【正文】 施安全制動。5) 制動系統(tǒng)的控制與監(jiān)視制動(可調(diào)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(shù)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(hù)系統(tǒng)。6) 全數(shù)字化調(diào)速控制系統(tǒng)德國AEG公司的Logidyn D(32位機(jī))、西門子公司的Siemadyn D(16位機(jī))以及ABB公司的Tyrak(16位機(jī))系統(tǒng)都己應(yīng)用于提升機(jī)上。全數(shù)字化系統(tǒng)具有硬件結(jié)構(gòu)單一，參數(shù)穩(wěn)定且調(diào)整方便，可方便地與上位機(jī)聯(lián)網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)然此類系統(tǒng)要求維護(hù)人員有更高的技術(shù)水平和計(jì)算機(jī)知識。7) 內(nèi)裝式提升機(jī)AEG公司生產(chǎn)的內(nèi)裝式提升機(jī)，將提升主電機(jī)與滾筒合為一體，即轉(zhuǎn)子固定，轉(zhuǎn)動的定子充當(dāng)滾筒，使機(jī)構(gòu)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(jī)約70%采用串電阻調(diào)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(zhuǎn)差率s的調(diào)速方法，在調(diào)速中產(chǎn)生大量的轉(zhuǎn)差功率，使大量電能消耗在轉(zhuǎn)子附加電阻上，導(dǎo)致調(diào)速的經(jīng)濟(jì)性變差。極少數(shù)提升機(jī)采用串級調(diào)速方法，其調(diào)速范圍窄，且投資大。(2) 直流拖動方式我國提升機(jī)采用直流拖動有兩種系統(tǒng):直流發(fā)電機(jī)一直流電動機(jī)機(jī)和晶閘管一直流電動機(jī)系統(tǒng)。其生產(chǎn)和使用情況如下: 國內(nèi)研制大型直流提升機(jī)主要有三大廠家:a 上海電機(jī)廠主要生產(chǎn)配套電機(jī)，已生產(chǎn)低速直流電機(jī)80多臺，最大容量5775kw，額定轉(zhuǎn)速5Or/min，其中長廣煤礦及五村煤礦的提升機(jī)為100OkW、48r/min，淮南潘三礦采用一臺26O0kW低速直聯(lián)電機(jī)。b 上海冶金礦山機(jī)械廠主要生產(chǎn)主機(jī)及信號系統(tǒng)，已生產(chǎn)80 多臺提升機(jī)，1979 年生產(chǎn)過一臺低速直聯(lián)落地式提升機(jī)。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(jìn)了晶閘管電控整機(jī)系統(tǒng)及元件生產(chǎn)線，直流電控容量可達(dá)7000kW。還引進(jìn)了交流變頻調(diào)速(交一直一交)電控生產(chǎn)線，可生產(chǎn)單機(jī)4200kW變頻調(diào)速電控設(shè)備。1986年向甘肅金川礦提供了一套帶微機(jī)控制的800kW直流電控設(shè)備。 從國外引進(jìn)的晶閘管供電的直流提升機(jī)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(jìn)計(jì)算機(jī)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(jī)及電控系統(tǒng)正在逐步完善和推廣使用。 大功率變頻調(diào)速電控提升機(jī)其效率可達(dá)89%，國內(nèi)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(diào)速裝置。 可編程序控制器在提升機(jī)電控系統(tǒng)的應(yīng)用可編程序控制器具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、實(shí)現(xiàn)繼電邏輯容易，基本免于維護(hù)等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，特別適用于對我國占大部分的交流提升機(jī)繼電接觸器電控系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造。因此有不少單位都在著手研制，如焦作礦務(wù)局，韓城礦務(wù)局均用可編程序控制器對TKD電控系統(tǒng)進(jìn)行改造，已投入正常運(yùn)行和使用，已經(jīng)顯示出了很強(qiáng)的生命力。這是今后一段時(shí)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(jìn)行技術(shù)改造的必由之路。 本文內(nèi)容及研究的意義 研究內(nèi)容當(dāng)前國內(nèi)提升機(jī)電控絕大多數(shù)還是轉(zhuǎn)子回路串電阻分段控制的交流繞線式電機(jī)繼電器接觸器系統(tǒng)，設(shè)備陳舊、技術(shù)落后。而且這種控制方式存在著很多的問題:(1) 轉(zhuǎn)子回路串接電阻，消耗電能，造成能源浪費(fèi)。(2) 電阻分級切換，為有級調(diào)速，設(shè)備運(yùn)行不平穩(wěn)，容易引起電氣及機(jī)械沖擊。(3) 繼電器、接觸器頻繁動作，電弧燒蝕觸點(diǎn)，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(jī)的滑環(huán)存在接觸不良問題，容易引起設(shè)備事故。(5) 電動機(jī)依靠轉(zhuǎn)子電阻獲得的低速，其運(yùn)行特性較軟。(6) 提升容器通過給定的減速點(diǎn)時(shí)，由于負(fù)載的不同，而將得到不同的減速度，不能達(dá)到穩(wěn)定的低速爬行，最后導(dǎo)致停車位置不準(zhǔn)，不能正常裝卸載。上述問題使提升機(jī)運(yùn)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(jī)運(yùn)行的可靠性和安全性得到提高。在提升機(jī)控制系統(tǒng)中應(yīng)用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和變頻調(diào)速技術(shù)，對原有提升機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行升級換代。就計(jì)算機(jī)技術(shù)在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)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(jī)型，它是采用計(jì)算機(jī)技術(shù)、按照事先編好并儲存在計(jì)算機(jī)內(nèi)部一段程序來完成設(shè)備的操作控制。采用PLC控制，硬件簡潔、軟件靈活性強(qiáng)、調(diào)試方便、維護(hù)量小，PLC 技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種提升機(jī)控制，配合一些提升機(jī)專用電子模塊組成的提升機(jī)控制設(shè)備，可供控制高壓帶動力制動或低頻制動，單、雙機(jī)拖動等。操作、監(jiān)控和安全保護(hù)系統(tǒng)選用可編程控制器。主控計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件能完成提升機(jī)自動、半自動、手動、檢修、低速爬行等各種運(yùn)動方式的控制要求。 研究意義在調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，目前山西省各大煤礦的礦井提升機(jī)系統(tǒng)的調(diào)速方案大多采用繼電器接觸器控制的轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速。該方案耗能大，占地面積大。在廣泛考察現(xiàn)行的變頻調(diào)速方案后，本文提升機(jī)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(diǎn):電力拖動系統(tǒng)中，選用先進(jìn)的變頻傳動裝置，運(yùn)用先進(jìn)的矢量控制技術(shù)，優(yōu)化了調(diào)速系統(tǒng)的性能，這一控制方法目前仍為現(xiàn)代交流調(diào)速的重要研究方向之一。 采用先進(jìn)的工業(yè)計(jì)算機(jī)、現(xiàn)場總線和工業(yè)自動化技術(shù)，按照結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)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(jī)電控設(shè)備是進(jìn)行技術(shù)改造和新建礦井設(shè)備選型的理想選擇。使用上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，采用組態(tài)模式，實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)對話。實(shí)時(shí)監(jiān)控提升機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，上位機(jī)動態(tài)模擬顯示及故障閉鎖:可進(jìn)行故障報(bào)警、數(shù)據(jù)查詢、報(bào)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(jì)。故障聲光指示、記憶及部分傳感器上位機(jī)的緊急處理。為保證提升設(shè)備無事故，在提升設(shè)備有可能出現(xiàn)故障的各個(gè)重要環(huán)節(jié)上，設(shè)置雙回路系統(tǒng)，并在系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)上設(shè)有各種檢測、控制、自診斷以及記錄和保護(hù)裝置(如負(fù)載、速度、加減速、產(chǎn)量、運(yùn)行時(shí)間等記錄)。本文從解決實(shí)際礦井提升系統(tǒng)存在的問題出發(fā)，對傳統(tǒng)的調(diào)速方案進(jìn)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(qiáng)了系統(tǒng)穩(wěn)定性。表明本文所提出的設(shè)計(jì)方案具有實(shí)用價(jià)值。適用、經(jīng)濟(jì)、高效、可靠是本文提升機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的追求目標(biāo)。第2章 礦井提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 礦井提升機(jī)對控制系統(tǒng)的要求提升機(jī)控制系統(tǒng)方案的選用應(yīng)滿足生產(chǎn)工藝的要求速度圖。所以需要先來分析提升機(jī)電控系統(tǒng)的靜、動態(tài)特性。提升機(jī)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(xué)方程式Td=TeTi= Tn *e/375 ()式中 Te電動機(jī)電動力矩。Ti傳動系統(tǒng)的靜阻轉(zhuǎn)矩。Tn傳動系統(tǒng)的飛輪力矩，Tn=4gJ，其中J為轉(zhuǎn)動慣量(㎏㎡)，g為重力加速度Td傳動系統(tǒng)的動態(tài)轉(zhuǎn)矩,e加速度?？梢缘贸霭唇o定速度圖所需轉(zhuǎn)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(jī)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(jī)傳動系統(tǒng)給定速度圖、力圖提升機(jī)的負(fù)載靜力FL決定于提升機(jī)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(fù)載為位勢負(fù)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(yùn)動狀態(tài)和方向無關(guān)。因此在電動機(jī)不帶電時(shí)，為了使重的罐籠處于靜止?fàn)顟B(tài)(便于罐籠的裝卸載)，對滾筒必須施加機(jī)械閘。從圖21可以看出，要使提升機(jī)按照給定的速度圖運(yùn)行，電動力矩Te可能為正，也可能為負(fù)。這意味著電動機(jī)不僅要工作在電動狀態(tài)，還應(yīng)能工作在制動狀態(tài)。由于不同的負(fù)載，不同的提升機(jī)運(yùn)行階段，電動機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)也各不相同。綜合以上提升機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)以及礦山生產(chǎn)固有的特點(diǎn)，提升機(jī)工藝對提升機(jī)電控系統(tǒng)的要求如下:(1) 加(減)速度符合國家有關(guān)安全生產(chǎn)規(guī)程的規(guī)定。提升人員時(shí)，加速度a≦，升降物料時(shí)，加速度a≦,另外不得超過提升機(jī)的減速器所允許的動力矩。(2) 具有良好的調(diào)速性能。要求速度平穩(wěn)，調(diào)速方便，調(diào)速范圍大，能滿足各種運(yùn)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(jī)不同于其他機(jī)械，穩(wěn)定運(yùn)行的要求。不可能待系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)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(fù)載變化時(shí)，提升速度基本上不受影響，防止負(fù)載不同時(shí)速降過大，影響系統(tǒng)正常工作(當(dāng)然，當(dāng)負(fù)載超過一定的限度時(shí)，還要求系統(tǒng)能有效的自我保護(hù)。迅速安全制動停車，即所謂要具備挖土機(jī)機(jī)械特性)。(5) 工作方式轉(zhuǎn)換容易。要能夠方便的進(jìn)行自動、半自動、手動、驗(yàn)繩、調(diào)繩等工作方式的轉(zhuǎn)換，操作方便，控制靈活，不至于因工作方式的轉(zhuǎn)換影響正常生產(chǎn)。(6) 采用新技術(shù)和節(jié)能設(shè)備，易于實(shí)現(xiàn)自動化控制和提高整個(gè)系統(tǒng)的工作效率。具備必要的連鎖和安全保護(hù)環(huán)節(jié)。 提升機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 控制單元基本原理我國提升機(jī)設(shè)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(diǎn)的邏輯控制，以磁放大器為核心組成模擬量閉環(huán)調(diào)節(jié)。在繼電器控制系統(tǒng)中，要完成一個(gè)控制任務(wù)，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(dǎo)線連接起來加以實(shí)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(shí)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(yùn)行噪聲大，功耗高，接線復(fù)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(shí)際載重量不同，實(shí)際的加速過程并非按照預(yù)定的設(shè)計(jì)參數(shù)運(yùn)行，常常出現(xiàn)停車不準(zhǔn)確甚至提前停車現(xiàn)象。(3) 采用磁放大器做調(diào)節(jié)控制，穩(wěn)定性差，線性度差，調(diào)速精度很難保證。(4) 系統(tǒng)安全保護(hù)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(yùn)行參數(shù)顯示功能.(5) 調(diào)速性能差，機(jī)械沖擊大，人員乘車舒適性差。這些不足主要是因?yàn)椴捎美^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(jī)電控系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，那么需要改變控制策略，采用當(dāng)代高新實(shí)用技術(shù)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(shù)是現(xiàn)代工業(yè)自動化的重要手段，由它構(gòu)成的控制系統(tǒng)邏輯控制由PLC通過軟件編程實(shí)現(xiàn)，柔性強(qiáng)，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(hù)措施，程序運(yùn)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(jié)構(gòu)為模塊化結(jié)構(gòu)，維護(hù)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(shè)備和輸出設(shè)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(yùn)行時(shí)依次讀取存儲器中的程序語句，對它們的內(nèi)容進(jìn)行解釋并加以執(zhí)行，執(zhí)行結(jié)果用以接通輸出設(shè)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(nèi)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(nèi)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?yàn)槠渚哂懈呖煽啃砸约败浖删幊痰膬?yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代控制中越來越廣泛的應(yīng)用。對于一般提升機(jī)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(shí)現(xiàn)的邏輯控制改由PLC通過軟件編程實(shí)現(xiàn)，則控制線路將大大簡化，設(shè)備體積、設(shè)備維修量將大大減小，抗干擾能力將大大增強(qiáng)，工作可靠性將大大提高，工藝改變時(shí)只需要改變控制程序即可。改造時(shí)保持原有的操作方式、按鈕、開關(guān)、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(yīng)期。同時(shí)可以利用PLC的高速計(jì)數(shù)功能、網(wǎng)絡(luò)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(yùn)行將更加平穩(wěn)、準(zhǔn)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(jià)比較高，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。 調(diào)速裝置礦井提升機(jī)，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(wù)的礦井提升機(jī)的電控系統(tǒng)中，屬于交流拖動的有轉(zhuǎn)子電路串電阻的調(diào)速系統(tǒng):屬于直流拖動的有直流發(fā)電機(jī)與直流電動機(jī)組成的GM調(diào)速系統(tǒng)和晶閘管整流裝置供電的VM調(diào)速系統(tǒng)。直流拖動系統(tǒng)一般采用他勵電動機(jī)作為主拖動電機(jī)，它具有調(diào)速性能好，低速階段運(yùn)行穩(wěn)定，在加速，減速和低速運(yùn)行時(shí)的電耗小，直流拖動系統(tǒng)又可分為兩類，一類是發(fā)電機(jī)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(diǎn)是過載能力強(qiáng)，所需設(shè)備均為常規(guī)定型產(chǎn)品，供貨容易，運(yùn)行可靠，維護(hù)工作量大但是技術(shù)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(diǎn):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(dá)104，比GM系統(tǒng)高三個(gè)數(shù)量級?？焖夙憫?yīng)性好，GM系統(tǒng)為秒級，VM為毫秒級，因而動態(tài)品質(zhì)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(dá)85%左右，比GM系統(tǒng)效率提高10%以上。調(diào)速范圍大，由于剩磁影響，GM系統(tǒng)在調(diào)速時(shí)轉(zhuǎn)速受到限制，而VM系統(tǒng)調(diào)速時(shí)速度從零到最大速度都能控制，運(yùn)行可靠。直流拖動系統(tǒng)具有調(diào)速性能好的特點(diǎn)，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(diǎn)，因此，目前在大型提升機(jī)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(nèi)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，VM系統(tǒng)尚存在以下缺點(diǎn):(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(jī)系統(tǒng)中作為供電元件時(shí)，為了適應(yīng)瞬時(shí)過載(例如提升機(jī)的加速階段)的需要，通常將元件的容量和耐壓等級都相應(yīng)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(yùn)行，即使用的元件在正常負(fù)載時(shí)處于低負(fù)載(降級使用)，以確保在過載的加速階段，晶閘管元件的負(fù)載仍然在額定負(fù)載的范圍內(nèi)，不致由于