自动化毕业论文_数控技术在矿井提升机系统中的应用.doc

1 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 专业专业 函函 授授 站 站 新汶矿业职工大学新汶矿业职工大学 班级 班级 10 自动化控制专业自动化控制专业 设设 计计 人 人 李昆仑李昆仑 山东科技大学继续教育学院山东科技大学继续教育学院 年年 月月 日日 2 山山 东东 科科 技技 大大 学学 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 10 级 班学生 李昆仑 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 设计应解决下列各主要问题 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 设计应完成日期 设计指导人 签章 系 主 任 签章 院 长 签章 3 指导教师对毕业设计的评语指导教师对毕业设计的评语 指导教师 签章 年 月 日 4 特特 邀邀 评评 阅阅 人人 意意 见见 评阅人 签章 职 称 签章 年 月 日 5 答辩 考试 委员会鉴定意见答辩 考试 委员会鉴定意见 答辩 考 试 成绩 鉴 定 意 见 主 任 签章 副主任 签章 年 月 日 6 摘 要 本文在分析矿井提升直流传动全数字控制技术的基础上 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 进一步研究了部分子系统的功能开发 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行了运行调试 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 用提升系统控制基本原理 建立了实验开发模型 达到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 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 硬件安全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 7 目录目录 1 绪 论 8 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 8 1 2 矿井提升直流传动全数字控制技术研究现状及发展前 景 8 1 3 本文主要研究内 容 9 2 矿井提升直流传动理论分 析 10 2 1 直流传动系统概 述 10 2 2 直流传动系统的调速方 案 11 2 3 矿井提升机电气传动装 置 11 2 4 电气传动的计算机控 制 13 3 数控化提升机系统开发设 8 计 14 3 1 系统功能设 计 14 3 2 硬件总体设 计 21 3 3 系统软件设 计 23 4 数控化提升机电控系统在煤矿的运 用 27 4 1 副井概 述 27 4 2 改造研发内 容 27 4 3 主要经济技术指标 项目最终目 标 30 4 4 研究 开发或实施技术路 线 30 5 数控化提升机系统运行效 果 32 致致 谢谢 9 33 33 参参 考考 文文 献献 34 34 1 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发展水平 无论在 硬件还是软件上都有较大差距 国内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 部分产品 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发展 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若使用还需购买 生产的较高档电控设备 的硬件多为国外公司的成熟产品 国内产品尚未达到国外八十年代末的技术水平 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 SIMADYN 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某些系统 前景十分广阔 国外进口设备不仅价格高 而且技术服务和配件购置不方便 国内数控 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 10 1 2 矿井提升直流传动全数字控制技术研究现状及发展前景 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 是矿井中技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发展 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 我国提升机大部分使用模拟控制 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 分离元件处理 随着数控技术进入中国 中国也进行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 国内如大中院校 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内的数控产品存在下 列问题 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验 产品适应性不 强 3 在硬件配置上 存在安全性差 系统可靠性需要探讨 不能完全满足提升控制 的需要 考虑当今数控技术的发展 紧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 减低了系统的整体成本 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 11 诊断功能 增加维护的方便性 减少系统的故障处理时间 4 随着基础技术的不断进步 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 本文主要研究内容 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发和实验 8 数字化提升机电控系统的调试 12 2 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 硬件结构简单 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 结 构简单 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 某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 制等才能达到控制精度 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 大大降低使用维护成本 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结构 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 随着科学技术的发展和系统要 求的提高 可以进行功能扩展 具有较高的运行灵活性 而模拟电控系统一经设计完成 就无法进行功能扩展 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 随着电子技术的发展 集成器件的成本越来越低 这样全数字调速电控系 13 统的成本将越来越低 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发展成熟 因此在传动领域采用全数字调速电控系统并大力发展是一种必然趋势 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 在整个调速范围内均有较大的硬度 在允许 的转速变化率范围内可以获得较低的稳定转速 故此种方法的调速范围较宽 一般可达 10 12 如采用各种反馈或稳速控制系统 调速范围可达几百至几千 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 3 12 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行 并联 组成 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 通过平衡电抗器进行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安全密切相关 矿井提升机种类繁多 按照井道结构 有立井与斜井之分 按照拖动电动机 有交流 14 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 按钢丝绳结构方式 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类系 统 此后 由于电力半导体技术的发展 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部分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 控制要求不高 的单水平矿井提升机 从技术发展的角度看 由于电力半导体器件机微电子技术的发展 近年来变频调速技术迅速发展 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 可望在短期内有较快的发展 但前主要 还是成本偏高 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 提升机的安全保护 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 不论处于何种运行状态 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 15 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 凡属下列故障则称为轻故障 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 润滑油油量不足 5 油压制动闸回路的油温过高 3 闪光报警 凡属下列故障 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 的硬件结构主要由五个部分组成 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 对输入信号进行电平转换及隔离 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 完成用户程序中所规定的控制任务 并按照输入和输出信号进行逻辑 判断 用其结果来驱动输出模块 对输出信号进行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 2 4 2 控制系统的工业总线 整套通讯系统分成两个层次 三个部分 即 由 S7 400 S7 300 和上位工控机组成 16 最高层次的通讯网络 S7 400 S7 300 分别与各自的远程 I O 组成最基础的通讯网络 基础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 17 3 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部分 3 1 系统功能设计 根据数控化提升机理论分析可知 对整个控制系统根据中央处理器 CPU 及其处理 的功能范围来讲 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 不论在性能 运算速度 使用范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具有紧凑的结构设计 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 可编程序控制器是模块化结构设计 各种单独的模块之间可进行广泛组 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 300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 3 1 1 主控系统设计 主控部分 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 主控部分采用 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 各部分的信号经过隔离或直接引入到 PLC 中 PLC 将其处理后进行操作 控制 显示 制 动 故障和报警等 同时形成主要的软件安全回路 1 行程控制 PLC 通过编码器检测的脉冲 计算速度 行程 根据行程来进行速度给定 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范围内往复循环移动 并在行程两 端达到自动减速 停止的速度给定 根据行程控制的原则 对 PLC 编程进行突破性研究 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 3 1 保证减速点后 PLC 计算的速度给定会自动减小 18 图图 3 3 1 1 V SV S 曲线图曲线图 2 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馈 3 安全保护控制 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 测与判断绝大部分是由 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范围内循环移动 同时要实现速度的给定 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 3 2 给定 行程反馈 行程控制 S7 400 6RA70 速度控制 rref Vf 6RA70 电流控制 Iref If 19 图图 3 3 2 2 行程速度电流控制关系行程速度电流控制关系 3 1 2 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 该部分的 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 全数字直流调速电控系统的主驱动部分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 励磁部分采用西门子 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 其结构紧凑 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 装置内有调节板和用于 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 调节功能在软件中通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行比较 根据它们之间的差值输出相应的电流给定值送电 流调节器 原理 带有电流内环的转速调节 转速调节器是带有可选择的 D 部分的 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 外部或内部 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 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 为了避免系统加速过快 通过一个参数可调的转速限幅对限幅调节器进行干预 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 调节器 P 或 I 部分可被切断 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范围为 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 20 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 具体结构见系统网络图 如图 3 2 IBM laser printer PROFIBUS FMS ET200M 操作台 ET200M 低压柜2 CBP 变流柜 PROFIBUS DP 主控S7 400 行程控制S7 300 上位机 编程器PG740 打印机 CBP 变流柜 ET200M CBP 变流柜 低压柜2 图图 3 3 3 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 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 3 4 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 iFIX 监控软件包 iFIX 是强大的 HMI SCADA 系统 可以进行 过程的图形化监视 数据采集和管理 监督控制 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 若发生故障 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间 提高劳 动生产率 21 图图 3 3 4 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 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 安全保护功能设计 在安全回路设计方面 充分考虑提升机的关键性保护 将其纳入硬件安全回路 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态时 才能送上硬件安全回路 系统中设置两套独立的 PLC 控制系统 分别形成各自的软件安 全回路 这两套软件安全回路均和硬件安全回路串联形成提升机总的安全回路 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 软安全回路 S7 300 软安全回路 以及一套继电器直动的硬件安全 22 回路 S7 400 安全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 安全回路完成系统的行程 速度保护 继电器安全回路完成系统重要的一些保护并实现 安全制动 软安全回路与硬安全回路互相冗余 完全满足 煤矿安全规程 中不少于两 条安全回路的要求 并且超出了 煤矿安全规程 要求 其保护方式结构 如图 3 5 给定 行程反馈 行程控制 S7 400 6RA70 速度控制 rref Vf 6RA70 电流控制 Iref If 保护输出 保护输出 S7 300 行程监视 给定 行程反馈 保护输出 硬继电器 安全回路 保护输出 各种保护 信号 其中重要 保护信号 闸控输出 液压站 安全闸 图图 3 3 5 5 提升机保护方式结构提升机保护方式结构 3 1 9 系统功能框图 结合 煤矿安全规程 安全保护的要求 对系统保护内容以及完成方式进行的设置 与研究 以及对提升机与提升系统进行创新性研究 丰富了规程的要求 系统主要设有 如下保护如表 3 1 表表 3 3 1 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 进继电器安全回路 2 井筒极限过卷提升机紧急制动 进继电器安全回路 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 23 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 器安全回路 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 进继电器安全回路 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 进继电器安全回路 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 2m s 之 内 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定值 定值由钢丝绳的弹性 模量 长度和张力确定 紧急制动后 提升机在 下次同步之前速度限制在 2m s 之内 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 内同步两次后再次进行故 障确认 15 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 进继电器安全回路 17 卸载站紧急停车提升机紧急制动 进继电器安全回路 18 装载站紧急停车提升机紧急制动 进继电器安全回路 19 箕斗门未关提升机闭锁 提升机状态保护 24 20 HV2 跳闸提升机紧急制动 进继电器安全回路 21 HV3 跳闸提升机紧急制动 进继电器安全回路 22 HV4 跳闸提升机紧急制动 进继电器安全回路 23 HV2 过流提升机紧急制动 24 HV3 过流提升机紧急制动 25 HV4 过流提升机紧急制动 26 HV2 短路提升机紧急制动 27 HV3 短路提升机紧急制动 28 HV4 短路提升机紧急制动 29 T1 变压器超温闭锁提升机 30 T2 变压器超温闭锁提升机 31 T3 变压器超温闭锁提升机 32 DL1 故障提升机紧急制动 33 DL2 故障提升机紧急制动 34 LC 故障提升机紧急制动 35 直流断路器跳闸提升机紧急制动 进继电器安全回路 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 3 2 1 主回路硬件配置 驱动系统电枢回路采用西门子 6RA70 装置 全数字调节部分主要功能有 1 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 25 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 紧急安全断电 E STOP 3 2 2 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 3 2 3 控制系统硬件设计 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 3 2 4 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结构 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 64K 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 相 同的配置 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 SIMATIC S7 300 相连 数字 I O 模块具有下列优点 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 的内部信号电平 数字输出模块将S7 300 的内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 内部处理用的数字信号 26 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 3 2 5 控制系统模拟量信号采集 由 S7 400 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 整流装置的反馈信号 工作闸工 作电流及主变一次电流的模拟量的采集 3 2 6 控制系统数字量信号采集 由 S7 400 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 3 2 7 控制系统脉冲量信号采集 由 S7 400 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安全运行的影响 该功能主要包括 达到对提升行程的精确校正 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中遇井筒位置磁开关时 将该磁开关所 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达到精确校正的目的 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 实现到位位置小范围的调整 解决提升绳因某 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 27 动取消该开关的行程校正功能 并限速运行 若连续两次检测到同一位置开关动作失常 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行检修 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 某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范围 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精确造成的行程计算误差 2 零速度闭环控制的安全性设计 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 为提升机的安 全运行问题 研制了零速度闭环控制技术 零速度闭环控制的安全性设计主要实现提升 机制动器完全开启状态下的零速度控制 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 不高安全性差的问题 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基础和前提 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 若是在敞闸 开始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 达到力 的平衡 实现防止箕斗 或罐笼 下沉和零速的目的 一旦工作闸压力达到制动器的开 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 率提供了技术基础 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 Ifix 监控软件包 iFIX 是强大的 HMI SCADA 系统 可以进行过程的图形化监视 数据采集和管理 iFIX 的基本功能允许特定的应用程序执行所赋予的任务 他两个基本的功能是数据 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安全软件 实现后备安全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 28 块 OB1 计算功能块 B 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 条故障 任一条故障发生都作用安 全回路 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 三个部分 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