数控技术在矿井提升机系统中的应用论文_

1、-. z毕毕 业业 设设 计计 论文论文说说 明明 书书设计题目：设计题目：数控技术在矿井提升机系统中的应用数控技术在矿井提升机系统中的应用继续教育毕业设计任务书继续教育毕业设计任务书发给 自动化控制 专业 级 班学生 一、毕业设计题目： 数控技术在矿井提升机系统中的应用 二、设 计 专 题： 数控提升机的电控系统三、设计原始资料：SIMATIC STEP7 系统编程软件和 6RA70 调试软件提升机的控制模型四、设计应解决以下各主要问题:1、建立了提升机的控制模型 2、对提升机驱动系统控制及应用 五、设计说明书应附有以下列图纸： 1、 副井高压配电图 2、副井液压站原理图 六、命题发出日期：

2、设计应完成日期：设计指导人签章：系 主 任签章：院 长签章：指导教师对毕业设计的评语指导教师对毕业设计的评语摘要本文在分析矿井提升直流传动全数字控制技术的根底上，建立了提升机的控制模型，确定了直流提升系统的整体控制方案，进一步研究了局部子系统的功能开发，设计了整套硬件电路，开发了整套控制系统软件，根据现场使用状况条件进展了运行调试。重点对提升控制工艺的研究开发，使用 SIMATIC STEP7 系统编程软件和 6RA70 调试软件，运用提升系统控制根本原理，建立了实验开发模型，到达了对提升机驱动系统控制及应用。研究、开发一套由高压开关柜、整流变压器、电枢整流柜、司机控制台、PLC 柜、辅助柜、

3、低压配电柜、上位监视机、高速直流电动机组成的 TSA 型全数字自动化副井提升电控系统。数控提升机的电控系统主要包括主控、驱动控制、监控、井筒信号、制动控制、人机对话、显示、硬件平安回路及其它子系统等硬件和软件。关键词：关键词：数字化 ；现场总线 ；提升机 ；电控系统 ；直流传动目录目录1 绪论8 -. z1.1 矿井提升直流传动全数字控制技术研究的必要性和研究意义 81.2 矿井提升直流传动全数字控制技术研究现状及开展前景81.3 本文主要研究容92 矿井提升直流传动理论分析102.1 直流传动系统概述102.2 直流传动系统的调速方案112.3 矿井提升机电气传动装置112.4 电气传动的计

4、算机控制133 数控化提升机系统开发设计143.1 系统功能设计143.2 硬件总体设计213.3 系统软件设计234 数控化提升机电控系统在煤矿的运用274.1 副井概述274.2 改造研发容274.3 主要经济技术指标、工程最终目标304.4 研究、开发或实施技术路线305 数控化提升机系统运行效果32致致 3333参参 考考 文文 献献34341 绪论1.1 矿井提升直流传动全数字控制技术研究的必要性和研究意义目前我国提升机设备的制造和技术水平远远落后于世界提升机的开展水平，无论在硬件还是软件上都有较大差距。国提升机电控系统设备技术水平较国外还有较大差距。数字化电控设备虽然已有局部产品，

5、但尚未实现系列化、系统化、规模化。在提升机数控技术上仍处于学习开展阶段，多为消化吸收国外的成熟技术，技术相对较简单的软硬件已能够设计编制，但一些关键软件技术如驱动控制等尚未有较大突破假设使用还需购置，生产的较高档电控设备的硬件多为国外公司的成熟产品。国产品尚未到达国外八十年代末的技术水平。-. z德国 SIEMENS西门子公司和瑞典 ABB 公司是世界提升机电控设备生产领域的两大主要公司，代表了提升机电控技术和装备的世界先进水平。他们均生产系列化的提升机直流和交流驱动数据化电控设备，德国 SIEMENS西门子公司的代表产品为 SIMATIC S5 系列用于主控、制动控制、井筒信号等和 SIMA

6、DYN D 系列用于驱动控制和监控 ；瑞典 ABB 公司代表产品为 MASTER PIECE 系列用于主控和监控 、PRIDE 系列用于直流驱动控制和 TCDC 系列用于交交变频交流驱动控制 。对应于硬件设备，两公司开发了适应不同系统要求的模块化、系列化、易读、易编的专用程序软件。该系统不仅可用于煤炭、冶金行业的提升机系统，还可广泛应用于有驱动控制的领域及许多过程控制需要的场合，不仅可以成套使用，还可以根据实际情况使用*些系统，前景十分广阔，国外进口设备不仅价格高，而且技术效劳和配件购置不方便；国数控设备有取代国外数控设备的趋势。对提高我国提升机等领域的技术水平和经济效益具有重要意义。1.2

7、矿井提升直流传动全数字控制技术研究现状及开展前景提升机是承担矿山人员和物料提升任务的关键生产设备，是矿山井上下联系的咽喉，是矿井术含量最高的设备之一，也是实现矿井生产和效益目标的保证。80 年代 PLC 在工业领域已成熟使用，数字化驱动技术在 80 年代末 90 年代初形成，随着数控技术的产生与开展，以及 PLC 产品在提升机领域的应用。世界先进的提升机已实现电控系统的全数字化控制，硬件和软件都有成熟的、系列化的产品。如美国 GE 公司。提升机的主控系统、驱动控制系统、监控系统、制动控制系统、井筒信号系统、定量控制、井筒通讯等已完全实现数控化。德国 SIEMENS西门子公司和瑞典 ABB 公司

8、是世界提升机电控设备生产领域的两大主要公司，代表了提升机电控技术和装备的世界先进水平。我国提升机大局部使用模拟控制，模拟提升机的主控系统采用继电器控制，触点多，接线复杂，故障率高，维护困难；驱动控制系统采用直流发电机组拖动，无功电耗较大；保护系统、监控系统等的信号采集采用机械传动、别离元件处理。随着数控技术进入中国，中国也进展了数控化的产品开发研制，并且逐渐的应用到了提升机领域，国如大中院校、企业院所正在做数字化提升机电控系统的集成开发尝试。但由于资金投入少，人力、技术力量不强，并且由于国际矿山领域经济的不景气，整个系统的成熟性没有再上一个台阶，目前应用在提升机领域的国的数控产品存在以下问题：

9、1 、驱动控制产品不成熟，功能不够强大，可靠性还需要提高；2 、对提升控制工艺没有深入的研究，缺乏提升控制与维护的经历，产品适应性不强；3)、在硬件配置上，存在平安性差，系统可靠性需要探讨，不能完全满足提升控制-. z的需要。考虑当今数控技术的开展，严密结合提升机控制工艺的需要，我们认为当今先进的数字化提升机应具有以下特点：1)、在驱动控制上，矿井提升机直流拖动与交流拖动相比，调速性能好，不需附加其它拖动装置，随着驱动控制产品的成熟，完全能够实现全数字化控制，大大增加了系统的可靠性与控制精度。与此相比，交流控制产品不够成熟，存在造价高、不易维护的特点；2 、在整个系统的配置上，应采用现在比较成

10、熟的网络化设计，既减少了现场维护的工作量，增加了系统的可靠性，又减少了现场施工的工作量，减低了系统的整体本钱；3 、数控化的系统要有友好的人机界面，实时显示系统的各种信息，具有故障智能诊断功能，增加维护的方便性，减少系统的故障处理时间；4 、随着根底技术的不断进步，各元器件的可靠性大大提高，在提升机控制系统中，应选用高可靠性的器件。1.3 本文主要研究容1 、数字化提升机电控系统总体方案设计；2 、提升机主控系统的选型和开发；3 、提升机监控系统的选型和开发；4 、提升机驱动控制系统的选型和开发；5 、工业总线网络的选择与开发；6 、提升机上位监控系统的开发和调试；7 、提升机制动控制系统的开

11、发和实验；8 、数字化提升机电控系统的调试；-. z2 矿井提升直流传动理论分析2.1 直流传动系统概述矿井直流提升机全数字调速电控系统有如下特点：硬件构造简单，故障点少，可靠性高全数字调速电控系统的硬件电路均采用大规模和超大规模集成电路，元器件少，构造简单，故障点少，可靠性高；模拟调速电控系统的硬件电路则以分立元件为主，元器件多，线路复杂，故障点多，可靠性差。1可控精度高，工作稳定性好全数字调速电控系统设有微处理器，整个控制功能与调速算法均由软件完成，控制参数一经确定，就不会发生改变，所以控制精度高，工作稳定性好；而模拟调速电控系统的控制功能与调速算法均由硬件实现，控制参数离散性大，控制精度

12、低，工作稳定性差。2容易实现先进的控制算法随着控制对象的多样化和复杂化，传统的 PID 控制算法愈来愈没满足不了控制对象的要求，*些控制对象必须要求采用先进的控制算法如自适应控制、模糊控制、智能控制等才能到达控制精度，而这些先进的控制算法只有全数字调速电控系统才能实现，这是模拟调速电控系统望尘莫及的，模拟系统只能完成一些诸如 PID 的简单控制算法。3故障自诊断能力强，大大降低使用维护本钱全数字调速电控系统中，硬件工作状态可以通过软件来反映，软件运行情况也可以通过硬件来监视，这样硬、软件故障可以通过指示直接反映出来，维护方便，模拟调速系统线路复杂，一旦发生故障，很难查找，维护极为不便。4具有较

13、高的可构置性，扩展方便，运行灵活性高全数字电控系统硬件采用以总线联系的模块化构造，控制算法和系统控制采用软件完成，具有较高的可构置性，在系统设计投入运行以后，随着科学技术的开展和系统要求的提高，可以进展功能扩展，具有较高的运行灵活性；而模拟电控系统一经设计完成，就无法进展功能扩展，具有功能单一，运行灵活性差的特点。5可与其它系统联网，实现现代化管理全数字调速电控系统容易实现数字通讯，并与其它系统联网，它可将系统中的运行参数、运行状态传递到网络上，便于实现现代化管理，而模拟调速电控系统就很难实现联网功能。6性能价格比高一方面，随着电子技术的开展，集成器件的本钱越来越低，这样全数字调速电控系-.

14、z统的本钱将越来越低；另一方面，全数字调速电控系统技术先进、可靠性高、功能强大，因此具有很高的性能价格比。进一步来说，全数字调速电控系统在技术上已经开展成熟，因此在传动领域采用全数字调速电控系统并大力开展是一种必然趋势，它终将取代模拟调速电控系统。2.2 直流传动系统的调速方案2.2.1 直流电动机调速的分类与技术指标2.2.2 直流调速系统的方案选择当改变电枢电压时，理想空载转速也将改变，而机械特性的斜率不变。其特性曲线是一族以 U 为参数的平行直线。由此可知，在整个调速围均有较大的硬度，在允许的转速变化率围可以获得较低的稳定转速，故此种方法的调速围较宽，一般可达 1012。如采用各种反响或

15、稳速控制系统，调速围可达几百至几千。改变电枢电压调速方式属于恒转矩调速，并在空载或负载转矩时也能得到稳定转速，通过电压正反相变化，使电机能平滑的启动和工作在四个象限，能实现回馈制动，而且控制功率较小，效率较高，配上各种调节器可组成性能指标较高的调速系统，因此在工业中得到广泛采用。改变电动机的电枢电压，需要有独立的可变电压的电源，一般采用的有直流发电机、电机扩大机、磁放大器、汞弧整流器等。2.2.312 相晶闸管供电可逆传动系统采用双变流器组成 12 相整流线路的传动系统。对于供电给大容量直流电动机的可控整流装置,为了减轻对电网的干扰,特别是减少高次谐波分量,可以将两组三相整流桥进展并联,组成

16、12 相整流线路对电动机供电.一般采用并联方案。用一台三绕组变压器，一次绕阻接成三角形或星形；二次绕组中的一个接成星形，另一个接成三角形，则此两绕组相位差 30 度。两个二次绕组分别供电给两个三相整流桥，此两个整流电路的输出，通过平衡电抗器进展并联后向直流发电机供电。为了使两组整流桥的输出电压相等，三角形连接的变压器绕组相电压应比星形连接的饶组相电压大 1.73倍。对于多台直流电动机传动的场合，为减少高次谐波对电网的影响，每台电动机可采用三相整流电路，但每台变压器的一次绕组可采用三角形或星形联结并采用移相变压器，已形成对电网大于 6 相脉动的负载电流。对于电动机容量较大，电网容量相对较小，而又

17、要经常工作在低速的系统，变流装置经常要运行在深控场合，即控制角 a 大，直流电压低，相依的功率因数将变得很低。此时，可采用两组可控整流装置串联不对称控制的方法。为了降低低速运行时的无功功率，对两套整流装置采用不对称控制，其原理是将一组整流器的控制角固定在最大或最小，先控制另一组的相位，带接近极限控制角后再控制原来被固定控制角的那一组的相位。因为两组变流器是并联的，所以在启动与电流断续时，所有应导通的晶闸管应在同一个时间触发，故最好采用宽脉冲触发形式。2.3 矿井提升机电气传动装置2.3.1 概述矿井提升机也叫矿井卷扬机，是矿井的关键设备之一。作为井上与井下的唯一输送通道，是矿井的咽喉部位。不难

18、想象，矿井提升机运行性能的优劣，不仅直接影响到矿山的正常生产与产品产量，而且还与设备及人身平安密切相关。矿井提升机种类繁多，按照井道构造，有立井与斜井之分；按照拖动电动机，有交流-. z拖动与直流拖动提升机；按容器功能，则有箕斗与罐笼，箕斗又分为单箕斗和双箕斗，罐笼也有单罐笼和双罐笼，还有单层罐笼和双层罐笼之区别。按钢丝绳构造方式，则有单绳圆柱滚筒提升机和多绳摩擦轮提升机，按照速度图形式，则有三阶段，五阶段和六阶段速度的提升机。在 1894 年 AEG 公司曾为西格兰德矿井提供了第一套配有直流发电机-电动机系统的矿井提升机，直到 1965 年，世界各地要求较高或容量较大的矿井提升机都一直沿用这

19、类系统。此后，由于电力半导体技术的开展。特别是晶闸管的出现，对要求较高或多水平开采的矿井，其提升机几乎都采用了晶闸管变流装置供电的直流传动系统。以交流电动机组成的交流传动系统，亦大量地应用于提升机。但就我国目前情况看，国产的交流传动矿机提升极大局部仍采用较老的控制方式，它是在线绕转子异步电动机的转子回路，串入多级电阻(也有用水电组的),逐渐切除电阻,实现分级调速;减速制动多采用能耗制动的方式；至于停车前的爬行段,常需另外增加一套附加装置,它可以是小容量异步电动机或低频(5Hz)电源。不过，这类系统的控制性能均不够理想，而且消耗大量的电能，从节能的观点出发，是不利的。这类系统一般仅用于容量不大，

20、控制要求不高的单水平矿井提升机。从技术开展的角度看，由于电力半导体器件机微电子技术的开展，近年来变频调速技术迅速开展，使它有可能应用到提升机。国外已将交-交变频调速系统用于矿井提升机，我国也以引进这方面的技术，可望在短期有较快的开展，但前主要还是本钱偏高，故在复杂的要求较高的多水平大容量的提升机中，占主导地位的仍属于直流传动系统。2.3.2 提升机传动系统2.3.3 提升机的平安保护对矿井提升机来说，由于其所处的关键地位，其可靠运行的重要性是可想而知的。除了转动系统的运行可靠外，整个系统中的有关参量检测，监视机保护措施的完整也是至关重要的。提升机的有关需要保护的参量不下数十种，下面按期事故的严

21、重程度加以分类。1 、重事故所谓重事故就是要求紧急停车的故障。提升机在运行中，凡遇到作用于紧急停车回路的事故信号，不管处于何种运行状态，如高速、低速、电动或发电制动，都要立即报闸制动，主要有：(1)制动油压故障,开车时油压过低,停车时油压过高;(2)错向开车;(3)高压进线油断路器跳闸;(4)控制电源段电机三相交流电源断相;(5)深度发送装置与主机的连接断开或松动;(6)测速发电机与主机连接断开;(7)提升机过卷或超速;-. z(8)提升机到上下两端的减速点之后不减速或速度超过给定值;(9)电枢回路过流或电枢堵转过流超度一定时间;(10)电枢供电和励磁供电变流回路的快熔熔断(直流传动,对于多并

22、联场和,每个桥臂中有两个以上的快熔熔断,才作为紧急停车信号)；(11)开车时井口的摇台动作;(12)制动油泵失电;(13)励磁回路因重大故障引起励磁电源与开关动作;2 、轻故障凡属以下故障则称为轻故障，即事故发生后，允许提升机继续完成事故前所要求的运行继续按原有速度图运行到正常停车，停车后就不得再开车，必须等待故障妥善处理之后，才允许重新投入运行。属于轻故障的有：(1)主回路电枢接地及励磁回路接地；(2)各变流柜的冷却风机停转；(3)电动机轴承过热；(4)润滑油油量缺乏；(5)油压制动闸回路的油温过高。3 、闪光报警凡属以下故障，允许提升机继续正常运行，而只给操做司机或现场维修人员发出灯光信号

23、或音响报警信号。(1)闸瓦磨损(损坏程度较严重的应按重事故处理);(2)电动机油泵温度过高;(3)直流传动中变流桥交流侧或直流侧阻容保护故障;(4)变流桥的多并联桥臂中有一只快熔断。2.4 电气传动的计算机控制2.4.12.4.1 可编程序控制器PLC 的硬件构造主要由五个局部组成：中央处理器(CPU)、输入模块、输出模块、电源、编程器及外部设备。来自现场设备的输入信号如开关、按钮、仪表信号等经输入模块(对输入信号进展电平转换及隔离)读入 CPU，由用户程序(在系统程序管理下)解读，这些程序由一系列的指令组成。包括逻辑运算、算术运算、定时、计数、比较、数据传送、存取、及转换等。完成用户程序中所

24、规定的控制任务，并按照输入和输出信号进展逻辑判断，用其结果来驱动输出模块(对输出信号进展电压和电流转换及隔离)控制继电器、电磁阀或电动机等，完成生产过程及工艺流程的控制。控制系统的工业总线整套通讯系统分成两个层次，三个局部。即：由 S7-400、S7-300 和上位工控机组成最高层次的通讯网络，S7-400、S7-300 分别与各自的远程 I/O 组成最根底的通讯网络。根底通讯网络完成系统数据的采集、处理及功能的输出，最高层次的通讯网络完成系统-. z的人机界面。-. z3 数控化提升机系统开发设计本章包括系统功能设计、硬件总体设计、计算和软件总体设计三局部。3.1 系统功能设计根据数控化提升

25、机理论分析可知，对整个控制系统根据中央处理器CPU及其处理的功能围来讲，把整个提升机电气控制系统分为主控系统、监视控制系统、驱动控制系统、上位监视系统、制动控制系统等。西门子S7系列的PLC是西门子S5系列的PLC的升级产品，不管在性能、运算速度、使用围等上具有较优的性能。其中S7系列的PLC可分为S7-200PLC、S7-300PLC、S7-400PLC。其价格、性能、运算速度、I/O点数逐步提高。S7-200PLC具有紧凑的构造设计、良好的扩展性能、低廉的价格以及较全的指令，使得S7-200PLC满足小规模的控制要求，再解决用户的自动化问题时，具有较强的适应性。SIMATIC S7-300

26、 可编程序控制器是模块化构造设计。各种单独的模块之间可进展广泛组合以用于扩展。系统组成：中央处理单元(CPU)；各种CPU 有各种不同的性能，例如，有的CPU 上集成有输入/输出点，有的CPU 上集成有PROFIBUS-DP 通讯接口等。信号模块(SM)用于数字量和模拟量输入/输出，通讯处理器CP用于连接网络和点对点连接，功能模块(FM)用于高速计数，定位操作(开环或闭环控制) 和闭环控制。根据客户要求，还可以提供以下设备：负载电源模块(PS)用于将SIMATIC S7-300 连接到120/230 伏交流电源。接口模块(IM)用于多机架配置时连接主机架(CR) 和扩展机架(ER)。S7-30

27、0通过分布式的主机架(CR) 和3个扩展机架(ER)，可以操作多达32 个模块。运行时无需风扇。SIMATIC S7-300 适用于通用领域：高电磁兼容性和强抗振动、冲击性，使其具有很高的工业环境适应性。主控系统设计主控局部 S7-400 主要功能是执行操作程序，从提升机控制功能上可以实现自动、手动、检查、闭锁等运行方式。主控局部采用 S7-400 系列的 PLC 完成速度S曲线的给定、位置闭环控制和整个系统的报警保护控制；并实现各种故障保护及闭锁。来自系统各局部的信号经过隔离或直接引入到 PLC 中，PLC 将其处理后进展操作、控制、显示、制动、故障和报警等，同时形成主要的软件平安回路。1

28、、 行程控制：PLC 通过编码器检测的脉冲，计算速度、行程，根据行程来进展速度给定。提升机控制的核心问题是行程控制，也就是运动设备在规定的围往复循环移动，并在行程两端到达自动减速、停顿的速度给定。根据行程控制的原则，对 PLC 编程进展突破性研究，完成行程控制。由公式：Vt- VO=at 和 S = VOt +(1/2)at2 可知 Vt2- VO2=2As 根据 v 和 S 的关系如图 31 ，保证减速点后 PLC 计算的速度给定会自动减小。图图 3 31 1 V-SV-S 曲线图曲线图-. z2 、速度控制：根据提升机行程控制的要求，由 PLC 完成系统的速度曲线与保护曲线运算，综合成为速

29、度的给定输出。速度闭环控制由 6RA70 装置完成，速度拐点处设置圆形过渡，减少机械冲击。以独立的每转 5000 脉冲的编码器完成速度反响。3 、平安保护控制PLC 通过采集的现场系统、设备信息，结合定时器、计数器、功能块实现逻辑保护，PLC 也通过编码器检测的脉冲，计算速度、行程来实现过速、过卷、速度逐点保护功能。各种保护可归类为提升系统保护和设备保护。根据其危害程度，可分为报警和故障紧停，报警只是闭锁提升机，而故障要实施紧停。在数控提升机控制系统中，提升机故障的检测与判断绝大局部是由 PLC 软件控制完成。4 、传动系统控制：PLC 实现行程控制，使提升机在规定的行程围循环移动，同时要实现

30、速度的给定。由6RA70 主站完成对速度、电流控制的响应，PLC 通过通讯方式把 6RA70 速度、电流闭环的信息参数传到 CPU 中，PLC 完成速度、电流闭环的控制监视。行程、速度、电流控制的关系如图 32 图图 3 32 2 行程速度电流控制关系行程速度电流控制关系监控系统设计监控系统由一套西门子的 S7-300 可编程控制器和相应的控制程序组成。S7-300 监控系统主要包含 CPU、计数模块、通讯模块、重要信息输入模块、保护输出模块。该局部的主要功能是根据系统要求，实现提升机运行状态的监视，完成速度、行程包络线的生成。同时完成行程、速度监控。3.1.3 驱动控制系统设计全数字直流调速

31、电控系统的主驱动局部变流装置采用西门子 6RA70，两套并联，完成12 脉动变流，减少对电网的危害。采用电枢可逆、恒定励磁方式。励磁局部采用西门子的 6RA70 系列的整流装置，实现恒定励磁。SIMOREG 6RA70 系列整流装置为三相交流电源直接供电的全数字控制装置，其构造紧凑，用于可调速直流电机电枢和励磁供电，该装置所有的控制、调节、监视及附加功能都由双微处理器来实现;装置有调节板和用于扩展、通讯接口的附加板。两台高效能的微处理器(C163 和 C167)承担电枢和励磁回路所有的调节和传动控制功能。调节功能在软件过参数构成的程序模块来实现。转速调节器将转速给定值与实际值进展比较。根据它们

32、之间的差值输出相应的电流给定值送电流调节器(原理：带有电流环的转速调节)。转速调节器是带有可选择的 D-局部的 PI 调节器。此外尚有可参数设置的可接通速度软化。调节器的所有识别量都可分别设定。Kp 值(放大系数)同一个连接器信号(外部或部)相适配。同时，转速调节器的 P-放大系数要与转速实际值，电流实际值，给定值-实际值的差值或卷径相匹配。为了获得更好的动态响应在速度调节回路有预控器，这可以通过例如在速度调节器输出附加一个转矩给定值来实现，该附加给定值与传动系统的摩擦及转动惯量有关，解决了起动大载荷的问题，使得提升-. z机在起动过程中平稳起动。可通过一个自动优化过程确定摩擦和转动惯量的补偿

33、。在调节器锁零放开后，速度调节器输出量的大小可以通过参数直接调整。通过参数设定可以旁路转速调节器，整流装置作为转矩调节或电流调节的系统运行。此外，在运行过程中可通过选择功能“主动/随动转换来切换转速调节/转矩调节。这个功能是作为通过开关量可设置端子或一个串行接口的开关量连接器来选择。转矩给定值的输入可以通过可选择连接器实现也可由模拟量可设置端子输入口或串行接口输入。在“从动状态下(转矩调节或电流调节)一个极限调节器投入运行。为了防止系统加速过快，通过一个参数可调的转速限幅对限幅调节器进展干预。但传动装置被限制于一个可调节的转速误差。电流调节器是具有相互独立设定的 P-放大值和调节时间的 PI-

34、调节器。P 或 I 局部可被切断(纯粹的 P-调节器或 I-调节器)。电流实际值通过三相交流侧的电流互感器检测，经负载电阻，整流，再经模拟、数字变换后送电流调节器。分辨率是装置额定电流的 10 位。电流限幅器的输出作为电流给定值。电流调节器的输出形成触发装置的控制角，同时作用于触发装置的还有预控制器。电流调节回路的预控制器用于改善调节系统的动态响应，电流调节电路中的允许上升时间围为 6-9 ms 。预控制与电流给定值和电机的 EMF 有关，并确保在电流连续和断续状态或转矩改变符号时所要求的触发角的快速变化。3.1.4 工业总线网络设计整个系统采用网络化的设计，主控 PLC 选用西门子功能最强大

35、的 S7-400 产品，行程监控采用西门子 S7-300PLC，两者与上位机一起通过 PROFIBUS-FMS 总线构成系统的上级网络。此外，S7-400 通过 PROFIBUS DP 网络下挂操作台 ET200M、低压柜 2 ET200M 和由三个 6RA70 驱动装置组成的 DP 分站。驱动系统电枢回路采用两台西门子 6RA70 装置，两台西门子 6RA70 装置采用主从方式通过点对点通讯协议实现电流的控制和平衡，完成系统的十二脉动供电以及故障互锁。具体构造见系统网络图，如图 32图图 3 33 3 系统网络图系统网络图3.1.5 上位监视系统设计操作台配备工控机与 PLC 建立网络通讯，

36、实现对整个系统的监控。实时显示系统状态信息及系统故障如图 34 。上位工控机监视器可实现人-机对话。上位监视程序，采用支持 Visual Basic 的 iFI*监控软件包。iFI*是强大的 HMI/SCADA 系统，可以进展过程的图形化监视，数据采集和管理，监视控制。能显示高压配电回路、低压配电回路、提升系统图、液压制动系统图、装卸载系统图、驱动系统图、运行曲线、生产报表和故障信息等画面，反映提升机所有的运行参数和运行状态以及故障类型和故障发生时间，监视器能使司机对提升机的运行状况一目了然，假设发生故障，司机能及时从监视器上了解到故障类型及位置，能及时通知维修人员排除故障，从而缩短排除故障时

37、间，提高劳动生产率。图图 3 34 4 上位机监控系统上位机监控系统3.1.6 制动控制系统设计利用主控 PLC 的控制功能实现对制动系统的控制，对于主井制动控制采用恒力矩控-. z制制动，并实现二级制动，制动性能有计算校核，PLC 完成工作制动的给定和发出紧停制动信号，时间继电器完成二级制动的延时控制。3.1.7 主回路设计提升机 6kV 系统两路电源引自 35kV 变电所，一路运行一路备用，两台进线开关为就地操作。一台 6kV 馈出线柜，连接一台 1000kVA 的整流变压器。操作方式：就地操作和远控操作，设有短路和过流保护，整流变压器设有温度保护。主回路采用电枢电流换向电枢可逆 ，磁场电

38、流单向磁场恒定的方式；可控硅整流系统，主要有一台 1000kVA 的整流变压器和一台整流柜组成。四象限工作的整流器通过两个三相全控桥(B6)A(B6)C 无环流直接反并联。在闭环控制系统的控制下，根据系统的需要通过整流方向及电压的变化，实现提升机的正、反转和速度的调节。电机直流主回路中，有一台平波电抗器，用于均流；一台直流快速断路器，用于电机保护。3.1.8 平安保护功能设计在平安回路设计方面，充分考虑提升机的关键性保护，将其纳入硬件平安回路，如：过卷保护、极限过卷保护、延时过流保护、瞬动过流保护、超速保护以及驱动装置故障等。同时也将高压柜、快开的辅助触点纳入其中，确保供电设备均处于正常合闸状

39、态时才能送上硬件平安回路；系统中设置两套独立的 PLC 控制系统，分别形成各自的软件平安回路，这两套软件平安回路均和硬件平安回路串联形成提升机总的平安回路，三者任何一方检测到提升机有故障存在都无法启动提升机。系统设有 S7-400 软平安回路，S7-300 软平安回路，以及一套继电器直动的硬件平安回路。S7-400 平安回路完成系统所有的保护，主要有设备状态保护和系统保护。S7-300平安回路完成系统的行程、速度保护。继电器平安回路完成系统重要的一些保护并实现平安制动。软平安回路与硬平安回路互相冗余，完全满足?煤矿平安规程?中不少于两条平安回路的要求，并且超出了?煤矿平安规程?要求。其保护方式

40、构造如图 35 。图图 3 35 5 提升机保护方式构造提升机保护方式构造 系统功能框图结合?煤矿平安规程?平安保护的要求，对系统保护容以及完成方式进展的设置与研究，以及对提升机与提升系统进展创新性研究。丰富了规程的要求。系统主要设有如下保护如表 31：表表 3 31 1 TS3ATS3A 系统提升保护设置一览表系统提升保护设置一览表序 号名 称描 述提升系统保护1井筒过卷提升机紧急制动进继电器平安回路-. z2井筒极限过卷提升机紧急制动进继电器平安回路3计算机过卷系统计算机计算 PG 的行程，提升机紧急制动4箕斗在装载位置箕斗进入装载区域显示，该区域决定于装载口高度，联锁装载控制5钢丝绳长系

41、统计算机根据行程判断，定值根据现场制定，提示维护人员确认状态，同时提升机自动提升方式被闭锁6卸载仓满卸载仓满，提升机被闭锁，装载被闭锁进继电器平安回路7驱动失败提升机运行方向、速度与给定不一致，提升机紧急制动8速度超限提升机运行速度超过设定速度包罗线，提升机紧急制动9提升机过速提升机运行速度超过最大速度的 15%，提升机紧急制动进继电器平安回路10井口速度超限箕斗经过井口开关时运行速度超过限值，提升机紧急制动进继电器平安回路11滑绳滚筒速度与导向轮速度误差超限1m/s ，紧急制动后提升机在下次同步之前速度限制在 2ms 之12同步超限箕斗通过同步开关时，系统计算机行程测量值与实际行程误差超过限

42、定值定值由钢丝绳的弹性模量、长度和力确定 ，紧急制动后，提升机在下次同步之前速度限制在 2ms 之13绳衬磨损超限计算机计算到绳衬磨损超限，闭锁下次开车，提示维护人员修正行程参数和确认绳衬磨状态后解锁14行程测量故障系统计算机计算的 PG 形成误差超限，提升机紧急制动，速度限制在 2m/s 同步两次后再次进展故障确认-. z15装载系统故障闭锁自动提升16司机台紧急停车提升机紧急制动进继电器平安回路17卸载站紧急停车提升机紧急制动进继电器平安回路18装载站紧急停车提升机紧急制动进继电器平安回路19箕斗门未关提升机闭锁提升机状态保护20HV2 跳闸提升机紧急制动进继电器平安回路21HV3 跳闸提

43、升机紧急制动进继电器平安回路22HV4 跳闸提升机紧急制动进继电器平安回路23HV2 过流提升机紧急制动24HV3 过流提升机紧急制动25HV4 过流提升机紧急制动26HV2 短路提升机紧急制动27HV3 短路提升机紧急制动28HV4 短路提升机紧急制动29T1 变压器超温闭锁提升机30T2 变压器超温闭锁提升机31T3 变压器超温闭锁提升机32DL1 故障提升机紧急制动33DL2 故障提升机紧急制动34LC 故障提升机紧急制动35直流断路器跳闸提升机紧急制动进继电器平安回路36主电机温度报警闭锁提升机37主轴承温度报警闭锁提升机38制动油温闭锁提升机39主冷风机闭锁提升机3.2 硬件总体设计

44、主回路硬件配置驱动系统电枢回路采用西门子 6RA70 装置，全数字调节局部主要功能有：-. z1 、成电枢回路的调节功能：1设定转速给定源2自由选择转速实际值信号3速度自动调节4电枢电流自动调节5斜坡函数发生器6转矩限幅7电流限幅8预控制器9触发装置2 、成励磁回路的调节功能：1反电势调节器2励磁电流调节器3触发装置3 、现电枢回路和磁场回路的各种监控与诊断：1运行数据的显示2扫描功能3故障信号4警告5紧急平安断电E-STOP 硬件抗干扰措施输入信号通过继电器隔离，利用专用的计算机通讯屏蔽电缆，动力、控制、计算机等系统分设接地系统，有效控制相互间的干扰。 控制系统硬件设计整个系统采用网络化的设

45、计，主控 PLC 选用西门子功能最强大的 S7-400 产品，行程监控采用西门子 S7-300PLC，两者与上位机一起构成系统的上级网络。此外，S7-400 通过 PROFIBUS DP 网络下挂操作台 ET200M、低压柜 2 ET200M 和由三个 6RA70 驱动装置组成的 DP 分站。监控系统硬件设计监控PLC S7-300采用CPU 315-2 DP 。具有以下设计特点：CPU 315-2 DP 具有中到大型的程序存储容量，以及PROFIBUS-DP 主/从接口。可以配置成分布的自动化构造。微处理器：处理器执行二进制指令时间为300ns；扩展存储器能力：CPU 315-2 DP: 6

46、4K 字节 RAM；PROFIBUS 接口：具有PROFIBUS-DP 接口的 CPU 可以建立分布式自动化系统，具有高速及易于处理等特点。从用户角度看，可将分布式 I/O当作集中式 I/O 一样 (一样的配置、编址及编程)。SIMATICS7-300数字输入和输出模块。通过这些模块，可将数字传感器和执行元件与-. zSIMATIC S7-300 相连。数字I/O 模块具有以下优点：优化配合，可利用可以任何方式组合的模块使输入/输出点数与任务相配合；灵活的过程连接，可通过各种不同的数字执行元件和传感器使S7-300 与过程相连接。数字输入模块将控制过程的外部数字量电平转化为S7-300 的部信

47、号电平；数字输出模块将S7-300 的部信号电平转化为控制过程所需的外部信号电平。S7-300的模拟输入和输出模块。通过这些模块可将模拟传感器和执行元件与 S7-300 相连。模拟输入模块将扩展过程中的模拟信号转化为S7-300 部处理用的数字信号。电压和电流传感器、热电耦、电阻和电阻式温度计均可作为传感器与该模块相连。模拟输出模块将S7-300 的数字信号转换成控制需要的模拟量信号。FM 350-1是智能化的单通道计数模块用于广泛的单纯计数任务。此模块通过直接连接增量编码器，方式分担CPU的任务：模块给编码器供电。FM 350-1计数器模块依据可直接连接的门信号检测最高达500千赫兹的增量编

48、码器脉冲信号。CP 343-5 通讯处理器是用于PROFIBUS总线系统的SIMATICS7-300 和SIMATICC7的通讯处理器。它分担CPU的通讯任务，并支持其它的通讯连接。控制系统模拟量信号采集由 S7400 的模拟量输入模块实现对以下模拟量的信号采集：主变、辅变温度；制动油压；测速机信号；主令手柄信号；装载称重信号；整流装置的反响信号；工作闸工作电流及主变一次电流的模拟量的采集。控制系统数字量信号采集由 S7400 的开关量输入模块实现对所有继电器接点等的数字量等的信号采集。控制系统脉冲量信号采集由 S7400 的开关量输入模块实现对主轴上两个编码器的脉冲信号的采集，实现脉冲计数和

49、行程校正功能。3.3 系统软件设计3.3.1 主控软件的开发设计S7-400 软件作为本系统的主控软件，实现全系统的逻辑控制，故障和报警的诊断、记忆及查询，以及信号的输入、输出功能，它能独立地完成系统的电流环和速度环的控制。该系统的主要的技术要点有：1 、提升机的行程校正功能提升机行程校正功能是为防止提升机在运行过程中的可变性因素导致行程计算与箕斗或罐笼实际位置不符而设置的。它充分考虑了提升绳运行中的蠕动、较小量的伸长、滑绳和主滚筒摩擦衬垫的变化等因素对提升机平安运行的影响。该功能主要包括：到达对提升行程的准确校正、校正位置开关状态的检查和计算系数的校正。行程校正主要完成提升箕斗在向上运行过程

50、中遇井筒位置磁开关时，将该磁开关所-. z在位置的提升高度写入 PLC 的高速计数功能块，实现行程校正。为弥补磁开关动作的不可靠性，系统在不同的位置高度设置了多个行程位置校正开关，即使有一开关动作失常，其余位置开关的动作仍能到达准确校正的目的；另外，在校正磁开关所在位置不变的情况下，通过改变到位开关之前的校正值，实现到位位置小围的调整，解决提升绳因*种原因造成的长度的变化对提升状态的影响。校正位置开关状态的检查是提升机行程校正功能的预防性措施，主要实现箕斗或罐笼向下运行的过程中检查井筒位置开关动作是否正常，否则，就发出警告，同时自动取消该开关的行程校正功能，并限速运行。假设连续两次检测到同一位

51、置开关动作失常，提升机自动闭锁自动和手动提升方式，警示提升机司机应转换到检查工作方式进展检修。计算系数的自动校正功能主要实现对主滚筒摩擦衬垫厚度变化的跟踪检测，完成单脉冲的行程计算。在提升机工作在自动方式，并稳定运行 10 分钟以上的条件下，检测到*一固定位置的行程值超过或低于该位置实际行程值的一定计算误差围，就自动启动计算系数校正功能，最大限度的减小因计算系数的不准确造成的行程计算误差。2 零速度闭环控制的平安性设计提升机在运行过程中最容易出现问题的阶段是：敞闸、起速和停车。为提升机的平安运行问题，研制了零速度闭环控制技术。零速度闭环控制的平安性设计主要实现提升机制动器完全开启状态下的零速度

52、控制，解决带闸启动的问题；同时解决提升机在敞闸的同时出现向反方向下坠重载负荷的作用 ，容易造成沉车的现象，以及解决停车精度不高平安性差的问题。实现零速度闭环控制必须解决好两个问题：绝对零速度给定0.00m/s和电流预给功能。绝对零速度给定是实现零速度闭环控制的根底和前提。提升机在敞闸的同时，控制系统的速度环和电流环均已闭环，但由于速度环和电流环的滞后性，提升机就会在敞闸的同时出现向反方向下坠的现象重载负荷的作用 ，容易造成沉车现象，假设是在敞闸开场前就在电流环输入端预给一个电流给定值根据额定负载大小和方向确定 ，驱动装置在提升机敞闸的起始点就会输出一个阶跃的抑制重载箕斗或罐笼下沉的电流，随后在

53、整个敞闸过程中驱动装置输出的电流就紧紧跟随作用于主滚筒的下沉重力，到达力的平衡，实现防止箕斗或罐笼下沉和零速的目的。一旦工作闸压力到达制动器的开闸压力，就投入速度给定，实现敞闸启动控制。同样，解决停车过程中的停车不准确或倒车现象，采取完成提升行程后运用零速度闭环控制功能，使提升机在整个闭闸停车过程中均处于零速度闭环控制状态，只有检测到所有制动闸都处于闭闸位置后，才取消速度闭环控制。这一控制功能的实施，为通过改变装载起始点的方式提高提升机的生产效率提供了技术根底。3.3.2 上位监测软件开发平台的选择上位监视程序采用支持 Visual Basic 的 Ifi*监控软件包，iFI*是强大的 HMI

54、/SCADA系统，可以进展过程的图形化监视、数据采集和管理。-. ziFI*的根本功能允许特定的应用程序执行所赋予的任务，他两个根本的功能是数据采集和数据管理。南屯矿主井提升机上位监控系统设置了提升系统全图、装卸载系统图、高压配电图、低压配电图、运行曲线图和故障报警画面，个各画面的切换只需直接点击相应的按钮即可。在各个画面中：红色代表故障，绿色代表运行，黄色代表报警。3.3.3 监控软件的开发设计S7-300 软件作为本系统的后备平安软件，实现后备平安回路故障的诊断功能。它独立于 S7-400 之外，与 S7-400 的功能相关联，实现速度与行程保护。包括主控程序组织块OB1 ；计算功能块B

55、；故障诊断功能块FB14 ；通讯功能组织块OB35 ；其它辅助组织块。3.3.3.1 速度保护开发设计计算功能块 FB主要完成电子凸轮板的形成、提升高度、提升速度的计算功能，为实现提升速度与提升高度之间的后备对应关系起到关键性作用；另外，为尽量减少该功能块占用 CPU 的扫描时间，多处利用了条件跳转指令。具体功能如下：电子凸轮板的形成；提升高度和提升速度计算；停电记忆提升参数。与 S7-400 形成的电子凸轮板、提升速度相比较，实现该系统的速度保护。3.3.3.2 行程保护开发设计故障诊断功能块FB14：根据故障性质不同，分为动力电源类、行程类、整流柜类、故障中断类及其它共四个类别，共计 32

56、 条故障，任一条故障发生都作用平安回路。具体描述如下：动力电源类包括高压柜过流、速断动作；行程类包括过卷故障、极限过卷故障、等速过速故障、全程过速故障保护、井口超速故障；整流装置 1、2、3总故障；PLC 故障包括时间错误、电源错误、诊断中断、插入/移开模块中断、CPU 硬件故障、机架故障、通讯故障。其中，行程类故障诊断功能与 FB2 计算的提升高度、提升速度、井筒开关的实际位置共同形成该系统的行程保护。3.3.4 通信软件设计整套通讯系统分成两个层次，三个局部。即：由 S7-400、S7-300 和上位工控机组成最高层次的通讯网络，S7-400、S7-300 分别与各自的远程 I/O 组成最

57、根底的通讯网络。根底通讯网络完成系统数据的采集、处理及功能的输出，最高层次的通讯网络完成系统的人机界面。3.3.4.1 主控和监控系统的 PROFIBUS 数据传输S7-400、S7-300 和上位工控机三者之间的通讯由上位工控机的 iFI*软件及 S7-400、S7-300 的通讯功能组织块 OB35 实现。S7-400 向 S7-300 发送数据：在平安回路方面虽然 S7-300 是一个相对独立的控制单元，但为了保持与 S7-400 之间的协调，其判断故障的基准必须一致。即：设定的最大提升的高度，计算系数和提升方向，上述一个数据就是 S7-400 向 S7-300 发送的数据源。S7-40

58、0 承受 S7-300 传送来的数据：传送来的数据有：基于 PG2 的提升高度，提升速-. z度以及平安回路继电器。S7-400 依据 S7-300 传送来的提升高度和提升速度来判断PG1、PG2、PG3及测速机状态，S7-300 传送来的平安回路仅作为平安回路指示灯的一局部使用，即在特殊情况下，S7-300 停顿运行，只需短接 S7-300 平安回路输出点，不必改变软件，S7-400 仍能独立完成应急提升任务。S7-300 向 S7-400 同样方式发送数据。3.3.4.2 主控和从站的 PROFIBUS-DP 数据传输S7-400 与其远程 I/O 的通讯和整流装置之间的通讯由五局部组成：

59、S7-400 基板局部、操作台远程 I/O、低压柜 2 远程 I/O、主整流装置 1、主整流装置 2 和励磁装置组成PROFIBUS1通讯网络，其通讯速率为 500kbit/s，通讯网络电缆长度 150m。S7-300 与其远程 I/O 之间的通讯由两局部组成，即：S7-300 基板局部和低压柜 LV2 远程 I/O 组成PROFIBUS3通讯网络，其通讯速率为 500kbit/s，通讯网络电缆长度 125m。.3 点对点通讯两个装置之间利用其本身的通讯功能，实现点对点的通讯，实现功能关联，实现输出12 脉动，并实现转矩方向闭锁-. z4 数控化提升机电控系统在煤矿的运用4.1 副井概述：副井

60、现电控系统，是以继电器控制为主体，主控局部采用磁放大器完成，经过十年的使用，逐渐暴露出产品技术落后、关键器件保护不完备、故障率高的问题。而且故障率呈逐年增加的趋势。为了保证矿井的正常生产，应该对现有电控系统进展改造。4.2 改造研发容：研究、开发一套由高压开关柜、整流变压器、电枢整流柜、司机控制台、PLC 柜、辅助柜、低压配电柜、上位监视机、高速直流电动机组成的 TSA 型全数字自动化副井提升电控系统。开发容主要是开发系统的工艺控制，实现系统控制的平滑性和平安性，实现传动系统与主控系统的工业总线式数据通讯，以及网络控制；其次是对直流变频传动技术的研究，特别是对位能力矩性负载，零速度大力矩的进展