基于PLC的矿井提升机变频调速控制系统的设计

1、河南城建学院本科毕业设计（论文） 摘要摘要矿井提升机是矿山最重要的设备，肩负着矿石、物料、人员等的运输责任。传统的矿井提升机控制系统主要采用继电器一接触器进行控制，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制系统进行研究具有现实意义。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。论文根据矿用提升机的运行特性要求，对变频器和PLC 进行选型，并对系统的软、硬件进行设计，其中包括检测模块、控制模块、保护模块、显示模块

2、和抗干扰模块的设计，最后进行系统集成和调试。运行表明，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。 关键词：PLC，矿用提升机，变频调速4河南城建学院本科毕业设计（论文） AbstractAbstractThe shaft hoist is the foremost equipment of mines，it is widely used to transport the materials，staff and equipmentThe traditional shaft hoist control system is always controlled

3、by the relay-contactor，and adopts the methods of connect series additional resistant in rotors winding loop to start and adjust speedThe system has many disadvantages such as bad reliability，complicated operation，high fault rate，large energy-wasting and low efficiencySo，carrying on the research on t

4、he shaft hoist control system has realistic meanings，and it is a subject for research by relevant experts and scholars both at home and abroad too.To these questions existing in the shaft hoist control system，the paper applied PLC(Programmable Logic Controller)and frequency converter to the system，a

5、nd have carried on deeper research in feasibility.Paper based on the operation of mining properties hoist requirements，the selection of frequency converter and PLC，and the system software and hardware design. Including the detection module，control module，protect module，display module and anti-jammin

6、g module design，the final system integration and debug. The tuning indicates，adopting this control system. the shaft hoist works reliably，easy to use，energy-saving well，and have dynamical shown functionKey Words：PLC(Programmable Logical Controller)，shaft hoist，frequency conversion河南城建学院本科毕业设计（论文） 目录

7、目录摘要IAbstractII1 绪论11.1 设计来源11.2 国内外提升机发展状况11.3 设计内容及意义21.3.1 设计内容21.3.2 设计意义32 基于PLC的矿井提升机变频调速系统42.1 PLC简介42.2 变频调速52.2.1 变频调速的基本原理52.2.2 变频器62.2.3 矿井提升机82.2 总体设计93 矿井提升机变频调速系统硬件设计133.1 矿井提升机及电机的选型133.1.1 箕斗的选定133.1.2 预选提升电机133.1.3 参数计算143.1.4 电机容量校核173.2 变频器的选型183.3 PLC的选型233.3.1 I/O点统计233.3.2 PLC

8、的选型253.3.3 PLC外围电气控制274 矿井提升机变频调速系统软件设计304.1 程序设计304.2 系统抗干扰措施334.2.1 变频器的干扰及其防止334.2.2 PLC的抗干扰33总结35参考文献37致谢38附录A 系统总原理图39附录B 程序（部分）40河南城建学院本科毕业设计（论文） 1 绪论1 绪论1.1 设计来源矿井提升机是机、电、液一体化的大型机械，广泛用于煤炭、金属、化工等矿山的竖井、斜井中，是生产运输的主要工具。在煤炭生产中提升机担负着提升煤炭、矸石、下放材料、升降人员和设备的任务，是联系井上与井下的唯一设备，素有矿井“咽喉”之称。矿井提升机的电力传动特性复杂，拖动

9、电动机频繁正反转，经常处于过负荷运转和电动、制动不断地转换的状态中。对矿井提升机来说，运行的安全性、可靠性是至关重要的，主井直接关系到矿山的生产效率，作为运送人员的副井，一旦发生故障，往往造成机毁人亡。矿井提升机运行的安全可靠不仅涉及到井下工作人员的生命安全，而且还直接影响整个矿井的生产能力和经济效益。因此，研制并制造即安全可靠又经济高效的矿井提升机是煤矿安全生产的一项重要课题。近年来，我国有关部门矿井在提升机安全方面做了大量工作，使矿井提升机的安全可靠性有了长足进步，并将“可靠性系统工程”的理念引入了矿井提升机领域。与之相适应，矿井提升机对其电控系统安全可靠性的要求也愈来愈高。因此，在设计矿

10、井提升机调速控制系统时，总是把安全性、可靠性放在首要位置。从上世纪80年代开始，随着计算机技术和电力电子技术的发展，PLC（可编程控制器）和变频器在提升机调速控制系统中逐步得到采用。PLC具有可靠性高、抗干扰力能强、实现继电逻辑容易，基本免于维护等独特优点；变频器调速具有优异的调速性能、平稳的起制动性能、比较高的工作效率/功率因数、明显的节能效果；从而使得矿井提升机调速控制系统的安全性、可靠性得到了很大的提高。假设某煤矿设计年产量=60万，采用一对立井开发，主井已知数据：提升工作制度为每年工作日=300天，每日工作小时数；单水平提升，井筒深度；箕斗卸载高度，装载高度；松散煤的密度为；一套箕斗提

11、升设备，采用双筒单绳缠绕式提升机。根据此煤矿的实际情况，并广泛调查国内外矿井提升机调速控制系统的发展状况设计出适合该煤矿的安全可靠、效率高、经济的提升机调速控制系统。1.2 国内外提升机发展状况近几十年来，国外矿井提升机的机械部分和电气部分都得到了飞速的发展。其中交流绕线型异步电动机拖动方式是矿井提升机电力拖动发展的第一阶段，大体在20世纪50年代至60年代初，采用的是“异步电机+转子串电阻加速+高压接触器换向+动力制动（或低频拖动减速）+继电器控制”方式。同时期使用的还有发电机-电动机直流拖动方式，其一般采用“发电机-电动机机组+继电器控制”的方式。自20世纪60年代初到70年代，在近20年

12、的时间里，伴随着电力电子技术的飞速发展，晶闸管整流装置供电的直流拖动系统得到了迅速发展和普及。为了获得可逆运行特性以实现四象限调速，系统通常采取两种电气控制方案：一种是电枢可逆自动调速方案，通过改变直流电动机的电枢电压的极性，改变提升机运行方向；另一种是磁场可逆自动调速方案，通过改变直流电动机励磁电流方向，来改变提升机的运行方向。不论采取哪种方案，调速方法一般以调压为主，调磁为辅。20世纪80年代初期，开始采用交-交变频器供电的交流拖动方式。1982年，世界上第1台利用交-交变频器供电的同步电动机拖动的矿井提升机在西德问世并投入使用，一举获得了巨大成功，从此，矿井提升机的电力拖动进入了交流变频

13、拖动阶段。在提升机机械和电气传动技术飞速发展的同时，计算机技术的飞速发展，使矿井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PLC应用于矿井提升机的控制。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，使矿井提升机的自动化水平、安全性、可靠性都达到了一个新的高度，并提供了现代化的管理、监视手段，同时期在国外一些著名的矿井提升机制造公司，如西门子、ABB、ALSTHOM都利用新的技术和装备，开发或完善了矿井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。就在国外科学提升机控制技术突飞猛进发展的同时，我国的提升机电控系统一直都处于落后的状态。直

14、到目前为止，我国正在服务的矿井提升机电控系统还是在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。这种系统设备陈旧、技术落后、安全性、可靠性较差，在关键部位上下两井口减速区段都没有配套的有效的速度监视装置，和国外相比，我们存在很大的差距。1.3 设计内容及意义1.3.1 设计内容本文以某煤矿主立井提升机调速控制系统为工业背景，在已经非常成熟但调速方法比较落后的交流拖动技术基础上，通过基于PLC的变频控制技术在矿井提升机行程、速度和制动控制中的应用，阐述了新型矿井提升机调速控制系统的设计与应用情况。 本设计的主要工作有：矿井提升机调速控制系统的设计；调速控制系统硬器件的选型； 调速控制系

15、统软件部分的设计；对所设计的系统进行分析。1.3.2 设计意义目前国内提升机的调速控制系统绝大多数还是在电机转子回路串入电阻分段控制的交流绕线式电机继电器接触器系统。这种控制方式设备陈旧、技术落后，存在着很多的问题：在转子回路串接电阻，消耗大量电能，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。系统的安全性、可靠性不高，容易发生事故。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，

16、不能正常装卸载。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、安全性、经济性和高效性得到提高。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。本设计从解决实际矿井提升机调速控制系统的问题出发，控制单元采用目前工控适用的PLC来控制；电力拖动系统中，选用先进的变频传动装置；优化了矿井提升机调速控制系统的性能。甩掉了原电控调速用的交流接触器及调速阻，提高了系统的可靠性，改善了操作人员的工作环境，使噪音及室温降低了很多；调速连续方便，分段预置频率，能根据负荷情况连续平滑调节转速，无机械冲击现象；实现了低频低压的软起动和软停止，使停车运行更加平稳；启

17、动及加速过程冲击电流小，可以实现提矿井升机在重载下从低速平稳无级平滑地升至最高速。目前，这一控制方法为现代交流调速中比较先进的调速控制方式之一。安全、可靠、经济、高效的矿井提升机调速控制系统设计是本设计的追求目标。河南城建学院本科毕业设计（论文） 2 基于PLC的矿井提升机变频调速系统2 基于PLC的矿井提升机变频调速系统2.1 PLC简介自1969年第一台PLC问世以来，历经40余年的发展，PLC已经成为一种最重要、最普及、应用场合最多的工业控制器，可以说只有PLC才是真正的工业控制计算机。初期PLC只是用于逻辑控制的场合，用于代替继电器控制盘，但是现在PLC已经进入包括过程控制、位置控制等

18、场合的所有控制领域。现在PLC继续保留了原来逻辑控制器的所有优点，同时它吸收了其它控制设备(如过程仪表、计算机、集散系统、分散系统等)的优点，在许多控制场合只需PLC即可构成包括逻辑控制、工程控制、数据采集及控制、图形工作站的经济合算、体积小巧、设计调试方便的综合控制系统。PLC是一种数字运算操作的电子系统，PLC及有关外部设备都按易于与工业控制系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计，并通过数字式或输入输出控制各类型的机械或生产过程。它的基本功能有：逻辑控制功能、定时控制功能、计数控制功能、步进控制功能、数据处理功能、过程控制功能、通信联网功能、监控功能、停电记忆功能、故障诊断功能。PLC

19、主要有中央处理器（CPU）、存储器（RAM、EPROM）、I/O口、电源、扩展接口和编程器接口等几部分组成，其结构框图如图2.1所示。图2.1 PLC结构框图PLC作为“蓝领计算机”是面向用户的专用控制计算机，有着其它工业控制设备很难具备的特性：高可靠性，抗干扰能力强PLC是专为工业控制而设计的，选用的电子器件一般是工业级的，适用于恶劣的工业环境。在硬件和软件方面还采用了屏蔽、滤波、光电隔离、故障诊断和自动恢复等措施。到目前为止没有任何一种工业控制设备可以达到PLC的可靠性。平均无故障时间已达到2万小时以上，随着器件水平的提高，PLC的可靠性还在继续提高。编程方便，易于使用PLC采用与实际电路

20、接线图非常接近的梯形图，这种图形编程方式形象直观、易懂易编。具有一定电工知识的人员都可以在短时间内学会，使用起来得心应手。与其他装置配置联接方便、维护简单PLC是通过程序实现控制的。当控制要求发生改变时，只要修改程序即可。PLC的接口原则是使外部接线、电平转换尽量少。1）对于开关量，输入可以是无源出点开关量或集电极开路晶体管输出；输出有继电器、晶闸管、晶体管等各种不同的形式，可直接接各种不同类型的接触器、电磁阀等。2）对于模拟量，只要模拟信号电平在一定的范围内(通常为±10V或±20mA)，就可以按要求自由设置转换特性，而不需另加电平转换。另外还有运用热电偶直接输入的A/D

21、转换器等，此时就连放大器、冷端补偿也不需要。3）对于各种显示、音响输出更是以最方便的形式提供接口，大量的问题都在PLC内部解决了。4）对于数据通讯，只需同轴电缆和普通RS232或RS422接口即可，不必由用户来考虑波特率及通讯规程等具体问题。2.2 变频调速2.2.1 变频调速的基本原理在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 式中定子绕组电源频率，电机磁极对数。异步电动机转差率则异步电动机转速由上式可知，异步电动机调速方法有如下几种变同步转速： 变极、变频。变转差率： 定子调压、转子串电阻、电磁转差离合器、串级调速。有电机学可

22、知，转差功率：式中 电磁功率，转子铜耗。由上式可知，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。在交流异步电动机的诸多调速方法中，变频调速以其优异的调速性能、平稳的起制动性能、比较高的工作效率/功率因数、明显的节能效果和广泛的适用范围被国内外公认为最有发展前途的调速方式。变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。随着电力电子技术和计算机控制技术的飞速发展，交流变频调速技术的发展也十分迅速。电动机交流变频调速技术是当今节能、改善工艺流程和改善工作环境的一种重要手段。2.2.2 变频器变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器。变频器就是利用电

23、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，能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因素、过流/过压/过载保护等功能。变频器系统结构示意图，如图2.2所示图2.2 高压变频调速系统结构图变频器主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器主要由整流器、平波电路、逆变器、控制电路四大部分组成，整流器将工频电源变为直流电，平波电路吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动，逆变器将直流电变换为工作所需的交流电，控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速

24、度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。交流电动机变频调速控制技术大体经历了以下几个发展阶段：U/F=C的正弦脉宽调制(SPWM)控制方式 其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死

25、区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。 电压空间矢量(SVPWM)控制方式 它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。 矢量控制(VC)方式 矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流、通过三相二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流、，再通过按转子磁场定

26、向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流、(相当于直流电动机的励磁电流；相当于与转矩成正比的电枢电流)，然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。直接转矩控制(DT

27、C)方式 1985年，德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制变频技术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前，该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。 直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机等效为直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。矩阵式交-交控制方式 矩阵式交-交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现

28、功率因数为1，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。该技术目前虽尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深入研究。其实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来实现的。2.2.3 矿井提升机矿井提升设备的主要组成部分是：提升容器、提升钢丝绳、提升机（包括拖动系统）、 井架（或井塔）、天轮、导向轮及装卸载设备等。 由于井筒条件（竖井或斜井）及选用的提升容器和提升机类型的不同，可组成各有特点的矿井提升系统。常见的提升系统有：竖井单绳缠绕式箕斗提升系统、竖井单绳缠绕式罐笼提升系统、竖井多绳摩擦式箕斗提升系统、竖井多绳摩擦式罐笼提升系统、斜井箕斗提升系统、斜井串车提升系统。矿井提升机

29、是一个完整的机械-电气系统，其主要由以下几部分组成。工作机构 主要是指主轴装置和主轴承等，主轴装置由主轴、卷筒、滚动轴承、支轮、制动轮、调绳离合器等组成。 制动系统 液压制动系统装置包括制动器和液压传动装置，是提升机不可缺少的重要组成部分之一，也是最后一道安全保障装置。制动装置的可靠性直接关系到提升机的安全运行。 提升机制动器的功能就是刹住提升机卷筒，使提升机停止运行。 机械传动系统 机械传动系统，机械传动系统包括减速器和联轴器。减速器的作用是减速和传递动力，联轴器是用来联接提升机的旋转部分，并传递动力。 润滑系统 润滑系统是在提升运行过程中，不间断地向轴承及啮合齿面压送润滑油，以保证轴承和齿

30、轮的正常工作。润滑系统必须与自动保护系统和电动机联锁，即润滑系统失灵时，主电动机断电，确保机器的正常工作。 观测和操纵系统 观测和操纵系统包括斜面操纵台，深度指示器以及测速发电机。深度指示器的作用是显示提升容器的运行位置，容器接近井口卸载位置和井底停车场时，发出减速和制动信号。 拖动控制和自动保护系统 拖动控制和自动保护系统包括拖动电动机、变频器、PLC电气控制系统和自动保护系统。矿井提升机自动保护系统的作用是：在司机不参与的情况下，发生故障时能自动将主电动机断开并同时进行安全制动从而实现对系统的保护。单绳缠绕式提升机箕斗提升系统如图2.3所示。图2.3 立井双箕斗提升机系统图2.2 总体设计

31、提升机控制系统方案的选用应满足生产工艺的要求，即满足各种可能出现的运行速度图和力图。所以需要先来分析提升机电控系统的静、动态特性。提升机的电气传动系统的给定速度如图2.4所示，根据动力学方程式 式中电动机电动力矩； 传动系统的静阻力矩；传动系统的飞轮惯量；传动系统的动态转矩；加速度。可以按给定速度图得出所需转矩的特性，从而得到拖动系统所需的力，如图2.4所示。图2.4提升机传动系统给定速度图、力图 提升机的负载静力，决定于提升机辊筒承受的静张力差，在双箕斗的平衡提升系统中，力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

32、向无关。因此在电动机不带电时，为了使重的箕斗处于静止状态（便于箕斗的装卸载），对辊筒必须施加机械闸。 从图2.4可以看出，要使提升机按照给定的速度图运行，电动力矩可能为正，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。要使提升机按给定速度图运行，电气传动系统应能根据负载的变化而自动的工作在电动或制动状态，也就是说要求电气传动系统能满足四象限运行。 综合以上矿井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： 加（减）速度符合国家有关安全生产规程的规定。提升降物料时，加速度a。

33、另外不得超过提升机的减速器所允许的动力矩。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。有较好的起动性能。必须能重载启动，有较高的过载能力。特性曲线要硬。保证负载变化时，提升速度基本上不受影响（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）。工作方式转换容易。能够方便的进行半自动、手动、验绳、调绳等工作方式的转换，操作方便，控制灵活。尽量采用新技术和节能设备。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。PLC操作台M变频器编码器主电源减速

34、器卷筒液压站矿井提升机变频调速控制系统结构框图如图2.5所示。图2.5 提升机调速控制系统结构框图矿井提升机变频调速控制系统主要有：操作台、PLC、变频器、旋转编码器、传感器、减速器、液压站等组成。提升机工作时有操作台发出工作信号，PLC根据预先设置好的程序发出运行指令控制变频器，电动机开始工作，并拖动矿井提升机运行。制动时由PLC发出制动信号，液压站工作，闸住提升机。系统预计达到可较高的安全可靠性，控制柜之间、控制柜与操作台之间、提升机电控和信号及提升调度之间的信号连接采用快速电缆插头及总线通信方式，简化了设备之间的连接，提高了信号传输的可靠性。在操作台设计上尽量采用原来的操作模式，使操作人

35、员可以不需长时间适应即可熟练操作。系统具有优良的动、静态特性，发挥矢量控制的良好性能，实现真正意义上的无级调速。起动及加速换挡时冲击电流很小，减轻了对电网的冲击，简化了操作，降低人的劳动强度。设备的体积小、重量轻、占地面积小、安装维修方便，操作简单，维护工作量小，工作效率高，节电效果明显，噪音小。45河南城建学院本科毕业设计（论文） 3矿井提升机变频调速系统硬件设计3 矿井提升机变频调速系统硬件设计3.1 矿井提升机及电机的选型3.1.1 箕斗的选定提升高度经济提升速度一提升循环估算时间初估加速度每小时提升次数每小时提升量 取提升不平衡系数,提升能力富裕系数。一次合理提升量 考虑为以后矿井生产

36、能力的加大留有余地，选择名义装载重量为的箕斗，其主要技术规格如下：自重；全高；有效容积；容器间中心距；实际载重量。 根据煤矿安全规程规定，考虑到实际的提升速度低于，取过卷高度，天轮直径，确定井架高度。3.1.2 预选提升电机确定电机额定转数考虑到箕斗容积选用较大，故预定同步转数。预选电机功率由可估定电机额定转数，则实际最大提升速度则电动机功率取矿井阻力系数，减速器传动效率，动力系数。根据以上计算，选择YR-800-12/1430绕线型异步电动机，其主要技术规格如下：额定功率，额定电压，额定转数，电动机效率，过载能力，飞轮惯量。电动机额定拖动力3.1.3 参数计算提升系统变位质量计算1)电动机转

37、子变位质量2)提升机（包括减速器）变位质量3)天轮变位质量4)钢丝绳变位质量5)容器变位质量6)荷载变位质量则运动学参数计算1)主加速度的确定按电动机过负荷能力 取钢丝绳重按减速器允许最大输出动扭矩根据以上结果，为减轻动荷载，提高机械部分和电动机运行的可靠性，的取值应该留有余量，固本设计取。2)减速度的确定 为了控制方便和节能，首先考虑自由滑行方式减速。当偏大（小）时，再考虑电动（机械制动）方式减速。按自由滑行方式确定自由滑行方式偏低，故应该考虑机械制动方式。由此确定。3)初加速度取箕斗脱离卸载曲轨时的速度，卸载曲轨长度。4)初加速时间5)主加速时间6)主加速行程7)减速时间8)减速行程9)爬

38、行时间式中取爬行距离，爬行速度。10)等速行程11)等速时间箕斗卸载休止时间由表中查得箕斗的。12)一次提升循环时间13)提升能力校核，实际年提升能力动力学参数计算1)初加速开始2)初加速终了3)主加速开始4)主加速终了5)等速开始减速阶段采用了机械制动，电动机已经断电，故不计入。6)爬行开始7)爬行终了3.1.4 电机容量校核等效时间计算等效力 电动机等效功率工作过负荷校验特殊过负荷（调节绳长时）根据以上校验结果可知，预选的电机能满要求，可以用。3.2 变频器的选型矿井提升机构平均起动转矩一般来说可为额定力矩值的1.3-1.6倍。考虑到电源电压波动因素及需通过125%超载试验要求等因素，其最

39、大转距必须有1.8-2倍的负载力矩值，以确保其安全使用的要求。等额变频器仅能提供小于150%的超载力矩值，为此可通过提高交频器容量或同时提高变频器和电机容量来获得200%的力矩值。此时变频器容量为式中电机功率因数，提升额定负载所需功率，电机效率变频器容量，系数，提升机构变频器容量依据负载功率计算，并考虑2倍的安全力矩。若用在电机额定功率选定的基础上提高一挡的方法选择变频器的容量，则可能会造成不必要的放容损失。在变频器功率选定的基础上再作电流验证，公式如下：式中变频器额定电流，电动机额定电流。根据以上各种因素，本设计选用山东新风光JD-BP37-T系列高压提升机专用变频器。JD-BP37/38系

40、列高压提升机变频调速系统，以高可靠性、易操作、高性能为设计目标，满足用户对于异步交流电动机类机械调速节能、改善生产工艺的迫切需要，本调速系统适配各种通用三相异步电机。JD-BP37-T变频器外观图如图3.1所示。图3.1JD-BP37-T变频器JD-BP37系列高压提升机变频调速系统采用新型IGBT功率器件，全数字化微机控制。具有能量回馈和矢量控制功能，可用于带载启动、转速和转矩波动范围大，需要能量回馈、或频繁加减速或正反转的负载场合，如矿井提升、轧机、卷扬机、球磨机、搅拌机、皮带传输机等场合。JD-BP37系列高压提升机变频器主要特点：高压主回路与控制器之间为多路光纤连接，安全可靠；全中文W

41、INDOWS操作界面，彩色液晶触摸屏，安装、设定、调试简便，功率电路模块化设计，维护简单；高-高电压源型变频器，直接6KV/10KV输入，直接6KV/10KV输出，不需要输出变压器；可满足电动机的四象限工作要求；输入功率因数高，电流谐波少，无须功率因数补偿/谐波抑制装置；输出阶梯SPWM波形，无须输出滤波装置，对电缆、电机绝缘无损害，谐波少，减少轴承、减速器等的机械振动；内置PLC，易于改变控制逻辑关系，适应多变的现场需要；自带冷却风机，完善的变频器参数设定功能，优异的性能/价格比。具备RS485通讯接口，标准Modbus/Profibus 等通信规约，可实现远程监视，可接受和输出05V/42

42、0mA工业标准信号；完整的故障监测电路、精确的故障定位和报警保护。JD-BP37-7变频器技术规范如表3.1所示表3.1 JD-BP37-T产品技术规范（6kV）适用电机功率（KW）200KW-2000KW（以4极电机为标准，6-12极电机按电流选型）额定输出额定功率（KW）电机额定电压的额定功率：200KW-2000KW额定电流（A）电机额定电压的额定电流（A）过载能力<150%连续，200%一分钟额定电压（KV）三相：0-6KV/10KV波形SPWM正弦波输入相数、频率、电压三相，50HZ，6KV/10KV允许波动电压：±10% 频率：±5%基本性能启动频率1HZ

43、精度模拟设定：最高频率设定值的0.3%（25±10）以下分辨率模拟设定：最高频率设定值的二千分之一效率>96%，额定输出时功率因数>0.95控制控制转矩提升根据负载转矩调整到最佳值加、减速时间8999S，对加速、减速时间可以根据负载情况单独设定自整定采用最优化的电压闭环控制，系统的响应的速度快，精度高，稳定性好，PID参数免调试高压隔离电磁耦合，多通道光纤传输控制电源输入220V AC制动方式回馈制动，交流制动运转运转操作远距离外控操作频率设定模拟信号（DC05V或DC420mA）设定运转状态输出继电器状态输出，变频器到达某些特征值时给出指示显示LCD显示输入/出电压、输

44、入/出电流、设定值、各单元故障状态等保护功能电机过电流、单元过电流、过压、欠压、过热、失速、外部报警环境使用场所室内，海拔1000米以下，没有腐蚀或导电性气体、灰尘、直射阳光环境温度/湿度-1040/2090%RH 不结露振动5.9m/s2（0.6g以下）贮存温度-2065（适用运输等短时间的保存）冷却方式强迫风冷外科防护等级IP21外型尺寸(mm)5000×2320×1200（W*H*D）重量(Kg)约5000回馈制动：回馈制动采用的是有源逆变技术，将再生电能逆变为与电网同频率同相位的交流电回送到电网，从而实现制动。要实现回馈制动，就必须要将回馈电能进行同频同相控制、回馈

45、电流控制等条件，才能将回馈电能安全送达电网中。在变频调速系统中，电动机的降速和停机，是通过逐渐减小频率来实现的。提升机减速制动时，在频率刚减小的瞬间，电动机的同步转速随之下降，而由于机械惯性的原因，电动机的转子转速未变，这时会出现实际转速大于给定转速，从而产生电动机反电动势高于变频器直流端电压的情况，这时电动机就变成发电机，非但不消耗电网电能，反而可以通过变频器专用型能量回馈单元向电网送电，这样既有良好的制动效果，又将动能转变化为电能，向电网送电而达到回收能量的效果。交流制动：本提升机专用变频器，交流制动对提升系统的安全运行起到重要作用，当重车在中间停车时，检测到停机信号后给控制器发出信号，让

46、提升机由高速平滑地降到低速，待PLC检测到机械制动起作用的信号后，PLC发出信号让控制器去掉交流制动信号，使提升机靠机械抱闸装置起作用。启动时，先对提升机施加一交流制动信号，建立启动力矩，待检测到机械抱闸信号后发出信号给控制器去掉交流制动信号，然后由控制器加上启动电压让提升机开始转动。变频器接线图如图3.2所示。图3.2 变频器接线图变频器参数设定界面如图3.3所示。图3.3 变频器参数设定界面3.3 PLC的选型3.3.1 I/O点统计在设计时需统计I/O的总量，包括开关量和模拟量，以确定选用PLC的模块数量以及型号。另外，在矿井提升机电控系统中，由于系统本身的特点，决定了系统对精度要求并不

47、是特别高，对于响应时间的要求也并不高，达到毫秒级就可以。在满足基本要求的前提下，PLC选型主要从经济性、适应性、可扩展性及网络通讯性能等方面综合考虑，PLC的输入点统计如表3.2所示。表3.2 PLC的输入点统计编号信号内容点数备注开关量输入信号1提升信号1引自打点信号机2主令按钮11控制提升机零位停车3主令按钮21控制提升机正向运行4主令按钮31控制提升机反向运行5制动按钮1紧闸6制动按钮1松闸7调绳转换开关2切换调绳和调闸状态。8过卷复位开关（上/无/下）3用来复位过卷故障，同时锁定提升机只允许反向开车9维修开关2用作检修开车或应急故障下开车10手动开车1完全由司机手动启停和进行速度控制1

48、1半自动开车1手动选择方向而后由系统自动按照设计的曲线图完成提升12故障复位1用做提升机故障排除后，软件故障复位13深度清零1用做在井上卸车位置，深度校正14闸控1引自变频器上的闸控信号15主电源失压1引自电源柜中的变频主接触器常开点16变频器故障1引自变频器上的故障输出17离合器离开开关1引自辊筒调绳离合器18松绳开关1引自机械松绳开关19上、下减速点开关220井筒上、下过卷开关221上、下限位开关222上、下校正开关226闸瓦磨损1闸瓦磨损和弹簧疲劳开关串联引入旋转编码器信号27轴编码器1安装在电机主轴上模拟量输入信号28制动手柄10-10V29主令手柄110V据表4.2统计，输入信号有3

49、1个开关输入量，1个旋转编码器信号，2个模拟量信号。开关信号通过信号分配板转接，送入PLC。PLC输出点统计如表3.3所示。表3.3 PLC的输出点统计编号信号内容点数备注开关量输出1深度速仪表输出4显示深度和速度2变频器正转输出1控制变频器正转3变频器反转输出1控制变频器反转4变频器多段速115变频器多段速216变频器多段速317变频器多段速418变频器多段速519故障报警110等速段超速指示111减速段超速指示112爬行段超速指示113液压站制动116上过卷指示117上过卷指示1模拟量输出14变频给定量424m15制动手柄给定0-10V据表4.3统计，输出信号有,18个信号，2个模拟量信号

50、。3.3.2 PLC的选型通过系统综合考虑，本系统选择三菱FX2N-80MR型PLC。本型号PLC基本单元的输入点和输出点均为40点，再选用1块模拟量输入模块和1模拟量输出模块，即可满足要求。FX2N系列PLC经济、小巧，从功能上完全满足本系统的使用要求，其内置高速计数器，可满足系统轴编码器采样的高速计数要求，而不需增加额外成本。而且，AC电源、DC输入型的内装DC24V电源可作为传感器的辅助电源。基本单元采用易于维修的装卸端子台。标准型内装8K步有备用电池的RAM存储器。另外，若采用可选的存储卡盒，最大可扩展到16K步。关于存储器的类型，可以选用RAM、EEPROM和EPROM。FX2N内含

51、计时功能，可以进行时间控制。PC使用A7PHP/A7HGP、A6GPP/A6PHP相对应的编程软件，可以在RUN时改变程序。通过设定参数可以确保编程存储器内元件的注释区域。此外还有具有利用可输入汉字的外围设备给程序加汉字注释的显示功能。为防止顺控程序被写入或盗用，可以对程序存储器设定3级保护。具有丰富的输入输出扩展设备：继电器输出、三段双向可控硅开关元件输出、晶体管输出；丰富的特殊扩展设备：模拟输入输出设备、温度传感器输入、热电偶输入设备、1轴定位设备、双轴（内插）定位设备、脉冲输出设备、高速计数器、并联连接、NELSCLNET/MINI-S3连接设备、RS485通信设备、RS232通信设备、

52、ID机器连接设备、模拟量模块等。FX2N系列PLC外观如图3.3所示。图3.3 FX2N系列PLC外观图FX2N系列PLC是FX家族中比较先进的类型。FX2N系列具有如下优点：最大范围的包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为提升机的自动化控制提供最大的灵活性和控制能力。灵活的配置 除了具有满足特殊要求的大量特殊功能模块外，六个基本FX2N单元中的每一个单元可扩充到256个I/O口。控制点数从16至256点。高速运算 基本指令：0.08/指令；应用指令：1.52至几百/指令突出的寄存器容量 FX2N系列包括8K步内置R

53、AM寄存器，用一个寄存器盒可扩充到16K步RAM或EEPROM。丰富的元件资源 3072点辅助继电器、256点计时器、235点计数器和8000点数据寄存器。FX2N系列PLC的技术指标如表3.4、3.5所示表3.4 FX2N系列PLC的一般技术指标环境温度使用温度055，存储温度-2070，使用湿度35%-89%RH（无凝露）抗冲击性能JISC0912标准,10G，3轴方向各3次防震性能JISC0911标准，10-50Hz，0.5mm（最大2G）,3轴方向各2次（但用DIN导轨安装时为0.5G）抗噪声能力用噪声模拟器产生电压为1000V（峰-峰值）、脉宽1、30-100Hz的噪声绝缘耐压AC1

54、500V,1min（接地端与其他端子间）绝缘电阻5以上（DC500V兆欧表测量，接地端与其他端子间）接地电阻第三种接地，如接地有困难，可以不接使用环境无腐蚀性气体，无尘埃表3.5 FX2N系列PLC基本单元的输入/输出特性名称DC输入名称继电器输出输入信号电压DC(242.4)V内部电源最大AC250V或DC30V输入信号电流DC24V，7mA(X010以后DC24V，5mA)电路绝缘机械绝缘输入ON电流>4.5mA(X010以后DC24V，3.5mA)动作指示继电器线圈通电时灯亮输入OFF电流<4.5mA(X010以后DC24V，3.5mA)最大电阻负载2A/1点8A/4点公共用8A/8点公共用输入响应时间10ms（X000-X017可在20-6