【正文】 ........................................................................ 38 附錄 A 系統(tǒng)總原理圖 .................................................................................................. 39 附錄 B 程序（部分） ................................................................................................... 40 河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 緒論 1 1 緒論 設(shè)計 來 源 礦井提升機(jī)是機(jī)、電、液一體化的大型機(jī)械，廣泛用于煤炭、金屬、化工等礦山的豎井、斜井 中 ，是生產(chǎn)運輸?shù)闹饕ぞ?。在煤炭生產(chǎn)中提升機(jī)擔(dān)負(fù)著提升煤炭、 矸石、下放材料、升降人員和設(shè)備的任務(wù)，是聯(lián)系井上與井下的唯一設(shè)備 ，素有礦井“咽喉”之稱。 礦井 提升 機(jī) 的電力傳動特性復(fù)雜， 拖動電動機(jī)頻繁正反轉(zhuǎn) ，經(jīng)常處于過負(fù)荷運轉(zhuǎn)和電動、制動不斷地轉(zhuǎn)換的狀態(tài)中。 對 礦井 提升機(jī)來說，運行的安全 性 、可靠性是至關(guān)重要的，主 井 直接關(guān)系到礦山的生產(chǎn)效率，作為運送人員的副井，一旦發(fā)生故障，往往造成機(jī)毀人亡。 礦井 提 升機(jī)運行的安全可靠不僅 涉及到井下工 作人員的生命安全 ， 而且還 直接影響整個礦井的生產(chǎn)能力和 經(jīng)濟(jì)效益 。因此，研制并制造即安全可靠又 經(jīng)濟(jì)高效 的 礦井 提升機(jī)是煤礦安全生產(chǎn)的一項重要課題。 近年來，我國有關(guān)部門 礦井在提升機(jī)安全方面做了大量工作，使礦井提升機(jī)的安全可靠性 有了長足進(jìn)步，并將“可靠性系統(tǒng)工程”的理念引入了礦井提升機(jī)領(lǐng)域。 與之相適應(yīng)， 礦井提升機(jī) 對其電控系統(tǒng)安全可靠性的要求也愈來愈高。因此，在設(shè)計礦井提升機(jī) 調(diào)速控制系統(tǒng) 時，總是把安全性、可靠性放在首要位置。 從 上世紀(jì) 80年代開始，隨著計算機(jī)技術(shù)和 電力電子技術(shù)的發(fā)展， PLC（ 可編程控制器 ） 和變頻器在提 升機(jī) 調(diào)速控制系統(tǒng)中逐步得到采用。 PLC具有可 靠性高、抗干擾力能強(qiáng)、實現(xiàn)繼電邏輯容易，基本免于維護(hù)等獨特優(yōu)點；變頻器 調(diào)速具有優(yōu)異的調(diào)速性能、 平穩(wěn) 的 起制動 性能、比較高的工作效率 /功率因數(shù)、明顯的節(jié)能效果； 從而使得 礦井 提升機(jī) 調(diào)速 控制系統(tǒng)的安全性 、可靠性 得到了很大的提高。 假設(shè)某煤礦設(shè)計年產(chǎn)量 nA =60萬 t ，采用一對立井開發(fā)，主井已知數(shù)據(jù)： ① 提升工作制度為每年工作日 nB =300天，每日工 作小時數(shù) hTr 14? ； ② 單水平提升，井筒深度 mHs 450? ； ③ 箕斗卸載高度 mHx 16? ，裝載高度 mHz 18? ； ④ 松散煤的密度為 3/ mt ； ⑤ 一套箕斗提升設(shè)備，采用雙筒單繩纏繞式提升機(jī)。 根據(jù) 此煤礦的 實際情況， 并廣泛調(diào)查國內(nèi)外 礦井 提升機(jī) 調(diào)速控制系統(tǒng) 的發(fā)展?fàn)顩r 設(shè)計 出適合 該煤礦的 安全可靠、效率高 、經(jīng)濟(jì)的 提升機(jī)調(diào)速 控制 系統(tǒng) 。 國內(nèi)外 提升機(jī)發(fā)展 狀況 近幾十年來，國外 礦井 提升機(jī) 的 機(jī)械部分和電氣部分都得到了飛速的發(fā)展。河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 緒論 2 其中 交流繞線型異步電動機(jī)拖動 方式 是 礦井提升機(jī)電力拖動發(fā)展的第一階段，大體在 20世紀(jì) 50年代至 60年代初，采用的是“異步電機(jī) +轉(zhuǎn)子串電阻加速 +高壓接觸器換向 +動力制動 （ 或低頻拖動減速 ） +繼電器控制”方式。 同時期使用的還有 發(fā)電機(jī) 電動機(jī)直流拖動 方式，其 一般采用“發(fā)電機(jī) 電動機(jī)機(jī)組 +繼電器控制”的方式。 自 20世紀(jì) 60年代初到 70年代，在近 20年的時間里，伴隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，晶閘管 整流裝置供電的直流拖動系統(tǒng)得到 了 迅速發(fā)展和 普 及。為 了 獲得可逆運行特性以實現(xiàn)四象限調(diào)速，系統(tǒng)通常采取兩種電氣控制方案：一種是電樞可逆自動調(diào)速方案，通過改變直流電動機(jī)的電樞電壓的極性，改變提升機(jī)運行方向；另一種是磁場可逆自動調(diào)速方案，通過改變直流電動機(jī)勵磁電流方向，來改變提升機(jī)的運行方向。不論采取哪種方 案，調(diào)速方法一般以調(diào)壓為主，調(diào)磁為輔。 20世紀(jì) 80年代初期，開始采用交 交變頻器供電的交流拖動方式。 1982年，世界上第 1臺 利用 交 交變頻器供電的同步電動機(jī)拖動的礦井提 升機(jī)在西德問世并投入使用，一舉獲得了巨大成 功，從此，礦井提升機(jī)的電力拖動進(jìn)入了交流變 頻拖動階段 。 在提升機(jī)機(jī)械和電氣傳動技術(shù)飛速發(fā)展的同時，計算機(jī)技術(shù)的 飛速 發(fā)展，使礦井 提升機(jī)的電 氣控制系統(tǒng)更是日新月異。早在上世紀(jì)七十年代，國外就將 PLC應(yīng)用于 礦井 提升機(jī) 的 控制。上世紀(jì)八十年代初，計算機(jī)又被用于提升機(jī)的監(jiān)視和管理。計算機(jī)和 PLC的應(yīng)用，使 礦井 提升機(jī) 的 自動化水平、安全 性、可靠性都達(dá)到了一個新的高度，并提供了 現(xiàn)代化的管理、監(jiān)視手段，同時期在國外一些著名的 礦井 提升機(jī)制造公司，如西門子、 ABB、 ALSTHOM都利用新的技術(shù)和裝備，開發(fā)或完善了 礦井 提升機(jī)的安全保護(hù)和監(jiān)控裝置，使安全保護(hù)性能又 有了新的提高 。 就在國外科學(xué)提升機(jī)控制技術(shù)突飛猛進(jìn)發(fā)展的同時，我國的提升機(jī)電控系統(tǒng)一直都處于落后的狀態(tài)。直到目前為止，我國正在服務(wù)的礦井提升機(jī) 電控系統(tǒng)還是在 轉(zhuǎn)子回路串電阻分段控制的交流繞線式電機(jī)繼電器接觸器系統(tǒng) 。 這種系統(tǒng) 設(shè)備陳舊、技術(shù)落后、安全性、可靠性 較 差，在關(guān)鍵部位 —— 上下兩井口減速區(qū)段都沒有配套的有效的速度監(jiān)視裝置，和國外相比，我們存在很大的差距。 設(shè)計 內(nèi)容及意義 設(shè)計內(nèi)容 本文以某煤礦主立井提升機(jī)調(diào)速 控制系統(tǒng) 為工業(yè)背景，在已經(jīng)非常成熟但調(diào)速方法比較落后的交流拖動技術(shù)基礎(chǔ)上，通過基于 PLC的 變 頻 控制技術(shù)在礦井提升機(jī)行程、速度和制動控制中的應(yīng)用 ，闡述了新型 礦井 提升機(jī) 調(diào)速 控制系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用情況 。 河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 緒論 3 本設(shè)計的 主要工作有： ① 礦井提升機(jī)調(diào)速控制 系統(tǒng) 的 設(shè)計； ② 調(diào)速控制 系統(tǒng) 硬器件的選型 ； ③ 調(diào)速控制 系統(tǒng) 軟件部分的設(shè)計 ； ④ 對所設(shè)計的系統(tǒng)進(jìn)行分析。 設(shè)計意義 目前國內(nèi)提升機(jī)的調(diào)速控制 系統(tǒng)絕大多數(shù)還是在 電機(jī) 轉(zhuǎn)子回路串 入電阻分段控制的交流繞線式電機(jī)繼電器接觸器系統(tǒng)。 這種控制方式 設(shè)備陳舊、技術(shù)落后，存在著很多的問題 ： ① 在 轉(zhuǎn)子回路串接電阻，消耗 大量 電能，造成能源浪費。 ② 電阻分級切換，為有級調(diào)速， 設(shè)備運行不平穩(wěn)，容易引起電氣及機(jī)械沖擊。 ③ 繼電器、接觸器頻繁動作，電弧燒蝕觸點，影響接觸器使用壽命，維修成本較高。 ④ 系統(tǒng)的 安 全性、可靠性不高 ，容易發(fā)生 事故。 ⑤ 電動機(jī)依靠轉(zhuǎn)子電阻獲得的低速，其運行特性較軟。 ⑥ 提升容器通過給定的減速點時，由于負(fù)載的不同，而將得到不同的減速度，不能 達(dá)到穩(wěn)定的低速爬行，最后導(dǎo)致停車位置不準(zhǔn)，不能正常裝卸載。 因此，需要研制更加安全可靠的控制系統(tǒng)，使提升機(jī)運行的可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)性和高效性得到提高。在提升機(jī)控制系統(tǒng)中應(yīng)用計算機(jī)控制技術(shù)和變頻調(diào)速技術(shù)，對原有提升機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行 升級換代。 本設(shè)計 從解決實際礦井提升機(jī)調(diào)速 控制 系統(tǒng) 的問題出發(fā)，控制單元采用目前工控適用的 PLC來控制； 電力拖動系統(tǒng)中，選用先進(jìn)的變頻傳動裝置； 優(yōu)化了 礦井提升機(jī) 調(diào)速 控制系統(tǒng)的性能。 甩掉了原電控調(diào)速用的交流接觸器及調(diào)速阻，提高了系統(tǒng)的可靠性，改善了操作人員的工作環(huán)境，使噪音及室溫降低了很多；調(diào)速連續(xù)方便，分段預(yù)置頻率，能根據(jù)負(fù)荷情況連續(xù)平滑調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，無機(jī)械沖擊現(xiàn)象；實現(xiàn)了低頻低壓的軟起動和軟停止，使停車運行更加平穩(wěn)；啟動及加速過程沖擊電流小， 可以實現(xiàn) 提 礦井升機(jī)在重載下從低速平穩(wěn)無級平滑地升至最高速。 目前 ，這一控 制方法為現(xiàn)代交流調(diào)速 中比較先進(jìn)的調(diào)速控制方式 之一。 安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、高效 的礦井 提升機(jī)調(diào)速 控制 系統(tǒng)設(shè)計 是本設(shè)計 的追求目標(biāo)。 河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 基于 PLC 的礦井提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng) 4 2 基于 PLC 的 礦井提升機(jī) 變頻調(diào)速系統(tǒng) PLC 簡介 自 1969 年第一臺 PLC 問世以來，歷經(jīng) 40余 年的發(fā)展， PLC 已經(jīng)成為一種最重要、最普及、應(yīng)用場合最多的工業(yè)控制器，可以說只有 PLC 才是真正的工業(yè)控制計算機(jī)。初期 PLC 只是用于邏輯控制的場合，用于代替繼電器控制盤，但是現(xiàn)在PLC已經(jīng)進(jìn)入包括過程控制、位置控制等場合的所有控制領(lǐng)域?，F(xiàn)在 PLC 繼續(xù)保留了原來邏輯控制器的所有優(yōu)點 ，同時它吸收了其它控制設(shè)備 (如過程儀表、計算機(jī)、集散系統(tǒng)、分散系統(tǒng)等 )的優(yōu)點，在許多 控制 場合只需 PLC 即可構(gòu)成包括邏輯控制、工程控制、數(shù)據(jù)采集及控制、圖 形工作站的經(jīng)濟(jì)合算、體積小巧、設(shè)計調(diào)試方便的綜合控制系統(tǒng)。 PLC 是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)， PLC 及有關(guān)外部設(shè)備都按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體、易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計 ， 并通過數(shù)字式或輸入輸出控制各類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。 它的基本功能有：邏輯控制功能、定時控制功能、計數(shù)控制功能、步進(jìn)控制功能、數(shù)據(jù)處理功能、過程控制功能、通信聯(lián)網(wǎng)功能、監(jiān)控功能、停電記 憶功能、故障診斷功能。 PLC 主要有中央處理器（ CPU）、存儲器（ RAM、 EPROM）、 I/O 口、電源、擴(kuò)展接口和編程器接口等幾部分組成，其結(jié)構(gòu)框圖 如圖 。 圖 PLC結(jié)構(gòu)框圖 PLC 作為“藍(lán)領(lǐng)計算機(jī)” 是面向用戶的專用控制計算機(jī)， 有著其它工業(yè)控制設(shè)河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 基于 PLC 的礦井提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng) 5 備很難具備的特性 ： ① 高可靠性 ，抗干擾能力強(qiáng) PLC 是專為工業(yè)控制而設(shè)計的，選用的電子器件一般是工業(yè)級的 ， 適用 于惡劣的工業(yè)環(huán)境 。在硬件和軟件方面還采用了屏蔽、濾波、光電隔離、故障診斷和自動恢復(fù)等措施 。 到目前為止沒有任何一種工業(yè)控制設(shè)備可以達(dá)到 PLC 的可 靠性。平均無故障時間已達(dá)到 2萬小時以上， 隨著器件水平的提高， PLC 的可靠性還在繼續(xù)提高 。 ② 編程方便，易于使用 PLC 采用與實際電路接線圖非常接近的梯形圖， 這種圖形編程方式 形象直觀、易懂易編。 具有一定電工知識的人員都可以在短時間內(nèi)學(xué)會，使用起來得心應(yīng)手。 ③ 與其他裝置配置聯(lián)接方便 、維護(hù)簡單 PLC 是通過程序?qū)崿F(xiàn)控制的。當(dāng)控制要求發(fā)生改變時，只要修改程序即可。 PLC的接口原則是使外部接線、電平轉(zhuǎn)換盡量少。 1） 對于開關(guān)量，輸入可以是無源出點開關(guān)量或集電極開路晶體管輸出；輸出有繼電器、晶閘管、晶體管等各種不同的 形式，可直接接各種不同類型的接觸器、電磁閥等。 2） 對于模擬量，只要模擬信號電平在一定的范圍內(nèi) (通常為177。 10V 或177。 20mA)， 就可以按要求自由設(shè)置轉(zhuǎn)換特性，而不需另加電平轉(zhuǎn)換。另外還有運用熱電偶直接輸入的 A/D轉(zhuǎn)換器等，此時就連放大器、冷端補(bǔ)償也不需要。 3） 對于各種顯示、音響輸出更是以最方便的形式提供接口，大量的問題都在PLC內(nèi)部解決了。 4） 對于數(shù)據(jù)通訊，只需同軸電纜和普通 RS232 或 RS422 接口即可，不必由用戶來考慮波特率及通訊規(guī)程等具體問題。 變頻調(diào)速 變頻調(diào)速的基本原理 在 異步電動機(jī)定子對稱的三相繞組中通入對稱的三相交流電，在電機(jī)氣隙內(nèi)會產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，其旋轉(zhuǎn)速度為同步轉(zhuǎn)速 pfn 10 60? 式中 1f —— 定子繞組電源頻率， p —— 電機(jī)磁極對數(shù)。 異步電動機(jī)轉(zhuǎn)差率 00n nns ?? 河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 基于 PLC 的礦井提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng) 6 則異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速 )1(60)1( 10 spfsnn ???? 由上式可知，異步電動機(jī)調(diào)速方法有如下幾種 ①變同步轉(zhuǎn)速 0n ： 變極 p 、變頻 1f 。 ② 變轉(zhuǎn)差率 s ： 定子調(diào)壓、轉(zhuǎn)子串電阻、電磁轉(zhuǎn)差離合器、串級調(diào)速。 有電機(jī)學(xué)可知，轉(zhuǎn)差功率： 2s em CuP sP P?? 式中 emP —— 電磁功率，2CuP—— 轉(zhuǎn)子銅耗。 由上式可知，變頻調(diào)速與變極調(diào)速為轉(zhuǎn)差功率不變型，不論其轉(zhuǎn)速高低，轉(zhuǎn)差功率消耗基本不變。 在交流異步電動機(jī)的諸多調(diào)速方法中， 變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速性能、 平穩(wěn) 的 起制動 性能、比較高的工作效率 /功率因數(shù)、明顯的節(jié)能效果和廣泛的適用范圍 被國內(nèi)外公認(rèn)為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。 變頻調(diào)速是改變電動機(jī)定子電源的頻率，從而改變其同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法。 隨著電力電子技術(shù) 和計算機(jī)控制技術(shù)的飛速發(fā)展，交流變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展也十分迅速。電動機(jī)交流變頻 調(diào)速技術(shù)是當(dāng)今節(jié)能、改善工藝流程 和改善 工作環(huán)境 的一種 重要手段。 變頻 器 變頻調(diào)速系統(tǒng)主要設(shè)備是提供變頻電源的變頻器 。變 頻器 就 是利用電