【正文】 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。 圖 11 為可編程控制器控制系統(tǒng)。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)。 (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)停車不準(zhǔn)確甚至提前停車現(xiàn)象。 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)。 (5) 工作方式轉(zhuǎn)換容易。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。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。 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)。 可以得出按給定速度圖所需轉(zhuǎn)矩 Te=f(t)的特性，從而可以得到 拖動(dòng)系統(tǒng)所需的力 F=f(t)。 提升機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的給定速度 u=f(t)，根據(jù)動(dòng)力學(xué)方程式 Td=TeTi= Tn *e/375 式中 Te電動(dòng)機(jī)電動(dòng)力矩 。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。 因此，需要研制更加安全可靠的控制系統(tǒng)，使提升機(jī)運(yùn)行的可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)性和高效性得到提高。 ③繼電器、接觸器頻繁動(dòng)作，電弧燒蝕觸點(diǎn)，影響接觸器使用壽命，維修成本較高。 本設(shè)計(jì)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(jì)； 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(jì)； ④對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行分析。 本文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。洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） I 基于 PLC 的礦井提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘 要 傳統(tǒng)的礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)主要采用繼電器 接觸器進(jìn)行控制。 論文根據(jù)礦井提升機(jī)的運(yùn)行特性要求，對(duì)變頻器和 PLC 進(jìn)行選型，并對(duì)系統(tǒng)的軟、硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中包括檢測(cè)模塊、控制模塊、保護(hù)模塊、顯示模 塊和抗干擾模塊的設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行系統(tǒng)集成和調(diào)試。 目前國(guó)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)。 ④系統(tǒng)的安全性、可靠性不 高，容易發(fā)生事故。在提升機(jī)控制系統(tǒng)中應(yīng)用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和變頻調(diào)速技術(shù)，對(duì)原有提升機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)換代。 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(jì)是本設(shè)計(jì)的追求目標(biāo)。Ti傳動(dòng)系統(tǒng)的靜阻轉(zhuǎn)矩 。 提升機(jī)的負(fù)載靜力 FL 決定于提升機(jī)滾筒承受的靜張力差，在雙罐籠的平衡提升系統(tǒng)中，靜力凡也就是提升物體的凈載重。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)。 (2) 具有良好的調(diào)速性能。 (4) 特性曲線要硬。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)。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)稱為接線程序控制系統(tǒng)。 (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。是可編程序邏輯控制器，簡(jiǎn)稱 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 。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。 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。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)?？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 。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。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。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。 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) 。 （ 2）變頻調(diào)速系統(tǒng) 調(diào)速系統(tǒng)采用德國(guó)制造西門子變頻器，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。 （ 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。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 。 控制系統(tǒng)工作原理：當(dāng)司機(jī)聽到開車信號(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。 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)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。用程序來(lái)實(shí)現(xiàn)邏輯順序和時(shí)序，最大限度地取代傳統(tǒng)繼電 接觸器系統(tǒng)中的硬件線路，大量減少機(jī)械觸點(diǎn)和連 線的數(shù)量。 (2)靈活性強(qiáng)，控制系統(tǒng)具有良好的柔性。 (4) 控制系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)，開發(fā)工作量少，周期短。 PLC 有完善的故障診斷功能，可以根據(jù)裝置上的發(fā)光二極管和軟件提供的故障信息，方 便地查明故障源。一臺(tái)小型的 PLC，只相當(dāng)于幾個(gè)繼電器的體積，控制系統(tǒng)所消耗的能量也大大降低。 PLC 的選型 在礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)本身的特點(diǎn)，決定了系統(tǒng)對(duì)精度要求并不是特別高，對(duì)于響應(yīng)時(shí)間的要求也并不高，達(dá)到毫秒級(jí)就可以。 FX2N 系列 PLC 經(jīng)濟(jì)、小巧，從功能上完全滿足本系統(tǒng)的使用要求，其內(nèi)置高速計(jì)數(shù)器，可滿足系統(tǒng) 軸編碼器采樣的高速計(jì)數(shù)要求，而不需增加額外成本。 另外，若采用可選的存儲(chǔ)卡盒，最大可擴(kuò)展到 16K 步。通過(guò)設(shè)定參數(shù)可以確保編程存儲(chǔ)器內(nèi)元件的注釋區(qū)域。 FX2N 系列 PLC 是 FX 家族中比較先進(jìn)的類型。 ③高速運(yùn)算 基本指令： s? /指令；應(yīng)用指令： 至幾百 s? /指令 ④突出 的寄存器容量 FX2N 系列包括 8K 步內(nèi)置 RAM 寄存器，用一個(gè)寄存器盒可擴(kuò)充到 16K 步 RAM 或 EEPROM。動(dòng)力柜主要是給油泵、風(fēng)機(jī)和操作臺(tái)供電，同時(shí)具有斷相、缺相、過(guò)流保護(hù)和電機(jī) 過(guò)熱保護(hù)。 10V 迸行無(wú)級(jí)變頻調(diào)速，在輸出模擬量的同時(shí)，在手柄相應(yīng)的操縱角度上加上光電開關(guān)觸點(diǎn)，可以輸入開關(guān)信號(hào)到變頻器上的速段控制接入口，達(dá)到控制限制。 制動(dòng)手柄采用手柄輸出 010V 信號(hào)進(jìn)行制動(dòng)控制，在輸出模擬量的同時(shí)，在手柄相應(yīng)的操縱角度上加上光電開關(guān)觸點(diǎn)，可以輸出緊閘和松閘的開關(guān)信號(hào)到 PLC 上控制施閘。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。礦井提升機(jī)機(jī)械閘裝有閘瓦磨損開關(guān)，當(dāng)閘瓦磨損到一定程度或彈簧疲勞到一定程度時(shí)，安全回路斷開，進(jìn)行安全制動(dòng)。當(dāng)發(fā)生松繩現(xiàn)象時(shí)，經(jīng)過(guò)短暫調(diào)節(jié)后，若沒有消除松繩現(xiàn)象，安全回路斷開，進(jìn)行安全制動(dòng)。礦井提升機(jī)是一個(gè)完整的機(jī)械 電氣系統(tǒng)，其主要由以下幾部分組成。 提升機(jī)制動(dòng)器的功能就是剎住提升機(jī)卷筒，使提升機(jī)停止運(yùn)行。潤(rùn)滑系統(tǒng)必須與自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)和電動(dòng)機(jī)聯(lián)鎖，即潤(rùn)滑系統(tǒng)失靈時(shí)，主電動(dòng)機(jī)斷電，確保機(jī)器的正常工作。礦井提升機(jī)自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)的作用是：在司機(jī)不參與的情況下，發(fā)生故障時(shí)能自動(dòng)將主電動(dòng)機(jī)斷開并同時(shí)進(jìn)行安全制動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的保護(hù)。 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 mDHHHH tgrxj ?????????? 預(yù)選提升電機(jī) ①確定電機(jī)額定轉(zhuǎn)數(shù) m i n/ rDivn tme ?? ???? ? 考慮到箕斗容積選用較大，故預(yù)定同步轉(zhuǎn)數(shù) min/500rnt ? 。 2)減速度 3a 的確定 為了控制方便和節(jié)能，首先考慮自由滑行方式減速。 3)初加速度 2 2 200 1 . 5 0 . 4 8 /2 2 2 . 3 5xva m sh? ? ?? 取箕斗脫離卸載曲軌時(shí)的速度 0 /v m s? ，卸載曲軌長(zhǎng)度 ? 。00 1 .1 5 6 0 0 0 0 5 7 .1 7 7 2 5 6 1 0 .4 8 1 3 1 5 0 0mF K Q p H a N? ? ? ? ? ? ? ? ?? 2)初加速終了 39。 39。39。2 ?????? ? 減速階段采用了機(jī)械制動(dòng)，電動(dòng)機(jī)已經(jīng)斷電，故不計(jì)入。4 ??????? 電機(jī)容量校核 ① 等效時(shí)間計(jì)算 sttttttT d)(211)(21243210???????????????? ?? ② 等效力 dF SNtFFtFFFFtFFtFFdtFT??????????????2114239。39。2239。10239。 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 變頻調(diào)速系統(tǒng) 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 。但是，洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 這種控制方式在低頻時(shí)，由于輸出電壓較低，轉(zhuǎn)矩受定子電阻壓降的影響比較顯著，使輸出最大轉(zhuǎn)矩減小。但控制電路環(huán)節(jié)較多，且沒有引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，所以系統(tǒng)性能沒有得到根本改善。矢量控制方法的提出具有劃時(shí)代的意義。目前，該技術(shù)已成功地應(yīng)用在電力機(jī)車牽引的大功率交流傳動(dòng)上。它能實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)為 1，輸入電流為正弦且能四象限運(yùn)行，系統(tǒng)的功率密度大。異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速總低于同步轉(zhuǎn)速，而 且隨著同步轉(zhuǎn)速而變化。 （ 2）轉(zhuǎn)差頻率控制 轉(zhuǎn)差頻率控制是檢測(cè)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，對(duì)轉(zhuǎn)差頻率采取閉環(huán)控制 .洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 與 V/F 控制相比，調(diào)速精度要求較高，且系統(tǒng)容易穩(wěn)定，即能在寬廣的調(diào)速范圍內(nèi)，將電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、功率因數(shù)及效率控制在最佳狀態(tài)。但是其控制器的設(shè)計(jì)在某種程度上依賴于電機(jī)的參數(shù)，為了減少控制上對(duì)電機(jī)參數(shù)的敏感性，已經(jīng)提出了許多參數(shù)辨識(shí)、參數(shù)補(bǔ)償和參數(shù)自適應(yīng)方案，收到了較好的效果。 變頻器的選型 礦井 提升機(jī)構(gòu)平均起動(dòng)轉(zhuǎn)矩一般來(lái)說(shuō)可為額定力矩值的 倍。若用在電機(jī)額定功率選定的基礎(chǔ)上提高一擋的方法選擇變頻器的容量，則可能會(huì)造成不必要的放容損失。 JDBP37 系列高壓提 升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)采用新型 IGBT 功率器件，全數(shù)字化微機(jī)控制。 回饋制動(dòng)： 回饋制動(dòng)采用的是有源逆變技術(shù)，將再生電能逆變?yōu)榕c電網(wǎng)同頻率同相位的交流電回送到電網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。 交流制動(dòng)： 本提升機(jī)專用變頻器，交流制動(dòng)對(duì)提升系統(tǒng)的安全運(yùn)行起到重要作用，當(dāng)重車在中間停車時(shí)，檢測(cè)到停機(jī)信號(hào)后給控制器發(fā)出信號(hào)，讓提升機(jī)由高速平滑地降到低速，待 PLC 檢測(cè)到機(jī)械制動(dòng)起作用的信號(hào)后， PLC 發(fā)出信號(hào)讓控制器去掉交流制動(dòng)信號(hào)，使提升機(jī)靠機(jī)械抱閘裝置起作用。 變頻調(diào)速主控電路如圖 22 所示。與此同時(shí)，斷電器 KA1 得電，其觸點(diǎn)將聲光報(bào)警電路自鎖，使變頻器斷電后，聲光報(bào)警能持續(xù)下去，直到工作人員按下ST1 停為止，報(bào)警才能解除 。參數(shù)表指明一個(gè)參數(shù)作列入的菜單，通過(guò)配置給每個(gè)菜單的菜單號(hào)，使其賦值生效。 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 30 第 3章 礦井提升機(jī)變頻調(diào)