基于PLC和变频器的矿井提升机.docx
《基于PLC和变频器的矿井提升机.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于PLC和变频器的矿井提升机.docx（27页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
基于PLC和变频器的矿井提升机
摘要
矿井提升机被称为矿山的咽喉，是生产的关键设备，是地下矿井与外界的唯一通道，肩负着运输矿石、物料、人员等的重要责任。
对提升机来说，运行的安全性与可靠性是至关重要的。
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。
因此对矿井提升机控制系统进行研究具有现实意义，也是国内外相关行业专家学者的一个研究课题。
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，PLC，变频调速，控制系统
ABSTRACT
Themineelevatorisentitledasthethroatofmine,anditisthemostvitalequipmentinmine.Themineelevatoristheonlychanneltotheundergroundmines,anditisshoulderingthetransportationofmineral,materialsandpeople.Thesafetyandsecurityisthemostvitaltoelevator.Thetraditionalshafthoistcontrolsystemisalwayscontrolledbytherelay－contactor,andadoptsthemethodsofconnectseriesadditionalresistantinrotor’swindinglooptostartandadjustspeed.Thesystemhasmanydisadvantagessuchasbadreliability,complicatedoperation,highfaultrate,largeenergy－wastingandlowefficiency.So,carryingontheresearchontheshafthoistcontrolsystemhasrealisticmeanings,anditisasubjectforresearchbyrelevantexpertsandscholars,bothathomeandabroadtoo.
Alongwiththedevelopmentandapplicationofcomputerandprogrammablelogicalcontroller,thecontrollerofmineelevatorcomeforthnewvisage,thelevelofautomatizationandsafetyandsecurityarrivedatthenewaltitude,andprovidedanewandmodernmanageandmonitormeans.Advancedindustrycontrolcomputerareusedtomonitorandmanagethecourseofelevator
Frequencyconversionisdevelopedasanewautomaticcontroltechnologyinrecentyears,whichisusedtochangethepowerfrequencyofthecontrolledobjects,itsuccessfullyachievethespeedsteplessadjustingoftheAcmotorinalargescope,anditcanmakethemotorbealwaysinthebeststateaccordingtotheloadconditionsatanytime.Ithasveryhighefficiencyandtheenergy-savingeffectisobviousinthewholerangeofspeed.Adoptinginverterspeedtocontroltheasynchronousmotorsiswidelyusedbecauseofitisconvenient,highreliabilityandtheeconomicbenefitisremarkable.Therefore,adoptinginvertertoreformthecontrolsystemofshafthoistwillbecometheinevitabletrendofhistory.
KEYWORDS：
shafthoist,PLC,frequencyconversion,controlsystem
目录
第1章绪论1
1.1国内外矿井提升机研究现状与发展趋势1
1.1.1国外矿井提升机的现状1
1.1.2国内提升机的现状与发展趋向2
1.2本文研究意义及内容3
1.2.1研究意义3
1.2.2研究内容3
第2章系统工艺流程及控制要求4
2.1矿井提升机系统简介4
2.2提升机电动机运行方式5
2.3提升机的速度要求及受力情况6
2.3.1提升机的速度要求6
2.3.2提升机的受力情况7
2.4矿井提升机的电气传动方案8
第3章系统控制方案设计9
3.1控制单元基本原理9
3.2控制系统总体设计11
3.3可编程控制器（PLC）介绍11
3.3.1PLC的基本特点12
3.3.2PLC的基本结构13
3.3.3PLC的工作原理13
3.3.4PLC的编程语言14
3.4变频器介绍14
3.4.1变频调速基本原理15
3.4.2变频器按中间直流环节方式分类16
第4章控制系统硬件设计18
4.1控制系统硬件选型18
第5章控制系统软件设计19
5.1控制程序流程图20
5.2系统控制程序梯形图21
第6章人机交互界面22
6.1触摸屏概述22
6.2触摸屏在工业控制中的应用23
6.3PWS－3261触屏简介24
6.4触摸屏在矿井提升机控制系统中的应用24
第7章结论25
参考文献26
致谢……………………………………………………………………………………27
第1章绪论
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，而且两者相互促进，相互提高。
起初的提升机是电动机通过减速器传动卷筒的系统，后来出现了直流慢速电动机和直流电动机悬臂安装直接传动的提升机。
上世纪七十年代西门子发明矢量控制的交一直一交变频原理后，标志着用同步电动机来代替直流电机实现调速的技术时代已经到来。
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国内提升机的现状与发展趋向
目前国内的矿井提升机传动方式大多为以下几种：
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
国内矿井提升机的发展趋势如下：
（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本文研究意义及内容
1.2.1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，运用先进的矢量控制技术，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。
采用先进的工业计算机、现场总线和工业自动化技术，按照结构标准化、产品系列化、性能现代化、体积小型化的原则，研制生产适合矿井提升机电控设备是进行技术改造和新建矿井设备选型的理想选择。
为保证提升设备无事故，在提升设备有可能出现故障的各个重要环节上，设有各种检测、控制、自诊断以及记录和保护装置（如超载、速度、加减速等记录）。
1.2.2研究内容
在煤矿生产中，矿井提升机起着非常重要的作用。
矿井提升机是矿井生产过程中的一个重要环节，它的任务是提升有用矿物和矿石、升降人员和设备、下放材料等。
提升机电控装置的技术性能，既直接影响矿山生产的效率及安全，又代表着矿井提升机发展的整体水平，是矿井安全生产中重中之重的一大环节。
当前国内提升机电控绝大多数还是转子回路串电阻分段控制的交流绕线式电机继电器－接触器系统，设备陈旧、技术落后。
而且这种控制方式存在着很多的问题：
转子回路串接电阻，消耗电能，造成能源浪费；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；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；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；电动机依靠转子电阻获得的低速，其运行特性较软；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，需要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。
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。
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2章系统工艺流程及控制要求
2.1矿井提升机系统简介
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。
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。
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。
摩擦式矿井提升机的提升绳搭挂在摩擦轮上，利用与摩擦轮衬垫的摩擦力使容器上升。
提升绳的两端各连接一个容器，或一端连接容器，另一端连接平衡重。
摩擦式矿井提升机根据布置方式分为塔式摩擦式矿井提升机（机房设在井筒顶部塔架上）和落地摩擦式矿井提升机（机房直接设在地面上）两种。
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。
后者的优点是：
可采用较细的钢丝绳和直径较小的摩擦轮，从而机组尺寸小，便于制造；速度高、提升能力大、安全性好。
年产120万吨以上、井深小于2100米的竖井大多采用这种提升机。
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，提升过程一般包括：
起动、加速、匀速、减速、爬行和停车几个主要环节。
2.2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：
加速阶段：
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。
匀速阶段：
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。
主减速阶段：
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。
爬行阶段：
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。
2.3提升机的速度要求及受力情况
合理地确定提升机的力图和速度图，可以提高其运行的安全可靠性，以及减小电动机的功耗。
2.3.1提升机的速度要求
（1）主加速阶段
如图2－1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≤0.3m/s2。
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，由测速发电机反映转子下放速度，当速度高于Vm时，增大励磁电流If，提高制动力矩，使观览车在斜坡上匀速运行。
（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，由装在斜坡上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2－1提升机速度图
2.3.2提升机的受力情况
由直线运动的运动方程可得：
F=
+ma式（2－1）
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2－2：
图2－2提升机力图
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
，升降物料时，加速度
。
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。
2.4矿井提升机的电气传动方案
矿井提升机的电气传动方式一般有以下4种。
本文以英威腾公司CHV190-1000G-6高性能矢量变频器在提升机调速系统中的应用为例，详细介绍了交--直--交变频调速的原理与传动方案。
（1）绕线转子异步电动机转子回路串电阻调速系统
（2）直流可逆调速系统
（3）交流电动机交－交变频调速系统
（4）交--直--交变频调速系统
变频器的主电路大体上可分为两类，电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容；电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。
它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”，如图2—3所示。
图2—3交-直-交变频原理图
（1）整流器：
最近大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。
也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。
（2）平波回路：
在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。
为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。
装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。
（3）逆变器：
同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。
以电压型pwm逆变器为例示出开关时间和电压波形。
传动系统方案如图2---4所示，CHV190-1000G-6变频器采用并机方式，即由2台690V500KW变频器并机拖动950KW大功率提升机同步电机组成，每台
图2—4变频器调速方案
变频器均配置输入、输出电抗器，与电动机同轴安装UVW型同步电动机专用编码器。
制动器选用2台DBU-350-6能耗制动单元；每台制动单元连接4Ω180KW制动电阻。
控制电路由控制变压器输出的AC220V电源再通过隔离变压器、开关电源后，输出AC220V、DC24V、DC12V电源分别提供给PLC、显示器、继电器、检测器件、电磁阀等；变频器采用端子控制模式，操作指令由控制台发起，经PLC处理后输出，通过PLC与变频器控制板I/O接口连接线传递信号，实现远程控制。
为了提高变频器对电机的精确控制，采用闭环控制模式，防止溜钩或因上升或下降启动时电机输出转矩不足而引起冲击机械系统产生振动的现象。
变频器多功能端子组S1—S4对应指令为频率给定、上行、下行、复位；多功能模拟量输入AI2设定外部频率
采用PLC与变频器相结合的控制方案对传统电控系统进行改造，变频调速是通过改变定子供电频率，成功实现了提升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，能够满足提升机特殊工作环境的要求且有着明显的节电效果。
采用PLC对提升系统进行保护和监控，使系统更加安全可靠。
因此本次设计选用交流电动机交－交变频调速系统。
第3章系统控制方案设计
3.1控制单元基本原理
随着PLC控制的日渐成熟，大多数矿井提升机电控系统都采用了可编程序逻辑控制器（Programmablelogiccontroller），简称PLC，PLC技术是现代工业自动化的重要手段，由它构成的控制系统逻辑控制由PLC通过软件编程实现，柔性强，控制功能多，控制线路大大简化；PLC的输入/输出回路均带有光电隔离等抗干扰和过载保护措施，程序运行为循环扫描工作方式，且有故障检测及诊断程序，可靠性极高。
PLC控制系统结构为模块化结构，维护更换方便，并可显示故障类型。
图3－2为可编程控制器控制系统。
其输入设备和输出设备与继电器控制系统相同，但它们是直接接到可编程序控制器的输入端和输出端的。
控制程序是通过一个编程器写到可编程控制器的程序存储器中。
每个程序语句确定了一个顺序，运行时依次读取存储器中的程序语句，对它们的内容进行解释并加以执行，执行结果用以接通输出设备，控制被控对象工作。
在存储程序控制系统中，控制程序的修改不需要通过改变控制器内部的接线（即硬件），而只需通过编程器改变程序存储器中某些语句的内容。
图3－2可编程控制器控制过程系统框图
可编程逻辑控制器因为其具有高可靠性以及软件可编程的优点，在现代控制中越来越广泛的应用。
对于一般提升机电控系统来说，采用一套中小容量的PLC即可满足要求，其价格也不高。
如图3－2所示，如果采用PLC技术对TKD电控系统进行改造，把原来由各种电器通过连线而实现的逻辑控制改由PLC通过软件编程实现，则控制线路将大大简化，设备体积、设备维修量将大大减小，抗干扰能力将大大增强，工作可靠性将大大提高，工艺改变时只需要改变控制程序即可。
改造时保持原有的操作方式、按钮、开关、主令控制器作用不变，则用户使用起来将非常方便，不需要适应期。
同时可以利用PLC的高速计数功能、网络通信功能、故障检测及诊断功能、信号显示功能等来增加一些新的控制功能，安全性将大大提高，运行将更加平稳、准确，完全能够满足矿山生产的苛刻要求，而且投资相对较少，性价比较高，具有很强的实用价值。
3.2控制系统总体设计
基于PLC的矿井提升机变频调速控制系统由动力装置、液压站、变频器、操作台和控制监视系统组成，其系统框图如图3－3所示：
图3
升级会员 