【文章內容簡介】 提高控制技術水平具有廣闊的應用前景。通過對頻率的調節(jié)來實現(xiàn)對速度的控制，使得速度變化更加平滑和實現(xiàn)精確調速。從解決實際礦井提升系統(tǒng)存在的問題出發(fā)，對傳統(tǒng)的調速方案進行 了控制方式的革新和數字化改造，降低了成本，提高了控制精度，加強了系統(tǒng)穩(wěn)定性 , 使速度變化更加平滑和實現(xiàn)精確調速。 采用該控制系統(tǒng)，使提升機工作可靠，使用方便，同時具有動態(tài)顯示的功能，節(jié)能效果明顯。本文將提出的設計方案具有實用價值。適用、經濟、高效、可靠是本文提升機系統(tǒng)設計的追求目標?；?PLC 的礦井提升變頻調速控制系統(tǒng)圖如圖 15 所示。 7 圖 15 基于 plc的礦井提升變頻調速控制系統(tǒng)圖 基于 PLC 的礦井提升機變頻調速控制系統(tǒng)由控制監(jiān)視系統(tǒng)、操作臺、 PLC、編碼器、變頻器和液壓站等系統(tǒng)組成。圖 16 為礦井 提升機變頻調速控制的系統(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)及運輸系統(tǒng)之間的橋梁，它可以在線監(jiān)測提升機運輸系統(tǒng)的各種工作參數、工作狀態(tài)、故障參數和故障狀態(tài)。提升過程監(jiān)視與安全回路一樣，是現(xiàn)代提升機控制的重要環(huán)節(jié)。提升過程采用微機主要完成如下參數的監(jiān)視：提升過程中各工況參數 (如速度、電流 )監(jiān)視；各主要設備運行狀態(tài)監(jiān)視；各傳感器 (如位置開關、停車開關 )信號的監(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，并對各被監(jiān)視參數進行存儲、保留或打印輸 出。甚至與上位機聯(lián)網，合并于礦井監(jiān)測系統(tǒng)中。系統(tǒng)框圖中用旋轉編碼器來測試電機的轉速。 液壓站：為提升機提供制動力，停車時先通過液壓站給卷筒施加機械制動力，再取消直流制動力；提升機起動時，先對電機施加直流制動，再松開機械抱閘，防止溜車，以保證系統(tǒng)安全可靠地工作。 變頻器：是動力站的能量供給單元，通過它可將輸入工頻電能轉換成頻率可調的電能提供給交流電動機，以達到控制交流電動機轉速的目的。 操作臺：操作臺設置兩個手柄，分別用于速度輔助給定及制動力給定，它是整個礦井提升機運輸系統(tǒng)的控制核心，通過它可以設定系統(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，以實現(xiàn)對提升機啟動、加速、平穩(wěn)運行、減速、停車以及緊急制動等各種控制功能。 9 第二章 主要元部件的選擇 （ PLC）的選擇 PLC 技術是工業(yè)自動化的重要手段，它可以實現(xiàn)邏輯控制、順序控制、定時、計數、算數運算、數據運算、數據通信等功能，并且具有處分支、中斷、自診斷能力。 PLC 技術的邏輯控制功能通過軟件編程來實現(xiàn)，柔性強，控制功能多，控制線路大大簡化。 PLC的輸入輸出回路均帶有光電隔離等抗干擾和過載保護措施。程序運行為周期性順序掃描和集中批處理的工作 方式，具有故障檢測及診斷程序，可靠性極高。 PLC 控制系統(tǒng)為模塊結構，維護更換方便，并可顯示故障類型。因此本文決定采用 PLC 進行，并且保持原有的操作方式、按鈕、開關的作用不變，以方便用戶，縮短適應期。根據 PLC 的技術特點又可增加一些新的功能。 S7200 系列西門子 PLC 家族中的成員之一，在西門子工控領域中占有重要的地位。S7200 系列 PLC 體積小，價格低廉，軟硬件功能強大，系統(tǒng)配置方便，它一推向市場就在各行各業(yè)得到了廣泛的應用。而 S7200 系列的產品可以滿足設計要求，因此本次設計以西門子公司的 S7200 系列入手。 S7200 可編程控制器（ PLC）的基本結構如圖 21 所示。 輸入單元外設接口輸出單元擴展單元電 源中 央 處 理 單 元系 統(tǒng) 程 序 用 戶 程 序存 儲 器輸入信號輸出信號P L C 主 機 圖 21 PLC的基本結構圖 S7200 系列西門子 PLC 的基本特點 PLC 通電后，需要對硬件和軟件做一些初始化工作。為了使 PLC 的輸出及時地響應各種輸入信號，初始化后 PLC 要反復不停地分段處理各種不同的任務，這種周而復始的循環(huán)工作方式稱為掃描工作方式。 整個掃描過程分為內部處理、通信操作、程序輸入處理、程序執(zhí)行、程序輸出幾個階 10 段，全過程掃描一次所需要的時間稱為掃 描周期。內部處理階段， PLC 檢查 CPU 模塊的硬件是否正常，復位監(jiān)視定時器等。在通信服務階段， PLC 與一些智能模塊通信、響應編程器鍵入的命令、更新編程器的顯示內容等。當 PLC 處于停止 (STOP)狀態(tài)時，只進行內部處理和通信操作服務等內容。在 PLC 處于運行 (RUN)狀態(tài)時，從內部處理、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： (1)靈活性、通用性強 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 之作相應的變動，所有布線和控制柜極有可能重新設計，耗時且費力然而是利用存儲在機內的程序實現(xiàn)各種控制功能的。因此當工藝過程改變時，只需修改程序即可，外部接線改動極小，甚至可以不必改動，其靈活性和通用性是繼電器控制電路無法比擬的。 (2)可靠性高，抗干擾能力強 繼電器控制系統(tǒng)中，由于器件的老化、脫焊、觸點的抖動以及觸點電弧等現(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，大量的開關動作是由無觸點的半導體電路來完成的，加之在硬件和軟件方面都采取了強有力的措施，使產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)場穩(wěn)定地工作。 PLC 在硬件方面采取電磁屏蔽、光電隔離、多級濾波等措施在軟件方面采取警戒時鐘、故障診斷、自動恢復等措施，并利用后備電池對程序和數據進行保護 ,因此被稱為“專為適應惡劣的工業(yè)環(huán)境而設計的計算機”。 (3)編程簡單，使用方便 PLC 采用面向過程，面向問題的“自然語言”編程方式，直觀易懂，主要采用梯形圖和語句表編寫程序，使得廣大電氣技術人員更易接納和理解。同時設計人員也可根據自己的喜好和實際應用的要求選擇其他編程語言。標準是編程語言的標準，除了梯形圖和語句表之外，還存在順序流程圖、結構化文 本和功能塊圖三種編程語言的表達方式。一個程序的不同部分可用任何一種語言來描述，支持復雜的順序操作功能處理以及數據結構。 (4)功能強大，可擴展 PLC 的主要功能包括開關量的邏輯控制、模擬量控制部分還具備控制或模糊控制功能、數字量智能控制、數據采集和監(jiān)控、通信、聯(lián)網及集散控制等功能。 PLC 的功能擴展也極為方便，硬件配置相當靈活 ,根據控制要求的改變，可以隨時變動特殊功能單元的種類和個數，再相應的修改用戶程序就可以達到變換和增加控制功能的目的。 (5)控制系統(tǒng)易于實現(xiàn)、開發(fā)工作量少 由于 PLC 的系列化、模塊化、 標準化及良好的擴展性和連網性能 ,在大多數情況下 11 PLC 系統(tǒng)是一個較好的選擇。它不僅能夠完成多數情況下的控制要求，還能夠大量節(jié)省系統(tǒng)設計、安裝、調試的時間和工作量。 (6) 體積小、能耗低 由軟件實現(xiàn)的邏輯控制可以大量節(jié)省繼電器、定時器的數量。一臺小型的 PLC 只相當于幾個繼電器的體積 ,控制系統(tǒng)所消耗的能量也大大降低。 變頻器的選擇 從 80 年代初通用變頻器問世以來，經過近 20 年，通用變頻器更新?lián)Q代了五次。第一代是 80 年代初模擬式通用變頻器；第二代是 80 年代中期數字式通用變頻器；第三代是90 年代初智能型通用 變頻器；第四代是 90 年代中期的多功能型通用變頻器；最近研制上市第五代集中通用變頻器；通用變頻器的發(fā)展情況可以從幾個方面來說明： 1． 通用變頻器的應用范圍不斷擴大。 2． 通用變頻器使用的功率器件不斷更新?lián)Q代。 3． 通用變頻器的控制技術性能達到了直流電機調速水平。 目前國外變頻調速技術發(fā)展較快，性能也非常好，在各行各業(yè)中得到了廣泛的應用，如日本富士、瑞典 ABB 等變頻調速系統(tǒng)應用領域非常廣泛。國內變頻調速技術發(fā)展較慢，產品性能較差，很難滿足連續(xù)化工生產的需求，而且無法實現(xiàn)閉環(huán)自動控制。因此國內使用單位主要以進口為 主，很少使用國內生產的產品。變頻器的基本結構如圖 22 所示。 圖 22 變頻器的基本結構 本次設計變頻器主要選用德國西門子公司研發(fā)、生產的交 — 直 — 交方式變頻器系列MM440 通用變頻器 , 三相交流電源電壓。 MM440通用 變頻器 的簡介 變頻器 MM440 系列（ MicroMaster440）是德國西門子公司廣泛應用與工業(yè)場合的多功能標準變頻器。它采用高性能的矢量控制技術，提供低速高轉矩輸出和良好的動態(tài)特性，同時具備超強的過載能力，以滿足廣泛的應用場合。對于變頻器的應用，必須首先熟練對變頻器的面板操作 ，以及根據實際應用，對變頻器的各種功能參數進行設置 MM420 變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。 12 MM440變頻器的工作原理及其調速原理 1. MM440 變頻器的工作原理 我們現(xiàn)在使用的 MM440 變頻器主要采用交 － 直 － 交方式（ VVVF 變頻或矢量控制變頻），先把工頻交流電源通過整流器轉換成直流電源，然后再把直流電源轉換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制 4 個部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆 變部分為 IGBT 三相橋式逆變器，且輸出為 PWM 波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲能和緩沖無功功率。 圖 23 交 直 交變頻器結構圖 異步電機的 VVVF 調速系統(tǒng)一般簡稱變頻調速系統(tǒng)。由于在變頻調速時轉差功率不變，在各種異步電機調速系統(tǒng)中效率較高，同時性能也最好，故是交流調速的主要發(fā)展方向。交流調速系統(tǒng)的控制量最基本上是轉矩、速度、位置，根據不同的用途適當組合可構成各種閉環(huán)系統(tǒng)。 異步電動機定子對稱的三相繞 組中通入對稱的三相交流電，在電機氣隙內會產生一個旋轉磁場，從而形成一定的旋轉速度。 2. MM440 變頻調速的原理 異步電動機定子對稱的三相繞組中通入對稱的三相交流電，在電機氣隙內會產生一個旋轉磁場，其旋轉速度為同步轉速： pf160n0? (2－ 1) 式中 f1定子繞組電源頻率； P電機磁極對數。 異步電動機轉差率： nn 00s n?? (2－ 2) ）（ s???? 1pf160s)1(n n 0 (2－ 3) 由上式可知，異步電動機調速方法有如下幾種： 13 變同步轉速 n0：變極 p、變頻 f1。 變轉差率 s：定子調壓、轉子串電阻、電磁轉差離合器、串極調速。 VVVF 變頻調速、矢量控制變頻調速、直接轉矩控制變頻調速都是交 直 交變頻調速中的一種。交流拖動中以改變轉差率為目的調速方法有：定子調壓調速、轉子變電 阻調速、電磁轉差離合器調速、串極調速等 。圖 24 為 MM440 變頻調速系統(tǒng)接線圖，檢查電路正確無誤后， 合上主電源開關 QS。 圖 24 MM440變頻調速系統(tǒng)接線圖 本文研究的定子調壓調速主要是通過改變電動機定子電源的頻率，從而改變其同步轉速的調速方法，當負載轉矩一定時，隨著電機定子電壓的降低，主磁通減少，轉子感應電動勢減少，轉子電流減少，轉子受到的電磁力減少，轉差率 s 增大，轉速減小，從而達到速度調節(jié)的目；同理，定子電壓升高，轉速增加。調壓調速的優(yōu)點是調速平