礦井提升機變頻調速控制系統(tǒng)設計畢業(yè)論文

基于PLC的礦井提升機變頻調速系統(tǒng)設計摘要礦井提升機是采礦等行業(yè)的重要設備，礦物的運輸和人員的運輸?shù)榷茧x不開提升機。我國傳統(tǒng)的礦井提升機主要采用繼電器—接觸器進行控制，并通過在電動機轉子回路中串接附加電阻來實現(xiàn)啟動和調速。這種控制系統(tǒng)存在可靠性差、故障率高、操作復雜、電能浪費大、效率低等缺點。針對傳統(tǒng)提升機的問題，本設計采用可編程控制器控制系統(tǒng)，并且與變頻器結合實現(xiàn)提升機速度控制。通過對提升機系統(tǒng)的深入研究，完成提升機控制系統(tǒng)設計，選擇硬件設備型號，并且完成硬件系統(tǒng)設計，其中包括檢測模塊、控制模塊、保護模塊和抗干擾模塊的設計，最后進行系統(tǒng)集成和調試。根據(jù)硬件系統(tǒng)要求畫出外部接線圖，并且編寫控制系統(tǒng)程序。通過可編程控制器控制變頻器，實現(xiàn)提升機啟動、加速、等速、減速、爬行和停車操作，并且對過載、超速、過卷等故障進行監(jiān)控。可編程控制器采用PLC，硬件簡潔、軟件靈活性強、調試方便、維護量小，配合一些裝用電子模塊組成的提升機控制設備，為提升機的安全運行提空環(huán)境。同時能夠時時檢測礦井提升機的安全性能，反饋給控制設備。減少了傳統(tǒng)繼電器接觸式控制系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié)，減少了硬件和控制線，提高了形同的穩(wěn)定性和可靠性。變頻調速是利用改變被控對象的電源頻率，成功實現(xiàn)了交流電動機大范圍的無級平滑調速。采用該控制系統(tǒng)，使提升機工作可靠，使用方便，同時具有動態(tài)顯示的功能，節(jié)能效果明顯。應用可編程控制器—變頻器對礦井提升機的控制系統(tǒng)進行改造，將成為歷史的必然趨勢。關鍵詞：礦井提升機可編程控制器PLC變頻器控制系統(tǒng) SystematicDesignonfrequencycontrolofShaftHoistonBasisofPLCControlABSTRACT

Shafthoistisanimportantequipmentinminingindustries,whichisinseparableinthetransportationofmineralandpersonnel.Chinesetraditionalshafthoistuserelay-contactortocontrolmainly,andachievestartupandspeedgoverningbythemotorrotorcircuitinserieswithadditionalresistances.Thiscontrolsystemhasmanydisadvantages,suchaslowerreliability,higherfailurerate,morecomplexoperation,morepowerwaste,andlowerefficiency.

Asfortheproblemsoftraditionalshafthoist,thisdesignachieveshoistspeedcontrolbyusingprogrammablelogiccontrollersystem,whichcombinedwithfrequencyconverters.Throughmyintensivestudyinhoistsystem,Ihavecompletedhoistcontrolsystemdesign,thesizechoiceofthehardwaredevice,andfinishhardwaresystemdesign,includingthedesignofdetectionmodule,controlmodule,protectionmodule,andanti-jammingmodule.Finally,Icarryonthesystemintegrationanddebugging.Dependingonthehardwaresystemrequirements,Idrawexternalwiringdiagramandwritecontrolsystemprogram.Throughtheprogrammablelogiccontroller,minehoistcanrealizeitsstart,acceleration,constantspeed,deceleration,crawlingandparkingoperations,andmonitorstoppagessuchasoverload,overspeed,andvolume.

ProgrammablelogiccontrollerusesPLC,anditishardwaresimplicity,strongsoftwareflexibility,easycommissioning,littlemaintenance.Itcanprovidetheshafthoistsafeoperationwithfavorableenvironment,combinedwithsomecontrolequipmentequippedwithelectronicmoduleshoist.Atthesametime,itcantestthesafetyperformanceofshafthoist,andfeedbacktothecontroldevice.Inthisway,theintermediatelinksoftraditionalrelay-contactcontrolsystemarereduced,hardwareandcontrollinesarereduced,thestabilityandreliabilityoftantamountareimproved.FrequencycontrolsuccessfullyrealizesthatAcmotorisinawiderangeofsteplesssmoothspeedregulation,bytakingadvantageofchangingthepowerfrequencyofthecontrolledobject.

Withthiscontrolsystem,thehoistisreliable,easytouse,andithasthefunctionofdynamicdisplay,aswellasitsenergy-savingeffectisobvious.ItwillbecometheinevitabletrendofhistorytotransformminehoistcontrolsystembyapplyingProgrammableControllers–Drive.

Keywords:shafthoist;programmablelogiccontroller;PLC;frequencyconverters;controlsystem

目錄TOC\o"1-3"\h\u113711引言 引言1.1國內外礦井提升機發(fā)展現(xiàn)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(tǒng)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，因此世界各大公司紛紛將新的、成熟的技術應用于提升機電控系統(tǒng)。1.1.1我國礦井提升機電氣控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀在礦業(yè)生產中，礦井提升機起著非常重要的作用，它是礦山生產的關鍵設備。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(fā)展的整體水平。目前，我國的礦井提升機90%以上是采用單機容量在1000kW以下傳統(tǒng)的交流異步電機拖動，采用轉子串、切電阻調速，由繼電器—接觸器構成邏輯控制裝置。其中多半為電動機—發(fā)電機組（F-D機組）供電，采用晶閘管整流傳動（SCR-D）的只占一部分。傳統(tǒng)交流拖動系統(tǒng)的顯著缺點是：調速性能差，調速時能量要大量消耗在電阻上，給定方式落后，控制精度低，安全保護和監(jiān)測環(huán)節(jié)不完善，安全可靠性差，維護工作量大，而且運行不經濟。由于異步電動機在低速運行時特性曲線軟，在次同步狀態(tài)下無法產生有效的制動力矩，因而難于準確地控制提升機的停車位置。目前多采取動力制動或低頻拖動加制動的方式完成減速、爬行和停車。目前在用的動力制動及低頻電源大多數(shù)為采用模擬技術控制的晶閘管裝置，仍存在調速困難、維護量大的問題。傳統(tǒng)交流電控系統(tǒng)可靠性差的另一個原因是安全保護、閉鎖及監(jiān)測系統(tǒng)不完善，均為單線系統(tǒng)，且與控制系統(tǒng)想混聯(lián)，多數(shù)共用一套線路，互相影響。在實施提升機電氣控制系統(tǒng)技術改造時，即要有超前一步的意識緊盯國際先進水平，也要考慮我國的現(xiàn)狀，實現(xiàn)符合我國國情的提升機電控系統(tǒng)現(xiàn)代化[[]盧燕[]盧燕,顧善發(fā),盧光華．礦井提升機的電控系統(tǒng)[J]．黃金;2001年02期;26-291.1.2國外提升機電氣控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀國外從70年代開始，隨著微機技術的發(fā)展，微機控制技術已逐步應用于礦井提升機中。目前，國外已達到相當成熟的階段，使整個拖動控制產生一次變革。其應用主要體現(xiàn)在以下幾個方面：提升工藝過程微機控制在交流變頻裝置中，提升工藝過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(jiān)視顯示易于實施，并具有診斷功能，這是采用模擬控制無法實現(xiàn)的。提升行程控制提升機的控制從本質上說是一個位置控制，要保證提升容量在預定地點準確停車，要求準確度高，目前的控制誤差小于2厘米。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、滾筒及鋼絲繩磨損等。將信號進行處理，可計算出容量準確的位置而實施控制和保護。提升過程監(jiān)視由于近代提升機控制系統(tǒng)的設計特別強調安全可靠性，所以提升過程監(jiān)視與安全回路一樣，是現(xiàn)代提升機的重要環(huán)節(jié)。提升過程采用微機主要完成如下參數(shù)的監(jiān)視：提升過程中各工況參數(shù)監(jiān)視；各主要設備運行狀態(tài)監(jiān)視；各傳感器信號的監(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，并對各被監(jiān)視參數(shù)進行存儲、保留和打印輸出。安全回路安全回路是指提升機在出現(xiàn)機械、電氣故障時控制提升機進入安全保護狀態(tài)，此環(huán)節(jié)極為重要。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。安全回路是保護的最后環(huán)節(jié)之一，現(xiàn)在大多數(shù)企業(yè)都采用兩臺PLC構成安全回路，使安全回路具有完善的故障監(jiān)視功能，無論是提升機還是安全回路本身出現(xiàn)故障時都能準確地實施安全制動。1.2存在的問題及最新發(fā)展礦井提升機是金屬和非金屬礦生產過程中的重要設備。提升機安全、可靠、有效高速運行，直接關系到企業(yè)的生產狀況和經濟效益。礦井提升系統(tǒng)具有環(huán)節(jié)多、控制復雜、運行速度快、慣性量大、運行特性復雜的特點、且工作狀況經常交替轉換。雖然礦井提升系統(tǒng)本身有一些安全保護措施，但是由于現(xiàn)場使用環(huán)境條件惡劣，造成了各種機械零件和電氣元件的功能失效，以及操作者的人為過失和對行程監(jiān)測研究的局限性，使得現(xiàn)有保護未能達到預期的效果，致使提升機系統(tǒng)的事故至今仍未能消除。一旦提升機的行程失去控制，沒有按照給定速度曲線運行，就會發(fā)生提升機超速、過卷事故，造成箕斗的損壞，影響礦井正常生產，甚至造成重大人員傷亡。所以提升機調速控制系統(tǒng)的研究一直是社會中關注的一個重大課題。電氣控制方式在很大程度上決定了提升機能否實現(xiàn)平穩(wěn)、安全、可靠地起制動運行，避免了嚴重的機械磨損，防止較大的機械沖擊，減少機械部分維修的工作量，延長提升機機械的使用壽命。隨著礦井提升系統(tǒng)的自動化，改善提高的性能，以及提高提升機設備的提升能力等的要求，對電氣傳動方式提出了更高的要求。對礦井提升機電氣傳動系統(tǒng)的要求是：有良好的調速性能，調速精度高，四象限運行，能快速進行正、反轉運行，動態(tài)響應速度快，有準確的制動和定位功能，可靠性要求高等[[]劉瑞國，孫玉霞，劉芒果．\o"礦井提升機TKD-A斜井電控系統(tǒng)的變頻調速節(jié)能技術改造"[]劉瑞國，孫玉霞，劉芒果．\o"礦井提升機TKD-A斜井電控系統(tǒng)的變頻調速節(jié)能技術改造"礦井提升機TKD-A斜井電控系統(tǒng)的變頻調速節(jié)能技術改造[M]．煤礦機械,2004，(12)目前，我國地下礦井提升機的電氣傳動系統(tǒng)主要有：對于大型提升機，主要采用晶閘管變流器—直流電動機傳動控制系統(tǒng)和同步電動機矢量控制交—交變頻傳動控制系統(tǒng)，這兩種系統(tǒng)大都采用數(shù)字控制方式實現(xiàn)控制系統(tǒng)的高自動化運行，效率高，有準確的制動和定位功能，運行可靠性高，但造價昂貴，中小礦井難以承受。對于中、小型提升機，則多采用交流繞線式電動機切換電阻調速的交流電氣傳動系統(tǒng)，即TKD電控系統(tǒng)。將交流調速技術應用于礦井提升機是礦井提升機電氣傳動系統(tǒng)的發(fā)展方向。對于現(xiàn)采用TKD電控系統(tǒng)的中小型礦井，隨著變頻調速技術的發(fā)展，交—直—交電壓型變頻調速技術已開始在礦井提升機改造中應用。變頻器的調速控制可以實現(xiàn)提升機的恒加速或恒減速控制，消除了轉子串電阻造成的能耗，具有十分明顯的節(jié)能效果。變頻器調速控制電路簡單，克服了接觸器、電阻器、繞線電機電刷等容易損壞的缺點，降低了故障和事故的發(fā)生。因此，變頻器在提升機調速系統(tǒng)中的應用具有十分廣闊的前景[[]史德嘉．[]史德嘉．礦井提升機電控系統(tǒng)的改造[J]．礦業(yè)研究與開發(fā);2005年03期，61-621.3本文承擔的任務在本文中，以煤礦礦井提升機速度控制系統(tǒng)為背景，速度控制方法已經非常成熟，但技術相對落后，基于PLC變頻調速在礦山通過拖議案提出的行程，速度和控制系統(tǒng)的應用，介紹了一種新的礦井提升機速度控制系統(tǒng)的設計和實施。本設計的主要工作有：1、提升機電控系統(tǒng)主電路部分結合非金屬礦生產實際情況，分析提升機工作過程及工作特點。給出提升系統(tǒng)的整體控制方案；確定基于PLC控制的大功率礦井提升機變頻調速控制系統(tǒng)組成。確定各部分所要完成的控制功能，并給出控制電路連接電路圖，分析其功能的實現(xiàn)。2、控制系統(tǒng)軟件設計部分可編程控制器PLC有強大的可編程控制功能，它是編程軟件STEP—7來完成的。對于復雜的礦山提升機變頻調速電控系統(tǒng)采用PLC控制，在本文中設計出程序控制功能流程圖，并給出其它基本控制功能的梯形圖。提升機系統(tǒng)是一個隊安全性要求極高的控制單元，所以在軟件設計部分應有對其系統(tǒng)故障診斷處理內容。提升機速度給定方式分析由于礦山生產過程中，提升機所承受的載荷不同、提升的方式及提升行程不同，提升機的牽引力也就不同，應對其進行適當調節(jié)，提升速度也應能即使進行控制。保護及抗干擾措施傳統(tǒng)交流電控系統(tǒng)可靠性差，其安全保護、閉鎖及監(jiān)測系統(tǒng)不完善，均為單線系統(tǒng)，且與控制系統(tǒng)相混聯(lián)，多數(shù)共用一套線路，互相影響。本文針對制約提升機安全的主要環(huán)節(jié)設置減速、超速報警及過載、松繩、過卷等安全保護措施，增加監(jiān)視系統(tǒng)，對提升機的運行狀態(tài)及故障來源進行時時刻刻地監(jiān)視。礦井提升機的設計能夠解決實際生產問題，其控制單元采用了目前適用的工業(yè)PLC控制單元來控制電動驅動系統(tǒng)，其電力拖動單元采用先進的變頻驅動器，優(yōu)化了礦井提升機速度控制性能。擺脫原來控制系統(tǒng)中的交流接觸器和調速電阻，提高了系統(tǒng)的可靠性，改善了操作人員的工作環(huán)境，降低了噪音和溫度；分段預設頻率，按根據(jù)負載情況實現(xiàn)連續(xù)平穩(wěn)調速，無機械沖擊現(xiàn)象，達到了低壓低頻啟動和停止，停車操作更穩(wěn)定;啟動和加速時的沖擊電流小，可使得礦井提升機在重載下從低速無級調速至最大速度。目前，這種方法是現(xiàn)代交流傳動控制中比較先進的速度控制方式。安全，可靠，高效和經濟的礦井提升機速度控制系統(tǒng)的設計是本設計的追求目標。2礦井提升機系統(tǒng)的控制要求2.1礦井提升機結構介紹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(tǒng)、深度指示系統(tǒng)、測速限速系統(tǒng)和操縱系統(tǒng)等組成，采用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(jù)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（機房直接設在地面上）兩種。按提升繩的數(shù)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(yōu)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(huán)節(jié)。2.2礦井提升機速度和受力分析2.2.1提升機的速度分析提升設備在一個提升循環(huán)內的運行規(guī)律是用提升速度圖來表示的，如圖2.1表示提升速度與提升時間變化的關系。圖2.1提升機速度圖分為五個階段：階段：為主加速階段運行時間，此時加速度較大，速度一直從0加速到最大的。重車從井底開始上行，重車起動后，開始持續(xù)加速到變頻器的設定頻率為，在此期間提升機的速度逐漸加快。階段：為勻速階段運動時間，即容器以最大提升速度等速運行的時間。上升時，電動機保持電動狀態(tài)，重車提升機以額定運行速度穩(wěn)定運行。下放時，由測速發(fā)電機反應轉子下放速度，當速度高于時，增大勵磁電流，提高制動力矩，使箕斗勻速運行。一般這段過程最長。階段：為主減速階段運行時間，即容器以最大提升速度減速運行的時間。重車快到井口時減速階段，重車減速到低速，進入爬行階段。如減速時間設置較短的時，變頻器制動單位和制動電阻起作用，以防因減速過快而跳閘。階段：為爬行階段運行時間。重車以變頻器頻率為速度低速爬行，便于在規(guī)定的位置停車。階段：為抱閘停車階段時間。到達停車位置時，變頻器立即停車，重車減速到零，制動系統(tǒng)閘制動。操作人員發(fā)一個聯(lián)絡信號到井底，整個提升過程結束。2.2.2提升機的受力情況根據(jù)動力學方程式(2.1)式中-電動機電動力矩；-傳動系統(tǒng)的靜阻轉矩；-傳動系統(tǒng)的飛輪力矩，，其中J為轉動慣量()，為重力加速度；-傳動系統(tǒng)的動態(tài)轉矩；-加速度。可以得出按給定速度圖所需轉矩的特性，從而可以得到拖動系統(tǒng)所需的力，提升機傳動系統(tǒng)給定速度圖、力圖如圖2.2所示。(a)(b)（c）圖2.2提升機給定力圖圖中（a），（b），（c）為提升機的給定力圖。其中（a）為靜負載力矩比較大的情況；（b）為靜負載力矩比較小的情況；（c）為下放重物的情況。顯然，隨著提升物料的重量不同，要求電動機的拖動力矩不同，且在一個提升循環(huán)中，在不同階段電動機的拖動力矩的極性也在變化，礦井提升機要求電力拖動系統(tǒng)能滿足四象限運行的條件。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(tǒng)的要求如下:加(減)速度符合國家有關安全生產規(guī)程的規(guī)定。升降物料時，加速度a≦1.2m/s2,另外不得超過提升機的減速器所允許的動力矩。最大速度符合歸家有關安全生產規(guī)程的規(guī)定。立井升降物料時，提升容器的最大速度，不得超過用下列公式所求得的數(shù)值：（2.2）v--最大提升速度，m/s；

H--提升高度，m。具有良好的調速性能。要求速度平穩(wěn)，調速方便，調速范圍大，能滿足各種運行方式及提升階段(加速、減速、等速、爬行等)。有較好的起動性能。提升機不同于其他機械，穩(wěn)定運行的要求。不可能待系統(tǒng)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。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(tǒng)正常工作(當然，當負載超過一定的限度時，還要求系統(tǒng)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)。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。采用新技術和節(jié)能設備，易于實現(xiàn)自動化控制和提高整個系統(tǒng)的工作效率。具備必要的連鎖和安全保護環(huán)節(jié)，確保系統(tǒng)安全運行.盡量節(jié)約能源和降低運轉費用。2.3礦井提升機的調速控制方案分析為了使提升機調速控制系統(tǒng)能取得良好的控制性能，不同類型的負載應根據(jù)具體要求選擇不同的控制方案，控制方式是決定提升機使用性能的關鍵所在。目前在實際生產中得到應用的很多，其中有高精度的還有一般性能的，種類五花八門，價格也高低相差懸殊。所以在選用調速控制系統(tǒng)時要按負載的特性要求，并結合礦井的生產規(guī)模，以達到經濟、實用為準。常用的控制方式主要有：轉子回路串電阻調速、模糊控制、直接轉矩等。2.3.1傳統(tǒng)轉子回路串電阻調速系統(tǒng)在加速過程中，交流接觸器KM1，KM2，KM3，KM4逐級吸合，轉子回路電阻依次減小，以保證加速力矩的平均值不變。如果要求提升機低速運行，則需在轉子回路中串較大電阻。為了解決減速段的負力要求，通常采用動力制動方案，即將定子側的高壓電源切除，施加直流電壓，或在定子繞組上施加低頻電源，讓電動機工作在發(fā)電狀態(tài)。轉子回路串電阻調速的主電路結構如圖2.3所示：圖2.3轉子回路串電阻調速圖2.3.2模糊控制調速系統(tǒng)在對提升機的轉速控制中，采用二維的輸入變量即使用誤差和誤差變化率。PLC通過采樣獲取被控量的精確值，然后將此量與給定值進行比較得到誤差信號e、誤差變化率，把誤差信號和誤差變化率的精確值模糊化變成模糊量E、EC再進過模糊推理得到模糊控制量U，進行解模糊處理得到控制信號u，送入控制電路。與傳統(tǒng)控制方式相比，模糊控制是一種非線性的控制方法，工作范圍寬，適用范圍廣，特別適合非線性系統(tǒng)的控制。但信息簡單的模糊處理導致系統(tǒng)的控制精度降低和動態(tài)品質變差，若要提高精度，則必然增加量化級數(shù)，從而導致規(guī)則搜索范圍擴大，降低決策速度，甚至不能實時控制。實現(xiàn)模糊控制的原理框圖如下圖所示：圖2.4模糊控制原理框圖2.3.3直接轉矩控制系統(tǒng)直接轉矩控制系統(tǒng)采用空間矢量分析的方法，直接在定子坐標系下計算并控制交流電動機的轉矩和磁鏈，采用定子磁場定向，借助于離散的兩點式控制產生脈寬信號，直接對逆變器的開關狀態(tài)進行最佳控制，以獲得轉矩的高動能性態(tài)。其控制效果取決于轉矩的實際情況，所以它的控制結構簡單、控制信號處理的物理概念明確、系統(tǒng)的轉矩響應迅速且無超調，是一種具有高靜、動態(tài)性能的交流調速控制方式。直接轉矩控制系統(tǒng)結構圖如下圖所示：圖2.5直接轉矩控制系統(tǒng)結構圖2.3.4變頻器調速控制系統(tǒng)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(xiàn)在使用的變頻器主要采用交－直－交方式，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(huán)節(jié)、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(huán)節(jié)為濾波、直流儲能和緩沖無功功率[[][]陳立香．\o"變頻和調壓相結合的調速方法在煤礦提升機的應用"變頻和調壓相結合的調速方法在煤礦提升機的應用[M]．煤礦機電，2005，(02)圖2.6變頻器的基本結構2.3.5礦井提升機調速系統(tǒng)的確定轉子回路串接電阻調速方法調速范圍小，串入電阻后電動機的機械特性變“軟”，使負載變動時電動機產生較大的轉速變化，即轉速穩(wěn)定性差，而且調速效率較低。信息簡單的模糊控制調速處理會導致系統(tǒng)的控制精度降低和動態(tài)品質變差，若要提高精度，則必然增加量化級數(shù)，從而導致規(guī)則搜索范圍擴大，降低決策速度，甚至不能實時控制。直接轉矩控制系統(tǒng)的轉矩和磁鏈調節(jié)器采用滯環(huán)比較器，會造成轉矩脈動，在電動機運行一段時間之后,電機的溫度升高,定子電阻的阻值發(fā)生變化,使定子磁鏈的估計精度降低，也會導致電磁轉矩出現(xiàn)較大的脈動，同時逆變器開關頻率低也會造成轉矩脈動。變頻調速控制系統(tǒng)電源功率因數(shù)大，所需電源容量小，可以組成高性能控制系統(tǒng)。同時還可以實現(xiàn)大范圍的高效連續(xù)調速控制，并且能夠達到節(jié)能的效果。本設計結合煤礦生產實際情況，分析提升機工作過程及工作特點，對各種調速系統(tǒng)進行分析和比較，最終確定了提升機系統(tǒng)的整體控方案：變頻調速控制系統(tǒng)。采用PLC與變頻器相結合的控制方案對傳統(tǒng)電控系統(tǒng)進行改造，變頻調速是通過改變定子供電頻率，成功實現(xiàn)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(jù)電動機的負載情況，使電機始終處于最佳運行狀態(tài)，能夠滿足提升機特殊工作環(huán)境的要求且有著明顯的節(jié)電效果。采用PLC對提升系統(tǒng)進行保護和監(jiān)控，使系統(tǒng)更加安全可靠。因此本次設計選用交流電動機交－交變頻調速系統(tǒng)。交-直-交變頻器的工作原理是借助微電子器件、電力電子器件和控制技術，先將工頻電源經過二極管整流成直流電，再由電力電子器件把直流電逆變?yōu)轭l率可調的交流電源[[][]閆廣，王公華，李兆峰．\o"PLC在副井提升機信號及綜合保護系統(tǒng)中的應用"PLC在副井提升機信號及綜合保護系統(tǒng)中的應用[J]．工礦自動化，2002,(03)3提升機調速控制系統(tǒng)硬件設計礦井提升機也稱礦井卷揚機。作為井上與井下的唯一輸送通道，使得礦井提升機成為礦山的關鍵設備之一，也是礦山的咽喉部位。礦井提升機運行性能的優(yōu)劣，不僅直接影響到礦山的正常生產與產品質量，而且還與設備及人身安全密切相關。礦井提升機工藝工況圖如圖3.1所示：圖3.1工藝工況圖根據(jù)礦山實際情況礦井提升機提升最大高度大約在480m，根據(jù)公式2.2得出最大提升速度為7.9m/s，為安全起見，最大提升速度取7m/s。礦井提升機系統(tǒng)框圖主要包括主電動機、動力制動電源、PLC、旋轉編碼器、換向器和操作臺等。系統(tǒng)框圖如下圖：圖3.2系統(tǒng)框圖主電動機：為箕斗的提升和下降提供機械力，根據(jù)實際需要這里選擇使用額定電壓，額定電流輸出功率為，電動機效率,功率因數(shù)，額定轉速的三相鼠籠式異步交流電動機。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。操作臺：操作臺設置五個按鈕，分別用于變頻器的啟動、停止、復位，箕斗的上升和下降控制。它是整個礦井提升機運輸系統(tǒng)的控制核心，通過它可以設定系統(tǒng)的工作方式和控制方式，可以發(fā)布系統(tǒng)的各種控制命令，以實現(xiàn)對提升機啟動、加速、平穩(wěn)運行、減速、停車以及緊急制動等各種控制功能。旋轉編碼器：旋轉編碼器可以檢測主電動機的轉速，并將此信號傳送給變頻器。變頻器通過該信號可以計算出提升機的速度是否達到要求，做出知否補償?shù)呐袛?。換向器：在變頻器的輸出頻率達到工頻時，換向器切入，主電動機直接接工頻電，達到節(jié)能目的。3.1提升機變頻控制部分設計3.1.1變頻器簡介變頻調速系統(tǒng)主要設備是提供變頻電源的變頻器。變頻器就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，能實現(xiàn)對交流異步電機的軟起動、變頻調速、提高運轉精度、改變功率因素、過流/過壓/過載保護等功能。變頻器主電路是給異步電動機提供調壓調頻電源的電力變換部分，變頻器主要由整流器、平波電路、逆變器、控制電路四大部分組成，整流器將工頻電源變?yōu)橹绷麟?，平波電路吸收在變流器和逆變器產生的電壓脈動，逆變器將直流電變換為工作所需的交流電，控制電路是給異步電動機供電（電壓、頻率可調）的主電路提供控制信號的回路，它有頻率、電壓的“運算電路”，主電路的“電壓、電流檢測電路”，電動機的“速度檢測電路”，將運算電路的控制信號進行放大的“驅動電路”，以及逆變器和電動機的“保護電路”組成。交流電動機變頻調速控制技術大體經歷了以下幾個發(fā)展階段：U/F=C的正弦脈寬調制(SPWM)控制方式其特點是控制電路結構簡單、成本較低，機械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動的平滑調速要求，已在產業(yè)的各個領域得到廣泛應用。但是，這種控制方式在低頻時，由于輸出電壓較低，轉矩受定子電阻壓降的影響比較顯著，使輸出最大轉矩減小。另外，其機械特性終究沒有直流電動機硬，動態(tài)轉矩能力和靜態(tài)調速性能都還不盡如人意，且系統(tǒng)性能不高、控制曲線會隨負載的變化而變化，轉矩響應慢、電機轉矩利用率不高，低速時因定子電阻和逆變器死區(qū)效應的存在而性能下降，穩(wěn)定性變差等。電壓空間矢量(SVPWM)控制方式它是以三相波形整體生成效果為前提，以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉磁場軌跡為目的，一次生成三相調制波形，以內切多邊形逼近圓的方式進行控制的。經實踐使用后又有所改進，即引入頻率補償，能消除速度控制的誤差；通過反饋估算磁鏈幅值，消除低速時定子電阻的影響；將輸出電壓、電流閉環(huán)，以提高動態(tài)的精度和穩(wěn)定度。但控制電路環(huán)節(jié)較多，且沒有引入轉矩的調節(jié)，所以系統(tǒng)性能沒有得到根本改善。矢量控制(VC)方式矢量控制變頻調速的做法是將異步電動機在三相坐標系下的定子電流、、通過三相－二相變換，等效成兩相靜止坐標系下的交流電流、，再通過按轉子磁場定向旋轉變換，等效成同步旋轉坐標系下的直流電流、(相當于直流電動機的勵磁電流；相當于與轉矩成正比的電樞電流)，然后模仿直流電動機的控制方法，求得直流電動機的控制量，經過相應的坐標反變換，實現(xiàn)對異步電動機的控制。其實質是將交流電動機等效為直流電動機，分別對速度，磁場兩個分量進行獨立控制。通過控制轉子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉矩和磁場兩個分量，經坐標變換，實現(xiàn)正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有劃時代的意義。然而在實際應用中，由于轉子磁鏈難以準確觀測，系統(tǒng)特性受電動機參數(shù)的影響較大，且在等效直流電動機控制過程中所用矢量旋轉變換較復雜，使得實際的控制效果難以達到理想分析的結果。直接轉矩控制(DTC)方式1985年，德國魯爾大學的DePenbrock教授首次提出了直接轉矩控制變頻技術。該技術在很大程度上解決了上述矢量控制的不足，并以新穎的控制思想、簡潔明了的系統(tǒng)結構、優(yōu)良的動靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。目前，該技術已成功地應用在電力機車牽引的大功率交流傳動上。直接轉矩控制直接在定子坐標系下分析交流電動機的數(shù)學模型，控制電動機的磁鏈和轉矩。它不需要將交流電動機等效為直流電動機，因而省去了矢量旋轉變換中的許多復雜計算；它不需要模仿直流電動機的控制，也不需要為解耦而簡化交流電動機的數(shù)學模型。矩陣式交-交控制方式矩陣式交-交變頻省去了中間直流環(huán)節(jié)，從而省去了體積大、價格貴的電解電容。它能實現(xiàn)功率因數(shù)為1，輸入電流為正弦且能四象限運行，系統(tǒng)的功率密度大。該技術目前雖尚未成熟，但仍吸引著眾多的學者深入研究。其實質不是間接的控制電流、磁鏈等量，而是把轉矩直接作為被控制量來實現(xiàn)的。3.1.2變頻調速基本原理由電機學的基本公式：（3.1）式中電動機定子繞組的磁極對數(shù)p一定，改變電源頻率f，即可改變電動機同步轉速。異步電動機的實際轉速總低于同步轉速，而且隨著同步轉速而變化。電源頻率增加，同步轉速n0也增加，實際轉速也增加；電源頻率下降，同步轉速n0也下降，電機轉速也降低，這種通過改變電源頻率實現(xiàn)的速度調節(jié)過程稱為變頻調速。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：V/F控制V/F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/F為常數(shù)，來保證轉子磁通的恒定。然而V/F控制是一種開環(huán)的控制方式，速度動態(tài)特性較差，電機轉矩利用率低，控制參數(shù)(如加/減速度等)還需要根據(jù)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(tǒng)可能會發(fā)生不穩(wěn)定現(xiàn)象.這種控制方式多用于調速精度不高的場所。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(huán)控制.與V/F控制相比，調速精度要求較高，且系統(tǒng)容易穩(wěn)定，即能在寬廣的調速范圍內，將電動機的轉矩、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機調速系統(tǒng)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(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，故適用于對響應的快速性要求不高的系統(tǒng)。矢量控制矢量控制是一種建立在轉子磁鏈定向的基礎上，通過一系列的坐標變換，實現(xiàn)電機定子電流轉矩分量和磁通分量的解耦的控制方法，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(xiàn)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(xiàn)直接磁通的閉環(huán)控制，無需檢測出磁通，因而容易實現(xiàn)。但是其控制器的設計在某種程度上依賴于電機的參數(shù)，為了減少控制上對電機參數(shù)的敏感性，已經提出了許多參數(shù)辨識、參數(shù)補償和參數(shù)自適應方案，收到了較好的效果。直接轉矩控制直接轉矩控制(DTC)也是一種轉矩閉環(huán)控制方法，其克服了坐標變換和解耦運算的復雜性，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(tài)，控制施加在定子端的三相電壓，調節(jié)電機的轉速和輸出功率，達到控制電機轉速的目的。由于DTC直接著眼于轉矩控制，對轉子參數(shù)變化表現(xiàn)為狀態(tài)干擾而非參數(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。礦井提升機需要具有良好的調速性能。要求速度平穩(wěn)，調速方便，調速范圍大。所以變頻器控制方式的選擇上選擇V/F控制。變頻器采用V/F控制方式時，結構非常簡單，對電機參數(shù)依賴不大，能夠滿足提升機各運行階段。3.1.3提升機變頻器的選擇在一臺變頻器驅動一臺電機的情況下，變頻器必須同時滿足下列三項要求。滿足負載輸出要求，按下式確定：（3.2）滿足電動機容量要求，按下式確定：(3.3)滿足電動機電流要求，另外礦用提升機屬于頻繁啟動、加減速運轉，其變頻器容量的選擇應根據(jù)加速、恒速、減速等各種運行狀態(tài)下的電流值，按下式確定：（3.4）式中：:變頻器容量（kVA）；:負載要求的電動機軸輸出功率（kW）； ：電動機額定電壓（V）；:電動機額定電流（A）；:電動機效率（通常約為0.85）；：電動機功率因數(shù)（通常約為0.75）；：電流波形補償系數(shù)（PWM控制方式時，取1.05-1.1）；：變頻器額定輸出電流（A）；：各運行狀態(tài)的平均電流（A）；：各運行狀態(tài)下的時間；：安全系數(shù)（運行頻繁時取1.2，其它條件下為1.1）?？紤]到礦用電機性能上的差異及機械負載的波動，變頻器容量取電動機容量的1.4倍，按照本系統(tǒng)電動機功率，選用150kW以上的變頻器。本調速控制系統(tǒng)變頻器選用德國的西門子公司生產的MM440（MICROMASTERMM440)通用變頻器，可以對0.12—90kW或90—250kW的電機進行控制。3.1.4變頻器的調試參數(shù)的復位，將變頻器參數(shù)恢復到出廠狀態(tài)下的默認值的操作。一般在變頻器出廠和參數(shù)出現(xiàn)混亂的時候進行此操恢復出廠設置值：表3.1恢復出廠設置參數(shù)設置參數(shù)名稱參數(shù)號設置參數(shù)用戶的參數(shù)訪問級P00031調試用的參數(shù)過濾器P001030復位為工廠設定值P09701在本控制系統(tǒng)中，變頻器采用本次操作板（BOP）進行調試。BOP具有5位數(shù)字的七段顯示，用于顯示參數(shù)的序號和數(shù)值、報警和故障信息，以及參數(shù)的設定值和實際值。BOP不能儲存參數(shù)的信息[[][]MICROMASTER440變頻器0.12kW-200kW使用手冊表3.2BOP參數(shù)設置參數(shù)名稱參數(shù)號設置參數(shù)選擇命令源P07001在變頻調速系統(tǒng)中，通過逐漸升高（降低）頻率來實現(xiàn)升速（降速）過程。如希望升速（降速）過程保持平穩(wěn)而且不會電流過大，必須控制同步轉速和轉子轉速間的轉差，使其在一定范圍內。如果頻率上升（下降）過快，由于慣性，電動機轉子轉速跟不上同步轉速的上升，使轉差太大，導致升速電流超過允許值，可能產生過電流。通常可供選擇的升速（降速）功能從兩方面考慮：升速（降速）時間和升速（降速）方式。升速（降速）時間。升速（降速）時間是從0HZ到基本頻率之間變化的時間。時間越短，頻率變化越快，越容易過電流。升速（降速）方式。升速（降速）有三種方式：線性方式、S形方式和半S形方式。如圖3.3所示：圖3.3升速（降速）方式線性方式：在升速（降速）過程中，頻率時間呈線性關系，如圖3.3中曲線1。S形方式：在開始和結束階段升速（降速）過程較緩慢，中間階段按線性方式升速（降速），升速（降速）呈S形，如圖3.3中曲線2。半S形方式：在開始階段升速（降速）過程較緩慢，中間和結束階段按線性方式升速（降速），升速（降速）過程呈半S形，如圖3.3中曲線3所示。由于提升機是大慣性負載，在啟動時負載轉矩較大，所需要的電動機輸出轉矩較大，所以選擇半S形方式。依據(jù)變頻器各項參數(shù)設定。取加速度，則達到最大速度需要7s，既；根據(jù)礦井提升機安全規(guī)范提升機的爬行速度設定為0.2m/s,加速度大小不變方向取反，則從最大速度減速到爬行速度，需要時間6.8s，既；設定爬行時間，停車時間；最后根據(jù)計算得出以上升的時間。快速調試參數(shù)設置如下表所示：表3.3快速調試參數(shù)設置參數(shù)名稱參數(shù)號設置參數(shù)用戶的參數(shù)訪問級P00033調試用的參數(shù)過濾器P00101參數(shù)過濾器P00040適用于歐洲/北美地區(qū)P01000變頻器的應用領域P02051電動機類型P03001電動機額定電壓P0304380電動機額定電流P0305380電動機額定功率P030790電動機額定功率因數(shù)P03080.75電動機額定效率P03090.85電動機額定頻率P031050電動機額定轉速P03111410選擇頻率給定源P10003最小頻率P10800最大頻率P108250斜坡上升時間P11207斜坡下降時間P11216.8控制方式P13003選擇轉矩設定值P15000選擇電動機數(shù)據(jù)是否自動測定P19100結束快速調試P39003根據(jù)變頻調速原理，在變頻器的控制輸入回路中接入頻率設定電路，由PLC輸出的脈沖信號來控制變頻器的輸出頻率，實現(xiàn)電機速度控制。本系統(tǒng)中的調速采用PLC+脈沖編碼器脈沖技術模塊配合變頻器進行，通過PLC輸出脈沖信號來控制變頻器啟停。此時變頻器輸出頻率按變頻器參數(shù)的設置進行輸出。為了使變頻調速穩(wěn)定，保證提升機的正常運行，加入光電編碼器模塊形成PG閉環(huán)控制系統(tǒng)，使得變頻器的輸出更加可靠。在礦機提升機運行中的爬行時間段內，由于箕斗的受力情況不同，為達到以相同安全速度爬行，上升和下降時分別以不同的穩(wěn)定頻率運行，既為變頻器的2段固定頻率控制。其設置參數(shù)如下表所示：表3.42段固定頻率控制參數(shù)設置固定頻率6端口5端口參數(shù)號頻率/Hz轉速/（r/min）101P100110280210P1002205603.2提升機系統(tǒng)變頻器外部電路設計變頻器可以輸出頻率可調的交流電源，另外在變頻器的外圍加設有聲光報警輸出及制動單元能夠實現(xiàn)變頻器故障報警器和安全制動，更有效的對控制系統(tǒng)進行安全保護,外部接線圖如圖3.4所示：圖3.4提升機系統(tǒng)變頻器外部接線圖3.2.1提升機調速系統(tǒng)的聲光報警回路變頻報警輸出的動斷（常閉）觸電“RL1-A-C”串聯(lián)在KM1的線圈電路內，當變頻器因故障不能正常工作時，發(fā)出報警；同時報警輸出的常閉觸電動作，使KM1線圈失電，將變頻器與電源斷開，進行安全保護。為了保護報警輸出的觸電，在接觸器的線圈兩端，并聯(lián)阻容吸收電路（即RC震蕩電路）。聲光報警電路由報警輸出的動合（常開）觸點“RL1-A-B”控制，當變頻跳閘時，觸點“RL1-A-B”閉合，報警指示燈HL和電笛HA接通，進行聲光報警。與此同時，斷電器KA1得點，其觸點將聲光報警電路自鎖，使變頻器斷電后，聲光報警能持續(xù)下去，直到工作人員按下SB為止，報警才能解除。另外繼電器線圈和電笛線圈的兩端，也需要并聯(lián)阻容吸收電路，以保護變頻器內部報警繼電器觸點[[]JCRen,CMLiao.Astudyonthespeedcontrolperformanceofaservo-pneumaticmotorandtheapplicationtopneumatictools[M].[]JCRen,CMLiao.Astudyonthespeedcontrolperformanceofaservo-pneumaticmotorandtheapplicationtopneumatictools[M].heInternationalJournalofAdvancedManufacturingTechnology,2004,(8)p572-5763.2.2提升機調速系統(tǒng)的制動控制回路提升機負載由于慣性較大，當變頻器的輸出頻率下降至0Hz時，常常停不住，而有“蠕動”（也稱爬行）現(xiàn)象，在礦井提升機這種大負載機械中，蠕動現(xiàn)象有可能造成十分危險的后果。為此，變頻器調速時應設置能耗制動和直流制動功能[[]譚波，李燕林，譚冠政．[]譚波，李燕林，譚冠政．變頻調速在礦井提升機中的應用[J]．電器工業(yè).2005年04期，57-58在變頻調速系統(tǒng)中，電動機的降速和停機，是通過逐漸減小頻率來實現(xiàn)的。這時，電動機的工作狀態(tài)在頻率剛減小的瞬間，電動機的同步轉速隨之下降，而由于慣性的原因，電動機的轉子轉速未變。當同步轉速低于轉子轉速時，轉子電流的相位機會改變了180°，電動機處于發(fā)電狀態(tài)。與此同時，電動機軸上的轉矩變成了制動轉矩，使電動機的轉速迅速下降。從電動機的角度來看，處于再生制動狀態(tài)。變頻調速系統(tǒng)的工作狀態(tài)電動機再生的電能與逆變管反并聯(lián)的續(xù)流二極管全波整流后反饋到直流電路，由于直流電路的電能無法回輸給電網(wǎng)，盡管各部分電路還在消耗電能，但電容上仍有短時間的電荷堆積，形成“泵生電壓”，使直流電壓升高。過高的直流電壓將使各部分器件受到損害。因此，當直流電壓超過一定值時，就要求提供一條放生回路，將再生的電能消耗掉。所以，從變頻調速系統(tǒng)的角度來看，拖動系統(tǒng)在轉速下降時減少的動能，由電動機“再生”電能后，在變頻器的直流電路中被消耗掉了。歸根結底，是通過消耗能量而獲得制動轉矩的，屬于能耗制動狀態(tài)。用于消耗電動機再生電能的電路，就是能耗制動電路。能耗制動電路的構成能耗制動電路結構如圖3.5所示：圖3.5能耗制動和制動單元電路是制動電阻，用于電動機的再生電能轉換成熱能而消耗掉。選擇方法如下：的阻值一般情況下，的大小以使制動電流不超過變頻器額定電流的一般為宜，按下式確定：（3.5）從而（3.6）的功率由于的工況屬于短時工作，幫其標稱功率可以比長期通電消耗的功率小很多。BV為制動單元，制動單元BV的功能是：當直流回路的電壓超過規(guī)定的限值時，接通耗能電路，使直流回路通過釋放能量。功率管用于接通與關斷能耗電路，是制動單元的主體。的常用器件是GTR或IGBT。參數(shù)選擇方法如下：擊穿電壓在電源電壓為380V時，選用即可；集電極最大電流按正常電壓下流經的電流的兩倍來選擇，按下式確定：（3.7）直流制動單元將電機與變頻器切斷后向繞組內通入直流電流，定子磁場是靜止的。這時，轉子繞組切割磁力線后產生的電磁轉矩與轉子的旋轉方向相反，稱之制動轉矩。因為轉子繞組切割磁力線的速度較大，所以產生的制動轉矩比較強烈，從而可以縮短停機時間。直流制動強度即預置在定子繞組上施加直流電壓或直流電流的大小，它決定了直流制動的強度，如下圖所示：圖3.6直流制動電壓頻率和時間關系預置直流制動電壓（或制動電流）的主要依據(jù)是負載慣性的大小，慣性越大者，直流制動強度也應越大。一般情況下，直流電壓以不超過50為宜。即施加直流制動時間的長短。預置直流制動時間的主要依據(jù)是負載是否有“爬行”現(xiàn)象，以及對克服“爬行”的要求，要求越高者，應適當長一些。依據(jù)變頻器各項參數(shù)設定。3.2.3編碼器反饋回路光電編碼器又稱光電碼盤，簡稱PG。它是通過光點編碼將電動機的轉速變換成電脈沖信號，此信號反饋給變頻器輸入端對電動機進行控制。這種方法稱為帶PG的閉環(huán)控制。帶PG閉環(huán)控制的控制方式又可以分為控制方式和矢量控制方式?？刂品绞剑核俣瓤刂凭鹊停俣瓤刂品秶^小，價格低，適用于一般的調速場合。矢量控制方式：速度控制精度高，速度控制范圍較大，價格稍高，適用于轉速控制精度要求較高的場合。對于礦井提升機，其對速度控制要求不是很高，考慮到經濟因素選用控制方式。3.3提升機調速系統(tǒng)的PLC控制部分設計3.3.1PLC簡介可編程序控制器是一種綜合了計算機技術、半導體集成技術、自動控制技術、數(shù)字技術和通信網(wǎng)絡技術發(fā)展起來的通用工業(yè)自動控制裝置，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用可編程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作的命令，并通過數(shù)字式模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P設備，都應按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴充功能的原則而設計。它面向控制過程、面向用戶、適應工業(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(tǒng)的基本裝置[[]聶國倫，白生威.基于PLC技術的礦井提升機位置與速度控制系統(tǒng)設計[J].煤礦機械，2011（4）：157-158]。結構圖如圖3.[]聶國倫，白生威.基于PLC技術的礦井提升機位置與速度控制系統(tǒng)設計[J].煤礦機械，2011（4）：157-158圖3.7PLC的基本結構圖3.3.2PLC的選型在礦井提升機電控系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)本身的特點，決定了系統(tǒng)對精度要求并不是特別高，對于響應時間的要求也并不高，達到毫秒級就可以。在滿足基本要求的前提下，PLC選型主要從經濟性、適應性、可擴展性及網(wǎng)絡通訊性能等方面綜合考慮。通過系統(tǒng)綜合考慮，本系統(tǒng)選擇西門子S7-200系列PLC。S7-200系列PLC具有以下特點:可靠性高，抗干擾能力強。用程序來實現(xiàn)邏輯順序和時序，最大限度地取代傳統(tǒng)繼電-接觸器系統(tǒng)中的硬件線路，大量減少機械觸點和連線的數(shù)量。單從這一角度而言，PLC在可靠性上優(yōu)于繼電-接觸器系統(tǒng)是明顯的。在抗干擾性能方面，PLC在結構設計、內部電路設計、系統(tǒng)程序執(zhí)行等方面都給予了充分的考慮。例如，對主要器件和部件用導磁良好的材料進行屏蔽、對供電系統(tǒng)和輸入電路采用多種形式的濾波、I/O回路與微處理器電路之間用光電耦合隔離器、系統(tǒng)軟件具有故障檢測功能、信息保護和恢復、循環(huán)掃描時間的超時警戒等。靈活性強，控制系統(tǒng)具有良好的柔性。當生產工藝和流程進行局部的調整和改動時，通常只需要對PLC的程序進行改動，或者配合以外圍電路的局部調整即可實現(xiàn)對控制系統(tǒng)的改造。編程簡單，使用方便。第一編程語言(梯形圖)是一種圖形編程語言，與多年來工業(yè)現(xiàn)場使用的電器控制圖非常相似，理解方式也相同，非常適合現(xiàn)場人員學習?？刂葡到y(tǒng)易于實現(xiàn)，開發(fā)工作量少，周期短。由于PLC的系列化、模塊化、標準化及良好的擴展性和連網(wǎng)性能，在大多數(shù)情況下，PLC系統(tǒng)是一個較好的選擇。它不僅能夠完成多數(shù)情況下的控制要求，還能夠大量節(jié)省系統(tǒng)設計、安裝、調試的時間和工作量。維修方便。PLC有完善的故障診斷功能，可以根據(jù)裝置上的發(fā)光二極管和軟件提供的故障信息，方便地查明故障源。而由于PLC的體積小，并且有些采用模塊化結構，因而可以通過更換整機或模塊迅速排除故障。體積小，能耗低。由軟件實現(xiàn)的邏輯控制，可以大量節(jié)省繼電器、定時器的數(shù)量。一臺小型的PLC，只相當于幾個繼電器的體積，控制系統(tǒng)所消耗的能量也大大降低。功能強，性價比高。PLC所提供的軟元件的觸點可以無限次使用，方便地實現(xiàn)復雜的控制功能。同時，PLC的連網(wǎng)通信功能有利于實現(xiàn)分散控制、遠程控制、集中管理等功能，與同等規(guī)模或成本的繼電-接觸器控制系統(tǒng)相比，無論其功能和性能，都具有無可比擬的優(yōu)勢[[][]陳為信，姜華，魏永平，劉竟雄．\o"礦井提升機行程-速度全數(shù)字監(jiān)控器的研制"礦井提升機行程-速度全數(shù)字監(jiān)控器的研制[M]．工礦自動化，2002，(04)3.3.3提升機調速系統(tǒng)的PLC的I/O端口S7-200系列PLC可提供4個不同基本型號的8種CPU,根據(jù)本課題提升機電控系統(tǒng)原理的調速控制要求，對電氣控制系統(tǒng)中的調速方法進行了改進，開關輸入量共需16個輸入點，輸出點共需9個，本設計選用S7-200系列的CPU226可編程控制器，該可編程控制器共有24點輸入和16點輸出共40個數(shù)字量I/O點，它有7個擴展模塊，有內置時鐘，有更強大的模擬量和高速計數(shù)的處理能力。提升機調速系統(tǒng)的PLC的I/O端口分配如下表所示：表3.4PLC的I/O端口輸入端子輸入外設輸出端子輸出外設I0.0啟動Q0.0變頻器通電I0.1停止Q0.1電機啟動I0.2復位Q0.2電機在工頻下正轉I0.3上升Q0.3電機在工頻下反轉I0.4下降Q0.4電機在變頻下正轉I0.5過卷Q0.5電機在變頻下正轉I0.6松繩Q0.6復位I0.7過載Q0.7速度輸出1I1.0限位開關Q1.0速度輸出2I1.1限位開關Q1.1安全回路繼電器I1.2限位開關I1.3限位開關I1.4限位開關I1.5限位開關I1.6限位開關I1.7限位開關3.3.4提升機調速系統(tǒng)的PLC外部電路設計PLC是本控制系統(tǒng)中關鍵一環(huán)，主要的控制功能有如下幾項：主令操作控制、保護監(jiān)視控制。主令操作控制，對系統(tǒng)進行管理，實現(xiàn)提升機與操作臺之間的指令傳遞，向提升機系統(tǒng)發(fā)出相應的指令，并改變相應電控系統(tǒng)的工作狀態(tài)，使提升機按照預定的力圖和速度圖安全運行，運行方式可分為啟動、等速運行、減速、爬行、停車。PLC根據(jù)運行方式對變頻器實現(xiàn)S形速度給定控制，實現(xiàn)箕斗運行速度的準S形曲線。PLC還完成各種保護監(jiān)視功能。監(jiān)控內容主要包括：超速監(jiān)視、過卷監(jiān)視、實時速度監(jiān)視、井筒過卷監(jiān)視、變頻器故障監(jiān)視、過載監(jiān)視等，以上監(jiān)視內容出現(xiàn)故障時，通過報警回路或安全回路實現(xiàn)抱閘停車保護。變頻器和PLC相互配合，t1、t3、t4、t5時間段由變頻器輸出，t2時間段由工頻直接輸出，根據(jù)變頻器參數(shù)設置而實現(xiàn)的轉矩輸出如圖3.8所示：圖3.8轉矩輸出PLC外部接線圖如圖3.9所示：圖3.9提升機調速系統(tǒng)的PLC外部接線圖3.3.5提升機調速系統(tǒng)各部分的PLC控制提升機系統(tǒng)的起動和停車當需要開機運行時，按下啟動按鈕，其輸出繼電器KM1吸合，置于電源與變頻器之間的常開觸點閉合，將三相動力電接入變頻調速回路中；當加速停車，并實現(xiàn)機械抱閘制動后，可以將變頻器與動力電源脫開，按下停止按鈕，使繼電器KM1失電，其常開觸點斷開，變頻器便與動力電源脫開。梯形圖如圖3.10所示：圖3.10起動、停止梯形圖提升機系統(tǒng)的上升和下降在控制回路中利用正轉繼電器K1的常閉觸點控制反轉繼電器K2的線圈；利用反轉繼電器K2的常閉觸點控制正轉繼電器K1的線圈。從而達到互鎖作用。梯形圖如圖3.1所示：圖3.11正反轉梯形圖提升機系統(tǒng)的保護及連鎖功能上過卷、下過卷保護：在離井口安全處和離井底一定距離處分別轉上霍爾常開型接近開關，當?shù)V車由于故障后操作人員失誤，礦車越過安全線時，傳感器動作，同時PLC控制安全回路動作，實現(xiàn)保護，并伴隨聲光報警。過載保護：熱繼電器常閉觸點串接于安全控制回路，當電機負載過重，電機堵轉等故障而使負載轉矩增大時，熱繼電器動作，常閉觸點斷開，使安全回路動作，保護提升機不受損壞。松繩保護：用一根細絲和一個常開型開關，在鋼絲繩下放一定距離垂直鋼絲繩方向處架起，當電機下放速度過快時，就會出現(xiàn)松繩現(xiàn)象。此時，鋼絲繩下沉，壓下開關，此時聲光報警，顯示屏上顯示故障信息。4系統(tǒng)抗干擾措施4.1PLC的抗干擾4.1.1PLC的干擾來源來自空間的輻射干干擾?？臻g的輻射電磁場（EMI）主要是由電力網(wǎng)絡、電氣設備的暫態(tài)過程、雷電、無線電廣播、電視、雷達、高頻感應加熱設備等產生的，通常稱為輻射干擾，其分布極為復雜。若PLC系統(tǒng)置于所射頻場內，就回收到輻射干擾，其影響主要通過兩條路徑：一是直接對PLC內部的輻射，由電路感應產生干擾；而是對PLC通信內網(wǎng)絡的輻射，由通信線路的感應引入干擾。來自系統(tǒng)外引線的干擾。其主要包括來自電源的干擾、信號線引入的干擾和接地系統(tǒng)混亂時的干擾。來自PLC系統(tǒng)內部的干擾。主要由系統(tǒng)內部元器件及電路間的相互電磁輻射產生，如邏輯電路相互輻射及其對模擬電路的影響，模擬地與邏輯地的相互影響及元器件間的相互不匹配使用等。4.1.2抗干擾的主要措施數(shù)據(jù)采集采用屏蔽電纜，所有屏蔽電纜層匯線接地，多芯電纜中的備用芯線也要一端接地，這樣可擴大屏蔽作用，并抑制芯線間干擾。必要時可采用帶有屏蔽層的輸入和輸出信號電纜。信號回路匯線接，輸入信號電纜、輸出信號電纜和電力電纜都要分開敷設，不能扎在一起，信號電纜接線端子均安裝在柜體下側。所有機柜、操作臺等均需保護接地，臺柜內需有獨立的PLC直流地、機殼安全地、電纜屏蔽地接地端子，與結構內部未接地電路板在電氣上隔離。電源柜、動力柜、交頻柜進線方式均為：下進下出。引至PLC柜的電纜要盡量遠離那些會產生電磁干擾的裝置。同一電平等級的信號才能用一條多芯電纜傳輸。因此對數(shù)字信號和模擬信號，在任何情況下，都必須分開電纜迸行傳輸。低電平信號線應與其它信號線分開。盡量縮短模擬量加信號線的長度，并采用雙芯屏蔽線作為信號線。保證PLC柜良好的通風環(huán)境，在設備現(xiàn)場，要充分考慮周圍環(huán)境的影響，盡量不要將PLC安裝在多塵、有油煙、有導電灰塵、有腐蝕性氣體、振動、熱源或潮濕的地方。采用標準化軟件程序可以提高運行的可靠性，故障診斷軟件定期的檢測外界環(huán)境，以便及時進行處理[[][]能昌信，劉琳，叢俊杰．\o"礦井提升信號通訊系統(tǒng)的抗干擾設計"礦井提升信號通訊系統(tǒng)的抗干擾設計[N]．河北建筑科技學院學報，2002，(01)4.2變頻器的抗干擾及其防止4.2.1變頻器干擾來源來自外部電網(wǎng)的干擾。電網(wǎng)中的諧波干擾主要通過變頻器的供電電源干擾變頻器。電網(wǎng)中存在大量諧波源如各種整流設備、交直流互換設備、電子電壓調整設備，非線性負載及照明設備等。這些負荷都使電網(wǎng)中的電壓、電流產生波形畸變，從而對電網(wǎng)中其它設備產生危害的干擾。變頻器的供電電源受到來自被污染的交流電網(wǎng)的干擾后若不加處理，電網(wǎng)噪聲就會通過電網(wǎng)電源電路干擾變頻器。供電電源的干擾對變頻器主要有（1）過壓、欠壓、瞬時掉電（2）浪涌、跌落（3）尖峰電壓脈沖（4）射頻干擾。晶閘管換流設備對變頻器的干擾當供電網(wǎng)絡內有容量較大的晶閘管換流設備時，由于晶閘管總是在每相半周期內的部分時間內導通，容易使網(wǎng)絡電壓出現(xiàn)凹口，波形嚴重失真。它使變頻器輸入側的整流電路有可能因出現(xiàn)較大的反向回復電壓而受到損害，從而導致輸入回路擊穿而燒毀。電力補償電容對變頻器的干擾電力部門對用電單位的功率因數(shù)有一定的要求，為此，許多用戶都在變電所采用集中電容補償?shù)姆椒▉硖岣吖β室驍?shù)。在補償電容投入或切出的暫態(tài)過程中，網(wǎng)絡電壓有可能出現(xiàn)很高的峰值，其結果是可能使變頻器的整流二極管因承受過高的反向電壓而擊穿。其次是變頻器自身對外部的干擾。變頻器的整流橋對電網(wǎng)來說是非線性負載，它所產生的諧波對同一電網(wǎng)的其它電子、電氣設備產生諧波干擾。另外變頻器的逆變器大多采用PWM技術，當工作于開關模式且作高速切換時，產生大量耦合性噪聲。因此變