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1、电控学院【监测监控系统的设计】(提升机变频调速控制系统设计)班级：姓名：学号：日期：基于PLC的矿井提升机变频调速控制系统设计 摘 要 本文针对提升机控制系统中存在的上述问题，把可编程序控制器和变频器应用于提升机控制系统上，并在可行性方面进行了较深入的研究。根据提升机的运行特点，控制系统采用工控机监控提升机变频调速系统， PLC控制系统、变频调速系统等组成。为了提高系统的可靠性，对提升机各种物理量及控制单元进行控制监控。提升机的动态监测由工控机或触摸屏和组态软件组成。用户在组态环境中完成动画设计、设备连接、编写控制流程和工程所需要的信息报表以及结果打印等。主控系统采用PLC系统，硬件简洁、软件
2、灵活性强、调试方便、维护量小，配合一些专用电子模块组成的提升机控制设备，可供控制高压带动动力制动或低频制动等。同时能检测各电机故障现象并送往上位机显示。减少了传统继电器接触式控制系统的中间环节，减少了硬件和控制线，极大提高了系统的稳定性，可靠性。关键词：矿用提升机；变频调速；矢量控制；可编程控制器第1章 矿井提升机调速系统的设计1.1 矿井提升机对控制系统的要求提升机控制系统方案的选用应满足生产工艺的要求速度图。所以需要先来分析提升机电控系统的静、动态特性。提升机电气传动系统的给定速度u=f(t)如图2-1所示，根据动力学方程式Td=Te-Ti= Tn *e/375 (2.1)式中 Te-电动
3、机电动力矩;Ti-传动系统的静阻转矩;Tn-传动系统的飞轮力矩，Tn=4gJ，其中J为转动惯量()，g为重力加速度Td-传动系统的动态转矩,e-加速度。可以得出按给定速度图所需转矩Te=f(t)的特性，从而可以得到拖动系统所需的力F=f(t)，提升机传动系统给定速度图、力图如图2-1所示。 图a 图b图c图d 图1-1 提升机传动系统给定速度图、力图提升机的负载静力FL决定于提升机滚筒承受的静张力差，在双罐笼的平衡提升系统中，静力凡也就是提升物体的净载重。由于提升系统的负载为位势负载，所以静力FL的作用方向始终是提升重物的重力方向，而与系统的运动状态和方向无关。因此在电动机不带电时，为了使重的
4、罐笼处于静止状态(便于罐笼的装卸载)，对滚筒必须施加机械闸。从图2-1可以看出，要使提升机按照给定的速度图运行，电动力矩Te可能为正，也可能为负。这意味着电动机不仅要工作在电动状态，还应能工作在制动状态。由于不同的负载，不同的提升机运行阶段，电动机的运行状态也各不相同。综合以上提升机的运行特点以及矿山生产固有的特点，提升机工艺对提升机电控系统的要求如下:(1) 加(减)速度符合国家有关安全生产规程的规定。提升人员时，加速度a0.75m/s2，升降物料时，加速度a1.2m/s2,另外不得超过提升机的减速器所允许的动力矩。(2) 具有良好的调速性能。要求速度平稳，调速方便，调速范围大，能满足各种运
5、行方式及提升阶段(加速、减速、等速、爬行等)(3) 有较好的起动性能。提升机不同于其他机械，稳定运行的要求。不可能待系统运转后再装加物料，因此，必须能重载启动，有较高的过载能力。(4) 特性曲线要硬。要保证负载变化时，提升速度基本上不受影响，防止负载不同时速降过大，影响系统正常工作(当然，当负载超过一定的限度时，还要求系统能有效的自我保护。迅速安全制动停车，即所谓要具备挖土机机械特性)。(5) 工作方式转换容易。要能够方便的进行自动、半自动、手动、验绳、调绳等工作方式的转换，操作方便，控制灵活，不至于因工作方式的转换影响正常生产。(6) 采用新技术和节能设备，易于实现自动化控制和提高整个系统的
6、工作效率。具备必要的连锁和安全保护环节，确保系统安全运行.尽量节约能源和降低运转费用。1.2 提升机调速控制系统方案设计1.2.1 控制单元基本原理图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-
7、2 可编程控制器控制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。1.2.2 调速装置直流拖动系统具有调速性能好的特点，是交流拖动系统无法相比的。而V-M系统由于具有以上一些突出的特点，因此，目前在大型提升机方面，世界各国大多采用直流拖动方案，尤以V-M系统为主。但是根据国内生产实践经验表明，V-M系统尚存在以下缺点:(1) 晶闸管元件的过载能力(过电压、过电流)较低，因此在矿井提升机系统中作为供电元件时，为了适应瞬时过载(例如提升机的加速阶段)的需要，通常将元件的容量和耐压等级都相应增大，或者增加使用的晶闸管元件数量，使元件作串联或并联运行，即
8、使用的元件在正常负载时处于低负载(降级使用)，以确保在过载的加速阶段，晶闸管元件的负载仍然在额定负载的范围内，不致由于出现过负荷时使晶闸管元件烧毁。但由于这种降级使用，也给生产维护上增加了困难。(2) 有冲击性的无功功率。由于高次谐波的影响，使电网电压的波动加大并导致畸变，即所谓引起“电力公害”:同时低速时功率因数也较低。目前,在我国使用的多绳摩擦轮提升机，G-M直流拖动占一定比例，而进口的直流拖动提升系统，则全部采用V-M系统。传统的串电阻交流拖动系统具有结构简单，坚固耐用，占地面积小，维护方便，运行可靠价格低廉，设备供货容易，安装调试周期短等优点.主要缺点是启动阶段电能损耗较大，当用于要求
9、频繁启动或不同运行速度的多水平提升机时就更为不经济。但用于单水平提升时，其提升效果实际上与用发电机组供电的直流拖动系统相当。此外在调速性能方面，交流拖动系统一般不如直流拖动系统优越，但选用了动力制动、低频制动、可调机械闸、负荷测量、计算装载等辅助装置后，交流拖动系统亦可获得满意的调速性能。综上原因，交流拖动系统在我国中小型矿山或者中等深度以下矿井获得了广泛应用。近年来交流变频调速技术迅速发展起来，调速方式的不断进步使得运用于提升机系统的交流调速技术不仅仅局限于传统的转子串电阻方式，变频调速技术也越来越多地在提升机控制系统中广泛应用，充分发挥出交流调速的优势。目前交流调速最有前途的是变频调速技术
10、，在变频调速技术中矢量控制和直接转矩控制都能满足提升机恒转矩负载这一特征，所以在提升机调速系统中这两种调速方案将是重要发展方向。1.2.3 主控系统设计基于PLC控制的大功率矿井提升机变频调速控制系统由主控系统、变频系统、液压站、润滑站、操作台、安全保护和控制监视系统组成，系统框图如图2-3所示。各部分功能如下。 2-3 提升机控制系统框图 （1）主控系统图2-3为提升机控制系统框图。系统的主控系统采用三菱FX2N系列的可编程控制器，一备一用，当主PLC发生故障的时候可以迅速切换备用PLC不影响生产。使用PLC集成高速计数输入口以及特殊高速计数模块相结合，对分别安装于电机轴、辊筒主轴、天轮的四
11、个编码器数据进行采集，同时监视速度、深度以及判断松绳；A/D模块采集现场液压站及润滑站的油压、油温等信号;在井筒及深指器各阶段安装行程开关，用以确定罐笼位置，并相互校验，达到停车位的精确控制。程序编制满足提升机自动、半自动、手动、验绳、调绳等工作方式，并可方便的转换;满足提升阶段(如加速、减速、等速、爬行等)稳定运行的要求。 （2）变频调速系统调速系统采用德国制造西门子变频器，性能优越，采用矢量控制技术适合提升机工作环境，只需在控制单元给出对变频器的控制命令(正转、反转、多段速等)即可使提升机按照设定的速度曲线运行，满足提升阶段稳定运行的要求。变频调速装置本身具有过压、欠压、过流、过负荷、缺相
12、、超温等保护，同时配合来自现场的各种信号传感器的监视及相应处理，可实现绞车过卷、过速、减速、限速等重要保护的双线制保护功能，满足煤矿安全规程要求。在变频器系统中输出闸控信号到PLC，要求只有在变频的输出转矩达到一定值的时候才可以松闸，这样会避免竖井提升机启动时发生溜车现象。 （3）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。 （4）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，
13、可以发布系统的各种控制命令，以实现对提升机启动、加速、平稳运行、减速、停车以及紧急制动等各种控制功能。 （5）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。 （6）安全保护本系统设有一条硬件安全电路和两条软件安全电路，这三条安全电路相互冗余与闭锁，一条断开时，另两条也同时断开。硬安全回路通过硬件回路实现，无论PLC单元是否正常工作，一旦出现重度故障信号，硬安全回路马上断开;软安全回路分别在两套PLC软件中搭建，与硬安全回路相同并且同时动作。安全电路断开后，系统会立即解除运行控制指令，封锁变频器，制动油泵，断开安
14、全阀和KT线圈，进行紧急制动。安全保护功能齐全，设有过卷、等速超速、定点超速、PLC 编码器断线、错向、传动系统故障及自动限速等保护功能。控制系统工作原理：当司机听到开车信号时，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
15、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。 第2章 变频调速系统的设计2.1 变频器主电路设计及参数设定变频器可以输出频率可调的交流电源，在变频器的控制输入回路中接入频率设定电路，本系统中通过PLC输出电压信号(012 V)来控制变频器的频率。变频器的容量可从三个角度表述:额定电流、可用电动机功率和额定容量，其中后两项变频器生产厂家由本国或本公司生产的标准电动机给出，或随变频器输出电压而降低，都很难确切表达变频器的能力。还可以将多台变频器的直流母线直接连接，形成公共直流母线，再接入制动单元与制动电阻，当制动功率大时由制动电阻消耗能量。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另外在变频器的外围加设有声光报警输出口及制动单元，能够实现变频器故障报警和安全制动，更有效的对控制系统进行安全保护，变频调速主控电路如图3-1所示。3-1变频调速主控电路图声光报警回路：变频器报警输出的动断（常闭）触点30B-30C串联在KM1的线圈电路内，当变频器因故障不能正常工作时，报警输出的常闭触点动作，使KM1线圈失电，将变频器与电源断开，进行安全保护
