基于PLC矿井提升机控制系统设计 2.doc

摘 要图纸联系343781482 矿井提升机常被人们称为矿山的咽喉，是矿山最重要的关键设备，是地下矿井与外界的唯一通道，肩负着运输矿石、物料、人员等的重要责任。对提升机来说，运行的安全性与可靠性是至关重要的。传统的矿井提升机控制系统主要采用继电器接触器进行控制，这类提升机通常在电动机转子回路中串接附加电阻进行启动和调速。这种控制系统存在可靠性差、操作复杂、故障率高、电能浪费大、效率低等缺点。因此对矿井提升机控制系统进行研究具有现实意义，也是国内外相关行业专家学者的一个研究课题。随着计算机和PLC技术的不断发展，采用先进的控制技术改造传统矿山行业的传统控制系统，从而使矿井提升机的控制性能得到极大的改善，其自动化水平、安全性、可靠性都达到了新的高度，并采用现代化的管理和监视手段保障提升机的安全运行，保证矿井提升机可靠、准确地运行，实现矿井提升机的计算机控制。关键词： 矿井 提升机 电气 系统目 录1 绪论11.1 国外矿井提升机的现状11.1.1晶闸管电动机(SCR-D)直流低速直联拖动系统11.1.2交流变频调速同步机驱动提升系统11.1.3微机控制在提升机上的应用11.2 国内提升机的现状与发展趋向21.2.1交流拖动方式21.2.2直流拖动方式21.2.3研制与发展21.3 本章小结22 提升机控制系统32.1 矿井提升机对电气控制系统的要求32.2 电控系统组成62.3 本章小结103 提升机主控系统设计103.1 主控系统组成113.2 主控系统功能设计123.2.1 主控制系统工作模式123.2.2 主控制系统的功能123.3 主控制系统PLC程序设计133.3.1 PLC资源配置133.3.2 PLC控制程序结构133.3.3 程序设计思路133.3.4 主控制系统的特点153.4 PLC与上位机之间的通讯163.5 本章小结174 全数字直流调速系统设计174.1 调速系统实现数字化的必要性174.2 数字式直流双闭环调速系统原理174.3 晶闸管变流装置的设计计算194.3.1 整流变压器额定参数计算194.3.2 晶闸管额定参数的计算214.4 全数字直流调速装置的选择234.5 速度曲线优化设计254.5.1 S形速度图提升的优点264.5.2 S型速度曲线分析274.5.3 行程控制算法分析294.6 全数字直流调速系统参数调整314.7 本章小结325 提升机数字深度指示器335.1 DSP数字深度指示器介绍335.1.1 工作原理335.1.2 系统构成335.1.3 同步校正345.1.4 罐笼位置指示355.1.5 罐笼运行监控365.1.6 逐点速度监控365.1.7 罐位输出375.2 DSP与上位机的通讯设计375.2.1 RS232串口连接方式375.2.2 软件系统功能设计385.3 本章小结396 上位机监测管理系统406.1 硬件系统406.2 软件系统406.3 本章小结447 信号系统447.1 信号系统的基本任务及基本要求447.2 信号系统的组成447.3 信号系统的功能实现457.3.1 功能457.3.2 PLC-214资源使用457.3.3 程序思路457.4 本章小结47结 论48感 谢49参考文献501 绪论矿井提升装置是采矿业的重要设备，提升机的电力传动特性复杂，电动机频繁正反向，经常处于过负荷运转和电动、制动不断地转换的状态中。对提升机来说，运行的安全、可靠性是至关重要的，因此，安全运行就成为提升机设计、制造的首要考虑问题。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6。1.1 国外矿井提升机的现状1.1.1晶闸管电动机(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电动机(SCR-D)系统所取代。如AEG公司采用低速直联的SCR-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。 1.1.2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。1.1.3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。其应用主要体现在提升工艺过程微机控制、提升行程控制、提升过程监视、安全回路、制动系统的控制与监视、全数字化调速控制系统。1.2 国内提升机的现状与发展趋向 1.2.1交流拖动方式采用串电阻调速的交流拖动方式，有单绳和多绳两种系列，大都采用改变转差率S的调速方法，在调速中产生大量的转差功率，使大量电能消耗在转子附加电阻上，导致调速的经济性变差。极少数提升机采用串级调速方法，其调速范围窄，且投资大。 1.2.2直流拖动方式我国煤矿采用的晶闸管整流供电的直流提升机已较普遍，但大多数为80年代引进和90年代中期以前国产的矿井提升机SCR-D电控系统。这些电控系统，其调节控制保护回路基本上都是模拟形式。这种系统由于受元器件设计和制造水平的限制，存在着一定的缺陷。 1.2.3研制与发展(1)国产大型直流提升机及电控系统已逐步完善和推广使用。(2)大功率变频调速电控提升机效率可达98%，国内组织研究了这种系统并已经运用到了实际生产中。(3)可编程序控制器在提升机电控系统的应用，可编程序控制器具有可靠性高、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接触器电控系统进行技术改造。 1.3 本章小结本章详细分析了国内外矿井提升机的控制系统，对矿井提升机的现状、运行状况进行了详细的分析，分析比较了几种提升机调速方式:晶闸管电动机(SCR-D)直流低速直联拖动系统、交流变频调速同步机驱动提升系统、微机控制在提升机上的应用。比较了常用的几种电机拖动方式：交流拖动方式与直流拖动方式。 2 提升机控制系统 2.1 矿井提升机对电气控制系统的要求为了设计出满足有关规程规定要求的副井提升机控制系统，首先根据矿井提升机的工艺过程和特点，分析矿井提升机电控系统的动、静态性能8。提升机电气传动系统的给定速度如图2-1（a）所示V F FVt5 t6t7 t8 t9t1 t2 t3 t40t(时间)t(时间)（加速度）a0(负载静力)t(时间)(电动提升力)图a图b图c图dt(时间)图2-1 提升机传动系统给定速度图、力图（速度）根据动力学方程式 （2-1）式中电动机电动力矩；传动系统的静阻转矩；传动系统的飞轮力矩，其中为转动惯量()；传动系统的动态转矩(),加速度。可以得出按给定速度图所需转矩的特性，从而可以得到拖动系统所需的力，如图2-1所示。由于提升系统的负载为位势负载，所以静力的作用方向始终是提升重物的重力方向，而与系统的运动状态和方向无关。因此在电动机不带电时,为了使重的罐笼处于静止状态(便于罐笼的装卸载)，对滚筒必须施加机械闸。从图2-1看出，要使提升机按照给定的速度图运行，电动力矩可能为正，也可能为负。这意味着电动机不仅要工作在电动状态，还应能工作在制动状态。由于不同的负载，不同的提升机运行阶段，电动机的运行状态也各不相同。图2-2示出了平衡提升系统的四种不同的运行状态。V F 0t（速度）t1 t2 t3 V F 0tt1 t2 t3 0tt1t2t3VV F0tt1t2t3VV FF(a)重物上提，静载重较大（）(b)重物上提，静载重较大（）(c)重物下放，静载重较大（）(d)重物下放，静载重较大（）图2-2 在不同负载下的给定速度图与力图(2) 重物上提，静载量较大其给定速度图与力图如图2-2(a)所示。在加速段 （） （2-2）其中为加速力矩与等速力矩之差。加速度力矩为： （2-3）在等速段，等速度力矩为： （2-4）在减速段，但,所以减速度力矩为: （2-5）其中为减速力矩与等速力举之差。在爬行段，爬行力矩为: （2-6）上位机ASR转速调节器监控PLC信号PLCProfibus-DP总线M6RA24直流调速系统图2-3 系统框图根据此力图可知，电动机在各阶段均工作在正向电动状态。重物上提，静载量较小()。其给定速度图和力图如图2.2(b)所示。在加速段，加速度力矩 (2-7)在等速段，等速度力矩 （2-8）在减速段，减速度力矩，但,所以减速度力矩为: （2-9）在爬行段，爬行力矩 (2-10)根据力图可知，电动机在加速段和等速段，工作在正向电动状态；在减速段，工作在正向制动状态；在爬行段，又工作在正向电动状态。也就是说，在整个提升过程中，电动机的运行状态应切换两次。(2)重物下放，静载量较小()。其给定速度图与力图如图2-2(c)所示。在加速段, (2-11)在等速段 (2-12)在减速段 （） (2-13)在爬行段 (2-14)根据力图可知，电动机在加速阶段，工作在正向电动状态；在等速、减速和爬行阶段，电动机均工作在正向制动状态。(3)重物下放，且静载量较大()。其给定的速度图和力图如图2-2(d)所示。在加速阶段,在等速、减速和爬行段，均为负。根据力图可知，电动机在整个提升过程中始终工作在正向制动状态。综上所述，要使提升机按给定速度图运行，电气传动系统应能根据负载的变化而自动的工作在电动或制动状态，也就是说要求电气传动系统能满足四象限运行。2.2 电控系统组成矿井提升机计算机控制系统如图2-3所示。在整个控制网络中，主控PLC为控制主站，监控PLC、信号PLC和6RA24直流调速装置为从站，上位机为主站，但只起监视和参数设定作用，不直接参与控制。系统的所有动作由主控PLC控制，监控PLC完成监视和保护功能，信号PLC完成副井信号系统的功能。同时传动轴上在不同位置安装了两个编码器，其信号分别送到主控和监控PLC，用于各自检测提升机位置和速度。根据上述设计思想，矿井提升机计算机控制系统主要由以下五部分组成:主控制系统、全数字直流调速系统、多功能数字深度指示系统、上位机管理系统和信号系统。其系统实现如图2-4所示。图2-4 矿井提升机计算机自动控制系统框图 此套系统中控制软件是在SIEMENS公司S7-300可编程控制器上开发的，上位机软件采用组态王6.0为开发平台。下面就简要介绍各部分的组成和功能。1.主控制系统主控制系统采用SIMATIC S7-300系列可编程控制器，用于开环控制和安全回路，是系统的控制中枢。主要功能是:脉冲信号的采集和处理，罐位信号的采集和处理，同步信号的采集和处理，去向信号的采集和处理，各种状态、安全保护信号的采集和处理，实现正常提升的各种逻辑操作，故障时的保护动作等。2.全数字直流调速系统全数字直流调速系统采用西门子SIMOREG K 6RM24全数控晶闸管整流装置，它是系统的心脏，主要完成提升机速度和电流双闭环调节并实现电枢回路和磁场回路的各种保护。它的电流调节器和速度调节器参数可通过计算机自优化设定，也可通过软件靠专家经验人工设定，通常两者结合。它还可以通过软件设定所需要的S形速度图形，调试十分方便。它是标准的通用设备，设计时应与控制系统科学完善的连接，按系统指令准确完成开车、加减速、爬行、停车等提升工艺要求的速度图形。3.数字多功能深度指示器矿井提升机控制系统所有功能是用一台工控机完成，它参与提升机运行的提升方向选择、减速控制、停车控制等，一旦受到干扰而发生故障，就会直接影响提升机的正常运行，需要予以切除，转入手动，由此引起自动控制功能的丧失和安全保护性能的下降。数字多功能深度指示器主要功能是:脉冲的采集、校正和多路输出，罐位的计算、显示和输出，速度计算和显示，发出超速、过卷、井口减速等信号，与井筒开关、PLC、计算机系统等共同组成多重监视和保护。4.上位机管理系统上位机管理系统配置了一台工控机IPC610 INTEL586/266，彩显NEC21,AC422数据通讯卡，数字量采集模板及数字量输入输出模块，模拟量采集模板及模拟量输入模块，打印机，交流参数稳压器和UPS电源等。它的主要任务是实现人机对话，可以对提升机的运行参数、运行状态以及各种故障信息进行显示，并能产生生产报表以及对故障进行记忆。5.信号系统信号系统主要由西门子PLC S7-200、数字信号显示器、井口信号显示屏、候罐室信号显示屏等组成，主要功能是:用数字向系统发出提升目的中段代码指令和显示罐位中段代码，指示提升种类，完成开车必须的各种闭锁。矿井提升机计算机控制系统主要由以下部分组成:(1) MOREG K 6RM24全数控晶闸管直流调速装置整流变压器630KVA 6KV/0.4KV 1台6RM24 输入AC400: 3相 输出DC2400Al420V 1套由三个柜组成:配电柜一台，6RA24柜(1200A/420V)一台，SITOR柜(1200A/420 V)一台。(2) SIMATIC S7-300PLC电气传动主逻辑控制系统采用S7-300PLC实现。(3)矿井提升机数字深度指示器DSP数字信号处理系统、数字深度指示电路(4)上位管理机系统工控机IPC610 PIII1.7G此外还有传感器等设备，如:脉冲编码器E6C2-CWL6C,720P/R接近开关等。2.3 本章小结本章对矿井提升机控制系统的各个控制部分进行了详细的分析与研究，提出了系统控制方案。根据矿井提升机对电气控制系统的要求，分析了矿井提升机的动静态性能；选择了全数字直流调速拖动方式、设计采用PLC控制系统实现提升机的主逻辑控制系统；提出采用DSP控制器开发功能强大、结构简单的矿井提升机深度指示系统；并对矿井提升机计算机控制系统总体结构进行了设计与分析。3 提升机主控系统设计 矿井提升机主逻辑控制系统(主控系统)是矿井提升机电控系统的核心，它综合信号系统、深度指示系统、传动系统、上位机系统及其它设备的各种信号、数据，对提升机及相关设备的工作状况进行实时监控，控制罐笼的启动、减速、停车，保障罐笼在运行过程中的安全。由于实现了自动控制，减轻了司机的劳动强度，增强了罐笼安全运行的可靠性，大大提高了提升机的工作效率。3.1 主控系统组成主控制系统由西门子S7-300系列可编程序控制器(PLC)部分和继电器回路部分组成。1.可编程序控制器PLC部分S7系列PLC是西门子公司继S5系列之后，于近年来推向市场的新产品，它包括微型S7-200、小型S7-300和中型 S7-400三个系列产品。S7-300系列具有模块化、无排风扇结构、易于实现分布、便于系统扩展等特点。这种模块式结构的PLC，要组成一个系统，只需在一块基板上插上CPU、电源、输入、输出模块及其他诸如通讯等特殊功能模块，就能构成一个大规模综合控制系统。表3-1 主控系统PLC模块组成Table 3-1 PLC control system modules序号名称类型规格数量1CPU模块CPU3141块2输入模块SM32110块3输出模块SM3222块4接口模块IM3651块5电源模块PS307 IOA1块西门子S7-300系列的PLC一个机架上最多带8个输入输出模块，在该矿井提升机主控制系统中使用了10个输入模块和2个输出模块，因此采用了2个机架，中央机架和扩展机架。中央机架上安装有:电源模块、CPU模块、接口模块CR及8个输入模块;扩展机架上安装有:接口模块ER,2个输入模块和2个输出模块。具体配置如表3-1所示。2.继电器控制回路 继电器控制回路包括:安全制动控制回路、一级制动控制回路、二级制动控制口路、提升机开停及方向控制回路、提升机减速控制回路、润滑油站回路、液压回路等，它与可编程序控制器部分共同组成多重保护。继电器回路和PLC回路既相互有机结合又保持相对独立，当PLC故障暂不能投入时，仍可在保证基本安全的条件下应急开车。从这个意义上来说，继电器控制回路属于基本控制回路10。3.2 主控系统功能设计3.2.1 主控制系统工作模式 主控制系统有三种工作模式，分别是全自动模式、半自动模式和手动模式。 全自动模式司机在看到允许开车信号以后；按下开车按钮，由主控制系统自动判断开车方向，自动实现提升机开车、加速、等速、减速、爬行、停车的全过程，监视提升机运行过程中的安全状况，发现问题自动采取相应对策，完全不用司机参与控制的工作模式。在所有设备、仪器仪表工作状态正常，对提升机运行速度没有特殊要求，一般采用这种工作模式。 半自动模式由司机通过操作手柄控制提升机运行的方向、速度和停车，由主控制系统实现自动减速控制，监视提升机运行过程中的安全状况，发现问题自动采取相应对策的工作模式。在对提升机运行速度有特殊要求、或者某些设备、仪器仪表工作状态不正常而没有投入时，一般采用这种工作模式。手动模式司机控制提升机运行的方向，完全控制提升机的开车、加速、等速、减速、爬行、停车的全过程，并负责监视提升机运行过程中的安全状况，发现问题由司机采取相应对策的工作模式。在主控制系统PLC部分被切除(PLC部分发生故障、或者因某些重要设备、仪器仪表工作状态不正常而导致PLC禁止开车)时，一般采用这种工作模式。3.2.2 主控制系统的功能 主控制系统主要实现以下四大功能：自动控制提升机运行；监视提升机运行的安全状态，自动采取相应对策；自动检测故障的功能；有三种工作模式，适应各种工作状况。 1.自动控制提升机运行 在全自动工作模式下，允许开车信号发出以后，司机按下自动开车按钮，主控制系统会根据当前罐笼的位置及去向中段信号做出判断，正确选择是提升还是下放，开动罐笼驶向正确的方向。在罐笼运行过程中，主控制系统会不断监测罐笼当前速度及到达目的地的距离，自动发出减速命令，使罐笼在减速后保持6米左右的爬行距离，然后自动控制准确停车。由于实现了自动控制提升及运行，改变了以往由司机凭经验控制加速、减速和停车的情况，不再出现“不敢加速”(对于短距离中段的情况，加速控制不好，很容易冲过站)、“过早减速”(导致爬工距离过长而影响提升机运行效率)、“过迟减速”(导致罐笼冲过去向中段)、“反复调罐”(由于停罐位置与中段轨面相差太大，影响矿车或人员进出罐笼，不得不反复小距离提升或下放罐笼，调整罐笼内部轨面与罐外轨面的高度差，以达到规定要求)等现象，大大提高了提升机工作效率，减轻了司机紧张程度，降低了劳动强度。 2.监视提升机运行的安全状态，自动采取相应对策 提升机运行的安全问题，是涉及提升机电控系统首要考虑的问题，在该提升机电控系统中，对这个问题也极为重视，设计了由PLC主控制系统、数字深度指示系统、上位机监控系统、继电器回路(井筒开关等)实施的多重监视保护措施，其中主控系统的保护是最全面、最可靠的。在提升机运行过程中，主控系统在检测到故障后，会根据故障情况采取不同的措施进行处理，包括进行安全制动、一级制动、二级制动、限制一次开车、故障指示灯提示等。3.3 主控制系统PLC程序设计3.3.1 PLC资源配置 主控制系统PLC使用了10个输入模块，2个输出模块具体情况如下: 输入 一共有97个输入点，包括:去向中段BCD码、罐位BCD码、罐位脉冲、同步开关信号、允许开车信号、开车信号、提升方向信号、下降方向信号、自动开车信号、自动停车信号、检修信号、事故复位信号、工作方式选择、上位机输出信号、各种设备仪器仪表信号等。 输出 一共有23个输出点，包括:减速控制、停车控制、提升方向控制、下降方向控制、精针显示控制、故障通知、各安全回路控制等。 内存 PLC-314有数据存储内存256字节，PLC程序使用了100个字节。 计时器 PLC-314有64个计时器，PLC程序使用了5个计时器。3.3.2 PLC控制程序结构西门子S7系列PLC采用的是模块化程序结构，程序根据功能的不同存放在不同的模块中称为组织块(organization Block)，如:OBI为主程序模块、OB100为初始化模块、OB121为BCD码转换出错处理模块。主程序模块是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，而且在CPU停止工作之前不会再运行这个模块，一般把初始化数据的程序放在初始化程序中。3.3.3 程序设计思路 (1)去向中段BCD码输入，判断开车方向 在允许开车信号发出时，从输入信号中读入去向中段BCD码，将其转换为整数，并查找出该中段的标高，与当前罐位进行比较，确定开车方向是提升还是下放。 (2)罐位计算 读入从深度指示器来的罐位BCD码，将其转换为整数，作为罐位1；读入从深度指示器来的罐位脉冲信号和罐笼运行方向信号，计算脉冲算术值，作为罐位2；读入同步信号，判断同步信号有效性，确定是否同步。 (3)速度计算将深度指示器来的罐位BCD码分米个位作为脉冲进行计数，并根据计时器计算提升机运行速度，作为速度1；侧量从深度指示器来的罐位脉冲信号，并根据计时器计算速度作为速度2。(4)剩余行程计算，减速点计算将当前罐位减去去向中段标高，取绝对值作为剩余行程；根据公式 (3-1)计算L作为减速距离。 (5)监视程序 包括罐位突跳监视、罐位相互监视、速度相互监视和提升机运行中脉冲停止监视。前二项监视都是当差值超过设定值时，发出报警信号；后一项监视是在开车信号接通的条件下，在一定时间内脉冲计数数目为0，则发出报警信号。 (6)主控程序 接收到允许开车信号，接收到自动开车信号 方向控制输出，接通开车回路 减速条件判断，减速控制输出 停车条件判断，停车控制输出 状态恢复，停车后各项标志位复原 (7)精显控制 往剩余行程小于等于10米时，启动精针显示控制，输出剩余行程的米位BCD码数据，剩余行程每减少1米，输出的BCD码数据发生一次变化，直到变化到O。 (8)设备监视 从输入信号中读入各种设备仪器仪表的工作状态信号，根据情况采取不同的措施进行处理，包括进行安全制动、一级制动、二级制动、限制一次开车、故障指示灯提示等。 (9)事故诊断 主控制系统在不断对提升机运行状态参数以及各种相关的设备、仪器、仪表进行检测，将故障信号保存到指定内存区域，可以由上位机管理系统通过通讯方式将这些信息读出。3.3.4 主控制系统的特点 （1）自动化优化减速 实现最优化减速控制，提高运行效率，解放司机操作的紧张程度是迫切需要解决的问题。本系统完全实现了中段间提升的最优化自动减速:任何中段间开车，无论提升行程长短，PLC都能自动确定减速点，自动确定是三角形速度或梯形速度图，始终保持6米左右的爬行距离(见图3-1)、当半自动工作方式时，司机总是一次将手柄推至终端的标准化操作，不必考虑减速问题。 0 10 20 30 40 50 60 7086420速度（m/s）时间（S）0 10 20 30 40 50 60 7086420速度（m/s）时间（S）图3-1 图中行程分别为452米和65米，爬行距离基本相同 当提升不同种类的货物，提升速度不同时，PLC能自动按速度的高低和行程的远近自动调整减速点，保持6米左右的爬行距离(见图3-2)，为了防上临近减速点时，司机突然变动手柄位置破坏最优化减速，当提升机启动后，就不断地采集实际速度，按实时速度去进行计算、调整减速点。显然，最优化自动减速的实现，是该矿井获得最高提升效率的保证之一。图3-2 图中速度分别为7.7米/秒和3.0米/秒，爬行距离基本相同 （2）自动准确停车准确停车系指罐笼停车后罐内轨面位置和中段轨面位置齐平，误差在允许的范围内。这样，摇台才有可能在放下时可靠地搭接在罐笼上，使人员、矿车能顺利的进出罐笼。该矿井对此误差的要求在±l0cm范围内。我们常常在一些矿山碰到这样的情况，为了准确停车，司机反复调罐，既费时又费事，影响提升效率。对多中段提升的副井来讲准确停车是保证提升效率的关键，准确停车比最优化自动减速更难实现，因为准确停车牵涉的面很广，它甚至可以说是衡量一个控制系统优劣的标志。用数字控制可以科学地解决准确停车的技术难题，对该矿井自动停车准确度进行检测，大多数中段自动停车误差为零，最大误差也仅为8.5cm，完全满足生产的要求。即使在半自动或手动工作时，也有准确停车位置的红色LED指示灯，司机同样可以做到准确停车。准确停车、无须调罐是该矿井高效率的又一个重要原因。（3）安全可靠 主控制系统对影响提升机安全运行的各个方面都进行了有效监视，包括脉冲监测、提升机运行状态参数监测、与提升机运行相关的设备仪器仪表监测，主控系统在检测到故障后，会根据故障情况采取不同的措施进行处理，包括进行安全制动、一级制动、二级制动、限制。 主控制系统中PLC实现了中段之间的最优化减速自动控制，提升机准确停车，每次罐笼接近停车点的精针显示等等，反映了矿井多中段提升的特点：PLC程序编制正确、周密，系统整体工作协调统一，形成一个有机整体，满足了提升工艺的各种情要求。3.4 PLC与上位机之间的通讯 随着现代信息技术的发展以及计算机网络的广泛应用，计算机通信技术己经日趋成熟。作为传统的计算机通信方式的串行通信，由于具有线路简单、应用灵活、可靠性高等一系列优点长期以来获得了广泛的应用。在本系统中，在PLC与上位计算机之间采用RS-485和RS-232C标准通信接口进行通信。在两级计算机控制系统中，上位机需要通过串行通讯取得所需的数据信息，并通过串行通信将必要的控制信息和参数设置信息写入PLC的数据存储区。因此，串行通讯作为上位机和下位机联系的唯一方式，在整个系统中具有非常重要的作用。3.5 本章小结本章主要研究了矿井提升机主逻辑控制系统的设计。首先简要地介绍了可编程控制器PLC，以及PLC在矿井提升机控制系统的应用。分析了主控系统PLC控制回路和继电器控制回路，对主控系统进行了详细的分析与设计，包括主控制系统的功能描述、控制系统PLC资源配置、PLC控制程序结构设计、主程序设计思路、以及PLC与上位机之间的通讯。4 全数字直流调速系统设计4.1 调速系统实现数字化的必要性直流调速系统的种类很多，可分成直流单闭环调速系统和直流多闭环调速系统，可逆调速系统和不可逆调速系统，有静差和无静差调速系统以及模拟调速系统和数字调速系统等。全数字直流调速装置具有不可比拟的优越性，最显著的特点是：工作可靠、速度控制精度高，并且不受环境温度等条件的影响、系统还具有参数自整定、故障报警、故障记忆等功能，这样就给用户的使用、维护提供了极大的方便。而且随着技术发展及大批量生产，全数字直流调速装置的价格已经大幅度下降，与模拟直流调速装置相比较已相差无几，所以在短短的几年内全数字直流调速装置几乎取代了模拟直流调速装置。以微处理器作为调速系统的核心部件，并具有控制、检测、监视、故障诊断及故障处理等多功能的全数字直流调速系统正在不断地更新和发展，并已广泛地应用于传动机械的直流调速系统中。4.2 数字式直流双闭环调速系统原理数字式直流双闭环调速系统是由软件编程实现数字给定、数字PI调节器、数字触发器，其结构如图4-1。转速给定、电流反馈比、转速反馈经A/D转换后送入计算机，计算机执行数字调节计算，求出可控硅触发角并将其转化成定时器8253定时时间常数，然后通过串行口送入下位机，下位机接收时间常数启动定时器8253定时，定时时间到产生触发脉冲，经逻辑电路和功率放大送给工作整流桥。×ASRDLCACR×触发脉冲电机图4-1 数字式逻辑无环流可逆调速系统原理图为了达到既存在转速和电流两种负反馈，又使它们只能分别在不同的阶段起作用，需采用转速、电流双闭环调速系统。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级联接，如图4-2所示。这就是说，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管的触发装置。ASRACR图4-2 转速、电流双闭环调速系统MTG+GT从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速调节环在外面，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。为了获得良好的静动态性能，双闭环调速系统的两个调节器ASR和ACR一般都采用PI调节器11。4.3 晶闸管变流装置的设计计算4.3.1 整流变压器额定参数计算根据负载所要求的直流平均电压、电流，可以选择晶闸管整流主电路的形式。在平均电压和主电路形式一定的条件下，晶闸管交流侧的电源和电压有效值只能在一个较小的范围内变化。因为电压选择过高，则晶闸管装置运行时的控制角过大，造成功率因数变坏，无功功率增大，并在电源回路的电感上产生很大的电压降；但若电压选择过低，则有可能在晶闸管控制角时仍不能达到负载要求的电压额定值，因而就不能达到负载要求的功率。在一般情况下，晶闸管装置所要求的交流供电电压与电网电压往往不一致，另外为了尽可能减小电网与晶闸管装置的相互干扰，要求能够隔离，所以通常配用整流变压器。整流变压器的初级相电压就是电网相电压，它是已知的。根据整流主电路的形式、所要求的整流电压和整流电流，可以计算出整流变压器的额定参数:次级相电压、次级相电流、初级相电流、初级容量和平均计算容量。1.次级相电压要比较精确地计算整流变压器次级相电压，必须考虑以下几个因素的影响:(1)电网电压波动根据规定，电网电压允许波动为+5%-10%，考虑在电网电压最低时仍能保证负载所需要的最大整流输出电压，通常取电网电压波动系数e =0.90。在供电质量较差，电压波动较大的情况下，应视具体情况取更小的。(2)整流器漏抗产生的平均相压降 （4-1）式(4-1)中，变压器短路电压的百分数，一般为5%12%整流变压器的容量愈大，其值愈大；m相数或一个周期内整流电压的波头数(换相数)。对于三相半波电路，m=3，三相全控桥m=6。(3)晶闸管的正向导通压降为,n为整流电流途径中串联的晶闸管元件数，三相桥全控电路，n=2；为每只晶闸管的通态电压降，实际计算时可取=1V。(4)整流变压器内阻和平波电抗器的电阻产生压降: （4-2）式(4-2)中，变压器折算到二次绕组的每相等效电阻；n三相半波电波，n=1；三相桥式电路，n=2。(5)最小控制角。对于要求直流输出电压恒定的整流装置，在交流供电电压降低时，则要求控制角减小以自动调节补偿，即角不能以计算，这就要求整流变压器副边的电压留有一定的调节裕量。在可逆传动系统中，由于需对逆变角。加以限制，为了防止两桥换时的冲击电流，必须限制因此，在计算整流变压器副边相电压时，一般可逆传动系统取，不可逆传动系统取，对于要求不高的电阻性负载则取。考虑到上述因素之后，则变流装置的最大整流输出电压为 （4-3）整理： 式（4-3）中，A理想情况时，时整流电压与次级电压之比；整流变压器次级额定相电流；线路接线方式系数，见表4-1：表4-1 几种整流线路变压器电压计算系数（电感性负载）Table 4-1 Several Rectifier line voltage transformer calculation coefficient (inductive load)电路型式A