基于PLC矿井提升机控制系统设计 2.doc
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1、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
2、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
3、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
4、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4
5、06.1 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
6、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
7、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
8、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。
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、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
17、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
18、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
19、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
20、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(
21、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
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