李萌洁自考毕业设计

1、机电设备管理毕业设计说明书设计题目: 皮带运输机系统自动化设计 助学院校: 平顶山工业职业技术学院 自考助学专业: 机电设备与管理 姓 名: 李萌洁 自考助学学号: 040214200416 成 绩: 指导教师签名: 河南理工大学成人高等教育2O 年 月 日河南理工大学成人高等教育毕业设计（论文）评定书年级专业 机电设备与管理 学生姓名 李萌洁 一、设计（论文）题目： 皮带运输机系统自动化设计 二、设计（论文）说明书 58 页，附图 张。三、审阅意见及评语四、毕业设计（论文）的总评成绩：指导教师（签名） 摘 要井下皮带运输机已经作为机械化的基础部分广泛应用在煤矿中，在井下承担了煤炭的运输工作，

2、是维持矿井生产高效、安全的关键要素之一，因此要保障皮带运输机有序、稳定运行，建立自动化皮带运输系统并保持对其运行状况的实时监测是很有必要的。本文结合井下皮带机运输系统的具体情况和要求，研制了一套针对带有煤仓溜煤的给煤机智能控制系统。系统采用西门子S7200控制主站为核心，使用位移传感器、压力传感器、开停传感器等传感器完成对系统的控制。本系统由变频器、给煤电动机、PLC控制器、转速传感器、转速变送器、交流变送器等组成。系统中用于给煤机调速控制系统，系统引进国内外先进的变频器和操作器，构成一套可靠的调速系统控制系统，解决了直流电机调速存在的低速效率低下，运行不稳定等缺陷，是目前给煤控制系统最佳选着

3、方案，同时亦可应用于其他自动控制系统。本设计采用模块化PLC 控制给煤系统，不仅简单方便而且可靠性大大提高。PLC是一种专门用于工业环境过程控制的数字运算操作的电子系统，是集自动控制、计算机网络、通信等功能于一体的自动化装置，可靠性高、抗干扰能力强、功能完善，具有编程简单、体积小、重量轻等特点。同时，利用变频器的各种功能，方便实现了设备的复杂运行方式，辅之以PLC的控制，使控制回路简单化，可以提高设备运行的安全性和可靠性，延长维修周期。【关键词】 皮带运输机管理与维护； PLC控制；变频器；变频调速；自动给煤控制系统目 录绪论4第1章带式输送机概述51.1 带式输送机的应用51.1.1 带式输

4、送机的分类51.1.2 各种带式输送机的特点51.1.3 带式输送机的发展状况71.1.4 带式输送机的工作原理71.1.5皮带运输机常见故障及措施9第2章 皮带自动给煤系统112.1课题材料112.2 自动给煤控制系统的基本组成112.3 自动给煤系统工作流程122.4 变送器132.4.1 交流变送器132.4.2 转速变送器162.5传感器172.5.1 传感器的定义及性能172.5.2 霍尔传感器182.6 DFX-01S4检验信号发生器192.7 WKYB 101 小型无扰跟踪操作器20第3章 皮带机变频器的原理及其实现213.1变频的基本要求213.2 通用变频器的控制原理233.

5、3 变频调速技术系统的设计273.3.1变频调速系统设计原则273.3.2负载的机械特性分类273.3.3 变频器带负载能力293.4变频器操作说明303.5变频器的运行和操作说明313.5.1 变频器的面板操作323.5.2 变频器的工作状态333.5.3 变频器的运行操作33第4章 可编程序控制器344.1 PLC的概念及特点344.1.1 可编程序控制器的历史344.1.2 可编程序控制器的特点354.2 可编程序控制器的硬件及工作原理374.2.1 可编程序控制器的基本结构374.2.2 可编程序控制器的物理结构384.2.3 可编程序控制器的工作原理394.3 PLC及其扩展模块的选

6、型43第5章 电控PLC系统软件设计455.1 PLC的通信协议简介455.2 PLC程序设计465.3 软件设计49第6章 皮带自动给煤控制系统调试506.1 斜井自动给煤控制系统实验简介506.2 操作器的调试方法506.3 变频器调试516.4 PLC程序调试516.4.1 提升机电流值转换计算516.4.2 PLC的程序调试536.5 控制系统实验调试546.6 控制系统实验调试结果55总 结56致 谢57参考文献58绪论随着现代化生产的发展，某煤矿主斜井的装载能力已经不满足煤矿高产高校生产的要求。由于工作经常出现水煤，导致皮带负载不断发生变化，引起主机电机电流变化过大，对电机及整个机

7、械系统极为不利，同时对皮带也极为不利。实际应用中，主皮带电机已出现多次故障。为了保证主皮带的安全可靠运行，保证高产任务的顺利完成，必须对皮带给煤系统进行优化设计研究。在系统优化后，系统提升能力及安全性得到大大提高，故障率大大减少，可实现免维护，且节能效果明显。主斜井防爆变频装载系统改造成功，为同行项目的实施提供了有益经验。煤矿井下皮带机的自动给煤控制系统，是一项重要的设计工程，设计时要求运行安全可靠，效率高，然而随着现代化生产的发展，煤矿皮带机给煤系统的装载能力已不能满足高产高效生产的要求。当工作面有出水煤或含矸量等指标发生变化的情况下，煤的比重出现大幅度变化，导致皮带负载增大，提升电机电流升

8、高，为主皮带提升系统带来了安全隐患。本设计主要解决给煤机电动机转速在提升电机电流变化的情况下，自动改变转速，从而进一步改变给煤量，最后达到有效保护皮带、电机的目的。第1章带式输送机概述1.1 带式输送机的应用带式输送机是连续运输机的一种，连续运输机是固定式或运移式起重运输机中主要类型之一，其运输特点是形成装载点到装载点之间的连续物料流，靠连续物料流的整体运动来完成物流从装载点到卸载点的输送。在工业、农业、交通等各企业中，连续运输机是生产过程中组成有节奏的流水作业运输线不可缺少的组成部分。连续运输机可分为：（1）具有挠性牵引物件的输送机，如带式输送机，板式输送机，刮板输送机，斗式输送机、自动扶梯

9、及架空索道等；（2）不具有挠性牵引物件的输送机，如螺旋输送机、振动输送机等；（3）管道输送机(流体输送)，如气力输送装置和液力输送管道。其中带输送机是连续运输机中是使用最广泛的，带式输送机运行可靠，输送量大，输送距离长，维护简便，适应于冶金煤炭，机械电力，轻工，建材，粮食等各个部门。 1.1.1 带式输送机的分类带式输送机分类方法有多种，按运输物料的输送带结构可分成两类，一类是普通型带式输送机，这类带式输送机在输送带运输物料的过程中，上带呈槽形，下带呈平形，输送带有托辊托起，输送带外表几何形状均为平面；另外一类是特种结构的带式输送机， 1.1.2 各种带式输送机的特点（1）.QD80轻型固定式

10、带输送机 QD80轻型固定式带输送机与TD型相比，其带较薄、载荷也较轻，运距一般不超过100m，电机容量不超过22kw。（2）. 它属于高强度带式输送机，其输送带的带芯中有平行的细钢绳，一台运输机运距可达几公里到几十公里。（3）.U形带式输送机 它又称为槽形带式输送机，其明显特点是将普通带式输送机的槽形托辊角由提高到使输送带成U形。这样一来输送带与物料间产生挤压，导致物料对胶带的摩擦力增大，从而输送机的运输倾角可达25°。（4）.管形带式输送机 U形带式输送带进一步的成槽，最后形成一个圆管状，即为管形带式输送机，因为输送带被卷成一个圆管，故可以实现闭密输送物料，可明显减轻粉状物料对环

11、境的污染，并且可以实现弯曲运行。（5）.气垫式带输送机 其输送带不是运行在托辊上的，而是在空气膜(气垫)上运行，省去了托辊，用不动的带有气孔的气室盘形槽和气室取代了运行的托辊，运动部件的减少，总的等效质量减少，阻力减小，效率提高，并且运行平稳，可提高带速。但一般其运送物料的块度不超过300mm。增大物流断面的方法除了用托辊把输送带强压成槽形外，也可以改变输送带本身，把输送带的运载面做成垂直边的，并且带有横隔板。一般把垂直侧挡边作成波状，故称为波状带式输送机，这种机型适用于大倾角，倾角在30°以上，最大可达90°。（6）.压带式带输送机 它是用一条辅助带对物料施加压力。这种输

12、送机的主要优点是：输送物料的最大倾角可达90°，运行速度可达6m/s，输送能力不随倾角的变化而变化，可实现松散物料和有毒物料的密闭输送。其主要缺点是结构复杂、输送带的磨损增大和能耗较大。（7）.钢绳牵引带式输送机 它是无际绳运输与带式运输相结合的产物，既具有钢绳的高强度、牵引灵活的特点，又具有带式运输的连续、柔性的优点。1.1.3 带式输送机的发展状况目前带式输送机已广泛应用于国民经经济各个部门，近年来在露天矿和地下矿的联合运输系统中带式输送机又成为重要的组成部分。主要有：钢绳芯带式输送机、钢绳牵引胶带输送机和排弃场的连续输送设施等。这些输送机的特点是输送能力大(可达30000t/h

13、)，适用范围广(可运送矿石，煤炭，岩石和各种粉状物料，特定条件下也可以运人)，安全可靠，自动化程度高，设备维护检修容易，爬坡能力大(可达16°)，经营费用低，由于缩短运输距离可节省基建投资。目前，带式输送机的发展趋势是：大运输能力、大带宽、大倾角、增加单机长度和水平转弯，合理使用胶带张力，降低物料输送能耗，清理胶带的最佳方法等。我国已于1978年完成了钢绳芯带式输送机的定型设计。钢绳芯带式输送机的适用范围：（1）适用于环境温度一般为°°C；在寒冷地区驱动站应有采暖设施；（2）可做水平运输，倾斜向上(16°)和向下()运输，也可以转弯运输；运输距离长，单机

14、输送可达15km；（3）可露天铺设，运输线可设防护罩或设通廊；（4）输送带伸长率为普通带的1/5左右；其使用寿命比普通胶带长；其成槽性好；运输距离大。1.1.4 带式输送机的工作原理带式输送机又称胶带运输机，其主要部件是输送带，亦称为胶带，输送带兼作牵引机构和承载机构。带式输送机组成及工作原理如图2-1所示，它主要包括一下几个部分：输送带(通常称为胶带)、托辊及中间架、滚筒拉紧装置、制动装置、清扫装置和卸料装置等。图2-1 带式输送机简图1-张紧装置 2-装料装置 3-犁形卸料器 4-槽形托辊 5-输送带 6-机架 7-动滚筒 8-卸料器 9-清扫装置 10-平行托辊 11-空段清扫器 12-

15、清扫器输送带1绕经传动滚筒2和机尾换向滚筒3形成一个无极的环形带。输送带的上、下两部分都支承在托辊上。拉紧装置5给输送带以正常运转所需要的拉紧力。工作时，传动滚筒通过它和输送带之间的摩擦力带动输送带运行。物料从装载点装到输送带上，形成连续运动的物流，在卸载点卸载。一般物料是装载到上带(承载段)的上面，在机头滚筒(在此，即是传动滚筒)卸载，利用专门的卸载装置也可在中间卸载。普通型带式输送机的机身的上带是用槽形托辊支撑，以增加物流断面积，下带为返回段(不承载的空带)一般下托辊为平托辊。带式输送机可用于水平、倾斜和垂直运输。对于普通型带式输送机倾斜向上运输，其倾斜角不超过18°，向下运输不

16、超过15°。输送带是带式输送机部件中最昂贵和最易磨损的部件。当输送磨损性强的物料时，如铁矿石等，输送带的耐久性要显著降低。提高传动装置的牵引力可以从以下三个方面考虑：（1）增大拉紧力。增加初张力可使输送带在传动滚筒分离点的张力增加，此法提高牵引力虽然是可行的。但因增大必须相应地增大输送带断面，这样导致传动装置的结构尺寸加大，是不经济的。故设计时不宜采用。但在运转中由于运输带伸长，张力减小，造成牵引力下降，可以利用拉紧装置适当地增大初张力，从而增大，以提高牵引力。（2）增加围包角对需要牵引力较大的场合，可采用双滚筒传动，以增大围包角。（3）增大摩擦系数其具体措施可在传动滚筒上覆盖摩擦系

17、数较大的衬垫，以增大摩擦系数。通过对上述传动原理的阐述可以看出，增大围包角是增大牵引力的有效方法。故在传动中拟采用这种方法。1.1.5皮带运输机常见故障及措施1.异常噪音改向滚筒、驱动滚筒、卸载滚筒、张紧滚筒、机尾滚筒的异常噪音 滚筒正常工作时噪音很小，对滚筒轴承座进行听诊，噪音为莎莎的转速声，发生异常噪音时，轴承座处发生咯咯响声，并且轴承端盖温度急剧升高，一般是轴承损坏，此时要更换轴承。 2.托辊严重偏心时的噪音 发生噪音的原因主要有三种：一是制造托辊的无缝钢管壁厚不均匀，产生的离心力较大；二是在加工时轴承孔中心与外圆圆心偏差较大，使离心力较大。在轴承不损坏的情况下可以继续使用；三是托辊筒皮

18、断裂或两端轴承损坏，在离心力作用下筒皮与轴振动。需要更换托辊。 3.联轴器或平对轮两轴木同心时的噪音 发生原因主要有两种：一是在驱动装置的高速端，电机与减速机之间的联轴器、平对轮或带制动轮的联轴器处发生的异常噪音，发生此种噪音时应及时对电机减速机的位置进行调整；二是在减速机与驱动滚筒之间的联轴器发生的异常噪音，发生此种噪音时应及时对减速机、驱动滚筒的半联器进行径向跳动测量。跳动值大于0.10 mm时，应对半联器进行拆卸并对张套进行清洗，去除异物。1.2. 基于PLC的输煤控制系统的意义斜井皮带自动给煤系统是煤炭生产中的重要环节，提高其自动化水平，可以大大减轻工人劳动强度，提高生产效率。采用传统

19、的继电器控制方式可以实现对该装置的控制，但是体积大，故障率高，抗干扰能力差，控制不精确，使用寿命较短。工人们通过开动承前起后的皮带运输机及取煤机输煤，经常有皮带跑偏、皮带撕裂、落煤管堵塞等等故障。但对大型煤矿而言，上述情况不容发生。输煤系统工作时尽量将煤装满储煤仓，不仅可以保证输煤系统故障时，工人们有足够的时间排除故障，也可以保证输煤设备有充分的时间检修。随着煤炭企业规模的迅速扩大，输煤系统的作用日益突出，而传统的输煤系统已无法满足煤矿的需要，因此需要对传统的输煤系统进行改造。传统输煤系统具有以下特点：（1）任务重 为了保证工业用煤，输煤系统必须始终处于完好的状态。日累计运行时间达8-10h以

20、上。（2）运行环境差、劳动强度大 由于各种因素造成输煤系统的运行环境恶劣、脏污，需要占用大量的辅助劳动力。（3）一次起动设较多，安全连锁要求高 同时起动的设备高达20-30台以上，在起动或停机过程中有严格的连锁要求。采用现代PLC技术控制自动给煤系统控制装置，可以克服传统的继电控制系统的不足之处，使控制更精确，工作效率更高，可靠性更好，故障率更低。第2章 皮带自动给煤系统2.1课题材料某煤矿主斜井皮带机运量大，高达100T/H，速度高，达到4.79m/s,运输距离长，1304.5m，提升高度大，359m，担负某煤矿原煤运输提升机的主要任务，对可靠性和安全性的要求非常高。其配套的装载系统为K4给

21、煤机，其为煤矿生产过程必不可少的一个生产单元，给煤系统的调控不仅能保证系统的工作稳定，还与煤矿其它生产单元的状况密切相关。因工作面经常有出水煤的状况，煤的比重出现大幅度变化，导致皮带负载增大，主电机电流升高，为主皮带提升系统的安全隐患。本项目主要解决给煤机电机转速在主电机的电流变化的情况下，自动改变转速，从而进一步改变给煤量，最后达到有效保护皮带、电机的目的。2.2 自动给煤控制系统的基本组成自动给煤控制系统由变频器、给煤电动机、PI控制器、转速传感器、转速变送器、交流变送器等组成，系统组成图如图2-1所示。图2-1 自动给煤系统构成2.3 自动给煤系统工作流程1. 自动给煤系统的工作过程介绍

22、 操作器为系统提供420mA的给定信号，该给定信号由操作器电路调节大小，图2-2为操作器的电路原理图。I2为提升电机的实际电流值（该交流电流经电流互感器检测后再经过交流变送器变为420mA直流电流信号）所对应的420mA直流电流信号，该信号经操作器的采样电路输出一电压信号，这一信号作为模数转换器ADC0804的模拟输入工作电压，它作为跟踪信号能够实时跟随给定电流的变化而变化，该信号经模数转换器后变为数字信号作为加、减计数器4029-1、4029-2的输入部分，经计数器计数后的数字信号又经电阻网络后变为电压信号M-Vout，该信号经电压/电流转换电路后变为可调的420mA电流信号。NE555为时

23、基电路，用NE555和电阻电容网络组成占空比可调的方波信号发生器，作为加、减计数器4029-1、4029-2的计数脉冲。电流信号的大小可通过手动增、减按键来实现。当手动增加键按下时，计数器的时钟脉冲上升沿到来，4029将进行二进制加计数，反之，当手动减小键按下时，可逆计数器4029将进行二进制减计数。在此设计中有两个计数器即4029-1和4029-2，当计数器4029-1计数满时，进位位CO1变低，送4029-2，使4029-2计数，当4029-2计数满时，进位位CO2变低，通过二极管将脉冲拉低，避免计数器重复计数。计数值的大小决定于增、减按键所按的时间长短。图2-2 操作器电路原理图2. 给

24、煤控制原理说明 当提升机实际电流小于其额定电流的70%时，操作器将手动给定一420mA的直流电流信号I1，此信号与给煤电动机实际电流所对应的420mA直流电流信号I3（该信号的产生过程如下:给煤电动机的实际转速信号经转速传感器、转速变速器转换后输出420mA的直流电流信号)比较经PI1控制器后作为变频器的输入信号，变频器的输出端连接给煤电动机，通过I1与I3的偏差来调节给煤电动机的转速，即可达到控制给煤量的目的。当提升电机实际电流大于额定电流的80%时，操作器将给出提升电机额定电流的70%所对应的直流信号值I1，此信号与提升电动机实际电流所对应的直流信号I2比较经PI2控制器后作为变频器的输入

25、信号，变频器的输出端连接给煤电动机，通过I1与I2的偏差来调节给煤电动机的转速，即可防止皮带运输中出现出水煤时提升机过流引起的故障（在这个闭环系统当中给煤电动机转速升高时，提升电机的电流将会升高，两者有一定的对应关系，因此也构成闭合回路）。两种情形下均采用闭环控制，通过继电器开关进行两种方式的切换，该控制方案可实时地改变给煤电动机的转速，控制给煤电动机的转速也就实现了控制给煤量的目的。当提升机实际电流位于其额定电流的70%80%时，要分两种情况说明，一种是提升机实际电流由额定电流的70%上升到80%时，仍然采用PI1的闭合控制回路调节给煤机转速；另外一种情况是提升机实际电流由额定电流的80%下

26、降到70%时，采用PI2的闭合控制回路调节给煤机转速。2.4 变送器2.4.1 交流变送器1. 概述交流电流变送器是组合电流互感器、电流变送器于一体的新一代交流电流变送器，它可以直接将被测主回路交流电流转换成按线性比例输出的DC420mA（通过250 电阻转换DC 15V或通过500电阻 转换DC210V）恒流环标准信号，连续输送到接收装置（计算机或显示仪表）。如图2-3所示：图2-3 交流变送器交流电流变送器单匝穿孔穿芯式结构，使用时无需改动测量主回路，便于现场连接，原副边高度绝缘隔离，两线制输出接线，辅助工作电源24V与输出信号线DC420mA共用. 交流电流变送器具有精度高，体积小、功耗

27、小、频响宽、抗干扰、国内首创4种补偿措施和6大全面保护功能，两线端口防感应雷能力强，具有雷击波和突波的保护能力等优点。2. 交流电流变送器主要特点： （1）原副边高度绝缘隔离； 高可靠性，高稳定性，高性价比； （2）特别适用发电机、电动机、智能低压配电柜、空调、风机、路灯等负载电流的智能监控系统； （3）超低功耗，单只静态时0.096W，满量程功耗为0.48W，输出电流内部限制功耗为0.6W。 （4）频率带宽：AC401000KHz 3. 交流电流变送器技术参数： （1）精度：优于0.5 ； （2）非线性失真：优于0.5； （3）额定工作电压Vcc：24V±20 ，极限工作电压：35

28、V ； （4）电源功耗：静态4mA，动态时相等于环路电流，内部限制25mA10； （5）额定输入：5A1KA（42个规格）； （6）穿孔穿芯圆孔直径：9、12、20、25、30mm； （7）输出形式：两线制DC420mA； （8）输出电流温漂系数：50ppm/； （9）响应时间：100mS； （10）输入/输出绝缘隔离强度：AC3000V / 1min、1mA； （11）输出负载电阻：RLmax （Vcc-10V）/ 20mA 注： 标准Vcc24V时负载阻抗为700； RLmax250 (转换15V的电阻) 两根传输线路总铜阻。 （12）输入过载保护：30倍1min； （13）输出过流限制保

29、护：内部限制25mA10； 注：国际标准输出过流限制保护：内部限制25mA10； （14）两线端口瞬态感应雷与浪涌电流TVS抑制保护能力：TVS抑制冲击电35A20ms1.5KW；4.交流变送器的工作原理在自动给煤系统中，提升电机额定电流的70%80%需经过交流电流变送器后变为直流的420mA电流信号才能作为系统的给定信号。交流电流变送器的原理图如图2-4所示，图2-4 交流电流变送器原理图工作过程为：图中最左端为输入信号，是一个交流电流，该信号经电流互感器T、电阻R后变为交流电压信号，经全波整流电路后变为直流电压信号，经滤波电路后变为15V的电压信号，该信号经电压/电流转换电路后变为420m

30、A的电流信号。图2-4为15V转换为420mA的电压/电流转换电路原理图，其工作过程为：15V的电压信号u经200K的电阻加到运算放大器的反向输入端，其同向输入端为5K和50K的调零电位器，5K为微调电位器，50K为粗调电位器。调节调零电位器的阻值使输出电流为4mA。500电阻为调满电位器，调节满度点，使输出电流为20mA本设计中采用低转速变送器，低转速变送器的工作原理是将脉冲信号转换为420mA的电流信号，其电路原理图如图2-5所示。图2-5 电压/电流电路转换原理图2.4.2 转速变送器1. 定义 转速变送器是一种新颖的转速传感器，除了能将角位移转换成电脉冲信号外，还可同时输出与转速成线性

31、对应关系的420 mA恒定电流，可以作为转速调节反馈信息，配上表头可作为转速显示用。2. 主要性能及特点（1）数字显示转速（转/分）。测量范围：6转/分6000转/分。 测速显示误差：0.2% FS。 （2）提供420mA或010mA电流输出。电流变换误差：0.25% FS 。 （3）提供一组常闭、常开控制触点输出，用于转速的上、下限控制。控制触点容量：3A 250VAC；或3A 30VDC。 （4）提供两种电源选择：AC 220V ±22V （功耗5W）； 或DC 24 V（工作电流100mA）。 （5）用户可自由设定：上、下限、420mA对应转速范围、测量线速度等功能与参数。 （

32、6）“信号生成点”与“探头”的距离：16mm。 （7）采用电感接近开关探头检测时，金属体接近持续时间（脉宽）不小于5ms。否则，采用霍尔接近开关探头检测。3. 主要技术指标（1）转速范围：100500 r/min 1001000 r/min 1001500 r/min 1002000 r/min （2）输出信号：420 mADC恒定电源，转速为0时输出4 mA，额定转速时输出20 mA，中间线性分度。 （3）线性误差：0.5% （4）供电电源：24±1V（DC） （5）负载能力：0500 （6）工作环境：环境温度-2055 （7）相对湿度85% （8）温度附加误差：以20为基准，温度

33、每变化10时，小于等于0.25% 2.5传感器2.5.1 传感器的定义及性能1. 传感器的定义国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。2. 传感器的性能（1）传感器静态特性传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关，

34、所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、分辨力和迟滞等。（2）传感器动态特性所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。2.

35、5.2 霍尔传感器1. 霍尔元件霍尔传感器是一种磁敏传感器，它由霍尔元件构成，霍尔元件是利用霍尔效应制成的磁敏元件，在金属或半导体薄片两端面通以控制电流I，在垂直方向上将产生电势U（称为霍尔电势或霍尔电压），这种现象称为霍尔效应，霍尔效应的产生是由于运行电荷受磁场中洛伦磁力作用的结果，U可用下式表示： （2-1）式中：R霍尔常数；I为控制电流；B为磁感应强度；D为霍尔元件厚度。2. 霍尔传感器将霍尔元件、放大器、温度补偿电路及稳压电源做在一个芯片上构成霍尔传感器。有些霍尔传感器的外形与PID封装的集成电路相同，故也称霍尔集成电路。霍尔传感器分线性型及开关型两种，线性型的输出电压与外加磁场强度呈

36、线性关系，开关型的输出电压仅为高低变化的电平。本次设计应用的就是霍尔传感器。3. 霍尔传感器工作原理其工作原理是将给煤机的转速信号变成脉冲信号，当磁体转到传感器的动作距离时，指示灯亮同时输出一个高电平，当磁体远离传感器的动作距离时，指示灯灭同时输出一个低电平。本设计中给煤电动机转速为970r/min，磁感应霍尔开关传感器装有6个磁极，电动机每分钟将产生970×6个脉冲信号，即产生脉冲的频率为97Hz（个脉冲/秒）。2.6 DFX-01S4检验信号发生器1.定义校验信号发生器是一种输出信号源，可以输出多种直流信号。校验信号发生器的后面板设有24VDC电源输出，以方便用户调校DDZ-II

37、系列或DDZ-III系列仪表。M340662校验信号发生器为便携式无需安装，现场校验方便灵活。2. 检验信号发生器的功能特点（1）0mADC可分段编程输出。（2）可同时输出010mADC或420mADC。（3）前调用的两路电流或电压输出值在信号源断电后存储在记忆芯片中，重新上电后，仪表会自动恢复先前的两路输出值。（4）可定义10个预置参数，同时提供给两路使用。（5）显示值与输出值的对应关系可以设置为工程量或以百分比的形式表示。（6）仪表设有粗调与微调两级输出调节方式。（7）可提供多主机、单主机、无主机方式的RS485异步串行通讯方式。通讯数据校验遵照CRC16美国数据通讯标准，高可靠性循环，条

38、码校验。通讯状态可面板指示。3. 检验信号发生器的作用 在本次设计中，检验信号发生器的作用是模拟提升电机电流值，经处理后送到PLC中，和操作器给的值作比较进行PID运算，实现控制电机转速的目的。2.7 WKYB 101 小型无扰跟踪操作器WKYB 101 小型无扰跟踪操作器( 以下简称操作器) 是高性能模拟指示操作器。作为控制系统的基本环节, 可与数字调节器以及各种DCS 分散控制系统配合, 完成对执行机构的直接操作和阀位跟踪, 从而为系统启停、故障处理提供方便。1) 显示功能: 由模拟表头上指针显示自动/ 手动输出信号, 下指针显示执行器的位置反馈( 阀位) 信号。2) 手动输入输出: 右键

39、手动增加, 左键手动减小。3) 自动输入输出: 4 20mA 输入/ 1 5V 输出。4) 阀位输入: 4 20mA。5) 跟踪输出: 4 20mA/ 1 5V, 输出。6) 状态指令输出: 无电压开关接点, OFF!自动, ON! 不干涉操作器状态。8) 遥控增/ 减输出: 遥控增( 手动状态) : OFF! 不干涉输出, ON!输出增加。遥控减( 手动状态) : OFF!不干涉输出, ON!输出减小。第3章 皮带机变频器的原理及其实现在各种异步电机调速系统中，效率最高、性能最好的系统是变压变频调速系统。在变压变频调速系统中，调速时须同时调节定子电源的电压和频率，在这种情况下，机械特性基本平

40、行移动转差率不变，它是几种调速方法中最有前途的一种。3.1变频的基本要求在进行电机调速时，通常要考虑的一个重要因素是：希望保持电机中每极磁通量为额定值并保持不变。如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心是一种浪费；如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流。严重时会使铁心过热而损坏电机。额定频率时的电动势：定子绕组的反电动势是定子绕组切割旋转磁场磁力线的结果，本质上是定子绕组的自感电动势。根据推导结果，三相异步电动机每相的电动势有效值的大小是： (3-1)式中，气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值(V)； 定子频率(Hz)；与绕组结构有关的常数； 每相定子绕组的串联匝数； 每极气隙

41、磁通量(Wb)。因为是常数故式(3-1)可写成： （3-2）可见,的大小是和与的乘积成正比的。变频时的电动势在电动势平衡方程中，阻抗压降所占比例很小，如略去不计，则电源电压和的有效值近似相等： (3-3) f1下降，则由式（3-1）必下降，但未变，故必增大。实际是定子电流增大了，但转子侧的负载并未增加，故不变。由电流平衡方程可知，励磁电流必增大，因而磁通增大，结果又使增加达到新的平衡。结论是：当f1下降时，有所下降，而增加。保持的措施：增加将导致铁心的饱和，进而引起励磁电流波形的畸变，所以是不希望的。式(3-1)表明，如能保持： （3-4）则磁通可保持不变()。但的大小无法进行控制，作为近似的

42、替代方法，根据电动势平衡方程中，的主导地位基本不变的实际情况，用式(3-2)代入则 （3-5）式中，常数式(3-3)表明，如果在变频过程中使： （3-6）则磁通可保持基本不变()，所以在变频时，也要变压常用VVVF表示。当频率在基频以上时，因电压不能超过电机的额定电压，固随增大而减小，转矩T随成比例减小。 频率调节比与电压调节比的计算公式为： (3-7) (3-8)式中，变频器调节频率；电动机额定频率；变频器调节电压；电动机额定电压。保持的近似方法是： (3-9)3.2 通用变频器的控制原理变频调速的主要元器件是变频器，异步电动机调速传动时，变频器根据电动机的特性对供电电压、电流、频率进行适当

43、的控制，不同的控制方式所得到的调速性能、特性以及用途是不同的，按系统调速规律来分，变频调速主要有恒压频比()控制、转差频率控制、矢量控制和直接转矩控制四种结构形式，本文主要分析前三种工作原理： (1) 恒定控制根据电机学的原理，异步电动机的同步转速由电频率和电机极数决定，在改变频率时，电机的同步转速随着改变。当电机负载运行时，电机转子转速略低于电机的同步转速，即存在滑差，滑差的大小与电机的负载大小有关。恒定控制是在控制电动机的电源变化的同时控制变频器的输出电压，并使二者之比恒定。从而使电动机的磁通基本保持恒定。它主要应用于范围要要求不高的场合。如风机、水泵的节能调速，它的突出优点是可以进行电机

44、的开环速度控制。恒定控制存在的主要问题是低速性能较差。其原因是低速时异步电动机定子电阻压降所占比重增大，不能忽略，不能认为定子电压和电机感应电势近似相等，仍按比恒定控制已不能保持电机磁通恒定。为此我们常常采用低频磁通补偿的方法进行v/f恒定控制。其控制原理如图3-1所示。它主要由给定积分器、A/D转换器、恒磁通补偿器、PWM脉宽调制信号生成器、光电隔离电路、驱动电路、保护电路和变频器主回路组成。图中磁通补偿环节和PWM脉宽调制信号生成器用微机实现。给定积分器是对定子电压，电流，电阻进行积分。 （3-10） 图3-1 带低频补偿的恒压频比转速控制系统开环原理图(2) 转差频率控制异步电动机的转矩

45、与气隙磁通、转子电流以及转子电路的功率因数有关，不是独立的变量，难以直接测量和控制。但当气隙磁通不变时，异步电动机的转矩近似和转差频率成正比，因此，在恒磁通的条件下，通过控制转差频率，就可以实现转矩控制的目的，这就是转差频率控制的基本思想。转差频率控制的PWM变频调速系统原理图如图3-2所示，它主要由习A/D转换器、转差调节器、恒磁通补偿器、PWM脉宽调制信号生成器、光电隔离电路、驱动电路、保护电路、测速装置和变频器主回路组成。转速给定信号与反馈信号。相减形成转速误差作为转速调节器的输人。转差调节器可采用常规PI调节器，也可按其它控制规律设计，其输出为转差频率指令，它和反馈信号按的规律合成得到

46、定子频率指令，控制逆变器的输出频率。与此同时，送至恒磁通补偿器，通过恒磁通补偿器，产生相应的电压指令信号，控制逆变器的输出电压。 图3-2 转差频率控制的PWM变频调速系统原理图（3）矢量控制根据异步电动机的动态数学方程式，它具有和直流电动机的动态方程式相同的形式，因而如果选择合适的控制策略，异步电动机应能得到和直流电动相类似的控制性能，这就是矢量控制。从产生电动机的旋转磁场看，三相绕组中通以三相对称电流可以产生圆形旋转磁场，二相绕组中通以互差的电流亦可以产生圆形旋转磁场，因而从磁场作用看，三相绕组产生的磁场可以用二相绕组产生的磁场来等效。矢量控制中的3/2,2/3变换计算就是一种等效计算，另

47、外，从产生旋转磁场的角度考虑，我们可以设想交流电机的旋转磁场是由直流电产生的，那么产生磁场的绕组需要以电动机的同步转速旋转，这时，在控制计算中需要增加旋转变换，即将静止的定子绕组通以交流电产生的旋转磁场等效为由旋转的绕组通以直流电所产生的磁场。基于以上变换可以构成异步电动机矢量控制，图3-3为直接磁场定向矢量控制原理图，它可以对电机的励磁电流和转矩电流分别控制，以改善电动机的动态性能。图3-3中，从电机定子检测的三相电流经坐标变换，变换成和，下标S表示定子量。和分别与励磁电流分量和转矩电流分量构成闭环控制，其误差信号经PI调节器产生于d-q坐标系上定子电压设定值和，再经坐标变换产生U-V-W坐

48、标系上的定子电压设定值坐标变换所需要两种坐标系轴线之间的夹角由检测的磁通计算得到。矢量控制技术在变频调速中已获得广泛应用，但它需要对电机参数进行正确估算，如何提高参数的准确性是一直研究的课题。图3-3 直接磁场定向矢量控制原理图矢量控制的主要思路是：由于三相旋转磁场、两相旋转磁场和机械旋转磁场可以等效变换，所以把变频器的给定信号变换成类似于直流电动机磁场的控制信号，即假想的两个相互垂直的直流绕组信号：励磁电流信号和转矩电流信号，把这两个信号作为基本控制信号通过直一交变换和2/3变换为等效的三相交流控制信号、，去控制逆变电路，而反馈信号又可经过相反的变换修正基本控制信号和。这样控制时就象对直流电

49、机调速一样，只改变其中一个控制信号而实现调速，并且获得与直流调速类似的性能。矢量控制方框图如图3-4。图3-4 矢量控制方框图3.3 变频调速技术系统的设计3.3.1变频调速系统设计原则在进行变频调速系统设计时，根据不同的负载应匹配相应的变频器，这样才能达到预期的效果。3.3.2负载的机械特性分类在变频器的设计过程中，应根据负载的机械特性和电机发热情况采用不同的方式进行设计。负载的机械特性较多，但比较典型的有三种:恒转矩负载、恒功率负载、平方率负载。 1.恒定转矩在不同的转速下，负载的阻转矩基本恒定，如图 3-5 所示。负载的功率和转矩之间的关系是： （3-11）图3-5恒转矩负载机械特性和功

50、率特性-机械特性 -功率特性2. 恒功率负载在不同的转速下，负载的功率基本不变。由式(4-11)得 (3-12)可以看出，在恒功率负载中，转速和转矩成反比关系。其机械特性如图4-6中曲线，功率特性如图中曲线。 3.平方率负载负载的阻转矩与转速的平方成正比: (3-13)式中，一空载转矩；比例常数。由式（3-11）与式（3-13）得: (3-14) 式中，一比例常数;一空载损耗。在平方率负载中，功率大体上与转速的三次方成正比。其机械特性与功率特性如图3-7中曲线1和曲线2图3-6恒功率负载机械特性和功率特性 图3-7平方率负载机械特性和功率特性1 机械特性2功率特性 1 机械特性2功率特性 4.

51、电动机发热在设计过程中，除了考虑负载和机械特性外，还应考虑电动机在运行时的发热情况，这是电机是否正常工作的标志之一。电动机在运行期间的温升，应不超过其额定温升，在温升不超过额定温升的前提下，只要电机带得动，即使过载一些也是允许的。电动机在工作过程中的发热情况在设计中是必须考虑的问题之一。电动机在运行的温升曲线如图4-8所示。为稳定温升，即在电动机在某一恒定负载下运行能达到的最后温度。T为发热时间常数，它表征温升速度的快慢，其大小与电动机的容量及周围环境的散热因有关。图3-8 电动机温升曲线1.发热过程温升曲线 2 冷却曲线 3 温升曲线的切换3.3.3 变频器带负载能力1.有效转矩和有效功率有

52、效转矩是指当工作频率为时，电动机允许连续运行的最大电磁转矩。在有效转矩下运行的工作点称为有效工作点。不同频率下有效工作点的联线称为有效转矩线。有效功率是指在某一频率下山对应的转速和有效转矩决定的功率。2 .时的带负载能力电动机在低频运行时，在连续负载时，影响带负载能力的主要因素是温升，影响温升的主要原因有： （1）电动机的功耗是导致电动机发热的原因，在低频运行时，铜耗因额定电流不变而不变，铁耗。因频率的降低而下降，机械损耗由于转速的降低而下降。综合起来，电动机在低频运行时总的功率损耗是下降的。 （2）散热效果一般的情况下，电动机的散热主要靠自带的风扇叶及内部的通风，转速下降时，风扇叶和内部通风

53、情况都将变差，散热效果下降，与电动机的功率下降相比，散热效果的下降比功率损耗下降的更快。所以在设计变频器时必须考虑电动机的温升问题。通常可分段处理： 散热效果的下降差别不大，矢量控制时，带负载能力不变，V/F控制时，为了补偿转矩使，励磁电流和磁通都大于了正常值，铜损与铁损都增加了，带载能力有所下降，但幅度不大。 乃散热效果下降很多，电动机带负载能力也迅速下降。矢量控制时，时的带负载能力约为额定时的75%85% 。 V/F控制时，时的带负载能力约为额定时的50%。 对于风机和水泵类负载，在转速低时，转矩很小，属于负补偿，温升幅度降低，带负载能力下降不多，一般情况下能够满足要求。当电动机为短时负载时，可以不