程要求。在變頻器系統(tǒng)中輸出閘控信號(hào)到 PLC，要求只有在變頻的輸出轉(zhuǎn)矩達(dá)到一定值的時(shí)候才可以松閘，這樣會(huì)避免豎井提升機(jī)啟動(dòng)時(shí)發(fā)生溜車(chē)現(xiàn)象。 （ 3）液壓站 為提升機(jī)提供制動(dòng)力，停車(chē)時(shí)先通過(guò)液壓站給卷筒施加機(jī)械制動(dòng)力，再取消直流制動(dòng)力；提升機(jī)起動(dòng)時(shí)，先對(duì)電機(jī)施加直流制動(dòng)，再松開(kāi)機(jī)械抱閘，防止溜車(chē)，以保證系統(tǒng) 安全可靠地工作。 （ 4）操作臺(tái) 操作臺(tái)設(shè)置兩個(gè)手柄，分別用于速度輔助給定及制動(dòng)力給定。它是整個(gè)礦井提升機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)的控制核心，通過(guò)它可以設(shè)定系統(tǒng)的工作方式和控制方式，可以發(fā)布系統(tǒng)的各種控制命令，以實(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)啟動(dòng)、加速、平穩(wěn)運(yùn)行、減速、停車(chē)以及緊急制動(dòng)等各種控制功能。 （ 5）控制監(jiān)視系統(tǒng)： 是操作人員和控制系統(tǒng)及運(yùn)輸系統(tǒng)之間的橋梁，它可以在線監(jiān)測(cè)提升機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)的各種工作參數(shù)、工作狀態(tài)、故障參數(shù)和故障狀態(tài)。 （ 6）安全保護(hù) 本系統(tǒng)設(shè)有一條硬件安全電路和兩條軟件安全電路，這三條安全電路相互冗余與閉鎖，一條斷開(kāi)時(shí)， 另兩條也同時(shí)斷開(kāi)。硬安全回路通過(guò)硬件回路實(shí)現(xiàn)，無(wú)論 PLC 單元是否正常工作，一旦出現(xiàn)重度故障信號(hào)，硬安全回路馬上斷開(kāi) 。軟安全回路分別在兩套 PLC 軟件中搭建，與硬安全回路相同并且同時(shí)動(dòng)作。安全電路斷開(kāi)后，系統(tǒng)會(huì)立即解除運(yùn)行控制指令，封鎖變頻器，制動(dòng)油泵，斷開(kāi)安全閥和 KT 線圈，進(jìn)行緊急制動(dòng)。安全保護(hù)功能齊全，設(shè)有過(guò)卷、等速超速、定點(diǎn)超速、 PLC 編碼器斷線、錯(cuò)向、傳動(dòng)系統(tǒng)故障及自動(dòng)限速等保護(hù)功能。 控制系統(tǒng)工作原理：當(dāng)司機(jī)聽(tīng)到開(kāi)車(chē)信號(hào)時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕， PLC 控制將 380V 動(dòng)力電源接入變頻器。再松開(kāi)液壓制動(dòng)閘并將主 令控制器推到正向（或反向），提升機(jī)開(kāi)始運(yùn)行。在提升過(guò)程中，控制提升機(jī)運(yùn)行的主洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 速度給定 S 形速度曲線由 PLC 編程產(chǎn)生，經(jīng)過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換，由模擬量輸出口輸出，以驅(qū)動(dòng)變頻器工作；對(duì)變頻器輸出頻率的調(diào)整控制，也可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的工況需要，由操作臺(tái)速度控制手柄以輔助給定的方式進(jìn)行控制。旋轉(zhuǎn)編碼器可以檢測(cè)主電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，并將此信號(hào)傳送給可編程控制器， PLC通過(guò)該信號(hào)可以累計(jì)計(jì)算提升機(jī)的速度及行走距離，監(jiān)視器可以時(shí)時(shí)顯示提升機(jī)速度和位置。 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 第 2 章 礦井提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) PLC 的設(shè)計(jì) PLC 簡(jiǎn)介 可編程序控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用可編程序