基于VME总线的煤矿提升机控制系统研究.pdf

总第 1 9 3期 d o i 1 0 3 9 6 9 j is s n 1 0 0 5 2 7 9 8 2 0 1 5 0 9 0 2 3 基 于 V ME总 线 的煤 矿提 升机 控 制 系统研 究 韩进 军 潞安环能股份公司 常村煤矿 山西 长治0 4 6 1 0 2 摘要 针对现有煤矿国外提升机控制系统设备维护 后续备件供应等方面问题 采用 V ME总线技术开发 研究具有自主知识产权的新型同步电机传动矿井提升机交 一 交变频控制系统 并通过现场工业性试验 验 证了系统的可靠性 具有广泛的推广应用前景 关键词 煤矿提升机控制系统 V ME总线 交一交变频 中图分类号 T M7 6 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 5 2 7 9 8 2 0 1 5 0 9 0 0 5 8 04 提升机是煤矿 的大型 固定设备之一 担负着矿 井原煤 人员 设备 材料等提升任务 是矿井 的咽喉 要道 对矿井提升机控制系统提出了严格的要求 提 升机必须具备安全 高效 精确运行 的性能需求 目前 在煤矿主井提升机领域低速直联 大功率 交 一 交变频同步电机传动的矿井提升系统的应用比 较广泛 其 中典 型 的控制 系统为西 门子 S im a d y n D 全数字交 一交变频控制系统 而随着西门子控制系 统的升级换代 该变频控制系统已经停产 一旦控制 系统出现故障 将面临备 品备件无法得 到及 时供应 的情况 不利于煤矿的安全生产 文章基于 V ME总 线技术开展煤矿提升机同步 电机交 一交变频控制系 统研究 为矿井提升控制 系统 的安全可靠运行提供 保障 1 基 于 V ME总线的提升机 同步 电机交 一交 变频控制系统设计 V ME V e r s a Mo d u l e E u r o c a r d 总线是一种通用 的计算机总线 是一种开放式架构 它定义 了一个 在紧密耦合硬件构架中可进行互连数据处理 数据 存储和连接外 围控制器件 的系统 为 此系统选用 G E F A N U C生产 的 V MI C控制 系统进行 系统整体 设计 1 1 矿井提升机同步电机交 一交变频控 制系统基 本结构 矿井提升机同步电机交 一交变频控制系统结构 如图 1所示 其包括三相交流 电源 三相交 一交变 频器 同步电机 上位机 P L C逻辑控制 系统 V MI C 控制系统 信号系统 闸控系统 和检测系统 其 中 三相交流电源与三相交 一交变频器相连 为三相交 一 交变频器提供频率 固定 的电源 三相交 一交变频 58 器与同步电机相连 为 同步电机提供频率可变的电 源 检测系统与同步电机相连 检测同步电机电压信 号 电流信号 速度信号和位置信号 并将检测信号 传给 P L C逻辑控制系统和 V MI C控制 系统 P L C逻 辑控制系统与信号系统和闸控系统相连 实现逻辑 联锁控制与保护功能 上位机 P L C逻辑控制系统和 V MI C控制 系统三 者相 连 实现通 讯 与数据 交换 V MI C控制系统接收检测系统传来 的检测信号 经 过运算产生触发脉冲触发 三相交交变频器 其 中 V MI C控制系统是文章设计 的关键 其他采用原有 控制系统 图 1 系统结构 1 2 V MI C控制系统硬件设计 V MI C控制系统包括 C P U板一 C P U板二 反射 内存通讯接 口板 P r o f ib u s 通讯接 口板 模拟信号接 口板 数字信号接 口板 F P G A接 口板 码盘信号接 口板和电机控制板 上述接 口板都插在 V ME总线 机箱背板上 通过 V ME总线实现各接 口板之间的通 讯 C P U板一主要完成矢量控制算法 与双口R A M 进行通讯 系统工作状态显示 数据分析和人机界面 设计等功能 C P U板二完成 全数字行程控制功能 通过装在与卷筒相连的编码器 的输 出脉冲 进行井 筒深度的计算 然后根据位置速度图 产生相应的速 度基准值来驱动电机运转 该系统采用位置闭环控 收稿 日期 2 0 1 5 0 4 1 8 作者简介 韩进军 1 9 7 9一 男 山西屯留人 工程师 从事煤矿机电设备技术管理工作 韩进军 基于V ME总线的煤矿提升机控制系统研究 第2 4卷第9期 制技术来保证提升箕斗在预定地点准确停车 在 自 动运行模式时 行程控制依靠设定量 自动产生最佳 运行速度控制的位置速度图 在手动运行模式时 则 依据司机 台速度 主令手 柄的速度给定信 号进行计 算 给出行程设定曲线 如图 2所示 图 2 V M I C控制 系统 反射内存通讯接 口板可以实现多个控制系统之间 的远程通讯和实时控制 反射内存通讯接口板之间采 用光纤作为通讯介质 可 以满足相距 1 0 k m的控制系 统之间的通讯 且通讯速度最高可达 1 7 4 M b y t e s 可 以实现系统之间的实时控制 P r o fib u s 通讯接 口板用 于带有 P r o fib u s接 口的 底层设备之间的通讯 该接 口板采集故 障信号 反 馈信号和输出命令信号 P r o fib u s 通讯速度最高可 达 1 2 Mb it s 可以满足实时性要求不高的通讯和控 制要求 模拟信号接 口板用于将模 拟调试 给定信号 电 压及 电流传感器输 出的模拟信号转换成数字信号 同时 可以将关键变量 由数字信号转换成模 拟信号 并输 出 便于进行实时调试与监控 数字信号接 口板用于采集现场底层设备的数字 信号 开关状态信息 并传递给 C P U板一和 C P U板 二 同时通过数字信号输 出 将控制系统的状态和控 制命令传给子设备 实现与子设备信息交换与监控 码盘信号接 口板接收增量式码盘和绝对值式码 盘信号 并将信号转化为数字量传输给电机控制板 电机控制板包括 D S P控制系统 F P G A控制系 统 同步电压接 口电路 脉 冲驱动接 口电路 和 A D 采样接 口电路 如 图 3所 示 电机控制板采集 F P G A接 口板的双 口 R A M中的信息 并上传给 C P U板 一 C P U板一综合 以上信息并结合 电动机模 型完成 交交变频的矢量控制任务 产生 电压前馈信号和交 流电流给定信号 并通过刷新 F P G A接 口板 的双 口 R A M 下传给电机控制板 电机控制板接到 C P U板 一 下传的电压前馈信号和交流电流给定信号后 综 合电压和电流实际检测值以及零 电流 中断信号 进 行电流调节器 电流断续补偿和触发角的计算 产生 正反组切换信号和触发角信号 控制信号最终发送 给三相交交变频器 图 3电机 控 制 板 1 3 V MI C控制系统软件设计 在基于 V ME总线同步电机交交变频控制 系统 中 V MI C系统软 件 开发 通过 I O Wo r k s软 件实 现 1 0 wo r k s 是一种采用了实时开放架构基 于 I P C的软 逻辑控 制 软件 可 运 行在 标 准 操作 系 统 Win d o w s N T 具有实时扩展功能的 Win d o w s N T 以及 实时操 作系统 v x wo r k s 环境下 来进行数据采集 以及开发 任意规模和类别的 独立于硬件平 台的复杂过程控 制系统 V MI C系统软件主要完成两方面的任务 1 同步电机交 一交变频调速系统 闭环控制 V MI C系统根据速度给定信号 从双 口 R A M 中读取 反馈信号 2 启 停逻辑和保护控制 V M I C系统从 1 0 板中读取启停控制信号 并通过启 停逻辑向 D S P系 统发出各种控制信号 V M I C系统对各种反馈信号进 行判断 如果出现故障向D S P发出封锁脉冲信号 1 4 F P G A系统软件开发 F P G A系统软件开发分 为两部分 码 盘信号接 口板 中的 F P G A软件开发和 电流环控制板 中的 F P G A软件开发 其中 码盘信号接 口板中的 F P G A软 件开发通过 Q u a r t u s 7 2软件实现 主要功能是对绝 对值编码器和增量式编码器的输出信号进行处理 得到所需 的转子位置角和转子速度信息 并传递给 V M I C系统 电流环控制板 中的 F P G A软件开发通 过 MA X p l u s I I 软件实现 主要完成如下功能 双 口 R AM 采样数据处理 脉冲信号生成和零 电流信 号中断生成 D S P系统和 V MI C系统之间的数据交换通过双 口 R AM实现 双 口RA M是一个具有两套独立的数 据总线 地址总线和读写控制线的 S RA M存储器 允 许 两个独立 的系统 同时对该存储器 进行 随机性 访 问 其最大的特点是数据共享 为了保证数据 的正确交 换 通过权限仲裁电路来分配双 口RA M 的使用权限 该系统采用 F P G A芯片编程模拟实现双口 RA M使用 权限仲裁电路 硬件电路原理如图4所示 电路采取