基于S7-300PLC的提升机变频调速系统设计.doc

2008年山东省“金蓝领”维修电工高级技师论文 PLC在提升机变频调速系统中的应用著者姓名： X X X著者单位：山东煤炭技术学院日期：2008年11月27日PLC在提升机变频调速系统中的应用摘要：现代交流调速技术因其优越的性能和日益成熟的技术将在包括矿井提升机在内的电力传动系统中普及。根据安全可靠和运行速度平滑原则，提出了基于双PLC控制结构的矿井提升机变频调速系统，对PLC、变频器及制动单元作了设计说明，并给出S曲线速度产生方法和系统软件设计流程图。该系统投入后，运行正常，达到设计目的。系统设计具有通用性，对矿井提升机交流调速系统设计具有参考价值。关键词 双PLC控制 变频调速 矿井提升机 TP27触摸屏 通用性1 概述目前国内矿井提升机交流调速系统已采用单片机及PLC控制，但许多老矿井仍沿用TKD-A继电器、接触器式等有触点器件，系统可靠性差且硬件复杂。TKD-A系统采用的是交流电机转子串电阻调速方式，其速度控制不够平滑，而且在减速阶段和重物下放需要切断电机主回路，用动力制动来使电动机按照设计曲线减速。为适应矿井提升机自动化和高性能运行的需求，对某矿副井提升机进行改造。基于安全、可靠和高效原则设计了“S7-300+变频器+制动单元+TP27”的系统结构。图1为系统的结构图。操作台控制变频器主回路接触器，给出PLC部分提升方向以及提升速度等信号。操作台还控制润滑油泵、制动油泵等设备的外围信号。PLC部分接受操作台、变频器反馈、轴编码器、井筒信号等信号，产生变频器运行信号，给定变频器速度，并与液压站部分相配合，在停车点抱闸停车。此外PLC部分还实时监视系统的运行状态，对各种故障情况进行分析处理。变频器接受PLC的起停控制，根据给定速度的大小控制电动机运行。6SE70采用带有速度反馈的矢量控制方式，实现高精度控制。速度反馈采用的是HTL单极脉冲编码器。2 硬件组成2.1 PLC部分硬件构成根据控制需要，PLC控制部分采用2台PLC构成冗余系统，对一些重要的保护同时控制，确保提升机运行安全。其中一台PLC为提升机操作保护系统，主要完成逻辑操作控制和故障判断处理两个方面的任务；另一台PLC为行程控制系统，主要完成高性能的提升机速度曲线即S曲线给定。本系统采用西门子SIMATIC S7-300 PLC，并通过MPI网与西门子触摸屏TP27构成网络，实时监视系统运行的状态。图2给出系统的硬件组态。其中操作保护PLC的MPI地址为2，行程控制PLC的MPI地址为6，触摸屏TP27的地址为1。操作保护PLC的组成主要为电源模块PS307，CPU314，两个输入模块D132DC24V，一个输出模块DO16Rel，两个计数器模块FM350。行程控制PLC的组成类似，但多一个8路模拟量输入模块AI812bit和一个4路输出模块AO412bit。2.2 编码器及FM350模块编码器和FM350模块是整个系统正常运行的核心部件，其作用是根据脉冲计数确定提升机的位置和提升机实际速度。系统中采用NEMICONOVM-2048-2MD旋转编码器，分别安装在提升机的导向轮和驱动轮上。FM350模块可以接受4种类型的脉冲输入，本系统采用的是5 V encoder RS422，symmetric型，接线图如图3所示。通过校正可以使提升机每次到达同一点为一固定脉冲。在减速段根据位移可以得到给定速度，根据单位时间内脉冲数值差又可以得到提升机的实际速度，此处单位时间是指STEP7的中断组织块的周期，我们设定OB35的周期为20ms。检测到实际速度和位移以后，还可以对提升机一些重要的保护作出判断，如过卷、超速等等。2.3 变频器的硬件设计2.3.1 主回路系统采用西门子6SE70变频器，提升机主电机的功率为180kW，据此选用6SE7033-7EG60型变频器。6SE70的输入输出端子可以自由定义和使用。本应用中对控制端子X101的功能设置为：X101-3，变频器故障（输出）；X101-4，变频器运行（输出）；X101-5，变频器警告（输出）X101-6，制动单元和制动电阻故障（输入）；X101-7，变频器故障复位（输入）；X101-8，停车2（输入）；X101-9，启停（输入）。速度主设定X101-15，16通过PLC的AO模块给定。2.3.2 制动电阻和制动单元提升机属于位势性负载，提升机需要消耗能量，而下放时则会释放能量。因为通用变频器都是单向整流，如果电动机处于制动状态或发电状态，回馈的能量将通过逆变环节到达直流环节，会使直流母线电压升高，因此需要增加制动单元。制动单元和制动电阻的连接如图4所示。其中制动单元的X38-4和X38-2接DC 24 V，X38-1为故障复位功能，通过复位按钮SB2实现复位功能。为合理利用CUVC板上X101的数字量端子，将制动电阻的热触点3，4和制动单元故障串联作为X101-6，并在6SE70软件中自定义其功能为制动单元和制动电阻故障。3 S曲线速度给定为了提高提升机的舒适性和减少对机械部分的冲击，本系统中借助于PLC实现提升机速度的S曲线变化。S曲线不但要求系统在加、减速过程中速度变化平滑，而且要求系统的加、减速度变化平滑，如图5所示。3.1 理想S曲线的产生方法3.1.1 加速段的基本公式根据曲线对速度和加速度的要求，在加速过程中加速度和速度都是时间t的变量。给出加速阶段速度表达式为式中：aml：为加速启动段的最大加速度，ms2；A1为0t1段加速度的变化率，ms3；A2为t2t3段加速度的变化率，ms3。3.1.2 等速段、减速段和爬行段的基本公式等速段是指提升机以最大速度等速运行的过程。减速段与加速段一样，可以分为3个阶段，分别用v5（t），v6（t），v7（t）表示。给出减速各段速度表达式为式中：vm为等速运行速度，ms；A3为t4t5段加速度变化率，ms3；am2为减速段最大减速度值，ms2；S为匀减速段行程值，m，SS6-S（t）；S6为参考点R6位置，根据实际情况决定，m；v6为参考点R6速度，根据实际情况决定，ms；A4为t6t7段加速度变化率，ms3。爬行段即提升运行速度降为vp，而进入的一段低速运行段，表示为3.2 实际S曲线速度给定的校正以上给出的速度给定公式是在最大速度情况下得出来的，在实行情况中，特别是手动操作方式下，很难保证vm为常数。3.2.1 减速点后移法这种方法的原则是保持A3，am2，A4不变，结合实际vm计算出减速3个阶段的距离S5，S6，S7和爬行段距离Sp。由SjS5+S6+S7+Sp计算出实际距离，再结合总行程就可以计算出减速点位置。3.2.2 减速度变化法这种方法的原则是减速点保持不变，可以通过变化减速段的减速度am2来实现。由，并保持减速段和减速段的时间不变，这样vm的变化就会影响v5，am2发生变化。本系统采用的就是这种方法。3.3 本系统S曲线相关参数设计设定系统中A1A2A3A40.25ms2，则am1am20.5ms2加速段、加速段、减速段和减速段的时间均为2s。该矿井为单次提升189m的双水平立井，设计提升最大速度为3.82ms，爬行速度设定为0.2ms。根据式（5）、式（6），得到由式（8）、式（9）得由式（7）得爬行段设定为5s，则Sp1m根据以上计算，可以得到实际减速点Sjsd169.42m。3.4 STEP7编程实现S曲线根据以上分析，可以将整个提升行程分为8个阶段。每个阶段的速度给定都以公式形式给出，其中t为变量。程序中采用的方法是每个阶段开始都对时间进行复位，也就是确保每个阶段开始时，时间t-ti0，i1，6。每个阶段复位的条件在加速段和减速段不同，在加速段靠速度（即v1，v2）比较来判断，在减速段靠行程比较来判断。4 PLC软件设计4.1 S7-300PLC的软件配置STEP7编程软件采用的是块式结构编程，可以分为组织块（OB）、系统功能块或系统功能（SFB或SFC）、功能块（FB）、功能（FC）、背景数据块（背景DB）和数据块（DB）等。OB块中的OB1是必须的，其他块根据需要来增减。本系统PLC程序部分用到了主程序循环OB1、循环中断OB35、诊断中断OB82、暖启动OB100等组织块。另外还用到了自定义的功能FC、数据块DB、系统功能SFC等。4.2 程序结构设计操作保护PLC必须确保提升机安全运行，所以其程序中主要是两大类故障的处理。给出其软件程序流程如图6所示。各个组织块之间的切换由PLC的操作系统负责，操作系统检测系统运行时间，如达到中断时间则调用一次OB35，若发现有硬件故障，则调用OB82。行程控制PLC主要是为了给出完整的S型曲线，其程序结构和操作保护PLC类似。这里给出其速度计算的流程图，如图7所示。其中v表示实际速度、vm表示主令速度给定、vi表示根据“S曲线”各阶段公式计算出来的速度给定，S表示实际行程，Sjsd表示实际减速点。在减速点之前速度vm由主令给定，当主令变化时，实际速度跟随，设定动态跟随加速度为0.8ms。在减速点的时刻，计算出减速段的各特征位置，用来判断整个减速段各点所处的阶段。在减速之后，主令给定比理论计算给定速度小时，则按主令给定，否则按理论S曲线减速，在程序设计时，两个量比较还有滤波，在流程图中略去。5 总结该矿副井提升机自从投入运行以来，运行良好，该系统的突出优点如下。1）基于双PLC结构的提升机调速系统设计功能完善，运行安全可靠，改原来系统减速段主令和制动闸配合减速为自动减速。2）S曲线速度给定使变频器能够控制提升机平滑运行，减少机械冲击，大大提高人员舒适度。变频器结合制动单元可以实现提升机4象限运行，解决了提升机下放回馈的问题。3）触摸屏上显示了罐笼位置，速度（给定速度、实际速度、包络线速度）、系统状态等，方便司机观察和操作。参考文献：01马宁，孔红.S7-300 PLC和MM440变频器的原理与应用M.北京:机械工业出版社，2006.802廖常初，陈晓东.西门子人机界面（触摸屏）组态与应用技术M.北京:机械工业出版社，2006.10袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀