（控制理论与控制工程专业论文）矿井提升机直流调速拖动及其电控系统的研究与设计.pdf

声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体。均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作一乌? 一1 3 1 霉1 ：2 衄! 尘：2 竺 论文作者签名：z 兰兰一：兰竺f ! ! ：2 竺 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) o 签 。彳孑j 名：坌兰兰： 导师签名：! 丕丝兰e t 翦i ：鲨2 ：兰：兰 太原理工大学硕士研究生学位论文 矿井提升机直流调速拖动及其电控系统的研究与设计 摘要 矿井提升机在煤矿生产中起着非常重要的作用，它是矿山生产的关键设 备。提升机电控装置的技术性能，既直接影响矿山生产的效率及安全，又 代表着矿井提升机的发展的整体水平。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，采用品闸管整流传动( s c r - d ) 的只占一部分。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。 淮南矿业( 集团) 公司望峰岗煤矿主井提升机电控设备为f d 控制系统， 是上世纪五十年代由前苏联援建，采用直流发电机+ 继电器控制，经过近 五十年的使用，设备严重老化，已经不能适应当前的生产需要。进入9 0 年 代以来，随着计算机和数字技术的发展，组成一套全数字控制系统已经成 为可能，全数字直流调速电控系统在我国矿井提升机s c r - d 系统中已开始 广泛应用，它从根本上改变了f - d 控制系统的缺点，并具有其它控制系统 无法比拟的优点。 本论文以该煤矿主井提升机改造项目为基础，对矿井提升机拖动及电 控系统改造设计提出了详尽的需求分析，在基于“上位计算机监控+ 下位 多p l c 控制+ 微处理器多数字调节+ 可控硅变流+ 拖动电机”的模式下， 通过对现有矿井直流提升机控制系统、主井装卸载系统和提升信号系统的 自动化改造，用p l c 控制取代人工操车，实现提升机的各种安全保护及自 太原理工大学硕士研究生学位论文 动开车功能，实现提升机的全自动运行；并通过上位机监控系统，提高矿 井生产现代化管理水平，实现主井自动化提升。设计内容主要包括：针对 直流提升机的复杂工况，提出一种模糊参数自适应p i d 控制策略，解决大 功率系统中非线性震荡问题，从而提高提升机的速度控制精度和运行稳定 性；构造多p l c 冗余控制系统，开发出双p l c 提升机行程控制器和p l c 、继 电器双线制安全回路、提升自动化p l c 控制网络等；采用全数字直流传动 系统对原“f + d ”系统的改造；建立基于模糊控制的提升机传动系统与制动 系统协调控制算法，解决开车时因松闸太快提升机重载侧突然下落，或松 闸太慢提升机受到电流冲击的历史疑难问题；采用v b 6 0 语言开发提升机 监控软件，并运用w i n s o c k 、a c t i v e x 控件技术实现提升机运行参数和运行 状态在网上的发布功能，从而实现系统远程监控和网络化管理。 整个控制系统自改造完成投入运行以来，运行平稳安全、节电效果十 分显著，不但对提高矿山提升系统工业的现代化装备水平有推动作用，而 且产生了显著的经济效果，极大地提高了煤矿的生产效率。 关键词：矿井提升机，直流调速，可编程逻辑控制器，计算机控制，改造 太原理工大学硕士研究生学位论文 r e s e a r c i ia n dd e s i g no nd ca d j u s t i n g s p e e dd r i v ea n de l e c t r i c c o n t r o ls y s t e mf o ra h o i s t a b s t r a c t t h em i l l eh o i s t sa r ev e r yi m p o r t a n tf o rc o a lp r o d u c t i o n t h e ya r ek e y e q u i p m e n t s t h et e c h n i c a lp e r f o r m a n c e so f h o i s te l e c t r i cc o n t r o ld e v i c e sn o t o n l ya f f e c tt h ee f f i c i e n c ya n ds a f e t y ，a l s or e p r e s e n tt h ed e v e l o p m e n tl e v e lo f m i n eh o i s t n o w , i no u rc o u n t r y , t h e9 0 p e r c e n to f m i n eh o i s t sa d o p t c o n v e n t i o n a la ca s y n c h r o n o u sm o t o rd r i v eb e l o w1 0 0 0 k w p e rs i n g l eo n e t h e yr e g u l a t es p e e du s i n gs e r i a lr o t o r sa n dc h i pr e s i s t o r s ，c o n s t r u c tl o g i cc o n t r o l d e v i c eb yr e l a y sa n dc o n t a c t o r s t h em a j o r i t ye m p l o y se l e c t r o m o t o r g e n e r a t o r s e t s ，a n dt h em i n o r i t ya d o p t st h y r i s t o rr e c t i f i e rd r i v e r s t h eo b v i o u s s h o r t c o m i n g so fc o n v e n t i o n a la c d r i v es y s t e m sa r ea sf o l l o w s ：p o o r s p e e d a d j u s t i n gp e r f o r m a n c e ，ag r e a td e a le n e r g yw a s t eb yt h er e s i s t o r sd u r i n gs p e e d a d j u s t i n gp r o c e s s ，o l ds e t t i n gw a y ，b a dc o n t r o lp r e c i s i o n ，f a u l t ys a f e t yp r o t e c t i o n a n dm o n i t o r i n gp a r t s ，p o o rs a f er e l i a b i l i t y ，al o to f m a i n t e n a n c ew o r k l o a da n d u n e c o n o m i c a lr u n t h ef - dc o n t r o ls y s t e mi su s e db ye l e c t r i cc o n t r o lo f m a i nw e l lh o i s ti n w a n g f e n g g a n gm i n e ，h u a i n a nm i n i n gc o m p a n y ，w h i c hi sb u i l tb yf o r m e r r u s s i a i n1 9 5 0 s t h ec o n t r o ls y s t e me m p l o y si ) cg e n e r a t o r sa n dd e l a y s n e y a g e d a f t e rm o r ef i f t yy e a r sr u n , a n d 吐l e yc a n n ts a t i s f yc u r r e n t p r o d u c t i o n r e q u i r e m e n t s s i n c e1 9 9 0 s ，i th a sb e c o m ep o s s i b l et ob u i l da s e to f w h o l ed i g i t a l c o n t r o ls y s t e mf o rt h ec o m p u t e ra n dd i g i t a lt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t t h ew h o l e d i g i t a ld cs p e e da d j u s t i n gs y s t e m sh a v eg e n e r a l l yb e e na p p l i e di nw e l lh o i s t s c r - ds y s t e mi no u rc o u n t r y t h e yc o r r e c tb a s i c a l l yf - dc o n t r o ls y s t e m s h o r t c o m i n g sa n dh a v eg r e a ta d v a n t a g e sc o n t r a s tt oo t h e rc o n t r o ls y s t e m s t h i s 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 p a p e ri sb a s e do na l t c r a t i o np r o j e c tu 0 1 1 。u 1 - i c - m a i nw e l lh o i s ti nt h i sm i n e t h ep a p e rp r o p o s e sd e m a n da n a l y s e sf o rm i n eh o i s td r i v ea n de l e c t r i c c o n t r o ls y s t e ma l t e r a t i o n ，a d o p t st h em o d eo f h o s tc o m p u t e rm o n i t o r i n g + l o w e rm u l t i - p l cc o n t r o l l i n g + m i c r o p r o c e s s o r m u l t i - d i g i t a la d j u s t i n g + m o t o r d r i v i n g ”w ea l t e ro r i g i n a ld c h o i s tc o n t r o ls y s t e m m a i nw e l ll o a d & u n l o a d s y s t e ma n dh o i s t i n gs i g n a l ss y s t e mf o ra u t o m a t i o n t h ew h o l es y s t e mu s e sp l c c o n t r o li n s t e a do fm a n u a lo p e r a t i o n ，r e a l i z e sm a n yk i n d so fs a f ep r o t e c t i o n sa n d a u t o m a t i cr u nf f m c t i o nf o rh o i s t ，h o i s t sm a i nw e l lh o i s ta u t o m a t i c a l l y t h em a i n d e s i g nc o n t e n t sa r ef o l l o w i n g s i nl i g h to f t h ec o m p l i c a t ei n d u s t r i a ls i t u a t i o no f d ch o i s t ，t h i sp a p e rp r o p o s e sf u z z yp a r a m e t e r ss e l f - a d a p t i v ep i dc o n t r 0 1 t h i s m e t h o ds o l v e sn o n l i n e a rv i b r a t i v ep r o b l e mo f h i g h p o w e rs y s t e m ，i m p r o v e s s p e e dc o n t r o lp r e c i s i o na n d r u ns t a b i l i t yf o rh o i s t t h ep a p e rb u i l d sm u l t i - p l c r e d u n d a n tc o n t r o ls y s t e m ，d e s i g n sd o u b l ep l ct r a v e lc o n t r o lf o rh o i s ta n d t w o l i n es a f ec i r c u i tl o o po f p l ca n dd e l a y ，p r o p o s e sp l cc o n t r o ln e t w o r ko f h o i s ta u t o m a t i o ne t c t h ep a p e ru s e sw h o l ed i g i t a ld cd r i v es y s t e mt oa l t e r o r i g i n a l “f + d ”s y s t e m p r e s e n t sf l c b a s e dc o o r d i n a t i n gc o n t r o la l g o r i t h mf o r h o i s td r i v ea n db r a k es y s t e m ，s o l v e sh i s t o r i c a ld i f f i c u l tp r o b l e m s t h ep r o b l e m s a r eh o i s t sl o a ds i d es u d d e n l yd e c r e a s e sd u r i n go p e r a t i n gt h ed e v i c eb e c a u s eo f b r a k et o of a s tr u n n i n g ，o rh o i s tw i t h s t a n d sc u r r e n ts h o c kb e c a u s eo fb r a k et o o s l o w l yl o o s i n g w ep r o g r a mh o i s tm o n i t o r i n gs o f t w a r eb yv b 6 0l a n g u a g e ， r e a l i z en e t w o r k p u b l i s h i n gf u n c t i o n sf o rh o i s tr u n n i n gp a r a m e t e r sa n ds i t u m i o n s b yw i n s o c k a n da c t i v e x t e c h n o l o g y ，i m p l e m e n ts y s t e ml o n g d i s t a n c e m o n i t o r i n ga n dn e t w o r km a n a g i n g t h ew h o l ec o n t r o ls y s t e mh a sr u na f t e rs e l f - a l t e r a t i o n t h ew h o l es y s t e m r u n ss t e a d i l ya n ds a f e l yw i t he f f i c i e n te l e c t r i c a le f f e c t s i th a s g r e a tp r o m o t i o n f u n c t i o n sf o ri n d u s t r i a la u t o m a t i ce q u i p m e n t sl e v e li nm i n eh o i s t i n gs y s t e m ，a n d a c h i e v e sd i s t i n c te c o n o m i ce f f e c t sa n d i m p r o v e sm i n ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c y 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 k e y w o r d s ：c o a lm i n eh o i s t ，d i g i t a ld c s p e e da d j u s ts y s t e m ， p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) ，c o m p u t e rc o n t r o l ，a l t e r a t i o n 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章引言 本课题研究的对象是煤矿矿井主副井( 提煤) 直流提升系统，以下称主井提升机。 项目来源于淮南矿业( 集团) 公司望峰岗矿主副井的提升机系统改造，目标是通过对矿 井直流提升机传动控制系统、主井装卸载系统和提升信号系统的自动化改造，用可编程 控制器( p l c - p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 控制取代人工操作，实现提升机的各 种安全保护及自动开车功能。从而使矿井主提升机在p i j c 控制下，完成提升系统全过程 的自动控制，达到提升机全自动运行：并在提升自动化的基础上，通过上位机监控系统 及现有的局域网设施，解决上位机监控系统，从而提高矿并生产自动化水平和现代化管 理水平1 1 嘲嘲o ”。 本文论述的主井提升机全自动化控制系统实现了矿井提升机数字化调速、自动化控 制和人机界面的管理，提高了主井的提升能力和生产效率，降低了能耗、维护工作量、 故障率和相关费用，促进了矿山企业的科技进步和生产力的发展，为矿山企业的现代化 建设增添了新的内容，为矿山企业的安全生产提供了有力保证。 这套主井提升机全自动化控制系统是以矿井提升机为主要目标开发的，但还可以推 广应用到其它大型设备( 如轧杌、钻机、转窑、风机、水泵等) 的电力传动系统中。所 以，该系统是具有非常广阔的推广应用前景0 1 的。 1 1 立项背景 矿山电力拖动系统( 如提升机、钢缆皮带等) 广泛应用于煤矿、有色金属、黑色金 属及化工等行业，承担矿物的提升、人员的上下、材料的运送等任务，是矿山大型咽喉 设备，其性能的好坏直接影响矿山的生产和人员的生命安危。 目前在西方发达国家，矿山电力拖动系统已普遍采用了全数字控制技术，如交交交 流拖动的全数字变频控制、直直交拖动的全数字调速控制等。目前交交变频技术在冶金 自动化设计研究院和天津电气传动研究所应用的比较多，交直交变流技术目前还处于探 索阶段。 九十年代前，我国矿山交流拖动一般采用“异步电机+ 转子串电阻加速+ 高压接触 器换向+ 动力制动减速+ 继电器控制”的传统控制方式；直流拖动在七十年代前一般采 用“发电机一电动机机组+ 继电器控制”即”f + d ”控制方式，或采用“可控硅供电一 太原理工大学硕士研究生学位论文 一电动机+ 模拟调节+ 继电器控制”的控制方式，上述拖动方式存在能耗大、运行效率 低、占地面积大、噪音高、维护困难、分立元件多、参数分散性大、可靠性低、控制方 式陈旧、技术落后等缺尉啪m 。 进入九十年代，一方面，我国新建矿井从国外引进了一部分全数字控制的电力拖动 系统，运行效果很好，但价格昂贵。需花费大量外汇，明显不适应我国市场经济的发展 需求；另一方面，国内相关行业科研单位和生产厂家也开始对提升机全数字控制技术进 行研究开发，但绝大部分所走的技术路线是购买国外通用全数字控制器，然后自己组装 调试，没有独立的知识产权，时刻被国外公司牵制，仍未从根本上解决问题。 由于全自动化控制系统的安全可靠运转，具有“异步电机+ 转子串电阻加速+ 高压 接触器换向+ 动力制动减速+ 继电器控制”的传统控制方式和。发电杌一电动机机组+ 继电器控制”控制方式无法比拟的优点，因此国外发达国家在各工业领域大力发展全自 动控制技术。就矿井提升机拖动控制面言，德国西门子公司和瑞典a b b 公司的全自动控 制系统代表了世界领先水平。我国近年来引进的提升机中，9 8 n , 6 是西门子和a b b 的产品。 但是近年来，随着我国电力电子技术的发展，我国也在在这一领域做了大量卓有成效的 研究，开发了自有知识产权的全数字控制系统，目前已经开发出几套样机，表1 1 为几 种产品的性能比较： 冶金自动化设计研究院 性能指标 b b 公司西门子公司 ( 金自天正公司) 输入电压 3 3 k v 3 k v 以上3 、6 、1 0 l 【v 输出频率0 6 6 f i zo 6 0 f l zo i 0 0 h z 输出功率 3 0 0 k w 3 0 0 0 k w 3 0 0 k w 1 0 0 0 0 k w2 0 0 k w 3 0 0 0 k w 效率大于9 8 大于9 7 大于9 7 闭环调节p i d 调节 p i d 调节模糊控制闭环调节 功率因数大于0 9 5大于0 9 5 大于0 9 6 表1 1 交交变额性能比较 t a b l e l ic o m p a r eo f p e r f o r m a n c ef o rs 伽ea c - a cf r e q u e n c yc o n v e r s i o n p r o d u c t s 本课题就是在上述背景下提出的，其目的在于采用先进的计算机控制技术和现代电 力电子技术，研究开发科技含量高、具有自己独立知识产权的提升机全自动化控制系统， 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 在控制方式和性能上达到国外先进水平。 1 ，2 主要研究内容 本课题研究的对象是煤矿矿井主井直流提升系统，目标是基于“上位计算机监控+ 下位多p l c 控制+ 微处理器多数字调节+ 可控硅变流+ 拖动电机”的模式。通过对现有 矿井直流提升机控制系统、主井装卸载系统和提升信号系统的自动化改造，用p l c 控制 取代人工操车，实现提升机的各种安全保护及自动开车功能，实现提升机的全自动运行； 并通过上位机监控系统，提高矿井生产现代化管理水平，即实现主井自动化提升。 本课题主要研究内容有： ( 1 ) 针对直流提升机的复杂工况，提出一种模糊参数自适应p i d 控制策略，解决 大功率系统中非线性震荡问题，从而提高提升机的速度控制精度和运行稳定性。 ( 2 ) 构造多p l c 冗余控制系统，开发出双p l c 提升机行程控制器和p l c 、继电器双 线制安全回路、提升自动化p l c 控制网络等。 ( 3 ) 采用可控硅变流技术、全数字直流传动系统对原“f + d ”系统进行改造。 ( 4 ) 建立基于模糊控制的提升机传动系统与制动系统协调控制算法，解决开车时 因松闸太快提升机重载侧突然下落，或松闸太慢提升机受到电流冲击的历史疑难问题。 ( 5 ) 采用1 i r b 6 0 语言开发提升机监控软件，并运用w i n s o c k 、h c t i v e x 控件技术实 现提升机运行参数和运行状态在网上的发布功能，从而实现系统远程监控和网络化管 理。 ( 6 ) 对现有主井定重装载的装卸载系统的p l c 技术进行自动化改造。 综上所述，本课题重点要解决主井装卸载系统的自动化改造、矿井主提升系统全自 动安全运行，以及网络化远程监控等技术难题。 该项目自2 0 0 4 年6 月提出项目需求，经实地考察、项目调研、项目论证后于2 0 0 5 年4 月开始正式实旌，至2 0 0 6 年1 0 月初完成改造、2 0 0 7 年1 月初步通过工程验收。期 间项目组人员合计7 人( 初期3 人) ，笔者作为项目组成员于2 0 0 6 年2 月底加入项目组， 主要参与了提升机传动控制系统，特别是可控硅交流部分的设计和实施，另外部分参与 了多p l c 冗余全自动控制系统方案的研讨设计，对上位机画面和通讯方式的设计提出了 意见。 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 3 国内外现状 矿井主提升机全自动化控制技术有着一定的历史。第二次世界大战以后，随着模拟 电子技术的成熟，以苏联为代表的一些国家的煤矿企业运用成熟的模拟电子技术，结合 主提升系统的特点，实现了主井提升机的自动化控制，这种控制是在直流调速绞车的基 础上，对绞车的操车系统进行控制，多种实时数据的采集主要依靠模拟量、继电器、测 速发电机、磁放大器等大量的测量元件，设备多，体积大，占地面积多，初期投资成本 大。而且由于使用模拟技术，不宣判断故障，只能依靠技术娴熟的员工去判断，处理事 故时间长，提升效率受到一定的影响。伴随p l c 可编程控制器的出现，以德国为代表的 一些国家以p l c 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，故障显示和故障定位可以在人机界面上很容易的实现，这样极大的提 高了故障处理速度，提高了工作效率。 近几年来，国内一些大型矿井，如兖州、神华、淮南等企业从国外引进了一些先进 的提升机，如a b b 公司，德国西门子等公司产的自动化提升系统，也是基于“上位计算 机监控+ 下位多p l c 控制+ 微处理器多数字调节+ 可控硅交流+ 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，但由于进口设备价格昂贵，备件国 产化能力低，须依赖进口。 随着世界电力电子技术的发展，以及交流同步机传动的开发和生产，矿井提升机传 动装置又向交流传动方式发展。目前我国大容量交一交变频器供电的交流同步机传动系 统已被成功应用( 冶金自动化设计研究院在2 0 0 5 年成功的在淮南张集矿投产) ，全数字 化的自动提升机已经成为当今矿井提升技术的发展方向。 1 4 研究意义 众所周知，煤炭企业是高危行业，矿山安全直接关系到国家、企业和每个家庭的利 益。矿井提升机作为矿山企业的关键设备，对矿山的高效、安全生产和经济运营具有极 其重要的意义。它不仅装机容量大，是矿山的主要耗电大户，而且直接关系到矿山的安 全生产状况。 另外，自七八十年代以来，我国煤炭生产企业从欧洲引进相当数量的直流拖动提升 机，如今这些设备和系统已经老化或损坏，而原厂家已不再生产，系统技术性相对落后， 不适应矿山的远景发展，必须进行国产化改造以适应企业的发展和民族工业的振兴。 太原理工大学硕士研究生学位论文 矿并主提升机作为个典型的位势力矩负载，要求其拖动电动机在其机械特性的四 个象限内频繁周期性的启动、制动和反向运行，对其在运行过程中的加速度、减速度以 及各阶段的行程和最后的停车位置都有精确的要求和严格的限制。这对提升机安全保护 和现场管理人员的安全操作提出了更高的要求。特别是煤炭企业要走新型工业化道路和 矿井大型化、巨型化的发展方向，提升机系统全自动化控制问题成为矿山企业提高核心 竞争力和提升矿山自动化水平的重要标志，它的实现及改造对保证矿井的安全生产和效 益具有重要意义，而且对发展电力传动学科和技术也有重要的价值嘲。 矿井提升机全自动化运行的实现将极大的提高系统的可靠性、运行效率，以及控制 的精确性，减少人为因素的影响，使主提升系统成为具有自动判断、显示故障，自我调 整运行速度，多重互锁和后备保护，实现远程监测等全自动化、智能化的控制系统。为 矿山进一步实现数据采集离散化、设备控制智能化、调度操作集中化、生产管理信息化、 ， 办公管理自动化等综合自动化矿井打下坚实的基础。 1 5 总体思路 矿并提升机主要承担矿物的提升、人员的上下和材料的运送等任务，它应能按照预 定的力图和速度图，在四象限实现平稳起动、等速运行、减速运行、爬行和停车，而且 在运行过程中要有极高的可靠性。根据上述工况要求，本系统采用数字化控制技术构造 提升机驱动控制系统；应用p l c 技术实现装卸载系统自动化改造；采用多p l c 冗余控制 系统实现自动化提升；采用上位机监控技术完成提升机运行参数和运行状态的网络化管 理与网络传输。 系统主要运用多p l c 冗余控制技术与安全回路一起形成双p l c 提升机行程给定控制 和继电器双线制安全回路控制，不断完善主井装载系统及信号系统自动化的前提下，将 人工操作提升机改为依提升速度图、力图，由计算机自动控制提升机的启动、加减速和 停车，减少人为操作时问，提高提升效率，提高系统安全性和可靠性。而且系统需将提 升机的运行状态参数发布到局域网或i n t e r n e t 网上，为此在现有上位机操作环境下， 选择v b 开发语言，自主的开发套上位机可视化监控系统软件，使该软件既能为现场 提供一个可视化服务平台，又能将提升机的运行状态参数发布到局域网或i n t e r n e t 网 上，可供多位工程技术人员在任何地方( 能上局域网或i n t e r n e t 网的地方) ，随时浏览 并监控提升机的运行状况。 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 6 技术方案 整个系统主要由电控系统自动化、传动控制系统、装卸载系统自动化、系统网络化 四大部分组成，各组成部分的技术方案如下： 1 6 1 自动化系统控制方寨 电控系统的整体设计包括整流单元、全自动化调节硬件、软件单元和多p l c 冗余控 制系统四部分。通过多p l c 冗余控制网络与安全回路一起形成双p l c 提升机行程给定控 制和继电器双线制安全回路控制，依据基于模糊参数白适应p i d 控制调速器的基本原理 和基于模糊控割的液压制动系统与传动系统协调控制算法将人工操作提升机改为依提 升速度图、力图，计算机自动控制提升机的启动、加减速和停车，减少人为操作时间， 提高提升效率，提高系统安全性和可靠性。 1 6 2 传动系统控制方案 传动控制系统采用s i e m e n s 公司的全数字调速系统s i m o r e gd c 一姒s t e r6 r a 7 0 ，该 调速系统采用两个高效能的微处理器( c 1 6 3 和c 1 6 7 ) 承担电枢和励磁回路所有的调节 和传动控制功能。调节功能在软件中通过参数构成的程序模块来实现，从而得到非常精 确的速度和转矩控制。 所有的控制、调节、监控及附加功能都由微处理器来实现，系统结构可软件组态， 可以对电流调节器、速度调节器、励磁电流调节器、电机磁化曲线等进行自动优化，从 而实现系统的最佳控制。装置本身具有完善的故障诊断、报警、显示和保护功能。给定 和反馈可以为数字量或模拟量。 1 6 ，3 装卸载系统自动化方案 装卸载系统整体设计包括装载站、卸载站和提升车房监控站三部分。主要运用p l c 技术实现对装载给煤机、皮带、定量斗闸门等元件进行顺序控制，实现定重装载，满足 提升信号的要求，并与提升信号发生逻辑关系，可以在车房观察到提升重量、元件的运 行状态等实时数据，并通过数据通信传导提升机上位机，便于网络化传输及提升工艺流 程控制自动化。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 6 4 系统网络化方案 系统网络化整体设计包括上位机监控系统网络组态和监控系统网络化发布两部分， 主要是基于w i n d o w s 操作系统，利用v b 语言开发提升机监控软件，使计算机在屏幕上 实时动态反映提升机系统的所有运行参数和运行状态；并运用w i n s o c k 、a c t i v e x 控件 技术实现提升机运行参数和运行状态在网上的发布功能，实现远程监控和网络化管理。 1 7 本论文所做主要工作 状； 根据论文要完成的任务和要解决的问题，本文完成了如下工作： ( 1 ) 介绍了矿井提升机研究和设计的背景和意义，调查并综述了当前提升机的现 ( 2 ) 提出了整个传动系统的设计方案； ( 3 ) 主要完成了直流传动系统的图纸的设计； ( 4 ) 传动系统各种电气参数的计算以及设备选型； ( 5 ) 参与了p l c 与上位机通讯的程序设计； ( 6 ) 参与了装卸载站p l c 程序的设计； ( 7 ) 参加完成了整个项目的调试工作。 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章主提升机自动化系统组成 2 1 主井提升及辅助系统技术参数 望蜂岗矿井隶属淮南矿业( 集团) 公司，位于安徽省淮南市，矿井设计年产量3 0 0 万吨，井口标高+ 2 9 2 m ，井底水平标高约- 9 6 0 米。图2 1 为提升机全自动化控制系统 结构设计图。 显 刁 打 印 操作台 提升机操作保护 p l c 行程监控 p l c 全数字 调节部分 可闸 控板 液压站 高压系统 整流变压器 整流装置 安全回路 ( 继电器) f 函司 p 柰l 巴 卸载站 jp l c 安全回路 卸载站 安全回路 图2 1 提升机全自动化控制系统结构图 f 9 2 1h o i s ta l la u t oc o n t r o ls y s t e mf l - a m c 1 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 2 主提升机自动化系统组成 主井提升机主要承担煤矿原煤的提升任务，它应能按照预定的力图和速度图，在 四象限实现平稳启动、等速运行、减速运行、爬行和停车，而且在运行过程中要有极 高的可靠性。根据主提升机上述工况要求设计了望峰岗矿新主井主提升机系统，提升 机的整体拖动控制系统如图2 1 所示。 图中，全自动控制的提升机拖动系统主要由主回路、全数字调节、多p l c 冗余控制 和上位机监控及装卸载控制系统五部分构成。 2 2 1 主回路 每台电动机的电枢回路采用两台整流变压器供电，其中一台为形接线， 另一台接成y 形接线，分别接到两台t c p 2 型可逆晶闸管交流柜，构成1 2 相可逆整 流电路。整流桥输出通过平衡电抗器并联后给电枢供电，可减少对电网的干扰，减少 高次谐波分量，提高功率因数，每台电动机励磁采用一台整流变压器供电，接线方式为 y ，接到一台西门子6 p a 7 0 装置上，构成全数字三相磁场系统。 2 2 2 全数字调节部分 根据实际使用需求，经多方产品比较，传动控制系统选用s i e b i n s 公司的全数字调 速系统s i m o r e 6d c - i a s t e r6 r a 7 0 ，该调速系统采用两个高效能的微处理器( c 1 6 3 和 c 1 6 7 ) 承担电枢和励磁回路所有的调节和传动控制功能。调节功能在软件中通过参数构 成的程序模块来实现，从而得到非常精确的速度和转矩控制。 所有的控制、调节、监控及附加功能由微处理器来实现，系统结构可以进行软件组 态，可以对电流调节器、速度调节器、励磁电流调节器、电机磁化曲线等进行自动优化， 从而实现系统的最佳控制。而且装置本身具有完善的故障诊断、报警、显示和保护功能。 给定和反馈可以为数字量或模拟量。 s i e 州s 公司的全数字调速系统s i m o r e gd c l i a s t 既6 r a 7 0 主要技术特点有： 电网电压允许波动：1 0 9 6 静态速度精度：0 0 1 ( 脉冲编码器反馈) 内置r s 4 8 5 或r s 2 3 2 通讯接口 多种网络通讯功能 1 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 一与p c 机及外部控制设备的连接u s s 通讯协议； - - p r o f i b u sd p ； 一传动点与传动点的直接通讯s i b l o l i n k ： 一点对点通讯； 参数自动优化功能： 一电枢电流调节器； 速度调节器； 一自动测取用于速度调节器预控制的摩擦和惯性力矩补偿量； 一自动测取电机的磁化特性曲线； 一励磁电流调节器； 弱磁时的电势调节器； 完善的故障监控与诊断功能： 一电网故障：缺相、过压、欠压、电网频率 一s c r 、快熔及风机故障 一传动装置过流 一电机过载保护 一测速机监控 通讯失败 一晶闸管故障 一外部故障 一软件示波器功能和故障状态记忆功能 操作面板o p i s 能储存参数组，通过写入可以很容易的传输到其它装置 2 2 3 多p l c 冗余控制部分 多p l c 冗余控制部分用来实现提升机系统的操作保护、行程监控和装卸载控制等 功能，具体设计如下： 1 、操作保护部分采用一台p l c ，其主要功能是执行操作程序，并实现各种故障保 护及闭锁。来自系统各部分的保护信号直接引入到p l c 中，p l c 将其处理后分为立即施 闸、并口施闸、电气制动和报警四类，送监视器显示故障类型、控制声光报警系统并施 太原理工大学硕士研究生学位论文 闸。系统的安全回路有两套，套由p l c 构成，另一套为继电器直动回路。 2 、行程监控部分由一台p l c 、两个轴编码器( 一个装在驱动控制器上，另一个装 在导向轮上) 和井筒开关构成，两个轴编码器将提升机钢丝绳在线速度和行程位置转 换成脉冲信号送入p l c ，经p l c 中的软件计算后，处理成罐笼在井筒中的位置和在线速 度，送到操作台监视器显示。这种以软件处理为主的行程跟踪方法在灵活性、可靠性 及精度方面都很高，只要选择分辨率较高的轴编码器，就可保证定位误差 2 c m ，因打滑 及钢丝绳伸长等原因造成的行程误差可通过井筒开关加以校正。 此外，p l c 还将部分操作信号、轴编码器信号、部分保护信号以及设定的一些行程 参数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。为了尽量减 少启动、制动过程中的机械冲击及提高提升机控制精度，速度给定信号的加速、减速 段为“s ”形曲线，减速段行程通过p l c 实际运算来调节减速度以保证其为一固定值， 从而保证了停车点不变和停车点的精度。 3 、p l c 控制的装卸载系统由提升机车房p l c 监控站、井口p l c 卸载站和井底p l c 装载站组成，各部分p l c 之间的信息传输采用r s 4 8 5 数据通信与i 0 传输并用的方式。 i o 传输用于闭锁、控制、保护信号的信息传输，r s 4 8 5 数据通信只用于模拟信号、状 态、故障信息的传输，不参与闭锁、控制、保护信号的传输。这样，一旦发生通信故 障，并不影响井筒信号及装卸载的正常运行。 2 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 2 4 操作台和监视器 图2 2 系统网络原理图 f i 9 2 2s y s t e mn e t w o r kp r i n c i p i u m 操作台由左操作台、右操作台和指示操作台三部分构成。左操作台上有制动手柄、 高压送电按钮、磁场送电按钮、快开控制按钮、安全复位按钮、紧停按钮、灯试验按钮、 闸试验按钮、过卷旁通按钮等。右操作台上有主令操作手柄、工作方式选择开关、控制 方式选择开关和信号联络按钮等。指示操作台左侧为监视器，指示台上有深度指示器、 重要操作信号和故障信号指示灯以及运行参数显示仪表。 监视器可实现人一机对话，它可显示主回路、低压配电回路、提升系统、液压制动 系统、装卸载系统和故障信息等画面，反映提升机所有的运行参数和运行状态，以及故 障类型和故障发生的时间。监视器能使司机对提升机的运行状况一目了然，若发生故障， 司机能及时从监视器上了解到故障的类型及位置，能及时通知维修人员排除故障，从而 缩短排除故障时间，提高劳动生产率。 太原理工大学硕士研究生学位论文 第三章主提升机传动控制系统设计 3 1 提升机现场条件 3 1 1 地理位置及基本概况 望峰岗矿井隶属淮南矿业( 集团) 公司，位于安徽省淮南市，矿井设计年产量3 0 0 万吨，井口标高+ 2 9 2 m ，井底水平标高约一9 6 0 米。 3 1 2 环境条件 海拔高度： 最高气温： 最低气温： 平均气温： 最大相对湿度： 矿井为高瓦斯矿井 3 1 3 供电电源情况 幻主电源 1 0 0 0 m 4 1 一5 1 4 7 9 5 望峰岗矿井在工业场地设一座1 1 0 k v 变电所，主变选用1 0 k v 母线，短路容量待 副井绞车房自设1 0 k v 变电所，内设两台1 0 0 4 k v 电力变压器； 1 0 k v 高压电源以两路电缆进线引自地面1 1 0 k v 变电所； 电源电压波动范围：1 0 电源频率：5 0 0 2 h z ”供电电压等级 地面高压电源： i o k v ，中性点不接地 太原理工大学硕士研究生学位论文 地面低压电源：3 5 0 2 2 0 v ，中性点直接接地 井下低压电源：6 6 0 v ，1 2 7 v ，中性点不接地 3 1 4 提升机运行情况 提升机运行条件： 井筒：井筒净直径中8 1 m 提升方式：装备一套1 5 t 双层四车双罐笼(