基于PLC的矿井提升机变频调速控制系统设计.docx
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基于PLC的矿井提升机变频调速控制系统设计
毕业设计（论文）
（说明书）
题目：
基于PLC的矿井提升机变频
调速控制系统设计
姓名：
学号：
平顶山工业职业技术学院
2014年5月8日
平顶山工业职业技术学院
毕业设计（论文）任务书
姓名
专业班级
任务下达日期2014年2月18日
设计（论文）开始日期2014年2月25日
设计（论文）完成日期2014年4月30日
设计（论文）题目：
基于PLC的矿井提升机变频调速控制系统设计
指导教师
院（部）主任
2014年5月8日
平顶山工业职业技术学院
毕业设计（论文）答辩委员会记录
电力工程学院矿上机电电气控制专业，学生于
2014年6月10日进行了毕业设计（论文）答辩。
设计题目：
基于PLC的矿井提升机变频调速控制系统设计
专题（论文）题目：
基于PLC的矿井提升机变频调速控制系统设计
指导老师：
答辩委员会根据学生提交的毕业设计（论文）材料，根据学生答辩情况，经答辩委员会讨论评定，给予学生毕业设计（论文）成绩为。
答辩委员会人，出席人
答辩委员会主任（签字）：
答辩委员会副主任（签字）：
答辩委员会委员：
，，，
，，,。
平顶山工业职业技术学院
毕业设计（论文）评语
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共页
学生姓名：
专业班级矿山机电电气控制
（1）班年级2011
毕业设计（论文）题目：
基于PLC的矿井提升机变频调速控制系统设计
评阅人：
指导教师：
（签字）2014年6月12日
成绩：
系（科）主任：
（签字）2014年6月12日
毕业设计（论文）及答辩评语：
摘要
本文针对提升机控制系统中存在的上述问题，把可编程序控制器和变频器应用于提升机控制系统上，并在可行性方面进行了较深入的研究。
根据提升机的运行特点，控制系统采用工控机监控提升机变频调速系统，PLC控制系统、变频调速系统等组成。
为了提高系统的可靠性，对提升机各种物理量及控制单元进行控制监控。
提升机的动态监测由工控机或触摸屏和组态软件组成。
用户在组态环境中完成动画设计、设备连接、编写控制流程和工程所需要的信息报表以及结果打印等。
主控系统采用PLC系统，硬件简洁、软件灵活性强、调试方便、维护量小，配合一些专用电子模块组成的提升机控制设备，可供控制高压带动动力制动或低频制动等。
同时能检测各电机故障现象并送往上位机显示。
减少了传统继电器接触式控制系统的中间环节，减少了硬件和控制线，极大提高了系统的稳定性，可靠性。
关键词：
矿用提升机；变频调速；矢量控制；可编程控制器
前 言
在煤炭生产中提升机担负着提升煤炭、岩石、下放材料、升降人员和设备的任务，是联系井上与井下的唯一途径，素有矿井“咽喉”之称。
提升机的电力传动特性复杂，电动机频繁正反向，经常处于过负荷运转和电动、制动不断地转换的状态中。
对提升机来说，运行的安全、可靠性是至关重要的，主井直接关系到矿山的生产效率，作为运送人员的副井，一旦发生故障，往往造成机毁人亡。
提升机运行的安全可靠性不仅直接影响整个矿井的生产能力，影响整个矿山的经济效益，而且还涉及到井下工作人员的生命安全。
因此，研制并制造既安全可靠又节省能源的提升机是煤矿安全生产的一项重要课题。
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，配合一些提升机专用电子模块组成的提升机控制设备，可供控制高压带动力制动或低频制动，单、双机拖动等。
操作、监控和安全保护系统选用可编程控制器。
主控计算机应用软件能完成提升机自动、半自动、手动等各种运动方式的控制要求。
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，这一控制方法目前仍为现代交流调速的重要研究方向之一。
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。
第1章绪论
1.1课题概述
矿井提升机是机、电、液一体化的大型机械，广泛用于煤炭、有色金属、黑色金属、非金属、化工等矿山的竖井、斜井，是生产运输的主要工具。
在煤炭生产中提升机担负着提升煤炭、矸石、下放材料、升降人员和设备的任务，是联系井上与井下的唯一途径，素有矿井咽喉之称。
提升机的电力传动特性复杂，电动机频繁正反向，经常处于负荷运转和电动、制动不断地转换的状态中。
对应提升机来说运行的安全可靠是至关重要的，主井直接关系到矿山的生产效率，作为运送人员的副井，一旦发生故障往往造成机毁人亡。
提升机运行的安全可靠性不仅直接影响整个矿井的生产能力，影响整个矿山的经济效益，而且还涉及到井下工作人员的生命安全。
因此，研制并制造即安全可靠又节省能源的提升机是煤炭安全生产的一项重要课题。
1.2国内外矿井提升机的发展状况
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方向。
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
部分发达国家原有的交流提升机已基本上被晶闸管-电动机（以下简称SCR-D）所取代。
如德国、瑞典等国家己有90%以上采用直流提升机，传动系统大都采用低速直联式（省去减速机），使系统大为简化。
如AEG公司采用低速直联的SCR-D系统，电机功率3000kw，额定转速55.8r/min，滚筒直径6.5m，提人速度17m/s，提物速度20m/s，提升高度1200m，具有完善的保护系统;采用磁场反并联，有平波电抗器及卧式深度发送装置;采用积分给定与行程给定相结合的双重给定信号;主回路采用两组三相桥组成12脉动顺抗整流，大大提高了功率因数。
SIEMENS（西门子）公司、ABB公司、CEOELEC公司以及ASEA公司等都有相同类型的产品，其性：
能大同小异。
此类系统的优点在于:
体积小，重量轻，占地面积小，安装方便，建筑费用低;无减速器，总效率高，电能消耗少;维护工作量小，备件少，处理事故快;单机容量大，适用范围广;调速平滑，精度高;易于实现最佳控制和自动化，安全可靠;节电显著，5-8年可回收设备投资，是矿井节电的有效途径。
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。
这些缺点可采用顺序控制和多脉冲整流的方法以及在电网上加谐波滤波器等措施使其抑制在一定的允许范围内。
（2）交流变频调速同步机驱动提升系统
SCR-D直流拖动系统趋于成熟，且采用了顺控技术等措施来提高功率因数，但其功率因数仍然较低，从而从电网吸收大量的无功功率，且对电网品质因数产生严重的影响，提升容量越大，问题越突出。
再则，直流电机制造成本高，电枢回路的整流子限制了提升容量的进一步增加，且整流子，碳刷易磨损，加大了维护工作量，故障率高。
因此换相整流子是个薄弱环节。
由于存在上述两个问题，迫使人们又重新考虑交流拖动方式。
自80年代初以来，交流变频供电的同步机拖动异军突起，在大型提升机中发展成为技术、经济均优的拖动方式。
如SIEMENS公司1979年投运的2×4200kw、l×2650kw，额定转速55.8r/min;CEGELEC公司1983年投运的l×548OkW，额定转速69.5r/min;AEG公司1985年投l×30O0kW，额定转速55.8r/min，ABB公司投运的l×4200kW额定转速45.86r/min;SIEMAG公司投运的2x46O0kW等变频调速同步机拖动的提升机，经过多年的运行，均获得成功。
这种拖动系统主要有如下优点:
a提升容量几乎不受限制，最大可达l0000kw，提升速度可达20m/s以上，提升高度1200m以上，滚筒直径达6.5m，这是直流系统难以达到的;b没有整流子和碳刷这一薄弱环节，保证了电机的可靠运行和降低了运行消耗;c功率因数高，可达住0.9～1，极大地节省了电能;d动态品质好（和直流系统相同），系统可在四象限平滑过渡和无级调速;e由于机械特性好，故起动转矩大;f同步机的价格和有色金属的消耗低于直流机;g调速范围宽。
因此，多数专家认为，变频同步机拖动调速系统是大型提升机拖动的必然发展方向。
这种拖动系统的缺点是:
a必须有专用的变频电源;b在恒转矩调速时，低速段电机的过载倍数有所降低;c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，微机控制技术己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
在交流变频装置中，提升工艺过程大都采用微机控制。
由于微机功能强，使用灵活，运算速度快，监视显示易于实现，并具有诊断功能，这是采用模拟控制无法实现的。
如AEG公司采用CP-80微机、ABB公司采用MASTER-200和SIEMENS公司采用S5-150等微机实现的变频控制，都获得了相当成功。
它们把控制、监视、基准值预测以及模拟控制等组合在公共的微机控制总线上组成静止变流器的传动控制，计算机实现速度及多个变量的调节。
2）提升行程控制
提升机的控制从本质上说是一个位置控制，要保证提升罐笼在预定地点准确停车，要求准确度高，目前可达±2cm。
采用微机控制，可通过采集各种传感信号，如转角脉冲变换、钢丝绳打滑、井筒位置、滚筒及钢丝绳磨损等信号进行处理，计算出罐笼准确的位置而施以控制和保护。
在罐笼提升时可实现无爬行提升，大大提高了提升能力。
如AEG、ABB、SIEMENS等公司已采用位微机来构成行程给定器，并还提供性能不尽相同的机械行程控制器口。
一般过程控制用微机不同时用于监视，行程控制也采用单独微机完成，从而大大提高了系统的可靠性。
3）提升过程监视
由于近代提升机控制系统的设计特别强调安全可靠性，所以提升过程监视与安全回路一样，是现代提升机控制的重要环节。
提升过程采用微机主要完成如下参数的监视:
a提升过程中各工况参数（如速度、电流）监视;b各主要设备运行状态监视;c各传感器（如位置开关、停车开关）信号的监视。
其目的在于使各种故障在出现之前就得以处理，防止事故的发生，并对各被监视参数进行存贮、保留或打印输出，甚至与上位机联网，合并于矿井监测系统中。
4）安全回路
安全回路旨在出现机械、电气故障时控制提升机进入安全保护状态。
为确保人员和设备的安全，对不同故障一般采用不同的处理方法，大致分为以下四种情况:
a报警显示，如冷却器温度过高等;b二次不能开车，如电机绕组过热、制动油过热等;c立即进行电气制动，如停车终点设备出现故障时本次提升应尽快停下来;d立即进行安全制动，如过卷、超速等。
安全回路极为重要，它是保护的最后环节之一，英、德等公司都采用两台PC微机构成安全回路，使安全回路具完善的故障监视功能。
无论是提升机还是安全回路本身出现故障时都能准确地实施安全制动。
5）制动系统的控制与监视
制动（可调闸）控制系统除要可靠地完成工作制动和安全制动外，还要完成对液压站的控制以及各环节参数（如油压、闸瓦磨损等）的监视，其技术要求与安全回路相似。
如西门子公司采用两套可编程序控制器（PLC）的双重控制与保护系统。
6）全数字化调速控制系统
德国AEG公司的LogidynD（32位机）、西门子公司的SiemadynD（16位机）以及ABB公司的Tyrak（16位机）系统都己应用于提升机上。
全数字化系统具有硬件结构单一，参数稳定且调整方便，可方便地与上位机联网等优点。
当然此类系统要求维护人员有更高的技术水平和计算机知识。
7）内装式提升机
AEG公司生产的内装式提升机，将提升主电机与滚筒合为一体，即转子固定，转动的定子充当滚筒，使机构大为简化，占地面积小，制造成本低。
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:
直流发电机一直流电动机机和晶闸管一直流电动机系统。
其生产和使用情况如下:
国内研制大型直流提升机主要有三大厂家:
a上海电机厂主要生产配套电机，已生产低速直流电机80多台，最大容量5775kw，额定转速5Or/min，其中长广煤矿及五村煤矿的提升机为100OkW、48r/min，淮南潘三矿采用一台26O0kW低速直联电机;b上海冶金矿山机械厂主要生产主机及信号系统，已生产80多台提升机，1979年生产过一台低速直联落地式提升机;c北京整流器厂主要生产配套电控，已从瑞士BBC公司和瑞典ASEA公司引进了晶闸管电控整机系统及元件生产线，直流电控容量可达7000kW;还引进了交流变频调速（交一直一交）电控生产线，可生产单机4200kW变频调速电控设备;1986年向甘肃金川矿提供了一套带微机控制的800kW直流电控设备。
从国外引进的晶闸管供电的直流提升机20多套，其中AEG公司21O0kW低速直联6套、西门子公司低速直联4套、瑞典ASEA公司9套。
另外，还正在引进计算机控制的低速直联电控系统。
（3）研制与发展
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。
大功率变频调速电控提升机其效率可达89%，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。
如天津电气传动研究所己研制了一台300kw的变频调速装置。
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;因此有不少单位都在着手研制，如焦作矿务局，韩城矿务局均用可编程序控制器对TKD电控系统进行改造，已投入正常运行和使用，已经显示出了很强的生命力。
这是今后一段时期乃至凡十年对我国占绝大多数采用继电控制的交流提升系统进行技术改造的必由之路。
1.3本文内容及研究的意义
1.3.1研究内容
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:
（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技术已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，可供控制高压带动力制动或低频制动，单、双机拖动等。
操作、监控和安全保护系统选用可编程控制器。
主控计算机应用软件能完成提升机自动、半自动、手动、检修、低速爬行等各种运动方式的控制要求。
1.3.2研究意义
在调研中发现，目前山西省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，这一控制方法目前仍为现代交流调速的重要研究方向之一。
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。
使用上位机监控系统，采用组态模式，实现良好的人-机对话;实时监控提升机的运行状态，上位机动态模拟显示及故障闭锁:
可进行故障报警、数据查询、报表打印;记录提升钩数以及每班、每日、每月、每年的提升量累计;故障声光指示、记忆及部分传感器上位机的紧急处理。
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，设置双回路系统，并在系统的各个环节上设有各种检测、控制、自诊断以及记录和保护装置（如负载、速度、加减速、产量、运行时间等记录）。
本文从解决实际矿井提升系统存在的问题出发，对传统的调速方案进行了控制方式的革新和数字化改造，降低了成本，提高了控制精度，加强了系统稳定性。
表明本文所提出的设计方案具有实用价值。
适用、经济、高效、可靠是本文提升机系统设计的追求目标。
第2章矿井提升机调速系统的设计
2.1矿井提升机对控制系统的要求
提升机控制系统方案的选用应满足生产工艺的要求速度图。
所以需要先来分析提升机电控系统的静、动态特性。
提升机电气传动系统的给定速度u=f（t）如图2-1所示，根据动力学方程式Td=Te-Ti=Tn*e/375（2.1）式中Te-电动机电动力矩;Ti-传动系统的静阻转矩;Tn-传动系统的飞轮力矩，Tn=4gJ，其中J为转动惯量（㎏·㎡），g为重力加速度Td-传动系统的动态转矩,e-加速度。
可以得出按给定速度图所需转矩Te=f（t）的特性，从而可以得到拖动系统所需的力F=f（t），提升机传动系统给定速度图、力图如图2-1所示。
图a
图b
图c
图d
图2-1提升机传动系统给定速度图、力图
提升机的负载静力FL决定于提升机滚筒承受的静张力差，在双罐笼的平衡提升系统中，静力凡也就是提升物体的净载重。
由于提升系统的负载为位势负载，所以静力FL的作用方向始终是提升重物的重力方向，而与系统的运动状态和方向无关。
因此在电动机不带电时，为了使重的罐笼处于静止状态（便于罐笼的装卸载），对滚筒必须施加机械闸。
从图2-1可以看出，要使提升机按照给定的速度图运行，电动力矩Te可能为正，也可能为负。
这意味着电动机不仅要工作在电动状态，还应能工作在制动状态。
由于不同的负载，不同的提升机运行阶段，电动机的运行状态也各不相同。
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a≦0.75m/s2，升降物料时，加速度a≦1.2m/s2,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（加速、减速、等速、爬行等）
（3）有较好的起动性能。
提升机不同于其他机械，稳定运行的要求。
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。
2.2提升机调速控制系统方案设计
2.2.1控制单元基本原理
我国提升机设备中，普遍使用TKD系统，这种控制系统是采用继电器有触点的逻辑控制，以磁放大器为核心组成模拟量闭环调节。
在继电器控制系统中，要完成一个控制任务，支配控制系统工作的“程序”是由各分立元件（继电器、接触器、电子元件等）用导线连接起来加以实现的，这样的控制系统称为接线程序控制系统。
在接线程序控制系统中，控制程序的修改必须通过改变接线来实现。
几十年来，这种控制系统由于受元件水平的限制而存在着缺陷，突出表现在:
（1）使用大量继电器、接触器及其它分立电子元件，系统体积大，运行噪声大，功耗高，接线复杂，故障率高，工作稳定性和可靠性差，控制速度慢，控制精度差，功能改变难度大，使用寿命短。
（2）在启动过程中，由于罐笼的实际载重量不同，实际的加速过程并非按照预定的设计参数运行，常常出现停车不准确甚至提前停车现象。
（3）采用磁放大器做调节控制，稳定性差，线性度差，调速精度很难保证。
（4）系统安全保护环节不全面，工作不可靠，故障显示不直观，分析查找故障难度大，缺乏运行参数显示功能.
（5）调速性能差，机械冲击大，人员乘车舒适性差。
这些不足主要是因为采用继电器控制方式造成的，在这种控制方式下继续改善的余地不大。
如果对该竖井提升机电控系统进行技术改造，那么需要改变控制策略，采用当代高新实用技术来控制，使之成为安全、可靠、高效率、自动化程度高的电控系统。
是可编程序逻辑控制器，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的输入喻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2-2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2-2可编程控制器控制系统框图
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
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