矿井提升机毕业设计 (1)Word格式.doc

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4变频器控制电路设计 28

4.1变频器的基本原理 28

4.2变频器的选型及外围电路设计 30

4.2.1西门子MM440变频器 30

4.2.2变频器的外围电路设计 33

4.3变频器的参数设置 33

4.4制动控制回路 38

5软件设计 43

5.1PLC控制回路程序设计 43

5.1.1主程序流程图 43

5.1.2S型速度控制子程序 44

5.1.3速度及位置检测程序设计 44

5.1.4故障处理子程序 46

5.2上位机监控系统设计 47

结论 51

致谢 52

参考文献 53

附录 54

1绪论

1.1研究的目的及意义

矿井提升机是煤矿安全生产的关键设备之一，其作用是提升煤炭、矿石，升降人员和下放物料等，在整个煤矿生产中占有十分重要的地位。

矿井提升机安全、可靠、高效、准确地运行集中体现在其电气控制系统中，电控系统性能的优劣直接影响全矿的安全生产及矿工生命的安全。

目前国内各大煤矿矿井提升机电控系统的调速方案大多数还是采用继电器—接触器控制的转子串电阻调速，设备陈旧、技术落后。

而且这种控制方式还存在以下问题:

（1）转子回路串接电阻，消耗电能，造成能源浪费。

（2）电阻分级切换，为有级调速，设备运行不平稳，容易引起电气及机械冲击。

（3）继电器、接触器频繁动作，电弧烧蚀触点，影响接触器使用寿命，维修成本较高。

（4）交流绕线异步电动机的滑环存在接触不良问题，容易引起设备事故。

（5）电动机依靠转子电阻获得的低速，其运行特性较软。

（6）提升容器通过给定的减速点时，由于负载的不同，而将得到不同的减速度，不能达到稳定的低速爬行，最后导致停车位置不准，不能正常装卸载。

上述问题使提升机运行的可靠性和安全性不能得到有效的保障。

因此，需研制更加安全可靠的控制系统，使提升机运行的可靠性和安全性得到提高。

通过在提升机控制系统中应用计算机控制技术和变频调速技术，对原有提升机控制系统进行升级换代，大大提高系统运行的可靠性与安全性。

可编程控制器（PLC）是目前作为工业控制最理想的机型，它是采用计算机技术、按照事先编好并储存在计算机内部一段程序来完成设备的操作控制。

采用PLC控制，硬件简洁、软件灵活性强、调试方便、维护量小，PLC技术己经广泛应用于各种提升机控制，配合一些提升机专用电子模块组成的提升机控制设备，可控制高压带动力制动或低频制动，单、双机拖动等。

1.2国内外研究现状

1.2.1国外矿井提升机的现状

（1）晶闸管—电动机（SCR—D）直流低速直联拖动系统

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。

（2）交流变频调速同步机驱动提升系统

这种拖动系统缺点是：

①必须有专用的变频电源；

②在恒转矩调速时，低速段电机的过载倍数有所降低；

③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。

（3）微机控制在提升机上的应用

从70年代开始，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，国外己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：

①提升工艺过程微机控制；

②提升行程控制；

③提升过程监视；

④安全回路；

⑤制动系统的控制与监视；

⑥全数字化调速控制系统。

1.2.2国内提升机的现状与发展趋向

（1）交流拖动方式

目前我国提升机约70％采用串电阻调速的交流拖动方式。

有单绳和多绳两种系列，大都采用改变转差率s的调速方法，在调速中产生大量的转差功率，使大量电能消耗在转子附加电阻上，导致调速的经济性变差。

极少数提升机采用串级调速方法，其调速范围窄且投资大。

（2）直流拖动方式

我国提升机采用直流拖动有两种系统：

直流发电机—直流电动机机组（F—D）和晶闸管—直流电动机（SCR—D）系统。

（3）研制与发展

①国产大型直流提升机及电控系统正在逐步完善和推广使用；

②大功率变频调速电控提升机其效率可达98％，国内正在组织研究这种系统，不少院校和研究单位都在着手研制；

③可编程序控制器在提升机电控系统的应用可编程序控制器具有可靠性高、抗干扰能力强、实现继电逻辑容易，基本免于维护等独特优点，特别适用于对我国占大部分的交流提升机继电—接触器电控系统进行技术改造。

1.3本文主要工作

本文针对传统、落后的继电器-接触器式罐笼运行系统，采用先进的PLC控制技术进行基于PLC的矿井提升机控制系统改造。

采用先进的变频调速技术实现提升机多段速稳定运行；

采用编码器、接近开关等准确检测提升容器的位置和速度；

采用液压站和盘形制动器实现提升机的工作制动和安全制动；

采用先进的上位机监控技术实现提升机的状况实时监测，从而保证提升机可靠安全地运行。

主要内容包括：

（1）系统总体方案的设计；

（2）PLC控制回路电路的设计；

（3）变频器主回路电路的设计；

（4）系统主程序流程图的设计；

（5）上位机监控系统的设计；

2系统方案设计

矿井提升机可分为竖井提升机和斜井提升机两种。

矿井提升机主要由电动机、减速器、卷筒（或摩擦轮）、制动系统、深度指示系统、测速限速系统和操纵系统等组成，采用交流或直流电机驱动。

按提升钢丝绳的工作原理分缠绕式矿井提升机和摩擦式矿井提升机。

缠绕式矿井提升机有单卷筒和双卷筒两种，钢丝绳在卷筒上的缠绕方式与一般绞车类似。

按提升绳的数量又分为单绳摩擦式矿井提升机和多绳摩擦式矿井提升机。

目前，我国单绳缠绕式提升机，广泛采用交流绕线式电动机拖动。

目前提升机电控系统组成可简单的划分为：

控制系统（主控系统、辅控系统）、调速控制系统（调速系统、供电系统）、监控系统（上位机、操作台）。

主控系统主要是指完成提升机加速、等速、减速、爬行到停车整个运行过程的开关量逻辑控制及其必要的保护并与其他子系统交换信号共同完成对提升机整机有效控制的系统；

辅控系统是指各路供电电源、控制回路的接口以及辅机系统的控制等部分；

调速系统是指根据控制系统的指令，作为执行机构最终对提升机的主拖动电动机进行启停、加速、减速、稳速运行控制的系统；

监控系统是指对电控系统关键部件，包括提升信号系统工作情况、提升机运行过程中关键参数、参量的曲线、以及司机操作的正确性进行监控和显示，并进行必要的记录以备系统的查阅之需；

操作台是电控系统的人机界面，担负着对提升机进行集中控制、监视、参量信号显示的重任。

图2-1提升机电控系统构成

本设计采用单绳缠绕式提升机（单卷筒），提升过程包括：

启动加速段、匀速段、一次减速段、匀速爬行段和二次减速制动段五个主要环节。

表2-1矿井提升机主要技术参数

提升机型号

JK-2×

1.5

卷筒

个数

1

直径

mm

2000

宽度

1500

钢丝绳最大静张力

载人

KN

55

载物

62

钢丝绳最大静张力差

钢丝绳

24

最小破断拉力总和

500

钢丝绳最大提升速度

m/s

5.2

传动比

31.5

提升高度或运输长度

一层缠绕

不

大

于

m

305

二层缠绕

650

三层缠绕

1025

电动机

型号

YR355M3-8J

功率

kW

180

转速

r/min

735

2.1系统工作原理

提升机的速度要求：

（1）主加速阶段t1

如图2-2所示，正常提升时，电动机产生的力矩比阻力矩大3%～5%，产生比较低的加速度a≤。

当V0上升到Vm时，电动机运行在自然特性曲线上。

下放时，由于负力较大，需要制动力来维持稳定的下放速度和规定的减速度。

（2）匀速阶段t2

上升时，根据负载状况使电动机保持电动状态，且速度Vm=1.12m／s。

下放时，由旋转编码器反映转子下放速度，当速度高于Vm时，增大励磁电流If，提高制动力矩，提升容器匀速运行。

（3）主减速阶段t3

为使提升机准确停车，在停车前应进行减速。

减速按照速度图要求进行，由装在井筒内的位置开关动作发出信号，PLC再根据与电动机同轴运行的旋转编码器发出的脉冲数进行比较发出指令，增大励磁电流If，使下放速度在规定的时间内降低。

（4）爬行阶段t4

V4在0.3m/s左右，此数值实际上是一个平均值，因为提升机由较高的Vm不可能很准确的变为速度V4。

（5）停车阶段t5

将控制盘式制动器的液压站电动机断电，抱闸迅速抱住卷筒，提升机停转。

图2-2提升机速度图

提升机的受力情况：

由直线运动的运动方程可得：

=+ma（2-1）

式中：

－提升机在某运动阶段的力，N；

－提升机的静阻力（包括车重、提升机重量和绳重），N；

m－把旋转运动的部件折算到直线运动的变位质量，kg；

a－各阶段的加速度、减速度值，m/。

当a=0时，=，匀速运行；

a＞0时，＞，加速运行；

a＜0时，F＜，减速运行。

根据以上分析，F=f（t）的力图如图2－3所示：

图2－3提升机力图

由以上分析可知，调速系统中变频器受高压电后，主控台通过检测变频器的运行信号，判断变频器已经可以运行，主控台在自动模式下，通过控制变频器，实现矿井提升机运行的五段速度曲线，即启动加速段、匀速段、一次减速段、匀速爬行段和二次减速制动段。

（1）启动加速段：

主控台接受井下操作人员的提升请求命令，对变频器输出正转或反转命令，变频器按照预先设定的加速时间运行至最低频率，将运行信号反馈给主控台，此时作用于滚筒上的抱闸系统处于抱闸状态，滚筒静止，拖动滚筒的电机处于堵转状态。

主控台接收到变频器运行信号后，在此稍做延时，一秒钟后主控台驱动液压站液压阀，液压阀再驱动滚筒抱闸系统，松开抱闸系统，电机堵转结束，开始旋转，通过减速机，滚筒开始运行，从而通过钢绳拖动提升容器上下运行。

变频器接受主控台转速给定信号，按照预先设定的加速时间逐步提高运行频率，滚筒转速逐步提高。

（2）匀速段：

当转速给定指令提高至50赫兹，变频器运行至50赫兹时，进入匀速段，此阶段，变频器维持最大输出，滚筒运行至最高速度，拖动提升容器在最高速度下运行。

（3）一次减速段：

主控台通过立井系统的位置传感器接收提升容器运行位置信号，当到达一次减速区间的时候，主控台按照预先设定的程序减小转速给定指令数值，变频器接收到新的转速给定数值后，执行，开始降低运行频率，拖动电机及滚筒减速运行。

（4）匀速爬行段：

主控台通过提升容器的位置传感信号，通过预设数值，给定变频器低转速数值，变频器在此转速信号下维持低频率输出不变，提升容器低速运行，进入匀速爬行段。

（5）二次减速制动段：

主控台通过提升容器的位置传感信号，判断提升容器即将进入预定停车位置后，给变频器更低转速信号，变频器运行至最低频率，当提升容器即将到达预定位置后，主控台发出急停指令，变频器停止驱动电机，同时控制液压站，关断液压阀，从而驱