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山东科技大学学士学位论文11概述1.1矿井提升机的概述矿井提升机是矿山大型固定设备之一，是井下与地面的主要运输工具。矿井提升机主要担负一个矿井所有的矿物（煤，矿石）提升，升降人员，运输设备，下放材料等,根据提升机的工作种类或工作原理的不同，提升机有不同的分类：提升机按工作种类可分为：1）主井提升机：担负矿井生产矿物提升的主提升机。2）副井提升机：担负矿井人员、材料、设备等升降任务的提升机。按驱动方式可分为：1）直流提升机；2）交流提升机；直流提升机又分为：1）发电机组控制提升机；2）晶闸管调速提升机；交流提升机分为：1）TDK系列串电阻柜调速提升机；2）串极调速提升机；3）变极调速提升机；4)变频调速提升机；各类提升机的工作原理和构造虽然差别很大，但它们都有一些共同的不可缺少的部分组成，如图1.1所示：山东科技大学学士学位论文2电源系统保护装置制动装置悬挂系统传动系统电力系统控制装置图1.1提升机组成框图动力装置：主电机；传动系统：减速机、联轴器、滚筒、导向轮等；制动系统装置：制动器和液压传动装置润滑冷却系统：润滑泵站及管路、悬挂装置：提升容器（箕斗或罐笼）、钢丝绳，联轴器等；电源系统：主变压器、高压装置、低压装置等；控制系统：操作台、行程监控器、继电器柜、传动柜；保护系统：提供矿井提升机完善后备保护的系统1.2提升机电控系统现状及趋势1.2.1国内矿井提升机电控系统现状国内现有提升机多为交流异步电动机驱动的TKD系统，这种控制系统是采用继电器有触点的逻辑控制，以切换串入交流电机转子的电阻来达到调速的目的，减速段采用定子回路切换成低频动力电源（或直流动力制动电源）进行动力制动减速；减至爬行速度后，再用低频电源或高压二次给电拖动至井口。随着PLC功能的不断完善，近年来，以有一些厂家将PLC应用在交流提升机的改造上，主要表现在：采用PLC逻辑替代了原来的继电器逻辑，采用电子线路替代了磁放大器，对可调闸和动力制动进行调节控制，主令控制器用简单的接点耦合替代，数字信号采用电子线路处理。引入这些技术后，在一定程度上改善了提升机的性能，但也存在一定的缺陷，主要问题有：外围硬件过多，没有充分发挥PLC软件的功能，装置容易出现故障和产生不山东科技大学学士学位论文3稳定；简单耦合的主令控制器可靠性差，容易造成开车控制上的重大错误；对速度检测增加中间有源环节，容易造成速度检测的不真实性，甚至出现错误的速度检测值；减速点等关键点设置太少，留有重大隐患；没有良好的调节控制程序，调速性能不理想。1.2.2矿井提升机的继续研究和发展趋势随着数控技术进入中国，中国也进行了数控化的开发研制，并逐渐应用到了提升机里面。国内如大中专院校、企业院所正在做数字化提升机电控系统的集成开发尝试。考虑当今数控技术的发展，紧密结合提升机控制工艺的要求，我们认为当今先进的数字化提升机应具有以下特点：在驱动控制上，矿井提升机与直流拖动与交流拖动相比，调速性能好，不需要附加其他拖动装置，随着驱动控制产品的成熟，完全能够实现全数字化控制，大大提高了系统的可靠性与控制精度。在整个系统的配置上，应采用现在比较成熟的网络化设计，增加系统的可靠性，减少了现场的工作量，减低的系统的整体成本。2电控系统总体方案选型设计实现工业自动化控制可以用多种方式来实现，总体方案设计中选择何种控制系统是关键的一环。它直接关系到投资成本、耗能、可靠性、安全性和应用效果。本系统的总体方案选型主要包括监控系统的选型和拖动系统的选型，其中监控系统选型又包括操作站系统的选型和主控制系统的选型。2.1监控系统选型比较提升机的监控系统主要由上位机和主控系统组成，来完成现场的信号、数据的采集及实时显示、监控和保护任务。2.1.1上位机的选型比较上位机是控制系统人机界面和监视控制装置，它主要完成监督控制、最佳控制及集中监视、操作和处理。对所监视的系统范围内可能出现的紧急情况做出相应，实现对被监控山东科技大学学士学位论文4系统的最佳运行。它具有系统协调、报表制作、画面显示、画面拷贝、历史数据存储和检索及自诊断等一系列功能。上位机既可以由工业控制计算机实现也可以由触摸式显示屏实现，但二者在性能上存在差异：1.触摸式显示屏它是目前国际上较先进的一种集控制与显示与一体的专用计算机产品，被成为可编程序控制器的脸面，并可以用于设置参数显示数据，以动画的形式描绘自动化控制过程等。在矿井提升系统中可以用棒图显示提升容器在井筒中的高度，动态显示全程的提升速度的曲线度，故障实现自登录，自诊断以及声光报警等。2.工业控制计算机工业控制计算也是工业现场常采用的一种监控设备，与触摸式显示屏比较它在操作的方便性略差，在数据或画面调出时触摸式显示屏可以直接用手点击相应画面即可，而工控机需采用相应的指令。2.1.2主控系统的选型比较矿井提升机主控系统是矿井提升机电控系统的核心，它综合信号系统、深度指示系统、传动系统、上位机系统及其它设备的各种信号、数据，对提升机及相关设备的工作状况进行实时监控，控制罐笼的启动、减速、停车，保障罐笼在运行过程中的安全。对本系统来讲，主控系统既可以改造为用微型计算机进行控制，也可以改造为用PLC进行控制。下面将对二者的性能进行比较：1.应用范围：微型计算机系统一般用于科学计算、数据处理及计算机通信等方面。而PLC主要用于工业控制。2.使用环境：微型计算机对环境要求比较高，一般要求在干扰小并具有一定温度和湿度要求的机房内使用。而PLC适应工程现场的环境。3.程序设计：微型计算机系统具有丰富的程序设计语言，要求使用者具有一定水平的计算机程序编制能力和接口技术。PLC可以把非常简单的编程语言提供给用户使用，编程语句数量少、逻辑简单，有的PLC还提供算术运算指令，步进指令等，易于学习和掌握。4.系统功能：微型计算机系统一般配有较强的操作系统进行设备管理、文件管理、存储管理。PLC只有简单的监控程序，能完成故障检查、用户程序输入和修改用户程序的执行等功能。由以上分析可见，PLC是工业控制的专用机具有可靠性高、编程简单、控制系统设计调试周期短，但输入/输出响应速度慢的特点，而微型计算机是通用计算机，可靠性相比PLC而言稍差，编程复杂且控制系统涉及调试周期长，但响应速度快。山东科技大学学士学位论文52.2拖动控制系统选型比较2.2.1交流传动系统交流传动系统泛指以各种交流电动机为控制对象的传动系统，一般地说，交流传动比较简单，设备和安装费用低，建筑占地面积小，但电气调速性能差，减速和爬行阶段需要附加拖动装置。1.串级调速在绕线转子异步电动机转子回路中引入外加电动势，以改变电动机运行转差率而获得不同转速。根据产生附加电势的方法不同，异步串级拖动可分为直流电机串级、离子串级以及可控硅直流串级。目前广泛采用的是后者，该拖动方式具有效率较高，调速平滑，爬行段不需附加其它设备和控制性能好等特点。它的缺点是功率因数低、颠覆力矩降低约17%，线路较复杂，投资较高等。2.变频调速大型提升机采用变频调速取代传统的直流传动是近年来的发展趋势，它克服了大功率直流电动机换向器的换向能力受限，设计制造及维护困难和电动机体积庞大等问题。变频调速是利用异步电动机的同步转速随频率变化的特性，通过改变异步电动机的频率进行调速的方法，它有以下显著的优点：1)输出功率可以连续调节，可以实现电动机无级调速。2)功率因数高，利用效率高，节能效果显著。⑴有发无功功率的能力，不消耗电网上的无功。⑵稳压性能好。如设备在额定功率下运行，能保证电动机在额定电压下运行，从而避免了因电压高（低）对电机所造成的危害。⑶在电动机的负荷低于额定功率时，它可以根据给定值来调整电动机的输出功率。3)对电网电压波动有很大的适应能力，并能大大减少系统对电网的污染。4)可调范围（频率可在0Hz～400Hz之间进行调节）宽，可以实现大范围调速，并能保证很硬的输出特性，并且动态响应特性好，调速精度高。适用于各种压力、温度、速度、流量的控制。5)启动、停止平稳，极大地缓和了对电动机的冲击，使电动机能够平稳地加速或减速，从而避免了骤然启动或骤然停止所造成的损害，大大延长了电动机及整套机组的使用寿命。除此之外，更兼其体积小、重量轻、通用性强的特点，因此，变频调速技术越来越广山东科技大学学士学位论文6泛的应用于工业生产领域。这将极大地提高工业生产领域的自动化水平，从而可以实现增产节能的目的。2.2.2直流传动系统1.直流发电机-电动机传动方式控制直流发电机的励磁实现电动机变电枢电压调速，均匀地调节励磁电流和极性，可方便地实现转速无级调速和四象限运行。其缺点是设备和安装费用高、建筑占地面积大、发电机组维护工作量大。2.晶闸管变流装置供电方式利用晶闸管变流装置组成的可逆系统是一种可实现四象限运行、性能好的调速系统且效率高、可节能、维护工作量小。早该系统下一般均采用以电枢电流反馈为内环和测速反馈为外环的双环调节系统。可逆系统基本上采用有环流控制和无准备切换逻辑无环流控制两种控制方式。2.3提升机电控系统选型在保证系统的可靠、安全和经济性的前提下，综合考虑上述各种方案的优缺点，本系统各模块的选型方案如下：上位机系统：采用触摸式显示屏，以模拟画面形式显示出绞车运行的各种状态、各种参数及各种控制元件工作状况。主控制系统：采用完全独立的两套PLC系统进行过程实时监控实现安全回路的双线制。拖动控制系统：采用三相交流异步电动变频调速系统，以实现节能、稳定运行。在本系统中触摸屏、PLC、变频器三者之间通过RS485通信电缆进行连接通信。PLC根据内部指令控制变频器的运行，PLC及变频器的参数通过触摸屏进行设置，且二者的运行状况返回触摸屏进行实时显示。山东科技大学学士学位论文73矿井提升机变频调速数控系统原理框图3.1矿井提升机变频控制系统框图为克服传统交流绕线式电机串电阻调速系统的缺点，采用变频调速技术改造提升机，可以实现全频率（0~50Hz）范围内的恒转矩控制。对再生能量的处理，可采用价格低廉的能耗制动方案或节能更加显著的回馈制动方案。为安全性考虑，液压机械制动需要保留，并在设计过程中对液压机械制动和变频器的制动加以整合。矿井提升机变频调速方案如图3.1所示：山东科技大学学士学位论文8触摸屏监视操作台PLC变频器旋转编码器液压泵减速箱滚筒M图3.1矿井提升机变频调速方案基于PLC控制的大功率长距离矿井提升机变频调速控制系统由主轴装置、动力站、变频柜、控制台和在线检测监控计算机组成，系统框图如图所示。主轴装置由主轴、筒壳、支轮、制动轮、轴承座等部件组成，完成人、物、料的运输任务。动力站是由主电机、制动器、减速器和底座等组成，主电机通过减速器向提升机提供牵引所需的动力；失效安全型制动器为提升机提供工件制动力，以保证系统安全可靠地工作。变频柜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。控制台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件方式和控制方式，可以发布系统的各种控制命令，可以接收变频柜和动力站的各种回馈信号，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。监控计算机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。3.2提升机工作原理简介在本系统中通过上位机系统对PLC和变频器进行参数设置完成以后，PLC根据外部信号做出相应控制反应进而控制变频器的运行，变频器根据内部所设定参数进而选择相应频率运行，并将运行状况反馈到触摸屏进行实时显示。在运行过程中利用旋转编码器对提升山东科技大学学士学位论文9机的运行速度和提升高度进行控制并在触摸屏中实时显示，在提升机刹车时采用电磁阀和液压泵同时工作以加强安全。4各控制单元元件选型4.1变频器选型4.1.1变频器的基本原理变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。变频器的工作原理是把市电（380V、50Hz）通过整流器变成平滑直流，然后利用半导体器件（GTO、GTR或IGBT）组成的三相逆变器，将