基于PLC的矿井提升机变频调速控制系统设计.docx
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基于PLC的矿井提升机变频调速控制系统设计
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）
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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a≦0.75m/s2，升降物料时，加速度a≦1.2m/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2-2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，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、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，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（0～12V）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。
为了保护报警输出的触点，在接触器的线圈两端，并联阻容吸收电路（即RC震荡电路）。
同时（常开）触点30B-30C闭合，将报警指示灯HL和电笛HA接通，进行声光报警。
与此同时，断电器KA1得电，其触点将声光报警电路自锁，使变频器断电后，声光报警能持续下去，直到工作人员按下ST1停为止，报警才能解除。
制动控制回路：
提升机负载由于惯性较大，当变频器的输出频率下降至0Hz时，常常停不住，而有“蠕动”（也称爬行）现象，在矿山提升机这种大负载机械中，蠕动现象有可能造成十分危险的后果。
为此，变频器调速时应设置能耗制动和直流制动功能。
有关功能的参数系统存储在装置中的参数组的结构菜单中，因而，一个菜单代表装置全部参数中的一套参数，一个参数有可能列入几个菜单。
参数表指明一个参数作列入的菜单，通过配置给每个菜单的菜单号，使其赋值生效。
第3章PLC控制程序设计
3.1程序设计
（1）软件结构
由于系统控制核心主要由PCL和上位机组成，因此，软件包括PLC控制软件和上位机组态软件。
PLC软件的主要功能是对提升机的启动、加速、减速、停车等过程控制、信号采集、逻辑处理。
PLC软件设计采用模块化结构，程序编制采用梯形图。
上位机软件主要对系统运行状态、故障状态实时监控，对运行数据、故障数据进行存储和记忆。
PLC软件结构的设计是根据提升机工艺和控制要求，将控制任务和过程分解为许多子过程和子任务，再对各个子过程和子任务进行模块设计、功能说明，形成一个模块化的程序结构。
如图5-1所示。
图5-1PLC软件结构图
（2）设计思路软件部分说明
由于控制工艺比较复杂，本程序采用主子程序模块化顺序结构进行编程，程序中的内存地址可分成:
参数设定、上位机显示、故障存储、运行数据存储、中间量这五部分，系统各种子程序均由主循环程序调用执行，按事先输入的控制程序实现自动控制，系统编程灵活，修改程序方便，仅需修改子程序梯形图程序就可改变控制功能，便于现场维护管理，使提升机运行安全性和可靠性得到了大幅度提高。
主程序和部分子程序分别介绍如下:
1）控制程序
控制子程序流程图如图5-2所示。
提升信号、工作手柄以及所选择的工作方式，驱动变频器实现提升下放操作，完成对绞车的启动、加速、等速、减速、停止等运行过程的转矩和频率控制。
故障时，通过对液压站电磁阀的控制，实施一二级安全制动。
主要输出驱动控制功能为:
a电机变频调速控制；b制动泵液压泵的控制；c液压站电磁阀的控制；d调绳调闸操作；e安全保护、安全制动。
程序置有半自动运行（主井提升可实现自动运行）、手动运行、检修运行、应急运行等四种运行方式。
在正常情况下可采用半自动或手动运行；检修运行时系统自动给定一个检修速度（0.3m/s）低速运行:
当故障时，在系统保护停机后，故障被确认但不能立即排除，此时可采用应急运行方式，应急运行速度不超过0.5m/s。
图5-2控制子程序流程图
2）深度、速度检测子程序
速度检测采用光电旋转编码器双线输入。
利用高速计数模块对编码器信号计数，其中一路编码器信号用于行程速度保护，一路用于显示与监测。
两套编码器的数据在程序中不断进行比较，当比较结果发生不一致时，程序会发出故障安全制动指令。
3）程序软安全回路功能设置
在PLC软安全回路中具有如下保护接点:
过卷保护、主电源失压、制动油过压、
后备保护、变频故障、操作台急停信号、减速段超速、等速段超速、爬行段超速、松绳信号、深指失效、松闸保护、错向保护、编码器失效、PLC故障、溜车故障。
以上任一故障发生均会断开安全回路实现安全制动。
此外，主令零位、工作闸零位与安全回路闭锁。
4）保护设置子程序
对各种保护点（减速点开关、过卷开关、终点开关、解除二级制动中继接点等）除在外部设置硬接点外，在程序中也设置软开关进行双重保护。
PLC是本控制系统中关键的一环，其主要控制电路如图5—3所示，主要的控制功能有如下几项：
主令操作控制、保护监视控制。
主令操作控制，对系统进行管理，实现提升机与操作台之间的指令传递，向提升系统发出相应的指令，并改变相应电控系统的工作状态，使提升机按照预定的力图和速度图安全运行，运行方式可分为启动、等速运行、减速、爬行、停车。
PLC根据运行方式对变频器实现S形速度给定控制，实现箕斗运行速度的准S形曲线。
PLC还完成各种保护监视功能。
监控内容主要包括：
超速监视、过卷监视、实时速度监视、井筒过卷监视、变频器故障监视、矿车行程监视、过载监视、深度指示器监视等，以上监视内容出现故障时，通过报警回路报警或安全回路实现抱闸停车保护。
1、起动，停车
（1）多数变频器不能适应上电运行功能，所以应对控制系统加入保护功能。
当需要开机运行时，按下起动按钮SB1，其输出继电器KM1便吸合，置于电源与变频器之间的常开触点闭合，将三相AC380V动力电接入变频调速回路中；当减速停车，并实现机械抱闸制动后，可以将变频器与动力电源脱开，按下停止按钮SB2，使继电器KM1失电，其常开触点断开，变频器便与动力电源脱开。
图5-3PLC外部接线
（2）梯形图及编程语言
二、上提升，下放
在控制回路中利用正转继电器K1的常闭触头控制反转继电器K2的线圈；利用反转继电器K2的常闭触头控制正转继电器K1的线圈。
从而达到互锁作用。
其动作过程如：
当要下放矿车或送工人到井下时，按下下降按钮，继电器K2吸合，其常开触点闭合，常闭触点断开。
此时变频器REV与CM端相连，电机反转下放重物。
同时断开继电器K1回路，形成下降闭锁；
当按下上升按钮时，K2吸合，断开K1回路，形成上升闭锁。
此时FWD与CM相连，电机正转上提煤车。
当按下停止按钮时，所有继电器常闭触头闭合，为下一次提升做准备。
三、工频与变频转换
（1）工变频转换系统可使电机转速需在工频运行或变频出现故障时进行自由切换。
正常工作状态，为变频调速运行。
此时继电器KM2得电，KM3失电；置于变频器与电机之间的KM2常开触点闭合，跨过变频器，连接电机与三相动力电源的KM3常开触点断开。
变频器接入调速回路，并接受操作台控制信号及PLC反馈信号，进行调速控制。
当变频器出现故障或需要对电机进行点动调节时，按下工频按钮，使KM2断开，KM3闭合，电机进入工频状态。
这样便于检修和故障排除。
（2）梯形图及编程语言
结 论
本文主要为矿井提升机设计一套PLC控制的变频调速控制系统，设备包括系统操作台、变频柜、电源柜、动力柜及PLC实现提升机速度的可调节，以节约能源和适应生产的需要。
根据要求，此系统能达到现场的运行状况、运行数据都可以在司机控制室掌握，用户在控制室可以通过操作台或人机界面来设置提升机的运行频率、启动和停止电机，并且各环节故障信息可以在操作台或人机界面上反映出来，以用来提示用户。
对本文在矿井提升机控制系统研究中，采用变频器和可编程序控制器相结合的方法，取得了一定的成果，通过对已改造的提升机设备进行调研以及相关文献的阅读可以看出PLC控制的变频调速提升机有明显的社会效益和经济效益。
采用PLC后，克服了原继电器系统的不足，系统安全可靠，性价比提高，且控制程序可根据需要修改，对提高控制技术水平具有广阔的应用前景。
变频调速系统在提升机控制中显示出其控制性能优良、操作简便、运行效率高、维护工作量小等诸多优点，是矿用提升机传动的发展方向。
在使用过程中实现了软起动、软停车，减少了机械冲击，使运行更加平稳可靠；该系统四象限运行，可实现绞车的调速、换向、能量回馈制动等功能，适应范围广，节能效果更加明显。
实现方案的同时还发现很多的不足。
1、在运行过程中发现在提升机启动和停止时，钢丝绳有颤动的现象，造成安全隐患。
在今后的研究中可以加入先进的控制算法比如模糊控制，在软件中为提升机的启动和停止设置特定的运行曲线，使其运行更稳定，并解决颤绳的问题。
2、为提高系统的硬件设计水平，促进整机性能的提高，降低成本。
需要不断关注相关的电力电子、变频器、PLC等领域的新技术、新发展，选择更先进的、使用方便、工作可靠，并且性价比更高的元器件。
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