专利名称：矿用提升机全数字变频电控系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种矿用提升机的控制系统，具体的说是涉及一种矿用提升机的
变频调速电控系统。
背景技术：
目前矿用提升机所用的电控系统大多数是交流电控系统，我们以图1、图2和图3 来描述提升机的运行过程，图1叫提升机的速度图，也叫六段图，俗称控制工艺图。图3是交 流电控系统简图。由图3和图l可以看出目前的交流提升机电控是"有级调速"，每切一级 电阻都会造成电动机的电流有一个"台价"式的变化，图1中只画出了一级台阶，切电阻有 几级，速度图中就有几级速度变化台阶，由此而造成对电机轴、提升机、钢丝绳等设备的一 次"冲击"。在这种控制系统中，切电阻的方法是操作台上的"主令"向前或向后推一级，电 阻就被切除一级，再向前或向后推一级，电阻就又被切除一级，直至切完，这个过程是有"台 阶"式的操作，或是有"台阶"式的运行，这种控制实现不了对速度"连续"控制的要求，特别 是在动力制动时要"断电"，使之有了一个"失去控制"的阶段，给提升机运行有了不安全的 隐患。 以图3为例，交流电控系统的具体操作过程如下启动目前，交流绕线式电动机 转子串电阻调速控制系统， 一般使用的是切八段电阻， 一部份使用的是切五段电阻，叫"八 段调速"或"五段调速"。当提升机刚起步时，电机的启动电流是其额定电流的5到7倍，将 所有电阻都串进转子回路中，以减少启动电流对电网或是对设备的冲击，这个过程表现在 图3中是将所有的电阻都加入转子回路，该图中只画出了三级电阻，1KM、2KM、3KM都处于开 路状态，在速度图1中是"初加速"段，所用时间1到5秒不等。 随着电机的起步及速度的上升，串在转子中的电阻也要一级一级的切除，如图3 中的1KM、2KM、3KM按控制要求分别闭合，当电阻全部切除后，电机也达到额定速度，并且以 额定电流运行。这个过程表现在速度图中是"加速段"，所用时间因电机功率不同而不同，有 的电机的加速段用时在十几秒以上。 减速当提升机运行至减速点后，控制系统应使其减速，交流电控系统使用的方法 是切断主回路电源，当线圈中的感应电压低于某个值时，再将直流电源通入电机，使电机的 转速迅速下降，当下降到某个值时，再断开直流电源，接入主回路电源，这个过程体现在上 图中就是减速段。 爬行当提升机速度降下来之后，进入爬行段，就是在规定的速度下和距离下(一 般是以0. 5米/秒的速度运行十余米甚至更长的距离)运行到井口停车，进入停止段。 对闸的控制也是如此，因为是继电器逻辑控制，所以只能是"接通"或是"断开"，对 于闸系统中液压站上的KT线圈或是比例线圈要求的连续控制就无法实现，结果是所有的 闸也只能"抱紧"和"松开"，闸的力量得不到调节。 更有甚者，有的绞车直接使用机械闸，在需要制动时，绞车司机用人工的力量拉 闸，闸皮被摩擦的冒烟，这种系统容易造成过巻、过速，遇到紧急情况根本来不及拉闸。
3[0009] 需要说明的是，这种系统中，使用的是测速发电机来测量提升机速度的，提升机运 行的越快，测速发电机输出的电压越高，提升机运行的越慢，输出的电压越低。 这种测速发电机的特性如图2所示，存在着非线性段，即刚起步时和额定转速时， 存在着非线性，如图中的oa段和b段以后，所以不能真实的反映在这个区域内的实际速度， 使得速度控制有了不确定的因素。 综上所述，目前矿山提升机电控系统存在的缺陷有如下 从安全方面讲a、投入动力制动或动力制动结束期间存在失控区；b、串电阻调速 用接触器切换，容易烧触点；c、启动和电阻切换加速时，对钢丝绳、提升机造成冲击；d、大 量发热，容易烧毁线路和接头； 从控制性能方面讲a、运行不平稳，制动性能差。b、属于有级调速，低速转矩小， 转差功率大；c、控制电路复杂，接触器、电阻器、绕线电机电刷等容易损坏，由此造成故障率 高，维修工作量大；d、二次给电、机械制动、停车不准确等因素造成提升机生产效率低；e、 浪费电、发热、噪声大、严重污染环境，占地面积大； 从系统组成方面讲交流电控系统的组成a、交流电控系统主要由以下设备组 成控制屏、稳压电源、信号柜、给定柜、深度指示传感器、后备保护柜、操作台、测速发电机、 电制动柜、馈电柜、换向柜、磁力站等；b、而目前比较小的矿电控系统设备组成操作台、控 制屏、后备保护柜、深度指示传感器、电制动柜(许多矿没有该设备，而是用机械手闸代替 了)和换向柜等。C、直流电控系统设备组成除a项所列设备外，还要增加整流电源、平波 电抗器等。
发明内容本实用新型的目的就在于克服上述缺陷提供一种矿用提升机全数字变频电控系 统，使得提升机的运行一直处于受控状态保护功能齐全，使得提升机运行过程安全可靠。且 本实用新型的控制功能强大，控制过程精确可靠，对提升机实现了速度和电流双闭环控制， 对提升机的安全闸和工作闸也实现了闭环控制，使提升机运行平稳，速度可以平滑的调节， 整个运行过程中，没有噪音，不出现发热现象，没有对设备的冲击现象，可以实现平稳运行。 本实用新型的目的可通过以下技术方案来实现 —种矿用提升机全数字变频电控系统，包括矿用提升机全数字变频电控系统控制 台，矿用提升机全数字变频电控系统控制台分别与矿用提升机外部传感器、电机速度传感 器、导向轮编码器、变频调速柜、制动系统、润滑系统连接，低压馈电柜分别与矿用提升机全 数字变频电控系统控制台、变频调速柜、制动系统和润滑系统连接，变频调速柜与电机连 接，安装在电机上的编码器组和深指传感器分别与变频调速柜和矿用提升机全数字变频电 控系统控制台连接。 上述矿用提升机全数字变频电控系统，所述变频调速柜为四象限变频调速柜。 上述矿用提升机全数字变频电控系统，所述变频调速柜为单象限变频调速柜，单 象限变频调速柜与制动电阻柜连接。 上述矿用提升机全数字变频电控系统，在矿用提升机或绞车运行时，根据信号工 发出的运行信号，控制台中的PLC对所接收到的信号并检测所有允许运行的条件信号，如 果安全条件具备，则PLC控制安全回路上电，安全回路指示灯亮，司机再通过控制台上的主令和手闸进行开车操作。当司机推上主令并打开手闸后，控制台中的PLC对主令和手闸发 出的信号进行运算，得出闸开合的程度及主令许可的速度，将控制闸的指令传给液压站，将 速度指令传给变频柜，以控制提升机的运行。运行过程中，安装在电机轴上和提升机或绞车 滚筒上的传感器将速度信号输入到可编程逻辑控制器PLC, PLC运行计算出内部行程中的 减速点，做到提升机或绞车和电机两路控制，当提升机或绞车运行到减速点时，安装在井筒 内或深度指示传感器上的减速点传感器给可编程逻辑控制器PLC输入一个减速信号，可编 程逻辑控制器PLC通过AD及DA转换模块控制变频装置使电机减速。 采用上述技术方案，本实用新型由以下优点， a、可以完全代替目前正在使用的交流提升机电控系统。完全解决了目前交流提升机 电控系统中存在的不安全因素使得提升机的运行一直处于受控状态，保护功能齐全，使得提 升机运行过程安全可靠。完全去除调速电阻，也不再有接触器之类的元件参与控制过程； b、完善控制功能控制功能强大，控制过程精确可靠，对提升机实现了速度和电流 双闭环控制，对提升机的安全闸和工作闸也实现了闭环控制，使提升机运行平稳，速度可以 平滑的调节，如图3所示 oa为起步段，这一段可以缓慢开始，连续的由O速平滑的升速，电机的电流也是由 0缓慢的增加，转矩也是由0开始缓慢的增加，不再出现台阶式的升速，不再会对设备造成 冲击。bc段为过渡段，可以使上升的速度平滑的过渡到等速段。de段为等速平滑的过渡到 减速段，f以后为减速放缓，直至到零速，实现平稳停车。 升速过程中不需要切换电阻，完全由电源的频率从小到大来决定转速的升高，实 现平滑的连续控制。 减速过程也不再投入动力制动，也不需要二次给电，而是由电源频率从大到小决 定转速的降低，实现平滑的连续降速。 整个运行过程中，没有噪音，不出现发热现象，没有对设备的冲击现象，可以实现 平稳运行，这在继电器逻辑控制中是实现不了的。 由于对电机避免了全电压的启动过程，所以这个过程节电量可达15%以上，这在
继电器逻辑控制中是实现不了的。 c、简化设备，提高性价比 选用高性能的传动设备和电力元器件； 采用优化后的简单结构设计； 尽可能采用软件来实现要求的控制功能； 完全实现设计的安全保护功能； 操作简便，自动化，提升效率高，故障率低，维护简便； 不仅可以控制交流绕线式转子电动机，目前正在大量使用，因容量大，结构复杂， 所以价格高，淘汰掉调速电阻，而且可以控制鼠笼式交流电动机，不用增添任何备件，即可 取得一样的控制效果。 d、可以完全代替目前正在使用的交流提升机电控系统。
图1是现有矿用提升机交流电控系统速度示意图；[0038] 图2是现有矿用提升机交流电控系统中测速发电机速度与输出电压的关系曲线 图； 图3是现有矿用提升机交流电控系统简图； 图4是本实用新型矿用提升机全数字变频电控系统速度示意图； 图5是本实用新型矿用提升机全数字变频电控系统硬件配置图； 图6是本实用新型矿用提升机全数字变频电控系统另一种硬件配置图； 图7是本实用新型矿用提升机全数字变频电控系统电路框图； 图8是本实用新型矿用提升机全数字变频电控系统控制台的电路框图； 图9、图10和图11结合在一起为本实用新型矿用提升机全数字变频电控系统中控
制台的电路原理图。
具体实施方式如图4、图5、图6和图7所示的一种矿用提升机全数字变频电控系统，包括矿用提 升机全数字变频电控系统控制台，矿用提升机全数字变频电控系统控制台分别与矿用提升 机外部传感器、电机速度传感器、导向轮编码器、变频调速柜、制动系统、润滑系统连接，低 压馈电柜分别与矿用提升机全数字变频电控系统控制台、变频调速柜、制动系统和润滑系 统连接，变频调速柜与电机连接，安装在电机上的编码器组和深指传感器分别与变频调速 柜和矿用提升机全数字变频电控系统控制台连接，外部传感器包括安装在电机轴、滚筒轴 上和天轮上的轴编码器、轴信号传感器，这些也称为速度传感器，安装在井筒中或井架上的 磁感应开关，也称作位置传感器，深指传感器装在深度指示器上，安装在液压站上的压力变 送器，安装在润滑站上的压力变送器和温度传感器。 如图5所示的矿用提升机全数字变频电控系统，所述变频调速柜为四象限变频调 速柜。 如图6所示的矿用提升机全数字变频电控系统，所述变频调速柜为单象限变频调 速柜，单象限变频调速柜与制动电阻柜连接。 如图8、图9、图10和图11所示的矿用提升机全数字变频电控系统控制台包括可 编程逻辑控制器PLC，可编程逻辑控制器PLC分别与综合检测模块、操作面板、指示面板、系 统参数综合显示及控制模块、语言报警模块、继电器转换模块、闸控制模块、AD及DA转换模 块连接，继电器转换模块与接触器组连接，应急提升模块连接到继电器转换模块上，闸控制 模块分别与AD及DA转换模块和接触器组连接，综合检测模块与矿用提升机外部传感器连 接，变频调速柜内设置变频调速装置，变频调速装置分别与可编程逻辑控制器PLC、继电器 转换模块和AD及DA转换模块连接，主电机连接到变频调速装置上，主电机速度传感器与可 编程逻辑控制器PLC连接，变频调速装置分别与可编程逻辑控制器PLC、闸控制模块和AD及 DA转换模块连接，应急提升模块分别与闸控制模块、变频调速柜、继电器转换模块、可编程 逻辑控制器PLC和AD及DA转换模块连接，综合保护模块与可编程逻辑控制器PLC连接，可 编程逻辑控制器PLC包括主PLC和监机PLC,主PLC分别与矿用提升机外部传感器和主电机 速度传感器连接，监机PLC分别与矿用提升机外部传感器和主电机速度传感器连接，在矿 用提升机或绞车运行过程中，安装在电机轴上和提升机或绞车滚筒上的传感器将速度信号 输入到可编程逻辑控制器PLC， PLC运行计算出内部行程中的减速点，做到提升机或绞车和电机两路控制，当提升机或绞车运行到减速点时，安装在井筒内或深度指示传感器上的减 速点传感器给可编程逻辑控制器PLC输入一个减速信号，可编程逻辑控制器PLC通过AD及 DA转换模块控制变频装置使电机减速。 矿用提升机全数字变频电控系统(装置)由二件设备组成(如图5所示，为四象 限变频器)，或由三件设备组成(如图6所示，为单象限变频器)图5中，电控系统是由操 作台、四象限变频调速柜组成。图6中，电控系统是由操作台、单象限变频调速柜、制动电阻 柜组成。 全数字控制台是矿用提升机全数字变频电控系统(装置)中的主要设备，由工业 用计算机、人机界面、传感器、输入输出设备、执行元件等组成。工业用计算机即控制台的 PLC，主要功能是根据输入信号，经计算后输出各项控制功能；人机界面用于显示提升机和 电控系统的各项运行参数；传感器包括轴编码器和轴信号传感器，也包括由霍尔元件及磁 开关组成的感应开关，也包括本实用新型中提到的速度传感器等；安全回路控制包括综合 检测模块、语言报警模块和闸控制模块；PLC的扩展输入、输出模块和AD及DA转换模块、继 电器转换模块是输入输出模块；操作面板、指示面板、及控制液压站、润滑站、电源等设备的 机构为执行元件。 控制台的主要功能是满足矿用提升机对控制功能的要求。 (1)、完善的监控和保护，内容为速度保护如等速段过速、减速段过速、接近停车 位限速、给定异常保护，行程保护如外部过巻保护距离、内部过巻保护距离、轴编码器损坏 保护、反转保护时间或速度、系统保护如松绳保护、闸瓦磨损、深指失效保护、制动油过压保 护、润滑油欠压保护，系统附加保护如主令零位、闸零位、脚踏紧停、停车信号保护电机过 流、制动油超温、润滑油超温，其它保护如二级制动、过巻切换保护、离合器脱离保护、煤位 保护，监控如电机转速、输出频率、直流电压、输出电流、输出电压、电机的转矩值、转矩电
流、变频器的输入、输出功率、PID给定值、反馈值、偏差值、数字量、模拟量的输入、输出状态等。 (2)、完善的操作指令，内容为安全回路、打点信号、给定速度(行程)、压力(温 度)、停车、检修、提人、提物、手动、自动等。 在矿用提升机全数字变频电控系统(装置)中，所有的控制功能和信号功能集中 在设计的控制台(或叫操作台，或叫主控台)中，可以完全去掉传统电控系统中的信号柜、 控制屏等； 在该控制台中，采用两台先进的进口工业计算机(PLC)，通过程序，替代了传统电 控系统中的各种继电器如时间继电器、速度继电器、方向继电器、错向继电器、信号继电器、 电流继电器、电压继电器等等，不仅可以通过程序实现对提升机的逻辑控制，而且还可以通 过数模转换模块实现对液压站输出制动压力的平滑连续控制，通过闸控制系统软件实现了 安全制动，还实现了《煤矿安全规程》中对安全回路独立双线制的要求，如过巻、15%超速、 减速过速保护、2m/s井口限速等，保护功能按立即施闸紧急停车、首先按设定减速度减速然 后再紧急停车、完成本次提升后不允许再次开车即一次提升三类设置，可以完全去掉现有 系统中的后备保护装置。 通过轴信号传感器和编码器和工业计算机，实现了对提升机速度的实时监测和控 制。[0058] 将轴信号编码器应用到操作台的主令上和手闸上，实现了数字化的行程给定功 能，定位精度《2cm，实现了对手闸的数字化控制，去掉了传统的凸轮式主令和手闸，所以彻 底改变了传统的开关式给定和开关式手闸，实现了数字化的对提升机速度和对提升机闸的 控制。 将轴信号传感器和编码器应用到行程和速度检测上，通过工业计算机实现了对提 升机精确的行程和速度控制。 主控计算机的故障自诊断功能，实现了对设备故障的"自检"，并且通过语音的形 式报告系统发生的故障，使得设备的检修简便而快捷。 将平面计算机应用到该系统中，实现了对提升机运行中各种信号和参数的显示如 提升机运行速度、箕斗的位置、运行方向、电机电流电压、提升钩数、故障记忆、打点次数等 等，实现人机通信。 通过工业计算机，还可以实现可调闸的闭环控制，全行程速度保护，还能准确给出 减速点、过巻点、解除二级制动点等位置信号，并作为后备保护用，在全矿停电情况下控制 系统能配合液压制动系统实现二级制动，可靠停车。 可以对电机温度检测、闸瓦磨损与弹簧疲劳等监控与保护功能。 通过控制台，提升机能够在司机的操作下实现手动、自动、半自动、检修、提人、提
物运行。
可以自动实现紧急停车当发生停电等故障时，可以实现自动紧急停车。 可以实现应急提升当监测系统出现局部故障或系统控制软件检测有故障而硬件
无连接故障时，可以通过应急开车系统将本次运行结束。
在变频调整柜中，采用高性能的电气传动装置采用矢量控制型变频器(变频电
源装置)作为电源，来驱动交流鼠笼式电动机或是绕线式转子交流电动机。 变频装置有单象限和四象限之分，单象限变频装置含制动电阻柜，四象限变频装
置不含制动电阻柜。四象限变频器在提升机负力提升时，可以将电动机发出的电能反馈给
电网，单象限变频器变频器则不能，只能通过"制动电阻柜"形成回路，耗散掉电动机发出的
电能并形成制动转矩。 无论是单象限变频器还是四象限变频器，通过本系统都可实现如下功能 通过操作台给出的控制信号，可实现"S"启动防冲击速度，并且速度调节精度达
i : ioo以上。 用该装置可以实现150%额定转矩零速度启动。 用该装置可以实现PID速度和电流双闭环控制。 本实用新型的工作过程如下 1、主PLC和监控PLC分别各自检测外部传感器状态。主PLC和监控PLC分别对外 部传感器状态进行逻辑运算，如果符合安全条件的要求，主PLC和监控PLC各自输入一个信 号(安全条件具备)。 2、主PLC和监控PLC两个安全信号串联接入安全继电器线包控制回路，按下安全 继电器启动按钮，安全继电器吸合。 3、安全继电器吸合后返回给主PLC —个信号，开车条件具备。 4、推主令控制器，通过主令控制器上的编码器给PLC相应数量的脉冲信号，经PLC内部数据处理后，由DA模块输出，传送到变频器，从而控制变频的运行。 5、推手闸控制器，通过手闸控制器上的编码器给PLC相应数量的脉冲信号，经PLC 内部数据处理后，由DA模块输出，传送到闸控制模块，将4-20mA电流变换成0-lOOOmA电磁 阀控制电流，控制闸盘开闸和抱闸程度。 6、在主令控制器和闸控制器脉冲给定到PLC后，经PLC内部精密计算，对变频器和 闸系统按时序作出、大小、方向等控制给定。 7、提升机或绞车开始运行后，PLC通过安装在提升机(或绞车)滚筒和电机轴上 的编码器返回的脉冲信号，经计算后可得出绞车的即时速度，即时加速度、即时方向、即时 行程位置以及内部减速点、内部到位、内部过巻、内部爬行段、内部减速段等参量，同时在 HMI (人机界面)上直接立即显示。 8、当提升机或绞车运行到减速点时，安装在井筒内(或深度指示传感器上)的减
速点传感器给PLC —个减速信号，PLC通过DA模块控制变频器使电机减速。 9、在提升机或绞车运行过程中，PLC实时通过安装在滚筒和电机轴上的编码器返
回的脉冲信号计算出内部行程中的减速点，做到减速点两路控制。 10、在变频器得到PLC减速控制给定后，开始减速过程，同时安装在滚筒和电机轴
上的编码器的脉冲输出信号返回到PLC，对变频给定矫正，形成控制闭环。 11、在PLC控制下，变频器控制到电机爬行段和满足爬行速度的要求。 12、到位时，外部到位传感器以及PLC内部到位点动作(哪个先动作，以哪个信号
为主，两路独立)，PLC控制变频器停车，并控制闸系统抱闸。 13、停车。开始下次提升。 14、过巻保护将井口或井底过巻开关、深度指示传感器上的过巻开关以及PLC内 部过巻输出串联接入安全回路，当三个传感器任何一发生过巻信号时，掉安全回路，闸系统 紧急抱闸。 15、绳松检测由综合检测模块通过外部传感器检测返回到PLC控制。 16、煤位检测由综合检测模块通过外部传感器检测返回到PLC控制。 17、电机电压检测由综合检测模块通过外部传感器检测返回到PLC控制。 18、制动油压由AD模块通过压力变送器检测返回到PLC控制。 19、制动油温由综合检测模块通过外部温度传感器检测返回到PLC控制。 20闸瓦磨损通过外部闸瓦检测传感器检测返回到PLC控制。 21、润滑油压由AD模块通过压力变送器检测返回到PLC控制。 22、滑绳检测由安装在导向轮和电机轴上的编码器返回到PLC的脉冲数，经PLC
计算后判断是否滑绳。 23、速度检测由安装在导向轮或滚筒和电机轴上的编码器的脉冲返回，经PLC计 算得出，当时的即时速度。 24、位置检测由安装在导向轮或滚筒和电机轴上的编码器的脉冲返回，经PLC计 算得出，当时的即时位置。 25、编码器原理内部为光栅型圆形码盘和精密光电感应器，通过旋转码盘，光电 感应器输出脉冲信号。 26、磁控开关原理内部为干簧管或霍耳元件，外部强磁触发动作，输出导通或电平信号。 27、速度传感器原理内部为双霍耳元件，外部强磁触发动作，输出不同相位的电
平信号。 28、应急提升模块作用在PLC出现故障的情况下，旁路掉PLC，实现手动操作，将 罐笼或箕斗安全提升到井口或井底。
权利要求一种矿用提升机全数字变频电控系统，其特征在于包括矿用提升机全数字变频电控系统控制台，矿用提升机全数字变频电控系统控制台分别与矿用提升机外部传感器、电机速度传感器、导向轮编码器、变频调速柜、制动系统、润滑系统连接，低压馈电柜分别与矿用提升机全数字变频电控系统控制台、变频调速柜、制动系统和润滑系统连接，变频调速柜与电机连接，安装在电机上的编码器组和深指传感器分别与变频调速柜和矿用提升机全数字变频电控系统控制台连接。
2. 根据权利要求1所述的矿用提升机全数字变频电控系统，其特征在于所述变频调 速柜为四象限变频调速柜。
3. 根据权利要求1所述的矿用提升机全数字变频电控系统，其特征在于所述变频调 速柜为单象限变频调速柜，单象限变频调速柜与制动电阻柜连接。
专利摘要本实用新型公开了一种矿用提升机全数字变频电控系统，包括矿用提升机全数字变频电控系统控制台，矿用提升机全数字变频电控系统控制台分别与矿用提升机外部传感器、电机速度传感器、导向轮编码器、变频调速柜、制动系统、润滑系统连接，低压馈电柜分别与矿用提升机全数字变频电控系统控制台、变频调速柜、制动系统和润滑系统连接，变频调速柜与电机连接，安装在电机上的编码器组和深指传感器分别与变频调速柜和矿用提升机全数字变频电控系统控制台连接。本实用新型使得提升机的运行一直处于受控状态，保护功能齐全，使得提升机运行过程安全可靠。控制功能强大，控制过程精确可靠。简化设备，提高性价比。可以完全代替目前正在使用的交流提升机电控系统。
文档编号B66B1/28GK201530644SQ200920257698
公开日2010年7月21日 申请日期2009年10月29日 优先权日2009年10月29日
发明者程栓柱 申请人:程栓柱