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基于PLC的矿井提升机变频调速系统设计
摘要
矿井提升机是矿山最重要的设备，肩负着矿石、物料、人员等的运输责任。
传统的矿井提升机控制系统主要采用继电器-接触器进行控制，这类提升机通常在电动机转子回路中串接附加电阻进行启动和调速。
这种控制系统存在可靠性差、操作复杂、故障率高、电能浪费大、效率低等缺点。
随着计算机和PLC技术的不断发展，采用先进的控制技术改造传统矿山行业的传统控制系统，从而使矿井提升机的控制性能得到极大的改善，其自动化水平、安全性、可靠性都达到了新的高度，并采用现代化的管理和监视手段保障提升机的安全运行，保证矿井提升机可靠、准确地运行，实现矿井提升机的计算机控制。
变频调速是近年来发展起来的一门新兴的自动控制技术，它利用改变被控对象的电源频率，成功实现了交流电动机大范围的无级平滑调速，在运行过程中能随时根据电动机的负载情况，使电机始终处于最佳运行状态，在整个调速范围内均有很高的效率，节能效果明显。
采用变频器对异步电动机进行调速控制，由于使用方便、可靠性高并且经济效益显著，所以得到广泛应用。
因此，应用变频器对矿井提升机的控制系统进行改造，将成为历史的必然趋势。
关键词：
矿井提升机，变频调速，PLC
DesignMethodofMineHoistwithFrequencyconversion
BasedonPLC
ABSTRACT
Theshafthoististheforemostequipmentofmines，itiswidelyusedtotransportthematerials，staffandequipment.Thetraditionalshafthoistcontrolsystemisalwayscontrolledbytherelay-contactor，andadoptsthemethodsofconnectseriesadditionalresistantinrotorswindinglooptostartandadjustspeed.Thesystemhasmanydisadvantagessuchasbadreliability，complicatedoperation，highfaultrate，largeenergy–wastingandlowefficiency.
Alongwiththedevelopmentandapplicationofcomputerandprogrammablelogicalcontroller,thecontrollerofmineelevatorcomeforthnewvisage,thelevelofautomatizationandsafetyandsecurityarrivedatthenewaltitude,andprovidedanewandmodernmanageandmonitormeans.Advancedindustrycontrolcomputerareusedtomonitorandmanagethecourseofelevator.
Frequencyconversionisdevelopedasanewautomaticcontroltechnologyinrecentyears,whichisusedtochangethepowerfrequencyofthecontrolledobjects,itsuccessfullyachievethespeedsteplessadjustingoftheAcmotorinalargescope,anditcanmakethemotorbealwaysinthebeststateaccordingtotheloadconditionsatanytime.Ithasveryhighefficiencyandtheenergy-savingeffectisobviousinthewholerangeofspeed.Adoptinginverterspeedtocontroltheasynchronousmotorsiswidelyusedbecauseofitisconvenient,highreliabilityandtheeconomicbenefitisremarkable.Therefore,adoptinginvertertoreformthecontrolsystemofshafthoistwillbecometheinevitabletrendofhistory.
KEYWORDS:
minehoist，Variablefrequencyspeedregulation，PLC
目 录
前 言
1.1国内外矿井提升机研究现状与发展趋势
矿井提升装置是采矿业的重要设备，随着科学技术的进步和矿井生产现代化要求的不断提高，人们对提升机工作特性的认识进一步深化，提升设备及拖动控制系统也逐步趋于完善，各种新技术、新工艺逐步应用于矿井提升设备中。
特别是模拟技术、微电子技术、微电脑技术在提升机控制中的应用已成为必然的发展。
1.1.1国外矿井提升机的现状
近三十年来，国外提升机机械部分和电气部分都得到了飞速的发展，1981年第一台用同步机悬臂传动的提升机在德国Monopol矿问世，1988年由MAVGHH和西门子合作制造的机电一体的提升机（习惯称为内装电机式）在德国Romberg矿诞生了，这是世界上第一台机械和电气融合成一体的同步电机传动提升机。
在提升机机械和电气传动技术飞速发展的同时，电子技术和计算机技术的发展，使提升机的电气控制系统更是日新月异。
早在上世纪七十年代，国外就将可编程控制器（PLC）应用于提升机控制。
上世纪八十年代初，计算机又被用于提升机的监视和管理。
计算机和PLC的应用，使提升机自动化水平、安全、可靠性都达到了一个新的高度，并提供了新的、现代化的管理、监视手段。
1.1.2国内矿井提升机的发展趋势
1．随着国家出台一系列节能降耗、发展低碳经济相关政策，各大煤炭企业将不得不淘汰掉那些高耗能、高污染、生产技术落后的设备。
矿井提升机作为生产重要设备，除高耗能以外，还有着工作结构复杂、危险程度大等突出问题，因此，技术落后、设备陈旧逐渐不能满足发展要求，取而代之的将会是节能环保、安全高效的全数字化生产模式。
2.使用变频器调速的矿井提升机，可以实现启动时的软启动、软停车，减轻对电网的冲击；可根据负载需要，自动输出合适的功率大大降低了不必要的能量耗损；调速平滑连续，使运行更加安全、稳定、高效。
据此，变频器以其独特的优势在提升机行业的应用也迎来了发展的新时期。
1.2目前国内的矿井提升机传动方式分类
1、交流绕线式异步电动机转子串电阻调速。
2、直流可逆调速。
3、交流变频调速。
（1）异步电动机的交—直—交变频。
（2）大惯量低速同步电动机交—交变频。
1.3本文研究意义
目前国内各大煤矿的矿井提升机系统的调速方案大多采用继电器－接触器控制的转子串电阻调速。
该方案耗能大，占地面积大，已不能适应现代矿业发展的需要。
因此有必要对其调速方案进行改造。
在广泛考察现行的变频调速方案后，本文提升机系统控制单元采用目前工控适用的可编程控制器来控制，具有编程简单和控制可靠性高的优点，电力拖动系统中，选用先进的变频传动装置，运用先进的控制技术，优化了调速系统的性能，这已成为现代交流调速的重要研究方向。
就计算机技术在工业现场应用情况而言，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。
第1章矿井提升机
1.1科技名词定义
中文名称：
矿井提升机。
英文名称：
minewinder；minehoist。
其他名称：
矿井卷扬机;绞车;矿井绞车。
定义：
安装在地面，借助于钢丝绳带动提升容器沿井筒或斜坡道运行的提升机械。
矿井提升机可分为竖井提升机和斜井提升机两种。
XX名片：
矿井提升机是矿井井下和地面的工作机械。
图1-1矿井提升机剖视图
说明：
矿井提升机是一种大型绞车。
用钢丝绳带动容器（罐笼或箕斗）在井筒中升降，完成输送物料和人员的任务。
矿井提升机是由原始的提水工具逐步发展演变而来。
现代的矿井提升机提升量大，速度高，已发展成为电子计算机控制的全自动重型矿山机械。
1.2矿井提升机的组成
矿井提升机主要由电动机、减速器、卷筒、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。
1.3矿井提升机的分类
按工作方式分为：
缠绕式矿井提升机和摩擦式矿井提升机。
1.缠绕式矿井提升机有单绳缠绕式和多绳缠绕式两种。
（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。
单筒大多只有一根钢丝绳，连接一个容器。
双筒的每个卷筒各配一根钢丝绳，连接两个容器，运转时一个容器上升，另一个容器下降。
缠绕式矿井提升机大多用于年产量在120万吨以下、井深小于400米的矿井中。
（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。
20世纪50年代末，英国人布雷尔（Blair）设计了一台直径3.2m双绳多层缠绕式提升机（又称布雷尔式提升机），提升高度1580～2349m，一次提升量10～20t。
2.摩擦式矿井提升机分为井塔式和落地式两种。
（1）井塔式提升机机房设在井塔顶层，与井塔合成一体，节省场地；钢丝绳不暴露在露天，不受雨雪的侵蚀，但井塔的重量大，基建时间长，造价高，并不宜用于地震区（图1-2）。
图1-2井塔式多绳磨擦式提升系统示意图
（2）落地式提升机机房直接设在地面上，井架低，投资小，抗震性能好；缺点是钢丝绳暴露在露天，弯曲次数多,影响钢丝绳的工作条件及使用寿命。
图1-3落地式多绳磨擦式提升系统示意图
目前我国提升机90%以上均采用交流绕线式异步电动机的拖动方式，其电控系统用于单绳缠绕式提升机和多绳磨擦式提升机。
1.4提升机电动机运行方式
提升机电动机的运行方式,主要根据系统的力图来确定。
1．加速阶段F1。
提升时为正力,采用电动加速。
下放时为负力,若负力值较小,可考虑自由加速,并配合使用盘式制动器,若负力值较大,则采用动力制动加速。
加速阶段不实行闭环调节,而以时间、速度为函数,逐步短接转子附加电阻,使提升电动机从零速升至全速。
2．匀速阶段F2。
提升时为正力,采用电动拖动。
下放时为负力,采用能耗制动、闭环控制,单闭环速度控制系统由与距离有关的理想速度给定电路、速度负反馈电路、PID调节器、移相触发电路及双向可控硅能耗制动电路组成,下放速度由PID调节。
3．主减速阶段F3。
提升时为正力,采取逐级接入转子附加电阻和机械制动的方式。
下放时为负力,一方面接入转子附加电阻,另一方面增大制动电流并辅以机械制动方式减速。
4．爬行阶段F4。
当为正力时,转子接入几段附加电阻,由PLC控制运行；当为负力时,在能耗制动方式下接入转子附加电阻。
5．停车阶段F5。
将盘式制动器的KT线圈断电，抱闸迅速抱住卷筒，提升机停转。
图1-4提升机力图
1.5提升机的受力情况
由直线运动的运动方程可得：
F=
+ma式（1－1）
式中：
F－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，F=
，匀速运行；
a＞0时，F＞
，加速运行；
a＜0时，F＜
，减速运行。
根据以上分析，F=f（t）的力图见图1－4。
第2章PLC简介
2.1PLC的基本概念
1969年，出现了可编程逻辑控制器PLC（ProgrammableLogicController），其特点是：
具备逻辑控制、定时、计数、等功能，编程语言采用直观的梯形图语言，软件更改方便，通用性和灵活性好。
目前，可编程控制器PLC主要是朝着小型化、廉价化、标准化、高速化、智能化、大容量化、网络化的方向发展，与计算机技术相结合，形成工业控制及系统、分布式控制系统DCS（DistributedControlSystem）、现场总线控制系统FCS（FieldbusControlSystem），这将是PLC的功能更强，可靠性更高，使用更方便，适用范围更广。
国际电工委员会（IEC）于1982年11月1985年1月对可编程序控制器作了如下的定义：
“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。
它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的命令，并通过数字式模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充功能的原则而设计。
2.1.1PLC的基本结构
如图2-1所示，PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程器等组成。
PLC的特殊功能模块用来完成某些特殊的任务。
PLC主要由CPU模块、I/O模块、变成装置和电源组成。
根据硬件结构的不同，可以将PLC分为整体式、模块式和混合式。
整体式PLC又叫做单元式或箱体式，他的体积小、价格低、小型PLC一般采用整体结构。
模块式PLC一般用于大、中型PLC，它由机架和模块组成。
按PLC的控制规模分类，PLC可分为小型机、中型机、大型机。
图2-1PLC基本组成
2.1.2PLC的基本特点
PLC的诞生给工业控制带来革命性的飞跃,与传统的继电器控制相比有着突出的特点。
1.灵活性、通用性强。
继电器控制系统如果工艺要求稍有变化,控制电路必须随之作相应的变动,所有布线和控制柜极有可能重新设计,耗时且费力然而是利用存储在机内的程序实现各种控制功能的。
因此当工艺过程改变时,只需修改程序即可,外部接线改动极小,甚至可以不必改动,其灵活性和通用性是继电器控制电路无法比拟的。
2.可靠性高,抗干扰能力强。
继电器控制系统中,由于器件的老化、脱焊、触点的抖动以及触点电弧等现象是不可避免的,大大降低了系统的可靠性。
而在控制系统中,大量的开关动作是由无触点的半导体电路来完成的,加之在硬件和软件方面都采取了强有力的措施,使产品具有极高的可靠性和抗干扰能力可以直接安装在工业现场稳定地工作。
PLC在硬件方面采取电磁屏蔽、光电隔离、多级滤波等措施在软件方面采取警戒时钟、故障诊断、自动恢复等措施,并利用后备电池对程序和数据进行保护,因此被称为“专为适应恶劣的工业环境而设计的计算机”。
3.编程简单,使用方便。
PLC采用面向过程,面向问题的“自然语言”编程方式,直观易懂,主要采用梯形图和语句表编写程序,使得广大电气技术人员更容易接纳和理解。
同时设计人员也可根据自己的喜好和实际应用的要求选择其他编程语言。
标准是编程语言的标准,除了梯形图语句表之外,还存在顺序流程图结构化文本和功能块图三种编程语言的表达方式。
一个程序的不同部分可用任何一种语言来描述,支持复杂的顺序操作功能处理以及数据结构。
4.功能强大,可扩展。
的主要功能包括开关量的逻辑控制、模拟量控
制部分还具备控制或模糊控制功能、数字量智能控制、数据采集和监控、通信、联网及集散控制等功能。
PLC的功能扩展也极为方便,硬件配置相当灵活,根据控制要求的改变,可以随时变动特殊功能单元的种类和个数,再相应修改用户程序就可以达到变换和增加控制功能的目的。
PLC以原有的继电器、逻辑运算、顺序控制为基础逐步发展起来的。
与继电器控制系统相比较,它以软器件代替了硬器件,以软触点代替了硬触点,以软接线代替了硬接线,从而使其器件、触点的寿命达数万甚至十万小时,而改变接线的速度则极为迅速。
它是由计算机简化而来的，又有着诸多自身独特的优势。
如下所述：
（1）系列化。
各大生产公司一般都有小型、中型、大型三种系列产品。
（2）多处理器。
一般小型机是单处理器系统中型机是双处理器系统,包括位处理器和字处理器大型机则为多处理器系统,由字处理器!
位处理器和浮点处理器等组成。
（3）较大的存储能力。
（4）很强的I/O口。
（5）智能外围接口。
（6）网络化。
PLC可连成功能很强的网络系统,一般有低速网络和高速网络两种。
这两类网络可级连,网上可兼容不同类型的和计算机,从而组成控制范围很大的局域网络。
（7）紧凑及高可靠性。
（8）通俗化的编程语言和丰富的指令。
2.2PLC的工作原理
PLC通电后，需要对硬件和软件做一些初始化工作。
为了使PLC的输出及时地响应各种输入信号，初始化后PLC要反复不停地分段处理各种不同的任务，这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。
整个扫描过程分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行、程序输出几个阶段，全过程扫描一次所需要的时间称为扫描周期。
内部处理阶段，PLC检查CPU模块的硬件是否正常，复位监视定时器等。
在通信服务阶段，PLC与一些智能模块通信、响应编程器键入的命令、更新编程器的显示内容等。
当PLC处于停止（STOP）状态时，只进行内部处理和通信操作服务等内容。
在PLC处于运行（RUN）状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。
1、初始化过程。
与其它单片机运行一样，上电运行或复位时进行处理。
（1）硬件初始化，复位输出输入模块，清零。
（2）清除数据区。
（3）输出输入地址分配。
2、扫描过程。
（1）扫描输入，将输入口状态读入至输入口映像区。
（2）时钟处理，特殊寄存器更新。
（3）执行用户程序。
（4）输出，将输出口映像区输出至输出端口刷新。
（5）自诊断检查。
3、出错处理。
检查PLC内部电路CPU、电池电压、程序存储器、I/O、通讯异常。
致命错误，CPU强制STOP方式，所有扫描停止。
图2-2小型PLC的典型工作过程
可编程控制器是以微处理器为基础[8]，综合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术和通信网络技术发展起来的一种通用工业自动控制装置。
它面向控制过程、面向用户、适应工业环境、操作方便、可靠性高，成为现代工业控制的三大支柱（PLC、机器人和CAD/CAM）之一。
PLC控制技术代表着当前程序控制的先进水平，PLC装置已成为自动化系统的基本装置。
2.3PLC的外围接线及各部分细节
PLC的外围接线图
图2-3PLC的外围接线原理图
2.4PLC的编程语言
1.顺序控制用的梯形图用以进行逻辑运算,完成时间上的顺序控制。
2.适用于数值控制的系统流程图,具有算术运算、比较、滤波等功能。
3.类似汇编语言的指令表。
4.高级编程功能语言。
本文主要重点介绍指令语句表语言和梯形图语言编程。
2.5梯形图的编程规则
梯形图语言作为一种标准PLC编程语言，在编制时必须遵循一定的规则，具体如下：
1.梯形图的每一行指令都在母线右边开始画起。
2.输出指令不能直接跟母线连接。
3.触点应在水平线上，不能在垂直分支上，且应遵循自左至右、自上而下的原则。
4.不包含触点的分支应放在垂直方向，不可放在水平位置，以便于识别触点的组合和对输出线圈的控制路径。
5.在有几个串联回路相并联时，应将触点最多的那个串联回路放在梯形图的最上面；而在有几个并联回路相串联时，应将触点最多的并联回路放在梯形图的最左面。
6.不能将触点画在输出线圈的右边，线圈仅能画在同一行中所有触点的最右边。
示例：
2-4梯形图和指令表简图
第3章变频器简介
3.1变频调速的概述
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，更为高性能交流调速系统的实现奠定了基础，目前己经进入了实用化阶段，作为众多调速方案之一的变频调速，其发展不超过40年，却取得了长足的进步，变频调速以其节能和可平滑调速，调速范围宽等优点得到了广泛的应用。
3.1.1变频器的基本结构
变频器由变流器、平滑电路、逆变器、控制器四大部分组成，变流器将交流电变为直流电，平滑电路将此直流电平滑后，由逆变器将它变换为频率可调的交流电，向电动机提供电压、电流和频率。
图3-2变频器的基本结构
3.1.2变频器的选择
正确选择通用型变频器对于传动系统能够正常运行时至关重要的，首先要明确使用通用变频器的目的，按照生产机械的类型、调速范围、速度响应和控制精度、启动转矩等要求，充分了解变频器所驱动负载特性，决定采用什么功能的通用变频器构成控制系统，然后决定选用哪种控制方式最合适。
若对通用变频器选型、系统设计及使用不当，往往会使通用变频器不能正常的运行、达不到预期目标，甚至引发设备故障，造成不必要的损失。
另外，为了确保通用变频器长期可靠的运行，变频器的地线的连接也是非常重要的。
3.2变频器的参数设置
如果所用的变频器刚刚出厂的变频器，则需对它进行快速调试，试验中用到的变频器都已经完成了快速调试。
表3-1变频器的快速调试
序号
变频器
参数
出厂
值
设定
值
功能
说明
1
P0304
230
380
电动机的额定电压（380V）
2
P0305
3.25
0.35
电动机的额定电流（0.35A）
3
P0307
0.75
0.06
电动机的额定功率（60W）
4
P0310
50.00
50.00
电动机的额定频率（50Hz）
5
P0311
0
1430
电动机的额定转速（1430r/min）
6
P1000
2
1
频率设定为键盘设定值
7
P1080
0
0
电动机的最小频率（0Hz）
8
P1082
50
50.00
电动机的最大频率（50Hz）
9
P1120
10
10
斜坡上升时间（10S）
10
P1121
10
10
斜坡下降时间（10S）
11
P0700
2
2
由端子输入
12
P0701
1
1
ON接通正转
13
P0702
12
11
反向点动
14
P1058
5.00
30
升级会员 