（电力系统及其自动化专业论文）基于pcc的矿井提升机变频控制系统研究与应用.pdf

s u b j e c t s p e c i a l t y n a m e ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c ho ft h ef r e q u e n c yc o n v e r s i o nc o n t r o l s y s t e mu s eo nm i n eh o i s tb a s e do np c c ：p o w e rs y s t e ma n da u t o m a t i o n ：l i ur u i h u i n s t r u c t o r ：f uz h o u x i n g a b s t r a c t ( s i g n a t ur e ) 土造疽丛 ( s i g n a t u r e t h em i n eh o i s ti so f t e nb e e nc a l l e dt h et h r o a to fm i n em o u n t a i nb yp e o p l e ，w h i c hi st h e m o s ti m p o r t a n te q u i p m e n t si nm i n em o u n t a i n i ti st h eo n l yr o a do fc o n t a c t i n gt h eg r o u n da n d t h eb o t t o mo faw e l li nt h ew h o l em i n e r a lw e l l i tt a k e st h ei m p o r t a n tc a r r i a g er e s p o n s i b i l i t y o fo r e ，m a t e r i a la n dp e r s o n n e le t c i ti sc r u c i a lf o rm i n eh o i s tt h a ts t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y t h e p r o p e r t yo ft r a d i t i o n a ls p e e dc o n t r o ls y s t e mf o rt h em i n eh o i s ti sw o r s e ，t h e r ea r es om a n y s e c u r i t yp r o b l e m s a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra n dp r o g r a m m a b l el o g i c a l c o n t r o l l e r , t h ec o n t r o l l e ro fm i n ee l e v a t o rc o m ef o r t hn e wv i s a g e t h el e v e lo fa u t o m a t i o na n d s a f e t ya n ds e c u r i t ya r r i v e da tt h en e wa l t i t u d e ，a n dp r o v i d e dan e wa n dm o d e mm a n a g ea n d m o n i t o rm e a n s i nt h i sp a p e r , t h er e s e a r c hg o a li sr e a l a p p l i c a t i o no nt h eh o i s t ，w h i c hu s eo nv e c t o r c o n t r o lf r e q u e n c yc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h ep c c d e s i g na n dt r a n s f o r m a t i o no ft h e o r i g i n a ls p e e dc o n t r o ls y s t e mc a ni m p r o v ep r e c i s i o n ，a n dc a ng u a r a n t e es u c c e s s f u lp r o d u c t i o n i nt h es a f e t yr a n g e t h es p e e dc o n t r o ls y s t e mo fm i n eh o i s tc o m p r i s e db yt h ei n v e r t ，p c c ，o p e r a t i n gf l o o r , m o n i t o r i n gs y s t e ma n dt h em e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n i nt h i sd e s i g n ，t ot a k ef u l la c c o u n to ft h e u s eo fe n v i r o n m e n t ，t h ea n t i i n t e r f e r e n c em e a s u r e sa r ec a r r i e do u t d i f f e r e n tf r o mo t h e r c o n t r o ls y s t e m ，s p e e dc u r v eo fi d e asc a nb ep r o d u c e db ys o f t w a r eo fp c c i nt h i sp a p e r , m a t h e m a t i c a lm o d e lo fs p e e dc u r v eo fi d e asi ss e tu p ，a n ds i m u l a t e di nt h e s i m u l i n k ，t oc h e c kt h i ss y s t e mi sf e a s i b l e a p p l i c a t i o nr e s e a r c ho ft h ef r e q u e n c yc o n v e r s i o nc o n t r o ls y s t e mu s eo nm i n eh o i s tb a s e d o np c cw a su s e db ym i n em o r et h a no n e y e a r c o n t r o lp r e c i s i o na n dr e l i a b i l i t yo ft h i ss y s t e m i sh i g ha n di ti sn m n i n gw e l li np r a c t i c e k e yw o r d ：i n v e r t h o i s t p c c s o f t w a r e - r e d u n d a n c y s i m u l a t i o n t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 压妻料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：主f l a 南粕日期：川眸胁j | 5 l a 尸口 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：1 a 匆轨指导教师签名： 羽赳誊 2 少墨年工月二目 1 绪论 l 绪论 1 1 课题研究背景 矿井提升机是煤矿“四大运转设备之一，其电力传动特性复杂【l 】，电动机频繁正、 反向运行，经常处于过负荷运转和电动、制动不断转换的状态中【z j ；它的安全性、可靠 性亦是至关重要，其运行性能和安全可靠性直接影响着煤炭生产及作业人员的生命安 全，一旦发生事故必然导致人员伤亡和设备的严重损坏，矿山正常生产的中断，造成重 大的经济损失。因此，提高提升机的性能，提高其自动化水平，使其安全性、可靠性达 到一个新的高度势在必行。 随着现代科学技术的进步，现代化矿井的建设，以及对作业人员的生命更加重视， 对矿井提升机的安全可靠性提出了更高的要求。近年来，我国有关部门在提升机安全方 面做了大量工作，使矿井提升机设备的安全可靠性有了长足进步，并将“可靠性系统工 程”的理念引入了矿井提升机领域【3 】，与之相适应，提升机对其电控系统安全可靠性的 要求也愈来愈高。因此，在设计矿井提升机时，总是把安全性、可靠性放在首要位置。 就其本质而言，提升机电控系统的高可靠性主要表现在两个方面【4 】：一是电控装置本身 质量好，故障率低；二是电控系统出现故障后应能根据故障性质及时进行保护，并能对 故障内容进行记忆和显示，以便能迅速排除。 宝鸡北马坊煤矿位于宝鸡市麟游县境内， 有十分丰富的煤矿资源，煤炭储量大。 目前，矿山有主井、副井各一口，主井用于提升煤炭、矸石、设备和材料等，副井用于 提升人员。主井巷道长4 2 5 米，提升机为j k 一2 5 2 0 e 提升机，最大提升速度为3 1 9 米 秒，采用交流电动机拖动，电动机为9 0 千瓦，3 8 0 伏，1 7 4 安培，7 4 4 转分，采用继 电器一接触器控制方式。该系统于1 9 8 9 年投入运行至今，已远远超出其服务年限( 见 附件照片) 。煤矿改扩建生产能力加大需要，由于原有提升设备陈旧、技术落后、故障 率高，提升效率低，不能满足实际生产需求，存在的问题主要有以下几点： 1 、转子回路串接电阻，消耗电能，造成能源浪费； 2 、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； 3 、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 古 同； 4 、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； 5 、电动机依靠转子电阻获得的低速，其运行特性较软； 6 、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。 西安科技大学硕士学位论文 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 中应用可编程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。 随着数字、电力电子技术的发展，可编程控制器和变频器在提升机控制系统中逐步得到 采用，从而使得提升机控制系统的安全性得到了很大的提高。 可编程计算机控制器( p c c ) 是目前工业控制最理想的机型。而在p c c 电控系统的 基础上配合变频调速装置，运用先进的矢量控制技术，不但适合提升机运行工艺的要求， 还将解决整套提升机系统的电力拖动方面的一系列问题。变频装置取代复杂的串联电阻 切换装置，对提升机运行速度曲线、转矩大小的要求都由变频器来完成，简化了控制操 作流程，提高了控制精度。 经过调研和论证，开发研制基于p c c 控制的矿井提升机变频调速控制系统对提高 矿井提升机的安全性、可靠性、以及运输效率具有重要的现实意义。 1 2 矿井提升机电控系统的发展趋势和应用现状 由于矿井提升机对安全性、可靠性和调速性的特殊要求，使得提升机电控系统的技 术水平在一定程度上代表一个国家的传动控制技术水平，因此世界各大公司纷纷将新 的、成熟的技术应用于提升机电控系统【1 2 】。 1 2 1 国外矿井提升机发展及应用现状 矿井提升机作为矿井运输系统的主要运行形式之一，最早起源于英国、美国、德国 等一些采煤技术发达的国家，五十年代已大规模服务于煤炭生产【l 3 1 。 1 ) 绕线转子异步电动机转子回路串金属电阻调速系统 电动机转速调节是靠改变转子回路串联的附加电阻来实现的。该系统调速方法简 单，曾被广泛使用。它是有级调速，并且调速时能耗很大，属转子功率消耗型调速。由 于其调速性能差、运行效率低、运行状态的切换死区大及调速不平滑等缺点，这种调速 方法已逐渐被淘汰。 2 ) 晶闸管一电动机( s c r - - d ) 直流低速直联拖动系统 部分发达国家原有交流提升机基本上被晶闸管一电动机( s c r d ) 系统取代。如 德国、瑞典等国家已有9 0 采用直流提升机，传动系统采用低速直联，使系统大为简化。 此类系统优点在于：体积小，重量轻，占地面积小，安装方便，建筑费用低；无减速器， 总效率高，电能消耗少；维护工作量小，备件少，处理事故快：单机容量大，适用范围 广：调速平滑，精度高；易于实现最佳控制和自动化，安全可靠；节电显著，5 8 年可 回收设备投资，是矿井节电的有效途径。其缺点在于：功率因数低，无功冲击大，高次 谐波对电网影响大。 2 1 绪论 3 ) 微机控制技术在矿井提升机的应用 7 0 年代开始，随着微机技术的发展，微机控制技术己逐步应用于矿井提升机中。目 前，已达到相当成熟的阶段，使整个拖动控制产生一次重大的变革。 ( 1 ) 提升工艺过程微机控制 在交流变频装置中，提升工艺过程大都采用微机控制。由于微机功能强，使用灵活， 运算速度快，监视显示易于实现，并具有诊断功能，这是采用模拟控制无法实现的。 ( 2 ) 提升行程控制 提升机的控制从本质上说是一个位置控制，要保证提升容器在预定地点准确停车， 要求准确度高，目前可达到l c m 。微机控制是通过采集各种传感信号，进行数据处理， 计算出容器准确的位置，使提升机准确停车。在罐笼提升时可实现无爬行提升，大大提 高了提升能力。除此之外还提供性能完善的机械行程控制器。一般过程控制用微机进行 监测监控，行程控制采用工业计算机完成，从而提高了系统的可靠性。 ( 3 ) 提升过程监视 现代提升机控制系统的设计特别强调安全可靠性，所以提升过程监视与安全回路一 样，是现代提升机控制的重要环节。提升过程采用微机主要完成如下参数的监视： a 、提升过程中各工况参数监视； b 、各主要设备运行状态监视； c 、各传感器信号的监视。 使各种故障在出现之前就得以处理，防止事故的发生，并对各被监视参数进行存储、 保留或打印输出。与上位机联网，合并于矿井监测系统中。 ( 4 ) 安全回路 安全回路是指提升机在出现机械、电气故障时控制提升机进入安全保护状态的环 节。为确保人员和设备的安全，对不同故障采用不同的处理方法。安全回路极为重要， 它是保护的最后环节之一，英、德几家公司都采用两台p c 微机构成安全回路，使安全 回路具有完善的故障监视功能，无论是提升机还是安全回路本身出现故障时都能准确地 实施安全制动。 ( 5 ) 制动系统的控制和监视 制动( 可调闸) 控制系统除了要可靠地完成工作制动和安全制动外，还要完成对液 压站的控制和各个环节参数的监视工作，其技术要求与安全回路相似。 1 2 2 国内矿井提升机发展及应用现状 目前，我国矿井提升机9 0 以上是采用单机容量在1 0 0 0 k w 以下传统的交流异步电 机拖动，采用转子串、切电阻调速，由继电器一接触器构成逻辑控制装置。其中多半为 电动机一发电机组( f d 机组) 供电，采用晶闸管整流传动( s c r d ) 的只占一部分。 3 西安科技大学硕士学位论文 传统的交流拖动系统的显著缺点是：调速性能差，调速时能量要大量消耗在电阻上，给 定方式落后，控制精度低，安全保护和监测环节不完善，安全可靠性差，维护工作量大， 而且运行不经济。 国内提升机行程控制的水平还较低，速度给定环节以时间给定和机械式行程给定为 主，以计算机为核心的矿井提升机行程监控和保护的研究还处于尝试阶段【1 4 】。“九五 期间国产全数字直流提升机己成为煤矿提升机的首选机型，由于采用了计算机技术，提 升机的安全保护系统更为完善。但到目前为止，还未见采用智能控制装置实现高性能的 行程控制系统的成套装置，对于我国的矿井提升机，实现高精度行程控制和制动控制系 统安全可靠是一个急待解决的课题。 总体来说，我国近1 0 余年来关于提升机计算机控制系统的研究发展迅速，采用了 先进的控制设备和控制策略，无论在驱动方式上还是在控制技术上都取得了长足进展， 积累了大量的文献，取得了很大成绩【1 5 】【1 6 】。 1 3 本文主要研究内容 本文以宝鸡北马坊煤矿主井提升机电气改造为背景，在已经非常成熟但比较落后的 交流拖动技术基础上，通过基于p c c 的控制技术在矿井提升机行程、速度和制动控制 中的应用研究，阐述了新型提升机控制系统的设计与应用情况。本文分析推导出行程给 定中s 形速度给定曲线的数学模型，又着重分析了s 形曲线拟合算法和变频控制系统设 计。 主要工作有： 1 、矿井提升机电控系统设计； 2 、p c c 控制技术研究； 3 、行程控制算法分析和s 形速度给定曲线的算法分析； 4 、控制系统抗干扰分析。 5 、仿真及实施。 总之，变频调速系统是值得研究和探讨的，它开辟了改善提升机系统调速性能的新 途径，具有十分重要的实用价值和广阔的应用前景。 1 4 本章小结 本章简述了论文研究背景，变频器、可编程控制器发展现状，简要阐述了矿井提升 机电控系统的国内外研究动态，在此基础上提出了本文的主要研究内容。 4 2 矿井提升机电控系统分析 2 矿井提升机电控系统分析 矿井提升机肩负着井上、井下运输的重要任务，在整个矿井生产中占有非常重要的 地位，素有“矿山咽喉”之称。熟悉矿井提升机的性能、结构及动作原理，合理使用设 备，加强维护，对确保提升机工作效率、提高安全可靠性、防止和杜绝事故的发生具有 重大意义。 2 1 矿井提升机主要组成部分及其作用 矿井提升机是一个完整的机械一电气机组，图2 1 为斜井提升机示意图，其主要由 以下几部分组成。 图2 1 斜井提升机示意图 f i g 2 1t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fi n c l i n eh o i s t l 、工作机构 主要是指主轴装置和主轴承等，主轴装置由主轴、卷筒、滚动轴承、支轮、制动轮、 调绳离合器等组成。 2 、制动系统 液压制动系统装置包括制动器和液压传动装置，是提升机不可缺少的重要组成部分 之一，也是最后一道安全保障装置，制动装置的可靠性直接关系到提升机的安全运行。 提升机制动器的功能就是刹住提升机卷简，使提升机停止运行。 3 、机械传动系统 机械传动系统，机械传动系统包括减速器和联轴器。减速器的作用是减速和传递动 力，联轴器是用来联接提升机的旋转部分，并传递动力。 4 、润滑系统 5 西安科技大学硕士学位论文 润滑系统是在提升运行过程中，不间断地向轴承及啮合齿面压送润滑油，以保证轴 承和齿轮的正常工作。润滑系统必须与自动保护系统和电动机联锁，即润滑系统失灵时， 主电动机断电，确保机器的正常工作。 5 、观测和操纵系统 观测和操纵系统包括斜面操纵台，深度指示器以及测速发电机。深度指示器的作用 是显示提升容器的运行位置，容器接近井口卸载位置和井底停车场时，发出减速信号。 6 、拖动控制和自动保护系统 拖动控制和自动保护系统包括主拖动电动机、微拖动电动机、电气控制系统和自动 保护系统。矿井提升机自动保护系统的作用是：在司机不参与的情况下，发生故障时能 自动将主电动机断开并同时进行安全制动从而实现对系统的保护。 2 2 矿井提升机电控系统分析 为了设计出满足有关规程规定要求的矿井提升机控制系统，我们将首先根据矿井提 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。 提升机各部分动力计算，需要知道提升容器在井简中的运动质量在各个瞬间所产生 的惯性力，而这些惯性力与提升机速度变化规律密切相关。首先，我们确定矿井提升机 运动合力以及阻碍它们作用的阻力与提升机运行速度图之间的关系。 根据动力学方程： 乃：z 一乃：g d 2 一d n ( 2 1 ) 。 3 7 5 d t 式中：t a 一传动系统的动态转矩( n m ) ； t c 一电动机电动力矩； t l 一传动系统静阻转矩； g d 2 - - 传动系统的飞轮力矩，g d 2 = 4 9 j ，其中j 为转动惯量( k g m 2 ) ，g 为重 力加速度( m s 2 ) 。 可以得出按给定速度图所需转矩疋= f ( t ) 的特性，从而可以得到拖动系统所需的力 = f ( t ) 。 2 2 1 矿井提升机运行速度图 提升机的过程是提升容器在井筒中周期往返运动，通常以提升容器的运动速度与时 间的关系来表示其运动规律，称为速度图，我们常用的提升系统的速度图，包括五个阶 段，一般称为五阶段速度图。即：加速阶段、减速阶段、爬行阶段、制动阶段【2 2 1 。提升 机电气传动系统速度给定，= 厂( f ) 如图2 2 所示。 6 2 矿井提升机电控系统分析 l v m a x l ， t l 、， t 2 、。bj ，t 4j ，：t ，j t 。 i ! 度) l a i a 1 a 3i i 静力) a 2 ： -； i i i i i r t 力) l 负荷) i 。 、 l ! ! | 垒一一一一一一垒一上j l 一l 上上 图2 2 提升机传动系统给定速度图、力图 f i g 2 2t h ed i a g r a mo np r e s e tv e l o c i t ya n df o r c eo f h o i s td r i v es y s t e m 2 2 2 矿井提升机静、动态性能要求 由图2 2 可知，提升机按照给定的速度图运行，电动机要在电动和制动状态切换运 行，不同的负载和运行阶段，电动机的运行状态也各不相同，电动提升力f d 可能为正， 7 西安科技大学硕士学位论文 也可能为负。提升机的负载静力f l 决定于提升机滚筒承受的静张力差，在双滚筒的平 衡提升系统中，静力f l 是提升物体的净载重。因此，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，也就是说电气传动系统要能满足四象限运行。如图 2 3 所示，提升机有以下四种基本的运行状态。 f m o ( a ) 重物上提，负载静力较大 f m o f ( b ) 重物上提，负载静力较小 ，一、 7 、 ，、 圈士f l t ( c ) 重物下放，负载静力较小( d ) 重物下放，负载静力较大 图2 3 四种不同运行状态下的速度、力图 f i g 2 3t h ed i a g r a mo np r e s e tv e l o c i t ya n df o r c ea b o u tf o u rd i f f e r e n to p e r a t i o ns t a t e s i 、 提升机上提重物，负载静力较大，如图2 3 ( a ) 所示。 加速段( t i ) ，加速提升力f d 0 ，负载静力f l 0 ，提升合力f m 为： = 尼+ f l 0 ( 2 7 ) 等速段( t 2 ) 、爬行段( t 4 ) 和停车段( t 5 ) ，f d - 0 ，提升合力f m 为： = f l 0 ( 2 8 ) 减速段( t 3 ) ，f o 0 ，f l 0 ，提升合力f m 为： 凡= 乃+ f l 0 ( 2 7 ) 等速段( t 2 ) 、爬行段( t 4 ) 和停车段( t 5 ) ，f d - - 0 ，提升合力f m 为： 死= f l 0 ( 2 8 ) 8 2 矿井提升机电控系统分析 减速段( t 3 ) ，f d 吒，提升合力f m 为： 凡= 乃+ 兄 0 ，f l 疋，提升合力f m 为： = 乃+ 吒 0 ( 2 1 0 ) 等速段( t 2 ) 、爬行段( t 4 ) 和停车段( t 5 ) ，f d = 0 ，提升合力f m 为： f m = 疋 0 ( 2 1 1 ) 减速段( t 3 ) ，f d 0 ，提升合力f m 为： = 乃+ 吒 0 ，f l 0 ，i 乃l 兄，提升合力f m 为： f m = 乃+ 瓦 0 ( 2 1 0 ) 等速段( t 2 ) 、爬行段( t 4 ) 和停车段( t 5 ) ，f d = 0 ，提升合力f m 为： = r 0 ( 2 1 1 ) 减速段( t 3 ) ，f d o ，提升合力f m 为： 凡= 乃+ e 0 ( 2 1 2 ) 电机在各个阶段均工作在第四象限。 根据矿井提升机运行特点，提升机对其电控系统的要求如下【2 1 】： 1 ) 加、减速度符合国家有关安全生产规程的规定。 2 ) 具有良好的调速性能。 3 ) 有较好的起动性能。 4 ) 特性曲线要硬，保证负载变化时，提升速度基本上不受影响，防止负载不同时 速降过大，影响系统正常工作。 5 ) 工作方式转换容易。 6 ) 采用新技术和节能设备，易于实现自动化控制和提高整个系统的工作效率。 7 ) 具备必要的连锁和安全保护环节，确保系统安全运行。 9 西安科技大学硕士学位论文 2 2 3 提升机控制系统分析 我国提升机设备中，普遍采用继电器有触点的逻辑控制，以磁放大器为核心组成模 拟量闭环调节。在继电器控制系统中，支配控制系统工作的“程序是由各分立元件( 继 电器、接触器、电子元件等) 用导线连接起来加以实现的，这样的控制系统称为接线程 序控制系统。在接线程序控制系统中，控制程序的修改必须通过改变接线来实现。继电 器控制系统如图2 4 所示。输入设备( 按钮、行程开关、限位开关、传感器等) 用以向 系统送入控制信号。输出设备( 接触器、电磁阀等执行元件) 控制生产机械和生产过程 中的各种被控对象【2 0 】。 图2 4 继电器控制系统框图 f i g 2 4b l o c kd i a g r a mo f c o n t r o ls y s t e mb a s e do nr e l a y 这种控制系统存在着显著的弊端： ( 1 ) 使用大量继电器、接触器及其它分立电子元件，系统体积大，运行噪声大，功 耗高，接线复杂，故障率高，工作稳定性和可靠性差，控制速度慢，控制精度差，功能 改变难度大，使用寿命短。 ( 2 ) 在启动过程中，实际的加速过程并非按照预定的设计参数运行，常常出现停车 不准确甚至提前停车现象。 ( 3 ) 采用磁放大器做调节控制，稳定性差，线性度差，调速精度很难保证。 ( 4 ) 系统安全保护环节不全面，工作不可靠，故障显示不直观，分析查找故障难度 大，缺乏运行参数显示功能。 ( 5 ) 调速性能差，机械冲击大，人员乘车舒适性差。 随着可编程计算机控制( p r o g r a m m a b l ec o m p u t e rc o n t r o l ，简称p c c ) 技术的发展， 由于其安全、可靠、自动化程度高等优点，p c c 控制系统逐渐替代了原来的继电器控制 系统。p c c 控制系统通过软件编程实现的，因此，柔性强，功能多，控制线路少，易于 系统扩展、维护。 2 2 4 提升机交流调速方式 1 、绕线式异步电动机转子回路串电阻调速系统 1 0 2 矿井提升机电控系统分析 传统矿井提升机交流拖动系统中选用绕线式异步电动机作为主拖动电动机，电动机 的转子回路串接电阻或频敏变阻器，可以改善动态性能，不但可以减小启动电流，还可 以增加启动转矩，并能在一定范围内进行调速。提升机转子串入五段电阻调速原理如图 2 5 所示。 k m 图2 5 提升机五段转子串电阻调速原理图 f i g 2 5s c h e m a t i co fh o i s t e rs p e e d - a d j u s t i n gb a s e do nf i v e r o t o rs e r i e s - r e s i s t a n c e 这种调速方法的电动机转速调节是通过改变转子回路串联的附加电阻来实现的。显 然这是有级调速，并且调速时能耗很大，属转子功率消耗型调速方案。在加速阶段和低 速运行时，大部分能量以热能的形式消耗掉了，因此电控系统的运行效率较低。 在加速过程中，交流接触器k m l 、k m 2 、k m 3 、k m 4 逐级吸合，转子回路电阻依 次减小，以保证加速力矩的平均值不变。如果要求提升机低速运行，则需在转子回路串 较大电阻。为了解决减速段的负力要求，通常采用动力制动方案，即将定子侧的电源切 除，施加直流电压，或在定子绕组上施加低频电源，让电动机工作在发电状态。这种拖 动方案存在的问题是： 1 ) 开环有级调速，加速度难以准确控制，调速精度差； 2 ) 触点控制，大量使用大容量开关，系统维护工作量大，可靠性差； 3 ) 运行效率低，在低速时大部分功率都消耗在电阻上； 4 ) 电机的机械特性偏软，一般电阻上消耗的功率约为电动机输出功率的2 0 3 0 。 虽然这种调速方案存在着调速性能差，运行效率低、运行状态的切换死区大及调速 不平滑等缺点，但控制方式简单、初期设备投资小，目前在我国的各种矿山中，这种方 案使用得相当普遍，以后将面临着技术改造的问题。 2 、交流变频调速 目前交流调速最有前途的是变频调速技术。变频调速是改变电动机定子电源的频 率，从而改变其同步转速的调速方法。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器， 变频器可分成交流一直流一交流变频器和交流一交流变频器两大类，目前国内大都使用 交一直一交变频器。其特点： 1 、效率高，调速过程中没有附加损耗； 2 、应用范围广，可用于笼型异步电动机； 西安科技大学硕士学位论丈 3 、调速范围大，特性硬，精度高； 4 、技术复杂，造价高，维护检修困难。 在变频调速技术中矢量控制和直接转矩控制都能满足提升机恒转矩负载这一特征， 所以在提升机调速系统中这两种调速方案将是重要发展方向。 2 3 提升机p c c 控制系统设计 为了使提升机调速控制系统能取得良好的控制性能，不同类型的负载应根据具体要 求选择不同的控制方案，控制方式是决定提升机使用性能的关键所在。 2 3 1 控制系统结构 基于p c c 的矿井提升机变频调速控制系统由动力系统、液压系统、监控系统、安 全回路、控制核心和检测系统组成，系统框图如图2 6 所示。 变频调速是通过改变定子供电频率来达到电机调速的目的，无论转速高低，其机械 特性基本上与自然机械特性平行，能够满足提升机特殊工作环境的要求且有着明显的节 电效果；采用p c c 对提升系统进行保护和监控，使系统更加安全可靠，而且此方案能 够很好解决传统交流绕线式电机串电阻调速系统的缺点。 1 、动力系统 动力系统机械和电气两部分组成。机械部分包括减速器、滚筒、制动器和底座；电 气部分包括断路器、进线电抗器、变频器、滤波器出线电抗器和拖动电机。动力系统完 成人、物、料的运输任务。变频器是拖动电机能量供给单元，主电机通过减速器向滚筒 提供牵引所需的动力。 2 、液压部分 液压部分包括液压站和润滑站。液压站为提升机提供制动力，停车时先通过液压站 给滚筒施加机械制动力；提升机起动时，待变频器对电机施加一定力矩后松开机械抱闸， 防止溜车，以保证系统安全可靠地工作。 3 、控制核心 控制核心是整个提升系统的核心，通过它可以设定系统的工作方式和控制方式，可 以发布系统的各种控制命令，以实现对提升机启动、加速、平稳运行、减速、停车以及 紧急制动等各种控制功能。 4 、监控系统 监控系统是操作人员和控制系统及运输系统之间的桥梁，包括工控机、触摸屏和接 入矿调度系统的工业以太网。触摸屏上显示提升容器在井筒中的位置。工控机通过与 p c c 的通信，将电动机的所有运行参数和故障参数都显示出来，并对矿车的位置及速度 进行时时监控，为操作人员分析故障、判断故障和处理提供依据。 1 2 2 矿井提升机电控系统分析 r 1r 荔萄菘忑1r 荔另菜磊1 图2 6 矿井提升机控制系统框图 f i g 2 6b l o c kd i a g r a mo fs y s t e mb a s e do nh o i s t e rc o n t r o l 5 、安全回路 安全回路是保证整个系统正常运行的关键，包括硬件和软件两条安全回路，安全电 路相互冗余与闭锁，一条断开时，另外一条也同时断开。硬件安全回路通过硬件回路实 现，无论p c c 单元是否正常工作，一旦出现重度故障信号，硬件安全回路马上断开； 软件安全回路在p c c 软件中搭建，与硬件安全回路同时动作。安全电路断开后，系统 会立即解除运行控制指令，封锁变频器，制动油泵，断开安全阀和k t 线圈，进行紧急 制动。 6 、检测系统 检测系统主要由电流、电压检测单元和旋转编码器构成，主要检测主电动机的电压、 电流及转速，并将此信号传送给控制器。p c c 通过采集这些反馈信号，实现对提升机的 控制及保护。 1 3 西安科技大学硕士学位论文 2 3 2 提升机控制系统功能设计 矿井提升机是一套复杂的机械电气系统，是矿山生产中具有举足轻重作用的重要大 型设备。为确保提升机能够达到高效、安全、可靠地连续提升，它应具有较好的机械性 能，良好的电气控制设备和完善的保护装置。 1 、控制系统工作模式 根据矿井提升机的功能，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。 ( 1 ) 全自动模式是指司机在看到允许开车信号以后，按下开车按钮，由控制系统 自动判断开车方向，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。 ( 2 ) 半自动模式是由司机通过主令操作手柄控制提升机运行的方向和停车，由控 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。 ( 3 ) 手动模式是指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。在控制系统p c c 部分被切除( p c c 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p c c 禁止开车) 时，或者是下放 重物，对速度要求高的情况下，一般采用这种工作模式。 2 、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，控制系统会 根据提升容器当前的位置及去向做出判断，正确选择是提升还是下放，开动提升容器驶 向正确的方向。在提升机运行过程中，控制系统会不断监测提升容器当前速度及到达目 的地的距离，自动发出减速命令，使罐笼在减速后保持3 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、 1 4 2 矿井提升机电控系统分析 减速和停车的情况，不再出现“不敢加速” 罐等现象，大大提高了提升机工作效率， ( 2 )自动检测故障的功能 、“过早减速”、“过迟减速”、“反复调 减轻了司机紧张程度，降低了劳动强度。 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。在提升机运行过 程中，控系统在检测到故障后，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 ) 监视提升机运行的安全状态，自动采取相应对策 监控系统设有独立的速度和行程检测装置，能准确检测出提升机的实时运行速度及 当前的行程，作为速度保护和其它安全保护的执行依据。速度、行程应能实时动态地显 示，给绞车司机提供准确的参考。 2 4 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，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；研究了各种矿井提升机的电气 传动方案的特点，最后确定了基于p c c 的提升机控制系统及其控制方式。 变频控制系统具有优良的动、静态特性，发挥矢量控制的良好性能，实现真j 下意义 上的无级调速的特点。起动及加速换挡时冲击电流很小，减轻了对电网的冲击，简化了 操作，降低了工人的劳动强度，设备的体积小、重量轻、占地面积小、安装维修方便， 操作简单，维护工作量小，工作效率高，节电效果明显，噪音小。 1 5 西安科技大学硕士学住论文 3 1p c c 硬件实现 3 1 1p c c 概述 3 提升机变频调速系统硬件实现 按照国际电工委员会( i e c ) 的定义：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系 统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行 逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的命令，并通过数字式、模拟式的 输入和输出，控制各种类型的机械和生产过程【2 3 j 1 2 4 】。 可编程计算机控制器( p r o g r a m m a b l ec o m p u t e rc o n t r o l l e r , 简称p c c ) 是可编程控制 器( p r o g r a m m a b l el o g i c a lc o n t r o l l e r , 简称p l c 或p c ) 发展到二十一世纪，在电源、功 能、安全操作方面达到新水平的自动控制系统。奥地利b & r 2 0 0 0 系列p c c 目前在工业 控制系统应用很广。它采用模块化结构，p c c 的内核是一个强有力的标准系统元件。由 于集成了r i s c ( 精简指令计算机) 作为外部通讯，可以减轻c p u 的负担。串口的通讯 与主处理器实际操作同时发生，这样可以避免发生在传统控制系统中的通讯瓶颈问题。 因为p c c 与工业计算机相结合，所以p c c 在一个周期内可以处理位、字节、字，这样 可以提高速度。其单总线结构如图3 1 所示。 l 微处理器系统程序用户程序 存储器 hf 去翠2 c p ue p r o me p i 的m 扩展 z 1、f1土z 用户数据 通信接口 r a m 弋，弋7弋，系统总线 。，8 j j 亡j ej j 亡j 功能开关输入滤波、电平输出锁存、 l 编程器 智f 毙i oi o 扩展 和指示灯 转换、锁存电平转换 彳广上 光电耦合、继电 光电耦合 器或晶体管 图3 1 可编程计算机控制器的单总线结构框图 f i g 3 1t h es t r u c t u r eo fs i n g l eb u si np r o g r a m m a b l ec o m p u t e rc o n t r o l l e r 1 、p c c 的主要组成部分的功能 从广义上来说，可编程计算机控制器也是一种计算机控制系统，它比一般的计算机 1 6 3 提升机变频调速系统硬件实现 具有更强的与工业过程相连接的接口和更直接的适用于控制要求的编程语言。结合图 3 1 介绍一下p c c 主要组成部件的功能。 ( 1 ) 输入部件 输入部件是可编程计算机控制器与工业生产现场被控对象之间的连接部件，是现场 信号进入p c c 的桥梁。该部件接收由主令元件、检测元件传来的信号。 ( 2 ) 输出部件 输出部件也是p c c 与现场设备之间的连接部件，其功能是控制现场设备进行工作。 对于p c c ，由于希望它能直接驱动执行元件，如电磁阀、微电机、接触器、灯和音响等， 因此，输出部件通常有一些大功率器件，如机械触点式的继电器，无触点的交流开关( 如 双向可控硅) 及直流开关( 如晶体三极管) 等。与输入部件类似，输出部件上也有输出 锁存器、显示、电平转换和输出接线端子排。 ( 3 ) 中央处理器( c p u ) c p u 是整个p c c 系统的核心，它按p c c 中系统程序赋予的功能，指挥p c c 有条 不紊地进行工作。其主要任务有：控制从编程器键入的用户程序和数据的接收与存储； 用扫描的方式通过i o 部件接收现场的状态或数据，并存入输入状态表或数据存储器中； 诊断电源、p c c 内部电路的工作故障和编程中的语法错误等；p c c 进入运行状态后，从 存储器逐条读取用户指令，经过命令解释后按指令规定的任务进行数据传送、逻辑运算 或算术运算等；根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出寄存器表的内容，再经由 输出部件实现输出控制、制表打印或数据通信等功能。p c c 中位处理器的主要作用有两 个：一是直接处理一些位指令，从而提高了位指令的处理速度，减少了位指令对字处理 器的压力；二是将p c c 面向工程技术人员的编程语言( 梯形图、控制系统流程图等) 转换成机器语言。 ( 4 ) 存储器及存储器扩展 p c c 的存储器用来存储系统和用户的程序与数据。系统程序存储器是指用来存放系 统管理、用户指令解释、标准程序模块、系统调用等程序的存储器。用户存储器用来存 储用户编制的程序或用户数据。 ( 5 ) 通信接口 p c c 配有多种通信接口，通过这些接口可以与操作面板、打印机、其他的p c c 或 计算机相连。 (