【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 是從礦井中將煤拖到地面上來(lái)，電機(jī)工作在 正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)電動(dòng)狀態(tài)，只有在滿(mǎn)載拖車(chē)快接近井口時(shí)，需要減速并制動(dòng) 。 方案 礦井提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用交流異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，其交流異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速公式為：n=60f/p(1s)從上式可見(jiàn)，改變供電頻率 f、電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù) p 及轉(zhuǎn)差率 s 均可達(dá)到改變轉(zhuǎn)速的目的。 PLC 變頻調(diào)速是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速方法， 從調(diào)速的本質(zhì)來(lái)看，不同的調(diào)速方式無(wú)非 是改變交流電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速或不改變同步轉(zhuǎn)速兩種。在生產(chǎn)機(jī)械上廣泛使用的調(diào)速方法中，不改變同步轉(zhuǎn)速的有：繞線(xiàn)式電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、斬波調(diào)速、串級(jí)調(diào)速等。改變同步轉(zhuǎn)速的有：變極對(duì)數(shù)調(diào)速，改變定子電壓、頻率的變頻調(diào)速，無(wú)換向電動(dòng)機(jī)調(diào)速 等。 經(jīng)分析本文將 采用 改變定子電壓、頻率的變頻調(diào)速 的方案， 近年來(lái)交流變頻調(diào)速技術(shù)迅速發(fā)展起來(lái)，調(diào)速方式的不斷進(jìn)步使得運(yùn)用于提升機(jī)系統(tǒng)的交流調(diào)速技術(shù)不僅僅局限于傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子串電阻方式，變頻調(diào)速技術(shù)也越來(lái)越多地在提升機(jī)控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，充分發(fā)揮出交流調(diào)速的優(yōu)勢(shì)。 此方案 調(diào)速平滑， 實(shí)施時(shí) 采用閉環(huán)系統(tǒng)，機(jī)械特性較硬，調(diào)速范圍較寬 。 控制方案分析與確定 傳統(tǒng)繼電器 — 接觸器控制 5 國(guó)內(nèi)大多繼電器 — 接觸器式礦井提升機(jī)設(shè)備還是以磁放大器為核心組成模擬量閉環(huán)調(diào)節(jié)構(gòu)成的，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(xiàn)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(xiàn)程序控制系統(tǒng)。在接線(xiàn)程序控制系統(tǒng)中控制程序的修改必須通過(guò)改變接 線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖 13 為繼電器 — 接觸器控制系統(tǒng)框圖。 輸 入 設(shè) 備按 鈕 、 限 位 開(kāi) 關(guān) 、 操 作 手 柄繼 電 器 控 制 線(xiàn) 路有 繼 電 器 和 連 接 線(xiàn) 路 組 成輸 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 13 繼電器 — 接觸器控制系統(tǒng)框圖 而這種控制方式還存在著很多的問(wèn)題： （ 1）使用大量繼電器、接觸器及其它分立電子元件使系統(tǒng)體積大、運(yùn)行噪聲大。 （ 2）繼電器、接觸器頻繁動(dòng)作，電弧燒蝕觸點(diǎn)，使用壽命短。 （ 3）在啟動(dòng)過(guò)程中由于罐籠的實(shí)際載重量不同，而使實(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，不能正常裝卸載。 （ 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(guān)，分析 查找故障難度大，缺乏運(yùn)行參數(shù)顯示功能 . （ 5）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)，比如先進(jìn)的工業(yè)計(jì)算機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)和工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)來(lái)控制，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，從而使之成為安全、可靠、高效率、自動(dòng)化程度高的電控系統(tǒng)。 PLC 控制變頻調(diào)速 為了改善舊式提升機(jī)的不足，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)行的可靠性和安全性得到提高。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。 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(mǎn)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) 6 展方向 。 PLC 控制變頻調(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(xiàn)制保護(hù)功能，滿(mǎn)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。 采用 PLC 控制變頻調(diào)速 ， 在最大限度滿(mǎn)足生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)工藝對(duì)電氣控制系統(tǒng)要求的前提下，力求運(yùn)行安全、可靠、動(dòng)作準(zhǔn)確、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、電動(dòng)機(jī)及電氣元件選用合理，操作、安裝、調(diào)試和維修方便 。 圖 1－ 4 為可編程控制器 （ PLC） 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(xiàn) (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 14 可編程控制器控制過(guò)程系統(tǒng)框圖 本次設(shè)計(jì) 采用 PLC 控制變頻調(diào)速系統(tǒng)，選用 PLC 和變頻器的組合可完成數(shù)字量的輸入，實(shí)現(xiàn)模擬量和數(shù)字量的輸出控制。采用 PLC 技術(shù)，克服原繼電器系統(tǒng)的不足，系統(tǒng)安全可靠，性?xún)r(jià)比提高，且控制程序可根據(jù)需要修改，對(duì)提高控制技術(shù)水平具有廣闊的應(yīng)用前景。通過(guò)對(duì)頻率的調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的控制， 使得速度變化更加平滑和實(shí)現(xiàn)精確調(diào)速。從解決實(shí)際礦井提升系統(tǒng)存在的問(wèn)題出發(fā)，對(duì)傳統(tǒng)的調(diào)速方案進(jìn)行了控制方式的革新和數(shù)字化改造，降低了成本，提高了控制精度，加強(qiáng)了系統(tǒng)穩(wěn)定性 , 使速度變化更加平滑和實(shí)現(xiàn)精確調(diào)速。 采用該控制系統(tǒng)，使提升機(jī)工作可靠，使用方便，同時(shí)具有動(dòng)態(tài)顯示的功能，節(jié)能效果明顯。本文將提出的設(shè)計(jì)方案具有實(shí)用價(jià)值。適用、經(jīng)濟(jì)、高效、可靠是本文提升機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的追求目標(biāo)?；?PLC 的礦井提升變頻調(diào)速控制系統(tǒng)圖如圖 15 所示。 7 圖 15 基于 plc的礦井提升變頻調(diào)速控制系統(tǒng)圖 基于 PLC 的礦井提升機(jī)變 頻調(diào)速控制系統(tǒng)由控制監(jiān)視系統(tǒng)、操作臺(tái)、 PLC、編碼器、變頻器和液壓站等系統(tǒng)組成。圖 16 為礦井提升機(jī)變頻調(diào)速控制的系統(tǒng)框圖。 圖 16 控制系統(tǒng)框圖 8 系統(tǒng)框圖中部分系統(tǒng)功能如下： 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(xiàn)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)。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：提升過(guò)程中各工況參數(shù) (如速度、電流 )監(jiān)視；各主要設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視；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。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)行存儲(chǔ)、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。系統(tǒng)框圖中用旋轉(zhuǎn)編碼器來(lái)測(cè)試電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 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。 變頻器：是動(dòng)力站的能量供給單元，通過(guò)它可將輸入工頻電能轉(zhuǎn)換成頻率可調(diào)的電能提供給交流電動(dòng)機(jī)，以達(dá)到控制交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。 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。 9 第二章 主要元部件的選擇 （ PLC）的選擇 PLC 技術(shù)是工業(yè)自動(dòng)化的重要手段，它可以實(shí)現(xiàn)邏輯控制、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)、算數(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)通信等功能，并且具有處分支、中斷、自診斷能力。 PLC 技術(shù)的邏輯控制功能通過(guò)軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)，柔性強(qiáng)，控制功能多，控制線(xiàn)路大大簡(jiǎn)化。 PLC的輸入輸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)行為周期性順序掃描和集中批處理的工作方式，具有故障檢測(cè)及診斷程序，可靠性極高。 PLC 控制系統(tǒng)為模塊結(jié)構(gòu)，維護(hù)更換方便，并可顯示故障類(lèi)型。因此本文決定采用 PLC 進(jìn)行，并且保持原有的操作方式、按鈕、開(kāi)關(guān)的作用不變，以方便用戶(hù)，縮短適應(yīng)期。根據(jù) PLC 的技術(shù)特點(diǎn)又可增加一些新的功能。 S7200 系列西門(mén)子 PLC 家族中的成員之一，在西門(mén)子工控領(lǐng)域中占有重要的地位。S7200 系列 PLC 體積小，價(jià)格低廉，軟硬件功能強(qiáng)大，系統(tǒng)配置方便，它一推向市場(chǎng)就在各行各業(yè)得 到了廣泛的應(yīng)用。而 S7200 系列的產(chǎn)品可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，因此本次設(shè)計(jì)以西門(mén)子公司的 S7200 系列入手。 S7200 可編程控制器（ PLC）的基本結(jié)構(gòu)如圖 21 所示。 輸入單元外設(shè)接口輸出單元擴(kuò)展單元電 源中 央 處 理 單 元系 統(tǒng) 程 序 用 戶(hù) 程 序存 儲(chǔ) 器輸入信號(hào)輸出信號(hào)P L C 主 機(jī) 圖 21 PLC的基本結(jié)構(gòu)圖 S7200 系列西門(mén)子 PLC 的基本特點(diǎn) PLC 通電后，需要對(duì)硬件和軟件做一些初始化工作。為了使 PLC 的輸出及時(shí)地響應(yīng)各種輸入信號(hào)，初始化后 PLC 要反復(fù)不停地分段處理各種不同的任務(wù)，這種周而復(fù)始的循環(huán)工作方式稱(chēng)為掃描工作方式。 整個(gè)掃描過(guò)程分為 內(nèi)部處理、通信操作、程序輸入處理、程序執(zhí)行、程序輸出幾個(gè)階 10 段，全過(guò)程掃描一次所需要的時(shí)間稱(chēng)為掃描周期。內(nèi)部處理階段， PLC 檢查 CPU 模塊的硬件是否正常，復(fù)位監(jiān)視定時(shí)器等。在通信服務(wù)階段， PLC 與一些智能模塊通信、響應(yīng)編程器鍵入的命令、更新編程器的顯示內(nèi)容等。當(dāng) PLC 處于停止 (STOP)狀態(tài)時(shí)，只進(jìn)行內(nèi)部處理和通信操作服務(wù)等內(nèi)容。在 PLC 處于運(yùn)行 (RUN)狀態(tài)時(shí)，從內(nèi)部處理、通信操作、程序輸入、程序執(zhí)行、程序輸出，一直循環(huán)掃描工作。 可編程控制器（ PLC）的誕生給工業(yè)控制帶來(lái)革命性的飛躍，與傳統(tǒng)的繼電器控制相比有著突出的特點(diǎn)： (1)靈活性、通用性強(qiáng) 繼電器控制系統(tǒng)如果工藝要求稍有變化，控制電路必須隨之作相應(yīng)的變動(dòng)，所有布線(xiàn)和控制柜極有可能重新設(shè)計(jì)，耗時(shí)且費(fèi)力然而是利用存儲(chǔ)在機(jī)內(nèi)的程序?qū)崿F(xiàn)各種控制功能的。因此當(dāng)工藝過(guò)程改變時(shí)，只需修改程序即可，外部接線(xiàn)改動(dòng)極小，甚至可以不必改動(dòng)，其靈活性和通用性是繼電器控制電路無(wú)法比擬的。 (2)可靠性高，抗干擾能力強(qiáng) 繼電器控制系統(tǒng)中，由于器件的老化、脫焊、觸點(diǎn)的抖動(dòng)以及觸點(diǎn)電弧等現(xiàn)象是不可避免的，大大降低了系統(tǒng)的可靠性。而在控制系統(tǒng)中，大量的開(kāi)關(guān)動(dòng)作是由無(wú)觸點(diǎn)的半導(dǎo)體電路來(lái) 完成的，加之在硬件和軟件方面都采取了強(qiáng)有力的措施，使產(chǎn)品具有極高的可靠性和抗干擾能力可以直接安裝在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)定地工作。 PLC 在硬件方面采取電磁屏蔽、光電隔離、多級(jí)濾波等措施在軟件方面采取警戒時(shí)鐘、故障診斷、自動(dòng)恢復(fù)等措施，并利用后備電池對(duì)程序和數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù) ,因此被稱(chēng)為“專(zhuān)為適應(yīng)惡劣的工業(yè)環(huán)境而設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)”。 (3)編程簡(jiǎn)單，使用方便 PLC 采用面向過(guò)程，面向問(wèn)題的“自然語(yǔ)言”編程方式，直觀(guān)易 懂，主要采用梯形圖和語(yǔ)句表編寫(xiě)程序，使得廣大電氣技術(shù)人員更易接納和理解。同時(shí)設(shè)計(jì)人員也可根據(jù)自己的喜好和實(shí)際應(yīng)用的要求選擇其他編程語(yǔ)言。標(biāo)準(zhǔn)是編程語(yǔ)言的標(biāo)準(zhǔn)，除了梯形圖和語(yǔ)句表之外，還存在順序流程圖、結(jié)構(gòu)化文本和功能塊圖三種編程語(yǔ)言的表達(dá)方式。一個(gè)程序的不同部分可用任何一種語(yǔ)言來(lái)描述，支持復(fù)雜的順序操作功能處理以及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 (4)功能強(qiáng)大，可擴(kuò)展 PLC 的主要功能包括開(kāi)關(guān)量的邏輯控制、模擬量控制部分還具備控制或模糊控制功能、數(shù)字量智能控制、數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控、通信、聯(lián)網(wǎng)及集散控制等功能。 PLC 的功能擴(kuò)展也極 為方便，硬件配置相當(dāng)靈活 ,根據(jù)控制要求的改變，可以隨時(shí)變動(dòng)特殊功能單元的種類(lèi)和個(gè)數(shù)，再相應(yīng)的修改用戶(hù)程序就可以達(dá)到變換和增加控制功能的目的。 (5)控制系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)、開(kāi)發(fā)工作量少