矿井提升机变频调速控制系统设计

毕业设计

设计题目：矿井提升机变频调速控制系统设计学生姓名：

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二〇一五年六月一日

摘 要

矿井提升机是矿山生产中最重要的矿山设备之一，是煤炭生产运输的主要工

具。传统矿井提升机的调速性能较差，在启动、停止、制动、逻辑控制等方面存

在许多安全问题。

针对传统调速存在的不足，本设计以PLC 为控制核心器件，电气拖动部分

采用先进的变频调速方案。在控制单元给出变频器的控制命令（正转、反转、多

段速等）可使提升机按照设定的S 形速度曲线进行，满足提升阶段稳定运行的要

求。根据矿用提升机的运行特性要求，完成对提升机、变频器、PLC 的选型设

计。根据硬件系统要求画出外部接线图，并编写系统控制程序。

通过西门子translate plc S 2007-仿真软件对932/7SP Win Mincro STEP -编

写的梯形图程序进行仿真。

关键词 矿井提升机；电控系统；变频调速；PLC ；仿真

Abstract

Mine hoist is one of the most important mine equipment in mine production, and is the main tool for coal production and transportation. The speed control performance of the traditional mine hoist is poor, and there are many security problems in the aspects of starting, stopping, braking, logic control and so on.

For the shortcomings of the traditional speed control, the design takes PLC as the core device, and the electric drive part adopts advanced variable frequency speed control scheme. In the control unit, the control commands of the inverter (forward, reverse, and multiple speeds) can be used to make the hoist follow the set of the S speed curve, and meet the requirements of the stable operation of the lifting stage. According to the operation characteristic of mine hoist, the selection and design of the hoist, inverter and PLC are completed. According to the hardware system, draw the external wiring diagram and write the system control program.

Simulation of the ladder diagram program written by Microwin SP9 STEP7 by SIEMENS plc translate S7-200 simulation software.

Keywords hoist; electronic control system; frequency conversion speed control; PLC; simulation

目录

摘要............................................................................................................................. I Abstract....................................................................................................................... II 1绪论....................................................................................................................... - 1 -

1.1设计背景.................................................................................................................... - 1 -

1.2矿井提升机系统组成............................................................................................. - 1 -

1.4设计内容.................................................................................................................... - 2 -

1.5设计意义.................................................................................................................... - 2 - 2矿井提升机提升系统硬件选型设计............................................................................. - 3 -

2.1矿井提升机组成...................................................................................................... - 3 -

2.2提升容器的选型...................................................................................................... - 3 -

2.3 主井箕斗规格的选择............................................................................................. - 4 -

2.4提升机运动学分析 ................................................................................................. - 6 -

2.4.1提升速度图参数计算.................................................................................. - 6 -

2.4.2运动参数计算 ............................................................................................... - 7 -

2.5矿井提升机静、动态性能分析......................................................................... - 10 -

2.6提升电动机的选型设计 ...................................................................................... - 13 -

2.7本章小结.................................................................................................................. - 14 - 3矿井提升机变频器系统硬件选型设计 ...................................................................... - 15 -

3.1变频调速特点......................................................................................................... - 15 -

3.2变频调速的基本原理........................................................................................... - 15 -

3.3 变频器的选型设计 ............................................................................................... - 16 -

3.3.1 控制方式的选择.......................................................................................... - 16 -

3.3.2 容量的选型计算.......................................................................................... - 17 -

3.4变频器声光报警回路设计.................................................................................. - 18 -

3.5 变频器制动回路设计........................................................................................... - 19 -

3.5.1再生制动 ...................................................................................................... - 19 -

3.5.2直流制动单元 ............................................................................................. - 20 -

3.6变频器外部接线图设计 ...................................................................................... - 21 -

3.7变频器基本参数设置........................................................................................... - 21 -

3.8变频器外围设备的选型设计 ............................................................................. - 22 -

3.8.1熔断器的选型设计 .................................................................................... - 22 -

3.8.2断路器的选型设计 .................................................................................... - 23 -

3.8.3交流接触器的选型设计........................................................................... - 23 -

3.8.4热继电器选型设计 .................................................................................... - 24 -

3.8.5制动电阻选型设计 .................................................................................... - 25 -

3.9变频器的抗干扰及防止措施 ............................................................................. - 26 -

3.10 本章小结 ............................................................................................................... - 26 - 4矿井提升机PLC控制系统硬件选型设计.................................................................. - 27 -

4.1矿井提升机PLC特点........................................................................................... - 27 -

4.2PLC的I/O 点统计 ................................................................................................ - 27 -

4.3PLC的I/O端口统计 ............................................................................................. - 27 -

4.4PLC的选型 ............................................................................................................... - 28 -

4.5 PLC的外部电路接线图 ........................................................................................ - 29 -

4.6旋转编码器的选型设计 ...................................................................................... - 29 -

4.7 PLC的抗干扰措施 ................................................................................................. - 30 -

4.8本章小结.................................................................................................................. - 30 - 5提升机变频调速控制系统软件设计及仿真 ............................................................. - 31 -

5.1启动，停车程序设计........................................................................................... - 31 -

5.2上提，下放程序设计........................................................................................... - 31 -

5.3工频与变频转换程序设计.................................................................................. - 32 -

5.4提升机控制系统工作原理.................................................................................. - 33 -

5.5 提升机的控制程序流程图及子程序 ............................................................... - 33 -

5.5.1提升机的控制程序流程图 ...................................................................... - 33 -

5.5.2子程序分析.................................................................................................. - 35 -

5.6提升机PLC的程序设计 ...................................................................................... - 35 -

5.6.1程序代码语句表......................................................................................... - 36 -

5.6.2提升机PLC控制程序梯形图.................................................................. - 38 -

5.7提升机PLC控制程序仿真.................................................................................. - 42 -

5.8本章小结.................................................................................................................. - 43 - 结论...................................................................................................................................... - 44 - 参考文献 .......................................................................................................................... - 45 - 致谢.................................................................................................................................... - 46 -

1 绪论

1.1设计背景

矿井提升机是煤矿、有色金属矿中的重要运输设备，是煤矿“四大运转设备”之一，其电力传动特性复杂[4]，电动机频繁正、反向运行，经常处于过负荷运转和电动、制动不断转换的状态中[7]，它的安全性、可靠性也是至关重要，其运行性能和安全可靠性直接影响着煤炭生产，只要一发生事故使矿山正常生产中断，并造成重大的经济损失[8]。因此，提高提升机的性能和自动化水平，使其安全性、可靠性达到一个新的高度。

1.2矿井提升机系统组成

矿井提升机变频调速控制系统由：动力装置、液压站、变频器、旋转编码器、操作台、PLC、控制监视系统组成[8]，系统框图如图1.1所示。

图1.1 矿井提升机系统框图

（1）动力装置：包括主电机、减速器、卷筒，完成物料的运输任务。

（2）液压站：为提升机提供制动力，以保证系统安全可靠地工作。

（3）变频调速器：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。

（4）操作台：操作台设置两个手柄，分别用于速度辅助给定及制动力给定。

（5）控制监视系统：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。

1.4 设计内容

假设某煤矿设计年产量：t A n 万320=，采用立井开采已知数据如下：

（1）提升机每年工作日：345=n B 天；

（2）每日工作小时数：h T r 17=；

（3）单水平提升，井筒深度：m H s 590=；

（4）箕斗卸载高度：m H x 18=，箕斗装载高度：m H z 20=；

（5）散煤容重密度：3/900m kg =γ；

（6） 一套箕斗提升设备，采用多绳摩擦式提升机。

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。

本设计的主要工作有：

（1）矿井提升机提升系统硬件选型设计；

（2）矿井提升机变频器控制系统硬件的选型设计；

（3）矿井提升机PLC 控制系统硬件选型设计；

（4）矿井提升机变频调速控制系统软件设计及仿真；

（5）对设计的系统进行分析；

1.5 设计意义

目前国内提升机的调速控制系统许多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。这种控制方式存在着可靠性不高、消耗

大量电能、容易引起电气及机械冲击等很多的问题。

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

工控的PLC 来控制；变频传动装置；优化了矿井提升机调速控制系统的性能。安

全、可靠、经济、高效的矿井提升机调速控制系统是本设计的追求目标。

1.6 本章小结

本章主要分析了矿井提升机在煤矿安全生产中的作用和地位及发展现状，总

结了提升机的组成和控制系统的特征，指出了当前提升系统的一些问题，最后对

本设计主要内容及设计意义进行了介绍。

2矿井提升机提升系统硬件选型设计

2.1矿井提升机组成

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、井架、天轮、导向轮及装卸载设备等[8]。立井箕斗提升系统如图2.1所示。

图2.1 立井箕斗提升系统图

2.2 提升容器的选型

提升容器主要是底卸式箕斗和普通罐笼。箕斗的优点是：质量轻，所需井筒断面积小，装卸可自动化，且时间短，提升能力大。箕斗的缺点是：井底及井口需要设置煤仓和装卸载设备，只能提升煤炭，不能升降人员、设备和材料，井架较高，需要另设一套辅助提升设备。我国煤矿竖井提升，主井普遍采用箕斗，选择罐笼还是选择箕斗，需要根据多方面的技术、经济指标来确定。一般可以根据矿井年产量来确定；年产量在45万t以上可以选用箕斗作为提升设备，罐笼作为辅助提升设备；年产量小于45万t时，则选用罐笼作为主提升设备，而且同时完成辅助提升任务[8]。根据年产量本设计选择箕斗作为主提升设备。

2.3 主井箕斗规格的选择

当提升容器的类型确定后，还要选择容器的规格。其原则是：一次合理提升

量应该使得初期投资费和运杂费的加权平均总和最小[8]。为了确定一次合理提升

量，从而选择标准的提升容器，按以下步骤计算：

（1）提升高度:

m H H H H z x s 6282018590=++=++= （2.1）

（2）确定合理的经济速度:j v 。合理的经济速度j v 可以用下式计算：

s m H v j /106284.0)5.0~3.0(=== （2.2） 式中：H 为提升高度628m, Z H 为装载高度20m, m H Z 25~18= ;S H 为矿井深

度590m, X H 为卸载高度18m, m H X 25~15= 。

（3）初估算加速度 ：一般取 20.8/a m s =

（4）估算一次提升循环算时间 : X T

s u a v v H T j j X 3.95205.128.6210108

.01010628=++=+++=+++=θ （2.3） 式中：u 为箕斗低速爬行时间，一般取s u 10=；θ为箕斗装卸载休止时间，一般

取s 10=θ。

（5）计算每小时提升量:S A

h t t b A Ca A s r n

f S /75317

345103202.115.1.

4=????=?= （2.4） 式中：C 为提升不均衡系数，

箕斗提升C =1.15，罐笼提升C =1.2,混合提升C =1.2；n A 为矿井设计年产量320万t/a;f a 为提升富裕系数，主井提升设备对第一水平留

有1.2的富裕系数；s t 为提升设备每天工作小时数，一般为；h t s 14=;r b 为提升

设备每年工作日数，一般为d b r 300=。

（6）每小时提升次数 :s n

次383

.9536003600===X s T n （2.5） （7）计算一次合理提升量 : Q t n A Q s S 8.1938

753=== （2.6） 根据上式求出的一次合理提升量Q ，选取与Q 相等或相近的标准箕斗，其名

义装载量可以大于或小于Q 。在不加大提升机滚筒直径的条件下，应尽可能选用

大容量的箕斗，以较低的速度运行，降低能耗，减少运转费用。考虑为以后矿井

生产能力的加大留有余地，根据立井多绳规格表选择A JCY 126/20，名义载煤量

t 20，有效容积321m ，最大提升高度m 800。考虑到实际的提升速度低于s m /8，

取过卷高度m H 5=。

（8）天轮的选型

天轮分为三种：井上固定天轮；凿井及井下固定天轮；游动天轮。其结构形

式也分为三种类型：直径mm 3500时，采用模压焊接结构；直径小于3000mm 时，

采用整体铸钢结构；直径为4000mm 时，采用压膜铆接结构。本设计选择井上固

定天轮，根据《矿井运输提升》选型规则选取5

.233500TSH ，天轮直径 3.5t D m = , （9）确定井架高度 m R H H H H t g r X j 342

5.375.05101875.0=?+++=+++= （2.7） 式中：

x H 为卸载高度18m ，对于箕斗提升可取m H x 25~18=；r H 为容器全高从

容器规格表中查得为10m ；g H 为过卷高度4m ，当采用多绳摩擦提升机时，

m H g 4>；t R 75.0是一段附加距离，因为从容器连接装置上绳头与天轮轮缘的接

触点到天轮中心约为t R 75.0。

（10）计算一次实际提升量

选取标准箕斗后，根据所选择箕斗的有效容积和煤的松散容重密度计算一次

实际提升量Q '

t V Q 9.18219.0=?=='γ

（2.8）

式中：

γ为煤的松散容重3321,/900m V m kg 为标准箕斗的有效容积。

2.4 提升机运动学分析

2.4.1 提升速度图参数计算

交流拖动箕斗提升系统六阶段速度图，表达了提升容器在一个提升循环内的

运动规律[8]。箕斗提升系统六阶段速度图如图2.2所示。

2.2箕斗提升系统六阶段速度图

（1）初加速度阶段0t 。提升循环开始，处于井底装载处的箕斗被提起，而处

于井口卸载位置的箕斗则沿卸载曲轨下行，为了减少容器通过卸载曲线时对井架

的冲击，对初加速度0a 及容器在卸载曲轨内的运行速度0v 要加以限制，一般取

s m v /5.10≤。

（2）主加速度阶段1t 。当箕斗离开曲轨时，则应以较大的加速度1a 运行，直

达到最大提升速度m v ，以减少加速度的运行时间，提高提升效率。

（3）等速度阶段2t 。箕斗在此阶段以最大提升速度m v 运行，直至重箕斗将接

近井口开始减速时为止。

（4）等速度阶段3t 。重箕斗将要接近井口时，开始减速度3a 运行，实现减速。

（5）等速度阶段4t 。重箕斗将要进入卸载曲轨时，为了减轻重箕斗对井架的

冲击以及有利于准确停车，重箕斗应以4v 低速爬行。一般取s m v /5.0~4.04=，

爬行距离m h 5~5.24=。

（6）等速度阶段5t 。当重箕斗运行至终点时，提升机施闸停车。处于井底的

箕斗进行装载，处于井口的箕斗卸载。箕斗休止时间参考如下。

表2-1 箕斗提升休止时间表

2.4.2 运动参数计算

速度图是验算设备的提升能力、选择提升机控制设备及动力学计算的基础

[8]。在计算速度图参数之前，必须已知提升高度H ,最大实际提升速度m v 、及速

度图各主要参数、0a 1a 、3a 、4v 、4h 及0v 等。根据煤炭安全规程的规定，3

1,a a 均应小于2/75.0s m ，各运动参数计算步骤如下：

（1）初加速度阶段

卸载曲轨中初加速时间

s v h t 1.35

.135.222000=?== （2.9） s m t v a /48.01

.35.1000===

（2.10） 式中： 0h 为卸载距离，与箕斗形式有关，若规格表中无此项数据可以取

m h 35.20=；0v 为箕斗在卸载曲轨内运行的最大速度，取s m v /5.10=；0t 为初加

速度阶段运行时间s 1.3；0a 为初加速阶段的加速度2/48.0s m 。

（2） 主加速阶段

加速时间

s a v v t m 31.1265.05.15.9101=-=-= （2.11）

加速阶段的行程

m t v v h m 71.672

5.15.92101=+=?+= （2.12）

式中： 1t 为主加速阶段运行时间s 31.12；1h 为主加速阶段运行距离m 71.67。

（3）减速阶段

减速阶段时间

s a v v t m 5.160

.05.05.9343=-=-= （2.13） 减速阶段行程

m t v v h m 5.75.12

5.05.92343=?+=?+= （2.14）

式中： 3t 为减速度阶段运行时间s 5.1；3h 为减速度阶段运行距离m 5.7；4v 为爬行

速度s m /5.0，一般取。s m v /5.0~4.04=

（4）爬行阶段

爬行时间

s v h t 55.05.2444===

（2.15）式中：

4t 为爬行阶段运行时间s 5；4h 为爬行阶段运行距离m 5.2；取m h 5~5.24=，

自动控制取小值，手动控制取大值，参照如下。

表2-2 箕斗罐笼爬行阶段控制表

本设计选择自动控制m h 5.24=。

（5）等速阶段

等速阶段的行程

m

h h h h H h 94.5475.25.771.6735.262843102=----=----= （2.16）

等速阶段的时间 s v h t 68.575.994.547222=== （2.17） （6）抱闸停车阶段

抱闸停车时间5t ，一般取s t 15=；行程很小，可考虑包括在爬行距离内，不

另行计算；减速度5a ，一般取为2/1s m 。 2545/5.015.0s m t v a ===

（2.18） m t v h 25.02

15.02545=?=?= （2.19） 5h 可以忽略不计。

一次提升时间T 的计算

s t t t t t t T 59.80155.168.5731.121.3543210=+++++=+++++= （2.20）

一次提升循环时间

s T T x 59.1002059.80=+=+=θ （2.21）

式中：

θ为箕斗装卸载及休止时间，查表可得20为θ。

（7）提升能力验算

一次提升循环时间x T 已算出，可计算箕斗提升设备每小时提升次数s n 。

次368.3559.10036003600≈===

x s T n （2.22）

小时提升能力S A 按下式计算

kg T Q A x s 33

1071.059

.100108.196.36.3?=??== （2.23） 式中：

Q 为一次提升量kg 3108.19?。

每年实际提升能力n

A '为 a t c A t b A s s r n /1079.31

.1710173456?=??=??=' （2.24） 式中：

r b 为年工作日，345=r b 天；s t 为提升设备日工作时数，h t s 17=；c 为提升

不均衡系数，箕斗提升取15.1~1.1=c 。

箕斗提升设备的实际富裕系数f a

2.110

2.31079.366≈??='=n n f A A a （2.25） 式中：

n A 为设计年产量，a t /102.36?。

如果实际的富裕系数f a 小于1，说明设计是不合理的，应重新选择较大的m v ，

然后再计算各参数。一般1.1≥f a 为宜。本设计富裕系数大于1，完全符合标准

说明设计合理。

2.5 矿井提升机静、动态性能分析

从箕斗提升图可知，电动机提升力d F 可能为正，也可能为负[8]。初加速和主

加速合称加速段，提升机的负载静力L F 是提升物体的静载重。电动要在电动和

制动状态切换运行，不同的负载和运行阶段，电动机的运行状态也各不相同，

（1）提升机上提重物，负载静力较大，如图2.3所示。

2.3提升机上提重物，负载静力较大

加速段（1t ）, 加速段提升力0>d F ,负载静力0>L F ，提升合力为：M F

0>+=L d M F F F 。

等速段（2t ）、爬行段（4t ）和停车段（5t ），0=d F ，提升合力M F 为：

0>=L M F F

减速段（3t ），0

0>+=L d M F F F

电动机在各个阶段均工作在第一象限。

（2）提升机上提重物，负载静力较小，如图2.4所示。

2.4提升机上提重物，负载静力较小

加速段（1t ）0,0>>L d F F ,提升合力M F 为：

0>+=L d M F F F

等速段（2t ）、爬行段（4t ）和停车段（5t ），0=d F ，提升合力M F 为：

0>=L M F F

减速段（3t ），0||,提升合力M F 为：

0<+=L d M F F F

电动机在加速段和等速段工作在第一象限，在减速段工作在第二象限，爬行

段时又工作在第一象限。

（3）提升机下放重物，负载静力较小，如图2.5所示。

2.5提升机下放重物，负载静力较小

加速段（1t ），L d L d F F F F ><>||,0,0,提升合力M F 为：

0>+=L d M F F F

等速段（2t ）、爬行段（4t ）和停车段（5t ），0=d F ，提升合力M F 为：

0<=L M F F

减速段（3t ），0

0<+=L d M F F F

电动机在加速段工作在第三象限，在等速段、减速段和爬行段工作在第四象

限。

（4）提升机下放重物，负载静力较大，如图2.6所示

2.6提升机下放重物，负载静力较大

加速段（1t ），L d L d F F F F <<>||,0,0,提升合力M F 为：

0<+=L d M F F F （2.26）

等速段（2t ）、爬行段（4t ）和停车段（5t ），,0=d F 提升合力M F 为：

0<=L M F F （2.27）

减速段（3t ），0

0<+=L d M F F F （2.28）

电动机在各个阶段均工作在第四象限。根据矿井提升机的运行特点以及矿山

生产固有的特点，提升机对其电控系统的要求如下：

（1）升降物料时，加速度2

1.2/a m s ≤。

（2）具有良好的调速性能。

（3）有较好的起动性能。

（4）具备必要的连锁和安全保护环节，确保系统安全运行。 2.6 提升电动机的选型设计

为了对提升设备进行动力学计算，必须预选电动机，以便计算电动机转子的

变位质量。预选电动机必须满足功率、转速和电压三方面的要求[8]。

（1）最大提升速度m v

经济速度j v 并不是提升机的最大提升速度m v ，但m v 值尽可能接近j v 值。

）（s m i n D v e

t m /5.95

.11606005.314.360=???==π （2.29）

（2）电机转速的确定

）（m i n /59699

.1065555.314.35.95.116060r D v i n m e ==???=??=π （2.30） 考虑到箕斗容积选用较大，所以预选定同步转速 min)/(600r n t =

（3）电机功率确定 电动机功率计算结果如下

)(28572.185

.010005.98.9109.1815.110003kW kQgv P j m =??????==ρη （2.31） 式中：

P 为预选电动机的功率kW 2857;ρ为动力系数，箕斗提升取4.1~2.1=ρ，

罐笼提升取4.1=ρ；j η为减速器传动效率，一般取85.0=j η，取矿井阻力系数

15.1=k 。

（4）确定预选电动机的电压

根据矿山实际情况，一般矿用动力电源都在6KV 以上。

根据上述三个方面，结合煤矿生产特殊环境选择2150/123200-YR 大型三相交流

绕线型异步电动机，其主要技术参数如下：额定功率kW P 3200=, 额定电流

）（A 367 ,同步转速min)/(500r n =,电动机功率因数85.0=d η。

（5）电动机额定拖动力

kN v P F m d e e 3.3135

.993.0320010001000=??==η （2.32） 预选的电动机完全满足要求，并且留有一定的富裕系数。

2.7 本章小结

本章对矿井提升机提升机部分进行设计。首先介绍和分析了提升机变频调速

控制系统的组成，接着对提升容器箕斗进行选型设计，并对提升运动学、提升机

静、动态性能进行分析，最后对提升电机进行选型设计。