高壓變頻礦井提升機電控系統(tǒng)設計畢業(yè)論文

1、摘 要摘 要礦井提升機常被人們稱為礦山的咽喉，是礦山最重要的關鍵設備。傳統(tǒng)礦井提升機控制系統(tǒng)采用機械的繼電器-接觸器控制，技術落后，精度差，保護不可靠，采用PLC的電控系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械式控制系統(tǒng)，從而使礦井提升機的控制性能得到極大的改善。本文設計的礦井提升機電控系統(tǒng)，具有數(shù)字行程監(jiān)控、提升機工作過程控制、安全保護和遇故障制動控制的功能，從而有效的保證提升系統(tǒng)安全可靠的運行。主控系統(tǒng)采用三菱FX2N系列PLC完成各種功能實現(xiàn)；TDR-J360-RE軸編碼器連接在電機高速軸作為速度檢測元件；HIVERT-YVF型變頻器作為系統(tǒng)調(diào)速設備。從而實現(xiàn)整套系統(tǒng)運行的安全性、穩(wěn)定性、可靠性。關鍵詞 礦井提

2、升機 PLC 變頻調(diào)速 電控系統(tǒng)I目 錄AbstractMine Hoist are often referred to as the throat of mines, which is the most important mining equipment. Traditional mine hoist control system uses mechanical relay - access control. Using the PLC electronic control system to replace the traditional mechanical control syste

3、m because of backward technology, poor accuracy and protection is not reliable .so that the mine hoist control of a performance gains great improvement.The winch designed in this paper upgrade electronic control systems, having digital surveillance programmer to enhance the work of process control,

4、security protection and control function confronting the case of braking failure, and thus effectively raise the guarantee system of safe and reliable operation. Main Control system using Mitsubishi FX2N PLC completed series of function to achieve; TDR-J360-RE-axis encoder connected the high-speed m

5、otor shaft as the speed detection devices; HIVERT-YVF installed with counter-converter system is considered as the Speed Equipment. Thus the security, stability, reliability to the Operation of the entire system is achieved.Key Words Mine Hoist，PLC，F(xiàn)requency Control，Electronic Control system目 錄摘 要 I

6、Abstract II1 緒論 11.1 課題研究的重要性 11.2 課題研究的意義 11.3 礦井提升機電控系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展狀況 21.3.1 國外礦井提升機電控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 21.3.2 國內(nèi)礦井提升機電控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 31.4 課題的設計目標 42 提升電控系統(tǒng)概述 62.1 礦井提升機工作原理及機械結構 62.2 提升設備對電控系統(tǒng)的要求72.2.1 提升設備對電控系統(tǒng)的安全要求72.2.2 提升設備對電控系統(tǒng)的性能要求82.3 提升機的電氣傳動82.4 提升機變頻電控的組成 102.5 變頻調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)越性 113 PLC在礦井提升機系統(tǒng)中的應用 133.1 PLC作為控制核心的

7、優(yōu)越性 133.2 由PLC組成的提升機控制系統(tǒng)功能 144 提升機主控系統(tǒng)硬件設計 164.1 主控臺的組成164.2 電控系統(tǒng)功能設計 174.3 電控系統(tǒng)安全保護設計 174.4 變頻設備 184.4.1 變頻柜在提升電控系統(tǒng)中的功能 184.4.2 變頻裝置的基本原理 194.5 其他設備 225 PLC程序設計 245.1 行程及速度計算 245.2 主程序流程圖255.3 I/O口分配 266 系統(tǒng)的實際應用 276.1 系統(tǒng)操作方法276.2 按鈕和轉換開關的功能 286.3 高壓變頻柜的性能 30結 論32致 謝33參考文獻 34附錄一 PLC程序 35附錄二 電控系統(tǒng)原理圖

8、51河北工程大學畢業(yè)設計說明書1 緒論1.1 課題研究的重要性礦井提升機(又稱絞車、卷揚機)是礦山生產(chǎn)中至關重要的大型設備，是井下與外界的唯一通道，素有“礦山咽喉”之稱。在絕大多數(shù)礦井中，提升設備的提升量就是礦井的主產(chǎn)量。礦井提升系統(tǒng)對礦井的生產(chǎn)和安全起著至關重要的作用，有重要的國民經(jīng)濟意義。礦井提升系統(tǒng)是24小時連續(xù)作業(yè)的高強度作業(yè)系統(tǒng)，即使短時間的停機維修也會給生產(chǎn)帶來很大的損失。據(jù)估算，一個年產(chǎn)150萬噸的中型煤礦，如果停產(chǎn)一天，將造成約八十萬元的直接經(jīng)濟損失，同時將產(chǎn)生二十多萬元的能源浪費（通風、排水、供電系統(tǒng)都必須正常運行）。因此，提升機的傳動及控制裝置一直是各國工控界一個重要的研究

9、領域，也是各個國家礦山工業(yè)發(fā)展的一個重要標志。據(jù)統(tǒng)計，電控系統(tǒng)故障引起的礦井提升事故占一定比例。因為電控系統(tǒng)自動化程度不夠高，生產(chǎn)現(xiàn)場需要大量的操作人員，種種原因導致現(xiàn)場事故的頻繁發(fā)生。目前，我國很多礦井提升機仍然采用傳統(tǒng)的交流提升機電控系統(tǒng)（以TKA-A為代表）。TKA控制系統(tǒng)是由繼電器邏輯電路、大型空氣接觸器、測速發(fā)電機等組成的有觸點控制系統(tǒng)。它的電氣線路過于復雜化，系統(tǒng)中間繼電器、電氣接點、電氣連線多，造成提升機因電氣故障停車事故不斷發(fā)生。我國礦井提升系統(tǒng)發(fā)生的故障中，80%以上是電氣故障。提升機電控系統(tǒng)的技術性能，是礦井提升機發(fā)展的整體水平的標志，直接影響礦山生產(chǎn)的效率及安全，提升機電

10、控系統(tǒng)的技術水平是現(xiàn)代化礦井建設的重中之重，已成為考核礦井提升設備性能的重要內(nèi)容之一。1.2 課題研究的意義我國的礦井提升機，有相當一部分是功率為100KW500KW的電動機驅動的。由于歷史的原因，此部分提升機一直是沿用交流繞線轉子電動機轉子串電阻調(diào)速的方式。此種調(diào)速方式技術落后，且運行效果很不理想。而大于500KW并且希望獲得比較高性能的提升機則大部分采用直流傳動的方案，直流電動機由于其結構的復雜，帶來的則是運行過程中高昂的維護費用。交流電動機變頻調(diào)速技術，目前已經(jīng)非常成熟，且電氣控制性能與直流傳動方案相當，并有超過直流傳動方案的趨勢，是在工業(yè)控制領域大量采用的技術?？煽啃灾笜艘堰_到非常高的

11、程度。因此，用交流變頻器直接驅動鼠籠電動機，應作為礦井提升機電氣傳動的首選方案。采用具有能量回饋特性的矢量控制型四象限變頻器，直接驅動鼠籠電動機形成的電控系統(tǒng)，具有類似或優(yōu)于直流電動機的優(yōu)良機械特性，具有接近于1的功率因數(shù)和大于95的能量轉換效率，節(jié)能效果非常顯著。不僅使提升工藝過程性能優(yōu)良，而且使用維護簡單，整機效率也大大提高，將是提升機電控系統(tǒng)發(fā)展的方向。隨著3C技術和半導體電力電子技術的不斷發(fā)展，現(xiàn)代礦井提升機系統(tǒng)正在向數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡化和智能化的方向發(fā)展?，F(xiàn)代化礦井建設對人的生命更加重視，對礦井提升機電控系統(tǒng)的自動化程度和安全可靠性提出了更高的要求。2005年6月國務院關于促進煤炭

12、工業(yè)健康發(fā)展的若干意見提出加快高產(chǎn)、高效礦井建設，提高煤礦裝備現(xiàn)代化、系統(tǒng)自動化、管理信息化水平，淘汰落后的技術裝備與工藝，推動煤炭工業(yè)科技進步?？梢娞岣唠娍叵到y(tǒng)的自動化程度、智能化程度和網(wǎng)絡化程度具有重大現(xiàn)實意義和理論意義。自動控制技術、通信技術、網(wǎng)絡技術在礦產(chǎn)行業(yè)中的應用極大地提高了礦業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)量、安全性、企業(yè)的自動化和管理水平。另外，作為能源工業(yè)尤其是煤炭工業(yè)企業(yè)構建煤炭企業(yè)網(wǎng)對提高其生產(chǎn)效率、效益，增強企業(yè)活力具有十分重要的作用。采用當前世界上先進的工業(yè)計算機、現(xiàn)場總線和自動化技術，按照結構標準化、產(chǎn)品系列化、性能現(xiàn)代化、體積小型化的原則，研制適合生產(chǎn)需要的網(wǎng)絡化礦井提升機電控設備是進

13、行設備改造和新建礦井設備選型的理想選擇，也是礦井提升機電控系統(tǒng)實現(xiàn)綜合自動化的關鍵一步，對企業(yè)乃至整個礦山行業(yè)有著重大影響。1.3 礦井提升機電控系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展狀況礦井提升機電控系統(tǒng)在一定程度上代表一個國家的傳動控制技術水平，它的電氣傳動及控制裝置也一直是各國電氣傳動界的一個重要研究領域。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)。下面就國內(nèi)外礦井提升機中的應用情況作一介紹。1.3.1 國外礦井提升機電控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀70年代，國外將可編程控制器應用于提升機控制。80年代初，計算機又被用于提升機的監(jiān)視和管理。計算機和PLC的應用，使提升機的控制出現(xiàn)了嶄新的面貌，其自動化水平、

14、安全、可靠性都達到了一個新的高度。在80年代，晶閘管交-交變頻的轉差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)應用在礦井提升機上，開辟了提升機的節(jié)能時代。但就自動化程度而言，目前世界上最先進的提升設備電控系統(tǒng)應該是瑞典的北方墓律納鐵礦，1臺大型提升設備，由兩個人監(jiān)控即可。集散控制在國外已經(jīng)普遍應用?？梢姡V井提升機的綜合自動化和智能化程度己達到很高水平并且正在逐步提高。目前國外提升機控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀如下： 近幾年，國際上礦井提升機正朝著安全可靠，高效益，高自動化和大型、特大型的方向發(fā)展。出現(xiàn)了適用于年產(chǎn)7501000萬噸的特大型礦井，開采深度已達1900余米，單次提升量達50余噸，提升速度超過25米/秒的提升機。 在交

15、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)視顯示易于實現(xiàn)，并具有診斷功能，這是采用模擬控制無法實現(xiàn)的。 提升行程控制從本質(zhì)上說是一個位置控制，要保證提升容器在預定地點準確停車，要求準確度高。目前，一些公司生產(chǎn)的提升控制系統(tǒng)采用微機控制提升技術，提升精度已經(jīng)達到2cm，并且使箕斗（罐籠）提升時可實現(xiàn)無爬行提升，大大提高了提升能力，如SIEMENS， ABB等公司已采用32位微機來構成行程給定器。 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(diào)安全可靠性，所以提升過程監(jiān)視與安全回路一樣，是現(xiàn)代提升機控制的重要環(huán)節(jié)。提升過程采用微機主要完成如下參數(shù)的監(jiān)視

16、：a、提升過程中各工況參數(shù)（如速度、電流）監(jiān)視；b、各主要設備運行狀態(tài)監(jiān)視；c、各傳感器（如位置開關、停車開關）信號的監(jiān)視。并能夠運用先進的預測理論進行故障診斷和預測，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、保留或打印輸出。作為當代工業(yè)自動化領域的熱點現(xiàn)場總線技術的應用，更為礦業(yè)生產(chǎn)的自動化、數(shù)字化、網(wǎng)絡化提供了技術支持。 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)。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。安全回路極為重要，它是安全保護的最重要的環(huán)節(jié)之一。英、德幾家公司都采用兩臺PC微機構成安全回路，使安全

17、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。1.3.2 國內(nèi)礦井提升機電控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀我國礦井提升設備的發(fā)展有近五十年的歷史，其總體技術水平有了長足的進步，但和發(fā)達國家相比仍有一定差距。主要表現(xiàn)在電機拖動技術、電氣控制技術、高壓變頻技術及提升機系統(tǒng)動力學等方面。目前，國內(nèi)年產(chǎn)400萬噸以上的大型和特大型礦井提升機尚屬空白。對大型提升機設備及關鍵技術進行研究，開發(fā)年產(chǎn)400600萬噸大型、特大型礦井提升機，成為國家大型礦山的發(fā)展需要。因此，國家機械工業(yè)“十一五”規(guī)劃已將年產(chǎn)400600萬噸以上煤礦成套設備列入優(yōu)先支持發(fā)展的重大技術裝備領域。我國提升

18、電控系統(tǒng)整體上處于中等水平，主要表現(xiàn)在以下幾個方面： 行程控制：提升機行程控制的水平還較低，對速度給定以時間給定和機械式行程給定為主，而以計算機為核心的礦井提升機行程監(jiān)控和保護的還沒有得推廣。目前，我國大多采用機械給定方式。 傳動方面：雖然變頻技術很早就有研究了，但是由于我國礦山的固有特點，采用先進的變頻技術的提升機并不多，有很大一部分提升機采用繞線式異步電動機轉子串電阻調(diào)速系統(tǒng)。其缺點是： 調(diào)速時，大量的轉差電能消耗在回路電阻上，造成能源浪費； 調(diào)速性能差，自動化程度不高，控制系統(tǒng)復雜導致故障率高； 啟動過程中造成對電網(wǎng)較大的沖擊電流，同時產(chǎn)生較大的機械沖擊，造成設備使用壽命降低； 安全可靠

19、性差，且維護工作量大、費用高； 機械特性軟，啟動力矩小，帶負載能力差，無法實現(xiàn)恒轉矩提升。還有一小部分礦井提升采用直流傳動設備。但由于直流電動機結構復雜，付出的代價是高昂的維修費用。 監(jiān)控方面：自1986年以來，針對制約提升安全的主要環(huán)節(jié)。陸續(xù)增設了解決行程安全的深度指示器、自動減速、限速等安全監(jiān)測及后備保護設備。初步實現(xiàn)了對提升容器的定點位置監(jiān)測及幾項重要安全保護的監(jiān)控，使提升安全狀況有所改善；由于計算機技術的發(fā)展和智能儀器的發(fā)展以及各種組態(tài)軟件的開發(fā)，監(jiān)控系統(tǒng)的人機界面越來越友好。近幾年一些大的礦井提升機生產(chǎn)企業(yè)都開發(fā)了礦井提升系統(tǒng)專用計算機軟件。 安全回路：安全保護、閉鎖及監(jiān)測系統(tǒng)不夠完

20、善。但由于計算機技術的引進，使提升機的安全保護系統(tǒng)得到了一定程度的改善。目前我國對老式礦井的落后現(xiàn)狀采取信息化和自動化的改造政策，如中國神華集團神府東勝煤炭有限責任公司所屬的大柳塔礦，2000年通過綜合自動化改造，將信息技術、高新科技應用到礦井的生產(chǎn)和管理中，改造后，在生產(chǎn)規(guī)模、機械化、自動化程度上躍居國內(nèi)領先水平?？偟膩碚f，國家出臺的一系列有關煤礦發(fā)展的政策確保了煤礦生產(chǎn)的高速發(fā)展，先進的控制設備和控制策略也正在逐步應用，我國的礦井提升機電控系統(tǒng)的建設已經(jīng)開始踏上網(wǎng)絡化、智能化、自動化和數(shù)字化之路。1.4 課題的設計目標本設計從解決實際礦井提升系統(tǒng)存在的問題出發(fā)， 在分析了國內(nèi)外礦井提升機電

21、控系統(tǒng)的現(xiàn)狀、變頻技術和PLC技術特性的前提下，以實用、經(jīng)濟、高效、可靠作為提升機系統(tǒng)的設計目標，在PLC電控系統(tǒng)的基礎上配合變頻調(diào)速裝置，運用現(xiàn)在先進的矢量控制技術，尋求適合提升機運行工藝的方案。本文以三菱FX2N可編程控制器為核心，采用合康億盛HIVERT-YVF高壓變頻調(diào)速裝置為調(diào)速設備設計提升機電控系統(tǒng)，其中重點設計PLC對提升機行程的監(jiān)控以及安全保護功能，主要內(nèi)容如下： 系統(tǒng)采用三菱FX2N可編程控制器，以行程控制、速度控制以及安全回路為核心，按照GB 20181-2006 礦井提升機和礦用提升絞車安全要求、JB 8516-1997礦井提升機和礦用提升絞車安全要求、JBT4263-2

22、000交流傳動礦井提升機電控設備技術條件三個標準，對提升機進行必要的安全連鎖。 整套系統(tǒng)采用三套軸編碼器，其中兩套安裝于高速軸的軸編碼器實現(xiàn)數(shù)字化的行程、速度和保護給定；另外一套用于主令控制器，形成數(shù)字化的主令，用于電機的調(diào)速控制。 將工業(yè)顯示屏應用于提升機電控系統(tǒng)，顯示提升機的各種靜、動態(tài)參數(shù)。采用GP2500型液晶顯示屏，它的存儲容量大，具有多種數(shù)據(jù)接口及工業(yè)以太網(wǎng)接口，可以將所有畫面上傳至以太網(wǎng)，并且可完全取代上位機，和上位監(jiān)控系統(tǒng)構成雙冗余監(jiān)控，極大提高了系統(tǒng)安全可靠性。 采用具有正弦波特性、功率容量足夠大的不間斷電源UPS為控制回路供電。 變頻裝置選用HIVERT-YVF系列高壓變頻

23、設備，主電路開關元件為IGBT。其產(chǎn)品采用功率單元串聯(lián)，疊波升壓，充分利用常壓變頻器的成熟技術，具有很高的可靠性。2 提升電控系統(tǒng)概述2.1 礦井提升機工作原理及機械結構礦井提升機是連接礦井井下和地面的工作機械，是一種大型絞車。用鋼絲繩帶動容器（罐籠或箕斗）在井筒中升降，完成輸送物料和人員的任務。礦井提升機是由原始的提水工具逐步發(fā)展演變而來?，F(xiàn)代的礦井提升機提升量大，速度高，已發(fā)展成為電子計算機控制的全自動重型礦山機械。圖2-1-1摩擦式礦井提升機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。按鋼絲繩的提升方式分

24、為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(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

25、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(chǎn)120萬噸以上、井深小于2100米的豎井大多采用這種提升機。如圖2-1-2所示，這是一種落地摩擦式主礦井提升機。起始時，箕斗處在上限位位置，當開車信號發(fā)出后，電機反轉，箕斗下降至下限位后停車，同時箕斗上閥門打開，裝料裝置向箕斗中裝煤；裝滿煤后電機正轉，提升機上升，提升至上限位位置時停車，箕斗下閥門打開，通過卸料裝置將煤存放在煤倉中。平衡重用于保持箕斗與提升繩另一端的對重平衡，使箕斗平穩(wěn)運行。圖2-1-2 落地摩擦式礦井提升機2.2 提升設備對電控系

26、統(tǒng)的要求2.2.1提升設備對電控系統(tǒng)的安全要求根據(jù)JBT4263-2000交流傳動礦井提升機電控設備技術條件在如下情況時，電控系統(tǒng)應具有可靠的安全制動并發(fā)出事故報警。 提升容器過卷時，應能防止將電動機過卷方向電路接通的誤操作; 當提升機速度超過規(guī)定的額定速度的115%時; 閘瓦磨損超過允許值時； 提升電動機過流或失壓時; 深度指示器失靈時； 制動油壓過壓時; 測速回路故障時; 控制線路短路或失壓時; 單繩提升機，當鋼絲繩松馳超過規(guī)定值時； 當司機腳踏緊急停車開關時。2.2.2提升設備對電控系統(tǒng)的性能要求對于單水平提升系統(tǒng)，在每次提升循環(huán)中，容器的上升或下降的運動距離是相同的；對于多水平提升系統(tǒng)

27、，每次提升循環(huán)中，容器的運動距離不一定相同。但無論哪種情況，提升機在工作過程中都有固定的循環(huán)運行方式，即按照一定的速度圖進行運轉。根據(jù)提升機的運行方式和礦山企業(yè)的固有特點，綜合提升機的運行特點以及礦山生產(chǎn)固有的特點，提升機工藝對提升機電控系統(tǒng)的要求如下: 能夠四象限運行。只有這樣，提升機才能根據(jù)負載變化及工作需要，按給定速度圖自動地工作在正向或反向、電動或制動等工作狀態(tài)。 有較好的起動性能。提升機不同于其他機械，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。 具有良好的調(diào)速性能。要求速度平穩(wěn)，調(diào)速方便，調(diào)速范圍大，調(diào)速方便，能滿足各種運行方式及提升階段(如加速、減速、等

28、速、爬行等)穩(wěn)定運行的要求。 操作方式轉換容易。要能夠方便地進行自動、半自動、手動、驗繩、調(diào)繩等工作方式的轉換。 要設置準確可靠的速度給定裝置，以實現(xiàn)加、減速時的平穩(wěn)運行。 要設置完善的故障監(jiān)視、安全聯(lián)鎖、信號報警及閘控電路，確保系統(tǒng)安全運行。 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。 采用新技術和節(jié)能設備。要易于實現(xiàn)自動化控制和提高整個系統(tǒng)的工作效率，并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 提升機的電氣傳動提升機的電氣傳

29、動方案大體上可分為四類： 繞線型轉子異步電動機轉子回路串電阻調(diào)速系統(tǒng)這是礦井提升機電氣傳動發(fā)展的第一階段，時間大約在20世紀50年代至60年代初期。采用這種方案，電動機的轉速調(diào)節(jié)是靠改變轉子回路串聯(lián)的附加電阻來實現(xiàn)的。這種方案為有級調(diào)速，調(diào)速時能耗大。屬轉子功率消耗型調(diào)速方案。為在低同步狀態(tài)下產(chǎn)生制動轉矩，需采用動力制動或低頻制動方案，應設置輔助電源和定子繞組的二次切換操作裝置。這種系統(tǒng)結構簡單、價格低廉，堅固耐用、維護方便，在我國中、小型礦山企業(yè)應用較為普遍。缺點是調(diào)速性能差、運動效率低、運行狀態(tài)切換死區(qū)大、調(diào)速不平滑等。 發(fā)電機-電動機直流調(diào)速系統(tǒng)此方案亦屬于礦井提升機電氣傳動發(fā)展的第一階

30、段，20世紀60年代前的大型礦井提升機基本上都采用這種方案，該方案的特點是主提升電動機由專設的直流發(fā)電機單獨供電，通過調(diào)節(jié)直流發(fā)電機的勵磁大小來改變直流電動機電樞兩端的電壓，屬于調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)。采用該方案可實現(xiàn)無級調(diào)速，電動狀態(tài)與制動狀態(tài)的切換快速平滑，能很好地滿足四象限平滑調(diào)速的要求。由于引入了速度閉環(huán)控制，故可達到較高的調(diào)速精度，同時，這種系統(tǒng)啟動時的無功沖擊小，功率因數(shù)高。缺點是運行效率低、占地面積大、噪聲大、維護工作量大、維護費用高等。 晶閘管變流裝置供電的直流調(diào)速系統(tǒng)20世紀60年代初到70年代，伴隨著電力電子技術的飛速發(fā)展，晶閘管變流裝置供電的直流可逆調(diào)速系統(tǒng)得到迅速發(fā)展和普及，這是

31、礦井提升機電氣傳動發(fā)展的第二階段。為獲得可逆運行特性，以實現(xiàn)四象限運行和調(diào)速，這種系統(tǒng)通常有兩種控制方案：電樞換向的可逆調(diào)速系統(tǒng)和磁場換向的可逆調(diào)速系統(tǒng)。在電樞換向的可逆調(diào)速系統(tǒng)中，勵磁電流的大小和方向是恒定的，電動機轉矩的大小和方向靠改變電樞變流器輸出電流的大小和方向來實現(xiàn)。其特點是轉矩反向快，但需設置正、反向兩組電樞整流器，造價相對較高。在磁場換向的可逆調(diào)速系統(tǒng)中，電樞電流的方向是不變的，轉矩極性的改變是靠改變勵磁電流的方向來實現(xiàn)的。其特點是轉矩的反向過程，即勵磁電流的反向過程較長。為了縮短反向過程的時間需采取強勵措施，但優(yōu)點是直流主回路只需設置一組整流器，造價相對較低。由于礦井提升機對快

32、速性的要求不算太高，所以在容量較大時，為減少投資，往往采用磁場換向的可逆調(diào)速方案。與發(fā)電機-電動機直流調(diào)速方案相比，晶閘管變流裝置供電的直流調(diào)速系統(tǒng)具有效率高、噪聲小、調(diào)速范圍大、快速性好等優(yōu)點；但這種系統(tǒng)存在元件過載能力差、功率因數(shù)低、有沖擊性無功功率等缺點。 交-交變頻交流調(diào)速系統(tǒng)交-交變頻交流調(diào)速系統(tǒng)于20世紀80年代開始應用于礦井提升機，這是提升機電氣傳動發(fā)展的第三階段。這種方案是將三相交流電源從固定的電壓和頻率直接變換成電壓和頻率可調(diào)的三相交流電源，而實現(xiàn)交流電動機的變頻調(diào)速。它的最大優(yōu)點是只進行一次能量變換，所以效率較高。交-交變頻器由三組可逆整流器組成，其三相移相信號為一組頻率與

33、幅值可調(diào)的三相正弦信號，因此結構較為復雜。這種方案調(diào)速的實質(zhì)是根據(jù)負載轉矩的變化，控制主提升電動機的轉矩，而交流電動機的轉矩決定了定、轉子磁通勢矢量的大小與相對位置。按照控制變量的不同，這種系統(tǒng)一般分為電壓控制型和電流控制型兩類，這兩類控制方式各有許多優(yōu)點，但共同的缺點是動態(tài)控制性能較差。為了改善動態(tài)性能，可采用對交流電動機的定子電壓與電流實行磁通方向的矢量變換控制。在本系統(tǒng)中采用交交變頻調(diào)速，方便的實現(xiàn)四象限控制，并且可以獲得較大的調(diào)速范圍，節(jié)省能源。2.4 提升機變頻電控的組成變頻提升機電控系統(tǒng)適用于地面或井下非防爆場合中50KW5000KW，用鼠籠式電動機拖動的各種型號提升機。變頻電控系

34、統(tǒng)主要由智能型變頻主控臺、變頻調(diào)速柜、高壓開關柜、軸編碼器、制動潤滑泵站和各外部控制端子構成，如圖2-4所示。軸編碼器圖2-4 礦井提升機變頻電控系統(tǒng) 智能型變頻主控臺（BPDK- ZKT）主控臺是變頻電控系統(tǒng)的控制中心。該設備采用操作臺式結構，除位置、速度、溫度、壓力、電流等必要的信號采集傳感器和終端執(zhí)行設備外，所有控制回路都裝到操作臺中。司機可操作主控臺上的開關及按鈕來控制提升機運行，并通過指示燈和人機界面及時了解提升機的運行狀態(tài)及運行參數(shù)。此人機界面采用GP2500型液晶彩色顯示屏，可顯示提升機的運行狀態(tài)、運行參數(shù)及各種控制元器件的工作情況，具有上位監(jiān)控功能。主控臺采用技術先進、性能可靠

35、的可編程控制器，按安全回路雙線制的設計原則，配以多種檢測控制組件完成了提升機運行過程中應有的邏輯控制、時間和速度控制，具有按行程的速度給定、PID速度閉環(huán)控制以及上述各種情況下的安全保護。具有邏輯編程簡單、安全保護可靠、狀態(tài)顯示齊全、語言報警等功能，并能實現(xiàn)與調(diào)度室計算機的聯(lián)網(wǎng)，提高了礦井管理水平的現(xiàn)代化。 變頻調(diào)速柜（BPDK-BPG）變頻調(diào)速柜是該系統(tǒng)的調(diào)速設備，由北京合康億盛科技有限公司HIVERT-YVF系列全數(shù)字、矢量控制型變頻調(diào)速裝置及其它必要的電器組成，用于向鼠籠式交流電機供電，構成高性能、數(shù)字化的變頻調(diào)速系統(tǒng)。它將50Hz工頻變成050Hz連續(xù)可調(diào)的變頻電源，以滿足礦井提升機工

36、藝要求，同時完成提升機運行參數(shù)的調(diào)節(jié)，其設置與保護為： 采用優(yōu)化SPWM控制技術，改善電流波形減輕負載運轉顫動； 具有靜音控制特性，能有效降低電動機發(fā)熱造成的能源損耗； 具有PID閉環(huán)控制功能； 具有瞬時停電再啟動，多段速度設定，跳躍頻率設定，S曲線加減速及速度反饋控制； 保護功能齊全，具有完善的軟、硬件保護功能，如過熱、電流短路、接地、過壓、欠壓、電動機過載、電涌保護、主器件自保護等。 高壓開關柜（BPDK-KGG）高壓開關柜用于提升機6KV的配電，在系統(tǒng)中起通斷、控制或保護等作用。主要包括高壓斷路器、高壓隔離開關與接地開關、高壓負荷開關等部分。是高壓變頻礦井提升系統(tǒng)的重要組成部分，占有非常

37、重要的地位。 軸編碼器（TDR-J360-RE）軸編碼器連接在高速軸上，用于檢測電機轉速，通過PLC實現(xiàn)PID回路控制，保證電機穩(wěn)定運行；用于行程檢測，通過PLC處理，實現(xiàn)減速點測量和提升機位置顯示。 制動泵站(BPDK-ZKBZ)制動液壓泵站是液壓制動器的驅動和控制設備，與液壓盤型制動器、液壓彈簧閘等液壓制動器配套使用，根據(jù)主機對制動系統(tǒng)的要求，實現(xiàn)松閘、合閘，并控制松閘、合閘的快慢和制動力的大小。與礦用提升機系統(tǒng)配合，實現(xiàn)諸如緊急制動、二級制動等不同制動模式；力求用最可靠、最簡單的元件實現(xiàn)不同的制動模式，減少故障率，減小維護工作量，降低配件消耗；設有雙泵雙電機，一套工作，一套備用，在其中一

38、套出現(xiàn)故障的情況下，不影響主機的正常運行。2.5 變頻調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)越性目前，礦用提升機普遍使用交流繞線式電動機轉子串電阻調(diào)速控制系統(tǒng)，提升機在減速和爬行階段的速度控制性能較差，特別是負載變動時很難實現(xiàn)恒減速控制，經(jīng)常會造成過放和過卷事故。提升機頻繁的起動和制動工作過程會使轉子串電阻調(diào)速產(chǎn)生相當嚴重的能耗，且轉子串電阻調(diào)速控制電路復雜。這種轉子串電阻調(diào)速屬于有級調(diào)速，低速轉矩小，轉差功率大，起動電流和換檔電流沖擊大；中高速運行振動大，制動不安全，對再生能量處理不力。提升機運行中調(diào)速不連續(xù)，接觸器、電阻器、繞線電動機電刷等容易損壞，故障率高，影響生產(chǎn)效益，特別是在煤礦生產(chǎn)中不能實現(xiàn)防爆要求。相比串

39、電阻調(diào)速系統(tǒng)的問題，變頻器在提升機調(diào)速系統(tǒng)體現(xiàn)了其良好的性能。變頻器的調(diào)速控制可以實現(xiàn)提升機的恒加速和恒減速控制，能很好的防止提升機過卷和過放事故發(fā)生。變頻器的調(diào)速還可以實現(xiàn)電動機的軟起動，節(jié)省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(diào)速控制電路簡單，克服了接觸器、電阻器、繞線電動機電刷等容易損壞的缺點，降低了故障和事故的發(fā)生。3 PLC在礦井提升系統(tǒng)中的應用老式的礦井提升機控制系統(tǒng)是由繼電器邏輯電路、大型空氣接觸器、測速發(fā)電機等組成的有觸點控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)可靠性差、控制精度低，而且硬件接線繁雜、故障率高。本次設計采用可編程序控制器( PLC) 著重解決以上問題，取代傳統(tǒng)的繼電器

40、邏輯控制回路，使原系統(tǒng)中大量的時間繼電器、中間繼電器和計數(shù)器等硬件由軟件來實現(xiàn)，在大大減小體積的同時，更提高了系統(tǒng)的控制精度和可靠性，降低故障率。3.1 PLC 作為控制核心的優(yōu)越性PLC是以微處理器為核心，綜合了計算機技術、自動控制技術和通訊技術而發(fā)展起來的一種新型、通用的自動控制裝置，具有結構簡單、性能優(yōu)越、可靠性高、靈活通用、易于編程、使用方便等優(yōu)點，近年來在工業(yè)自動控制、機電一體化、改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)等方面得到了廣泛應用。由于控制對象的復雜性，使用環(huán)境的特殊性和運行工作的連續(xù)長期性，使得PLC在設計、結構上具有許多其他控制器無法相比的特點。1 可靠性和抗干擾能力強PLC為了滿足在工業(yè)環(huán)境下的

41、要求，采取了如下硬件和軟件措施：第一，采用光電耦合隔離RC濾波器，有效防止了干擾信號的進入。第二，內(nèi)部采用電磁屏蔽，防止輻射干擾。第三，采用優(yōu)良的開關電源，防止電源線引入的干擾。第四，具有良好的自診斷功能，可以對CPU等內(nèi)部電路機型檢測，一旦出錯，立即報警。第五，對程序及有關數(shù)據(jù)用電池供電進行后備，一旦斷電或停止運行，有關狀態(tài)及信息不會丟失。第六，采用的器件都進行了嚴格的篩選，排除因器件問題而造成的故障。第七，采用了冗余技術進一步增強了可靠性。2 安裝簡便且維護工作量小PLC一般不需要專門的機房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運行。使用時只需將現(xiàn)場的各種設備與PLC相應的I/O端子相連，系統(tǒng)便可投入

42、運行，安裝接線工作量比繼電器控制系統(tǒng)少得多。由于PLC本身故障率很低，又有完善的自診斷功能和顯示功能，一旦發(fā)生故障時，可以根據(jù)PLC上的發(fā)光二極管或編程器提供信息，迅速查明原因。如果PLC本身故障，則可用更換模塊的方法排除故障。這樣提高了維護的工作效率，保證了生產(chǎn)的正常運行。3 通用性強且使用方便PLC產(chǎn)品已系列化和模塊化，其配備的各種I/O模塊和配套部件，可供用戶選擇使用，可以很方便地組合成能滿足不同控制要求的控制系統(tǒng)。用戶不需要自己設計和制作硬件裝置。4 先進的模塊化結構使系統(tǒng)組合靈活方便PLC的各個部件，包括CPU、電源、I/O等均采用模塊化設計，由機架和電纜將各模塊連接進來。系統(tǒng)的功能

43、和規(guī)?？筛鶕?jù)用戶的實際要求自行組合，這樣便可實現(xiàn)用戶要求的合理的性能價格比。5 對生產(chǎn)工藝改變的適用性強PLC實質(zhì)是一種工業(yè)控制計算機，其控制操作的功能是通過軟件編程來確定的。當生產(chǎn)工藝發(fā)生變化時，不必改變PLC的硬件設備，只需改變PLC的程序。3.2 由PLC組成的提升控制系統(tǒng)功能變頻電控系統(tǒng)的PLC控制系統(tǒng)見圖3-2。圖3-2 PLC控制系統(tǒng) 安裝在提升機上的軸編碼器與容器提升速度、容器提升位置成正比，用于提升機速度與行程的采集與顯示，并可作為速度閉環(huán)控制的反饋量。 控制功能：根據(jù)提升機起動、等速運行、減速、停車、換向及安全保護的設計要求，改變相應電控系統(tǒng)的工作狀態(tài)，實現(xiàn)必要的電氣聯(lián)鎖和保

44、護功能。 保護及聯(lián)鎖功能：安全制動時，配合液壓站安全閥使提升機實現(xiàn)一級或二級制動：同時變頻器進入回饋制動狀態(tài)，工作閘繼電器及制動油泵等控制回路斷電，使制動油壓降為零。 任何情況下，只有司機接到開車信號后，才能提升運行。 當提升過程中發(fā)生潤滑油壓力過高、過低，潤滑油濾油器或液壓站濾油器堵塞或油溫過高時，顯示屏上有相應的故障顯示，點亮相應信息燈，告知司機可以完成本次提升工作，當故障接觸后才允許司機進行下一次提升工作。 當提升基因發(fā)生故障在中途停車，而提升容器位于減速段行程內(nèi)時，排除故障后允許司機按上次開車方向選擇開車，并且只能低速開車；若提升容器不在減速行程內(nèi)，由井口發(fā)出開車信號，允許司機高速開車

45、。 全礦停電時，由PLC保證提升機能實現(xiàn)二級制動，并做好提升的后備保護。4 提升機主控系統(tǒng)硬件設計4.1 主控臺的組成主控系統(tǒng)主要由三菱FX2N系列PLC、顯示器、開關、按鈕、主令控制器、報警器、指示燈、接觸器、電磁閥等部件構成。如圖4-1所示。指示燈數(shù)字顯示蜂鳴器顯示器輸 輸入 PLC 出端 端行程開關壓力傳感器溫度傳感器速度傳感器執(zhí)行元件接觸器電磁閥離合器主令控制器手閘控制器開關按鈕圖4-1 提升機主控臺系統(tǒng)框圖在本系統(tǒng)中使用了三菱FX2N-64MT作為主控機，保證系統(tǒng)工作可靠、安全；采用特殊模塊FX2N-4AD用于將檢測制動油壓、潤滑油壓、電機電流轉換為數(shù)字量，進行顯示、保護；FX2N-

46、4DA將數(shù)字量轉換為模擬量對電機進行調(diào)速控制。具體配置如表4-1所示。 表4-1 主控臺PLC模塊組成序號名稱類型規(guī)格數(shù)量1通訊模塊FX2N-485DB12接口模塊FX2N-64MT13AD轉換模塊FX2N-4AD14DA轉換模塊FX2N-4DA14.2 電控系統(tǒng)系統(tǒng)功能設計電控系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下三大功能：控制提升機穩(wěn)定運行；監(jiān)視提升機的運行狀態(tài)，自動采取相應措施;自動檢測故障，并發(fā)出聲光報警；本系統(tǒng)設定三種工作模式，分別是全自動模式、半自動模式和手動模式。全自動模式。司機在看到允許開車信號以后，按下開車按鈕，由主控系統(tǒng)自動判斷開車方向，自動實現(xiàn)提升機開車、加速、等速、減速、停車的全過程，監(jiān)視提

47、升機運行過程中的安全狀況，發(fā)現(xiàn)問題自動采取相應措施，完全不用司機參與控制的工作模式。在所有設備、儀器儀表工作狀態(tài)正常，對提升機運行速度沒有特殊要求，一般采用這種工作方式。半自動模式。由司機通過操作手柄控制提升機運行的方向、速度和停車，由主控系統(tǒng)實現(xiàn)自動減速控制，監(jiān)視提升機運行過程中的安全狀況，發(fā)現(xiàn)問題自動采取相應對策的工作模式。在對提升機運行速度有特殊要求、或者某些設備、儀器儀表工作狀態(tài)不正常而沒有投入時，一般采取這種工作模式。手動模式。司機控制提升機運行的方向，完全控制提升機開車、加速、等速、減速、停車的全過程，并負責監(jiān)視提升機運行過程中的安全狀況，發(fā)現(xiàn)問題由司機采取相應對策的工作模式。在主

48、控系統(tǒng)PLC部分被切除（PLC部分發(fā)生故障、或者因某些重要設備、儀器儀表工作狀態(tài)不正常而導致PLC禁止開車）時，一般采用這種工作模式。4.3 電控系統(tǒng)安全保護設計提升機運行的安全問題，是提升機電控系統(tǒng)首先要考慮的，在本系統(tǒng)中設計了由PLC主控系統(tǒng)、上位機監(jiān)控系統(tǒng)等實施的多重監(jiān)視保護措施。其中，主控系統(tǒng)的保護是最全面、最可靠的。在提升機運行過程中，主控系統(tǒng)在檢測到故障后，會根據(jù)故障采取不同措施進行處理，包括進行安全制動、一級制動、二級制動、故障指示燈提示等。行程檢測行程是電控系統(tǒng)進行容器位置、速度計算以及下達減速、停車命令最基礎的數(shù)據(jù)。容器行程、速度出現(xiàn)問題，將直接影響提升機運行的安全。本系統(tǒng)采

49、將兩套高速軸編碼器安裝在提升機的高速軸上，實現(xiàn)了數(shù)字化的行程、速度和保護給定，將數(shù)字信號傳送到主控PLC和變頻柜控制器上，用來測量提升機的行程和速度，具有很高的測量精度；同時兩個軸編碼器互相獨立，相互監(jiān)視，一旦出現(xiàn)問題，立即安全制動。提升機運行狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測對提升容器運行過程中的參數(shù)進行檢測，發(fā)現(xiàn)問題后，根據(jù)情況采取不同措施進行處理，這些監(jiān)測包括：超速，提升容器在速度曲線的等速段高速運行時，提升容器的最大運行速度超過設計規(guī)定值。本設計設定提升機的最大速度是3.6m/s，一旦檢測出提升容器最大運行速度超過3.6m/s的115時%，為確保人員或物料的安全，采取二級制動。過速，在提升容器進入速度曲線的

50、減速階段或者爬行階段，以超過設定值速度15%的速度向井口（井底）運行，視為過速，應采取一級制動。正、反向過卷，提升容器運行超過上、下井口位置0.5米為正、反向過卷，應采取一級制動。松繩，提升機運行過程中，鋼絲繩在松弛狀態(tài)下突然受力而產(chǎn)生的事故，應采取一級制動。錯向操作，當開車方向與打點信號方向不同時，屬錯向操作。這可能是司機操作失誤，也可能是某種特殊情況的要求，這時將以聲光報警的形式提示司機，由司機決定如何操作。設備、儀器儀表檢測與提升機運行相關的設備、儀器儀表很多，主控系統(tǒng)不斷檢測它們的工作狀況，一旦發(fā)生故障，根據(jù)故障嚴重程度分別采取相應措施。采取安全制動。即安全回路動作，并切斷電路，這是針

51、對最嚴重的故障采取的措施。這是不管箕斗（罐籠）在什么位置，速度有多大，都將立即被迫停止運動。要全抱閘的情況有：潤滑油泵故障、主回路過壓、變頻柜故障等。采取一級制動。即立即制動，并對電機抱閘，使箕斗（罐籠）快速停止。采取一級制動的情況有：過卷、減速段過速、等速段超速、松繩、制動油過壓等。采取二級制動。即系統(tǒng)自動降低速度，然后再施閘停車。采取二級制動的情況有：制動油故障、閘磨損等。限制一次開車。即本次提升機運行到結束點亮故障指示燈，下次排除故障、按下故障消除按鈕后再開車。要采取一級制動的情況有：潤滑油超溫、制動油超溫等。4.4 變頻設備4.4.1變頻柜在提升電控系統(tǒng)中的功能本系統(tǒng)采用的合康億盛HI

52、VERT-YVF型高壓變頻柜，接口電路實現(xiàn)了變頻器與控制系統(tǒng)的連接，包括正、反轉控制、多段速、停車和速度調(diào)節(jié)。 正、反轉主令控制器給出“正轉”或“反轉”命令后，如果沒有給出“松閘”信號，變頻器會在電機上施加直流制動轉矩，確保松開制動閘過程中重車不下滑。在給出“松閘”信號后，變頻器開始運行。制動油泵開啟后，若不小心松開制動閘觸動“松閘”行程開關，變頻器接收到“松閘”信號，同時在電機上施加直流制動轉矩，確保重車不下滑。當重車在井筒中間停車時，變頻器由高速至停機后，隨之施加直流制動轉矩使電機停止轉動，當機械制動起作用后，方去掉直流制動，使重車靠機械抱閘的作用停止。 多速段變頻器內(nèi)部預置了三個速度段，

53、分別對應于變頻器運行頻率15Hz、25Hz、35Hz，以適應控制系統(tǒng)對提升機不同運轉速度的要求。各速度段對應頻率可以分別設置，以滿足各種工況運行需要。 自動減速變頻器接收到系統(tǒng)給出的減速信號后，啟動機內(nèi)的減速程序，按照設定要求將提升機的運行速度逐漸降低。 緊急停車變頻器提供了緊急停車信號輸入端子，急停信號動作后，變頻器立即停止輸出，電機處于自由運轉狀態(tài)，然后依靠機械制動裝置停車。4.4.2變頻裝置的基本原理1 控制原理HIVERT-YVF采用轉子帶速度反饋的矢量控制技術。在轉子磁場的定位坐標下電機定子電流分解成勵磁電流與轉矩電流。維持勵磁電流不變，控制轉矩電流也就是控制電機轉矩。電機轉速采用閉環(huán)控制。實際運用中給定轉速與實際轉速的差值通過PID調(diào)節(jié)生成轉矩電流It 。經(jīng)過矢量變換將It、Im變換為電機三相給定電流Ia*、Ib*、Ic*，他們與電機運行電流相比較生成三相驅動信號。圖4-4-2-1 控制原理 主電路HIVERT-YVF系列高壓變頻器采用交-直-交直接高壓（高-高）方式，主電路開關元件為IGBT。HIV