西门子提升机控制系统

SIEMENS 西门子提升机电气控制系统 Siemens Ltd China IS MT MIN 1 / 32 Liu Li Bin 01.03.2010 Rev 01 西门子提升机电气控制系统西门子提升机电气控制系统西门子提升机电气控制系统西门子提升机电气控制系统 使用手册 SIEMENS 西门子提升机电气控制系统 Siemens Ltd China IS MT MIN 2 / 32 Liu Li Bin 01.03.2010 Rev 01 西门子提升机电气控制系统西门子提升机电气控制系统西门子提升机电气控制系统西门子提升机电气控制系统 1 PLC 硬件电路图及说明.4 2 控制程序功能框图.6 3 闭环控制原理图及说明.8 3.1 实际位置和速度检测.9 3.2 设定点发生器.9 3.3 位置控制器.10 3.4 速度控制器.10 3.5 力矩预控制.10 3.6 电流控制器11 4 安全保护回路.11 4.1 安全回路.11 4.2 电气停车回路.11 4.3 闭锁回路.12 5 安全监视.12 5.1 连续速度监视.12 5.2 末段监视.13 5.3 电子阶梯速度监视.13 5.4 井筒开关监视.14 5.5 速度相互监视 编码器 1/2.14 5.6 位置跳跃监视 编码器 1-3.14 5.7 位置相互监视 编码器 2/3.15 5.8 速度包络线相互监视 系统 A/B.15 5.9 位置相互监视 编码器 2 系统 A/B15 5.10 电气停车监视16 5.11 带载下降监视16 5.12 带载提升监视16 5.13 错向监视17 5.14 位置设定值/实际值监视.17 5.15 速度设定值/实际值监视.17 5.16 力矩设定值/实际值监视.17 6 人机界面 HMI.18 7 液压制动系统18 7.1 系统组成18 7.2 液压动力单元19 7.3 液压电气控制系统21 7.4 液压系统的 n+1 通道23 8 提升信号和装卸载25 9 系统工作过程26 SIEMENS 西门子提升机电气控制系统 Siemens Ltd China IS MT MIN 3 / 32 Liu Li Bin 01.03.2010 Rev 01 10 系统调试与维护27 10.1 调试工具.27 10.2 调试内容.27 10.3 故障分析与判断.31 SIEMENS 西门子提升机电气控制系统 Siemens Ltd China IS MT MIN 4 / 32 Liu Li Bin 01.03.2010 Rev 01 1 PLC 硬件电路图及说明硬件电路图及说明硬件电路图及说明硬件电路图及说明 SL150 Encoders Syn. Switches Syn. Switches Encoders SIEMENS 西门子提升机电气控制系统 Siemens Ltd China IS MT MIN 5 / 32 Liu Li Bin 01.03.2010 Rev 01 西门子提升工艺控制系统的核心由两套 SIMATIC S7 400 系列 PLC 自动化系统组成，即系 统 A 和系统 B。系统 A 实现提升机控制和安全监视功能，系统 B 实现安全监视功能，这样 就组成了一套提升机控制和双通道冗余的安全监视系统。 系统 A 和系统 B 的硬件组成几乎是相同的，包括： ? 1 个电源模块 为基架上的其它模块提供内部工作电源。 ? 1 个 S7 PLC 的 CPU 由于系统 A 承担主控任务， 同时为了冗余安全， 系统 A 选用比系统 B 性能更强的 CPU， 系统A和系统B分别选用CPU416-2DP和CPU414-2DP， 或CPU414-2DP和CPU412-2DP。 系统 A 和系统 B 通过 CPU 上集成的 MPI 网络接口通讯，交换数据。 系统 A 和系统 B 的 CPU 均带一个集成的 Profibus DP 接口，它们组成了一个网络，用于 人机接口和调试诊断。一台或两台人机接口（HMI）台式 PC 机，以及用于调试和诊断 的笔记本电脑均接在这个网络上。 系统 A 的 S7 CPU 实现除闭环控制外的提升机控制和安全监视功能， 系统 B 的 S7 CPU 实现安全监视功能。 ? 1 个功能模块 FM458 及其外设扩展模块 EXM438 FM458 是一个高性能的工艺控制器，它采用 64 位 RISC CPU，具有强大的浮点运算能 力。它采用固定的程序处理周期，最快为 0.1ms，非常适合执行要求高动态响应的闭环 控制任务。 FM458 集成了一个 Profibus DP 通讯口，最高波特率为 12M bps，具有等时同步功能， 用于和传动通讯。FM458 通过底板总线和 S7 CPU 通讯。 EXM438 是 FM458 的扩展模块，用于连接外设 I/O 和编码器。提升机的同步开关和编 码器均通过 EXM438 连接。 系统 A 的 FM458 实现提升机的闭环控制（包括编码器的位置速度解算）及闭环控制监 视功能，系统 B 的 FM458 实现编码器的位置速度解算功能。 ? 通讯模块 系统A和系统B均配有一个CP443-5 Profibus DP通讯模块， 用于连接分布式Profibus DP 从站，主要是 ET200M 分布式 I/O 站，和其它 DP 从站装置。这些 DP 从站分布在提升 机控制柜（WTC） ，低压配电柜，变压器温度采集箱，操作台以及第三方设备中。通过 Profibus DP 现场总线技术，大大减少了信号布线，并且提高了可靠性。 由于系统 A 是主控系统，而系统 B 仅实现冗余的监视任务，所以系统 A 具有较多的从 站和 I/O 信号，只有重要的参与安全监视的信号才同时接入系统 B。 根据项目要求，可能还会配置第二块 Profibus DP 通讯模块或以太网通讯模块。 SIEMENS 西门子提升机电气控制系统 Siemens Ltd China IS MT MIN 6 / 32 Liu Li Bin 01.03.2010 Rev 01 2 控制程序功能框图控制程序功能框图控制程序功能框图控制程序功能框图 FM458 系统系统系统系统 A 实际位置和速度计算实际位置和速度计算实际位置和速度计算实际位置和速度计算 编码器和同步开关处理 设定设定设定设定值值值值发生器发生器发生器发生器 产生位置，速度和加速度的设定值 位置控制器位置控制器位置控制器位置控制器 产生附加的速度设定值 速度控制器速度控制器速度控制器速度控制器 产生力矩设定值 力矩预力矩预力矩预力矩预控制控制控制控制 产生力矩预置值 通讯通讯通讯通讯 和 S7 CPU 通讯 和传动系统通讯 监视监视监视监视 通讯监视 系统监视 同步开关电源/PLC 风扇等监视 位置设定值/实际值监视 速度设定值/实际值监视 力矩设定值/实际值监视 FM458 系统系统系统系统 B 实际位置和速度计算实际位置和速度计算实际位置和速度计算实际位置和速度计算 编码器和同步开关处理 通讯通讯通讯通讯 和 S7 CPU 通讯 监视监视监视监视 通讯监视 系统监视 同步开关电源/PLC 风扇等监视 S7 系统系统系统系统 A 安全监视安全监视安全监视安全监视 连续速度监视 末段监视 电子阶梯速度监视 井筒开关监视 速度相互监视 编码器 1/2 位置跳跃监视 编码器 1-3 位置相互监视 编码器 2/3 速度包络线相互监视 系统 A/B 位置相互监视 编码器 2 系统 A/B 电气停车监视 带载下降监视 带载提升监视 错向监视 三级安全回路三级安全回路三级安全回路三级安全回路 安全回路 电气停车回路 闭锁回路 S7 系统系统系统系统 B 安全监视安全监视安全监视安全监视 连续速度监视 末段监视 电子阶梯速度监视 井筒开关监视 速度相互监视 编码器 1/2 位置跳跃监视 编码器 1-3 位置相互监视 编码器 2/3 速度包络线相互监视 系统 A/B 位置相互监视 编码器 2 系统 A/B 电气停车监视 带载下降监视 带载提升监视 错向监视 三级安全回路三级安全回路三级安全回路三级安全回路 安全回路 电气停车回路 闭锁回路 SIEMENS 西门子提升机电气控制系统 Siemens Ltd China IS MT MIN 7 / 32 Liu Li Bin 01.03.2010 Rev 01 通讯通讯通讯通讯 和 FM458 通讯 和系统 B 通讯 提升机控制提升机控制提升机控制提升机控制 （主主主主 PLC 功能功能功能功能） 辅助设备上电/断电控制和监视 电机/变压器/轴承温度监视 控制模式和运行模式 过卷旁路 FM458 接口控制（包括传动接口） 最大速度选择 箕斗到位和区域信号 自动方式目标和给定方向 液压制动系统接口控制及监视 装卸载/井筒信号系统接口控制 操作台指示 人机界面人机界面人机界面人机界面 人机界面 HMI 数据接口 诊断 PC（Diagnosis PC）数据接口 通讯通讯通讯通讯 和 FM458 通讯 和系统 A 通讯 人机界面人机界面人机界面人机界面 人机界面 HMI 数据接口 诊断 PC（Diagnosis PC）数据接口 3 4 外围设备外围设备外围设备外围设备 A Profibus DP 监控监控监控监控 系统系统系统系统 A 传动传动传动传动 安全回路安全回路安全回路安全回路 主主主主PLC功能功能功能功能 位置 / 速度检测 闭环控制 MPI 外围设备外围设备外围设备外围设备 B Profibus DP FM 458 S7-CPU 系统系统系统系统 B: 监控监控监控监控 安全回路安全回路安全回路安全回路 位置 / 速度检测 编码器编码器编码器编码器 SIEMENS 西门子提升机电气控制系统 Siemens Ltd China IS MT MIN 8 / 32 Liu Li Bin 01.03.2010 Rev 01 5 闭环控制原理图及说明 注： Position detection 位置检测 Speed detection 速度检测 Encoder 编码器 Shaft switches 井筒开关 Reference value generator 设定点发生器 Max speed 最大速度 Destination 目标位置 Speed lever 速度手柄 Acceleration 加速度 Jerk 加速度变化率 Loaded 装载 3 闭环控制原理及说明闭环控制原理及说明闭环控制原理及说明闭环控制原理及说明 SIEMENS 西门子提升机电气控制系统 Siemens Ltd China IS MT MIN 9 / 32 Liu Li Bin 01.03.2010 Rev 01 Position controller 位置控制器 Speed controller 速度控制器 Drive 传动 Current controller 电流控制器 TAS certificate 德国 TAS 认证 Input 输入 Setpoint 设定点 Actual value 实际值 西门子提升机的闭环控制是一个三闭环的运动控制系统，它是在系统 A 的 FM458 和传动中 实现的。在 FM458 中实现的闭环控制功能有实际位置和速度检测，设定点发生器，位置控 制器，速度控制器和力矩预控制。电流控制器是在传动中实现的。 3.1 实际位置和速度检测 ? 编码器 系统采用 3 个双路输出的增量编码器来检测位置和速度，每个编码器的一路输出接 入系统 A（EXM438） ，另一路则接入系统 B（EXM438） 。这样每个系统都接入了 3 个编码器。每个编码器均在 FM458 中被解算出箕斗 1 和箕斗 2 的位置和速度，即两 个位置和两个速度。3 个编码器共产生 6 个位置和 6 个速度，它们被用于闭环控制 和安全监视。 编码器 1 通常装在一个和滚筒内圆接触的橡胶轮上，有时也装在滚筒的一个输出轴 上，这个编码器在滚筒转一转时产生较多的脉冲，在闭环控制中用作速度反馈，因 此又被称为速度编码器。 编码器 2 装在滚筒的一个输出轴上，这个编码器在闭环控制中用作位置反馈，因此 又被称为位置编码器。 编码器 3 通常装在天轮或导向轮的轴端，这个编码器用于检测绳子的运动，通过和 位置编码器的位置和速度比较检测滑绳，因此又被称为监视编码器。 ? 同步开关 由于编码器是增量式的，并且装在滚筒或导向轮/天轮上，钢丝绳和这些转动部件之 间会有相对滑动或蠕动，并且钢丝绳绳长也会有伸缩变化，这些都会影响箕斗的实 际位置。为了检测箕斗的位置，就需要在井筒中安装同步开关，以获得箕斗的绝对 位置。 同步开关采用磁感应开关，动作可靠准确。每个同步开关并行接入系统 A 和系统 B （EXM438） ，箕斗每次经过同步开关时对应箕斗的位置均会被修正。 3.2 设定点发生器 西门子提升机的设定点发生器是一个具有柔性的，适应各种提升机工艺的功能块。 SIEMENS 西门子提升机电气控制系统 Siemens Ltd China IS MT MIN 10 / 32 Liu Li Bin 01.03.2010 Rev 01 它具有如下特性： ? 通过井筒极限，最大速度，加速度，减速度，加速度变化率，爬入和爬出距离 和速度等输入参数，可以适应每个项目的工艺要求。它可以实现两个爬出段和 两个爬入段。 ? 由于有加速度变化率的控制，使得加速度在整个提升周期中匀速变化，设定速 度曲线全程平滑可导，从而使得闭环控制非常平稳，有效减小了对机械的冲击 和钢丝绳的颤动，对于人员提升保证了人员乘坐的舒适感。 ? 无论手动还是自动，无论最大速度是多少，均可以实现固定的爬入距离和爬入 速度，即安全又保证了高效率。 ? 设定点发生器具有一个控制字输入，和其他输入共同控制设定点发生器的工作。 ? 它具有设定位置，设定速度和设定加速度输出。由于有设定位置输出，系统就 可以实现真正的位置闭环控制，实现精确停车。 ? 它具有手动和自动两种工作模式。所谓手动，就是无目标位置的运动，速度手 柄值作为设定点发生器的一个输入，和控制字一起使设定点发生器产生手动运 动。自动方式即有目标位置的运动，目标位置作为设定点发生器的一个输入， 和控制字一起使设定点发生器产生自动运动。 ? 它还具有紧急手动和电气停车等功能。 3.3 位置控制器 位置控制器是一个比例控制器。设定点发生器输出的设定位置作为位置控制器的设 定值输入，来自位置编码器（编码器 2）所选箕斗的位置作为位置控制器的实际值 输入，位置控制器的输出作为附加的速度设定值。位置控制器使实际位置精确跟随 设定位置，实现了真正的位置闭环，使提升机达到精确停车。 3.4 速度控制器 速度控制器是一个比例积分控制器。设定点发生器输出的设定速度作为主速度设定 值，加上位置控制器输出的附加速度设定值，作为速度控制器的设定值输入，速度 编码器（编码器 1）的速度（用箕斗 1 的速度方向）作为速度控制器的实际值输入， 速度控制器输出力矩设定值。设定速度控制器使实际速度跟随设定速度。 3.5 力矩预控制 力矩预控制是在速度控制器 PI（比例和积分）输出之后直接加上的力矩设定值。西 门子提升机的力矩预控制由三部分相加组成： （1） 载荷预置力矩 通常在主井提升机上应用。根据箕斗 1 或箕斗 2 的装载状态，产生相应载重所需的 力矩。这个力矩通常是按照额定装载重量设置，具有表示力矩方向的符号，当两个 箕斗都空时，预置力矩为零。这个预置力矩使速度控制器使能后立刻输出几乎可以 抵消载荷的力矩设定值，在 PI 控制器的作用下迅速建立所需的力矩，使实际速度快 速准确地跟随设定速度，有效减小或消除了没有预值力矩时的倒车现象，使提升机 快速平稳地启动，从而提高了安全性和效率。 （2） 加速度预置力矩 SIEMENS 西门子提升机电气控制系统 Siemens Ltd China IS MT MIN 11 / 32 Liu Li Bin 01.03.2010 Rev 01 提升机在匀速运行时，只需要克服载重差和摩擦力的力矩即可。在加速和减速时， 需要比匀速段更大或更小的力矩，加速度预置力矩就是提供用于加速或加速的这部 分力矩，这个力矩与加速度成正比，也与提升机的机械转动惯量成正比，因此在软 件中是用设定点发生器输出的设定加速度，乘以一个系数得出。这个系数代表转动 惯量，可以通过记录运行曲线，得出匀速段和加速段的实际力矩差，再除以设定加 速度，从而得到这个系数。加速度预置力矩减小了加减速时的速度跟随滞后，减小 或消除了加减速段结束时的速度超调。 （3） 机械预置力矩 这个预置力矩是为了补偿两个箕斗的自重差和首尾绳的重量差。箕斗的自重差是一 个常数，首尾绳的重量差用两个箕斗的位置差乘以一个系数而得出，这个系数可以 用实验方法得到。由于通常首尾绳单位长度的重量差很接近，这部分预置力矩可以 不使用（系数设为零即可） 。 3.6 电流控制器 电流控制器是在传动中实现的， FM458 和传动通过波特率为 12M bps 的 Profibus DP 网络通讯，FM458 中由速度控制器输出的设定转矩（包含预置力矩）和控制字等数 据通过网络传给传动，传动将实际值和状态字等数据传给 FM458。电流控制器使电 机输出的实际转矩跟随设定转矩。 4 安全安全安全安全保护保护保护保护回路回路回路回路 西门子提升机采用三级安全保护回路，保护等级从高到低分别是安全回路（SAC） ，电气停 车回路（ESC）和闭锁回路（LOC） 。 系统 A 和系统 B 的 PLC 中都均有由软件实现的三个安全保护回路，这三个回路的结果通过 PLC 输出点输出，每个输出点驱动一个继电器。系统 A 和系统 B 的这两套软回路实现了冗 余保护。 系统 A 和系统 B 的每个回路包含的信号和逻辑是相同的。系统 A 某回路中若使用了系统 A 独有的信号，这个信号就通过通讯传到系统 B，并放到相同的回路中，系统 B 回路中独有 的信号也作了同样处理， 这样就做到了逻辑相等， 因此正常情况下两个系统对应的回路是一 致的。两个系统的三个回路被比较监视，若系统 A 和 B 不一致则触发安全回路。 4.1 安全回路 两个系统的安全回路继电器触点串联接入液压制动系统，安全回路触发立刻导致机械抱闸， 即提升机在制动闸产生的摩擦力作用下停车。 机械抱闸也被称作安全制动。 最紧急最严重的 故障和信号被放到安全回路中，除了“5 安全监视”中的信号外，过卷，欠电压，传动故障， 中压柜分闸，直流快开分闸，辅助设备断电或故障，电机和变压器超温故障，操作台紧停按 钮等均在安全回路中。 4.2 电气停车回路 若提升机正在自动方式下运行， 电气停车回路触发立刻导致提升机在闭环控制下以预设的减 速度通过电机的转矩停车并工作抱闸。 由于电气停车回路的结果被放入了闭锁回路， 所以电 气停车回路触发会导致闭锁回路触发。 因此在提升机手动方式下电气停车回路触发导致的结 SIEMENS 西门子提升机电气控制系统 Siemens Ltd China IS MT MIN 12 / 32 Liu Li Bin 01.03.2010 Rev 01 果和闭锁回路一样。除了“5 安全监视”中的信号外，轴承超温故障，润滑站故障，信号系 统紧停信号，闸控系统电气停车信号等通常放在电气停车回路中。 4.3 闭锁回路 两个系统的闭锁回路继电器触点串联接入液压制动系统， 若提升机在手动方式并停车抱闸情 况下，闭锁回路触发将导致闸控手柄不能敞闸，实现提升机的闭锁。若提升机在手动方式下 敞闸运行，闭锁回路触发提升机可继续运行，但操作台会发出声音报警，操作工通过闸控手 柄手动抱闸后，如上所述闸控手柄将不能敞闸，提升机被闭锁。 若提升机正在自动方式下运行， 闭锁回路触发将允许提升机完成本次提升， 到预设终点停车 抱闸后则禁止下次提升。 不太紧急和不太严重的故障被放到闭锁回路中， 除了 “5 安全监视” 中的信号外，电机、变压器和轴承超温报警，辅助设备报警，信号系统闭锁信号，闸控系统 闭锁信号等通常放在闭锁回路中。 5 安全监视安全监视安全监视安全监视 除了闭环控制监视（位置设定值/实际值监视，速度设定值/实际值监视，和力矩设定值/实际 值监视） 只存在于系统A的FM458中外， 其它提升工艺监视存在于系统A和系统B的S7 CPU 中，并且逻辑是相同的，这样就实现了双通道的冗余监视。 为了便于对安全监视进行调试和诊断， 西门子采用组态软件 WinCC Flexible 开发了一个人机 界面，叫作“诊断 PC（Diagnosis PC） ” 。这个软件的功能有：编码器位置和速度显示，编码 器位置修改，磨损修正系数设定，监视旁路，监视测试，所有安全监视的状态总览，每一个 安全监视的详细实时显示等。 为了对 S7 中的安全监视进行保护值整定，西门子还提供了一个带有宏程序的 Excel 文件， 叫作“Parameter S7” ，在输入有关参数后，它可以显示一些保护曲线，并能自动生成 S7 PLC 中的监视参数数据块（DB） 。 每一个安全监视的有下列状态： 触发（Tripped） ：在界面中以红色显示。表示该监视产生了故障输出。 未激活（Inactive） ：在界面中以黄色显示。有的监视是有条件的，未激活是指当前条件下该 监视不工作，不会产生故障输出，如之前是触发状态则可被复位。 旁路（Bypassed） ：在界面中以黄色显示。界面中有菜单进行旁路和取消旁路的操作，此状 态表示该监视被旁路， 和未激活一样， 该监视不工作。 只是未激活状态是由系统自动决定的， 而旁路是人为操作的。 总览中 SAC，ESC，LOC，Vmax 分别代表该监视动作会触发安全回路，电气停车回路，闭 锁回路， 最大速度降低。 此外， 有的监视还会导致同步请求， 即系统强制进行手动同步操作。 在每一个安全监视的详细实时显示换面中， 有该监视的状态， 监视对象和参考对象的实时显 示，保护整定值，并且可以对监视对象和参考对象输入叠加值，或进行取反操作，以对该监 视进行保护试验，以测试逻辑是否正常工作。 5.1 连续速度监视 激活条件：无条件 SIEMENS 西门子提升机电气控制系统 Siemens Ltd China IS MT MIN 13 / 32 Liu Li Bin 01.03.2010 Rev 01 触发结果：安全回路 监视对象：箕斗速度的绝对值（编码器 1） 参考对象：连续速度包络线参考值 原理： 此项监视对箕斗 1 和箕斗 2 分别进行。 连续速度包络线参考值根据箕斗实际位置（编码器 2）和运行方向实时计算产生，该计算还 依据有关监视参数如井筒极限，运行最大速度，减速度，爬入距离，和允许值（动作值 Trip Level） 等。 该监视将箕斗速度的绝对值 （编码器 1） 和计算产生的连续速度包络线进行比较， 如果前者大于后者，并持续超过响应时间，则该监视被触发。这个监视限制了箕斗在井筒中 和行程末段减速期间运行的最大速度。 5.2 末段监视 激活条件：无条件 触发结果：安全回路 监视对象：连续速度包络线参考值 参考对象：阶梯参考值 原理： 此项监视对箕斗 1 和箕斗 2 分别进行。 连续速度包络线参考值就是在 5.1 连续速度监视中计算产生的用于监视实际速度的参考值。 阶梯参考值是根据减速段的 3 个井筒开关或软件开关状态产生的。 根据每个开关的位置和其 它相关监视参数，用 Excel 文件 Parameter S7 自动计算出了每个开关对应的速度参考值，这 些速度参考值作为监视参数被下载到 S7 PLC， 这样 S7 PLC 就可以根据这 3 个开关的状态和 箕斗运行方向得出阶梯参考值。 该监视将连续速度包络线参考值和根据开关状态产生的阶梯参考值进行比较， 如果前者大于 后者，并持续超过响应时间，则该监视被触发。 通过减速段的这 3 个开关作为检查点，对减速段速度包络线的降低作了检查。 5.3 电子阶梯速度监视 激活条件：非紧急手动模式 触发结果：安全回路 监视对象：箕斗速度的绝对值（编码器 3） 参考对象：电子阶梯速度参考值 原理： 此项监视对箕斗 1 和箕斗 2 分别进行。 电子阶梯速度参考值根据箕斗实际位置（编码器 3） ，运行最大速度，运行方向以及包含阶 梯速度参考值的数据块产生。在 Excel 文件 Parameter S7 中，设置一个步长（Step width） ， 这个 Excel 文件可以依据有关监视参数如井筒极限，最大速度，减速度，爬入距离，和响应 值（Trip Level）计算出从井筒极限（上/下/缩短的上/缩短的下）开始每隔一个步长一个点， 共 128 个点的速度参考值， 这个步长的大小应该使得在 128 步内达到最大速度。 这些速度参 考值生成对应每个箕斗的 4 个数据块，DB70/71/72/73 为箕斗 1 的，分别为上极限/缩短的上 极限/下极限/缩短的下极限， DB74/75/76/77 则是箕斗 2 的。 这些数据块被下载到7 PLC 中， S7 PLC 根据箕斗实际位置（编码器 3） ，当前运行最大速度和运行方向就可以产生电子阶梯 速度参考值。该监视将箕斗速度的绝对值（编码器）和上述产生的电子阶梯速度参考值进 SIEMENS 西门子提升机电气控制系统 Siemens Ltd China IS MT MIN 14 / 32 Liu Li Bin 01.03.2010 Rev 01 行比较，如果前者大于后者，并持续超过响应时间，则该监视被触发。这个监视限制了箕斗 在井筒中和行程末段减速期间运行的最大速度。 和连续速度监视的相同点： ? 连续速度包络线参考值在 S7 PLC 中的计算方法和电子阶梯速度参考值在 Excel 文件 Parameter S7 中的计算方法是相同的。 ? 这两种监视均限制了箕斗在井筒中和行程末段减速期间运行的最大速度。 和连续速度监视的不同点： ? 连续速度包络线参考值是在 S7 PLC 中实时计算产生的，而电子阶梯速度参考值则是在 Excel 文件 Parameter S7 中预先算好，并下载到 S7 中的，因此这两种监视用不同的算 法实现了冗余的安全保护。 ? 连续速度包络线参考值的计算依据来自编码器的位置， 电子阶梯速度参考值则依据来 自编码器的位置。 ? 监视对象不同， 连续速度监视采用来自编码器的速度绝对值， 而电子阶梯速度监视则 采用来自编码器的速度绝对值。 5.4 井筒开关监视 激活条件：非紧急手动模式 触发结果：安全回路 监视对象：井筒开关状态 参考对象：由箕斗实际位置（编码器 2）和井筒开关的位置+/-窗口值比较产生的软件开关状 态 原理： 此项监视对箕斗 1 和箕斗 2 分别进行。 此监视将每个开关的动作位置作为监视参数，并为这些开关设置一个动作允许窗口，比如 +/-2.5m，这个窗口值（正数）也作为一个监视参数。若箕斗实际位置（编码器）大于井 筒开关的位置窗口值时，对相应井筒开关的状态进行检查，定义为上部（Top）的开关应 为 1，定义为底部（Bottom）的开关应为 0。若箕斗实际位置（编码器）小于井筒开关的 位置窗口值，再对相应井筒开关的状态进行检查，定义为上部的开关应为 0，定义为底部 的开关应为 1。若被监视井筒开关的实际状态不对，并超过响应时间，则该监视被触发。 该监视可以对开关的不动作和误动作进行监视。若监视被触发，不是开关的状态不对，就是 箕斗的实际位置不对。 5.5 速度相互监视 编码器 1/2 激活条件：无条件 触发结果：安全回路 & 对应箕斗同步请求 监视对象 1：速度实际值（编码器） 监视对象 2：速度实际值（编码器） 原理： 此项监视对箕斗 1 和箕斗 2 分别进行。 此监视将来自编码器的速度实际值和来自编码器的速度实际值进行比较， 若超过允许值 （动作值 Trip level） ，并持续超过响应时间，则该监视被触发。 SIEMENS 西门子提升机电气控制系统 Siemens Ltd China IS MT MIN 15 / 32 Liu Li Bin 01.03.2010 Rev 01 5.6 位置跳跃监视 编码器 1-3 激活条件：对应箕斗无同步请求 触发结果：安全回路 & 对应箕斗同步请求 监视对象：位置实际值（编码器 1-3） 原理： 此项监视对箕斗 1 和箕斗 2 分别进行。 此监视将位置实际值（编码器 1-3）和上一个采样周期的值进行比较，如果变化量（绝对值） 大于允许值（动作值 Trip level） ，则该监视被触发。并且位置变化量被保存并显示在诊断 PC （Diagnosis PC）画面上，在该监视被复位后该位置变化被清除。 通常该监视是由于同步开关误动作， 或位置有较大错误再次经过同步开关时， 由于同步引起 了位置的较大修正。 5.7 位置相互监视 编码器 2/3 （滑绳监视） 激活条件：非紧急手动模式 & 对应箕斗无同步请求 触发结果：电气停车回路 & 对应箕斗同步请求 监视对象 1：位置实际值（编码器 2） 监视对象 2：位置实际值（编码器 3） 原理： 此项监视对箕斗 1 和箕斗 2 分别进行。 此监视将来自编码器 2 的位置实际值和来自编码器 3 的位置实际值进行比较， 若超过允许值 （动作值 Trip level） ，并持续超过响应时间，则该监视被触发。 通常该监视是由于滑绳引起，有时是因为编码器和或需要重新校准，可通过诊断 PC （Diagnosis PC）软件中的磨损修正系数进行调整。 5.8 连续速度包络线相互监视 系统 A/B 激活条件：非紧急手动 触发结果：安全回路 & 对应箕斗同步请求 监视对象 1：连续速度包络线参考值 （系统 A） 监视对象 2：连续速度包络线参考值 （系统 B） 原理： 此项监视对箕斗 1 和箕斗 2 分别进行。 此监视将系统 A 产生的连续速度包络线参考值和系统 B 产生的连续速度包络线参考值进行 比较，若超过允许值（动作值 Trip level） ，并持续超过响应时间，则该监视被触发。 此监视通常是由于系统 A 和系统 B 编码器 2（位置编码器）产生的位置值相差较大造成的。 5.9 位置相互监视 编码器 2 系统 A/B 激活条件：非紧急手动模式 & 对应箕斗无同步请求 触发结果：安全回路 & 对应箕斗同步请求 监视对象 1：编码器 2 的位置实际值 （系统 A） 监视对象 2：编码器 2 的位置实际值 （系统 B） 原理： 此项监视对箕斗 1 和箕斗 2 分别进行。 SIEMENS 西门子提升机电气控制系统 Siemens Ltd China IS MT MIN 16 / 32 Liu Li Bin 01.03.2010 Rev 01 此监视将系统A 中编码器2产生的实际位置和系统B中编码器2产生的实际位置进行比较， 若超过允许值（动作值 Trip level） ，并持续超过响应时间，则该监视被触发。 5.10 电气停车监视 激活条件：自动方式，电气停车回路触发后直到工作施闸。 触发结果：安全回路 监视对象：减速度实际值 参考对象：减速度最小允许值 原理： 此监视将减速度实际值和监视参数减速度最小允许值比较， 若前者绝对值小于后者， 并持续 超过响应时间，则该监视被触发。 这个监视触发则意味着电气停车失败，从而触发安全回路实行安全制动。 5.11 带载下降监视 激活条件：非特殊运行模式如制动系统测试（取决于具体项目的 S7 程序） 触发结果：最大速度降低，自动方式下还触发电气停车回路。 监视对象：有效载荷（Payload） ，若该箕斗重并且方向向下时为正，否则为负。 参考对象：带载下降参考值（正值） 原理： 此项监视对箕斗 1 和箕斗 2 分别进行。 有效载荷是由系统 A 的 FM458 依据实际力矩计算出来的。实际力矩是用百分数%表示的， 通常 100%表示 2 倍电机额定转矩。有效载荷通常也用相同的表示方法。在提升过程中，只 有匀速段实际力矩是和有效载荷平衡的， 有效载荷可以取值于这时的实际力矩值。 为了在整 个提升过程中都得到有效载荷值， 我们可以将加减速阶段克服转动惯量而产生的额外力矩去 掉，方法是用实际加速度和一个惯量系数相乘（dv/dt*K） ，被实际力矩减去。这样就可以得 到一个在提升全过程几乎恒定的，和匀速段相等的实际力矩。惯量系数 K 可以先采用一个 经验数值，然后根据记录的有效载荷曲线调整。 系统 A 的 FM458 中产生的有效载荷值传到了系统 A 的 S7 PLC 中， 并且从系统 A 的 S7 PLC 传到了系统 B 的 PLC 中。 带载下降参考值根据不同的运行方式从 3 个数值中选择， 只有箕斗的运动方向是向下时， 所 选的值生效，在箕斗停止或向上时，参考值为 120%。 此监视将上述有效载荷和带载下降参考值进行比较， 若前者超过后者， 并持续超过响应时间， 则该监视被触发。 5.12 带载提升监视 激活条件：非特殊运行模式如制动系统测试（取决于具体项目的 S7 程序） 触发结果：最大速度降低 监视对象：有效载荷（Payload） ，若该箕斗重并且方向向上时为正，否则为负。 参考对象：带载提升参考值（正值） 原理： 此项监视对箕斗 1 和箕斗 2 分别进行。 有效载荷同 5.11 带载下降监视中所述。 SIEMENS 西门子提升机电气控制系统 Siemens Ltd China IS MT MIN 17 / 32 Liu Li Bin 01.03.2010 Rev 01 带载提升参考值根据不同的运行方式从 3 个数值中选择， 只有箕斗的运动方向是向上时， 所 选的值生效，在箕斗停止或向下时，参考值为 120%。 此监视将上述有效载荷和带载下降参考值进行比较， 若前者超过后者， 并持续超过响应时间， 则该监视被触发。 5.13 错向保护 激活条件：自动方式 触发结果：电气停车回路 监视对象：箕斗实际方向 参考对象：箕斗设定方向 原理： 此项监视对箕斗 1 和箕斗 2 分别进行。 自动方式下，此监视将箕斗实际方向和箕斗设定方向进行比较，若不一致，并持续超过响应 时间，则该监视被触发。 5.14 位置设定值/实际值监视 激活条件：位置控制器工作时，即没有工作施闸，手动方式速度高于预设值 触发结果：安全回路 监视对象：位置实际值 参考对象：位置设定值 原理： 此项监视只存在于系统 A 的 FM458 中。 此监视将选择箕斗的位置实际值和来自设定点发生器的位置设定值进行比较， 若超过允许值 （动作值 Trip level） ，并持续超过响应时间，则该监视被触发。 该监视被触发表示位置闭环控制不能维持。 5.15 速度设定值/实际值监视 激活条件：速度控制器工作时，即没有工作施闸。 触发结果：安全回路 监视对象：速度实际值 参考对象：速度设定值 原理： 此项监视只存在于系统 A 的 FM458 中。 此监视将速度控制器的速度实际值和设定值进行比较，若超过允许值（动作值 Trip level） ， 并持续超过响应时间，则该监视被触发。 该监视被触发表示速度闭环控制不能维持。 5.16 力矩设定值/实际值监视 激活条件：电流控制器工作时，即没有工作施闸。 触发结果：安全回路 监视对象：力矩实际值 参考对象：力矩设定值 原理： SIEMENS 西门子提升机电气控制系统 Siemens Ltd China IS MT MIN 18 / 32 Liu Li Bin 01.03.2010 Rev 01 此项监视只存在于系统 A 的 FM458 中。 此监视将来自传动的力矩实际值和速度控制器输出并发送给传动的力矩设定值进行比较， 若 超过允许值（动作值 Trip level） ，并持续超过响应时间，则该监视被触发。 该监视被触发表示电流闭环控制不能维持。 6 人机人机人机人机界面界面界面界面 HMI 西门子提升机通常配置两台台式 PC 作为人机界面 HMI， 并省去了操作台上传统的深度指示 仪和模拟指示表。西门子人机界面 HMI 采用西门子组态软件 WinCC Flexible 来开发，界面 友好，信息准确完善，通常包括主画面，中压配电系统，低压配电系统，主回路，设备上电， 变压器/电机/轴承温度显示，电机通风冷却系统，液压制动系统，润滑系统，变频器冷却系 统，装卸载/井筒信号系统，产量报表，实时和历史数据曲线，当前和历史报警信息等。两 台台式 PC 互为备用，正常情况下一台用于固定显示主画面，另一台可以根据需要选择。 WinCC Flexible 运行软件可内置 OPC 服务器，可以很容易的通过以太网将提升机集成到矿 井综合信息系统中。 这两台台式 PC 通过 Profibus 网卡和两个系统 PLC 通讯，通常可以在其中一台 PC 机上装上 西门子的有关调试软件，用于故障处理和维护。在装上远程控制软件并有 Internet 连接时， 还可以实现远程维护。 7 液压制动系统液压制动系统液压制动系统液压制动系统 西门子高安全性和高可用性提升机液压制动系统 COBRA 01 介绍 7.1 系统组成 提升机液压制动系统 COBRA 01 由带制动元件的闸座，液压动力单元和电气控制系统三部 分组成。制动元件依靠弹簧力对闸盘夹紧产生的摩擦力制动，液压力可以克服弹簧力，使摩 擦力减小或使制动元件完全松开。 液压动力单元提供液压压力， 在电气控制系统的控制下对 压力进行控制， 实现工作制动和恒减速安全制动。 此外电气控制系统还对液压元件和液压动 力单元进行监视。 制动系统制动系统制动系统制动系统 带制动元件的闸座带制动元件的闸座带制动元件的闸座带制动元件的闸座 液压动力单元液压动力单元液压动力单元液压动力单元 制动电气控制制动电气控制制动电气控制制动电气控制 SIEMENS 西门子提升机电气控制系统 Siemens Ltd China IS MT MIN 19 / 32 Liu Li Bin 01.03.2010 Rev 01 7.2 液压动力单元 COBRA 01 液压动力单元具有以下特点： ? 简单，节省，紧凑 ? 两套独立系统组成一个单元 ? 所有重要元件均做备份 ? 冗余的安全制动 ? 两台泵互为完整备用 ? 泵一旦出现故障，可方便切换 ? 液压动力单元和电气控制系统均采用 n+1 通道设计，即 n 个通道同时工作， 1 个通道备用，既提高了安全性，又提高了可用性。 ? 安全制动是由 n 个通道数字闭环控制实现的恒减速制动 COBRA 01 液压动力单元 SIEMENS 西门子提升机电气控制系统 Siemens Ltd China IS MT MIN 20 / 32 Liu Li Bin 01.03.2010 Rev 01 COBRA 01