淮南职业技术学院

毕业实践（论文、设计）报告

题 目 PLC在井提升机变频调速系统中的应用

系 别          煤 矿 机 电 系                                    

专 业          矿 山 机 电（4）                              

学 制            三 年 制                                      

姓 名             刘明辉                                     

指导老师          常平树                                      

二○一○ 年 四 月 五 日

PLC在矿井提升机

变频调速控制系统中的应用

刘明辉

摘要：PLC与变频器相结合实现节能调速自动化。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极平滑调速，在运行行程中能随时根据电动机的负载情况，使电动机始终处于{zj0}运行状态，实现了提升机的恒加速和恒减速控制，能很好的防止提升机过卷和过放事故发生;变频器的的调速还可以实现电动机的软启动，取除了转子串电阻造成的能耗，具有十分明显的节能效果;变频器调速控制电路简单，克服了接触器，电阻器，绕线电机电刷等容易损坏的缺点，降低了故障和事故的发生.采用PLC对提升系统进行保护和监控，是系统更加安全可靠。

引言

目前，我国绝大部分矿井提升机（超过80%）采用传统的交流电控系统【1】。这种电控系统启动和调速换挡过程中电流冲击大；属有级调速，调速的平滑性差，静差效率较大；故障率高，节能效果差，提升机在减速和爬行阶段的速度控制性能较差，特别在负载变动时很难实现恒减速控制，经常会造成过放和过卷事故;提升机频繁的启动和制动工作过程会使转子串电阻调速产生相当严重的能耗;转子串电阻调速控制电路复杂，接触器，电阻器，绕线电机电刷等容易损坏，影响生产效益。针对串电阻调速系统的这些问题【2】。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。PLC与变频器相结合在提升机调速系统中的应用有十分广阔的前景。

关键词：PLC；变频器；提升机

1   总体设计

基于PLC控制的大功率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，制动和控制监视系统组成，系统框图如图1所示。各部分功能如下：

                                  图1

1.1动力装置：

包括主电机、减速器、卷筒、制动器和底座，完成人、煤、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。

1.2制动系统包括动力制动和机械制动：

其中液压站，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。

1.3变频器：

是动力站的能量供给单元，主要进行恒加速变频调速启动，恒减速变频调速停车及行程变频调速运行等变频调速。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。

1.4操作台：

操作台设置两个手柄，分别用于手动和自动，手动和自动都有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。

1.5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把相关数据传递给PLC。

2  原理框图：

                               图2

2.1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【3】，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。

3   变频调速主电路设计

变频器可以输出频率可调的交流电源，变频调速是通过改变电动机输入电源的频率来调节电机转速的，因此调速范围很宽，一般变频器基本上都可以达到0~400Hz，频率调节精度一般为0.01Hz，可以很好的满足提升机的恒加速和恒减速无级调速的要求，变频器调速有别于转子串电阻调速，降低了转差率，提高了电路的功率因数，可以恒转矩输出，输出功率随转速变化，因此具有很好的节电效果。变频器具有强大的兼容功能，并根据使用要求进行功能组合、参数设置(修改)和动态调速。变频还可通过端子排控制，对行程进行多段速度控制【4】。

在变频器的控制输入回路中接入频率设定电路，本系统中通过PLC输出电压信号(0～12 V)来控制变频器的频率。另外在变频器的外围加设有声光报警输出口及制动单元，能够实现变频器故障报警和安全制动，更有效的对控制系统进行安全保护，变频调速主控电路如图3所示。

图3变频调速主控电路

3.1  声光报警回路

变频器报警输出的动断（常闭）触点“30B-30C”串联在KM1的线圈电路内，当变频器因故障不能正常工作时，报警输出的常闭触点动作，使KM1线圈失电，将变频器与电源断开，进行安全保护。为了保护报警输出的触点，在接触器的线圈两端，并联阻容吸收电路（即RC震荡电路）。同时（常开）触点 “30B-30A”闭合，将报警指示灯HL和电笛HA接通，进行声光报警。与此同时，断电器KA1得电，其触点将声光报警电路自锁，使变频器断电后，声光报警能持续下去，直到工作人员按下ST1为止，报警才能解除。

3.2  制动控制回路

提升机负载由于惯性较大，当变频器的输出频率下降至0Hz时，常常停不住，而有“蠕动”(也称爬行)现象，在矿山提升机这种大负载机械中，蠕动现象有可能造成十分危险的后果。为此，变频器调速时应设置动力制动（能耗制动和直流制动功能）。提升机的安全使用必须要有良好的制动和制动控制系统，制动一般采取动力制动和抱闸制动相结合。能耗制动主要利用提升机的惯性在减速和下降行程所产生的再生能量进行制动，变频器使用能耗单元实现能耗制动，这是一种软制动形式，能很好的防止机械冲击和快速下滑。为了防止滑车等事故，使用抱闸对提升机实施抱死制动，抱闸制动一般在停车时使用，当运行到停车位时，监视控制器把信号传递给PLC，PLC对变频器发出停车信号，同时，对抱闸制动器发出抱闸控制信号，实施抱闸制动，当发生脱轨等事故时，操作控制实行紧急抱闸制动。

3.3调速回路

变频器接受来自PLC的模拟量，驱动内部预设好的多段速度，调节频率，供给电动机。当主速度给定不能满足时再由辅助补给。

提升机工作速度、时序图如 图4、图5

       提升机工作速度图4

提升机工作时序图5

其中t1--t2段运行的时间较短，只是一个过度段，加速时间内如果设备没有问题立即加速到正常运行速度。

4   PLC控制系统设计

PLC是以微处理器为核心，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置，具有结构简单、性能优越、可靠性高、灵活通用、易于编程、使用方便等优点，近年来在工业自动控制、机电一体化、改造传统产业等方面得到了广泛应用[5]。

本调速系统选用德国西门子(Siemens)公司生产的模块式PLC S7-300，它属于模块式PLC，主要由机架、CPU 模块、信号模块、功能模块、接口模块、通信处理器、电源模块和编程设备组成【6】。其控制电路如图6所示

图6  PLC控制电路

主要的控制功能有如下几项：主令操作控制、保护监视控制

主令操作控制，对系统进行管理，实现提升机与操作台之间的指令传递，向提升系统发出相应的指令，并改变相应电控系统的工作状态，使提升机按照预定的力图和速度图安全运行，运行方式可分为启动、等速运行、减速、爬行、停车。PLC根据运行方式对变频器实现S形速度给定控制，实现箕斗运行速度的准S形曲线。

PLC还完成各种保护监视功能。监控内容包括：超速监视、过卷监视、实时速度监视、井筒过卷监视、变频器故障监视、矿车行程监视、过载监视、深度指示器监视、闸间隙监视等，以上监视内容出现故障时，通过报警回路报警或安全回路实现抱闸停车保护。

5   PLC控制程序设计

控制程序流程图如图7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。

图7  控制程序流程图

系统开机运行，PLC首先进行初始化，主要对高速计数单元HSCO和HSC1进行以下操作：写控制字，定义工作模式，清零，写设定值，设置定时中断，连接中断，启动计数【7】。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S形速度给定控制，在系统运行过程中，当PLC接收到来自传感器、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，完成超速保护、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。

6    S形速度控制程序设计

S形速度控制的顺序功能图，如图8   箕斗提升速度图，如图9

其中初加速阶段：箕斗卸载曲轨长度为2.35m或2.13m，所以运行行程h0=2.35m或2.13m.

初加速度a0为   初加速时间为 式中V0小于等于1.5m/s

主加速阶段：主加速要符合《煤矿安全规程规定》的要求，其大小受减速器强度、电动机过负荷能力的限制。所以       。

图中的T1、T2、、、T5、Vm、V0、V4、h2、h4等数据的计算和推到过程可参见【中国矿业大学出版社，1999年8月第1版，2007年7月第3次印刷的《矿山机械》P371--P390】。

在PLC的编程控制中的可用数据有两组即T0、T1、T2、T3、T4、T5、和V0、Vm、V4、h2、h4、T5。在S形速度控制中监视系统把相关信息数据转换成开关信号供PLC识别从而驱动程序和外部电路动作。（在顺序功能图中每一步都有一个没标的开关触点是连接保护回路的，在此略去）

通过箕斗提升力图和速度图分析{相关计算和推到过程参见【中国矿业大学出版社，1999年8月第1版，2007年7月第3次印刷的《矿山机械》P371--P390】}：当负载波动不大时PLC的S形速度控制可使用{dy}组参数（T0、T1、T2、T3、T4、T5）当负载波动较大时只能使用第二组数据（V0、Vm、V4、h2、h4、T5）第二组数据一旦给定便能安全稳定的实现S形速度曲线。该系统是一个实时控制系统，只要系统有良好的动静态响应特性，提升机S形速度给定控制就能够实现，

该系统中采用PLC与变频器相结合的控制方案，主速度给定由PLC软件编程实现，使提升机启动、运行、停车实现自动化，实现无级平滑调速；在提升机运行过程中，还可通过操作台控制手柄对提升机进行速度辅助给定。使提升机运行更加合理。另外在控制回路中增设同步开关信号，用以xx提升机多次提升运行中的累计误差，提高控制精度。

8  结语

传统提升机电控系统采用PLC与变频器相结合的方案进行改选后，省去了大量的继电器、接触器及调速电阻，减少了故障发生率，同时还有利于节能。另外该系统采用PLC软件编程实现提升机主S形速度给定及操作台辅助速度给定，能够实现自动及手动调速，灵活性大，易于操作；系统加入同步开关，也提高了控制精度。经过速度图和力图分析，该系统具有良好的动静态响应特性、带负载能力及抗干扰能力，因此能够满足矿山生产实际需要。可经现场进一步调试实验，应用于实际生产。采用PLC与变频器相结合的控制方案具有很好的应用和推广价值。

参考文献

【1】  蒋宏民.PLC技术在我国矿井交流提升系统中的应用研究[J]. 冶金矿山设计与建设，1998，30(4)：18-29

【2】 杜俊明. 矿井提升机的变频调速改造[J]. 电气时代，2006(5)：74-79

【3】  谭波,李燕林,谭冠政.变频调速在矿井提升机中的应用[J].电器工业，2005(4):52-53

【4】 HFV系列通用型变频器使用说明书(第3版), 眼台惠丰电子有限公司.

【5】  郭月英.采用PLC控制方式的矿井提升机电控系统[J].科技情报开发与经济，2005,15(16)：240-241

【6】  西门子(中国)有限公司. SIEMENS S7-300可编程控制器手册. 2002

【7】  王玉中.基于PLC技术的交流提升机电控系统改造[J].煤炭科学技术, 2005, 33(11):40-42