【正文】 能準確地實施安全制動。5) 制動系統(tǒng)的控制與監(jiān)視制動(可調閘)控制系統(tǒng)除要可靠地完成工作制動和安全制動外，還要完成對液壓站的控制以及各環(huán)節(jié)參數(shù)(如油壓、閘瓦磨損等)的監(jiān)視，其技術要求與安全回路相似。如西門子公司采用兩套可編程序控制器(PLC)的雙重控制與保護系統(tǒng)。6) 全數(shù)字化調速控制系統(tǒng)德國AEG公司的Logidyn D(32位機)、西門子公司的Siemadyn D(16位機)以及ABB公司的Tyrak(16位機)系統(tǒng)都己應用于提升機上。全數(shù)字化系統(tǒng)具有硬件結構單一，參數(shù)穩(wěn)定且調整方便，可方便地與上位機聯(lián)網(wǎng)等優(yōu)點。當然此類系統(tǒng)要求維護人員有更高的技術水平和計算機知識。7) 內裝式提升機AEG公司生產(chǎn)的內裝式提升機，將提升主電機與滾筒合為一體，即轉子固定，轉動的定子充當滾筒，使機構大為簡化，占地面積小，制造成本低。(1) 交流拖動方式目前我國提升機約70%采用串電阻調速的交流拖動方式。有單繩和多繩兩種系列，大都采用改變轉差率s的調速方法，在調速中產(chǎn)生大量的轉差功率，使大量電能消耗在轉子附加電阻上，導致調速的經(jīng)濟性變差。極少數(shù)提升機采用串級調速方法，其調速范圍窄，且投資大。(2) 直流拖動方式我國提升機采用直流拖動有兩種系統(tǒng):直流發(fā)電機一直流電動機機和晶閘管一直流電動機系統(tǒng)。其生產(chǎn)和使用情況如下: 國內研制大型直流提升機主要有三大廠家:a 上海電機廠主要生產(chǎn)配套電機，已生產(chǎn)低速直流電機80多臺，最大容量5775kw，額定轉速5Or/min，其中長廣煤礦及五村煤礦的提升機為100OkW、48r/min，淮南潘三礦采用一臺26O0kW低速直聯(lián)電機。b 上海冶金礦山機械廠主要生產(chǎn)主機及信號系統(tǒng)，已生產(chǎn)80 多臺提升機，1979 年生產(chǎn)過一臺低速直聯(lián)落地式提升機。c 北京整流器廠主要生產(chǎn)配套電控，已從瑞士BBC公司和瑞典ASEA公司引進了晶閘管電控整機系統(tǒng)及元件生產(chǎn)線，直流電控容量可達7000kW。還引進了交流變頻調速(交一直一交)電控生產(chǎn)線，可生產(chǎn)單機4200kW變頻調速電控設備。1986年向甘肅金川礦提供了一套帶微機控制的800kW直流電控設備。 從國外引進的晶閘管供電的直流提升機20多套，其中AEG公司21O0kW低速直聯(lián)6套、西門子公司低速直聯(lián)4套、瑞典ASEA公司9套。另外，還正在引進計算機控制的低速直聯(lián)電控系統(tǒng)。(3) 研制與發(fā)展 國產(chǎn)大型直流提升機及電控系統(tǒng)正在逐步完善和推廣使用。 大功率變頻調速電控提升機其效率可達89%，國內正在組織研究這種系統(tǒng)，不少院校和研究單位都在著手研制。如天津電氣傳動研究所己研制了一臺300kw的變頻調速裝置。 可編程序控制器在提升機電控系統(tǒng)的應用可編程序控制器具有可靠性高、抗干擾能力強、實現(xiàn)繼電邏輯容易，基本免于維護等獨特優(yōu)點，特別適用于對我國占大部分的交流提升機繼電接觸器電控系統(tǒng)進行技術改造。因此有不少單位都在著手研制，如焦作礦務局，韓城礦務局均用可編程序控制器對TKD電控系統(tǒng)進行改造，已投入正常運行和使用，已經(jīng)顯示出了很強的生命力。這是今后一段時期乃至凡十年對我國占絕大多數(shù)采用繼電控制的交流提升系統(tǒng)進行技術改造的必由之路。 本文內容及研究的意義 研究內容當前國內提升機電控絕大多數(shù)還是轉子回路串電阻分段控制的交流繞線式電機繼電器接觸器系統(tǒng)，設備陳舊、技術落后。而且這種控制方式存在著很多的問題:(1) 轉子回路串接電阻，消耗電能，造成能源浪費。(2) 電阻分級切換，為有級調速，設備運行不平穩(wěn)，容易引起電氣及機械沖擊。(3) 繼電器、接觸器頻繁動作，電弧燒蝕觸點，影響接觸器使用壽命，維修成本較高。(4) 交流繞線異步電動機的滑環(huán)存在接觸不良問題，容易引起設備事故。(5) 電動機依靠轉子電阻獲得的低速，其運行特性較軟。(6) 提升容器通過給定的減速點時，由于負載的不同，而將得到不同的減速度，不能達到穩(wěn)定的低速爬行，最后導致停車位置不準，不能正常裝卸載。上述問題使提升機運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統(tǒng)，使提升機運行的可靠性和安全性得到提高。在提升機控制系統(tǒng)中應用計算機控制技術和變頻調速技術，對原有提升機控制系統(tǒng)進行升級換代。就計算機技術在工業(yè)現(xiàn)場應用情況而言，可編程控制器(PLC)是目前作為工業(yè)控制最理想的機型，它是采用計算機技術、按照事先編好并儲存在計算機內部一段程序來完成設備的操作控制。采用PLC控制，硬件簡潔、軟件靈活性強、調試方便、維護量小，PLC 技術已經(jīng)廣泛應用于各種提升機控制，配合一些提升機專用電子模塊組成的提升機控制設備，可供控制高壓帶動力制動或低頻制動，單、雙機拖動等。操作、監(jiān)控和安全保護系統(tǒng)選用可編程控制器。主控計算機應用軟件能完成提升機自動、半自動、手動、檢修、低速爬行等各種運動方式的控制要求。 研究意義在調研中發(fā)現(xiàn)，目前山西省各大煤礦的礦井提升機系統(tǒng)的調速方案大多采用繼電器接觸器控制的轉子串電阻調速。該方案耗能大，占地面積大。在廣泛考察現(xiàn)行的變頻調速方案后，本文提升機系統(tǒng)控制單元采用目前工控適用的可編程控制器來控制，具有編程簡單和控制可靠性高的優(yōu)點:電力拖動系統(tǒng)中，選用先進的變頻傳動裝置，運用先進的矢量控制技術，優(yōu)化了調速系統(tǒng)的性能，這一控制方法目前仍為現(xiàn)代交流調速的重要研究方向之一。 采用先進的工業(yè)計算機、現(xiàn)場總線和工業(yè)自動化技術，按照結構標準化、產(chǎn)品系列化、性能現(xiàn)代化、體積小型化的原則，研制生產(chǎn)適合礦井提升機電控設備是進行技術改造和新建礦井設備選型的理想選擇。使用上位機監(jiān)控系統(tǒng)，采用組態(tài)模式，實現(xiàn)良好的人機對話。實時監(jiān)控提升機的運行狀態(tài)，上位機動態(tài)模擬顯示及故障閉鎖:可進行故障報警、數(shù)據(jù)查詢、報表打印。記錄提升鉤數(shù)以及每班、每日、每月、每年的提升量累計。故障聲光指示、記憶及部分傳感器上位機的緊急處理。為保證提升設備無事故，在提升設備有可能出現(xiàn)故障的各個重要環(huán)節(jié)上，設置雙回路系統(tǒng)，并在系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)上設有各種檢測、控制、自診斷以及記錄和保護裝置(如負載、速度、加減速、產(chǎn)量、運行時間等記錄)。本文從解決實際礦井提升系統(tǒng)存在的問題出發(fā)，對傳統(tǒng)的調速方案進行了控制方式的革新和數(shù)字化改造，降低了成本，提高了控制精度，加強了系統(tǒng)穩(wěn)定性。表明本文所提出的設計方案具有實用價值。適用、經(jīng)濟、高效、可靠是本文提升機系統(tǒng)設計的追求目標。第2章 礦井提升機調速系統(tǒng)的設計 礦井提升機對控制系統(tǒng)的要求提升機控制系統(tǒng)方案的選用應滿足生產(chǎn)工藝的要求速度圖。所以需要先來分析提升機電控系統(tǒng)的靜、動態(tài)特性。提升機電氣傳動系統(tǒng)的給定速度u=f(t)如圖21所示，根據(jù)動力學方程式Td=TeTi= Tn *e/375 ()式中 Te電動機電動力矩。Ti傳動系統(tǒng)的靜阻轉矩。Tn傳動系統(tǒng)的飛輪力矩，Tn=4gJ，其中J為轉動慣量(㎏㎡)，g為重力加速度Td傳動系統(tǒng)的動態(tài)轉矩,e加速度?？梢缘贸霭唇o定速度圖所需轉矩Te=f(t)的特性，從而可以得到拖動系統(tǒng)所需的力F=f(t)，提升機傳動系統(tǒng)給定速度圖、力圖如圖21所示。 圖a 圖b圖c圖d 圖21 提升機傳動系統(tǒng)給定速度圖、力圖提升機的負載靜力FL決定于提升機滾筒承受的靜張力差，在雙罐籠的平衡提升系統(tǒng)中，靜力凡也就是提升物體的凈載重。由于提升系統(tǒng)的負載為位勢負載，所以靜力FL的作用方向始終是提升重物的重力方向，而與系統(tǒng)的運動狀態(tài)和方向無關。因此在電動機不帶電時，為了使重的罐籠處于靜止狀態(tài)(便于罐籠的裝卸載)，對滾筒必須施加機械閘。從圖21可以看出，要使提升機按照給定的速度圖運行，電動力矩Te可能為正，也可能為負。這意味著電動機不僅要工作在電動狀態(tài)，還應能工作在制動狀態(tài)。由于不同的負載，不同的提升機運行階段，電動機的運行狀態(tài)也各不相同。綜合以上提升機的運行特點以及礦山生產(chǎn)固有的特點，提升機工藝對提升機電控系統(tǒng)的要求如下:(1) 加(減)速度符合國家有關安全生產(chǎn)規(guī)程的規(guī)定。提升人員時，加速度a≦，升降物料時，加速度a≦,另外不得超過提升機的減速器所允許的動力矩。(2) 具有良好的調速性能。要求速度平穩(wěn)，調速方便，調速范圍大，能滿足各種運行方式及提升階段(加速、減速、等速、爬行等)(3) 有較好的起動性能。提升機不同于其他機械，穩(wěn)定運行的要求。不可能待系統(tǒng)運轉后再裝加物料，因此，必須能重載啟動，有較高的過載能力。(4) 特性曲線要硬。要保證負載變化時，提升速度基本上不受影響，防止負載不同時速降過大，影響系統(tǒng)正常工作(當然，當負載超過一定的限度時，還要求系統(tǒng)能有效的自我保護。迅速安全制動停車，即所謂要具備挖土機機械特性)。(5) 工作方式轉換容易。要能夠方便的進行自動、半自動、手動、驗繩、調繩等工作方式的轉換，操作方便，控制靈活，不至于因工作方式的轉換影響正常生產(chǎn)。(6) 采用新技術和節(jié)能設備，易于實現(xiàn)自動化控制和提高整個系統(tǒng)的工作效率。具備必要的連鎖和安全保護環(huán)節(jié)。 提升機調速控制系統(tǒng)方案設計 控制單元基本原理我國提升機設備中，普遍使用TKD系統(tǒng)，這種控制系統(tǒng)是采用繼電器有觸點的邏輯控制，以磁放大器為核心組成模擬量閉環(huán)調節(jié)。在繼電器控制系統(tǒng)中，要完成一個控制任務，支配控制系統(tǒng)工作的“程序”是由各分立元件(繼電器、接觸器、電子元件等)用導線連接起來加以實現(xiàn)的，這樣的控制系統(tǒng)稱為接線程序控制系統(tǒng)。在接線程序控制系統(tǒng)中，控制程序的修改必須通過改變接線來實現(xiàn)。幾十年來 ，這種控制系統(tǒng)由于受元件水平的限制而存在著缺陷，突出表現(xiàn)在:(1) 使用大量繼電器、接觸器及其它分立電子元件，系統(tǒng)體積大，運行噪聲大，功耗高，接線復雜，故障率高，工作穩(wěn)定性和可靠性差，控制速度慢，控制精度差，功能改變難度大，使用壽命短。(2) 在啟動過程中，由于罐籠的實際載重量不同，實際的加速過程并非按照預定的設計參數(shù)運行，常常出現(xiàn)停車不準確甚至提前停車現(xiàn)象。(3) 采用磁放大器做調節(jié)控制，穩(wěn)定性差，線性度差，調速精度很難保證。(4) 系統(tǒng)安全保護環(huán)節(jié)不全面，工作不可靠，故障顯示不直觀，分析查找故障難度大，缺乏運行參數(shù)顯示功能.(5) 調速性能差，機械沖擊大，人員乘車舒適性差。這些不足主要是因為采用繼電器控制方式造成的，在這種控制方式下繼續(xù)改善的余地不大。如果對該豎井提升機電控系統(tǒng)進行技術改造，那么需要改變控制策略，采用當代高新實用技術來控制，使之成為安全、可靠、高效率、自動化程度高的電控系統(tǒng)。是可編程序邏輯控制器，簡稱PLC，PLC技術是現(xiàn)代工業(yè)自動化的重要手段，由它構成的控制系統(tǒng)邏輯控制由PLC通過軟件編程實現(xiàn)，柔性強，控制功能多，控制線路大大簡化。PLC的輸入喻出回路均帶有光電隔離等抗干擾和過載保護措施，程序運行為循環(huán)掃描工作方式，且有故障檢測及診斷程序，可靠性極高。PLC控制系統(tǒng)結構為模塊化結構，維護更換方便，并可顯示故障類型。圖22為可編程控制器控制系統(tǒng)。其輸入設備和輸出設備與繼電器控制系統(tǒng)相同，但它們是直接接到可編程序控制器的輸入端和輸出端的。，運行時依次讀取存儲器中的程序語句，對它們的內容進行解釋并加以執(zhí)行，執(zhí)行結果用以接通輸出設備，控制被控對象工作。在存儲程序控制系統(tǒng)中，控制程序的修改不需要通過改變控制器內部的接線(即硬件)，而只需通過編程器改變程序存儲器中某些語句的內容。 圖22 可編程控制器控制系統(tǒng)框圖可編程邏輯控制器因為其具有高可靠性以及軟件可編程的優(yōu)點，在現(xiàn)代控制中越來越廣泛的應用。對于一般提升機電控系統(tǒng)來說，采用一套中小容量的PLC即可滿足要求，把原來由各種電器通過連線而實現(xiàn)的邏輯控制改由PLC通過軟件編程實現(xiàn)，則控制線路將大大簡化，設備體積、設備維修量將大大減小，抗干擾能力將大大增強，工作可靠性將大大提高，工藝改變時只需要改變控制程序即可。改造時保持原有的操作方式、按鈕、開關、主令控制器作用不變，則用戶使用起來將非常方便，不需要適應期。同時可以利用PLC的高速計數(shù)功能、網(wǎng)絡通信功能、故障檢測及診斷功能、信號顯示功能等來增加一些新的控制功能，安全性將大大提高，運行將更加平穩(wěn)、準確，完全能夠滿足礦山生產(chǎn)的苛刻要求，而且投資相對較少，性價比較高，具有很強的實用價值。 調速裝置礦井提升機，從電力拖動而言，可分為交流拖動和直流拖動兩大類。我國目前正在服務的礦井提升機的電控系統(tǒng)中，屬于交流拖動的有轉子電路串電阻的調速系統(tǒng):屬于直流拖動的有直流發(fā)電機與直流電動機組成的GM調速系統(tǒng)和晶閘管整流裝置供電的VM調速系統(tǒng)。直流拖動系統(tǒng)一般采用他勵電動機作為主拖動電機，它具有調速性能好，低速階段運行穩(wěn)定，在加速，減速和低速運行時的電耗小，直流拖動系統(tǒng)又可分為兩類，一類是發(fā)電機組供電的系統(tǒng)(簡稱GM系統(tǒng))，一類是晶閘管供電的系統(tǒng)(簡稱VM系統(tǒng))。GM系統(tǒng)的特點是過載能力強，所需設備均為常規(guī)定型產(chǎn)品，供貨容易，運行可靠，維護工作量大但是技術要求不高，對系統(tǒng)以外的電網(wǎng)不會造成有害的影響，即不會引起電力公害等。與GM系統(tǒng)相比，VM系統(tǒng)具有以下優(yōu)點:功率放大倍數(shù)高，GM系統(tǒng)的功率放大倍數(shù)在101左右，VM系統(tǒng)可高達104，比GM系統(tǒng)高三個數(shù)量級。快速響應性好，GM系統(tǒng)為秒級，VM為毫秒級，因而動態(tài)品質快速性能較好。功耗小、效率高，GM系統(tǒng)平均效率為75%左右，VM系統(tǒng)可達85%左右，比GM系統(tǒng)效率提高10%以上。調速范圍大，由于剩磁影響，GM系統(tǒng)在調速時轉速受到限制，而VM系統(tǒng)調速時速度從零到最大速度都能控制，運行可靠。直流拖動系統(tǒng)具有調速性能好的特點，是交流拖動系統(tǒng)無法相比的。而VM系統(tǒng)由于具有以上一些突出的特點，因此，目前在大型提升機方面，世界各國大多采用直流拖動方案，尤以VM系統(tǒng)為主。但是根據(jù)國內生產(chǎn)實踐經(jīng)驗表明，VM系統(tǒng)尚存在以下缺點:(1) 晶閘管元件的過載能力(過電壓、過電流)較低，因此在礦井提升機系統(tǒng)中作為供電元件時，為了適應瞬時過載(例如提升機的加速階段)的需要，通常將元件的容量和耐壓等級都相應增大，或者增加使用的晶閘管元件數(shù)量，使元件作串聯(lián)或并聯(lián)運行，即使用的元件在正常負載時處于低負載(降級使用)，以確保在過載的加速階段，晶閘管元件的負載仍然在額定負載的范圍內