【導(dǎo)讀】我國傳統(tǒng)的礦井提升機主要采用繼電器—接觸器進行控制，并通過在電動機轉(zhuǎn)子回。路中串接附加電阻來實現(xiàn)啟動和調(diào)速。這種控制系統(tǒng)存在可靠性差、故障率高、操作復(fù)。雜、電能浪費大、效率低等缺點。通過對提升機系統(tǒng)的深入研究，完成提升機控制系統(tǒng)設(shè)計，選擇。干擾模塊的設(shè)計，最后進行系統(tǒng)集成和調(diào)試。根據(jù)硬件系統(tǒng)要求畫出外部接線圖，并且。編寫控制系統(tǒng)程序。速、爬行和停車操作，并且對過載、超速、過卷等故障進行監(jiān)控。些裝用電子模塊組成的提升機控制設(shè)備，為提升機的安全運行提空環(huán)境。檢測礦井提升機的安全性能，反饋給控制設(shè)備。間環(huán)節(jié)，減少了硬件和控制線，提高了形同的穩(wěn)定性和可靠性。變頻調(diào)速是利用改變被。控對象的電源頻率，成功實現(xiàn)了交流電動機大范圍的無級平滑調(diào)速。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?？刂破鳌冾l器對礦井提升機的控制系統(tǒng)進行改造，將成為歷史的必然趨勢。

　　

【正文】 選擇頻率給定源 P1000 3 最小頻率 P1080 0 最大頻率 P1082 50 斜坡上升時間 P1120 7 斜坡下降時間 P1121 控制方式 P1300 3 選擇轉(zhuǎn)矩設(shè)定值 P1500 0 選擇電動機數(shù)據(jù)是否自動測定 P1910 0 結(jié)束快速調(diào)試 P3900 3 根據(jù)變頻調(diào)速原理，在變頻器的控制輸入回路中接入頻率設(shè)定電路，由 PLC輸出的脈沖信號來控制變頻器的輸出頻率，實現(xiàn)電機速度控制。本系統(tǒng)中的調(diào)速采用 PLC+脈沖編碼器脈沖技術(shù) 模塊配 合變頻器進行，通過 PLC輸出脈沖信號來控制變頻器啟停。此時變頻器輸出頻率按變頻器參數(shù)的設(shè)置進行輸出。為了使變頻調(diào)速穩(wěn)定，保證提升機的正常運行，加入光電編碼器模塊形成 PG閉環(huán)控制系統(tǒng)，使得變頻器的輸出更加可靠。 在礦機提升機運行中的 4t 爬行時間段內(nèi)，由于箕斗的受力情況不同，為達到以相同安全速度爬行，上升和下降時分別以不同的穩(wěn)定頻率運行，既為變頻器的 2段固定頻率控制。其設(shè)置參數(shù)如下表所示： 表 2段固定頻率控制參數(shù)設(shè)置 固定頻 率 6端口 5端口 參數(shù)號 頻率 /Hz 轉(zhuǎn)速 /（ r/min） 1 0 1 P1001 10 280 2 1 0 P1002 20 560 提升機系統(tǒng)變頻器外部電路設(shè)計 變頻器可以輸出頻率可調(diào)的交流電源，另外在變頻器的外圍加設(shè)有聲光報警輸出及制動單元能夠?qū)崿F(xiàn)變頻器故障報警器和安全制動，更有效的對控制系統(tǒng)進行安全保護 ,外部接線圖如圖 ： 唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 17 圖 提升機系統(tǒng)變頻器外部接線圖 提升機調(diào)速系統(tǒng)的聲光報警回路 變頻報警輸出的動斷（常閉）觸電“ RL1AC”串聯(lián)在 KM1的線圈電 路內(nèi)，當(dāng)變頻器因故障不能正常工作時，發(fā)出報警；同時報警輸出的常閉觸電動作，使 KM1線圈失電，將變頻器與電源斷開，進行安全保護。為了保護報警輸出的觸電，在接觸器的線圈兩端，并聯(lián)阻容吸收電路（即 RC震蕩電路）。 聲光報警電路由報警輸出的動合（常開）觸點“ RL1AB”控制，當(dāng)變頻跳閘時，觸點“ RL1AB”閉合，報警指示燈 HL和電笛 HA接通，進行聲光報警。與此同時，斷電器 KA1得點，其觸點將聲光報警電路自鎖，使變頻器斷電后，聲光報警能持續(xù)下去，直到工作人員按下 SB為止，報警才能解除。 另外繼電器線圈和電笛線 圈的兩端，也需要并聯(lián)阻容吸收電路，以保護變頻器內(nèi)部報警繼電器觸點 [7]。 提升機調(diào)速系統(tǒng)的制動控制回路 提升機負載由于慣性較大，當(dāng)變頻器的輸出頻率下降至 0Hz時，常常停不住，而有“蠕動”（也稱爬行）現(xiàn)象，在礦井提升機這種大負載機械中，蠕動現(xiàn)象有可能造成十分危險的后果。為此，變頻器調(diào)速時應(yīng)設(shè)置能耗制動和直流制動功能 [8]。 在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，電動機的降速和停機，是通過逐漸減小頻率來實現(xiàn)的。這時，電動機的工作狀態(tài)在頻率剛減小的瞬間，電動機的同步轉(zhuǎn)速隨之下降，而由于慣性的原唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 18 因，電動機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速未變。當(dāng) 同步轉(zhuǎn)速低于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)子電流的相位機會改變了180176。，電動機處于發(fā)電狀態(tài)。與此同時，電動機軸上的轉(zhuǎn)矩變成了制動轉(zhuǎn)矩，使電動機的轉(zhuǎn)速迅速下降。從電動機的角度來看，處于再生制動狀態(tài)。變頻調(diào)速系統(tǒng)的工作狀態(tài)電動機再生的電能與逆變管反并聯(lián)的續(xù)流二極管全波整流后反饋到直流電路，由于直流電路的電能無法回輸給電網(wǎng)，盡管各部分電路還在消耗電能，但電容上仍有短時間的電荷堆積，形成“泵生電壓”，使直流電壓升高。過高的直流電壓將使各部分器件受到損害。因此，當(dāng)直流電壓超過一定值時，就要求提供一條放生回路，將再生的電能消耗掉。所 以，從變頻調(diào)速系統(tǒng)的角度來看，拖動系統(tǒng)在轉(zhuǎn)速下降時減少的動能，由電動機“再生”電能后，在變頻器的直流電路中被消耗掉了。歸根結(jié)底，是通過消耗能量而獲得制動轉(zhuǎn)矩的，屬于能耗制動狀態(tài)。用于消耗電動機再生電能的電路，就是能耗制動電路。 1． 能耗制動電路的構(gòu)成 能耗制動電路結(jié)構(gòu)如圖 ： 圖 能耗制動和制動單元電路 BR 是制動電阻，用于電動機的再生電能轉(zhuǎn)換成熱能而消耗掉。選擇方法如下： 1) BR 的阻值一般情況下， BR 的大小以使制動電流不超過變頻器額定電流的 一般為宜，按下式確定： 2NBDBIRUI ?? （ ） 從而 NDB IUR 2? （ ） 2) BR 的功率由于 BR 的工況屬于短時工作，幫其標稱功率可以比長期通電消耗的功率小很多。 BV 為制動單元，制動單元 BV 的功能是：當(dāng)直流回路的電壓 dU 超過規(guī)定 的限值時，接通耗能電路，使直流回路通過 BR 釋放能量。功率管 bV 用于接通與關(guān)斷能耗電路，是制動單元的主體。 bV 的常用器件是 GTR 或 IGBT。參數(shù)選擇方法如下： 1) 擊穿電壓 cexU 在電源電壓為 380V 時，選用 vU 1000cex ? 即可； 2) 集電極最大電流 cmI 按正常電壓下流經(jīng) BR 的電流的兩倍來選擇，按下式確定： 唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 19 BDCM RUI 2? （ ） 2． 直流制動單元 將電機與變頻器切斷后向繞組內(nèi)通入直流電流，定子磁場是靜止的。這時，轉(zhuǎn)子繞組切割磁力線后產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向相反，稱之制動轉(zhuǎn)矩。因為轉(zhuǎn)子繞組切割磁力線的速度較大，所以產(chǎn)生的制動轉(zhuǎn)矩比較強烈，從而可以縮短停機時間。 直流制動強度即預(yù)置在定子繞組上施加直流電壓 DBU 或直流電流 DBI 的大小，它決定了直流制動的強度，如下圖所示： 圖 預(yù)置直流制動電壓 DBU （或制動電流 DBI ）的主要依據(jù)是負載慣性的大小，慣性越大者，直流制動強度也應(yīng)越大。一般情況下，直流電壓以不超過 50 DBI 為宜。 DBt 即施加直流制動時間的長短。預(yù)置直流制動時間 DBt 的主要依據(jù)是負載是否有“爬行”現(xiàn)象，以及對克服“爬行”的要求，要求越高者， DBt 應(yīng)適當(dāng)長一些。依據(jù)變頻器各項參數(shù)設(shè)定。 編碼器反饋回路 光電編碼器又稱光電碼盤，簡稱 PG。它是通過光點編碼將電動機的轉(zhuǎn)速變換成電脈沖信號，此信號反饋給變頻 器輸入端對電動機進行控制。這種方法稱為帶 PG的閉環(huán)控制。 帶 PG閉環(huán)控制的控制方式又可以分為 fU 控制方式和矢量控制方式。 fU 控制方式：速度控制精度低，速度控制范圍較小，價格低，適用于一般的調(diào)速場合。 矢量控制方式：速度控制精度高，速度控制范圍較大，價格稍高，適用于轉(zhuǎn)速控制精度要求較高的場合。 對于礦井提升機，其對速度控制要求不是很高，考慮到經(jīng)濟因素 選用 fU 控制方式。 唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 20 提升機調(diào)速系統(tǒng)的 PLC 控制部分設(shè)計 PLC簡介 可編程序控制器是一種 綜合了計算機技術(shù)、半導(dǎo)體集成技術(shù)、自動控制技術(shù)、數(shù)字技術(shù)和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展起來的通用工業(yè)自動控制裝置 ，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。它采用可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的命令，并通過數(shù)字式模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都應(yīng) 按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴充功能的原則而設(shè)計。 它面向控制過程、面向用戶、適應(yīng)工業(yè)環(huán)境、操作方便、可靠性高，成為現(xiàn)代工業(yè)控制的三大支柱（ PLC、機器人和 CAD/CAM）之一。 PLC 控制技術(shù)代表著當(dāng)前程序控制的先進水平， PLC 裝置已成為自動化系統(tǒng)的基本裝置 [9]。結(jié)構(gòu)圖如圖 所示： 圖 PLC的基本結(jié)構(gòu)圖 PLC的選型 在礦井提升機電控系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)本身的特點，決定了系統(tǒng)對精度要求并不是特別高，對于響應(yīng)時間的要求也并不高，達到毫秒級就可以。在滿足基本要求的前提下，PLC 選型主要從經(jīng)濟性、適應(yīng)性、可擴展性及網(wǎng)絡(luò)通訊性能等方面綜合考慮。通過系統(tǒng)綜合考慮，本系統(tǒng)選擇西門子 S7200 系列 PLC。 S7200 系列 PLC 具有以下特點 : 1． 可靠性高，抗干擾能力強。 用程序來實現(xiàn)邏輯順序和時序，最大限度地取代傳統(tǒng)繼電 接觸器系統(tǒng)中的硬件線路，大量減少機械觸點和連線的數(shù)量。單從這一角度而言， PLC 在可靠性上優(yōu)于繼電 唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 21 接觸器系統(tǒng)是明顯的。在抗干擾性能方面， PLC 在結(jié)構(gòu)設(shè)計、內(nèi)部電路設(shè)計、系統(tǒng)程序執(zhí)行等方面都給予了充分的考慮。例如，對主要器件和部件用導(dǎo)磁良好的材料進行屏蔽、對供電系統(tǒng)和輸 入電路采用多種形式的濾波、 I/O 回路與微處理器電路之間用光電耦合隔離器、系統(tǒng)軟件具有故障檢測功能、信息保護和恢復(fù)、循環(huán)掃描時間的超時警戒等。 2． 靈活性強，控制系統(tǒng)具有良好的柔性。 當(dāng)生產(chǎn)工藝和流程進行局部的調(diào)整和改動時，通常只需要對 PLC 的程序進行改動，或者配合以外圍電路的局部調(diào)整即可實現(xiàn)對控制系統(tǒng)的改造。 3． 編程簡單，使用方便。 第一編程語言 (梯形圖 )是一種圖形編程語言，與多年來工業(yè)現(xiàn)場使用的電器控制圖非常相似，理解方式也相同，非常適合現(xiàn)場人員學(xué)習(xí)。 4． 控制系統(tǒng)易于實現(xiàn)，開發(fā)工作量少，周期短。 由于 PLC 的系列 化、模塊化、標準化及良好的擴展性和連網(wǎng)性能，在大多數(shù)情況下， PLC 系統(tǒng)是一個較好的選擇。它不僅能夠完成多數(shù)情況下的控制要求，還能夠大量節(jié)省系統(tǒng)設(shè)計、安裝、調(diào)試的時間和工作量。 5． 維修方便。 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。而由于 PLC 的體積小，并且有些采用模塊化結(jié)構(gòu)，因而可以通過更換整機或模塊迅速排除故障。 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(shù)量。一臺小型的 PLC，只相當(dāng)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。 7． 功能強，性價比高。 PLC所提供的軟元件的觸點可以無限次使用，方便地實現(xiàn)復(fù)雜的控制功能。同時，PLC的連網(wǎng)通信功能有利于實現(xiàn)分散控制、遠程控制、集中管理等功能，與同等規(guī)?；虺杀镜睦^電 接觸器控制系統(tǒng)相比，無論其功能和性能，都具有無可比擬的優(yōu)勢 [10]。 提升機調(diào)速系統(tǒng)的 PLC的 I/O端口 S7200系列 PLC可提供 4個不同基本型號的 8種 CPU,根據(jù)本課題提升機電控系統(tǒng)原理的調(diào)速控制要求，對電氣控制系統(tǒng)中的調(diào)速方法進行了改進，開關(guān)輸入量共需 16個輸入點，輸出點共需 9個，本設(shè)計選用 S7200系列的 CPU226可編程控制器，該可編程控制器共有 24點輸入和 16點輸出共 40個數(shù)字量 I/O點，它有 7個擴展模塊，有內(nèi)置時鐘，有更強大的模擬量和高速計數(shù)的處理能力。 提升機調(diào)速系統(tǒng)的 PLC的 I/O端口分配如下表所示： 唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 22 表 PLC的 I/O端口 輸入端子 輸入外設(shè) 輸出端子 輸出外設(shè) 啟動 變頻器通電 停止 電機啟動 復(fù)位 電機在工頻下正轉(zhuǎn) 上升 電機在工頻下反轉(zhuǎn) 下降 電機在變頻下正轉(zhuǎn) 過卷 電機在變頻下正轉(zhuǎn) 松繩 復(fù)位 過載 速度輸出 1 限位開關(guān) 速度輸出 2 限位開關(guān) 安全回路繼電器 限位開關(guān) 限位開關(guān) 限位開關(guān) 限位開關(guān) 限位開關(guān) 限位開關(guān) 提升機調(diào)速系統(tǒng)的 PLC外部電路設(shè)計 PLC是本控制系統(tǒng)中關(guān)鍵一環(huán)， 主要的控制功能有如下幾項：主令操作控制、保護監(jiān)視控制。 主令操作控制，對系統(tǒng)進行管理，實現(xiàn)提升機與操作臺之間的指令傳遞，向提升機系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的指令，并改變相應(yīng)電控系統(tǒng)的工作狀態(tài)，使提升機按照預(yù)定的力圖和速度圖安全運行，運行方式可分為啟動、等速運行、減速、爬行、停車。 PLC根據(jù)運行方式對變頻器實現(xiàn) S形速度給定控制，實現(xiàn)箕斗運行速度的準 S形曲線。 PLC還完成各種保護監(jiān) 視功能。 監(jiān)控內(nèi)容主要包括：超速監(jiān)視、過卷監(jiān)視、實時速度監(jiān)視、井筒過卷監(jiān)視、變頻器故障監(jiān)視、過載監(jiān)視等，以上監(jiān)視內(nèi)容出現(xiàn)故障時，通過報警回路或安全回路實現(xiàn)抱閘停車保護。 變頻器和 PLC相互配合， t t t t5時間段由變頻器輸出， t2時間段由工頻直接輸出，根據(jù)變頻器參數(shù)設(shè)置而實現(xiàn)的轉(zhuǎn)矩輸出如圖 ： 圖 轉(zhuǎn)矩輸出 唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 23 PLC外部接線圖如圖 ： 圖 提升機調(diào)速系統(tǒng)的 PLC外部接線圖 提升機調(diào)速系統(tǒng)各部分的 PLC控制 1． 提升機系統(tǒng)的起動和停車 當(dāng)需要開機運行時，按下