基于PLC的提升控制系统.doc

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1、1 矿井提升机控制系统概述21.1 矿井提升机概况21.1.1 矿井提升系统21.1.2 矿井提升机主要组成部分及其作用21.1.3 提升机电控系统要求31.2 矿井提升机调速方式41.2.1 提升机提升过程41.2.2 交流调速方式41.3 提升机控制系统设计61.4 本章小结82 变频调速方式及变频器选型92.1 变频调速发展及在提升机系统中的应用92.2 矿井提升机变频调速控制方式92.3 变频器的选型112.3.1 变频器的基本构成112.3.2 变频器选型112.4 本章小结123 基于PLC的电气控制系统133.1 PLC概述133.1.1 PLC基本结构133.1.2 PLC控制

2、系统基本原理143.1.3 本系统PLC选型及特点143.2 提升机控制系统硬件实现153.2.1 变频调速部分153.2.2 传感器的安装173.2.3 旋转编码器选型183.2.4 PLC控制部分183.3 控制监视系统253.4 控制系统软件流程253.4.1 软件结构253.4.2 控制回路流程283.5 本章小结304 矿井提升机速度控制314.1 提升机速度控制方案的确定314.2 S形提升系统速度图324.2.1 S形提升系统速度图的确定324.2.2 矿井提升机S形速度图的数学模型344.2.3 S形速度曲线的实现354.3 本章小节37摘要：矿井提升机是矿山最重要的设备，肩负

3、着矿石、物料、人员等的运输责任。传统矿井提升机电控系统具有控制线路复杂、调速性能较差、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。采用西门子公司的S7-200系列PLC作为系统的主控装置，还采用了与处理器配套的扩展模块以及用于上位机监控的触摸屏。系统主要实现功能为：通过编码器进行行程与速度的监测；为提升机整个运行过程提供超速保护；提供过卷、松绳、提升错向等多个保护；所有的数据送到触摸屏进行显示，并且可以通过触摸屏对内部参数进行设计和修改

4、，设计了一整套从监视到保护的系统。关键词：提升机；变频器；变频调速；可编程控制器1 矿井提升机控制系统概述矿井提升机肩负着井上、井下运输的重要任务，在整个矿井生产中占有非常重要的地位，熟悉矿井提升机的性能、结构及动作原理，合理使用设备，加强维护，对确保提升机工作效率、提高安全可靠性、防止和杜绝事故的发生具有重大意义。1.1 矿井提升机概况1.1.1 矿井提升系统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、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：1）竖井单绳

5、缠绕式箕斗提升系统。2）竖井单绳缠绕式罐笼提升系统。3）竖井多绳摩擦式箕斗提升系统。4）竖井多绳摩擦式罐笼提升系统。5）斜井箕斗提升系统。6）斜井串车提升系统。1.1.2 矿井提升机主要组成部分及其作用矿井提升机是一个完整的机械电气机组，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

6、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。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主拖动电动机、微拖动电动机、电气控制系统和自动保护系统。矿井提升

7、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。1.1.3 提升机电控系统要求综合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/，升降物料时，加速度a1.2m/。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。提升机不同于其他机械，不可能待系统运转后再装加物料，因此，必

8、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，防止负载大小不同时速降过大，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。1.2 矿井提升机调速方式1.2.1 提升机提升过程提升机的工作过程是提升容器在井筒中周期往返运动，通常以提升容器的运动速度与时间的关系来表示其运动规律，称为速度图，我们常用的提升系统的速度图包括六个阶段，提升机电

9、气传动系统速度给定v=f(t)如图1-1所示。图1-1 提升机速度工作曲线速度图表达了提升容器在一个提升循环内的运动规律，现简述如下：1）加速阶段t1当罐笼开井底时，以加速度a1运行，直到到达最大提升速度Vm。对于箕斗提升机，加速度一般不大于1.2。2）等速运行阶段t2罐笼在此阶段以最大提升速度Vm运行，直至罐笼快要到达井口开始减速为止。3）减速阶段t3罐笼将要接近井口时，开始以减速度a3运行，实现减速。a3一般不大于1.24）爬行阶段t4罐笼将到达预定位置时，为了准确停车应以v4爬行。5）停车休整阶段t5当罐笼运行至终点时，提升机施闸停车。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

10、的变化而自动的工作在电动或制动状态。因此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。1.2.2 交流调速方式矿井提升机调速系统采用交流异步电动机，其交流异步电动机转速公式为:n=60f(1-s)/p。由上式可见，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。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电动机的同步转速两种。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.1、变极

11、对数调速方法这种调速方法是用改变定子绕组的接线方式来改变笼型电动机定子极对达到调速目的，绕组有多少种极对数，转速就有多少级。改变定子极对数的办法有：1在定子槽里放上两套极对数不同的独立绕组；2在同一套定子绕组，改变它的联结方法，得到不同的极对数；3在定子槽里放上两套极对数不同的独立绕组，而每套独立绕组本身又可以通过改变它的联结方法，得到不同的极对数。特点如下：1具有较硬的机械特性，稳定性良好；2无转差损耗，效率高；3接线简单、控制方便、价格低；4有级调速，级差较大，不能获得平滑调速；此调速方法可以与调压调速、电磁转差离合器配合使用，获得较高效率的平滑调速特性。2、变频调速方法变频调速是改变电动

12、机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。变频调速时可以从基频往下调，也可往上调。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流直流交流变频器和交流交流变频器两大类，目前国内大都使用交直交变频器。其特点：1）效率高，调速过程中没有附加损耗；2）应用范围广，可用于笼型异步电动机；3)调速范围大，特性硬，精度高；4）技术复杂，造价高，维护检修困难。3、改变转差率调速改变转差率的方法主要有三种：定子调压调速、转子电路串电阻调速和串级调速。a定子调压调速方法当改变电动机的定子电压时，可以得到一组不同的机械特性曲线，从而获不同转速。由于电动机的转矩与电压平方成正比，因此最大转矩下降很

13、多，其调速范围较小，使一般笼型电动机难以应用。为了扩大调速范围，调压调速应采用转子电阻值大的笼型电动机，如专供调压调速用的力矩电动机，或者在绕线式电动机上串联频敏电阻。调压调速的主要装置是一个能提供电压变化的电源，目前常用的调压方式有串联饱和电抗器、自耦变压器以及晶闸管调压等几种。晶闸管调压方式为最佳。调压调速的特点：1、调压调速线路简单，易实现自动控制；2、调压过程中转差功率以发热形式消耗在转子电阻中，效率较低。3、调压调速一般适用于100KW以下的生产机械。b、转子电路串电阻调速方法绕线式异步电动机转子串入附加电阻，使电动机的转差率加大，电动机在较低的转速下运行。串入的电阻越大，电动机的转

14、速越低。绕线式异步电动机转子串电阻后能够限制启动电流和提高启动转矩，用逐段切除电阻的方法，能在一定范围内进行调速。此方法设备简单，控制方便，但转差功率以发热的形式消耗在电阻上，属有级调速，机械特性较软。c、串级调速串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机的转差，达到调速的目的。大部分转差功率被串入的附加电势所吸收，再利用装置，把吸收的转差功率返回电网或转换为其它能量加以利用。根据转差功率吸收利用方式，串级调速可分为电机串级调速、机械串级调速及晶闸管串级调速形式。应用中多采用晶闸管串级调速，其特点为：1、可将调速过程中的转差损耗回馈到电网或生产机械上，效率较高；2、装置

15、容量与调速范围成正比，投资小，适用于调速范围在额定转速7090的生产机械上；3、调速装置故障时可以切换至全速运行，避免停产；4、晶闸管串级调速功率因数偏低，谐波影响较大。目前交流调速最有前途的是变频调速技术，提升机采用变频调速取代传统的直流传动是近年来的发展趋势，它克服了大功率直流电动机换向器的换向能力受限、设计制造及维护困难和电动机体积庞大等问题。除此之外，更兼其体积小、重量轻、通用性强的特点，因此，变频调速技术越来越广泛的应用于工业生产领域。这将极大地提高工业生产领域的自动化水平，从而可以实现增产节能的目的。1.3 提升机控制系统设计基于以上分析，本次设计方案最主要的包括以下两个方面的系统

16、设计：1）主控系统系统的主控系统采用可编程控制器控制，PLC对分别安装于电机轴、滚筒主轴的旋转编码器数据进行采集，通过逻辑运算处理后形成按行程给定的速度曲线，保证了提升机的稳定运行；利用液压站和润滑站的油压、电机电流转化为模拟信号， 实现提升机的可靠制动；从现场采集数据，通过PLC与上位机通信将数据传输到控制监视系统中并显示出来，实现实时监控。2）调速系统调速系统采用矢量控制变频器，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

17、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，通过接收PLC控制命令完成对电动机的正、反转控制，满足煤矿安全规程要求。本设计以西门子可编程控制器S7-200为核心，设计中采用串电阻调速，由司机发提升信号实现提升机的自动加速、匀速、减速、爬行以及停车等运行过程。采用PLC对提升系统进行保护和监控，使系统更加安全可靠，而且此方案能够很好解决传统交流绕线式电机串电阻调速系统的缺点。矿井提升机变频调速方案如图1-2所示:图1-2 矿井提升机变频调速系统上图所示变频调速设计系统组成:1)动力系统由机械和电气两部分组成。机械部分包括减速器、滚筒、制动器和底座；电气部分包括断路器、

18、进线电抗器、变频器、滤波器出线电抗器和拖动电机。动力系统完成人、物、料的运输任务。变频器是拖动电机能量供给单元，主电机通过减速器向滚筒提供牵引所需的动力。2）液压部分包括液压站和润滑站。液压站为提升机提供制动力，停车时先通过液压站给滚筒施加机械制动力；提升机起动时，待变频器对电机施加一定力矩后松开机械抱闸，防止溜车，以保证系统安全可靠地工作。3)控制核心是整个提升系统的核心，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。4)监控系统是操作人员和控制系统及运输系统之间的桥梁，包括上位机、接入矿调度系统

19、的工业以太网。上位机通过与PLC的通信，将电动机的所有运行参数和故障参数都显示出来，并对矿车的位置及速度进行时时监控，为操作人员分析故障、判断故障和处理提供依据。5)检测系统主要由旋转编码器和电流、电压检测单元构成，主要检测主电动机的转速及电压、电流，并将此信号传送给控制器。PLC通过采集这些反馈信号，实现对提升机的控制及保护。对于提升系统运行过程中出现的故障，由PLC组成的“软”安全回路和继电器回路组成的“硬”安全回路构成。当其中一条断开时，另一条也同时断开，保障了提升机运行安全可靠。在本系统中PLC与变频器、触摸屏三者之间通过RS485通信电缆进行连接通信。1.4 本章小结本章介绍了几种调

20、速方式：变极对数调速法、变频调速法、改变转差率调速等。通过提升机六阶段速度图分析了矿井提升机对电气控制系统的要求,并对提升机控制系统设计进行了简单介绍。72 变频调速方式及变频器选型2.1 变频调速发展及在提升机系统中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

21、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，目前己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：电压/频率(U/f)恒定控制、 矢量变换控制、直接转矩控制阶段。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

22、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

23、，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。2.2 矿井提升机变频调速控制方式在变频调速领域，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: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

24、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。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。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

25、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。直接转矩控制直接转矩控制(DTC)也是一种转矩闭环控制方法，其克服了坐标变换和解祸运算的复杂性，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。

26、由于DTC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，DTC方法比矢量控制方法具有较高的鲁棒性。但是DTC也存在不足之处，其最大的困难就在于低速性能不理想。矢量控制成功的解决了交流电动机电磁转矩的有效控制，使异步电动机可以像直流电动机那样控制，实现优良的动、静态调速特性，实现交流电动机高性能控制，发展趋势表明，矢量控制将成为交流电动机传动系统的工业标准控制技术，因此本次设计采用矢量控制方式的通用变频器。2.3 变频器的选型2.3.1 变频器的基本构成从结构上看,变频器分为交交和交直交两种形式。交交变频器可将工频交流直接变换成频率、电压均可控制的交流。而交直交变频器则是先把工频

27、交流通过整流器变成直流，然后再把直流变成频率、电压均可控制的交流。目前常用的通用变频器即属于交直交变频器，其基本结构原理图如下图所示，图2-1 交直交变频器结构框图其工作可以分为两个基本过程：1）先将电源的三相或单相交流电经整流桥整流成直流电。2）再把直流电逆变成频率任意可调的三相交流。2.3.2 变频器选型在一拖一的情况下，变频器的容量选择要保证变频器的额定电流大于该电动机的额定电流，或者是变频器所适配的电动机功率大于当前该电动机的功率。矿井提升机属于频繁起动、加减速运转，其变频器容量应根据加速、恒速、减速等各种运行状态下的电流值确定：式中：k安全系数，一般取1.11.2；Ii提升机各个运行

28、阶段平均电流，i1，25；ti提升机各个阶段运行时间，i1，25。根据变频器选型的基本原则，选择变频器时应以电动机的额定电流和负载特性曲线为依据选择变频器的额定容量，即变频器的容量选择要保证变频器的额定电流大于该电动机的额定电流或者变频器所适配的电动机功率大于该电动机的功率。依据上述原则再考虑到电动机性能上的差异即机械负载的波动，变频容量取电动机容量的1-2倍。本系统中的驱动电动机属于有载启动的输送类机械，所需电动机轴上功率为155KW，接1.5倍容量就选择232.SKW的变频器。因此，在本系统中选择由西门子公司生产的MM440变频器，该变频器是一种应用范围广泛的矢量控制方式多功能、模块化通用

29、变频器，具有低速高转矩输出，良好的动态性能和过载能力强等特点。内置参数自整定PID控制器;具有1.5个可编程固定频率，4个可编程跳转频率;集成RS485通讯接口，过载能力为200%额定负载电流，持续时间60s;内置制动单元;具有过压保护、欠压保护、变频器和电动机过热保护、短路保护、防失速保护。其参数设置如表2-1所示，表2-1 变频器参数设置数字量输入参数功能P0003=1允许访问最频繁使用的参数P0010=1快速调试P0100=0频率缺省值为50HzP0300=1选择电动机类型为异步电动机P0304=380电动机额定电压P0305=292A电动机额定电流P0307=155KW电动机额定功率P

30、0308=0.95电动机额定功率因数P0310=50电动机额定频率P0601=1电动机温度传感器P0701=1ON/OFF1正向运行P0702=1ON/OFF1反向运行P0756=0单极性电压输入（0-+10V）P0771=25输出电压实际值P0732=50频率下限警报P0733=30频率上限报警P0970=1工厂复位P1000=2频率给定值(模拟量给定值2.4 本章小结本章重点介绍了变频器的在提升机中的应用及原理、变频器的结构及选型，给提升机系统设计提供基础。3 基于PLC的电气控制系统矿井提升机主控制系统是整个提升机电控系统的核心，它综合传动系统、信号系统及其它设备的各种信号和数据，对提升

31、系统的工作状况进行实时监控，控制提升机的启动、运行及停车，保障提升容器在运行过程中的安全稳定。主控制系统采用PLC控制，减轻了操作人员的劳动强度，增强了提升机运行的安全可靠性，并大幅提高了工作效率。3.1 PLC概述3.1.1 PLC基本结构 可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算数操作等面向用户的指令，并通过数字式或输入输出控制各类型的机械或生产过程。可编程控制器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。随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，微处理器被广泛应用于PLC的设

32、计中，使PLC的功能增强，速度加快，体积减小，成本下降，可靠性高，更多的具有了计算机的功能。此外，可编程序控制器在设计中还借鉴了计算机的高级语言，给实际应用带来了方便。如图3-1为可编程控制器的基本结构：图3-1 可编程控制器基本结构图其主要特点有:1）抗干扰能力强，可靠性高;2）丰富的I/O接口模块3）采用模块化结构4）编程方便，易于使用5）环境要求低6）与其他装置配置联接方便7）设计施工周期短3.1.2 PLC控制系统基本原理PLC技术是现代工业自动化的重要手段，由它构成的控制系统逻辑控制由PLC通过软件编程实现，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

33、抗干扰和过载保护措施，程序运行为循环扫描工作方式，且有故障检测及诊断程序，可靠性极高;PLC控制系统结构为模块化结构，维护更换方便，并可显示故障类型。图3-2为可编程控制器控制系统，图3-2 可编程控制器控制系统框图其输入设备和输出设备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。

34、3.1.3 本系统PLC选型及特点本次设计在控制中采用西门子S7-200，此系列属于小型可编程控制器，可用于简单的控制场合，也可用于复杂的自动化系统，即使在大型的网络控制系统中也能充分发挥作用。S7-200 PLC系统的硬件构架是由系统的CPU模块和丰富的拓展模块组成，应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测、自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等。S7-200系列具有鲜明的特点:1）极高的可靠性2）极丰富的指令集3）易于掌握4）便捷的操作5）丰富的内置集成功能6）实时特性7）强劲的通信功能8）丰富的拓展模块本次设计选用CPU226和模拟量扩展模块E

35、M235、数字量拓展模块EM221，CPU226具有以下特点:本机集成24输入/l6输出共24个数字量1/0点；可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/0点或35路模拟量I/0点；13K字节程序和数据存储空间；具有6个独立30Hz高速计数器，2个独立的20Hz高速脉冲输出，具有PID控制器。1个RS485通讯/编程口，具有即I通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力，I/O端子可很容易的整体拆卸。EM235为4路模拟量24V直流输入，EM221为8路数字量输入。3.2 提升机控制系统硬件实现3.2.1 变频调速部分根据变频调速原理，在变频器的控制输入回路中接入频率设定电路，由PLC输

36、出的模拟量，即电压或电流信号来控制变频器的输出频率，实现电机速度控制，本系统通过PLC输出电压信号(010V)来控制变频器的频率，此时的变频器输出频率与设定电压输入成正比。为了便于监控变频器的运行状态并及时发现异常，应取出变频器的异常信号送到PLC的输入模块，以作为变频器的事故报警信号及安全制动。本次设计变频调速单元采用西门子系列MM440通用变频器，其外部电路设计如图3-3 所示 图3-3 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，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器和安全制动，更有效的对控制系统进行安全保护。1、声光报警回路1）变频器报警输出

37、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，发出报警；同是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）。2）声光报警电路由报警输出的动合（常开）触点“30B-30A”控制，当变频器跳闸时，触点“30B-30A”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，断电器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。另外继电器线圈和电笛线圈的两端，也需要并联阻容吸

38、收电路，以保护变频器内部报警继电器触点。2、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0 Hz时，常常停不住，而有爬行现象，在矿山提升机这种大负载机械中，爬行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制动控制回路。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。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。当同步转速低于转子转速时，转子电流的相位几乎改变了180，电动机处于发电机状态。与此同时，电动机轴上的转矩变成了制动转矩，使电动机的转速迅速下降。从电动机的角度来看，处于再生制动状态。其制动单元结构如

39、图3-4所示图3-4 制动单元结构图制动单元BV的作用是当直流回路的电压U超过规定的限定值时，接通耗能电路，使直流回路通过R释放能量。制动单元的组成如下：1）功率管V用于接通与关断能耗电路，是制动单元的主体。2）电压取样与比较电路，由于V的驱动电路是低压电路，故只能按比例取出U的一部分作为采样电压，和基准电压进行比较，得到控制V导通或截止的指令信号。3)驱动电路用于接受“取样与比较电路”给出的指令信号，驱动V导通或截止3.2.2 传感器的安装传感器的设置主要是针对液压站和润滑站两部分。液压站的主要作用是:可以为盘式制动器提供不同的油压值的压力油，以获得不同的制动力矩;在事故状态下，可以使制动器

40、的油压迅速降到预选设定的某一值经过沿时后制动器的全部油压迅速回到零，使制动器达到全制动状态。润滑站的作用是对运动的机器或部件通过油泵打压，进行定时、定量、定点的供油接受润滑，避免机器或部件磨损和过热。液压站部分所需传感器: 压力传感器两个、温度传感器一个、电接点压力表一块、电接点温度表一块，为防止压力油过热或者上冻在液压站安装电加热器一个(在操作台上加装手动启停按钮)、风冷却器一个(在操作台上加装手动启停按钮)。润滑站部分所需传感器: 压力传感器一个、温度传感器一个、电接点压力表一块、电接点温度表一块，为防止润滑油过热或者上冻在润滑站安装电加热器一个(在操作台上加装手动启停按钮)、冷却水泵一台

41、(在操作台上加装手动启停按钮)。这里用到的压力传感器为PTH504压力传感器：量程：0150(M Pa)综合精度：0.1%FS输出信号：420mA供电电压：24V DC介质温度：20150环境温度：常温(2085)负载电阻：800绝缘电阻：大于2000M(100VDC)振动影响：在机械振动频率20Hz1000Hz内，输出变化小于0.1%FS3.2.3 旋转编码器选型在本系统中采用两套旋转编码器分别装在电动机主轴和滚筒上以对提升机的速度和行程进行时时控制，旋转编码器的具体型号在本系统中选用由欧姆龙公司生产的E6C2-CWZ6C增量型旋转编码器分别置于电动机主轴和主滚筒上两路信号进入PLC后经过比

42、较计算后做出相应控制。E6C2-CWZ6C旋转编码器的技术参数如下:电源电压 DC5V5%24V+15%分辨率：1000输出相 A、B、Z相输出上升 下降时间 1s以下控制输出电压：5V负载电阻1k环境温度范围 动作时： -10+70、保存时：-25+85(不结冰)环境湿度范围 动作时、保存时：各3585%RH(不结露)绝缘电阻 20M以上3.2.4 PLC控制部分实践证明，PLC在提升机电控系统中的运行是稳定可靠的，这一技术值得大力推广。为了提高系统的可靠性，PLC的输入输出信号均采用一定的信号隔离方式：输入信号中开关量信号通过继电器分配，电平信号通过信号分配板隔离分配；输出信号则通过中间继

43、电器转接来控制执行对象。在设计时需要统计I/O口的总量，包括开关量和模拟量，以确定选用PLC的模块数量。表3-1 PLC输入点统计旋转编码器信号轴编码器安装在电机主轴上轴编码器安装在滚筒主轴上输入信号正向换向器正向接触器触点反向换向器反向接触器触点线路换向器线路换向器触点制动换向器制动换向接触器触点制动接触器制动接触器触点真空漏气/缺相真空换向柜漏气/缺相检测继电器触点制动泵制动泵电机控制继电器触点润滑泵润滑泵电机控制继电器触点深度指示器上停车开关深度指示器下停车开关深度指示器上减速点深度指示器下减速点开车信号提升机开车信号给定液压站油温高电子温度继电器开关润滑站油压高电子压力继电器开关润滑站

44、油压低润滑站油温低安全回路硬件安全回路继电器触点转子控制检测转子电路检测继电器触点低频运行设计备用点液压压力高松绳引自机械松绳开关脚踏开关脚踏控制开关主令零位主令控制器零位开关主令正向主令控制器正向开关主令反向主令控制器反向开关停车信号急停信号工频信号变频信号井筒上停车井筒下停车井筒上定点井筒下定点井筒上减速井筒下减速井筒上过卷磁开关井筒下过卷磁开关高速计数口 用于电机轴编码器的计数模拟输入信号定子电流010V液压站油压010V表3-2 PLC输出点统计PLC输出信号正转控制中间继电器用于提升机正转的控制反转控制中间继电器用于提升机反转的控制切1级电阻中间继电器10用于转子电阻的切除控制（10

45、级电阻）脚踏制动控制中间继电器用于制动控制报警回路继电器安全回路继电器复位控制模拟信号输出闸电流控制010V按本系统设计PLC总共有42个输入信号，16个输出信号；有2路模拟量输入和1路模拟量输出。3.2.4.1 基本控制功能PLC是本控制系统中关键的一环，其主要控制电路如图3-5所示，主要的控制功能有如下几项：主令操作控制、保护监视控制。图3-5 PLC接线图主令操作控制，对系统进行管理，实现提升机与操作台之间的指令传递，向提升系统发出相应的指令，并改变相应电控系统的工作状态，使提升机按照预定的速度图安全运行，运行方式可分为启动、等速运行、减速、爬行、停车。监控内容主要包括：超速监视、过卷监

46、视、实时速度监视、井筒过卷监视、变频器故障监视、矿车行程监视、过载监视、深度指示器监视等，以上监视内容出现故障时，通过报警回路报警或安全回路实现抱闸停车保护。1)起动，停车当需要开机运行时，按下起动按钮SB1，其输出继电器KM1便吸合，置于电源与变频器之间的常开触点闭合，将三相AC380V动力电接入变频调速回路中；当减速停车，并实现机械抱闸制动后，可以将变频器与动力电源脱开，按下停止按钮SB2，使继电器KM1失电，其常开触点断开，变频器便与动力电源脱开。2)上提升，下放在控制回路中利用正转继电器K1的常闭触头控制反转继电器K2的线圈；利用反转继电器K2的常闭触头控制正转继电器K1的线圈。从而达到互锁作用。其动作过程为：当要下放矿车或送工人到井下时，按下下降按钮，继电器K2吸合，其常开触点闭合，常闭触点断开。此时变频器REV与CM端相连，电机反转下放重物。同时断开继电器K1回路，形成下降闭锁；当按下上升按钮时，K2吸合，断开K1回路，电机正转上提煤车。当按下停止按钮时，所有继电器常闭触头闭合，为下一次提升做准备。3)工频与变频转换工变频转换系统可使电机转速需