基于PLC的矿井提升机变频调速控制系统设计

洛阳理工学院毕业设计 论文 I 基于 PLC 的矿井提升机变频调速控制系统设计 摘 要 本文针对提升机控制系统中存在的上述问题 把可编程序控制器和变频器 应用于提升机控制系统上 并在可行性方面进行了较深入的研究 根据提升机的 运行特点 控制系统采用工控机监控提升机变频调速系统 PLC 控制系统 变 频调速系统等组成 为了提高系统的可靠性 对提升机各种物理量及控制单元进 行控制监控 提升机的动态监测由工控机或触摸屏和组态软件组成 用户在组态 环境中完成动画设计 设备连接 编写控制流程和工程所需要的信息报表以及结 果打印等 主控系统采用 PLC 系统 硬件简洁 软件灵活性强 调试方便 维护 量小 配合一些专用电子模块组成的提升机控制设备 可供控制高压带动动力制 动或低频制动等 同时能检测各电机故障现象并送往上位机显示 减少了传统继 电器接触式控制系统的中间环节 减少了硬件和控制线 极大提高了系统的稳定 性 可靠性 关键词关键词 矿用提升机 变频调速 矢量控制 可编程控制器 洛阳理工学院毕业设计 论文 II The Freouency Conversion Use on The Speed Adjustment of Shaft Hoist on The Basis of PLC Control ABSTRACT Elevator Control System In this paper the above problems exist in the PLC and frequency converter used in elevator control system and for a more in depth feasibility study According to the operation of hoist features the control system IPC VVVF elevator control system PLC control systems frequency control system components In order to improve system reliability and various physical quantities on the elevator control unit to control monitoring Dynamic monitoring of elevator or the touch screen by IPC and configuration software User environment complete the animation in the configuration design equipment connections control flow and project preparation of the required information statements and the results of printing Master control system uses PLC systems hardware simplicity the software flexibility and easy commissioning and maintenance of small specialized electronic modules with a number of the elevator control equipment drive dynamic braking for control of high pressure or low frequency braking While the motor symptoms can be detected and sent to the host computer display Relay contact to reduce the traditional control system of the intermediate links reducing hardware and control lines which greatly improves system stability and reliability KEY WORDS Shaft hoist Frequency conversion Vector control PLC 洛阳理工学院毕业设计 论文 III 目 录 前 言 1 第 1 章 绪 论 2 1 1 课题概述 2 1 2 国内外矿井提升机的发展状况 2 1 2 1 国外矿井提升机的现状 2 1 2 2 国内提升机的现状与发展趋向 6 1 3 本文内容及研究的意义 7 1 3 1 研究内容 7 1 3 2 研究意义 8 第 2 章 矿井提升机调速系统的设计 9 2 1 矿井提升机对控制系统的要求 9 2 2 提升机调速控制系统方案设计 11 2 2 1 控制单元基本原理 11 2 2 2 调速装置 13 2 2 3 主控系统设计 15 第 3 章 变频调速系统的设计 18 3 1 变频调速的发展及在提升机系统中的应用 18 3 2 变频调速基本原理 20 3 3 变频器的选择 21 3 3 1 变频器的选型 21 3 3 2 变频器容量的选择 22 3 3 3 变频器主电路设计及参数设定 23 第 4 章 PLC 在提升机变频控制系统中的应用 26 4 1 PLC 概述 26 4 2 本系统中 PLC 的选型及特点 27 4 3 PLC 控制系统设计 27 4 3 1 PLC 的 I O 分配 28 4 3 2 PLC 接线图 33 洛阳理工学院毕业设计 论文 IV 第 5 章 PLC 控制程序设计 34 5 1 PLC 软件概述及提升机 PLC 控制要求 34 5 2 程序设计 35 5 3 系统抗干扰措施 40 结 论 42 谢 辞 43 参考文献 44 附 录 46 外文资料翻译 47 洛阳理工学院毕业设计 论文 1 前 言 在煤炭生产中提升机担负着提升煤炭 岩石 下放材料 升降人员和设备的 任务 是联系井上与井下的唯一途径 素有矿井 咽喉 之称 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 主井直接关系到 矿山的生产效率 作为运送人员的副井 一旦发生故障 往往造成机毁人亡 提 升机运行的安全可靠性不仅直接影响整个矿井的生产能力 影响整个矿山的经济 效益 而且还涉及到井下工作人员的生命安全 因此 研制并制造既安全可靠又 节省能源的提升机是煤矿安全生产的一项重要课题 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 配合一些提升 机专用电子模块组成的提升机控制设备 可供控制高压带动力制动或低频制动 单 双机拖动等 操作 监控和安全保护系统选用可编程控制器 主控计算机应 用软件能完成提升机自动 半自动 手动等各种运动方式的控制要求 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 这一控制方法目前仍为现代交流调速的重要研究方向之一 采用先进的工 业计算机 现场总线和工业自动化技术 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 洛阳理工学院毕业设计 论文 2 第 1 章 绪 论 1 1 课题概述 矿井提升机是机 电 液一体化的大型机械 广泛用于煤炭 有色金属 黑 色金属 非金属 化工等矿山的竖井 斜井 是生产运输的主要工具 在煤炭生 产中提升机担负着提升煤炭 矸石 下放材料 升降人员和设备的任务 是联系 井上与井下的唯一途径 素有矿井咽喉之称 提升机的电力传动特性复杂 电动 机频繁正反向 经常处于负荷运转和电动 制动不断地转换的状态中 对应提升 机来说运行的安全可靠是至关重要的 主井直接关系到矿山的生产效率 作为运 送人员的副井 一旦发生故障往往造成机毁人亡 提升机运行的安全可靠性不仅 直接影响整个矿井的生产能力 影响整个矿山的经济效益 而且还涉及到井下工 作人员的生命安全 因此 研制并制造即安全可靠又节省能源的提升机是煤炭安 全生产的一项重要课题 1 2 国内外矿井提升机的发展状况 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 方向 1 2 1 国外矿井提升机的现状 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 以下简称 SCR D 所取代 如德国 瑞典等国家己有 90 以上采用直流提升机 传动系统大都采用 低速直联式 省去减速机 使系统大为简化 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 洛阳理工学院毕业设计 论文 3 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 SIEMENS 西门子 公司 ABB 公司 CEOELEC 公司以及 ASEA 公司等都有相同类型 的产品 其性 能大同小异 此类系统的优点在于 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 如三相桥平均功率因数只有 0 45 左右 无功 冲击大 高次谐波对电网影响大 这些缺点可采用顺序控制和多脉冲整流的方法 以及在电网上加谐波滤波器等措施使其抑制在一定的允许范围内 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 如 SIEMENS 公司 1979 年投运的 2 4200kw l 2650kw 额定转速 55 8r min CEGELEC 公司 1983 年投运的 l 548OkW 额定转速 69 5r min AEG 公 司 1985 年投 l 30O0kW 额定转速 55 8r min ABB 公司投运的 l 4200kW 额定 转速 45 86r min SIEMAG 公司投运的 2x46O0kW 等变频调速同步机拖动的提升机 经过多年的运行 均获得成功 这种拖动系统主要有如下优点 a 提升容量几乎 不受限制 最大可达 l0000kw 提升速度可达 20m s 以上 提升高度 1200m 以上 滚筒直径达 6 5m 这是直流系统难以达到的 b 没有整流子和碳刷这一薄弱环节 保证了电机的可靠运行和降低了运行消耗 c 功率因数高 可达住 0 9 1 极大 地节省了电能 d 动态品质好 和直流系统相同 系统可在四象限平滑过渡和无 级调速 e 由于机械特性好 故起动转矩大 f 同步机的价格和有色金属的消耗低 于直流机 g 调速范围宽 因此 多数专家认为 变频同步机拖动调速系统是大 洛阳理工学院毕业设计 论文 4 型提升机拖动的必然发展方向 这种 拖动系统的缺点是 a 必须有专用的变频电 源 b 在恒转矩调速时 低速段电机的过载倍数有所降低 c 高次谐波对电网有影 响 需在电网上加滤波器等补偿措施加以缓解 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 微机控制技术己逐步应用于矿井提 升机中 目前 国外己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 其应用主要体现在以下几方面 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 如 AEG 公司采用 CP 80 微机 ABB 公司采用 MASTER 200 和 SIEMENS 公司采用 S5 150 等微机实现的变频控制 都获得了相当成功 它们把控制 监 视 基准值预测以及模拟控制等组合在公共的微机控制总线上组成静止变流器的 传动控制 计算机实现速度及多个变量的调节 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 要保证提升罐笼在预定地点准确 停车 要求准确度高 目前可达 2cm 采用微机控制 可通过采集各种传感信 号 如转角脉冲变换 钢丝绳打滑 井筒位置 滚筒及钢丝绳磨损等信号进行处 理 计算出罐笼准确的位置而施以控制和保护 在罐笼提升时可实现无爬行提升 大大提高了提升能力 如 AEG ABB SIEMENS 等公司已采用位微机来构成行程给 定器 并还提供性能不尽相同的机械行程控制器口 一般过程控制用微机不同时 用于监视 行程控制也采用单独微机完成 从而大大提高了系统的可靠性 3 提升过程监视 由于近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 如速度 电流 监视 b 各主要设备运行状 态监视 c 各传感器 如位置开关 停车开关 信号的监视 其目的在于使各种故 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贮 保留 或打印输出 甚至与上位机联网 合并于矿井监测系统中 4 安全回路 洛阳理工学院毕业设计 论文 5 安全回路旨在出现机械 电气故障时控制提升机进入安全保护状态 为确保 人员和设备的安全 对不同故障一般采用不同的处理方法 大致分为以下四种情 况 a 报警显示 如冷却器温度过高等 b 二次不能开车 如电机绕组过热 制动 油过热等 c 立即进行电气制动 如停车终点设备出现故障时本次提升应尽快停 下来 d 立即进行安全制动 如过卷 超速等 安全回路极为重要 它是保护的 最后环节之一 英 德等公司都采用两台 PC 微机构成安全回路 使安全回路具 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 制动系统的控制与监视 制动 可调闸 控制系统除要可靠地完成工作制动和安全制动外 还要完成对 液压站的控制以及各环节参数 如油压 闸瓦磨损等 的监视 其技术要求与安全 回路相似 如西门子公司采用两套可编程序控制器 PLC 的双重控制与保护系统 6 全数字化调速控制系统 德国 AEG 公司的 Logidyn D 32 位机 西门子公司的 Siemadyn D 16 位机 以及 ABB 公司的 Tyrak 16 位机 系统都己应用于提升机上 全数字化系统具有硬 件结构单一 参数稳定且调整方便 可方便地与上位机联网等优点 当然此类系 统要求维护人员有更高的技术水平和计算机知识 7 内装式提升机 AEG 公司生产的内装式提升机 将提升主电机与滚筒合为一体 即转子固定 转动的定子充当滚筒 使机构大为简化 占地面积小 制造成本低 1 2 2 国内提升机的现状与发展趋向 1 交流拖动方式 目前我国提升机约 70 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 2 直流拖动方式 我国提升机采用直流拖动有两种系统 直流发电机一直流电动机机和晶闸管 洛阳理工学院毕业设计 论文 6 一直流电动机系统 其生产和使用情况如下 国内研制大型直流提升机主要有三大厂家 a 上海电机厂主要生产配套电机 已生产低速直流电机 80 多台 最大容量 5775kw 额定转速 5Or min 其中长广 煤矿及五村煤矿的提升机为 100OkW 48r min 淮南潘三矿采用一台 26O0kW 低速 直联电机 b 上海冶金矿山机械厂主要生产主机及信号系统 已生产 80 多台提升 机 1979 年生产过一台低速直联落地式提升机 c 北京整流器厂主要生产配套电 控 已从瑞士 BBC 公司和瑞典 ASEA 公司引进了晶闸管电控整机系统及元件生产 线 直流电控容量可达 7000kW 还引进了交流变频调速 交一直一交 电控生产线 可生产单机 4200kW 变频调速电控设备 1986 年向甘肃金川矿提供了一套带微机控 制的 800kW 直流电控设备 从国外引进的晶闸管供电的直流提升机 20 多套 其 中 AEG 公司 21O0kW 低速直联 6 套 西门子公司低速直联 4 套 瑞典 ASEA 公司 9 套 另外 还正在引进计算机控制的低速直联电控系统 3 研制与发展 国产大型直流提升机及电控系统正在逐步完善和推广使用 大功率变频调 速电控提升机其效率可达 89 国内正在组织研究这种系统 不少院校和研究单 位都在着手研制 如天津电气传动研究所己研制了一台 300kw 的变频调速装置 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 因此有不少单位都在着手 研制 如焦作矿务局 韩城矿务局均用可编程序控制器对 TKD 电控系统进行改造 已投入正常运行和使用 已经显示出了很强的生命力 这是今后一段时期乃至凡 十年对我国占绝大多数采用继电控制的交流提升系统进行技术改造的必由之路 1 3 本文内容及研究的意义 1 3 1 研究内容 当前国内提升机电控绝大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 1 转子回路串接电阻 消耗电能 造成能源浪费 洛阳理工学院毕业设计 论文 7 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 成本较高 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 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 技术已经广泛应用于各种提升机控制 配合一些提升机 专用电子模块组成的提升机控制设备 可供控制高压带动力制动或低频制动 单 双机拖动等 操作 监控和安全保护系统选用可编程控制器 主控计算机应用软 件能完成提升机自动 半自动 手动 检修 低速爬行等各种运动方式的控制要 求 1 3 2 研究意义 在调研中发现 目前山西省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 这一控制方法目前 仍为现代交流调速的重要研究方向之一 采用先进的工业计算机 现场总线和工业自动化技术 按照结构标准化 产 洛阳理工学院毕业设计 论文 8 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 使用上位机监控系统 采用组 态模式 实现良好的人 机对话 实时监控提升机的运行状态 上位机动态模拟显 示及故障闭锁 可进行故障报警 数据查询 报表打印 记录提升钩数以及每班 每日 每月 每年的提升量累计 故障声光指示 记忆及部分传感器上位机的紧 急处理 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 置双回路系统 并在系统的各个环节上设有各种检测 控制 自诊断以及记录和 保护装置 如负载 速度 加减速 产量 运行时间等记录 本文从解决实际矿井提升系统存在的问题出发 对传统的调速方案进行了控 制方式的革新和数字化改造 降低了成本 提高了控制精度 加强了系统稳定性 表明本文所提出的设计方案具有实用价值 适用 经济 高效 可靠是本文提升 机系统设计的追求目标 洛阳理工学院毕业设计 论文 9 第 2 章 矿井提升机调速系统的设计 2 1 矿井提升机对控制系统的要求 提升机控制系统方案的选用应满足生产工艺的要求速度图 所以需要先来分 析提升机电控系统的静 动态特性 提升机电气传动系统的给定速度 u f t 如图 2 1 所示 根据动力学方程式 Td Te Ti Tn e 375 2 1 式中 Te 电动机电动力 矩 Ti 传动系统的静阻转矩 Tn 传动系统的飞轮力矩 Tn 4gJ 其中 J 为转动惯 量 g 为重力加速度 Td 传动系统的动态转矩 e 加速度 可以得出按给 定速度图所需转矩 Te f t 的特性 从而可以得到拖动系统所需的力 F f t 提 升机传动系统给定速度图 力图如图 2 1 所示 t F 速度 图 a a 图 b FL t 洛阳理工学院毕业设计 论文 10 图 c Fd t 图 d 图 2 1 提升机传动系统给定速度图 力图 提升机的负载静力FL决定于提升机滚筒承受的静张力差 在双罐笼的平衡提 升系统中 静力凡也就是提升物体的净载重 由于提升系统的负载为位势负载 所以静力FL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可以看出 要使提升机按照给定的速度图运行 电动力矩Te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 综合以上提升机的运行特点以及矿山生产固有的特点 提升机工艺对提升机电控 系统的要求如下 1 加 减 速度符合国家有关安全生产规程的规定 提升人员时 加速度 a 0 75m s2 升降物料时 加速度a 1 2m s2 另外不得超过提升机的减速器所 允许的动力矩 2 具有良好的调速性能 要求速度平稳 调速方便 调速范围大 能满足 各种运行方式及提升阶段 加速 减速 等速 爬行等 3 有较好的起动性能 提升机不同于其他机械 稳定运行的要求 不可能 待系统运转后再装加物料 因此 必须能重载启动 有较高的过载能力 4 特性曲线要硬 要保证负载变化时 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 当然 当负载超过一定的限度时 还要 求系统能有效的自我保护 迅速安全制动停车 即所谓要具备挖土机机械特性 洛阳理工学院毕业设计 论文 11 5 工作方式转换容易 要能够方便的进行自动 半自动 手动 验绳 调 绳等工作方式的转换 操作方便 控制灵活 不至于因工作方式的转换影响正常 生产 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 具备必要的连锁和安全保护环节 确保系统安全运行 尽量节约能源和降低 运转费用 2 2 提升机调速控制系统方案设计 2 2 1 控制单元基本原理 我国提升机设备中 普遍使用TKD系统 这种控制系统是采用继电器有触点 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 要 完成一个控制任务 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 几十年来 这种控制系统由于受元件水平的限制而存在着缺陷 突出表现在 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 由于罐笼的实际载重量不同 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 这些不足主要是因为采用继电器控制方式造成的 在这种控制方式下继续改 善的余地不大 如果对该竖井提升机电控系统进行技术改造 那么需要改变控制 策略 采用当代高新实用技术来控制 使之成为安全 可靠 高效率 自动化程 度高的电控系统 是可编程序逻辑控制器 简称PLC PLC技术是现代工业自动化 的重要手段 由它构成的控制系统逻辑控制由PLC通过软件编程实现 柔性强 洛阳理工学院毕业设计 论文 12 控制功能多 控制线路大大简化 PLC的输入喻出回路均带有光电隔离等抗干扰和 过载保护措施 程序运行为循环扫描工作方式 且有故障检测及诊断程序 可靠 性极高 PLC控制系统结构为模块化结构 维护更换方便 并可显示故障类型 图2 2为可编程控制器控制系统 其输入设备和输出设备与继电器控制系统 相同 但它们是直接接到可编程序控制器的输入端和输出端的 控制程序是通过 一个编程器写到可编程控制器的程序存储器中 每个程序语句确定了一个顺序 运行时依次读取存储器中的程序语句 对它们的内容进行解释并加以执行 执行 结果用以接通输出设备 控制被控对象工作 在存储程序控制系统中 控制程序 的修改不需要通过改变控制器内部的接线 即硬件 而只需通过编程器改变程序 存储器中某些语句的内容 输入设备 按钮 限位开关 操作手柄 可编程控制器 输出设备 继电器和电磁阀 被控制的机械设备或生产过程 图2 2 可编程控制器控制系统框图 可编程逻辑控制器因为其具有高可靠性以及软件可编程的优点 在现代控制 中越来越广泛的应用 对于一般提升机电控系统来说 采用一套中小容量的PLC即可满足要求 其 价格也不高 如果采用PLC技术对TKD A电控系统进行改造 把原来由各种电器通 过连线而实现的逻辑控制改由PLC通过软件编程实现 则控制线路将大大简化 设备体积 设备维修量将大大减小 抗干扰能力将大大增强 工作可靠性将大大 提高 工艺改变时只需要改变控制程序即可 改造时保持原有的操作方式 按钮 开关 主令控制器作用不变 则用户使用起来将非常方便 不需要适应期 同时 可以利用PLC的高速计数功能 网络通信功能 故障检测及诊断功能 信号显示 功能等来增加一些新的控制功能 安全性将大大提高 运行将更加平稳 准确 洛阳理工学院毕业设计 论文 13 完全能够满足矿山生产的苛刻要求 而且投资相对较少 性价比较高 具有很强 的实用价值 2 2 2 调速装置 矿井提升机 从电力拖动而言 可分为交流拖动和直流拖动两大类 我国目 前正在服务的矿井提升机的电控系统中 属于交流拖动的有转子电路串电阻的调 速系统 属于直流拖动的有直流发电机与直流电动机组成的G M调速系统和晶闸管 整流装置供电的V M调速系统 直流拖动系统一般采用他励电动机作为主拖动电机 它具有调速性能好 低 速阶段运行稳定 在加速 减速和低速运行时的电耗小 容易实现自动化控制等 优点 根据供电方式的不同 直流拖动系统又可分为两类 一类是发电机组供电 的系统 简称G M系统 一类是晶闸管供电的系统 简称V M系统 G M系统的特点是过载能力强 所需设备均为常规定型产品 供货容易 运 行可靠 维护工作量大但是技术要求不高 对系统以外的电网不会造成有害的影 响 即不会引起电力公害等 与G M系统相比 V M系统具有以下优点 功率放大倍数高 G M系统的功率放 大倍数在101左右 V M系统可高达104 比G M系统高三个数量级 快速响应性好 G M系统为秒级 V M为毫秒级 因而动态品质快速性能较好 功耗小 效率高 G M系统平均效率为75 左右 V M系统可达85 左右 比G M系统效率提高10 以上 调 速范围大 由于剩磁影响 G M系统在调速时转速受到限制 而V M系统调速时速 度从零到最大速度都能控制 运行可靠 直流拖动系统具有调速性能好的特点 是交流拖动系统无法相比的 而V M 系统由于具有以上一些突出的特点 因此 目前在大型提升机方面 世界各国大 多采用直流拖动方案 尤以V M系统为主 但是根据国内生产实践经验表明 V M 系统尚存在以下缺点 1 晶闸管元件的过载能力 过电压 过电流 较低 因此在矿井提升机系统 中作为供电元件时 为了适应瞬时过载 例如提升机的加速阶段 的需要 通常将 元件的容量和耐压等级都相应增大 或者增加使用的晶闸管元件数量 使元件作 串联或并联运行 即使用的元件在正常负载时处于低负载 降级使用 以确保在 过载的加速阶段 晶闸管元件的负载仍然在额定负载的范围内 不致由于出现过 洛阳理工学院毕业设计 论文 14 负荷时使晶闸管元件烧毁 但由于这种降级使用 也给生产维护上增加了困难 2 有冲击性的无功功率 由于高次谐波的影响 使电网电压的波动加大并 导致畸变 即所谓引起 电力公害 同时低速时功率因数也较低 目前 在我国使用的多绳摩擦轮提升机 G M直流拖动占一定比例 而进口的 直流拖动提升系统 则全部采用V M系统 传统的串电阻交流拖动系统具有结构简单 坚固耐用 占地面积小 维护方 便 运行可靠价格低廉 设备供货容易 安装调试周期短等优点 主要缺点是启 动阶段电能损耗较大 当用于要求频繁启动或不同运行速度的多水平提升机时就 更为不经济 但用于单水平提升时 其提升效果实际上与用发电机组供电的直流 拖动系统相当 此外在调速性能方面 交流拖动系统一般不如直流拖动系统优越 但选用了动力制动 低频制动 可调机械闸 负荷测量 计算装载等辅助装置后 交流拖动系统亦可获得满意的调速性能 综上原因 交流拖动系统在我国中小型 矿山或者中等深度以下矿井获得了广泛应用 近年来交流变频调速技术迅速发展起来 调速方式的不断进步使得运用于提 升机系统的交流调速技术不仅仅局限于传统的转子串电阻方式 变频调速技术也 越来越多地在提升机控制系统中广泛应用 充分发挥出交流调速的优势 目前交流调速最有前途的是变频调速技术 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 2 3 主控系统设计 基于PLC 控制的大功率矿井提升机变频调速 控制系统由主控系统 变频系统 液压站 润滑站 操作台 安全保护和控制监视系统组成 系统框图如图 2 3 所 示 各部分功能如下 洛阳理工学院毕业设计 论文 15 2 3 控制监视系 统 PLC主令控制变频器 液 压 站 旋 转 编 码 器 M 交流提升电动机 380V 润 滑 站 操作台 保 护 和 连 接 提升机控制系统框图 1 主控系统 图2 3为提升机控制系统框图 系统的主控系统采用三菱FX2N系列的可编程 控制器 一备一用 当主PLC发生故障的时候可以迅速切换备用PLC不影响生产 使用PLC集成高速计数输入口以及特殊高速计数模块相结合 对分别安装于电机 轴 辊筒主轴 天轮的四个编码器数据进行采集 同时监视速度 深度以及判断 松绳 A D模块采集现场液压站及润滑站的油压 油温等信号 在井筒及深指器各 阶段安装行程开关 用以确定罐笼位置 并相互校验 达到停车位的精确控制 程序编制满足提升机自动 半自动 手动 验绳 调绳等工作方式 并可方便的 转换 满足提升阶段 如加速 减速 等速 爬行等 稳定运行的要求 2 变频调速系统 调速系统采用德国制造西门子变频器 性能优越 采用矢量控制技术适合提 升机工作环境 只需在控制单元给出对变频器的控制命令 正转 反转 多段速 等 即可使提升机按照设定的速度曲线运行 满足提升阶段稳定运行的要求 变 频调速装置本身具有过压 欠压 过流 过负荷 缺相 超温等保护 同时配合 来自现场的各种信号传感器的监视及相应处理 可实现绞车过卷 过速 减速 洛阳理工学院毕业设计 论文 16 限速等重要保护的双线制保护功能 满足煤矿安全规程要求 在变频器系统中输 出闸控信号到 PLC 要求只有在变频的输出转矩达到一定值的时候才可以松闸 这样会避免竖井提升机启动时发生溜车现象 3 液压站 为提升机提供制动力 停车时先通过液压站给卷筒施加机械制动力 再取消 直流制动力 提升机起动时 先对电机施加直流制动 再松开机械抱闸 防止溜 车 以保证系统安全可靠地工作 4 操作台 操作台设置两个手柄 分别用于速度辅助给定及制动力给定 它是整个矿井 提升机运输系统的控制核心 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 5 控制监视系统 是操作人员和控制系统及运输系统之间的桥梁 它可以在线监测提升机运输 系统的各种工作参数 工作状态 故障参数和故障状态 6 安全保护 本系统设有一条硬件安全电路和两条软件安全电路 这三条安全电路相互冗 余与闭锁 一条断开时 另两条也同时断开 硬安全回路通过硬件回路实现 无 论PLC单元是否正常工作 一旦出现重度故障信号 硬安全回路马上断开 软安全 回路分别在两套PLC软件中搭建 与硬安全回路相同并且同时动作 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KT 线圈 进行紧急制动 安全保护功能齐全 设有过卷 等速超速 定点超速 PLC 编码器断线 错向 传动系统故障及自动限速等保护功能 控制系统工作原理 当司机听到开车信号时 按下启动按钮 PLC控制将 380V动力电源接入变频器 再松开液压制动闸并将主令控制器推到正向 或反向 提升机开始运行 在提升过程中 控制提升机运行的主速度给定S形速度曲线 由PLC编程产生 经过A D转换 由模拟量输出口输出 以驱动变频器工作 对变 频器输出频率的调整控制 也可根据现场的工况需要 由操作台速度控制手柄以 辅助给定的方式进行控制 旋转编码器可以检测主电动机的转速 并将此信号传 送给可编程控制器 PLC通过该信号可以累计计算提升机的速度及行走距离 监 洛阳理工学院毕业设计 论文 17 视器可以时时显示提升机速度和位置 洛阳理工学院毕业设计 论文 18 第 3 章 变频调速系统的设计 3 1 变频调速的发展及在提升机系统中的应用 传统调速系统中 直流调速以其控制容易 调速精度高等特点长期占据了主 导地位 但是由于结构复杂 过流能力不强 环境适应差 难以实现高速度化等 原因 一直限制了其应用范围的进一步扩大 相比较而言 交流异步电机具有环 境适应能力强 过流能力大 牢固耐用 结构简单 容易维护及价格低廉等优点 但异步电机的调速性能难以满足生产要求 随着电力电子器件的产生和控制理论 的飞速发展 现代控制理论越来越多的应用到交流调速系统中 使得交流调速性 能可以和直流调速相媲美 相竞争 交流调速系统的应用领域不断扩大 近年来 电力电子技术的发展和DSP微处理器的推出 更为高性能交流调速系统的实现奠 定了基础 目前已经进入了实用化阶段 作为众多调速方案之一的变频调速 其 发展不超过40年 却取得了长足的进步 变频调速以其节能和可平滑调速 调速 范围宽等优点得到了广泛的应用 交流电动机变频调速控制技术大体经历了以下几个发展阶段 第一个阶段为电压 频率 U f 恒定控制 这种控制方法在低频时定子电压较 低 定子漏抗压降所占的份量不能忽略 因此需要人为地把电压抬高一些 用以 补偿定子压降 负载不同时需要补偿的定子压降值也不一样 在控制软件中备有 不同斜率的补偿特性 以便用户选择 第二个阶段是矢量变换控制 它的方法是模拟直流电动机的控制特点来进行 交流电动机的控制 通过电机统一理论和坐标变换理论 把交流电动机定子电流 分解成磁场定向坐标的磁场电流分量和与之相垂直的坐标转矩电流分量 把固定 的坐标系变换为旋转坐标系解耦后 交流量的控制变为直流量的控制 于是等同 于直流电动机 第三个阶段为直接转矩控制 也叫直接自控 它避开了矢量控制中的两次坐 标变换及求矢量模与相角的复杂计算工作 直接在定子坐标系上计算电动机的转 矩与磁通 使转矩响应时间控制在一拍以内 且无超调 控制性能更好 提升机控制系统的硬件由模拟技术转向数字技术 全数字变频技术应用于提 洛阳理工学院毕业设计 论文 19 升机控制 减速段速度调节采用低频发电制动方式 将系统的动能反馈给电网 与动力制动减速相比 不仅调速性能好 减速与爬行自然过渡 而且节能效果显 著 采用现代智能控制技术实现速度电流闭环调节 使减速阶段在各种条件下均 可严格按照给定的速度图运行 使交流拖动在减速段达到直流拖动的调速性能 减速段到爬行段过渡平滑 这样在提升机系统的最大静张力差允许范围内能实现 正力减速与爬行 负力减速与爬行以及验绳等多种工作方式 达到控制要求 采 用矢量控制技术零速起动转矩达150 确保低速爬行时的启动与运行特性 输出 频率跟随给定频率 并且频率与电流值可准确指示出来 从而使传动系统获得高 精度 高可靠性 采用直接转矩控制可改善低频特性 普通变频器虽然可以输出 较低的频率 但输出力矩小 特性较软 应用于提升位能负载时 起动瞬间总要 溜车 采用特殊的软件编程 改善低频特性 即使在输出0Hz的情况下 也能输 出200 的负载力矩 达到了在整个运行过程都能输出满足负载要求的力矩 完全 避免了重载坡起时溜车的现象 提升机使用变频调速控制具有下列优点 1 调速平滑 调速范围大 通过控制器的控制 变频器的输出频率可以连 续调节 实现无级调速 使电动机起动电流小 动负荷小 调速平滑而无冲击 2 调速精度高 电动机在自然特性上运转时的外特性硬 转速随负载变化 小 3 动态品质好 可使提升机的起动 制动 反转和调速过程的时间降至最 少 具有良好的动态品质 4 易实现电动机的换向 当频率降低至零后即可反向开车 采用控制器改 变相序即可实现反转 因此可在四象限内平滑的过渡 5 节电效果显著 变频调速比转子回路串接电阻的调速方法节约电能 20 40 3 2 变频调速基本原理 由电机学的基本公式 4 1 式中电动机定子绕组的磁极对数 p 0 60nfp 一定 改变电源频率 f 即可改变电动机同步转速 异步电动机的实际转速总低 于同步转速 而且随着同步转速而变化 电源频率增加 同步转速 n0也增加 实 洛阳理工学院毕业设计 论文 20 际转速也增加 电源频率下降 同步转速 n0也下降 电机转速也降低 这种通过 改变电源频率实现的速度调节过程称为变频调速 在变频调速领域 异步电机的控制方式多种多样 但从转矩的响应性和过渡 特性来看 变频调速的控制方式分为以下几种 1 V F 控制 V F控制是交流电机最简单的一种控制方法 通过控制过程中始终保持V F 为常数 来保证转子磁通的恒定 然而V F控制是一种开环的控制方式 速度动 态特性较差 电机转矩利用率低 控制参数 如加 减速度等 还需要根据负载的 不同来进行相应的调整 特别是低速时由于定子电阻和逆变器等器件开关延时的 存在 系统可能会发生不稳定现象 这种控制方式多用于调速精度不高的场所 2 转差频率控制 转差频率控制是检测异步电动机的转速 对转差频率采取闭环控制 与V F控 制相比 调速精度要求较高 且系统容易稳定 即能在宽广的调速范围内 将电 动机的转矩 功率因数及效率控制在最佳状态 但是采用此法的电动机调速系统 只能是单机运行 同时转差频率控制未能实施对电机瞬时转矩的闭环控制 尽管 这种系统的静态精度较高 但由于快速性较差 故适用于对响应的快速性要求不 高的系统 3 矢量控制 矢量控制是一种建立在转子磁链定向的基础上 通过一系列的坐标变换 实 现电机定子电流转矩分量和磁通分量的解耦的控制方法 可以将作为控制对象的 感应电机当作直流电机来进行控制 实现对瞬时转矩的控制 目前 实用中多采 用转差频率矢量控制 由于其没有实现直接磁通的闭环控制 无需检测出磁通 因而容易实现 但是其控制器的设计在某种程度上依赖于电机的参数 为了减少 控制上对电机参数的敏感性 已经提出了许多参数辨识 参数补偿和参数自适应 方案 收到了较好的效果 4 直接转矩控制 直接转矩控制 DTC 也是一种转矩闭环控制方法 其克服了坐标变换和解耦 运算的复杂性 直接对转矩进行控制 通过转矩误差 磁通控制误差 按一定的 原则选择逆变器开关状态 控制施加在定子端的三相电压 调节电机的转速和输 出功率 达到控制电机转速的目的 由于DTC直接着眼于转矩控制 对转子参数 洛阳理工学院毕业设计 论文 21 变化表现为状态干扰而非参数干扰 DTC方法比矢量控制方法具有较高的鲁棒性 但是DTC也存在不足之处 其最大的困难就在于低速性能不理想 3 3 变频器的选择 选择变频器时应以负载特性为基本依据 分析提升机的负载属于重力 其负 载特性属于恒转矩负载特性 由于恒转矩负载类设备都存在一定静摩擦力 负载 的惯量很大 在启动时要求有足够的启动转矩 这就要求通用变频器有足够的低 频转矩提升能力和短时过流能力 但当低速时负载较重的情况下 为提高转矩提 升能力而使电压补偿提的过高 往往容易引起过电流保护动作 选型时应充分考 虑这些情况 必要时应将通用变频器的容量提高一档 或者采用