【正文】 基于PLC的礦井提升機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘 要 本文針對(duì)提升機(jī)控制系統(tǒng)中存在的上述問(wèn)題，把可編程序控制器和變頻器應(yīng)用于提升機(jī)控制系統(tǒng)上，并在可行性方面進(jìn)行了較深入的研究。根據(jù)提升機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)，控制系統(tǒng)采用工控機(jī)監(jiān)控提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)， PLC控制系統(tǒng)、變頻調(diào)速系統(tǒng)等組成。為了提高系統(tǒng)的可靠性，對(duì)提升機(jī)各種物理量及控制單元進(jìn)行控制監(jiān)控。提升機(jī)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)由工控機(jī)或觸摸屏和組態(tài)軟件組成。用戶(hù)在組態(tài)環(huán)境中完成動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)、設(shè)備連接、編寫(xiě)控制流程和工程所需要的信息報(bào)表以及結(jié)果打印等。主控系統(tǒng)采用PLC系統(tǒng)，硬件簡(jiǎn)潔、軟件靈活性強(qiáng)、調(diào)試方便、維護(hù)量小，配合一些專(zhuān)用電子模塊組成的提升機(jī)控制設(shè)備，可供控制高壓帶動(dòng)動(dòng)力制動(dòng)或低頻制動(dòng)等。同時(shí)能檢測(cè)各電機(jī)故障現(xiàn)象并送往上位機(jī)顯示。減少了傳統(tǒng)繼電器接觸式控制系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié)，減少了硬件和控制線，極大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可靠性。關(guān)鍵詞：礦用提升機(jī)；變頻調(diào)速；矢量控制；可編程控制器The Freouency Conversion Use on The Speed Adjustment of Shaft Hoist on The Basis of PLC Control　　　　　　　 ABSTRACTElevator Control System In this paper, the above problems exist in the PLC and frequency converter used in elevator control system, and for a more indepth feasibility study. According to the operation of hoist features, the control system IPC VVVF elevator control system, PLC control systems, frequency control system ponents. In order to improve system reliability, and various physical quantities on the elevator control unit to control monitoring. Dynamic monitoring of elevator or the touch screen by IPC and configuration software. User environment, plete the animation in the configuration design, equipment connections, control flow and project preparation of the required information statements, and the results of printing. Master control system uses PLC systems, hardware simplicity, the software flexibility and easy missioning and maintenance of small, specialized electronic modules with a number of the elevator control equipment, drive dynamic braking for control of high pressure or lowfrequency braking. While the motor symptoms can be detected and sent to the host puter display. Relay contact to reduce the traditional control system of the intermediate links, reducing hardware and control lines, which greatly improves system stability and reliability. KEY WORDS:：Shaft hoist；Frequency conversion；Vector control；PLC50 / 54目　錄前　言 1第1章 緒 論 2 2 2 2 6 本文內(nèi)容及研究的意義 7 研究?jī)?nèi)容 7 研究意義 8第2章 礦井提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 9 礦井提升機(jī)對(duì)控制系統(tǒng)的要求 9 提升機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 11 控制單元基本原理 11 調(diào)速裝置 13 主控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 15第3章 變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 18 18 變頻調(diào)速基本原理 20 變頻器的選擇 21 21 變頻器容量的選擇 22 變頻器主電路設(shè)計(jì)及參數(shù)設(shè)定 23第4章 PLC在提升機(jī)變頻控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 26 PLC概述 26 本系統(tǒng)中PLC的選型及特點(diǎn) 27 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 27 PLC的I/O分配 28 PLC接線圖 33第5章 PLC控制程序設(shè)計(jì) 34 PLC軟件概述及提升機(jī)PLC控制要求 34 程序設(shè)計(jì) 35 40結(jié)　論 42謝 辭 43參考文獻(xiàn) 44附　錄 46外文資料翻譯 47前　言在煤炭生產(chǎn)中提升機(jī)擔(dān)負(fù)著提升煤炭、巖石、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途徑，素有礦井“咽喉”之稱(chēng)。提升機(jī)的電力傳動(dòng)特性復(fù)雜，電動(dòng)機(jī)頻繁正反向，經(jīng)常處于過(guò)負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)和電動(dòng)、制動(dòng)不斷地轉(zhuǎn)換的狀態(tài)中。對(duì)提升機(jī)來(lái)說(shuō)，運(yùn)行的安全、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(yùn)送人員的副井，一旦發(fā)生故障，往往造成機(jī)毀人亡。提升機(jī)運(yùn)行的安全可靠性不僅直接影響整個(gè)礦井的生產(chǎn)能力，影響整個(gè)礦山的經(jīng)濟(jì)效益，而且還涉及到井下工作人員的生命安全。因此，研制并制造既安全可靠又節(jié)省能源的提升機(jī)是煤礦安全生產(chǎn)的一項(xiàng)重要課題。就計(jì)算機(jī)技術(shù)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況而言，可編程控制器（PLC）是目前作為工業(yè)控制最理想的機(jī)型，它是采用計(jì)算機(jī)技術(shù)、按照事先編好并儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)內(nèi)部一段程序來(lái)完成設(shè)備的操作控制。采用PLC控制，硬件簡(jiǎn)潔、軟件靈活性強(qiáng)、調(diào)試方便、維護(hù)量小，PLC技術(shù)己經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種提升機(jī)控制，配合一些提升機(jī)專(zhuān)用電子模塊組成的提升機(jī)控制設(shè)備，可供控制高壓帶動(dòng)力制動(dòng)或低頻制動(dòng)，單、雙機(jī)拖動(dòng)等。操作、監(jiān)控和安全保護(hù)系統(tǒng)選用可編程控制器。主控計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件能完成提升機(jī)自動(dòng)、半自動(dòng)、手動(dòng)等各種運(yùn)動(dòng)方式的控制要求。在廣泛考察現(xiàn)行的變頻調(diào)速方案后，本文提升機(jī)系統(tǒng)控制單元采用目前工控適用的可編程控制器來(lái)控制，具有編程簡(jiǎn)單和控制可靠性高的優(yōu)點(diǎn)；電力拖動(dòng)系統(tǒng)中，選用先進(jìn)的變頻傳動(dòng)裝置，運(yùn)用先進(jìn)的矢量控制技術(shù)，優(yōu)化了調(diào)速系統(tǒng)的性能，這一控制方法目前仍為現(xiàn)代交流調(diào)速的重要研究方向之一。采用先進(jìn)的工業(yè)計(jì)算機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)，按照結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)品系列化、性能現(xiàn)代化、體積小型化的原則，研制生產(chǎn)適合礦井提升機(jī)電控設(shè)備是進(jìn)行技術(shù)改造和新建礦井設(shè)備選型的理想選擇。第1章 緒 論礦井提升機(jī)是機(jī)、電、液一體化的大型機(jī)械，廣泛用于煤炭、有色金屬、黑色金屬、非金屬、化工等礦山的豎井、斜井，是生產(chǎn)運(yùn)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途徑，素有礦井咽喉之稱(chēng)。提升機(jī)的電力傳動(dòng)特性復(fù)雜，電動(dòng)機(jī)頻繁正反向，經(jīng)常處于負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)和電動(dòng)、制動(dòng)不斷地轉(zhuǎn)換的狀態(tài)中。對(duì)應(yīng)提升機(jī)來(lái)說(shuō)運(yùn)行的安全可靠是至關(guān)重要的，主井直接關(guān)系到礦山的生產(chǎn)效率，作為運(yùn)送人員的副井，一旦發(fā)生故障往往造成機(jī)毀人亡。提升機(jī)運(yùn)行的安全可靠性不僅直接影響整個(gè)礦井的生產(chǎn)能力，影響整個(gè)礦山的經(jīng)濟(jì)效益，而且還涉及到井下工作人員的生命安全。因此，研制并制造即安全可靠又節(jié)省能源的提升機(jī)是煤炭安全生產(chǎn)的一項(xiàng)重要課題。礦井提升裝置是采礦業(yè)的重要設(shè)備，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和礦井生產(chǎn)現(xiàn)代化要求的不斷提高，人們對(duì)提升機(jī)工作特性的認(rèn)識(shí)進(jìn)一步深化，提升設(shè)備及拖動(dòng)控制系統(tǒng)也逐步趨于完善，各種新技術(shù)、新工藝逐步應(yīng)用于礦井提升設(shè)備中。特別是模擬技術(shù)、微電子技術(shù)、微電腦技術(shù)在提升機(jī)控制中的應(yīng)用已成為必然的發(fā)展方向。(1) 晶閘管電動(dòng)機(jī)(SCRD)直流低速直聯(lián)拖動(dòng)系統(tǒng)部分發(fā)達(dá)國(guó)家原有的交流提升機(jī)已基本上被晶閘管電動(dòng)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)SCRD)所取代。如德國(guó)、瑞典等國(guó)家己有90%以上采用直流提升機(jī)，傳動(dòng)系統(tǒng)大都采用低速直聯(lián)式(省去減速機(jī))，使系統(tǒng)大為簡(jiǎn)化。如AEG公司采用低速直聯(lián)的SCRD系統(tǒng)，電機(jī)功率3000kw，，提人速度17m/s，提物速度20m/s，提升高度1200m，具有完善的保護(hù)系統(tǒng)。采用磁場(chǎng)反并聯(lián)，有平波電抗器及臥式深度發(fā)送裝置。采用積分給定與行程給定相結(jié)合的雙重給定信號(hào)。主回路采用兩組三相橋組成12脈動(dòng)順抗整流，大大提高了功率因數(shù)。SIEMENS(西門(mén)子)公司、ABB公司、CEOELEC公司以及ASEA公司等都有相同類(lèi)型的產(chǎn)品，其性：能大同小異。此類(lèi)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于:體積小，重量輕，占地面積小，安裝方便，建筑費(fèi)用低。無(wú)減速器，總效率高，電能消耗少。維護(hù)工作量小，備件少，處理事故快。單機(jī)容量大，適用范圍廣。調(diào)速平滑，精度高。易于實(shí)現(xiàn)最佳控制和自動(dòng)化，安全可靠。節(jié)電顯著，58年可回收設(shè)備投資，是礦井節(jié)電的有效途徑。其缺點(diǎn)在于:功率因數(shù)低。無(wú)功沖擊大，高次諧波對(duì)電網(wǎng)影響大。這些缺點(diǎn)可采用順序控制和多脈沖整流的方法以及在電網(wǎng)上加諧波濾波器等措施使其抑制在一定的允許范圍內(nèi)。(2) 交流變頻調(diào)速同步機(jī)驅(qū)動(dòng)提升系統(tǒng)SCRD直流拖動(dòng)系統(tǒng)趨于成熟，且采用了順控技術(shù)等措施來(lái)提高功率因數(shù)，但其功率因數(shù)仍然較低，從而從電網(wǎng)吸收大量的無(wú)功功率，且對(duì)電網(wǎng)品質(zhì)因數(shù)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，提升容量越大，問(wèn)題越突出。再則，直流電機(jī)制造成本高，電樞回路的整流子限制了提升容量的進(jìn)一步增加，且整流子，碳刷易磨損，加大了維護(hù)工作量，故障率高。因此換相整流子是個(gè)薄弱環(huán)節(jié)。由于存在上述兩個(gè)問(wèn)題，迫使人們又重新考慮交流拖動(dòng)方式。自80年代初以來(lái)，交流變頻供電的同步機(jī)拖動(dòng)異軍突起，在大型提升機(jī)中發(fā)展成為技術(shù)、經(jīng)濟(jì)均優(yōu)的拖動(dòng)方式。如SIEMENS公司1979年投運(yùn)的24200kw、l2650kw。CEGELEC公司1983年投運(yùn)的l548OkW。AEG公司1985年投l30O0kW，ABB公司投運(yùn)的l。SIEMAG公司投運(yùn)的2x46O0kW等變頻調(diào)速同步機(jī)拖動(dòng)的提升機(jī)，經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)行，均獲得成功。這種拖動(dòng)系統(tǒng)主要有如下優(yōu)點(diǎn):a 提升容量幾乎不受限制，最大可達(dá)l0000kw，提升速度可達(dá)20m/s以上，提升高度1200m以上，這是直流系統(tǒng)難以達(dá)到的。b 沒(méi)有整流子和碳刷這一薄弱環(huán)節(jié)，保證了電機(jī)的可靠運(yùn)行和降低了運(yùn)行消耗。c 功率因數(shù)高，～1，極大地節(jié)省了電能。d 動(dòng)態(tài)品質(zhì)好(和直流系統(tǒng)相同)，系統(tǒng)可在四象限平滑過(guò)渡和無(wú)級(jí)調(diào)速。e 由于機(jī)械特性好，故起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大。f 同步機(jī)的價(jià)格和有色金屬的消耗低于直流機(jī)。g 調(diào)速范圍寬。因此，多數(shù)專(zhuān)家認(rèn)為，變頻同步機(jī)拖動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)是大型提升機(jī)拖動(dòng)的必然發(fā)展方向。這種 拖動(dòng)系統(tǒng)的缺點(diǎn)是:a 必須有專(zhuān)用的變頻電源。b 在恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速時(shí)，低速段電機(jī)的過(guò)載倍數(shù)有所降低。c 高次諧波對(duì)電網(wǎng)有影響，需在電網(wǎng)上加濾波器等補(bǔ)償措施加以緩解。(3)微機(jī)控制在提升機(jī)上的應(yīng)用從70年代開(kāi)始，隨著微機(jī)技術(shù)的發(fā)展，微機(jī)控制技術(shù)己逐步應(yīng)用于礦井提升機(jī)中。目前，國(guó)外己達(dá)到相當(dāng)成熟的階段，使整個(gè)拖動(dòng)控制產(chǎn)生一次重大的變革。其應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾方面: 1) 提升工藝過(guò)程微機(jī)控制在交流變頻裝置中，提升工藝過(guò)程大都采用微機(jī)控制。由于微機(jī)功能強(qiáng)，使用靈活，運(yùn)算速度快，監(jiān)視顯示易于實(shí)現(xiàn)，并具有診斷功能，這是采用模擬控制無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。如AEG公司采用CP80微機(jī)、ABB公司采用MASTER200和SIEMENS公司采用S5150等微機(jī)實(shí)現(xiàn)的變頻控制，都獲得了相當(dāng)成功。它們把控制、監(jiān)視、基準(zhǔn)值預(yù)測(cè)以及模擬控制等組合在公共的微機(jī)控制總線上組成靜止變流器的傳動(dòng)控制，計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)速度及多個(gè)變量的調(diào)節(jié)。2) 提升行程控制提升機(jī)的控制從本質(zhì)上說(shuō)是一個(gè)位置控制，要保證提升罐籠在預(yù)定地點(diǎn)準(zhǔn)確停車(chē)，要求準(zhǔn)確度高，目前可達(dá)177。2cm。采用微機(jī)控制，可通過(guò)采集各種傳感信號(hào)，如轉(zhuǎn)角脈沖變換、鋼絲繩打滑、井筒位置、滾筒及鋼絲繩磨損等信號(hào)進(jìn)行處理，計(jì)算出罐籠準(zhǔn)確的位置而施以控制和保護(hù)。在罐籠提升時(shí)可實(shí)現(xiàn)無(wú)爬行提升，大大提高了提升能力。如AEG、ABB、SIEMENS等公司已采用位微機(jī)來(lái)構(gòu)成行程給定器，并還提供性能不盡相同的機(jī)械行程控制器口。一般過(guò)程控制用微機(jī)不同時(shí)用于監(jiān)視，行程控制也采用單獨(dú)微機(jī)完成，從而大大提高了系統(tǒng)的可靠性。3) 提升過(guò)程監(jiān)視由于近代提升機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特別強(qiáng)調(diào)安全可靠性，所以提升過(guò)程監(jiān)視與安全回路一樣，是現(xiàn)代提升機(jī)控制的重要環(huán)節(jié)。提升過(guò)程采用微機(jī)主要完成如下參數(shù)的監(jiān)視:a 提升過(guò)程中各工況參數(shù)(如速度、電流)監(jiān)視。b 各主要設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視。c 各傳感器(如位置開(kāi)關(guān)、停車(chē)開(kāi)關(guān))信號(hào)的監(jiān)視。其目的在于使各種故障在出現(xiàn)之前就得以處理，防止事故的發(fā)生，并對(duì)各被監(jiān)視參數(shù)進(jìn)行存貯、保留或打印輸出，甚至與上位機(jī)聯(lián)網(wǎng)，合并于礦井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中。4) 安全回路安全回路旨在出現(xiàn)機(jī)械、電氣故障時(shí)控制提升機(jī)進(jìn)入安全保護(hù)狀態(tài)。為確保人員和設(shè)備的安全，對(duì)不同故障一般采用不同的處理方法，大致分為以下四種情況:a 報(bào)警顯示，如冷卻器溫度過(guò)高等。b 二次不能開(kāi)車(chē)，如電機(jī)繞組過(guò)熱、制動(dòng)油過(guò)熱等。c 立即進(jìn)行電氣制動(dòng)，如停車(chē)終點(diǎn)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)本次提升應(yīng)盡快停下來(lái)。d 立即進(jìn)行安全制動(dòng)，如過(guò)卷、超速等。安全回路極為重要，它是保護(hù)的最后環(huán)節(jié)之一，英、德等公司都采用兩臺(tái)PC微機(jī)構(gòu)成安全回路，使安全回路具完善的故障監(jiān)視功能。無(wú)論是提升機(jī)還是安全回路本身出現(xiàn)故障時(shí)都