基于PLC和WinCC的变频调速提升机系统设计

论文摘要

我国的煤炭储量居于世界前列,在今后相当长的时期内,煤炭工业仍将在我国的国民经济与社会建设中扮演重要的角色。煤矿提升机作为煤矿生产中的“动脉”与“咽喉”,一旦发生故障,将直接影响煤炭的生产,甚至造成人身伤亡。因此,选择一套合理的煤矿提升机电控系统对保证矿井安全高效的生产、对促进煤炭企业的经济效益和当今社会的可持续发展都有极其重要的现实意义。然而目前山西境内大多数煤矿提升机系统仍旧采用交流异步电机拖动,通过转子串、切电阻调速,高压接触器换向来改变电机转动方向。这种控制方式的缺点是：设备运行噪音大、维护周期短、耗能高、转子电阻占地面积大,并且是有级调速。显然已无法满足当前形势下的煤矿生产需求及安全生产标准。各大煤矿企业为了提高生产效率、节约开采成本纷纷寻求一种更加高效、节能的提升机电控系统。本文针对传统提升机存在的诸多缺点,设计了一套全新的提升机电控系统。将可编程控制器引入电控系统,新系统的启动、停止、安全保护和安全制动由PLC进行控制；速度反馈信号由装在电机轴的旋转编码器采回。安全回路分为软安全回路和硬安全回路,在有故障的情况下能够可靠制动并发出声光报警。电控系统的下位机由主、备双套PLC组成。对提升机的运行速度、容器运行位置等关键信号设置了多重保护。以工控机作为上位机,通过安装于工控机上的WinCC对提升机运行状态实时监控,并可以对运行故障实时报警。此外系统还具备完善的运行记录及故障显示功能。工控机与PLC通过DP电缆进行数据通讯,所有操作信号和故障报警都能在显示器上显示。电气拖动单元采用变频调速,频率大小可调,实现无级调速,通过PID控制及参数调整,轻松实现了提升机的平稳、准确提升。新系统操作简单、节电效果十分显著,极大提高了煤矿的生产效率。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 提升机的国内外发展概况
• 1.3 本文所做工作
• 第二章 煤矿提升机技术路线及方案设计
• 2.1 设计原始技术参数
• 2.2 提升机的运行理论
• 2.2.1 作用在提升机主轴上的力矩
• 2.2.2 提升机运行的基本动力方程式
• 2.2.3 提升机的速度变化规律
• 2.3 提升机对电力拖动控制装置的要求及电力拖动方案
• 2.3.1 提升机对电力拖动控制装置的要求
• 2.3.2 提升机的电力拖动方案
• 2.4 系统设计
• 2.4.1 系统概述
• 2.4.2 电控系统控制原理及组成
• 2.5 本章小结
• 第三章 PLC电控系统硬件设计部分
• 3.1 PLC概述
• 3.2 西门子（SIEMENS）系列PLC及特点
• 3.3 现场信号统计、信号处理及PLC选型方案
• 3.3.1 现场信号统计及I/O资源分配
• 3.3.2 提升机电控系统的I/O信号处理
• 3.3.3 PLC选型、系统网络图及通讯方案
• 3.4 PLC电控系统外围硬件设计
• 3.4.1 系统供电原理
• 3.4.2 传感器安装与控制原理
• 3.4.3 安全制动及保护
• 3.4.4 液压制动控制系统
• 3.5 本章小结
• 第四章 程序设计
• 4.1 编程软件STEP 7概述及运行环境
• 4.1.1 STEP 7功能概述
• 4.1.2 STEP 7运行环境
• 4.2 硬件组态
• 4.2.1 新建项目
• 4.2.2 组态站点
• 4.2.3 硬件组态
• 4.3 程序设计
• 4.3.1 CPU中的程序
• 4.3.2 用户程序块
• 4.3.3 本系统程序设计
• 4.4 本章小结
• 第五章 变频控制方案
• 5.1 变频器原理、构成及控制方式
• 5.1.1 变频器的原理
• 5.1.2 变频器的构成
• 5.1.3 变频器的控制方式
• 5.2 变频器选型及控制方案
• 5.2.1 变频器选型
• 5.2.2 变频器与PLC输出端的信号对接
• 5.2.3 控制思路
• 5.2.4 电气制动与能量回馈
• 5.3 通过操作面板进行参数设定
• 5.3.1 变频器第一次启动准备工作
• 5.3.2 参数设定
• 5.4 本章小结
• 第六章 上位机组态设计
• 6.1 上位机的结构及功能
• 6.1.1 上位机监控系统结构
• 6.1.2 上位机所实现功能
• 6.2 组态软件
• 6.3 上位机画面开发
• 6.3.1 启动WinCC并创建项目
• 6.3.2 建立变量
• 6.3.3 组态画面设计
• 6.3.4 变量连接及运行调试
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结及展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的论文