1、i摘 要礦井提升機常被人們稱為礦山的咽喉，是礦山最重要的關鍵設備，是地下礦井與外界的唯一通道，肩負著運輸礦石、物料、人員等的重要責任。對提升機來說，運行的安全性與可靠性是至關重要的。傳統的礦井提升機控制系統主要采用繼電器接觸器進行控制，這類提升機通常在電動機轉子回路中串接附加電阻進行啟動和調速。這種控制系統存在可靠性差、操作復雜、故障率高、電能浪費大、效率低等缺點。因此對礦井提升機控制系統進行研究具有現實意義，也是國內外相關行業專家學者的一個研究課題。隨著計算機和 plc 技術的不斷發展，采用先進的控制技術改造傳統礦山行業的傳統控制系統，從而使礦井提升機的控制性能得到極大的改善，其自動化水平、

2、安全性、可靠性都達到了新的高度，并采用現代化的管理和監視手段保障提升機的安全運行，保證礦井提升機可靠、準確地運行，實現礦井提升機的計算機控制。變頻調速是近年來發展起來的一門新興的自動控制技術，它利用改變被控對象的電源頻率，成功實現了交流電動機大范圍的無級平滑調速，在運行過程中能隨時根據電動機的負載情況，使電機始終處于最佳運行狀態，在整個調速范圍內均有很高的效率，節能效果明顯。采用變頻器對異步電動機進行調速控制，由于使用方便、可靠性高并且經濟效益顯著，所以得到廣泛應用。因此，應用變頻器對礦井提升機的控制系統進行改造，將成為歷史的必然趨勢。關鍵詞：礦井提升機，plc，變頻調速，控制系統 iiabs

3、tractthe mine elevator is entitled as the throat of mine, and it is the most vital equipment in mine. the mine elevator is the only channel to the underground mines, and it is shouldering the transportation of mineral, materials and people. the safety and security is the most vital to elevator. the

4、traditional shaft hoist control system is always controlled by the relaycontactor, and adopts the methods of connect series additional resistant in rotors winding loop to start and adjust speed. the system has many disadvantages such as bad reliability, complicated operation, high fault rate, large

5、energywasting and low efficiency. so, carrying on the research on the shaft hoist control system has realistic meanings, and it is a subject for research by relevant experts and scholars, both at home and abroad too.along with the development and application of computer and programmable logical cont

6、roller, the controller of mine elevator come forth new visage, the level of automatization and safety and security arrived at the new altitude, and provided a new and modern manage and monitor means. advanced industry control computer are used to monitor and manage the course of elevator 18.frequenc

7、y conversion is developed as a new automatic control technology in recent years, which is used to change the power frequency of the controlled objects, it successfully achieve the speed step less adjusting of the ac motor in a large scope, and it can make the motor be always in the best state accord

8、ing to the load conditions at any time. it has very high efficiency and the energy-saving effect is obvious in the whole range of speed. adopting inverter speed to control the asynchronous motors is widely used because of it is convenient, high reliability and the economic benefit is remarkable. the

9、refore, adopting inverter to reform the control system of shaft hoist will become the inevitable trend of history.key words：shaft hoist, plc, frequency conversion, control systemi目 錄第 1 章 緒 論.11.1 國內外礦井提升機研究現狀與發展趨勢.11.1.1 國外礦井提升機的現狀.11.1.2 國內提升機的現狀與發展趨向.21.2 本文研究意義及內容.21.2.1 研究意義.31.2.2 研究內容.3第第 2 章

10、章 系統工藝流程及控制要求系統工藝流程及控制要求.42.1 礦井提升機系統簡介.42.2 提升機電動機運行方式.52.3 提升機的速度要求及受力情況.52.3.1 提升機的速度要求.52.3.2 提升機的受力情況.62.4 礦井提升機的電氣傳動方案.8第 3 章 系統控制方案設計.113.1 控制單元基本原理.113.2 控制系統總體設計.123.3 可編程控制器（plc）介紹.143.3.1 plc 的基本特點 .143.3.2 plc 的基本結構 .153.3.3 plc 的工作原理 .153.3.4 可編程控制器的編程語言.163.4 變頻器介紹.173.4.1 變頻調速基本原理.173

11、.4.2 變頻器按中間直流環節方式分類.19第 4 章 控制系統硬件設計.214.1 plc 的選型及特點.214.2 變頻器的選型及參數設置.224.3 旋轉編碼器的選型及接線方式.224.4 變頻調速主電路設計.234.5 plc 控制系統設計.25第 5 章 控制系統軟件設計.285.1 控制程序流程圖.285.2 系統控制程序梯形圖.29第 6 章 人機交互界面.316.1 觸摸屏概述.31ii6.2 觸摸屏在工業控制中的應用.316.3 pws3261 觸屏簡介.326.4 觸摸屏在礦井提升機控制系統中的應用.32第 7 章 結 論.34參考文獻.35致 謝.371第 1 章 緒 論

12、1.1 國內外礦井提升機研究現狀與發展趨勢礦井提升裝置是采礦業的重要設備，隨著科學技術的進步和礦井生產現代化要求的不斷提高，人們對提升機工作特性的認識進一步深化，提升設備及拖動控制系統也逐步趨于完善，各種新技術、新工藝逐步應用于礦井提升設備中。特別是模擬技術、微電子技術、微電腦技術在提升機控制中的應用已成為必然的發展。1.1.1 國外礦井提升機的現狀礦井提升機對安全性、可靠性和調速性能的特殊要求，使得提升機電控系統的技術水平在一定程度上代表一個廠或國家的傳動控制技術水平17。比較國內外礦用提升機系統，具體來說國外礦井提升機在電控方面的應用特點有以下幾個方面：(1)提升工藝過程微機控制提升工藝過

13、程大都采用微機控制，由于微機功能強，使用靈活，運算速度快，監視顯示易于實現，并具有診斷功能，這是采用模擬控制無法實現的。(2)提升行程控制提升機的控制從本質上說是一個位置控制，要保證提升容器在預定地點準確停車，要求準確度高，目前可達到2cm。采用微機控制，可通過采集各種傳感信號，如轉角脈沖變換、鋼絲繩打滑、井筒、滾筒及鋼絲繩磨損等信號進行處理，計算出容器準確的位置而施以控制和保護。一般過程控制用微機作監視，行程控制也采用單獨下位機完成。(3)提升過程監視提升過程監視與安全回路一樣，是現代提升機控制的重要環節。提升過程采用微機主要完成如下參數的監視：提升過程中各工況參數(如速度、電流)監視；各主

14、要設備運行狀態監視；各傳感器(如位置開關、停車開關)信號的監視。使各種故障在出現之前就得以處理，防止事故的發生，并對各被監視參數進行存儲、保留或打印輸出，甚至與上位機聯網，合并于礦井監測系統中。(4)安全回路安全回路是指提升機在出現機械、電氣故障時控制提升機進入安全保護狀態的極為重要的環節。為確保人員和設備的安全，對不同故障一般采用不同的處理方法12。安全回路極為重要，它是保護的最后環節之一。21.1.2 國內提升機的現狀與發展趨向目前國內的礦井提升機大多采用以下兩種拖動方式：(1)交流拖動方式目前我國提升機約 70%采用串電阻調速的交流拖動方式。有單繩和多繩兩種系列，大都采用改變轉差率 s

15、的調速方法，在調速中產生大量的轉差功率，使大量電能消耗在轉子附加電阻上，導致調速的經濟性變差19。極少數提升機采用串級調速方法，其調速范圍窄，且投資大。(2)直流拖動方式我國提升機采用直流拖動有兩種系統：直流發電機直流電動機機組（fd)和晶閘管直流電動機(scrd)系統。國內礦井提升機的發展趨勢如下。國產大型直流提升機及電控系統正在逐步完善和推廣使用。大功率變頻調速電控提升機其效率可達 98%，國內正在組織研究這種系統，不少院校和研究單位都在著手研制。如天津電氣傳動研究所已研制了一臺 300kw 的變頻調速裝置?？删幊绦蚩刂破髟谔嵘龣C電控系統的應用?？删幊绦蚩刂破骶哂锌煽啃愿?、抗干擾能力強、實

16、現繼電邏輯容易，基本免于維護等獨特優點，特別適用于對我國占大部分的交流提升機繼電接觸器電控系統進行技術改造。因此有不少單位都在著手研制，如焦作礦務局，韓城礦務局均用可編程序控制器對 tkd 電控系統進行改造，已投入正常運行和使用，已經顯示出了很強的生命力20。這是今后一段時期乃至幾十年對我國占絕大多數采用繼電控制的交流提升系統進行技術改造的必由之路。1.2 本文研究意義及內容采用新技術、新設備、新工藝來裝備煤炭生產的各個環節，以達到減人提效、確保安全生產的目的，是科技興煤的必由之路。礦井提升設備，其中主要是提升機及其控制和安全設備，也同樣要面臨著這一必經之路11。多年來，礦井提升機及其拖運、安

17、全保護系統等設備的技術水平和安全水平一直是困擾煤炭安全生產和效益提高的重要因素。為改變這一狀況，煤炭行業的科研、高校、生產企業和待業主管部門以及行業的科研和生產企業的工程技術人員做了大量的工作，已開發了眾多適用的產品和技術，積累了豐富的經驗，取得了長足的進步。大家可以看到，目前我國已經可提供多種技術先進、性能可靠、安全性高的礦井提升設備，大多數已在煤礦基建、生產和技術改造等方面獲得了成功的應用。31.2.1 研究意義在調研中發現，目前國內各大煤礦的礦井提升機系統的調速方案大多采用繼電器接觸器控制的轉子串電阻調速。該方案耗能大，占地面積大，已不能適應現代礦業發展的需要。因此有必要對其調速方案進行

18、改造。在廣泛考察現行的變頻調速方案后，本文提升機系統控制單元采用目前工控適用的可編程控制器來控制，具有編程簡單和控制可靠性高的優點，電力拖動系統中，選用先進的變頻傳動裝置，運用先進的矢量控制技術，優化了調速系統的性能，這一控制方法目前仍為現代交流調速的重要研究方向之一16。采用先進的工業計算機、現場總線和工業自動化技術，按照結構標準化、產品系列化、性能現代化、體積小型化的原則，研制生產適合礦井提升機電控設備是進行技術改造和新建礦井設備選型的理想選擇。為保證提升設備無事故，在提升設備有可能出現故障的各個重要環節上，設有各種檢測、控制、自診斷以及記錄和保護裝置(如超載、速度、加減速等記錄)1。1.

19、2.2 研究內容在煤礦生產中，礦井提升機起著非常重要的作用。礦井提升機是礦井生產過程中的一個重要環節，它的任務是提升有用礦物和礦石、升降人員和設備、下放材料等。提升機電控裝置的技術性能，既直接影響礦山生產的效率及安全，又代表著礦井提升機發展的整體水平，是礦井安全生產中重中之重的一大環節。當前國內提升機電控絕大多數還是轉子回路串電阻分段控制的交流繞線式電機繼電器接觸器系統，設備陳舊、技術落后。而且這種控制方式存在著很多的問題：轉子回路串接電阻，消耗電能，造成能源浪費；電阻分級切換，為有級調速，設備運行不平穩，容易引起電氣及機械沖擊；繼電器、接觸器頻繁動作，電弧燒蝕觸點，影響接觸器使用壽命，維修成

20、本較高；交流繞線異步電動機的滑環存在接觸不良問題，容易引起設備事故；電動機依靠轉子電阻獲得的低速，其運行特性較軟；提升容器通過給定的減速點時，由于負載的不同，而將得到不同的減速度，不能達到穩定的低速爬行，最后導致停車位置不準，不能正常裝卸載。上述問題使提升機運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統，使提升機運行的可靠性和安全性得到提高。在提升機控制系統中應用計算機控制技術和變頻調速技術，對原有提升機控制系統進行升級換代。就計算機技術在工業現場應用情況而言，可編程控制器(plc)是目前作為工業控制最理想的機型，它是采用計算機技術、按照事先編好并儲存在計算機內部

21、一段程序來完成設備的操作控制。采用 plc 控制，硬件簡潔、軟件靈活性強、調試方便、維護量小，plc 技術己經廣泛應用于各種提升機控制。4第第 2 章章 系統工藝流程及控制要求系統工藝流程及控制要求2.1 礦井提升機系統簡介礦井提升機是一種大型絞車。用鋼絲繩帶動容器（罐籠或箕斗）在井筒中升降，完成輸送物料和人員的任務。礦井提升機是由原始的提水工具逐步發展演變而來?，F代的礦井提升機提升量大，速度高，已發展成為電子計算機控制的全自動重型礦山機械。礦井提升機可分為豎井提升機和斜井提升機兩種。礦井提升機主要由電動機、減速器、卷筒（或摩擦輪） 、制動系統、深度指示系統、測速限速系統和操縱系統等組成，采用

22、交流或直流電機驅動。提升鋼絲繩的工作原理分纏繞式礦井提升機和摩擦式礦井提升機。纏繞式礦井提升機有單卷筒和雙卷筒兩種，鋼絲繩在卷筒上的纏繞方式與一般絞車類似。單筒大多只有一根鋼絲繩，連接一個容器。雙筒的每個卷筒各配一根鋼絲繩，連接兩個容器，運轉時一個容器上升，另一個容器下降。纏繞式礦井提升機大多用于年產量在 120 萬噸以下、井深小于 400 米的礦井中。摩擦式礦井提升機的提升繩搭掛在摩擦輪上，利用與摩擦輪襯墊的摩擦力使容器上升。提升繩的兩端各連接一個容器，或一端連接容器，另一端連接平衡重。摩擦式礦井提升機根據布置方式分為塔式摩擦式礦井提升機（機房設在井筒頂部塔架上）和落地摩擦式礦井提升機（機房

23、直接設在地面上）兩種。按提升繩的數量又分為單繩摩擦式礦井提升機和多繩摩擦式礦井提升機。后者的優點是：可采用較細的鋼絲繩和直徑較小的摩擦輪，從而機組尺寸小，便于制造；速度高、提升能力大、安全性好。年產 120 萬噸以上、井深小于 2100 米的豎井大多采用這種提升機。目前，我國單繩纏繞式提升機，廣泛采用交流繞線式電動機拖動，提升過程一般包括：起動加速、勻速、減速、爬行和停車幾個主要環節。礦井提升機是礦山運輸系統中的主要設備之一，主要用于礦井提升礦石或人員、材料，因此在礦井提升系統中，需遵循著“安全、可靠、經濟運行”的原則進行設計，“可靠性”包含兩個含義，一是“安全可靠性” ，二是“工作可靠性”

24、。二者密不可分，又各有側重、相互區別4?！鞍踩煽啃浴笔侵府敵霈F故障時，要確保把系統引入安全狀態，一般是指安全制動，也就是我們通常所說的“故障安全型” 。而“工作可靠性”則要求在一定的時間內，系統盡可能長地保持正常工作狀態，這時就要研究如何把系統故障率降到最低。在礦山設備中，如主要通風機、主排水泵等當屬此類。對提升系統而言，當然也需要較高的工作可靠性，就是要使提升容器按要求快速、準確地送到規定位置，保證高效5長期運行。在確保提升安全、可靠運行的前提下，提高系統運行質量，減少操作難度和維修保養時間，延長系統的有效服務年限，則應是實現系統經濟運行的研究課題。在此需著重指出，堅持“安全、可靠、經濟運

25、行”的原則不僅僅是設計者的指導思想，也應是用戶選型時應堅持的最重要的原則。為了真正實現“安全、可靠、經濟運行”的原則，在利用眾多新技術、新產品來實現提升系統現代化改造時，必須以“可靠性系統工程”理論為指導10。 2.2 提升機電動機運行方式提升機電動機的運行方式 ,主要根據系統的力圖來確定：加速階段：提升時為正力，采用電動加速。下放時為負力，若負力值較小，可考慮自由加速，并配合使用盤式制動器，若負力值較大，則采用動力制動加速。勻速階段：提升時為正力，采用電動拖動。下放時為負力，采用能耗制動、閉環控制，單閉環速度控制系統由與距離有關的理想速度給定電路、速度負反饋電路、pid 調節器、移相觸發電路

26、及雙向可控硅能耗制動電路組成，下放速度由 pid 調節。主減速階段：提升時為正力，采取逐級接入轉子附加電阻和機械制動的方式。下放時為負力，一方面接入轉子附加電阻，另一方面增大制動電流并輔以機械制動方式減速。爬行階段：當為正力時，轉子接入幾段附加電阻，由 plc 控制運行；當為負力時，在能耗制動方式下接入轉子附加電阻。2.3 提升機的速度要求及受力情況合理地確定提升機的力圖和速度圖，可以提高其運行的安全可靠性，以及減小電動機的功耗。2.3.1 提升機的速度要求(1)主加速階段如圖 21 所示，正常提升時，電動機產生的力矩比阻力矩大 3%5%，產生比較低的加速度 a 0.3m/s2。當 v0上升到

27、 vm時，電動機運行在自然特性曲線上。下放時，由于負力較大，需要制動力來維持穩定的下放速度和規定的減速度。(2)勻速階段 t2上升時，根據負載狀況使電動機保持電動狀態，且速度 vm=1.12ms。下放時，由測速發電機反映轉子下放速度 ，當速度高于 vm時，增大勵磁電流 if，提高制動力矩，使觀覽車在斜坡上勻速運行。6(3)主減速階段 t3為使提升機準確停車，在停車前應進行減速。減速按照速度圖要求進行，由裝在斜坡上的位置開關動作發出信號，plc 再根據與電動機同軸運行的旋轉編碼器發出的脈沖數進行比較發出指令，增大勵磁電流 if，使下放速度在規定的時間內降低。(4)爬行階段 t4v4在 0.3 m

28、/ s 左右，此數值實際上是一個平均值，因為提升機由較高的 vm不可能很準確的變為速度 v4。(5)停車階段 t5將盤式制動器的 kt 線圈斷電，抱閘迅速抱住卷筒，提升機停轉。vt1t2t3t4t5v0vm=1.12m/sv4=0.3m/s圖 21 提升機速度圖2.3.2 提升機的受力情況由直線運動的運動方程可得： f = + ma 式（21）cf式中：f提升機在某運動階段的力，n；提升機的靜阻力（包括車重、提升機重量和繩重） ，n；cfm把旋轉運動的部件折算到直線運動的變位質量，kg；a各階段的加速度、減速度值，m/。2s當 a =0 時，f = ，勻速運行；cfa0 時，f，加速運行；cf

29、a0 時，f，減速運行。cf7根據以上分析，f = f（t）的力圖見圖 22：ff1f2f3f4f5主加速勻速主減速爬行停車t1t2t3t4t5圖 22 提升機力圖綜合以上提升機的運行特點以及礦山生產固有的特點，提升機工藝對提升機電控系統的要求如下9：(1)加(減)速度符合國家有關安全生產規程的規定提升人員時，加速度，升降物料時，加速度。另外不得2/75. 0sma 2/2 . 1sma 超過提升機的減速器所允許的動力矩。(2)具有良好的調速性能要求速度平穩，調速方便，調速范圍大，能滿足各種運行方式及提升階段(如加速、減速、等速、爬行等)穩定運行的要求。(3)有較好的起動性能提升機不同于其他機

30、械，不可能待系統運轉后再裝加物料，因此，必須能重載啟動，有較高的過載能力。(4)特性曲線要硬要保證負載變化時，提升速度基本上不受影響，防止負載不同時速降過大，影響系統正常工作(當然，當負載超過一定的限度時，還要求系統能有效的自我保護。迅速安全制動停車，即所謂要具備挖土機機械特性)。(5)工作方式轉換容易要能夠方便的進行自動、半自動、手動、驗繩、調繩等工作方式的轉換，操作方便，控制靈活，不至于因工作方式的轉換影響正常生產。(6)采用新技術和節能設備易于實現自動化控制和提高整個系統的工作效率。具備必要的連鎖和安全保護環節，確保系統安全運行。盡量節約能源和降低運轉費用。82.4 礦井提升機的電氣傳動

31、方案根據提升機對電控系統的要求，提升機的電氣傳動方案一般有以下幾種，現將幾種傳動方案進行比較。繞線轉子異步電動機轉子回路串電阻調速系統：這種方案的電動機轉速調節是通過改變轉子回路串聯的附加電阻來實現的。顯然這是有級調速，并且調速時能耗很大，屬轉子功率消耗型調速方案。在加速階段和低速運行時，大部分能量(轉差能量)以熱能的形式消耗掉了，因此電控系統的運行效率較低。這種調速方案是在低同步狀態下產生制動轉矩，需采用直流能耗制動方案(即動力制動)，或采用低頻制動。但無論采用何種方式，總需要設置輔助電源和繞組的二次切換操作。綜上所述，這種調速方案存在著調速性能差，運行效率低、運行狀態的切換死區大及調速不平

32、滑等缺點。但目前在我國的各種礦山中，這種方案使用得相當普遍，以后將面臨著技術改造的問題。gm 直流可逆調速系統：gm(原稱 fd)直流可逆調速系統如圖 23 所示。直流電動機的勵磁電流是恒定的，改變直流發電機的輸出電壓來改變直流電動機的轉速。直流發電機一般由同步電動機帶動的，其輸出電壓是靠改變直流發電機的勵磁電流的大小來實現的。直流發電機的勵磁電流是通過電機擴大機 ga 的勵磁實現控制和調節的。本方案的特點是可實現無級調速，電動狀態與制動狀態的切換是快速平的，即能滿足四象限平滑調速的要求，由于采用了速度閉環控制，因此調速精度也比較高。系統在起動時的無功沖擊小，且功率因數較高，而且還可向電網提供

33、超前無功功率，以改善電網的功率因數。但本方案有一系列缺點：運行效率低，因為功率變換的效率是同步電動機和直流發電機兩臺電機效率的乘積，通常變流組的效率只有 0.8 左右(考慮直流發電機組平時不停機)，占地面積大，噪聲大，維護工作量大，耗費金屬量大等。9msgagm圖 23 gm 直流可逆調速系統vm 直流可逆調速系統：由晶閘管變流器代替旋轉變流器，可以提高功率變換的運行效率。晶閘管變流器的運行效率可達 0.95 左右。vm 直流可逆調速系統可分為電樞換向的可逆調速系統(見圖 24a)和磁場換向的可逆調速系統(見圖 24b)。 miturufmuitufur（a） （b）圖 24 v-m 直流可逆

34、調速系統在電樞換向的可逆調速系統中，勵磁電流的大小和方向是恒定不變的，電動機轉矩的大小和方向是改變電樞變流器輸出電流的大小和方向實現的。其特點是轉矩的反向快(由于電樞電流的反向快)，需設置正反向兩組電樞整流器，故造價較高。在磁場換向的可逆調速系統中，電樞電流的方向是不變的。轉矩極性的改變是通過改變勵磁電流的方向實現的。這種方案的特點是轉矩的反向過程即勵磁電流的反向過程較長，為了縮短反向時間需采取強勵磁措施。另一個特點是電樞變流器只需設置一組，故裝置的總體造價低。由于礦井提升機對轉矩轉變的快速性要求不算太高，所以在大容量的情況下，為了減少投資，往往采用磁場換向的可逆調速方案。不過在現在的制造技術

35、進步的條件下，兩種方案總造價的差別己不很顯著。交流電動機交交變頻調速系統：交流電動機交交變頻調速系統在 70 年代奠定了理論基礎，80 年代開始在礦井10提升機上應用，首先是交交變頻器同步電動機系統投入運行，然后是日本的交交變頻器籠型異步電動機系統投入運行，而且實現了多微機全數字控制。這些系統都具有優良的控制性能、運行效率高、傳動系統的飛輪力距小和維護工作量少等優點，特別適用于大容量、低轉速的礦井提升機上。目前傳動功率己經能達到50008000kw。將同步電動機轉子外裝的摩擦式提升機的滾筒合為一體的機電一體化方案具有體積更小、重量更輕的優點，可以明顯地降低投資費用，成為低速大容量礦井提升機傳動

36、的發展方向。由于礦井提升機要求四象限運行，并且負載變化較大，故比較適合采用電源自然換相的交交直接變頻調速系統，其主要電路原理圖如圖 25 所示。m可逆整流器圖 25 交交變頻調速系統交交變頻器由三組可逆整流器組成，其三相移相信號為一組頻率與幅值可調的三相正弦信號，則變頻器輸出相應的頻率、幅值可變的三相交流電壓，給三相同步電動機或異步電動機供電，實現變頻調速。調速的本質是根據負載轉矩的變化控制驅動電動機的轉矩，而交流電動機的轉矩決定了定、轉子磁通勢矢量的大小與相對位置。一般可采用控制交流電動機定子電壓幅值與頻率(電壓控制型)或定子電流幅值與頻率(電流控制型)的標量控制系統但其動態控制性能較差為改

37、善轉矩控制的動態性能可采用對交流電動機的定子電壓與電流實行磁通方向的矢量變換控制13。采用 plc 與變頻器相結合的控制方案對傳統電控系統進行改造，變頻調速是通過改變定子供電頻率，成功實現了提升電動機大范圍的無級平滑調速，在運行過程中能隨時根據電動機的負載情況，使電機始終處于最佳運行狀態，能夠滿足提升機特殊工作環境的要求且有著明顯的節電效果。采用 plc 對提升系統進行保護和監控，使系統更加安全可靠3。因此本次設計選用交流電動機交交變頻調速系統。11第 3 章 系統控制方案設計3.1 控制單元基本原理在我國傳統的提升機設備中，普遍使用 tkd 系統，這種控制系統是采用繼電器有觸點的邏輯控制，以

38、磁放大器為核心組成模擬量閉環調節。在繼電器控制系統中，要完成一個控制任務，支配控制系統工作的“程序”是由各分立元件(繼電器、接觸器、電子元件等)用導線連接起來加以實現的，這樣的控制系統稱為接線程序控制系統14。在接線程序控制系統中，控制程序的修改必須通過改變接線來實現。如圖 31 所示是一個繼電器控制系統。它是由繼電器、接觸器用導線連接起來以實現控制程序的，其輸入對輸出的控制通過接線程序來實現，輸入設備(按鈕、行程開關、限位開關、傳感器等)用以向系統送入控制信號。輸出設備(接觸器、電磁閥等執行元件)用以控制生產機械和生產過程中的各種被控對象(電動機、電爐、電磁閥門等)。輸入設備按鈕、限位開關、

39、操作手柄繼電器控制線路有繼電器和連接線路組成輸出設備繼電器和電磁閥被控制的機械設備或生產過程圖 31 繼電器控制系統框圖幾十年來，這種控制系統由于受元件水平的限制而存在著缺陷，突出表現在：使用大量繼電器、接觸器及其它分立電子元件，系統體積大，運行噪聲大，功耗高，接線復雜，故障率高，工作穩定性和可靠性差，控制速度慢，控制精度差，功能改變難度大，使用壽命短；在啟動過程中，由于罐籠的實際載重量不同，實際的加速過程并非按照預定的設計參數運行，常常出現停車不準確甚至提前停車現象；采用磁放大器做調節控制，穩定性差，線性度差，調速精度很難保證；系統安全保護環節不全面，工作不可靠，故障顯示不直觀，分析查找故障

40、難度大，缺乏運行參數顯示功能；調速12性能差，機械沖擊大，人員乘車舒適性差。這些不足主要是因為采用繼電器控制方式造成的，在這種控制方式下繼續改善的余地不大。如果對該豎井提升機電控系統進行技術改造，那么需要改變控制策略，采用當代高新實用技術來控制，使之成為安全、可靠、高效率、自動化程度高的電控系統。可編程序邏輯控制器(programmable logic controller)，簡稱 plc，plc 技術是現代工業自動化的重要手段，由它構成的控制系統邏輯控制由 plc 通過軟件編程實現，柔性強，控制功能多，控制線路大大簡化；plc 的輸入/輸出回路均帶有光電隔離等抗干擾和過載保護措施，程序運行為

41、循環掃描工作方式，且有故障檢測及診斷程序，可靠性極高。plc 控制系統結構為模塊化結構，維護更換方便，并可顯示故障類型。圖 32 為可編程控制器控制系統。其輸入設備和輸出設備與繼電器控制系統相同，但它們是直接接到可編程序控制器的輸入端和輸出端的?？刂瞥绦蚴峭ㄟ^一個編程器寫到可編程控制器的程序存儲器中。每個程序語句確定了一個順序，運行時依次讀取存儲器中的程序語句，對它們的內容進行解釋并加以執行，執行結果用以接通輸出設備，控制被控對象工作。在存儲程序控制系統中，控制程序的修改不需要通過改變控制器內部的接線(即硬件)，而只需通過編程器改變程序存儲器中某些語句的內容。輸入設備按鈕、限位開關、操作手柄可

42、編程控制器輸出設備繼電器和電磁閥被控制的機械設備或生產過程圖 32 可編程控制器控制過程系統框圖可編程邏輯控制器因為其具有高可靠性以及軟件可編程的優點，在現代控制中越來越廣泛的應用。對于一般提升機電控系統來說，采用一套中小容量的 plc 即可滿足要求，其價格也不高。如圖 32 所示，如果采用 plc 技術對 tkd 電控系統進行改造，把原來由各種電器通過連線而實現的邏輯控制改由 plc 通過軟件編程實現，則控制線路將大大簡化，設備體積、設備維修量將大大減小，抗干擾能力將大大增強，工作可靠性將大大提高，工藝改變時只需要改變控制程序即可。改造時保持原有的操作方式、按鈕、開關、主令控制器作用不變，則

43、用戶使用起來將非常方便，不需要適應期。同時可以利用 plc 的高速計數功能、網絡通信功能、故障檢測及診斷功能、信號顯示功能等來增加一些新的控制功能，安全性將大大提高，運行將更加平穩、準確，完全能13夠滿足礦山生產的苛刻要求，而且投資相對較少，性價比較高，具有很強的實用價值15。3.2 控制系統總體設計基于 plc 的礦井提升機變頻調速控制系統由動力裝置、液壓站、變頻器、操作臺和控制監視系統組成，其系統框圖如圖 33 所示：控制監視系統plcvvvfmac380減速器卷筒液壓站操作臺旋轉編碼器圖 33 控制系統框圖系統框圖中各部分功能如下：動力裝置：包括主電機、減速器、卷筒、制動器和底座，完成人

44、、物料的運輸任務。主電機通過減速器向卷筒提供牽引所需的動力。對于礦井提升機這樣的 大型機械來說，在電機脫離電源后，由于運行慣性較大，往往要經過一段時間才能停止轉動，這將影響生產效率，甚至威脅到生產人員的生命安全和物料的運輸。因此必須在系統里加入制動器，避免產生“蠕動”現象，從而保證運輸的人和物料的安全。液壓站：為提升機提供制動力，停車時先通過液壓站給卷筒施加機械制動力，再取消直流制動力；提升機起動時，先對電機施加直流制動，再松開機械抱閘，防止溜車，以保證系統安全可靠地工作。變頻器：是動力站的能量供給單元，通過它可將輸入工頻電能轉換成頻率可調的電能提供給交流電動機，以達到控制交流電動機轉速的目的

45、。14操作臺：操作臺設置兩個手柄，分別用于速度輔助給定及制動力給定。它是整個礦井提升機運輸系統的控制核心，通過它可以設定系統的工作方式和控制方式，可以發布系統的各種控制命令，以實現對提升機啟動、加速、平穩運行、減速、停車以及緊急制動等各種控制功能?？刂票O視系統：是操作人員和控制系統及運輸系統之間的橋梁，它可以在線監測提升機運輸系統的各種工作參數、工作狀態、故障參數和故障狀態。提升過程監視與安全回路一樣，是現代提升機控制的重要環節。提升過程采用微機主要完成如下參數的監視：提升過程中各工況參數(如速度、電流)監視；各主要設備運行狀態監視；各傳感器(如位置開關、停車開關)信號的監視。使各種故障在出現

46、之前就得以處理，防止事故的發生，并對各被監視參數進行存儲、保留或打印輸出。甚至與上位機聯網，合并于礦井監測系統中2。系統框圖中用旋轉編碼器來測試電機的轉速。控制系統工作原理：當司機聽到開車信號時，按下啟動按鈕，plc 控制將 380v動力電源接入變頻器。再松開液壓制動閘并將主令控制器推到正向（或反向） ，提升機開始運行。在提升過程中，控制提升機運行的主速度給定 s 形速度曲線由 plc 編程產生，經過 a/d 轉換，由模擬量輸出口輸出，以驅動變頻器工作；對變頻器輸出頻率的調整控制，也可根據現場的工況需要，由操作臺速度控制手柄以輔助給定的方式進行控制。旋轉編碼器可以檢測主電動機的轉速，并將此信號

47、傳送給可編程控制器，plc 通過該信號可以累計計算提升機的速度及行走距離，監視器可以時時顯示提升機速度和位置。3.3 可編程控制器（plc）介紹可編程控制器是以微處理器為基礎，綜合了計算機技術、半導體集成技術、自動控制技術、數字技術和通信網絡技術發展起來的一種通用工業自動控制裝置。它面向控制過程、面向用戶、適應工業環境、操作方便、可靠性高，成為現代工業控制的三大支柱（plc、機器人和 cad/cam）之一。plc 控制技術代表著當前程序控制的先進水平，plc 裝置已成為自動化系統的基本裝置。3.3.1 plc 的基本特點可編程控制器（plc）的誕生給工業控制帶來革命性的飛躍，與傳統的繼電器控制

48、相比有著突出的特點：(1)靈活性、通用性強繼電器控制系統如果工藝要求稍有變化，控制電路必須隨之作相應的變動，所有布線和控制柜極有可能重新設計，耗時且費力然而是利用存儲在機內的程序實現各種控制功能的。因此當工藝過程改變時，只需修改程序即可，外部接線改動極小，甚至15可以不必改動，其靈活性和通用性是繼電器控制電路無法比擬的。(2)可靠性高，抗干擾能力強繼電器控制系統中，由于器件的老化、脫焊、觸點的抖動以及觸點電弧等現象是不可避免的，大大降低了系統的可靠性。而在控制系統中，大量的開關動作是由無觸點的半導體電路來完成的，加之在硬件和軟件方面都采取了強有力的措施，使產品具有極高的可靠性和抗干擾能力可以直

49、接安裝在工業現場穩定地工作。plc 在硬件方面采取電磁屏蔽、光電隔離、多級濾波等措施在軟件方面采取警戒時鐘、故障診斷、自動恢復等措施，并利用后備電池對程序和數據進行保護,因此被稱為“專為適應惡劣的工業環境而設計的計算機” 。(3)編程簡單，使用方便plc 采用面向過程，面向問題的“自然語言”編程方式，直觀易懂，主要采用梯形圖和語句表編寫程序，使得廣大電氣技術人員更易接納和理解。同時設計人員也可根據自己的喜好和實際應用的要求選擇其他編程語言。標準是編程語言的標準，除了梯形圖和語句表之外，還存在順序流程圖、結構化文本和功能塊圖三種編程語言的表達方式。一個程序的不同部分可用任何一種語言來描述，支持復

50、雜的順序操作功能處理以及數據結構。(4)功能強大，可擴展plc 的主要功能包括開關量的邏輯控制、模擬量控制部分還具備控制或模糊控制功能、數字量智能控制、數據采集和監控、通信、聯網及集散控制等功能。plc 的功能擴展也極為方便，硬件配置相當靈活,根據控制要求的改變，可以隨時變動特殊功能單元的種類和個數，再相應修改用戶程序就可以達到變換和增加控制功能的目的。3.3.2 plc 的基本結構plc 實質是一種專用于工業控制的計算機，其硬件結構基本上與微型計算機相同，如圖 34 所示： 16輸入單元外設接口輸出單元擴展單元電源中央處理單元系統程序用戶程序存儲器輸入信號輸出信號plc主機圖 34 plc

51、的基本結構圖3.3.3 plc 的工作原理整個掃描過程分為內部處理、通信操作、程序輸入處理、程序執行、程序輸出幾個階段，全過程掃描一次所需要的時間稱為掃描周期。內部處理階段，plc 檢查cpu 模塊的硬件是否正常，復位監視定時器等。在通信服務階段，plc 與一些智能模塊通信、響應編程器鍵入的命令、更新編程器的顯示內容等。當 plc 處于停止(stop)狀態時，只進行內部處理和通信操作服務等內容。在 plc 處于運行(run)狀態時，從內部處理、通信操作、程序輸入、程序執行、程序輸出，一直循環掃描工作。(1) 輸入處理也叫輸入采樣。在此階段，順序讀入所有輸入端子的通電斷狀態，并將讀入的信息存入內

52、存中所對應的映像寄存器。在此輸入映像寄存器被刷新。接著進入程序執行階段，在程序執行時，輸入映像寄存器與外界隔離，即使輸入信號發生變化，其映象寄存器的內容不會發生改變，只有在下一個掃描周期的輸入處理階段才能被讀入信息。(2)程序執行根據 plc 梯形圖程序掃描原則，按先左右后上下的步序，逐句掃描，執行程序。但遇到程序跳轉指令時則根據跳轉條件是否滿足決定程序的跳轉地址。用戶程序涉及到輸入輸出狀態時，plc 輸出映像寄存器中讀出上一階段采入的對應輸入端子狀態。根據用戶程序進行邏輯運算，運算結果再存入有關器件寄存器中，對每個器件而言，器件映像寄存器中所存的內容，會隨著程序執行過程而變化。(3) 輸出處

53、理程序執行完畢后，將輸出映像寄存器，既器件映像寄存器中的寄存器狀態。在輸17出處理階段轉存到輸出鎖存器，通過隔離電路驅動功率放大電路，使輸出端子向外界輸出控制信號，驅動外部負載。掃描周期是 plc 一個很重要的指標，小型 plc 的掃描周期一般為十幾毫秒到幾十毫秒。plc 的掃描時間取決于掃描速度和用戶程序的長短，毫秒級的掃描時間對于一般工業常是可以接受的，plc 的響應滯后是允許的。但是對某些 i/o 快速響應的設備，則應采取相應的處理措施。如選用高速 cpu，提高掃描速度，采用快速響應模塊、高速計數器模塊以及不同的中斷處理等措施減少滯后時間。影響 i/o 滯后的主要原因有：輸入濾波器的慣性

54、、輸出繼電器接點的慣性、程序執行的時間、程序設計不當的附加影響等。對用戶來說選擇一個 plc，合理的編制程序是縮短響應的關鍵。3.3.4 可編程控制器的編程語言plc 是一種工業控制計算機，不僅有硬件，軟件也必不可少，目前 plc 常用的編程語言有四種：梯形圖編程語言，指令語句表語言，功能圖編程語言，高級編程功能語言。其中梯形圖語言形象直觀，類似電氣控制系統中繼電器控制電路圖，邏輯關系明顯；指令語句表編程語言雖然不如梯形圖編程語言直觀，但有鍵入方便的特點；功能圖編程語言和高級編程語言需要比較多的硬件設備，工程當中特殊場合下不是經常用到。以下重點介紹梯形圖語言編程。梯形圖語言沿襲了繼電器控制電路

55、的形式，梯形圖編程語言是在電氣控制系統中常用的繼電器，接觸器邏輯控制基礎上簡化了符號演變而來的，形象，直觀、實用，電氣技術人員容易接受，是目前用的最多的一種 plc 編程語言。plc 梯形圖中的繼電器、定時器、計數器不是物理繼電器，物理定時器和物理計數器，這些器件實際上是存儲器的存儲器位，又稱軟器件。相應為“1”狀態，表示繼電器線圈通電或者常開接點閉合或者常閉接點斷開。plc 的梯形圖是形象化的編程語言，梯形圖左右兩端的母線是不接任何電源的。梯形圖中并沒有真實的物理電流流動，而僅僅是概念電流(虛電流)，或者稱假想電流。把 plc 梯形圖中左邊母線假想為電源相線，把右邊母線假想為電源地線。假想電

56、流是執行用戶程序時滿足輸出執行條件的形象理解。plc 梯形圖中每個網絡有多個梯形組成，每個梯級有一個或者幾個支路組成。3.4 變頻器介紹變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。我們現在使用的變頻器主要采用交直交方式（vvvf 變頻或矢量控制變頻），先把工頻交流電源通過整流器轉換成直流電源，然后再把直流電源轉換成頻率、電18壓均可控制的交流電源以供給電動機。變頻器的電路一般由整流、中間直流環節、逆變和控制 4 個部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為 igbt 三相橋式逆變器，且輸出為 pwm 波形，中間直流環節為濾波、直流儲能和緩沖無功功率。3

57、.4.1 變頻調速基本原理異步電機的 vvvf 調速系統一般簡稱變頻調速系統。由于在變頻調速時轉差功率不變，在各種異步電機調速系統中效率較高，同時性能也最好，故是交流調速的主要發展方向。交流調速系統的控制量最基本上是轉矩、速度、位置，根據不同的用途適當組合可構成各種閉環系統。異步電動機定子對稱的三相繞組中通入對稱的三相交流電，在電機氣隙內會產生一個旋轉磁場，其旋轉速度為同步轉速： 式(31)pf160n0式中 f1定子繞組電源頻率；p電機磁極對數。異步電動機轉差率： 式(32)nn00sn 式(33)）（s1pf160s)1 (nn0由上式可知，異步電動機調速方法有如下幾種：變同步轉速n0：變

58、極 p、變頻 f1。變轉差率 s：定子調壓、轉子串電阻、電磁轉差離合器、串極調速。由電機學可知，轉差功率： 式(34)pppcuemss2式中 pem電磁功率；pcu2轉子銅耗。由式 34 可知，變頻調速與變極調速為轉差功率不變型不論其轉速高低，轉差功率消耗基本不變，因此調速效率為最高。在變頻調速領域，異步電機的控制方式多種多樣，但從轉矩的響應性和過渡特性來看，變頻調速的控制方式分為以下幾種：19(1)v 壓控制v 壓控制是交流電機最簡單的一種控制方法，通過控制過程中始終保持 v 用為常數，來保證轉子磁通的恒定。然而 v 壓控制是一種開環的控制方式，速度動態特性較差，電機轉矩利用率低，控制參數

59、(如加/減速度等)還需要根據負載的不同來進行相應的調整，特別是低速時由于定子電阻和逆變器等器件開關延時的存在，系統可能會發生不穩定現象。這種控制方式多用于調速精度不高的場所。(2)轉差頻率控制轉差頻率控制是檢測異步電動機的轉速，對轉差頻率采取閉環控制。與 v 用控制相比，調速精度要求較高，且系統容易穩定，即能在寬廣的調速范圍內，將電動機的轉矩、功率因數及效率控制在最佳狀態。但是采用此法的電動機調速系統只能是單機運行，同時轉差頻率控制未能實施對電機瞬時轉矩的閉環控制，盡管這種系統的靜態精度較高，但由于快速性較差，故適用于對響應的快速性要求不高的系統。(3)矢量控制矢量控制是一種建立在轉子磁鏈定向

60、的基礎上，通過一系列的坐標變換，實現電機定子電流轉矩分量和磁通分量的解藕的控制方法，可以將作為控制對象的感應電機當作直流電機來進行控制，實現對瞬時轉矩的控制。目前，實用中多采用轉差頻率矢量控制，由于其沒有實現直接磁通的閉環控制，無需檢測出磁通，因而容易實現。但是其控制器的設計在某種程度上依賴于電機的參數，為了減少控制上對電機參數的敏感性，已經提出了許多參數辨識、參數補償和參數自適應方案，收到了較好的效果。(4)直接轉矩控制直接轉矩控制(dtc)也是一種轉矩閉環控制方法，其克服了坐標變換和解禍運算的復雜性，直接對轉矩進行控制，通過轉矩誤差、磁通控制誤差，按一定的原則選擇逆變器開關狀態，控制施加在