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基于PLC的矿井提升机变频调速控制系统设计摘 要本文主要设计了矿井提升机的变频调速系统以及PLC控制系统。通过对矿井提升机调速系统要求的分析，说明了采用变频调速的重要性。在对各种变频调速方法的分析比较后，选择采用交流变频调速，然后选择变频器的类型，并按调速系统要求设计了变频器的外部电路。通过对其电控系统各类故障处理的要求，选择采用可编程控制器（PLC），并对可编程控制器进行选型。考虑到实际生产中可能出现的问题，合理的设计可编程控制器（PLC）的外部电路，并在此基础上对可编程控制器（PLC）程序做出初步的设计方案，为了保证可编程控制器（PLC）的可靠工作，将其系统抗干扰措施也设计在内。本文只是初步理论设计，并未应用于实践，在应用于实践前必须对其进行实践验证。关键词：矿井提升机，变频调速，变频器，PLCMine hoister based on PLC variable frequency speed control system designABSTRACTThis article mainly design of mine hoist the variable frequency speed control system and PLC control system. Based on the mine hoist control system requirements analysis, illustrates the importance of using variable frequency speed regulation. In a variety of frequency conversion speed regulation method of analysis and comparison, selection using AC frequency converter, and then select the types of frequency converters, and according to the speed control system is designed the external circuit of frequency converter. The electric control system of various fault handling requirements, selection by using the programmable controller (PLC), and the programmable controller type. Considering the practical production problems that may arise, the rational design of programmable controller (PLC) of the external circuit, and based on the programmable controller (PLC) program to make the preliminary design, to ensure that the programmable controller (PLC) for the reliable operation of the system, the anti interference measures are designed. This paper is only a preliminary theoretical design, is not applied in practice, applied in practice before it must be verified in practice.KEY WORDS: Mine hoist, Variable frequency speed regulation, Frequency converter, PLC目录前言1第1章 矿井提升机31.1矿井提升机概述31.2国外矿井提升机的发展41.3国内矿井提升机的发展6第2章 矿井提升机调速控制系统设计82.1 提升机电气控制系统要求及组成82.2变频调速基本原理122.3 变频调速在提升机电控上的应用142.4 交-直-交PWM变频器主回路简介162.5变频器的选择172.5.1 变频器的选型182.5.2变频器容量的选择182.5.3 变频器外部电路设计19第3章 PLC硬件设计223.1 PLC简介223.2 PLC的选型233.3 PLC的I/O分配233.4 PLC的硬件接线图26第4章 PLC软件设计274.1 PLC软件概述274.2 程序设计284.2.1软件结构284.2.2 软件部分设计284.3 PLC系统抗干扰措施31结论33谢 辞34参考文献35附录36外文资料翻译37前言矿井提升机是各种厂矿生产的重要设备。提升机的安全、可靠、有效、高速运行，直接关系到企业的生产状况和经济效益。矿井提升系统具有环节多、控制复杂、运行速度快、惯性质量大、运行特性复杂的特点，且工作状况经常交替转换。虽然矿井提升系统本身有一些安全保护措施，但是由于现场使用环境条件恶劣，造成了各种机械零件和电气元件的功能失效，以及操作者的人为过失和对行程监测研究的局限性，使得现有保护未能达到预期的效果，致使提升系统的事故至今仍未能消除。因此提升机调速控制系统的研究一直是社会各届人士共同关注的一个重大课题。电气控制方式在很大程度上决定了提升机能否实现平稳、安全、可靠地起制动运行，避免了严重的机械磨损，防止较大的机械冲击，减少机械部分维修的工作量，延长提升机械的使用寿命。随着矿井提升系统自动化，改善提统的性能，以及提高提升设备的提升能力等的要求，对电气传动方式提出了更高的要求。对矿井提升机电气传动系统的要求是：有良好的调速性能，调速精度高，四象限运行，能快速进行正、反转运行，动态响应速度快，有准确的制动和定位功能，可靠性要求高等。目前，我国地下矿山矿井提升机的电气传动系统主要有：晶闸管变流器直流电动机传动控制系统和同步电动机矢量控制交-交变频传动控制系统。这两种系统大都采用数字控制方式实现控制系统的自动化运行，效率高，有准确的制动和定位功能，运行可靠性高，但造价昂贵。对于中、小型提升机，则多采用交流绕线式电动机转子切换电阻调速的交流电气传动系统。这种电气传动系统设备简单，但属于有级调速，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加减速控制，经常会造成过放或过卷事故。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，另外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。将变频调速技术应用于矿井提升机是矿井提升机电气传动系统的发展方向。随着变频调速技术的发展，交-直-交电压型变频调速技术已开始在矿井提升机改造中应用。变频器的调速控制可以实现提升机的恒加速和恒减速控制，消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。本文将变频器与可编程控制器（PLC）综合应用在矿井提升机上不仅使调速性能增强，同时也使得系统工作的可靠性得到了提高。 第1章 矿井提升机1.1 矿井提升机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、化工等矿山的矿井，是生产运输的主要工具。在生产中提升机担负着提升下放材料、升降人员和设备的任务，是联系井上与井下的唯一途径。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。矿井提升机是联系矿井井下和地面的工作机械。用钢丝绳带动容器在井筒中升降，完成运输任务。按工作方式分类如下：1. 缠绕式提升机：缠绕式提升机的主要部件有主轴、卷筒、主轴承、调绳离合器、减速器、深度指示器和制动器等。 （1）单绳缠绕式提升机：根据卷筒数目可分为单卷筒和双卷筒两种：a单卷筒提升机，一般作单钩提升。钢丝绳的一端固定在卷筒上，另一端绕过天轮与提升容器相连；卷筒转动时，钢丝绳向卷筒上缠绕或放出，带动提升容器升降；b双卷筒提升机，作双钩提升。两根钢丝绳各固定在一个卷筒上,分别从卷筒上、下方引出,卷筒转动时，一个提升容器上升，另一个容器下降。缠绕式提升机按卷筒的外形又分为等直径提升机和变直径提升机两种。等直径卷筒的结构简单，制造容易，价格低，得到普遍应用。深井提升时，由于两侧钢丝绳长度变化大，力矩很不平衡。 （2）多绳缠绕式提升机：提升机在超深井运行中，尾绳悬垂长度变化大，提升钢丝绳承受很大交变应力，影响钢丝绳寿命；尾绳在井筒中还易扭转，妨碍工作。2. 摩擦式提升机多绳摩擦式提升机具有安全性高、钢丝绳直径细、主导轮直径小、设备重量轻、耗电少、价格便宜等优点，发展很快。多绳摩擦式提升机的主要部件有主轴、主导轮、主轴承、车槽装置、减速器、 深度指示器、制动装置及导向轮等。3. 内装式提升机AEG公司生产的内装式提升机，将提升主电机与滚筒合为一体，即转子固定，转动的定子充当滚筒，使机构大为简化，占地面积小，制造成本低。1.2 国外矿井提升机的发展矿井提升机作为矿井运输系统的主要运行形式之一，最早起源于英国、美国、德国等一些采煤技术发达的国家，五十年代已经大规模服务于煤炭生产行业。随着科学技术的发展，矿井提升调速系统也在不断完善，归结起来矿井提升机调速系统可简单的分为以下几种：(1) 绕线转子异步电动机转子回路串金属电阻调速系统电动机转速调节是靠改变转子回路串联的附加电阻来实现的。该系统调速方法简单，曾被广泛使用。它是有级调速，并且调速时能耗很大，属转子功率消耗型调速。由于其调速性能差、运行效率低、运行状态的切换死区大及调速不平滑等缺点，这种调速方法已逐渐被淘汰。(2) 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。如德国、瑞典等国家己有90%以上采用直流提升机，传动系统大都采用低速直联式(省去减速机)，使系统大为简化。如AEG公司采用低速直联的SCR-D系统，电机功率3000kw，额定转速55.8r/min，滚筒直径6.5m，提人速度17m/s，提物速度20m/s，提升高度1200m，具有完善的保护系统；采用磁场反并联，有平波电抗器及卧式深度发送装置；采用积分给定与行程给定相结合的双重给定信号；主回路采用两组三相桥组成12脉动顺抗整流，大大提高了功率因数。SIEMENS(西门子)公司、ABB公司、CEOELEC公司以及ASEA公司等都有相同类型的产品，其性能大同小异。此类系统的优点在于:体积小，重量轻，占地面积小，安装方便，建筑费用低；无减速器，总效率高，电能消耗少；维护工作量小，备件少，处理事故快；单机容量大，适用范围广；调速平滑，精度高；易于实现最佳控制和自动化，安全可靠；节电显著，是矿井节电的有效途径。其缺点在于:功率因数低，如三相桥平均功率因数只有0.45左右；无功冲击大，高次谐波对电网影响大。这些缺点可采用顺序控制和多脉冲整流的方法以及在电网上加谐波滤波器等措施使其抑制在一定的允许范围内。(3) 交流变频调速同步机驱动提升系统这种拖动系统主要有如下优点：a 提升容量几乎不受限制，最大可达l0000kw，提升速度可达20m/s以上，提升高度1200m以上，滚筒直径达6.5m，这是直流系统难以达到的；b 没有整流子和碳刷这一薄弱环节，保证了电机的可靠运行和降低了运行消耗；c 功率因数高，可达到0.91；d 动态品质好，系统可在四象限平滑过渡和无级调速；e 由于机械特性好，故起动转矩大；f 同步机的价格和有色金属的消耗低于直流机；g 调速范围宽。这种拖动系统的缺点是：a 必须有专用的变频电源；b 在恒转矩调速时，低速段电机的过载倍数有所降低；c 高次谐波对电网有影响，需在电网上加滤波器等补偿措施加以缓解。(4) 微机控制在提升机上的应用随着微机技术的发展，微机控制技术已逐步应用于矿井提升机中。目前，国外已经达到相当成熟的阶段，使整个拖动控制产生一次重大的变革。其应用主要体现在以下几方面：a. 提升工艺过程微机控制在交流变频装置中，提升工艺过程大都采用微机控制。由于微机功能强，使用灵活，运算速度快，监视显示易于实现，并具有诊断功能，这是采用模拟控制无法实现的。b. 提升行程控制提升机的控制从本质上说是一个位置控制，要保证提升到预定地点准确停车，要求准确度高。采用微机控制，可通过采集各种传感信号，如转角脉冲变换、钢丝绳打滑、井筒位置、滚筒及钢丝绳磨损等信号进行处理，计算出准确的位置而施以控制和保护。c. 提升过程监视由于近代提升机控制系统的设计特别强调安全可靠性，所以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：a 提升过程中各工况参数(如速度、电流)监视；b 各主要设备运行状态监视；c 各传感器信号的监视。其目的在于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贮、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。d. 安全回路安全回路旨在出现机械、电气故障时控制提升机进入安全保护状态。为确保人员和设备的安全，对不同故障一般采用不同的处理方法，大致分为以下四种情况：a 报警显示，如冷却器温度过高等；b 二次不能开车，如电机绕组过热、制动油过热等；c 立即进行电气制动，如停车终点设备出现故障应尽快停下来；d 立即进行安全制动，如过卷、超速等。e. 制动系统的控制与监视制动控制系统除要可靠地完成工作制动和安全制动外，还要完成对液压站的控制以及各环节参数的监视，其技术要求与安全回路相似。f. 全数字化调速控制系统全数字化系统具有硬件结构单一，参数稳定且调整方便，可方便地与上位机联网等优点。当然此类系统要求维护人员有更高的技术水平和计算机知识。1.3 国内矿井提升机的发展目前，我国矿井提升机90以上是采用单机容量在1000KW以下传统的交流异步电机拖动，采用转子串电阻调速，由继电器一接触器构成逻辑控制装置。其中多半为电动机-发电机组(M-G机组)供电，采用晶闸管整流传动(SCR-M)的只占一部分。传统的交流拖动系统的显著缺点是：调速性能差，调速时能量要大量消耗在电阻上，给定方式落后，控制精度低，安全保护和监测环节不完善，安全可靠性差，维护工作量大，而且运行不经济。国内提升机行程控制的水平还较低，速度给定环节以时间给定和机械式行程给定为主，以计算机为核心的矿井提升机行程监控和保护的研究还处于尝试阶段。对于我国的矿井提升机，实现高精度行程控制和制动控制系统安全可靠是一个急待解决的课题。总体来说，我国近十多年来关于提升机计算机控制系统的研究发展迅速，采用了先进的控制设备和控制策略，无论在驱动方式上还是在控制技术上都取得了很大进展，积累了大量的经验，取得了很大成绩。第2章 矿井提升机调速控制系统设计2.1 提升机电气控制系统要求及组成提升机控制系统方案的选用应满足生产工艺的要求速度图。所以需要先来分析提升机电控系统的静、动态特性。提升机电气传动系统的给定速度u=f(t)如图2-1所示，根据动力学方程式: Td=Te-Ti= Tn *e/375 (2-1)式中 Te-电动机电动力矩；Ti-传动系统的静阻转矩；Tn-传动系统的飞轮力矩，Tn=4gJ，其中J为转动惯量(·)，g为重力加速度，Td-传动系统的动态转矩,e-加速度。可以得出按给定速度图所需转矩Te=f(t)的特性，从而可以得到拖动系统所需的力F=f(t)，提升机传动系统给定速度图、力图如图2-1所示。图a图b图c图d图2-1 提升机传动系统给定速度图、力图提升机的负载静力FL决定于提升机滚筒承受的静张力差，在双罐笼的平衡提升系统中，静力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，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，为了使重的罐笼处于静止状态(便于罐笼的装卸载)，对滚筒必须施加机械闸。从图2-1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。 综合以上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。提升人员时，加速度a0.75m/s2，升降物料时，加速度a1.2m/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(加速、减速、等速、爬行等) 。 (3) 有较好的起动性能。提升机不同于其他机械稳定运行的要求。不可能待系统运转后再装加物料，因此，必须能重载启动，有较高的过载能力。 (4) 特性曲线要硬。要保证负载变化时，提升速度基本上不受影响，防止负载不同时速降过大，影响系统正常工作(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，即所谓要具备挖土机机械特性。(5) 工作方式转换容易。要能够方便的进行自动、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，不至于因工作方式的转换影响正常生产。(6) 采用新技术和节能设备，易于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,尽量节约能源和降低运转费用。 基于PLC控制的矿井提升机变频调速控制系统由动力装置、变频调速系统、操作台、监控系统组成，各部分功能如下：动力装置：包括主电机、电源模块、制动器和底座，完成人、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。变频调速：调速系统采用变频器，性能优越，采用矢量控制技术适合提升机工作环境，只需在控制单元给出对变频器的控制命令(正转、反转、多段速等)即可使提升机按照设定的速度曲线运行，满足提升阶段稳定运行的要求。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、限速等重要保护功能，满足安全规程要求。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。是动力装置的能量供给单元，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。监控系统：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。信号控制：提升机的信号来自提升系统工作现场的不同环节，比如天轮、井筒、深指器、液压站、润滑站等，信号包括运行状态、运行参数、操作信号和保护信号，这些信号均引入到主控系统中，将这些参数和信号与操作控制相关内容进行逻辑运算和闭锁，最后产生控制指令；各种故障信号将送给安全回路以及PLC输入，根据故障信号的轻重度分开轻重等级，与故障操作保护系统进行逻辑运算和判断，最后执行为不同的故障处理动作，如立即施闸、提升终了施闸、电气制动，然后通过机械机构来实施，同时这些信号将在上位机中显示故障类型并控制声光报警。图2-2 变频调速控制系统图2.2变频调速基本原理变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系，三相异步电动机的转速公式为：n=n1(1-s)=60f(1-s)/p （2-1）式中n-电机的转速，r/minn1-同步转速，r/minp-电机磁极对数s-电机转差率，%f-频率，Hz由公式（2-1）可知变频调速是通过改变电动机定子电源频率达到改变电动机转速的目的。 在变频调速领域，异步电机的控制方式多种多样，但从转矩的响应性和过渡特性来看，变频调速的控制方式分为以下几种:（1）V/F控制V/F控制是交流电机最简单的一种控制方法，通过控制过程中始终保持V/F 为常数，来保证转子磁通的恒定。然而V/F控制是一种开环的控制方式，速度动态特性较差，电机转矩利用率低，控制参数(如加/减速度等)还需要根据负载的不同来进行相应的调整，特别是低速时由于定子电阻和逆变器等器件开关延时的存在，系统可能会发生不稳定现象.这种控制方式多用于调速精度不高的场所。（2）转差频率控制转差频率控制是检测异步电动机的转速，对转差频率采取闭环控制.与V/F控制相比，调速精度要求较高，且系统容易稳定，即能在宽广的调速范围内，将电动机的转矩、功率因数及效率控制在最佳状态。但是采用此法的电动机调速系统只能是单机运行，同时转差频率控制未能实施对电机瞬时转矩的闭环控制，尽管这种系统的静态精度较高，但由于快速性较差，故适用于对响应的快速性要求不高的系统。（3）矢量控制矢量控制是一种建立在转子磁链定向的基础上，通过一系列的坐标变换，实现电机定子电流转矩分量和磁通分量的解耦的控制方法，可以将作为控制对象的感应电机当作直流电机来进行控制，实现对瞬时转矩的控制。目前，实用中多采用转差频率矢量控制，由于其没有实现直接磁通的闭环控制，无需检测出磁通，因而容易实现。但是其控制器的设计在某种程度上依赖于电机的参数，为了减少控制上对电机参数的敏感性，已经提出了许多参数辨识、参数补偿和参数自适应方案，收到了较好的效果。(4) 直接转矩控制直接转矩控制也是一种转矩闭环控制方法，其克服了坐标变换和解耦运算的复杂性，直接对转矩进行控制，通过转矩误差、磁通控制误差，按一定的原则选择逆变器开关状态，控制施加在定子端的三相电压，调节电机的转速和输出功率，达到控制电机转速的目的。由于直接着眼于转矩控制，对转子参数变化表现为状态干扰而非参数干扰，这种方法比矢量控制方法具有较高的鲁棒性。但是也存在不足之处，其最大的困难就在于低速性能不理想。2.3 变频调速在提升机电控上的应用传统调速系统中，直流调速以其控制容易，调速精度高等特点长期占据了主导地位，但是由于结构复杂，过流能力不强，环境适应差，难以实现高速度化等原因，一直限制了其应用范围的进一步扩大。相比较而言，交流异步电机具有环境适应能力强、过流能力大、牢固耐用、结构简单、容易维护及价格低廉等优点，但异步电机的调速性能难以满足生产要求。随着电力电子器件的产生和控制理论的飞速发展，现代控制理论越来越多的应用到交流调速系统中，使得交流调速性能可以和直流调速相媲美、相竞争，交流调速系统的应用领域不断扩大。近年来，电力电子技术的发展和DSP微处理器的推出，更为高性能交流调速系统的实现奠定了基础，目前已经进入了实用化阶段，作为众多调速方案之一的变频调速，其发展不超过40年，却取得了长足的进步，变频调速以其节能和可平滑调速，调速范围宽等优点得到了广泛的应用。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：第一个阶段为电压/频率(U/f)恒定控制，这种控制方法在低频时定子电压较低，定子漏抗压降所占的份量不能忽略，因此需要人为地把电压抬高一些，用以补偿定子压降，负载不同时需要补偿的定子压降值也不一样，在控制软件中备有不同斜率的补偿特性，以便用户选择。第二个阶段是矢量变换控制，它的方法是模拟直流电动机的控制特点来进行交流电动机的控制，通过电机统一理论和坐标变换理论，把交流电动机定子电流分解成磁场定向坐标的磁场电流分量和与之相垂直的坐标转矩电流分量，把固定的坐标系变换为旋转坐标系解耦后，交流量的控制变为直流量的控制，于是等同于直流电动机。第三个阶段为直接转矩控制，也叫直接自控，它避开了矢量控制中的两次坐标变换及求矢量模与相角的复杂计算工作，直接在定子坐标系上计算电动机的转矩与磁通，使转矩响应时间控制在一拍以内，且无超调，控制性能更好。提升机控制系统的硬件由模拟技术转向数字技术，全数字变频技术应用于提升机控制。减速段速度调节采用低频发电制动方式，将系统的动能反馈给电网，与动力制动减速相比，不仅调速性能好、减速与爬行自然过渡，而且节能效果显著。采用现代智能控制技术实现速度电流闭环调节，使减速阶段在各种条件下均可严格按照给定的速度图运行，使交流拖动在减速段达到直流拖动的调速性能，减速段到爬行段过渡平滑。这样在提升机系统的最大静张力差允许范围内能实现正力减速与爬行、负力减速与爬行以及验绳等多种工作方式，达到控制要求。采用矢量控制技术零速起动转矩达150%，确保低速爬行时的启动与运行特性，输出频率跟随给定频率，并且频率与电流值可准确指示出来。从而使传动系统获得高精度、高可靠性。采用直接转矩控制可改善低频特性，普通变频器虽然可以输出较低的频率，但输出力矩小，特性较软，应用于提升位能负载时，起动瞬间总要溜车。采用特殊的软件编程，改善低频特性，即使在输出0Hz的情况下，也能输出200%的负载力矩，达到了在整个运行过程都能输出满足负载要求的力矩。完全避免了重载坡起时溜车的现象。提升机使用变频调速控制具有下列优点：(1) 调速平滑、调速范围大。通过控制器的控制，变频器的输出频率可以连续调节，实现无级调速，使电动机起动电流小、动负荷小、调速平滑且无冲击。(2) 调速精度高。电动机在自然特性上运转时的外特性硬，转速随负载变化小。(3) 动态品质好。可使提升机的起动、制动、反转和调速过程的时间降至最少，具有良好的动态品质。(4) 易实现电动机的换向，当频率降低至零后即可反向开车，采用控制器改变相序即可实现反转，因此可在四象限内平滑的过渡。(5) 节电效果显著。变频调速比转子回路串接电阻的调速方法节约电能20%40%。2.4 交-直-交PWM变频器主回路简介常用的交-直-交PWM变频器主回路结构如图2-3所示，左边是不可控整流桥，将三相交流电整流成电压恒定的直流电压，右边是逆变器，将直流电压变换为频率与电压均可调的交流电，中间的滤波环节是为了减小直流电压脉动而设置的。这种回路只有一套可控功率级，具有结构简单、控制方便的优点，采用脉宽调制的方法，输出谐波分量小，缺点是电动机工作在回馈制动状态时能量不能回馈至电网，造成直流侧电压上升，称做泵升电压。图2-3 交-直-交PWM变频器主回路结构图若电动机储存的动能较大、制动时间较短或电动机长时间工作在发电制动状态时，泵升电压很高，严重时将损坏变频器。为了限制泵升电压，可采取以下两种方法：（1） 在直流侧并入一个制动电阻，当泵升电压达到一定值时，开通与制动电阻箱串联的功率器件，通过制动电阻释放电能，以降低泵升电压，如图2-4所示。（2） 在直流侧并入一组晶闸管有源逆变器或采用PWM可控整流，当泵升电压升高时，将电能回馈至电网，以限制泵升电压外，还具有改善变频器输入侧功率因数和抑制输入电流谐波等功能。图2-4 带制动电阻的交-直-交PWM变频器主回路结构图2.5变频器的选择 选择变频器时应以负载特性为基本依据，分析提升机的负载属于重力，其负载特性属于恒转矩负载特性。由于恒转矩负载类设备都存在一定静摩擦力，负载的惯量很大，在启动时要求有足够的启动转矩。这就要求通用变频器有足够的低频转矩提升能力和短时过流能力。但当低速时负载较重的情况下，为提高转矩提升能力而使电压补偿提的过高，往往容易引起过电流保护动作。选型时应充分考虑这些情况，必要时应将通用变频器的容量提高一档，或者采用具有矢量控制或直接转矩控制的通用变频器。采用矢量控制或直接转矩控制通用变频可以在不过电流的情况下提供较大的起动转矩。对于升降类恒转矩负载，如提升机、电梯等，这类负载的特点是启动时冲击电流大，在其下降过程中需要一定制动转矩，同时会有能量回馈，因此要求变频器有一定余量。系统设计时应注意适当增大异步电动机的容量或增大通用变频器的容量。通用变频器的容量一般取1.11.5倍异步电动机的容量。2.5.1 变频器的选型提升机普遍选用带低速转矩提升功能的电压型变频器，如日本的安川、三菱、富士，德国的西门子等。本系统选用西门子6SE70变频器，西门子变频器具有较合理的价格，完整的理论计算书及辅件推荐值，有利于用户合理选用。6SE70系列变频器是具有多种可供选择接线方式的设备：有将整流部分与逆变部分装于一体的变频器、用于变频器的制动电阻和制动单元、单独的整流单元、整流回馈单元和单独的逆变器。制动运行的方式：对于不经常制动的设备可以选择变频器+制动单元+制动电阻的方式；对于经常制动的设备采用整流回馈单元向公共直流母线供电，再由直流母线向多台逆变器供电；对于不同时制动的逆变器可以在直流母线上交换能量，当制动功率大时从回馈单元向电网回馈能量；还可以将多台变频器的直流母线直接连接，形成公共直流母线，再接入制动单元与制动电阻，当制动功率大时由制动电阻消耗能量。6SE70系列变频器具有多种控制方式：可以设定为VVVF控制、开环矢量控制、闭环矢量控制中的一种。闭环矢量控制的性能最好，必须接入测速装置。6SE70系列变频器的所有设备均有故障自诊断功能。6SE70装置本身提供了多种可靠有效的故障保护措施。同时也提供了简单实用的故障查询手段，装置可以记录同时发生的多个故障，并可以保存最近8次所发生过的故障代码。2.5.2变频器容量的选择 变频器的容量可从三个角度表述：额定电流、可用电动机功率和额定容量。其中后两项变频器生产厂家由本国或本公司生产的标准电动机给出，或随变频器输出电压而降低，都很难确切表达变频器的能力。选择变频器时，只有变频器的额定电流量是一个反映半导体变频器装置负载能力的关键量。负载电流不超过变频器额定电流是选择变频器容量的基本原则。变频器的额定功率指的是它适用的4极交流异步电动机的功率。由于同容量电动机，其极数不同，电动机额定电流不同。随着电动机极数的增多，电动机额定电流增大。变频器的容量选择不能以电动机额定电流为依据。同时，对于原来采用变频器的改造项目，变频器的容量选择也不能以电动机额定电流为依据。这是因为，电动机的容量选择在考虑最大负载，富裕系数，电动机规格等因素时，往往电动机的容量富裕较大，工业用电动机常常在50%60%额定负荷下运行。若以电动机额定电流为依据来选择变频器的容量，留有富裕量太大，造成经济上浪费，而可靠性并没有因此而得到提高。变频器与电动机的匹配主要是电动机的额定电压及电流，如果电动机额定电流小于同功率的变频器额定电流，一般来说用同等功率的就足够了，但如果大了，只好用大一级的变频器。对于鼠笼式异步电动机，变频器的容量选择应以变频器的额定电流大于电动机的最大正常工作电流1.1倍为原则，这样可以最大限度地节约资金。在选用变频器时除了考虑技术性和可靠性外还应考虑经济性，一般不要留有太大功率余量，变频器与电动机两者的功率应相匹配，不但经济性好而且输出波形更好。提升机平均起动转矩一般来说可为额定力矩值的1.31.6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，其最大转矩必须有1.2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%超载力矩值，为此可通过提高变频器容量或同时提高变频器和电机容量来获得200%力矩值。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容量损失。2.5.3 变频器外部电路设计变频器可以输出频率可调的交流电源，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(012 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，变频器外部电路如图2-5所示。 图2-5 变频器外部主电路声光报警回路：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30A-30B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，继电器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。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能耗制动和直流制动功能。有关功能的参数系统存储在装置中的参数组的结构菜单中，因而，一个菜单代表装置全部参数中的一套参数，一个参数有可能列入几个菜单。参数表指明一个参数作列入的菜单，通过配置给每个菜单的菜单号，使其赋值生效。 第3章 PLC硬件设计3.1 PLC简介国际电工委员会（IEC）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。具有其他工业设备难以具备的特点：PLC具有以下特点：(1) 可靠性高。在I/O环节，PLC采用了光电隔离、滤波的多种措施。系统程序和大部分的用户程序都采用E2PROM存储，一般PLC的平均无故障工作时间可达几万小时以上。(2) 控制功能强。PLC所采用的CPU一般是具有较强位处理功能的位处理机，为了增强其复杂控制功能和联网通信等管理功能，可以采用双CPU的运行方式，使其功能得到极大的加强。(3) 编程方便易学。第一编程语言(梯形图)是一种图形编程语言，与多年来工业现场使用的电器控制图非常相似，理解方式也相同，非常适合现场人员学习。(4) 模块化结构，扩展能力强。根据现场需要进行不同功能的扩展和组装，一种型号的PLC可用于控制从几个I/O点到几百个I/O点的控制系统。(5) 与外部设备连接方便。采用统一接线方式的