矿井提升机的现状与发

1 绪 论

1.1引言

矿井提升机是煤矿、有色金属矿中的重要运输设备，是“四大运转设备”之一。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。一旦提升机的行程失去控制，没有按照给定速度曲线运行，就会发生提升机超速、过卷事故，造成楔形罐道、箕斗的损坏，影响矿井正常生产，甚至造成重大人员伤亡，给煤矿生产带来极大的经济损失。

提升机电气控制系统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。所以，提升机电气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。随着矿井提升系统自动化，改善提升机的性能，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。

1.2 矿井提升机的现状与发展趋势

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方向。 1.2.1国外矿井提升机的现状

1、晶闸管一电动机(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一电动机（以下简称SCR—D)系统所取代。如德国、瑞典等国家已有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SCI—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、CEGELEC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

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和自动化，安全可靠；节电显著，5—8年可回收设备投资，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。

2、交流变频调速同步机驱动提升系统

SCR—D直流拖动系统趋于成熟，且采用了顺控技术等措施来提高功率因数，但其功率因数仍然较低，从而从电网吸收大量的无功功率，且对电网品质因数产生严重的影响，提升容量越大，问题越突出。再则，直流电机制造成本高，电枢回路的整流子限制了提升容量的进一步增加，且整流子，碳刷易磨损，加大了维护工作量，故障率高。因此换相整流子是个薄弱环节。由于存在上述两个问题，迫使人们又重新考虑交流拖动方式。自80年代初以来，交流变频供电的同步机拖动异军突起，在大型提升机中发展成为技术、经济均优的拖动方式。如SIEMENS公司1979年投运的2×4200kW、1×2650kw，额定转速55.8r/min； CEGELEC公司1983年投运的l×5480kw，额定转速69.5r/min；AEG公司1985年投运的l×3000kW，额定转速55．8r/min，ABB公司投运的l×4200kW额定转速45．86r/min；SIEMAG公司投运的2×4600kw等变频调速同步机拖动的提升机，经过多年的运行，均获得成功。

这种拖动系统主要有如下优点：①提升容量几乎不受限制，最大达10000kw，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；②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；⑨功率因数高，可达0.9—l，极大地节省了电能：④动态品质好(和直流系统相同)，系统可在四象限平滑过渡和无级调速；⑤由于机械特性好，故起动转矩大。⑥同步机的价格和有色金属的消耗低于直流机；⑦调速范围宽。因此，多数专家认为，变频同步机拖动调速系统是大型提升机拖动的必然发展方向。

这种拖动系统的缺点是：①必须有专用的变频电源；②在恒转矩调速时，低速段电机的过载倍数有所降低；③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。

3、微机控制在提升机上的应用

从70年代开始，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，国外己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：

(1) 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。如AEG公司采用CP一80微机、ABB公司采用MASTER—200和SIEMENS公司采用S5一150等微

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机实现的变频控制，都获得了相当成功。它们把控制、监视、基准值预测以及模拟控制等组合在公共的微机控制总线上．组成静止变流器的传动控制，计算机实现速度及多个变量的调节。

(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，要保证提升罐笼在预定地点准确停车，要求准确度高，目前可达±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、井筒位置、滚筒及钢丝绳磨损等信号进行处理，计算出罐笼准确的位置而施以控制和保护。在罐笼提升时可实现无爬行提升，大大提高了提升能力。如AEG、ABB、SIEMENS等公司已采用32位微机来构成行程给定器，并还提供性能不尽相同的机械行程控制器。一般过程控制用微机不同时用于监视，行程控制也采用单独微机完成，从而大大提高了系统的可靠性。

(3) 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：①提升过程中各工况参数（如速度、电流）监视；②各主要设备运行状态监视；③各传感器（如位鼍开关、停车开关）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。

(4) 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：①报警显示，

3立即进行电如冷却器温度过高等；②二次不能开车，如电机绕组过热、制动油过热等；○

气制动，如停车终点设备出现故障时本次提升应尽快停下来；④立即进行安全制动，如过卷、超速等。安全回路极为重要，它是保护的最后环节之一，英，德等公司都采用两台PC微机构成安全回路，使安全回路具有完善的故障监视功能．无论是提升机还是安全回路本身出现故障时都能准确地实施安全制动。

(5) 制动系统的控制与监视

制动(可调闸)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(如油压、闸瓦磨损等)的监视，其技术要求与安全回路相似。如西门子公司采用两套可编程控制器(PLC)的双重控制与保护系统。

(6) 全数字化调速控制系统

德国AEG公司的Logidyn D(32位机)、西门子公司的Siemadyn D(16位机)以及ABB公司的Tyrak(16位机)系统都已应用于提升机上。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

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平和计算机知识。

4、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。 1.2.2国内提升机的现状与发展趋向

1、国内提升机电气传动系统现状

对于大型矿井提升机，主要采用晶闸管变流器—直流电动机传动控制系统和同步电动机矢量控制交一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高自动化运行，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，中小矿井难以承受。

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，即TKD电控系统。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。

2．研制与发展．

(1) 国产大型直流提升机及电控系统正在逐步完善和推广使用。

(2) 在国内高压变频器应用领域，国产厂家占总供应商的比例在80%以上，但国产产品的应用基本集中在300KVA—3000KVA容量段，而在5000KVA以上超大功率产品基本上被ABB、西门子、东芝、三菱等跨国公司所垄断。前段时间智光电气成功研制7000KVA级超大功率高压变频器，将会改变未来市场竞争格局。

(3) 可编程控制器（PLC）在提升机电控系统的应用

可编程控制器（PLC）具有可靠性高、抗干扰能力强、实现继电逻辑容易，基本免于维护等独特优点，特别适用于对我国占大部分的交流提升机继电一接触器电控系统进行技术改造。目前，已用可编程控制器（PLC）对TKD电控系统进行改造后显示出了很强的生命力。这是今后一段时期对我国占绝大多数采用继电控制的交流提升系统进行技术改造的必由之路。

1.3本论文选题依据及主要研究内容

1.3.1选题依据

传统控制系统使提升机运行的可靠性和安全性不能得到有效的保障。因此，需要研制更加安全可靠的控制系统。在提升机控制系统中应用计算机控制技术和变频调速技术，对原有提升机控制系统进行升级换代。

可编程控制器（PLC）是目前工业控制最理想的机型。而在PLC电控系统的基础上配

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合变频调速装置，运用先进的矢量控制技术，不但适合提升机运行工艺的要求，还将解决整套提升机系统的电力拖动方面的一系列问题。变频装置取代复杂的串联电阻切换装置，对提升机运行速度曲线、转矩大小的要求都由变频器来完成，简化了控制操作流程，提高了控制精度。

经过调研和论证，开发研制基于 PLC 控制的矿井提升机变频调速控制系统对提高矿井提升机的安全性、可靠性、以及运输效率具有重要的现实意义。 1.3.2本论文承担的任务

本课题拟解决的关键问题是控制策略研究，提升机是矿山生产中的关键设备，它属于大转动惯量机-电-液系统，提升机要按所要求的速度图运行，否则在系统中容易产生大的惯性力，降低机器的寿命，甚至产生脱轨等恶性事故。控制策略研究就是要通过电液控实时地、准确地使提升机按给定的速度图运行，使控制系统的精度和稳定性满足提升机运行的要求。

本论文研究目标是以潞安王庄煤矿副斜井提升机电气改造为背景，将可编程控制器（PLC）与变频器相结合对现有的提升机电控系统进行改造设计。设计中充分考虑到保护系统恶劣的使用环境，采用控制功能强大的PLC来代替传统的大型交流接触器，简化了控制线路，并应用各种现场抗干扰措施，包括采用电抗器、空气开关、及RC防浪涌震荡电路等。

本论文承担的主要任务如下： 1．提升机电控系统主电路部分设计； 2．控制系统软件部分设计；

3．行程控制算法分析和S形速度给定曲线的算法分析； 4．保护及抗干扰措施；

1.4小结

本章详细介绍了当前国内外矿井提升机的现状与发展趋势，阐述了本论文选题依据，在此基础上提出了本文所承担主要任务和研究的主要内容为：提升机电控系统主电路设计部分设计、控制系统软件部分设计、行程控制算法分析和S形速度给定曲线的算法分析、保护及抗干扰措施。在完成以上设计内容时，此调速控制系统才能成为一个有机的整体，才能安全可靠的工作，并达到预期的控制效果。

2 矿井提升机调速控制系统分析

2.1引言

潞安王庄煤矿副斜井担负着全矿物料以及特殊时期的人员提升的重要任务，电控系统采用交流绕线式电机串电阻调速系统，电阻的投切用继电器—交流接触器控制。这种控制系统由于调速过程中交流接触器动作频繁，设备运行的时间较长，交流接触器主触头易氧

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化，引发设备故障。另外，提升机在减速和爬行阶段的速度控制性能较差，经常会造成停车位置不准确；提升机频繁的起动﹑调速和制动，在转子外电路所串电阻上产生相当大的功耗，节能较差；这种交流绕线式电机串电阻调速系统属于有级调速，调速的平滑性差；低速时机械特性较软，静差率较大；起动过程和调速换挡过程中电流冲击大；中高速运行震动大，安全性较差。鉴于此有必要对提升机的控制方式及调速性能做进一步的分析。

2.2提升机工作原理及对电气控制系统的要求

2.2.1提升机工作原理

矿井提升机是以电动机为动力源，通过减速器将动力传给缠绕钢丝绳的滚筒，实现容器的提升下放，通过电气传动实现调速，盘型制动器由液压和电气控制进行制动，通过位置指示系统实现容器的深度指示，通过各种传感器、测速发电机控制元件，组成安全保护系统。

矿井提升的整个过程可以分为五个阶段加速阶段、等速阶段、减速阶段、爬行阶段、停车抱闸阶段。加速阶段是提升机从静止状态起动加速到最高速度；等速阶段是提升机的主要运行阶段，提升机以最高速度稳速运行；减速阶段是提升机从最高速度减速到爬行速度；爬行阶段是罐笼定位和准备安全停车阶段。 2.2.2矿井提升机对电气控制系统的要求

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。

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。

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。

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潞安王庄煤矿副斜井提升机资料：提升机于1960年投入使用，型号2BM―2500/1200―

2，生产厂家系洛阳矿山机械厂；电机功率160KW；滚筒直径2.5m；最大提升速度3.82m/s；提升距离487m，倾角25°；减速机速比20。副斜井提升机的机械传动系统结构示意图如图2—1所示：

2.3提升机调速控制方式及调速性能分析

矿井提升机电力拖动部分有直流调速和交流调速两种调速控制方式。其各有优缺点，下面分别叙述。

2.3.1提升机直流调速性能分析

直流电动机的稳态转速可表示为：

nUIR Ke式中：n—转速（r/min）；

U—电抠电压（V）：

I—电抠电流（A）； R—电抠回路总电阻（）；

—励磁磁通（Wb）；

Ke—由电机结构决定的电动势常数。

由上式可以看出，有三种调节电动机转速的方法： 1） 调节电抠供电电压U； 2） 减弱励磁磁通； 3） 改变电抠回路电阻R。

对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电抠供电电压的方式为最

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好。改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只能配合调压方案，在基速（额定转速）以上作小范围的弱磁升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以变压调速为主。根据系统供电形式的不同，变压调速系统可分为以下三种：发电机—电动机调速系统、晶闸管整流器—电动机调速系统及直流脉宽调制（PWM）系统。

1、发电机—电动机调速系统（G-M系统）

发电机－电动机系统是以旋转变流机组作为可控电源的供电的直流调速系统，该系统的主要部件为直流发电机G，直流电动机M，故简称G－M系统。国际上通称为Wand－Leonand系统。直流发电机G由原动机M（交流异步电动机或同步电动机）拖动，G和

M分别是发电机和电动机励磁回路的磁通。系统由原动机拖动直流发电机，改变发电机

励磁回路的磁通G即可改变发电机的输出电压UG也就改变了直流电动机的电枢电压Ud，从而实现调压调速的目的。这种调速系统，设备多、体积大、费用高、效率低、安装需打地基、运行有噪声、维护不方便。目前仅在尚未更新设备的地方应用。

2、晶闸管整流器—电动机调速系统（V-M系统）

晶闸管－电动机系统是由晶闸管可控整流电路给直流电动机供电的系统，简称V－M系统，又称静止的Wand－Leonand系统。这类系统通过改变给定电压Uc来改变晶闸管整流装置的触发脉冲的相位，从而可改变晶闸管整流器的输出电压Ud的平均值，进而达到改变直流电动机转速的目的。与G-M系统相比，此系统在经济性、可靠性及技术性能上也有较大的优势。其设备简单，调速更快。但此系统只允许电机在I、IV象限运行，不能满足提升机四象限运行的要求；且低速运行时，产生较大的谐波电流，引起电网电压小型畸变，形成污染。

3、直流脉宽调制（PWM）系统

直流脉宽式调速系统，核心是脉冲宽度调制器（Pulse Width Modulation ，缩写为PWM），它是通过改变脉冲宽度的控制方式对直流电源进行调制，从而改变输出电压平均值的方法，是在V－M调速系统的基础上，以脉宽调制式直流可调电源取代晶闸管相控整流电源后构成的直流电动机速度调节系统。与V-M系统相比，直流PWM调速系统性能更优越：a、低速运行平稳，调速精度高，调试范围宽b、快速响应性能好，动态抗干扰能力强；c、电机损耗及发热小。 2.3.2提升机交流调速性能分析

根据被控对象一交流电动机的种类不同，交流调速系统可分为异步电动机调速系统和同步电动机调速系统。

1、同步电动机调速系统的基本类型

由同步电动机转速公式n60fsnp，(fs为定子供电频率，np为电动机极对数)可知，同步电动机唯一依靠变频调速。根据频率控制方式的不同，同步电动机调速系统可分为两类，即他控式和自控式同步电动机调速系统。

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① 他控式同步电动机调速系统

用独立的变频装置作为同步电动机的变频电源叫做他控式同步电动机调速系统。他控式恒压频比的同步电动机调速系统目前多用于小容量场合，例如永磁同步电动机、磁阻同步电动机。

② 自控式同步电动机调速系统

采用频率闭环方式的同步电动机调速系统叫做自控式同步电动机调速系统，是用电机轴上所装转子位置检测器来控制变频装置触发脉冲，使同步电动机工作在自同步状态。自控式同步电动机调速系统可分为两种类型：负载换向自控式同步电动机调速系统(无换向器电机)、交一交变频供电的同步电动机调速系统。

2、异步电动机调速系统的基本类型

由异步电动机工作原理可知，从定子传入转子的电磁功率pm。可分为两部分：一部分pd(1s)pm是拖动负载的有效功率；另一部分是转差功率psspm，与转差率s成正比。转差功率如何处理，是消耗掉还是回馈给电网，可衡量异步电动机调速系统的效率高低。因此按转差功率处理方式的不同可以把异步电动机调速系统分为三类。

① 转差功率消耗型调速系统．

将转差功率全部转换成热能的形式而消耗掉。晶闸管调压调速属于这一类。这类系统的效率最低，是以增加转差功率的消耗为代价来换取转速的降低。但是由于这类系统结构最简单且易实现自动控制，所以对于要求不高的小容量（100KW以下）场合还有一定的用途。

② 转差功率回馈型调速系统

将转差功率一小部分消耗掉，大部分则通过变流装置回馈给电网。转速越低，回馈的功率越多。绕线式异步电动机串级调速和双馈调速属于这一类。显然这类调速系统效率最高，但系统的功率因数低。

③ 转差功率不变型调速系统

转差功率中转子铜损部分的消耗是不可避免的，但在这类系统中，无论转速高低，转差功率的消耗基本不变，因此效率很高。变频调速属于此类。变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。目前在交流调速系统中，变频调速应用最多、最广泛，可以构成高动态性能的交流调速系统。变频调速技术及其装置仍是21世纪的主流技术和主流产品。

综上所述，直流调速的电枢和励磁是分开的，能够精确控制；且直流调速转矩速率特性好并能在大范围内平滑地调速，因此在矿井提升系统中得到广泛应用。机械式换向器和电刷是直流电动机的重要部件。机械式换向器表面线速度及换向电流、电压有极限容许值，这就限制了电机的转速和功率。如果要超过极限容许值，则大大增加电机制造的难度和成本，以及调速系统的复杂性。因此，在工业生产中，对转速要求高、大功率的场合则根本无法采用直流调速方案；在实际应用中，电刷磨损严重，且在负载工作条件下，出现打火现象，甚至形成环火，极易造成电枢两极短路，危及整个系统的安全。由此可见，这将

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使得直流调速系统的应用也相应受到了限制。然而，采用无换向器的交流电动机组成的交流调速系统代替直流调速系统可以突破这些限制，满足生产发展对调速传动的各种不同的要求。交流电动机是多变量、非线性、强耦合的被控对象，采用参数重构和状态重构的现代控制理论概念可以实现交流电动机定子电流的励磁分量和转矩分量之间的解耦，实现了将交流电动机的控制过程等效为直流电动机的控制过程，使交流调速系统的动态性能得到了显著的改善和提高，从而使交流调速最终取代直流调速成为可能。目前对调速性能要求较高的生产工艺已较多的采用了矢量控制型的变频调速装置。实践证明，采用矢量控制的交流调速系统的优越性高于直流调速系统。

2.4 提升机调速控制方案分析

提升机在选用调速控制系统时要按负载的特性要求，并结合矿井的生产规模，以达到经济、实用为目的。常用的控制方案主要有：转子回路串电阻调速、模糊控制、直接转矩等。

2.4.1绕线型异步电动机转子回路串电阻调速系统

传统矿井提升机交流拖动系统中选用绕线型异步电动机作为主拖动电动机，电动机的转子回路串接电阻或频敏变阻器，可以改善动态性能，不但可以减小启动电流，还可以增加启动转矩，并能在一定范围内进行调速。提升机转子串入五段电阻调速原理如图2-2所示。

图2-2 提升机五段转子串电阻调速原理图

这种调速方法的电动机转速调节是通过改变转子回路串联的附加电阻来实现的。显然这是有级调速，并且调速时能耗很大，属转子功率消耗型调速方案。在加速阶段和低速运行时，大部分能量以热能的形式消耗掉了，因此电控系统的运行效率较低。

在加速过程中，交流接触器 KM1、KM2、KM3、KM4、KM5逐级吸合，转子回路电阻依次减小，以保证加速力矩的平均值不变。如果要求提升机低速运行，则需在转子回路串较大电阻。为了解决减速段的负力要求，通常采用动力制动方案，即将定子侧的电源切除，施加直流电压，或在定子绕组上施加低频电源，让电动机工作在发电状态。这种拖动方案存在的问题是：

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1）开环有级调速，加速度难以准确控制，调速精度差；

2）触点控制，大量使用大容量开关，系统维护工作量大，可靠性差； 3）运行效率低，在低速时大部分功率都消耗在电阻上；

4）电机的机械特性偏软，一般电阻上消耗的功率约为电动机输出功率的 20~30%。 虽然这种调速方案存在着调速性能差，运行效率低、运行状态的切换死区大及调速不平滑等缺点，但控制方式简单、初期设备投资小、维护容易、操作方便，目前在我国中小型矿井这种方案使用得相当普遍，以后将面临着技术改造的问题。 2.4.2 模糊控制调速系统

1、模糊控制的基本思想

模糊控制（Fuxxy Control）的基本思想是把人类专家对特定的被控对象或过程的控制策略总结成一系列以“IF（条件）THEN（作用）”表达式形式表示的控制规则，通过模糊推理处理得到控制作用集，作用于被控对象或过程控制，作用集为一组条件语句，状态条件和控制作用均为一组被量化了的模糊语言集，如“正大”、“负大”、“高”、“低”、“正常”等。一般的模糊算法包括以下五个步骤：

① 定义模糊子集，建立模糊控制规则； ② 由基本论域转化为模糊集合论域； ③ 模糊关系矩阵运算；

④ 模糊推理合成，求出控制输出模糊子集； ⑤ 进行逆模糊运算、模糊判决，得到精确控制量；

在模糊控制系统中，模糊控制器是整个控制系统的核心。模糊控制器主要由模糊化接口、知识库、模糊推理、清晰化(解模糊接口)四部分组成。模糊化接口接受的输入只有误差信号e，由e再生成误差变化率模糊化接口主要完成论域变换和模糊化两项功能。知识库中存贮着有关模糊控制器的一切知识，它们决定着模糊控制器的性能，是模糊控制器的核心。模糊控制应用的是广义前向推理，它具有模拟人的基于模糊概念的推理能力。由模糊推理结果产生模糊控制器的输出，解模糊接口主要完成以下两项工作:解模糊和论域反变换。

2、提升机模糊控制系统原理图

在对电机的转速控制中，采用二维的输入变量即使用误差和误差的变化率。实现模糊控制的原理框图如图2—3所示：

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PLC通过采样获取被控量的精确值，然后将此量与给定值进行比较得到误差信号e、误差变化率de/dt，把误差信号和误差变化率的精确量模糊化变成模糊量E、Ec再经过模糊推理得到模糊控制量U，进行解模糊处理得到控制信号u，送入变频器从而对被控对象实施控制。

3、模糊控制的特点

模糊控制与常规控制相比，具有以下优点:

① 它是一种非线性的控制方法，工作范围宽，适用范围广，特别适合于非线性系统的控制。

② 模糊控制完全是在操作人员控制经验基础上实现对系统的控制，无需建立被控对象的数学模型，是解决不确定系统的一种有效途径。

③ 模糊控制具有较强的鲁棒性，被控对象参数的变化对模糊控制的影响不明显，可用于非线性、时变、时滞系统的控制。

④ 模糊控制的机理符合人们对过程控制作用的直观描述和思维逻辑，由工业过程的定性过程出发，较易建立语言变量控制规则。

⑤ 由离线计算得到控制查询表，提高了控制系统的实用性。

⑥ 由不同的观点出发，可以设计几个不同的指标函数，但对一个给定的系统而言，其语言控制规则分别独立，通过整个控制系统协调，可以取得总体的协调控制。

模糊控制的主要缺陷是:

① 信息简单的模糊处理导致系统的控制精度降低和动态品质变差，若要提高精度则必然增加量化级数，从而导致规则搜索范围扩大，降低决策速度，甚至不能实时控制。

② 模糊控制的设计尚缺乏系统性，无法定义控制目标，控制规则的选择、论域的选择、模糊集的定义、量化因子与比例因子的选取等大多采用试凑法，这对复杂系统的控制是难以奏效的。为了使模糊控制器的参数或者规则在控制过程中能够自动地调整、修改和完善，模糊控制器的设计自然而然地向着自适应、自校正的方向发展。 2.4.3 直接转矩控制系统

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直接转矩控制系统简称DTC(Direct Torque Control)是在20世纪80年代中期继矢量控制技术之后发展起来的一种高性能异步电动机变频调速系统。1977年美国学者A.B.Plunkett在IEEE杂志上首先提出了直接转矩控制理论，1985年由德国鲁尔大学Depenbrock教授和日本Tankahashi分别取得了直接转矩控制在应用上的成功，接着在1987年又把直接转矩控制推广到弱磁调速范围。不同于矢量控制，直接转矩控制具有鲁棒性强、转矩动态响应速度快、控制结构简单等优点，它在很大程度上解决了矢量控制中结构复杂、计算量大、对参数变化敏感等问题

传统的直接转矩控制技术的主要问题是低速时转矩脉动大。为了降低或消除低速时的转矩脉动，提高转速、转矩控制精度，扩大直接转矩控制系统的调速范围，近些年来提出了许多新型的直接转矩控制系统。虽然这些新型直接转矩控制技术在不同程度上改善了调速系统的低速性能，但是其低速性能还是不能达到矢量控制的水平。最近出现了一种间接转矩控制技术，受到了很多学者的关注。间接转矩控制技术具有优良的低速性能，另外由于其独特的控制思想可以降低逆变器的开关频率，从而特别适用于大容量调速场合。

直接转矩控制的目标是:通过选择适当的定子电压空间矢量，使定子磁链的运动轨迹为圆形，同时实现磁链模值和电磁转矩的跟踪控制，其系统结构图如图2—4所示。

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在图2—4中，定子磁链和电磁转矩分别采用闭环控制，Ψs*、Tei*分别为定子磁链模值和电磁转矩的给定信号，、分别为定子磁链模值和电磁转矩的估计值，作为反馈信号使用。根据误差信号，转矩调节器输出转矩增、减控制信号CT; 磁链调节器输出磁链增、减控制信号CΨ。开关表根据CΨ、CT以及估计器输出的磁链扇区信号，选择正确的定子电压空间矢量，输出控制字SA,B,C给逆变器。

从图2—4中可以看出，和矢量控制相比直接转矩控制具有结构简单，转矩响应速度快、对参数变化鲁棒性强的优点。直接转矩控制的主要缺点是在低速时转矩脉动大，其主要原因是:

(1) 由于转矩和磁链调节器采用滞环比较器，不可避免地造成了转矩脉动;

(2) 在电动机运行一段时间之后,电机的温度升高,定子电阻的阻值发生变化,使定子磁链的估计精度降低，导致电磁转矩出现较大的脉动;

(3) 逆变器开关频率的高低也会影响转矩脉动的大小，开关频率越高转矩脉动越小，反之开关频率越低转矩脉动越大。 2.4.4 矢量控制变频调速系统

上世纪70年代西门子工程师F.Blaschke首先提出异步电机矢量控制理论来解决交流电机转矩控制问题————通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。以后在实践中许多学者进行了大量的工作，经过不断的改进，历经此后几十年的时间，达到了可与直流调速系统的性能相媲美的程度。具体步骤是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量 (励磁电流) 和产生转矩的电流分量 (转矩电流) 分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。简单地说，矢量控制就是将磁链与转矩解耦，有利于分别设计两者的调节器，以实现对交流电机的高性能调速。这样就可以将一台三相异步电机等效为直流电机来控制，因而获得与直流调速系统同样的静、动态性能。

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图2-5 矢量控制过程框图

矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。

基于转差频率控制的矢量控制方式同样是在进行U / f ＝恒定控制的基础上，通过检测异步电动机的实际速度n，并得到对应的控制频率f，然后根据希望得到的转矩，分别控制定子电流矢量及两个分量间的相位，对通用变频器的输出频率f进行控制的。基于转差频率控制的矢量控制方式的最大特点是，可以消除动态过程中转矩电流的波动，从而提高了通用变频器的动态性能。早期的矢量控制通用变频器基本上都是采用的基于转差频率控制的矢量控制方式。

无速度传感器的矢量控制方式是基于磁场定向控制理论发展而来的。实现精确的磁场定向矢量控制需要在异步电动机内安装磁通检测装置，要在异步电动机内安装磁通检测装置是很困难的，但人们发现，即使不在异步电动机中直接安装磁通检测装置，也可以在通用变频器内部得到与磁通相应的量，并由此得到了所谓的无速度传感器的矢量控制方式。它的基本控制思想是根据输入的电动机的铭牌参数，按照转矩计算公式分别对作为基本控制量的励磁电流（或者磁通）和转矩电流进行检测，并通过控制电动机定子绕组上的电压的频率使励磁电流（或者磁通）和转矩电流的指令值和检测值达到一致，并输出转矩，从而实现矢量控制。

采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配，而且可以控制异步电动机产生的转矩。由于矢量控制方式所依据的是准确的被控异步电动机的参数，有的通用变频器在使用时需要准确地输入异步电动机的参数，有的通用变频器需要使用速度传感器和编码器，并需使用厂商指定的变频器专用电动机进行控制，否则难以达到理想的控制效果。目前新型矢量控制通用变频器中已经具备异步电动机参数自动检测、自动辨识、自适应功能，带有这种功能的通用变频器在驱动异步电动机进行正常运转之前可以自动地对异步电动机的参数进行辨识，并根据辨识结果调整控制算法中的有关参数，从而对普通的异步电动机进行有效的矢量控制。除了上述的无传感器矢量控制和转矩矢量控制等，可提高异步电动机转矩控制性能的技术外，目前的新技术还包括异步电动机控制常数的调节及与机械系统匹配的适应性控制等，以提高异步电动机应用性能的技术。为了防止异步电动机转速偏差以及在低速区域获得较理想的平滑转速，应用大规模集成电路并采用专用数字式自动电压调整（AVR）控制技术的控制方式，已实用化并取得良好的效果。

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2.5小结

本章结合潞安王庄煤矿生产实际情况，阐述了提升机工作原理及对电气控制系统的要求；并给出该矿副斜井提升机传动系统图，使提升机的工作原理更加清晰。王庄煤矿副斜井提升机电控系统是古老的转子串电阻调速，存在很多的安全隐患，急需改进。改进后的电控系统采用什么控制方案更加合理，采用交流还是直流调速，到底哪种调速方法调速性能更好。针对这种种疑问，本章分别对提升机直流调速和交流调速的调速性能进行分析，并就目前存在的几种高精控制系统进行分析，并与目前技术已经成熟的提升机变频调速控制系统做比较，这些工作对确定提升机控制方案提供了很大帮助。设计中同时考虑到串电阻调速系统控制器件多、电路复杂的缺点，所以将可编程控制器（PLC）应用于控制系统。最后确定提升系统的整体控制方案为:基于PLC控制的大功率矿井提升机变频调速控制系统。

3 提升机调速控制系统硬件实现

3.1引言

经过分析比较，权衡各种控制方案的优劣，结合提升机调速系统属于恒转矩负载特性，最终选择PLC与变频器相结合的变频调速方案，其变频控制方式为：矢量变频调速控制。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，变频调速是通过改变定子供电频率来达到电机调速的目的，无论转速高低，其机械特性基本上与自然机械特性平行，能够满足提升机特殊工作环境的要求且有着明显的节电效果；采用PLC对提升系统进行保护和监控，使系统更加安全可靠。变频调速系统将是提升机电控系统的发展方向。

3.2矿井提升机电控系统总体结构

3.2.1矿井提升机控制系统组成

基于 PLC 的矿井提升机变频调速控制系统由动力系统、液压系统、监控系统、安全回路、控制核心和检测系统组成，系统框图如图3-1所示。

1、动力系统

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、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

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。

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3、控制核心

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。

图3-1 矿井提升机控制系统框图

4、监控系统

监控系统是操作人员和控制系统及运输系统之间的桥梁，包括工控机、触摸屏和接入矿调度系统的工业以太网。触摸屏上显示提升容器在井筒中的位置。工控机通过与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、安全回路

安全回路是保证整个系统正常运行的关键，包括硬件和软件两条安全回路，安全电路相互冗余与闭锁，一条断开时，另外一条也同时断开。硬件安全回路通过硬件回路实现，无论PLC单元是否正常工作，一旦出现重度故障信号，硬件安全回路马上断开；软件安全回路在PLC软件中搭建，与硬件安全回路同时动作。安全电路断开后，系统会立即解除运行控制指令，封锁变频器，制动油泵，断开安全阀和 KT 线圈，进行紧急制动。

6、检测系统

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检测系统主要由电流、电压检测单元和旋转编码器构成，主要检测主电动机的电压、电流及转速，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。

3.2.2 变频调速控制系统工作原理

变频调速控制系统内部采用矢量控制思想，AC380V三相动力电源由隔爆接线腔R,S,T 3个接线柱接入隔爆主腔内，大功率变频可以将工频三相交流电经过交—直变换之后经过逆变器，利用设定的参数进行逆变，使得输出为某一相应设定频率的交流电，经变频后输出U,V,W来驱动电机的运行。变频器输出频率的变化，将导致电动机的输出转速变化，二者之间的关系近似线性。这样，就起到了调速的作用。

在提升过程中，控制提升机运行的主速度给定S形速度曲线由PLC编程产生，经过A/D转换，由模拟量输出口输出，以驱动变频器工作；对变频器输出频率的调整控制，也可根据现场的工况需要，由操作台速度控制手柄以辅助给定的方式进行控制。

旋转编码器可以检测主电动机的转速，并将此信号传送给可编程控制器，PLC通过该信号可以累计计算提升机的行走距离。操作人员通过操作台向PLC发送控制提升机运行的控制命令。控制监视系统通过与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。

3.3 提升机电控系统变频器硬件实现

3.3.1 变频调速主系统设计

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图3-2 变频调速系统主回路电路图

变频调速单元采用森兰SB70G系列SB70G200T4通用变频器，其变频调速系统主回路电路图如图3—2所示。SB70G系列变频器采用转子磁场定向的矢量控制方式实现了对电机大转矩、高精度、宽范围调速，可靠性高，功能强大。

1、提升电动机选择

一般电动机的额定电流可以用如下公式计算，即：

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I0P

3UIcos根据上述公式对一般三相交流异步电功机的额定电流计算得出：异步电动机的额定电流与电动机额定功率的关系为：如果U＝380V，电流大约为1kW是2A。因此．在选择电动机的保护元件时可以用1kw2A来估算电动机的额定电流值，从而达到快速选择保护元件的目的。

本变频调速系统所选电动机为：QABP系列变频调速三相异步电动机(ABB)。其技术数据如表3—1所示：

表3-1 QABP系列8级电机（50HZ同步转速750r/min）

标称功率 型 号 （KW） 355M8B 160 （A） 318 （Nm） （r/min） 2037 742 （TMAX/TN） 3.0 （Kg·m2） 10.01 Kg 1621 额定电流 额定转矩 额定转速 最大转矩/额定转矩 转动惯量 质量

图3-3 ABB—QABP系列变频调速三相异步电动机

2、变频器的选择

在一台变频器驱动一台电机的情况下，变频器的容量选择要保证变频器的额定电流大

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于该电动机的额定电流，或者是变频器额定电流一定大于拖动系统在运行过程中的最大电流。另外矿用提升机属于频繁起动、加减速运转，其变频器容量的选定应根据加速、恒速、减速等各种运行状态下的电流值，按下式确定：

I1CNI1t1I2t2I5t5K0

t1t2t5式中 ：I1CN为变频器额定输出电流(A)； I1I5为各运行状态平均电流(A)； t1t5为各运行状态下的时间；K0为安全系数(一般取1.1～1.2)。考虑到矿用电机性能上的差异及机械负载的波动，变频器额定电流选择为电动机额定电流的1.1倍，本系统中所需电动机的额定电流为318A，按1.1倍电流就选择349.8A以上变频器。

提升机运转具有较大惯性，四象限运行的特点，与其他传动机械相比对变频器有着更为苛刻的安全和性能上的要求，森兰SB70G系列通用变频器是专为类似负载而设计，该系列产品采用了最优的电机控制方法—矢量控制技术，它可以对所有交流电动机的核心变量进行控制，并把定子磁通、转矩作为主要控制变量。其对负载的变化和瞬时掉电，能做出迅速响应；开环控制精度可以达到闭环矢量控制的精度（误差0.1%～0.5%），开环转矩阶跃上升时间小于5 ms，具有290% 瞬时转矩控制能力，有PG矢量控制转速控制范围1:1000，并具有有效的磁通制动来提供最大的制动力矩。

根据变频器所需容量，查变频器型号规格：选择森兰SB70G200T4通用型变频器。其标称参数如表3—2所示：

表3—2森兰SB70G200T4通用型变频器的参数

型 号 SB70G200T4 电压等级 400V 额定容量 248KVA

额定输出电流 377A 适配电机 200kw 毛 重 200kg Word 资料

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图3-4 SB70G200T4挂式单机机型外形图

3.3.2 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，外部电路连接如图3-5所示。

一、声光报警回路

1、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，发出报警；同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）。

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，也需要并联阻容吸收电路，以保护变频器内部报警继电器触点。

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图3-5 变频器外部电路连接

二、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”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。

1、能耗制动电路的作用

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。提升机减速制动时，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

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迅速下降。从电动机的角度来看，处于再生制动状态。电动机工作在再生制动状态，电动机向变频器回馈能量，这些能量一般储存在变频器储能元件中，如不及时处理，会使直流侧电压急剧上升，损坏变频器元器件。为了抑制这个电压的上升，若增大电容 C, 则势必使变频器体积过于庞大，而且电容过大将增强对电网的污染。

因此，当直流电压超过一定值时，就要求提供一条放电回路，将再生的电能消耗掉，从而获得制动转矩。泵升电压抑制电路可有效的将这部分能量释放，确保在整个制动过程中，直流侧电压在安全范围内。

2、泵升电压抑制电路工作原理

泵升电压抑制电路原理如图3-6所示，主要由制动单元和制动电阻组成。

图3-6 泵升电压抑制电路原理图

1）制动单元

图3-6虚线框内设备为制动单元，主要由以下几部分组成：

① 功率管 VB，用于接通与关断能耗电路，是制动单元的主体。VB的常用器件是GTR或IGBT。

② 电压取样与比较电路，按比例取出直流母线电压的一部分作为采样电压，和基准电压进行比较，得到控制VB导通或截止的指令信号。

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③ 驱动电路，驱动电路用于接受“取样与比较电路”给出的指令信号，驱动VB导通或截止。

④ 稳压电源，为制动单元内元器件提供稳定的电源，并为取样比较电路提供基准电压。

2）制动电阻

图3-6中RB为制动电阻。制动电阻是将电动机的再生能量以热能方式消耗的载体，阻值和功率是它的两个主要参数。

① 制动电阻阻值计算

制动电阻投入工作时，制动电流不超过电机额定电流的一半时，就可以得到与电动机的额定转矩相同的制动转矩，因此，最大制动电阻可按下式计算：

Rmax式中：Ie为电机额定电流。

2UH Ie选择制动电阻时，为了确保变频器不受损坏，在制动电压UH的作用下，制动电流为电机额定电流时，所对应电阻的阻值为制动电阻的最小数值。

RminUH Ie选择制动电阻RB时应在Rmax和Rmin之间选择，即：

RmaxRBRmin

② 制动电阻容量计算

制动电阻功率的选择取决于制动使用率 ED％。制动使用率主要是为了能让制动单元和制动电阻有充分的时间来耗散因制动而产生的热量；当制动电阻发热时，电阻值将会随温度的上升而变高，制动转矩亦随之减少。制动使用率由下式计算：

ED%T1100% T2Word 资料

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式中：T1为制动时间；T2为制动周期。

由于在短时间内，制动电阻的温升不足以达到稳定温升，因此，决定制动电阻容量的原则是：在制动电阻的温升不超过其允许数值（即额定温升）的前提下，应尽量减小容量。

2UHPRED%

RB式中：PR为制动电阻容量；1-3、制动单元设计 1）制动单元工作特性

RB-RmaxRmax为制动电阻功率降额系数。

制动单元是按照短时间间歇性工作设计的电子设备。随着制动单元内部元器件散热的不同，其允许通过的额定电流也会随之改变。允许通过电流与温度的关系如图3-7所示。当温度超过 75℃时，制动单元通过的电流会随之下降，因此，制动单元不允许长时间连续工作。

图3-7 制动单元电流与温度的关系

2）制动单元的参数计算和选择原则

① 制动电路的开限电压UH必须低于主电路电容器和功率器件的额定电压； ② 制动电路的开限电压UH必须高于变频器正常工作时直流母线电压；

③ 制动单元动作结束时，为使系统能再次迅速电动运行，不应使变频器直流母线电压降的过低。

3）制动单元设计

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根据上述选择原则，设计制动单元，制动单元内置电压检测和控制回路，如图3-8所示。制动电路的上限电压值UH、下限电压UL分别用电位器R1和R2调节。制动单元动作过程为：当ULUH时，比较器A输出高电平，晶体管D1导通，从而V1导通，经限流电阻R7使VB导通，制动电阻投入工作；当直流母线电压下降，UL图3-8 电压检测与控制电路

4、直流制动单元 1) 直流制动原理：

直流制动一般指当变频器输出频率接近为零，电机转速降低到一定数值时，变频器改向异步电动机定子绕组中通入直流，形成静止磁场，此时电动机处于能耗制动状态，转动着转子切割该静止磁场而产生制动转矩，使电动机迅速停止。因为转子绕组切割磁力线的速度较大，所产生的制动转矩比较强烈，从而可缩短停机时间。此外，直流磁场本身具有吸住转子的作用，可以有效地消除转子的蠕动。能耗制动和直流制动配合使用能达到理想的制动效果。

2）直流制动功能预置

① 直流制动的起始频率，通常直流制动都是和再生制动配合使用的。即：首先用再

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生制动方式将电动机的转速降至较低转速，然后再转换成直流制动，使电动机迅速停住。转换时对应的频率即为直流制动的起始频率。

② 直流制动强度即预置在定子绕组上施加直流电压或直流电流的大小，它决定了直流制动的强度。

③ 直流制动时间即施加直流制动时间的长短。制动时间不可能与实际制动时间正好一致，为保证制动效果，通常设定得略大一点。

3.4 提升机电控系统PLC硬件实现

3.4.1 双PLC操作保护系统硬件实现 1、PLC选型原则

为了使外部控制线路简化，增加可靠性，同时也便于维护保养和检查故障，PLC输入、输出信号确定的原则是：在不影响安全的前提下，各种控制信号尽量由PLC发出，反馈信号尽量输入PLC。

进行PLC控制系统设计时应遵循以下原则： 1）最大限度地满足被控对象的控制要求；

2）在满足控制要求的前提下，力求控制系统简单、经济，使用及维护方便； 3）保证控制系统的安全和可靠；

4）选择PLC容量时，为系统今后的扩展和改进留有一定余量。

西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性更高。S7系列PLC产品可分为微型PLC（如S7-200），小规模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）等。S7-300是模块化小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用。其模块化结构设计使得各种单独的模块之间可进行广泛组合以用于扩展。从PLC的性能价格比指标考虑，本系统选用西门子S7-300 PLC作为提升机控制系统核心控制器。

2、双PLC硬件实现

根据提升机对其电气控制系统的要求，本控制系统采用双CPU双PLC软冗余控制系统。PLC从功能上分为：行程监控 PLC和操作保护 PLC。

行程监控PLC主要功能：

1) 实现对调速系统以行程为自变量的速度给定，完成绞车位置控制，自动生成位置－速度包络曲线，完成绞车速度监控；

2) 与操作保护PLC输出的位置信号和速度信号分别进行比较，当两者偏差过大时立即安全制动；

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3) 形成软件安全电路，并与其他安全电路相互冗余与闭锁； 4) 在操作保护PLC故障时，能独立完成有关提升控制。 操作保护PLC主要功能：

1) 主令操作控制，对系统进行管理，实现指令传递，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；

2) 控制液压系统松闸或抱闸；

3) 执行操作程序，生成开车信号和方向； 4) 完成各种保护监视功能；

5) 形成软件安全电路，并与其他安全电路相互冗余与闭锁； 6) 在操作保护PLC故障时，能独立完成有关提升控制。 3、PLC硬件配置

图3-9 双PLC硬件和网络配置

本系统采用西门子SIMATIC S7-300 PLC,并通过MPI网与西门子触摸屏TP27构成网络,实时监视系统运行的状态。图3-9给出系统的硬件组态。其中操作保护PLC的MPI地址为2,行程控制PLC的MPI地址为6,触摸屏TP27的地址为1。

操作保护PLC的组成主要为电源模块PS307,CPU 314,两个输入模块DI32×DC 24V,一个输出模块DO16×Rel,两个计数器模块FM350。行程控制PLC的组成类似,但多一个8路模拟量输入模块AI8×12bit和一个4路输出模块AO4×12bit。 3.4.2 PLC控制部分设计

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3-10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。

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力图和速度图安

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全运行，运行方式可分为启动、等速运行、减速、爬行、停车。PLC根据运行方式对变频器实现S形速度给定控制，实现箕斗运行速度的准S形曲线。

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

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）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：

图3-10 PLC外部接线

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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。 3）工频与变频转换

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。

4）保护及连锁功能

① 上过卷、下过卷保护，在离井口安全处和离井底一定距离处分别装上霍尔常开型接近开关，当矿车由于故障或操作员失误，矿车越过安全线时，传感器动作，同时PLC控制安全回路动作，实现对提升系统的保护，并伴随有声光报警。

② 松绳保护：用一根细丝和一个常开型开关，在钢丝绳下放一定距离垂直钢丝绳方向处架起，当矿车在缓道上行走，而电机下放速度过快时，就会出再松绳现象。此时，钢丝绳下沉，压下开关，此时声光报警，显示屏上显示故障信息。操作员应该及时降速或停车。

③ 过载保护：热继电器常闭触点串接于安全控制回路，当电机因负载过重，电机堵转等故障而使负载转矩增大时，热继电器动作，常闭触点断开，使安全回路动作，保护提升机不受损坏。

④ 当提升过程中发生润滑油压力过高、过低，润滑油滤油器或液压站滤油器堵塞或油温高时，监视屏上有相应的故障信息显示，点亮相应信息灯，告知操作员可以完成本次提升工作，当故障解除后才允许司机进行下一次提升工作。

⑤ 当提升机因发生故障在中途停车，而且提升容器位于减速段行程内时，排除故障后允许司机按上次开车方向选择开车，并且只能低速开车；若提升容器不在减速行程内，由井口发出开车信号，允许司机高速开车。

⑥ 全矿停电时，由PLC保证提升机能实现安全制动，并做好提升机的后备保护。 ⑦ 盘式制动器的工作制动力矩可调，紧急制动(安全制动)能产生二级制动，避免机械冲击。

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2、速度、行程电路

在矿井提升机调速控制系统中，要对速度、距离等物理量进行实时测量。现在大都采用数字式测量装置，用旋转编码器等传感器将距离、速度等物理量转化为电脉冲信号，然后由可编程控制器的高速计数模块对脉冲进行计数，完成物理量的测量。

旋转编码器与PLC的高速计数模块连接电路如图3-12所示。计数器通过累计正转与反转的脉冲个数，经CPU运算可确定提升机的确切位置。旋转编码器每转脉冲数的选择取决于PLC允许输入的频率、提升速度、计数精度等。

图3-11旋转编码器与高速计数器连接图

数字式测速或测距一般都采用输出脉冲与转速成正比的旋转编码器来测量，高速计数模块的脉冲主要来自旋转编码器。旋转编码器有增量型和绝对值型两种。增量型在转动时可连续输出与旋转角度对应的脉冲数，静止时不输出；绝对值型与是否旋转没有关系，它可并行输出与旋转角度对应的角度信号，由它可确认绝对位置。对于测距与测速而言，一般都采用增量型旋转编码器。

OMRON系列E6C2-CWZ6C型轴脉冲编码器是一种增量式光电编码器，不仅可以检测电机转速，而且还可以测定电机的转向及转子相对于定子的位置。增量式光电编码器可输出三组电压信号，经过整形后三相输出波形如图3-12所示。Z相信号用来定位，因为Z相在转动盘上只有一个对应的槽，故每转一周仅有一个Z相脉冲，对应于转子的一个固定位置。根据不同瞬时A相或B相输出信号相对于Z相定位脉冲的相位关系，便可确定该瞬时转子相对于定子的位置。

A相和B相输出信号可用于测定电机转向和转速。由于A相和B相输出信号的频率与转速成正比，故可通过在给定时间内对输出脉冲记数而求得转速。通过对A相脉冲上升沿和下降沿检测电路可得对应于上升沿和下降沿的脉冲信号ΔA和，使其分别与B相信号相“与”，可获得反映正转的信号和反转信号。

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图3-12旋转编码器输出波形

1）速度、行程检测

在相等的时间间隔内，读取高速计数模块的计数值来计算出速度的方法称为 M法测速。设时间为T，则速度为：

V分辨率为：

MD PTDPTQV

测量距离为：

lMD P分辨率为

QlDP

测量精度为

M式中：M—取样时间T内高速计数器计数值；

D－提升机滚筒直径；

P－旋转编码器旋转一周的脉冲数；

P100%

P－旋转编码器连个脉冲之间的角偏差。

选用每转一圈发出1000个脉冲的旋转编码器，与编码器同轴的皮带轮直径为1m，取样时间T为1s，则采用上述方法所能测量的最大距离为314160m，最低速度为0.0628m/s，测量精度为5P%。

3.5硬件调速控制系统保护措施

3.5.1空气断路器短路保护

短路保护应满足以下要求：

1）当电动机发生相间短路或在中性点直接接地系统中发生单相接地短路时保护装置应能切断故障电路。

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2）当电动机正常起动或制动时，保护装置不应动作。空气断路器可以用来频繁地起动电动机．并对电动机实现保护，由于有良好完备的灭弧装置，操作速度也由弹簧机构执行，迅速可靠。因此，空气断路器用来控制电动机时，其额定电压应大于或等于电动机额定电压，同时额定电流(即指主触头的额定电流)选择得大于或等于电动机额定电流1.31.4倍即可。即

IK1.3ID1.3318A413.4A

式中：IK—空气断路器的额定电流（A）；

ID—电机正常工作时的额定电流（A）。

所以选用：韩国LG断路器ABS803a，其最大额定电流：500A，额定隔离电压：AC690V，额定分断容量：50KA（在AC380V下） 3.5.2热继电器过载保护

矿山提升机由于负载沉重而需要限制起动时间，又容易堵转，且又长期处于频繁起动—停止状态，容易出现过载现象，所以需要对电机进行过载保护。

过载保护一般采用热继电器保护。若用自动空气开关保护，应选用带长延时脱扣器的自动空气开关。对大功率的重要电动机采用反时限特性的过电流继电器进行过载保护。保护措施主要是通过切断电动机电源的方法实现保护。在一些特殊场合，也可以通过发出警报或使电动机自动减载来实现保护。

本系统采用热继电器对电机进行保护。一般情况下，根据电动机的额定电流的

1.11.25倍选取热继电器的额定电流。热继电器的整定值Ifz一般为电动机额定电流值ID。

即：IfzID。

根据电机实际负载与工艺流程的要求，也可上下波动5%，本系统取1.05倍电流保护，即:Ifz1.05ID1.05318333.9。另外，根据矿山提升系统的要求，还应对提升机进行断相保护，因此应选用带断相保护装置的热继电器，

本控制系统选用施耐德热继电器：LR2-F1579C。它具有断相保护，清晰度补偿，脱扣指示功能，并能自动与手动复位。 3.5.3调速控制系统抗干扰处理

1、对于PLC和变频器组成的控制系统来说，抗干扰处理非常重要。PLC工作灵敏度高，很容易受到各种电磁干扰，引起误动作。目前市场上出售的变频器输出电流中含有多种谐波，是强电磁干扰源。为了防止变频器对PLC的干扰，PLC的安装应尽量远离变频器。

2、变频器和PLC周围的控制回路的接触器，继电器的线圈、触点在开闭时，会因电流急剧变化而产生很强的电磁干扰，有时会使变频器和PLC的控制回路产生误动作，需要在这种干扰源的线圈、触点两端并联一组阻容吸收回路，以起到滤波作用，可以滤除变频器对输出点电源的干扰。针对不同的PLC，阻容吸收回路的参数可能不同，根据现场情况

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可以自行调整。

3、变频器和PLC安装于矿山提升系统中，常处于高湿度的场所，常发生绝缘劣化和金属部分腐蚀。所以必须加装除湿装置，防止变频器和PLC停止工作时结露。另外在提升机周围振动大，需在变频器和PLC侧加装隔振器或防振橡胶。以减少振动对其性能的影响。

4、将变频器安装在封闭的开关柜内，既可以防止电磁辐射的污染，也可以屏蔽外来干扰，但是附加投资较高，散热性能变差，一般用于户外或粉尘污染严重等较为恶劣场所。变频器的安装应当远离对噪声敏感的装置。

5、变频器、电动机和变频器负荷电缆屏蔽层的两端必须就近可靠接地，规范的接地方式不但可以保证人身安全，而且可以减少电磁辐射和嗓声，必要时可考虑设置变频器专用接地装置。

6、输入输出滤波

变频器输出交流电后应加入滤波器，然后再将滤波后的交流电送入电机，对电机进行调速。变频器的一次侧安装进线电抗器，可以降低谐波电流，改善功率因数，最大限度地减少谐波对电动机以及其他弱电设备的影响；抑制电网电压的电流冲击，有效地保护变频器，免受其他产生谐波的设备谐波的影响。变频器二次侧安装的负载电抗器，又称输出电抗器。它补偿长导线充电电流，从而限制电缆容性充电电流，使电动机在引线较长时电动机免受过电压、PWM电压脉冲的电气应力、过热和定子绝缘恶化等损害；同时，吸收输出谐波，降低电动机噪声；限制电动机绕组电压上升率；起限流器的作用，在电动机短路的情况下保护变频器；减缓短路电流上升率，保护电路有时间对短路作出反应；会吸收电动机负载引起的电流浪涌，可避免变频器误跳闸。从提高变频器安全可靠运行角度，相比较而言，进线电抗器起主要作用。正确选用合适的电抗器与变频器配套使用，提高了变频器系统的可靠性、运行性能和效率，延长了变频器和电动机的寿命。

如果不加入输出滤波器，三电平变频器输出时，电机电流总谐波失真可以达到17%左右，会引起电机谐波发热，转矩脉动，输出电压跳变台阶为一半直流母线电压，电压跳变率较大，会影响电机绝缘。输出滤波器有du/dt滤波器和正弦滤波器两种,本系统采用的是正弦滤波器，其滤波器结构如图3—13所示。

图3-13 滤波器结构图

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输出正弦滤波器中电感L和电容C参数的选择受以下条件的约束:① 电感器上基波电压降越小越好。② 电容器中的基波电流越小越好。③ 电感器和电容器构成的串联谐振频率离逆变桥输出脉冲电压(即LC滤波电路的输入电压)中的最低次谐波频率越远越好，图3-14滤波器结构图也就是使LC滤波器中的高次谐波电流尽可能小。LC滤波器谐振频率为fc12LC。④ 在逆变桥脉冲突然封锁时，电容C不能与电动机发生振荡电压幅值超

过l0kV的自激振荡，即电容C的选择应参考电动机的激磁电感参数。

C式中：Xm为电机的激磁阻抗 7、传输线路处理

1

2fXm1）信号线与动力线尽可能垂直，不得不平行时尽可能保持较大的间距；穿45管敷设时使两者分开在不同的管内；用汇线槽敷设时不同种类的信号线，信号线与动力线之间设置隔离金属板；同一多心电缆内走同种类的信号。这样可以有效的减少干扰信号的耦合。

2）信号传输线路采用屏蔽双绞线。在外界干扰磁场作用下，同一导线的相邻的两扭环所产生的感应电动势方向相反，在导线上产生的相反方向的干扰电流抵消，虽然不可能完全为零，但可以减小到很小。

3）传输线路屏蔽。传输线路采用带有绝缘护套的金属屏蔽层进行屏蔽，通过屏蔽层接地可以使导线与导线之间的耦合趋近于零，大大降低了线与线之间的分布电容所引起的电容性耦合噪声。

4）变频器和PLC的控制信号为微弱的电压、电流信号，所以与主回路不同，对于变频器的输出回路是强电磁干扰源，因此，变频器和PLC控制回路的配线不能与变频器主回路配线在同一根铁管或同一配线槽内敷设。为了进一步提高抗干扰效果，还应采用电缆。电磁感应干扰的大小与电缆的长度成比例，所以还要尽可能缩短敷设电缆。

3.6 本章小结

本章介绍了提升机变频调速控制系统的硬件电路实现，包括变频调速部分、PLC可编程控制器部分及安全保护和抗干扰部分。

变频调速控制系统进行恒加速变频调速启动，恒减速变频调速停车及行程变频调速运行等。变频调速范围宽、调节精度高。采用变频调速后，电机可以实现真正意义上的软启动和平滑调速。变频器调速还可通过软件很方便地改变输出转矩(即调整转矩补偿曲线)和加减速时间、目标频率、上下限频率等。能够使提升机S形速度给定很好的得到实现。 PLC控制安全保护系统克服了转子串电阻调速系统的控制电路复杂，破损率高等缺点，提高了电力传动控制系统的可靠性和安全性。另外凭其强大的控制功能，除能实现一般的过压、欠压、过载、短路等保护外，还设有联锁保护、自动限速保护功能等，能在很大范围内对提升机进行安全保护和智能控制，具有很好的应用和推广价值。

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4 提升机调速控制系统软件实现

4.1引言

软件控制是提升机调速控制的灵魂。由于采用集散化、模块化和组合化设计，使整个调速系统的硬件整洁，各个部件既相对独立，又相互联系成为有机的整体，许多功能通过软件实现，安全性得到了大大的提高，确保了提升机调速电控系统的有效运行。

4.2双CPU软件冗余

冗余控制是在控制系统中增加备用关键设备，如果工作中发生故障，控制系统以最快速度启动备用设备，从而维持系统的正常工作。PLC在提升机控制系统中的重要性不言而喻，控制器一旦出现故障，整个提升系统将会瘫痪，严重影响矿井生产。可靠性再高的PLC也很难保证零故障持续运行，而PLC的可靠性主要取决于其中心模块CPU。冗余控制系统设计，即在系统中人为地设计有多余的部分，冗余配置代表PLC适应特殊需要的能力，是高性能PLC的体现，其目的是在PLC已可靠工作的基础上，再进一步提高其可靠性，减少出故障的机率，减少故障后修复的时间。因此，本系统在硬件冗余的前提下，采用基于软件策略的双CPU冗余控制思想，提高系统的容错能力。

基于软件策略的双CPU冗余控制系统构成原理就是在系统中采用两套CPU模块，其中一套为工作主机，另一套为备用模块，两个CPU模块的状态监视和主控权转移通过软件编程实现，一旦工作主机发生故障，备用CPU则投入工作，此时备用CPU变为工作主机，原工作主机故障处理完成后变为备用CPU。选用型号相同的两台CPU模块，互为冗余的CPU模块之间通过背板定时点对点的信息互交来实现主备冗余。

双CPU主控权的裁决和转移程序流程如图4-1所示。两块CPU同时在线运行，拥有主控权的CPU具有I/O控制权，而备用CPU输出被禁止，只采集数据和保持通讯连接。两个CPU模块互相监视对方的运行状态和通讯情况，如果发现主控CPU模块故障，备用CPU模块立即获得主控权。

双CPU模块的同步控制程序流程如图4-2所示。主CPU的状态信息实时传递给备用CPU，备用CPU跟踪主CPU的变化，与主CPU保持同步。这样，在两块CPU模块进行主控权的转移时，可以实现无扰动切换。

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在软冗余系统进行工作时，主CPU和备用CPU控制系统（处理器，通讯、I/O）独立运行，由主系统的PLC掌握对I/O控制权。主、备系统中的PLC程序由非冗余用户程序段和冗余用户程序段组成，主CPU执行全部的用户程序，备用CPU只执行非冗余用户程序段，而跳过冗余用户程序段。软冗余控制系统中双CPU运行过程如图4-3所示。

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4.3矿井提升机中S形速度曲线建模及其实现

传统上，矿井提升机提升容器的运行速度曲线，根据加减速特性的不同，可分为3阶段速度图、5阶段速度图和6阶段速度图。其中，5阶段速度图又可分为对称和非对称5阶段速度图。运行非对称5阶段速度是矿井提升机应用最为广泛和典型的运行方式。它包括启动加速段、匀速段、一次减速段、匀速爬行段和二次减制动段5个阶段，构成了矿井提升机一次完整的运行周期。5阶段速度运行曲线在速度变化拐点处存在着严重的突变，产生大的冲击负荷，造成提升容器振动和设备故障，严重影响设备的安全运行和使用寿命，极大地增加设备的维护成本，且无法满足人体对乘坐舒适感的基本要求。 4.3.1理想S形速度曲线建模

矿井提升机在启动加、减速阶段不外乎主要有图4-4所示5类加速度a－时间t和加速度变化率－时间t运行速度曲线。从王庄矿斜井提升机运行情况以及安全、效率，以及设备维护和复杂程度等因素综合考虑，图4-4(c)所示加速度运行曲线应用于5阶段速度图，得到5阶段理想S形速度曲线，如图4-5 所示。

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图4-5 5阶段理想S形速度曲线

1、加速段的基本公式

根据曲线对速度和加速度的要求，在加速过程中加速度和速度都是时间t的变量。给出加速阶段速度表达式为

v1(t)12 0tt1 （1） At12v2(t)v1am1t t1tt2 （2）

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A2(tt2)2 t2tt3 （3） v3(t)v2am1(tt2)2式中：am1为加速启动段的最大加速度，m/s2；A1为0为t2t3段加速度的变化率，m/s3。

t1段加速度的变化率，m/s3；

2、等速段、减速段和爬行段的基本公式 等速段是指提升机以最大速度等速运行的过程。

v4(t)vm t3tt4 （4）

减速段与加速段一样，可以分为3个阶段，分别用v5(t)，v6(t)，v7(t)表示。给出减速各段速度表达式为

v5(t)vm1A3(tt4)2 t4tt5 （5） 2S5(t)vm(tt4) v6(t)v(S)1A3(tt4)2 t4tt5 （6） 62S25 v t5tt6 （7） ma21A4(tt6)2 t6tt7 （8） 211S7(t)v6(tt6)am2(tt6)2A4(tt6)3 t6tt7 （9）

26v7(t)v6am2(tt6)式中：vm为等速运行速度，m/s；A3为t4t5段加速度变化率, m/s3；am2为减速段最

t7段加速度变

大减速度值，m/s2；S为匀减速段行程值，m，SS6-S(t)；S6为参考点R6位置，根据实际情况决定，m；v6为参考点R6速度，根据实际情况决定，m/s；A4为t6化率，m/s3。

爬行段即提升运行速度降为vP，而进入的一段低速运行段，表示为

v8(t)vp （10）

4.3.2 理想S形速度曲线的实现

行程给定就是根据设计确定的行程－速度曲线，计算出速度给定值，与实测速度进行比较，求得的差值按一定的算法求出控制量去调节变频器的给定频率从而改变电机转速，使之按给定速度曲线运行，如图4-6所示。提升机速度给定采用行程控制方式，其给定信号由提升机在井筒中的实际位置决定，特点是任以位置均对应一个由该行程位置产生的速度给定信号。

1、起动加速阶段速度控制

起动加速阶段提升机行程为零，如采用行程给定方式调速，可能导致此时速度给定也为零，由起动加速阶段数学模型知，

其速度都是运行时间t的函数，该段采用时间方式进行速度给定。

2、减速、爬行阶段速度控制

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最大运行速度是提升机运行参数中极为重要的一个参数，其任何变化将直接导致运行曲线相应变化。

提升机减速、爬行阶段速度给定采用行程给定后，减速点可根据提升机的最大运行速度的变化而变化，在减速到停车区间内，根据提升容器距停车点的距离来确定速度给定信号。

如图4-5所示，提升机减速阶段速度曲线由三个阶段组成，各阶段提升机行程分别为

S5,S6,S7。减速阶段各行程与最大运行速度vm有关。实际情况中，vm值是个变值，或者大

于最大给定速度，或者低于最大给定速度。若vm值大于最大给定速度，将减速点提前；反之，将减速点后移。由SjS5S6S7Sp计算出实际距离，再结合总行程就可以计算出减速点位置。以变减速点的方法来保证爬行距离Sp不变。提升机减速段形成控制流程如图4-7所示。

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图4-7 行程给定控制程序流程图

3、提升机软件实现

矿井提升机速度给定曲线的优劣对其性能的好坏有着重要影响，应用上述理想S形速度给定曲线可极大地改善矿井提升机运行特性，延长其使用寿命。在实际应用中，只要根

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据实际情况适当地调整最大加速度、加速度变化率，就能快速、方便地得到一条优良的S形速度给定曲线。另外，在程序实现上，尽管其数学模型相对复杂，浮点计算量大，但随着CPU性能的突飞猛进，PLC编程越来越容易，且不会大幅增加其CPU循环周期。在软件编程中，对提升机各运行段采用查表法，计算公式如前，这样既能避免计算量过大，又能避免占用的内存量过大。 4.3.3 本系统S形曲线相关参数设计

设定系统中A1=A2=A3=A4=0.25m/s3，则am1=am2=0.5m/s爬行速度设定为0.2m/s。

根据式（5）、式（6），得到

2加速段Ⅰ、加速段Ⅲ、减速段Ⅰ

和减速段Ⅲ的时间均为2s。该矿副斜井提升距离为487m，设计提升最大速度为3.82m/s，

1A3(t5t4)23.32m/s 21S5vm(t5t4)A3(t5t4)27.31m

6v5(t)vm由式（8）、式（9）得到

v6v7am2(t7t6)1A4(t7t6)20.7m/s 211S7v6(t7t6)am2(t7t6)2A4(t7t6)30.733m

26由式（7）得

22v5v6S610.5324m

2am2爬行段设定10s，则SP=2m

根据以上计算，可以得到实际减速点Sjsd=466.42m。

4.4 PLC控制系统软件实现

西门子PLC采用模块化程序设计，功能不同的程序放在不同的子程序中，根据系统的控制要求，通过主程序调用子程序。主程序是PLC在每一个循环周期中都要执行的程序模块，一般PLC程序主体部分都放在主程序模块中；初始化模块是PLC的CPU每次由停上状态转向工作状态首先执行的程序模块，一般把初始化数据的程序放在初始化子程序中，而且在CPU停止工作之前不会再运行这个模块。 4.4.1操作保护PLC程序设计

操作保护PLC是整个控制系统的中枢，根据前面论述的功能，该部分程序主要由操作主程序、初始化子程序、可调闸子程序、主令开关子程序和保护子程序构成，主程序完成系统初始化、自检、故障诊断、调速系统控制等工作，主程序流程图如图4-8所示。

当PLC接收到来自传感器、接近开关或变频器故障等外部控制信号时，PLC控制程序转到相应的子程序，完成提升机位置、速度监控、变频器故障监控等。当有故障出现时

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可转到相应的故障处理子程序进行故障处理，并通过报警回路报警或安全回路实现抱闸停车。

4.4.2行程控制PLC程序设计

提升机启动阶段通过时间给定方式运行，运行至等速阶段后，比较反馈最大运行速度与设定最大运行速度确定减速点，实现准确停车。该部分程序主要由行程主程序、初始化子程序、理想S形曲线计算子程序、行程给定子程序和通信子程序构成。主程序流程图如图4-9所示。

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图4-8 操作保护PLC主程序流程图

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图4-9 行程给定PLC主程序流程图

4.5 本章小结

本章详细介绍了矿井提升机理想 S 形速度曲线的建模及实现。矿井提升机速度给定曲线的优劣对其性能的好坏有着重要影响，应用上述理想S形速度给定对提升机实现按行程控制，可极大地改善矿井提升机运行特性，延长其使用寿命。

矿井提升负载属于典型恒转矩特性负载，电机运行状态复杂，所以对电控系统的要求更高。本章中软件设计部分是提升机调速控制系统的核心，阐述了双CPU冗余控制思想的实现，包括提升机S形速度给定，按行程对提升机进行及过卷、松绳、超速等保护，都集中在PLC软件控制部分，本章还设计出了系统控制相关的流程图。

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5 全文总结

本文所作的主要研究工作是针对潞安王庄煤矿副斜井提升机调速电控系统采用交流绕线式电机串电阻调速当中存在的提升机调速性能差、故障率高、能耗大等问题展开的。借助于现已成熟的变频调速技术，将PLC强大的控制功能与变频技术相结合，应用于提升机电控系统中，以求能够改善该矿副斜井提升机电控系统性能。在本文中主要探讨了PLC所要完成的保护控制功能及其极为重要的提升机速度控制理论与实现。为变频调速控制的实现准备了理论的基础。全文主要工作如下：

1、提升机电控系统主电路部分

结合潞安王庄煤矿生产实际情况，分析提升机工作过程及工作特点。确定基于PLC控制的大功率矿井提升机变频调速控制系统由动力系统、液压系统、监控系统、安全回路、控制核心和检测系统组成。

变频调速单元采用森兰SB70G系列SB70G200T4通用变频器。它与PLC通过模拟量输入接口相连，提升机S形速度给定曲线由PLC通过软件编程产生通过变频器模拟量输入器对电机实现调速控制。另外变频器外接电路能够实现变频器故障报警及提升机能耗制动控制。

PLC控制部分采用德国西门子(Siemens)公司生产的模块式PLC S7-300。主要接受外部控制信号，改变相应电控系统的工作状态，实现提升机启动、等速运行、减速、爬行、停车等。PLC还完成各种保护监视功能。监控内容主要包括：超速监视、过载监视、松绳监视、井筒过卷监视、变频器故障监视、矿车行程监视、深度指示器失效监视等，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。

调速系统将PLC与变频器相结合，大大减少了硬件器件和连接控制线，极大提高了系统的稳定性，可靠性。

2、控制系统软件设计部分

软件设计部分是提升机调速控制系统的核心。本文阐述了双CPU冗余控制思想的实现，包括提升机S形速度给定，按行程对提升机进行及过卷、松绳、超速等保护，都集中在PLC软件控制部分，除此还设计出了系统控制相关的流程图。

3、提升机速度控制理论分析

矿井提升机在矿山生产中不仅承担着运送煤及其它物料的作用，还经常被用来接送上下班的工人，因此在保证提升机的安全性之外舒适性也很重要。本文对这种理想的S形速度曲线在提升机调速控制系统中的应用进行分析论证，确定采用S形速度控制方式能够进一步提高提升机运行的安全性、舒适性。

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4、保护及抗干扰措施

根据提升机对其电气控制系统的要求，本控制系统采用双CPU双PLC软冗余控制系统。在系统设计上采用隔离、滤波、屏蔽、接地等抗干扰措施。

现代矿井提升改备的特点是在运转上特殊和在装备上复杂。所以要制造这种设备就须要在理论和实践上深入的钻研。而俄国和苏联的学者已经进行了这种研究工作，并且根据他们研究的结果已在苏联创立矿井提升这一学科。

起重机械远在古代就用建筑时提升重物，提升灌溉田地用水，后来也以最简单的方法用于提升探出的有益矿物。

在十五世纪俄罗斯矿山上最初出现的起重设备是用于奥拉馒涅茨的盐矿。迟至十八世纪在阿尔泰银矿中矿山机械工程师佛朗洛罗夫装配了—整套以水力带动的提升改备。 解放前，我国采矿工业十分落后，机械制造工业的基础也很薄弱，几个大型矿山都操纵在帝国主义和官僚资产阶手中，矿工不仅生活相当贫困，同时因为没有安全设备，生命也没有任何保障。解放后，在党的英明领导下，随着煤矿工业的恢复发展，在矿井提升方面，制定了安全操作规程。对旧有的提升段备进行了改造，增添了保安段备，不仅提高了提升段各的利用率，而且保证了安全生产。与此同时，提升机械的制造也获得了很大的发展。目前我国不仅能够制造中小型的提升机械，而且成批生产了大型提升机械

日前国内各矿采用的矿井提升段备，主要是非连续性的提升机械。这种设备的特点是需要经常的起动和停止，并且要以较高的速度，安全准确地在不太长的距高中往返运行，这就必须要有复杂的操枞控制设备以及自动保护装置。因此矿井提升设备是矿井中较为复杂的大型固定段各之—。

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采用连续提升，可以大为简化操纵控制系统和进—步提高提升能力。目前许多国家正在进行这方面的研究试制工作。并且已经取得初步成果。

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