基于变频器的矿井提升机-毕业论文]

摘 要

矿井提升机常被人们称为矿山的咽喉，是矿山最重要的关键设备，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。

变频调速是近年来发展起来的一门新兴的自动控制技术，它利用改变被控对象的电源频率，成功实现了交流电动机大范围的无级平滑调速，在运行过程中能随时根据电动机的负载情况，使电机始终处于最佳运行状态，在整个调速范围内均有很高的效率，节能效果明显。采用变频器对异步电动机进行调速控制，由于使用方便、可靠性高并且经济效益显著，所以得到广泛应用。因此，应用变频器对矿井提升机的控制系统进行改造，将成为历史的必然趋势。

关键词：矿井提升机，PLC，变频调速，控制系统

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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 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.

Along with 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, and provided a new and modern manage and monitor means. Advanced industry control computer are used to monitor and manage the course of elevator [18].

Frequency conversion is developed as a new automatic 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 motor 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 asynchronous motors is widely used because of it is convenient, high reliability and the economic benefit is remarkable. Therefore, adopting inverter to reform the control system of shaft hoist will become the inevitable trend of history.

KEY WORDS：shaft hoist, PLC, frequency conversion, control system

II

目 录

第1章 绪 论 ............................................................................................ 1

1.1 国内外矿井提升机研究现状与发展趋势 ................................................................... 1 1.1.1 国外矿井提升机的现状 ....................................................................................... 1 1.1.2 国内提升机的现状与发展趋向 ........................................................................... 2 1.2 本文研究意义及内容 ................................................................................................... 3 1.2.1 研究意义 ............................................................................................................... 3 1.2.2 研究内容 ............................................................................................................... 3

第2章 系统工艺流程及控制要求 .......................................................... 4

2.1 矿井提升机系统简介 ................................................................................................... 4 2.2 提升机电动机运行方式 ............................................................................................... 5 2.3 提升机的速度要求及受力情况 ................................................................................... 6 2.3.1 提升机的速度要求 ............................................................................................... 6 2.3.2 提升机的受力情况 ............................................................................................... 7 2.4 矿井提升机的电气传动方案 ....................................................................................... 8

第3章 系统控制方案设计 .................................................................... 11

3.1 控制单元基本原理 ..................................................................................................... 11 3.2 控制系统总体设计 ..................................................................................................... 13 3.3 可编程控制器（PLC）介绍 ..................................................................................... 14 3.3.1 PLC的基本特点 .................................................................................................. 14 3.3.2 PLC的基本结构 .................................................................................................. 15 3.3.3 PLC的工作原理 .................................................................................................. 16 3.3.4 可编程控制器的编程语言 ................................................................................. 17 3.4 变频器介绍 ................................................................................................................. 17 3.4.1 变频调速基本原理 ............................................................................................. 18 3.4.2 变频器按中间直流环节方式分类 ..................................................................... 20

第4章 控制系统硬件设计 .................................................................... 21

4.1 引言 ............................................................................................................................. 21 4.2 提升机电控系统变频器选择 ..................................................................................... 21 4.3 变频控制部分设计 ..................................................................................................... 21 4.3.1 变频调速主控系统设计 ...................................................................................... 21 4.3.2 变频器外部电路设计 .......................................................................................... 21 4.4 PLC控制部分设计 ..................................................................................................... 21 4.4.1 基本控制功能 ...................................................................................................... 21 4.4.2 位置检测电路 ...................................................................................................... 21 4.5 硬件调速控制系统保护措施 ..................................................................................... 21 4.6 小结 ............................................................................................................................. 21

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第5章 控制系统软件设计 .................................................................... 22

5.1 控制程序流程图 ......................................................................................................... 22 5.2 系统控制程序梯形图 ................................................................................................. 23

第6章 人机交互界面 ............................................................................ 26

6.1 触摸屏概述 ................................................................................................................. 26 6.2 触摸屏在工业控制中的应用 ..................................................................................... 26 6.3 PWS－3261触屏简介 ................................................................................................ 27 6.4 触摸屏在矿井提升机控制系统中的应用 ................................................................. 27

第7章 结 论 .......................................................................................... 29 参考文献 .................................................................................................. 30 致 谢 ........................................................................................................ 32

II

第1章 绪 论

1.1 国内外矿井提升机研究现状与发展趋势

矿井提升装置是采矿业的重要设备，随着科学技术的进步和矿井生产现代化要求的不断提高，人们对提升机工作特性的认识进一步深化，提升设备及拖动控制系统也逐步趋于完善，各种新技术、新工艺逐步应用于矿井提升设备中。特别是模拟技术、微电子技术、微电脑技术在提升机控制中的应用已成为必然的发展。 1.1.1 国外矿井提升机的现状

近三十年来，国外提升机机械部分和电气部分都得到了飞速的发展，而且两者相互促进，相互提高。起初的提升机是电动机通过减速器传动卷筒的系统，后来出现了直流慢速电动机和直流电动机悬臂安装直接传动的提升机。上世纪七十年代西门子发明矢量控制的交一直一交变频原理后，标志着用同步电动机来代替直流电机实现调速的技术时代已经到来。1981年第一台用同步机悬臂传动的提升机在德国Monopol矿问世，1988年由MAVGHH和西门子合作制造的机电一体的提升机(习惯称为内装电机式)在德国Romberg矿诞生了，这是世界上第一台机械和电气融合成一体的同步电机传动提升机。在提升机机械和电气传动技术飞速发展的同时，电子技术和计算机技术的发展，使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，国外就将可编程控制器(PLC)应用于提升机控制。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，使提升机自动化水平、安全、可靠性都达到了一个新的高度，并提供了新的、现代化的管理、监视手段。特别要强调的是，此时期在国外一著名的提升机制造公司，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。

矿井提升机对安全性、可靠性和调速性能的特殊要求，使得提升机电控系统的技术水平在一定程度上代表一个厂或国家的传动控制技术水平[17]。比较国内外矿用提升机系统，具体来说国外矿井提升机在电控方面的应用特点有以下几个方面： (1)提升工艺过程微机控制

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。 (2)提升行程控制

提升机的控制从本质上说是一个位置控制，要保证提升容器在预定地点准确停车，要求准确度高，目前可达到±2cm。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、滚筒及钢丝绳磨损等信号进行处理，计算出容器准确的位置而施以控制和保护。一般过程控制用微机作监视，行程控制也采用单独下位机完成。

(3)提升过程监视

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