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1、矿井提升机讲解第2章 系统控制方案设计2.1 控制单元基本原理在我国传统的提升机设备中，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。如图2.1所示是一个继电器控制系统。它是由继电器、接触器用导线连接起来以实现控制程序的，其输入对输出的控制通过接线程序来实现，输入设备(按钮、行程开关、限位开关、传感器等)用以向系统

2、送入控制信号。输出设备(接触器、电磁阀等执行元件)用以控制生产机械和生产过程中的各种被控对象(电动机、电炉、电磁阀门等)。 图2.1 继电器控制系统框图几十年来，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：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；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；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；系统安全保护环节不全面，工作不可

3、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；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。可编程序逻辑控制器(Programmable logic controller)，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

4、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

5、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2.2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

6、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。2.2 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2.3所示： 图2.3 控制系统框图系统框图中各部分功能如下：动力装置：包括主电机、减速器、卷筒、制动器和底座，完成人、物料的运输任务。主电机通过减速器向卷筒提供牵引所需的动力。对于矿井提升机这样的 大型机械来说，在电机脱离电源后，由于运行惯性较大，往往要经过一段时间才能停止转动，这将影响生产效率

7、，甚至威胁到生产人员的生命安全和物料的运输。因此必须在系统里加入制动器，避免产生“蠕动”现象，从而保证运输的人和物料的安全。液压站：为提升机提供制动力，停车时先通过液压站给卷筒施加机械制动力，再取消直流制动力；提升机起动时，先对电机施加直流制动，再松开机械抱闸，防止溜车，以保证系统安全可靠地工作。变频器：是动力站的能量供给单元，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。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。它是整个矿井提升机运输系统的控制核心，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

8、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。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。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：提升过程中各工况参数(如速度、电流)监视；各主要设备运行状态监视；各传感器(如位置开关、停车开关)信号的监视。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储、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。系统框图中用旋转编码器来测试电机的转速。控制系统工作原理：当司机听到开

9、车信号时，按下启动按钮，PLC控制将380V动力电源接入变频器。再松开液压制动闸并将主令控制器推到正向（或反向），提升机开始运行。在提升过程中，控制提升机运行的主速度给定S形速度曲线由PLC编程产生，经过A/D转换，由模拟量输出口输出，以驱动变频器工作；对变频器输出频率的调整控制，也可根据现场的工况需要，由操作台速度控制手柄以辅助给定的方式进行控制。旋转编码器可以检测主电动机的转速，并将此信号传送给可编程控制器，PLC通过该信号可以累计计算提升机的速度及行走距离，监视器可以时时显示提升机速度和位置。2.3 可编程控制器（PLC）介绍可编程控制器是以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体集成技

10、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。2.3.1 PLC的基本特点可编程控制器（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

11、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”

12、。(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，除了梯形图和语句表之外，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PLC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

13、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。2.3.2 PLC的基本结构PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，如图2.4所示：输入信号输出信号图2.4 PLC的基本结构图2.3.3 PLC的工作原理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

14、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) 输入处理也叫输入采样。在此阶段，顺序读入所有输入端子的通电断状态，并将读入的信息存入内存中所对应的映像寄存器。在此输入映像寄存器被刷新。接着进入程序执行阶段，在程序执行时，输入映像寄存器与外界隔离，即使输入信号发生变化，其映象寄存器的内容不会发生改变，只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被读入信息。 (2)程序执行根据PLC梯形图程序扫描原则，按先左右后上下的步序，逐句扫描，执行程序。但遇到程序跳转指令时则根据跳转条

15、件是否满足决定程序的跳转地址。用户程序涉及到输入输出状态时，PLC输出映像寄存器中读出上一阶段采入的对应输入端子状态。根据用户程序进行逻辑运算，运算结果再存入有关器件寄存器中，对每个器件而言，器件映像寄存器中所存的内容，会随着程序执行过程而变化。(3) 输出处理程序执行完毕后，将输出映像寄存器，既器件映像寄存器中的寄存器状态。在输出处理阶段转存到输出锁存器，通过隔离电路驱动功率放大电路，使输出端子向外界输出控制信号，驱动外部负载。扫描周期是PLC一个很重要的指标，小型PLC的扫描周期一般为十几毫秒到几十毫秒。PLC的扫描时间取决于扫描速度和用户程序的长短，毫秒级的扫描时间对于一般工业常是可以接

16、受的，PLC的响应滞后是允许的。但是对某些I/O快速响应的设备，则应采取相应的处理措施。如选用高速CPU，提高扫描速度，采用快速响应模块、高速计数器模块以及不同的中断处理等措施减少滞后时间。影响I/O滞后的主要原因有：输入滤波器的惯性、输出继电器接点的惯性、程序执行的时间、程序设计不当的附加影响等。对用户来说选择一个PLC，合理的编制程序是缩短响应的关键。2.3.4 可编程控制器的编程语言PLC是一种工业控制计算机，不仅有硬件，软件也必不可少，目前PLC常用的编程语言有四种：梯形图编程语言，指令语句表语言，功能图编程语言，高级编程功能语言。其中梯形图语言形象直观，类似电气控制系统中继电器控制电

17、路图，逻辑关系明显；指令语句表编程语言虽然不如梯形图编程语言直观，但有键入方便的特点；功能图编程语言和高级编程语言需要比较多的硬件设备，工程当中特殊场合下不是经常用到。以下重点介绍梯形图语言编程。梯形图语言沿袭了继电器控制电路的形式，梯形图编程语言是在电气控制系统中常用的继电器，接触器逻辑控制基础上简化了符号演变而来的，形象，直观、实用，电气技术人员容易接受，是目前用的最多的一种PLC编程语言。PLC梯形图中的继电器、定时器、计数器不是物理继电器，物理定时器和物理计数器，这些器件实际上是存储器的存储器位，又称软器件。相应为“1”状态，表示继电器线圈通电或者常开接点闭合或者常闭接点断开。PLC的

18、梯形图是形象化的编程语言，梯形图左右两端的母线是不接任何电源的。梯形图中并没有真实的物理电流流动，而仅仅是概念电流(虚电流)，或者称假想电流。把PLC梯形图中左边母线假想为电源相线，把右边母线假想为电源地线。假想电流是执行用户程序时满足输出执行条件的形象理解。PLC梯形图中每个网络有多个梯形组成，每个梯级有一个或者几个支路组成。2.4 变频器介绍变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。我们现在使用的变频器主要采用交直交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。

19、变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。2.4.1 变频调速基本原理异步电机的VVVF调速系统一般简称变频调速系统。由于在变频调速时转差功率不变，在各种异步电机调速系统中效率较高，同时性能也最好，故是交流调速的主要发展方向。交流调速系统的控制量最基本上是转矩、速度、位置，根据不同的用途适当组合可构成各种闭环系统。异步电动机定子对称的三相绕组中通入对称的三相交流电，在电机气隙内会产生一个旋转磁场，其旋转速度为同步转速：n 060f1p (2.1)

20、式中f1定子绕组电源频率；P电机磁极对数。异步电动机转差率：s n0 nn0 (2.2)n n0(1 s) 60f1 (2.3) 1 s）p由上式可知，异步电动机调速方法有如下几种：变同步转速n0：变极p、变频f1。变转差率s：定子调压、转子串电阻、电磁转差离合器、串极调速。由电机学可知，转差功率：P S PSem P Cu2 (2.4)式中Pem电磁功率；PCu2转子铜耗。由式2.4可知，变频调速与变极调速为转差功率不变型不论其转速高低，转差功率消耗基本不变，因此调速效率为最高。在变频调速领域，异步电机的控制方式多种多样，但从转矩的响应性和过渡特性来看，变频调速的控制方式分为以下几种：(1)

21、V压控制V压控制是交流电机最简单的一种控制方法，通过控制过程中始终保持V用为常数，来保证转子磁通的恒定。然而V压控制是一种开环的控制方式，速度动态特性较差，电机转矩利用率低，控制参数(如加/减速度等)还需要根据负载的不同来进行相应的调整，特别是低速时由于定子电阻和逆变器等器件开关延时的存在，系统可能会发生不稳定现象。这种控制方式多用于调速精度不高的场所。(2)转差频率控制转差频率控制是检测异步电动机的转速，对转差频率采取闭环控制。与V用控制相比，调速精度要求较高，且系统容易稳定，即能在宽广的调速范围内，将电动机的转矩、功率因数及效率控制在最佳状态。但是采用此法的电动机调速系统只能是单机运行，同

22、时转差频率控制未能实施对电机瞬时转矩的闭环控制，尽管这种系统的静态精度较高，但由于快速性较差，故适用于对响应的快速性要求不高的系统。(3)矢量控制矢量控制是一种建立在转子磁链定向的基础上，通过一系列的坐标变换，实现电机定子电流转矩分量和磁通分量的解藕的控制方法，可以将作为控制对象的感应电机当作直流电机来进行控制，实现对瞬时转矩的控制。目前，实用中多采用转差频率矢量控制，由于其没有实现直接磁通的闭环控制，无需检测出磁通，因而容易实现。但是其控制器的设计在某种程度上依赖于电机的参数，为了减少控制上对电机参数的敏感性，已经提出了许多参数辨识、参数补偿和参数自适应方案，收到了较好的效果。(4)直接转矩

23、控制直接转矩控制(DTC)也是一种转矩闭环控制方法，其克服了坐标变换和解祸运算的复杂性，直接对转矩进行控制，通过转矩误差、磁通控制误差，按一定的原则选择逆变器开关状态，控制施加在定子端的三相电压，调节电机的转速和输出功率，达到控制电机转速的目的。由于DTC直接着眼于转矩控制，对转子参数变化表现为状态干扰而非参数干扰，DTC方法比矢量控制方法具有较高的鲁棒性。但是DTC也存在不足之处，其最大的困难就在于低速性能不理想。异步电动机用变频器传动的方块图，如图2.5所示，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

24、的交流电，向电动机提供电压、电流和频率。 图2.5 变频器的基本结构2.4.2 变频器按中间直流环节方式分类(1)电流型变频器当交直交变压变频装置的中间直流环节采用大电感滤波时，直流电流波形比较平直，因而电源内阻抗很大，对负载来说基本上是一个电流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，这类变频装置叫做电流源型变频器。有的交交变频装置用电抗器将输出电流强制变成矩形波或阶梯波，具有电流源的性质，它也是电流源型变频器。这种电流源型变频器，其逆变器中的晶闸管每个周期工作1200 ，属于1200导电型。电流源型变频器一个突出的优点是当电动机处于再生状态时，反馈到直流侧的再生电能可以方便的回馈到交流电网，不需要

25、主回路中附加任何设备，只要利用网侧的可逆变流器改变其输出电压极性即可，这种电流型变频器有制动发电能力，又能设置电流环提高承载能力，适合需要快速减速和调速范围宽的场合，适配大功率电机，国内单机容量可达12000kw，国外达数万千瓦级。(2)电压型变频器在交直交变压变频装置中，当中间直流环节采用大电容滤波时，直流电压波形比较平直，在理想情况下是一个内阻抗为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波，这类变频装置叫做电压源型变频器。一般的交直交变压变频装置虽然没有滤波电容，但供电电源的低阻抗使它具有电压源的性质，也属于电压源型变频器。对负载电动机而言，变频器是一个交流电压源，在不超过电压容量的情况下可

26、以驱动多台电动机并联运行，具有不选择负载的通用性。中小功率变频器通常采用电容滤波即电压型变频器。逆变器开关器件己由晶闸管 （SCR)、功率晶体管 （GTR)，发展到绝缘栅双极型晶体管 (IGBT)，以至智能型功率模块 (IPM)，集成门极换流晶闸管 (IGCT)等。2.5 本章小结本章主要进行了继电器控制系统和可编程控制器控制系统的的功能特点对比，突出可编程控制器的优越性能，并对可编程控制器以及变频器的优点和工作原理作了说明，详细分析可编程控制器和变频器的搭配调速特点，以此为基础进行可编程控制器与变频器搭配调速的总体方案设计。第3章 控制系统硬件设计3.1 PLC的选型及特点三菱FX系列是由电

27、源、CPU、存储器和输入输出器件组成的单元型可编程控制器。而且，AC电源、DC输入型的内装DC24V电源可作为传感器的辅助电源。基本单元采用易于维修的装卸端子台。标准型内装8K步有备用电池的RAM存储器。另外，若采用可选的存储卡盒，最大可扩展到16K步。关于存储器的类型，可以选用RAM、EEPROM和EPROM。FX2N内含计时功能，可以进行时间控制。PC使用A7PHP/A7HGP、A6GPP/A6PHP相对应的编程软件，可以在RUN时改变程序。通过设定参数可以确保编程存储器内元件的注释区域。此外还有具有利用可输入汉字的外围设备给程序加汉字注释的显示功能。为防止顺控程序被写入或盗用，可以对程序

28、存储器设定3级保护。具有丰富的输入输出扩展设备:继电器输出、三段双向可控硅开关元件输出、晶体管输出;丰富的特殊扩展设备:模拟输入输出设备、温度传感器输入、热电偶输入设备、1轴定位设备、双轴(内插)定位设备、脉冲输出设备、高速计数器、并联连接、NELSCLNET/MINIS3连接设备、RS485通信设备、RS232通信设备、ID机器连接设备、模拟量模块等FX2N系列是PLC中FX家族中最先进的系列。由于FX2N系列具有如下优点:最大范围的包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为提升机的自动化控制提供最大的灵活性和控制能力

29、5。FX2N系列具有较高的扩展能力以及高水平的性能：灵活的配置：除了具有满足特殊要求的大量特殊功能模块外，六个基本FX2N单元中的每一个单元可扩充到256I/O。控制点数从16至256点(主单元：16/32/48/65/80/128)。 高速运算：基本指令：0.08us/指令；应用指令：1.52至几百us/指令。突出的寄存器容量：FX2N系列包括8KB内置RAM寄存器，用一个寄存器盒可扩充到16KB RAM或EEPROM。丰富的元件资源：3072点辅助继电器、256点计时器、235点计数器和8000点数据寄存器。I/O点数的估算。I/O点数是 PLC的一项重要指标。合理选择 I/0点数既可使系

30、统满足控制要求，又可使系统总投资最低。该 PLC的输入点数的估算：正转1+反转1+停止1+启动1+过载1+正转点动1+反转点动1+复位1 +过卷+松绳1+工频1+变频1+旋转编码器输入1=13个，因此该PLC需要的输入点数为13+13x20=16个。PLC输点出数的估算：变频器通电1+变频1+工频1+正转1+反转1+速度1+加速1+减速1+故障1+复位1+制动1=11个，因此该PLC的输出点数为11+1120=14个。用户存储容量的估算。PLC常用的内存有EPROM、EEPROM和带锂电池的 RAM。根据经验，每个I/O点及有关功能元件占用的内存量大致如下：开关量输入元件：1020 B/点；开

31、关量输出元件：510 B/点；定时器/计数器：2B/点；模拟量：100150 B/点；通信接口：一个接口一般需要 300B 以上：根据上面算出的总字节数再考虑增加25左右的备用量，就可估算出需要的 PLC内存为：15B23+8B14+300 B=757B，再加上25备用量，则需要内存为757+ 75725=906BCPU功能与结构的选择。对于开关量控制的应用系统，当对控制速度要求不高时，选用小型PLC就能满足要求。PLC工作时，从输入信号到输出控制存在着滞后现象，滞后时间一般应控制在几十毫秒之内。为了提高 PLC的实时处理速度，可选择处理速度快的PLC，使执行一条基本指令的时间不超过0.5US

32、。PLC的结构主要有整体式和模块式两种，对于单机控制系统、集中控制系统往往选用整体式结构；对于控制规模较大的集散控制系统、远程I/O系统常用模块式结构，模块式结构组态灵活、易于扩充。所以本系统PLC选用三菱FX2N-48MR-001。3.2 变频器的选型及参数设置选择变频器时应以负载特性为基本依据，分析提升机的负载属于重力，其负载特性属于恒转矩负载特性。由于恒转矩负载类设备都存在一定静摩擦力，负载的惯量很大，在启动时要求有足够的启动转矩。这就要求通用变频器有足够的低频转矩提升能力和短时过流能力。但当低速时负载较重的情况下，为提高转矩提升能力而使电压补偿提的过高，往往容易引起过电流保护动作。选型时应充分考虑这些情况，必要时应将通用变频器的容量提高一档，或者采用具有矢量控制或直接转矩控制的通用变频器。采用矢量控制或直接转矩控制通用变频器可以在不过电流的情况下提供较大的起动转矩。对于升降类恒转矩负载，如提升机、电梯等，这类负载的特点是启动时冲击电流大，在其下