畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于PLC和變頻器的礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題 目 基于 plc 和變頻器的礦井提升機(jī)電控系統(tǒng) 姓 名 學(xué) 號(hào) 專業(yè)班級(jí) 電氣自動(dòng)化 091 班 院系名稱 太原科技大學(xué)成人教育學(xué)院 指導(dǎo)老師 2011 年 11 月 10 日 摘 要 礦井提升機(jī)被稱為礦山的咽喉，是生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，是地下礦井與外界的唯 一通道，肩負(fù)著運(yùn)輸?shù)V石、物料、人員等的重要責(zé)任。對(duì)提升機(jī)來(lái)說(shuō)，運(yùn)行的安 全性與可靠性是至關(guān)重要的。傳統(tǒng)的礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)主要采用繼電器接觸 器進(jìn)行控制，這類提升機(jī)通常在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路中串接附加電阻進(jìn)行啟動(dòng)和調(diào)速。 這種控制系統(tǒng)存在可靠性差、操作復(fù)雜、故障率高、電能浪費(fèi)大、效率低等缺點(diǎn)。 因此對(duì)礦井提升機(jī)控

2、制系統(tǒng)進(jìn)行研究具有現(xiàn)實(shí)意義，也是國(guó)內(nèi)外相關(guān)行業(yè)專家學(xué) 者的一個(gè)研究課題。 隨著計(jì)算機(jī)和 plc 技術(shù)的不斷發(fā)展，采用先進(jìn)的控制技術(shù)改造傳統(tǒng)礦山行業(yè) 的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)，從而使礦井提升機(jī)的控制性能得到極大的改善，其自動(dòng)化水平、 安全性、可靠性都達(dá)到了新的高度，并采用現(xiàn)代化的管理和監(jiān)視手段保障提升機(jī) 的安全運(yùn)行，保證礦井提升機(jī)可靠、準(zhǔn)確地運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)礦井提升機(jī)的計(jì)算機(jī)控制。 變頻調(diào)速是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一門新興的自動(dòng)控制技術(shù)，它利用改變被控對(duì) 象的電源頻率，成功實(shí)現(xiàn)了交流電動(dòng)機(jī)大范圍的無(wú)級(jí)平滑調(diào)速，在運(yùn)行過(guò)程中能 隨時(shí)根據(jù)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載情況，使電機(jī)始終處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi) 均有很高的效率，節(jié)能

3、效果明顯。采用變頻器對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制，由于 使用方便、可靠性高并且經(jīng)濟(jì)效益顯著，所以得到廣泛應(yīng)用。因此，應(yīng)用變頻器 對(duì)礦井提升機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，將成為歷史的必然趨勢(shì)。 關(guān)鍵詞：礦井提升機(jī)，礦井提升機(jī)，plcplc，變頻調(diào)速，控制系統(tǒng)，變頻調(diào)速，控制系統(tǒng) abstract the 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 mine

4、s, and it is shouldering the transportation of mineral, materials and people. the safety and security is the most vital to elevator. the traditional shaft hoist control system is always controlled by the relaycontactor, and adopts the methods of connect series additional resistant in rotors winding

5、loop to start and adjust speed. the system has many disadvantages such as bad reliability, complicated operation, high fault rate, large 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 releva

6、nt experts and scholars, both at home and abroad too. along with the development and application of computer and programmable logical controller, 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

7、 and modern manage and monitor means. advanced industry control computer are used to monitor and manage the course of elevator frequency 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 successful

8、ly 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 according 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 c

9、ontrol the asynchronous motors is widely used because of it is convenient, high reliability and the economic benefit is remarkable. therefore, adopting inverter to reform the control system of shaft hoist will become the inevitable trend of history. key words：shaft hoist, plc, frequency conversion,

10、control system 目 錄 第 1 章 緒 論.1 1.1 國(guó)內(nèi)外礦井提升機(jī)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì).1 1.1.1 國(guó)外礦井提升機(jī)的現(xiàn)狀.1 1.1.2 國(guó)內(nèi)提升機(jī)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨向.2 1.2 本文研究意義及內(nèi)容.3 1.2.1 研究意義.3 1.2.2 研究?jī)?nèi)容.3 第 2 章 系統(tǒng)工藝流程及控制要求.4 2.1 礦井提升機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介.4 2.2 提升機(jī)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行方式.5 2.3 提升機(jī)的速度要求及受力情況.6 2.3.1 提升機(jī)的速度要求.6 2.3.2 提升機(jī)的受力情況.7 2.4 礦井提升機(jī)的電氣傳動(dòng)方案.8 第 3 章 系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì).9 3.1 控制單元基本原理.9 3.2

11、控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì).11 3.3 可編程控制器（plc）介紹 .11 3.3.1 plc 的基本特點(diǎn) .12 3.3.2 plc 的基本結(jié)構(gòu) .13 3.3.3 plc 的工作原理 .13 3.3.4 plc 的編程語(yǔ)言 .14 3.4 變頻器介紹.14 3.4.1 變頻調(diào)速基本原理.15 3.4.2 變頻器按中間直流環(huán)節(jié)方式分類.16 第 4 章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì).18 4.1 控制系統(tǒng)硬件選型.18 第 5 章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).19 5.1 控制程序流程圖.20 5.2 系統(tǒng)控制程序梯形圖.21 第 6 章 人機(jī)交互界面.22 6.1 觸摸屏概述.22 6.2 觸摸屏在工業(yè)控制中的應(yīng)用.2

12、3 6.3 pws3261 觸屏簡(jiǎn)介.24 6.4 觸摸屏在礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用.24 第 7 章 結(jié) 論.25 參考文獻(xiàn).26 致 謝27 第第 1 章章 緒緒 論論 1.1 國(guó)內(nèi)外礦井提升機(jī)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) 礦井提升裝置是采礦業(yè)的重要設(shè)備，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和礦井生產(chǎn)現(xiàn)代化 要求的不斷提高，人們對(duì)提升機(jī)工作特性的認(rèn)識(shí)進(jìn)一步深化，提升設(shè)備及拖動(dòng)控 制系統(tǒng)也逐步趨于完善，各種新技術(shù)、新工藝逐步應(yīng)用于礦井提升設(shè)備中。特別 是模擬技術(shù)、微電子技術(shù)、微電腦技術(shù)在提升機(jī)控制中的應(yīng)用已成為必然的發(fā)展。 1.1.1 國(guó)外礦井提升機(jī)的現(xiàn)狀 近三十年來(lái)，國(guó)外提升機(jī)機(jī)械部分和電氣部分都得到了飛速的發(fā)展，

13、而且兩者 相互促進(jìn)，相互提高。起初的提升機(jī)是電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速器傳動(dòng)卷筒的系統(tǒng)，后來(lái) 出現(xiàn)了直流慢速電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)懸臂安裝直接傳動(dòng)的提升機(jī)。上世紀(jì)七十年 代西門子發(fā)明矢量控制的交一直一交變頻原理后，標(biāo)志著用同步電動(dòng)機(jī)來(lái)代替直 流電機(jī)實(shí)現(xiàn)調(diào)速的技術(shù)時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。1981 年第一臺(tái)用同步機(jī)懸臂傳動(dòng)的提升機(jī) 在德國(guó) monopol 礦問(wèn)世，1988 年由 mavghh 和西門子合作制造的機(jī)電一體的提 升機(jī)(習(xí)慣稱為內(nèi)裝電機(jī)式)在德國(guó) romberg 礦誕生了，這是世界上第一臺(tái)機(jī)械和電 氣融合成一體的同步電機(jī)傳動(dòng)提升機(jī)。在提升機(jī)機(jī)械和電氣傳動(dòng)技術(shù)飛速發(fā)展的 同時(shí)，電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使提升機(jī)的

14、電氣控制系統(tǒng)更是日新月異。 早在上世紀(jì)七十年代，國(guó)外就將可編程控制器(plc)應(yīng)用于提升機(jī)控制。上世紀(jì)八 十年代初，計(jì)算機(jī)又被用于提升機(jī)的監(jiān)視和管理。計(jì)算機(jī)和 plc 的應(yīng)用，使提升 機(jī)自動(dòng)化水平、安全、可靠性都達(dá)到了一個(gè)新的高度，并提供了新的、現(xiàn)代化的 管理、監(jiān)視手段。 1.1.2 國(guó)內(nèi)提升機(jī)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨向 目前國(guó)內(nèi)的礦井提升機(jī)傳動(dòng)方式大多為以下幾種： 1、交流繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速 2、直流可逆調(diào)速 3、交流變頻調(diào)速 （1）異步電動(dòng)機(jī)的交直交變頻 （2）大慣量低速同步電動(dòng)機(jī)交交變頻 國(guó)內(nèi)礦井提升機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)如下： （1） 隨著國(guó)家出臺(tái)一系列節(jié)能降耗、發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)相關(guān)政策，各大煤炭

15、企業(yè) 將不得不淘汰掉那些高耗能、高污染、生產(chǎn)技術(shù)落后的設(shè)備。礦井提升機(jī) 作為生產(chǎn)重要設(shè)備，除高耗能以外，還有著工作結(jié)構(gòu)復(fù)雜、危險(xiǎn)程度大等 突出問(wèn)題，因此，技術(shù)落后、設(shè)備陳舊逐漸不能滿足發(fā)展要求，取而代之 的將會(huì)是節(jié)能環(huán)保、安全高效的全數(shù)字化生產(chǎn)模式。 （2） 使用變頻器調(diào)速的礦井提升機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)時(shí)的軟啟動(dòng)、軟停車， 減輕對(duì)電網(wǎng)的沖擊；可根據(jù)負(fù)載需要，自動(dòng)輸出合適的功率大大降低了不 必要的能量耗損；調(diào)速平滑連續(xù)，使運(yùn)行更加安全、穩(wěn)定、高效。據(jù)此， 變頻器以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在提升機(jī)行業(yè)的應(yīng)用也迎來(lái)了發(fā)展的新時(shí)期。 1.2 本文研究意義及內(nèi)容 1.2.1 研究意義 目前國(guó)內(nèi)各大煤礦的礦井提升機(jī)系統(tǒng)的

16、調(diào)速方案大多采用繼電器接觸器控 制的轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速。該方案耗能大，占地面積大，已不能適應(yīng)現(xiàn)代礦業(yè)發(fā)展的 需要。因此有必要對(duì)其調(diào)速方案進(jìn)行改造。在廣泛考察現(xiàn)行的變頻調(diào)速方案后， 本文提升機(jī)系統(tǒng)控制單元采用目前工控適用的可編程控制器來(lái)控制，具有編程簡(jiǎn) 單和控制可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，電力拖動(dòng)系統(tǒng)中，選用先進(jìn)的變頻傳動(dòng)裝置，運(yùn)用先 進(jìn)的矢量控制技術(shù)，優(yōu)化了調(diào)速系統(tǒng)的性能，這已成為現(xiàn)代交流調(diào)速的重要研究 方向。 采用先進(jìn)的工業(yè)計(jì)算機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)，按照結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn) 品系列化、性能現(xiàn)代化、體積小型化的原則，研制生產(chǎn)適合礦井提升機(jī)電控設(shè)備 是進(jìn)行技術(shù)改造和新建礦井設(shè)備選型的理想選擇。為保證提升設(shè)備無(wú)

17、事故，在提 升設(shè)備有可能出現(xiàn)故障的各個(gè)重要環(huán)節(jié)上，設(shè)有各種檢測(cè)、控制、自診斷以及記 錄和保護(hù)裝置(如超載、速度、加減速等記錄)。 1.2.2 研究?jī)?nèi)容 在煤礦生產(chǎn)中，礦井提升機(jī)起著非常重要的作用。礦井提升機(jī)是礦井生產(chǎn)過(guò) 程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它的任務(wù)是提升有用礦物和礦石、升降人員和設(shè)備、下放 材料等。提升機(jī)電控裝置的技術(shù)性能，既直接影響礦山生產(chǎn)的效率及安全，又代 表著礦井提升機(jī)發(fā)展的整體水平，是礦井安全生產(chǎn)中重中之重的一大環(huán)節(jié)。 當(dāng)前國(guó)內(nèi)提升機(jī)電控絕大多數(shù)還是轉(zhuǎn)子回路串電阻分段控制的交流繞線式電 機(jī)繼電器接觸器系統(tǒng)，設(shè)備陳舊、技術(shù)落后。而且這種控制方式存在著很多的 問(wèn)題：轉(zhuǎn)子回路串接電阻，消耗電

18、能，造成能源浪費(fèi)；電阻分級(jí)切換，為有級(jí)調(diào) 速，設(shè)備運(yùn)行不平穩(wěn)，容易引起電氣及機(jī)械沖擊；繼電器、接觸器頻繁動(dòng)作，電 弧燒蝕觸點(diǎn)，影響接觸器使用壽命，維修成本較高；交流繞線異步電動(dòng)機(jī)的滑環(huán) 存在接觸不良問(wèn)題，容易引起設(shè)備事故；電動(dòng)機(jī)依靠轉(zhuǎn)子電阻獲得的低速，其運(yùn) 行特性較軟；提升容器通過(guò)給定的減速點(diǎn)時(shí)，由于負(fù)載的不同，而將得到不同的 減速度，不能達(dá)到穩(wěn)定的低速爬行，最后導(dǎo)致停車位置不準(zhǔn)，不能正常裝卸載。 上述問(wèn)題使提升機(jī)運(yùn)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(tǒng)，使提升機(jī)運(yùn)行的可靠性和安全性得到提高。在提 升機(jī)控制系統(tǒng)中應(yīng)用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和變頻調(diào)速技術(shù)，對(duì)原有提升

19、機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn) 行升級(jí)換代。 就計(jì)算機(jī)技術(shù)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況而言，可編程控制器(plc)是目前作為工 業(yè)控制最理想的機(jī)型，它是采用計(jì)算機(jī)技術(shù)、按照事先編好并儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)內(nèi)部 一段程序來(lái)完成設(shè)備的操作控制。采用 plc 控制，硬件簡(jiǎn)潔、軟件靈活性強(qiáng)、調(diào) 試方便、維護(hù)量小，plc 技術(shù)己經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種提升機(jī)控制。 第第 2 章章 系統(tǒng)工藝流程及控制要求系統(tǒng)工藝流程及控制要求 2.1 礦井提升機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介 礦井提升機(jī)可分為豎井提升機(jī)和斜井提升機(jī)兩種。礦井提升機(jī)主要由電動(dòng)機(jī)、 減速器、卷筒（或摩擦輪） 、制動(dòng)系統(tǒng)、深度指示系統(tǒng)、測(cè)速限速系統(tǒng)和操縱系 統(tǒng)等組成，采用交流或直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。提升鋼絲繩的工作原理

20、分纏繞式礦井提升 機(jī)和摩擦式礦井提升機(jī)。纏繞式礦井提升機(jī)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(gè)容器。雙 筒的每個(gè)卷筒各配一根鋼絲繩，連接兩個(gè)容器，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)一個(gè)容器上升，另一個(gè)容 器下降。纏繞式礦井提升機(jī)大多用于年產(chǎn)量在 120 萬(wàn)噸以下、井深小于 400 米的 礦井中。摩擦式礦井提升機(jī)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(gè)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(jī)根據(jù)布置方式分為塔式摩擦式礦井提升機(jī)（機(jī)房設(shè)在井 筒頂部塔架上）和落地摩擦式礦井提升機(jī)（機(jī)房直接設(shè)在地面上）兩種。按

21、提升 繩的數(shù)量又分為單繩摩擦式礦井提升機(jī)和多繩摩擦式礦井提升機(jī)。后者的優(yōu)點(diǎn)是： 可采用較細(xì)的鋼絲繩和直徑較小的摩擦輪，從而機(jī)組尺寸小，便于制造；速度高、 提升能力大、安全性好。年產(chǎn) 120 萬(wàn)噸以上、井深小于 2100 米的豎井大多采用 這種提升機(jī)。目前，我國(guó)單繩纏繞式提升機(jī)，廣泛采用交流繞線式電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)， 提升過(guò)程一般包括：起動(dòng)、加速、勻速、減速、爬行和停車幾個(gè)主要環(huán)節(jié)。 2.2 提升機(jī)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行方式 提升機(jī)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行方式 ,主要根據(jù)系統(tǒng)的力圖來(lái)確定： 加速階段：提升時(shí)為正力，采用電動(dòng)加速。下放時(shí)為負(fù)力，若負(fù)力值較小， 可考慮自由加速，并配合使用盤式制動(dòng)器，若負(fù)力值較大，則采用動(dòng)力制動(dòng)加速

22、。 勻速階段：提升時(shí)為正力，采用電動(dòng)拖動(dòng)。下放時(shí)為負(fù)力，采用能耗制動(dòng)、 閉環(huán)控制，單閉環(huán)速度控制系統(tǒng)由與距離有關(guān)的理想速度給定電路、速度負(fù)反饋 電路、pid 調(diào)節(jié)器、移相觸發(fā)電路及雙向可控硅能耗制動(dòng)電路組成，下放速度由 pid 調(diào)節(jié)。 主減速階段：提升時(shí)為正力，采取逐級(jí)接入轉(zhuǎn)子附加電阻和機(jī)械制動(dòng)的方式。 下放時(shí)為負(fù)力，一方面接入轉(zhuǎn)子附加電阻，另一方面增大制動(dòng)電流并輔以機(jī)械制 動(dòng)方式減速。 爬行階段：當(dāng)為正力時(shí)，轉(zhuǎn)子接入幾段附加電阻，由 plc 控制運(yùn)行；當(dāng)為 負(fù)力時(shí)，在能耗制動(dòng)方式下接入轉(zhuǎn)子附加電阻。 2.3 提升機(jī)的速度要求及受力情況 合理地確定提升機(jī)的力圖和速度圖，可以提高其運(yùn)行的安全可靠

23、性，以及減 小電動(dòng)機(jī)的功耗。 2.3.1 提升機(jī)的速度要求 (1)主加速階段 如圖 21 所示，正常提升時(shí)，電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的力矩比阻力矩大 3%5%，產(chǎn)生 比較低的加速度 a 0.3m/s2。當(dāng) v0上升到 vm時(shí)，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在自然特性曲線上。 下放時(shí)，由于負(fù)力較大，需要制動(dòng)力來(lái)維持穩(wěn)定的下放速度和規(guī)定的減速度。 (2)勻速階段 t2 上升時(shí)，根據(jù)負(fù)載狀況使電動(dòng)機(jī)保持電動(dòng)狀態(tài)，且速度 vm=1.12ms。下放 時(shí)，由測(cè)速發(fā)電機(jī)反映轉(zhuǎn)子下放速度 ，當(dāng)速度高于 vm時(shí)，增大勵(lì)磁電流 if，提 高制動(dòng)力矩，使觀覽車在斜坡上勻速運(yùn)行。 (3)主減速階段 t3 為使提升機(jī)準(zhǔn)確停車，在停車前應(yīng)進(jìn)行減速。減速按

24、照速度圖要求進(jìn)行，由 裝在斜坡上的位置開關(guān)動(dòng)作發(fā)出信號(hào)，plc 再根據(jù)與電動(dòng)機(jī)同軸運(yùn)行的旋轉(zhuǎn)編碼 器發(fā)出的脈沖數(shù)進(jìn)行比較發(fā)出指令，增大勵(lì)磁電流 if，使下放速度在規(guī)定的時(shí)間 內(nèi)降低。 (4)爬行階段 t4 v4在 0.3 m/ s 左右，此數(shù)值實(shí)際上是一個(gè)平均值，因?yàn)樘嵘龣C(jī)由較高的 vm 不可能很準(zhǔn)確的變?yōu)樗俣?v4。 (5)停車階段 t5 將盤式制動(dòng)器的 kt 線圈斷電，抱閘迅速抱住卷筒，提升機(jī)停轉(zhuǎn)。 v t1t2t3t4t5 v0 vm=1.12m/s v4=0.3m/s 圖 21 提升機(jī)速度圖 2.3.2 提升機(jī)的受力情況 由直線運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程可得： f = + ma 式（21） c f

25、 式中：f提升機(jī)在某運(yùn)動(dòng)階段的力，n； 提升機(jī)的靜阻力（包括車重、提升機(jī)重量和繩重） ，n； c f m把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的部件折算到直線運(yùn)動(dòng)的變位質(zhì)量，kg； a各階段的加速度、減速度值，m/。 2 s 當(dāng) a =0 時(shí)，f = ，勻速運(yùn)行； c f a0 時(shí)，f，加速運(yùn)行； c f a0 時(shí)，f，減速運(yùn)行。 c f 根據(jù)以上分析，f = f（t）的力圖見(jiàn)圖 22： f f1 f2 f3 f4 f5 主 加 速勻速主 減 速爬行 停車 t1 t2t3t4t5 圖 22 提升機(jī)力圖 綜合以上提升機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)以及礦山生產(chǎn)固有的特點(diǎn)，提升機(jī)工藝對(duì)提升機(jī) 電控系統(tǒng)的要求如下： (1)加(減)速度符合國(guó)家有關(guān)

26、安全生產(chǎn)規(guī)程的規(guī)定 提升人員時(shí)，加速度，升降物料時(shí)，加速度。另外 2 /75 . 0 sma 2 /2 . 1sma 不得超過(guò)提升機(jī)的減速器所允許的動(dòng)力矩。 (2)具有良好的調(diào)速性能 要求速度平穩(wěn)，調(diào)速方便，調(diào)速范圍大，能滿足各種運(yùn)行方式及提升階段(如 加速、減速、等速、爬行等)穩(wěn)定運(yùn)行的要求。 (3)有較好的起動(dòng)性能 提升機(jī)不同于其他機(jī)械，不可能待系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)后再裝加物料，因此，必須能重 載啟動(dòng)，有較高的過(guò)載能力。 (4)特性曲線要硬 要保證負(fù)載變化時(shí)，提升速度基本上不受影響，防止負(fù)載不同時(shí)速降過(guò)大， 影響系統(tǒng)正常工作(當(dāng)然，當(dāng)負(fù)載超過(guò)一定的限度時(shí)，還要求系統(tǒng)能有效的自我保 護(hù)。迅速安全制動(dòng)停車

27、，即所謂要具備挖土機(jī)機(jī)械特性)。 (5)工作方式轉(zhuǎn)換容易 要能夠方便的進(jìn)行自動(dòng)、半自動(dòng)、手動(dòng)、驗(yàn)繩、調(diào)繩等工作方式的轉(zhuǎn)換，操 作方便，控制靈活，不至于因工作方式的轉(zhuǎn)換影響正常生產(chǎn)。 (6)采用新技術(shù)和節(jié)能設(shè)備 易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制和提高整個(gè)系統(tǒng)的工作效率。具備必要的連鎖和安全保 護(hù)環(huán)節(jié)，確保系統(tǒng)安全運(yùn)行。盡量節(jié)約能源和降低運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用。 2.4 礦井提升機(jī)的電氣傳動(dòng)方案 礦井提升機(jī)的電氣傳動(dòng)方式一般有以下 4 種。本文以英威騰公司 chv190- 1000g-6 高性能矢量變頻器在提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用為例，詳細(xì)介紹了交-直- 交變頻調(diào)速的原理與傳動(dòng)方案。 （1）繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速

28、系統(tǒng) （2）直流可逆調(diào)速系統(tǒng) （3）交流電動(dòng)機(jī)交交變頻調(diào)速系統(tǒng) （4）交-直-交變頻調(diào)速系統(tǒng) 變頻器的主電路大體上可分為兩類，電壓型是將電壓源的直流變換為交流的 變頻器，直流回路的濾波是電容；電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器， 其直流回路濾波是電感。 它由三部分構(gòu)成，將工頻電源變換為直流功率的“整流 器”，吸收在變流器和逆變器產(chǎn)生的電壓脈動(dòng)的“平波回路”，以及將直流功率變換 為交流功率的“逆變器”，如圖 23所示。 圖 23 交-直-交變頻原理圖 （1）整流器：最近大量使用的是二極管的變流器，它把工頻電源變換為直流電 源。也可用兩組晶體管變流器構(gòu)成可逆變流器，由于其功率方向可逆，可以進(jìn)

29、行 再生運(yùn)轉(zhuǎn)。 （2）平波回路：在整流器整流后的直流電壓中，含有電源 6 倍頻率的脈動(dòng)電壓， 此外逆變器產(chǎn)生的脈動(dòng)電流也使直流電壓變動(dòng)。為了抑制電壓波動(dòng)，采用電感和 電容吸收脈動(dòng)電壓（電流）。裝置容量小時(shí)，如果電源和主電路構(gòu)成器件有余量， 可以省去電感采用簡(jiǎn)單的平波回路。 （3）逆變器：同整流器相反，逆變器是將直流功率變換為所要求頻率的交流功 率，以所確定的時(shí)間使 6 個(gè)開關(guān)器件導(dǎo)通、關(guān)斷就可以得到 3 相交流輸出。以電 壓型 pwm 逆變器為例示出開關(guān)時(shí)間和電壓波形。 傳動(dòng)系統(tǒng)方案如圖 2-4 所示， chv190-1000g-6 變頻器采用并機(jī)方式，即 由 2 臺(tái) 690v500kw 變頻

30、器并機(jī)拖動(dòng) 950kw 大功率提升機(jī)同步電機(jī)組成，每臺(tái) 圖 24 變頻器調(diào)速方案 變頻器均配置輸入、輸出電抗器，與電動(dòng)機(jī)同軸安裝 uvw 型同步電動(dòng)機(jī)專 用編碼器。制動(dòng)器選用 2 臺(tái) dbu-350-6 能耗制動(dòng)單元；每臺(tái)制動(dòng)單元連接 4180kw 制動(dòng)電阻。 控制電路由控制變壓器輸出的 ac220v 電源再通過(guò)隔離變壓器、開關(guān)電源 后，輸出 ac220v、dc24v、dc12v 電源分別提供給 plc、顯示器、繼電器、檢 測(cè)器件、電磁閥等；變頻器采用端子控制模式，操作指令由控制臺(tái)發(fā)起，經(jīng) plc 處理后輸出，通過(guò) plc 與變頻器控制板 i/o 接口連接線傳遞信號(hào)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程 控制。 為了提高

31、變頻器對(duì)電機(jī)的精確控制，采用閉環(huán)控制模式，防止溜鉤或因上 升或下降啟動(dòng)時(shí)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩不足而引起沖擊機(jī)械系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)的現(xiàn)象。變頻器 多功能端子組 s1s4 對(duì)應(yīng)指令為頻率給定、上行、下行、復(fù)位；多功能模擬量 輸入 ai2 設(shè)定外部頻率 采用 plc 與變頻器相結(jié)合的控制方案對(duì)傳統(tǒng)電控系統(tǒng)進(jìn)行改造，變頻調(diào)速是 通過(guò)改變定子供電頻率，成功實(shí)現(xiàn)了提升電動(dòng)機(jī)大范圍的無(wú)級(jí)平滑調(diào)速，在運(yùn)行 過(guò)程中能隨時(shí)根據(jù)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載情況，使電機(jī)始終處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，能夠滿足 提升機(jī)特殊工作環(huán)境的要求且有著明顯的節(jié)電效果。采用 plc 對(duì)提升系統(tǒng)進(jìn)行保 護(hù)和監(jiān)控，使系統(tǒng)更加安全可靠。因此本次設(shè)計(jì)選用交流電動(dòng)機(jī)交交變頻調(diào)速

32、系統(tǒng)。 第 3 章 系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì) 3.1 控制單元基本原理 隨著 plc 控制的日漸成熟，大多數(shù)礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)都采用了可編程序邏 輯控制器(programmable logic controller)，簡(jiǎn)稱 plc，plc 技術(shù)是現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化 的重要手段，由它構(gòu)成的控制系統(tǒng)邏輯控制由 plc 通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)，柔性強(qiáng)， 控制功能多，控制線路大大簡(jiǎn)化；plc 的輸入/輸出回路均帶有光電隔離等抗干擾 和過(guò)載保護(hù)措施，程序運(yùn)行為循環(huán)掃描工作方式，且有故障檢測(cè)及診斷程序，可 靠性極高。plc 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為模塊化結(jié)構(gòu)，維護(hù)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(tǒng)。其輸入

33、設(shè)備和輸出設(shè)備與繼電器控制系 統(tǒng)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。控制程序是通 過(guò)一個(gè)編程器寫到可編程控制器的程序存儲(chǔ)器中。每個(gè)程序語(yǔ)句確定了一個(gè)順序， 運(yùn)行時(shí)依次讀取存儲(chǔ)器中的程序語(yǔ)句，對(duì)它們的內(nèi)容進(jìn)行解釋并加以執(zhí)行，執(zhí)行 結(jié)果用以接通輸出設(shè)備，控制被控對(duì)象工作。在存儲(chǔ)程序控制系統(tǒng)中，控制程序 的修改不需要通過(guò)改變控制器內(nèi)部的接線(即硬件)，而只需通過(guò)編程器改變程序 存儲(chǔ)器中某些語(yǔ)句的內(nèi)容。 輸入設(shè)備 按鈕、限位開關(guān)、操作手柄 可編程控制器 輸出設(shè)備 繼電器和電磁閥 被控制的機(jī)械設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程 圖 32 可編程控制器控制過(guò)程系統(tǒng)框圖 可編程邏輯控制器因?yàn)槠渚哂懈呖煽啃砸?/p>

34、及軟件可編程的優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代控制 中越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。 對(duì)于一般提升機(jī)電控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，采用一套中小容量的 plc 即可滿足要求，其 價(jià)格也不高。如圖 32 所示，如果采用 plc 技術(shù)對(duì) tkd 電控系統(tǒng)進(jìn)行改造，把 原來(lái)由各種電器通過(guò)連線而實(shí)現(xiàn)的邏輯控制改由 plc 通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)，則控制 線路將大大簡(jiǎn)化，設(shè)備體積、設(shè)備維修量將大大減小，抗干擾能力將大大增強(qiáng)， 工作可靠性將大大提高，工藝改變時(shí)只需要改變控制程序即可。改造時(shí)保持原有 的操作方式、按鈕、開關(guān)、主令控制器作用不變，則用戶使用起來(lái)將非常方便， 不需要適應(yīng)期。同時(shí)可以利用 plc 的高速計(jì)數(shù)功能、網(wǎng)絡(luò)通信功能、故障檢測(cè)及 診斷功能、信號(hào)

35、顯示功能等來(lái)增加一些新的控制功能，安全性將大大提高，運(yùn)行 將更加平穩(wěn)、準(zhǔn)確，完全能夠滿足礦山生產(chǎn)的苛刻要求，而且投資相對(duì)較少，性 價(jià)比較高，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。 3.2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 基于 plc 的礦井提升機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)由動(dòng)力裝置、液壓站、變頻器、操 作臺(tái)和控制監(jiān)視系統(tǒng)組成，其系統(tǒng)框圖如圖 33 所示： 圖 33 控制系統(tǒng)框圖 系統(tǒng)框圖中各部分功能如下： 動(dòng)力裝置：包括主電機(jī)、減速器、卷筒、制動(dòng)器和底座，完成人、物料的運(yùn) 輸任務(wù)。主電機(jī)通過(guò)減速器向卷筒提供牽引所需的動(dòng)力。對(duì)于礦井提升機(jī)這樣的 大型機(jī)械來(lái)說(shuō)，在電機(jī)脫離電源后，由于運(yùn)行慣性較大，往往要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才 能停止轉(zhuǎn)動(dòng)，這將影響

36、生產(chǎn)效率，甚至威脅到生產(chǎn)人員的生命安全和物料的運(yùn)輸。 因此必須在系統(tǒng)里加入制動(dòng)器，避免產(chǎn)生“蠕動(dòng)”現(xiàn)象，從而保證運(yùn)輸?shù)娜撕臀?料的安全。 液壓站：為提升機(jī)提供制動(dòng)力，停車時(shí)先通過(guò)液壓站給卷筒施加機(jī)械制動(dòng)力， 再取消直流制動(dòng)力；提升機(jī)起動(dòng)時(shí)，先對(duì)電機(jī)施加直流制動(dòng)，再松開機(jī)械抱閘， 防止溜車，以保證系統(tǒng)安全可靠地工作。 變頻器：是動(dòng)力站的能量供給單元，通過(guò)它可將輸入工頻電能轉(zhuǎn)換成頻率可 調(diào)的電能提供給交流電動(dòng)機(jī)，以達(dá)到控制交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。 操作臺(tái)：操作臺(tái)設(shè)置兩個(gè)手柄，分別用于速度輔助給定及制動(dòng)力給定。它是 整個(gè)礦井提升機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)的控制核心，通過(guò)它可以設(shè)定系統(tǒng)的工作方式和控制方 式，可以發(fā)布系

37、統(tǒng)的各種控制命令，以實(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)啟動(dòng)、加速、平穩(wěn)運(yùn)行、減 速、停車以及緊急制動(dòng)等各種控制功能。 控制監(jiān)視系統(tǒng)：是操作人員和控制系統(tǒng)及運(yùn)輸系統(tǒng)之間的橋梁，它可以在線 監(jiān)測(cè)提升機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)的各種工作參數(shù)、工作狀態(tài)、故障參數(shù)和故障狀態(tài)。提升過(guò) 程監(jiān)視與安全回路一樣，是現(xiàn)代提升機(jī)控制的重要環(huán)節(jié)。提升過(guò)程采用微機(jī)主要 完成如下參數(shù)的監(jiān)視：提升過(guò)程中各工況參數(shù)(如速度、電流)監(jiān)視；各主要設(shè)備 運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視；各傳感器(如位置開關(guān)、停車開關(guān))信號(hào)的監(jiān)視。使各種故障在出 現(xiàn)之前就得以處理，防止事故的發(fā)生，并對(duì)各被監(jiān)視參數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)、保留或打印 輸出。甚至與上位機(jī)聯(lián)網(wǎng)，合并于礦井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中。系統(tǒng)框圖中用旋轉(zhuǎn)編碼器來(lái)

38、測(cè)試電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 控制系統(tǒng)工作原理：當(dāng)司機(jī)聽到開車信號(hào)時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕，plc 控制將 380v 動(dòng)力電源接入變頻器。再松開液壓制動(dòng)閘并將主令控制器推到正向（或反 向） ，提升機(jī)開始運(yùn)行。在提升過(guò)程中，控制提升機(jī)運(yùn)行的主速度給定 s 形速度 曲線由 plc 編程產(chǎn)生，經(jīng)過(guò) a/d 轉(zhuǎn)換，由模擬量輸出口輸出，以驅(qū)動(dòng)變頻器工 作；對(duì)變頻器輸出頻率的調(diào)整控制，也可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的工況需要，由操作臺(tái)速度控 制手柄以輔助給定的方式進(jìn)行控制。旋轉(zhuǎn)編碼器可以檢測(cè)主電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，并將 此信號(hào)傳送給可編程控制器，plc 通過(guò)該信號(hào)可以累計(jì)計(jì)算提升機(jī)的速度及行走 距離，監(jiān)視器可以時(shí)時(shí)顯示提升機(jī)速度和位置。操作人員通過(guò)操

39、作臺(tái)向 plc 發(fā)送 控制提升機(jī)運(yùn)行的控制命令。控制監(jiān)視系統(tǒng)通過(guò)與 plc 的通信，將電動(dòng)機(jī)的所有 運(yùn)行參數(shù)和故障參數(shù)都顯示出來(lái)，并對(duì)礦車的位置及速度進(jìn)行時(shí)時(shí)監(jiān)控。為操作 人員分析故障、判斷故障和處理提供依據(jù)。 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(chǔ)，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體集成技術(shù)、 自動(dòng)控制技術(shù)、數(shù)字技術(shù)和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一種通用工業(yè)自動(dòng)控制裝置。 它面向控制過(guò)程、面向用戶、適應(yīng)工業(yè)環(huán)境、操作方便、可靠性高，成為現(xiàn)代工 業(yè)控制的三大支柱（plc、機(jī)器人和 cad/cam）之一。plc 控制技術(shù)代表著當(dāng) 前程序控制的先進(jìn)水平，plc 裝置已成為自動(dòng)化系統(tǒng)的基

40、本裝置。 3.3.1 plc 的基本特點(diǎn)的基本特點(diǎn) 可編程控制器（plc）的誕生給工業(yè)控制帶來(lái)革命性的飛躍，與傳統(tǒng)的繼電 器控制相比有著突出的特點(diǎn)： (1)靈活性、通用性強(qiáng) 繼電器控制系統(tǒng)如果工藝要求稍有變化，控制電路必須隨之作相應(yīng)的變動(dòng)， 所有布線和控制柜極有可能重新設(shè)計(jì)，耗時(shí)且費(fèi)力然而是利用存儲(chǔ)在機(jī)內(nèi)的程序 實(shí)現(xiàn)各種控制功能的。因此當(dāng)工藝過(guò)程改變時(shí)，只需修改程序即可，外部接線改 動(dòng)極小，甚至可以不必改動(dòng)，其靈活性和通用性是繼電器控制電路無(wú)法比擬的。 (2)可靠性高，抗干擾能力強(qiáng) 繼電器控制系統(tǒng)中，由于器件的老化、脫焊、觸點(diǎn)的抖動(dòng)以及觸點(diǎn)電弧等現(xiàn) 象是不可避免的，大大降低了系統(tǒng)的可靠性。而在

41、控制系統(tǒng)中，大量的開關(guān)動(dòng)作 是由無(wú)觸點(diǎn)的半導(dǎo)體電路來(lái)完成的，加之在硬件和軟件方面都采取了強(qiáng)有力的措 施，使產(chǎn)品具有極高的可靠性和抗干擾能力可以直接安裝在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)定地工作。 plc 在硬件方面采取電磁屏蔽、光電隔離、多級(jí)濾波等措施在軟件方面采取 警戒時(shí)鐘、故障診斷、自動(dòng)恢復(fù)等措施，并利用后備電池對(duì)程序和數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù), 因此被稱為“專為適應(yīng)惡劣的工業(yè)環(huán)境而設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)” 。 (3)編程簡(jiǎn)單，使用方便 plc 采用面向過(guò)程，面向問(wèn)題的“自然語(yǔ)言”編程方式，直觀易懂，主要采 用梯形圖和語(yǔ)句表編寫程序，使得廣大電氣技術(shù)人員更易接納和理解。同時(shí)設(shè)計(jì) 人員也可根據(jù)自己的喜好和實(shí)際應(yīng)用的要求選擇其他編程語(yǔ)言

42、。標(biāo)準(zhǔn)是編程語(yǔ)言 的標(biāo)準(zhǔn)，除了梯形圖和語(yǔ)句表之外，還存在順序流程圖、結(jié)構(gòu)化文本和功能塊圖 三種編程語(yǔ)言的表達(dá)方式。一個(gè)程序的不同部分可用任何一種語(yǔ)言來(lái)描述，支持 復(fù)雜的順序操作功能處理以及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 (4)功能強(qiáng)大，可擴(kuò)展 plc 的主要功能包括開關(guān)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(shù)字量智能控制、數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控、通信、聯(lián)網(wǎng)及集散控制等功能。 plc 的功能擴(kuò)展也極為方便，硬件配置相當(dāng)靈活,根據(jù)控制要求的改變，可以 隨時(shí)變動(dòng)特殊功能單元的種類和個(gè)數(shù)，再相應(yīng)修改用戶程序就可以達(dá)到變換和增 加控制功能的目的。 3.3.2 plc 的基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu) plc 實(shí)質(zhì)是一種專用于

43、工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī) 相同，如圖 34 所示： 輸 入 單 元 外 設(shè) 接 口 輸 出 單 元 擴(kuò) 展 單 元 電源 中央處理單元 系統(tǒng)程序用戶程序 存儲(chǔ)器 輸 入 信 號(hào) 輸 出 信 號(hào) plc主機(jī) 圖 34 plc 的基本結(jié)構(gòu)圖 3.3.3 plc 的工作原理的工作原理 整個(gè)掃描過(guò)程分為內(nèi)部處理、通信操作、程序輸入處理、程序執(zhí)行、程序輸 出幾個(gè)階段，全過(guò)程掃描一次所需要的時(shí)間稱為掃描周期。內(nèi)部處理階段，plc 檢查 cpu 模塊的硬件是否正常，復(fù)位監(jiān)視定時(shí)器等。在通信服務(wù)階段，plc 與 一些智能模塊通信、響應(yīng)編程器鍵入的命令、更新編程器的顯示內(nèi)容等。當(dāng) plc

44、處于停止(stop)狀態(tài)時(shí)，只進(jìn)行內(nèi)部處理和通信操作服務(wù)等內(nèi)容。在 plc 處于 運(yùn)行(run)狀態(tài)時(shí)，從內(nèi)部處理、通信操作、程序輸入、程序執(zhí)行、程序輸出， 一直循環(huán)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(tài)，并將讀入 的信息存入內(nèi)存中所對(duì)應(yīng)的映像寄存器。在此輸入映像寄存器被刷新。接著進(jìn)入 程序執(zhí)行階段，在程序執(zhí)行時(shí)，輸入映像寄存器與外界隔離，即使輸入信號(hào)發(fā)生 變化，其映象寄存器的內(nèi)容不會(huì)發(fā)生改變，只有在下一個(gè)掃描周期的輸入處理階 段才能被讀入信息。 (2)程序執(zhí)行 根據(jù) 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(zhí)行程 序。但遇到

45、程序跳轉(zhuǎn)指令時(shí)則根據(jù)跳轉(zhuǎn)條件是否滿足決定程序的跳轉(zhuǎn)地址。用戶 程序涉及到輸入輸出狀態(tài)時(shí)，plc 輸出映像寄存器中讀出上一階段采入的對(duì)應(yīng)輸 入端子狀態(tài)。根據(jù)用戶程序進(jìn)行邏輯運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果再存入有關(guān)器件寄存器中， 對(duì)每個(gè)器件而言，器件映像寄存器中所存的內(nèi)容，會(huì)隨著程序執(zhí)行過(guò)程而變化。 (3) 輸出處理 程序執(zhí)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(tài)。 在輸出處理階段轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器，通過(guò)隔離電路驅(qū)動(dòng)功率放大電路，使輸出端 子向外界輸出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。 掃描周期是 plc 一個(gè)很重要的指標(biāo)，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(shí)間取決于掃描速度

46、和用戶程序的長(zhǎng)短，毫秒級(jí)的掃描 時(shí)間對(duì)于一般工業(yè)常是可以接受的，plc 的響應(yīng)滯后是允許的。但是對(duì)某些 i/o 快速響應(yīng)的設(shè)備，則應(yīng)采取相應(yīng)的處理措施。如選用高速 cpu，提高掃描速度， 采用快速響應(yīng)模塊、高速計(jì)數(shù)器模塊以及不同的中斷處理等措施減少滯后時(shí)間。 影響 i/o 滯后的主要原因有：輸入濾波器的慣性、輸出繼電器接點(diǎn)的慣性、程序 執(zhí)行的時(shí)間、程序設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)母郊佑绊懙取?duì)用戶來(lái)說(shuō)選擇一個(gè) plc，合理的編 制程序是縮短響應(yīng)的關(guān)鍵。 3.3.4 plc 的編程語(yǔ)言的編程語(yǔ)言 plc 是一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，不僅有硬件，軟件也必不可少，目前 plc 常用 的編程語(yǔ)言有四種：梯形圖編程語(yǔ)言，指令語(yǔ)

47、句表語(yǔ)言，功能圖編程語(yǔ)言，高級(jí) 編程功能語(yǔ)言。 其中梯形圖語(yǔ)言形象直觀，類似電氣控制系統(tǒng)中繼電器控制電路圖，邏輯關(guān) 系明顯；指令語(yǔ)句表編程語(yǔ)言雖然不如梯形圖編程語(yǔ)言直觀，但有鍵入方便的特 點(diǎn)；功能圖編程語(yǔ)言和高級(jí)編程語(yǔ)言需要比較多的硬件設(shè)備，工程當(dāng)中特殊場(chǎng)合 下不是經(jīng)常用到。以下重點(diǎn)介紹梯形圖語(yǔ)言編程。 梯形圖語(yǔ)言沿襲了繼電器控制電路的形式，梯形圖編程語(yǔ)言是在電氣控制系 統(tǒng)中常用的繼電器，接觸器邏輯控制基礎(chǔ)上簡(jiǎn)化了符號(hào)演變而來(lái)的，形象，直觀、 實(shí)用，電氣技術(shù)人員容易接受，是目前用的最多的一種 plc 編程語(yǔ)言。plc 梯形 圖中的繼電器、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器不是物理繼電器，物理定時(shí)器和物理計(jì)數(shù)器，這

48、 些器件實(shí)際上是存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)器位，又稱軟器件。相應(yīng)為“1”狀態(tài)，表示繼電 器線圈通電或者常開接點(diǎn)閉合或者常閉接點(diǎn)斷開。 plc 的梯形圖是形象化的編程語(yǔ)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(méi)有真實(shí)的物理電流流動(dòng)，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。假想電流是執(zhí)行用戶程序時(shí)滿足輸出執(zhí)行條件的形象理解。plc 梯形圖中每 個(gè)網(wǎng)絡(luò)有多個(gè)梯形組成，每個(gè)梯級(jí)有一個(gè)或者幾個(gè)支路組成。 3.4 變頻器介紹 變頻器是利用電力半導(dǎo)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(xiàn)在使用的變頻器主要采

49、用交直交方式，先把工頻交流電源 通過(guò)整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交 流電源以供給電動(dòng)機(jī)。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制 4 個(gè)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(huán)節(jié)為濾波、直流儲(chǔ)能和緩沖無(wú)功功率。 3.4.1 變頻調(diào)速基本原理 異步電機(jī)的 vvvf 調(diào)速系統(tǒng)一般簡(jiǎn)稱變頻調(diào)速系統(tǒng)。由于在變頻調(diào)速時(shí)轉(zhuǎn)差 功率不變，在各種異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中效率較高，同時(shí)性能也最好，故是交流調(diào) 速的主要發(fā)展方向。 交流調(diào)速系統(tǒng)的控制量最基本上是轉(zhuǎn)矩、速度、位置，根據(jù)不同的用途適當(dāng) 組合

50、可構(gòu)成各種閉環(huán)系統(tǒng)。 異步電動(dòng)機(jī)定子對(duì)稱的三相繞組中通入對(duì)稱的三相交流電，在電機(jī)氣隙內(nèi)會(huì) 產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，其旋轉(zhuǎn)速度為同步轉(zhuǎn)速： 式 p f160 n0 (31) 式中 f1定子繞組電源頻率； p電機(jī)磁極對(duì)數(shù)。 異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率： 式 n n 0 0 s n (32) 式）（s1 p f160 s)1 (n n0 (33) 由上式可知，異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法有如下幾種： 變同步轉(zhuǎn)速n0：變極 p、變頻 f1。 變轉(zhuǎn)差率 s：定子調(diào)壓、轉(zhuǎn)子串電阻、電磁轉(zhuǎn)差離合器、串極調(diào)速。 由電機(jī)學(xué)可知，轉(zhuǎn)差功率： 式 p pp cu ems s 2 (34) 式中 pem電磁功率； pcu2轉(zhuǎn)子銅耗。 由式 3

51、4 可知，變頻調(diào)速與變極調(diào)速為轉(zhuǎn)差功率不變型不論其轉(zhuǎn)速高低， 轉(zhuǎn)差功率消耗基本不變，因此調(diào)速效率為最高。 在變頻調(diào)速領(lǐng)域，異步電機(jī)的控制方式多種多樣，但從轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)性和過(guò)渡 特性來(lái)看，變頻調(diào)速的控制方式分為以下幾種： (1)v 壓控制 v 壓控制是交流電機(jī)最簡(jiǎn)單的一種控制方法，通過(guò)控制過(guò)程中始終保持 v 用 為常數(shù)，來(lái)保證轉(zhuǎn)子磁通的恒定。然而 v 壓控制是一種開環(huán)的控制方式，速度動(dòng) 態(tài)特性較差，電機(jī)轉(zhuǎn)矩利用率低，控制參數(shù)(如加/減速度等)還需要根據(jù)負(fù)載的不 同來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，特別是低速時(shí)由于定子電阻和逆變器等器件開關(guān)延時(shí)的存 在，系統(tǒng)可能會(huì)發(fā)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。這種控制方式多用于調(diào)速精度不高的場(chǎng)所

52、。 (2)轉(zhuǎn)差頻率控制 轉(zhuǎn)差頻率控制是檢測(cè)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，對(duì)轉(zhuǎn)差頻率采取閉環(huán)控制。與 v 用 控制相比，調(diào)速精度要求較高，且系統(tǒng)容易穩(wěn)定，即能在寬廣的調(diào)速范圍內(nèi)，將 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、功率因數(shù)及效率控制在最佳狀態(tài)。但是采用此法的電動(dòng)機(jī)調(diào)速系 統(tǒng)只能是單機(jī)運(yùn)行，同時(shí)轉(zhuǎn)差頻率控制未能實(shí)施對(duì)電機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)控制，盡 管這種系統(tǒng)的靜態(tài)精度較高，但由于快速性較差，故適用于對(duì)響應(yīng)的快速性要求 不高的系統(tǒng)。 (3)矢量控制 矢量控制是一種建立在轉(zhuǎn)子磁鏈定向的基礎(chǔ)上，通過(guò)一系列的坐標(biāo)變換，實(shí) 現(xiàn)電機(jī)定子電流轉(zhuǎn)矩分量和磁通分量的解藕的控制方法，可以將作為控制對(duì)象的 感應(yīng)電機(jī)當(dāng)作直流電機(jī)來(lái)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩

53、的控制。目前，實(shí)用中多采 用轉(zhuǎn)差頻率矢量控制，由于其沒(méi)有實(shí)現(xiàn)直接磁通的閉環(huán)控制，無(wú)需檢測(cè)出磁通， 因而容易實(shí)現(xiàn)。但是其控制器的設(shè)計(jì)在某種程度上依賴于電機(jī)的參數(shù)，為了減少 控制上對(duì)電機(jī)參數(shù)的敏感性，已經(jīng)提出了許多參數(shù)辨識(shí)、參數(shù)補(bǔ)償和參數(shù)自適應(yīng) 方案，收到了較好的效果。 (4)直接轉(zhuǎn)矩控制 直接轉(zhuǎn)矩控制(dtc)也是一種轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制方法，其克服了坐標(biāo)變換和解禍 運(yùn)算的復(fù)雜性，直接對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，通過(guò)轉(zhuǎn)矩誤差、磁通控制誤差，按一定的 原則選擇逆變器開關(guān)狀態(tài)，控制施加在定子端的三相電壓，調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸 出功率，達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。由于 dtc 直接著眼于轉(zhuǎn)矩控制，對(duì)轉(zhuǎn)子參 數(shù)變化表現(xiàn)為狀態(tài)干擾

54、而非參數(shù)干擾，dtc 方法比矢量控制方法具有較高的魯棒 性。但是 dtc 也存在不足之處，其最大的困難就在于低速性能不理想。 異步電動(dòng)機(jī)用變頻器傳動(dòng)的方塊圖，如圖 35 所示，變頻器由變流器、平 滑電路、逆變器、控制器四大部分組成，變流器將交流電變?yōu)橹绷麟姡交娐?將此直流電平滑后，由逆變器將它變換為頻率可調(diào)的交流電，向電動(dòng)機(jī)提供電壓、 電流和頻率。 變頻器 控制器 逆變器平滑電路im 電 源 圖 35 變頻器的基本結(jié)構(gòu) 3.4.2 變頻器按中間直流環(huán)節(jié)方式分類 (1)電流型變頻器 當(dāng)交直交變壓變頻裝置的中間直流環(huán)節(jié)采用大電感濾波時(shí)，直流電流波 形比較平直，因而電源內(nèi)阻抗很大，對(duì)負(fù)載來(lái)說(shuō)基本

55、上是一個(gè)電流源，輸出交流 電流是矩形波或階梯波，這類變頻裝置叫做電流源型變頻器。有的交交變頻裝 置用電抗器將輸出電流強(qiáng)制變成矩形波或階梯波，具有電流源的性質(zhì)，它也是電 流源型變頻器。這種電流源型變頻器，其逆變器中的晶閘管每個(gè)周期工作 1200 ，屬于 1200 導(dǎo)電型。 電流源型變頻器一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于再生狀態(tài)時(shí)，反饋到直流側(cè) 的再生電能可以方便的回饋到交流電網(wǎng)，不需要主回路中附加任何設(shè)備，只要利 用網(wǎng)側(cè)的可逆變流器改變其輸出電壓極性即可，這種電流型變頻器有制動(dòng)發(fā)電能 力，又能設(shè)置電流環(huán)提高承載能力，適合需要快速減速和調(diào)速范圍寬的場(chǎng)合，適 配大功率電機(jī)，國(guó)內(nèi)單機(jī)容量可達(dá) 12000k

56、w，國(guó)外達(dá)數(shù)萬(wàn)千瓦級(jí)。 (2)電壓型變頻器 在交直交變壓變頻裝置中，當(dāng)中間直流環(huán)節(jié)采用大電容濾波時(shí)，直流電 壓波形比較平直，在理想情況下是一個(gè)內(nèi)阻抗為零的恒壓源，輸出交流電壓是矩 形波或階梯波，這類變頻裝置叫做電壓源型變頻器。一般的交直交變壓變頻 裝置雖然沒(méi)有濾波電容，但供電電源的低阻抗使它具有電壓源的性質(zhì)，也屬于電 壓源型變頻器。對(duì)負(fù)載電動(dòng)機(jī)而言，變頻器是一個(gè)交流電壓源，在不超過(guò)電壓容 量的情況下可以驅(qū)動(dòng)多臺(tái)電動(dòng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，具有不選擇負(fù)載的通用性。中小功率 變頻器通常采用電容濾波即電壓型變頻器。逆變器開關(guān)器件己由晶閘管 （scr)、 功率晶體管 （gtr)，發(fā)展到絕緣柵雙極型晶體管 (igb

57、t)，以至智能型功率模塊 (ipm)，集成門極換流晶閘管 (igct)等。 第 4 章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 4.1 提升機(jī)電控系統(tǒng)變頻器選擇 本調(diào)速控制系統(tǒng)包括：三菱公司生產(chǎn)的 fx2n 系類 plc 一套； invt 公司的 chv190 起重專用變頻器一臺(tái)（外加制動(dòng)單元） ，功率為 1000kw，閉環(huán)矢量控制。 根據(jù)變頻調(diào)速原理，在變頻器的控制輸入回路中接入頻率設(shè)定電路，由 plc 輸出的模擬量，即電壓或電流信號(hào)來(lái)控制變頻器的輸出頻率，實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度控制。 本系統(tǒng)中調(diào)速采用 plc+d/a 模塊配合變頻器進(jìn)行，通過(guò) plc 輸出電壓信號(hào)(010v)來(lái) 控制變頻器的頻率。此時(shí)的變頻器輸出頻率與設(shè)

58、定電壓輸入成正比。 為了便于監(jiān)控變頻器的運(yùn)行狀態(tài)并及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常，應(yīng)取出變頻器的異常信號(hào) 送到 plc 的輸入模塊，以作為變頻器的事故報(bào)警信號(hào)及安全制動(dòng)。 為了與變頻調(diào)速系統(tǒng)配合，保證在啟動(dòng)力矩、低頻轉(zhuǎn)矩、過(guò)載能力等方面滿 足系統(tǒng)的要求，選用變頻電動(dòng)機(jī)。變頻電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和絕緣系統(tǒng) 設(shè)計(jì)既考慮了對(duì)變頻器電源供電和寬范圍變頻調(diào)速的適應(yīng)能力，又體現(xiàn)了過(guò)載能 力大、機(jī)械強(qiáng)度高的特點(diǎn)。與變頻調(diào)速良好的起、制動(dòng)功能相結(jié)合，特別適用于 采用變頻調(diào)速，短時(shí)間或斷續(xù)周期運(yùn)行、頻繁啟動(dòng)和制動(dòng)的場(chǎng)合，既能保證電動(dòng) 機(jī)在高頻時(shí)的過(guò)載能力，又能在低頻時(shí)保持恒轉(zhuǎn)矩輸出。 第第 5 章章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)控制系

59、統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 5.1 控制程序流程圖 系統(tǒng)控制程序流程圖如圖 51 所示。plc 控制主程序完成系統(tǒng)初始化、自 檢、故障診斷、調(diào)速系統(tǒng)控制及安全保護(hù)等工作。 開始 程序初始化 自檢 初始位置檢 測(cè)完成？ 正常？ 開車？ 封鎖輸出 聲光報(bào)警 故障處理 進(jìn)入初始狀態(tài) 速度控制 程序 松繩？ 過(guò)載？ 過(guò)卷？ 停止？ 結(jié)束？ 報(bào)警回路動(dòng)作 安全回路動(dòng)作 安全回路動(dòng)作 n y n n y y y n n n y y n 超速？安全回路動(dòng)作 n y y 圖 51 控制程序流程圖 系統(tǒng)開機(jī)運(yùn)行，plc 首先進(jìn)行初始化，接著完成自檢及提升機(jī)初始位置顯示， 當(dāng)收到開車指令時(shí)，plc 轉(zhuǎn)入速度給定控制，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)

60、程中，當(dāng) plc 接收到 來(lái)自接近開關(guān)或變頻器故障等外部控制信號(hào)時(shí)，plc 控制程序轉(zhuǎn)到相應(yīng)的中斷處 理程序處，完成過(guò)卷、過(guò)載、松繩等保護(hù)及提升機(jī)位置、速度監(jiān)控、變頻器故障 監(jiān)控等。當(dāng)有故障出現(xiàn)時(shí)可轉(zhuǎn)到相應(yīng)的故障處理模塊進(jìn)行故障處理，并通過(guò)報(bào)警 回路報(bào)警或安全回路實(shí)現(xiàn)抱閘停車保護(hù)。 5.2 系統(tǒng)控制程序梯形圖 系統(tǒng)控制程序梯形圖如圖 52 所示： y0 y3 y2 x1x15x2 x13 x14 y2 y3 y0y11 y2 y4 x10 x10 x6 y4 y5 x11x7y4 x11 y5 y5 t0 k1000 t0 y7 y8 y6 mov k0 d100 add d100 k80 d