矿井提升机变频调速控制系统设计论文.docx

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毕业设计

设计题目：

矿井提升机变频调速控制系统设计

学生姓名：

专    业：

班    级：

系    部：

指导教师：

二〇一五年六月一日

摘  要

矿井提升机是矿山生产中最重要的矿山设备之一，是煤炭生产运输的主要工具。

传统矿井提升机的调速性能较差，在启动、停止、制动、逻辑控制等方面存在许多安全问题。

针对传统调速存在的不足，本设计以为控制核心器件，电气拖动部分采用先进的变频调速方案。

在控制单元给出变频器的控制命令（正转、反转、多段速等）可使提升机按照设定的形速度曲线进行，满足提升阶段稳定运行的要求。

根据矿用提升机的运行特性要求，完成对提升机、变频器、的选型设计。

根据硬件系统要求画出外部接线图，并编写系统控制程序。

通过西门子仿真软件对编写的梯形图程序进行仿真。

关键词 矿井提升机；电控系统；变频调速；；仿真

              Abstract

Minehoist isoneofthemostimportantmineequipmentinmineproduction,andisthemaintoolfor coalproductionandtransportation. The speedcontrolperformanceofthetraditionalminehoistispoor,andtherearemanysecurityproblemsintheaspectsofstarting,stopping,braking,logiccontrolandsoon.

Fortheshortcomingsofthetraditionalspeedcontrol,thedesigntakesPLCasthecoredevice,andtheelectricdrivepartadoptsadvancedvariablefrequencyspeedcontrolscheme.Inthecontrolunit,thecontrolcommandsoftheinverter（forward,reverse,andmultiplespeeds）canbeusedtomakethehoistfollowthesetoftheSspeedcurve,andmeettherequirementsofthestableoperationoftheliftingstage.Accordingtotheoperationcharacteristicofminehoist,theselectionanddesignofthehoist,inverterandPLCarecompleted.Accordingtothehardwaresystem,drawtheexternalwiringdiagramandwritethesystemcontrolprogram.

SimulationoftheladderdiagramprogramwrittenbyMicrowinSP9STEP7bySIEMENS plctranslate S7-200simulationsoftware.

Keywords hoist;electroniccontrol system;frequencyconversionspeedcontrol;PLC;simulation

目  录

摘  要

Abstract

1 绪论

1.1 设计背景

1.2 矿井提升机系统组成

1.4 设计内容

1.5 设计意义

2 矿井提升机提升系统硬件选型设计

2.1 矿井提升机组成

2.2 提升容器的选型

2.3主井箕斗规格的选择

2.4 提升机运动学分析

2.4.1 提升速度图参数计算

2.4.2 运动参数计算

2.5 矿井提升机静、动态性能分析

2.6 提升电动机的选型设计

2.7 本章小结

3 矿井提升机变频器系统硬件选型设计

3.1 变频调速特点

3.2 变频调速的基本原理

3.3变频器的选型设计

3.3.1 控制方式的选择

3.3.2 容量的选型计算

3.4 变频器声光报警回路设计

3.5变频器制动回路设计

3.5.1 再生制动

3.5.2 直流制动单元

3.6 变频器外部接线图设计

3.7 变频器基本参数设置

3.8 变频器外围设备的选型设计

3.8.1 熔断器的选型设计

3.8.2 断路器的选型设计

3.8.3 交流接触器的选型设计

3.8.4 热继电器选型设计

3.8.5 制动电阻选型设计

3.9 变频器的抗干扰及防止措施

3.10 本章小结

4 矿井提升机PLC控制系统硬件选型设计

4.1 矿井提升机PLC特点

4.2 PLC的I/O点统计

4.3 PLC的I/O端口统计

4.4 PLC的选型

4.5 PLC的外部电路接线图

4.6 旋转编码器的选型设计

4.7 PLC的抗干扰措施

4.8 本章小结

5 提升机变频调速控制系统软件设计及仿真

5.1 启动，停车程序设计

5.2 上提，下放程序设计

5.3 工频与变频转换程序设计

5.4 提升机控制系统工作原理

5.5提升机的控制程序流程图及子程序

5.5.1 提升机的控制程序流程图

5.5.2 子程序分析

5.6 提升机PLC的程序设计

5.6.1 程序代码语句表

5.6.2 提升机PLC控制程序梯形图

5.7 提升机PLC控制程序仿真

5.8 本章小结

结  论

参考文献

致   谢

1绪论

1.1 设计背景

矿井提升机是煤矿、有色金属矿中的重要运输设备，是煤矿“四大运转设备”之一，其电力传动特性复杂[4]，电动机频繁正、反向运行，经常处于过负荷运转和电动、制动不断转换的状态中[7]，它的安全性、可靠性也是至关重要，其运行性能和安全可靠性直接影响着煤炭生产，只要一发生事故使矿山正常生产中断，并造成重大的经济损失[8]。

因此，提高提升机的性能和自动化水平，使其安全性、可靠性达到一个新的高度。

1.2 矿井提升机系统组成

矿井提升机变频调速控制系统由：

动力装置、液压站、变频器、旋转编码器、操作台、、控制监视系统组成[8]，系统框图如图所示。

图1.1矿井提升机系统框图

（1）动力装置：

包括主电机、减速器、卷筒，完成物料的运输任务。

（2）液压站：

为提升机提供制动力，以保证系统安全可靠地工作。

（3）变频调速器：

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。

（4）操作台：

操作台设置两个手柄，分别用于速度辅助给定及制动力给定。

（5）控制监视系统：

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。

1.4 设计内容

    假设某煤矿设计年产量：

，采用立井开采已知数据如下：

（1）提升机每年工作日：

天；

（2）每日工作小时数：

；

   （3）单水平提升，井筒深度：

；

   （4）箕斗卸载高度：

，箕斗装载高度：

；

   （5）散煤容重密度：

；

   （6） 一套箕斗提升设备，采用多绳摩擦式提升机。

根据此煤矿的实际情况，并广泛调查国内外矿井提升机调速控制系统的发展状况设计出适合该煤矿的安全可靠、效率高、经济的提升机调速控制系统。

本设计的主要工作有：

（1）矿井提升机提升系统硬件选型设计；

（2）矿井提升机变频器控制系统硬件的选型设计；

（3）矿井提升机控制系统硬件选型设计；

（4）矿井提升机变频调速控制系统软件设计及仿真；

（5）对设计的系统进行分析；

1.5 设计意义

目前国内提升机的调速控制系统许多还是在电机转子回路串入电阻分段控制的交流绕线式电机继电器接触器系统。

这种控制方式存在着可靠性不高、消耗大量电能、容易引起电气及机械冲击等很多的问题。

本设计从解决实际矿井提升机调速控制系统的问题出发，控制单元采用目前工控的PLC来控制；变频传动装置；优化了矿井提升机调速控制系统的性能。

安全、可靠、经济、高效的矿井提升机调速控制系统是本设计的追求目标。

1.6 本章小结

   本章主要分析了矿井提升机在煤矿安全生产中的作用和地位及发展现状，总结了提升机的组成和控制系统的特征，指出了当前提升系统的一些问题，最后对本设计主要内容及设计意义进行了介绍。

            2 矿井提升机提升系统硬件选型设计

2.1 矿井提升机组成

    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、井架、天轮、导向轮及装卸载设备等[8]。

立井箕斗提升系统如图2.1所示。

图2.1立井箕斗提升系统图

2.2提升容器的选型

提升容器主要是底卸式箕斗和普通罐笼。

箕斗的优点是：

质量轻，所需井筒断面积小，装卸可自动化，且时间短，提升能力大。

箕斗的缺点是：

井底及井口需要设置煤仓和装卸载设备，只能提升煤炭，不能升降人员、设备和材料，井架较高，需要另设一套辅助提升设备。

我国煤矿竖井提升，主井普遍采用箕斗，选择罐笼还是选择箕斗，需要根据多方面的技术、经济指标来确定。

一般可以根据矿井年产量来确定；年产量在45万以上可以选用箕斗作为提升设备，罐笼作为辅助提升设备；年产量小于45万时，则选用罐笼作为主提升设备，而且同时完成辅助提升任务[8]。

根据年产量本设计选择箕斗作为主提升设备。

2.3主井箕斗规格的选择

当提升容器的类型确定后，还要选择容器的规格。

其原则是：

一次合理提升量应该使得初期投资费和运杂费的加权平均总和最小[8]。

为了确定一次合理提升

量，从而选择标准的提升容器，按以下步骤计算：

（1）提升高度:

                              （2.1）                

（2）确定合理的经济速度:

。

合理的经济速度可以用下式计算：

                                （2.2）               式中：

H为提升高度628m, 为装载高度20m,  ;为矿井深度590m, 为卸载高度18m,   。

   （3）初估算加速度：

一般取 

   （4）估算一次提升循环算时间:

        （2.3） 

式中：

为箕斗低速爬行时间，一般取；为箕斗装卸载休止时间，一般取。

    （5）计算每小时提升量:

                             （2.4） 

式中：

为提升不均衡系数，箕斗提升=1.15，罐笼提升=1.2,混合提升=1.2；为矿井设计年产量320万t/a;为提升富裕系数，主井提升设备对第一水平留有1.2的富裕系数；为提升设备每天工作小时数，一般为；;为提升设备每年工作日数，一般为。

    （6）每小时提升次数:

                                        （2.5） 

（7）计算一次合理提升量:

                                          （2.6） 

根据上式求出的一次合理提升量