基于plc矿井提升机变频调速系统Word文档下载推荐.docx

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指导教师XXX

系（部）主任XXX

2013年5月24日

XXXXXXXXX

毕业设计（论文）答辩委员会记录

XXX系XXX专业，学生XXX于年月日进行了毕业设计（论文）答辩。

设计题目：

专题（论文）题目：

指导老师：

答辩委员会根据学生提交的毕业设计（论文）材料，根据学生答辩情况，经答辩委员会讨论评定，给予学生毕业设计（论文）成绩为。

答辩委员会人，出席人

答辩委员会主任（签字）：

答辩委员会副主任（签字）：

答辩委员会委员：

，，，

，，，

XXXXXXX毕业设计（论文）评语

第页

共页

学生姓名：

XXX专业XXX年级2010

毕业设计（论文）题目：

基于PLC矿井提升机变频调速系统设计

评阅人：

指导教师：

XXX（签字）年月日

成绩：

系（科）主任：

（签字）年月日

毕业设计（论文）及答辩评语：

摘要

本设计在原有的继电器—接触器电控系统的基础上，对提升机的电控系统进行了改进。

改用PLC控制，与传统的继电器—接触器电控系统相比，调速时的能耗大大降低，运行效率也有很大的提高，而且减少了维修的成本。

如果需要改变系统的装置，可以直接在计算机上相应的梯形图进行修改，不像传统的电控系统，需要改变很多继电器，接触器的接线，这在无形之中就节省了大量的劳动力和时间，进而提高了劳动生产率。

变频调速是近年来发展起来的一门新兴的自动控制技术，它利用改变被控对象的电源频率，成功实现了交流电动机大范围的无级平滑调速，在运行过程中能随时根据电动机的负载情况，使电机始终处于最佳运行状态，在整个调速范围内均有很高的效率，节能效果明显。

在矿井提升机控制系统研究中，采用变频器和可编程控制器相结合的方法，在使用过程中实现了变频调速，换向等功能，使运行更加平稳可靠。

适应范围广，节能效果更加明显。

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。

关键词：

矿井提升机，变频调速，PLC，控制系统

第一章概述

1.1系统设计的目的及意义

矿井提升机常被人们称为矿山的咽喉，是矿山最重要的设备，是地下矿井与外界的唯一通道，肩负着运输矿石、物料、人员等的重要责任。

对提升机来说，运行的安全性与可靠性是至关重要的。

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，这种系统存在着很多的缺点。

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研究课题。

采用新技术、新设备、新工艺来装备煤炭生产的各个环节，以达到减人提效、确保安全生产的目的，是科技兴煤的必由之路。

矿井提升设备，其中主要是提升机及其控制和安全设备，也同样要面临着这一必经之路。

多年来，矿井提升机及其拖运、安全保护系统等设备的技术水平和安全水平一直是困扰煤炭安全生产和效益提高的重要因素。

为改变这一状况，煤炭行业的科研、高校、生产企业和待业主管部门以及行业的科研和生产企业的工程技术人员做了大量的工作，已开发了众多适用的产品和技术，积累了丰富的经验，取得了长足的进步。

大家可以看到，目前我国已经可提供多种技术先进、性能可靠、安全性高的矿井提升设备，大多数已在煤矿基建、生产和技术改造等方面获得了成功的应用。

随着计算机和PLC技术的不断发展，采用先进的控制技术改造传统矿山行业的传统控制系统，从而使矿井提升机的控制性能得到极大的改善，其自动化水平、安全性、可靠性都达到了新的高度，并采用现代化的管理和监视手段保障提升机的安全运行，保证矿井提升机可靠、准确地运行，实现矿井提升机的计算机控制。

在矿井提升机控制系统设计中，采用变频器和可编程控制器相结合的方法，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，优化了调速系统的性能，在使用过程中实现了变频调速，换向等功能，使运行更加平稳可靠。

为保证提升设备无事故，在提升设备有可能出现故障的各个重要环节上，设置双回路系统，并在系统的各个环节上设有各种检测、控制、自诊断以及记录和保护装置（如负载、速度、加减速、产量、运行时间等记录）。

1.2矿井提升机的国内外发展研究现状

矿井提升装置是采矿业的重要设备，随着科学技术的进步和矿井生产现代化要求的不断提高，人们对提升机工作特性的认识进一步深化，提升设备及拖动控制系统也逐步趋于完善，各种新技术、新工艺逐步应用于矿井提升设备中。

特别是模拟技术、微电子技术、微电脑技术在矿井提升机控制中的应用已成为必然的发展。

1.2.1国外矿井提升机的现状

矿井提升机作为矿井运输系统的主要运行形势之一，最早起源于英国、美国、德国等一些采煤技术发达的国家，五十年代已经大规模服务于煤炭行业。

随着科学技术的发展，近三十年来，国外矿井提升机机械部分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。

上世纪七十年代德国西门子公司发明矢量控制的交—直—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Monopol矿问世，1988年由MAVGHH和西门子合作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。

1.2.2国内提升机的现状与发展趋向

我国矿井提升机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，这种控制系统存在着操作复杂、故障率高、电能浪费大、调速性能差、运行效率低、控制精度低、安全保护和监测环节不完善、维修成本高等不足。

就拖动方式而言，目前我国的矿井提升机主要有以下两种拖动方式：

1.交流拖动方式

目前我国提升机约70%采用串电阻调速的交流拖动方式。

有单绳和多绳两种系列，大都采用改变转差率s的调速方法，在调速中产生大量的转差功率，使大量电能消耗在转子附加电阻上，导致调速的经济性变差。

极少数提升机采用串级调速方法，其调速范围窄，且投资大。

图1-1为提升机的交流拖动原理图。

图1-1矿井提升机的交流拖动

2.直流拖动方式

我国提升机采用直流拖动有两种系统:

直流发电机—直流电动机机和晶闸管—直流电动机系统。

对于我国的矿井提升机实现精度行程控制和制动控制系统安全可靠是一个急待解决的问题。

总体来说，随着科学技术不断的发展和PLC可编程控制技术、变频技术的发展，我国近十年来关于矿井提升计算机控制系统的研究发展迅速,采用了先进的控制设备和控制策略,无论在驱动方式上还是控制技术上都取得了很大的进展,积累了大量的经验,取得了很大的成绩。

提升机的直流拖动如图1-2所示。

图1-2矿井提升机的直流拖动

1.3设计方案分析及确定

1.3.1拖动与调速方案分析

1.拖动方案

斜井提升是典型的摩擦性负载，即恒转矩特性负载。

重车上行时，电机的电磁转矩必须克服负载阻转矩，起动时还要克服一定的静摩擦力矩，电机处于电动工作状态，且工作于第一象限，在重车减速时，虽然重车在斜井面上有一向下的分力，但重车的减速时间较短，电机仍会处于再生状态，工作于第二象限。

当另一列重车上行时，电机处于反向电动状态，工作在第三象限和第四象限，另外有占总运行时间10%的时候单独运送工具或器材到井下时，电机纯粹处于第二或第四象限，此时电机长时间处于再生发电状态，需要进行有效的制动。

经分析本文将采用交流绕线式电动机拖动，长期以来，我国广泛使用交流绕线式电动机拖动，与直流他励电动机拖动比较，其主要优点是：

系统比较简单、设备价格较低；

在加速阶段采用附加电阻调速，效果良好。

提升过程一般包括：

起动加速、匀速、减速、爬行和停车几个主要环节。

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。

提升机经过变频调速改造后，系统的工作过程变化不大，操纵杆控制电机正转三档速度和反转三档速度。

不管电机正转还是反转，都是从矿井中将煤拖到地面上来，电机工作在正转和反转电动状态，只有在满载拖车快接近井口时，需要减速并制动。

2.调速方案

矿井提升机调速系统采用交流异步电动机拖动，其交流异步电动机转速公式为：

n=60f/p（1-s）从上式可见，改变供电频率f、电动机的极对数p及转差率s均可达到改变转速的目的。

PLC变频调速是一种理想的高效率、高性能的调速方法，从调速的本质来看，不同的调速方式无非是改变交流电动机的同步转速或不改变同步转速两种。

在生产机械上广泛使用的调速方法中，不改变同步转速的有：

绕线式电动机的转子串电阻调速、斩波调速、串级调速等。

改变同步转速的有：

变极对数调速，改变定子电压、频率的变频调速，无换向电动机调速等。

经分析本文将采用改变定子电压、频率的变频调速的方案，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。

此方案调速平滑，实施时采用闭环系统，机械特性较硬，调速范围较宽。

1.3.2控制方案分析与确定

1、传统继电器—接触器控制

国内大多继电器—接触器式矿井提升机设备还是以磁放大器为核心组成模拟量闭环调节构成的，支配控制系统工作的“程序”是由各分立元件（继电器、接触器、电子元件等）用导线连接起来加以实现的，这样的控制系统称为接线程序控制系统。

在接线程序控制系统中控制程序的修改必须通过改变接线来实现。

图1-3为继电器—接触器控制系统框图。

图1-3继电器—接触器控制系统框图

而这种控制方式还存在着很多的问题：

（1）使用大量继电器、接触器及其它分立电子元件使系统体积大、运行噪声大。

（2）继电器、接触器频繁动作，电弧烧蚀触点，使用寿命短。

（3）在启动过程中由于罐笼的实际载重量不同，而使实际的加速过程并非按照预定的设计参数运行，常常出现停车不准确甚至提前停车现象，不能正常装卸载。

（4）系统安全保护环节不全面，工作不可靠，故障显示不直观，分析

查找故障难度大，缺乏运行参数显示功能.

（5）机械冲击大、人员乘车舒适性差。

这些不足主要是因为采用继电器控制方式造成的，在这种控制方式下继续改善的余地不大。

如果对该竖井提升机电控系统进行技术改造，那么需要改变控制策略，采用当代高新实用技术，比如先进的工业计算机、现场总线和工业自动化技术来控制，按照结构标准化、产品系列化、性能现代化、体积小型化的原则，研制生产适合矿井提升机电控设备是进行技术改造和新建矿井设备选型的理想选择，从而使之成为安全、可靠、高效率、自动化程度高的电控系统。

2、PLC控制变频调速

为了改善旧式提升机的不足，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。

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。

PLC控制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。

采用PLC控制变频调速，在最大限度满足生产设备和生产工艺对电气控制系统要求的前提下，力求运行安全、可靠、动作准确、结构简单、经济、电动机及电气元件选用合理，操作、安装、调试和维修方便。

图1－4为可编程控制器（PLC）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1-4可编程控制器控制过程系统框图

本次设计采用PLC控制变频调速系统，选用PLC和变频器的组合可完成数字量的输入，实现模拟量和数字量的输出控制。

采用PLC技术，克服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。

通过对频率的调节来实现对速度的控制，使得速度变化更加平滑和实现精确调速。

从解决实际矿井提升系统存在的问题出发，对传统的调速方案进行了控制方式的革新和数字化改造，降低了成本，提高了控制精度，加强了系统稳定性,使速度变化更加平滑和实现精确调速。

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。

本文将提出的设计方案具有实用价值。

适用、经济、高效、可靠是本文提升机系统设计的追求目标。

基于PLC的矿井提升变频调速控制系统图如图1-5所示。

图1-5基于plc的矿井提升变频调速控制系统图

基于PLC的矿井提升机变频调速控制系统由控制监视系统、操作台、PLC、编码器、变频器和液压站等系统组成。

图1-6为矿井提升机变频调速控制的系统框图。

图1-6控制系统框图

系统框图中部分系统功能如下：

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。

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要完成如下参数的监视：

提升过程中各工况参数（如速度、电流）监视；

各主要设备运行状态监视；

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。

系统框图中用旋转编码器来测试电机的转速。

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。

变频器：

是动力站的能量供给单元，通过它可将输入工频电能转换成频率可调的电能提供给交流电动机，以达到控制交流电动机转速的目的。

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。

第二章主要元部件的选择

2.1可编程控制器（PLC）的选择

PLC技术是工业自动化的重要手段，它可以实现逻辑控制、顺序控制、定时、计数、算数运算、数据运算、数据通信等功能，并且具有处分支、中断、自诊断能力。

PLC技术的逻辑控制功能通过软件编程来实现，柔性强，控制功能多，控制线路大大简化。

PLC的输入输出回路均带有光电隔离等抗干扰和过载保护措施。

程序运行为周期性顺序扫描和集中批处理的工作方式，具有故障检测及诊断程序，可靠性极高。

PLC控制系统为模块结构，维护更换方便，并可显示故障类型。

因此本文决定采用PLC进行，并且保持原有的操作方式、按钮、开关的作用不变，以方便用户，缩短适应期。

根据PLC的技术特点又可增加一些新的功能。

S7-200系列西门子PLC家族中的成员之一，在西门子工控领域中占有重要的地位。

S7-200系列PLC体积小，价格低廉，软硬件功能强大，系统配置方便，它一推向市场就在各行各业得到了广泛的应用。

而S7-200系列的产品可以满足设计要求，因此本次设计以西门子公司的S7-200系列入手。

S7-200可编程控制器（PLC）的基本结构如图2-1所示。

图2-1PLC的基本结构图

2.1.1S7-200系列西门子PLC的基本特点

PLC通电后，需要对硬件和软件做一些初始化工作。

为了使PLC的输出及时地响应各种输入信号，初始化后PLC要反复不停地分段处理各种不同的任务，这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。

整个扫描过程分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行、程序输出几个阶段，全过程扫描一次所需要的时间称为扫描周期。

内部处理阶段，PLC检查CPU模块的硬件是否正常，复位监视定时器等。

在通信服务阶段，PLC与一些智能模块通信、响应编程器键入的命令、更新编程器的显示内容等。

当PLC处于停止（STOP）状态时，只进行内部处理和通信操作服务等内容。

在PLC处于运行（RUN）状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。

可编程控制器（PLC）的诞生给工业控制带来革命性的飞跃，与传统的继电器控制相比有着突出的特点：

（1）灵活性、通用性强

继电器控制系统如果工艺要求稍有变化，控制电路必须随之作相应的变动，所有布线和控制柜极有可能重新设计，耗时且费力然而是利用存储在机内的程序实现各种控制功能的。

因此当工艺过程改变时，只需修改程序即可，外部接线改动极小，甚至可以不必改动，其灵活性和通用性是继电器控制电路无法比拟的。

（2）可靠性高，抗干扰能力强

继电器控制系统中，由于器件的老化、脱焊、触点的抖动以及触点电弧等现象是不可避免的，大大降低了系统的可靠性。

而在控制系统中，大量的开关动作是由无触点的半导体电路来完成的，加之在硬件和软件方面都采取了强有力的措施，使产品具有极高的可靠性和抗干扰能力可以直接安装在工业现场稳定地工作。

PLC在硬件方面采取电磁屏蔽、光电隔离、多级滤波等措施在软件方面采取警戒时钟、故障诊断、自动恢复等措施，并利用后备电池对程序和数据进行保护,因此被称为“专为适应恶劣的工业环境而设计的计算机”。

（3）编程简单，使用方便

PLC采用面向过程，面向问题的“自然语言”编程方式，直观易懂，主要采用梯形图和语句表编写程序，使得广大电气技术人员更易接纳和理解。

同时设计人员也可根据自己的喜好和实际应用的要求选择其他编程语言。

标准是编程语言的标准，除了梯形图和语句表之外，还存在顺序流程图、结构化文本和功能块图三种编程语言的表达方式。

一个程序的不同部分可用任何一种语言来描述，支持复杂的顺序操作功能处理以及数据结构。

（4）功能强大，可扩展

PLC的主要功能包括开关量的逻辑控制、模拟量控制部分还具备控制或模糊控制功能、数字量智能控制、数据采集和监控、通信、联网及集散控制等功能。

PLC的功能扩展也极为方便，硬件配置相当灵活,根据控制要求的改变，可以随时变动特殊功能单元的种类和个数，再相应的修改用户程序就可以达到变换和增加控制功能的目的。

（5）控制系统易于实现、开发工作量少

由于PLC的系列化、模块化、标准化及良好的扩展性和连网性能,在大多数情况下PLC系统是一个较好的选择。

它不仅能够完成多数情况下的控制要求，还能够大量节省系统设计、安装、调试的时间和工作量。

（6）体积小、能耗低

由软件实现的逻辑控制可以大量节省继电器、定时器的数量。

一台小型的PLC只相当于几个继电器的体积,控制系统所消耗的能量也大大降低。

2.2变频器的选择

从80年代初通用变频器问世以来，经过近20年，通用变频器更新换代了五次。

第一代是80年代初模拟式通用变频器；

第二代是80年代中期数字式通用变频器；

第三代是90年代初智能型通用变频器；

第四代是90年代中期的多功能型通用变频器；

最近研制上市第五代集中通用变频器；

通用变频器的发展情况可以从几个方面来说明：

1．通用变频器的应用范围不断扩大。

2．通用变频器使用的功率器件不断更新换代。

3．通用变频器的控制技术性能达到了直流电机调速水平。

目前国外变频调速技术发展较快，性能也非常好，在各行各业中得到了广泛的应用，如日本富士、瑞典ABB等变频调速系统应用领域非常广泛。

国内变频调速技术发展较慢，产品性能较差，很难满足连续化工生产的需求，而且无法实现闭环自动控制。

因此国内使用单位主要以进口为主，很少使用国内生产的产品。

变频器的基本结构如图2-2所示。

图2-2变频器的基本结构

本次设计变频器主要选用德国西门子公司研发、生产的交—直—交方式变频器系列MM440通用变频器,三相交流电源电压。

2.2.1MM440通用变频器的简介

变频器MM440系列（MicroMaster440）是德国西门子公司广泛应用与工业场合的多功能标准变频器。

它采用高性能的矢量控制技术，提供低速高转矩输出和良好的动态特性，同时具备超强的过载能力，以满足广泛的应用场合。

对于变频器的应用，必须首先熟练对变频器的面板操作，以及根据实际应用，对变频器的各种功能参数进行设置MM420变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。

2.2.2MM440变频器的工作原理及其调速原理

1.MM440变频器的工作原理

我们现在使用的MM440变频器主要采用交－直－交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。

变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。

整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。

图2-3交-直-交变频器结构图

异步电机的VVVF调速系统一般简称变频调速系统。

由于在变