基于plc的矿井提升机变频调速系统.docx

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基于plc的矿井提升机变频调速系统

摘要

本文主要设计了矿井提升机的变频调速系统以及PLC控制系统。

通过对矿井提升机调速系统要求的分析，说明了采用变频调速的重要性。

在对各种变频调速方法的分析比较后，选择采用交流变频调速，然后选择变频器的类型，并按调速系统要求设计了变频器的外部电路。

通过对其电控系统各类故障处理的要求，选择采用可编程控制器（PLC），并对可编程控制器进行选型。

考虑到实际生产中可能出现的问题，合理的设计可编程控制器（PLC）的外部电路，并在此基础上对可编程控制器（PLC）程序做出初步的设计方案，为了保证可编程控制器（PLC）的可靠工作，将其系统抗干扰措施也设计在内。

本文只是初步理论设计，并未应用于实践，在应用于实践前必须对其进行实践验证。

关键词：

矿井提升机，变频调速，变频器，PLC

MinehoisterbasedonPLCvariablefrequencyspeedcontrolsystemdesign

ABSTRACT

ThisarticlemainlydesignofminehoistthevariablefrequencyspeedcontrolsystemandPLCcontrolsystem.Basedontheminehoistcontrolsystemrequirementsanalysis,illustratestheimportanceofusingvariablefrequencyspeedregulation.Inavarietyoffrequencyconversionspeedregulationmethodofanalysisandcomparison,selectionusingACfrequencyconverter,andthenselectthetypesoffrequencyconverters,andaccordingtothespeedcontrolsystemisdesignedtheexternalcircuitoffrequencyconverter.Theelectriccontrolsystemofvariousfaulthandlingrequirements,selectionbyusingtheprogrammablecontroller（PLC）,andtheprogrammablecontrollertype.Consideringthepracticalproductionproblemsthatmayarise,therationaldesignofprogrammablecontroller（PLC）oftheexternalcircuit,andbasedontheprogrammablecontroller（PLC）programtomakethepreliminarydesign,toensurethattheprogrammablecontroller（PLC）forthereliableoperationofthesystem,theantiinterferencemeasuresaredesigned.Thispaperisonlyapreliminarytheoreticaldesign,isnotappliedinpractice,appliedinpracticebeforeitmustbeverifiedinpractice.

KEYWORDS:

Minehoist,Variablefrequencyspeedregulation,Frequencyconverter,PLC

目　录

前　言1

第1章矿井提升机3

1.1矿井提升机概述3

1.2国外矿井提升机的发展4

1.3国内矿井提升机的发展6

第2章矿井提升机调速控制系统设计8

2.1提升机电气控制系统要求及组成8

2.2变频调速基本原理12

2.3变频调速在提升机电控上的应用14

2.4交-直-交PWM变频器主回路简介16

2.5变频器的选择17

2.5.1变频器的选型18

2.5.2变频器容量的选择18

2.5.3变频器外部电路设计19

第3章PLC硬件设计22

3.1PLC简介22

3.2PLC的选型23

3.3PLC的I/O分配23

3.4PLC的硬件接线图26

第4章PLC软件设计27

4.1PLC软件概述27

4.2程序设计28

4.2.1软件结构28

4.2.2软件部分设计28

4.3PLC系统抗干扰措施31

结　论33

谢辞34

参考文献35

附　录36

外文资料翻译37

前　言

矿井提升机是各种厂矿生产的重要设备。

提升机的安全、可靠、有效、高速运行，直接关系到企业的生产状况和经济效益。

矿井提升系统具有环节多、控制复杂、运行速度快、惯性质量大、运行特性复杂的特点，且工作状况经常交替转换。

虽然矿井提升系统本身有一些安全保护措施，但是由于现场使用环境条件恶劣，造成了各种机械零件和电气元件的功能失效，以及操作者的人为过失和对行程监测研究的局限性，使得现有保护未能达到预期的效果，致使提升系统的事故至今仍未能消除。

因此提升机调速控制系统的研究一直是社会各届人士共同关注的一个重大课题。

电气控制方式在很大程度上决定了提升机能否实现平稳、安全、可靠地起制动运行，避免了严重的机械磨损，防止较大的机械冲击，减少机械部分维修的工作量，延长提升机械的使用寿命。

随着矿井提升系统自动化，改善提统的性能，以及提高提升设备的提升能力等的要求，对电气传动方式提出了更高的要求。

对矿井提升机电气传动系统的要求是：

有良好的调速性能，调速精度高，四象限运行，能快速进行正、反转运行，动态响应速度快，有准确的制动和定位功能，可靠性要求高等。

目前，我国地下矿山矿井提升机的电气传动系统主要有：

晶闸管变流器—直流电动机传动控制系统和同步电动机矢量控制交-交变频传动控制系统。

这两种系统大都采用数字控制方式实现控制系统的自动化运行，效率高，有准确的制动和定位功能，运行可靠性高，但造价昂贵。

对于中、小型提升机，则多采用交流绕线式电动机转子切换电阻调速的交流电气传动系统。

这种电气传动系统设备简单，但属于有级调速，提升机在减速和爬行阶段的速度控制性能较差，特别在负载变动时很难实现恒加减速控制，经常会造成过放或过卷事故。

提升机频繁的启动和制动工作过程会使转子串电阻调速产生相当严重的能耗，另外转子串电阻调速控制电路复杂，接触器、电阻器、绕线电机电刷等容易损坏，影响生产效益。

将变频调速技术应用于矿井提升机是矿井提升机电气传动系统的发展方向。

随着变频调速技术的发展，交-直-交电压型变频调速技术已开始在矿井提升机改造中应用。

变频器的调速控制可以实现提升机的恒加速和恒减速控制，消除了转子串电阻造成的能耗，具有十分明显的节能效果。

变频器调速控制电路简单，克服了接触器、电阻器、绕线电机电刷等容易损坏的缺点，降低了故障和事故的发生。

本文将变频器与可编程控制器（PLC）综合应用在矿井提升机上不仅使调速性能增强，同时也使得系统工作的可靠性得到了提高。

第1章矿井提升机

1.1矿井提升机概述

矿井提升机是机、电、液一体化的大型机械，广泛用于煤炭、有色金属、黑色金属、非金属、化工等矿山的矿井，是生产运输的主要工具。

在生产中提升机担负着提升下放材料、升降人员和设备的任务，是联系井上与井下的唯一途径。

提升机的电力传动特性复杂，电动机频繁正反向，经常处于负荷运转和电动、制动不断地转换的状态中。

对应提升机来说运行的安全可靠是至关重要的，主井直接关系到矿山的生产效率，作为运送人员的副井，一旦发生故障往往造成机毁人亡。

提升机运行的安全可靠性不仅直接影响整个矿井的生产能力，影响整个矿山的经济效益，而且还涉及到井下工作人员的生命安全。

矿井提升机是联系矿井井下和地面的工作机械。

用钢丝绳带动容器在井筒中升降，完成运输任务。

按工作方式分类如下：

1.缠绕式提升机：

缠绕式提升机的主要部件有主轴、卷筒、主轴承、调绳离合器、减速器、深度指示器和制动器等。

（1）单绳缠绕式提升机：

根据卷筒数目可分为单卷筒和双卷筒两种：

a单卷筒提升机，一般作单钩提升。

钢丝绳的一端固定在卷筒上，另一端绕过天轮与提升容器相连；卷筒转动时，钢丝绳向卷筒上缠绕或放出，带动提升容器升降；b双卷筒提升机，作双钩提升。

两根钢丝绳各固定在一个卷筒上,分别从卷筒上、下方引出,卷筒转动时，一个提升容器上升，另一个容器下降。

缠绕式提升机按卷筒的外形又分为等直径提升机和变直径提升机两种。

等直径卷筒的结构简单，制造容易，价格低，得到普遍应用。

深井提升时，由于两侧钢丝绳长度变化大，力矩很不平衡。

（2）多绳缠绕式提升机：

提升机在超深井运行中，尾绳悬垂长度变化大，提升钢丝绳承受很大交变应力，影响钢丝绳寿命；尾绳在井筒中还易扭转，妨碍工作。

2.摩擦式提升机

多绳摩擦式提升机具有安全性高、钢丝绳直径细、主导轮直径小、设备重量轻、耗电少、价格便宜等优点，发展很快。

多绳摩擦式提升机的主要部件有主轴、主导轮、主轴承、车槽装置、减速器、深度指示器、制动装置及导向轮等。

3.内装式提升机

AEG公司生产的内装式提升机，将提升主电机与滚筒合为一体，即转子固定，转动的定子充当滚筒，使机构大为简化，占地面积小，制造成本低。

1.2国外矿井提升机的发展

矿井提升机作为矿井运输系统的主要运行形式之一，最早起源于英国、美国、德国等一些采煤技术发达的国家，五十年代已经大规模服务于煤炭生产行业。

随着科学技术的发展，矿井提升调速系统也在不断完善，归结起来矿井提升机调速系统可简单的分为以下几种：

（1）绕线转子异步电动机转子回路串金属电阻调速系统

电动机转速调节是靠改变转子回路串联的附加电阻来实现的。

该系统调速方法简单，曾被广泛使用。

它是有级调速，并且调速时能耗很大，属转子功率消耗型调速。

由于其调速性能差、运行效率低、运行状态的切换死区大及调速不平滑等缺点，这种调速方法已逐渐被淘汰。

（2）晶闸管-电动机（SCR-D）直流低速直联拖动系统

部分发达国家原有的交流提升机已基本上被晶闸管-电动机（以下简称SCR-D）所取代。

如德国、瑞典等国家己有90%以上采用直流提升机，传动系统大都采用低速直联式（省去减速机），使系统大为简化。

如AEG公司采用低速直联的SCR-D系统，电机功率3000kw，额定转速55.8r/min，滚筒直径6.5m，提人速度17m/s，提物速度20m/s，提升高度1200m，具有完善的保护系统；采用磁场反并联，有平波电抗器及卧式深度发送装置；采用积分给定与行程给定相结合的双重给定信号；主回路采用两组三相桥组成12脉动顺抗整流，大大提高了功率因数。

SIEMENS（西门子）公司、ABB公司、CEOELEC公司以及ASEA公司等都有相同类型的产品，其性能大同小异。

此类系统的优点在于:

体积小，重量轻，占地面积小，安装方便，建筑费用低；无减速器，总效率高，电能消耗少；维护工作量小，备件少，处理事故快；单机容量大，适用范围广；调速平滑，精度高；易于实现最佳控制和自动化，安全可靠；节电显著，是矿井节电的有效途径。

其缺点在于:

功率因数低，如三相桥平均功率因数只有0.45左右；无功冲击大，高次谐波对电网影响大。

这些缺点可采用顺序控制和多脉冲整流的方法以及在电网上加谐波滤波器等措施使其抑制在一定的允许范围内。

（3）交流变频调速同步机驱动提升系统

这种拖动系统主要有如下优点：

a提升容量几乎不受限制，最大可达l0000kw，提升速度可达20m/s以上，提升高度1200m以上，滚筒直径达6.5m，这是直流系统难以达到的；b没有整流子和碳刷这一薄弱环节，保证了电机的可靠运行和降低了运行消耗；c功率因数高，可达到0.9～1；d动态品质好，系统可在四象限平滑过渡和无级调速；e由于机械特性好，故起动转矩大；f同步机的价格和有色金属的消耗低于直流机；g调速范围宽。

这种拖动系统的缺点是：

a必须有专用的变频电源；b在恒转矩调速时，低速段电机的过载倍数有所降低；c高次谐波对电网有影响，需在电网上加滤波器等补偿措施加以缓解。

（4）微机控制在提升机上的应用

随着微机技术的发展，微机控制技术已逐步应用于矿井提升机中。

目前，国外已经达到相当成熟的阶段，使整个拖动控制产生一次重大的变革。

其应用主要体现在以下几方面：

a.提升工艺过程微机控制

在交流变频装置中，提升工艺过程大都采用微机控制。

由于微机功能强，使用灵活，运算速度快，监视显示易于实现，并具有诊断功能，这是采用模拟控制无法实现的。

b.提升行程控制

提升机的控制从本质上说是一个位置控制，要保证提升到预定地点准确停车，要求准确度高。

采用微机控制，可通过采集各种传感信号，如转角脉冲变换、钢丝绳打滑、井筒位置、滚筒及钢丝绳磨损等信号进行处理，计算出准确的位置而施以控制和保护。

c.提升过程监视

由于近代提升机控制系统的设计特别强调安全可靠性，所以提升过程监视与安全回路一样，是现代提升机控制的重要环节。

提升过程采用微机主要完成如下参数的监视：

a提升过程中各工况参数（如速度、电流）监视；b各主要设备运行状态监视；c各传感器信号的监视。

其目的在于使各种故障在出现之前就得以处理，防止事故的发生，并对各被监视参数进行存贮、保留或打印输出，甚至与上位机联网，合并于矿井监测系统中。

d.安全回路

安全回路旨在出现机械、电气故障时控制提升机进入安全保护状态。

为确保人员和设备的安全，对不同故障一般采用不同的处理方法，大致分为以下四种情况：

a报警显示，如冷却器温度过高等；b二次不能开车，如电机绕组过热、制动油过热等；c立即进行电气制动，如停车终点设备出现故障应尽快停下来；d立即进行安全制动，如过卷、超速等。

e.制动系统的控制与监视

制动控制系统除要可靠地完成工作制动和安全制动外，还要完成对液压站的控制以及各环节参数的监视，其技术要求与安全回路相似。

f.全数字化调速控制系统

全数字化系统具有硬件结构单一，参数稳定且调整方便，可方便地与上位机联网等优点。

当然此类系统要求维护人员有更高的技术水平和计算机知识。

1.3国内矿井提升机的发展

目前，我国矿井提升机90％以上是采用单机容量在1000KW以下传统的交流异步电机拖动，采用转子串电阻调速，由继电器一接触器构成逻辑控制装置。

其中多半为电动机-发电机组（M-G机组）供电，采用晶闸管整流传动（SCR-M）的只占一部分。

传统的交流拖动系统的显著缺点是：

调速性能差，调速时能量要大量消耗在电阻上，给定方式落后，控制精度低，安全保护和监测环节不完善，安全可靠性差，维护工作量大，而且运行不经济。

国内提升机行程控制的水平还较低，速度给定环节以时间给定和机械式行程给定为主，以计算机为核心的矿井提升机行程监控和保护的研究还处于尝试阶段。

对于我国的矿井提升机，实现高精度行程控制和制动控制系统安全可靠是一个急待解决的课题。

总体来说，我国近十多年来关于提升机计算机控制系统的研究发展迅速，采用了先进的控制设备和控制策略，无论在驱动方式上还是在控制技术上都取得了很大进展，积累了大量的经验，取得了很大成绩。

第2章矿井提升机调速控制系统设计

2.1提升机电气控制系统要求及组成

提升机控制系统方案的选用应满足生产工艺的要求速度图。

所以需要先来分析提升机电控系统的静、动态特性。

提升机电气传动系统的给定速度u=f（t）如图2-1所示，根据动力学方程式:

Td=Te-Ti=Tn*e/375（2-1）

式中Te-电动机电动力矩；Ti-传动系统的静阻转矩；Tn-传动系统的飞轮力矩，Tn=4gJ，其中J为转动惯量（㎏·㎡），g为重力加速度，Td-传动系统的动态转矩,e-加速度。

可以得出按给定速度图所需转矩Te=f（t）的特性，从而可以得到拖动系统所需的力F=f（t），提升机传动系统给定速度图、力图如图2-1所示。

图a

图b

图c

图d

图2-1提升机传动系统给定速度图、力图

提升机的负载静力FL决定于提升机滚筒承受的静张力差，在双罐笼的平衡提升系统中，静力FL也就是提升物体的净载重。

由于提升系统的负载为位势负载，所以静力FL的作用方向始终是提升重物的重力方向，而与系统的运动状态和方向无关。

因此在电动机不带电时，为了使重的罐笼处于静止状态（便于罐笼的装卸载），对滚筒必须施加机械闸。

从图2-1可以看出，要使提升机按照给定的速度图运行，电动力矩Te可能为正，也可能为负。

这意味着电动机不仅要工作在电动状态，还应能工作在制动状态。

由于不同的负载，不同的提升机运行阶段，电动机的运行状态也各不相同。

综合以上提升机的运行特点以及矿山生产固有的特点，提升机工艺对提升机电控系统的要求如下:

（1）加（减）速度符合国家有关安全生产规程的规定。

提升人员时，加速度a≦0.75m/s2，升降物料时，加速度a≦1.2m/s2,另外不得超过提升机的减速器所允许的动力矩。

（2）具有良好的调速性能。

要求速度平稳，调速方便，调速范围大，能满足各种运行方式及提升阶段（加速、减速、等速、爬行等）。

（3）有较好的起动性能。

提升机不同于其他机械稳定运行的要求。

不可能待系统运转后再装加物料，因此，必须能重载启动，有较高的过载能力。

（4）特性曲线要硬。

要保证负载变化时，提升速度基本上不受影响，防止负载不同时速降过大，影响系统正常工作（当然，当负载超过一定的限度时，还要求系统能有效的自我保护。

迅速安全制动停车，即所谓要具备挖土机机械特性。

（5）工作方式转换容易。

要能够方便的进行自动、半自动、手动、验绳、调绳等工作方式的转换，操作方便，控制灵活，不至于因工作方式的转换影响正常生产。

（6）采用新技术和节能设备，易于实现自动化控制和提高整个系统的工作效率。

具备必要的连锁和安全保护环节，确保系统安全运行,尽量节约能源和降低运转费用。

基于PLC控制的矿井提升机变频调速控制系统由动力装置、变频调速系统、操作台、监控系统组成，各部分功能如下：

动力装置：

包括主电机、电源模块、制动器和底座，完成人、物、料的运输任务。

主电机通过减速器向卷筒提供牵引所需的动力。

变频调速：

调速系统采用变频器，性能优越，采用矢量控制技术适合提升机工作环境，只需在控制单元给出对变频器的控制命令（正转、反转、多段速等）即可使提升机按照设定的速度曲线运行，满足提升阶段稳定运行的要求。

变频调速装置本身具有过压、欠压、过流、过负荷、缺相、超温等保护，同时配合来自现场的各种信号传感器的监视及相应处理，可实现绞车过卷、过速、减速、限速等重要保护功能，满足安全规程要求。

在变频器系统中输出闸控信号到PLC，要求只有在变频的输出转矩达到一定值的时候才可以松闸，这样会避免竖井提升机启动时发生溜车现象。

是动力装置的能量供给单元，通过它可将输入工频电能转换成频率可调的电能提供给交流电动机，以达到控制交流电动机转速的目的。

操作台：

操作台是整个矿井提升机运输系统的控制核心，通过它可以设定系统的工作方式和控制方式，可以发布系统的各种控制命令，以实现对提升机启动、加速、平稳运行、减速、停车以及紧急制动等各种控制功能。

监控系统：

是操作人员和控制系统及运输系统之间的桥梁，它可以在线监测提升机运输系统的各种工作参数、工作状态、故障参数和故障状态。

信号控制：

提升机的信号来自提升系统工作现场的不同环节，比如天轮、井筒、深指器、液压站、润滑站等，信号包括运行状态、运行参数、操作信号和保护信号，这些信号均引入到主控系统中，将这些参数和信号与操作控制相关内容进行逻辑运算和闭锁，最后产生控制指令；各种故障信号将送给安全回路以及PLC输入，根据故障信号的轻重度分开轻重等级，与故障操作保护系统进行逻辑运算和判断，最后执行为不同的故障处理动作，如立即施闸、提升终了施闸、电气制动，然后通过机械机构来实施，同时这些信号将在上位机中显示故障类型并控制声光报警。

图2-2变频调速控制系统图

2.2变频调速基本原理

变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系，三相异步电动机的转速公式为：

n=n1（1-s）=60f（1-s）/p（2-1）

式中

n---电机的转速，r/min

n1---同步转速，r/min

p---电机磁极对数

s---电机转差率，%

f---频率，Hz

由公式（2-1）可知变频调速是通过改变电动机定子电源频率达到改变电动机转速的目的。

在变频调速领域，异步电机的控制方式多种多样，但从转矩的响应性和过渡特性来看，变频调速的控制方式分为以下几种:

（1）V/F控制

V/F控制是交流电机最简单的一种控制方法，通过控制过程中始终保持V/F为常数，来保证转子磁通的恒定。

然而V/F控制是一种开环的控制方式，速度动态特性较差，电机转矩利用率低，控制参数（如加/减速度等）还需要根据负载的不同来进行相应的调整，特别是低速时由于定子电阻和逆变器等器件开关延时的存在，系统可能会发生不稳定现象.这种控制方式多用于调速精度不高的场所。

（2）转差频率控制

转差频率控制是检测异步电动机的转速，对转差频率采取闭环控制.与V/F控制相比，调速精度要求较高，且系统容易稳定，即能在宽广的调速范围内，将电动机的转矩、功率因数及效率控制在最佳状态。

但是采用此法的电动机调速系统只能是单机运行，同时转差频率控制未能实施对电机瞬时转矩的闭环控制，尽管这种系统的静态精度较高，但由于快速性较差，故适用于对响应的快速性要求不高的系统。

（3）矢量控制

矢量控制是一种建立在转子磁链定向的基础上，通过一系列的坐标变换，实现电机定子电流转矩分量和磁通分量的解耦的控制方法，可以将作为控制对象的感应电机当作直流电机来进行控制，实现对瞬时转矩的控制。

目前，实用中多采用转差频率矢量控制，由于其没有实现直接磁通的闭环控制，无需检测出磁通，因而容易实现。

但是其控制器的设计在某种程度上依赖于电机的参数，为了减少控制上对电机参数的敏感性，已经提出了许多参数辨识、参数补偿和参数自适应方案，收到了较好的效果。

（4）直接转矩控制

直接转矩控制也是一种转矩闭环控制方法，其克服了坐标变换和解耦运算的复杂性，直接对转矩进行控制，通过转矩误差、磁通控制误差，按一定的原则选择逆变器开关状态，控制施加在定子端的三相电压，调节电机的转速和输出功率，达到控制电机转速的目的。

由于直接着眼于转矩控制，对转子参数变化表现为状态干扰而非参数干扰，这种方法比矢量控制方法具有较高的鲁棒性。

但是也存在不足之处，其最大的困难就在于低速性能不理想。

2.3变频调速在提升机电控上的应用

传统调速系统中，直流调速以其控制容易，调速精度高等特点长期占据了主导地位，但是由于结构复杂，过流能力不强，环境适应差，难以实现高速度化等原因，一直限制了其应用范围的进一步扩大。

相比较而言，交流异步电机具有环境适应能力强、过流能力大、牢固耐用、结构简单、容易维护及价格低廉等优点，但异步电机的调速性能难以满足生产要求。

随着电力电子器件的产生和控制理论的飞速发展，现代控制理论越来越多的应用到交流调速系统中，使得交流调速性能可以和直流调速相媲美、相竞争，交流调速系统的应用领域不断扩大。

近年来，电力电子技术的发展和DSP微处理器的推出，更为