毕业设计(论文)基于PLC和变频器的矿井提升机电控系统.doc
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1、毕业设计(论文)题 目 基于PLC和变频器的矿井提升机电控系统姓 名 学 号 专业班级 电气自动化 091 班 院系名称 太原科技大学成人教育学院 指导老师 2011 年 11 月 10 日摘 要矿井提升机被称为矿山的咽喉,是生产的关键设备,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
2、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。变频调速是近年来发展起来的一门新兴的自动控制技术,它利用改变被控对象的电源频率,成功实现了交流电动机大范围的无级平滑调速,在运行过程中能随时根据电动机的负载情况,使电机始终处于最佳运行状态,在整个调速范围内均有很高的效率,节能效果明显。采用变频器对异步电动机进行调速控制,由于使用方便、
3、可靠性高并且经济效益显著,所以得到广泛应用。因此,应用变频器对矿井提升机的控制系统进行改造,将成为历史的必然趋势。关键词:矿井提升机,PLC,变频调速,控制系统 ABSTRACTThe mine elevator is entitled as the throat of mine, and it is the most vital equipment in mine. The mine elevator is the only channel to the underground mines, and it is shouldering the transportation of minera
4、l, materials and people. The safety and security is the most vital to elevator. The traditional shaft hoist control system is always controlled by the relaycontactor, and adopts the methods of connect series additional resistant in rotors winding loop to start and adjust speed. The system has many d
5、isadvantages such as bad reliability, complicated operation, high fault rate, large energywasting and low efficiency. So, carrying on the research on the shaft hoist control system has realistic meanings, and it is a subject for research by relevant experts and scholars, both at home and abroad too.
6、Along with the development and application of computer and programmable logical controller, the controller of mine elevator come forth new visage, the level of automatization and safety and security arrived at the new altitude, and provided a new and modern manage and monitor means. Advanced industr
7、y control computer are used to monitor and manage the course of elevator Frequency conversion is developed as a new automatic control technology in recent years, which is used to change the power frequency of the controlled objects, it successfully achieve the speed step less adjusting of the Ac mot
8、or in a large scope, and it can make the motor be always in the best state according to the load conditions at any time. It has very high efficiency and the energy-saving effect is obvious in the whole range of speed. Adopting inverter speed to control the asynchronous motors is widely used because
9、of it is convenient, high reliability and the economic benefit is remarkable. Therefore, adopting inverter to reform the control system of shaft hoist will become the inevitable trend of history. KEY WORDS:shaft hoist, PLC, frequency conversion, control system目 录第1章 绪 论11.1 国内外矿井提升机研究现状与发展趋势11.1.1 国
10、外矿井提升机的现状11.1.2 国内提升机的现状与发展趋向21.2 本文研究意义及内容31.2.1 研究意义31.2.2 研究内容3第2章 系统工艺流程及控制要求42.1 矿井提升机系统简介42.2 提升机电动机运行方式52.3 提升机的速度要求及受力情况62.3.1 提升机的速度要求62.3.2 提升机的受力情况72.4 矿井提升机的电气传动方案8第3章 系统控制方案设计93.1 控制单元基本原理93.2 控制系统总体设计113.3 可编程控制器(PLC)介绍113.3.1 PLC的基本特点123.3.2 PLC的基本结构133.3.3 PLC的工作原理133.3.4 PLC的编程语言143
11、.4 变频器介绍143.4.1 变频调速基本原理153.4.2 变频器按中间直流环节方式分类16第4章 控制系统硬件设计184.1 控制系统硬件选型18第5章 控制系统软件设计195.1 控制程序流程图205.2 系统控制程序梯形图21第6章 人机交互界面226.1 触摸屏概述226.2 触摸屏在工业控制中的应用236.3 PWS3261触屏简介246.4 触摸屏在矿井提升机控制系统中的应用24第7章 结 论25参考文献26致 谢27第1章 绪 论1.1 国内外矿井提升机研究现状与发展趋势矿井提升装置是采矿业的重要设备,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
12、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。特别是模拟技术、微电子技术、微电脑技术在提升机控制中的应用已成为必然的发展。1.1.1国外矿井提升机的现状近三十年来,国外提升机机械部分和电气部分都得到了飞速的发展,而且两者相互促进,相互提高。起初的提升机是电动机通过减速器传动卷筒的系统,后来出现了直流慢速电动机和直流电动机悬臂安装直接传动的提升机。上世纪七十年代西门子发明矢量控制的交一直一交变频原理后,标志着用同步电动机来代替直流电机实现调速的技术时代已经到来。1981年第一台用同步机悬臂传动的提升机在德国Monopol矿问世,1988年由MAV
13、GHH和西门子合作制造的机电一体的提升机(习惯称为内装电机式)在德国Romberg矿诞生了,这是世界上第一台机械和电气融合成一体的同步电机传动提升机。在提升机机械和电气传动技术飞速发展的同时,电子技术和计算机技术的发展,使提升机的电气控制系统更是日新月异。早在上世纪七十年代,国外就将可编程控制器(PLC)应用于提升机控制。上世纪八十年代初,计算机又被用于提升机的监视和管理。计算机和PLC的应用,使提升机自动化水平、安全、可靠性都达到了一个新的高度,并提供了新的、现代化的管理、监视手段。1.1.2 国内提升机的现状与发展趋向目前国内的矿井提升机传动方式大多为以下几种:1、交流绕线式异步电动机转子
14、串电阻调速2、直流可逆调速3、交流变频调速(1)异步电动机的交直交变频(2)大惯量低速同步电动机交交变频国内矿井提升机的发展趋势如下:(1) 随着国家出台一系列节能降耗、发展低碳经济相关政策,各大煤炭企业将不得不淘汰掉那些高耗能、高污染、生产技术落后的设备。矿井提升机作为生产重要设备,除高耗能以外,还有着工作结构复杂、危险程度大等突出问题,因此,技术落后、设备陈旧逐渐不能满足发展要求,取而代之的将会是节能环保、安全高效的全数字化生产模式。 (2) 使用变频器调速的矿井提升机,可以实现启动时的软启动、软停车,减轻对电网的冲击;可根据负载需要,自动输出合适的功率大大降低了不必要的能量耗损;调速平滑
15、连续,使运行更加安全、稳定、高效。据此,变频器以其独特的优势在提升机行业的应用也迎来了发展的新时期。1.2 本文研究意义及内容1.2.1 研究意义目前国内各大煤矿的矿井提升机系统的调速方案大多采用继电器接触器控制的转子串电阻调速。该方案耗能大,占地面积大,已不能适应现代矿业发展的需要。因此有必要对其调速方案进行改造。在广泛考察现行的变频调速方案后,本文提升机系统控制单元采用目前工控适用的可编程控制器来控制,具有编程简单和控制可靠性高的优点,电力拖动系统中,选用先进的变频传动装置,运用先进的矢量控制技术,优化了调速系统的性能,这已成为现代交流调速的重要研究方向。采用先进的工业计算机、现场总线和工
16、业自动化技术,按照结构标准化、产品系列化、性能现代化、体积小型化的原则,研制生产适合矿井提升机电控设备是进行技术改造和新建矿井设备选型的理想选择。为保证提升设备无事故,在提升设备有可能出现故障的各个重要环节上,设有各种检测、控制、自诊断以及记录和保护装置(如超载、速度、加减速等记录)。1.2.2 研究内容在煤矿生产中,矿井提升机起着非常重要的作用。矿井提升机是矿井生产过程中的一个重要环节,它的任务是提升有用矿物和矿石、升降人员和设备、下放材料等。提升机电控装置的技术性能,既直接影响矿山生产的效率及安全,又代表着矿井提升机发展的整体水平,是矿井安全生产中重中之重的一大环节。当前国内提升机电控绝大
17、多数还是转子回路串电阻分段控制的交流绕线式电机继电器接触器系统,设备陈旧、技术落后。而且这种控制方式存在着很多的问题:转子回路串接电阻,消耗电能,造成能源浪费;电阻分级切换,为有级调速,设备运行不平稳,容易引起电气及机械冲击;继电器、接触器频繁动作,电弧烧蚀触点,影响接触器使用寿命,维修成本较高;交流绕线异步电动机的滑环存在接触不良问题,容易引起设备事故;电动机依靠转子电阻获得的低速,其运行特性较软;提升容器通过给定的减速点时,由于负载的不同,而将得到不同的减速度,不能达到稳定的低速爬行,最后导致停车位置不准,不能正常装卸载。上述问题使提升机运行的可靠性和安全性不能得到有效的保障。因此,需要研
18、制更加安全可靠的控制系统,使提升机运行的可靠性和安全性得到提高。在提升机控制系统中应用计算机控制技术和变频调速技术,对原有提升机控制系统进行升级换代。就计算机技术在工业现场应用情况而言,可编程控制器(PLC)是目前作为工业控制最理想的机型,它是采用计算机技术、按照事先编好并储存在计算机内部一段程序来完成设备的操作控制。采用PLC控制,硬件简洁、软件灵活性强、调试方便、维护量小,PLC技术己经广泛应用于各种提升机控制。第2章 系统工艺流程及控制要求2.1 矿井提升机系统简介矿井提升机可分为竖井提升机和斜井提升机两种。矿井提升机主要由电动机、减速器、卷筒(或摩擦轮)、制动系统、深度指示系统、测速限
19、速系统和操纵系统等组成,采用交流或直流电机驱动。提升钢丝绳的工作原理分缠绕式矿井提升机和摩擦式矿井提升机。缠绕式矿井提升机有单卷筒和双卷筒两种,钢丝绳在卷筒上的缠绕方式与一般绞车类似。单筒大多只有一根钢丝绳,连接一个容器。双筒的每个卷筒各配一根钢丝绳,连接两个容器,运转时一个容器上升,另一个容器下降。缠绕式矿井提升机大多用于年产量在120万吨以下、井深小于400米的矿井中。摩擦式矿井提升机的提升绳搭挂在摩擦轮上,利用与摩擦轮衬垫的摩擦力使容器上升。提升绳的两端各连接一个容器,或一端连接容器,另一端连接平衡重。摩擦式矿井提升机根据布置方式分为塔式摩擦式矿井提升机(机房设在井筒顶部塔架上)和落地摩
20、擦式矿井提升机(机房直接设在地面上)两种。按提升绳的数量又分为单绳摩擦式矿井提升机和多绳摩擦式矿井提升机。后者的优点是:可采用较细的钢丝绳和直径较小的摩擦轮,从而机组尺寸小,便于制造;速度高、提升能力大、安全性好。年产120万吨以上、井深小于2100米的竖井大多采用这种提升机。目前,我国单绳缠绕式提升机,广泛采用交流绕线式电动机拖动,提升过程一般包括:起动、加速、匀速、减速、爬行和停车几个主要环节。2.2 提升机电动机运行方式提升机电动机的运行方式 ,主要根据系统的力图来确定:加速阶段:提升时为正力,采用电动加速。下放时为负力,若负力值较小,可考虑自由加速,并配合使用盘式制动器,若负力值较大,
21、则采用动力制动加速。匀速阶段:提升时为正力,采用电动拖动。下放时为负力,采用能耗制动、闭环控制,单闭环速度控制系统由与距离有关的理想速度给定电路、速度负反馈电路、PID调节器、移相触发电路及双向可控硅能耗制动电路组成,下放速度由PID调节。主减速阶段:提升时为正力,采取逐级接入转子附加电阻和机械制动的方式。下放时为负力,一方面接入转子附加电阻,另一方面增大制动电流并辅以机械制动方式减速。爬行阶段:当为正力时,转子接入几段附加电阻,由 PLC控制运行;当为负力时,在能耗制动方式下接入转子附加电阻。2.3 提升机的速度要求及受力情况合理地确定提升机的力图和速度图,可以提高其运行的安全可靠性,以及减
22、小电动机的功耗。2.3.1 提升机的速度要求(1)主加速阶段如图21所示,正常提升时,电动机产生的力矩比阻力矩大3%5%,产生比较低的加速度a 0.3m/s2。当V0上升到Vm时,电动机运行在自然特性曲线上。下放时,由于负力较大,需要制动力来维持稳定的下放速度和规定的减速度。(2)匀速阶段t2上升时,根据负载状况使电动机保持电动状态,且速度Vm=1.12ms。下放时,由测速发电机反映转子下放速度 ,当速度高于Vm时,增大励磁电流If,提高制动力矩,使观览车在斜坡上匀速运行。(3)主减速阶段t3为使提升机准确停车,在停车前应进行减速。减速按照速度图要求进行,由装在斜坡上的位置开关动作发出信号,P
23、LC 再根据与电动机同轴运行的旋转编码器发出的脉冲数进行比较发出指令,增大励磁电流If,使下放速度在规定的时间内降低。(4)爬行阶段t4V4在 0.3 m/ s左右,此数值实际上是一个平均值,因为提升机由较高的Vm不可能很准确的变为速度V4。(5)停车阶段t5将盘式制动器的KT线圈断电,抱闸迅速抱住卷筒,提升机停转。图21 提升机速度图2.3.2 提升机的受力情况由直线运动的运动方程可得: F = + ma 式(21)式中:F提升机在某运动阶段的力,N;提升机的静阻力(包括车重、提升机重量和绳重),N;m把旋转运动的部件折算到直线运动的变位质量,kg;a各阶段的加速度、减速度值,m/。当 a
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