基于PLC的矿井提升机变频调速控制系统设计

摘要

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。根据提升机的运行特点，控制系统采用工控机监控提升机变频调速系统，PLC控制系统、变频调速系统等组成。为了提高系统的可靠性，对提升机各种物理量及控制单元进行控制监控。提升机的动态监测由工控机或触摸屏和组态软件组成。用户在组态环境中完成动画设计、设备连接、编写控制流程和工程所需要的信息报表以及结果打印等。主控系统采用PLC系统，硬件简洁、软件灵活性强、调试方便、维护量小，配合一些专用电子模块组成的提升机控制设备，可供控制高压带动动力制动或低频制动等。同时能检测各电机故障现象并送往上位机显示。减少了传统继电器接触式控制系统的中间环节，减少了硬件和控制线，极大提高了系统的稳定性，可靠性。

关键词：矿用提升机；变频调速；矢量控制；可编程控制器

前言

在煤炭生产中提升机担负着提升煤炭、岩石、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途径，素有矿井“咽喉”之称。提升机的电力传动特性复杂，电动机频繁正反向，经常处于过负荷运转和电动、制动不断地转换的状态中。对提升机来说，运行的安全、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。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。因此，研制并制造既安全可靠又节省能源的提升机是煤矿安全生产的一项重要课题。

就计算机技术在工业现场应用情况而言，可编程控制器（PLC）是目前作为工业控制最理想的机型，它是采用计算机技术、按照事先编好并储存在计算机内部一段程序来完成设备的操作控制。采用PLC控制，硬件简洁、软件灵活性强、调试方便、维护量小，PLC技术己经广泛应用于各种提升机控制，配合一些提升机专用电子模块组成的提升机控制设备，可供控制高压带动力制动或低频制动，单、双机拖动等。操作、监控和安全保护系统选用可编程控制器。主控计算机应用软件能完成提升机自动、半自动、手动等各种运动方式的控制要求。

在广泛考察现行的变频调速方案后，本文提升机系统控制单元采用目前工控适用的可编程控制器来控制，具有编程简单和控制可靠性高的优点；电力拖动系统中，选用先进的变频传动装置，运用先进的矢量控制技术，优化了调速系统的性能，这一控制方法目前仍为现代交流调速的重要研究方向之一。采用先进的工业计算机、现场总线和工业自动化技术，按照结构标准化、产品系列化、性能现代化、体积小型化的原则，研制生产适合矿井提升机电控设备是进行技术改造和新建矿井设备选型的理想选择。

第1章矿井提升机调速系统的设计

1.1 矿井提升机对控制系统的要求

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，静力凡也就是提升物体的净载重。由于提升系统的负载为位

的作用方向始终是提升重物的重力方向，而与系统的运势负载，所以静力F

L

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。

1.2 提升机调速控制系统方案设计

1.2.1 控制单元基本原理

我国提升机设备中，普遍使用TKD系统，这种控制系统是采用继电器有触点的逻辑控制，以磁放大器为核心组成模拟量闭环调节。在继电器控制系统中，要完成一个控制任务，支配控制系统工作的“程序”是由各分立元件(继电器、接触器、电子元件等)用导线连接起来加以实现的，这样的控制系统称为接线程序控制系统。在接线程序控制系统中，控制程序的修改必须通过改变接线来实现。几十年来，这种控制系统由于受元件水平的限制而存在着缺陷，突出表现在:

(1) 使用大量继电器、接触器及其它分立电子元件，系统体积大，运行噪声大，功耗高，接线复杂，故障率高，工作稳定性和可靠性差，控制速度慢，控制精度差，功能改变难度大，使用寿命短。

(2) 在启动过程中，由于罐笼的实际载重量不同，实际的加速过程并非按照预定的设计参数运行，常常出现停车不准确甚至提前停车现象。

(3) 采用磁放大器做调节控制，稳定性差，线性度差，调速精度很难保证。

(4) 系统安全保护环节不全面，工作不可靠，故障显示不直观，分析查找故障难度大，缺乏运行参数显示功能.

(5) 调速性能差，机械冲击大，人员乘车舒适性差。

这些不足主要是因为采用继电器控制方式造成的，在这种控制方式下继续改善的余地不大。如果对该竖井提升机电控系统进行技术改造，那么需要改变控制策略，采用当代高新实用技术来控制，使之成为安全、可靠、高效率、自动化程度高的电控系统。是可编程序逻辑控制器，简称PLC，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的输入喻出回路均带有光电隔离等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2-2为可编程控制器控制系统。其输入设备和输出设备与继电器控制系统相同，但它们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。

输入设备

按钮、限位开关、

操作手柄

可编程控制器

输出设备

继电器和电磁阀

被控制的机械设备或生产过程

可编程控制器控制系统框图

可编程逻辑控制器因为其具有高可靠性以及软件可编程的优点，在现代

控制中越来越广泛的应用。

对于一般提升机电控系统来说，采用一套中小容量的PLC即可满足要求，其价格也不高.如果采用PLC技术对TKD-A电控系统进行改造，把原来由各种电器通过连线而实现的逻辑控制改由PLC通过软件编程实现，则控制线路将大大简化，设备体积、设备维修量将大大减小，抗干扰能力将大大增强，工作可靠性将大大提高，工艺改变时只需要改变控制程序即可。改造时保持原有的操作方式、按钮、开关、主令控制器作用不变，则用户使用起来将非常方便，不需要适应期。同时可以利用PLC的高速计数功能、网络通信功能、故障检测及诊断功能、信号显示功能等来增加一些新的控制功能，安全性将大大提高，运行将更加平稳、准确，完全能够满足矿山生产的苛刻要求，而且投资相对较少，性价比较高，具有很强的实用价值。

1.2.2 调速装置

矿井提升机，从电力拖动而言，可分为交流拖动和直流拖动两大类。我国目前正在服务的矿井提升机的电控系统中，属于交流拖动的有转子电路串电阻的调速系统:属于直流拖动的有直流发电机与直流电动机组成的G-M调速系统和晶闸管整流装置供电的V-M调速系统。

直流拖动系统一般采用他励电动机作为主拖动电机，它具有调速性能好，低速阶段运行稳定，在加速，减速和低速运行时的电耗小，容易实现自动化控制等优点.根据供电方式的不同，直流拖动系统又可分为两类，一类是发电机组供电的系统(简称G-M系统)，一类是晶闸管供电的系统(简称V-M 系统)。

G-M系统的特点是过载能力强，所需设备均为常规定型产品，供货容易，运行可靠，维护工作量大但是技术要求不高，对系统以外的电网不会造成有害的影响，即不会引起电力公害等。

与G-M系统相比，V-M系统具有以下优点:功率放大倍数高，G-M系统的功率放大倍数在101左右，V-M系统可高达104，比G-M系统高三个数量级;快速响应性好，G-M系统为秒级，V-M为毫秒级，因而动态品质快速性能较好;功耗小、效率高，G-M系统平均效率为75%左右，V-M系统可达85%左右，比G-M系统效率提高10%以上;调速范围大，由于剩磁影响，G-M系统在调速时转速受到限制，而V-M系统调速时速度从零到最大速度都能控制，运行可靠。

直流拖动系统具有调速性能好的特点，是交流拖动系统无法相比的。而V-M系统由于具有以上一些突出的特点，因此，目前在大型提升机方面，世界各国大多采用直流拖动方案，尤以V-M系统为主。但是根据国内生产实践经验表明，V-M系统尚存在以下缺点:

(1) 晶闸管元件的过载能力(过电压、过电流)较低，因此在矿井提升机系统中作为供电元件时，为了适应瞬时过载(例如提升机的加速阶段)的需要，通常将元件的容量和耐压等级都相应增大，或者增加使用的晶闸管元件数量，使元件作串联或并联运行，即使用的元件在正常负载时处于低负载(降级使用)，以确保在过载的加速阶段，晶闸管元件的负载仍然在额定负载的范围内，不致由于出现过负荷时使晶闸管元件烧毁。但由于这种降级使用，也给生产维护上增加了困难。

(2) 有冲击性的无功功率。由于高次谐波的影响，使电网电压的波动加大并导致畸变，即所谓引起“电力公害”:同时低速时功率因数也较低。

目前,在我国使用的多绳摩擦轮提升机，G-M直流拖动占一定比例，而进口的直流拖动提升系统，则全部采用V-M系统。

传统的串电阻交流拖动系统具有结构简单，坚固耐用，占地面积小，维护方便，运行可靠价格低廉，设备供货容易，安装调试周期短等优点.主要缺点是启动阶段电能损耗较大，当用于要求频繁启动或不同运行速度的多水平提升机时就更为不经济。但用于单水平提升时，其提升效果实际上与用发电机组供电的直流拖动系统相当。此外在调速性能方面，交流拖动系统一般不如直流拖动系统优越，但选用了动力制动、低频制动、可调机械闸、负荷测量、计算装载等辅助装置后，交流拖动系统亦可获得满意的调速性能。综上原因，交流拖动系统在我国中小型矿山或者中等深度以下矿井获得了广泛应用。

近年来交流变频调速技术迅速发展起来，调速方式的不断进步使得运用于提升机系统的交流调速技术不仅仅局限于传统的转子串电阻方式，变频调速技术也越来越多地在提升机控制系统中广泛应用，充分发挥出交流调速的优势。

目前交流调速最有前途的是变频调速技术，在变频调速技术中矢量控制和直接转矩控制都能满足提升机恒转矩负载这一特征，所以在提升机调速系

统中这两种调速方案将是重要发展方向。

1.2.3 主控系统设计

基于PLC控制的大功率矿井提升机变频调速控制系统由主控系统、变频系统、液压站、润滑站、操作台、安全保护和控制监视系统组成，系统框图如图所示。各部分功能如下。

控制监视系

统

PLC主令控制变频器

液压站

旋

转

编

码

器

M

交流提升电动机

380V

润

滑

站

操作台

保

护

和

连

接

提升机控制系统框图

第3章变频调速系统的设计

3.1 变频调速基本原理

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(DTC)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。

3.2 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1.1～1.5倍异步电动机的容量。

第4章 PLC 控制程序设计

4.1 程序设计

(1) 软件结构

由于系统控制核心主要由PCL 和上位机组成，因此，软件包括PLC 控制软件和上位机组态软件。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。上位机软件主要对系统运行状态、故障状态实时监控，对运行数据、故障数据进行存储和记忆。

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。如图5-1所示。 主程序操

作

系

统子程序调用

子程序调用

子程序调用

（循环执行）

PLC 软件结构图

(2) 设计思路软件部分说明

由于控制工艺比较复杂，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、上位机显示、故障存储、运行数据存储、中间量这五部分，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。

主程序和部分子程序分别介绍如下:

1）控制程序

控制子程序流程图如图5-2所示。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下放操作，完成对绞车的启动、加速、等速、减速、停止等运行过程的转矩和频率控制。故障时，通过对液压站电磁阀的控制，实施一二级安全制动。主要输出驱动控制功能为:a 电机变频调速控制；b 制动泵液压泵的控制；c 液压站电磁阀的控制；d 调绳调闸操作；e 安全保护、安全制动。

程序置有半自动运行(主井提升可实现自动运行)、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。

开始

AC通道

有无提升信号无轻故障

判断开车方向

润滑泵制动

泵运行否

启动电机

力矩是否达

到15%

送闸

给定速度至

曲轨速度

是否过曲

线

速度给定至

等速值

是否到减

速点

自动减速

是否进入

曲轨

减速给定至曲

轨速度

终点停车

速度小于设定值力矩低于设定值

抱闸

是否过卷

AC回路断

一级制动Y

Y

Y

Y

Y

Y 控制子程序流程图

2) 深度、速度检测子程序

速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) 程序软安全回路功能设置

在PLC软安全回路中具有如下保护接点:过卷保护、主电源失压、制动油过压、

后备保护、变频故障、操作台急停信号、减速段超速、等速段超速、爬行段超速、松绳信号、深指失效、松闸保护、错向保护、编码器失效、PLC 故障、溜车故障。以上任一故障发生均会断开安全回路实现安全制动。此外，主令零位、工作闸零位与安全回路闭锁。

PLC还完成各种保护监视功能。监控内容主要包括：超速监视、过卷

监视、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

(1)多数变频器不能适应上电运行功能，所以应对控制系统加入保护功能。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)梯形图及编程语言

二、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。

其动作过程如：

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，形成上升闭锁。此时FWD 与CM相连，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。

三、工频与变频转换

(1)工变频转换系统可使电机转速需在工频运行或变频出现故障时进行自由切换。正常工作状态，为变频调速运行。此时继电器KM2得电，KM3失电；置于变频器与电机之间的KM2常开触点闭合，跨过变频器，连接电机与三相动力电源的KM3常开触点断开。变频器接入调速回路，并接受操作台控制信号及PLC反馈信号，进行调速控制。当变频器出现故障或需要对电机进行点动调节时，按下工频按钮，使KM2断开，KM3闭合，电机进入工频状态。这样便于检修和故障排除。

(2)梯形图及编程语言

参考文献

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