畢業(yè)論文---基于變頻器的礦井提升機(jī)

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　礦井提升機(jī)常被人們稱為礦山的咽喉，是礦山最重要的關(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)來說，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

2、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。</p><p>　　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)

3、算機(jī)控制。</p><p>　　變頻調(diào)速是近年來發(fā)展起來的一門新興的自動(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)大范圍的無級(jí)平滑調(diào)速，在運(yùn)行過程中能隨時(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

4、歷史的必然趨勢(shì)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：礦井提升機(jī)，PLC，變頻調(diào)速，控制系統(tǒng)</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　The mine elevator is entitled as the throat of mine, and it is the most vital equipment in mi

5、ne. The mine elevator is the only channel to the underground mines, and it is shouldering the transportation of mineral, materials and people. The safety and security is the most vital to elevator. The traditional shaft

6、hoist control system is always controlled by the relay－contactor, and adopts the methods of connect series additional resistant in rotor’s winding loop to start and adjust speed. The syst</p><p>　　Along with

7、 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, an

8、d provided a new and modern manage and monitor means. Advanced industry control computer are used to monitor and manage the course of elevator [18].</p><p>　　Frequency conversion is developed as a new automa

9、tic control technology in recent years, which is used to change the power frequency of the controlled objects, it successfully achieve the speed step less adjusting of the Ac motor in a large scope, and it can make the m

10、otor 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 control the async

11、hronous mot</p><p>　　KEY WORDS：shaft hoist, PLC, frequency conversion, control system</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　第1章 緒 論1</b></p><p>　　1.1

12、 國(guó)內(nèi)外礦井提升機(jī)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)1</p><p>　　1.1.1 國(guó)外礦井提升機(jī)的現(xiàn)狀1</p><p>　　1.1.2 國(guó)內(nèi)提升機(jī)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨向2</p><p>　　1.2 本文研究意義及內(nèi)容2</p><p>　　1.2.1 研究意義3</p><p>　　1.2.2 研究?jī)?nèi)容3</p&

13、gt;<p>　　第2章 系統(tǒng)工藝流程及控制要求4</p><p>　　2.1 礦井提升機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介4</p><p>　　2.2 提升機(jī)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行方式5</p><p>　　2.3 提升機(jī)的速度要求及受力情況5</p><p>　　2.3.1 提升機(jī)的速度要求5</p><p>　　2.3.2

14、提升機(jī)的受力情況6</p><p>　　2.4 礦井提升機(jī)的電氣傳動(dòng)方案8</p><p>　　第3章 系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)11</p><p>　　3.1 控制單元基本原理11</p><p>　　3.2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)12</p><p>　　3.3 可編程控制器（PLC）介紹14</p>

15、<p>　　3.3.1 PLC的基本特點(diǎn)14</p><p>　　3.3.2 PLC的基本結(jié)構(gòu)15</p><p>　　3.3.3 PLC的工作原理15</p><p>　　3.3.4 可編程控制器的編程語言16</p><p>　　3.4 變頻器介紹17</p><p>　　3.4.1 變頻調(diào)速基

16、本原理17</p><p>　　3.4.2 變頻器按中間直流環(huán)節(jié)方式分類19</p><p>　　第4章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)21</p><p><b>　　4.1 引言21</b></p><p>　　4.2 提升機(jī)電控系統(tǒng)變頻器選擇22</p><p>　　4.3 變頻控制部分設(shè)計(jì)2

17、1</p><p>　　4.3.1 變頻調(diào)速主控系統(tǒng)設(shè)計(jì)21</p><p>　　4.3.2 變頻器外部電路設(shè)計(jì)21</p><p>　　4.4 PLC控制部分設(shè)計(jì)21</p><p>　　4.4.1 基本控制功能21</p><p>　　4.4.2 位置檢測(cè)電路21</p><p>

18、　　4.5 硬件調(diào)速控制系統(tǒng)保護(hù)措施21</p><p><b>　　4.6 小結(jié)21</b></p><p>　　第5章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)28</p><p>　　5.1 控制程序流程圖28</p><p>　　5.2 系統(tǒng)控制程序梯形圖29</p><p>　　第6章 人機(jī)交互界面

19、31</p><p>　　6.1 觸摸屏概述31</p><p>　　6.2 觸摸屏在工業(yè)控制中的應(yīng)用31</p><p>　　6.3 PWS－3261觸屏簡(jiǎn)介32</p><p>　　6.4 觸摸屏在礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用32</p><p>　　第7章 結(jié) 論34</p><p&g

20、t;<b>　　參考文獻(xiàn)35</b></p><p><b>　　致 謝37</b></p><p><b>　　第1章 緒 論</b></p><p>　　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)</p><p>　　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

21、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。</p><p>　　國(guó)外礦井提升機(jī)的現(xiàn)狀</p><p>　　近三十年來，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，而且兩者相互促進(jìn)，相互提高。起初的提升機(jī)是

22、電動(dòng)機(jī)通過減速器傳動(dòng)卷筒的系統(tǒng)，后來出現(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。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

23、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。特別要強(qiáng)調(diào)的是，此時(shí)期在國(guó)外一著名的提升機(jī)制造公司，如西門子、ABB、ALSTHOM都利用新的

24、技術(shù)和裝備，開發(fā)或</p><p>　　礦井提升機(jī)對(duì)安全性、可靠性和調(diào)速性能的特殊要求，使得提升機(jī)電控系統(tǒng)的技術(shù)水平在一定程度上代表一個(gè)廠或國(guó)家的傳動(dòng)控制技術(shù)水平[17]。比較國(guó)內(nèi)外礦用提升機(jī)系統(tǒng)，具體來說國(guó)外礦井提升機(jī)在電控方面的應(yīng)用特點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：</p><p>　　(1)提升工藝過程微機(jī)控制</p><p>　　提升工藝過程大都采用微機(jī)控制，由于微機(jī)功能

25、強(qiáng)，使用靈活，運(yùn)算速度快，監(jiān)視顯示易于實(shí)現(xiàn)，并具有診斷功能，這是采用模擬控制無法實(shí)現(xiàn)的。</p><p><b>　　(2)提升行程控制</b></p><p>　　提升機(jī)的控制從本質(zhì)上說是一個(gè)位置控制，要保證提升容器在預(yù)定地點(diǎn)準(zhǔn)確停車，要求準(zhǔn)確度高，目前可達(dá)到±2cm。采用微機(jī)控制，可通過采集各種傳感信號(hào)，如轉(zhuǎn)角脈沖變換、鋼絲繩打滑、井筒、滾筒及鋼絲繩磨損

26、等信號(hào)進(jìn)行處理，計(jì)算出容器準(zhǔn)確的位置而施以控制和保護(hù)。一般過程控制用微機(jī)作監(jiān)視，行程控制也采用單獨(dú)下位機(jī)完成。</p><p><b>　　(3)提升過程監(jiān)視</b></p><p>　　提升過程監(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)。提升過程采用微機(jī)主要完成如下參數(shù)的監(jiān)視：提升過程中各工況參數(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)

27、、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。</p><p><b>　　(4)安全回路</b></p><p>　　安全回路是指提升機(jī)在出現(xiàn)機(jī)械、電氣故障時(shí)控制提升機(jī)進(jìn)入安全保護(hù)狀態(tài)的極為重要的環(huán)節(jié)。為確保人員和設(shè)備的安全，對(duì)不同故障一般采用不同的處理方法[

28、12]。安全回路極為重要，它是保護(hù)的最后環(huán)節(jié)之一。</p><p>　　1.1.2 國(guó)內(nèi)提升機(jī)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨向</p><p>　　目前國(guó)內(nèi)的礦井提升機(jī)大多采用以下兩種拖動(dòng)方式：</p><p><b>　　(1)交流拖動(dòng)方式</b></p><p>　　目前我國(guó)提升機(jī)約70%采用串電阻調(diào)速的交流拖動(dòng)方式。有單繩和多繩兩

29、種系列，大都采用改變轉(zhuǎn)差率S的調(diào)速方法，在調(diào)速中產(chǎn)生大量的轉(zhuǎn)差功率，使大量電能消耗在轉(zhuǎn)子附加電阻上，導(dǎo)致調(diào)速的經(jīng)濟(jì)性變差[19]。極少數(shù)提升機(jī)采用串級(jí)調(diào)速方法，其調(diào)速范圍窄，且投資大。</p><p><b>　　(2)直流拖動(dòng)方式</b></p><p>　　我國(guó)提升機(jī)采用直流拖動(dòng)有兩種系統(tǒng)：直流發(fā)電機(jī)－直流電動(dòng)機(jī)機(jī)組（F－D)和晶閘管－直流電動(dòng)機(jī)(SCR－D)系統(tǒng)

30、。</p><p>　　國(guó)內(nèi)礦井提升機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)如下。</p><p>　　國(guó)產(chǎn)大型直流提升機(jī)及電控系統(tǒng)正在逐步完善和推廣使用。</p><p>　　大功率變頻調(diào)速電控提升機(jī)其效率可達(dá)98%，國(guó)內(nèi)正在組織研究這種系統(tǒng)，不少院校和研究單位都在著手研制。如天津電氣傳動(dòng)研究所已研制了一臺(tái)300kw的變頻調(diào)速裝置。</p><p>　　可編程序控制器

31、在提升機(jī)電控系統(tǒng)的應(yīng)用。</p><p>　　可編程序控制器具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、實(shí)現(xiàn)繼電邏輯容易，基本免于維護(hù)等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，特別適用于對(duì)我國(guó)占大部分的交流提升機(jī)繼電－接觸器電控系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造。因此有不少單位都在著手研制，如焦作礦務(wù)局，韓城礦務(wù)局均用可編程序控制器對(duì)TKD電控系統(tǒng)進(jìn)行改造，已投入正常運(yùn)行和使用，已經(jīng)顯示出了很強(qiáng)的生命力[20]。這是今后一段時(shí)期乃至幾十年對(duì)我國(guó)占絕大多數(shù)采用繼電控制的交流提升

32、系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造的必由之路。</p><p>　　1.2 本文研究意義及內(nèi)容</p><p>　　采用新技術(shù)、新設(shè)備、新工藝來裝備煤炭生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，以達(dá)到減人提效、確保安全生產(chǎn)的目的，是科技興煤的必由之路。礦井提升設(shè)備，其中主要是提升機(jī)及其控制和安全設(shè)備，也同樣要面臨著這一必經(jīng)之路[11]。</p><p>　　多年來，礦井提升機(jī)及其拖運(yùn)、安全保護(hù)系統(tǒng)等設(shè)備的技術(shù)

33、水平和安全水平一直是困擾煤炭安全生產(chǎn)和效益提高的重要因素。為改變這一狀況，煤炭行業(yè)的科研、高校、生產(chǎn)企業(yè)和待業(yè)主管部門以及行業(yè)的科研和生產(chǎn)企業(yè)的工程技術(shù)人員做了大量的工作，已開發(fā)了眾多適用的產(chǎn)品和技術(shù)，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。大家可以看到，目前我國(guó)已經(jīng)可提供多種技術(shù)先進(jìn)、性能可靠、安全性高的礦井提升設(shè)備，大多數(shù)已在煤礦基建、生產(chǎn)和技術(shù)改造等方面獲得了成功的應(yīng)用。</p><p>　　1.2.1 研究意

34、義</p><p>　　在調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，目前國(guó)內(nèi)各大煤礦的礦井提升機(jī)系統(tǒng)的調(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)

35、的性能，這一控制方法目前仍為現(xiàn)代交流調(diào)速的重要研究方向之一[16]。</p><p>　　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]。

36、</p><p>　　1.2.2 研究?jī)?nèi)容</p><p>　　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)。</p><p>　　當(dāng)前國(guó)內(nèi)提

37、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題：轉(zhuǎn)子回路串接電阻，消耗電能，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；提升容器通過給定的減速

38、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。</p><p>　　上述問題使提升機(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)原有提升機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)換代。</p><p>　　就計(jì)算機(jī)技術(shù)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)

39、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。</p><p>　　第2章 系統(tǒng)工藝流程及控制要求</p><p>　　2.1 礦井提升機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介</p><p>　　

40、礦井提升機(jī)是一種大型絞車。用鋼絲繩帶動(dòng)容器（罐籠或箕斗）在井筒中升降，完成輸送物料和人員的任務(wù)。礦井提升機(jī)是由原始的提水工具逐步發(fā)展演變而來?，F(xiàn)代的礦井提升機(jī)提升量大，速度高，已發(fā)展成為電子計(jì)算機(jī)控制的全自動(dòng)重型礦山機(jī)械。</p><p>　　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)。

41、提升鋼絲繩的工作原理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

42、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)120萬噸以上、井深小于2100米的豎井大多采用這種提升機(jī)</p><p>　　目前，

43、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)。</p><p>　　礦井提升機(jī)是礦山運(yùn)輸系統(tǒng)中的主要設(shè)備之一，主要用于礦井提升礦石或人員、材料，因此在礦井提升系統(tǒng)中，需遵循著“安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行”的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，“可靠性”包含兩個(gè)含義，一是“安全可靠性”，二是“工作可靠性”。二者密不可分，又各有側(cè)重、相互區(qū)別[4]。</p>&

44、lt;p>　　“安全可靠性”是指當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，要確保把系統(tǒng)引入安全狀態(tài)，一般是指安全制動(dòng)，也就是我們通常所說的“故障安全型”。而“工作可靠性”則要求在一定的時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)盡可能長(zhǎng)地保持正常工作狀態(tài)，這時(shí)就要研究如何把系統(tǒng)故障率降到最低。在礦山設(shè)備中，如主要通風(fēng)機(jī)、主排水泵等當(dāng)屬此類。對(duì)提升系統(tǒng)而言，當(dāng)然也需要較高的工作可靠性，就是要使提升容器按要求快速、準(zhǔn)確地送到規(guī)定位置，保證高效長(zhǎng)期運(yùn)行。在確保提升安全、可靠運(yùn)行的前提下，提高系統(tǒng)

45、運(yùn)行質(zhì)量，減少操作難度和維修保養(yǎng)時(shí)間，延長(zhǎng)系統(tǒng)的有效服務(wù)年限，則應(yīng)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的研究課題。</p><p>　　在此需著重指出，堅(jiān)持“安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行”的原則不僅僅是設(shè)計(jì)者的指導(dǎo)思想，也應(yīng)是用戶選型時(shí)應(yīng)堅(jiān)持的最重要的原則。為了真正實(shí)現(xiàn)“安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行”的原則，在利用眾多新技術(shù)、新產(chǎn)品來實(shí)現(xiàn)提升系統(tǒng)現(xiàn)代化改造時(shí)，必須以“可靠性系統(tǒng)工程”理論為指導(dǎo)[10]。 </p><p>

46、　　2.2 提升機(jī)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行方式</p><p>　　提升機(jī)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行方式 ,主要根據(jù)系統(tǒng)的力圖來確定：</p><p>　　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。</p><p>　　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

47、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)。</p><p>　　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。</p><p>　　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

48、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。</p><p>　　2.3 提升機(jī)的速度要求及受力情況</p><p>　　合理地確定提升機(jī)的力圖和速度圖，可以提高其運(yùn)行的安全可靠性，以及減小電動(dòng)機(jī)的功耗。</p><p>　　2.3.1 提升機(jī)的速度要求</p><p><b>　　(1)主加速階段</b><

49、;/p><p>　　如圖2－1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)力來維持穩(wěn)定的下放速度和規(guī)定的減速度。</p><p><b>　　(2)勻速階段t2</b></p><p>　　上升時(shí)，根據(jù)負(fù)載狀況使電動(dòng)機(jī)保

50、持電動(dòng)狀態(tài)，且速度Vm=1.12m／s。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。</p><p>　　(3)主減速階段t3</p><p>　　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，

51、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。</p><p><b>　　(4)爬行階段t4</b></p><p>　　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)樗俣萔4。</p><p><b>　　(5)停車階段t5</b></p><p&

52、gt;　　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)。</p><p>　　圖2－1 提升機(jī)速度圖</p><p>　　2.3.2 提升機(jī)的受力情況</p><p>　　由直線運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程可得：</p><p>　　F = + ma 式（2－1）</p><

53、p>　　式中：F－提升機(jī)在某運(yùn)動(dòng)階段的力，N；</p><p>　?。嵘龣C(jī)的靜阻力（包括車重、提升機(jī)重量和繩重），N；</p><p>　　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；</p><p>　　a－各階段的加速度、減速度值，m/。</p><p>　　當(dāng) a =0時(shí)，F(xiàn) = ，勻速運(yùn)行；</p>&l

54、t;p>　　a＞0時(shí)，F(xiàn)＞，加速運(yùn)行；</p><p>　　a＜0時(shí)，F(xiàn)＜，減速運(yùn)行。</p><p>　　根據(jù)以上分析，F(xiàn) = f（t）的力圖見圖2－2：</p><p>　　圖2－2 提升機(jī)力圖</p><p>　　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[9]：</p>

55、<p>　　(1)加(減)速度符合國(guó)家有關(guān)安全生產(chǎn)規(guī)程的規(guī)定</p><p>　　提升人員時(shí)，加速度，升降物料時(shí)，加速度。另外不得超過提升機(jī)的減速器所允許的動(dòng)力矩。</p><p>　　(2)具有良好的調(diào)速性能</p><p>　　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。</p&g

56、t;<p>　　(3)有較好的起動(dòng)性能</p><p>　　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)，有較高的過載能力。</p><p><b>　　(4)特性曲線要硬</b></p><p>　　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)速降過大，影響系統(tǒng)正常工作(當(dāng)然，當(dāng)負(fù)載超過一

57、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，即所謂要具備挖土機(jī)機(jī)械特性)。</p><p>　　(5)工作方式轉(zhuǎn)換容易</p><p>　　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)。</p><p>　　(6)采用新技術(shù)和節(jié)能設(shè)備</p><p>　　

58、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。</p><p>　　2.4 礦井提升機(jī)的電氣傳動(dòng)方案</p><p>　　根據(jù)提升機(jī)對(duì)電控系統(tǒng)的要求，提升機(jī)的電氣傳動(dòng)方案一般有以下幾種，現(xiàn)將幾種傳動(dòng)方案進(jìn)行比較。</p><p>　　繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速系統(tǒng)：</p>

59、;<p>　　這種方案的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)是通過改變轉(zhuǎn)子回路串聯(lián)的附加電阻來實(shí)現(xiàn)的。顯然這是有級(jí)調(diào)速，并且調(diào)速時(shí)能耗很大，屬轉(zhuǎn)子功率消耗型調(diào)速方案。在加速階段和低速運(yùn)行時(shí)，大部分能量(轉(zhuǎn)差能量)以熱能的形式消耗掉了，因此電控系統(tǒng)的運(yùn)行效率較低。這種調(diào)速方案是在低同步狀態(tài)下產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，需采用直流能耗制動(dòng)方案(即動(dòng)力制動(dòng))，或采用低頻制動(dòng)。但無論采用何種方式，總需要設(shè)置輔助電源和繞組的二次切換操作。</p><

60、;p>　　綜上所述，這種調(diào)速方案存在著調(diào)速性能差，運(yùn)行效率低、運(yùn)行狀態(tài)的切換死區(qū)大及調(diào)速不平滑等缺點(diǎn)。但目前在我國(guó)的各種礦山中，這種方案使用得相當(dāng)普遍，以后將面臨著技術(shù)改造的問題。</p><p>　　G―M直流可逆調(diào)速系統(tǒng)：</p><p>　　G―M(原稱F－D)直流可逆調(diào)速系統(tǒng)如圖2―3所示。直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流是恒定的，改變直流發(fā)電機(jī)的輸出電壓來改變直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。直流發(fā)電

61、機(jī)一般由同步電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的，其輸出電壓是靠改變直流發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流的大小來實(shí)現(xiàn)的。直流發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流是通過電機(jī)擴(kuò)大機(jī)GA的勵(lì)磁實(shí)現(xiàn)控制和調(diào)節(jié)的。</p><p>　　本方案的特點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，電動(dòng)狀態(tài)與制動(dòng)狀態(tài)的切換是快速平的，即能滿足四象限平滑調(diào)速的要求，由于采用了速度閉環(huán)控制，因此調(diào)速精度也比較高。系統(tǒng)在起動(dòng)時(shí)的無功沖擊小，且功率因數(shù)較高，而且還可向電網(wǎng)提供超前無功功率，以改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。但本方案有一

62、系列缺點(diǎn)：運(yùn)行效率低，因?yàn)楣β首儞Q的效率是同步電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)兩臺(tái)電機(jī)效率的乘積，通常變流組的效率只有0.8左右(考慮直流發(fā)電機(jī)組平時(shí)不停機(jī))，占地面積大，噪聲大，維護(hù)工作量大，耗費(fèi)金屬量大等。</p><p>　　圖2―3 G－M直流可逆調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　V－M直流可逆調(diào)速系統(tǒng)：</p><p>　　由晶閘管變流器代替旋轉(zhuǎn)變流器，可以提高功率變換的

63、運(yùn)行效率。晶閘管變流器的運(yùn)行效率可達(dá)0.95左右。</p><p>　　V－M直流可逆調(diào)速系統(tǒng)可分為電樞換向的可逆調(diào)速系統(tǒng)(見圖2―4a)和磁場(chǎng)換向的可逆調(diào)速系統(tǒng)(見圖2―4b)。</p><p>　?。╝） （b）</p><p>　　圖2－4 V-M直流可逆調(diào)速系統(tǒng)</p>&l

64、t;p>　　在電樞換向的可逆調(diào)速系統(tǒng)中，勵(lì)磁電流的大小和方向是恒定不變的，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小和方向是改變電樞變流器輸出電流的大小和方向?qū)崿F(xiàn)的。其特點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩的反向快(由于電樞電流的反向快)，需設(shè)置正反向兩組電樞整流器，故造價(jià)較高。</p><p>　　在磁場(chǎng)換向的可逆調(diào)速系統(tǒng)中，電樞電流的方向是不變的。轉(zhuǎn)矩極性的改變是通過改變勵(lì)磁電流的方向?qū)崿F(xiàn)的。這種方案的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩的反向過程即勵(lì)磁電流的反向過程較長(zhǎng)，為了縮短

65、反向時(shí)間需采取強(qiáng)勵(lì)磁措施。另一個(gè)特點(diǎn)是電樞變流器只需設(shè)置一組，故裝置的總體造價(jià)低。</p><p>　　由于礦井提升機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)變的快速性要求不算太高，所以在大容量的情況下，為了減少投資，往往采用磁場(chǎng)換向的可逆調(diào)速方案。不過在現(xiàn)在的制造技術(shù)進(jìn)步的條件下，兩種方案總造價(jià)的差別己不很顯著。</p><p>　　交流電動(dòng)機(jī)交－交變頻調(diào)速系統(tǒng)：</p><p>　　交流電動(dòng)機(jī)

66、交－交變頻調(diào)速系統(tǒng)在70年代奠定了理論基礎(chǔ)，80年代開始在礦井提升機(jī)上應(yīng)用，首先是交－交變頻器－同步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)投入運(yùn)行，然后是日本的交－交變頻器－籠型異步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)投入運(yùn)行，而且實(shí)現(xiàn)了多微機(jī)全數(shù)字控制。這些系統(tǒng)都具有優(yōu)良的控制性能、運(yùn)行效率高、傳動(dòng)系統(tǒng)的飛輪力距小和維護(hù)工作量少等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于大容量、低轉(zhuǎn)速的礦井提升機(jī)上。目前傳動(dòng)功率己經(jīng)能達(dá)到5000－8000kw。將同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子外裝的摩擦式提升機(jī)的滾筒合為一體的機(jī)電一體化方案具有

67、體積更小、重量更輕的優(yōu)點(diǎn)，可以明顯地降低投資費(fèi)用，成為低速大容量礦井提升機(jī)傳動(dòng)的發(fā)展方向。</p><p>　　由于礦井提升機(jī)要求四象限運(yùn)行，并且負(fù)載變化較大，故比較適合采用電源自然換相的交－交直接變頻調(diào)速系統(tǒng)，其主要電路原理圖如圖2－5所示。</p><p>　　圖2－5 交－交變頻調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　交－交變頻器由三組可逆整流器組成，其三相移相信號(hào)為

68、一組頻率與幅值可調(diào)的三相正弦信號(hào)，則變頻器輸出相應(yīng)的頻率、幅值可變的三相交流電壓，給三相同步電動(dòng)機(jī)或異步電動(dòng)機(jī)供電，實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速。</p><p>　　調(diào)速的本質(zhì)是根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化控制驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，而交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩決定了定、轉(zhuǎn)子磁通勢(shì)矢量的大小與相對(duì)位置。一般可采用控制交流電動(dòng)機(jī)定子電壓幅值與頻率(電壓控制型)或定子電流幅值與頻率(電流控制型)的標(biāo)量控制系統(tǒng)但其動(dòng)態(tài)控制性能較差為改善轉(zhuǎn)矩控制的動(dòng)態(tài)性能可采

69、用對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的定子電壓與電流實(shí)行磁通方向的矢量變換控制[13]。</p><p>　　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)大范圍的無級(jí)平滑調(diào)速，在運(yùn)行過程中能隨時(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[3]。因此本次設(shè)計(jì)

70、選用交流電動(dòng)機(jī)交－交變頻調(diào)速系統(tǒng)。</p><p>　　第3章 系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1 控制單元基本原理</p><p>　　在我國(guó)傳統(tǒng)的提升機(jī)設(shè)備中，普遍使用TKD系統(tǒng)，這種控制系統(tǒng)是采用繼電器有觸點(diǎn)的邏輯控制，以磁放大器為核心組成模擬量閉環(huán)調(diào)節(jié)。在繼電器控制系統(tǒng)中，要完成一個(gè)控制任務(wù)，支配控制系統(tǒng)工作的“程序”是由各分立元件(繼電器、接觸器

71、、電子元件等)用導(dǎo)線連接起來加以實(shí)現(xiàn)的，這樣的控制系統(tǒng)稱為接線程序控制系統(tǒng)[14]。在接線程序控制系統(tǒng)中，控制程序的修改必須通過改變接線來實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　如圖3－1所示是一個(gè)繼電器控制系統(tǒng)。它是由繼電器、接觸器用導(dǎo)線連接起來以實(shí)現(xiàn)控制程序的，其輸入對(duì)輸出的控制通過接線程序來實(shí)現(xiàn)，輸入設(shè)備(按鈕、行程開關(guān)、限位開關(guān)、傳感器等)用以向系統(tǒng)送入控制信號(hào)。輸出設(shè)備(接觸器、電磁閥等執(zhí)行元件)用以控制生產(chǎn)機(jī)械和

72、生產(chǎn)過程中的各種被控對(duì)象(電動(dòng)機(jī)、電爐、電磁閥門等)。</p><p>　　圖3－1 繼電器控制系統(tǒng)框圖</p><p>　　幾十年來，這種控制系統(tǒng)由于受元件水平的限制而存在著缺陷，突出表現(xiàn)在：使用大量繼電器、接觸器及其它分立電子元件，系統(tǒng)體積大，運(yùn)行噪聲大，功耗高，接線復(fù)雜，故障率高，工作穩(wěn)定性和可靠性差，控制速度慢，控制精度差，功能改變難度大，使用壽命短；在啟動(dòng)過程中，由于罐籠的實(shí)際

73、載重量不同，實(shí)際的加速過程并非按照預(yù)定的設(shè)計(jì)參數(shù)運(yùn)行，常常出現(xiàn)停車不準(zhǔn)確甚至提前停車現(xiàn)象；采用磁放大器做調(diào)節(jié)控制，穩(wěn)定性差，線性度差，調(diào)速精度很難保證；系統(tǒng)安全保護(hù)環(huán)節(jié)不全面，工作不可靠，故障顯示不直觀，分析查找故障難度大，缺乏運(yùn)行參數(shù)顯示功能；調(diào)速性能差，機(jī)械沖擊大，人員乘車舒適性差。</p><p>　　這些不足主要是因?yàn)椴捎美^電器控制方式造成的，在這種控制方式下繼續(xù)改善的余地不大。如果對(duì)該豎井提升機(jī)電控系統(tǒng)

74、進(jìn)行技術(shù)改造，那么需要改變控制策略，采用當(dāng)代高新實(shí)用技術(shù)來控制，使之成為安全、可靠、高效率、自動(dòng)化程度高的電控系統(tǒng)?？删幊绦蜻壿嬁刂破?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

75、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。</p><p>　　圖3－2為可編程控制器控制系統(tǒng)。其輸入設(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?？刂瞥绦蚴峭ㄟ^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

76、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改變控制器內(nèi)部的接線(即硬件)，而只需通過編程器改變程序存儲(chǔ)器中某些語句的內(nèi)容。</p><p>　　圖3－2 可編程控制器控制過程系統(tǒng)框圖</p><p>　　可編程邏輯控制器因?yàn)槠渚哂懈呖煽啃砸约败浖删幊痰膬?yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代控制中越來越廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　對(duì)于一般提升機(jī)電控系統(tǒng)來說，采用一套中小容

77、量的PLC即可滿足要求，其價(jià)格也不高。如圖3－2所示，如果采用PLC技術(shù)對(duì)TKD電控系統(tǒng)進(jìn)行改造，把原來由各種電器通過連線而實(shí)現(xiàn)的邏輯控制改由PLC通過軟件編程實(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

78、能、故障檢測(cè)及診斷功能、信號(hào)顯示功能等來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[15]。</p><p>　　3.2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)</p><p>　　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3－3所示：</p&

79、gt;<p>　　圖3－3 控制系統(tǒng)框圖</p><p>　　系統(tǒng)框圖中各部分功能如下：</p><p>　　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)械來說，在電機(jī)脫離電源后，由于運(yùn)行慣性較大，往往要經(jīng)過一段時(shí)間才能停止轉(zhuǎn)動(dòng)，這將影響生產(chǎn)效率，甚至威脅到生產(chǎn)人員的生命安全

80、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)娜撕臀锪系陌踩?lt;/p><p>　　液壓站：為提升機(jī)提供制動(dòng)力，停車時(shí)先通過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。</p><p>　　變頻器：是動(dòng)力站的能量供給單元，通過它可將輸入工頻電能轉(zhuǎn)換成頻率可調(diào)的電能提供給

81、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。</p><p>　　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。</p><p>　　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

82、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)。提升過程采用微機(jī)主要完成如下參數(shù)的監(jiān)視：提升過程中各工況參數(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[2]。系統(tǒng)框圖中用旋轉(zhuǎn)編碼器來測(cè)試電

83、機(jī)的轉(zhuǎn)速。</p><p>　　變頻調(diào)速控制系統(tǒng)工作原理：如圖3—3，系統(tǒng)內(nèi)部采用矢量控制思想，AC380V三相動(dòng)力電源由隔爆接線腔R,S,T 3個(gè)接線柱接入隔爆主腔內(nèi)，大功率變頻（SB61G110KW）可以將工頻三相交流電經(jīng)過交—直變換之后經(jīng)過逆變器，利用設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行逆變，使得輸出為某一相應(yīng)設(shè)定頻率的交流電，經(jīng)變頻后輸出U,V,W來驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行。變頻器輸出頻率的變化，將導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速變化，二者之間的關(guān)

84、系近似線性。這樣，就起到了調(diào)速的作用。</p><p>　　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

85、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。操作人員通過操作臺(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，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)。</p><p>　　3.3

86、 可編程控制器（PLC）介紹</p><p>　　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)展起來的一種通用工業(yè)自動(dòng)控制裝置。它面向控制過程、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)的基本裝置。</p>

87、<p>　　3.3.1 PLC的基本特點(diǎn)</p><p>　　可編程控制器（PLC）的誕生給工業(yè)控制帶來革命性的飛躍，與傳統(tǒng)的繼電器控制相比有著突出的特點(diǎn)：</p><p>　　(1)靈活性、通用性強(qiáng)</p><p>　　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

88、程序?qū)崿F(xiàn)各種控制功能的。因此當(dāng)工藝過程改變時(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法比擬的。</p><p>　　(2)可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)</p><p>　　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。而在控制系統(tǒng)中，大量的開關(guān)動(dòng)作是由無觸點(diǎn)的半導(dǎo)體電路來完成的，加之在硬

89、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。</p><p>　　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)”。</p><p>　　(3)編程簡(jiǎn)單，使用方便</p><

90、;p>　　PLC采用面向過程，面向問題的“自然語言”編程方式，直觀易懂，主要采用梯形圖和語句表編寫程序，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言。標(biāo)準(zhǔn)是編程語言的標(biāo)準(zhǔn)，除了梯形圖和語句表之外，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言的表達(dá)方式。一個(gè)程序的不同部分可用任何一種語言來描述，支持復(fù)雜的順序操作功能處理以及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。</p><p>

91、;　　(4)功能強(qiáng)大，可擴(kuò)展</p><p>　　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。</p><p>　　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。</p>

92、<p>　　3.3.2 PLC的基本結(jié)構(gòu)</p><p>　　PLC實(shí)質(zhì)是一種專用于工業(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3－4所示： </p><p>　　圖3－4 PLC的基本結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　3.3.3 PLC的工作原理</p><p>　　整個(gè)掃描過程分為內(nèi)部處理、通信操作、程序輸入處理、程序執(zhí)

93、行、程序輸出幾個(gè)階段，全過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。</p><p>&l

94、t;b>　　(1) 輸入處理</b></p><p>　　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。</p><p>&l

95、t;b>　　(2)程序執(zhí)行</b></p><p>　　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)行過程

96、而變化。</p><p><b>　　(3) 輸出處理</b></p><p>　　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。</p><p>　　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

97、到幾十毫秒。PLC的掃描時(shí)間取決于掃描速度和用戶程序的長(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?。?duì)用戶來說選擇一個(gè)PLC，合理的編制程序是

98、縮短響應(yīng)的關(guān)鍵。</p><p>　　3.3.4 可編程控制器的編程語言</p><p>　　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常用的編程語言有四種：梯形圖編程語言，指令語句表語言，功能圖編程語言，高級(jí)編程功能語言。</p><p>　　其中梯形圖語言形象直觀，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；指令語句表編程語言雖然不

99、如梯形圖編程語言直觀，但有鍵入方便的特點(diǎn)；功能圖編程語言和高級(jí)編程語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)介紹梯形圖語言編程。</p><p>　　梯形圖語言沿襲了繼電器控制電路的形式，梯形圖編程語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編程語言。PLC梯形圖中的繼電器、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器不

100、是物理繼電器，物理定時(shí)器和物理計(jì)數(shù)器，這些器件實(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。</p><p>　　PLC的梯形圖是形象化的編程語言，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)

101、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。</p><p><b>　　3.4 變頻器介紹</b></p><p>　　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用交－直－交方式（VVVF變頻或矢量控制變頻），先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然

102、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)能和緩沖無功功率。</p><p>　　3.4.1 變頻調(diào)速基本原理</p><p>　　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)

103、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。</p><p>　　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)組合可構(gòu)成各種閉環(huán)系統(tǒng)。</p><p>　　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：</p><p><b>　

104、　式(3－1)</b></p><p>　　式中f1－定子繞組電源頻率；</p><p><b>　　P－電機(jī)磁極對(duì)數(shù)。</b></p><p><b>　　異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率：</b></p><p><b>　　式(3－2)</b></p><

105、p><b>　　式(3－3)</b></p><p>　　由上式可知，異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法有如下幾種：</p><p>　　變同步轉(zhuǎn)速n0：變極p、變頻f1。</p><p>　　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。</p><p>　　由電機(jī)學(xué)可知，轉(zhuǎn)差功率：</p><

106、p><b>　　式(3－4)</b></p><p>　　式中Pem－電磁功率；</p><p>　　PCu2－轉(zhuǎn)子銅耗。</p><p>　　由式3－4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。</p><p>　　在變頻調(diào)速領(lǐng)域，異步電機(jī)的控制方式多種多樣

107、，但從轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)性和過渡特性來看，變頻調(diào)速的控制方式分為以下幾種：</p><p><b>　　(1)V壓控制</b></p><p>　　V壓控制是交流電機(jī)最簡(jiǎn)單的一種控制方法，通過控制過程中始終保持V用為常數(shù)，來保證轉(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)載的不同來進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，

108、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。</p><p><b>　　(2)轉(zhuǎn)差頻率控制</b></p><p>　　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