畢業(yè)論文---基于變頻器的礦井提升機

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　礦井提升機常被人們稱為礦山的咽喉，是礦山最重要的關(guān)鍵設(shè)備，是地下礦井與外界的唯一通道，肩負(fù)著運輸?shù)V石、物料、人員等的重要責(zé)任。對提升機來說，運行的安全性與可靠性是至關(guān)重要的。傳統(tǒng)的礦井提升機控制系統(tǒng)主要采用繼電器－接觸器進(jìn)行控制，這類提升機通常在電動機轉(zhuǎn)子回路中串接附加電阻進(jìn)行啟動和調(diào)速。這種控制系統(tǒng)存在可靠性差、操作復(fù)雜、故

2、障率高、電能浪費大、效率低等缺點。因此對礦井提升機控制系統(tǒng)進(jìn)行研究具有現(xiàn)實意義，也是國內(nèi)外相關(guān)行業(yè)專家學(xué)者的一個研究課題。</p><p>　　隨著計算機和PLC技術(shù)的不斷發(fā)展，采用先進(jìn)的控制技術(shù)改造傳統(tǒng)礦山行業(yè)的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)，從而使礦井提升機的控制性能得到極大的改善，其自動化水平、安全性、可靠性都達(dá)到了新的高度，并采用現(xiàn)代化的管理和監(jiān)視手段保障提升機的安全運行，保證礦井提升機可靠、準(zhǔn)確地運行，實現(xiàn)礦井提升機的計

3、算機控制。</p><p>　　變頻調(diào)速是近年來發(fā)展起來的一門新興的自動控制技術(shù)，它利用改變被控對象的電源頻率，成功實現(xiàn)了交流電動機大范圍的無級平滑調(diào)速，在運行過程中能隨時根據(jù)電動機的負(fù)載情況，使電機始終處于最佳運行狀態(tài)，在整個調(diào)速范圍內(nèi)均有很高的效率，節(jié)能效果明顯。采用變頻器對異步電動機進(jìn)行調(diào)速控制，由于使用方便、可靠性高并且經(jīng)濟效益顯著，所以得到廣泛應(yīng)用。因此，應(yīng)用變頻器對礦井提升機的控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，將成為

4、歷史的必然趨勢。</p><p>　　關(guān)鍵詞：礦井提升機，PLC，變頻調(diào)速，控制系統(tǒng)</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　The mine elevator is entitled as the throat of mine, and it is the most vital equipment in mi

5、ne. 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

6、hoist control system is always controlled by the relay－contactor, and adopts the methods of connect series additional resistant in rotor’s winding loop to start and adjust speed. The syst</p><p>　　Along with

7、 the development and application 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, an

8、d provided a new and modern manage and monitor means. Advanced industry control computer are used to monitor and manage the course of elevator [18].</p><p>　　Frequency conversion is developed as a new automa

9、tic control technology in recent years, which is used to change the power frequency of the controlled objects, it successfully achieve the speed step less adjusting of the Ac motor in a large scope, and it can make the m

10、otor be always in the best state according to the load conditions at any time. It has very high efficiency and the energy-saving effect is obvious in the whole range of speed. Adopting inverter speed to control the async

11、hronous mot</p><p>　　KEY WORDS：shaft hoist, PLC, frequency conversion, control system</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　第1章 緒 論1</b></p><p>　　1.1

12、 國內(nèi)外礦井提升機研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢1</p><p>　　1.1.1 國外礦井提升機的現(xiàn)狀1</p><p>　　1.1.2 國內(nèi)提升機的現(xiàn)狀與發(fā)展趨向2</p><p>　　1.2 本文研究意義及內(nèi)容2</p><p>　　1.2.1 研究意義3</p><p>　　1.2.2 研究內(nèi)容3</p&

13、gt;<p>　　第2章 系統(tǒng)工藝流程及控制要求4</p><p>　　2.1 礦井提升機系統(tǒng)簡介4</p><p>　　2.2 提升機電動機運行方式5</p><p>　　2.3 提升機的速度要求及受力情況5</p><p>　　2.3.1 提升機的速度要求5</p><p>　　2.3.2

14、提升機的受力情況6</p><p>　　2.4 礦井提升機的電氣傳動方案8</p><p>　　第3章 系統(tǒng)控制方案設(shè)計11</p><p>　　3.1 控制單元基本原理11</p><p>　　3.2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計12</p><p>　　3.3 可編程控制器（PLC）介紹14</p>

15、<p>　　3.3.1 PLC的基本特點14</p><p>　　3.3.2 PLC的基本結(jié)構(gòu)15</p><p>　　3.3.3 PLC的工作原理15</p><p>　　3.3.4 可編程控制器的編程語言16</p><p>　　3.4 變頻器介紹17</p><p>　　3.4.1 變頻調(diào)速基

16、本原理17</p><p>　　3.4.2 變頻器按中間直流環(huán)節(jié)方式分類19</p><p>　　第4章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計21</p><p><b>　　4.1 引言21</b></p><p>　　4.2 提升機電控系統(tǒng)變頻器選擇22</p><p>　　4.3 變頻控制部分設(shè)計2

17、1</p><p>　　4.3.1 變頻調(diào)速主控系統(tǒng)設(shè)計21</p><p>　　4.3.2 變頻器外部電路設(shè)計21</p><p>　　4.4 PLC控制部分設(shè)計21</p><p>　　4.4.1 基本控制功能21</p><p>　　4.4.2 位置檢測電路21</p><p>

18、　　4.5 硬件調(diào)速控制系統(tǒng)保護(hù)措施21</p><p><b>　　4.6 小結(jié)21</b></p><p>　　第5章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計28</p><p>　　5.1 控制程序流程圖28</p><p>　　5.2 系統(tǒng)控制程序梯形圖29</p><p>　　第6章 人機交互界面

19、31</p><p>　　6.1 觸摸屏概述31</p><p>　　6.2 觸摸屏在工業(yè)控制中的應(yīng)用31</p><p>　　6.3 PWS－3261觸屏簡介32</p><p>　　6.4 觸摸屏在礦井提升機控制系統(tǒng)中的應(yīng)用32</p><p>　　第7章 結(jié) 論34</p><p&g

20、t;<b>　　參考文獻(xiàn)35</b></p><p><b>　　致 謝37</b></p><p><b>　　第1章 緒 論</b></p><p>　　1.1 國內(nèi)外礦井提升機研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢</p><p>　　礦井提升裝置是采礦業(yè)的重要設(shè)備，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和

21、礦井生產(chǎn)現(xiàn)代化要求的不斷提高，人們對提升機工作特性的認(rèn)識進(jìn)一步深化，提升設(shè)備及拖動控制系統(tǒng)也逐步趨于完善，各種新技術(shù)、新工藝逐步應(yīng)用于礦井提升設(shè)備中。特別是模擬技術(shù)、微電子技術(shù)、微電腦技術(shù)在提升機控制中的應(yīng)用已成為必然的發(fā)展。</p><p>　　國外礦井提升機的現(xiàn)狀</p><p>　　近三十年來，國外提升機機械部分和電氣部分都得到了飛速的發(fā)展，而且兩者相互促進(jìn)，相互提高。起初的提升機是

22、電動機通過減速器傳動卷筒的系統(tǒng)，后來出現(xiàn)了直流慢速電動機和直流電動機懸臂安裝直接傳動的提升機。上世紀(jì)七十年代西門子發(fā)明矢量控制的交一直一交變頻原理后，標(biāo)志著用同步電動機來代替直流電機實現(xiàn)調(diào)速的技術(shù)時代已經(jīng)到來。1981年第一臺用同步機懸臂傳動的提升機在德國Monopol礦問世，1988年由MAVGHH和西門子合作制造的機電一體的提升機(習(xí)慣稱為內(nèi)裝電機式)在德國Romberg礦誕生了，這是世界上第一臺機械和電氣融合成一體的同步電機傳動提

23、升機。在提升機機械和電氣傳動技術(shù)飛速發(fā)展的同時，電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，使提升機的電氣控制系統(tǒng)更是日新月異。早在上世紀(jì)七十年代，國外就將可編程控制器(PLC)應(yīng)用于提升機控制。上世紀(jì)八十年代初，計算機又被用于提升機的監(jiān)視和管理。計算機和PLC的應(yīng)用，使提升機自動化水平、安全、可靠性都達(dá)到了一個新的高度，并提供了新的、現(xiàn)代化的管理、監(jiān)視手段。特別要強調(diào)的是，此時期在國外一著名的提升機制造公司，如西門子、ABB、ALSTHOM都利用新的

24、技術(shù)和裝備，開發(fā)或</p><p>　　礦井提升機對安全性、可靠性和調(diào)速性能的特殊要求，使得提升機電控系統(tǒng)的技術(shù)水平在一定程度上代表一個廠或國家的傳動控制技術(shù)水平[17]。比較國內(nèi)外礦用提升機系統(tǒng)，具體來說國外礦井提升機在電控方面的應(yīng)用特點有以下幾個方面：</p><p>　　(1)提升工藝過程微機控制</p><p>　　提升工藝過程大都采用微機控制，由于微機功能

25、強，使用靈活，運算速度快，監(jiān)視顯示易于實現(xiàn)，并具有診斷功能，這是采用模擬控制無法實現(xiàn)的。</p><p><b>　　(2)提升行程控制</b></p><p>　　提升機的控制從本質(zhì)上說是一個位置控制，要保證提升容器在預(yù)定地點準(zhǔn)確停車，要求準(zhǔn)確度高，目前可達(dá)到±2cm。采用微機控制，可通過采集各種傳感信號，如轉(zhuǎn)角脈沖變換、鋼絲繩打滑、井筒、滾筒及鋼絲繩磨損

26、等信號進(jìn)行處理，計算出容器準(zhǔn)確的位置而施以控制和保護(hù)。一般過程控制用微機作監(jiān)視，行程控制也采用單獨下位機完成。</p><p><b>　　(3)提升過程監(jiān)視</b></p><p>　　提升過程監(jiān)視與安全回路一樣，是現(xiàn)代提升機控制的重要環(huán)節(jié)。提升過程采用微機主要完成如下參數(shù)的監(jiān)視：提升過程中各工況參數(shù)(如速度、電流)監(jiān)視；各主要設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)視；各傳感器(如位置開關(guān)

27、、停車開關(guān))信號的監(jiān)視。使各種故障在出現(xiàn)之前就得以處理，防止事故的發(fā)生，并對各被監(jiān)視參數(shù)進(jìn)行存儲、保留或打印輸出，甚至與上位機聯(lián)網(wǎng)，合并于礦井監(jiān)測系統(tǒng)中。</p><p><b>　　(4)安全回路</b></p><p>　　安全回路是指提升機在出現(xiàn)機械、電氣故障時控制提升機進(jìn)入安全保護(hù)狀態(tài)的極為重要的環(huán)節(jié)。為確保人員和設(shè)備的安全，對不同故障一般采用不同的處理方法[

28、12]。安全回路極為重要，它是保護(hù)的最后環(huán)節(jié)之一。</p><p>　　1.1.2 國內(nèi)提升機的現(xiàn)狀與發(fā)展趨向</p><p>　　目前國內(nèi)的礦井提升機大多采用以下兩種拖動方式：</p><p><b>　　(1)交流拖動方式</b></p><p>　　目前我國提升機約70%采用串電阻調(diào)速的交流拖動方式。有單繩和多繩兩

29、種系列，大都采用改變轉(zhuǎn)差率S的調(diào)速方法，在調(diào)速中產(chǎn)生大量的轉(zhuǎn)差功率，使大量電能消耗在轉(zhuǎn)子附加電阻上，導(dǎo)致調(diào)速的經(jīng)濟性變差[19]。極少數(shù)提升機采用串級調(diào)速方法，其調(diào)速范圍窄，且投資大。</p><p><b>　　(2)直流拖動方式</b></p><p>　　我國提升機采用直流拖動有兩種系統(tǒng)：直流發(fā)電機－直流電動機機組（F－D)和晶閘管－直流電動機(SCR－D)系統(tǒng)

30、。</p><p>　　國內(nèi)礦井提升機的發(fā)展趨勢如下。</p><p>　　國產(chǎn)大型直流提升機及電控系統(tǒng)正在逐步完善和推廣使用。</p><p>　　大功率變頻調(diào)速電控提升機其效率可達(dá)98%，國內(nèi)正在組織研究這種系統(tǒng)，不少院校和研究單位都在著手研制。如天津電氣傳動研究所已研制了一臺300kw的變頻調(diào)速裝置。</p><p>　　可編程序控制器

31、在提升機電控系統(tǒng)的應(yīng)用。</p><p>　　可編程序控制器具有可靠性高、抗干擾能力強、實現(xiàn)繼電邏輯容易，基本免于維護(hù)等獨特優(yōu)點，特別適用于對我國占大部分的交流提升機繼電－接觸器電控系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造。因此有不少單位都在著手研制，如焦作礦務(wù)局，韓城礦務(wù)局均用可編程序控制器對TKD電控系統(tǒng)進(jìn)行改造，已投入正常運行和使用，已經(jīng)顯示出了很強的生命力[20]。這是今后一段時期乃至幾十年對我國占絕大多數(shù)采用繼電控制的交流提升

32、系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造的必由之路。</p><p>　　1.2 本文研究意義及內(nèi)容</p><p>　　采用新技術(shù)、新設(shè)備、新工藝來裝備煤炭生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，以達(dá)到減人提效、確保安全生產(chǎn)的目的，是科技興煤的必由之路。礦井提升設(shè)備，其中主要是提升機及其控制和安全設(shè)備，也同樣要面臨著這一必經(jīng)之路[11]。</p><p>　　多年來，礦井提升機及其拖運、安全保護(hù)系統(tǒng)等設(shè)備的技術(shù)

33、水平和安全水平一直是困擾煤炭安全生產(chǎn)和效益提高的重要因素。為改變這一狀況，煤炭行業(yè)的科研、高校、生產(chǎn)企業(yè)和待業(yè)主管部門以及行業(yè)的科研和生產(chǎn)企業(yè)的工程技術(shù)人員做了大量的工作，已開發(fā)了眾多適用的產(chǎn)品和技術(shù)，積累了豐富的經(jīng)驗，取得了長足的進(jìn)步。大家可以看到，目前我國已經(jīng)可提供多種技術(shù)先進(jìn)、性能可靠、安全性高的礦井提升設(shè)備，大多數(shù)已在煤礦基建、生產(chǎn)和技術(shù)改造等方面獲得了成功的應(yīng)用。</p><p>　　1.2.1 研究意

34、義</p><p>　　在調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)各大煤礦的礦井提升機系統(tǒng)的調(diào)速方案大多采用繼電器－接觸器控制的轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速。該方案耗能大，占地面積大，已不能適應(yīng)現(xiàn)代礦業(yè)發(fā)展的需要。因此有必要對其調(diào)速方案進(jìn)行改造。在廣泛考察現(xiàn)行的變頻調(diào)速方案后，本文提升機系統(tǒng)控制單元采用目前工控適用的可編程控制器來控制，具有編程簡單和控制可靠性高的優(yōu)點，電力拖動系統(tǒng)中，選用先進(jìn)的變頻傳動裝置，運用先進(jìn)的矢量控制技術(shù)，優(yōu)化了調(diào)速系統(tǒng)

35、的性能，這一控制方法目前仍為現(xiàn)代交流調(diào)速的重要研究方向之一[16]。</p><p>　　采用先進(jìn)的工業(yè)計算機、現(xiàn)場總線和工業(yè)自動化技術(shù)，按照結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)品系列化、性能現(xiàn)代化、體積小型化的原則，研制生產(chǎn)適合礦井提升機電控設(shè)備是進(jìn)行技術(shù)改造和新建礦井設(shè)備選型的理想選擇。為保證提升設(shè)備無事故，在提升設(shè)備有可能出現(xiàn)故障的各個重要環(huán)節(jié)上，設(shè)有各種檢測、控制、自診斷以及記錄和保護(hù)裝置(如超載、速度、加減速等記錄)[1]。

36、</p><p>　　1.2.2 研究內(nèi)容</p><p>　　在煤礦生產(chǎn)中，礦井提升機起著非常重要的作用。礦井提升機是礦井生產(chǎn)過程中的一個重要環(huán)節(jié)，它的任務(wù)是提升有用礦物和礦石、升降人員和設(shè)備、下放材料等。提升機電控裝置的技術(shù)性能，既直接影響礦山生產(chǎn)的效率及安全，又代表著礦井提升機發(fā)展的整體水平，是礦井安全生產(chǎn)中重中之重的一大環(huán)節(jié)。</p><p>　　當(dāng)前國內(nèi)提

37、升機電控絕大多數(shù)還是轉(zhuǎn)子回路串電阻分段控制的交流繞線式電機繼電器－接觸器系統(tǒng)，設(shè)備陳舊、技術(shù)落后。而且這種控制方式存在著很多的問題：轉(zhuǎn)子回路串接電阻，消耗電能，造成能源浪費；電阻分級切換，為有級調(diào)速，設(shè)備運行不平穩(wěn)，容易引起電氣及機械沖擊；繼電器、接觸器頻繁動作，電弧燒蝕觸點，影響接觸器使用壽命，維修成本較高；交流繞線異步電動機的滑環(huán)存在接觸不良問題，容易引起設(shè)備事故；電動機依靠轉(zhuǎn)子電阻獲得的低速，其運行特性較軟；提升容器通過給定的減速

38、點時，由于負(fù)載的不同，而將得到不同的減速度，不能達(dá)到穩(wěn)定的低速爬行，最后導(dǎo)致停車位置不準(zhǔn)，不能正常裝卸載。</p><p>　　上述問題使提升機運行的可靠性和安全性不能得到有效的保障。因此，需要研制更加安全可靠的控制系統(tǒng)，使提升機運行的可靠性和安全性得到提高。在提升機控制系統(tǒng)中應(yīng)用計算機控制技術(shù)和變頻調(diào)速技術(shù)，對原有提升機控制系統(tǒng)進(jìn)行升級換代。</p><p>　　就計算機技術(shù)在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)

39、用情況而言，可編程控制器(PLC)是目前作為工業(yè)控制最理想的機型，它是采用計算機技術(shù)、按照事先編好并儲存在計算機內(nèi)部一段程序來完成設(shè)備的操作控制。采用PLC控制，硬件簡潔、軟件靈活性強、調(diào)試方便、維護(hù)量小，PLC技術(shù)己經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種提升機控制。</p><p>　　第2章 系統(tǒng)工藝流程及控制要求</p><p>　　2.1 礦井提升機系統(tǒng)簡介</p><p>　　

40、礦井提升機是一種大型絞車。用鋼絲繩帶動容器（罐籠或箕斗）在井筒中升降，完成輸送物料和人員的任務(wù)。礦井提升機是由原始的提水工具逐步發(fā)展演變而來?，F(xiàn)代的礦井提升機提升量大，速度高，已發(fā)展成為電子計算機控制的全自動重型礦山機械。</p><p>　　礦井提升機可分為豎井提升機和斜井提升機兩種。礦井提升機主要由電動機、減速器、卷筒（或摩擦輪）、制動系統(tǒng)、深度指示系統(tǒng)、測速限速系統(tǒng)和操縱系統(tǒng)等組成，采用交流或直流電機驅(qū)動。

41、提升鋼絲繩的工作原理分纏繞式礦井提升機和摩擦式礦井提升機。纏繞式礦井提升機有單卷筒和雙卷筒兩種，鋼絲繩在卷筒上的纏繞方式與一般絞車類似。單筒大多只有一根鋼絲繩，連接一個容器。雙筒的每個卷筒各配一根鋼絲繩，連接兩個容器，運轉(zhuǎn)時一個容器上升，另一個容器下降。纏繞式礦井提升機大多用于年產(chǎn)量在120萬噸以下、井深小于400米的礦井中。摩擦式礦井提升機的提升繩搭掛在摩擦輪上，利用與摩擦輪襯墊的摩擦力使容器上升。提升繩的兩端各連接一個容器，或一端連

42、接容器，另一端連接平衡重。摩擦式礦井提升機根據(jù)布置方式分為塔式摩擦式礦井提升機（機房設(shè)在井筒頂部塔架上）和落地摩擦式礦井提升機（機房直接設(shè)在地面上）兩種。按提升繩的數(shù)量又分為單繩摩擦式礦井提升機和多繩摩擦式礦井提升機。后者的優(yōu)點是：可采用較細(xì)的鋼絲繩和直徑較小的摩擦輪，從而機組尺寸小，便于制造；速度高、提升能力大、安全性好。年產(chǎn)120萬噸以上、井深小于2100米的豎井大多采用這種提升機</p><p>　　目前，

43、我國單繩纏繞式提升機，廣泛采用交流繞線式電動機拖動，提升過程一般包括：起動加速、勻速、減速、爬行和停車幾個主要環(huán)節(jié)。</p><p>　　礦井提升機是礦山運輸系統(tǒng)中的主要設(shè)備之一，主要用于礦井提升礦石或人員、材料，因此在礦井提升系統(tǒng)中，需遵循著“安全、可靠、經(jīng)濟運行”的原則進(jìn)行設(shè)計，“可靠性”包含兩個含義，一是“安全可靠性”，二是“工作可靠性”。二者密不可分，又各有側(cè)重、相互區(qū)別[4]。</p>&

44、lt;p>　　“安全可靠性”是指當(dāng)出現(xiàn)故障時，要確保把系統(tǒng)引入安全狀態(tài)，一般是指安全制動，也就是我們通常所說的“故障安全型”。而“工作可靠性”則要求在一定的時間內(nèi)，系統(tǒng)盡可能長地保持正常工作狀態(tài)，這時就要研究如何把系統(tǒng)故障率降到最低。在礦山設(shè)備中，如主要通風(fēng)機、主排水泵等當(dāng)屬此類。對提升系統(tǒng)而言，當(dāng)然也需要較高的工作可靠性，就是要使提升容器按要求快速、準(zhǔn)確地送到規(guī)定位置，保證高效長期運行。在確保提升安全、可靠運行的前提下，提高系統(tǒng)

45、運行質(zhì)量，減少操作難度和維修保養(yǎng)時間，延長系統(tǒng)的有效服務(wù)年限，則應(yīng)是實現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)濟運行的研究課題。</p><p>　　在此需著重指出，堅持“安全、可靠、經(jīng)濟運行”的原則不僅僅是設(shè)計者的指導(dǎo)思想，也應(yīng)是用戶選型時應(yīng)堅持的最重要的原則。為了真正實現(xiàn)“安全、可靠、經(jīng)濟運行”的原則，在利用眾多新技術(shù)、新產(chǎn)品來實現(xiàn)提升系統(tǒng)現(xiàn)代化改造時，必須以“可靠性系統(tǒng)工程”理論為指導(dǎo)[10]。 </p><p>

46、　　2.2 提升機電動機運行方式</p><p>　　提升機電動機的運行方式 ,主要根據(jù)系統(tǒng)的力圖來確定：</p><p>　　加速階段：提升時為正力，采用電動加速。下放時為負(fù)力，若負(fù)力值較小，可考慮自由加速，并配合使用盤式制動器，若負(fù)力值較大，則采用動力制動加速。</p><p>　　勻速階段：提升時為正力，采用電動拖動。下放時為負(fù)力，采用能耗制動、閉環(huán)控制，單閉

47、環(huán)速度控制系統(tǒng)由與距離有關(guān)的理想速度給定電路、速度負(fù)反饋電路、PID調(diào)節(jié)器、移相觸發(fā)電路及雙向可控硅能耗制動電路組成，下放速度由PID調(diào)節(jié)。</p><p>　　主減速階段：提升時為正力，采取逐級接入轉(zhuǎn)子附加電阻和機械制動的方式。下放時為負(fù)力，一方面接入轉(zhuǎn)子附加電阻，另一方面增大制動電流并輔以機械制動方式減速。</p><p>　　爬行階段：當(dāng)為正力時，轉(zhuǎn)子接入幾段附加電阻，由 PLC控制

48、運行；當(dāng)為負(fù)力時，在能耗制動方式下接入轉(zhuǎn)子附加電阻。</p><p>　　2.3 提升機的速度要求及受力情況</p><p>　　合理地確定提升機的力圖和速度圖，可以提高其運行的安全可靠性，以及減小電動機的功耗。</p><p>　　2.3.1 提升機的速度要求</p><p><b>　　(1)主加速階段</b><

49、;/p><p>　　如圖2－1所示，正常提升時，電動機產(chǎn)生的力矩比阻力矩大3%～5%，產(chǎn)生比較低的加速度a ≤0.3m/s2。當(dāng)V0上升到Vm時，電動機運行在自然特性曲線上。下放時，由于負(fù)力較大，需要制動力來維持穩(wěn)定的下放速度和規(guī)定的減速度。</p><p><b>　　(2)勻速階段t2</b></p><p>　　上升時，根據(jù)負(fù)載狀況使電動機保

50、持電動狀態(tài)，且速度Vm=1.12m／s。下放時，由測速發(fā)電機反映轉(zhuǎn)子下放速度 ，當(dāng)速度高于Vm時，增大勵磁電流If，提高制動力矩，使觀覽車在斜坡上勻速運行。</p><p>　　(3)主減速階段t3</p><p>　　為使提升機準(zhǔn)確停車，在停車前應(yīng)進(jìn)行減速。減速按照速度圖要求進(jìn)行，由裝在斜坡上的位置開關(guān)動作發(fā)出信號，PLC 再根據(jù)與電動機同軸運行的旋轉(zhuǎn)編碼器發(fā)出的脈沖數(shù)進(jìn)行比較發(fā)出指令，

51、增大勵磁電流If，使下放速度在規(guī)定的時間內(nèi)降低。</p><p><b>　　(4)爬行階段t4</b></p><p>　　V4在 0.3 m/ s左右，此數(shù)值實際上是一個平均值，因為提升機由較高的Vm不可能很準(zhǔn)確的變?yōu)樗俣萔4。</p><p><b>　　(5)停車階段t5</b></p><p&

52、gt;　　將盤式制動器的KT線圈斷電，抱閘迅速抱住卷筒，提升機停轉(zhuǎn)。</p><p>　　圖2－1 提升機速度圖</p><p>　　2.3.2 提升機的受力情況</p><p>　　由直線運動的運動方程可得：</p><p>　　F = + ma 式（2－1）</p><

53、p>　　式中：F－提升機在某運動階段的力，N；</p><p>　?。嵘龣C的靜阻力（包括車重、提升機重量和繩重），N；</p><p>　　m－把旋轉(zhuǎn)運動的部件折算到直線運動的變位質(zhì)量，kg；</p><p>　　a－各階段的加速度、減速度值，m/。</p><p>　　當(dāng) a =0時，F(xiàn) = ，勻速運行；</p>&l

54、t;p>　　a＞0時，F(xiàn)＞，加速運行；</p><p>　　a＜0時，F(xiàn)＜，減速運行。</p><p>　　根據(jù)以上分析，F(xiàn) = f（t）的力圖見圖2－2：</p><p>　　圖2－2 提升機力圖</p><p>　　綜合以上提升機的運行特點以及礦山生產(chǎn)固有的特點，提升機工藝對提升機電控系統(tǒng)的要求如下[9]：</p>

55、<p>　　(1)加(減)速度符合國家有關(guān)安全生產(chǎn)規(guī)程的規(guī)定</p><p>　　提升人員時，加速度，升降物料時，加速度。另外不得超過提升機的減速器所允許的動力矩。</p><p>　　(2)具有良好的調(diào)速性能</p><p>　　要求速度平穩(wěn)，調(diào)速方便，調(diào)速范圍大，能滿足各種運行方式及提升階段(如加速、減速、等速、爬行等)穩(wěn)定運行的要求。</p&g

56、t;<p>　　(3)有較好的起動性能</p><p>　　提升機不同于其他機械，不可能待系統(tǒng)運轉(zhuǎn)后再裝加物料，因此，必須能重載啟動，有較高的過載能力。</p><p><b>　　(4)特性曲線要硬</b></p><p>　　要保證負(fù)載變化時，提升速度基本上不受影響，防止負(fù)載不同時速降過大，影響系統(tǒng)正常工作(當(dāng)然，當(dāng)負(fù)載超過一

57、定的限度時，還要求系統(tǒng)能有效的自我保護(hù)。迅速安全制動停車，即所謂要具備挖土機機械特性)。</p><p>　　(5)工作方式轉(zhuǎn)換容易</p><p>　　要能夠方便的進(jìn)行自動、半自動、手動、驗繩、調(diào)繩等工作方式的轉(zhuǎn)換，操作方便，控制靈活，不至于因工作方式的轉(zhuǎn)換影響正常生產(chǎn)。</p><p>　　(6)采用新技術(shù)和節(jié)能設(shè)備</p><p>　　

58、易于實現(xiàn)自動化控制和提高整個系統(tǒng)的工作效率。具備必要的連鎖和安全保護(hù)環(huán)節(jié)，確保系統(tǒng)安全運行。盡量節(jié)約能源和降低運轉(zhuǎn)費用。</p><p>　　2.4 礦井提升機的電氣傳動方案</p><p>　　根據(jù)提升機對電控系統(tǒng)的要求，提升機的電氣傳動方案一般有以下幾種，現(xiàn)將幾種傳動方案進(jìn)行比較。</p><p>　　繞線轉(zhuǎn)子異步電動機轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速系統(tǒng)：</p>

59、;<p>　　這種方案的電動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)是通過改變轉(zhuǎn)子回路串聯(lián)的附加電阻來實現(xiàn)的。顯然這是有級調(diào)速，并且調(diào)速時能耗很大，屬轉(zhuǎn)子功率消耗型調(diào)速方案。在加速階段和低速運行時，大部分能量(轉(zhuǎn)差能量)以熱能的形式消耗掉了，因此電控系統(tǒng)的運行效率較低。這種調(diào)速方案是在低同步狀態(tài)下產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，需采用直流能耗制動方案(即動力制動)，或采用低頻制動。但無論采用何種方式，總需要設(shè)置輔助電源和繞組的二次切換操作。</p><

60、;p>　　綜上所述，這種調(diào)速方案存在著調(diào)速性能差，運行效率低、運行狀態(tài)的切換死區(qū)大及調(diào)速不平滑等缺點。但目前在我國的各種礦山中，這種方案使用得相當(dāng)普遍，以后將面臨著技術(shù)改造的問題。</p><p>　　G―M直流可逆調(diào)速系統(tǒng)：</p><p>　　G―M(原稱F－D)直流可逆調(diào)速系統(tǒng)如圖2―3所示。直流電動機的勵磁電流是恒定的，改變直流發(fā)電機的輸出電壓來改變直流電動機的轉(zhuǎn)速。直流發(fā)電

61、機一般由同步電動機帶動的，其輸出電壓是靠改變直流發(fā)電機的勵磁電流的大小來實現(xiàn)的。直流發(fā)電機的勵磁電流是通過電機擴大機GA的勵磁實現(xiàn)控制和調(diào)節(jié)的。</p><p>　　本方案的特點是可實現(xiàn)無級調(diào)速，電動狀態(tài)與制動狀態(tài)的切換是快速平的，即能滿足四象限平滑調(diào)速的要求，由于采用了速度閉環(huán)控制，因此調(diào)速精度也比較高。系統(tǒng)在起動時的無功沖擊小，且功率因數(shù)較高，而且還可向電網(wǎng)提供超前無功功率，以改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。但本方案有一

62、系列缺點：運行效率低，因為功率變換的效率是同步電動機和直流發(fā)電機兩臺電機效率的乘積，通常變流組的效率只有0.8左右(考慮直流發(fā)電機組平時不停機)，占地面積大，噪聲大，維護(hù)工作量大，耗費金屬量大等。</p><p>　　圖2―3 G－M直流可逆調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　V－M直流可逆調(diào)速系統(tǒng)：</p><p>　　由晶閘管變流器代替旋轉(zhuǎn)變流器，可以提高功率變換的

63、運行效率。晶閘管變流器的運行效率可達(dá)0.95左右。</p><p>　　V－M直流可逆調(diào)速系統(tǒng)可分為電樞換向的可逆調(diào)速系統(tǒng)(見圖2―4a)和磁場換向的可逆調(diào)速系統(tǒng)(見圖2―4b)。</p><p>　?。╝） （b）</p><p>　　圖2－4 V-M直流可逆調(diào)速系統(tǒng)</p>&l

64、t;p>　　在電樞換向的可逆調(diào)速系統(tǒng)中，勵磁電流的大小和方向是恒定不變的，電動機轉(zhuǎn)矩的大小和方向是改變電樞變流器輸出電流的大小和方向?qū)崿F(xiàn)的。其特點是轉(zhuǎn)矩的反向快(由于電樞電流的反向快)，需設(shè)置正反向兩組電樞整流器，故造價較高。</p><p>　　在磁場換向的可逆調(diào)速系統(tǒng)中，電樞電流的方向是不變的。轉(zhuǎn)矩極性的改變是通過改變勵磁電流的方向?qū)崿F(xiàn)的。這種方案的特點是轉(zhuǎn)矩的反向過程即勵磁電流的反向過程較長，為了縮短

65、反向時間需采取強勵磁措施。另一個特點是電樞變流器只需設(shè)置一組，故裝置的總體造價低。</p><p>　　由于礦井提升機對轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)變的快速性要求不算太高，所以在大容量的情況下，為了減少投資，往往采用磁場換向的可逆調(diào)速方案。不過在現(xiàn)在的制造技術(shù)進(jìn)步的條件下，兩種方案總造價的差別己不很顯著。</p><p>　　交流電動機交－交變頻調(diào)速系統(tǒng)：</p><p>　　交流電動機

66、交－交變頻調(diào)速系統(tǒng)在70年代奠定了理論基礎(chǔ)，80年代開始在礦井提升機上應(yīng)用，首先是交－交變頻器－同步電動機系統(tǒng)投入運行，然后是日本的交－交變頻器－籠型異步電動機系統(tǒng)投入運行，而且實現(xiàn)了多微機全數(shù)字控制。這些系統(tǒng)都具有優(yōu)良的控制性能、運行效率高、傳動系統(tǒng)的飛輪力距小和維護(hù)工作量少等優(yōu)點，特別適用于大容量、低轉(zhuǎn)速的礦井提升機上。目前傳動功率己經(jīng)能達(dá)到5000－8000kw。將同步電動機轉(zhuǎn)子外裝的摩擦式提升機的滾筒合為一體的機電一體化方案具有

67、體積更小、重量更輕的優(yōu)點，可以明顯地降低投資費用，成為低速大容量礦井提升機傳動的發(fā)展方向。</p><p>　　由于礦井提升機要求四象限運行，并且負(fù)載變化較大，故比較適合采用電源自然換相的交－交直接變頻調(diào)速系統(tǒng)，其主要電路原理圖如圖2－5所示。</p><p>　　圖2－5 交－交變頻調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　交－交變頻器由三組可逆整流器組成，其三相移相信號為

68、一組頻率與幅值可調(diào)的三相正弦信號，則變頻器輸出相應(yīng)的頻率、幅值可變的三相交流電壓，給三相同步電動機或異步電動機供電，實現(xiàn)變頻調(diào)速。</p><p>　　調(diào)速的本質(zhì)是根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化控制驅(qū)動電動機的轉(zhuǎn)矩，而交流電動機的轉(zhuǎn)矩決定了定、轉(zhuǎn)子磁通勢矢量的大小與相對位置。一般可采用控制交流電動機定子電壓幅值與頻率(電壓控制型)或定子電流幅值與頻率(電流控制型)的標(biāo)量控制系統(tǒng)但其動態(tài)控制性能較差為改善轉(zhuǎn)矩控制的動態(tài)性能可采

69、用對交流電動機的定子電壓與電流實行磁通方向的矢量變換控制[13]。</p><p>　　采用PLC與變頻器相結(jié)合的控制方案對傳統(tǒng)電控系統(tǒng)進(jìn)行改造，變頻調(diào)速是通過改變定子供電頻率，成功實現(xiàn)了提升電動機大范圍的無級平滑調(diào)速，在運行過程中能隨時根據(jù)電動機的負(fù)載情況，使電機始終處于最佳運行狀態(tài)，能夠滿足提升機特殊工作環(huán)境的要求且有著明顯的節(jié)電效果。采用PLC對提升系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)和監(jiān)控，使系統(tǒng)更加安全可靠[3]。因此本次設(shè)計

70、選用交流電動機交－交變頻調(diào)速系統(tǒng)。</p><p>　　第3章 系統(tǒng)控制方案設(shè)計</p><p>　　3.1 控制單元基本原理</p><p>　　在我國傳統(tǒng)的提升機設(shè)備中，普遍使用TKD系統(tǒng)，這種控制系統(tǒng)是采用繼電器有觸點的邏輯控制，以磁放大器為核心組成模擬量閉環(huán)調(diào)節(jié)。在繼電器控制系統(tǒng)中，要完成一個控制任務(wù)，支配控制系統(tǒng)工作的“程序”是由各分立元件(繼電器、接觸器

71、、電子元件等)用導(dǎo)線連接起來加以實現(xiàn)的，這樣的控制系統(tǒng)稱為接線程序控制系統(tǒng)[14]。在接線程序控制系統(tǒng)中，控制程序的修改必須通過改變接線來實現(xiàn)。</p><p>　　如圖3－1所示是一個繼電器控制系統(tǒng)。它是由繼電器、接觸器用導(dǎo)線連接起來以實現(xiàn)控制程序的，其輸入對輸出的控制通過接線程序來實現(xiàn)，輸入設(shè)備(按鈕、行程開關(guān)、限位開關(guān)、傳感器等)用以向系統(tǒng)送入控制信號。輸出設(shè)備(接觸器、電磁閥等執(zhí)行元件)用以控制生產(chǎn)機械和

72、生產(chǎn)過程中的各種被控對象(電動機、電爐、電磁閥門等)。</p><p>　　圖3－1 繼電器控制系統(tǒng)框圖</p><p>　　幾十年來，這種控制系統(tǒng)由于受元件水平的限制而存在著缺陷，突出表現(xiàn)在：使用大量繼電器、接觸器及其它分立電子元件，系統(tǒng)體積大，運行噪聲大，功耗高，接線復(fù)雜，故障率高，工作穩(wěn)定性和可靠性差，控制速度慢，控制精度差，功能改變難度大，使用壽命短；在啟動過程中，由于罐籠的實際

73、載重量不同，實際的加速過程并非按照預(yù)定的設(shè)計參數(shù)運行，常常出現(xiàn)停車不準(zhǔn)確甚至提前停車現(xiàn)象；采用磁放大器做調(diào)節(jié)控制，穩(wěn)定性差，線性度差，調(diào)速精度很難保證；系統(tǒng)安全保護(hù)環(huán)節(jié)不全面，工作不可靠，故障顯示不直觀，分析查找故障難度大，缺乏運行參數(shù)顯示功能；調(diào)速性能差，機械沖擊大，人員乘車舒適性差。</p><p>　　這些不足主要是因為采用繼電器控制方式造成的，在這種控制方式下繼續(xù)改善的余地不大。如果對該豎井提升機電控系統(tǒng)

74、進(jìn)行技術(shù)改造，那么需要改變控制策略，采用當(dāng)代高新實用技術(shù)來控制，使之成為安全、可靠、高效率、自動化程度高的電控系統(tǒng)?？删幊绦蜻壿嬁刂破?Programmable logic controller)，簡稱PLC，PLC技術(shù)是現(xiàn)代工業(yè)自動化的重要手段，由它構(gòu)成的控制系統(tǒng)邏輯控制由PLC通過軟件編程實現(xiàn)，柔性強，控制功能多，控制線路大大簡化；PLC的輸入/輸出回路均帶有光電隔離等抗干擾和過載保護(hù)措施，程序運行為循環(huán)掃描工作方式，且有故障檢測及

75、診斷程序，可靠性極高。PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為模塊化結(jié)構(gòu)，維護(hù)更換方便，并可顯示故障類型。</p><p>　　圖3－2為可編程控制器控制系統(tǒng)。其輸入設(shè)備和輸出設(shè)備與繼電器控制系統(tǒng)相同，但它們是直接接到可編程序控制器的輸入端和輸出端的?？刂瞥绦蚴峭ㄟ^一個編程器寫到可編程控制器的程序存儲器中。每個程序語句確定了一個順序，運行時依次讀取存儲器中的程序語句，對它們的內(nèi)容進(jìn)行解釋并加以執(zhí)行，執(zhí)行結(jié)果用以接通輸出設(shè)備，控制被控

76、對象工作。在存儲程序控制系統(tǒng)中，控制程序的修改不需要通過改變控制器內(nèi)部的接線(即硬件)，而只需通過編程器改變程序存儲器中某些語句的內(nèi)容。</p><p>　　圖3－2 可編程控制器控制過程系統(tǒng)框圖</p><p>　　可編程邏輯控制器因為其具有高可靠性以及軟件可編程的優(yōu)點，在現(xiàn)代控制中越來越廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　對于一般提升機電控系統(tǒng)來說，采用一套中小容

77、量的PLC即可滿足要求，其價格也不高。如圖3－2所示，如果采用PLC技術(shù)對TKD電控系統(tǒng)進(jìn)行改造，把原來由各種電器通過連線而實現(xiàn)的邏輯控制改由PLC通過軟件編程實現(xiàn)，則控制線路將大大簡化，設(shè)備體積、設(shè)備維修量將大大減小，抗干擾能力將大大增強，工作可靠性將大大提高，工藝改變時只需要改變控制程序即可。改造時保持原有的操作方式、按鈕、開關(guān)、主令控制器作用不變，則用戶使用起來將非常方便，不需要適應(yīng)期。同時可以利用PLC的高速計數(shù)功能、網(wǎng)絡(luò)通信功

78、能、故障檢測及診斷功能、信號顯示功能等來增加一些新的控制功能，安全性將大大提高，運行將更加平穩(wěn)、準(zhǔn)確，完全能夠滿足礦山生產(chǎn)的苛刻要求，而且投資相對較少，性價比較高，具有很強的實用價值[15]。</p><p>　　3.2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計</p><p>　　基于PLC的礦井提升機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)由動力裝置、液壓站、變頻器、操作臺和控制監(jiān)視系統(tǒng)組成，其系統(tǒng)框圖如圖3－3所示：</p&

79、gt;<p>　　圖3－3 控制系統(tǒng)框圖</p><p>　　系統(tǒng)框圖中各部分功能如下：</p><p>　　動力裝置：包括主電機、減速器、卷筒、制動器和底座，完成人、物料的運輸任務(wù)。主電機通過減速器向卷筒提供牽引所需的動力。對于礦井提升機這樣的 大型機械來說，在電機脫離電源后，由于運行慣性較大，往往要經(jīng)過一段時間才能停止轉(zhuǎn)動，這將影響生產(chǎn)效率，甚至威脅到生產(chǎn)人員的生命安全

80、和物料的運輸。因此必須在系統(tǒng)里加入制動器，避免產(chǎn)生“蠕動”現(xiàn)象，從而保證運輸?shù)娜撕臀锪系陌踩?lt;/p><p>　　液壓站：為提升機提供制動力，停車時先通過液壓站給卷筒施加機械制動力，再取消直流制動力；提升機起動時，先對電機施加直流制動，再松開機械抱閘，防止溜車，以保證系統(tǒng)安全可靠地工作。</p><p>　　變頻器：是動力站的能量供給單元，通過它可將輸入工頻電能轉(zhuǎn)換成頻率可調(diào)的電能提供給

81、交流電動機，以達(dá)到控制交流電動機轉(zhuǎn)速的目的。</p><p>　　操作臺：操作臺設(shè)置兩個手柄，分別用于速度輔助給定及制動力給定。它是整個礦井提升機運輸系統(tǒng)的控制核心，通過它可以設(shè)定系統(tǒng)的工作方式和控制方式，可以發(fā)布系統(tǒng)的各種控制命令，以實現(xiàn)對提升機啟動、加速、平穩(wěn)運行、減速、停車以及緊急制動等各種控制功能。</p><p>　　控制監(jiān)視系統(tǒng)：是操作人員和控制系統(tǒng)及運輸系統(tǒng)之間的橋梁，它可以

82、在線監(jiān)測提升機運輸系統(tǒng)的各種工作參數(shù)、工作狀態(tài)、故障參數(shù)和故障狀態(tài)。提升過程監(jiān)視與安全回路一樣，是現(xiàn)代提升機控制的重要環(huán)節(jié)。提升過程采用微機主要完成如下參數(shù)的監(jiān)視：提升過程中各工況參數(shù)(如速度、電流)監(jiān)視；各主要設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)視；各傳感器(如位置開關(guān)、停車開關(guān))信號的監(jiān)視。使各種故障在出現(xiàn)之前就得以處理，防止事故的發(fā)生，并對各被監(jiān)視參數(shù)進(jìn)行存儲、保留或打印輸出。甚至與上位機聯(lián)網(wǎng)，合并于礦井監(jiān)測系統(tǒng)中[2]。系統(tǒng)框圖中用旋轉(zhuǎn)編碼器來測試電

83、機的轉(zhuǎn)速。</p><p>　　變頻調(diào)速控制系統(tǒng)工作原理：如圖3—3，系統(tǒng)內(nèi)部采用矢量控制思想，AC380V三相動力電源由隔爆接線腔R,S,T 3個接線柱接入隔爆主腔內(nèi)，大功率變頻（SB61G110KW）可以將工頻三相交流電經(jīng)過交—直變換之后經(jīng)過逆變器，利用設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行逆變，使得輸出為某一相應(yīng)設(shè)定頻率的交流電，經(jīng)變頻后輸出U,V,W來驅(qū)動電機的運行。變頻器輸出頻率的變化，將導(dǎo)致電動機的輸出轉(zhuǎn)速變化，二者之間的關(guān)

84、系近似線性。這樣，就起到了調(diào)速的作用。</p><p>　　控制系統(tǒng)工作原理：當(dāng)司機聽到開車信號時，按下啟動按鈕，PLC控制將380V動力電源接入變頻器。再松開液壓制動閘并將主令控制器推到正向（或反向），提升機開始運行。在提升過程中，控制提升機運行的主速度給定S形速度曲線由PLC編程產(chǎn)生，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，由模擬量輸出口輸出，以驅(qū)動變頻器工作；對變頻器輸出頻率的調(diào)整控制，也可根據(jù)現(xiàn)場的工況需要，由操作臺速度控制手柄

85、以輔助給定的方式進(jìn)行控制。旋轉(zhuǎn)編碼器可以檢測主電動機的轉(zhuǎn)速，并將此信號傳送給可編程控制器，PLC通過該信號可以累計計算提升機的速度及行走距離，監(jiān)視器可以時時顯示提升機速度和位置。操作人員通過操作臺向PLC發(fā)送控制提升機運行的控制命令?？刂票O(jiān)視系統(tǒng)通過與PLC的通信，將電動機的所有運行參數(shù)和故障參數(shù)都顯示出來，并對礦車的位置及速度進(jìn)行時時監(jiān)控。為操作人員分析故障、判斷故障和處理提供依據(jù)。</p><p>　　3.3

86、 可編程控制器（PLC）介紹</p><p>　　可編程控制器是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計算機技術(shù)、半導(dǎo)體集成技術(shù)、自動控制技術(shù)、數(shù)字技術(shù)和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展起來的一種通用工業(yè)自動控制裝置。它面向控制過程、面向用戶、適應(yīng)工業(yè)環(huán)境、操作方便、可靠性高，成為現(xiàn)代工業(yè)控制的三大支柱（PLC、機器人和CAD/CAM）之一。PLC控制技術(shù)代表著當(dāng)前程序控制的先進(jìn)水平，PLC裝置已成為自動化系統(tǒng)的基本裝置。</p>

87、<p>　　3.3.1 PLC的基本特點</p><p>　　可編程控制器（PLC）的誕生給工業(yè)控制帶來革命性的飛躍，與傳統(tǒng)的繼電器控制相比有著突出的特點：</p><p>　　(1)靈活性、通用性強</p><p>　　繼電器控制系統(tǒng)如果工藝要求稍有變化，控制電路必須隨之作相應(yīng)的變動，所有布線和控制柜極有可能重新設(shè)計，耗時且費力然而是利用存儲在機內(nèi)的

88、程序?qū)崿F(xiàn)各種控制功能的。因此當(dāng)工藝過程改變時，只需修改程序即可，外部接線改動極小，甚至可以不必改動，其靈活性和通用性是繼電器控制電路無法比擬的。</p><p>　　(2)可靠性高，抗干擾能力強</p><p>　　繼電器控制系統(tǒng)中，由于器件的老化、脫焊、觸點的抖動以及觸點電弧等現(xiàn)象是不可避免的，大大降低了系統(tǒng)的可靠性。而在控制系統(tǒng)中，大量的開關(guān)動作是由無觸點的半導(dǎo)體電路來完成的，加之在硬

89、件和軟件方面都采取了強有力的措施，使產(chǎn)品具有極高的可靠性和抗干擾能力可以直接安裝在工業(yè)現(xiàn)場穩(wěn)定地工作。</p><p>　　PLC在硬件方面采取電磁屏蔽、光電隔離、多級濾波等措施在軟件方面采取警戒時鐘、故障診斷、自動恢復(fù)等措施，并利用后備電池對程序和數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù),因此被稱為“專為適應(yīng)惡劣的工業(yè)環(huán)境而設(shè)計的計算機”。</p><p>　　(3)編程簡單，使用方便</p><

90、;p>　　PLC采用面向過程，面向問題的“自然語言”編程方式，直觀易懂，主要采用梯形圖和語句表編寫程序，使得廣大電氣技術(shù)人員更易接納和理解。同時設(shè)計人員也可根據(jù)自己的喜好和實際應(yīng)用的要求選擇其他編程語言。標(biāo)準(zhǔn)是編程語言的標(biāo)準(zhǔn)，除了梯形圖和語句表之外，還存在順序流程圖、結(jié)構(gòu)化文本和功能塊圖三種編程語言的表達(dá)方式。一個程序的不同部分可用任何一種語言來描述，支持復(fù)雜的順序操作功能處理以及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。</p><p>

91、;　　(4)功能強大，可擴展</p><p>　　PLC的主要功能包括開關(guān)量的邏輯控制、模擬量控制部分還具備控制或模糊控制功能、數(shù)字量智能控制、數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控、通信、聯(lián)網(wǎng)及集散控制等功能。</p><p>　　PLC的功能擴展也極為方便，硬件配置相當(dāng)靈活,根據(jù)控制要求的改變，可以隨時變動特殊功能單元的種類和個數(shù)，再相應(yīng)修改用戶程序就可以達(dá)到變換和增加控制功能的目的。</p>

92、<p>　　3.3.2 PLC的基本結(jié)構(gòu)</p><p>　　PLC實質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計算機相同，如圖3－4所示： </p><p>　　圖3－4 PLC的基本結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　3.3.3 PLC的工作原理</p><p>　　整個掃描過程分為內(nèi)部處理、通信操作、程序輸入處理、程序執(zhí)

93、行、程序輸出幾個階段，全過程掃描一次所需要的時間稱為掃描周期。內(nèi)部處理階段，PLC檢查CPU模塊的硬件是否正常，復(fù)位監(jiān)視定時器等。在通信服務(wù)階段，PLC與一些智能模塊通信、響應(yīng)編程器鍵入的命令、更新編程器的顯示內(nèi)容等。當(dāng)PLC處于停止(STOP)狀態(tài)時，只進(jìn)行內(nèi)部處理和通信操作服務(wù)等內(nèi)容。在PLC處于運行(RUN)狀態(tài)時，從內(nèi)部處理、通信操作、程序輸入、程序執(zhí)行、程序輸出，一直循環(huán)掃描工作。</p><p>&l

94、t;b>　　(1) 輸入處理</b></p><p>　　也叫輸入采樣。在此階段，順序讀入所有輸入端子的通電斷狀態(tài)，并將讀入的信息存入內(nèi)存中所對應(yīng)的映像寄存器。在此輸入映像寄存器被刷新。接著進(jìn)入程序執(zhí)行階段，在程序執(zhí)行時，輸入映像寄存器與外界隔離，即使輸入信號發(fā)生變化，其映象寄存器的內(nèi)容不會發(fā)生改變，只有在下一個掃描周期的輸入處理階段才能被讀入信息。</p><p>&l

95、t;b>　　(2)程序執(zhí)行</b></p><p>　　根據(jù)PLC梯形圖程序掃描原則，按先左右后上下的步序，逐句掃描，執(zhí)行程序。但遇到程序跳轉(zhuǎn)指令時則根據(jù)跳轉(zhuǎn)條件是否滿足決定程序的跳轉(zhuǎn)地址。用戶程序涉及到輸入輸出狀態(tài)時，PLC輸出映像寄存器中讀出上一階段采入的對應(yīng)輸入端子狀態(tài)。根據(jù)用戶程序進(jìn)行邏輯運算，運算結(jié)果再存入有關(guān)器件寄存器中，對每個器件而言，器件映像寄存器中所存的內(nèi)容，會隨著程序執(zhí)行過程

96、而變化。</p><p><b>　　(3) 輸出處理</b></p><p>　　程序執(zhí)行完畢后，將輸出映像寄存器，既器件映像寄存器中的寄存器狀態(tài)。在輸出處理階段轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器，通過隔離電路驅(qū)動功率放大電路，使輸出端子向外界輸出控制信號，驅(qū)動外部負(fù)載。</p><p>　　掃描周期是PLC一個很重要的指標(biāo)，小型PLC的掃描周期一般為十幾毫秒

97、到幾十毫秒。PLC的掃描時間取決于掃描速度和用戶程序的長短，毫秒級的掃描時間對于一般工業(yè)常是可以接受的，PLC的響應(yīng)滯后是允許的。但是對某些I/O快速響應(yīng)的設(shè)備，則應(yīng)采取相應(yīng)的處理措施。如選用高速CPU，提高掃描速度，采用快速響應(yīng)模塊、高速計數(shù)器模塊以及不同的中斷處理等措施減少滯后時間。影響I/O滯后的主要原因有：輸入濾波器的慣性、輸出繼電器接點的慣性、程序執(zhí)行的時間、程序設(shè)計不當(dāng)?shù)母郊佑绊懙取τ脩魜碚f選擇一個PLC，合理的編制程序是

98、縮短響應(yīng)的關(guān)鍵。</p><p>　　3.3.4 可編程控制器的編程語言</p><p>　　PLC是一種工業(yè)控制計算機，不僅有硬件，軟件也必不可少，目前PLC常用的編程語言有四種：梯形圖編程語言，指令語句表語言，功能圖編程語言，高級編程功能語言。</p><p>　　其中梯形圖語言形象直觀，類似電氣控制系統(tǒng)中繼電器控制電路圖，邏輯關(guān)系明顯；指令語句表編程語言雖然不

99、如梯形圖編程語言直觀，但有鍵入方便的特點；功能圖編程語言和高級編程語言需要比較多的硬件設(shè)備，工程當(dāng)中特殊場合下不是經(jīng)常用到。以下重點介紹梯形圖語言編程。</p><p>　　梯形圖語言沿襲了繼電器控制電路的形式，梯形圖編程語言是在電氣控制系統(tǒng)中常用的繼電器，接觸器邏輯控制基礎(chǔ)上簡化了符號演變而來的，形象，直觀、實用，電氣技術(shù)人員容易接受，是目前用的最多的一種PLC編程語言。PLC梯形圖中的繼電器、定時器、計數(shù)器不

100、是物理繼電器，物理定時器和物理計數(shù)器，這些器件實際上是存儲器的存儲器位，又稱軟器件。相應(yīng)為“1”狀態(tài)，表示繼電器線圈通電或者常開接點閉合或者常閉接點斷開。</p><p>　　PLC的梯形圖是形象化的編程語言，梯形圖左右兩端的母線是不接任何電源的。梯形圖中并沒有真實的物理電流流動，而僅僅是概念電流(虛電流)，或者稱假想電流。把PLC梯形圖中左邊母線假想為電源相線，把右邊母線假想為電源地線。假想電流是執(zhí)行用戶程序時

101、滿足輸出執(zhí)行條件的形象理解。PLC梯形圖中每個網(wǎng)絡(luò)有多個梯形組成，每個梯級有一個或者幾個支路組成。</p><p><b>　　3.4 變頻器介紹</b></p><p>　　變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。我們現(xiàn)在使用的變頻器主要采用交－直－交方式（VVVF變頻或矢量控制變頻），先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然

102、后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲能和緩沖無功功率。</p><p>　　3.4.1 變頻調(diào)速基本原理</p><p>　　異步電機的VVVF調(diào)速系統(tǒng)一般簡稱變頻調(diào)速系統(tǒng)。由于在變頻調(diào)速時轉(zhuǎn)

103、差功率不變，在各種異步電機調(diào)速系統(tǒng)中效率較高，同時性能也最好，故是交流調(diào)速的主要發(fā)展方向。</p><p>　　交流調(diào)速系統(tǒng)的控制量最基本上是轉(zhuǎn)矩、速度、位置，根據(jù)不同的用途適當(dāng)組合可構(gòu)成各種閉環(huán)系統(tǒng)。</p><p>　　異步電動機定子對稱的三相繞組中通入對稱的三相交流電，在電機氣隙內(nèi)會產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，其旋轉(zhuǎn)速度為同步轉(zhuǎn)速：</p><p><b>　

104、　式(3－1)</b></p><p>　　式中f1－定子繞組電源頻率；</p><p><b>　　P－電機磁極對數(shù)。</b></p><p><b>　　異步電動機轉(zhuǎn)差率：</b></p><p><b>　　式(3－2)</b></p><

105、p><b>　　式(3－3)</b></p><p>　　由上式可知，異步電動機調(diào)速方法有如下幾種：</p><p>　　變同步轉(zhuǎn)速n0：變極p、變頻f1。</p><p>　　變轉(zhuǎn)差率s：定子調(diào)壓、轉(zhuǎn)子串電阻、電磁轉(zhuǎn)差離合器、串極調(diào)速。</p><p>　　由電機學(xué)可知，轉(zhuǎn)差功率：</p><

106、p><b>　　式(3－4)</b></p><p>　　式中Pem－電磁功率；</p><p>　　PCu2－轉(zhuǎn)子銅耗。</p><p>　　由式3－4可知，變頻調(diào)速與變極調(diào)速為轉(zhuǎn)差功率不變型不論其轉(zhuǎn)速高低，轉(zhuǎn)差功率消耗基本不變，因此調(diào)速效率為最高。</p><p>　　在變頻調(diào)速領(lǐng)域，異步電機的控制方式多種多樣

107、，但從轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)性和過渡特性來看，變頻調(diào)速的控制方式分為以下幾種：</p><p><b>　　(1)V壓控制</b></p><p>　　V壓控制是交流電機最簡單的一種控制方法，通過控制過程中始終保持V用為常數(shù)，來保證轉(zhuǎn)子磁通的恒定。然而V壓控制是一種開環(huán)的控制方式，速度動態(tài)特性較差，電機轉(zhuǎn)矩利用率低，控制參數(shù)(如加/減速度等)還需要根據(jù)負(fù)載的不同來進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，

108、特別是低速時由于定子電阻和逆變器等器件開關(guān)延時的存在，系統(tǒng)可能會發(fā)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。這種控制方式多用于調(diào)速精度不高的場所。</p><p><b>　　(2)轉(zhuǎn)差頻率控制</b></p><p>　　轉(zhuǎn)差頻率控制是檢測異步電動機的轉(zhuǎn)速，對轉(zhuǎn)差頻率采取閉環(huán)控制。與V用控制相比，調(diào)速精度要求較高，且系統(tǒng)容易穩(wěn)定，即能在寬廣的調(diào)速范圍內(nèi)，將電動機的轉(zhuǎn)矩、功率因數(shù)及效率控制在最佳