【正文】 ............................................................................................................. 29 系統(tǒng)抗干擾措施 ......................................................................................................... 29 第五章 人機(jī)交互界面 ......................................... 31 觸摸屏概述 ................................................................................................................ 31 PWS－ 3261 觸屏簡介 ................................................................................................. 31 觸摸屏在礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 ................................................................. 31 第六章 結(jié) 論 ............................................... 33 參考文獻(xiàn) ................................................... 35 致 謝 ...................................................... 36 1 第一章 概述 礦井提升機(jī)常被人們稱為礦山的咽喉，是礦山最重要的設(shè)備，是地下礦井與外界的唯一通道，肩負(fù)著運(yùn)輸?shù)V石、物料、人員等的重要 責(zé)任。傳統(tǒng)的礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)主要采用繼電器－接觸器進(jìn)行控制，這種系統(tǒng)存在著很多的缺點(diǎn)。 采用新技術(shù)、新設(shè)備、新工藝來裝備煤炭生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，以達(dá)到減人提效、確保安全生產(chǎn)的目的，是科技興煤的必由之路。 多年來，礦井提升機(jī)及其拖運(yùn)、安全保護(hù)系統(tǒng)等設(shè)備的技術(shù)水平和安全水平一直是困擾煤炭安全生產(chǎn)和效益提 高的重要因素。大家可以看到，目前我國已經(jīng)可提供多種技術(shù)先進(jìn)、性能可靠、安全性高的礦井提升設(shè)備，大多數(shù)已在煤礦基建、生產(chǎn)和技術(shù)改造等方面獲得了成功的應(yīng)用。 變頻調(diào)速是近年來發(fā)展起來的一門新興的自動(dòng)控制技術(shù)，它利用改變被控對象的電源頻率，成功實(shí)現(xiàn)了交流電動(dòng)機(jī)大范圍的無級平滑調(diào)速，在運(yùn)行過程中能隨時(shí)根據(jù)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載情況，使電機(jī)始終處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，在整個(gè) 調(diào) 速范圍內(nèi)均有很高的效率，節(jié)能效果明顯。電力拖動(dòng)系統(tǒng)中，選用先進(jìn)的變頻傳動(dòng)裝置，優(yōu)化了調(diào)速系統(tǒng)的性能，在使用 過程中實(shí)現(xiàn)了變頻調(diào)速，換向等功能，使運(yùn)行更加平穩(wěn)可靠。通過對已改造的提升機(jī)設(shè)備進(jìn)行調(diào)研以及相關(guān)文獻(xiàn)的閱讀可以看出 PLC 控制的變頻調(diào)速提升機(jī)有明顯的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。 2 礦井提升機(jī)的國內(nèi)外發(fā)展研究現(xiàn)狀 礦井提升裝置是采礦業(yè)的重要設(shè)備，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和礦井生產(chǎn)現(xiàn)代化要求的不斷提高 ，人們對提升機(jī)工作特性的認(rèn)識進(jìn)一步深化，提升設(shè)備及拖動(dòng)控制系統(tǒng)也逐步趨于完善，各種新技術(shù)、新工藝逐步應(yīng)用于礦井提升設(shè)備中。 國外礦井提升機(jī)的現(xiàn)狀 礦井提升機(jī)作為礦井運(yùn)輸系統(tǒng)的主要運(yùn)行形勢之一，最早起源于英國、美國、德國等一些采煤技術(shù)發(fā)達(dá)的國家，五十年代已經(jīng)大規(guī)模服務(wù)于煤炭行業(yè)。起初的提升機(jī)是電動(dòng)機(jī)通過減速 器傳動(dòng)卷筒的系統(tǒng)，后來出現(xiàn)了直流慢速電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)懸臂安裝直接傳動(dòng)的提升機(jī)。 1981 年第一臺用同步機(jī)懸臂傳動(dòng)的提升機(jī)在德國 Monopol 礦問世， 1988 年由 MAVGHH 和西門子合作制造的機(jī)電一體的提升機(jī) (習(xí)慣稱為內(nèi)裝電機(jī)式 )在德國 Romberg 礦誕生了，這是世界上第一臺機(jī)械和電氣融合成一體的同步電機(jī)傳動(dòng)提升機(jī)。早在上世紀(jì)七十年代，國外就將可編程控制器 (PLC)應(yīng)用于提升機(jī)控制。計(jì)算機(jī)和 PLC 的應(yīng)用，使提升機(jī)自動(dòng)化水平、安全、可靠性都達(dá)到了一個(gè)新的高度，并提供了新的、現(xiàn)代化的管理、監(jiān)視手段。 國內(nèi)提升機(jī)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨向 我國礦井提升機(jī)絕大多數(shù)還是轉(zhuǎn) 子回路串電阻分段控制的交流繞線式電機(jī)繼電器 —接觸器系統(tǒng)，設(shè)備陳舊、技術(shù)落后，這種控制系統(tǒng)存在著操作復(fù)雜、故障率高、電能浪費(fèi)大、調(diào)速性能差、運(yùn)行效率低、控制精度低、安全保護(hù)和監(jiān)測環(huán)節(jié)不完善、維修成本高等不足。有單繩和多繩兩種系列，大都采用改變轉(zhuǎn)差率 s 的調(diào)速方法，在調(diào)速中產(chǎn)生大量的轉(zhuǎn)差功率，使大量電能消耗在轉(zhuǎn)子附加電阻上，導(dǎo)致調(diào)速的經(jīng)濟(jì)性變差。圖 11 為提升機(jī)的交流拖動(dòng)原理圖。 對于我國的礦井提升機(jī)實(shí)現(xiàn)精度行程控制和制動(dòng)控制系統(tǒng)安全可靠是一個(gè)急待解決的問題。提升機(jī)的直流拖動(dòng)如圖 12 所示。重車上行時(shí)，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩必須克服負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩，起動(dòng)時(shí)還要克服一定的靜摩擦力矩，電機(jī)處于電動(dòng)工作狀態(tài)，且工作于第一象限，在重車減速時(shí)，雖然重車在斜井面上有一向下的分力，但重車的減速時(shí)間較短，電機(jī)仍會處于再生狀態(tài)，工作于第二象限。 經(jīng)分析本文將 采用 交流繞線式電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)， 長期以來，我國廣泛使用交流 繞線式電動(dòng)機(jī) 拖動(dòng)，與直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)比較，其主要優(yōu)點(diǎn)是：系統(tǒng)比較簡單、設(shè)備價(jià)格較低；在加速階段采用附加電阻調(diào)速，效果良好。 交流拖動(dòng)系統(tǒng)在我國中小型礦山或者中等深度以下礦井獲得了廣泛應(yīng)用。不管電機(jī)正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，都是從礦井中將煤拖到地面上來，電機(jī)工作在正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)電動(dòng)狀態(tài)，只有在滿載拖車快接近井口時(shí)，需要減速并制動(dòng) 。 PLC 變頻調(diào)速是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速方法，從調(diào)速的本質(zhì)來看，不同的調(diào)速方式無非是改變交流電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速或不改變同步轉(zhuǎn)速兩種。改變同步轉(zhuǎn)速的有：變極對數(shù)調(diào)速，改變定子電壓、頻率的變頻調(diào)速，無換向電動(dòng)機(jī)調(diào)速等。 此方案調(diào)速平滑，實(shí)施時(shí)采用閉環(huán)系統(tǒng)，機(jī)械特性較硬，調(diào)速范圍較寬。在接線程序控制系統(tǒng)中控制程序的修改必須通過改變接線來實(shí)現(xiàn)。 輸 入 設(shè) 備按 鈕 、 限 位 開 關(guān) 、 操 作 手 柄繼 電 器 控 制 線 路有 繼 電 器 和 連 接 線 路 組 成輸 出 設(shè) 備繼 電 器 和 電 磁 閥被 控 制 的 機(jī) 械 設(shè) 備 或 生 產(chǎn) 過 程 圖 13 繼電器 — 接觸器控制系統(tǒng)框圖 而這種控制方式還存在著很多的問題： （ 1）使用大量繼電器、接觸器及其它分立電子元件使系統(tǒng)體積 大、運(yùn)行噪聲大。 （ 3）在啟動(dòng)過程中由于罐籠的實(shí)際載重量不同，而使實(shí)際的加速過程并非按照預(yù)定的設(shè)計(jì)參數(shù)運(yùn)行，常常出現(xiàn)停車不準(zhǔn)確甚至提前停車現(xiàn)象，不能正常裝卸載。 這些不足主要是因?yàn)椴捎美^電器控制方式造成的，在這種控制方式下繼續(xù)改善的余地不大。 PLC 控制變頻調(diào)速 為了改善舊式提升機(jī)的不足，因此，需要研制更加安全可靠的控制系統(tǒng)，使提升機(jī)運(yùn)行的可靠性和安全性得到提高。 在變頻調(diào)速技術(shù)中矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控 制都能滿足提升機(jī)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載這一特征，所以在提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中這兩種調(diào)速方案將是重要發(fā) 6 展方向。在變頻器系統(tǒng)中輸出閘控信號到 PLC，要求只有在變頻的輸出轉(zhuǎn)矩達(dá)到一定值的時(shí)候才可以松閘，這樣會避免豎井提升機(jī)啟動(dòng)時(shí)發(fā)生溜車現(xiàn)象。 圖 1－ 4 為可編程控制器（ PLC）控制系統(tǒng)?？刂瞥绦蚴峭ㄟ^一個(gè)編程器寫到可編程控制器的程序存儲器中。在存儲程序控制系統(tǒng)中，控制程序的修改不需要通過改變控制器內(nèi)部的接線 (即硬件 )，而只需通 過編程器改變程序存儲器中某些語句的內(nèi)容。采用 PLC 技術(shù)，克服原繼電器系統(tǒng)的不足，系統(tǒng)安全可靠，性價(jià)比提高，且控制程序可根據(jù)需要修改，對提高控制技術(shù)水平具有廣闊的應(yīng)用前景。從解決實(shí)際礦井提升系統(tǒng)存在的問題出發(fā)，對傳統(tǒng)的調(diào)速方案進(jìn)行 了控制方式的革新和數(shù)字化改造，降低了成本，提高了控制精度，加強(qiáng)了系統(tǒng)穩(wěn)定性 , 使速度變化更加平滑和實(shí)現(xiàn)精確調(diào)速。本文將提出的設(shè)計(jì)方案具有實(shí)用價(jià)值。基于 PLC 的礦井提升變頻調(diào)速控制系統(tǒng)圖如圖 15 所示。圖 16 為礦井 提升機(jī)變頻調(diào)速控制的系統(tǒng)框圖。提升過程監(jiān)視與安全回路一樣，是現(xiàn)代提升機(jī)控制的重要環(huán)節(jié)。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(shù)進(jìn)行存儲、保留或打印輸 出。系統(tǒng)框圖中用旋轉(zhuǎn)編碼器來測試電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 變頻器：是動(dòng)力站的能量供給單元，通過它可將輸入工頻電能轉(zhuǎn)換成頻率可調(diào)的電能提供給交流電動(dòng)機(jī)，以達(dá)到控制交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。 9 第二章 主要元部件的選擇 （ PLC）的選擇 PLC 技術(shù)是工業(yè)自動(dòng)化的重要手段，它可以實(shí)現(xiàn)邏輯控制、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)、算數(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)通信等功能，并且具有處分支、中斷、自診斷能力。 PLC的輸入輸出回路均帶有光電隔離等抗干擾和過載保護(hù)措施。 PLC 控制系統(tǒng)為模塊結(jié)構(gòu)，維護(hù)更換方便，并可顯示故障類型。根據(jù) PLC 的技術(shù)特點(diǎn)又可增加一些新的功能。S7200 系列 PLC 體積小，價(jià)格低廉，軟硬件功能強(qiáng)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(yīng)用。 S7200 可編程控制器（ PLC）的基本結(jié)構(gòu)如圖 21 所示。為了使 PLC 的輸出及時(shí)地響應(yīng)各種輸入信號，初始化后 PLC 要反復(fù)不停地分段處理各種不同的任務(wù)，這種周而復(fù)始的循環(huán)工作方式稱為掃描工作方式。內(nèi)部處理階段， PLC 檢查 CPU 模塊的硬件是否正常，復(fù)位監(jiān)視定時(shí)器等。當(dāng) PLC 處于停止 (STOP)狀態(tài)時(shí)，只進(jìn)行內(nèi)部處理和通信操作服務(wù)等內(nèi)容。 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(diǎn)： (1)靈活性、通用性強(qiáng) 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(yīng)的變動(dòng)，所有布線和控制柜極有可能重新設(shè)計(jì)，耗時(shí)且費(fèi)力然而是利用存儲在機(jī)內(nèi)的程序?qū)崿F(xiàn)各種控制功能的。 (2)可靠性高，抗干擾能力強(qiáng) 繼電器控制系統(tǒng)中，由于器件的老化、脫焊、觸點(diǎn)的抖動(dòng)以及觸點(diǎn)電弧等現(xiàn)象是不可避免的，大大降低了系統(tǒng)的可靠性。 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(shí)鐘、故障診斷、自動(dòng)恢復(fù)等措施，并利用后備電池對程序和數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù) ,因此被稱為“專為適應(yīng)惡劣的工業(yè)環(huán)境而設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)”。同時(shí)設(shè)計(jì)人員也可根據(jù)自己的喜好和實(shí)際應(yīng)用的要求選擇其他編程語言。一個(gè)程序的不同部分可用任何一種語言來描述，支持復(fù)雜的順序操作功能處理以及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 PLC 的功能擴(kuò)展也極為方便，硬件配置相當(dāng)靈活 ,根據(jù)控制要求的改變，可以隨時(shí)變動(dòng)特殊功能單元的種類和個(gè)數(shù)，再相應(yīng)的修改用戶程序就可以達(dá)到變換和增加控制功能的目的。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(jì)、安裝、調(diào)試的時(shí)間和工作量。一臺小型的 PLC 只相當(dāng)于幾個(gè)繼電器的體積 ,控制系統(tǒng)所消耗的能量也大大降低。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(shù)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(gè)方面來說明： 1． 通用變頻器的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。 3． 通用變頻器的控制技術(shù)性能達(dá)到了直流電機(jī)調(diào)速水平。國內(nèi)變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展較慢，產(chǎn)品性能較差，很難滿足連續(xù)化工生產(chǎn)的需求，而且無法實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自動(dòng)控制。變頻器的基本結(jié)構(gòu)如圖 22 所示。 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(yīng)用與工業(yè)場合的多功能標(biāo)準(zhǔn)變頻器。對于變頻器的應(yīng)用，必須首先熟練對變頻器的面板操作 ，以及根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，對變頻器的各種功能參數(shù)進(jìn)行設(shè)置 MM420 變頻器是利用電力半導(dǎo)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。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(gè)部分組成。 圖 23 交 直 交變頻器結(jié)構(gòu)圖 異步電機(jī)的 VVVF 調(diào)速系統(tǒng)一般簡稱變頻調(diào)速系統(tǒng)。交流調(diào)速系統(tǒng)的控制量最基本上是轉(zhuǎn)矩、速度、位置，根據(jù)不同的用途適當(dāng)組合可構(gòu)成各種閉環(huán)系統(tǒng)。 2. MM440 變頻調(diào)速的原理 異步電動(dòng)機(jī)定子對稱的三相繞組中通入對稱的三相交流電，在電機(jī)氣隙內(nèi)會產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場，其旋轉(zhuǎn)速度為同步轉(zhuǎn)速： pf160n0?