稳车群变频调速集控系统科研成果报告资料.doc

稳车群变频调速集控系统科研成果报告中煤第五建设公司第五工程处二00八年十二月目 录A 、项目来源B 、任务C 、目的D、 具体内容E 、项目实施F 、结论A、项目来源井筒开掘及安装中使用的作业吊盘多为多台稳车共同提升，稳车所配的电机均为交流绕线式或鼠笼式结构，控制较为复杂且不规则，存在调速不均的状况，特别是对稳车群工作需要集中控制运行的系统就更是困难，无法使其平衡运行，每上下动一次吊盘都需要再进行独立调平，费时费工，减慢了施工速度；同时，由于是几台稳车同时直接启动或转子加电阻启动，不仅要使用容量较大的低压变压器，而且对电网冲击较大，对设备损害大，容易造成故障率高的现象。因此寻找一种更加便捷、更为经济、更为安全的控制方法就成了当务之急。通过与中国矿业大学徐州飞燕机电设备有限公司协商，我们确定采用“稳车群变频调速集控系统技术”解决这个难题。B、任务成立稳车群变频调速集控系统项目课题组，稳车群变频调速集控系统科研方案由中煤第五建设公司第五工程处制定，报公司审批后由第五工程处负责实施。C、目的通过该项目研究试验主要解决以下问题：1、对稳车群进行集中控制，使多台稳车所悬吊的施工吊盘在井筒中能平稳上下移动，并自动调平；2、稳车实现变频软启动，减少启动时的峰值功率损耗,工频运行时功率因数由0.85左右提高到变频运行时功率因数0.95以上,功率因数提高了就节省了电能并改善了电网的供电质量。3、 稳车实现变频软启动，减少电动机启停对传动机构的冲击,延长设备的使用寿命。 4、 实现变频软启动，避开直接启动形成的强大电流对电网的冲击，使供电系统不致过大压降，保障同一供电线路上其他设备正常运行。5、解决多台稳车工频启动时噪音过大的问题。D、具体内容第五工程处于2008年3月开始就这一课题与中国矿业大学飞燕机电有限公司合作研发，并于2008年8月研发的该产品在山西霍尔尔赫煤矿主井井筒装备进行试验，并获得成功 E项目实施1、稳车群变频调速集控系统原理及使用1.1 设计思路和总体技术方案（按井筒装备施工中吊盘稳车一般用四台为例）测四台稳车实际运行距离、速度参数、实现多台稳车集中控制，对各稳车进行超速、过速、过卷、减速点、方向闭锁保护。速度行程测量采用高精度增量轴编码器实现。运用TP170A触摸屏动态显示运行参数，设置报警值。1.2工作原理多稳车平衡控制采用行程控制方案，以一台稳车实际行程距离作参数，其它几台车与其相比较，进行手动或自动调节，手动调节时人为观察触摸屏上各稳车实际运行距离，调节相应电位器，改变电机运行速度，使其平衡；自动调节运行时控制PLC，将各稳车运行距离的偏差值通过网络（数字量RS485数据传输格式）或者是模拟量（4-20ma标准信号）传递给变频器，从而控制变频器输出频率，改变电机运行速度，使之同步。1.2.1单机变频控制柜：选用进口矢量控制变频器作为控制核心，实现电机转矩/速度控制，变频器外置制动电阻（柜内放置）。能控制两台电机（稳车主电机、油泵电机）及制动电磁铁，既能单机输出控制单台稳车又能配合系统总控柜，作联机集控同步运行，实现低速软起动、变频调速、能耗制动功能，显示单机运行频率、电流、工作状态；系统总控柜：采用可编程序控制器，检测稳车实际运行距离、速度参数，实现多台稳车集中控制，对各稳车进行超速、过速、过卷、减速点、方向闭锁保护。速度行程测量采用高精度增量轴编码器实现。运用西门子公司PLC显示运行参数，设置报警值。1.2.2集控方案：（1）最高工作频率限制在50Hz以内，保障恒转距调速；（2）负力吸收采用变频器制动单元外置制动电阻能耗制动；（3）设置工频旁路运行切换功能，保障设备变频改造过程中建井施工的正常进行；（4）多稳车平衡控制采用行程比较控制方案，以一台稳车实际行程距离作参考，其他三台车与其相比较，进行手动或自动调节（钢丝绳在井筒中的伸缩量被认为一致），手动调节时人为观察触摸屏上各稳车实际运行距离，调节相应电位器，改变电机运行速度使之平衡，自动调节运行时控制plc将各台稳车运行距离的偏差值，通过网络（数字量RS485数据传输格式）或者是模拟量（4-20ma标准信号）传递给变频器，从而控制变频器的输出频率，改变电机的运行速度，使之同步。平衡控制过程中不管是手动调节还是自动调节都是以一台车参数为基准，其他几台车作相应调整，对于稳车群整体运行速度，则是靠人为调整到基准车而定。该方案的关键点是从动稳车的跟随调节问题，调节频率过高可能会导致稳车群平衡调速系统震荡，调节频率过低可能会引起同步性差，选择一种合适的调节频率是该项目的关键所在。1.2.3控制系统PLC及应用软件说明总控柜装置PLC应用软件选用西门子（Siemens）MicrowinV4.0 sp3标准版编程软件开发完成。STEP7标准版编程软件只配置了3种基本的编程语言：梯形图（LAD）、功能块图（FBD）和语句表（STL）,系统的应用软件是利用梯形图（LAD）和语句表（STL）共同完成的。编制应用软件之前，首先要对系统进行以下步骤的硬件组态：（1）系统组态;（2）CPU的参数设置;（3）模块的参数设置完成以上设置后，即可根据系统的工艺流程要求，确定程序结构，编制相关的功能程序。系统的程序结构图OB1：主程序FC1：1#基准稳车数据处理FC2：高速计数子程序FC11：初始化子程序FC3：检 修 子 程 序FC4：开关量处理子程序FC5数据保存子程序 FC8：4#稳车数据处理FC7：3#稳车数据处理FC6：2#稳车数据处理FC9：系统通讯处理子程序FC10：故障报警子程序软件子程序说明(1) OB1:主程序该段程序是系统主程序。其功能是在整个程序运行过程中，循环调用其它子程序。(2) FC1:1#基准稳车数据处理该段子程序的主要功能是对基准稳车参数进行采集处理，核定稳车群运行关键点。该段子程序使用语句表语言编制。(3) FC2:高速计数子程序该段子程序主要负责系统各轴编码器测量数据的处理。(4) FC3:检修子程序该子程序主要完成在检修状态下，没有任何闭锁关系的单一控制。(5) FC4:开关量处理子程序（允许多机组同时运行）该子程序主要功能是：处理机组范围内外所有开关量及相互闭锁关系管理工作。(6) FC5: 数据保存子程序（在机组运行及各种停机停电状态下）数据保存程序执行工作运行、正常停机、故障停机、紧急断电、用户设置、错误操作等状态下参数记忆。(7) FC6FC8: 2#-4#稳车数据处理子程序分别处理各机组工作过程中系统数据。(8) FC9: 系统通讯数据处理子程序该数据子程序主要功能是：实现各机组数据汇总，触摸屏数据传递，并负责传递报警参数。(9)FC10：故障报警子程序功能是设置报警参数、报警数值比较、报警输出。(10)FC11: 初始化处理子程序该数据子程序主要功能是：高速计数功能初始化、系统运行状态初始化、通讯环节初始化。1.2.4变频器的选用变频器的容量： 变频器的容量及选型,大体上从以下几个方面考虑：稳车提升系统具有恒转矩特性,重载启动，变频器的容量应按运行过程中可能出现的最大工作电流来选择。即INI Mmax式中，IN为变频器额定电流；I Mmax为电动机的最大工作电流，变频器的过载能力通常为1.5倍/1min，这只是对于在电动机的启动或制动过程才有意义，不能作为变频器选型的最大电流来考虑。因此，在选择变频器容量时，应比变频器说明书中的配用电动机容量加大一档，并应具有无反馈矢量控制功能。使电动机在整个调速范围内，具有真正的恒转矩，满足负载特性要求。1.2.5制动问题：稳车属位能负载，从稳车的运行工况可以看出，稳车在减速或定位停车时，应选择相应的制动单元（制动斩波器）及制动电阻，使变频器直流回路的泵升电压UD保持在允许范围内（在变频调速系统中，电动机是通过不断地降低频率来减速得。随着频率的下降，电机的同步转速也下降，电动机转子的实际转速超过了同步转速，转子绕组因正方向切割磁力线而处于再生制动状态。再生的电能反馈给直流回路，这种状况下产生的电压称为泵升电压。）。这样可通过电阻制动，有效地实现电机的制动和减小减速时间，保证吊盘就位的可靠性。当变频器的中间直流电路的电压超过特定的极限值，制动斩波器和制动电阻就开始工作。1.2.6控制与保护：稳车吊盘提升是建井生产中的重要环节，因此拖动控制系统系统应保持绝对安全可靠。生产现场环境较为恶劣。因此，系统的故障检测和诊断应完善。对于变频器自身故障由故障报警输出点驱动，当故障发生时，接点断开，控制回路断开，立即关闭机械抱闸，以防止稳车下滑。变频电路选用具有起重机应用宏程序的产品，实现稳车的零位保护、过载保护、行程极限保护并实现各种故障监控及报警。参与控制的系统PLC实现变频改造的全方位运行控制、闭锁、信号传递、保护投入等功能。1.2.7通讯、信号和视频整合进系统，实现视频的有效存储。2、关键技术探讨与研究2.1节能效益：工控各行业大量使用变频器，其节能效益已显而易见。稳车变频驱动系统实际使用后，可通过实测或根据其静态特性，作出其转速对功率的特性曲线，通过特性曲线可分析出设备单位时间内的功耗情况，准确给出设备节能量值。2.2运行效益：由于稳车实现变频软启动可减少启动时的峰值功率损耗并减少电动机启停对传动机构的冲击,延长设备的使用寿命，从电网角度看，工频运行时功率因数为0.85左右,变频运行时功率因数达到0.95。因此,即使同样是满负荷运行,变频运行时,高压输入电流明显比工频运行时小,这有利于节能和设备安全运行，改善了电网的供电质量。实现变频软启动同时又能避开直接启动强大电流对电网的冲击，使供电系统不致过大压降，保障同一供电线路上其他设备正常运行。2.3工作效益：采用变频和工频旁路互换备用运行方式，当变频器故障时，电机可投工频旁路，电机工频定速运行，不影响设备运行，保证了机组的安全运转。完善的监控和可靠性措施提高了系统工程科技含量和工作效率。可编程序控制器（PLC）、人机界面与变频器的联合使用在很大程度上降低了设备的故障率，减小了设备的维修费用，节省了劳动力，改善了工人的劳动强度。3、该技术在山西霍尔辛赫煤矿主井井筒装备中，于08年9月 20日开始安装井筒装备,于11月5 日结束，共节约8 天。4、综合效益计算：4.1电能计算：4.1.1按工频启动消耗在电阻上或转子上能量与变频启动时相比霍尔辛赫副井深520M，共130道梁，按原施工方法施工一道梁吊盘要停两次，安装完井筒装备正常段要停260次，吊盘在井筒内上或下一次平均要停100次左右，用吊盘下电缆4根、下尾绳2根，稳车电机是37KW电流为70A，吊盘稳车四台，鼠笼电机启动电流额定电流47倍，取5倍，启动时间为812秒，取10秒节省的电能为E1=1.730.387045102601002（42）100/3600=3988KWh4.1.2电动机的功率因数由0.85提高到0.95时,都按最大功率计算由于电流增大消耗在导线上功率大概为:霍尔辛赫副井稳车用电70000KWh，四台吊盘车用电约50000KWh节省的电能为E2=50000(1/0.85-1