基于PLC的矿井提升机变频调速控制系统的设计

摘要

矿井提升机是矿山最重要的设备，肩负着矿石、物料、人员等的运输责任。传统的矿井提升机控制系统主要采用继电器一接触器进行控制，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。

本文针对提升机控制系统中存在的上述问题，把可编程序控制器和变频器应用于提升机控制系统上，并在可行性方面进行了较深入的研究。

论文根据矿用提升机的运行特性要求，对变频器和PLC 进行选型，并对系统的软、硬件进行设计，其中包括检测模块、控制模块、保护模块、显示模块和抗干扰模块的设计，最后进行系统集成和调试。

运行表明，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。

关键词：PLC，矿用提升机，变频调速

I

河南城建学院本科毕业设计（论文） Abstract

Abstract

The shaft hoist is the foremost equipment of mines，it is widely used to transport the materials，staff and equipment．The traditional shaft 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 system has many disadvantages such as bad reliability，complicated operation，high fault rate，large energy-wasting and low efficiency．So，carrying on the research on the shaft hoist control system has realistic meanings，and it is a subject for research by relevant experts and scholars’ both at home and abroad too.

To these questions existing in the shaft hoist control system，the paper applied PLC(Programmable Logic Controller)and frequency converter to the system，and have carried on deeper research in feasibility.

Paper based on the operation of mining properties hoist requirements，the selection of frequency converter and PLC，and the system software and hardware design. Including the detection module，control module，protect module，display module and anti-jamming module design，the final system integration and debug.

The tuning indicates，adopting this control system. the shaft hoist works reliably，easy to use，energy-saving well，and have dynamical shown function．

Key Words：PLC(Programmable Logical Controller)，shaft hoist，frequency

conversion

II

河南城建学院本科毕业设计（论文） 目录

目录

摘要 ................................................................................................................................... I Abstract ............................................................................................................................ II 1 绪论 .............................................................................................................................. 1 1.1 设计来源 .............................................................................................................. 1 1.2 国内外提升机发展状况 ...................................................................................... 1 1.3 设计内容及意义 .................................................................................................. 2

1.3.1 设计内容 ...................................................................................................... 2 1.3.2 设计意义 ...................................................................................................... 3 2 基于PLC的矿井提升机变频调速系统 ..................................................................... 4 2.1 PLC简介 ............................................................................................................... 4 2.2 变频调速 .............................................................................................................. 5

2.2.1 变频调速的基本原理 .................................................................................. 5 2.2.2 变频器 .......................................................................................................... 6 2.2.3 矿井提升机 .................................................................................................. 8 2.2 总体设计 .............................................................................................................. 9 3 矿井提升机变频调速系统硬件设计 ........................................................................ 13 3.1 矿井提升机及电机的选型 ................................................................................ 13

3.1.1 箕斗的选定 ................................................................................................ 13 3.1.2 预选提升电机 ............................................................................................ 13 3.1.3 参数计算 .................................................................................................... 14 3.1.4 电机容量校核 ............................................................................................ 17 3.2 变频器的选型 .................................................................................................... 18 3.3 PLC的选型 ......................................................................................................... 23

3.3.1 I/O点统计 .................................................................................................. 23 3.3.2 PLC的选型 ................................................................................................ 25 3.3.3 PLC外围电气控制 .................................................................................... 27 4 矿井提升机变频调速系统软件设计 ........................................................................ 30 4.1 程序设计 ............................................................................................................ 30 4.2 系统抗干扰措施 ................................................................................................ 33

4.2.1 变频器的干扰及其防止 ............................................................................ 33 4.2.2 PLC的抗干扰 ............................................................................................ 33

III

河南城建学院本科毕业设计（论文） 目录

总结 ................................................................................................................................ 35 参考文献 ........................................................................................................................ 37 致谢 ................................................................................................................................ 38 附录A 系统总原理图 .................................................................................................. 39 附录B 程序（部分） .................................................................................................. 40

IV

河南城建学院本科毕业设计（论文） 1 绪论

1 绪论

1.1 设计来源

矿井提升机是机、电、液一体化的大型机械，广泛用于煤炭、金属、化工等矿山的竖井、斜井中，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设备，素有矿井“咽喉”之称。矿井提升机的电力传动特性复杂，拖动电动机频繁正反转，经常处于过负荷运转和电动、制动不断地转换的状态中。

对矿井提升机来说，运行的安全性、可靠性是至关重要的，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。矿井提升机运行的安全可靠不仅涉及到井下工作人员的生命安全，而且还直接影响整个矿井的生产能力和经济效益。因此，研制并制造即安全可靠又经济高效的矿井提升机是煤矿安全生产的一项重要课题。

近年来，我国有关部门矿井在提升机安全方面做了大量工作，使矿井提升机的安全可靠性有了长足进步，并将“可靠性系统工程”的理念引入了矿井提升机领域。与之相适应，矿井提升机对其电控系统安全可靠性的要求也愈来愈高。因此，在设计矿井提升机调速控制系统时，总是把安全性、可靠性放在首要位置。

从上世纪80年代开始，随着计算机技术和电力电子技术的发展，PLC（可编程控制器）和变频器在提升机调速控制系统中逐步得到采用。PLC具有可靠性高、抗干扰力能强、实现继电逻辑容易，基本免于维护等独特优点；变频器调速具有优异的调速性能、平稳的起制动性能、比较高的工作效率/功率因数、明显的节能效果；从而使得矿井提升机调速控制系统的安全性、可靠性得到了很大的提高。

假设某煤矿设计年产量An=60万t，采用一对立井开发，主井已知数据： ①提升工作制度为每年工作日Bn=300天，每日工作小时数Tr14h； ②单水平提升，井筒深度Hs450m；

③箕斗卸载高度Hx16m，装载高度Hz18m； ④松散煤的密度为0.92t/m3；

⑤一套箕斗提升设备，采用双筒单绳缠绕式提升机。

根据此煤矿的实际情况，并广泛调查国内外矿井提升机调速控制系统的发展状况设计出适合该煤矿的安全可靠、效率高、经济的提升机调速控制系统。

1.2 国内外提升机发展状况

近几十年来，国外矿井提升机的机械部分和电气部分都得到了飞速的发展。

1

河南城建学院本科毕业设计（论文） 1 绪论

其中交流绕线型异步电动机拖动方式是矿井提升机电力拖动发展的第一阶段，大体在20世纪50年代至60年代初，采用的是“异步电机+转子串电阻加速+高压接触器换向+动力制动（或低频拖动减速）+继电器控制”方式。同时期使用的还有发电机-电动机直流拖动方式，其一般采用“发电机-电动机机组+继电器控制”的方式。

自20世纪60年代初到70年代，在近20年的时间里，伴随着电力电子技术的飞速发展，晶闸管整流装置供电的直流拖动系统得到了迅速发展和普及。为了获得可逆运行特性以实现四象限调速，系统通常采取两种电气控制方案：一种是电枢可逆自动调速方案，通过改变直流电动机的电枢电压的极性，改变提升机运行方向；另一种是磁场可逆自动调速方案，通过改变直流电动机励磁电流方向，来改变提升机的运行方向。不论采取哪种方案，调速方法一般以调压为主，调磁为辅。

20世纪80年代初期，开始采用交-交变频器供电的交流拖动方式。1982年，世界上第1台利用交-交变频器供电的同步电动机拖动的矿井提升机在西德问世并投入使用，一举获得了巨大成功，从此，矿井提升机的电力拖动进入了交流变频拖动阶段。

在提升机机械和电气传动技术飞速发展的同时，计算机技术的飞速发展，使矿井提升机的电气控制系统更是日新月异。早在上世纪七十年代，国外就将PLC应用于矿井提升机的控制。上世纪八十年代初，计算机又被用于提升机的监视和管理。计算机和PLC的应用，使矿井提升机的自动化水平、安全性、可靠性都达到了一个新的高度，并提供了现代化的管理、监视手段，同时期在国外一些著名的矿井提升机制造公司，如西门子、ABB、ALSTHOM都利用新的技术和装备，开发或完善了矿井提升机的安全保护和监控装置，使安全保护性能又有了新的提高。

就在国外科学提升机控制技术突飞猛进发展的同时，我国的提升机电控系统一直都处于落后的状态。直到目前为止，我国正在服务的矿井提升机电控系统还是在转子回路串电阻分段控制的交流绕线式电机继电器接触器系统。这种系统设备陈旧、技术落后、安全性、可靠性较差，在关键部位——上下两井口减速区段都没有配套的有效的速度监视装置，和国外相比，我们存在很大的差距。

1.3 设计内容及意义

1.3.1 设计内容

本文以某煤矿主立井提升机调速控制系统为工业背景，在已经非常成熟但调速方法比较落后的交流拖动技术基础上，通过基于PLC的变频控制技术在矿井提升机行程、速度和制动控制中的应用，阐述了新型矿井提升机调速控制系统的设计与应用情况。

2

河南城建学院本科毕业设计（论文） 1 绪论

本设计的主要工作有：

①矿井提升机调速控制系统的设计； ②调速控制系统硬器件的选型； ③调速控制系统软件部分的设计； ④对所设计的系统进行分析。

1.3.2 设计意义

目前国内提升机的调速控制系统绝大多数还是在电机转子回路串入电阻分段控制的交流绕线式电机继电器接触器系统。这种控制方式设备陈旧、技术落后，存在着很多的问题：

①在转子回路串接电阻，消耗大量电能，造成能源浪费。

②电阻分级切换，为有级调速，设备运行不平稳，容易引起电气及机械冲击。 ③继电器、接触器频繁动作，电弧烧蚀触点，影响接触器使用寿命，维修成本较高。

④系统的安全性、可靠性不高，容易发生事故。 ⑤电动机依靠转子电阻获得的低速，其运行特性较软。

⑥提升容器通过给定的减速点时，由于负载的不同，而将得到不同的减速度，不能达到稳定的低速爬行，最后导致停车位置不准，不能正常装卸载。

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、安全性、经济性和高效性得到提高。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。

本设计从解决实际矿井提升机调速控制系统的问题出发，控制单元采用目前工控适用的PLC来控制；电力拖动系统中，选用先进的变频传动装置；优化了矿井提升机调速控制系统的性能。甩掉了原电控调速用的交流接触器及调速阻，提高了系统的可靠性，改善了操作人员的工作环境，使噪音及室温降低了很多；调速连续方便，分段预置频率，能根据负荷情况连续平滑调节转速，无机械冲击现象；实现了低频低压的软起动和软停止，使停车运行更加平稳；启动及加速过程冲击电流小，可以实现提矿井升机在重载下从低速平稳无级平滑地升至最高速。目前，这一控制方法为现代交流调速中比较先进的调速控制方式之一。

安全、可靠、经济、高效的矿井提升机调速控制系统设计是本设计的追求目标。

3

河南城建学院本科毕业设计（论文） 2 基于PLC的矿井提升机变频调速系统

2 基于PLC的矿井提升机变频调速系统

2.1 PLC简介

自1969年第一台PLC问世以来，历经40余年的发展，PLC已经成为一种最重要、最普及、应用场合最多的工业控制器，可以说只有PLC才是真正的工业控制计算机。初期PLC只是用于逻辑控制的场合，用于代替继电器控制盘，但是现在PLC已经进入包括过程控制、位置控制等场合的所有控制领域。现在PLC继续保留了原来逻辑控制器的所有优点，同时它吸收了其它控制设备(如过程仪表、计算机、集散系统、分散系统等)的优点，在许多控制场合只需PLC即可构成包括逻辑控制、工程控制、数据采集及控制、图形工作站的经济合算、体积小巧、设计调试方便的综合控制系统。

PLC是一种数字运算操作的电子系统，PLC及有关外部设备都按易于与工业控制系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计，并通过数字式或输入输出控制各类型的机械或生产过程。它的基本功能有：逻辑控制功能、定时控制功能、计数控制功能、步进控制功能、数据处理功能、过程控制功能、通信联网功能、监控功能、停电记忆功能、故障诊断功能。PLC主要有处理器（CPU）、存储器（RAM、EPROM）、I/O口、电源、扩展接口和编程器接口等几部分组成，其结构框图如图2.1所示。

图2.1 PLC结构框图

PLC作为“蓝领计算机”是面向用户的专用控制计算机，有着其它工业控制设

4

河南城建学院本科毕业设计（论文） 2 基于PLC的矿井提升机变频调速系统

备很难具备的特性：

①高可靠性，抗干扰能力强

PLC是专为工业控制而设计的，选用的电子器件一般是工业级的，适用于恶劣的工业环境。在硬件和软件方面还采用了屏蔽、滤波、光电隔离、故障诊断和自动恢复等措施。到目前为止没有任何一种工业控制设备可以达到PLC的可靠性。平均无故障时间已达到2万小时以上，随着器件水平的提高，PLC的可靠性还在继续提高。

②编程方便，易于使用

PLC采用与实际电路接线图非常接近的梯形图，这种图形编程方式形象直观、易懂易编。具有一定电工知识的人员都可以在短时间内学会，使用起来得心应手。

③与其他装置配置联接方便、维护简单

PLC是通过程序实现控制的。当控制要求发生改变时，只要修改程序即可。PLC的接口原则是使外部接线、电平转换尽量少。

1）对于开关量，输入可以是无源出点开关量或集电极开路晶体管输出；输出有继电器、晶闸管、晶体管等各种不同的形式，可直接接各种不同类型的接触器、电磁阀等。

2）对于模拟量，只要模拟信号电平在一定的范围内(通常为±10V或±20mA)， 就可以按要求自由设置转换特性，而不需另加电平转换。另外还有运用热电偶直接输入的A/D转换器等，此时就连放大器、冷端补偿也不需要。

3）对于各种显示、音响输出更是以最方便的形式提供接口，大量的问题都在PLC内部解决了。

4）对于数据通讯，只需同轴电缆和普通RS232或RS422接口即可，不必由用户来考虑波特率及通讯规程等具体问题。

2.2 变频调速

2.2.1 变频调速的基本原理

在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

60f1 n0

p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

sn0n n05

河南城建学院本科毕业设计（论文） 2 基于PLC的矿井提升机变频调速系统

则异步电动机转速

nn0(1s)60f1(1s) p由上式可知，异步电动机调速方法有如下几种 ①变同步转速n0： 变极p、变频f1。

②变转差率s： 定子调压、转子串电阻、电磁转差离合器、串级调速。 有电机学可知，转差功率：

PssPemPCu2

式中 Pem——电磁功率，PCu2——转子铜耗。

由上式可知，变频调速与变极调速为转差功率不变型，不论其转速高低，转差功率消耗基本不变。在交流异步电动机的诸多调速方法中，变频调速以其优异的调速性能、平稳的起制动性能、比较高的工作效率/功率因数、明显的节能效果和广泛的适用范围被国内外公认为最有发展前途的调速方式。变频调速是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。随着电力电子技术和计算机控制技术的飞速发展，交流变频调速技术的发展也十分迅速。电动机交流变频调速技术是当今节能、改善工艺流程和改善工作环境的一种重要手段。

2.2.2 变频器

变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器。变频器就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，能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因素、过流/过压/过载保护等功能。

变频器系统结构示意图，如图2.2所示

图2.2 高压变频调速系统结构图

变频器主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器主要由整流器、平波电路、逆变器、控制电路四大部分组成，整流器将工频电源

6

河南城建学院本科毕业设计（论文） 2 基于PLC的矿井提升机变频调速系统

变为直流电，平波电路吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动，逆变器将直流电变换为工作所需的交流电，控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。

交流电动机变频调速控制技术大体经历了以下几个发展阶段： ①U/F=C的正弦脉宽调制(SPWM)控制方式

其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。

②电压空间矢量(SVPWM)控制方式

它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。

③矢量控制(VC)方式

矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流

Ia、Ib、Ic通过三相－二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1、Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1(Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流)，然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。

7

河南城建学院本科毕业设计（论文） 2 基于PLC的矿井提升机变频调速系统

④直接转矩控制(DTC)方式

1985年，德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制变频技术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前，该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。 直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机等效为直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。

⑤矩阵式交-交控制方式

矩阵式交-交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为1，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。该技术目前虽尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深入研究。其实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来实现的。

2.2.3 矿井提升机

矿井提升设备的主要组成部分是：提升容器、提升钢丝绳、提升机（包括拖动系统）、 井架（或井塔）、天轮、导向轮及装卸载设备等。

由于井筒条件（竖井或斜井）及选用的提升容器和提升机类型的不同，可组成各有特点的矿井提升系统。常见的提升系统有：竖井单绳缠绕式箕斗提升系统、竖井单绳缠绕式罐笼提升系统、竖井多绳摩擦式箕斗提升系统、竖井多绳摩擦式罐笼提升系统、斜井箕斗提升系统、斜井串车提升系统。矿井提升机是一个完整的机械-电气系统，其主要由以下几部分组成。

①工作机构

主要是指主轴装置和主轴承等，主轴装置由主轴、卷筒、滚动轴承、支轮、制动轮、调绳离合器等组成。

②制动系统

液压制动系统装置包括制动器和液压传动装置，是提升机不可缺少的重要组成部分之一，也是最后一道安全保障装置。制动装置的可靠性直接关系到提升机的安全运行。 提升机制动器的功能就是刹住提升机卷筒，使提升机停止运行。

③机械传动系统

机械传动系统，机械传动系统包括减速器和联轴器。减速器的作用是减速和传递动力，联轴器是用来联接提升机的旋转部分，并传递动力。

8

河南城建学院本科毕业设计（论文） 2 基于PLC的矿井提升机变频调速系统

④润滑系统

润滑系统是在提升运行过程中，不间断地向轴承及啮合齿面压送润滑油，以保证轴承和齿轮的正常工作。润滑系统必须与自动保护系统和电动机联锁，即润滑系统失灵时，主电动机断电，确保机器的正常工作。

⑤观测和操纵系统

观测和操纵系统包括斜面操纵台，深度指示器以及测速发电机。深度指示器的作用是显示提升容器的运行位置，容器接近井口卸载位置和井底停车场时，发出减速和制动信号。

⑥拖动控制和自动保护系统

拖动控制和自动保护系统包括拖动电动机、变频器、PLC电气控制系统和自动保护系统。矿井提升机自动保护系统的作用是：在司机不参与的情况下，发生故障时能自动将主电动机断开并同时进行安全制动从而实现对系统的保护。

单绳缠绕式提升机箕斗提升系统如图2.3所示。

图2.3 立井双箕斗提升机系统图

2.2 总体设计

提升机控制系统方案的选用应满足生产工艺的要求，即满足各种可能出现的运行速度图和力图。所以需要先来分析提升机电控系统的静、动态特性。

9

河南城建学院本科毕业设计（论文） 2 基于PLC的矿井提升机变频调速系统

提升机的电气传动系统的给定速度vf(t)如图2.4所示，根据动力学方程式

TdTeTlTn 375式中Te——电动机电动力矩； Tl——传动系统的静阻力矩；

Tn——传动系统的飞轮惯量； Td——传动系统的动态转矩；

——加速度。

可以按给定速度图得出所需转矩Tef(t)的特性，从而得到拖动系统所需的力Ff(t)，如图2.4所示。

图2.4提升机传动系统给定速度图、力图

提升机的负载静力FL，决定于提升机辊筒承受的静张力差，在双箕斗的平衡

提升系统中，力FL也就是提升物体的净载重。由于提升系统的负载为位势负载，

10

河南城建学院本科毕业设计（论文） 2 基于PLC的矿井提升机变频调速系统

所以静力FL的作用方向始终是提升重物的重力方向，而与系统的运动状态和方向无关。因此在电动机不带电时，为了使重的箕斗处于静止状态（便于箕斗的装卸载），对辊筒必须施加机械闸。

从图2.4可以看出，要使提升机按照给定的速度图运行，电动力矩Te可能为正，也可能为负。这意味着电动机不仅要工作在电动状态，还应能工作在制动状态。由于不同的负载，不同的提升机运行阶段，电动机的运行状态也各不相同。

要使提升机按给定速度图运行，电气传动系统应能根据负载的变化而自动的工作在电动或制动状态，也就是说要求电气传动系统能满足四象限运行。

综合以上矿井提升机的运行特点以及矿山生产固有的特点，提升机工艺对提升机电控系统的要求如下：

①加（减）速度符合国家有关安全生产规程的规定。提升降物料时，加速度a1.2m/s2。另外不得超过提升机的减速器所允许的动力矩。

②具有良好的调速性能。要求速度平稳，调速方便，调速范围大，能满足各种运行方式及提升阶段（如加速、减速、等速、爬行等）稳定运行的要求。

③有较好的起动性能。必须能重载启动，有较高的过载能力。

④特性曲线要硬。保证负载变化时，提升速度基本上不受影响（当然，当负载超过一定的限度时，还要求系统能有效的自我保护，迅速安全制动停车）。

⑤工作方式转换容易。能够方便的进行半自动、手动、验绳、调绳等工作方式的转换，操作方便，控制灵活。

⑥尽量采用新技术和节能设备。实现自动化控制和提高整个系统的工作效率，具备必要的连锁和安全保护环节，确保系统安全运行。

矿井提升机变频调速控制系统结构框图如图2.5所示。

主电源 PLC 变频器 液压站 操 作 台 编码器 M 减速器 卷筒 图2.5 提升机调速控制系统结构框图

矿井提升机变频调速控制系统主要有：操作台、PLC、变频器、旋转编码器、传感器、减速器、液压站等组成。提升机工作时有操作台发出工作信号，PLC根据

11

河南城建学院本科毕业设计（论文） 2 基于PLC的矿井提升机变频调速系统

预先设置好的程序发出运行指令控制变频器，电动机开始工作，并拖动矿井提升机运行。制动时由PLC发出制动信号，液压站工作，闸住提升机。

系统预计达到可较高的安全可靠性，控制柜之间、控制柜与操作台之间、提升机电控和信号及提升调度之间的信号连接采用快速电缆插头及总线通信方式，简化了设备之间的连接，提高了信号传输的可靠性。在操作台设计上尽量采用原来的操作模式，使操作人员可以不需长时间适应即可熟练操作。

系统具有优良的动、静态特性，发挥矢量控制的良好性能，实现真正意义上的无级调速。起动及加速换挡时冲击电流很小，减轻了对电网的冲击，简化了操作，降低人的劳动强度。设备的体积小、重量轻、占地面积小、安装维修方便，操作简单，维护工作量小，工作效率高，节电效果明显，噪音小。

12

河南城建学院本科毕业设计（论文） 3矿井提升机变频调速系统硬件设计

3 矿井提升机变频调速系统硬件设计

3.1 矿井提升机及电机的选型

3.1.1 箕斗的选定

①提升高度

HHsHzHx4501816484m

②经济提升速度

vm0.4H0.44848.8m/s

③一提升循环估算时间

vH8.8484Txm202086s

avm0.88.8初估加速度a0.8m/s2

④每小时提升次数

36003600ns41.86

Tx86⑤每小时提升量

AnCCf601041.151.20As197t/h

bntr30014 取提升不平衡系数C1.15,提升能力富裕系数Cf1.20。 ⑥一次合理提升量 A197 QS4.7t

ns41.86考虑为以后矿井生产能力的加大留有余地，选择名义装载重量为60kN的箕斗，其主要技术规格如下：

N；全高Hr9450mm；有效容积V6.6m3；容器间中心距自重Qz50000S1870mm；实际载重量Q0.92106.660kN。

根据《煤矿安全规程》规定，考虑到实际的提升速度低于8m/s，取过卷高度

Hg8m，天轮直径Dt3.5m，确定井架高度。

D3.5HjHxHrHg0.75t169.4580.7534.76m

223.1.2 预选提升电机

13

河南城建学院本科毕业设计（论文） 3矿井提升机变频调速系统硬件设计

①确定电机额定转数

ne60ivm6011.58.6552r/min Dt3.143.5考虑到箕斗容积选用较大，故预定同步转数nt500r/min。 ②预选电机功率

由nt可估定电机额定转数ne492r/min，则实际最大提升速度 Dne3.143.5492vm7.84m/s

60i6011.5则电动机功率

PeKQvm1.15600007.841.27kW

1000j10000.85取矿井阻力系数K1.15，减速器传动效率j0.85，动力系数1.2。 根据以上计算，选择YR-800-12/1430绕线型异步电动机，其主要技术规格如下：额定功率Pe800kW，额定电压UN6kW，额定转数ne492r/min，电动机效率d0.915，过载能力2.67，飞轮惯量GD214660Nm2。

③电动机额定拖动力Fe

Fe1000Pejvm10008000.8586735N

7.843.1.3 参数计算

①提升系统变位质量计算 1)电动机转子变位质量

GD2i21466011.52md()()16310kg

gd9.813.52)提升机（包括减速器）变位质量

mj3)天轮变位质量

Gjg29700030280kg 9.81mt2Gt2113302310kg g9.814)钢丝绳变位质量

14

河南城建学院本科毕业设计（论文） 3矿井提升机变频调速系统硬件设计

2p(HcLx307D)g257.17(50044.053073.143.5)

9.817535kgms5)容器变位质量

mr2Qz25000010190kg g9.816)荷载变位质量

mgQ60006116kg g9.81则

mmQmjmtmsmrmg72561kg

②运动学参数计算 1)主加速度a1的确定 按电动机过负荷能力

a1 0.75Fe(KQpH)m0.752.6786735(1.156000057.17484)

725611.06m/s2取钢丝绳重p57.17N/m 按减速器允许最大输出动扭矩

2Mnm2300000(1.156000057.17484)(KQpH)3.5a1D1.32m/s2

7256116310mmd根据以上结果，为减轻动荷载，提高机械部分和电动机运行的可靠性，a1的取值应该留有余量，固本设计取a10.8m/s2。

2)减速度a3的确定

为了控制方便和节能，首先考虑自由滑行方式减速。当a3偏大（小）时，再考虑电动（机械制动）方式减速。

按自由滑行方式确定

15

河南城建学院本科毕业设计（论文） 3矿井提升机变频调速系统硬件设计

a3KQpHm1.156000057.174840.57m/s2

72561自由滑行方式a3偏低，故应该考虑机械制动方式。

a3KQpH0.3Qm1.156000057.174840.3600000.817m/s2

72561由此确定a30.8m/s2。 3)初加速度

2v01.52a00.48m/s2

2hx22.35取箕斗脱离卸载曲轨时的速度v01.5m/s，卸载曲轨长度hx2.35m。 4)初加速时间

t0v01.53.12s a00.485)主加速时间

t1vmv07.841.57.93s a10.8vmv07.841.5t17.9337m 226)主加速行程

h17)减速时间

t3vmv47.840.59.18s a30.8vmv47.840.5t39.1838.28m 228)减速行程

h39)爬行时间

t4h436s v40.5式中取爬行距离h43m，爬行速度v40.5m/s2。 10)等速行程

h2Hhxh1h3h44842.353738.283403.37m

11)等速时间

16

河南城建学院本科毕业设计（论文） 3矿井提升机变频调速系统硬件设计

t2h2403.3751.45s vm7.84箕斗卸载休止时间由表中查得6t箕斗的8s。 12)一次提升循环时间

Txt0t1t2t3t43.127.9351.459.186885.68s 13)提升能力校核，实际年提升能力

An3600bntrQ360030014692.07万t/年

CTx1.1585.68④动力学参数计算 1)初加速开始

F0'KQpHma01.156000057.17725610.48131500N 2)初加速终了

F0''F0'2phx131500257.172.35131200N 3)主加速开始

F1'F0''m(a1a0)13120072561(0.80.48)154400N 4)主加速终了

F1''F1'2pH15440257.1737150200N 5)等速开始

F2'F1''ma1150200725610.892200N 减速阶段采用了机械制动，电动机已经断电，故不计入。 6)爬行开始

F4'KQp(H2h4)1.156000057.17(48423)41700N 7)爬行终了

F4''KQpH1.156000057.1748441300N

3.1.4 电机容量校核

①等效时间计算

17

河南城建学院本科毕业设计（论文） 3矿井提升机变频调速系统硬件设计

Td11(t0t1t2t3t4)t2211(3.127.939.186)51.458 2367.23s②等效力Fd

F0'F0''F1'F1''F2'F2'F2''F2''F4'F4''2t2t40Fdt2t02t1225.0321011N2ST22222222

FdT0F2dtTd5.032101186520N

67.23③电动机等效功率

PdFdvm865207.84790kw800kW

1000j10000.85④工作过负荷校验

Fm1544001.780.750.752.672.0 Fe86735⑤特殊过负荷（调节绳长时）

Ft(QzpH)1.1(5000057.17484)85437N Ft854370.9850.90.92.672.4 Fe86735根据以上校验结果可知，预选的电机能满要求，可以用。

3.2 变频器的选型

矿井提升机构平均起动转矩一般来说可为额定力矩值的1.3-1.6倍。考虑到电源电压波动因素及需通过125%超载试验要求等因素，其最大转距必须有1.8-2倍的负载力矩值，以确保其安全使用的要求。等额变频器仅能提供小于150%的超载力矩值，为此可通过提高交频器容量或同时提高变频器和电机容量来获得200%的力矩值。此时变频器容量为

1.5PCNCgvKKpP

cos1000cos式中cos——电机功率因数，

18

河南城建学院本科毕业设计（论文） 3矿井提升机变频调速系统硬件设计

P——提升额定负载所需功率，kW

M——电机效率

PCN——变频器容量，kVA

K——系数，K2

提升机构变频器容量依据负载功率计算，并考虑2倍的安全力矩。若用在电机额定功率选定的基础上提高一挡的方法选择变频器的容量，则可能会造成不必要的放容损失。在变频器功率选定的基础上再作电流验证，公式如下：

ICNIM

式中ICN——变频器额定电流，IM电动机额定电流。

根据以上各种因素，本设计选用山东新风光JD-BP37-T系列高压提升机专用变频器。JD-BP37/38系列高压提升机变频调速系统，以高可靠性、易操作、高性能为设计目标，满足用户对于异步交流电动机类机械调速节能、改善生产工艺的迫切需要，本调速系统适配各种通用三相异步电机。JD-BP37-T变频器外观图如图3.1所示。

图3.1JD-BP37-T变频器

JD-BP37系列高压提升机变频调速系统采用新型IGBT功率器件，全数字化微机控制。具有能量回馈和矢量控制功能，可用于带载启动、转速和转矩波动范围大，需要能量回馈、或频繁加减速或正反转的负载场合，如矿井提升、轧机、卷扬机、球磨机、搅拌机、皮带传输机等场合。

JD-BP37系列高压提升机变频器主要特点：

19

河南城建学院本科毕业设计（论文） 3矿井提升机变频调速系统硬件设计

①高压主回路与控制器之间为多路光纤连接，安全可靠；

②全中文WINDOWS操作界面，彩色液晶触摸屏，安装、设定、调试简便，功率电路模块化设计，维护简单；

③高-高电压源型变频器，直接6KV/10KV输入，直接6KV/10KV输出，不需要输出变压器；

④可满足电动机的四象限工作要求；

⑤输入功率因数高，电流谐波少，无须功率因数补偿/谐波抑制装置； ⑥输出阶梯SPWM波形，无须输出滤波装置，对电缆、电机绝缘无损害，谐波少，减少轴承、减速器等的机械振动；

⑦内置PLC，易于改变控制逻辑关系，适应多变的现场需要； ⑧自带冷却风机，完善的变频器参数设定功能，优异的性能/价格比。 ⑨具备RS485通讯接口，标准Modbus/Profibus 等通信规约，可实现远程监视，可接受和输出0～5V/4～20mA工业标准信号；

⑩完整的故障监测电路、精确的故障定位和报警保护。 JD-BP37-7变频器技术规范如表3.1所示

表3.1 JD-BP37-T产品技术规范（6kV）

适用电机功率（KW） 额 定 输 出 输 入 基 本 性 能 200KW-2000KW（以4极电机为标准，6-12极电机按电流选型） 额定功率（KW） 电机额定电压的额定功率：200KW-2000KW 额定电流（A） 过载能力 电机额定电压的额定电流（A） <150%连续，200%一分钟 额定电压（KV） 三相：0-6KV/10KV 波形 SPWM正弦波 相数、频率、电压 三相，50HZ，6KV/10KV 允许波动 启动频率 精度 分辨率 效率 功率因数 电压：±10% 频率：±5% 1HZ 模拟设定：最高频率设定值的0.3%（25±10℃）以下 模拟设定：最高频率设定值的二千分之一 >96%，额定输出时 >0.95 根据负载转矩调整到最佳值 8—999S，对加速、减速时间可以根据负载情况单独设定 采用最优化的电压闭环控制，系统的响应的速度快，精度高，稳定性好，PID参数免调试 转矩提升 控 制 加、减速时间 自整定 20

河南城建学院本科毕业设计（论文） 3矿井提升机变频调速系统硬件设计 控 制 高压隔离 控制电源输入 制动方式 运 转 运转操作 频率设定 运转状态输出 显示 LCD显示 保护功能 电磁耦合，多通道光纤传输 220V AC 回馈制动，交流制动 远距离外控操作 模拟信号（DC0—5V或DC4—20mA）设定 继电器状态输出，变频器到达某些特征值时给出指示 输入/出电压、输入/出电流、设定值、各单元故障状态等 电机过电流、单元过电流、过压、欠压、过热、失速、外部报警 环 境 环境温度/湿度 振动 贮存温度 冷却方式 外科防护等级 外型尺寸(mm) 重量(Kg) 使用场所 室内，海拔1000米以下，没有腐蚀或导电性气体、灰尘、直射阳光 -10—40℃/20—90%RH 不结露 5.9m/s2（0.6g以下） -20—65℃（适用运输等短时间的保存） 强迫风冷 IP21 5000×2320×1200（W*H*D） 约5000 回馈制动：

回馈制动采用的是有源逆变技术，将再生电能逆变为与电网同频率同相位的交流电回送到电网，从而实现制动。要实现回馈制动，就必须要将回馈电能进行同频同相控制、回馈电流控制等条件，才能将回馈电能安全送达电网中。

在变频调速系统中，电动机的降速和停机，是通过逐渐减小频率来实现的。提升机减速制动时，在频率刚减小的瞬间，电动机的同步转速随之下降，而由于机械惯性的原因，电动机的转子转速未变，这时会出现实际转速大于给定转速，从而产生电动机反电动势高于变频器直流端电压的情况，这时电动机就变成发电机，非但不消耗电网电能，反而可以通过变频器专用型能量回馈单元向电网送电，这样既有良好的制动效果，又将动能转变化为电能，向电网送电而达到回收能量的效果。 交流制动：

本提升机专用变频器，交流制动对提升系统的安全运行起到重要作用，当重车在中间停车时，检测到停机信号后给控制器发出信号，让提升机由高速平滑地降到低速，待PLC检测到机械制动起作用的信号后，PLC发出信号让控制器去掉交

21

河南城建学院本科毕业设计（论文） 3矿井提升机变频调速系统硬件设计

流制动信号，使提升机靠机械抱闸装置起作用。启动时，先对提升机施加一交流制动信号，建立启动力矩，待检测到机械抱闸信号后发出信号给控制器去掉交流制动信号，然后由控制器加上启动电压让提升机开始转动。变频器接线图如图3.2所示。

图3.2 变频器接线图

变频器参数设定界面如图3.3所示。

图3.3 变频器参数设定界面

22

河南城建学院本科毕业设计（论文） 3矿井提升机变频调速系统硬件设计

3.3 PLC的选型

3.3.1 I/O点统计

在设计时需统计I/O的总量，包括开关量和模拟量，以确定选用PLC的模块数量以及型号。另外，在矿井提升机电控系统中，由于系统本身的特点，决定了系统对精度要求并不是特别高，对于响应时间的要求也并不高，达到毫秒级就可以。在满足基本要求的前提下，PLC选型主要从经济性、适应性、可扩展性及网络通讯性能等方面综合考虑，PLC的输入点统计如表3.2所示。

表3.2 PLC的输入点统计

编号 信号内容 点数 开关量输入信号 1 2 3 4 5 6 7 8 提升信号 主令按钮1 主令按钮2 主令按钮3 制动按钮 制动按钮 调绳转换开关 过卷复位开关 （上/无/下） 9 10 11 维修开关 手动开车 半自动开车 2 1 1 1 1 1 1 1 1 2 3 引自打点信号机 控制提升机零位停车 控制提升机正向运行 控制提升机反向运行 紧闸 松闸 切换调绳和调闸状态。 用来复位过卷故障，同时锁定提升机只允许反向开车 用作检修开车或应急故障下开车 完全由司机手动启停和进行速度控制 手动选择方向．而后由系统自动按照设计的曲线图完成提升 12 13 14 15 16 17 18 19 20 故障复位 深度清零 闸控 主电源失压 变频器故障 离合器离开开关 松绳开关 上、下减速点开关 井筒上、下过卷开关 1 1 1 1 1 1 1 2 2 用做提升机故障排除后，软件故障复位 用做在井上卸车位置，深度校正 引自变频器上的闸控信号 引自电源柜中的变频主接触器常开点 引自变频器上的故障输出 引自辊筒调绳离合器 引自机械松绳开关 23

备注 河南城建学院本科毕业设计（论文） 3矿井提升机变频调速系统硬件设计 21 22 26 上、下限位开关 上、下校正开关 闸瓦磨损 2 2 1 闸瓦磨损和弹簧疲劳开关串联引入 旋转编码器信号 27 轴编码器 1 安装在电机主轴上 模拟量输入信号 28 29 制动手柄 主令手柄 1 1 0-10V 10V 据表4.2统计，输入信号有31个开关输入量，1个旋转编码器信号，2个模拟量信号。开关信号通过信号分配板转接，送入PLC。

PLC输出点统计如表3.3所示。

表3.3 PLC的输出点统计

编号 信号内容 点数 开关量输出 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 16 17 深度速仪表输出 变频器正转输出 变频器反转输出 变频器多段速1 变频器多段速2 变频器多段速3 变频器多段速4 变频器多段速5 故障报警 等速段超速指示 减速段超速指示 爬行段超速指示 液压站制动 上过卷指示 上过卷指示 4 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 模拟量输出 14 15 变频给定量 制动手柄给定 4—24m 0-10V 显示深度和速度 控制变频器正转 控制变频器反转 备注 据表4.3统计，输出信号有,18个信号，2个模拟量信号。

24

河南城建学院本科毕业设计（论文） 3矿井提升机变频调速系统硬件设计

3.3.2 PLC的选型

通过系统综合考虑，本系统选择三菱FX2N-80MR型PLC。本型号PLC基本单元的输入点和输出点均为40点，再选用1块模拟量输入模块和1模拟量输出模块，即可满足要求。

FX2N系列PLC经济、小巧，从功能上完全满足本系统的使用要求，其内置高速计数器，可满足系统轴编码器采样的高速计数要求，而不需增加额外成本。而且，AC电源、DC输入型的内装DC24V电源可作为传感器的辅助电源。基本单元采用易于维修的装卸端子台。标准型内装8K步有备用电池的RAM存储器。

另外，若采用可选的存储卡盒，最大可扩展到16K步。关于存储器的类型，可以选用RAM、EEPROM和EPROM。FX2N内含计时功能，可以进行时间控制。PC使用A7PHP/A7HGP、A6GPP/A6PHP相对应的编程软件，可以在RUN时改变程序。通过设定参数可以确保编程存储器内元件的注释区域。

此外还有具有利用可输入汉字的外围设备给程序加汉字注释的显示功能。为防止顺控程序被写入或盗用，可以对程序存储器设定3级保护。具有丰富的输入输出扩展设备：继电器输出、三段双向可控硅开关元件输出、晶体管输出；丰富的特殊扩展设备：模拟输入输出设备、温度传感器输入、热电偶输入设备、1轴定位设备、双轴（内插）定位设备、脉冲输出设备、高速计数器、并联连接、NELSCLNET/MINI-S3连接设备、RS485通信设备、RS232通信设备、ID机器连接设备、模拟量模块等。FX2N系列PLC外观如图3.3所示。

图3.3 FX2N系列PLC外观图

FX2N系列PLC是FX家族中比较先进的类型。FX2N系列具有如下优点： ①最大范围的包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为提升机的自动化控制提供最大的灵活性和控制能力。

25

河南城建学院本科毕业设计（论文） 3矿井提升机变频调速系统硬件设计

②灵活的配置 除了具有满足特殊要求的大量特殊功能模块外，六个基本FX2N单元中的每一个单元可扩充到256个I/O口。控制点数从16至256点。

③高速运算 基本指令：0.08s/指令；应用指令：1.52至几百s/指令 ④突出的寄存器容量 FX2N系列包括8K步内置RAM寄存器，用一个寄存器盒可扩充到16K步RAM或EEPROM。

⑤丰富的元件资源 3072点辅助继电器、256点计时器、235点计数器和8000点数据寄存器。

FX2N系列PLC的技术指标如表3.4、3.5所示

表3.4 FX2N系列PLC的一般技术指标

环境温度 使用温度0—55℃，存储温度-20—70℃，使用湿度35%-%RH（无凝露） 抗冲击性能 JISC0912标准,10G，3轴方向各3次 防震性能 JISC0911标准，10-50Hz，0.5mm（最大2G）,3轴方向各2次（但用DIN导轨安装时为0.5G） 抗噪声能力 用噪声模拟器产生电压为1000V（峰-峰值）、脉宽1s、30-100Hz的噪声 绝缘耐压 绝缘电阻 接地电阻 使用环境 AC1500V,1min（接地端与其他端子间） 5M以上（DC500V兆欧表测量，接地端与其他端子间） 第三种接地，如接地有困难，可以不接 无腐蚀性气体，无尘埃 表3.5 FX2N系列PLC基本单元的输入/输出特性 名称 输入信号电压 输入信号电流 DC输入 DC(242.4)V DC24V，7mA(X010以后DC24V，5mA) 输入ON电流 >4.5mA(X010以后DC24V，3.5mA) <4.5mA(X010以后DC24V， 2A/1点 动作指示 继电器线圈通电时灯亮 名称 内部电源 电路绝缘 继电器输出 最大AC250V或DC30V 机械绝缘 输入OFF电流 3.5mA) 最大电阻负载 8A/4点公共用 8A/8点公共用 输入响应时间 10ms（X000-X017可在20-60ms内转换，但最小50s） 最大感性负载 80V·A 26

河南城建学院本科毕业设计（论文） 3矿井提升机变频调速系统硬件设计 输入信号形式 与电压触点，或NPN集电极开路输出晶体管 输入电路绝缘 输入动作表示 光耦合绝缘 输入连接时LED灯亮 最小负载 输出响应时间 DC5V，2mA参考值 10ms 最大灯负载 100W 注：以上指标都是比较保守的，实测结果远远高出以上标准。

3.3.3 PLC外围电气控制

①电源回路

电源部分采用双回路供电模式，电源柜主要是给变频柜和动力柜供电，同时用来进行过流保护和电压、电流测量。并且将操作台中的主电源上电开关串入变频柜送电断路器的失压脱扣线圈中，用来实现紧急停车。动力柜主要是给油泵、风机和操作台供电，同时具有断相、缺相、过流保护和电机过热保护。操作台采用UPS电源供电。

②手柄控制

在操作台上安装有手柄（主令手柄、制动手柄），类似于旧型设备的操作手柄，操作方便简单，使司机不需长时间培训及适应便可熟练操作。

主令手柄采用手柄输出±10V迸行无级变频调速，在输出模拟量的同时，在手柄相应的操纵角度上加上光电开关触点，可以输入开关信号到变频器上的速段控制接入口，达到控制。如在起始5o。触发一个继电器，继电器输入信号给第一速段控制口激活第一速段，只需在变频器上设置相应的速度即可，同时可设置后一个开关的触发角度如20o。，既可激活第二速段，电机既可运行在第二速段。

制动手柄采用手柄输出0-10V信号进行制动控制，在输出模拟量的同时，在手柄相应的操纵角度上加上光电开关触点，可以输出紧闸和松闸的开关信号到PLC上控制施闸。模拟量输入到PLC的模拟量数入模块，同时输出到端子。在正常情况下，由PLC的模拟量数出来确定给制动装置给定；在应急状态下，或者PLC出现故障时还可以直接将给定量送入制动装置，完成制动。

③安全回路

安全回路用于防止和避免提升机发生意外故障。硬安全回路通过硬件回路实现，无论PLC单元是否正常工作，一旦出现重度故障信号，硬安全回路马上断开。本系统安全回路采用两个接触器并联使用，以提高系统的安全性能，在安全回路中串有很多保护触头，当提升机发生故障时，故障对应的保护触头动作，ACI和AC2断电，系统会立即解除运行控制指令，封锁变频器、制动油泵，断开安全阀，进行紧急安全制动。

如图3.4所示，安全回路包含多种保护触点。

27

河南城建学院本科毕业设计（论文） 3矿井提升机变频调速系统硬件设计

图3.4 安全回路

只有安全回路始终保持接通状态，矿井提升机才能正常工作。一旦主电失压安全回路就会断开，实施安全制动。矿井提升机机械闸装有闸瓦磨损开关，当闸瓦磨损到一定程度或弹簧疲劳到一定程度时，安全回路断开，进行安全制动。过卷是指提升容器在停车位置没有停止运行，超过了停车位置的现象。发生这种现象时，过卷开关动作，使安全回路断开，实现安全制动。矿井提升机在运行过程中若发生松绳现象，很容易发生断绳事故。当发生松绳现象时，经过短暂调节后，若没有消除松绳现象，安全回路断开，进行安全制动。

PLC的I/O接线图如图3.5所示。

28

河南城建学院本科毕业设计（论文） 3矿井提升机变频调速系统硬件设计

图3.5 PLC的 I/O接线图

29

河南城建学院本科毕业设计（论文） 4 矿井提升机变频调速系统软件设计

4 矿井提升机变频调速系统软件设计

4.1 程序设计

提升机速度的给定方式有两种：一种是给定速度为时间的函数vf(t)；另一种是给定速度为行程的函数vf(s)。

为了提高提升机运行速度控制的精度，在速度给定电路中增加了加速变化率环节，即不但要加速度，而且还要加速度的变化率。为了提升机运行的安全可靠，采用行程给定和时间给定串级连接。在速度图中不出现折线，实现S形速度给定曲线。

PLC软件的主要功能是对提升机的启动、加速、减速、停车等过程控制、信号采集、逻辑处理。PLC软件设计采用模块化结构，程序编制采用梯形图。PLC软件结构的设计是根据提升机工艺和控制要求，将控制任务和过程分解为许多子过程和子任务。再对各个子过程和子任务进行模块设计、功能说明，形成一个模块化的程序结构。

由于提升机控制工艺比较复杂，本程序采用主子程序模块化顺序结构进行编程，程序中的内存地址可分成：参数设定、故障存储、运行数据存储、中间量这几部分，系统各种子程序均由主循环程序调用执行，按事先输入的控制程序实现自动控制，系统编程灵活，修改程序方便，仅需修改子程序梯形图程序就可改变控制功能，便于现场维护管理，使提升机运行安全性和可靠性得到了大幅度提高。

提升机的控制程序流程图如图4.1所示。程序由一个主程序和几个子程序嵌套组成，分别介绍如下：

30

河南城建学院本科毕业设计（论文） 4 矿井提升机变频调速系统软件设计

开始 程序初始化 自检 正常? Y初始位置检测完成？ N故障处理 N进入初始状态 YN开车？ Y运行 Y松绳？ N超速？ NY安全回路 安全回路 同步校正 N同步？ Y停车？ Y过卷？ N结束 NY安全回路

图4.1 控制程序流程图

31

河南城建学院本科毕业设计（论文） 4 矿井提升机变频调速系统软件设计

①控制子程序

系统根据提升信号、工作手柄以及所选择的工作方式，驱动变频器实现提升操作，完成对提升机的启动、加速、等速、减速、停止等运行过程的转矩和频率控制。

程序设置有半自动运行、手动运行、检修运行、应急运行等四种运行方式。在正常情况下可采用半自动或手动运行；检修运行时系统自动给定一个检修速度(0.3m/s)低速运行：当故障时，在系统保护停机后，故障被确认但不能立即排除，此时可采用应急运行方式，应急运行速度不超过0.5m/s。

②深度、速度检测子程序

速度、深度检测采用光电旋转编码器双线输入。利用高速计数模块对编码器信号计数，其中一路编码器信号用于行程速度保护，一路用于显示与监测。两套编码器的数据在程序中不断进行比较，当比较结果发生不一致时，程序会发出故障安全制动指令。

③模拟量采集子程序

对外部模拟量（电压、电流）信号进行模数转换。用于显示和控制。主要有电机电流、电机电压、制动油压等。对所采集数据在程序内部进行比较分析，发现故障时会发出故障处理指令。

④保护设置子程序

对各种保护点（减速点开关、过卷开关、终点开关等）除在外部设置硬接点外，在程序中也设置软开关进行双重保护。在程序中设置的保护如下：

过卷保护，当提升容器超出正常停车位置0.5m时，过卷保护动作，实现安全制动。

等速段超速、减速段超速、爬行段超速保护。程序中设置各种运行方式下的速度保护包络线，对各种情况的超速全程监控，任何超速均会断开安全回路，实现安全制动。

自动减速功能，当提升容器到达减速位置时，系统发出警示铃声并开始减速。 变频故障保护，程序不断监测变频器运行状态，当发现变频故障时，自动断电并实现安全制动。

松绳保护，程序不断监测松绳开关状态，当发现松绳故障时，断开安全回路，实现安全制动。，

溜车保护功能，当提升机无运行指令而有运行速度时，系统自动断开安全回路，实现安全制动。

润滑油过压/欠压、润滑油超温、闸瓦磨损、制动油超温保护功能。这类故障发生在运行中，则允许本次提升完成，但不允许下次开车。开车前出现这类故障，

32

河南城建学院本科毕业设计（论文） 4 矿井提升机变频调速系统软件设计

则不允许再开车。

错向保护功能，程序判断提升信号方向与开车方向不一致时，不允许开车。 故障处理子程序。程序进行故障处理时，分为以下几种情况：立即安全制动故障、完成本次提井的故障、工作制动失效时的故障处理。

4.2 系统抗干扰措施

4.2.1 变频器的干扰及其防止

在变频器的输入和输出电路中，除了较低次的谐波外，还有许多频率很高的谐波电流，这些高次谐波电流除了增加输入侧的无功功率、降低功率因数外，频率较高的谐波电流将以各种方式把自己的能量传播出去，形成对其他设备的干扰信号，严重的甚至使某些设备无法正常工作。

干扰信号的传播方式主要有：电路传导方式、感应耦合方式和空中辐射方式。 根据干扰信号的产生原因和传播方式，可以有针对性的采用不同的抗干扰措施。主要措施有：合理布线、削弱干扰源、对线路进行屏蔽、隔离干扰信号和准确接地。

4.2.2 PLC的抗干扰

PLC的主要应用场合是工业现场，工作环境中各种干扰对系统设备的正常运行存在着严重的影响。所以在本系统中也不例外，有必要考虑系统的抗干扰措施。

抗干扰的主要措施有：

①数据采集采用屏蔽电缆，所有屏蔽电缆层汇线接地，多芯电缆中的备用芯线也要一端接地，这样可扩大屏蔽作用，并抑制芯线间干扰。必要时可采用带有屏蔽层的输入和输出信号电缆。

②信号回路汇线接，输入信号电缆、输出信号电缆和电力电缆都要分开敷设，不能扎在一起，信号电缆接线端子均安装在柜体下侧。

③所有机柜、操作台等均需保护接地，台柜内需有的PLC直流地、机壳安全地、电缆屏蔽地接地端子，与结构内部未接地电路板在电气上隔离。电源柜、动力柜、交频柜进线方式均为：下进下出。

④引至PLC柜的电缆要尽量远离那些会产生电磁干扰的装置。

⑤同一电平等级的信号才能用一条多芯电缆传输。因此对数字信号和模拟信号，在任何情况下，都必须分开电缆迸行传输。低电平信号线应与其它信号线分开。尽量缩短模拟量加信号线的长度，并采用双芯屏蔽线作为信号线。

⑥保证PLC柜良好的通风环境，在设备现场，要充分考虑周围环境的影响，尽量不要将PLC安装在多尘、有油烟、有导电灰尘、有腐蚀性气体、振动、热源

33

河南城建学院本科毕业设计（论文） 4 矿井提升机变频调速系统软件设计

或潮湿的地方。

⑦采用标准化软件程序可以提高运行的可靠性；故障诊断软件定期的检测外界环境，以便及时进行处。

34

河南城建学院本科毕业设计（论文） 总结

总结

经过近一个多月的设计研究工作，通过在图书馆、互联网查阅相关资料，不仅加深了对矿井提升机运行过程及其调速控制系统的认识，而且熟悉了PLC和变频器的运用。通过本次设计提高了自身的学习能力和动手的能力，而且原来所学的知识有了系统化、理论化、实用化。对如何使用已有知识及获取相关资料方面的能力也有了提高。本次设计基本达到了预定的设计目的。

本文主要为矿井提升机设计一套PLC控制的变频调速控制系统，设备包括系统操作台、变频柜、电源柜、动力柜及PLC柜，实现提升机速度的可调节，以节约能源和适应生产的需要。根据要求，此系统能达到现场的运行状况、运行数据都可以在司机控制室掌握，用户在控制室可以通过操作台或人机界面来设置提升机的运行频率、启动和停止电机，并且各环节故障信息可以在操作台或人机界面上反映出来，以用来提示用户。

采用变频器实现提升机的调速运行，结合PLC的强大功能，实现在司机控制室对提升机的控制运行及参数调节，克服了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。变频调速系统在提升机控制中显示出其控制性能优良、操作简便、运行效率高、维护工作量小等诸多优点，是矿用提升机传动的发展方向。在使用过程中实现了软起动、软停车，减少了机械冲击，使运行更加平稳可靠；该系统四象限运行，可实现提升机的调速、换向、能量回馈制动等功能，适应范围广，节能效果更加明显。

采用PLC来控制提升机的整个工作过程，实现电机的启、停、制动阀的开关，数值的转换、速度的检测等。 总结本文的主要工作有以下几点：

①根据提升机的运行特点，矿用提升机控制系统采用PLC控制的变频调速系统，该系统主要由PLC控制系统、变频调速系统等组成。

②PLC系统采用三菱公司产品，能控制起提升机的运行方向和速度换档；提升机的升、降以及速度、深度监测；同时能检测系统故障现象并进行显示，减少了硬件和控制线，极大提高了系统的稳定性，可靠性。

实际运行表明，采用该控制系统，使矿井提升机工作安全可靠，使用方便，同时具有动态显示的功能，节能效果好。

实现方案的同时还发现很多的不足：

①由于知识水平的，本设计方案还不太成熟，离实际的应用还有一定的

35

河南城建学院本科毕业设计（论文） 总结

距离。在今后的研究中可以加入先进的控制算法比如模糊控制，在软件中为提升机的启动和停止设置特定的运行曲线，使设计更完善。

②为提高系统的硬件设计水平，促进整机性能的提高，降低成本。需要不断关注相关的电力电子、变频器、PLC等领域的新技术、新发展，选择更先进的、使用方便、工作可靠，并且性价比更高的元器件。

③加强研究提升机的通信功能，从而可以建立企业内部局域网，通过这个网络可以对提升机进行远程监控、维护；通过远程数据交换，还可以实现全矿远程监控。

36

河南城建学院本科毕业设计（论文） 参考文献

参考文献

[1] 张燕宾.变频调速应用实践[M].北京：机械工业出版社，2001

[2] 李金金.基于PLC控制的变频调速在矿井提升机中的应用[D].太原：太原理工大学，2007

[3] 张燕宾，李鹤轩.电动机变频调速图解[M].北京：中国电力出版社，2003 [4] 孔玉蓉，周法孔.矿井提升设备[M].北京：煤炭工业出版社，1995 [5] 任国雄，任致程.特种变频器使用手册[M].北京：中国电力出版社，2006 [6] 王万丽，郝庆文，臧永福.三菱系列PLC原理及应用[M].北京：人民邮电出版社，2009

[7] 艾国.基于PLC矿井提升机变频控制系统的应用[D].西安：西安科技大学 [8] 新风光高压提升机变频调速系统安装使用及维护手册.山东新风光电子科技发展有限公司资料

[9] 《矿井提升机故障处理和技术改造》编委会.矿井提升机故障处理和技术改造

[M].北京：机械工业出版社，2005 [10] 张娟.矿井提升机电控系统的发展[J].冶金自动化，2006年增刊(S2) [11] 彭增良.PLC与变频器连接注意事项[J] .电工技术，2003年8期

[12] Beus．M．J．，Ruff．T．M．，Iverson．S．etc．Mine—shaft nconveyance monitoring． Colorado：Mining Engineering Oct．2000

[13] C．Schautier．Adaptive speed identification for induction motors without rotational transducer．IEEE Trans．v01．28．1992

[14]李自亮，宫文斌.PLC在矿井提升机变频调速控制系统中的应用[R].天津：中国自动化学会,中国电工技术学会，2007

[15] Barkand T．D．Safe electrical design of mine elevator control systems，Industry Appl ications Conference，1995，Thirtieth IAS Annual Meeting，IAS’95，Conference Record of the 1995 IEEE，v01．3，Oct．1995：2041-2047

[16]生产监督管理总局，国家煤矿安全监察局.煤矿安全规程[M].北京：煤炭工业出版社，2011

[17]程子华.PLC原理与编程实例分析[M].北京：国防工业出版社，2007

37

河南城建学院本科毕业设计（论文） 致谢

致谢

本文得以顺利完成，首先要归功于我的导师李小敏老师的悉心指导和严格要求。她严谨务实的学术作风和孜孜不倦的治学精神激励并培养了我实事求是、认真踏实的学习态度，并使我懂得了作为科学工作者应具备的品德和修养。从论文的选题到具体的研究内容和方法，直至论文每一个细节的推敲，始终严谨地指导着我。导师治学严谨、知识渊博，她对待工作勤勉认真，对待学生循循善诱、诲人不倦，她的教诲使我受益终生。

感谢论文主审和答辩委员会的全体成员，他们辛勤的工作和诚恳的建议使得本文更加完善。

38

河南城建学院本科毕业设计（论文） 附录A

附录A 系统总原理图

39

河南城建学院本科毕业设计（论文） 附录B

附录B 程序（部分）

轴编码器子程序

40

河南城建学院本科毕业设计（论文） 附录B

41

河南城建学院本科毕业设计（论文） 附录B 控制子程序

42

河南城建学院本科毕业设计（论文） 附录B

43