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1、PLC 在矿井提升机变频调速中的应用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。传统的矿井提升机控制系统主要采用继电器-接触器进行控制，这类提 升机通常在电动机转子回路中串接附加电阻进行启动和调速。这种控制系统 存在可靠性差、操作复杂、故障率高、电能浪费大、效率低等缺点。针对这种情况采用PLC与变频器相结合的控制方案对原有电控系统进行改造，提高整个电控系统安全可靠性、控制精度及调速性能。因此，对矿 井提升机控制系统进行研究具有现实意义，也是国内外相关行业专家学者的 一个热门研究课题。本文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
2、究。事实表明，采用该控制系统，使提升机工作可靠， 使用方便，同时具有动态显示的功能，节能效果明显。关键词：矿井提升机；变频调速；矢量控制；PLC；第I章绪论1.1 课题概述矿井提升机是机、电、液一体化的大型机械1，广泛用于煤炭、有色金 属、黑色金属、非金属、化工等矿山的竖井、斜井，是生产运输的主要工具。 在煤炭生产中提升机担负着提升煤炭、矸石、下放材料、升降人员和设备的 任务，是联系井上与井下的唯一途径，素有矿井咽喉之称。提升机的电力传 动特性复杂，电动机频繁正反向，经常处于负荷运转和电动、制动不断地转 换的状态中。对应提升机来说运行的安全可靠是至关重要的，主井直接关系 到矿山的生产效率，作为
3、运送人员的副井，一旦发生故障往往造成机毁人亡。 提升机运行的安全可靠性不仅直接影响整个矿井的生产能力，影响整个矿山 的经济效益，而且还涉及到井下工作人员的生命安全。因此，研制并制造即 安全可靠又节省能源的提升机是煤炭安全生产的一项重要课题。I.2 课题来源国内提升机电控绝大多数还是转子回路串电阻分段控制的交流绕线式 电机继电器-接触器系统，设备陈旧、技术落后。而且这种控制方式存在着 很多的问题：1）转子回路串接电阻，消耗电能，造成能源浪费。2）电阻分级切换，为有级调速，设备运行不平稳，容易引起电气及机械 冲击。3）继电器、接触器频繁动作，电弧烧蚀触点，影响接触器使用寿命，维 修成本较高。4）交
4、流绕线异步电动机的滑环存在接触不良问题，容易引起设备事故。5）电动机依靠转子电阻获得的低速，其运行特性较软。6）提升容器通过给定的减速点时，由于负载的不同，而得到不同的减速 度，不能达到稳定的低速爬行，最后导致停车位置不准，不能正常装卸载。上述问题使提升机运行的可靠性和安全性不能得到有效的保障。因此， 需研制更加安全可靠的控制系统，使提升机运行的可靠性和安全性得到提 高。在提升机控制系统中应用计算机控制技术和变频调速技术，对原有提升 机控制系统进行升级换代。就计算机技术在工业现场应用情况而言，可编程控制器(PLC )是目前作 为工业控制最理想的机型，它是采用计算机技术、按照事先编好并储存在计
5、算机内部的一段程序来完成设备的操作控制。采用PLC控制，硬件简洁、软 件灵活性强、调试方便、维护量小，PLC技术己经广泛应用于各种提升机控 制，配合一些提升机专用电子模块组成的提升机控制设备，可供控制高压带 动力制动或低频制动，单、双机拖动等。操作、监控和安全保护系统选用可 编程控制器。主控计算机应用软件能完成提升机自动、半自动、手动、检修、 低速爬行等各种运动方式的控制要求。本设计将在PLC电控系统的基础上配合变频调速装置，运用现在先进的 矢量控制技术，不但适合提升机运行工艺的要求，还将解决整套提升机系统 的电力拖动方面的一系列问题。1.3 国内外提升机研究状况近三十年来，国外提升机机械部分
6、和电气部分都得到了飞速的发展，而 且两者相互促进，相互提高。起初的提升机是电动机通过减速器传动卷筒的 系统，后来出现了直流慢速电动机和直流电动机悬臂安装直接传动的提升 机。上世纪七十年代西门子发明矢量控制的交一直一交变频原理后，标志着 用同步电动机来代替直流电机实现调速的技术时代已经到来。1981年第一台 用同步机悬臂传动的提升机在德国Monopo 1矿问世，1988年由MAVGH H制 造的机电一体的提升机(习惯称为内装电机式)在德国Romberg矿诞生了，这 是世界上第一台机械和电气融合成一体的同步电机传动提升机。在提升机机 械和电气传动技术飞速发展的同时，电子技术和计算机技术的发展，使提
7、升 机的电气控制系统更是日新月异。早在上世纪七十年代，国外就将可编程控 制器(PLC)应用于提升机控制。上世纪八十年代初，计算机又被用于提升机 的监视和管理。计算机和PLC的应用，使提升机自动化水平、安全、可靠性 都达到了一个新的高度，并提供了新的、现代化的管理、监视手段。特别要 强调的是，此时期在国外著名的提升机制造公司，如西门子、 ABB、 ALSTHOM都利用新的技术和装备，开发或完善了提升机的安全保护和监控 装置，使安全保护性能又有了新的提高。就在国外科学技术突飞猛进发展的时候，我国提升机电控系统很长时间 都处于落后的状况。直到目前为止，我国正在服务的矿井提升机电控系统大 多数还是转子
8、回路串金属电阻的交流调速系统，设备陈旧、技术落后。国产 提升机安全性、可靠性差，在关键部位上下两井口减速区段没有配套的有 效的速度监视装置，就提升机控制技术而言，依然是陈旧的，和国外相比， 我们存在很大的差距。矿井提升系统的类型很多2，按被提升对象分：主井提升、副井提升； 按井筒的提升道角度分：竖井（如图1.1所示为竖井井架设备）和斜井；按提升 容器分：箕斗提升、笼提升、矿车提升；按提升类型分：单绳缠绕式和多绳 摩擦式等。我国常用的矿用提升机主要是单绳缠绕式和多绳摩擦式。我国的 矿井与世界上矿业较发达的国家相比，开采的井型较小、矿井提升高度较浅， 煤矿用提升机较多，其他矿（如金属矿、非金属矿）
9、则较少。因此在20世纪60 年代开始单绳缠绕式矿井提升机采用较多。图 1-1 井架 目前我国提升机90%以上均采用交流绕线式异步电动机的拖动方式，其 电控系统用于单绳缠绕式提升机的有TKD系列，多绳磨擦式提升机的有JKM、幻J系列。这几种提升机通常在电动机转子回路中串接附加电阻进行 起动和调速。串电阻调速是一种恒转矩调速方法转子功率的损耗随着串入的 电阻的增大而增大。尽管转子串电阻调速方法很不经济，低速特性也很软， 稳定性差，但是由于这种调速方法比较简单易行，起动转矩较大在拖动起重 机等中、小容量的绕线式异步电动机中仍然应用广泛。20世纪80年代，我国从瑞典、西德等国引进多套晶闸管直流电动机控
10、 制系统。直流电动机传动有两种电控系统，一种为直流发电机直流电动机 机组，另一种为晶闸管直流电动机系统。我国自己生产的晶闸管直流电 动机控制系统应用于20世纪90年代。这种控制系统的优点是：体积小、重量 轻、占地面积小；基础省、安装方便、建筑费用低；无齿轮传动部分（不需 要减速器）、总效率高、电能消耗少；单机容量大，适用范围广；调速平稳、 调速范围广、调速精度高；易于控制，能实现自动化，安全可靠；节约电能。矿井提升机对安全性、可靠性和调速性能的特殊要求，使得提升机电控 系统的技术水平在一定程度上代表一个企业或国家的传动控制技术水平。比 较国内外矿用提升机系统，具体来说国外矿井提升机在电控方面的
11、应用特点 有以下几个方面：1）提升工艺过程微机控制提升工艺过程大都采用微机控制，由于微机功能强，使用灵活，运算速 度快，监视显示易于实现，并具有诊断功能，这是采用模拟控制无法实现的。2）提升行程控制提升机的控制从本质上说是一个位置控制，要保证提升容器在预定地点 准确停车，要求准确度高，目前可达到2cm。采用微机控制，可通过采集 各种传感信号，如转角脉冲变换、钢丝绳打滑、井筒、滚筒及钢丝绳磨损等 信号进行处理，计算出容器准确的位置而施以控制和保护。一般过程控制用 微机作监视，行程控制也采用单独下位机完成。3）提升过程监视提升过程监视与安全回路一样，是现代提升机控制的重要环节。提升过 程采用微机主
12、要完成如下参数的监视：a、提升过程中各工况参数（如速度、 电流）监视；b、各主要设备运行状态监视；c、各传感器（如位置开关、停车 开关）信号的监视。使各种故障在出现之前就得以处理，防止事故的发生， 并对各被监视参数进行存储、保留或打印输出。甚至与上位机联网，合并于 矿井监测系统中。4）安全回路安全回路是指提升机在出现机械、电气故障时控制提升机进入安全保护 状态的极为重要的环节。为确保人员和设备的安全，对不同故障一般采用不 同的处理方法。安全回路极为重要，它是保护的最后环节之一，英、德几家 公司都采用两台PC微机构成安全回路，使安全回路具有完善的故障监视功 能，无论是提升机还是安全回路本身出项故
13、障时都能准确地实施安全制动。而在电力拖动方面，近几年国外出现了不少新拖动方式，交一交变频供 电方式就是最有前途的一种。20世纪80年代西欧一些工业先进国家将交流变 频调速技术应用于提升机，有代表性的是ABB公司。我国在20世纪90年代也 引进了交流变频调速提升机控制系统。变频调速方式类似于它励直流电动机 取得很宽的调速范围、很好的调速平滑性和有足够硬度的机械特性，在提升 机应用中显示了其独特的优势。1.4 本文内容及研究意义1.4.1 研究内容当前国内提升机电控绝大多数还是转子回路串电阻分段控制的交流绕 线式电机继电器接触器系统，设备陈旧、技术落后。而且这种控制方式存在 着很多的问题3：1）转
14、子回路串接电阻，消耗电能，造成能源浪费。2）电阻分级切换，为有级调速，设备运行不平稳，容易引起电气及机械 冲击。3）继电器、接触器频繁动作，电弧烧蚀触点，影响接触器使用寿命，维 修成本较高。4）交流绕线异步电动机的滑环存在接触不良问题，容易引起设备事故。5）电动机依靠转子电阻获得的低速，其运行特性较软。6）提升容器通过给定的减速点时，由于负载的不同，而将得到不同的减速度，不能达到稳定的低速爬行，最后导致停车位置不准，不能正常装卸载。 上述问题使提升机运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统，使提升机运行的可靠性和安全性得到提 高。在提升机控制系统中应用计算
15、机控制技术和变频调速技术，对原有提升 机控制系统进行升级换代。就计算机技术在工业现场应用情况而言，可编程 控制器(PLC)是目前作为工业控制最理想的机型，它是采用计算机技术、按 照事先编好并储存在计算机内部一段程序来完成设备的操作控制。采用PLC 控制，硬件简洁、软件灵活性强、调试方便、维护量小，PLC技术己经广泛 应用于各种提升机控制，配合一些提升机专用电子模块组成的提升机控制设 备，可供控制高压带动力制动或低频制动，单、双机拖动等。操作、监控和 安全保护系统选用可编程控制器。主控计算机应用软件能完成提升机自动、 半自动、手动、检修、低速爬行等各种运动方式的控制要求。提升机系统控制提升系统图
16、 1-2 矿用提升机变频调速控制系统而在PLC电控系统的基础上配合变频调速装置，运用现在先进的矢量控 制技术，不但适合提升机运行工艺的要求，还将解决整套提升机系统的电力 拖动方面的一系列问题。变频装置取代复杂的串联电阻切换装置，对提升机 运行速度曲线、转矩大小的要求都由变频器来完成，简化了控制操作流程， 提高了控制精度。1.4.2 研究意义在调研中发现，目前国内各大煤矿的矿井提升机系统的调速方案大多采 用继电器接触器控制的转子串电阻调速。该方案耗能大，占地面积大，已不 能适应现代矿业发展的需要。因此有必要对其调速方案进行改造。在广泛考察现行的变频调速方案后，本文提升机系统控制单元采用目前 工控适用的可编程控制器来控制4，具有编程简单和控制可靠性高的优点; 电力拖动系统中，选用先进的变频传动装置，运用先进的矢
