论文之CST软启动在胶带机中的应用.doc

级 专业毕业论文论文题目：CST软启动系统在胶带机中的应用学生姓名：学校：年9月1日摘要：本文以学生所在单位兖矿集团济三煤矿井下北边胶胶带机所用的罗克韦尔自动化动力系统（上海）有限公司生产的矿用隔爆兼本质安全型可控起动传输（CST）装置为对象，着重介绍了CST软启动系统在煤矿主胶带输送机中的应用，通过现场的实际情况论述了CST软启动系统的工作原理；使用CST软启动相对于其他软启动设备的优缺点；CST软启动的市场、性能以及其在煤矿行业中的应用等知识。关键字：可控启动传输、CST、软启动、本质安全目 录封面第页摘要第页关键字第页目录第页第一章引言第页第二章变频器简介第页第一节变频器概述第页第二节变频器的技术指标与应用第页第三节国内变频器的市场状况第页第四节 变频器的选用第页第三章 变频器改造给济三煤矿带来的效益第页第四章总结第页致谢第页参考文献第页第一章 概述兖矿集团济三煤矿井下有七部主胶带输送机，其中北边胶带机于2004年4月安装了罗克韦尔自动化动力系统（上海）有限公司生产的矿用隔爆兼本质安全型可控起动传输（CST）装置，北边胶带机全长2173m，运量2500t/h，负责北区煤流系统的全部运输任务，地位非常重要。可控起动传输装置(CST)是一个由多级齿轮减速器加上湿式离合器及液压控制组成的系统。它是专门为平滑起动运送大惯性载荷，如煤炭或金属矿石的长距离皮带运输机而设计的。CST的输出扭矩是由液压控制系统控制的，它随着离合器上所加的液压压力而变化。 一条皮带机可以由一台电机及一台CST驱动，也可以由多台电机及多台CST驱动。驱动电机在负载（皮带机）起动之前启动，此时CST的输出轴保持不动，当驱动电机达到满转速时，控制系统逐渐增加每台CST离合器上的液压压力，起动皮带机并逐渐加速到满速度。这使得皮带机在被加速至满速度之前有一个缓慢而均匀的预拉伸过程。加速时间可以根据需要在规定范围内进行调整。启动时驱动电机可以按顺序空载启动，所以电机的冲击电流非常小。由于驱动电机可以根据运行负载进行选择而不必根据起动负载选择，所以CST驱动系统可以选用功率较小的电机。 同样CST也可以象控制皮带机的起动那样控制皮带机的停车，通过延长停车时间可以降低对胶带的动态冲击力。也可以在CST输入轴上加一个大的飞轮，虽然在大多数的系统中不需要，但是在某些情况下系统需要安装飞轮来降低对皮带的动态冲击。 当一驱动系统中有多台CST时，控制系统可以确保每台驱动电机分担相同的负载。合理的功率平衡可以有效地延长整个驱动系统各部件的寿命。功率平衡是通过控制每台CST离合器的压力，并允许一台或几台CST的离合器进行轻微打滑来实现的。 皮带正常运行时，根据系统中各CST的功率平衡要求，每台CST的离合器或者保持少量打滑状态，或者维持压力以无打滑方式输出所要求的扭矩，但系统中任何负载的增加都将引起离合器打滑，这种情况被称为“软锁定”。当离合器被软锁定时，任何的瞬间的过载或冲击载荷都将引起离合器的打滑，这样驱动系统的所有部件，包括联轴器、轴承和齿轮等都将在冲击或过载时受到保护，从而延长其使用寿命。 第二章 CST简介第一节 CST的工作原理可控起动传输（CST）是用于大惯性负载平滑起动的多级减速齿轮装置，多用于煤矿和矿山中带式输送机的驱动。CST 的主要结构包括减速齿轮箱、滑油冷却系统、液压系统和基于可编程控制器（PLC）的控制装置。下图描述了CST 系统的主要结构和工作原理。CST 减速齿轮箱由三部分组成：输入轴齿轮组，输出轴行星齿轮组和离合器部分。输入轴的斜齿轮将电机的旋转运动传递到太阳轮上，并通过太阳行星轮之间的啮合将运动传递到与行星轮一体的输出轴上，驱动输出轴运动。图中放大部分详细说明了机械式离合器的工作原理。旋转板（动摩擦片）在外圈方向上通过键槽固定在齿圈/制动盘上，并随齿圈/制动盘同步旋转。静止板（静摩擦片）在内圈方向通过键槽固定在输出轴体上。内外两层摩擦片交叉布置，相互隔离。调整环形活塞上的液压，可控制摩擦片之间的压力，并导致摩擦片之间的间隙产生变化。环形活塞上未施加控制压力时，齿圈/制动盘处于自由运动状态，CST 不传递运动。实际应用中，在带式输送机起动初期输出轴由于负载力矩作用而处于静止状态。当逐渐增大外部液压控制作用时，环形活塞将逐渐压紧离合器，由于摩擦作用齿圈/制动盘旋转速度将减慢；根据作用与反作用原理，与输出轴固定的摩擦片将受到反向作用力，当施加的控制压力能提供足够的起动力矩时，皮带机就起动了。调节活塞上的液压压力，可精确控制输入轴电机传送到CST 输出轴的力矩。齿圈与输出轴的速度呈线性反比例关系，当齿圈静止时，输出轴将达到满速运行。冷却系统用于带走由于动摩擦片和静摩擦片相对运动所带来的损耗热量。冷却系统可以采用油/空气或油/水热交换器方式，通过相等容量冷却泵的运行，促使冷却油在CST 油箱、热交换器和离合器之间循环流动以保证CST 的安全运行。冷却泵可垂直或水平安装。液压系统通常由2 级机械式液压泵、桥式液压整流阀组和比例阀组成。一级液压泵为低压泵，其流量较大，主要供CST 轴承润滑并为二级泵提供输入压力；二级液压泵为高压泵，但流量较小，为桥式整流阀组提供较高的压力，以确保比例阀控制作用。基于PLC 的控制系统可对每台CST 装置进行监视、控制和操作，并提供用户接口。采用CST 的主要目的是为在起动过程加速阶段降低张力作用对皮带机带来不利影响，通过控制起动上升曲线，可减小皮带机空载或满载起动时带来的瞬时尖峰张力，从而得到一个满意的动态结果。在一些超长的带式输送机应用中，通过在上升曲线中增加一段缓冲特性来提升起动性能。缓冲特性确保皮带机在起动初始阶段逐渐的张紧，皮带机各部分单元在正常加速之前处于低速低起动力矩的运行状态，这降低了皮带机的应力作用。在一些超长、多模数皮带机应用中，皮带机内存储的动应力能量在制动过程中会出现反作用，产生尖峰应变力，甚至比起动过程产生的影响更大。在动态分析的基础上，尤其对停车失败或紧停制动这些状态下应力波的分析结果，需要为CST 的停车过程提供一减速曲线。这种减速方式可通过在输入轴上安装飞轮系统进行解决。在大多数应用中，依靠与皮带机相连的驱动装置和电机的惯量，控制环形活塞压力也可得到这种特性。除了满足张力与速率控制要求之外，还必须防止瞬间负载冲击带来的不利影响。正如系统在突然起动时会提供瞬间冲击力矩一样，瞬间负载冲击同样会给机械部分带来过载影响。因而CST 驱动系统应具有调整最大输出力矩的功能，保护带式输送机各组成部分。根据以上要求，力矩限幅装置一般放置在驱动系统输出部分。同等重要的是，力矩限幅的动态响应可消除带式输送机上浪涌负载对减速机和电机不利影响的可能性。多数超长的带式输送机系统采用了多机并行驱动的方式，要求所有运行状态下驱动装置之间均能实现负载的均衡分配，以降低负载影响。而基于皮带机的综合研究表明，造成负载波动和多驱动系统之间负载振荡的非周期性张力波，将严重危及低模数编织皮带机的动态张力控制。必须采取有效措施控制这部分无序的张力波，防止皮带机结合处、减速机构和其它一些机械部分出现故障。研究表明，采用低惯性驱动系统是控制和解决非周期张力波的有效措施，同时力矩控制部分（液压湿式离合器）也尽量要求低惯量以提高响应特性，因此力矩限幅装置一般被放置在了驱动输出端。CST 所带来的另外一个优点是主电机可以在空载状态起动，从而减小了起动冲击电流并缩短了起动时间。同时允许操作员更灵活的带式输送机起停操作，而无需反复起停主电机。另一方面，也提高了CST 控制的可操作性，这意味着多驱动并行系统中，在而不影响其它CST 正常运行的情况下可临时离线处理（停止）某台CST 的运行。传感器和变送器均属于CST 的监控系统部分。对于典型的CST，需要监测机箱油温、润滑油压力、液压控制压力和输出轴速度。主电机功率信号从用户电机控制中心传送到PLC 控制系统中，功率信号变送器标定为电机额定功率的0-150%。其它一些参数，例如皮带机速度（滑差）、皮带机张力、电机绕组温度以及电机和CST 振动等，也可由PLC 系统进行监控。PLC 控制系统输出0-20mA 用于比例阀（PCV）控制，PCV 阀带有一脉宽调制型电流放大器，确保PCV 阀芯线性开度。离合器摩擦片可在0-100%范围内响应控制压力，保证离合器压力与输出力矩的线性关系。这种关键特性允许精确的过载保护，以及在并行多驱动系统之间实现精确的负载平衡。第二节 多级驱动系统控制多数超长带式输送机采用了多级驱动系统方式，要求驱动装置之间的负载平衡分配以减小皮带机各个部分的负载和应力影响。对于那些多于一个CST 驱动装置的皮带机系统中，控制系统必须保证电机负载平衡分配。基于PLC 的控制系统单机可最多控制4 台CST 的运行。通过在多级驱动系统中配置主驱和从驱的方式可实现负载的平衡分配。嵌套的PID 控制环节可实现低速滑行下力矩的精确控制。以下为一典型的2xCST 驱动控制的例子，通过对此系统的分析可理解CST 的控制方式。主驱和从驱的配置 取决于齿轮减速比和滚筒的直径大小。为了达到良好的负载平衡控制特性，推荐使用从驱滚筒直径比主驱大3 到 4%的配置方式。任何情况下，从驱将跟随主驱自动调整状态，在不同的负荷下均能保持一致的输出功率。在典型的2xCST 驱动控制中，处于尾部的操作员在确认皮带机安全自锁状态后向CST 控制箱发出皮带机运行信号，如图1.3 所示。以下阐述了带式输送机的运行状态：状态-0：待机状态CST 控制系统在检测到以下状态完备后发出“备车”信号，操作员可起动带式输送机。带式输送机速度为0；离合器压力小于5系统压力；系统无故障和报警状态。状态-1：起动状态在操作员发出带式输送机“起动”信号后，PLC 中的控制程序将起动冷却泵和主电机。多机系统中，主电机起动间隔为5s 以避开起动电流冲击。离合器压力将预压至10，保证冷却油预先充满离合器摩擦片间隙。状态-2：预压状态在离合器摩擦盘预压结束后，速度和功率PID 闭环调节模块将切换到“自动/前馈”模式 。逐渐增加各台CST 压力PID 闭环调节模块的输入设定，直至检测到皮带机起动为止。如果带式输送机系统具有独立制动单元，在离合器预压后CST 控制系统应输出开关量或模拟量信号至制动单元以释放制动状态。状态-3：啮合状态在检测到皮带机速度 3时，皮带机就进入了啮合状态。在此状态下，速度PID 设定逐渐上升，而功率PID 模块处于功率平衡控制模式下。正如前面所述，在检测到速度后，需利用一段缓冲特性来提升起动性能，缓冲期间速度将保持在5左右。缓冲时间可在520s 之间调整。状态-4：加速状态缓冲结束后，速度PID 设定将按预设的“S”曲线上升至满速。加速时间可在30300s 之间进行调整，加速状态期间热交换器风机将起动运行。状态-5：满速状态在检测到皮带机速度95时，系统进入满速运行状态，用户可起动加料设备。速度设定一般保持在98或100。主驱运行在恒速闭环控制模式上，而从驱处于功率平衡控制状态。运行期间，功率控制都应控制在2的误差范围内。状态-6：减速状态正常运行期间，发生任何CST 故障或用户停机指令都将导致系统进入减速运行状态。输送机按设定曲线停机，停机时间不小于自然停车时间，可按需要调整。当速度5时，电动冷却泵将被起动。在冷却管路上为热交换器提供了一个旁通管路。一些应用中，旁通管路上也会提供盲孔或节流孔来调节经过热交换器的流量。对于4”管路，一般在篮式过滤器后安装隔离蝶阀。压力变送器（PT-3）和压力表（PI-3）均安装在篮式过滤器后面，接下来是单向阀（CV-6）和节流孔（FO-3）。单向阀（CV-6）和（CV-7）用于避免冷却油在两个管路之间倒流。CST 系统的液压泵为两级式双联液压泵，该泵由与CST 输入轴相连的中间轴直接驱动，如图2.5 和2.6 所示。其作用在于无论CST 的旋转方向如何，双联泵均可为系统提供润滑和控制用泵压。一级泵为低压泵（LP），低压泵LP 将油从CST 油箱中抽出，并通过一个238 的Y 型粗过滤器（Y-STR）进行过滤。Y 型粗过滤器为一级多重过滤系统，将较大的颗粒杂质过滤掉，以防止其进入系统油路。经过一级过滤后，再通过一个双向液压整流桥（由单向阀CV4 / CV5 和回油单向阀RCV4 / RCV5 组成），为系统轴承提供润滑压力和流量。由于采用了双联泵，不管CST 的转向如何，都可提供正常的工作压力。低压泵LP 为输入轴和中间轴均提供了润滑压力，并为离合器液压控制支路提供了一级泵压。润滑油流量大致在10gpm 左右，对于不同的CST 型号和速比，确切的流量会有所变化。润滑油由低压泵LP1 口抽出进入桥路A1 入口，整流后桥路A2 流出并返回到LP2 口。整流后经10 细过滤器（FLT-2）过滤，10 细过滤器将过滤大于10 杂质，为润滑系统提供二级滑油。第二级过滤系统提高了系统轴承及控制元件的使用寿命和可靠性。为防止二级过滤装置过压，在过滤器之前设置安全阀（PRV-2）并整定在75psi / 5.2 Bar。安全阀安装在整流桥路B2 出口处，回油管路通到CST 油箱。经过细过滤器（FLT-2）的滑油分成了两路。较小的一路约12gpm，用于液压阀组上供离合器压力控制的二级泵使用。剩余的约8gpm 直接供轴承润滑，其压力及流量由管路上的节流孔大小决定。CST 280K 1120K 系列的润滑管路上有两个节流孔（FO-1 & FO-2），而1950K 产品则还提供了第三个节流孔（FO-4）。节流孔的大小必须保证润滑压力在20 60psi 之间。变送器（PT-2）将0100psi 的润滑压力线性转变为420mAdc 信号，并送往CST 控制器，变送器安装在液压控制阀组上，同时压力表（PI-2）也直接指示出滑油压力大小。如前面章节所讨论的，抽出的油必须先经过一10的细过滤器，然后才能用于离合器高压控制。讲解了离合器控制的液压支路，液压油进入桥式整流阀组后通往第二级的双联式液压泵。二级泵为高压泵（HP），用于低压系统和高压系统的阀组如图2.8 所示。阀组上集成了高压桥式整流管路，包括单向阀CV-1/CV-2 和回油单向阀RCV-1/RCV-2，与高压双联泵联合工作即可获得离合器控制液压，而无需考虑CST 的转向。高压双联泵对桥式阀组采取抽油的方式，其进口压力（阀组HP1 口与双联泵HP1 接口相连）即是润滑系统压力，高压泵的出口压力返回到桥式阀组上（双联泵HP2 口与阀组HP2 接口相连）。桥式阀组输出端安装有一25的细过滤器（FLT-1），是压力控制之前的最后一个过滤器，防止任何杂质进入液压阀组。此过滤器仅用于电液控制系统。安全阀（PRV-1）安装在25 过滤器及阀组出口之间，防止过压对过滤器和阀组带来不利影响。正常情况下，安全阀处于关闭状态。低压系统的安全阀整定在350 psi，而高压系统则整定在1200psi。25 过滤器的出口返回到阀组上，在阀组内部设置有安全阀（RV），为电液系统控制（比例阀PCV）提供稳定的输入压力，安全阀整定压力则作为系统压力。对于低压系统来说，该压力整定为250psi，而高压系统则整定在900psi。 系统压力表（PI-4）一体化安装在阀组上。CST 控制器输出控制信号到比例阀（PCV），对离合器压力进行比例控制。离合器压力表（PI-1）及压力变送器（PT-1）均安装在阀组上，PT-1 将压力信号反馈至CST 控制器中，如图2.8 所示。控制压力输出从输出轴底部连接到离合器活塞上，而在输出轴顶部则放置了一个空气呼吸器。来自于PCV 的控制压力将压缩离合器活塞环和摩擦盘，实现力矩传送，并与CST 控制器和PCV 阀输出成正比。对那些要求利用电机、飞轮惯量以防止急停的系统来说，还必须在阀组上安装闭锁阀（BLV）。闭锁阀安装在离合器压力表和变送器之前，如图2.8 所示。当控制系统出现突然掉电或处于急停状态时，闭锁阀将及时关闭、断开控制油路，以保持离合器活塞上的控制压力。这种方式下，系统会依靠电机、飞轮的惯量来使皮带机缓慢停车。在CST 完全停车后，控制器再打开闭锁阀泄压，释放离合器压力。第三章 CST控制器可编程逻辑控制器（PLC）可对单机或多机驱动皮带机进行起动或制动控制。在发出起动信号后，控制器即可根据设定的参数计算出起动速度的“S”型曲线。皮带机达到满速的加速时间可在40 300 s 之间设定；同时皮带机也可运行在慢动状态，速度设定可在20 50之间调整。在停车信号发出后，控制系统可在30s 内将速度降至0，其制动时间可在10 30s 内调整。PLC 控制程序自动执行多机负载平衡控制。单台PLC 控制系统最大可控制4 台CST 的运行，其中一台配置为主驱，其他CST 则配置为从驱。主/从方式既可在PanelView 人机界上设定，也可进行编程按终端用户起动电机的顺序进行自动选择。控制箱适用于宽电压工作范围，可在85264Vac 供电范围内正常运行，用户应提供稳定的单相1.5Kw / 5060Hz 交流电源。Dodge 推荐用户使用UPS（不间断电源）给CST 控制箱供电，并能保证断电后能持续工作15 分钟。控制箱通过内部跳线（PLC 电源模块和24Vdc 直流电源）可在110Vac 和220Vac 供电之间切换。所有的信号转换器、中间继电器、指示灯都为标准的24Vdc 供电方式，简化了内部系统组成。电缆引入装置布置在控制箱底部，采用标准的电缆套管或密封管保证了箱体的密封性。对于井下皮带机的应用，基于PLC 的控制系统安装在一个隔爆外壳里，可应用于爆炸性气体环境。其防爆标志为Ex-d。Ex-d 的防爆型式适用于I 类区域，即正常使用环境中存在着爆炸性气体，但爆炸可能性相对较低的场合（110%可能性）。防爆外壳内部安装有电源、信号转换器、中间继电器和安全栅等电子电气功能模块。本质安全型电路部分均参照了GB3836 及国外AS1829 和AS2011 标准。安全栅限制了危险区域的电流能量，确保外部系统出现故障时也不会导致危险情况的发生。Ex-d 隔爆外壳前门有一玻璃窗口，安装有显示设备（VDU），可对所有重要参数、状态进行显示和报警。操作员界面采用了用户友好的触摸屏/按键式PanelView 600 操作站，操作运行无需特殊的专业知识和培训。PanelView 显示包含数个图形化屏幕，地面应用系统采用了触摸屏而简化了操作，而对于井下系统有防爆要求的场所则必须通过防爆按钮进行操作。以下针对此按钮盒来讨论按钮的功能。 屏幕上翻按下“屏幕上翻”按钮可顺序显示上一显示屏幕。在PLC 软件里设置了一个屏幕序号增量计数器，每当“屏幕上翻”按钮被按下时，计数器数值减1，直到第一个屏幕（最低限值）。在达到第一个显示屏幕时，若再次按下“屏幕上翻”按钮，则屏幕显示将返回到最后一个屏幕。 屏幕下翻按下“屏幕下翻”按钮可顺序显示下一显示屏幕。当“屏幕下翻”按钮被按下时，屏幕序号增量计数器数值加1，直到最后一个屏幕（最高限值）。在达到最后一个显示屏幕时，若再次按下“屏幕下翻”按钮，则屏幕显示将返回到第一个屏幕。 选择参数“选择参数”按钮的作用是一个对象选择器，每个显示屏幕都有相对应的选择对象列表，每个对象由相应的序号进行区分。在PLC 软件里设置了一个对象序号循环增量计数器，每当“选择参数”按钮动作时，计数器增1，相应就选择了下一个对象。被选择的对象在屏幕上通过反色对比显示出来。如图3.6b 所示，参数对象序号为6187，“选择参数”的范围与所选择的屏幕直接相关。 修改设定当一个操作对象被选中时，可通过“修改设定”按钮修改对象参数。例：如果被选中对象为“增加起动时间”控制，则按下“修改设定”按钮将增加起动时间。PLC 程序软件设置定时计数器，定时重复按钮操作，用于控制参数变化的速率。如图3.7b 中参数43。 复位当系统出现报警、故障、紧停状态时，可通过复位按钮对这些状态进行确认和复位操作。 紧停紧停按钮用于CST 系统紧停操作。第四章 CST软启动相对于其他软启动的优缺点要分析这个问题我们首先要看一下大型胶带机的启动和运行要求。一、保证恒定的起动力矩 带式输送机的负载是典型的恒转矩负载，而且带式输送机往往不可避免地要带负荷起动和制动（即满载起动和停车） 二、 有尽量小的起动（制动）加速度 输送带是一种粘弹性体，大型带式输送机在起动（制动）的不稳定阶段，驱动装置施加到输送带上的牵引力（制动力）及惯性力将以一定的波速在带内传播、叠加、反射，加上其他因素的影响，在输送带内引起多变的应力变化，若其瞬时峰值应力超过允许值，将会损伤甚至破断输送带三、较大的启动张力和足够且相对恒定的运行张力输送带张力要求：输送带张力在整个长度上是变化的，影响因素很多，为保证输送机的正常运行，输送带的张力必须满足以下两个条件： 输送带的张力在任何负载作用下，作用到全部滚筒上的圆周力是通过摩擦传递到输送带上，而输送带与滚筒间应保证不打滑； 作用到输送带上的张力应足够大，使输送带在两组承载托辊间保持垂度小于一定值。由此我们可以看一下其他软启动设备的缺点： 绕线转子电动机：依靠增加转差功率损耗来调速，损耗主要在电动机的附加电阻上，低速运行电机不会过热，但其效率低，且调速是有级分段的，维护工作量大，在防爆环境中使用有困难。 直流电动机：调速性能优良，低速时有