基于PLC的提升控制系统毕业设计论文文档格式.docx

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变频器；

变频调速；

可编程控制器

1矿井提升机控制系统概述

矿井提升机肩负着井上、井下运输的重要任务，在整个矿井生产中占有非常重要的地位，熟悉矿井提升机的性能、结构及动作原理，合理使用设备，加强维护，对确保提升机工作效率、提高安全可靠性、防止和杜绝事故的发生具有重大意义。

1.1矿井提升机概况

1.1.1矿井提升系统

矿井提升设备的主要组成部分是：

提升容器、提升钢丝绳、提升机（包括拖动系统）、井架（或井塔）、天轮、及装卸载设备等。

由于井筒条件（竖井或斜井）及选用的提升容器和提升机类型的不同，可组成各有特点的矿井提升系统。

常见的提升系统有：

1）竖井单绳缠绕式箕斗提升系统。

2）竖井单绳缠绕式罐笼提升系统。

3）竖井多绳摩擦式箕斗提升系统。

4）竖井多绳摩擦式罐笼提升系统。

5）斜井箕斗提升系统。

6）斜井串车提升系统。

1.1.2矿井提升机主要组成部分及其作用

矿井提升机是一个完整的机械－电气机组，其主要由以下几部分组成。

1、工作机构

主要是指主轴装置和主轴承等，主轴装置由主轴、卷筒、滚动轴承、支轮、制动轮、调绳离合器等组成。

2、制动系统

液压制动系统装置包括制动器和液压传动装置，是提升机不可缺少的重要组成部分之一，也是最后一道安全保障装置，制动装置的可靠性直接关系到提升机的安全运行。

提升机制动器的功能就是刹住提升机卷筒，使提升机停止运行。

3、机械传动系统

机械传动系统，机械传动系统包括减速器和联轴器。

减速器的作用是减速和传递动力，联轴器是用来联接提升机的旋转部分，并传递动力。

4、润滑系统

润滑系统是在提升运行过程中，不间断地向轴承及啮合齿面压送润滑油，以保证轴承和齿轮的正常工作。

润滑系统必须与自动保护系统和电动机联锁，即润滑系统失灵时，主电动机断电，确保机器的正常工作。

5、观测和操纵系统

观测和操纵系统包括斜面操纵台、深度指示器以及测速发电机。

深度指示器的作用是显示提升容器的运行位置，容器接近井口卸载位置和井底停车场时，发出减速信号。

6、拖动控制和自动保护系统

拖动控制和自动保护系统包括主拖动电动机、微拖动电动机、电气控制系统和自动保护系统。

矿井提升机自动保护系统的作用是：

在司机不参与的情况下，发生故障时能自动将主电动机断开并同时进行安全制动从而实现对系统的保护。

1.1.3提升机电控系统要求

综合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/，升降物料时，加速度a≤1.2m/。

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（如加速、减速、等速、爬行等）稳定运行的要求。

3）有较好的起动性能。

提升机不同于其他机械，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，防止负载大小不同时速降过大，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。

1.2矿井提升机调速方式

1.2.1提升机提升过程

提升机的工作过程是提升容器在井筒中周期往返运动，通常以提升容器的运动速度与时间的关系来表示其运动规律，称为速度图，我们常用的提升系统的速度图包括六个阶段，提升机电气传动系统速度给定v=f（t）如图1-1所示。

图1-1提升机速度工作曲线

速度图表达了提升容器在一个提升循环内的运动规律，现简述如下：

1）加速阶段t1当罐笼开井底时，以加速度a1运行，直到到达最大提升速度Vm。

对于箕斗提升机，加速度一般不大于1.2。

2）等速运行阶段t2罐笼在此阶段以最大提升速度Vm运行，直至罐笼快要到达井口开始减速为止。

3）减速阶段t3罐笼将要接近井口时，开始以减速度a3运行，实现减速。

a3一般不大于1.2

4）爬行阶段t4罐笼将到达预定位置时，为了准确停车应以v4爬行。

5）停车休整阶段t5当罐笼运行至终点时，提升机施闸停车。

要使提升机按给定速度图运行，电气传动系统应能根据负载的变化而自动的工作在电动或制动状态。

因此提升机控制系统方案的选用应满足生产工艺的要求，即满足各种可能出现的运行速度图。

1.2.2交流调速方式

矿井提升机调速系统采用交流异步电动机，其交流异步电动机转速公式为:

n=60f（1-s）/p。

由上式可见，改变供电频率f，电动机的极对数p及转差率s均可达到改变转速的目的。

从调速的本质来看，不同的调速方式无非是改变交流电动机的同步转速或不改变电动机的同步转速两种。

在生产机械上广泛使用的调速方法中，不改变同步转速的有：

绕线式电动机的转子串电阻调速、斩波调速、串级调速等。

改变同步转速的有：

变极对数调速，改变定子电压、频率的变频调速，无换向电动机调速等.

1、变极对数调速方法

这种调速方法是用改变定子绕组的接线方式来改变笼型电动机定子极对达到调速目的，绕组有多少种极对数，转速就有多少级。

改变定子极对数的办法有：

1在定子槽里放上两套极对数不同的独立绕组；

2在同一套定子绕组，改变它的联结方法，得到不同的极对数；

3在定子槽里放上两套极对数不同的独立绕组，而每套独立绕组本身又可以通过改变它的联结方法，得到不同的极对数。

特点如下：

1具有较硬的机械特性，稳定性良好；

2无转差损耗，效率高；

3接线简单、控制方便、价格低；

4有级调速，级差较大，不能获得平滑调速；

此调速方法可以与调压调速、电磁转差离合器配合使用，获得较高效率的平滑调速特性。

2、变频调速方法

变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。

变频调速时可以从基频往下调，也可往上调。

变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流－直流－交流变频器和交流－交流变频器两大类，目前国内大都使用交－直－交变频器。

其特点：

1）效率高，调速过程中没有附加损耗；

2）应用范围广，可用于笼型异步电动机；

3）调速范围大，特性硬，精度高；

4）技术复杂，造价高，维护检修困难。

3、改变转差率调速

改变转差率的方法主要有三种：

定子调压调速、转子电路串电阻调速和串级调速。

a定子调压调速方法

当改变电动机的定子电压时，可以得到一组不同的机械特性曲线，从而获不同转速。

由于电动机的转矩与电压平方成正比，因此最大转矩下降很多，其调速范围较小，使一般笼型电动机难以应用。

为了扩大调速范围，调压调速应采用转子电阻值大的笼型电动机，如专供调压调速用的力矩电动机，或者在绕线式电动机上串联频敏电阻。

调压调速的主要装置是一个能提供电压变化的电源，目前常用的调压方式有串联饱和电抗器、自耦变压器以及晶闸管调压等几种。

晶闸管调压方式为最佳。

调压调速的特点：

1、调压调速线路简单，易实现自动控制；

2、调压过程中转差功率以发热形式消耗在转子电阻中，效率较低。

3、调压调速一般适用于100KW以下的生产机械。

b、转子电路串电阻调速方法

绕线式异步电动机转子串入附加电阻，使电动机的转差率加大，电动机在较低的转速下运行。

串入的电阻越大，电动机的转速越低。

绕线式异步电动机转子串电阻后能够限制启动电流和提高启动转矩，用逐段切除电阻的方法，能在一定范围内进行调速。

此方法设备简单，控制方便，但转差功率以发热的形式消耗在电阻上，属有级调速，机械特性较软。

c、串级调速

串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机的转差，达到调速的目的。

大部分转差功率被串入的附加电势所吸收，再利用装置，把吸收的转差功率返回电网或转换为其它能量加以利用。

根据转差功率吸收利用方式，串级调速可分为电机串级调速、机械串级调速及晶闸管串级调速形式。

应用中多采用晶闸管串级调速，其特点为：

1、可将调速过程中的转差损耗回馈到电网或生产机械上，效率较高；

2、装置容量与调速范围成正比，投资小，适用于调速范围在额定转速70％－90％的生产机械上；

3、调速装置故障时可以切换至全速运行，避免停产；

4、晶闸管串级调速功率因数偏低，谐波影响较大。

目前交流调速最有前途的是变频调速技术，提升机采用变频调速取代传统的直流传动是近年来的发展趋势，它克服了大功率直流电动机换向器的换向能力受限、设计制造及维护困难和电动机体积庞大等问题。

除此之外，更兼其体积小、重量轻、通用性强的特点，因此，变频调速技术越来越广泛的应用于工业生产领域。

这将极大地提高工业生产领域的自动化水平，从而可以实现增产节能的目的。

1.3提升机控制系统设计

基于以上分析，本次设计方案最主要的包括以下两个方面的系统设计：

1）主控系统

系统的主控系统采用可编程控制器控制，PLC对分别安装于电机轴、滚筒主轴的旋转编码器数据进行采集，通过逻辑运算处理后形成按行程给定的速度曲线，保证了提升机的稳定运行；

利用液压站和润滑站的油压、电机电流转化为模拟信号，实现提升机的可靠制动；

从现场采集数据，通过PLC与上位机通信将数据传输到控制监视系统中并显示出来，实现实时监控。

2）调速系统

调速系统采用矢量控制变频器，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，通过接收PLC控制命令完成对电动机的正、反转控制，满足煤矿安全规程要求。

本设计以西门子可编程控制器S7-200为核心，设计中采用串电阻调速，由司机发提升信号实现提升机的自动加速、匀速、减速、爬行以及停车等运行过程。

采用PLC对提升系统进行保护和监控，使系统更加安全可靠，而且此方案能够很好解决传统交流绕线式电机串电阻调速系统的缺点。

矿井提升机变频调速方案如图1-2所示:

图1-2矿井提升机变频调速系统

上图所示变频调速设计系统组成:

1）动力系统由机械和电气两部分组成。

机械部分包括减速器、滚筒、制动器和底座；

电气部分包括断路器、进线电抗器、变频器、滤波器出线电抗器和拖动电机。

动力系统完成人、物、料的运输任务。

变频器是拖动电机能量供给单元，主电机通过减速器向滚筒提供牵引所需的动力。

2）液压部分包括液压站和润滑站。

液压站为提升机提供制动力，停车时先通过液压站给滚筒施加机械制动力；

提升机起动时，待变频器对电机施加一定力矩后松开机械抱闸，防止溜车，以保证系统安全可靠地工作。

3）控制核心是整个提升系统的核心，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。

4）