【正文】 l0kV的自激振蕩，即電容C的選擇應參考電動機的激磁電感參數。式中：Xm為電機的激磁阻抗傳輸線路處理信號線與動力線盡可能垂直，不得不平行時盡可能保持較大的間距；穿45管敷設時使兩者分開在不同的管內；用匯線槽敷設時不同種類的信號線，信號線與動力線之間設置隔離金屬板；同一多心電纜內走同種類的信號。這樣可以有效的減少干擾信號的耦合。信號傳輸線路采用屏蔽雙絞線。在外界干擾磁場作用下，同一導線的相鄰的兩扭環(huán)所產生的感應電動勢方向相反，在導線上產生的相反方向的干擾電流抵消，雖然不可能完全為零，但可以減小到很小。傳輸線路屏蔽。傳輸線路采用帶有絕緣護套的金屬屏蔽層進行屏蔽，通過屏蔽層接地可以使導線與導線之間的耦合趨近于零，大大降低了線與線之間的分布電容所引起的電容性耦合噪聲。變頻器和PLC的控制信號為微弱的電壓、電流信號，所以與主回路不同，對于變頻器的輸出回路是強電磁干擾源，因此，變頻器和PLC控制回路的配線不能與變頻器主回路配線在同一根鐵管或同一配線槽內敷設。為了進一步提高抗干擾效果，還應采用電纜。電磁感應干擾的大小與電纜的長度成比例，所以還要盡可能縮短敷設電纜。礦井提升機是在繁重而復雜的條件下工作的設備，是礦井的咽喉。提升機變頻調速控制系統(tǒng)主要由動力裝置、液壓站、變頻器、操作臺和控制監(jiān)視系統(tǒng)等組成。本章介紹了提升機變頻調速控制系統(tǒng)的硬件電路實現(xiàn)，包括變頻調速部分、PLC可編程控制器部分及安全保護和抗干擾部分。變頻調速控制系統(tǒng)進行恒加速變頻調速啟動，恒減速變頻調速停車及行程變頻調速運行等。變頻調速范圍寬、調節(jié)精度高。采用變頻調速后，電機可以實現(xiàn)真正意義上的軟啟動和平滑調速。變頻器調速還可通過軟件很方便地改變輸出轉矩(即調整轉矩補償曲線)和加減速時間、目標頻率、上下限頻率等。能夠使提升機S形速度給定很好的得到實現(xiàn)。PLC控制安全保護系統(tǒng)由動力裝置、液壓站、操作臺和控制監(jiān)視系統(tǒng)等組成。PLC以軟件可編程的方式代替了大量的交流接觸器進行控制，克服了轉子串電阻調速系統(tǒng)的控制電路復雜，破損率高等缺點，提高了電力傳動控制系統(tǒng)的可靠性和安全性。另外憑其強大的控制功能，除能實現(xiàn)一般的過壓、欠壓、過載、短路等保護外，還設有聯(lián)鎖保護、自動限速保護功能等，能在很大范圍內對提升機進行安全保護和智能控制，具有很好的應用和推廣價值。第4章 提升機調速控制系統(tǒng)軟件實現(xiàn)軟件控制是提升機調速控制的靈魂。PLC系統(tǒng)控制軟件由主程序和中斷子程序構成，并集成了PLC故障處理功能，能夠有效的避免許多干擾因素的影響，確保提升機調速電控系統(tǒng)的有效運行。（1）速度曲線選擇傳統(tǒng)上，礦井提升機箕斗的運行速度曲線，根據加減速特性的不同，可分為3階段速度圖、5階段速度圖和6階段速度圖。其中，5階段速度圖又可分為對稱和非對稱5階段速度圖。運行非對稱5階段速度是礦井提升機應用最為廣泛和典型的運行方式。它包括啟動加速段、勻速段、一次減速段、勻速爬行段和二次減制動段5個階段，構成了礦井提升機一次完整的運行周期[11]。礦井提升機在啟動加速階段不外乎有5類主要運行速度曲線：加速度時間曲線和加加速度時間曲線兩組曲線（見圖4—1）。由圖可以看出從礦井提升機運行的安全、效率、乘坐舒適感、維護和使用壽命等綜合考慮，應選擇圖4—1（d）所示曲線實現(xiàn)提升機理想S形速度曲線運行。 圖4—1礦井提升機箕斗5類運行曲線（2）礦井提升機速度給定方式礦井提升機的實際速度運行曲線是由其控制部分的給定速度曲線決定。所以，要實現(xiàn)按理想S形速度曲線運行，只需速度給定曲線是理想S形速度曲線即可。在現(xiàn)代礦井提升機的控制系統(tǒng)中，S形速度的給定方式一般有兩種。第一種是直接給定所需速度值，并經過控制系統(tǒng)中傳動裝置的軟件包中的斜坡函數發(fā)生器（Ramp Function Generator）平滑后生成（見圖4—2）圖4—2斜坡函數發(fā)生器該種方式由傳動裝置提供直接應用平臺，并受其制約；第二種S形速度給定方式（即本文所研究的控制方式），是通過軟件方式直接生成所需的理想S形速度給定曲線，其由PLC控制實現(xiàn)，特點是可根據用戶需要進行編程，應用靈活。根據前述分析可知，將圖4—1（d）所示運行曲線應用于礦井提升機非對稱5階段速度圖，就可得到所需的非對稱5階段理想S形速度曲線（見圖4—3） 圖4—3非對稱5階段理想S形速度曲線圖中v、a、ρ分別為速度、加速度和加加速度；a1是最大正向加速度值，ρ1是最大正向加加速度值。現(xiàn)在分段來研究圖5—3中不同曲線段的數學模型。（1）oabc為提升機箕斗的啟動加速階段（30 t≤t），它包括oa、ab、bc三小段曲線形成一理想S形啟動加速曲線段。在oa段（10 t≤t），a1 =a sinωt 當t=0時，可得最大加加速度：其中t1=t時，速度在上述區(qū)間內，提升機箕斗的運行距離在ab段（t1 t≤t2）提升機以a1值作恒定加速度運行，此時加加速度ρ=0，則當t= t2時，速度箕斗運行距離在bc段（t2 t≤t3）從圖中可以看出加速度曲線bc段與oa段曲線成軸對稱，即其箕斗運行距離為：上述各式有關常數與確定的額定運行速度v最大加速度a1和最大加加速度ρ1之間關系為：由式（1）～（6）得到提升機箕斗在啟動加速度的理想S形速度曲線數學模型為：（2）cd提升機箕斗以額定速度v1作勻速運行，速度曲線為水平直線段。（3）defg為箕斗從額定速度v1減速到爬行速度v4以d點為起始0點，包括de段（0 t≤t1′）、ef（t1′t≤t2′）段和fg（t2′t≤t3′）段，其計算方法同第一段，理想S形速度曲線數學模型為：上述各式有關常數與確定的額定運行速度v爬行速度v最大加速度a1和最大加加速度ρ1之間關系為：（4）gh為提升機以額定速度v4作勻速爬行段。（5）hi為二次減速停車段，其曲線形狀除了無勻加速度段外完全同第（3）段，只是此時減速起始速度v一般較小，所以最大加速度a1和最大加加速度ρ1的值和它們之間比值應作適當調整以滿足實際情況。提升機每次運行的距離不盡相同，這就要求系統(tǒng)能夠根據不同距離通過計算求取不同的速度曲線。這可以由軟件編程實現(xiàn)。具體做法是根據不同的運行距離自動將距離分成三段，即加速段、勻速段和減速段。由前述可知加速段和減速段具有對稱性，這可以簡化程序。然后按照上述S形速度曲線公式確定每段所需運行時間及各拐點時間，求出各拐點速度，再按插值法求出速度曲線并存入CPU的RAM中。在系統(tǒng)運行的時候就可以用實測速度與給定速度曲線上對應的速度進行比較求得的差值按一定的算法求出控制量去調節(jié)變頻器的給定頻率從而改變電機轉速，使之按給定速度曲線運行。礦井提升機速度給定曲線的優(yōu)劣對其性能的好壞有著重要影響，應用上述理想S形速度給定曲線可極大地改善礦井提升機運行特性，延長其使用壽命。在實際應用中，只要根據實際情況適當地調整最大加速度、加加速度及它們之間的比值，就能快速、方便地得到一條優(yōu)良的S形速度給定曲線。另外，在程序實現(xiàn)上，盡管其數學模型相對復雜，浮點計算量大，但隨著CPU性能的突飛猛進，PLC編程越來越容易，且不會大幅增加其CPU循環(huán)周期。（I）提升機給定速度根據上述數學模型，按照《煤礦安全生產技術標準》要求，并結合礦井實際情況，選取提升機運行速度參數如下：提升機額定運行速度v1=,爬行速度v4=2m/s, a1= m/s2,ρ1= m/s3則在啟動加速段oabc內ω=1，t1=,t2=, t3=,v2 =,Soc=。在defg減速段內ω=1，t2=, t2=, t3=, v3=, Sdg =。在減速停車段，由于無勻加速段，故v5 = v4/2=1m/s,由式v5 = sinωt10解得到t10=, t20= ,求解得到：shi=2m。由此得到實際S形速度給定曲線（見圖4—4），其可以通過PLC編程控制實現(xiàn),圖中加速和減速段的時間均在變頻器上設置。圖4—4礦井提升機工作時序圖（1）第一階段0～t3：串車車廂在井底工作面裝滿煤后，發(fā)一個聯(lián)絡信號給井口提升機操作工人，操作工人在回復一個信號到井底，然后開機提升。重車從井底開始上行，重車起動后，開始持續(xù)加速達到變頻器的設定頻率f2，在此期間提升機的速度逐漸加快。（2）第二階段t3～t′：勻速運行階段。上升時,電動機保持電動狀態(tài),重車提升機以額定運行速度穩(wěn)定運行。下放時,由測速發(fā)電機反映轉子下放速度,當速度高于v1時,增大勵磁電流,提高制動力矩,使箕斗在斜坡上勻速運行。一般，這段過程最長。（3）第三階段t′～t3′：重車快到井口時減速階段，重車減速到低速，進入爬行階段。如減速時間設置較短時，變頻器制動單元和制動電阻起作用，不致因減速過快跳閘。（4）第四階段t3′～t0：重車以變頻器頻率為f1速度低速爬行，便于在規(guī)定的位置停車。（5）第五階段t0～t20：到達停車位置時，變頻器立即停車，重車減速到零，制動系統(tǒng)閘制動。操作工人發(fā)一個聯(lián)絡信號到井下，整個提升過程結束。在軟件編程中，對勻加速段、勻減速段采用查表法，其它各段速度勻按距離給出，計算公式如前。這樣既能避免計算量過大，又能避免占用的內存量過大。此外，為了改善調速系統(tǒng)的跟隨性，在PLC中用軟件實現(xiàn)了對調速系統(tǒng)的微分前饋控制。綜合以上步驟就可以完成S形給定速度曲線的實現(xiàn)。（II）提升機給定力根據動力學方程式：式中：Te—電動機產生的轉矩；T1—單軸傳動系統(tǒng)的負載轉矩；J—單軸傳動系統(tǒng)的轉動慣量；ω—單軸傳動系統(tǒng)的角速度；GD2—飛輪慣量（飛輪轉矩）； 圖4—5提升系統(tǒng)給定力圖圖4—5中(a),(b),(c)為提升機的給定力圖。其中(a)為靜負載力矩比較大的情況，(b)為靜負載力矩比較小的情況，(c)為下放重物的情況。顯然，隨著提升物料的重量不同，要求電動機的拖動力矩不同，且在一個提升循環(huán)中，在不同階段電動機的拖動力矩的極性也在變化，礦井提升機要求電力拖動系統(tǒng)能滿足四象限運行的條件。主程序流程圖如圖4—6所示，其中包括兩個主要的功能模塊：中斷子程序功能模塊和故障處理子程序功能模塊。主程序完成系統(tǒng)初始化、自檢、故障診斷、調速系統(tǒng)控制等工作。 圖4—6 PLC工作流程圖 （I）中斷子程序功能當PLC接收到來自傳感器、接近開關或變頻器故障等外部控制信號時，PLC控制程序轉到相應的中斷處理程序處，完成超速保護、過卷、過載、松繩等保護及提升機位置、速度監(jiān)控、變頻器故障監(jiān)控等。當有故障出現(xiàn)時可轉到相應的故障處理模塊進行進行故障處理，并通過報警回路報警或安全回路實現(xiàn)抱閘停車保護。（II）故障處理子程序功能故障處理程序綜合來自控制系統(tǒng)外圍的故障信息和內部系統(tǒng)監(jiān)視程序檢測到的故障信息，控制系統(tǒng)程序依據故障的不同類型以及提升機當前的運行狀態(tài)，做出相應處理。同時判斷并記錄首發(fā)故障，便于現(xiàn)場工作人員進行維護，快速地查找和排除故障。對于輕故障，如果當前提升機處于停車狀態(tài)，則不允許開車，系統(tǒng)發(fā)出報警信號；如果當前提升機處于運行狀態(tài)，則允許提升機繼續(xù)運轉完成本次提升循環(huán)后，再發(fā)出報警信號，而且在停車后故障未被排除前禁止開車。對于較重故障，如果當前提升機處于停車狀態(tài)，則不允許開車；如果當前提升機處于運行狀態(tài)，則依靠傳動控制系統(tǒng)實現(xiàn)電氣制動，使提升機以正常的減速度減速、停車、抱閘。對于重故障，PLC系統(tǒng)根據故障的分類使快速開關跳閘或高壓開關跳閘。如果當前提升機處于停車狀態(tài)，則不允許開車并跳閘；如果當前提升機處于運行狀態(tài)，而且故障點位于減速點之前，則首先選擇跳閘，再對提升機實施恒減速制動；如果故障點位于減速點之后，則電氣跳閘后施以二級制動；如果故障點位于減速點之后且靠近井口，已經來不及進行二級制動，則系統(tǒng)立即實施緊急制動。本章詳細介紹了礦井提升機理想S形速度曲線的建模及實現(xiàn)。礦井提升機速度給定曲線的優(yōu)劣對其性能的好壞有著重要影響，應用上述理想S形速度速度給定對提升機實現(xiàn)按行程控制，可極大地改善礦井提升機運行特性，延長其使用壽命。礦井提升負載屬于典型恒轉矩特性負載，電機運行狀態(tài)復雜，所以對電控系統(tǒng)的要求更高。在基于可編程控制器控制的系統(tǒng)中，控制功能都是通過軟件編程實現(xiàn)的。本章中軟件設計部分是提升機調速控制系統(tǒng)的核心，前述控制思想的實現(xiàn)，包括提升機S形速度給定，按行程對提升機進行及過卷、松繩、超速等保護，都集中在PLC軟件控制部分，文中設計出了系統(tǒng)控制流程圖。礦井提升是一個對安全性、可靠性要求極高的環(huán)境，其電控系統(tǒng)的設計涉及到方方面面的問題，只有進行妥善處理，生命財產安全才能得到更大的保障。第5章 全文總結本文所作的主要研究工作是針對當前大多數中、小型礦井礦山提升機調速電控系統(tǒng)采用交流繞線式電機串電阻調速當中存在的提升機調速性能差、故障率高、能耗大等問題展開的。借助于現(xiàn)已成熟的變頻調速技術，并嘗試將可編程控制器（PLC）強大的控制功能與變頻技術相結合，應用于礦山提升機電控系統(tǒng)中，以求能夠改善礦山提升機電控系統(tǒng)性能。在本文中主要探討了PLC所要完成的保護控制功能及其極為重要的提升機速度控制理論與實現(xiàn)。并借助于MATLAB強大的動態(tài)仿真平臺Simulink對矢量控制的三相異步電動機變頻調速系統(tǒng)做了仿真。為變頻調速控制的實現(xiàn)準備了理論的基礎。全文主要工作如下：提升機電控系統(tǒng)主電路部分結合煤礦生產實際情況，分析提升機工作過程及工作特點。確定基于PLC控制的大功率礦井提升機變頻調速控制系統(tǒng)由動力裝置、液壓站、變頻器、操作臺和控制監(jiān)視系統(tǒng)組成。變頻調速單元采用森蘭SB61系列SB61G110KW通用變頻器。它與PLC通過模擬量輸入接口相連，提升機S形速度給定曲線由PLC通過軟件編程產生通過變頻器模擬量輸入器對電機實現(xiàn)調速控制。另外變頻器外接電路能夠實現(xiàn)變頻器故障報警