【正文】 泛。 2． 通用變頻器使用的功率器件不斷更新?lián)Q代。 變頻器的選擇 從 80 年代初通用變頻器問世以來，經(jīng)過近 20 年，通用變頻器更新?lián)Q代了五次。 (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。 (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(wǎng)性能 ,在大多數(shù)情況下 11 PLC 系統(tǒng)是一個較好的選擇。 (4)功能強大，可擴展 PLC 的主要功能包括開關(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。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(jié)構(gòu)化文本和功能塊圖三種編程語言的表達方式。 (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(shù)人員更易接納和理解。而在控制系統(tǒng)中，大量的開關(guān)動作是由無觸點的半導(dǎo)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(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)場穩(wěn)定地工作。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。在 PLC 處于運行 (RUN)狀態(tài)時，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。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。 整個掃描過程分為 內(nèi)部處理、通信操作、程序輸入處理、程序執(zhí)行、程序輸出幾個階 10 段，全過程掃描一次所需要的時間稱為掃描周期。 輸入單元外設(shè)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(jié)構(gòu)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。而 S7200 系列的產(chǎn)品可以滿足設(shè)計要求，因此本次設(shè)計以西門子公司的 S7200 系列入手。 S7200 系列西門子 PLC 家族中的成員之一，在西門子工控領(lǐng)域中占有重要的地位。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(guān)的作用不變，以方便用戶，縮短適應(yīng)期。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 技術(shù)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。 操作臺：操作臺設(shè)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(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。 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。甚至與上位機聯(lián)網(wǎng)，合并于礦井監(jiān)測系統(tǒng)中。提升過程采用微機主要完成如下參數(shù)的監(jiān)視：提升過程中各工況參數(shù) (如速度、電流 )監(jiān)視；各主要設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)視；各傳感器 (如位置開關(guān)、停車開關(guān) )信號 的監(jiān)視。 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(shù)、工作狀態(tài)、故障參數(shù)和故障狀態(tài)。 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 的礦井提升機變 頻調(diào)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。適用、經(jīng)濟、高效、可靠是本文提升機系統(tǒng)設(shè)計的追求目標。 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。通過對頻率的調(diào)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(diào)速。 輸 入 設(shè) 備按 鈕 、 限 位 開 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 械 設(shè) 備 或 生 產(chǎn) 過 程 圖 14 可編程控制器控制過程系統(tǒng)框圖 本次設(shè)計 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，實現(xiàn)模擬量和數(shù)字量的輸出控制。每個程序語句確定了一個順序，運行時依次讀取存儲器中的程序語句，對它們的內(nèi)容進行解釋并加以執(zhí)行，執(zhí)行結(jié)果用以接通輸出設(shè)備，控制被控對 象工作。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。 采用 PLC 控制變頻調(diào)速 ， 在最大限度滿足生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)工藝對電氣控制系統(tǒng)要求的前提下，力求運行安全、可靠、動作準確、結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟、電動機及電氣元件選用合理，操作、安裝、調(diào)試和維修方便 。 PLC 控制變頻調(diào)速 裝置本身具有過壓、欠壓、過流、過負荷、缺相、超溫等保護，同時配合來自現(xiàn)場的各種信號傳感器的監(jiān)視及相應(yīng)處理，可實現(xiàn)絞車過卷、過速、減速、限速等重要保護的雙線制保護功能，滿足煤礦安全規(guī)程要求。在提升機控制系統(tǒng)中應(yīng)用計算機 控制技術(shù)和變頻調(diào)速技術(shù)，對原有提升機控制系統(tǒng)進行升級換代。如果對該豎井提升機電控系統(tǒng)進行技術(shù)改造，那么需要改變控制策略，采用當代高新實用技術(shù)，比如先進的工業(yè)計算機、現(xiàn)場總線和工業(yè)自動化技術(shù)來控制，按照結(jié)構(gòu)標準化、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)適合礦井提升機電控設(shè)備是進行技術(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、自動化程度高的電控系統(tǒng)。 （ 4）系統(tǒng)安全保護環(huán)節(jié)不全面，工作不可靠，故障顯示不直觀，分析 查找故障難度大，缺乏運行參數(shù)顯示功能 . （ 5）機械沖擊大、人員乘車舒適性差。 （ 2）繼電器、接觸器頻繁動作，電弧燒蝕觸點，使用壽命短。圖 13 為繼電器 — 接觸器控制系統(tǒng)框圖。 控制方案分析與確定 傳統(tǒng)繼電器 — 接觸器控制 5 國內(nèi)大多繼電器 — 接觸器式礦井提升機設(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)線連接起來加以實現(xiàn)的，這樣的控制系統(tǒng)稱為接線程序控制系統(tǒng)。 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， 近年來交流變頻調(diào)速技術(shù)迅速發(fā)展起來，調(diào)速方式的不斷進步使得運用于提升機系統(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)也越來越多地在提升機控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，充分發(fā)揮出交流調(diào)速的優(yōu)勢。在生產(chǎn)機械上廣泛使用的調(diào)速方法中，不改變同步轉(zhuǎn)速的有：繞線式電動機的轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、斬波調(diào)速、串級調(diào)速等。 方案 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。 提升機經(jīng)過變頻調(diào)速改造后，系統(tǒng)的工作過程變化不大，操縱桿控制電機正轉(zhuǎn)三檔速度和反轉(zhuǎn)三檔速度。 提升過程一般包括：起動加速、勻速、減速、爬行和停車幾個主要環(huán)節(jié)。當另一列重車上行時，電機處于反向電動狀態(tài)，工作在第三象限和第四象限，另外有占總運行時間 10%的時候單獨運送工具或器材到井下時，電機純粹處于第二或第四象限，此時電機長時間處于再生發(fā)電狀態(tài)，需要進行有效的制動。 圖 12 礦井提升機的直流拖動 4 分析及確定 拖動與調(diào)速方案分析 斜井提升是典型的摩擦性負載，即恒轉(zhuǎn)矩特性負載?？傮w來說，隨著科學(xué)技術(shù)不斷的發(fā)展和 PLC 可編程控制技術(shù)、變頻技術(shù)的發(fā)展，我國近十年來關(guān)于礦井提升計算機控制系統(tǒng)的研究發(fā)展迅速 ,采用了先進的控制 設(shè)備和控制策略 ,無論在驅(qū)動方式上還是控制技術(shù)上都取得了很大的進展 ,積累了大量的經(jīng)驗 ,取得了很大的成績。 3 圖 11 礦井提升機的交流拖動 2. 直流拖動方式 我國提升機采用直流拖動有兩種系統(tǒng) :直流發(fā)電機 — 直流電動機機和晶閘管 — 直流電動機系統(tǒng)。極少數(shù)提升機采用串級調(diào)速方法，其調(diào)速范圍窄，且投資大。就拖動方式而言，目前我國的礦井提升機主要有以下兩種拖動方式： 1. 交流拖動方式 目前我國提升機約 70%采用串電阻調(diào)速的交流拖動方式。特別要強調(diào)的是，此時期在國外著名的提升機制造公司，如西門子、 ABB、 ALSTHOM 都利用新的技術(shù)和裝備，開發(fā)或完善了提升機的安全保護和監(jiān)控裝置，使安全 保護性能又有了新的提高。上世紀八十年代初，計算機又被用于提升機的監(jiān)視和管理。在提升機機械和電氣傳動技術(shù)飛速發(fā)展的同時，電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，使提升機的電氣控制系統(tǒng)更是日新月異。上世紀七十年代德國西門子公司發(fā)明矢量控制的交 — 直 — 交變頻原理后，標志著用同步電動機來代替直流電機實現(xiàn)調(diào)速的技術(shù)時代已經(jīng)到來。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，近三十年來，國外礦井提升機 機械部分和電氣部分都得到了飛速的發(fā)展，而且兩者相互促進，相互提高。特別是模擬技術(shù)、微電子技術(shù)、微電腦技術(shù)在礦井提升機控制中的應(yīng)用已成為必然的發(fā)展。 為保證提升設(shè)備無事故，在提升設(shè)備有可能出現(xiàn)故障的各個重要環(huán)節(jié)上，設(shè)置雙回路系統(tǒng)，并在系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)上設(shè)有各種檢測、控制、自診斷以及記錄和保護裝置 (如負載、速度、加減速、產(chǎn)量、運行時間等記錄 )。適應(yīng)范圍廣，節(jié)能效果更加明顯。 在礦井提升機控制系統(tǒng)設(shè)計中，采用變頻器和可編程控制器相結(jié)合的方法，具有編程簡單和控制可靠性高的優(yōu)點。 隨著計算機和 PLC 技術(shù)的不斷發(fā)展，采用先進的控制技術(shù)改造傳統(tǒng)礦山行業(yè)的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)， 從而使礦井提升機的控制性能得到極大的改善，其自動化水平、安全性、可靠性都達到了新的高度，并采用現(xiàn)代化的管理和監(jiān)視手段保障提升機的安全運行，保證礦井提升機可靠、準確地運行，實現(xiàn)礦井提升機的計算機控制。為改變這一狀況，煤炭行業(yè)的科研、高校、生產(chǎn)企業(yè)和待業(yè)主管部門以及行業(yè)的科研和生產(chǎn)企業(yè)的工程技術(shù)人員做了大量的工作，已開發(fā)了眾多適用的產(chǎn)品和技術(shù)，積累了豐富的經(jīng)驗，取得了長足的進步。礦井提升設(shè)備，其中主要是提升機及其控制和安全設(shè)備，也同樣要面臨著這一必經(jīng)之路。因此對礦井提升機控制系統(tǒng)進行研究具有現(xiàn)實意義，也是國內(nèi)外相關(guān)行業(yè)專家學(xué)者的一個研究課題。對提升機來說，運行的安全性與可靠性是至關(guān)重要的。通過對已改造的提升機設(shè)備進行調(diào)研以及相關(guān)文獻的閱讀可以看出 PLC 控制的變頻調(diào)速提升機有明顯的社會效益和經(jīng) 濟效益。 在礦井提升機控制系統(tǒng)研究中，采用變頻器和可編程控制器相結(jié)合的方法，在使用過程中實現(xiàn)了變頻調(diào)速，換向等功能，使運行更加平穩(wěn)可靠。如果需要改變系統(tǒng)的裝置，可以直接在計算機上相應(yīng)的梯形圖進行修改，不像傳統(tǒng)的電控系統(tǒng)，需要改變很多繼電器，接觸器的接線，這在無形之中就節(jié)省了大量的勞動力和時間，進而提高 了勞動生產(chǎn)率。 答 辯 委 員會 人，出席 人 答 辯 委 員會 主任（ 簽 字）： 答 辯 委 員會 副主任（ 簽 字）： 答 辯 委 員會 委 員 ： ， ，