工程硕士学位论文-煤矿副井提升机电气控制系统的研究

中图分类号：TN80论文编号：学科分类号：_150_密级：公开安徽理工大学工工程程硕硕士士学学位位论论文文煤矿副井提升机电气控制系统的研究作者姓名：作者姓名：专业名称：专业名称：电气工程研究方向：研究方向：电力电子与电力传动导师姓名：导师姓名：导师单位：导师单位：安徽理工大学答辩委员会主席：答辩委员会主席：论文答辩日期：论文答辩日期：年月日安徽理工大学研究生处安徽理工大学研究生处2012年年2月月8日日ADissertationinPowerElectronicAndElectricalDriveTheResearchofMineSubsidiaryHoistControlSystemCandidate:YuanChuanjianSupervisor:ZhuLongjiSchoolofElectronicandInationEngineeringAnHuiUniversityofScienceandTechnologyNo.168ShungengRoadHuainan232001P.R.CHINA独独创创性性声声明明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得安徽理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。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作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：_日期：_年_月_日学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解安徽理工大学有保留、使用学位论文的规定，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安徽理工大学。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磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽理工大学可以将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、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本授权书）学位论文作者签名：签字日期：年月日导师签名：签字日期：年月日摘要-I-摘要矿井提升机常被人们称为矿山的咽喉，是矿山重要的设备之一，连接地下矿井与外界的唯一通道，肩负着矿石、物料、人员等的重要运输责任。对矿井提升机来说，运行的安全性与可靠性是至关重要的。因而采用先进的控制技术改造传统煤矿的电气控制系统，保障提升机的安全运行有着至关重要的意义。本课题根据副井提升的控制要求和电气系统要求，介绍了行程控制的基本原理，分析了速度给定方式，推导出行程给定中S形速度给定曲线的数学模型并给出了控制策略。论文中采用全数字直流调速系统，通过PROFIBUS现场总线技术和PLC控制技术构成网络化提升调速电控系统，给出了主控PLC程序流程图，并对系统软件进行了分析和论述。该全数字直流调速系统通过现场调试和运行结果表明，该系统工作可靠、控制精度高，完全可以满足现场生产运行的要求，使系统的自动化程度大大提高。图17表3参32关键词：关键词：矿井提升机；行程控制；PLC控制；PROFIBUS分类号：分类号：TM921安徽理工大学硕士学位论文-II-AbstractMinehoisterisoneofthemainequipmentinminewhichwascalledthroatofthemine.Itisthechannelconnectedundergroundandoutside.Itconveysnotonlymineralbutalsominers.Sotheoperatingperanceofsaftyandreliabilityofminehoisterisveryimportant.Adoptingadvancedtechniqueremouldtraditionalcoalminecontrolsystemtoguaranteethesaftyofminehoisterwhichhastheprofoundsignificance.Thepaperintroduedtherequirementofelectriccontrolsystemandthefundamentalsofstrokecontrol.Throughtheanalysisofspeedpresetmode，weobtainedmathematicalmodelofSshapevelocitycurveinpresetstroke.AdoptingthetotaldigitalDCvelocitymodulationsystemandthepaperdiscussedthesoftwarewithaPLCmainprogramflowchart.AtthesametimeuingaPROFIBUSfieldbusthetechniqueandSiemenscompanyS7seriesPLCconstitutedanetworktoturnelectricitytocontrolsystemwhichmadesystemmoredependableopeningmoreandthemuchlowercostsoconsumedlyraisedtheintelligenceofsystemandautomationdegree.Thesystemcanprovidepowerfultechniqueguaranteeforsafeofminehoist.Itisshownfromthetestingandoperatingresultonsitethatthesystemisreliableandhigh-accuracyandcanmeettherequirementsofsitecompletely.Keywords：MineHoistTtrokecontrolPLC，PROFIBUS，Figure17Table3Reference32Chinesebookscatalog:TM921目录-III-目目录录摘摘要要.IIABSTRACTABSTRACT.IIII11绪论绪论.111.1课题背景.11.2国内外现状.21.3研究意义.61.4论文章节内容.722矿井提升机行程控制系统的数学模型矿井提升机行程控制系统的数学模型.882.1行程控制系统基本要求.82.2S形速度图数学模型的建立.112.3矿井提升机行程控制算法分析.132.4提升机运行控制策略.15本章小结.1633矿井全数字直流调速提升系统矿井全数字直流调速提升系统.17173.1全数字直流调速系统控制组成及特点.173.2主回路组成.183.3控制回路的组成.193.3.1主处理器.203.3.2电流调节.203.3.3电源.213.3.4通讯接口.213.3.5输入输出接口.213.3.6高速计数器.213.3.7液晶显示器.213.4C30系统软件.22本章小结.2344矿井提升机矿井提升机PLCPLC控制系统控制系统.2424-IV-4.1主控系统.254.1.1操作台.264.3提升信号系统.264.4全数字行程控制.274.4.1多功能数字深度指示系统.284.4.2安全保护.304.5调速系统与PLC和其它装置之间的信号联系及功能.304.5.1调速系统的输入信号.304.5.2调速系统的输出信号.324.6计算机远程监控系统主要功能.32本章小结.3355矿井提升机电控系统的网络化结构矿井提升机电控系统的网络化结构.34345.1网络化电控系统.355.1.1信号系统.375.1.2ABB闸控系统.375.1.3触摸屏.395.2网络系统组态.415.2.1S7-400与WinCC通信.415.3系统软件结构.435.3.1STEP7编程软件.435.3.2WinCC监控软件.445.3.3主控程序.445.3.1主控PLC程序流程图.45本章小结.4566现场安装与调试现场安装与调试.46466.1现场调试项目及要求.466.2调试步骤及整定方法.476.2.1调试前的准备.476.2.2送电前的准备.476.2.3传动调节系统调试.48目录-V-6.2.4PLC系统模拟调试.506.2.5系统空载联调.506.2.6带罐轻载调试.506.2.7重载试验.51总结总结.5252致致谢谢.5353参考文献参考文献.5454作者简介作者简介.5656-VI-ContentsAbstract(inChinese)Abstract(inEnglish)Chapter1Preface11.1Backgroudofthethesis11.2Researchtrendsathomeandabroad21.3Significanceoftheresearch61.4Themaincontentsofthispaper7Summary7Chapter2Themathematicalmodelminehoistcontrolsystem82.1Basicrequerimentofstrokecontrol82.2ThemathematicalmodelofSshapeveloctiycurve112.3Algorithmanalysisofstrokecontrol132.4Runcontrolpolicyofminehoistcontrolsystem15Summary19Chapter3ThetotaldigitalDCvelocityregulatinghoistsysteam173.1Principlesandcharacteristicsofthehoistsystem173.2Thecomponentsofmaincircuit203.3Thecomponentsoftotaldigitaldrivecontrolsystem203.3.1Processorboard203.3.2Currentregulatingboard213.3.3Powerboard213.3.4Communicationboard223.3.5IOinterface223.3.6Highspeedcountboard233.3.7Liquidcrystaldisplay233.4C30systemsoftware23Summary23Chapter4ThePLCcontrolsystemofminehoist244.1Maincontrolsystem254.1.1ThefunctionandconfigurationofPLC264.2Operatingsystem27目录-VII-4.3Hoistsignalsystem284.3.1Principlesofhoistsignal304.3.2Manipulationofhoistsignal304.4Thetotaldigitalstokecontrol304.4.1Multi-functionfiguredepthpilotblocksystem304.4.2Securityguard304.5SignalcommunicationandintheC30andPLCandotherdevices304.5.1ofC30324.5.2OutputofC30324.6Mainfunctionsofcomputerremotemonitoringsystem32Summary33Chaper5Thenetworkstructureofminehoistelectricsystem345.1Thenetworkelectricsystem355.1.1Signalsystem375.1.2ABBgate-controlledsystem375.1.3Touchscreen395.2Thenetworksystemconfiguration415.2.1CommunicationbeteenS4-300andWinCC435.3Systemsoftwarestructure435.3.1STEP7programmingsoftware445.3.2WinCCmotnitoringsoftware445.4Maincontrolprograme445.4.1Theflowchartofmaincontrolprocedure45Summary45Chapter6Siteinstallationanddebugging466.1Debuggingitemsandrequirements466.2Stepsandadjusting476.2.1Preparationbeforedebugging476.2.2Preparationbeforepoweron476.2.3Debuggingofdriveregulationsystem486.2.4SimulationdebuggingPLCsystem506.2.5No-loadingjointdebugging50-VIII-6.2.6Lightloaddebuggingwithcage506.2.7Over-loadexperimentation50Conclusion52Reference53Compliment54Resumeofauthor561绪论-1-1绪论1.1课题背景矿井提升机作为煤矿重要的运输设备，担负着矿井地面和井下的运输任务，被称为“矿井咽喉”，对煤矿生产及安全有着至关重要的作用。由于提升机是机械和电气综合组成的一体化大型设备，传动控制系统比较复杂，对生产工艺要求又比较高，使得现代提升机电控系统的设计就成为矿井提升系统重要的研究内容之一。其中保证提升机的可靠运行是整个矿井安全生产的关键，也影响着整个煤矿的经济效益，是现代化矿井建设的重中之重。我国矿产资源丰富，矿产机电设备制造和使用量都比较大，仅煤炭行业就有4000多套，冶金、有色和黄金等行业的使用量也十分可观。为提高提升机运行的可靠性和自动化水平，人们从机械、电气、监控等各个方面都进行了改进，并且取得了一定的成果。但由于历史和经济的原因，这些提升机所用的电气控制设备普遍存在着技术落后、结构复杂、故障率高、安全性和可维护性差等问题，直接影响了矿井提升机的安全和效率，也阻碍了矿井自动化建设和现代化管理的进程，急需采用现代高新技术对设备进行更新换代，也是广大现场使用维护人员迫切要求解决的技术问题。近年来，提升机电控系统朝着自动化、数字化、智能化、网络化的方向发展，使提升机在性能和功能方面得到很大的提高。在实现矿井提升运行情况进行监控的同时，也能实现系统的多重保护和远程监测等功能，为实现矿井提升机信息化管理，保证矿井安全、高效生产提供了一种现代化手段，必将为矿山生产带来显着经济效益和社会效益。因此许多煤矿在大幅度提高矿井提升能力的同时，满足现代化矿井发展的需求，对其原有的主副井提升系统进行改造，在提高安全可靠性、提升能力的同时达到增效节能、便于维护管理的目的。现代矿井的建设目前在朝着设备控制智能化、调度操作集中化、生产管理信息化等多元方向发展。为了建设全自动化一流矿井，实现安全提升，顾桥矿根据目前提升机电控技术发展方向和副井提升机的实际运转需求，提出基于PLC控制的直流提升电控系统和现场总线、工业控制计算机相结合的方案，对其副井现有电控系统进行改造。-2-1.2国内外现状随着科学技术水平的不断进步，各种新技术、新工艺不断完善并应用于矿井提升设备中。特别是随着计算机控制技术和电力电子技术的飞速发展，综合了电机、电力电子、自动控制等多学科的全数字控制方式已经成为矿井提升机拖动系统的发展趋势。国内外一些大公司也纷纷研究新的技术并获得了一些成功应用。自20世纪40年代以后，以苏联为代表的一些国家的煤矿企业结合提升系统的特点，首先实现了基于直流调速系统的提升机自动化控制。但是由于大量使用测量元件采集数据，使得系统分立元件多、体积大、噪音高、维护起来比较困难，且运行效率低、能耗大。另外故障也难以判断，只能依靠操作人员根据经验判断，故障解决时间长，运行效率受到很大影响。伴随可编程控制器PLC的出现，以德国为代表的一些国家以PLC技术代替继电器元件，提升机电控技术得到了飞速的发展，自动化程度得到进一步提高。此时期的一些着名的提升机制造公司，如西门子、ABB、ALSTHOM都利用新的技术和装备，开发或完善了提升机的安全保护和监控装置：如西门子的数字式提升机控制器（Digitalwidercontroller）和ALSTHOM的提升机安全监控装置（MHSE），使安全保护性能又有了新的提高。其主要体现在以下几方面：l高性能控制器的提升过程控制随着计算机控制技术的发展，各种功能完善、运算速度快的高性能控制器被应用到矿井提升机的提升过程中，实现实时监控，并具有故障诊断功能，提高了系统的可靠性。2提升行程控制对于提升机的行程控制实际上就是一个位置控制，即保证提升容器完成从启动、加速运行、等速运行、减速、低爬等各种操作，能在预定地点准确停车。通过各种传感器采集提升机运行的工况信息并进行处理，由微机计算出罐笼准确的位置而施以控制和保护。3提升过程监视对提升过程中各工况参数(如速度、电流)、各主要设备运行状态（开车、减速）和多传感器(如位置开关、停车开关)信号进行监视，及时获得各种故障信息并进行处理，可以大大减少事故发生率。4安全回路1绪论-3-随着矿井提升机电控系统的飞速发展，提升机原有的几大保护正逐步被加强和完善，保护已趋向程序控制化，软硬件结合化、多重化方向发展。当提升机在出现机械或者电气故障时，安全回路能够控制提升机进入安全保护状态。一般采用的有控制安全回路继电器的硬件方式和由程序控制将一些故障点通过固定的编程软件的方式在发生故障时封锁控制脉冲和进行液压制动。目前国外一些公司采用的有通过两台PC微机构成具有完善故障监视功能的安全回路，在故障发生时能准确地实施安全制动。5全数字化调速系统控制全数字化系统具有硬件结构简单、参数稳定且便于调整、并能上位机进行通信等优点在电气传动领域的许多工业现场得到广泛应用。80年代，国外一些工业发达国家的公司相继推出了形成系列化标准产品全数字直流调速系统。如德国AEG公司的LogidynD(32位机)、ABB公司的Tyrak(16位机)以及西门子公司的SiemadynD(16位机)1。随着电子技术和计算机应用技术在提升机机械和电气传动技术中的应用，提升机的电气控制系统更是得到了日新月异的发展，如ABB公司、德国西门子等公司产的自动化提升系统，在基于“上位计算机监控+PLC控制+微处理器多数字调节+可控硅变流+拖动电机”的模式，提升系统的自动化水平和信息化管理得到了很大提高。我国自身在矿井提升机电控系统的研究、设计、制造和使用方面也取得了长足的进步。在早期采用的是发电机-电动机直流调速系统（G-M系统），90年代以后投产的中、大型矿井的提升机多数采用磁场换向的晶闸管直流可逆调速系统（V-M系统）。近年来为适应生产需要，许多煤矿陆续开始对老式落后的提升机电控系统进行改造，提升机电控技术水平得到了一定的提高，但与国际水平相比仍存在着较为明显的差距。特别是在网络化、信息化、大功率化等方面差距更大，同时与煤炭生产的快速发展不相适应。总而言之，矿井提升系统目前的状况和存在的问题主要体现为：1我国在用提升系统电控总体技术水平落后，可靠性差。（1）安全性能差设计原理落后，元件质量不高，事故率高，20世纪80年代中曾造成提升事故占矿井机电二类事故中60以上。（2）控制性能差，能耗高系统的传动控制，除等速段外，大多数系统约占13以上运转时间，工作在能耗很大的工况条件下，效率一般仅在70甚至更低，加之控制特性不好，更加-4-增长了空运转时间，使能耗加大。（3）自动化程度低，操作、维护困难目前在用提升机电控系统多数仅以完成主要功能的目标，无法可靠实现自动化控制及相应的监视等，且操作和维护工作量大，费时、费力，运行成本较高。2现有多数新产品的技术性能还有待进一步完善提高，必须采用网络化等先进技术来提高技术水平。自20世纪80年代末，因客观需要国内采用计算机等新技术，在提升机电控领域中相继开发出一些产品和系统，并开始推广应用。由于缺乏必要的理论和试验研究支持，在涉及安全可靠性、抗干扰能力、系统控制原则等重要技术性能方面以及在工作效率、维护使用特性等方面未能达到国家标准和实际需要，产品的技术还有待于进一步完善提高。淮南矿业集团有着几十年的开采煤炭的历史和经验，集团内即有资源匮乏的老矿，也有储量丰富的新矿，新老矿的机电设备也存在很大的区别。在煤矿中属于技术较先进的矿井提升机的差别就更大了。从表1和表2中我们可以看出淮南矿区的矿井提升机的发展经历了的几个阶段。淮南矿区矿井提升机的发展正朝着大功率，高精度，数字化、全行程控制等方面发展。随着计算机控制技术、网络通信技术等的飞速发展，信息交换沟通的领域正在迅速覆盖工业控制的现场和工厂管理的各个层次。信息技术带来自动化系统结构的变革，逐步形成网络集成自动化系统为基础的企业信息系统。如矿山电网综合自动化系统、副井绞车自动控制系统，矿井通风计算机管理系统等。尤其计算机控制技术和网络技术在矿产行业中应用，不仅改变了传统矿产行业技术和产业结构，它们更是极大地提高了矿业的产量和生产的安全性，为企业的生产自动化和管理的信息化奠定了基础。在早期的工业控制中，受当时生产发展规模的限制，用来检测现场信号的仪表只具备简单测控功能，各测控点为封闭状态，与外界无法进行信息的交换。操作人员对于生产过程状况的了解也只能靠通过巡视生产现场才能实现。随着生产规模的扩大，需要采集来自于现场的多点信息并进行处理。通过电动、气动单元将采集到的模拟信号送到集中操作室，工作人员可以对生产过程的状况进行监视成为主要方式。但是这种控制系统的精度不高，并且抗干扰能力差。数字控制器的出现逐渐代替了几乎所有的仪表，并发展形成目前企业采用的分散控制系统（DCS）。DCS通过分散控制、集中管理的思想完成生产过程的优化。DCS系统中的通信是自封闭的专用网络，在现场自动化设备和外界之间难以实现信息交换。1绪论-5-表1淮南矿区不同时期的提升机Table1thehoisttypeofHuainanindifferentperiod煤矿名称提升种类一次提升量（吨）拖动方式保护方式提升钢丝绳数投产日期谢一主井、单绳缠绕式7八段电阻加速有级调速继电器保护155年潘三副井、多绳摩擦式16同步电动机-直流发电机-直流电动机机组控制继电器保护692年谢桥主井、多绳摩擦式20大功率交-交变频全数字调速系统微机软、硬件冗余保护696年张集主井、多绳摩擦式40大功率交-交变频全数字调速系统微机软、硬件冗余保护401年表2淮南矿区同一时期的提升机（以谢桥为例）Table2Table1thehoisttypeofHuainaninsameperiod名称提升种类一次提升量（吨）保护方式提升钢丝绳数拖动控制方式矸石井单绳缠绕式3继电器保护1八段电阻加速的继电器控制有级调速系统副井多绳摩擦式6微机软、硬件冗余保护4西班牙全数字控制的直流调速系统主井多绳摩擦式20微机软、硬件冗余保护6西门子全数字控制的大功率交-交变频调速系统现场总线就是适应这种工业现场环境的需求下出现的一种数字式、双向传输和多分支结构多点通信的网络总线。现场总线主要是用来解决生产过程现场设备之间及其与更高一级控制管理系统之间的数字通信。其在煤矿的应用将自动控制-6-系统和设备进行了信息网络化，构成了企业信息网络系统，为企业信息集成化和综合自动化奠定了基础。PROFIBUS就是适应工业现场的需要而出现的开放式的现场总线。通过PROFIBUS构建网络化矿井提升机电控系统可以实现企业的底层控制网络，使生产、控制、管理与经营的统一成为可能。可以预见，根据矿井提升电控系统自动化，智能化和数字化的要求，在保证系统安全可靠性的前提下，将现场总线技术应用到提升机电控系统，实现煤矿网络化，能够为矿山企业创造明显的经济效益，必将有着广泛的应用前景。1.3研究意义本文采用数字化晶闸管驱动直流调速技术、计算机控制技术及网络技术，来改造原有的顾桥煤矿副井提升机系统。在设备的配套方面，选用C30直流调速系统和DCF800组成的全数字直流整流装置，以及可编程控制器对提升机的程序控制来优化设计各种计算机的配置。本着先进、可靠、安全、经济的原则，实现矿井的自动化、数字化、智能化及网络化。希望通过对顾桥矿副井电控系统的改造实现全数字直流控制技术在矿井提升机传动系统中的应用，并进行现场调试，以证明系统设计的正确性，保证系统运行平稳、安全可靠。（1）在分析和掌握矿井提升机行程控制原理的基础上，完成矿井副井全数字直流控制系统的设计，并使提升机实现不同运行方式下不同运行阶段的速度控制要求。（2）采用现场总线通信技术，使提升机电控系统实现网络数字化分布式运用控制，并用组态软件组成良好的人机界面，使提升机的运行参数动态集中显示，操作人员可对提升机运行状态进行实时监控。（3）现场调试，验证系统的正确性和可行性。对于本课题的实现不仅可以降低系统能耗、提高系统可靠性，而且通过网络监测功能，实现提升机信息化管理，能为矿山的综合信息化、现代化管理提供有效的技术手段，极大地促进矿山生产整体经济效益的提高。1.4论文章节内容本文整个结构体系围绕副井提升机计算机控制系统的设计与应用而展开:第1章介绍了课题来源、国内外在矿井提升机电控系统的发展现状以及本文1绪论-7-研究内容和研究意义。第2章介绍提升机行程控制的基本原理，建立速度图数学模型并分析得出实际的行程控制算法。第3章分析了通过（C30）系统实现提升机速度和电流双闭环调节的原理，并介绍了全数字直流传动控制系统（C30）的硬件和软件组成。第4章重点介绍了副井提升机PLC控制系统中的多功能深度指示系统、主控制系统、上位机管理系统和信号系统，和第3章对全数字直流调速系统的介绍相结合构成了对整个系统的完整阐述。第5章重点论述了副井提升机电控系统网络化的结构，介绍了系统各组成部分的主要功能以及他们之间的联系。同时进行了网络组态和系统软件结构的论述，给出了主控PLC程序结构图。最后结束语，对副井提升机计算机控制系统的设计和应用加以总结，并指出下一步的改进。-8-2矿井提升机行程控制系统的数学模型矿山副井提升机作为地面与井下生产重要的运输设备，矿井人员、物资设备的上下井都要靠其完成。因而它的安全可靠运行对保证矿井正常生产是非常重要的，对于其传动系统也提出了很高的要求。对于矿井提升系统控制精度是关键，也就是对于提升容器提升的位置、运行的速度和状态都要非常准确的控制。副井由于其运行情况复杂，需要升降人员和下放材料，各个提升水平都有停靠要求，因此电控系统十分复杂，提升机运行速度一般也比主井低。提升机拖动方式首先要满足生产工艺的要求，如满足运送物料要达到额定速度、运送人员要求低于额定速度、检查运行在0.31.0ms和低速爬行在0.10.5ms等。在对矿井提升机各种可能出现的运行速度图