【正文】 PLC控制部分采用德國西門子(Siemens)公司生產(chǎn)的模塊式PLC S7300。確定基于PLC控制的大功率礦井提升機變頻調(diào)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。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)。本章中軟件設(shè)計部分是提升機調(diào)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(shè)計出了系統(tǒng)控制流程圖。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)。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(zhuǎn)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。 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(guān)或變頻器故障等外部控制信號時，PLC控制程序轉(zhuǎn)到相應(yīng)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。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。這樣既能避免計算量過大，又能避免占用的內(nèi)存量過大。（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。下放時,由測速發(fā)電機反映轉(zhuǎn)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。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(luò)信號給井口提升機操作工人，操作工人在回復(fù)一個信號到井底，然后開機提升。（I）提升機給定速度根據(jù)上述數(shù)學(xué)模型，按照《煤礦安全生產(chǎn)技術(shù)標準》要求，并結(jié)合礦井實際情況，選取提升機運行速度參數(shù)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(nèi)ω=1，t1=,t2=, t3=,v2 =,Soc=。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(yīng)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(diào)節(jié)變頻器的給定頻率從而改變電機轉(zhuǎn)速，使之按給定速度曲線運行。這可以由軟件編程實現(xiàn)。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(nèi)，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(guān)常數(shù)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(guān)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(shù)學(xué)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。第一種是直接給定所需速度值，并經(jīng)過控制系統(tǒng)中傳動裝置的軟件包中的斜坡函數(shù)發(fā)生器（Ramp Function Generator）平滑后生成（見圖4—2）圖4—2斜坡函數(shù)發(fā)生器該種方式由傳動裝置提供直接應(yīng)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(jù)用戶需要進行編程，應(yīng)用靈活。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(yīng)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。其中，5階段速度圖又可分為對稱和非對稱5階段速度圖。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(shè)有聯(lián)鎖保護、自動限速保護功能等，能在很大范圍內(nèi)對提升機進行安全保護和智能控制，具有很好的應(yīng)用和推廣價值。變頻器調(diào)速還可通過軟件很方便地改變輸出轉(zhuǎn)矩(即調(diào)整轉(zhuǎn)矩補償曲線)和加減速時間、目標頻率、上下限頻率等。本章介紹了提升機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的硬件電路實現(xiàn)，包括變頻調(diào)速部分、PLC可編程控制器部分及安全保護和抗干擾部分。為了進一步提高抗干擾效果，還應(yīng)采用電纜。傳輸線路屏蔽。④在逆變橋脈沖突然封鎖時，電容C不能與電動機發(fā)生振蕩電壓幅值超過l0kV的自激振蕩，即電容C的選擇應(yīng)參考電動機的激磁電感參數(shù)。圖3—8濾波器結(jié)構(gòu)圖輸出正弦濾波器中電感L和電容C參數(shù)的選擇受以下條件的約束:①電感器上基波電壓降越小越好。從提高變頻器安全可靠運行角度，相比較而言，進線電抗器起主要作用。輸入輸出濾波變頻器輸出交流電后應(yīng)加入濾波器，然后再將濾波后的交流電送入電機，對電機進行調(diào)速。以減少振動對其性能的影響。針對不同的PLC，阻容吸收回路的參數(shù)可能不同，根據(jù)現(xiàn)場情況可以自行調(diào)整。PLC工作靈敏度高，很容易受到各種電磁干擾，引起誤動作。熱繼電器的整定值Ifz一般為電動機額定電流值Io。保護措施主要是通過切斷電動機電源的方法實現(xiàn)保護?？諝鈹嗦菲鞯念~定電壓應(yīng)大于或等于電動機額定電壓所以選用：富士康SA203BA斷路器，其最大額定電流：225A，額定隔離電壓：AC 690V，額定分斷容量：30KA（在AC 380V下）二、熱繼電器過載保護礦山提升機由于負載沉重而需要限制起動時間，又容易堵轉(zhuǎn)，且又長期處于頻繁起動停止狀態(tài)，容易出現(xiàn)過載現(xiàn)象，所以需要對電機進行過載保護。（2）當電動機正常起動或制動時，保護裝置不應(yīng)動作。同時這兩個同步開關(guān)還用作兩個減速點用。通過設(shè)定上下限值可按距離原則發(fā)出過卷信號。則：fD≤n?p得到：p≤fDn=10000075060=8000查OMRON系列編碼器規(guī)格，選取每轉(zhuǎn)輸出1000個脈沖的編碼器。旋轉(zhuǎn)編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)的選擇取決于PLC允許輸入的頻率、提升速度、計數(shù)精度等。(7)盤式制動器的工作制動力矩可調(diào)，緊急制動(安全制動)能產(chǎn)生二級制動，避免機械沖擊。(3)過載保護：熱繼電器常閉觸點串接于安全控制回路，當電機因負載過重，電機堵轉(zhuǎn)等故障而使負載轉(zhuǎn)矩增大時，熱繼電器動作，常閉觸點斷開，使安全回路動作，保護提升機不受損壞。(2)梯形圖及編程語言四、保護及連鎖功能(1)上過卷、下過卷保護，在離井口安全處和離井底一定距離處分別裝上霍爾常開型接近開關(guān)，當?shù)V車由于故障或操作員失誤，礦車越過安全線時，傳感器動作，同時PLC控制安全回路動作，實現(xiàn)對提升系統(tǒng)的保護，并伴隨有聲光報警。此時繼電器KM2得電，KM3失電；置于變頻器與電機之間的KM2常開觸點閉合，跨過變頻器，連接電機與三相動力電源的KM3常開觸點斷開。此時FWD與CM相連，電機正轉(zhuǎn)上提煤車。從而達到互鎖作用。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、礦車行程監(jiān)視、過載監(jiān)視、深度指示器監(jiān)視等，以上監(jiān)視內(nèi)容出現(xiàn)故障時，通過報警回路報警或安全回路實現(xiàn)抱閘停車保護。 圖3—5直流制動功能預(yù)置 PLC控制部分設(shè)計PLC是本控制系統(tǒng)中關(guān)鍵的一環(huán)，其主要控制電路如圖3—6所示，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。一般情況下，直流電壓以不超過50 V為宜。轉(zhuǎn)換時對應(yīng)的頻率即為直流制動的起始頻率fDB，如圖所示。因為轉(zhuǎn)子繞組切割磁力線的速度較大，所產(chǎn)生的制動轉(zhuǎn)矩比較強烈，從而可縮短停機時間。b）集電極最大電流Icm按正常電壓下流經(jīng)Rb的電流的兩倍來選擇三、直流制動單元能耗制動和直流制動配合使用能達到理想的制動效果。 圖3—4能耗制動和制動單元電路b）電壓取樣與比較電路由于Vb的驅(qū)動電路是低壓電路，故只能按比例取出Ud的一部分作為采樣電壓，和基準電壓進行比較，得到控制Vb導(dǎo)通或截止的指令信號。當電動機的再生制動狀態(tài)屬于正常工作狀態(tài)時，應(yīng)取ab=。用于消耗電動機再生電能的電路，就是能耗制動電路。過高的直流電壓將使各部分器件受到損害。電動機處于發(fā)電機狀態(tài)。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。(2)、聲光報警電路由報警輸出的動合（常開）觸點“30B30A”控制，當變頻器跳閘時，觸點“30B30A”閉合，將報警指示燈HL和電笛HA接通，進行聲光報警。根據(jù)變頻器所需容量，查變頻器型號規(guī)格：選擇森蘭SB61G110KW通用型變頻器?？紤]到礦用電機性能上的差異及機械負載的波動，本系統(tǒng)中所需電動機的軸上功率為75KW。因此．在選擇電動機的保護元件時可以用1kw2A來估算電動機的額定電流值，從而達到快速選擇保護元件的目的。與標準的電壓—頻率控制裝置相比較，在速度參數(shù)和負載轉(zhuǎn)矩都改變的情況下，VVCPLus的動態(tài)和穩(wěn)定性較優(yōu)越，可實現(xiàn)一個全數(shù)字化的保護，即使在最惡劣的操作條件下，也可確保可靠運行。為了與變頻調(diào)速系統(tǒng)配合，保證在啟動力矩、低頻轉(zhuǎn)矩、過載能力等方面滿足系統(tǒng)的要求，選用冶金起重專用變頻電動機。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輸出的模擬量，即電壓或電流信號來控制變頻器的輸出頻率，實現(xiàn)電機速度控制?？刂票O(jiān)視系統(tǒng)通過與PLC的通信，將電動機的所有運行參數(shù)和故障參數(shù)都顯示出來，并對礦車的位置及速度進行時時監(jiān)控。這樣，就起到了調(diào)速的作用。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(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。各部分功能如下：動力裝置：包括主電機、減速器、卷筒、制動器和底座，完成人、物、料的運輸任務(wù)。第3章 提升機調(diào)速控制系統(tǒng)硬件實現(xiàn)經(jīng)過分析比較，權(quán)衡各種控制方案的優(yōu)劣，結(jié)合提升機調(diào)速系統(tǒng)屬于恒轉(zhuǎn)矩負載特性，最終選擇PLC與變頻器相結(jié)合的變頻調(diào)速方案，其變頻控制方式為：矢量變頻調(diào)速控制。改進后的電控系統(tǒng)采用什么控制方案更加合理，采用交流還是直流調(diào)速，到底哪種調(diào)速方法調(diào)速性能更好。帶速度傳感器的矢量控制如圖2—7所示：帶速度傳感器的矢量控制變頻調(diào)速是一種比較理想的變頻調(diào)速控制方式。這樣，通過控制M軸，T軸兩個方向的電流大小來等效地控制三相電流Ai、Bi、Ci的瞬時值，從而調(diào)節(jié)電機的磁場與轉(zhuǎn)矩以達到調(diào)速的目的。mi沿M繞組軸線方向產(chǎn)生磁勢，ti沿T繞組軸線方向產(chǎn)生磁勢。矢量控制的基本思路是以產(chǎn)生相同的旋轉(zhuǎn)磁動勢為準則，將異步電動機在靜止三相坐標系上的定子交流電流通過坐標變換等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標系上的直流電流并分別加以控制，從而實現(xiàn)磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦控制，以達到直流電機的控制效果。目前關(guān)于DTC系統(tǒng)無速度傳感器技術(shù)的研究尚不多見，還需要開展大量的工作。直接轉(zhuǎn)矩控制通過檢測電機定子電壓和電流，借助瞬時空間矢量理論計算電機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并根據(jù)與給定值比較所得差值，實現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接控制。與傳統(tǒng)控制方式相比，模糊控制是一種非線性的控制方法，工作范圍寬，適用范圍廣，特別適合于非線性系統(tǒng)的控制。雖然這種調(diào)速方案技術(shù)性能差，且運行效率低，但控制方式簡單、初期設(shè)備投資小，許多中小礦井的提升機仍采用這種調(diào)速方案。轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速的主電路結(jié)構(gòu)如圖2—2所示圖2—2轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速圖在加速過程中，交流接觸器KM1,KM2,KM3,KM4逐級吸合，轉(zhuǎn)子回路電阻依次減小，以保證加速力矩的平均值不變。為了使提升機調(diào)速控制系統(tǒng)能取得良好的控制性能，不同類型的負載應(yīng)根據(jù)具體要求選擇不同的控制方案，控制方式是決定提升機使用性能的關(guān)鍵所在。綜上所述，直流調(diào)速的電樞和勵磁是分開的，能夠精確控制；且直流調(diào)速轉(zhuǎn)矩速率特性好并能在大范圍內(nèi)平滑地調(diào)速，因此在礦井提升系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。c、串級調(diào)速串級調(diào)速是指繞線式電動機轉(zhuǎn)子回路中串入可調(diào)節(jié)的附加電勢來改變電動機的轉(zhuǎn)差，達到調(diào)速的目的。調(diào)壓調(diào)速一般適用于100KW以下的生產(chǎn)機械。為了擴大調(diào)速范圍，調(diào)壓調(diào)速應(yīng)采用轉(zhuǎn)子電阻值大的籠型電動機，如專供調(diào)壓調(diào)速用的力矩電動機，或者在繞線式電動機上串聯(lián)頻敏電阻。三、改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速改變轉(zhuǎn)差率的方法主要有三種：定子調(diào)壓調(diào)速、轉(zhuǎn)子電路串電阻調(diào)速和串級調(diào)速。一、變極對數(shù)調(diào)速方法這種調(diào)速方法是用改變定子繞組的接線方式來改變籠型電動機定子極對數(shù)達到調(diào)速目的，特點如下：具有較硬的機械特性，穩(wěn)定性良好；無轉(zhuǎn)差損耗，效率高；接線簡單、控制方便、價格低；有級調(diào)速，級差較大，不能獲得平滑調(diào)速；此調(diào)速方法可以與調(diào)壓調(diào)速、電磁轉(zhuǎn)差離合器配合使用，獲得較高效率的平滑調(diào)速特性。礦井提升機調(diào)速系統(tǒng)采用交流異步電動機拖動，其交流異步電動機轉(zhuǎn)速公式為：n=60f/p(1s)從上式可見，改變供電頻率f、電動機的極對數(shù)p及轉(zhuǎn)差率s均可達到改變轉(zhuǎn)速的目的。其設(shè)備簡單，調(diào)速更快。這種調(diào)速系統(tǒng)，設(shè)備多、體積大、費用高、效率低、安裝需打地基、運行有噪聲、維護不方便。GM系統(tǒng)（發(fā)電機—電動機調(diào)速系統(tǒng)）此系統(tǒng)中，電源是旋轉(zhuǎn)裝置，由旋轉(zhuǎn)電機即直流發(fā)電機供電。礦井提升機的基本參數(shù)是：電機功率75kW，卷筒直徑1200mm，減速器減速比24：1，鋼絲繩長度為400m。礦井提升的整個過程可以分為五個階段加速階段、等速階段、減速階段、爬行階段、停車抱閘階段。鑒于此有必要對提升機的控制方式及調(diào)速性能做進一步的分析。在完成以上設(shè)計內(nèi)容時，此調(diào)速控制系統(tǒng)才能成為一個有機的整體，才能安全可靠的工作，并達到預(yù)期的控制效果。為了保證其安全生產(chǎn)，在系統(tǒng)設(shè)計上應(yīng)采用隔離、濾波、屏蔽、接地等抗干擾措施。在實際中經(jīng)常采用的轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速因其為有級調(diào)速，調(diào)速不連續(xù)，且對電網(wǎng)沖擊大。對于復(fù)雜的礦山提升機變頻調(diào)速電控系統(tǒng)采用PLC控制，在本文中設(shè)計出程序控制功能流程圖，并給出其它基本控制功能的梯形圖及控制程序編程語言。給出提升系統(tǒng)的整體控制方案；確定基于PLC控制的大功率礦井提升機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)組成。設(shè)計中充分考慮到保護系統(tǒng)惡劣的使用環(huán)境，采用控制功能強大的PLC來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的大型交流接觸器，簡化了控制