电大《机电控制及可编程序控制器技术》课程设计报告

1、南 京 广 播 电 视 大 学机电控制与可编程控制器技术课 程 设 计 报 告2012 级 秋 季机械设计制造及其自动化 专业 本 科题目: 超大功率高速提升机全数字电控系统学 生 姓 名: 郭围围 学 号: 78 电 大 分 校: 江宁电大 学生所在单位: 格满林（南京）实业有限公司 指 导 教 师: 黄 波 二一三年十一月南京电大开放教育 2012 级（秋）机械设计制造及其自动化 专业（本科）课程设计成绩评定表分校名称： 江宁电大 班级代号： 姓名专业课程名称设计时间机电控制与可编程序控制器技术2013年12月设计题目超大功率高速提升机全数字电控系统指导教师评语及评分成绩： 签 字（盖章）

2、 年 月 日中文摘要及关键词摘 要： 此次设计是介绍一种超大功率高速提升机电控系统的作为设计方案,用于矿业集团矿井提升机的电控系统， 此方案同时介绍了PLC的硬件配置和软件设计。目前提升机的提升速度可以达到设计的15m/s, 提升重量可达到设计的32t。通过实际运行表明此系统具有稳定可靠、PLC系统的各项功能和保护完善、故障率低等功能，有效提高了劳动效率。关键词： 提升机 PLC电控系统 数字技术引 言现在煤矿提升机控制系统大多采用“ 可控硅供电电机+ 模拟调节+ 继电器控制” 的直流拖动方式, 其调节控制保护系统基本采用模拟系统。模拟控制系统存在能耗大、运行效率低、维护困难、分立元件多、参数

3、分散性大、可靠性低、控制方式陈旧、技术落后等缺点，在实际生产中对生产效率的提高具有一定的阻碍。随着计算机和数字技术的发展, 采用全数字电控系统已经成为可能, 它从根本上改变了模拟控制系统的缺点, 并具有模拟系统无法比拟的优点。本文以ASCS直流提升机电控系统在某矿业集团矿主井提升机中的实际应用为例, 介绍了一种大功率、高速提升机全数字电控系统设计方案, 并给出了PLC硬件配置和软件设计方案。在实际运行中, 提升机的提升速度可以达到15m/s, 提升重量可达到设计的32t, 加减速度可达到设计的1m/s, 各项保护达到煤炭安全规程的要求; 该系统充分体现故障率低、可靠性高等优点。在煤炭行业大功率

4、直流控制领域具有开创性和示范性。目录第1节 系统总体设计方案 .51.1 系统组成框圈 . .51.2 控制方案 . .5第2节 全数字调节系统. .6第3节 PLC控制系统. .73.1 硬件配置. .73.1.1 操作保护PLC .73.1.2 行控PLC功能要求.73.1.3 操作台PLC. .83.1.4 低压柜PLC.83.2 软件配置.8第4节 闸控系统. . 9第5节 信息系统 . . 9第6节 结速语 . . 10参考文献.10第一节 系统总体设计方案1.1系统组成框圈该直流提升机全数字电控系统具备先进的技术，采用“双直流电机+可控硅变流+ 全数字调节控制+ 多PLC 网络控制

5、+ 上位机诊断与监控+局域网信息互联”的控制模式，具有数字化、自动化、网络化和信息化等为一体。主要设备包括高低压供电装置、传动整流装置、全数字调节控制装里、多PLC 网络控制系统、操作台和上位机、装卸载控制装置和液压站控制装置, 如图1 所示.该系统由2台德国西门子公司制造直流电机 （电机为2500KW,电枢额定电流2985A, 额定电压917V）直接轴联作为提升机的驱动源。在全数字调节系统的控制下, 主回路是通过电枢转接柜和励磁转接柜将主电源变换为适于主电机的供电电源, 两台电机可以单独运行也可以同时串联运行。根据提升机两电机的额定电压和额定电流的参数, 主回路采用电枢电流不可逆, 磁场电流

6、可逆, 电枢回路配置成单机运行时串联12 脉动顺序控制方式, 双机串联时为24脉动控制方式。1.2控制方案针对矿主井采用的是直流提升机的磁场换向双闭环控制策略。控制原理图如图2图中外环为速度闭环, 内环为磁场和电枢电流闭环。系统运行时, 由系统行控部分给出速度给定值(或加速度给定值), 与速度反馈实际值比较后形成速度调节器ASR偏差输入, 速度调节器为按照二阶最优设计的PI调节器, 保证系统运行速度稳态无差。速度调节器的输出作为电流调节器的给定值与电流反馈实际值比较后形成电流调节器偏差输入, 电流调节器为按照一阶最优设计的PI调节器, 保证系统电流快速跟随。对于电枢电流调节器ACR和磁场电流调

7、节LACR, 在实际运行过程中按照单变量调节原则, 设定电枢电流阑值, 在磁场电流调节变化时, 使电枢电流维持在设定闭值当磁场电流达到饱和限幅值时, 才使电枢电流进人调节变化过程。保证系统运行时转矩按线性变化。第二节 全数字调节系统全数字调节系统采用了高效的多CPU,并行处理技术和先进的控制策略, 完成提升机速度和转矩的开环或闭环控制, 取代了传统的模拟电路调节器;完成提升机速度和电流双闭环调节, 实现电枢和磁场回路的各种故障保护。 采用以16位处理器为核心的ASCS全数字调节系统, 电枢电流不可逆、磁场电流可逆、电流和速度双闭环均由全数字调节部分实现全数字控制。该系统既可以用模拟量给定, 也

8、可用上位机、PLC或其它数字操作单元提供数字量给定。反馈可用模拟测速机, 也可用轴编码器或者同时使用作为复合反馈, 从而得到最佳的动态性能和稳态精度。所有控制算法都由高速16位微处理器来完成, 保证所有控制回路的调节作用在主回路6个晶闸管桥的转换时间之内完成, 以保证电流环的采样时间。对可逆装置, 转矩反向时的无环流时间非常短且可由软件设定。电流环具有自适应功能, 即使负载变化很大时, 系统也能获得平稳的速度响应, 速度环的PI参数调节范围很大, 且具有积分分离功能。第三节 控制系统3.1硬件配置提升机是矿山关键设备, 必须具备高可靠性、高安全性, 建立以网络为连接纽带的多户PLC冗余控制系统

9、, 用于完成提升机行程控制、逻辑操作和故障保护、液压制动控制以及装卸载自动控制等。本套系统的PLC采用西门子公司的S7一300。所有PLC 均通过MPI和PROFIBUS双网连接(如图3所示), 从而保证了重要数据的同一性。3.1.1操作保护PLC主要包括电源模块/CPU模块、输入模块、输出模块、A/D模块、和计数模块。主控PLC与继电器构成双线制提升机安全保护回路。来自提升机各部分的保护信号分为立即施闸、井口施闸、电气制动和报警4类。其中井口施闸、电气制动和报警类事故信号直接引人到PLC中,PLC 将其处理后送监视器显示故障类型并控制声光报警系统报警并施闸, 而立即施闸类事故信号除引人到PL

10、C中处理、显示、报警外, 还直接引人到安全直动回路, 动作施闸系统施闸。主控PLC还将轴编码器信号经软件计算后处理成罐笼在井筒中的位置和在线速度, 进行后备位置、速度保护。3.1.2行控PLC主要包括电源、CPU、I/O、D/A、A/D、计数和通信模块。行程监控PLC的主要功能是:将部分操作信号、部分保护信号以及设定的一些行程参数与轴编码器信号结合起来进行逻辑运算处理, 自动产生提升机所需的速度给定信号(即运行曲线), 为了尽量减少起动、制动过程中的机械冲击, 提高提升机控制精度, 速度给定信号的加速、减速段为“ S ” 型曲线, 减速段行程通过PLC实际运算来调节减速度以保证减速段为一固定值

11、, 从而保证了停车点不变和停车点的精度。此外行程监控PLC还将轴编码器信号经软件计算后处理成罐笼在井简中的位置和在线速度, 送到操作台监视器显示, 此外还产生包络曲线对提升机的度进行连续监视。主控和行控2台PLC既相互独立, 又能相互监视,对某些保护(如过卷、超速、钢丝绳打滑等)还能相互备用、冗余, 这样大大提高了行程监控器的可靠性。3.1.3 操作台PLC操作台PLC实现3个主要功能: 一是将操作的有关按钮和旋钮等输人信号传送给主控PLC;二是通过输出模块, 将系统中重要的开关量和模拟量在指示台上正确显示;三是与深度指示器通讯, 完成深度指示。操作台PLC与主控、行控PLC也是双网络连接,

12、保证数据的安全可靠。3.1.4 低压柜PLC低压柜PLC实现的一个主要功能是将低压柜的各个开关信号传送给其他3台PLC。3.2 软件配置软件配置有系统和用户程序。系统程序装配在CPU模块上随硬件的产品而来; 用户程序是编程器编好程序后输人到PLC的存储模块。程序是采用块式结构形式，共有组织块(OB)、程序块(PB)、功能块(FB)、数据块(DB)、顺序块(SB)5种形式。本系统没有采用顺序块。功能块（FB）是用于复杂功能的反复编程(如专用控制器、报替器、计算功能和调整功能)。组织块(OB)是系统和用户程序的接口, 是用户程序的一部分, 但只能由系统程序调用, 可以编程, 使用者不能调用, 本系

13、统使用了3个(OB)块(OB100,OB1,OB35)为加电启动组织块. 在该组织块中编制有关系统参数初始化的程序, 此组织块仅在系统加电起动后运行一次, 以后在程序循环中不再执行, 系统初始化程序框图如图4所示。OB1为循环运行组织块, 即用户主程序部分, 行控PLC主程序框图如图5所示。在OB1中可以调用其它功能块, 如 SFB、SFC 、FB、FC等。OB35 为中断组织块, 它使循环时间中断, 循环时间为060ms, 可根据用户需要任意设置。本系统利用OB35的中断时间, 循环向上位机发送监控数据。系统中行程监控PLC 的中断程序框图如图6所示。 第四节 闸控系统本项目中采用的闸控系统

14、是进口恒减速液压站+进口闸盘。主控PLC系统与闸控系统之间采用硬件线路方式进行联系。主控系统给闸控系统的主要信号有:硬件安全回路信号、软件安全回路信号、恒减速解除、沉罐保护信号、闸控给定、速度信号、手动和自动信号等;闸控系统给主控系统的信号主要有:压力恒减速投人、液压站故障或者报替信号等。第五节信息系统信息系统的构建是基于现场总线、上位机网络管理等技术, 各子系统通过现场总线与主控PLC通讯。PLC与上位机通讯, 上位机通过WEB和ActiveX技术采用B/S模式管理服务器, 并在Internet网络进行信息管理。图7 为信息系统的网络图。信息系统主要的功能是：对系统中各个组成部分进行实时的监控, 及时的反应系统运行过程中的各种参数、状态和故障报警；完成对系统运行时间的统计、提升量的统计、运行曲线的记录、故障报替的记录, 并可生产各种报表；通过WEB和程序服务器进行客户机访问管理, 为各客户机提供运行画面、统计量、故障报警、报表查询等信息, 实现信息的共享和管理。第六节 结束语本系统自2005年9月正式投入试运行以来,ASCS控制系统稳定可靠、