矿井提升机电控制系统设计另存为

本科生毕业设计（论文）题目矿井提升机电控制系统设计学生姓名系别专业年级指导教师2011年6月20日摘要煤矿矿井提升机是煤矿的重要设备，随着计算机和PLC技术的不断进步，采用先进的控制技术来改造传统矿山行业的传统控制系统，从而使矿井提升机的控制性能得到很大的改善，其控制系统的技术性能和可靠性直接影响煤矿的安全生产。本文采用PLC技术对TKDA电控系统进行改造，保持原操作方式、按钮、开关、主令控制器作用不变，使用户使用方便，不需要适应期。同时可以利用PLC的高速计数功能、信号显示功能等来增加一些新的控制功能，系统安全性也将大大提高，运行更加平稳、准确。改造后的系统能够满足矿山生产的苛刻要求，而且投资相对较少，性价比较高，具有很强的实用价值。关键词矿井提升机；PLC；电控系统ABSTRACTMINEHOISTISAIMPORTANTEQUIPMENTINMININGOPERATION，WITHTHEDEVELOPMENTOFCOMPUTERSCIENCEANDPLCTECHNOLOGY，ADVANCEDELECTRONICCONTROLLINGTECHNOLOGYHASBEENAPPLIEDINCONTROLSYSTEMUPGRADINGTHETECHNICALPERFORMANCEANDRELIABILITYOFTHEMINEHOISTCONTROLSYSTEMDIRECTLYRELATETOTHEMINEPRODUCTIONSAFETYTHEPAPERPRESENTSAINNOVATIVEDESIGN，WHICHINTEGRATESTHEPLCTECHNOLOGYINTOTHETKDASYSTEMWHILEKEEPSITSORIGINALOPERATIONMODE，BUTTONS，SWITCHESANDMASTERCONTROLLERTHISWILLBECONVENIENTFORUSERSOPERATIONANDUTILIZEPLCHIGHSPEEDCOUNTINGFUNCTIONANDSIGNALINDICATIONFUNCTIONTHENEWDESIGNWILLGREATLYIMPROVETHESYSTEMSAFETYTHEMODIFIEDTKDASYSTEMCANRUNINAMORESTABLEANDACCURATECONDITIONANDMEETSTRICTREQUIREMENTSOFPRACTICALMINEPRODUCTIONEXTRAINVESTMENTOFTHENEWSYSTEMISCOMPARATIVELYSMALLTHEREFORE，ITISAKINDSOFCOSTEFFECTIVEDESIGN，WHICHDESERVETOBEGENERALIZEDKEYWORDSSHAFTHOIST；PLC；ELECTRICALLYCONTROLLEDSYSTEM目录前言1第一章绪论211矿井提升机发展现状212课题研究的意义3第二章基于变频PLC的调速系统421变频调速方案422控制系统设计4221系统性能特点4222系统硬件设计4223系统软件设计7第三章基于PLC的电控系统831总体设计方案832硬件设计8321提升机主回路部分设计9322制动回路设计9323速度给定回路10324动力制动回路11325行程检测与显示12326辅助回路设计1333提升机主电动机转子电阻计算1334PLC控制系统设计13341主控PLC控制电路设计13342PLC控制软件设计14第四章结论17参考文献18致谢191前言矿井提升机是矿山生产的至关重要的大型设备，对矿井的生产和安全起着非常重要的作用，有着重要的国民经济意义。提升机电力传动系统运行复杂，提升机的电动机经常正反向切换运行，频繁的处于电动和制动状态不断转换和处于超负荷的状态。对提升机来说，提升的运行过程中的安全性和可靠性是至关重要的，特别是用于搭载乘务人员的副井，如果发生故障往往会造成机毁人亡，因此，为了保证提升机能够安全可靠的运行，提升机的安全性和可靠性就成为研究和制造时必须首要考虑的至关重要的问题。我国是个采矿大国，也是矿山机电设备制造和使用大国。矿山企业的提升机是咽喉设备，产品不断更新换代。老产品运行年深日久，原本落后的结构问题暴露突出，故障增多，严重影响矿山的安全运转，抑制了矿山工业的快速发展，给国民经济带来了不良的影响。随着国内矿井生产量的飞速的提高，对提高提升机的安全性、可靠性、生产效率以及整机的自动化水平，降低操作维护人员的劳动强度和提高处理设备故障的速度等，成了非常迫切的要求。所以本文就以研究和设计提升机控制系统为目的，仔细的研究和分析了提升机系统的各个组成部分及其之间的联系，来更近一步的了解提升机系统，更好的为矿山单位服务，为国民经济的发展提供良好的条件。第一章绪论211矿井提升机发展现状当前国内提升机电控绝大多数还是转子回路串电阻分段控制的交流绕线式电机继电器接触器系统，设备陈旧、技术落后。而且这种控制方式存在着很多的问题1转子回路串接电阻，消耗电能，造成能源浪费。2电阻分级切换，为有级调速，设备运行不平稳，容易引起电气及机械冲击。3继电器、接触器频繁动作，电弧烧蚀触点，影响接触器使用寿命，维修成本较高。4交流绕线异步电动机的滑环存在接触不良问题，容易引起设备事故。5电动机依靠转子电阻获得的低速，其运行特性较软。6提升容器通过给定的减速点时，由于负载的不同，而将得到不同的减速度，不能达到稳定的低速爬行，最后导致停车位置不准，不能正常装卸载。上述问题使提升机运行的可靠性和安全性不能得到有效的保障。因此，需要研制更加安全可靠的控制系统，使提升机运行的可靠性和安全性得到提高。在提升机控制系统中应用计算机控制技术和变频调速技术，对原有提升机控制系统进行升级换代。就计算机技术在工业现场应用情况而言，可编程控制器PLC是目前作为工业控制最理想的机型，它是采用计算机技术、按照事先编好并储存在计算机内部一段程序来完成设备的操作控制。采用PLC控制，硬件简洁、软件灵活性强、调试方便、维护量小，PLC技术己经广泛应用于各种提升机控制，配合一些提升机专用电子模块组成的提升机控制设备，可供控制高压带动力制动或低频制动，单、双机拖动等操作、监控和安全保护系统选用可编程控制器。主控计算机应用软件能完成提升机自动、半自动、手动、检修、低速爬行等各种运动方式的控制要求。而在PLC电控系统的基础上配合变频调速装置，运用现在先进的矢量控制技术，不但适合提升机运行工艺的要求，还将解决整套提升机系统的电力拖动方面的一系列问题。变频装置取代复杂的串联电阻切换装置，对提升机运行速度曲线、转矩大小的要求都由变频器来完成，简化了控制操作流程，提高了控制精度。采用先进的工业计算机、现场总线和工业自动化技术，按照结构标准化、产品系列化、性能现代化、体积小型化的原则，研制生产适合矿井提升机电控设备是进行技术改造和新建矿井设备选型的理想选择。使用上位机监控系统，采用组态模式，实现良好的人机对话；实时监控提升机的运行状态，上位机动态模拟显示及故障闭锁；可进行故障报警、数据查询、报表打印；记录提升钩数以及每日、每月、每年的提升量累计；故障声光指示、记忆及部分传感器上位机的紧急处理。312课题研究的意义我国有着丰富的矿产资源，低廉的劳动力成本，本应该在国际市场竞争中占有明显的优势，但由于技术、管理和体制等原因，大部分矿山企业的劳动力效率低下，再加上国际国内间的竞争加剧，我国矿山企业的前景不容乐观。从采用先进技术的采矿国家发展经验可以得出的结论是采用高新技术和先进设备改造落后的矿井提升系统的现状是我国矿山企业在国内国际竞争中胜出的必由之路。本课题的研究意义也就在此应用先进的计算机和PLC技术改造传统老旧得矿井提升机控制系统，提高矿井的产量和质量从而在市场竞争中取得优势地位。采用先进的计算机控制系统同时也可以使矿井生产的安全性和可靠性也可以得到有力的保障，同时也可以提高矿山企业的自动化和现代化管理水平。4第二章基于变频PLC的调速系统21变频调速方案提升机在运行过程中，矿井井下和井口必须用信号联络，信号未经确认，提升机不能运行。当操作工人听到开车信号时，按下启动按钮，PLC控制将AC380V电源接入变频器。提升机起动时，先对电机施加直流制动，再松开机械抱闸，防止溜车，提升机开始运行。在提升过程中，控制提升机运行的速度曲线可由PLC编程产生，经过A/D转换，由模拟量输出口输出，以驱动变频器工作；也可根据现场的工况需要，由操作台速度控制手柄以人工方式进行控制。旋转编码器可以检测电动机的转速，并将此信号传送给PLC，PLC通过该信号可以累计计算提升机的速度及行走距离，监视器可以时时显示提升机速度和位置。井口液压站的作用是液压机械制动，类似电磁抱闸。此制动器用于重车静止时的制动，停车时先通过液压站给卷筒施加机械制动力，再取消直流制动力，其受PLC和变频器控制。控制监视系统是操作人员、控制系统及运输系统之间的桥梁，它可以在线监测提升机运输系统的各种工作参数、工作状态、故障参数和故障状态。22控制系统设计221系统性能特点1为了便于系统故障时不影响生产进行，在使用工频系统的基础上增加变频系统，并且可以实现工频变频的切换。2能够实现平滑无级调速。再生发电时电能回馈至变频器的直流侧，通过制动单元和制动电阻泄放。并将电网侧功率因数提高到095以上。3可实现性能优越的闭环控制。配合工艺，实现提升和下降的不同速度运行。4采用PLC软件编程可实现提升机S形速度给定及操作台人工速度给定，能够实现自动及手动调速，灵活性大，易于操作。5利用PLC的编程软件及变频器的功能参数取代了大量接触器、继电器等硬件，使设备运行的可靠性得到极大提高。222系统硬件设计1变频PLC调速主电路变频PLC调速主电路如图21所示。5图21变频PLC调速系统主电路控制系统的核心部件为西门子公司的S7300PLC和MM440变频器，采用并行连接，其连接方式分为模拟量和开关量连接。其中开关量连接方式抗干扰能力强。针对开关量连接的控制过程PLC的Q42输出开关量“1”，变频器启动，重车加速上行，空车同时在井口车场位置开始下行，MM440工作在第1频率段设为25HZ，此阶段为过渡阶段；时间继电器延时15S后由PLC发出加速信号给MM440，从而MM440切换到第2频率段设为50HZ，此阶段为稳定运行阶段。当重车快到井口时，重车减速上行，延时20S后，MM440切换到第3频率段设为8HZ，此阶段一般为低速爬行，便于在规定位置停车；同样，再延时5S后，MM440切换到第4频率段设为0，重车减速到零，提升过程结束。2变频PLC调速辅助电路变频PLC调速辅助电路主要包括变/工频切换电路和变频器声光报警电路以及变频器制动控制电路。变/工频切换和声光报警电路该电路设计方案有2种一是报警设备设置在PLC端，即利用Q46和Q47。二是设在变频器端。这里讨论第2种，如图22所示。无论哪种方案均可满足以下要求在“变频运行”时，一旦变频器因故障而跳闸时，可自动切换为“工频运行”，同时进行声光报警。6图22变/工频切换和声光报警电路当PLC的Q31，Q32输出开关量“1”，Q33输出开关量“0”时，接触器KM2动作，将电动机接至变频器的输出端。接触器KM2动作后KM1也动作，将工频电源接至变频器的输入端，并允许电机起动。同时使连接到接触器KM3线圈控制电路中的接触器KM2常闭触点断开，确保接触器KM3不能接通。从而系统运行于变频状态。在变频运行中，如果变频器因故障跳闸，则变频器的“NCCOM”触点断开，KM1和KM2线圈均失电，其主触点切断变频器与电源之间，以及变频器与电机之间的连接。同时“NOCOM”触点闭合，报警扬声器HA和报警灯HL进行声光报警。同时，时间继电器KTPLC内得电，其触点延时一段时间后闭合，使Q33输出为“1”并保持，电机进入工频运行状态。制动单元在提升机工作过程中，当重车减速，由于提升机负载惯性较大，常常造成不能控制准确停车；另外有占10的时间单独运送货物到井下时，电机长时间处于再生发电状态，需要进行有效的制动。223系统软件设计多段速运行多段速运行曲线7如图24所示。提升机无论正转、反转，其工作过程是相同的，都有4挡转速25HZ、50HZ、8HZ、0，对应启动、加速、中速运行、稳定运行、减速、低速运行、制动停车7个阶段。调速可由程序控制段速运行，也可由外端子控制段速运行。以下以外端子控制段速运行进行说明。图24多段速运行曲线多段速频率多段速频率的选择如表21。表21多段频率的选择固定频率Q43Q44Q451001201030114100OFF000第三章基于PLC的电控系统31总体设计方案基于PLC技术的矿井交流提升机电控系统控制电路组成结构如图31所示要由以下5部分组8成高压主电路包括高压换向器、电动机、启动柜、动力制动电源、主控PLC电路、提升行程检测与显示电路、提升速度检测、提升信号电路，其中高压主电路部分仍采用传统的继电器控制电路。图31矿井交流提升机电控系统框图工作过程当井口或井底通过信号通信电路发出开车信号后，开车条件具备。司机将制动手柄向前推离紧闸位置，主电动机松闸。司机将主令控制器的操作手柄推向正向（或反向极端位置，主控PLC通过程序控制高压换向器首先得电，使高压信号送入主电动机定子绕组，主电动机接入全部转子电阻启动然后依次切除8段电阻，实现自动加速，最后运行在自然机械特性上。交流提升机运行时旋转编码器跟随主电动机转动，输出2列A/B相脉冲，分别接到主控PLC的高速计数器HSCO的A/B相脉冲输入端，由主控PLC根据A/B脉冲的相位关系，自动确定HSCO的加、减计数方式。根据HSCO的计数值，就可以计算出提升行程并显示。同时只根据旋转编码器输出的A相脉冲，主控PLC进行加计数。根据HSCO在恒定间隔时间内的计数值，就可以计算出提升速度。32硬件设计321提升机主回路部分设计主回路用于供给提升电动机电源，实现失压、过流保护，控制电机的转向和调节转速。主回路由高压开关柜、高压换向器的常开触头、动力制动接触器的常开主触头、动力制动电源装置、提升电动机、电机转子电阻、加速接触器的常开主触头1JC8JC和装在司机操作台上的指示电流表和电压表等组成。系统原理图如图32所示。9图32提升机主回路系统原理图主拖动电机选择鼠笼式异步电动机尽管结构简单、价格便宜、维护方便，但很难满足提升机启动和调速性能的要求。因此，矿井提升机交流拖动系统均选用绕线式异步电动机作为主拖动电动机。绕线式异步电动机转子串电阻后能限制启动电流和提高启动转矩，并能在一定范围内进行调速。地面变电所送来的二路6KV电源，一路工作，一路备用，经TGG6型高压开关柜的隔离开关GLK1、油开关GYD、高压换向器线路接触器XLC的主触头、正向或反向接触器ZC或FC后到主电机的定子。在高压开关柜内还设有电压互感器YH，失压服扣线圈SYQ，电流互感器LH和过流脱扣线圈GLQ，用于失压或过流保护。在SYQ线圈回路中还串联接有紧急停车开关JTK1和换向器室栏栅门闭锁开关LSK。322制动回路设计矿井提升机大多数采用绕线式异步电动机来拖动，且多数场合下采用有级切换转子回路电阻来实现调速。其制动系统多采用可控硅动力制动和可调闸制动系统。前者为电气制动后者为机械制动。提升机在减速段运行中，当速度在O5范围内，电气制动起作用，可调闸不起作用；当超速在510范围内，电气制动限幅，并维持最大制动功率，同时可调闸起作用，总制动力矩增大；当超速10时，过速继电器GSJ1作用于安全回路，可调闸将提升机滚筒闸住。晶闸管动力电源装置主要有两部分组成，一部分为主回路，另一部分为触发回路。本文设计中采用KZG型三相可控硅动力制动系统。此系统为单闭环动力制动系统，系统方框图如图33所示，从图中可以看出速度偏差控制和脚踏控制是“或”的关系，哪个信号大，就允许哪个信号通10过，亦即相应的控制方式发挥作用。因此，单闭环控制时司机可以脚踏制动进行控制，而在脚踏控制时，如提升机超速，闭环系统又可起监视保护作用。图33单闭环动力制动系统323速度给定回路速度给定方式就是按行程原则产生速度给定信号。在矿井提升机电控系统中，通常是采用凸轮板给定方法即由凸轮板控制自整角机的输出电压。由于自整角机没有可滑动的触点，因此电压变化较平稳工作较可靠，维护量较小。原理图如图34所示。自整角机作为给定装置应用时是将激磁绕组通以单相110伏交流电，在三相同步绕组中任取两相的输出作为给定电压的输出。其输出电压为交流，如需要直流则应通过桥式整流输出。图34速度给定电路11324动力制动回路晶闸管整流器及其触发装置成套地装在电源柜中，动力制动电源装置输出电压的大小与触发装置输入的控制信号电压的高低有关。控制信号电压由两个回路组成一个或门电路如图35所示。只要其中之一达到触发要求时，即可使晶闸管触发起制动作用。这两个回路，一个是由实际速度与给定速度形成的速度偏差值，自动控制CF3磁放大器的输出和动力制动输出，另一条回路由司机控制自整角机CD2的输出以实现人工调节。图35动力制动电压形成回路在人工控制动力制动系统时，由司机控制脚踏板带动自整角机CD2发生控制电压。调整时应使其与磁放大器CF3的输出相配合。当脚跟刚刚踩下脚尖尚未下踏时，相当于控制开关闭和，使DZC得电吸合，晶闸管动力制动投入，但此时自整角机CD2输出很小，动力制动电流最小。当司机脚尖踏下后，自整角机CD2输出最大。在脚踏动力制动与CF3输出回路中，分别由Z1和Z2两个二极管组成一个或门电路，此两种控制信号成并联关系，互不影响。325行程检测与显示利用旋转编码器将提升机的运行位置转化为脉冲。PLC对此脉冲进行高速计数，通过相应的计算自动生成提升机位置的相关数据，传送到PLC内部高速计数器的存储单元。为了提高计数器的脉冲精度，选用日本OMRON公司的E6CCWSC型可逆旋转编码器，其脉冲准确精度高，在低速时不会丢失脉冲。为了便于提升机司机操作，提升机电控系统需设置可靠的行程显示装置（又称深度指示器用于显示提升容器在井筒中的位置。本文设计根据编码器所测的运行距离（O57OM，采用3个LED七段显示器作为提升机位置的显示。12图36PLC数字显示电路图36所示电路中，用具有锁存，译码，驱动功能的芯片CD4513驱动共阴极LED七段显示器，三只CD4513的数据输入端AD共用可编程控制器的4个输出端，其中A为最低位，D为最高位。LE是锁存使能输入端，在LE信号的上升沿将数据输入端输入的BCD数锁存在片内的寄存器中，并将该数译码后显示出来。如果输入的不是十进制数，显示器熄灭。LE为高电平时，显示的数不受数据输入信号的影响。显然，N个显示器占用的输出点数为4N。326辅助回路设计辅助回路是用于对辅助设备进行供电和控制的。辅助回路的电源电压为交流38OV，两回路供电。辅助回路所带负荷有晶闸管动力制动电源装置、制动油泵电动机、润滑油泵电动机等。33提升机主电动机转子电阻计算电动机转子电阻的计算，对提升设备的正常运转有着重要的作用。进行启动电阻计算时，首先应确定预备级级数和加速级级数。因为所选的级数直接影响到最大切换力矩的增大或减小及平均启动加速度的提高或降低，甚至由于过载能力不够而需加大电动机容量，故应全面考虑，选出经济合理的级数。一般情况下，预备级级数和加速级级数的选择见表31所示。表31预备级级数和加速级级数的选择13电动机功率/KW电阻级数特性曲线图加速级级数预备级级数100453110020056412004005869461240010008962三相平衡启动电阻的计算方法很多，但基本上可分为两种类型一类是按给定加速度来计算启动电阻，另一类是以充分利用电动机的过载能力为出发点来计算。因第一类方法计算简便准确，故本文中采用此方法计算。34PLC控制系统设计341主控PLC控制电路设计根据提升机的运行方式和煤矿企业的固有特点，国产矿井提升机电控制系统中应用PLC也发展很快。但从现场使用情况来看，目前，在国产煤矿提升机控制系统中，PLC主要用于处理开关量，以替代老式提升机控制系统中众多的继电器、接触器、复杂的连线以及信号显示系统，而涉及到提升机安全运行的制动系统中的模拟量和自动调节过程，大多还是通过用半导体器件、运算放大器等可调闸和可控硅动力制动的普通电子模式来处理。使用过程中经常会出现零点漂移、电子元件损坏，并且存在维修及重新调试难、可靠性差等缺点，因而使提升机电控系统的可靠性降低。针对上述问题，深入研究用PLC控制煤矿提升机控制系统是非常必要的。本文中主控单元可编程序控制器PLC设计，由一个CPU226主机和两片I/O扩展模块EM223和EM222组成，设计含有40个输入点40个输出点，则具体I/O接线如图41所示。14图41主控PLC电路及扩展I/O接线342PLC控制软件设计PLC控制软件主程序流程图如图42所示。1初始化子程序用于对高速计数器HSC0和HSC1进行以下操作写控制字，定义工作模式，清零，写设定值，设置定时中断，连接中断，启动计数。2制动油泵、润滑油泵、动力制动电源、五通阀电磁铁、四通阀电磁铁和安全阀电磁铁等的控制属于交流提升机安全运行所需辅助设备的控制。3制动油过压信号、制动油过热信号和润滑油过压信号的显示控制用于交流提升机工作状态的显示控制。4调绳闭锁回路是在调绳过程中起安全保护作用。双卷筒提升机换水平调绳时，调绳转换开关1HK3断开，使调绳连锁环节串入安全回路。正常运行时，1HK3接通，调绳连锁不起作用。15图42主程序控制流程图5提升信号回路用于对交流提升电动机启动或减速作好准备。6位置测量子程序用于测量提升机在矿井中的位置。7行程显示子程序根据旋转编码器的脉冲个数来显示当前的行程位置。8减速信号回路和减速信号铃用于减速控制并且发出铃声提示信号。9自动换向工作回路和手动正反转工作回路分别用于自动和手动方式下对交流提升电动机进行正反转控制。10安全回路用于防止和避免交流提升机发生意外事故。11定时器控制回路和转子电阻