基于PLC的矿井提升机变频调速系统毕业设计 - 图文

洛阳理工学院毕业设计（论文）

基于PLC的矿井提升机变频调速系统设计

摘 要

本设计在原有的继电器—接触器电控系统的基础上，对提升机的电控系统进行了改进，改用PLC控制，与传统的继电器—接触器电控系统相比，调速时的能耗大大降低，运行效率也有很大的提高，而且减少了维修的成本。如果需要改变系统的装置，可以直接在计算机上相应的梯形图进行修改，不像传统的电控系统，需要改变很多继电器，接触器的接线，这在无形之中就节省了大量的劳动力和时间，进而提高了劳动生产率。

在矿井提升机控制系统研究中，采用变频器和可编程控制器相结合的方法，在使用过程中实现了变频调速，换向等功能，使运行更加平稳可靠。适应范围广，节能效果更加明显。通过对已改造的提升机设备进行调研以及相关文献的阅读可以看出PLC控制的变频调速提升机有明显的社会效益和经济效益。

关键词： 矿井提升机，变频调速， PLC

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Mine Hoist Frequency Control System Design Based On PLC

ABSTRACT

This design in the original relays-contactor control system based on, on the basis of hoist electric control system is improved, and switch to PLC control, and the traditional relays-contact device than the electric control system, the energy consumption greatly reduced speed, efficiency also have greatly increased, and to reduce the maintenance cost. If need to change the system of the device, can be directly in computer on corresponding ladder diagram modified, unlike traditional electric control system, need to change a lot of relays, contact device wiring, this in the void will save a lot of labor and time, and improve the labor productivity.

In the mine elevator control system study, based on frequency and programmable is combined with the method, in use process realized the frequency control, reversing, and other functions, make run more stable and reliable. The range is wide, the energy conservation effect more apparent. Through the reform of the hoist equipment has investigation and related literature reading can see the PLC control variable frequency speed regulation hoist has obvious social benefits and economic benefits.

KEY WORDS: mine hoist，Variable frequency speed regulation，PLC

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目 录

前 言 ................................................................................................ 1

1.1 课题概述 .............................................................................. 1 1.2 国内外矿井提升机研究现状与发展趋势 ........................... 1

1.2.1 国外矿井提升机的现状 .............................................. 1 1.2.2 国内提升机的现状与发展趋向 .................................. 3 1.3 本文研究意义 ....................................................................... 4 第1章 矿井提升机 ........................................................................... 1

1.1 科技名词定义 ...................................................................... 1 1.2 矿井提升机的组成 .............................................................. 2 1.3 矿井提升机的分类 .............................................................. 2 1.4 提升机电动机运行方式 ...................................................... 3 1.5 提升机的受力情况 .............................................................. 5 第2章 PLC简介 .............................................................................. 6

2.1 PLC的基本概念 .................................................................... 6

2.1.1 PLC的基本结构 .......................................................... 6 2.1.2 PLC的基本特点 .......................................................... 7 2.2 PLC的选型 ........................................................................... 9 2.3 PLC的工作原理 .................................................................. 10 2.4 PLC的外围接线及各部分细节 .......................................... 12 2.5 PLC的编程语言 .................................................................. 12 2.6 梯形图的编程规则 ............................................................. 13 第3章 变频器简介 ......................................................................... 14

3.1 变频调速技术的发展现状 ................................................. 14 3.2 变频调速的概述 ................................................................. 14 3.3 变频器的基本结构 ............................................................. 15 3.4 变频调速原理 ..................................................................... 15 3.5 变频器的工作原理 ............................................................. 16 3.6 变频器的参数设置 ............................................................. 16

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3.7 变频调速主电路设计 ......................................................... 17 3.8 变频器在调速系统中的优点 .............................................. 18 3.9 变频器MM420的控制面板 ............................................... 19 第4章 总体设计方案 ..................................................................... 20

4.1 系统流程框图 ..................................................................... 20 4.2 硬件部分设计 ..................................................................... 21

4.2.1 系统主电路图 ........................................................... 21 4.2.2 PLC与变频器的外围接线图 .................................. 21 4.2.3 系统控制电路图 ....................................................... 22 4.2.4 控制系统外部接线图 ............................................... 23 4.2.5 模拟输出信号规格图 ............................................... 24 4.3 控制系统要求 ..................................................................... 25 4.4 控制系统总体设计 ............................................................. 25 4.5 系统软件编程 ..................................................................... 26

4.5.1 系统的软件设计 ....................................................... 26 4.5.2 梯形图 ....................................................................... 28

第5章 调试过程及结果 ................................................................. 31

5.1 调试过程 ............................................................................. 31 5.2 调试结果 ............................................................................. 31 结 论 .............................................................................................. 32 谢 辞 .............................................................................................. 33 参考文献 .......................................................................................... 34 外文资料翻译 .................................................................................. 36 中文资料翻译 .................................................................................. 38

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前 言

1.1 课题概述

矿井提升机是机、电、液一体化的大型机械，广泛用于煤炭、有色金属、黑色金属、非金属、化工等矿山的竖井、斜井，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途径，素有矿井咽喉之称。提升机的电力传动特性复杂，电动机频繁正反向，经常处于负荷运转和电动、制动不断地转换的状态中。对应提升机来说运行的安全可靠是至关重要的，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。提升机运行的安全可靠性不仅直接影响整个矿井的生产能力，影响整个矿山的经济效益，而且还涉及到井下工作人员的生命安全。因此，研制并制造即安全可靠又节省能源的提升机是煤炭安全生产的一项重要课题。

1.2 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方向。

1.2.1 国外矿井提升机的现状

1．晶闸管-电动机(SCR-D)直流低速直联拖动系统

部分发达国家原有的交流提升机已基本上被晶闸管-电动机(以下简称SCR-D)所取代。此类系统的优点在于:

（1） 体积小，重量轻，占地面积小，安装方便，建筑费用低。

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图1-2 井塔式多绳磨擦式提升系统示意图

（2） 落地式提升机。

机房直接设在地面上，井架低，投资小，抗震性能好。缺点是钢丝绳暴露在露天，弯曲次数多,影响钢丝绳的工作条件及使用寿命。如图1-3

图1-3 落地式多绳磨擦式提升系统示意图

目前我国提升机90%以上均采用交流绕线式异步电动机的拖动方式，其电控系统用于单绳缠绕式提升机和多绳磨擦式提升机。

1.4 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。如图1-4 1．加速阶段F1

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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。加速阶段不实行闭环调节，而以时间、速度为函数，逐步短接转子附加电阻，使提升电动机从零速升至全速。

2．匀速阶段F2

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。

3．主减速阶段F3

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。

4．爬行阶段F4

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。

5．停车阶段F5

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。

FF1F2主加速F3匀速主减速F4爬行F5停车t1t2t3t4t5

图1-4 提升机力图

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1.5 提升机的受力情况

由直线运动的运动方程可得：

F = Fc+ ma （1－1）

式中：F－提升机在某运动阶段的力，N。

Fc－提升机的静阻力（包括车重、提升机重量和绳重），N。

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/s2。

当 a =0时，F = Fc，匀速运行。

a＞0时，F＞Fc，加速运行； a＜0时，F＜Fc，减速运行。

根据以上分析，F = f（t）的力图见图1－4。

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第2章 PLC简介

2.1 PLC的基本概念

1969年，出现了可编程逻辑控制器PLC（Programmable Logic Controller），其特点是：具备逻辑控制、定时、计数、等功能，编程语言采用直观的梯形图语言，软件更改方便，通用性和灵活性好。目前，可编程控制器PLC主要是朝着小型化、廉价化、标准化、高速化、智能化、大容量化、网络化的方向发展，与计算机技术相结合，形成工业控制及系统、分布式控制系统DCS（Distributed Control System）、现场总线控制系统FCS（Field bus Control System），这将是PLC的功能更强，可靠性更高，使用更方便，适用范围更广。

国际电工委员会（IEC）于1982年11月1985年1月对可编程序控制器作了如下的定义：“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的命令，并通过数字式模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充功能的原则而设计。

2.1.1 PLC的基本结构

如图2-1所示，PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程器等组成。PLC的特殊功能模块用来完成某些特殊的任务。PLC主要由CPU模块、I/O模块、变成装置和电源组成。

根据硬件结构的不同，可以将PLC分为整体式、模块式和混合式。整体式PLC又叫做单元式或箱体式，他的体积小、价格低、小型PLC一般采用整体结构。模块式PLC一般用于大、中型PLC，它由机架和模块组成。

按PLC的控制规模分类，PLC可分为小型机、中型机、大型机。

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PLC主机电源输入信号输入单元外设接口中央处理单元输出单元扩展单元输出信号存储器系统程序用户程序 图2-1 PLC基本组成

2.1.2 PLC的基本特点

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

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中文资料翻译

1.1 课题国内外现状

PLC即可编程控制器，随着计算机网络的发展，可编程控制器在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。提升机是机、电、液一体化的大型机械，应用于各类矿山的竖井、斜井中。应用PLC控制实现提升机的运行状态的监控应用前景广泛，本设计拟开展该领域的研究工作。

当前国内外对提升机研究的方向主要是应用PLC编程器，通过继电器动作来控制提升机的电控系统进行自动调速，从而实现提升机升降位置速度的的自动控制以及对提升机的运行状态的监控，从而提高矿山的生产能力、经济效益和维护井下矿工的生命安全。

1.2 研究主要成果

根据提升机的运行特点，采用工控机监控提升机变频调速系统。借助先进的工业计算机、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。研制生产矿井提升机，进行技术改造和新矿井设备的选型，实现良好的人机对话,实时监控提升机的运行状态。

利用PLC技术，采用变频调速系统可使矿井提升机工作可靠，使用方便，同时具有动态显示的功能。可以有效解决当前矿井提升机可操作性差，操作复杂，故障率高电能浪费大等缺点。具有良好的市场前景和实际意义。

1.3 发展趋势

当前PLC技术正朝着，产品规模向两极分化，处理模拟量，追求高可靠性，追求软、硬件标准化等方向发展。

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在本项研究中，拟采用变频和可编程控制器相结合的方法，在使用过程中实现软启动、软停车。减少了机械冲击，使运行更加平稳。变频调速系统在提升机控制中显示出其控制性优良、操作简便、运行效率高、维护工作量小等诸多优点，这将是矿井提升机的发展方向。

1.4 存在问题

1． 本研究制造工艺不够精炼，需要继续加强对提升机启动，制动，减加速等方面的研究。

2． 为提高系统的硬件设计水品促进整机性能提高，需要关注相关的电力电子、变频器、PLC等领域的新技术，新发展。选择更先进，更方便性价比更高的元器件。

3． 如何实现智能化是将来研究的新突破新方向。

4． 加强研究提升机的通信功能，建立企业内部局域网,实现远程监控维护。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/4hr2.html