矿井提升机的电控系统毕业论文

毕业设计（论文）报告

题 目 矿井提升机的电控系统设计

机电工程 院（系）电气工程及其自动化专业

学 号 100616035

学生姓名 @@@@@@@@ 指导教师 @@@@@ 起讫日期 2014.2.25-2014.4.25 设计地点 @@@@@@@

3

学 位 论 文 独 创 性 声 明

本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得井冈山大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

论文作者签名： 日期： 年 月 日

学 位 论 文 使 用 授 权 声 明

井冈山大学有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布（包括刊登）论文的全部或部分内容。论文的公布（包括刊登）授权井冈山大学教务处办理。

论文作者签名： 日期： 年 导师签名：

月 日 日期： 年 月 日

摘 要

矿井提升机被称为矿山的咽喉，是生产的关键设备，是地下矿井与外界的唯一通道，肩负着运输矿石、物料、人员等的重要责任。对提升机来说，运行的安全性与可靠性是至关重要的。传统的矿井提升机控制系统主要采用继电器－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，也是国内外相关行业专家学者的一个研究课题。

随着计算机和PLC技术的不断发展，采用先进的控制技术改造传统矿山行业的传统控制系统，从而使矿井提升机的控制性能得到极大的改善，其自动化水平、安全性、可靠性都达到了新的高度，并采用现代化的管理和监视手段保障提升机的安全运行，保证矿井提升机可靠、准确地运行，实现矿井提升机的计算机控制。 关键词：矿井提升机，PLC，控制系统

ABSTRACT

The mine elevator is entitled as the throat of mine, and it is the most vital equipment in mine. The mine elevator is the only channel to the underground mines, and it is shouldering the transportation of mineral, materials and people. The safety and security is the most vital to elevator. The traditional shaft rotor’s winding loop to start and adjust speed. The system , the research on the shaft of computer and programmable logical controller, the controller of mine elevator come forth new visage, the level of automatization and safety and security arrived at the new altitude, and provided a new and modern manage and monitor means. Advanced industry control computer are used to monitor and manage the course of elevator

KEY WORDS：shaft =60fp(1-s)从上式可见，改变供电频率f、电动机的极对数p及转差率s均可达到改变转速的目的。PLC变频调速是一种理想的高效率、高性能的调速方法，从调速的本质来看，不同的调速方式无非是改变交流电动机的同步转速或不改变同步转速两种。在生产机械上广泛使用的调速方法中，不改变同步转速的有：绕线式电动机的转子串电阻调速、斩波调速、串级调速等。改变同步转速的有：变极对数调速，改变定子电压、频率的变频调速，无换向电动机调速等。

经分析本文将采用改变定子电压、频率的变频调速的方案，近年来交流变频调速技术迅速发展起来，调速方式的不断进步使得运用于提升机系统的交流调速技术不仅仅局限于传统的转子串电阻方式，变频调速技术也越来越多地在提升机控制系统中广泛应用，充分发挥出交流调速的优势。此方案调速平滑，实施时采用闭环系统，机械特性较硬，调速范围较宽。

1.3.2控制方案分析与确定

1、传统继电器—接触器控制

国内大多继电器—接触器式矿井提升机设备还是以磁放大器为核心组成模拟量闭环调节构成的，支配控制系统工作的“程序”是由各分立元件(继电器、接触器、电子元件

等)用导线连接起来加以实现的，这样的控制系统称为接线程序控制系统。在接线程序控制系统中控制程序的修改必须通过改变接线来实现。图1-3为继电器—接触器控制系统框图。

输入设备按钮、限位开关、操作手柄继电器控制线路有继电器和连接线路组成输出设备继电器和电磁阀被控制的机械设备或生产过程

图1-3 继电器—接触器控制系统框图

而这种控制方式还存在着很多的问题：

（1）使用大量继电器、接触器及其它分立电子元件使系统体积大、运行噪声大。 （2）继电器、接触器频繁动作，电弧烧蚀触点，使用寿命短。

（3）在启动过程中由于罐笼的实际载重量不同，而使实际的加速过程并非按照预定的设计参数运行，常常出现停车不准确甚至提前停车现象，不能正常装卸载。

（4）系统安全保护环节不全面，工作不可靠，故障显示不直观，分析 查找故障难度大，缺乏运行参数显示功能. （5）机械冲击大、人员乘车舒适性差。

这些不足主要是因为采用继电器控制方式造成的，在这种控制方式下继续改善的余地不大。如果对该竖井提升机电控系统进行技术改造，那么需要改变控制策略，采用当代高新实用技术，比如先进的工业计算机、现场总线和工业自动化技术来控制，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，研制生产适合矿井提升机电控设备是进行技术改造和新建矿井设备选型的理想选择，从而使之成为安全、可靠、高效率、自动化程度高的电控系统。

2、PLC控制变频调速

为了改善旧式提升机的不足，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和安全性得到提高。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。在变频调速技术中矢量控制和直接转矩控

制都能满足提升机恒转矩负载这一特征，所以在提升机调速系统中这两种调速方案将是重要发展方向。PLC控制变频调速装置本身具有过压、欠压、过流、过负荷、缺相、超温等保护，同时配合来自现场的各种信号传感器的监视及相应处理，可实现绞车过卷、过速、减速、限速等重要保护的双线制保护功能，满足煤矿安全规程要求。在变频器系统中输出闸控信号到PLC，要求只有在变频的输出转矩达到一定值的时候才可以松闸，这样会避免竖井提升机启动时发生溜车现象。采用PLC控制变频调速，在最大限度满足生产设备和生产工艺对电气控制系统要求的前提下，力求运行安全、可靠、动作准确、结构简单、经济、电动机及电气元件选用合理，操作、安装、调试和维修方便。

图1－4为可编程控制器（PLC）控制系统。其输入设备和输出设备与继电器控制系统相同，但它们是直接接到可编程序控制器的输入端和输出端的。控制程序是通过一个编程器写到可编程控制器的程序存储器中。每个程序语句确定了一个顺序，运行时依次读取存储器中的程序语句，对它们的内容进行解释并加以执行，执行结果用以接通输出设备，控制被控对象工作。在存储程序控制系统中，控制程序的修改不需要通过改变控制器内部的接线(即硬件)，而只需通过编程器改变程序存储器中某些语句的内容。

输入设备按钮、限位开关、操作手柄可编程控制器输出设备继电器和电磁阀被控制的机械设备或生产过程图1-4 可编程控制器控制过程系统框图

本次设计采用PLC控制变频调速系统，选用PLC和变频器的组合可完成数字量的输入，实现模拟量和数字量的输出控制。采用PLC技术，克服原继电器系统的不足，系统安全可靠，性价比提高，且控制程序可根据需要修改，对提高控制技术水平具有广阔的应用前景。通过对频率的调节来实现对速度的控制，使得速度变化更加平滑和实现精确调速。从解决实际矿井提升系统存在的问题出发，对传统的调速方案进行了控制方式的革新和数字化改造，降低了成本，提高了控制精度，加强了系统稳定性, 使速度变化更加平滑和实现精确调速。

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。本文将提出的设计方案具有实用价值。适用、经济、高效、可靠是本文提升机系统设计的追求目标。基于PLC的矿井提升变频调速控制系统图如图1-5所示。

图1-5 基于plc的矿井提升变频调速控制系统图

基于PLC的矿井提升机变频调速控制系统由控制监视系统、操作台、PLC、编码器、变频器和液压站等系统组成。图1-6为矿井提升机变频调速控制的系统框图。

图1-6 控制系统框图

系统框图中部分系统功能如下：

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。提升过程监视与安全回路一样，是现代提升机控制的重要环节。提升过程采用微机主要完成如下参数的监视：提升过程中各工况参数(如速度、电流)监视；各主要设备运行状态监视；各传感器(如位置开关、停车开关)信号的监视。使各种故障在出现之前就得以处理，防止事故的发生，并对各被监视参数进行存储、保留或打印输出。甚至与上位机联网，合并于矿井监测系统中。系统框图中用旋转编码器来测试电机的转速。

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。

变频器：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。

操作台：操作台设置两个手柄，分别用于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。

第二章 主要元部件的选择

2.1可编程控制器（PLC）的选择

PLC技术是工业自动化的重要手段，它可以实现逻辑控制、顺序控制、定时、计数、算数运算、数据运算、数据通信等功能，并且具有处分支、中断、自诊断能力。PLC技术的逻辑控制功能通过软件编程来实现，柔性强，控制功能多，控制线路大大简化。PLC的输入输出回路均带有光电隔离等抗干扰和过载保护措施。程序运行为周期性顺序扫描和集中批处理的工作方式，具有故障检测及诊断程序，可靠性极高。PLC控制系统为模块结构，维护更换方便，并可显示故障类型。因此本文决定采用PLC进行，并且保持原有的操作方式、按钮、开关的作用不变，以方便用户，缩短适应期。根据PLC的技术特点又可增加一些新的功能。

S7-200系列西门子PLC家族中的成员之一，在西门子工控领域中占有重要的地位。S7-200系列PLC体积小，价格低廉，软硬件功能强大，系统配置方便，它一推向市场就在各行各业得到了广泛的应用。而S7-200系列的产品可以满足设计要求，因此本次设计以西门子公司的S7-200系列入手。S7-200可编程控制器（PLC）的基本结构如图2-1所示。

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的基本结构图

2.1.1 S7-200系列西门子PLC的基本特点

PLC通电后，需要对硬件和软件做一些初始化工作。为了使PLC的输出及时地响应各种输入信号，初始化后PLC要反复不停地分段处理各种不同的任务，这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。

整个扫描过程分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行、程序输出几个阶段，全过程扫描一次所需要的时间称为扫描周期。内部处理阶段，PLC检查CPU模块的硬件是否正常，复位监视定时器等。在通信服务阶段，PLC与一些智能模块通信、响应编程器键入的命令、更新编程器的显示内容等。当PLC处于停止(STOP)状态时，只进行内部处理和通信操作服务等内容。在PLC处于运行(RUN)状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。

可编程控制器（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数据进行保护,因此被称为“专为适应恶劣的工业环境而设计的计算机”。

(3)编程简单，使用方便

PLC采用面向过程，面向问题的“自然语言”编程方式，直观易懂，主要采用梯形图和语句表编写程序，使得广大电气技术人员更易接纳和理解。同时设计人员也可根据自己的喜好和实际应用的要求选择其他编程语言。标准是编程语言的标准，除了梯形图

和语句表之外，还存在顺序流程图、结构化文本和功能块图三种编程语言的表达方式。一个程序的不同部分可用任何一种语言来描述，支持复杂的顺序操作功能处理以及数据结构。

(4)功能强大，可扩展

PLC的主要功能包括开关量的逻辑控制、模拟量控制部分还具备控制或模糊控制功能、数字量智能控制、数据采集和监控、通信、联网及集散控制等功能。

PLC的功能扩展也极为方便，硬件配置相当灵活,根据控制要求的改变，可以随时变动特殊功能单元的种类和个数，再相应的修改用户程序就可以达到变换和增加控制功能的目的。

(5)控制系统易于实现、开发工作量少

由于PLC的系列化、模块化、标准化及良好的扩展性和连网性能,在大多数情况下PLC系统是一个较好的选择。它不仅能够完成多数情况下的控制要求，还能够大量节省系统设计、安装、调试的时间和工作量。

(6) 体积小、能耗低

由软件实现的逻辑控制可以大量节省继电器、定时器的数量。一台小型的PLC只相当于几个继电器的体积,控制系统所消耗的能量也大大降低。

2.2 变频器的选择

从80年代初通用变频器问世以来，经过近20年，通用变频器更新换代了五次。第一代是80年代初模拟式通用变频器；第二代是80年代中期数字式通用变频器；第三代是90年代初智能型通用变频器；第四代是90年代中期的多功能型通用变频器；最近研制上市第五代集中通用变频器；通用变频器的发展情况可以从几个方面来说明：

1．通用变频器的应用范围不断扩大。

2．通用变频器使用的功率器件不断更新换代。

3．通用变频器的控制技术性能达到了直流电机调速水平。

目前国外变频调速技术发展较快，性能也非常好，在各行各业中得到了广泛的应用，如日本富士、瑞典ABB等变频调速系统应用领域非常广泛。国内变频调速技术发展较慢，产品性能较差，很难满足连续化工生产的需求，而且无法实现闭环自动控制。因此国内使用单位主要以进口为主，很少使用国内生产的产品。变频器的基本结构如图2-2所示。

图2-2变频器的基本结构

本次设计变频器主要选用德国西门子公司研发、生产的交—直—交方式变频器系列MM440通用变频器, 三相交流电源电压。

2.2.1 MM440通用变频器的简介

变频器MM440系列（MicroMaster440）是德国西门子公司广泛应用与工业场合的多功能标准变频器。它采用高性能的矢量控制技术，提供低速高转矩输出和良好的动态特性，同时具备超强的过载能力，以满足广泛的应用场合。对于变频器的应用，必须首先熟练对变频器的面板操作，以及根据实际应用，对变频器的各种功能参数进行设置MM420变频器是利用电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。

2.2.2 MM440变频器的工作原理及其调速原理

1. MM440变频器的工作原理

我们现在使用的MM440变频器主要采用交－直－交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。

图2-3 交-直-交变频器结构图

异步电机的VVVF调速系统一般简称变频调速系统。由于在变频调速时转差功率不变，在各种异步电机调速系统中效率较高，同时性能也最好，故是交流调速的主要发展方向。交流调速系统的控制量最基本上是转矩、速度、位置，根据不同的用途适当组合可构成各种闭环系统。

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，从而形成一定的旋转速度。

2. MM440变频调速的原理

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：

n0?60f1p (2－1)

式中f1--定子绕组电源频率；

P--电机磁极对数。 异步电动机转差率：

?nns?n (2－2)

00n?n0(1?s)?60f1（1?s）p (2－3)

由上式可知，异步电动机调速方法有如下几种： 变同步转速n0：变极p、变频f1。

变转差率s：定子调压、转子串电阻、电磁转差离合器、串极调速。

VVVF变频调速、矢量控制变频调速、直接转矩控制变频调速都是交-直-交变频调速中的一种。交流拖动中以改变转差率为目的调速方法有：定子调压调速、转子变电 阻

调速、电磁转差离合器调速、串极调速等。图2-4为MM440变频调速系统接线图，检查电路正确无误后， 合上主电源开关QS。

图2-4 MM440变频调速系统接线图

本文研究的定子调压调速主要是通过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，当负载转矩一定时，随着电机定子电压的降低，主磁通减少，转子感应电动势减少，转子电流减少，转子受到的电磁力减少，转差率s增大，转速减小，从而达到速度调节的目；同理，定子电压升高，转速增加。调压调速的优点是调速平滑，采用闭环系统时，机械特性较硬，调速范围较宽，缺点是低速时，转差功率损耗较大，功率因素低，电流大，效率低。调压调速既非恒转矩调速，也非恒功率调速，比较适合于大型类的负载。

2.2.3变频器MM440的控制面板

变频器MM440的BOP控制面板。如图2-4所示。

图2-4 BOP控制面板

操作步骤如下：

1. 按 （功能键），最右边的一个数字闪烁 2. 按 ，修改这位数字的数值 3. 再按 （功能键），相邻的下一位数字闪烁 4. 执行2至4步，直到显示出所要求的数值 5. 按 ，退出参数数值的访问级

2.2.4 MM440通用变频器的参数设置

如果所用的变频器刚刚出厂的变频器，则需对它进行快速调试。如表2-1所示。

表2-1 变频器的快速调试

序号 1 2 3 4 5 6

参数号 P0003 P0700 P0701 P0702 P0703 P0704 出厂值 设定值 1 2 1 12 9 15 3 2 1 2 9 15 说明 专家级 端子输入 接通正转停车命令 接通反转停车命令 故障复位 固定频率

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 P0705 P0706 P0731 P0732 P0733 P1000 P1080 P1082 P1120 P1121 P1237 P1312 15 15 52.3 7 2 2 0.0 50.00 10.0 10.0 0 0.0 15 15 52.3 7 2 3 20 50.00 2.00 2.00 2 180 固定频率 固定频率 变频器故障 报警信号 运行信号 固定频率设定 最低频率 最高频率 斜坡上升时间 斜坡下降时间 工作停止时间的比率为10％ 启动提升 注:（1）设置参数前先将变频器参数复位为工厂的缺省设定值： ①设定P0010=30， ②设定P0970=1。

（2）设定P0003=3，P0010=1，P3900=1,P0003=3,允许访问扩展参数。

（3）设定电机参数时先设定P0010=1(快速调试),电机参数设置完成设定P0010=0(准备)。 2.2.5变频器各端子说明

1.变频器各端子分布如图2-5所示。

图2-5变频器控制端子图

2.变频器各端子及其端子功能说明如表2-2所示。

表2-2 变频器各端子功能说明

端子号 1 2 3 4 10 11 5

符号 10V 0V AIN1+ AIN 1- AIN2+ AIN2- DIN1 功能说明 电源输出+10V 电源输出0V 模拟输入1（+） 模拟输入1（-） 模拟输入2（+） 模拟输入2（-） 数字输入1

6 7 8 16 17 9 28 14 15 12 13 26 27 20 19 18 29 30 DIN2 DIN3 DIN4 DIN5 DIN6 24V -- PTCA PTCB AOUT1+ AOUT1- AOUT2+ AOUT2- COM NO NC P+ N- 数字输入2 数字输入3 数字输入4 数字输入5 数字输入6 带隔离的输出+24V 控制电源接地端 过热保护输入端（+） 过热保护输入端（-） 模拟输出1（+） 模拟输出1（-） 模拟输出2（+） 模拟输出2（-） 数字输出1转换触点 数字输出1常开触点 故障常闭点 RS485信号（+） RS485信号（-） 2.3 电动机的选择

调速的本质是根据负载转矩的变化控制驱动电动机的转矩，而交流电动机的转矩决定了定子、转子磁通势矢量的大小与相对位置。一般可采用控制交流电动机定子电压幅值与频率(电压控制型)或定子电流幅值与频率(电流控制型)的标量控制系统但其动态控制性能较差为改善转矩控制的动态性能可采用对交流电动机的定子电压与电流实行磁通方向的矢量变换控制。因此本次设计选用三相交流笼型异步电动机。

第三章 系统硬件设计

3.1 矿井提升机控制系统的主回路

3.1.1系统主回路原理图

图3-1是矿井提升机控制系统主回路原理图。从图中可以看到，系统分别从L1、L2、L3三个端子引出三根线接到变频器上，从变频器的输出端引出三根线经过熔断器、接触器、热继电器接到三相交流绕线电动机上边，从而达到变频调速。

图3-1 系统主回路原理图

ＦＵ：熔断器；ＫＭ：接触器；ＦＲ：热继电器；Ｍ：电动机；QS:隔离开关；

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/77f5.html