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1、西安科技大学 硕士学位论文 基于PLC矿井提升机变频控制系统的应用 姓名：艾国 申请学位级别：硕士 专业：电气工程 指导教师：付周兴 论文题目：基于 PLC 矿井提升机变频控制系统的应用 专 业：电气工程 硕 士 生：艾 国 （签名） ： 指导教师：付周兴 （签名） ： 摘 要 矿井提升机是矿山最重要的设备，肩负着矿石、物料、人员等的运输责任。传统矿 井提升机电控系统采用绕线式转子串电阻调速，控制线路复杂、调速性能较差、故障率 高、电能浪费大、效率低等缺点。因此对矿井提升机控制系统进行研究具有现实意义。 本文以 PLC 为提升机电控系统控制核心器件， 采用基于矢量控制的变频调速系统对 原有的调
2、速控制系统进行改造。论文根据矿用提升机的运行特性要求，对变频器和 PLC 进行选型，并对系统的软、硬件进行设计，其中包括检测模块、控制模块、保护模块、 显示模块和抗干扰模块的设计，最后进行系统集成和调试。 实际运行结果表明，该系统运行可靠、安全性高、控制灵活、节能显著，控制性能 明显优于传统的 TDK 控制系统，提高了矿井提升系统的自动化水平。 关 键 词：变频器；提升机；PLC；变频调速；仿真 研究类型：应用研究 Subject : Application Research of the Frequency Conversion Control System Use on Mine Hois
3、t Based on PLC Specialty : Electrical Engineering Name : Ai Guo (Signature) Instructor : Fu Zhouxing (Signature) ABSTRACT The mine hoist is the most important key equipment in the mine and it shoulders the responsibility of transporting ore、material and people.Tranditional TDK electric control syste
4、m is used in tranditional control system,and uses cascade speed regulation as its control pattern.Thus,large AC contactors and DC timing relay are usually used in control system,but the control circuit is complicated and has a low performance of speed regulation.This kind of control system has many
5、shortcomings,such as low reliability、complex operations、high failure rate、high waste of electric power and inefficiency.So it is vital to do research on hoist control system. With the continuous development of computer and PLC technology,it has become imperative to change the tranditional equipment
6、of mine by using advanced control technology. It not only improves the control performance of mine hoist,but also makes the whole control system to be a high level in automation、safety and reliability. This paper makes an modification to existed speed control system based on vector control and frequ
7、ency control. The whole hardwares of mine hoist control system are made of transducer、programmable controller、driver platform、supervisory system and the part of mechanical transmission.Considering the wretched conditons where the control system is used,I adopt some measures on protection and anti-ja
8、mming.In the course of designing the software,recovery processing block is added to the system so as to improve the safety and reliability of operating system. Mine hoist frequency converter control system based on PLC has being used more than a year in YuLin.The application of the control system sh
9、ows that the control system designed in this paper has high reliability 、apparent effect of energy conservation and it is easy to use. Keywords: Invert Hoist PLC Frequency Control Simulation Thesis : Application and Research 1 绪论 1 1 绪论 1.1 课题研究背景 矿井提升机是煤矿、有色金属矿中的重要运输设备,是煤矿“四大运转设备”之一，其 电力传动特性复杂1，电动机
10、频繁正、反向运行，经常处于过负荷运转和电动、制动不 断转换的状态中23；它的安全性、可靠性亦是至关重要，其运行性能和安全可靠性直 接影响着煤炭生产及作业人员的生命安全， 一旦发生事故必然导致人员伤亡和设备的严 重损坏，矿山正常生产中断，并造成重大的经济损失。因此，提高提升机的性能，提高 其自动化水平，使其安全性、可靠性达到一个新的高度势在必行。 随着现代科学技术的进步，现代化矿井的建设，以及对作业人员的生命更加重视， 对矿井提升机的安全可靠性提出了更高的要求。近年来，我国有关部门在提升机安全方 面做了大量工作，使矿井提升机设备的安全可靠性有了长足进步，并将“可靠性系统工 程”的理念引入了矿井提
11、升机领域，与之相适应，提升机对其电控系统安全可靠性的要 求也愈来愈高。因此，在设计矿井提升机时，总是把安全性、可靠性放在首要位置。就 其本质而言，提升机电控系统的高可靠性主要表现在两个方面：一是电控装置本身质量 好，故障率低；二是电控系统出现故障后应能根据故障性质及时进行保护，并能对故障 内容进行记忆和显示，以便能迅速排除。 自 80 年代开始，随着数字、电力电子技术的发展，可编程控制器(PLC)和变频器在 提升机控制系统中逐步得到采用，可编程控制器具有可靠性高、抗干扰力能强、实现继 电逻辑容易，基本免于维护等独特优点，从而使得提升机控制系统的安全性得到了很大 的提高。 1.1.1 变频器发展
12、概况 变频器自 20 世纪 60 年代问世，到 80 年代在主要工业化国家已广泛使用。随着人 们对节能环保意识的加强，变频器的应用越来越普及，广泛应用于国民经济的各行各业 和人民的日常生活中，变频器产品也从以大功率双极晶体管(GTR)为主的时代发展为以 绝缘栅晶体管(IGBT)为主的时代4，国际知名的“ARC 机构”研究统计 1998 年世界交 流电动机实施调速控制的传动产品的销售额为 48.5 亿美元，其中北美占 21%，日本占 27%，日本之外的亚洲占 12%，欧洲、中东及非洲占 39%，拉丁美洲占 1%，1999 年， 国际大功率交流调速装置的销售额为 24 亿美元5。 目前，我国电动机
13、的总装机容量已达 4 亿千瓦，年耗电量占全国用电量的近 60%， 但电机驱动系统的能源利用率却非常低，基本上要比国外平均水平低 20%，70%的电机 西安科技大学工程硕士学位论文 2 只相当于国际 20 世纪 50 年代的技术水平，电机驱动系统能效比国外低 20%左右，节能 潜力巨大。 国内交流变频调速技术产业现状是： （1） 变频器的整机技术落后，国内虽有很多单位投入了一定的人力、物力，但由 于力量分散，并没有形成一定的技术开发能力和生产规模。 （2） 变频器产品所用半导体功率器件的制造业几乎是空白。 （3） 相关配套产业及行业落后。 （4） 产销量少，可靠性及工艺水平不高。 国外交流变频调
14、速技术高速发展有以下特点： （1） 市场需求空间大。 随着工业自动化程度的不断提高和能源全球化短缺， 变频 技术越来越广泛地应用在机械、纺织、化工、造纸、冶金、食品等各个行业以及风机、 水泵等设备，并取得显著的经济效益。 （2） 功率器件的发展。近几年来高电压、大电流的 GTR，GTO，IGBT， IGCT 等器件的生产和面世，使高电压、大功率变频器产品的生产及应用成为现实。 （3） 控制理论和微电子技术的发展。矢量控制、磁通控制、转矩控制、模糊控制 等新的控制理论为高性能的变频器提供了理论基础；16 位、32 位高速微处理器以及信 号处理器（DSP）和专业集成电路（ASIC）技术的快速发展，
15、为实现变频器高精度、多 功能和智能化提供了硬件手段。 （4） 基础工业和各种制造业的高速发展， 变频器相关配套件社会化、 专业化生产。 1.1.2 可编程控制器的发展及应用 20 世纪 60 年代，生产线的控制主要采用继电器控制，修改一条生产线要更换许多 硬件设备， 进行复杂的接线， 既浪费了许多硬件又大大的拖延了工期， 增加产品的成本。 1968 年，美国通用汽车公司（GM）液压部提出了十项技术指标6： （1） 编程简单，可在现场修改和调试程序； （2） 维护方便，各部件最好采用插件方式； （3） 可靠性高于继电器控制系统； （4） 设备体积小于继电器控制系统； （5） 数据可以直接送给管理
16、计算机； （6） 成本可与继电器控制系统相竞争； （7） 输入电压是 115V 交流电； （8） 输出电压也是 115V 交流电，输出电流达 2A 以上，可以直接驱动电磁阀； （9） 系统扩展时，原系统只需做很小的变动； （10）用户程序存储量可扩展到 4KB。 1 绪论 3 美国数宇设备公司(DEC)于 1969 年成功研制了一台符合要求的控制器，型号为 PDP-14，投入通用汽车公司的生产线控制中，取得了令人满意的效果。美国电气制造协 会（NEMA）经过 4 年的调查，于 1980 年把这种控制器正式命名为可编程控制器 （Programmable Logical Controller） ，从此开创了 PLC 的新纪元。在短时间内，PLC 在 其他工业部门也得到应用，到 70 年代初，食品、金属和制造等工业部门相继使用 PLC 代替继电器控制设备，迈出了其实用化阶段的第一步。可
