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论文相关方法-基于PLC矿井提升机全自动电控系统设计

2021-04-07 10:43:32

  矿井提升机的任务是实现矿上、矿下的运输工作,它主要负责矿井工人、物料还有机械设备的输送。在矿井日常生产中,矿井提升机需要连续地实现升降和下移,它工作的安全性及可靠性与否,直接关乎到矿山上下的生产安全和工人的生命安全问题,一旦出现了故障,从生产停顿到机械设备损坏到难以想象的人身伤害甚至死亡乃至严重的社会后果,所以对提高电气控制系统的可靠性和安全性提出了更严格的要求。提高系统可靠性和安全性也是当前改进提升机电控系统研究的热点。

  根据目前矿井提升机电气控制系统的现状,将PLC、变频器应用到电控系统中,设计了一套可靠性强且控制性能好的副井提升机自动电控系统,本设计首先从提升机系统入手,介绍提升机的组成及各部分的作用,接着分析提升机的速度图,再对PLC和变频器进行简单介绍以后,选择适当的硬件,通过编程软件对控制系统完成软件设计,然后再利用上位机对提升机运行状态进行实时监控,最后综合实际情况进行调试。

  矿井电气控制系统的完善升机是矿井安全的重要保障,PLC作为矿井主控制器,应用变频器的提升机全自动电控系统具有更好的发展前景。

  1.1课题研究的目的及意义

  矿井提升机作为煤矿生产的主要运输设备,与煤矿生产的经济效益直接相关。它的安全还与矿工的生命安全有关,具有“矿井之咽喉”的重要地位【1】,其电控系统的安全可靠运行才能保障矿井上、下之间的联系。简而言之,提升机的安全、有效和合理的操作对于矿山生产和人身安全具有重要意义。

  稳定,安全,高效,可靠,合理的电气控制系统决定了矿山的生产能力和安全系数。如今,许多国内矿山的矿山电气控制系统都由传统的继电器和接触器组成【2】,由于这些电气控制系统使用比较旧的电气组件,例如继电器,接触器,磁放大器等,因此存在许多问题,其中问题包括:系统的布线非常复杂,设备的维护量大,噪声高,能耗高,可靠性低。随着我国的飞速发展,能源需求不断增长。这些问题严重限制了矿山的生产效率。

  煤炭行业一直是高风险因素行业,煤矿的安全生产与国家,公司和个人的重要利益息息相关。矿井提升机的电气控制系统必须高度可靠,以确保在矿井提升机发生故障时矿井的正常输出以及产量不会受到影响,并且还对矿工造成生命危险【3】。矿井提升机是井口与井底相连接的唯一通道,合理设计合适的提升机电气控制系统非常重要,这样才能在矿井中安全有效地生产。

  本文设计的提升机控制系统的主控制系统核心单元采用了专为工业环境应用而设计的可编程控制器。可编程控制器具有较长的无故障运行时间,安全可靠,易于维护且易于编程。电力驱动系统广泛应用于工业领域,它采用变频调速系统来优化调速系统的性能并降低能耗。采用先进的工业自动化技术,根据安全可靠的运行原理,调速性能好,模块化结构,体积小,选择具有较高性价比和合规性的矿井提升电气控制设备,将上位机监控系统应用于矿井提升机,通过显示屏幕,直观的图像,实时同步,各种参数的实时显示以及运行提升机的状态来实现对提升机的在线监控,根据软件提示及时准确地发布调度指令。可以通过在线监控来查看提升机的工作过程。通过以上环节设计的矿井系统运行的可靠性和经济性得到大幅提高。

  1.2课题研究的主要内容

  本设计适用对象拟定为年产量30万吨的小型矿井,倾角为25°长为200米的斜井,对电压为660V,额定输出功率为200KW,输出频率范围在0~50Hz连续可调的矿井提升机电气控制装置进行设计。

  本文内容概括为以下几个章节:

  第一章简单介绍了课题研究的背景,为下文的设计做铺垫。

  第二章介绍了整个提升机系统的组成以及各个部分的作用,并且确定了整个电控系统设计的方案。

  第三章主要介绍了本电控系统设计中所需的硬件,其中主要包括三个部分,分别为控制系统PLC部分、变频调速系统的设计部分以及信号采集部分。

  第四章设计出提升机电控系统的软件部分,其中主要包括电控系统PLC的编程设计与上位机监控软件的组态设计。

  第五章是电控系统调试部分,调试的内容包括电控系统中需要调试的部分以及在测试台上模拟的过卷保护试验。

  第六章是对本文的一些结论,总结一下本设计内容,并且列出设计的不足之处。

  1.3设计依据

  1、《煤矿安全规程》(2016版);

  2、《煤矿矿井机电设备完好标准》;

  3、《煤矿用运输绞车检验规范》(AQ1030-2007);

  4、《煤矿安全生产标准化基本要求及评分方法(试行)》(2017版)。

  第2章矿井提升机电控系统总体结构

  2.1提升系统的组成

  矿井提升设备主要包括提升容器、提升钢丝绳、井架(或井塔)、提升机(包括牵引系统)、天轮、电气设备及装卸载设备等组成。

  提升设备可以根据不同的应用,所选的提升容器和提升机类型以及不同的井倾斜角度从不同角度对提升设备进行分类。

  (1)根据用途可以分为主井和副井提升设备。主井提升设备用于煤炭或矿物的提升,副井提升设备主要用于提升矸石、升降工人、设备以及下放材料等,主轴装置是重要的轴承部件【4】,深度指示器是提升机重要的附属装置【5】。

  (2)根据提升容器可以分为箕斗型和罐笼型两种提升设备。

  (3)根据井筒倾角差异可以分为立井和斜井两种提升设备。

  本文的提升系统针对斜井罐笼型的副井设备,设计内容重在控制部分。

  图2.1展示了基于PLC的矿井提升控制系统的框图。各部分功能如下:

  作为主控制系统的控制核心,PLC确定系统的运行模式和控制模式,并执行系统的各种控制命令,以执行提升机启动、加速、恒速、减速、爬行到停止,完成整个过程的逻辑控制。

  辅控系统主要完成对安全回路以及提升机检修方面的控制。

  监控系统在整个运行过程中监视并显示提升机的关键参数,包括提升机运行速度、容器位置、故障情况等进行监控显示,直观形象的观摩提升机运行过程。

  执行器件是指低压真空接触器来完成的。

  图2.1提升机电控系统构成框图

  2.2矿井提升机的运行

  矿井提升机在矿山生产中主要用于运输人员、物料等。任何提升系统都将在运行过程中严格遵守速度图,速度图是根据提升机运行的具体过程确定的,必须与提升设备的安全可靠运行相对应。

  提升速度图具体有3阶段、5阶段、6阶段及以上之分,阶段数的多少主要根据提升容器的类型、卸载装置的结构及提升方式而变化的。本设计将以6阶段速度图为准绳,其速度图如图2.2所示。

  图2.2提升机6段速度图

  从该图可以看出,在提升一个周期中速度和力都是变量,并且力的大小在相同的操作阶段也不是恒定不变的。整个提升过程中在加速阶段要有适度的加速度,如果负载发生变化,则必须选择相应的减速方式。也就是说,提升过程必须完全适用于矿井的固定工作环境,才能满足矿井电气控制系统的技术要求。根据《煤矿安全生产规程》,提升机电控系统需要具有下列技术要求:

  1、确定加(减)速度可以分两种情况:升降人员的加速度a≤0.75m/s2,升降物料的加速度a≤1.2m/s2。

  2、良好的启动性能。提升机不同于其他生产机械,它在启动之前,就必须将物料装载到提升容器中,这要求提升系统可以在重负载下启动并且具有高过载能力。

  3、调速性能包括调速过程中的良好平滑性和广泛的调速范围,可以在各种速度段(加速,恒速,减速,爬行等)进行平稳转换和稳定运行。

  4、硬机械性能。减少负载变化对提升速度的影响。如果负载的变化导致速度的变化(无论是轻负载还是重负载),那么速度变化的值都必须在可调范围之内,并且不会影响系统的正常运行。当然,所谓重负载也是有限度的,超出限度重负载时,提升系统必须实现有效的自我保护,并迅速安全制动停车。

  5、可以轻松更改工作方式。提升机电控系统包括手动、半自动、自动、绳索检验、绳索调节等工作方式,根据需要可以以不同的方式转换提升过程,模式转换易于操作,便于转换并且不影响正常生产。

  6、各种必需的互锁和安全保护环节完善,可确保系统安全运行。

  7、尽可能使用新技术和节能设备,以节省投资和降低运营成本并提高经济效益。

  2.2.1提升过程相关参数推导

  本次设计给定初始加速度与时间。矿井提升机的有效行程设定为200m,缓冲加速度设为0.2m/s2,加速度为0.75m/s2,加速缓冲时间为2s,t4为2s,最大速度给定为7m/s,则根据运动学公式

  (2-1)(2-2)

  可以得出缓冲速度v0=0.4m/s,各部分时间分别为t1=8.8s,t3=8.8s,t5=2s,s1=0.4m,s2=32.56m,s4=32.56m,s5=0.8m,s6=0.4m,求出s3=133.28m,t2=19.4s,一个提升周期时间为42.6s。速度图如图2.3所示。

  图2.3实际系统速度图

  2.3提升机故障及保护

  考虑到矿井提升机工作环境复杂,高温、潮湿、重粉尘等多重因素都会影响提升机的正常运行及工作过程,下面将故障分为三大类,做出说明并在设计中对其进行解决。

  第一类是导致矿井提升机紧急停车的故障,这种事故是最严重的故障,故障的原因有主回路中的过电压、主回路中的过电流、提升机错向运行、卷筒两端过卷、终端超速运行、主电动机失去励磁、制动系统液压站电动机故障、运行过程中各水平稳定器动作等。

  第二类是导致提升机事故停车的故障,故障原因包括运行时安全门打开、紧急停车后未调零、提升机制动轮变形、操作限位开关失灵故障、提升机调零电机故障、尾绳故障、终端之间超速等。

  第三类是导致提升机信号预测的故障,故障原因包括主电机轴承过热、直流工作电流接地、润滑油压力发生异常、提升机通风故障制动、闸瓦磨损等。

  为保障矿井从业人员的生命安全,保护整个矿井系统的设备使用,满足《煤矿安全规程》中的规定,矿井提升机的故障提示,系统保护设计必不可少。本设计完成开机后,系统预先进行自检后运行,当矿井提升机发生故障时,系统能够迅速识别故障类型,做出反应,反馈故障部位,以便及时维修。同时加载外部保护电路。

  2.4提升机电控系统设计方案

  曾经的矿井提升机电气控制使用传统的TKD电气控制系统,该电控系统使用继电器、接触器等老式电气组件,这通常会导致设备体型大、系统接线复杂、维护工作繁重、运行期间噪声大且能耗高等诸多缺点,上述缺点严重限制了矿井的生产效率,因此在选择电气控制设备时,必须采用性能良好的设备。PLC具有广泛的应用范围,强大的功能和易用性,是当今工业控制投入使用的最广泛的控制器。新的电气控制系统采用西门子S7-300系列PLC作为主控系统,采用交流变频调速技术对电机进行调速,采用上位机实现监控功能。在图2.3中显示了整个设计系统的示意图。

  图2.3电控系统示意图

  (1)主控系统。选择西门子S7-300作为主控器,主程序由多个子程序组成,各个子程序分别完成提升机慢提、慢拉、快提、快拉等基本动作、提人、提物、检修等工作方式的控制功能,模拟量模块部分主要完成安全保护功能。

  (2)变频调速系统。变频调速系统选定的是ABB公司生产的ACS600系列变频调速系统。变频器本身具有多种保护功能,例如过流、过载、缺相、过热、过压、欠压等,可以在保护期间安全地让提升机停车。它从控制单元接收给定的转矩和速度信号,并计算相应矢量输出处的电压,以控制电动机。通过采集PLC发送的方向指令来确定提升机的行驶方向。在提升机启动时,变频器输出的转矩高于某一设定值时才能够放开机械闸。在提升机停车时,只有当变频器输出的扭矩超过一定的设定值时,才能释放机械制动。当提升机停止时,必须先打开机械制动器,然后变频器输出转矩为零。这个过程可以有效地防止提升机溜车。

  (3)上位机监控系统。上位机监控系统主要负责监控现场运行状况,包括提升机运行的状态和运行参数,通过检测和记录这些数据,可以立即发现故障,并通过发出警报通知驾驶员,以确保矿井生产以及矿内人员的安全。

  (4)控制台。控制台是操作员与控制系统之间的中介,是提升机控制信号输入端口的核心。控制台设有一个工作模式选择器开关,可以在半自动工作模式或者手动工作模式之间进行选择。主手柄和制动手柄用于控制提升机的操作,控制人员可以通过操作手柄和各个选择开关用以设置参数,参数用以允许提升机能够根据特定的速度曲线运行。配备绳索检验、绳索松动和紧急制动开关,便于操作员解决故障时使用。

  第3章提升机电控系统的硬件设计

  3.1 PLC简介

  传统的电气控制体系已经开发了近100年,通过控制弱电信号来对强电信号进行控制,但是在实际工业生产中,继电器控制系统通常都比较复杂,发生故障时,很难发现并消除故障,并会需要消耗大量的时间,严重影响了工业生产的效率。1968年,为了满足时代的发展需要,美国GM公司紧急开发了一种新型工业控制器,它比传统继电器更可靠,更完善,更清晰,更简单。过了一年后,美国成为世界上第一个取代继电器来执行逻辑决策功能,创造出了可以完成计数,计时和其他控制功能的可编程控制器,并应用到了通用汽车的自动装配线上。

  PLC的特点概括来说主要有以下四个方面。

  (1)性能可靠,抗干扰能力强。电气控制装置的主要指标之一就是高可靠性,由于选择了高度集成的模块化控制电路设计,因此PLC的制造过程具有严格的控制标准。同时,通过添加抗干扰模块,可以大大降低事故发生的可能性。PLC还可以自动检测硬件的性能,并在出现问题时能够及时发出警报,在程序系统还可以实现外层元件的事故自检功能,使得整个控制体系内除PLC外的电路和装置也具备故障自检功能,因而,采用PLC的电控系统可靠性极高。

  (2)功能完善,配套设备齐全,适应性强。现代PLC在数字控制领域变得越来越流行,因为他们不仅可以自主完成逻辑处理,而且可以准确地实现数据操作。近年来,PLC中安装的功能单元数量上有所增加,并广泛应用于位置伺服控制、计算机数控、温度控制等。在通讯和人机界面技术中PLC的广泛应用使PLC易于形成各种控制系统。

  (3)通俗易懂,简单明了。PLC是一种简化的工业可编程计算机,在工矿企业非常受欢迎。它的接口可以扩展并且很便捷,其编程语言易于被工程人员接受。PLC梯形图语言具有类似于继电器电路原理图的语言表达方式,并且可以使用一些逻辑控制指令来完成继电器的功能,这使对计算机汇编语言不熟悉的工程师也可以在工业控制中使用PLC。

  (4)修改方便,构图方便,设计简单,维护便捷。PLC的接线逻辑摒弃了原始的方法,使用了更优良的存储逻辑,这有效地减少了与外部连接的布线,减少了工作量,缩短了工业建设周期,使得维护工作更加方便。

  西门子公司开发研制了SIMATIC S7系列PLC,这一系列PLC推出后收到了极佳地效益,其下包括三个典型的子系列S7-200、S7-300和S7-400。其中S7-300PLC的大量功能能够帮助和支持用户进行编程、维护和启动,其主要性能如下:

  (1)非常快速的指令处理能力。产品的指令处理时间为0.1到0.6微秒,这可以让人们快速地对程序进行编译处理。

  (2)人机界面。产品中集成了简单方便的人机通讯控制界面,可实现高效的人机通讯。

  (3)自我诊断功能。S7-300PLC CPU智能诊断系统可以连续监视系统的运行状况,并记录特殊系统事件和错误。

  (4)密码保护。为了防止未经授权的复制和修改,其使用多级密码保护来帮助用户有效地保护其技术机密。

  通过上述表述了解到,S7-300系列的PLC可以满足中、小型设备的控制要求。它具有各种优良性能模块,可以很好地满足并适应矿井提升机电气控制系统的自动化控制要求。其简单实用的通用的网络功能和分布式结构,使控制应用程序变得极其灵活。此外,S7-300PLC还具有大量强大的集成功能,故本设计采用S7-300系列PLC。

  3.2 S7-300PLC硬件系统组成及选型

  图3.1中展示了一套完整的S7-300系列的硬件系统组成。其中几个重要部分包括电源模块、CPU模块、信号模块、功能模块、接口模块、通信处理器和附件等【6】。

  (1)电源模块(PS):电源模块为PLC提供系统供电电源、信号电源和总线电源等。其功能等同于PLC的后勤保障。

  (2)中央处理模块(CPU):CPU用于完成PLC的计算和控制,等同于PLC系统的最高指挥中心。

  (3)信号模块(SM):只有通过输入模块接收到信息后,PLC才能通过输出模块发布控制命令做出判断。信号模块主要包括以下类型的输入输出:

  1)数字量输入模块(DI):通常为DC24V或者ACI20/230V;

  2)数字量输出模块(DO):通常为DC24V或者ACl20/230V,其中大多数使用继电器作为输出方式:

  3)模拟量输入模块(AI):通常包括电流、电压、电阻和热电偶等类型作为输入方式;

  4)模拟量输出模块(AO):通常有电压或电流类型的输出方式;

  (4)功能模块(FM);它的功能主要是实现PLC的一些特殊功能,如:定位、计数还有闭环控制功能等。

  (5)接口模块(IM):IM360、IM361等接口模块可以用于完成多层机架的整合,可以传输总线信号线并实现通信功能;

  (6)通信处理器(CP):可以为PLC提供网络连接的功能,以实现点到点、PROFIBUS和工业以太网等其他类型的通信,该功能等同于我们的人际网络关系【7】。

  (7)附件:S7-300系列PLC需要的配件有线路导轨、前连接器和总线联络结构等。

  图3.1 S7-300系列的硬件系统组成

  本电控系统采用的电源模块为DRDYB003(5A),电源模块主要技术特征如下:

  (1)需要连接单相交流电,输入电压为AC127/230V,频率50/60HZ:

  (2)输出电压为DC24V,输出电流为5A;

  (3)具有防短路和防开路保护功能:

  (4)符合EN60950标准,具有可靠的隔离特性:

  (5)可用于负载电源。

  3.3电控系统I/O分配

  I/O端口的分配与整个电控系统的硬件接线和软件编程的便利性有直接关系,并且这一部分整个提升机硬件控制系统设计中的核心,根据上节提到的PLC的配置以及在2.4节对主控系统的设计中,在此处应合理配置IO,PLC的CPU采用6ES7313-6CG04-0AB0,根据实际情况,在配置I/O口是应当留有一定的冗余度,所以在CPU端口中仅使用了5个数字量输入口(DI),12个数字量输出口(DO),采用两个6ES7323-1BL00-0AA0扩展模块,其中使用26个数字量输入口(DI),30个数字量输出口(DO),11个模拟量输入口(AI),IO接口如表3.2、3.3、3.4所示。

  表3.2PLC DI模块配置

  序号注释地址

  1车房停止I 0.4

  2车房急停I 0.5

  3勾数记忆输入I 1.1

  4勾数复位输入I 1.2

  5允许操车I 1.7

  6井口信号2输入I 2.0

  7井口信号3输入I 2.1

  8井口信号4输入I 2.2

  9井口信号5输入I 2.3

  10上井口停止I 2.4

  11上井口急停I 2.5

  12上检修输入I 2.6

  13上提人输入I 2.7

  14上提物输入I 3.0

  15上调平输入I 3.1

  16上换层输入I 3.2

  17上大件输入I 3.3

  18上操车完成输入I 3.7

  19下信号2输入I 4.0

  20下信号3输入I 4.1

  21下信号4输入I 4.2

  22下信号5输入I 4.3

  23下停止输入I 4.4

  24下急停输入I 4.5

  25下检修输入I 4.6

  26下提人输入I 4.7

  27下提物输入I 5.0

  28下调平输入I 5.1

  29下换层输入I 5.2

  30下大件输入I 5.3

  31下操车完成I 5.7

  表3.3PLC DO模块配置

  序号注释地址

  1绞车慢提Q 0.0

  2绞车慢拉Q 0.1

  3绞车快提Q 0.2

  4绞车快拉Q 0.3

  5车房检修输出Q 0.4

  6车房提人输出Q 0.5

  7车房提物输出Q 0.6

  8车房调平输出Q 0.7

  9车房换层输出Q 1.0

  10车房音响Q 1.1

  11车房大件输出Q 1.2

  12操车完成Q 1.3

  13绞车快拉2 Q 2.0

  14绞车快提2 Q 2.1

  15绞车慢拉2 Q 2.2

  16绞车慢提2 Q 2.3

  17绞车快拉1 Q 2.4

  18绞车快提1 Q 2.5

  19绞车慢拉1 Q 2.6

  20绞车慢提1 Q 2.7

  21上大件显示Q 3.0

  22上本机音响Q 3.1

  23上语言置0 Q 3.2

  24上语言置1 Q 3.3

  25上信号停止输出Q 3.4

  26上检修输出Q 3.5

  27上提物输出Q 3.6

  28下信号2输出Q 4.0

  29下信号3输出Q 4.1

  30下信号4输出Q 4.2

  31下信号5输出Q 4.3

  32下检修输出Q 4.4

  33下提人显示Q 4.5

  34下提物输出Q 4.6

  35下调平显示Q 4.7

  36下换层显示Q 5.0

  37下本机音响Q 5.1

  38下语言置0 Q 5.2

  39下语言置1 Q 5.3

  40下信号停止输出Q 5.4

  41下检修继电器Q 5.5

  42下提物继电器Q 5.6

  表3.4PLC AI模块配置

  序号注释地址

  1过速M 100.0

  2限速M 100.1

  3错向M 100.2

  4加速M 100.3

  5松绳M 100.4

  6闸间隙M 100.5

  7变频器故障M 100.6

  8安全回路M 100.7

  9过卷M 101.1

  10总停止M 120.0

  11总急停M 120.1

  其中部分PLC外部接线图如图3.5所示。

  图3.5 CPU输入点外部接线图

  上述为CPU的输入点外部接线图,由于输入输出点较多,将PLC外部接线图放于附录原理图部分,说明书中有详细说明。

  3.4变频器

  3.4.1变频器概述

  变频器是一种功率控制设备,通过使用变频技术和微电子技术来更改交流电机的工作电源频率,从而控制交流电机。变频器主要由整流、滤波、逆变、制动单元、驱动单元、检测单元和微处理单元组成。变频器通过打开内部IGBT调节输出电源的电压和频率,并根据电动机的实际需求提供必要的电源电压,从而达到节能和调速的目的。除此之外,变频器还有一些保护功能,其中包括过流,过载,过压等保护。随着工业自动化水平的不断提高,变频器也被广泛应用【8】。

  本文针对于小型低压的矿井,变频器选择用低压变频器。

  根据电机学我们知道,交流电机转速公式为:

  (3-1)

  (3-2)

  式中f表示频率,s表示转差率,p表示极对数。

  公式3-2表明,可以通过改变交流电源的频率f来调节电动机速度,而无需改变异步电动机的极对数p和转差s。简而言之,变频器通过更改频率(0~50HZ)来控制电动机的速度。

  3.4.2提升机变频调速系统概述

  在传统的提升电动机速度控制系统中,直流速度控制系统由于具有高速度灵敏度和易于控制的优点而长期占据着核心位置。然而,诸如低过载能力,高成本和低环境适应性的缺点总是阻碍进一步的开发和应用。相比之下,交流异步电动机具有强大的过载能力,廉价的制成品以及易于维护的特性,使其可以在某些直流调速系统无法满足其要求的环境中使用。但是,在异步电动机调速技术还不成熟时,其控制特性将不足以满足生产要求。随着可编程控制器的出现还有电气控制技术的飞速发展,成熟的控制系统被广泛应用于提升机的交流变频调速中。变频调速技术不断改革、发展和成熟,交流调速的条件逐渐超过直流调速,应用领域甚至超过了直流调速。现在,随着电子技术的发展和变频调速技术的进步,提升机交流变频调速系统的发展得到了极大的推动。变频调速具有能源利用率高,调速平稳的优点,得到了广大用户的一致好评和认可。

  提升机变频调速系统采用全数字变频技术,逐步将传统提升机控制系统的硬件从模拟技术转变为易于理解的数字技术。在提升机的减速阶段,制动方式使用低频发电,多余的电量可以回馈到电网中。与动力制动相比,不仅可以有效降低能耗,而且调速效果显著,提升机运行的各个阶段均可平稳的过度。该过程可确保提升机在减速阶段可以遵循设定的速度轨迹运行。使其在提升减速阶段,交流调速和直流调速具有相同的效果,确保从减速阶段到爬行阶段的平稳过渡【9】。

  提升机采用交流变频控制后优点如下:

  a、具有很高的能源利用率,可以大大节省电能。与转子回路串电阻调速系统相比,可节省约25%左右的电能。

  b、电动机转速受负载的影响小,可以精确的控制提升速度。

  c、提升机的运行速度可以通过变频器连续调节,可以达到无极调速,提升机运行过程中的加速减速都非常平稳。

  d、电动机可以随着时间改变旋转方向,并当变频器输出频率变为零时就可以改变提升机的运行方向。通过更改两相的相序来达成电机的变向工作,并能够在四个象限内平稳运行。

  e、快速的计算速度和出色的实时速度调节能力使工作人员能够正确控制每个提升阶段的运行状态。

  3.4.3变频器结构

  变频器的结构可以分为两个部分,即主回路和控制回路。

  (1)主回路又包括下面四部分:

  1)整流部分。也称为电网侧变流器部件,其作用是将三相交流电转换为直流电。最常见的低压整流器是不可控桥式电路和可控桥式电路,其中不可控桥式电路是由二极管组成的,可控桥式电路是由晶闸管构成的。

  2)直流环节。由于直流和电动机之间的无功功率交换,因此需要直流储能装置来实现能量缓冲。

  3)逆变部分。主要通过改变三相桥式逆变电路的开关管的通/断时间,也称为负载侧转换器部分,从而获得三相交流能量。

  4)制动或反馈环节。制动产生更多的再生能量。这就需要一个反馈回路,该反馈回路将反馈到电网中,以避免直流母线侧的大电压升高。

  (2)控制回路包括下面四部分:

  1)检测传感电路。主要完成电流、电压、速度、温度的采样。

  2)控制信号输入/输出电路。它一般包括输入多功能选择端子、正反转端子和复位端子;继电器出口端子和开路集电极出口多功能端子:模拟量输入端子,包括外接模拟量信号所用电源以及模拟电压量频率设定输入和模拟电流量频率设定输入:模拟量输出端子,包括输出频率模拟量和输出电流模拟量。

  3)驱动电路。它主要包含风扇驱动电路、接触器驱动电路以及6路PWM输出驱动电路等。

  4)保护电路。主要包括剩余电压检测电路、断相/停电检测电路等。

  3.4.4变频器的选型

  根据前面几节特点以及电控系统设计方案,综合经济性、实用性、维护便捷等因素,最终采用了ABB公司生产制造的ACS600变频器。该系列变频器具有以下特点:

  (1)电机控制特性:

  ①具有识别运行功能

  直接转矩控制获得令人满意的控制结果的成功完全取决于准确区分电动机工作条件的能力。当ACC600变频器启动电动机时,电动机的运行状态会实时反馈到变频器。首次启动电动机时,必须运行识别程序以获得最佳的电动机控制。

  ②断电时不会突然停电

  切断电源后,变频器不会立即停止工作,并且电动机具有一定的惯性,该惯性会将部分动能转换为电能。逆变器可以使用这部分电能来维持正常运行时间。保护装置可以顺利开启,并且由于电源中断,提升机将不会因断电失控。

  ③可以提供较大的起动转矩

  变频器在电动机启动前将其励磁,从而增加了电动机的启动转矩。

  ④直流抱闸

  如果电动机速度低于阈值,变频器将控制电动机停止。如果给定的速度值高于此阈值,则电动机将继续运行。

  ⑤加减速过程使用积分

  在加减速过程使用积分算法来确保速度平稳的实现线性变化。

  ⑥转矩控制具有速度反馈功能

  转矩响应时间块,选择速度反馈功能以实现精确的电机控制,提高系统可靠性和准确性。

  (2)保护功能:

  变频器应有过流、过压、防静电、断电等一系列保护功能。

  (3)堵转功能:

  如果变频器输出频率低于设定的堵转频率,或者堵转时间长于设定的堵转时间,则保护功能将开启【10】。

  除上述特点外,ACS600系列变频调速系统还具有成本经济、易于安装、配置和调试的优势,该产品是国家火炬计划项目,技术水平居国内领先水平。主要组件有:

  (1)开关柜/接线柜:发生故障时,开关柜会运行,电动机会切换到电网,并用于连接变频器的输入和输出。

  (2)变压器柜:放置移相整流变压器,为设备提电。

  (3)功率柜:主要在电机调速后提供输出电压。

  (4)控制柜:主要是控制变频调速系统,处理数据信息,实现通信功能。最后根据电机参数情况确定选用ACS600变频调速系统。

  3.4.5主电路图及控制回路设计

  电气接线设计应满足控制要求,尽可能减少继电器的数量,避免继电器过度操作,产生大量热量并影响系统的正常运行,同时节省能源,也要节省材料,减少系统体积并为系统设备的维护提供方便。主电路图如图3.6所示。

  图3.6主电路示意图

  QS-刀开关

  KM-交流接触器

  FR-热继电器

  交流接触器及热继电器选型如表3.7所示。

  表3.7交流接触器及热继电器型号

  名称型号个数

  交流接触器CJX2-09 5

  热继电器3UA5940-2D 1

  变频器可以将输入的工频电能转换为变频可控电能,以实现交流电动机的速度控制。变频器的容量通常是电动机容量的1.4倍。增加了外部声光报警和制动电路,以保护变频器并确保生产安全。外部接线图如图3.8所示。

  图3.8变频器外部接线图

  QS-刀开关

  KM-交流接触器

  FR-热继电器

  HL-指示灯

  HA-声响指示器

  ST-开关按钮

  KA-中间继电器

  其中交流接触器与热继电器在主回路图中以选型完毕,指示灯与声响指示器可以实现功能即可,中间继电器选用JZ7-53型更经济可实现线路功能。

  3.5信号采集部分

  (1)行程开关的安装

  在井简上分别安装两个过卷开关上下井口各一个、两个终端开关上下井口各一个、两个减速点开关上下井口各一个、四个深度校验开关上下两个中间两个共十个行程开关。

  (2)传感器的安装

  本设计主要用的传感器有液压站和润滑站。

  ①液压站传感器

  液压站的作用主要是通过油泵传输动力以产生高压,然后通过油缸和活塞等变速箱部件实现不同的运动。液压站主要向盘式制动器提供液压值不同的压力油,以获得不同的制动扭矩。如果系统出现故障,制动液压将迅速下降至所需值,并且制动将达到完全制动。

  液压站需要两个压力传感器:温度传感器,电接点压力表和电接点温度表。为防止压力油冻结和过热,液压站配备了电加热器和空气冷却器,操作面板配备了手动启动/停止按钮。

  ②润滑站传感器

  润滑站的作用是用油泵推动运动的泵或运动的零件(通常,油泵的额定压力非常低),以提供固定,固定和固定点的润滑油,以帮助机器或零件防止磨损和过热。

  润滑站所需的传感器包括压力传感器,温度传感器,电接点压力表和电接点温度表。在润滑站上安装电加热器和空气冷却器,并在手术台上安装手动启动和停止按钮,以防止压力油冻结或过热。

  (3)编码器及信号采集

  本提升系统通过收集来自电机轴、天轮和卷盘上编码器的脉冲信号来监视电机、天轮和卷盘的运行状况。同时,可以计算出提升机的当前位置和行进速度。可以使用编码器代替深度指示器,从而无需依靠深度指示器来确定提升机位置。有效解决了提升机位置不准确的问题,提升机位置和速度实时发送到上位机。这有助于操作员了解提升机的全部行为。

  信号采集装置选型如表3.9所示。

  表3.9装置型号

  名称型号个数

  过卷开关GJ-1 2

  终端开关KBXC-5/127 2

  减速点开关KYCX-1 2

  深度校验开关GEJ25/40 4

  温度传感器KG3007A 2

  压力传感器PY301 3

  编码器BQH24 3

  第4章提升机电控系统的软件设计

  4.1编程软件简介及PLC程序设计

  4.1.1编程软件STEP7简介

  STEP7可应用于SIMATIC S7、M7和C7,这些软件可以提供编程、监视和参数设置。它可以用于灵活的硬件配置,自由参数设置,网络配置,通信结构,还具有多种功能,例如程序编程,测试,维护和诊断。STEP7的编程功能主要如下:

  (1)编程语言:可实现梯形图、程序框图和语言列表这三种最为基础的语言编程【11】。其他编程语言,例如S7-SCL(结构化控制语言)、S7HIGRAPH和CFC(连续功能图)、S7-GRAPH(顺序功能图语言)等编程语言颗直接下载软件包使用。

  (2)符号表编辑器:可以编辑符号地址并搜索内部组件地址。

  (3)测试和服务功能:设置断点、强制输入和输出、重新布线、显示交叉参考表、状态功能、同时监测多个块的状态等。可以通过输入符号名称或地址来快速寻找程序中的特殊点。

  (4)帮助功能:在编程中,按键盘的F1键可以获得相关的帮助信息,或者单击菜单栏命令按钮“帮助(H)”→“内容(C)”以访问帮助窗口。

  4.2 PLC程序设计

  操作系统和用户程序两个部分共同组成了PLC的程序。前者通常处理与控制要求无关的任务,例如处理中断和错误、处理通信以及管理存储区等功能。后者可以直接在软件中生成,并通过自己专属的数据线加载到CPU中,我们可以使用该程序来完成控制要求。

  为了使查找、调试和修改程序更加容易,将STEP7程序设置为以块形式显示。通常,用户程序块主要是由以下模块组成其中包含:组织块(OB)、系统功能(SFC)、系统功能块(SFB)、功能(FC)、功能块(FB)、共享数据块(DB)、背景数据块(DI)。每个模块的功能在下面进行简要描述:

  (1)组织块(OB):此块的功能是将编程程序连接到操作程序,操作系统确定用户程序的结构。

  (2)系统功能(SFC):该功能块在需要调用重要的系统模块时起作用。

  (3)系统功能块(SFB):此块的功能与SFC完全相同,但是两者之间的区别在于该块有存储区,而SFC没有存储区。

  (4)功能(FC):用户创建用来编写的功能子程序。

  (5)功能块(FB):该块的功能与FC的功能完全相同,但是两者之间的区别在于该块有一个存储区,而FC没有存储区。

  (6)共享数据块(DB):此块存储用户数据并提供共享功能。

  (7)背景数据块(DI):当调用FB和SFB时用于传输参数的数据块。

  对于一个编写良好的程序,可以包含各种不同的块。其中组织块OB可以调用SFB、SFC、FC、FB,FC或FB可以通过嵌套结构调用另一个FC或者FB,必须注意的是如果使用FB和SFB必须具有相应的背景数据块【12】。

  本设计根据组织块OB与功能块FC的功能列出整个系统设计的流程图如图4.1所示。

  图4.1系统流程图

  根据上述流程图,在CPU 313C-2DP中编写出相应的程序块。

  本设计主程序模块OB1其主要作用就是系统的初始化,以及调用需要使用到的FC功能模块,其程序如图4.2所示,系统先完成初始化后,才调用FC1查看辅助回路,之后调用FC2查看安全模块。

  图4.2系统主程序

  4.2.1安全保护模块介绍

  FC2是安全保护模块。本模块具有软件保护设计,可防止提升机发生各种常见故障。这些常见的故障包括过速故障(包括恒定速度、减速、2米速度限制)、松绳故障、闸间隙故障、过卷故障(包括上过卷和下过卷)、错向故障等。图4.3显示了本模块程序流程图。

  图4.3安全保护模块流程图

  如图4.4所示,必须设计一个软件安全电路,以便系统可以针对上述各种故障立即关闭安全电路,并在系统出现故障时执行紧急制动。

  图4.4软安全回路程序

  4.3上位机程序设计

  4.3.1上位机软件介绍

  MCGS是北京昆仑通态自动化软件科技有限公司研发的一套基于Windows平台的用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统,主要完成现场数据的采集与监测、前端数据的处理与控制。具有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强的突出特点。通过与其他相关的硬件设备结合,可以快速、方便的开发各种用于现场采集、数据处理和控制的设备。用户只需要通过简单的模块化组态就可构造自己的应用系统,如可以灵活组态各种智能仪表、数据采集模块,无纸记录仪、无人值守的现场采集站、人机界面等专用设备【13】。本文PLC通过串口与上位机电脑进行通信,将提升机的现场情况传递给上位机显示。

  4.3.2上位机软件设计

  人机界面(HMI)是一种用于在人与计算机之间传输和交换信息的媒体和交互界面。可以根据电气控制设计要求,设置适当的主机监视软件,以实现人机交互并在工作过程中监视提升机数据。这些数据主要包括提升机的运行条件和参数。可以及时发现障碍并在运行期间通过发出警报来警告驾驶员,以确保矿井生产的安全。

  监控页面如图4.5所示,包括提升机上下运行、运行快慢等情况,信号方式部分可以显示当前提升机提人、提物以及当前是否处于检修阶段。

  图4.5监控页面

  上井口进车侧与出车测指示灯信息如图4.6所示,下井口与上井口相同。

  图4.6上井口指示灯监控界面

  当油温、液位、滤油器等故障发生时,指示灯会变为红色警示操作人员。以油温故障为例如图4.7所示。

  图4.7上井口油温指示灯软件设置

  4.4系统抗干扰

  4.4.1系统干扰源

  本设计中的矿井提升机控制系统在非常恶劣的井下环境中运行,因此外部因素会影响提升设备的正常运行,其中干扰控制系统的因素有:

  (1)电缆

  PLC外围电路中使用的大多数电缆都是低压信号,电源输入和电磁阀开关使用高压、大电流的电缆。由于电流和电缆之间电流不同,不同的信号类型会因为相互干扰。

  (2)变频器

  变频器的输出由多种谐波组成,这会引起强烈的电磁干扰,它通过辐射和传导的方式传递,并影响控制系统正常运行。

  (3)信号传输

  如果电缆每个芯线上的电压不处于同一水平,则两个相邻导体的感应电动势将同时出现,从而严重影响信号质量。

  (4)控制电路开关元件

  当PLC控制电路的开关设备工作时,由于是触点接触,因此会产生电弧使电流突变,从而影响PLC控制系统。

  4.4.2抗干扰措施

  由于上述干扰因素,本系统通过以下措施避免、消除了干扰,实现了系统的稳定运行。

  (1)将变频器与PLC分开放置在开关柜中。

  (2)控制系统中所有设备都必须统一接地,进而有效的减少信号干扰。

  (3)如果两个信号之间电压差很大,则他们应彼此垂直且需要保证两条线之间的距离。

  (4)信号线必须使用屏蔽双绞线,屏蔽层可靠接地,一根导线中只能承受一个电压级别信号。需要将数字信号和模拟信号要分离开来,并将它们分别发送到PLC中。

  (5)连接电缆时,应保持电缆距离尽可能短,因为距离越短干扰越小。

  (6)PLC的输入端口和输出端口应采用电平隔离,这样继电器的电流突变才不会影响PLC的正常工作。

  第5章系统调试

  5.1调试内容

  电控系统的调试是操作前的重要步骤,通过系统调试矿井管理人员可以知道,系统软件或者硬件等方面可能还存在着风险,在将其投入到矿井正式使用之前,应确保整个系统没有任何故障。本电控系统的调试主要分为电气联锁测试和安全保护测试两部分。

  电气联锁是指电气设备之间可以相互限制的关系。电控系统电气联锁测试主要包括方向盘零位和安全电路联锁、驱动电路和驱动信号联锁、紧急停车和安全回路联锁、驱动方向与过卷方向联锁、减速联锁、绳索调节联锁、驱动电路与液压站故障联锁、油泵和安全回路互锁、闸门控制互锁、辅助安全制动器互锁、制动闸间隙联锁、驱动电路和润滑站故障互锁等。

  安全保护测试是一种保护措施,它可以确保提升操作期间发生各种故障时能进行有效动作的保护。提升机电控系统安全保护测试主要包括过卷保护、过速保护、减速限速保护、松绳保护、错向保护、速度差保护、传动系数故障保护、液压站油压过高保护等。

  由于在工作过程中提升机必须连续重复上升和下方动作,因此在此过程中经常会出现过卷事故,而出现过卷事故的后果极为严重,如果事故发生,可能出现提升容器将井架拉倒造成严重事故,更有可能致使提升钢丝绳断裂,提升容器坠毁,造成可怕的人员伤亡事故。特别是在双滚简提升机提升系统中,当其中一个提升容器过卷时,另一个提升容器必将发生与井底相撞的墩罐事故【14】。因此本次以过卷保护测试为例,详细介绍该测试在试验台模拟调试的过程。

  5.2过卷保护调试

  提升机电控电控模拟试验台由操作台、主控PLC箱、电动机、变频器及深度指示装置组成【15】。在深度指示器上的左右两侧分别装有三个限位开关,它们为减速限位开关、停车限位开关和过卷限位开关,电机通过减速器的传动装置使皮带旋转,以此执行实际的井内电机带动滚筒旋转进而带动罐笼提升的模拟。如果电动机速度太快或者减速不及时,则会发生过卷事故。当模拟实验开始时,主控制台变频器启动、风机启动、液压站和润滑站就绪的指示灯点亮并且两个主命令车把都处于零位时方才可以启动开车,选择行驶方向后,慢慢向上推制动手把,根据实际情况选择将主令手把提升还是下放(本例为下放),在系统开始时,由触摸屏监视到的屏幕变频器的频率为50HZ刚处于匀速阶段,当深度指示器中的保险杠触碰到减速行程开关(负140米)到达减速点,此时系统开始减速,这时变频器频率已降至20HZ,系统处于减速阶段,如果当容器到达停车开关时没有有效地制动,则碰块将继续向下运动,并且击中过卷行程开关,此时系统将触发过卷保护,将立刻制动停车,蜂鸣器将响起警报声响,控制台的上过卷指示灯点亮,并可通过主控台上的触摸屏看到报警记录。