基于PLC和变频器的矿井提升机电控系统

1、毕业设计（论文）毕业设计（论文） 题 目 基于 PLC 和变频器的矿井提升机电控系统 姓 名 学 号 专业班级 电气自动化 091 班 院系名称 太原科技大学成人教育学院 指导老师 2011 年 11 月 10 日 摘 要 矿井提升机被称为矿山的咽喉，是生产的关键设备，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。 因此对矿井提升机控

2、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。 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。 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

3、效果明显。采用变频器对异步电动机进行调速控制，由于 使用方便、可靠性高并且经济效益显著，所以得到广泛应用。因此，应用变频器 对矿井提升机的控制系统进行改造，将成为历史的必然趋势。 关键词：矿井提升机，矿井提升机，PLCPLC，变频调速，控制系统，变频调速，控制系统 ABSTRACT The mine elevator is entitled as the throat of mine, and it is the most vital equipment in mine. The mine elevator is the only channel to the underground mine

4、s, and it is shouldering the transportation of mineral, materials and people. The safety and security is the most vital to elevator. The traditional shaft hoist control system is always controlled by the relaycontactor, and adopts the methods of connect series additional resistant in rotors winding

5、loop to start and adjust speed. The system has many disadvantages such as bad reliability, complicated operation, high fault rate, large energywasting and low efficiency. So, carrying on the research on the shaft hoist control system has realistic meanings, and it is a subject for research by releva

6、nt experts and scholars, both at home and abroad too. Along with 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, and provided a new

7、 and modern manage and monitor means. Advanced industry control computer are used to monitor and manage the course of elevator Frequency conversion is developed as a new automatic control technology in recent years, which is used to change the power frequency of the controlled objects, it successful

8、ly achieve the speed step less adjusting of the Ac motor in a large scope, and it can make the motor 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 c

9、ontrol the asynchronous motors is widely used because of it is convenient, high reliability and the economic benefit is remarkable. Therefore, adopting inverter to reform the control system of shaft hoist will become the inevitable trend of history. KEY WORDS：shaft hoist, PLC, frequency conversion,

10、control system 目 录 第 1 章 绪 论.1 1.1 国内外矿井提升机研究现状与发展趋势.1 1.1.1 国外矿井提升机的现状.1 1.1.2 国内提升机的现状与发展趋向.2 1.2 本文研究意义及内容.3 1.2.1 研究意义.3 1.2.2 研究内容.3 第 2 章 系统工艺流程及控制要求.4 2.1 矿井提升机系统简介.4 2.2 提升机电动机运行方式.5 2.3 提升机的速度要求及受力情况.6 2.3.1 提升机的速度要求.6 2.3.2 提升机的受力情况.7 2.4 矿井提升机的电气传动方案.8 第 3 章 系统控制方案设计.9 3.1 控制单元基本原理.9 3.2

11、控制系统总体设计.11 3.3 可编程控制器（PLC）介绍 .11 3.3.1 PLC 的基本特点 .12 3.3.2 PLC 的基本结构 .13 3.3.3 PLC 的工作原理 .13 3.3.4 PLC 的编程语言 .14 3.4 变频器介绍.14 3.4.1 变频调速基本原理.15 3.4.2 变频器按中间直流环节方式分类.16 第 4 章 控制系统硬件设计.18 4.1 控制系统硬件选型.18 第 5 章 控制系统软件设计.19 5.1 控制程序流程图.20 5.2 系统控制程序梯形图.21 第 6 章 人机交互界面.22 6.1 触摸屏概述.22 6.2 触摸屏在工业控制中的应用.2

12、3 6.3 PWS3261 触屏简介.24 6.4 触摸屏在矿井提升机控制系统中的应用.24 第 7 章 结 论.25 参考文献.26 致 谢27 第第 1 章章 绪绪 论论 1.1 国内外矿井提升机研究现状与发展趋势 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、微电脑技术在提升机控制中的应用已成为必然的发展。 1.1.1 国外矿井提升机的现状 近三十年来，国外提升机机械部分和电气部分都得到了飞速的发展，

13、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 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

14、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。 1.1.2 国内提升机的现状与发展趋向 目前国内的矿井提升机传动方式大多为以下几种： 1、交流绕线式异步电动机转子串电阻调速 2、直流可逆调速 3、交流变频调速 （1）异步电动机的交直交变频 （2）大惯量低速同步电动机交交变频 国内矿井提升机的发展趋势如下： （1） 随着国家出台一系列节能降耗、发展低碳经济相关政策，各大煤炭

15、企业 将不得不淘汰掉那些高耗能、高污染、生产技术落后的设备。矿井提升机 作为生产重要设备，除高耗能以外，还有着工作结构复杂、危险程度大等 突出问题，因此，技术落后、设备陈旧逐渐不能满足发展要求，取而代之 的将会是节能环保、安全高效的全数字化生产模式。 （2） 使用变频器调速的矿井提升机，可以实现启动时的软启动、软停车， 减轻对电网的冲击；可根据负载需要，自动输出合适的功率大大降低了不 必要的能量耗损；调速平滑连续，使运行更加安全、稳定、高效。据此， 变频器以其独特的优势在提升机行业的应用也迎来了发展的新时期。 1.2 本文研究意义及内容 1.2.1 研究意义 目前国内各大煤矿的矿井提升机系统的

16、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，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 进的矢量控制技术，优化了调速系统的性能，这已成为现代交流调速的重要研究 方向。 采用先进的工业计算机、现场总线和工业自动化技术，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。为保证提升设备无

17、事故，在提 升设备有可能出现故障的各个重要环节上，设有各种检测、控制、自诊断以及记 录和保护装置(如超载、速度、加减速等记录)。 1.2.2 研究内容 在煤矿生产中，矿井提升机起着非常重要的作用。矿井提升机是矿井生产过 程中的一个重要环节，它的任务是提升有用矿物和矿石、升降人员和设备、下放 材料等。提升机电控装置的技术性能，既直接影响矿山生产的效率及安全，又代 表着矿井提升机发展的整体水平，是矿井安全生产中重中之重的一大环节。 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：转子回路串接电阻，消耗电

18、能，造成能源浪费；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；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；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；电动机依靠转子电阻获得的低速，其运 行特性较软；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机控制技术和变频调速技术，对原有提升

19、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。 第第 2 章章 系统工艺流程及控制要求系统工艺流程及控制要求 2.1 矿井提升机系统简介 矿井提升机可分为竖井提升机和斜井提升机两种。矿井提升机主要由电动机、 减速器、卷筒（或摩擦轮） 、制动系统、深度指示系统、测速限速系统和操纵系 统等组成，采用交流或直流电机驱动。提升钢丝绳的工作原理

20、分缠绕式矿井提升 机和摩擦式矿井提升机。缠绕式矿井提升机有单卷筒和双卷筒两种，钢丝绳在卷 筒上的缠绕方式与一般绞车类似。单筒大多只有一根钢丝绳，连接一个容器。双 筒的每个卷筒各配一根钢丝绳，连接两个容器，运转时一个容器上升，另一个容 器下降。缠绕式矿井提升机大多用于年产量在 120 万吨以下、井深小于 400 米的 矿井中。摩擦式矿井提升机的提升绳搭挂在摩擦轮上，利用与摩擦轮衬垫的摩擦 力使容器上升。提升绳的两端各连接一个容器，或一端连接容器，另一端连接平 衡重。摩擦式矿井提升机根据布置方式分为塔式摩擦式矿井提升机（机房设在井 筒顶部塔架上）和落地摩擦式矿井提升机（机房直接设在地面上）两种。按

21、提升 绳的数量又分为单绳摩擦式矿井提升机和多绳摩擦式矿井提升机。后者的优点是： 可采用较细的钢丝绳和直径较小的摩擦轮，从而机组尺寸小，便于制造；速度高、 提升能力大、安全性好。年产 120 万吨以上、井深小于 2100 米的竖井大多采用 这种提升机。目前，我国单绳缠绕式提升机，广泛采用交流绕线式电动机拖动， 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。 2.2 提升机电动机运行方式 提升机电动机的运行方式 ,主要根据系统的力图来确定： 加速阶段：提升时为正力，采用电动加速。下放时为负力，若负力值较小， 可考虑自由加速，并配合使用盘式制动器，若负力值较大，则采用动力制动加速

22、。 匀速阶段：提升时为正力，采用电动拖动。下放时为负力，采用能耗制动、 闭环控制，单闭环速度控制系统由与距离有关的理想速度给定电路、速度负反馈 电路、PID 调节器、移相触发电路及双向可控硅能耗制动电路组成，下放速度由 PID 调节。 主减速阶段：提升时为正力，采取逐级接入转子附加电阻和机械制动的方式。 下放时为负力，一方面接入转子附加电阻，另一方面增大制动电流并辅以机械制 动方式减速。 爬行阶段：当为正力时，转子接入几段附加电阻，由 PLC 控制运行；当为 负力时，在能耗制动方式下接入转子附加电阻。 2.3 提升机的速度要求及受力情况 合理地确定提升机的力图和速度图，可以提高其运行的安全可靠

23、性，以及减 小电动机的功耗。 2.3.1 提升机的速度要求 (1)主加速阶段 如图 21 所示，正常提升时，电动机产生的力矩比阻力矩大 3%5%，产生 比较低的加速度 a 0.3m/s2。当 V0上升到 Vm时，电动机运行在自然特性曲线上。 下放时，由于负力较大，需要制动力来维持稳定的下放速度和规定的减速度。 (2)匀速阶段 t2 上升时，根据负载状况使电动机保持电动状态，且速度 Vm=1.12ms。下放 时，由测速发电机反映转子下放速度 ，当速度高于 Vm时，增大励磁电流 If，提 高制动力矩，使观览车在斜坡上匀速运行。 (3)主减速阶段 t3 为使提升机准确停车，在停车前应进行减速。减速按

24、照速度图要求进行，由 装在斜坡上的位置开关动作发出信号，PLC 再根据与电动机同轴运行的旋转编码 器发出的脉冲数进行比较发出指令，增大励磁电流 If，使下放速度在规定的时间 内降低。 (4)爬行阶段 t4 V4在 0.3 m/ s 左右，此数值实际上是一个平均值，因为提升机由较高的 Vm 不可能很准确的变为速度 V4。 (5)停车阶段 t5 将盘式制动器的 KT 线圈断电，抱闸迅速抱住卷筒，提升机停转。 V t1t2t3t4t5 V0 Vm=1.12m/s V4=0.3m/s 图 21 提升机速度图 2.3.2 提升机的受力情况 由直线运动的运动方程可得： F = + ma 式（21） c F

25、 式中：F提升机在某运动阶段的力，N； 提升机的静阻力（包括车重、提升机重量和绳重） ，N； c F m把旋转运动的部件折算到直线运动的变位质量，kg； a各阶段的加速度、减速度值，m/。 2 s 当 a =0 时，F = ，匀速运行； c F a0 时，F，加速运行； c F a0 时，F，减速运行。 c F 根据以上分析，F = f（t）的力图见图 22： F F1 F2 F3 F4 F5 主 加 速匀速主 减 速爬行 停车 t1 t2t3t4t5 图 22 提升机力图 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

26、安全生产规程的规定 提升人员时，加速度，升降物料时，加速度。另外 2 /75 . 0 sma 2 /2 . 1sma 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(如 加速、减速、等速、爬行等)稳定运行的要求。 (3)有较好的起动性能 提升机不同于其他机械，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

27、，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。 2.4 矿井提升机的电气传动方案 矿井提升机的电气传动方式一般有以下 4 种。本文以英威腾公司 CHV190- 1000G-6 高性能矢量变频器在提升机调速系统中的应用为例，详细介绍了交-直- 交变频调速的原理与传动方案。 （1）绕线转子异步电动机转子回路串电阻调速

28、系统 （2）直流可逆调速系统 （3）交流电动机交交变频调速系统 （4）交-直-交变频调速系统 变频器的主电路大体上可分为两类，电压型是将电压源的直流变换为交流的 变频器，直流回路的滤波是电容；电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器， 其直流回路滤波是电感。 它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流 器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换 为交流功率的“逆变器”，如图 23所示。 图 23 交-直-交变频原理图 （1）整流器：最近大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电 源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进

29、行 再生运转。 （2）平波回路：在整流器整流后的直流电压中，含有电源 6 倍频率的脉动电压， 此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和 电容吸收脉动电压（电流）。装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量， 可以省去电感采用简单的平波回路。 （3）逆变器：同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功 率，以所确定的时间使 6 个开关器件导通、关断就可以得到 3 相交流输出。以电 压型 pwm 逆变器为例示出开关时间和电压波形。 传动系统方案如图 2-4 所示， CHV190-1000G-6 变频器采用并机方式，即 由 2 台 690V500KW 变频

30、器并机拖动 950KW 大功率提升机同步电机组成，每台 图 24 变频器调速方案 变频器均配置输入、输出电抗器，与电动机同轴安装 UVW 型同步电动机专 用编码器。制动器选用 2 台 DBU-350-6 能耗制动单元；每台制动单元连接 4180KW 制动电阻。 控制电路由控制变压器输出的 AC220V 电源再通过隔离变压器、开关电源 后，输出 AC220V、DC24V、DC12V 电源分别提供给 PLC、显示器、继电器、检 测器件、电磁阀等；变频器采用端子控制模式，操作指令由控制台发起，经 PLC 处理后输出，通过 PLC 与变频器控制板 I/O 接口连接线传递信号，实现远程 控制。 为了提高

31、变频器对电机的精确控制，采用闭环控制模式，防止溜钩或因上 升或下降启动时电机输出转矩不足而引起冲击机械系统产生振动的现象。变频器 多功能端子组 S1S4 对应指令为频率给定、上行、下行、复位；多功能模拟量 输入 AI2 设定外部频率 采用 PLC 与变频器相结合的控制方案对传统电控系统进行改造，变频调速是 通过改变定子供电频率，成功实现了提升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，能够满足 提升机特殊工作环境的要求且有着明显的节电效果。采用 PLC 对提升系统进行保 护和监控，使系统更加安全可靠。因此本次设计选用交流电动机交交变频调速

32、系统。 第 3 章 系统控制方案设计 3.1 控制单元基本原理 随着 PLC 控制的日渐成熟，大多数矿井提升机电控系统都采用了可编程序逻 辑控制器(Programmable logic controller)，简称 PLC，PLC 技术是现代工业自动化 的重要手段，由它构成的控制系统逻辑控制由 PLC 通过软件编程实现，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，程序运行为循环扫描工作方式，且有故障检测及诊断程序，可 靠性极高。PLC 控制系统结构为模块化结构，维护更换方便，并可显示故障类型。 图 32 为可编程控制器控制系统。其输入

33、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。 输入设备 按钮、限位开关、操作手柄 可编程控制器 输出设备 继电器和电磁阀 被控制的机械设备或生产过程 图 32 可编程控制器控制过程系统框图 可编程逻辑控制器因为其具有高可靠性以

34、及软件可编程的优点，在现代控制 中越来越广泛的应用。 对于一般提升机电控系统来说，采用一套中小容量的 PLC 即可满足要求，其 价格也不高。如图 32 所示，如果采用 PLC 技术对 TKD 电控系统进行改造，把 原来由各种电器通过连线而实现的逻辑控制改由 PLC 通过软件编程实现，则控制 线路将大大简化，设备体积、设备维修量将大大减小，抗干扰能力将大大增强， 工作可靠性将大大提高，工艺改变时只需要改变控制程序即可。改造时保持原有 的操作方式、按钮、开关、主令控制器作用不变，则用户使用起来将非常方便， 不需要适应期。同时可以利用 PLC 的高速计数功能、网络通信功能、故障检测及 诊断功能、信号

35、显示功能等来增加一些新的控制功能，安全性将大大提高，运行 将更加平稳、准确，完全能够满足矿山生产的苛刻要求，而且投资相对较少，性 价比较高，具有很强的实用价值。 3.2 控制系统总体设计 基于 PLC 的矿井提升机变频调速控制系统由动力装置、液压站、变频器、操 作台和控制监视系统组成，其系统框图如图 33 所示： 图 33 控制系统框图 系统框图中各部分功能如下： 动力装置：包括主电机、减速器、卷筒、制动器和底座，完成人、物料的运 输任务。主电机通过减速器向卷筒提供牵引所需的动力。对于矿井提升机这样的 大型机械来说，在电机脱离电源后，由于运行惯性较大，往往要经过一段时间才 能停止转动，这将影响

36、生产效率，甚至威胁到生产人员的生命安全和物料的运输。 因此必须在系统里加入制动器，避免产生“蠕动”现象，从而保证运输的人和物 料的安全。 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

37、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。 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

38、测试电机的转速。 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。操作人员通过操

39、作台向 PLC 发送 控制提升机运行的控制命令。控制监视系统通过与 PLC 的通信，将电动机的所有 运行参数和故障参数都显示出来，并对矿车的位置及速度进行时时监控。为操作 人员分析故障、判断故障和处理提供依据。 3.3 可编程控制器（PLC）介绍 可编程控制器是以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体集成技术、 自动控制技术、数字技术和通信网络技术发展起来的一种通用工业自动控制装置。 它面向控制过程、面向用户、适应工业环境、操作方便、可靠性高，成为现代工 业控制的三大支柱（PLC、机器人和 CAD/CAM）之一。PLC 控制技术代表着当 前程序控制的先进水平，PLC 装置已成为自动化系统的基

40、本装置。 3.3.1 PLC 的基本特点的基本特点 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

41、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

42、。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，再相应修改用户程序就可以达到变换和增 加控制功能的目的。 3.3.2 PLC 的基本结构的基本结构 PLC 实质是一种专用于

43、工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机 相同，如图 34 所示： 输 入 单 元 外 设 接 口 输 出 单 元 扩 展 单 元 电源 中央处理单元 系统程序用户程序 存储器 输 入 信 号 输 出 信 号 PLC主机 图 34 PLC 的基本结构图 3.3.3 PLC 的工作原理的工作原理 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

44、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。 (1) 输入处理 也叫输入采样。在此阶段，顺序读入所有输入端子的通电断状态，并将读入 的信息存入内存中所对应的映像寄存器。在此输入映像寄存器被刷新。接着进入 程序执行阶段，在程序执行时，输入映像寄存器与外界隔离，即使输入信号发生 变化，其映象寄存器的内容不会发生改变，只有在下一个扫描周期的输入处理阶 段才能被读入信息。 (2)程序执行 根据 PLC 梯形图程序扫描原则，按先左右后上下的步序，逐句扫描，执行程 序。但遇到

45、程序跳转指令时则根据跳转条件是否满足决定程序的跳转地址。用户 程序涉及到输入输出状态时，PLC 输出映像寄存器中读出上一阶段采入的对应输 入端子状态。根据用户程序进行逻辑运算，运算结果再存入有关器件寄存器中， 对每个器件而言，器件映像寄存器中所存的内容，会随着程序执行过程而变化。 (3) 输出处理 程序执行完毕后，将输出映像寄存器，既器件映像寄存器中的寄存器状态。 在输出处理阶段转存到输出锁存器，通过隔离电路驱动功率放大电路，使输出端 子向外界输出控制信号，驱动外部负载。 扫描周期是 PLC 一个很重要的指标，小型 PLC 的扫描周期一般为十几毫秒 到几十毫秒。PLC 的扫描时间取决于扫描速度

46、和用户程序的长短，毫秒级的扫描 时间对于一般工业常是可以接受的，PLC 的响应滞后是允许的。但是对某些 I/O 快速响应的设备，则应采取相应的处理措施。如选用高速 CPU，提高扫描速度， 采用快速响应模块、高速计数器模块以及不同的中断处理等措施减少滞后时间。 影响 I/O 滞后的主要原因有：输入滤波器的惯性、输出继电器接点的惯性、程序 执行的时间、程序设计不当的附加影响等。对用户来说选择一个 PLC，合理的编 制程序是缩短响应的关键。 3.3.4 PLC 的编程语言的编程语言 PLC 是一种工业控制计算机，不仅有硬件，软件也必不可少，目前 PLC 常用 的编程语言有四种：梯形图编程语言，指令语

47、句表语言，功能图编程语言，高级 编程功能语言。 其中梯形图语言形象直观，类似电气控制系统中继电器控制电路图，逻辑关 系明显；指令语句表编程语言虽然不如梯形图编程语言直观，但有键入方便的特 点；功能图编程语言和高级编程语言需要比较多的硬件设备，工程当中特殊场合 下不是经常用到。以下重点介绍梯形图语言编程。 梯形图语言沿袭了继电器控制电路的形式，梯形图编程语言是在电气控制系 统中常用的继电器，接触器逻辑控制基础上简化了符号演变而来的，形象，直观、 实用，电气技术人员容易接受，是目前用的最多的一种 PLC 编程语言。PLC 梯形 图中的继电器、定时器、计数器不是物理继电器，物理定时器和物理计数器，这

48、 些器件实际上是存储器的存储器位，又称软器件。相应为“1”状态，表示继电 器线圈通电或者常开接点闭合或者常闭接点断开。 PLC 的梯形图是形象化的编程语言，梯形图左右两端的母线是不接任何电源 的。梯形图中并没有真实的物理电流流动，而仅仅是概念电流(虚电流)，或者称 假想电流。把 PLC 梯形图中左边母线假想为电源相线，把右边母线假想为电源地 线。假想电流是执行用户程序时满足输出执行条件的形象理解。PLC 梯形图中每 个网络有多个梯形组成，每个梯级有一个或者几个支路组成。 3.4 变频器介绍 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。我们现在使用的变频器主要采

49、用交直交方式，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。 3.4.1 变频调速基本原理 异步电机的 VVVF 调速系统一般简称变频调速系统。由于在变频调速时转差 功率不变，在各种异步电机调速系统中效率较高，同时性能也最好，故是交流调 速的主要发展方向。 交流调速系统的控制量最基本上是转矩、速度、位置，根据不同的用途适当 组合

50、可构成各种闭环系统。 异步电动机定子对称的三相绕组中通入对称的三相交流电，在电机气隙内会 产生一个旋转磁场，其旋转速度为同步转速： 式 p f160 n0 (31) 式中 f1定子绕组电源频率； P电机磁极对数。 异步电动机转差率： 式 n n 0 0 s n (32) 式）（s1 p f160 s)1 (n n0 (33) 由上式可知，异步电动机调速方法有如下几种： 变同步转速n0：变极 p、变频 f1。 变转差率 s：定子调压、转子串电阻、电磁转差离合器、串极调速。 由电机学可知，转差功率： 式 p PP Cu emS S 2 (34) 式中 Pem电磁功率； PCu2转子铜耗。 由式 3

51、4 可知，变频调速与变极调速为转差功率不变型不论其转速高低， 转差功率消耗基本不变，因此调速效率为最高。 在变频调速领域，异步电机的控制方式多种多样，但从转矩的响应性和过渡 特性来看，变频调速的控制方式分为以下几种： (1)V 压控制 V 压控制是交流电机最简单的一种控制方法，通过控制过程中始终保持 V 用 为常数，来保证转子磁通的恒定。然而 V 压控制是一种开环的控制方式，速度动 态特性较差，电机转矩利用率低，控制参数(如加/减速度等)还需要根据负载的不 同来进行相应的调整，特别是低速时由于定子电阻和逆变器等器件开关延时的存 在，系统可能会发生不稳定现象。这种控制方式多用于调速精度不高的场所

52、。 (2)转差频率控制 转差频率控制是检测异步电动机的转速，对转差频率采取闭环控制。与 V 用 控制相比，调速精度要求较高，且系统容易稳定，即能在宽广的调速范围内，将 电动机的转矩、功率因数及效率控制在最佳状态。但是采用此法的电动机调速系 统只能是单机运行，同时转差频率控制未能实施对电机瞬时转矩的闭环控制，尽 管这种系统的静态精度较高，但由于快速性较差，故适用于对响应的快速性要求 不高的系统。 (3)矢量控制 矢量控制是一种建立在转子磁链定向的基础上，通过一系列的坐标变换，实 现电机定子电流转矩分量和磁通分量的解藕的控制方法，可以将作为控制对象的 感应电机当作直流电机来进行控制，实现对瞬时转矩

53、的控制。目前，实用中多采 用转差频率矢量控制，由于其没有实现直接磁通的闭环控制，无需检测出磁通， 因而容易实现。但是其控制器的设计在某种程度上依赖于电机的参数，为了减少 控制上对电机参数的敏感性，已经提出了许多参数辨识、参数补偿和参数自适应 方案，收到了较好的效果。 (4)直接转矩控制 直接转矩控制(DTC)也是一种转矩闭环控制方法，其克服了坐标变换和解祸 运算的复杂性，直接对转矩进行控制，通过转矩误差、磁通控制误差，按一定的 原则选择逆变器开关状态，控制施加在定子端的三相电压，调节电机的转速和输 出功率，达到控制电机转速的目的。由于 DTC 直接着眼于转矩控制，对转子参 数变化表现为状态干扰

54、而非参数干扰，DTC 方法比矢量控制方法具有较高的鲁棒 性。但是 DTC 也存在不足之处，其最大的困难就在于低速性能不理想。 异步电动机用变频器传动的方块图，如图 35 所示，变频器由变流器、平 滑电路、逆变器、控制器四大部分组成，变流器将交流电变为直流电，平滑电路 将此直流电平滑后，由逆变器将它变换为频率可调的交流电，向电动机提供电压、 电流和频率。 变频器 控制器 逆变器平滑电路IM 电 源 图 35 变频器的基本结构 3.4.2 变频器按中间直流环节方式分类 (1)电流型变频器 当交直交变压变频装置的中间直流环节采用大电感滤波时，直流电流波 形比较平直，因而电源内阻抗很大，对负载来说基本

55、上是一个电流源，输出交流 电流是矩形波或阶梯波，这类变频装置叫做电流源型变频器。有的交交变频装 置用电抗器将输出电流强制变成矩形波或阶梯波，具有电流源的性质，它也是电 流源型变频器。这种电流源型变频器，其逆变器中的晶闸管每个周期工作 1200 ，属于 1200 导电型。 电流源型变频器一个突出的优点是当电动机处于再生状态时，反馈到直流侧 的再生电能可以方便的回馈到交流电网，不需要主回路中附加任何设备，只要利 用网侧的可逆变流器改变其输出电压极性即可，这种电流型变频器有制动发电能 力，又能设置电流环提高承载能力，适合需要快速减速和调速范围宽的场合，适 配大功率电机，国内单机容量可达 12000k

56、w，国外达数万千瓦级。 (2)电压型变频器 在交直交变压变频装置中，当中间直流环节采用大电容滤波时，直流电 压波形比较平直，在理想情况下是一个内阻抗为零的恒压源，输出交流电压是矩 形波或阶梯波，这类变频装置叫做电压源型变频器。一般的交直交变压变频 装置虽然没有滤波电容，但供电电源的低阻抗使它具有电压源的性质，也属于电 压源型变频器。对负载电动机而言，变频器是一个交流电压源，在不超过电压容 量的情况下可以驱动多台电动机并联运行，具有不选择负载的通用性。中小功率 变频器通常采用电容滤波即电压型变频器。逆变器开关器件己由晶闸管 （SCR)、 功率晶体管 （GTR)，发展到绝缘栅双极型晶体管 (IGB

57、T)，以至智能型功率模块 (IPM)，集成门极换流晶闸管 (IGCT)等。 第 4 章 控制系统硬件设计 4.1 提升机电控系统变频器选择 本调速控制系统包括：三菱公司生产的 FX2N 系类 PLC 一套； INVT 公司的 CHV190 起重专用变频器一台（外加制动单元） ，功率为 1000kW，闭环矢量控制。 根据变频调速原理，在变频器的控制输入回路中接入频率设定电路，由 PLC 输出的模拟量，即电压或电流信号来控制变频器的输出频率，实现电机速度控制。 本系统中调速采用 PLC+D/A 模块配合变频器进行，通过 PLC 输出电压信号(010V)来 控制变频器的频率。此时的变频器输出频率与设

58、定电压输入成正比。 为了便于监控变频器的运行状态并及时发现异常，应取出变频器的异常信号 送到 PLC 的输入模块，以作为变频器的事故报警信号及安全制动。 为了与变频调速系统配合，保证在启动力矩、低频转矩、过载能力等方面满 足系统的要求，选用变频电动机。变频电动机的电磁设计、结构设计和绝缘系统 设计既考虑了对变频器电源供电和宽范围变频调速的适应能力，又体现了过载能 力大、机械强度高的特点。与变频调速良好的起、制动功能相结合，特别适用于 采用变频调速，短时间或断续周期运行、频繁启动和制动的场合，既能保证电动 机在高频时的过载能力，又能在低频时保持恒转矩输出。 第第 5 章章 控制系统软件设计控制系

59、统软件设计 5.1 控制程序流程图 系统控制程序流程图如图 51 所示。PLC 控制主程序完成系统初始化、自 检、故障诊断、调速系统控制及安全保护等工作。 开始 程序初始化 自检 初始位置检 测完成？ 正常？ 开车？ 封锁输出 声光报警 故障处理 进入初始状态 速度控制 程序 松绳？ 过载？ 过卷？ 停止？ 结束？ 报警回路动作 安全回路动作 安全回路动作 N Y N N Y Y Y N N N Y Y N 超速？安全回路动作 N Y Y 图 51 控制程序流程图 系统开机运行，PLC 首先进行初始化，接着完成自检及提升机初始位置显示， 当收到开车指令时，PLC 转入速度给定控制，在系统运行过

60、程中，当 PLC 接收到 来自接近开关或变频器故障等外部控制信号时，PLC 控制程序转到相应的中断处 理程序处，完成过卷、过载、松绳等保护及提升机位置、速度监控、变频器故障 监控等。当有故障出现时可转到相应的故障处理模块进行故障处理，并通过报警 回路报警或安全回路实现抱闸停车保护。 5.2 系统控制程序梯形图 系统控制程序梯形图如图 52 所示： Y0 Y3 Y2 X1X15X2 X13 X14 Y2 Y3 Y0Y11 Y2 Y4 X10 X10 X6 Y4 Y5 X11X7Y4 X11 Y5 Y5 T0 K1000 T0 Y7 Y8 Y6 MOV K0 D100 ADD D100 K80 D