礦井提升機畢業(yè)設(shè)計正文

第1章緒論1.1國內(nèi)外提升及研究狀況近三十年來，國外提升機機械部分和電氣部分都得到了飛速的發(fā)展，而且兩者相互促進，相互提高。起初的提升機是電動機通過減速器傳動卷筒的系統(tǒng)，后來出現(xiàn)了直流慢速電動機和直流電動機懸臂安裝直接傳動的提升機。上世紀七十年代西門子發(fā)明矢量控制的交一直一交變頻原理后，標志著用同步電動機來代替直流電機實現(xiàn)調(diào)速的技術(shù)時代已經(jīng)到來。1981年第一臺用同步機懸臂傳動的提升機在德國Monopol礦問世，1988年由MAVGHH和西門子合作制造的機電一體的提升機(習慣稱為內(nèi)裝電機式)在德國Romberg礦誕生了，這是世界上第一臺機械和電氣融合成一體的同步電機傳動提升機。在提升機機械和電氣傳動技術(shù)飛速發(fā)展的同時，電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，使提升機的電氣控制系統(tǒng)更是日新月異。早在上世紀七十年代，國外就將可編程控制器(PLC)應(yīng)用于提升機控制。上世紀八十年代初，計算機又被用于提升機的監(jiān)視和管理。計算機和PLC的應(yīng)用，使提升機自動化水平、安全、可靠性都達到了一個新的高度，并提供了新的、現(xiàn)代化的管理、監(jiān)視手段。特別要強調(diào)的是，此時期在國外一著名的提升機制造公司，如西門子、ABB、ALSTHOM都利用新的技術(shù)和裝備，開發(fā)或完善了提升機的安全保護和監(jiān)控裝置，使安全保護性能又有了新的提高。就在國外科學技術(shù)突飛猛進發(fā)展的時候，我國提升機電控系統(tǒng)很長時間都處于落后的狀況。直到目前為止，我國正在服務(wù)的礦井提升機電控系統(tǒng)大多數(shù)還是轉(zhuǎn)子回路串金屬電阻的交流調(diào)速系統(tǒng)，設(shè)備陳舊、技術(shù)落后。國產(chǎn)提升機安全性、可靠性差，在關(guān)鍵部位—上下兩井口減速區(qū)段沒有配套的有效的速度監(jiān)視裝置，就提升機控制技術(shù)而言，依然是陳舊的，和國外相比，我們存在很大的差距。礦井提升系統(tǒng)的類型很多，按被提升對象分:主井提升、副井提升;按井筒的提升道角度分:豎井(如圖1.1所示為豎井井架設(shè)備)和斜井;按提升容器分:箕斗提升、籠提升、礦車提升;按提升類型分:單繩纏繞式和多繩摩擦式等。我國常用的礦用提升機主要是單繩纏繞式和多繩摩擦式。我國的礦井與世界上礦業(yè)較發(fā)達的國家相比，開采的井型較小、礦井提升高度較淺，煤礦用提升機較多，其他礦(如金屬礦、非金屬礦)則較少。因此在20世紀60年代開始單繩纏繞式礦井提升機采用較多。(1)井架（2）天輪目前我國提升機90%以上均采用交流繞線式異步電動機的拖動方式，其電控系統(tǒng)用于單繩纏繞式提升機的有TKD系列，多繩磨擦式提升機的有JKM、幻J系列。這幾種提升機通常在電動機轉(zhuǎn)子回路中串接附加電阻進行起動和調(diào)速。串電阻調(diào)速是一種恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法轉(zhuǎn)子功率的損耗隨著串入的電阻的增大而增大。盡管轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方法很不經(jīng)濟，低速特性也很軟，穩(wěn)定性差，但是由于這種調(diào)速方法比較簡單易行，起動轉(zhuǎn)矩較大在拖動起重機等中、小容量的繞線式異步電動機中仍然應(yīng)用廣泛。20世紀80年代，我國從瑞典、西德等國引進20多套晶閘管—直流電動機控制系統(tǒng)。直流電動機傳動有兩種電控系統(tǒng)，一種為直流發(fā)電機—直流電動機機組，另一種為晶閘管—直流電動機系統(tǒng)。我國自己生產(chǎn)的晶閘管—直流電動機控制系統(tǒng)應(yīng)用于20世紀90年代。這種控制系統(tǒng)的優(yōu)點是:體積小、重量輕、占地面積小;基礎(chǔ)省、安裝方便、建筑費用低;無齒輪傳動部分(不需要減速器)、總效率高、電能消耗少;單機容量大，適用范圍廣;調(diào)速平穩(wěn)、調(diào)速范圍廣、調(diào)速精度高;易于控制，能實現(xiàn)自動化，安全可靠;節(jié)約電能。礦井提升機對安全性、可靠性和調(diào)速性能的特殊要求，使得提升機電控系統(tǒng)的技術(shù)水平在一定程度上代表一個廠或國家的傳動控制技術(shù)水平。比較國內(nèi)外礦用提升機系統(tǒng)，具體來說國外礦井提升機在電控方面的應(yīng)用特點有以下幾個方面:l)提升工藝過程微機控制提升工藝過程大都采用微機控制，由于微機功能強，使用靈活，運算速度快，監(jiān)視顯示易于實現(xiàn)，并具有診斷功能，這是采用模擬控制無法實現(xiàn)的。2)提升行程控制提升機的控制從本質(zhì)上說是一個位置控制，要保證提升容器在預(yù)定地點準確停車，要求準確度高，目前可達到2cm。采用微機控制，可通過采集各種傳感信號，如轉(zhuǎn)角脈沖變換、鋼絲繩打滑、井筒、滾筒及鋼絲繩磨損等信號進行處理，計算出容器準確的位置而施以控制和保護。一般過程控制用微機作監(jiān)視，行程控制也采用單獨下位機完成。3)提升過程監(jiān)視提升過程監(jiān)視與安全回路一樣，是現(xiàn)代提升機控制的重要環(huán)節(jié)。提升過程采用微機主要完成如下參數(shù)的監(jiān)視:a、提升過程中各工況參數(shù)(如速度、電流)監(jiān)視:b、各主要設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)視;c、各傳感器(如位置開關(guān)、停車開關(guān))信號的監(jiān)視。使各種故障在出現(xiàn)之前就得以處理，防止事故的發(fā)生，并對各被監(jiān)視參數(shù)進行存儲、保留或打印輸出。甚至與上位機聯(lián)網(wǎng)，合并于礦井監(jiān)測系統(tǒng)中。4)安全回路安全回路是指提升機在出現(xiàn)機械、電氣故障時控制提升機進入安全保護狀態(tài)的極為重要的環(huán)節(jié)。為確保人員和設(shè)備的安全，對不同故障一般采用不同的處理方法。安全回路極為重要，它是保護的最后環(huán)節(jié)之一，英、德幾家公司都采用兩臺PC微機構(gòu)成安全回路，使安全回路具有完善的故障監(jiān)視功能，無論是提升機還是安全回路本身出項故障時都能準確地實施安全制動。而在電力拖動方面，近幾年國外出現(xiàn)了不少新拖動方式，交一交變頻供電方式就是最有前途的一種。20世紀80年代西歐一些工業(yè)先進國家將交流變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于提升機，有代表性的是西門子公司和ABB公司。我國在20世紀90年代也引進了交流變頻調(diào)速提升機控制系統(tǒng)。變頻調(diào)速方式類似于它勵直流電動機取得很寬的調(diào)速范圍、很好的調(diào)速平滑性和有足夠硬度的機械特性，在提升機應(yīng)用中顯示了其獨特的優(yōu)勢。1.2課題研究的目的和意義礦井提升機是煤礦，有色金屬礦生產(chǎn)過程中的重要設(shè)備。提升機的安全、可靠、有效高速運行，直接關(guān)系到企業(yè)的生產(chǎn)狀況和經(jīng)濟效益。礦井提升系統(tǒng)具有環(huán)節(jié)多、控制復(fù)雜、運行速度快、慣性質(zhì)量大、運行特性復(fù)雜的特點，且工作狀況經(jīng)常交替轉(zhuǎn)換。雖然礦井提升系統(tǒng)本身有一些安全保護措施，但是由于現(xiàn)場使用環(huán)境條件惡劣，造成了各種機械零件和電氣元件的功能失效，以及操作者的人為過失和對行程監(jiān)測研究的局限性，使得現(xiàn)有保護未能達到預(yù)期的效果，致使提升系統(tǒng)的事故至今仍未能消除。一旦提升機的行程失去控制，沒有按照給定速度曲線運行，就會發(fā)生提升機超速、過卷事故，造成楔形罐道、箕斗的損壞，影響礦井正常生產(chǎn)，甚至造成重大人員傷亡，給煤礦生產(chǎn)帶來極大的經(jīng)濟損失。所以提升機調(diào)速控制系統(tǒng)的研究一直是社會各屆人士共同關(guān)注的一個重大課題。電氣控制方式在很大程度上決定了提升機能否實現(xiàn)平穩(wěn)、安全、可靠地起制動運行，避免了嚴重的機械磨損，防止較大的機械沖擊，減少機械部分維修的工作量，延長提升機械的使用壽命。隨著礦井提升系統(tǒng)自動化，改善提統(tǒng)的性能，以及提高提升設(shè)備的提升能力等的要求，對電氣傳動方式提出了更高的要求。對礦井提升機電氣傳動系統(tǒng)的要求是：有良好的調(diào)速性能，調(diào)速精度高，四象限運行，能快速進行正、反轉(zhuǎn)運行，動態(tài)響應(yīng)速度快，有準確的制動和定位功能，可靠性要求高等。目前，我國地下礦山礦井提升機的電氣傳動系統(tǒng)主要有：對于大型礦井提升機，主要采用晶閘管變流器—直流電動機傳動控制系統(tǒng)和同步電動機矢量控制交一交變頻傳動控制系統(tǒng)。這兩種系統(tǒng)大都采用數(shù)字控制方式實現(xiàn)控制系統(tǒng)的高自動化運行，效率高，有準確的制動和定位功能，運行可靠性高，但造價昂貴，中小礦井難以承受。對于中、小型提升機，則多采用交流繞線式電動機轉(zhuǎn)子切換電阻調(diào)速的交流電氣傳動系統(tǒng)，即TKD電控系統(tǒng)。這種電氣傳動系統(tǒng)設(shè)備簡單，但屬于有級調(diào)速，提升機在減速和爬行階段的速度控制性能較差，特別在負載變動時很難實現(xiàn)恒加減速控制，經(jīng)常會造成過放或過卷事故。提升機頻繁的啟動和制動工作過程會使轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速產(chǎn)生相當嚴重的能耗，另外轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速控制電路復(fù)雜，接觸器、電阻器、繞線電機電刷等容易損壞，影響生產(chǎn)效益。將變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于礦井提升機是礦井提升機電氣傳動系統(tǒng)的發(fā)展方向。對于現(xiàn)采用TKD電控系統(tǒng)的中小型礦井，隨著變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，交一直一交電壓型變頻調(diào)速技術(shù)已開始在礦井提升機改造中應(yīng)用。變頻器的調(diào)速控制可以實現(xiàn)提升機的恒加速和恒減速控制，消除了轉(zhuǎn)子串電阻造成的能耗，具有十分明顯的節(jié)能效果[10]。變頻器調(diào)速控制電路簡單，克服了接觸器、電阻器、繞線電機電刷等容易損壞的缺點，降低了故障和事故的發(fā)生。因此，變頻器在提升機調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用具有十分廣闊的前景。本文介紹變頻器在提升機調(diào)速控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。1.3本論文承擔的任務(wù)本課題擬解決的關(guān)鍵問題是控制策略研究，提升機是礦山生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備，它屬于大轉(zhuǎn)動慣量機-電-液系統(tǒng)，提升機要按所要求的速度圖運行，否則在系統(tǒng)中容易產(chǎn)生大的慣性力，降低機器的壽命，甚至產(chǎn)生脫軌等惡性事故?？刂撇呗匝芯烤褪且ㄟ^電液控實時地、準確地使提升機按給定的速度圖運行，使控制系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性滿足提升機運行的要求。本論文的研究目標是將可編程控制器（PLC）與變頻器相結(jié)合并應(yīng)用于礦山實際生產(chǎn)中，對現(xiàn)有的提升機電控系統(tǒng)進行改造設(shè)計，提高精度，在更安全的范圍內(nèi)保證礦山生產(chǎn)的順利進行。設(shè)計中充分考慮到保護系統(tǒng)惡劣的使用環(huán)境，采用控制功能強大的PLC來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的大型交流接觸器，簡化了控制線路，并應(yīng)用各種現(xiàn)場抗干擾措施，包括采用電抗器、空氣開關(guān)、及RC防浪涌震蕩電路等。尤其在軟件中采用提升機電控系統(tǒng)中斷模塊及故障處理模塊，使超速報警更加科學合理。為了更直觀的顯示提升機的工作狀態(tài)及故障來源，增加了提升機監(jiān)視控制系統(tǒng)，通過顯示器對整個提升系統(tǒng)進行監(jiān)控。本論文承擔的主要任務(wù)如下：1．提升機電控系統(tǒng)主電路部分結(jié)合煤礦生產(chǎn)實際情況，分析提升機工作過程及工作特點。給出提升系統(tǒng)的整體控制方案；確定基于PLC控制的大功率礦井提升機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)組成。確定各部分所要完成的控制功能，并給出控制電路連接電路圖，分析其功能的實現(xiàn)。并采取一些提高系統(tǒng)安全運行和抗干擾能力的措施。2．控制系統(tǒng)軟件設(shè)計部分可編程控制器PLC有強大的可編程控制功能，它是編程軟件STEP—7來完成的。對于復(fù)雜的礦山提升機變頻調(diào)速電控系統(tǒng)采用PLC控制，在本文中設(shè)計出程序控制功能流程圖，并給出其它基本控制功能的梯形圖及控制程序編程語言。提升機系統(tǒng)是一個對安全性要求極高的控制單元，所以在軟件設(shè)計部分應(yīng)有對其系統(tǒng)的故障診斷處理內(nèi)容，在出現(xiàn)故障時應(yīng)能及時報警或停車。3．提升機速度給定方式分析由于礦山生產(chǎn)過程中，提升機所承受的載荷不同、提升的方式及提升行程不同，提升機的牽引力也就不同，應(yīng)對其進行適當調(diào)節(jié)，提升速度也應(yīng)能及時進行控制；如不做相應(yīng)的處理和調(diào)整，系統(tǒng)將在較小的范圍內(nèi)產(chǎn)生極大的累計誤差，導(dǎo)致系統(tǒng)的巨大波動，造成過載或松繩等，甚至導(dǎo)致礦車脫軌或過卷等重大事故，而造成巨大的損失。所以要尋求一種控制方法來提高控制精度。在實際中經(jīng)常采用的轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速因其為有級調(diào)速，調(diào)速不連續(xù)，且對電網(wǎng)沖擊大。所以尋求一種理想的速度給定方式極為重要，以求能夠提高電控系統(tǒng)控制性能，改善控制品質(zhì)。4．保護及抗干擾措施傳統(tǒng)交流電控系統(tǒng)可靠性差，其安全保護、閉鎖及監(jiān)測系統(tǒng)不完善，均為單線系統(tǒng)，且與控制系統(tǒng)相混聯(lián)，多數(shù)共用一套線路，互相影響。本文針對制約提升安全的主要環(huán)節(jié)設(shè)置減速、超速報警及過載、松繩、過卷等安全保護措施，增加監(jiān)視系統(tǒng)，對提升機的運行狀態(tài)及故障來源進行時時監(jiān)視，使提升安全狀況有所改善。為了保證其安全生產(chǎn)，在系統(tǒng)設(shè)計上應(yīng)采用隔離、濾波、屏蔽、接地等抗干擾措施。安全回路應(yīng)具有雙重冗余功能。1.4小結(jié)本章詳細介紹了礦井提升機信號系統(tǒng)的背景，闡述了本課題研究的目的意義。在此基礎(chǔ)上提出了本文所承擔主要任務(wù)和研究的主要內(nèi)容為：提升機電控系統(tǒng)主電路設(shè)計部分、控制系統(tǒng)軟件設(shè)計部分、提升機速度給定方式分析、保護及抗干擾措施。在完成以上設(shè)計內(nèi)容時，此調(diào)速控制系統(tǒng)才能成為一個有機的整體，才能安全可靠的工作，并達到預(yù)期的控制效果。第2章礦井提升機的組成及分類2.1科技名詞定義中文名稱：礦井提升機英文名稱：minewinder;minehoist其他名稱：礦井卷揚機;絞車;礦井絞車定義：安裝在地面，借助于鋼絲繩帶動提升容器沿井筒或斜坡道運行的提升機械。分“纏繞式提升機(minedrumwinder)”和“摩擦式提升機(minefrictionwinder)”百度名片：礦井提升機是礦井井下和地面的工作機械。說明：礦井提升機是一種大型絞車。用鋼絲繩帶動容器（罐籠或箕斗）在井筒中升降，完成輸送物料和人員的任務(wù)。礦井提升機是由原始的提水工具逐步發(fā)展演變而來?，F(xiàn)代的礦井提升機提升量大，速度高，已發(fā)展成為電子計算機控制的全自動重型礦山機械。2.2礦井提升機的組成礦井提升機主要由電動機、減速器、卷筒（或摩擦輪）、制動系統(tǒng)、深度指示系統(tǒng)、測速限速系統(tǒng)和操縱系統(tǒng)等組成，采用交流或直流電機驅(qū)動。按提升鋼絲繩的工作原理分纏繞式礦井提升機和摩擦式礦井提升機。纏繞式礦井提升機有單卷筒和雙卷筒兩種，鋼絲繩在卷筒上的纏繞方式與一般絞車類似。單筒大多只有一根鋼絲繩，連接一個容器。雙筒的每個卷筒各配一根鋼絲繩，連接兩個容器，運轉(zhuǎn)時一個容器上升，另一個容器下降。纏繞式礦井提升機大多用于年產(chǎn)量在120萬噸以下、井深小于400米的礦井中。摩擦式礦井提升機的提升繩搭掛在摩擦輪上，利用與摩擦輪襯墊的摩擦力使容器上升。提升繩的兩端各連接一個容器，或一端連接容器，另一端連接平衡重。摩擦式礦井提升機根據(jù)布置方式分為塔式摩擦式礦井提升機（機房設(shè)在井筒頂部塔架上）和落地摩擦式礦井提升機（機房直接設(shè)在地面上）兩種。按提升繩的數(shù)量又分為單繩摩擦式礦井提升機和多繩摩擦式礦井提升機。后者的優(yōu)點是：可采用較細的鋼絲繩和直徑較小的摩擦輪，從而機組尺寸小，便于制造；速度高、提升能力大、安全性好。年產(chǎn)120萬噸以上、井深小于2100米的豎井大多采用這種提升機\o"查看圖片"

2.3礦井提升機的分類礦井提升機是聯(lián)系礦井井下和地面的工作機械。用鋼絲繩帶動容器在井筒中升降，完成運輸任務(wù)。按工作方式分類如下：（一）纏繞式提升機：纏繞式提升機的主要部件有主軸、卷筒、主軸承、調(diào)繩離合器、減速器、深度指示器和制動器等（圖2）。雙卷筒提升機的卷筒與主軸固接者稱固定卷筒，經(jīng)調(diào)繩離合器與主軸相連者稱活動卷筒。中國制造的卷筒直徑為2～5m。隨著礦井深度和產(chǎn)量的加大，鋼絲繩的長度和直徑相應(yīng)增加。因而卷筒的直徑和寬度也要增大，故不適用于深井提升。\o"查看圖片"

礦井提升機1.單繩纏繞式提升機根據(jù)卷筒數(shù)目可分為單卷筒和雙卷筒兩種：①單卷筒提升機，一般作單鉤提升。鋼絲繩的一端固定在卷筒上，另一端繞過天輪與提升容器相連；卷筒轉(zhuǎn)動時，鋼絲繩向卷筒上纏繞或放出，帶動提升容器升降。②雙卷筒提升機，作雙鉤提升（圖1）。兩根鋼絲繩各固定在一個卷筒上,分別從卷筒上、下方引出,卷筒轉(zhuǎn)動時，一個提升容器上升，另一個容器下降。纏繞式提升機按卷筒的外形又分為等直徑提升機和變直徑提升機兩種。等直徑卷筒的結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，價格低，得到普遍應(yīng)用。深井提升時，由于兩側(cè)鋼絲繩長度變化大，力矩很不平衡。早期采用變直徑提升機（圓柱圓錐形卷筒），現(xiàn)多采用尾繩平衡。2.多繩纏繞式提升機提升機在超深井運行中，尾繩懸垂長度變化大，提升鋼絲繩承受很大交變應(yīng)力，影響鋼絲繩壽命；尾繩在井筒中還易扭轉(zhuǎn)，妨礙工作。20世紀50年代末，英國人布雷爾（Blair）設(shè)計了一臺直徑3.2m雙繩多層纏繞式提升機(又稱布雷爾式提升機)，提升高度1580～2349m，一次提升量10～20t。（二）摩擦式提升機1938年，瑞典的ASEA公司在拉維爾（Laver）礦安裝了一臺直徑1.96m雙繩摩擦式提升機。1947年德國G.H.H.公司在漢諾威（Hannover）礦安裝了一臺四繩摩擦式提升機。多繩摩擦式提升機具有安全性高、鋼絲繩直徑細、主導(dǎo)輪直徑小、設(shè)備重量輕、耗電少、價格便宜等優(yōu)點，發(fā)展很快。除用于深立井提升外，還可用于淺立井和斜井提升。鋼絲繩搭放在提升機的主導(dǎo)輪（摩擦輪）上，兩端懸掛提升容器或一端掛平衡重(錘)。運轉(zhuǎn)時，借主導(dǎo)輪的摩擦襯墊與鋼絲繩間的摩擦力,帶動鋼絲繩完成容器的升降。鋼絲繩一般為2～10根。多繩摩擦式提升機的主要部件有主軸、主導(dǎo)輪、主軸承、車槽裝置、減速器、深度指示器、制動裝置及導(dǎo)向輪等（圖5）。主導(dǎo)輪表面裝有帶繩槽的摩擦襯墊。襯墊應(yīng)具有較高的摩擦系數(shù)和耐磨、耐壓性能,其材質(zhì)的優(yōu)劣直接影響提升機的生產(chǎn)能力、工作安全性及應(yīng)用范圍。目前使用較多的襯墊材料有聚氯乙烯或聚氨基甲酸乙酯橡膠等。由于鋼絲繩與主導(dǎo)輪襯墊間不可避免的蠕動和滑動，停車時深度指示器偏離零位，故應(yīng)設(shè)自動調(diào)零裝置，在每次停車期間使指針自動指向零位。車槽裝置用于車削繩槽，保持直徑一致，有利于每根鋼絲繩張力均勻。為了減少震動，可采用彈簧機座減速器。1.井塔式提升機機房設(shè)在井塔頂層，與井塔合成一體，節(jié)省場地；鋼絲繩不暴露在露天，不受雨雪的侵蝕，但井塔的重量大，基建時間長，造價高，并不宜用于地震區(qū)（圖3）。2.落地式提升機機房直接設(shè)在地面上，井架低，投資小，抗震性能好；缺點是鋼絲繩暴露在露天，彎曲次數(shù)多,影響鋼絲繩的工作條件及使用壽命（圖4）。2.4小結(jié)本章主要介紹了礦井提升機的科技名詞，以及詳細講述了礦井提升機的組成及分類，第3章礦井提升機的制動裝置及安全裝置3.1礦井提升機的制動裝置3.1.1制動裝置的組成及種類提升機制動系統(tǒng)是提升機重要組成部分，它直接關(guān)系到提升機設(shè)備得安全運行，它由制動器（閘）和傳動裝置組成。制動器直接作用到制動力矩的機構(gòu)、傳動裝置是控制并調(diào)節(jié)制動力矩的機構(gòu)。制動器按其結(jié)構(gòu)可分為塊閘(角移式和平移式)和盤問；傳動裝置按傳動能源可分為液壓、氣動及彈簧等。3.1.2制動裝置的作用提升機在礦井中擔負著提升煤炭、矸石。升降人員和設(shè)備、運送材料及丁具等任務(wù)。它是溝通礦井地面與井下的運輸設(shè)備，是礦井的重要設(shè)備之一。而礦井提升機的制動和安全保護裝置是提升系統(tǒng)的重要組成部分，它直接影響提升機正常丁作和安全運行，因此對提升機的制動器和安全保護裝置必須給予充分的重視。并加強機房管理，為操作人員創(chuàng)造一個更好的更安全的工作環(huán)境。礦井提升機制動裝置的用途是：（1）在提升終了或提升機不工作時，可靠的閘住提升機——停車制動；（2）減速階段參與提升機的速度控制——工作制動；（3）作為安全機構(gòu)，發(fā)生緊急事故時，進行安全制動，對提升系統(tǒng)進行保護——緊急制動；（4）雙卷筒提升機動作調(diào)繩離合器時，應(yīng)能閘住活卷筒，動作死卷筒。3.1.3《煤礦安全規(guī)程》對制動力矩的規(guī)定①對于立井或傾角大于30。的斜井最大制動力矩不得小于提升或下放最大靜負力矩的3倍；②對于雙滾筒提升機．為了使離合器打開時能制動住游動滾筒、制動器在一個滾筒上的制動力矩，不得小于該滾筒懸掛提升容器和鋼絲繩重力所產(chǎn)生的力矩的1.2倍；③在同一制動力矩作用下,安全制動時，上提及下放貨載。其減速度是不同的。在立井和傾斜巷道中使用的提升機，安全制動時，全部機械的減速度必須符合下表的規(guī)定；④對于摩擦式提升機工作制動或安全制動的減速度、不得超過鋼絲繩的滑動極限。即不引起鋼繩打滑；⑤安全制動必須能自動、迅速和可靠地實現(xiàn)，制動器的空動時間(由安全保護回路斷電時起到閘瓦接觸到閘輪上的時間)氣壓塊閘不得超過0.5秒．液壓塊閘不得超過0.6秒，盤式制動器不得超過0.3秒。3.1.4制動裝置的有關(guān)規(guī)定（一）《煤礦安全規(guī)程》第428條規(guī)定：提升絞車必須裝設(shè)深度指示器、開始減速時能自動示警與不離開座位即能操縱的常用閘和保險閘，保險閘必須能自動發(fā)生制動作用。常用閘和保險閘共用1套閘瓦制動時，操縱和控制機構(gòu)必須分開。雙滾筒提升絞車的2套閘瓦的傳動裝置必須分開。對具有2套閘瓦只有1套傳動裝置的雙滾筒絞車，應(yīng)改為每個滾筒各自有其控制機構(gòu)的彈簧閘。提升絞車除設(shè)有機械制動閘外，還應(yīng)設(shè)有電氣制動裝置。嚴禁司機離開工作崗位、擅自調(diào)整制動閘。（二）《煤礦安全規(guī)程》第429條規(guī)定：保險閘必須采用配重式或彈簧式的制動裝置，除可由司機操縱外，還必須能自動抱閘，并同時自動切斷提升裝置電源。常用閘必須采用可調(diào)節(jié)的機械制動裝置。保險閘或保險閘第一級由保護回路斷電時起至閘瓦接觸到閘輪上的空動時間：壓縮空氣驅(qū)動閘瓦式制動閘不得超過0.5s，儲能液壓驅(qū)動閘瓦式制動閘不得超過0.6s，盤式制動閘不得超過0.3s。盤式制動閘的閘瓦與制動盤之間的間隙應(yīng)不大于2mm。保險閘施閘時，杠桿和閘瓦不得發(fā)生顯著的彈性擺動。（三）提升絞車的常用閘和保險閘制動時，所產(chǎn)生的力矩與實際提升最大靜載荷旋轉(zhuǎn)力矩之比不得小于3。在調(diào)整雙卷筒提升絞車卷筒旋轉(zhuǎn)的相對位置時（此時游動卷筒與主軸脫離連接），制動裝置在各滾筒閘輪上所發(fā)生的力矩，不得小于該滾筒所懸重量（鋼絲繩重量與提升容量重量之和）形成的旋轉(zhuǎn)力矩的1.2倍。在立井和傾角大于30°的傾斜井巷，提升裝置的保險閘發(fā)生作用時，減速度必須符合：下放重載時，不得小于1.5m/s;3.2礦井提升機的安全保護裝置《煤礦安全規(guī)程》第427條規(guī)定：提升機必須具有以下九種安全保護裝置：防止過卷裝置、防止過速裝置、過負荷和欠電壓保護裝置、限速裝置、深度指示器失效保護裝置、閘間隙保護裝置、松繩保護裝置、滿倉保護裝置、減速功能保護裝置1、防止過卷裝置：當提升容器超過正常終端停止位置（或出車平臺）0.5m時，必須能自動斷電，并能使保險閘發(fā)生制動作用。2、防止過速裝置：當提升速度超過最大速度15%時，必須能自動停電，并能使保險閘發(fā)生作用。3、過負荷和欠電壓保護裝置：在提升機的配電開關(guān)上設(shè)有過電流和欠電壓保護裝置，在過負荷或欠電壓情況下使配電開關(guān)自動跳閘，切斷提升電動機電源，并使保險閘發(fā)生作用。4、限速裝置：提升速度超過3m/s的提升絞車必須裝設(shè)限速裝置，以保證提升容器（或平衡錘）到達終端位置時的速度不超過2m/s。如果限速裝置為凸輪板，其在１個提升行程內(nèi)的旋轉(zhuǎn)角度應(yīng)不小于270°。5、深度指示器失效保護裝置：當指示器失效時，能自動停電并能使保險閘發(fā)生作用。6、閘間隙保護裝置：當閘間隙超過規(guī)定值時，能自動報警或自動斷電。7、松繩保護裝置：纏繞式提升絞車必須設(shè)置松繩保護裝置并接入安全回路和報警回路，在鋼絲繩松弛時能自動斷電并報警?；诽嵘龝r，送繩保護裝置動作后，嚴禁受煤倉放煤。8、滿倉保護裝置：箕斗提升的井口煤倉倉滿時能自動報警和自動斷電。9、減速功能保護裝置：當提升容器（或平衡錘）達到設(shè)計減速位置時，能示警開始減速。防止過卷裝置、防止過速裝置、限速裝置、減速功能保護裝置應(yīng)設(shè)置為相互獨立的雙線型式。3.2.1提升機機房的管理(1)提升機機房電控室消防及其滅火、提升機機房必備消防器材如消防砂箱、消防砂袋以及防火鍬、鎬、鉤、桶等；提升機機房必須配備必要的滅火器材。如二氧化碳滅火器、干粉滅火器等；25m長的消防軟管等。(2)提升機機房日常管理內(nèi)容：要認真對滅火器定期檢查，防止失效；砂箱砂量不得少于0.2m3，防火用具不得挪作他用、使用后應(yīng)及時補充；消防用水應(yīng)有一定的水量和壓力。(3)撲滅提升機機房電控室的電火和油火時應(yīng)注意的事項和方法是，應(yīng)盡快切斷電源，防止火勢蔓延，并且防止觸電。切斷電源時應(yīng)注意：起火后絕緣降低，操作人員應(yīng)使用絕緣用具；應(yīng)先斷開負荷開關(guān)，若無法斷開開關(guān)時，應(yīng)設(shè)法剪斷線路。火災(zāi)發(fā)生后，應(yīng)立即向礦調(diào)度室報告。滅火時，不可將身體或手持的用具觸及導(dǎo)線和電氣設(shè)備，防止觸電。使用不導(dǎo)電的滅火器材(女[1--氧化碳滅火器、干粉滅火器等)若油著火時，不能用水直接滅火，只能用砂子以及二氧化碳滅火器、干粉滅火器等器材滅火。3.2.2設(shè)備電氣火災(zāi)預(yù)防措施(1)提升機機房保持電氣設(shè)備的完好，發(fā)現(xiàn)故障及時處理。(2)提升機機房避免電氣設(shè)備的溫度過高。(3)提升機機房保持電氣設(shè)備的清潔，電纜要吊掛整齊，及時清理電氣設(shè)備的油污、粉塵。(4)提升機機房電氣設(shè)備近處不得存放易燃、易爆等物品。(5)提升機機房配備足夠數(shù)量、不同種類的消防器材，并加強管理，定期檢查、試驗。用后應(yīng)及時補齊。3.2.3提升機機房的保安措施(1)提高警踢，加強“三防”工作，保證設(shè)備的安全運轉(zhuǎn)。(2)非機房操作人員不準人內(nèi)。外來人員必須經(jīng)有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)批準后，持介紹信，方可登記人內(nèi)。(3)遵守勞動紀律，不準脫崗或做與工作無關(guān)的事情。(4)積極做好安全檢查及事故預(yù)防工作。消防器材要完備可靠，發(fā)現(xiàn)隱患及時消除。(5)發(fā)生電氣設(shè)備事故時，必須妥善保護現(xiàn)場，如實匯報情況，及時處理。(6)房門外要按規(guī)定懸掛“機房重地，閑人免進”的警示牌。(7)機房應(yīng)配應(yīng)急燈。3.2.4井下提升機電控室對風量和溫度的具體要求(1)井下提升機主控室必須設(shè)有回風的通道或調(diào)節(jié)風窗。其回風斷面和回風量應(yīng)根據(jù)機電設(shè)備的類型、容量大小、提升能力、硐室斷面等情況而確定。通風網(wǎng)路必須獨立。(2)保持適宜的溫度井下提升機主控室內(nèi)的溫度不得超過30℃。當機電硐室的空氣溫度超過34℃時，必須采取降溫措施。(3)必須檢查瓦斯。特別是設(shè)置在采區(qū)內(nèi)的提升機主控室必須每班至少檢查1次瓦斯?jié)舛取?4)檢查機電硐室的風是否合格，應(yīng)檢查發(fā)熱設(shè)備周圍距機殼0.5m處的回風側(cè)的溫度不超過30℃為合格。3.2.5斜井(巷)提升，常用的跑車防護裝置及設(shè)施類型(1)電動式自動擋車門：由擋車門、提檔裝置、配重和電控系統(tǒng)等幾部分組成。(2)機械式旁側(cè)處磕頭跑車防護裝置：當提升機正常運行時，車箱碰撞活動板，使活動板繞立軸上的撞板不會碰到作用杠桿上，于是車檔不落下。一旦發(fā)生跑車，則立軸上的活動板被飛速跑下的礦車猛烈碰撞后，迫使撞板碰到作用杠桿上，使其繞軸轉(zhuǎn)動，立即拉開脫扣，使鋼絲繩失去拉力，擋往跑車。(3)檔桿式跑車防護裝置：利用跑車的作用力，通過杠桿與連桿傳動機構(gòu)，使提檔裝置動作，迫使車桿迅速落下，擋住跑車。(4)阻車叉跑車防護裝置：當串車向上提升之前，把鉤工將阻車叉掛在最后一輛礦車的尾部，一旦發(fā)生跑車，阻車叉能立即叉住礦車。(5)掛歷式跑車防護裝置：當發(fā)生跑車事故時，下跑的礦車以高速度沖擊擺稈，撞擊銷軸，致使鉤稈繞軸轉(zhuǎn)動，并與樞環(huán)相互脫開，此刻擋車門失去鋼絲繩的牽引力，靠白重立即下落，擋往跑車。(6)壓工跑車防護裝置：安設(shè)在井口和中部車場，礦車或串車正常運行時，提升鋼絲繩拉緊，并將移動繩輪緊緊壓下，通過連接鋼絲繩將擋車門拉起。一旦發(fā)生跑車，提升鋼絲繩松弛，對移動繩輪失去壓力，擋車門因無牽引力而由于白重立即下落，擋住跑車。第4章提升機調(diào)速控制系統(tǒng)硬件實現(xiàn)4.1引言經(jīng)過分析比較，權(quán)衡各種控制方案的優(yōu)劣，結(jié)合提升機調(diào)速系統(tǒng)屬于恒轉(zhuǎn)矩負載特性，最終選擇PLC與變頻器相結(jié)合的變頻調(diào)速方案，其變頻控制方式為：矢量變頻調(diào)速控制。此方案能夠很好解決傳統(tǒng)交流繞線式電機串電阻調(diào)速系統(tǒng)的缺點，變頻調(diào)速是通過改變定子供電頻率來達到電機調(diào)速的目的，無論轉(zhuǎn)速高低，其機械特性基本上與自然機械特性平行，能夠滿足提升機特殊工作環(huán)境的要求且有著明顯的節(jié)電效果；采用PLC對提升系統(tǒng)進行保護和監(jiān)控，使系統(tǒng)更加安全可靠。變頻調(diào)速系統(tǒng)將是提升機電控系統(tǒng)的發(fā)展方向。4.2提升機電控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)基于PLC控制的大功率礦井提升機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)由動力裝置、液壓站、變頻器、操作臺和控制監(jiān)視系統(tǒng)組成，系統(tǒng)框圖如圖3—1所示。各部分功能如下：動力裝置：包括主電機、減速器、卷筒、制動器和底座，完成人、物、料的運輸任務(wù)。主電機通過減速器向卷筒提供牽引所需的動力；液壓站：為提升機提供制動力，停車時先通過液壓站給卷筒施加機械制動力，再取消直流制動力；提升機起動時，先對電機施加直流制動，再松開機械抱閘，防止溜車，以保證系統(tǒng)安全可靠地工作。變頻調(diào)速器：是動力裝置的能量供給單元，通過它可將輸入工頻電能轉(zhuǎn)換成頻率可調(diào)的電能提供給交流電動機，以達到控制交流電動機轉(zhuǎn)速的目的。操作臺：操作臺設(shè)置兩個手柄，分別用于速度輔助給定及制動力給定。它是整個礦井提升機運輸系統(tǒng)的控制核心，通過它可以設(shè)定系統(tǒng)的工作方式和控制方式，可以發(fā)布系統(tǒng)的各種控制命令，以實現(xiàn)對提升機啟動、加速、平穩(wěn)運行、減速、停車以及緊急制動等各種控制功能?？刂票O(jiān)視系統(tǒng)：是操作人員和控制系統(tǒng)及運輸系統(tǒng)之間的橋梁，它可以在線監(jiān)測提升機運輸系統(tǒng)的各種工作參數(shù)、工作狀態(tài)、故障參數(shù)和故障狀態(tài)。變頻調(diào)速控制系統(tǒng)工作原理：如圖3—1，系統(tǒng)內(nèi)部采用矢量控制思想，AC380V三相動力電源由隔爆接線腔R,S,T3個接線柱接入隔爆主腔內(nèi)，大功率變頻（SB61G110KW）可以將工頻三相交流電經(jīng)過交—直變換之后經(jīng)過逆變器，利用設(shè)定的參數(shù)進行逆變，使得輸出為某一相應(yīng)設(shè)定頻率的交流電，經(jīng)變頻后輸出U,V,W來驅(qū)動電機的運行。變頻器輸出頻率的變化，將導(dǎo)致電動機的輸出轉(zhuǎn)速變化，二者之間的關(guān)系近似線性。這樣，就起到了調(diào)速的作用。在提升過程中，控制提升機運行的主速度給定S形速度曲線由PLC編程產(chǎn)生，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，由模擬量輸出口輸出，以驅(qū)動變頻器工作；對變頻器輸出頻率的調(diào)整控制，也可根據(jù)現(xiàn)場的工況需要，由操作臺速度控制手柄以輔助給定的方式進行控制。旋轉(zhuǎn)編碼器可以檢測主電動機的轉(zhuǎn)速，并將此信號傳送給可編程控制器，PLC通過該信號可以累計計算提升機的行走距離。操作人員通過操作臺向PLC發(fā)送控制提升機運行的控制命令。控制監(jiān)視系統(tǒng)通過與PLC的通信，將電動機的所有運行參數(shù)和故障參數(shù)都顯示出來，并對礦車的位置及速度進行時時監(jiān)控。為操作人員分析故障、判斷故障和處理提供依據(jù)。4.3提升機電控系統(tǒng)變頻器選擇本調(diào)速控制系統(tǒng)包括：德國的西門子(Siemens)公司生產(chǎn)的模塊式PLCS7-300和變頻器各一臺。變頻器選用森蘭公司的通用變頻器系列SB61G110KW通用變頻器，功率為110kW。根據(jù)變頻調(diào)速原理，在變頻器的控制輸入回路中接入頻率設(shè)定電路，由PLC輸出的模擬量，即電壓或電流信號來控制變頻器的輸出頻率，實現(xiàn)電機速度控制。本系統(tǒng)中調(diào)速采用PLC+D/A模塊配合變頻器進行，通過PLC輸出電壓信號(0~10V)來控制變頻器的頻率。此時的變頻器輸出頻率與設(shè)定電壓輸入成正比。為了便于監(jiān)控變頻器的運行狀態(tài)并及時發(fā)現(xiàn)異常，應(yīng)取出變頻器的異常信號送到PLC的輸入模塊，以作為變頻器的事故報警信號及安全制動。為了與變頻調(diào)速系統(tǒng)配合，保證在啟動力矩、低頻轉(zhuǎn)矩、過載能力等方面滿足系統(tǒng)的要求，選用冶金起重專用變頻電動機。變頻電動機的電磁設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計和絕緣系統(tǒng)設(shè)計既考慮了對變頻器電源供電和寬范圍變頻調(diào)速的適應(yīng)能力，又體現(xiàn)了冶金及起重專用三相異步電動機過載能力大、機械強度高的特點。與變頻調(diào)速良好的起、制動功能相結(jié)合，特別適用于采用變頻調(diào)速，短時間或斷續(xù)周期運行、頻繁啟動和制動的場合，既能保證電動機在高頻時的過載能力，又能在低頻時保持恒轉(zhuǎn)矩輸出。4.4變頻控制部分設(shè)計4.4.1變頻調(diào)速主系統(tǒng)設(shè)計變頻調(diào)速單元采用森蘭SB61系列SB61G110KW通用變頻器，其變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路如圖3—2所示。與標準的電壓—頻率控制裝置相比較，在速度參數(shù)和負載轉(zhuǎn)矩都改變的情況下，VVCPLus的動態(tài)和穩(wěn)定性較優(yōu)越，可實現(xiàn)一個全數(shù)字化的保護，即使在最惡劣的操作條件下，也可確?？煽窟\行。SB61G110KW具有國際領(lǐng)先的無速度傳感器矢量控制技術(shù)和擬超導(dǎo)技術(shù)，使電機低速時機械特性變硬。同時具有短路、接地和過載保護功能。調(diào)速控制系統(tǒng)主電路主要部件的功能和原理：①空氣斷路器：過流過載保護；②交流接觸器：切斷電源和啟動；③交流電抗器La：降低諧波，抑制浪涌電壓，改善功率因數(shù)；④噪聲濾波LB：減小無線電干擾；⑤電抗器LA：減小干擾和振動；⑥熱繼電器FR：斷相保護，過載保護；1提升電動機選擇一般電動機的額定電流可以用如下公式計算，即：根據(jù)上述公式對一般三相交流異步電功機的額定電流計算得出：異步電動機的額定電流與電動機額定功率的關(guān)系為：如果U＝380V，電流大約為1kW是2A。因此．在選擇電動機的保護元件時可以用1kw2A來估算電動機的額定電流值，從而達到快速選擇保護元件的目的。本調(diào)速系統(tǒng)所選電動機為：QABP系列三相異步變頻調(diào)速電動機。其技術(shù)數(shù)據(jù)如表3—1所示：2變頻器的容量選擇在一臺變頻器驅(qū)動一臺電機的情況下，變頻器的容量選擇要保證變頻器的額定電流大于該電動機的額定電流，或者是變頻器所適配的電動機功率大于當前該電動機的功率。另外礦用提升機屬于頻繁起動、加減速運轉(zhuǎn)，其變頻器容量的選定應(yīng)根據(jù)加速、恒速、減速等各種運行狀態(tài)下的電流值，按下式確定：式中：變頻器額定輸出電流(A)；：各運行狀態(tài)平均電流(A)；：各運行狀態(tài)下的時間；K0：安全系數(shù)(運行頻繁時取1.2，其它條件下為1.1)?？紤]到礦用電機性能上的差異及機械負載的波動，變頻器容量取電動機容量的1.4倍，本系統(tǒng)中所需電動機的軸上功率為75KW，按1.4倍容量就選擇105KW以上變頻器。3變頻器的選擇絞車升降的運轉(zhuǎn)具有較大慣性，四象限運行的特點，與其他傳動機械相比對變頻器有著更為苛刻的安全和性能上的要求，SB61G系列通用變頻器是專為起重類負載而設(shè)計的專用變頻器，該系列產(chǎn)品采用了最優(yōu)的電機控制方法—矢量控制技術(shù)，它可以對所有交流電動機的核心變量進行控制，并把定子磁通、轉(zhuǎn)矩作為主要控制變量。其對負載的變化和瞬時掉電，能做出迅速響應(yīng)；開環(huán)控制精度可以達到閉環(huán)矢量控制的精度（誤差0.1%～0.5%），開環(huán)轉(zhuǎn)矩階躍上升時間小于5ms，起動轉(zhuǎn)矩可達200%，并具有有效的磁通制動來提供最大可能的制動力矩。尤其它還提供了絞車應(yīng)用宏程序，可以實現(xiàn)絞車過載保護、過卷保護、超速保護和各種故障監(jiān)控及報警，模塊化功能可方便實現(xiàn)施工現(xiàn)場多臺絞車同步控制，確保使用時安全快速運行、故障處理容易、維護簡單。根據(jù)變頻器所需容量，查變頻器型號規(guī)格：選擇森蘭SB61G110KW通用型變頻器。其標稱參數(shù)如表3—2所示：表3—2森蘭SB61G110KW通用型變頻器的參數(shù)4.4.2變頻器外部電路設(shè)計變頻器可以輸出頻率可調(diào)的交流電源，另外在變頻器的外圍加設(shè)有聲光報警輸出口及制動單元，能夠?qū)崿F(xiàn)變頻器故障報警器和安全制動，更有效的對控制系統(tǒng)進行安全保護，外部電路連接如圖3—3所示。1聲光報警回路(1)、變頻器報警輸出的動斷（常閉）觸點“30B-30C”串聯(lián)在KM1的線圈電路內(nèi)，當變頻器因故障不能正常工作時，發(fā)出報警；同是報警輸出的常閉觸點動作，使KM1線圈失電，將變頻器與電源斷開，進行安全保護。為了保護報警輸出的觸點，在接觸器的線圈兩端，并聯(lián)阻容吸收電路（即RC震蕩電路）。(2)、聲光報警電路由報警輸出的動合（常開）觸點“30B-30A”控制，當變頻器跳閘時，觸點“30B-30A”閉合，將報警指示燈HL和電笛HA接通，進行聲光報警。與此同時，斷電器KA1得電，其觸點將聲光報警電路自鎖，使變頻器斷電后，聲光報警能持續(xù)下去，直到工作人員按下ST1為止，報警才能解除。另外繼電器線圈和電笛線圈的兩端，也需要并聯(lián)阻容吸收電路，以保護變頻器內(nèi)部報警繼電器觸點。2制動控制回路提升機負載由于慣性較大，當變頻器的輸出頻率下降至0Hz時，常常停不住，而有“蠕動”(也稱爬行)現(xiàn)象，在礦山提升機這種大負載機械中，蠕動現(xiàn)象有可能造成十分危險的后果。為此，變頻器調(diào)速時應(yīng)設(shè)置能耗制動和直流制動功能。一、能耗制動電路的作用在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，電動機的降速和停機，是通過逐漸減小頻率來實現(xiàn)的。這時：1、電動機的工作狀態(tài)在頻率剛減小的瞬間，電動機的同步轉(zhuǎn)速隨之下降，而由于機械慣性的原因，電動機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速未變。當同步轉(zhuǎn)速低于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)子電流的相位幾乎改變了180°，電動機處于發(fā)電機狀態(tài)。與此同時，電動機軸上的轉(zhuǎn)矩變成了制動轉(zhuǎn)矩，使電動機的轉(zhuǎn)速迅速下降。從電動機的角度來看，處于再生制動狀態(tài)。2、變頻調(diào)速系統(tǒng)的工作狀態(tài)電動機再生的電能經(jīng)如圖3—2所示與逆變管反并聯(lián)的續(xù)流二極管全波整流后反饋到直流電路，由于直流電路的電能無法回輸給電網(wǎng)，盡管各部分電路還在消耗電能，但電容上仍有短時間的電荷堆積，形成“泵生電壓”，使直流電壓升高。過高的直流電壓將使各部分器件受到損害。因此，當直流電壓超過一定值時，就要求提供一條放電回路，將再生的電能消耗掉。所以，從變頻調(diào)速系統(tǒng)的角度來看，拖動系統(tǒng)在轉(zhuǎn)速下降時減少的動能，由電動機“再生”電能后，在變頻器的直流電路中被消耗掉了。歸根結(jié)底，是通過消耗能量而獲得制動轉(zhuǎn)矩的，屬于能耗制動狀態(tài)。用于消耗電動機再生電能的電路，就是能耗制動電路。二、能耗制動電路的構(gòu)成1、制動電阻能耗制動電路結(jié)構(gòu)如圖3—4所示，圖中的BR就是制動電阻，用于將電動機的再生電能轉(zhuǎn)換成熱能而消耗掉。其選擇方法如下：（1）的阻值一般情況下，的大小以使制動電流不超過變頻器額定電流的一半為宜，即（2）的功率由于的工況屬于短時工作，幫其標稱功率可以比長期通電時消耗的功率小很多：式中，為選用系數(shù)，取值范圍約為=0.3～0.5,取決于電動機的容量和工況。通常，電動機容量較小時取小值，反之取大值。當電動機的再生制動狀態(tài)屬于正常工作狀態(tài)時，應(yīng)取=1.0。例如超重機械中，吊鉤的下降過程就是。2、制動單元BV如圖3—4，制動單元BV的功能是，當直流回路的電壓超過規(guī)定的限值勤時，接通耗能電路，使直流回路通過釋放能量。（I）制動單元BV的組成如圖上劃線框所示，BV的組成如下：a）功率管用于接通與關(guān)斷能耗電路，是制動單元的主體。圖3—4能耗制動和制動單元電路b）電壓取樣與比較電路由于的驅(qū)動電路是低壓電路，故只能按比例取出的一部分作為采樣電壓，和基準電壓進行比較，得到控制導(dǎo)通或截止的指令信號。c）驅(qū)動電路驅(qū)動電路用于接受“取樣與比較電路”給出的指令信號，驅(qū)動導(dǎo)通或截止。（II）功率管的選用的常用器件是GTR或IGBT。其主要參數(shù)的一般選擇方法如下：a）擊穿電壓在電源電壓為380V時，選=1000V即可。b）集電極最大電流按正常電壓下流經(jīng)的電流的兩倍來選擇三、直流制動單元能耗制動和直流制動配合使用能達到理想的制動效果。直流制動原理：所謂直流制動，就是向電動機的定子繞組內(nèi)通入直流電流，使異步電動機處于能耗制動狀態(tài)。具體操作是，將電機與變頻器切斷后向定子繞組內(nèi)通入直流電流，定子磁場是靜止的。這時，轉(zhuǎn)子繞組切割磁力線后產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向相反，是制動轉(zhuǎn)矩。因為轉(zhuǎn)子繞組切割磁力線的速度較大，所產(chǎn)生的制動轉(zhuǎn)矩比較強烈，從而可縮短停機時間。此外，直流磁場本身具有吸住轉(zhuǎn)子的作用，可以有效地消除轉(zhuǎn)子的蠕動。直流制動功能預(yù)置A、直流制動的起始頻率，通常直流制動都是和再生制動配合使用的。即：首先用再生制動方式將電動機的轉(zhuǎn)速降至較低轉(zhuǎn)速，然后再轉(zhuǎn)換成直流制動，使電動機迅速停住。轉(zhuǎn)換時對應(yīng)的頻率即為直流制動的起始頻率，如圖所示。預(yù)置起始頻率的主要依據(jù)是負載對制動時間的要求，要求制動時間越短，則起始頻率應(yīng)越高。B、直流制動強度即預(yù)置在定子繞組上施加直流電壓或直流電流的大小，它決定了直流制動的強度，如圖3—5所示。預(yù)置直流制動電壓(或制動電流)的主要依據(jù)是負載慣性的大小，慣性越大者，直流制動強度(或)也應(yīng)越大。一般情況下，直流電壓以不超過50V為宜。3)直流制動時間即施加直流制動時間的長短。預(yù)置直流制動時間的主要依據(jù)是負載是否有“爬行”現(xiàn)象，以及對克服“爬行”的要求，要求越高者，應(yīng)適當長一些。直流制動功能預(yù)置參數(shù)F403、F404、F405設(shè)置（見附錄：變頻器各項參數(shù)設(shè)定）。圖3—5直流制動功能預(yù)置4.5PLC控制部分設(shè)計4.5.1基本控制功能PLC是本控制系統(tǒng)中關(guān)鍵的一環(huán)，其主要控制電路如圖3—6所示，主要的控制功能有如下幾項：主令操作控制、保護監(jiān)視控制。主令操作控制，對系統(tǒng)進行管理，實現(xiàn)提升機與操作臺之間的指令傳遞，向提升系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的指令，并改變相應(yīng)電控系統(tǒng)的工作狀態(tài)，使提升機按照預(yù)定的力圖和速度圖安全運行，運行方式可分為啟動、等速運行、減速、爬行、停車。PLC根據(jù)運行方式對變頻器實現(xiàn)S形速度給定控制，實現(xiàn)箕斗運行速度的準S形曲線。PLC還完成各種保護監(jiān)視功能。監(jiān)控內(nèi)容主要包括：超速監(jiān)視、過卷監(jiān)視、實時速度監(jiān)視、井筒過卷監(jiān)視、變頻器故障監(jiān)視、礦車行程監(jiān)視、過載監(jiān)視、深度指示器監(jiān)視等，以上監(jiān)視內(nèi)容出現(xiàn)故障時，通過報警回路報警或安全回路實現(xiàn)抱閘停車保護。1、起動，停車(1)多數(shù)變頻器不能適應(yīng)上電運行功能，所以應(yīng)對控制系統(tǒng)加入保護功能。當需要開機運行時，按下起動按鈕SB1，其輸出繼電器KM1便吸合，置于電源與變頻器之間的常開觸點閉合，將三相AC380V動力電接入變頻調(diào)速回路中；當減速停車，并實現(xiàn)機械抱閘制動后，可以將變頻器與動力電源脫開，按下停止按鈕SB2，使繼電器KM1失電，其常開觸點斷開，變頻器便與動力電源脫開。圖3—6PLC外部接線(2)梯形圖及編程語言二、上提升，下放在控制回路中利用正轉(zhuǎn)繼電器K1的常閉觸頭控制反轉(zhuǎn)繼電器K2的線圈；利用反轉(zhuǎn)繼電器K2的常閉觸頭控制正轉(zhuǎn)繼電器K1的線圈。從而達到互鎖作用。其動作過程如：當要下放礦車或送工人到井下時，按下下降按鈕，繼電器K2吸合，其常開觸點閉合，常閉觸點斷開。此時變頻器REV與CM端相連，電機反轉(zhuǎn)下放重物。同時斷開繼電器K1回路，形成下降閉鎖；當按下上升按鈕時，K2吸合，斷開K1回路，形成上升閉鎖。此時FWD與CM相連，電機正轉(zhuǎn)上提煤車。當按下停止按鈕時，所有繼電器常閉觸頭閉合，為下一次提升做準備。三、工頻與變頻轉(zhuǎn)換(1)工變頻轉(zhuǎn)換系統(tǒng)可使電機轉(zhuǎn)速需在工頻運行或變頻出現(xiàn)故障時進行自由切換。正常工作狀態(tài)，為變頻調(diào)速運行。此時繼電器KM2得電，KM3失電；置于變頻器與電機之間的KM2常開觸點閉合，跨過變頻器，連接電機與三相動力電源的KM3常開觸點斷開。變頻器接入調(diào)速回路，并接受操作臺控制信號及PLC反饋信號，進行調(diào)速控制。當變頻器出現(xiàn)故障或需要對電機進行點動調(diào)節(jié)時，按下工頻按鈕，使KM2斷開，KM3閉合，電機進入工頻狀態(tài)。這樣便于檢修和故障排除。(2)梯形圖及編程語言四、保護及連鎖功能(1)上過卷、下過卷保護，在離井口安全處和離井底一定距離處分別裝上霍爾常開型接近開關(guān)，當?shù)V車由于故障或操作員失誤，礦車越過安全線時，傳感器動作，同時PLC控制安全回路動作，實現(xiàn)對提升系統(tǒng)的保護，并伴隨有聲光報警。(2)松繩保護：用一根細絲和一個常開型開關(guān)，在鋼絲繩下放一定距離垂直鋼絲繩方向處架起，當?shù)V車在緩道上行走，而電機下放速度過快時，就會出再松繩現(xiàn)象。此時，鋼絲繩下沉，壓下開關(guān)，此時聲光報警，顯示屏上顯示故障信息。操作員應(yīng)該及時降速或停車。(3)過載保護：熱繼電器常閉觸點串接于安全控制回路，當電機因負載過重，電機堵轉(zhuǎn)等故障而使負載轉(zhuǎn)矩增大時，熱繼電器動作，常閉觸點斷開，使安全回路動作，保護提升機不受損壞。(4)當提升過程中發(fā)生潤滑油壓力過高、過低，潤滑油濾油器或液壓站濾油器堵塞或油溫高時，監(jiān)視屏上有相應(yīng)的故障信息顯示，點亮相應(yīng)信息燈，告知操作員可以完成本次提升工作，當故障解除后才允許司機進行下一次提升工作。(5)當提升機因發(fā)生故障在中途停車，而且提升容器位于減速段行程內(nèi)時，排除故障后允許司機按上次開車方向選擇開車，并且只能低速開車；若提升容器不在減速行程內(nèi)，由井口發(fā)出開車信號，允許司機高速開車。(6)全礦停電時，由PLC保證提升機能實現(xiàn)安全制動，并做好提升機的后備保護。(7)盤式制動器的工作制動力矩可調(diào)，緊急制動(安全制動)能產(chǎn)生二級制動，避免機械沖擊。4.5.2位置檢測電路位置檢測電路用來測量提升機的運行位置。旋轉(zhuǎn)編碼器與可編程控制器的高速計數(shù)單元相連，連接電路如圖3—7所示。計數(shù)器通過累計正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)的脈沖個數(shù)經(jīng)CPU運算可確定提升機的確切位置。旋轉(zhuǎn)編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)的選擇取決于PLC允許輸入的頻率、提升速度、計數(shù)精度等。計數(shù)脈沖的計算OMRON系列編碼器E6C2-CWZ6C型允許脈沖輸入最大頻率為100KHZ，記為，選擇提升機最大允許速度Vmax=7m/s，本系統(tǒng)中所選電機轉(zhuǎn)速為n=750r/min。為了在位置檢測中取得很大的控制精度，應(yīng)在允許范圍內(nèi)選取盡可能多的脈沖數(shù)，即選擇每轉(zhuǎn)輸出脈沖數(shù)多的旋轉(zhuǎn)編碼器。設(shè)P為旋轉(zhuǎn)編碼器每轉(zhuǎn)輸出脈沖數(shù)。則：≤得到：查OMRON系列編碼器規(guī)格，選取每轉(zhuǎn)輸出1000個脈沖的編碼器。這樣每兩個脈沖間隔中，礦車所運行的距離為：圖3—7旋轉(zhuǎn)編碼器與PLC連接圖（2）FUN(98)功能指令計數(shù)器能夠根據(jù)提升機運行方向?qū)Ξ斍坝嫈?shù)進行加一或減一計數(shù)。通過PLC高速脈沖輸入端輸入的脈沖，由高速計數(shù)器FUN(98)指令累計并存于CNT47中(這時CNT47為其專用)，該指令可將當前計數(shù)值與設(shè)定在數(shù)據(jù)寄存器的DM32-DM63中的上下限值進行比較，然后，依照比較結(jié)果在FUN(98)指令指定的通道產(chǎn)生相應(yīng)的輸出。若當前計數(shù)值在設(shè)定的上下限值范圍內(nèi)，則對應(yīng)的輸出點為ON，反之為OFF。通過設(shè)定上下限值可按距離原則發(fā)出過卷信號。同時，計數(shù)值也能夠經(jīng)過計算得出目前礦車所在的位置及提升機運行速度。通過顯示器顯示出來，供操作員參考。另外，為了減小累計行程誤差，分別在井筒和井底安裝了兩個同步開關(guān)，對行程位置進行校準。同時這兩個同步開關(guān)還用作兩個減速點用。在初次調(diào)試時，兩個減速點和同步開關(guān)的位置都應(yīng)設(shè)定好。要實現(xiàn)提升機矢量控制變頻調(diào)速還需要對變頻器進行參數(shù)設(shè)置，各參數(shù)設(shè)置參見附錄。4.6硬件調(diào)速控制系統(tǒng)保護措施一、空氣斷路器短路保護短路保護應(yīng)滿足以下要求：（1）當電動機發(fā)生相間短路或在中性點直接接地系統(tǒng)中發(fā)生單相接地短路時，保護裝置應(yīng)能切斷故障電路。（2）當電動機正常起動或制動時，保護裝置不應(yīng)動作。空氣斷路器可以用來頻繁地起動電動機．并對電動機實現(xiàn)保護，由于有良好完備的滅弧裝置，操作速度也由彈簧機構(gòu)執(zhí)行，迅速可靠。因此，用來控制電動機時，其額定電流(即指主觸頭的額定電流)選擇得大于或等于電動機額定電流1.3~1.4倍即可。即≥1.3式中：—空氣斷路器的額定電流（A）；—電機正常工作時的額定電流（A）?？諝鈹嗦菲鞯念~定電壓應(yīng)大于或等于電動機額定電壓所以選用：富士康SA203BA斷路器，其最大額定電流：225A，額定隔離電壓：AC690V，額定分斷容量：30KA（在AC380V下）二、熱繼電器過載保護礦山提升機由于負載沉重而需要限制起動時間，又容易堵轉(zhuǎn)，且又長期處于頻繁起動--停止狀態(tài)，容易出現(xiàn)過載現(xiàn)象，所以需要對電機進行過載保護。過載保護一般采用熱繼電器保護。若用自動空氣開關(guān)保護，應(yīng)選用帶長延時脫扣器的自動空氣開關(guān)。對大功率的重要電動機采用反時限特性的過電流繼電器進行過載保護。保護措施主要是通過切斷電動機電源的方法實現(xiàn)保護。在一些特殊場合，也可以通過發(fā)出警報或使電動機自動減載來實現(xiàn)保護。本系統(tǒng)采用熱繼電器對電機進行保護。一般情況下，根據(jù)電動機的額定電流的1.1~1.25倍選取熱繼電器的額定電流。熱繼電器的整定值一般為電動機額定電流值。即：=根據(jù)電機實際負載與工藝流程的要求，也可上下波動5%，本系統(tǒng)取1.05倍電流保護，即：=1.05=1.05*148=155.4另外，根據(jù)礦山提升系統(tǒng)的要求，還應(yīng)對提升機進行斷相保護，因此應(yīng)選用帶斷相保護裝置的熱繼電器，本控制系統(tǒng)選用樂清市三亞電器制造廠生產(chǎn)的：JRS2-12.5/Z。它具有斷相保護，清晰度補償，脫扣指示功能，并能自動與手動復(fù)位。3.6.2調(diào)速控制系統(tǒng)抗干擾處理1、對于PLC和變頻器組成的控制系統(tǒng)來說，抗干擾處理非常重要。PLC工作靈敏度高，很容易受到各種電磁干擾，引起誤動作。目前市場上出售的變頻器輸出電流中含有多種諧波，是強電磁干擾源。為了防止變頻器對PLC的干擾，PLC的安裝應(yīng)盡量遠離變頻器。2、變頻器和PLC周圍的控制回路的接觸器，繼電器的線圈、觸點在開閉時，會因電流急劇變化而產(chǎn)生很強的電磁干擾，有時會使變頻器和PLC的控制回路產(chǎn)生誤動作，需要在這種干擾源的線圈、觸點兩端并聯(lián)一組阻容吸收回路，以起到濾波作用，可以濾除變頻器對輸出點電源的干擾。針對不同的PLC，阻容吸收回路的參數(shù)可能不同，根據(jù)現(xiàn)場情況可以自行調(diào)整。3、變頻器和PLC安裝于礦山提升系統(tǒng)中，常處于高濕度的場所，常發(fā)生絕緣劣化和金屬部分腐蝕。所以必須加裝除濕裝置，防止變頻器和PLC停止工作時結(jié)露。另外在提升機周圍振動大，需在變頻器和PLC側(cè)加裝隔振器或防振橡膠。以減少振動對其性能的影響。4、將變頻器安裝在封閉的開關(guān)柜內(nèi)，既可以防止電磁輻射的污染，也可以屏蔽外來干擾，但是附加投資較高，散熱性能變差，一般用于戶外或粉塵污染嚴重等較為惡劣場所。變頻器的安裝應(yīng)當遠離對噪聲敏感的裝置。5、變頻器、電動機和變頻器負荷電纜屏蔽層的兩端必須就近可靠接地，規(guī)范的接地方式不但可以保證人身安全，而且可以減少電磁輻射和嗓聲，必要時可考慮設(shè)置變頻器專用接地裝置。6、輸入輸出濾波變頻器輸出交流電后應(yīng)加入濾波器，然后再將濾波后的交流電送入電機，對電機進行調(diào)速。變頻器的一次側(cè)安裝進線電抗器，可以降低諧波電流，改善功率因數(shù)，最大限度地減少諧波對電動機以及其他弱電設(shè)備的影響；抑制電網(wǎng)電壓的電流沖擊，有效地保護變頻器，免受其他產(chǎn)生諧波的設(shè)備諧波的影響。變頻器二次側(cè)安裝的負載電抗器，又稱輸出電抗器。它補償長導(dǎo)線充電電流，從而限制電纜容性充電電流，使電動機在引線較長時電動機免受過電壓、PWM電壓脈沖的電氣應(yīng)力、過熱和定子絕緣惡化等損害；同時，吸收輸出諧波，降低電動機噪聲；限制電動機繞組電壓上升率；起限流器的作用，在電動機短路的情況下保護變頻器；減緩短路電流上升率，保護電路有時間對短路作出反應(yīng)；會吸收電動機負載引起的電流浪涌，可避免變頻器誤跳閘。從提高變頻器安全可靠運行角度，相比較而言，進線電抗器起主要作用。正確選用合適的電抗器與變頻器配套使用，提高了變頻器系統(tǒng)的可靠性、運行性能和效率，延長了變頻器和電動機的壽命。如果不加入輸出濾波器，三電平變頻器輸出時，電機電流總諧波失真可以達到17%左右，會引起電機諧波發(fā)熱，轉(zhuǎn)矩脈動，輸出電壓跳變臺階為一半直流母線電壓，電壓跳變率較大，會影響電機絕緣。輸出濾波器有du/dt濾波器和正弦濾波器兩種,本系統(tǒng)采用的是正弦濾波器，其濾波器結(jié)構(gòu)如圖3—8所示。圖3—8濾波器結(jié)構(gòu)圖輸出正弦濾波器中電感L和電容C參數(shù)的選擇受以下條件的約束:①電感器上基波電壓降越小越好。②電容器中的基波電流越小越好。③電感器和電容器構(gòu)成的串聯(lián)諧振頻率離逆變橋輸出脈沖電壓(即LC濾波電路的輸入電壓)中的最低次諧波頻率越遠越好，圖4—7濾波器結(jié)構(gòu)圖也就是使LC濾波器中的高次諧波電流盡可能小。LC濾波器諧振頻率為。④在逆變橋脈沖突然封鎖時，電容C不能與電動機發(fā)生振蕩電壓幅值超過l0kV的自激振蕩，即電容C的選擇應(yīng)參考電動機的激磁電感參數(shù)。式中：為電機的激磁阻抗7、傳輸線路處理·信號線與動力線盡可能垂直，不得不平行時盡可能保持較大的間距；穿45管敷設(shè)時使兩者分開在不同的管內(nèi)；用匯線槽敷設(shè)時不同種類的信號線，信號線與動力線之間設(shè)置隔離金屬板；同一多心電纜內(nèi)走同種類的信號。這樣可以有效的減少干擾信號的耦合?！ば盘杺鬏斁€路采用屏蔽雙絞線。在外界干擾磁場作用下，同一導(dǎo)線的相鄰的兩扭環(huán)所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢方向相反，在導(dǎo)線上產(chǎn)生的相反方向的干擾電流抵消，雖然不可能完全為零，但可以減小到很小?！鬏斁€路屏蔽。傳輸線路采用帶有絕緣護套的金屬屏蔽層進行屏蔽，通過屏蔽層接地可以使導(dǎo)線與導(dǎo)線之間的耦合趨近于零，大大降低了線與線之間的分布電容所引起的電容性耦合噪聲?！ぷ冾l器和PLC的控制信號為微弱的電壓、電流信號，所以與主回路不同，對于變頻器的輸出回路是強電磁干擾源，因此，變頻器和PLC控制回路的配線不能與變頻器主回路配線在同一根鐵管或同一配線槽內(nèi)敷設(shè)。為了進一步提高抗干擾效果，還應(yīng)采用電纜。電磁感應(yīng)干擾的大小與電纜的長度成比例，所以還要盡可能縮短敷設(shè)電纜。4.7小結(jié)礦井提升機是在繁重而復(fù)雜的條件下工作的設(shè)備，是礦井的咽喉。提升機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)主要由動力裝置、液壓站、變頻器、操作臺和控制監(jiān)視系統(tǒng)等組成。本章介紹了提升機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的硬件電路實現(xiàn)，包括變頻調(diào)速部分、PLC可編程控制器部分及安全保護和抗干擾部分。變頻調(diào)速控制系統(tǒng)進行恒加速變頻調(diào)速啟動，恒減速變頻調(diào)速停車及行程變頻調(diào)速運行等。變頻調(diào)速范圍寬、調(diào)節(jié)精度高。采用變頻調(diào)速后，電機可以實現(xiàn)真正意義上的軟啟動和平滑調(diào)速。變頻器調(diào)速還可通過軟件很方便地改變輸出轉(zhuǎn)矩(即調(diào)整轉(zhuǎn)矩補償曲線)和加減速時間、目標頻率、上下限頻率等。能夠使提升機S形速度給定很好的得到實現(xiàn)。PLC控制安全保護系統(tǒng)由動力裝置、液壓站、操作臺和控制監(jiān)視系統(tǒng)等組成。PLC以軟件可編程的方式代替了大量的交流接觸器進行控制，克服了轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速系統(tǒng)的控制電路復(fù)雜，破損率高等缺點，提高了電力傳動控制系統(tǒng)的可靠性和安全性。另外憑其強大的控制功能，除能實現(xiàn)一般的過壓、欠壓、過載、短路等保護外，還設(shè)有聯(lián)鎖保護、自動限速保護功能等，能在很大范圍內(nèi)對提升機進行安全保護和智能控制，具有很好的應(yīng)用和推廣價值。第5章提升機調(diào)速控制系統(tǒng)軟件實現(xiàn)5.1引言軟件控制是提升機調(diào)速控制的靈魂。PLC系統(tǒng)控制軟件由主程序和中斷子程序構(gòu)成，并集成了PLC故障處理功能，能夠有效的避免許多干擾因素的影響，確保提升機調(diào)速電控系統(tǒng)的有效運行。5.2礦井提升機中S型速度曲線建模及實現(xiàn)5.2.1速度曲線的選擇及給定方法（1）速度曲線選擇傳統(tǒng)上，礦井提升機箕斗的運行速度曲線，根據(jù)加減速特性的不同，可分為3階段速度圖、5階段速度圖和6階段速度圖。其中，5階段速度圖又可分為對稱和非對稱5階段速度圖。運行非對稱5階段速度是礦井提升機應(yīng)用最為廣泛和典型的運行方式。它包括啟動加速段、勻速段、一次減速段、勻速爬行段和二次減制動段5個階段，構(gòu)成了礦井提升機一次完整的運行周期[11]。礦井提升機在啟動加速階段不外乎有5類主要運行速度曲線：加速度-時間曲線和加加速度-時間曲線兩組曲線（見圖4—1）。由圖可以看出從礦井提升機運行的安全、效率、乘坐舒適感、維護和使用壽命等綜合考慮，應(yīng)選擇圖4—1（d）所示曲線實現(xiàn)提升機理想S形速度曲線運行。圖4—1礦井提升機箕斗5類運行曲線（2）礦井提升機速度給定方式礦井提升機的實際速度運行曲線是由其控制部分的給定速度曲線決定。所以，要實現(xiàn)按理想S形速度曲線運行，只需速度給定曲線是理想S形速度曲線即可。在現(xiàn)代礦井提升機的控制系統(tǒng)中，S形速度的給定方式一般有兩種。第一種是直接給定所需速度值，并經(jīng)過控制系統(tǒng)中傳動裝置的軟件包中的斜坡函數(shù)發(fā)生器（RampFunctionGenerator）平滑后生成（見圖4—2）圖4—2斜坡函數(shù)發(fā)生器該種方式由傳動裝置提供直接應(yīng)用平臺，并受其制約；第二種S形速度給定方式（即本文所研究的控制方式），是通過軟件方式直接生成所需的理想S形速度給定曲線，其由PLC控制實現(xiàn)，特點是可根據(jù)用戶需要進行編程，應(yīng)用靈活。5.2.2提升機理想S形速度曲線數(shù)學模型根據(jù)前述分析可知，將圖4—1（d）所示運行曲線應(yīng)用于礦井提升機非對稱5階段速度圖，就可得到所需的非對稱5階段理想S形速度曲線（見圖4—3）圖4—3非對稱5階段理想S形速度曲線圖中v、a、ρ分別為速度、加速度和加加速度；a1是最大正向加速度值，ρ1是最大正向加加速度值。現(xiàn)在分段來研究圖5—3中不同曲線段的數(shù)學模型。（1）oabc為提升機箕斗的啟動加速階段（30<t≤t），它包括oa、ab、bc三小段曲線形成一理想S形啟動加速曲線段。在oa段（10<t≤t），a1=asinωt當t=0時，可得最大加加速度：其中t1=t時，速度在上述區(qū)間內(nèi)，提升機箕斗的運行距離在ab段（t1<t≤t2）提升機以a1值作恒定加速度運行，此時加加速度ρ=0，則當t=t2時，速度箕斗運行距離在bc段（t2<t≤t3）從圖中可以看出加速度曲線bc段與oa段曲線成軸對稱，即其箕斗運行距離為：上述各式有關(guān)常數(shù)與確定的額定運行速度v1、最大加速度a1和最大加加速度1之間關(guān)系為：由式（1）～（6）得到提升機箕斗在啟動加速度的理想S形速度曲線數(shù)學模型為：（2）cd提升機箕斗以額定速度v1作勻速運行，速度曲線為水平直線段。（3）defg為箕斗從額定速度v1減速到爬行速度v4以d點為起始0點，包括de段（0<t≤t1′）、ef（t1′<t≤t2′）段和fg（t2′<t≤t3′）段，其計算方法同第一段，理想S形速度曲線數(shù)學模型為：上述各式有關(guān)常數(shù)與確定的額定運行速度v1、爬行速度v4、最大加速度a1和最大加加速度ρ1之間關(guān)系為：（4）gh為提升機以額定速度v4作勻速爬行段。（5）hi為二次減速停車段，其曲線形狀除了無勻加速度段外完全同第（3）段，只是此時減速起始速度v一般較小，所以最大加速度a1和最大加加速度ρ1的值和它們之間比值應(yīng)作適當調(diào)整以滿足實際情況。5.2.3理想速度曲線的實現(xiàn)提升機每次運行的距離不盡相同，這就要求系統(tǒng)能夠根據(jù)不同距離通過計算求取不同的速度曲線。這可以由軟件編程實現(xiàn)。具體做法是根據(jù)不同的運行距離自動將距離分成三段，即加速段、勻速段和減速段。由前述可知加速段和減速段具有對稱性，這可以簡化程序。然后按照上述S形速度曲線公式確定每段所需運行時間及各拐點時間，求出各拐點速度，再按插值法求出速度曲線并存入CPU的RAM中。在系統(tǒng)運行的時候就可以用實測速度與給定速度曲線上對應(yīng)的速度進行比較求得的差值按一定的算法求出控制量去調(diào)節(jié)變頻器的給定頻率從而改變電機轉(zhuǎn)速，使之按給定速度曲線運行。礦井提升機速度給定曲線的優(yōu)劣對其性能的好壞有著重要影響，應(yīng)用上述理想S形速度給定曲線可極大地改善礦井提升機運行特性，延長其使用壽命。在實際應(yīng)用中，只要根據(jù)實際情況適當?shù)卣{(diào)整最大加速度、加加速度及它們之間的比值，就能快速、方便地得到一條優(yōu)良的S形速度給定曲線。另外，在程序?qū)崿F(xiàn)上，盡管其數(shù)學模型相對復(fù)雜，浮點計算量大，但隨著CPU性能的突飛猛進，PLC編程越來越容易，且不會大幅增加其CPU循環(huán)周期。（I）提升機給定速度根據(jù)上述數(shù)學模型，按照《煤礦安全生產(chǎn)技術(shù)標準》要求，并結(jié)合礦井實際情況，選取提升機運行速度參數(shù)如下：提升機額定運行速度v1=7.0m/s,爬行速度v4=2m/s,a1=0.9m/,ρ1=0.9m/則在啟動加速段oabc內(nèi)ω=1，t1=1.5707s,t2=7.347s,t3=8.9184s,v2=6.1m/s,Soc=31.3855m。在defg減速段內(nèi)ω=1，t2=1.5707s,t2=5.1255s,t3=6.6962s,v3=2.9007m/s,Sdg=16.7389m。在減速停車段，由于無勻加速段，故v5=v4/2=1m/s,由式v5=解得到=1.57s,=1.40s,求解得到：shi=2m。由此得到實際S形速度給定曲線（見圖4—4），其可以通過PLC編程控制實現(xiàn),圖中加速和減速段的時間均在變頻器上設(shè)置。圖4—4礦井提升機工作時序圖（1）第一階段0～t3：串車車廂在井底工作面裝滿煤后，發(fā)一個聯(lián)絡(luò)信號給井口提升機操作工人，操作工人在回復(fù)一個信號到井底，然后開機提升。重車從井底開始上行，重車起動后，開始持續(xù)加速達到變頻器的設(shè)定頻率f2，在此期間提升機的速度逐漸加快。（2）第二階段t3～t′：勻速運行階段。上升時,電動機保持電動狀態(tài),重車提升機以額定運行速度穩(wěn)定運行。下放時,由測速發(fā)電機反映轉(zhuǎn)子下放速度,當速度高于v1時,增大勵磁電流,提高制動力矩,使箕斗在斜坡上勻速運行。一般，這段過程最長。（3）第三階段t′～t3′：重車快到井口時減速階段，重車減速到低速，進入爬行階段。如減速時間設(shè)置較短時，變頻器制動單元和制動電阻起作用，不致因減速過快跳閘。（4）第四階段t3′～：重車以變頻器頻率為f1速度低速爬行，便于在規(guī)定的位置停車。（5）第五階段～：到達停車位置時，變頻器立即停車，重車減速到零，制動系統(tǒng)閘制動。操作工人發(fā)一個聯(lián)絡(luò)信號到井下，整個提升過程結(jié)束。在軟件編程中，對勻加速段、勻減速段采用查表法，其它各段速度勻按距離給出，計算公式如前。這樣既能避免計算量過大，又能避免占用的內(nèi)存量過大。此外，為了改善調(diào)速系統(tǒng)的跟隨性，在PLC中用軟件實現(xiàn)了對調(diào)速系統(tǒng)的微分前饋控制。綜合以上步驟就可以完成S形給定速度曲線的實現(xiàn)。（II）提升機給定力根據(jù)動力學方程式：式中：Te—電動機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩；T1—單軸傳動系統(tǒng)的負載轉(zhuǎn)矩；J—單軸傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量；ω—單軸傳動系統(tǒng)的角速度；—飛輪慣量（飛輪轉(zhuǎn)矩）；圖4—5提升系統(tǒng)給定力圖圖4—5中(a),(b),(c)為提升機的給定力圖。其中(a)為靜負載力矩比較大的情況，(b)為靜負載力矩比較小的情況，(c)為下放重物的情況。顯然，隨著提升物料的重量不同，要求電動機的拖動力矩不同，且在一個提升循環(huán)中，在不同階段電動機的拖動力矩的極性也在變化，礦井提升機要求電力拖動系統(tǒng)能滿足四象限運行的條件。5.3調(diào)速控制系統(tǒng)軟件流程主程序流程圖如圖4—6所示，其中包括兩個主要的功能模塊：中斷子程序功能模塊和故障處理子程序功