【正文】 頻器容量的選擇 22 變頻器主電路設(shè)計及參數(shù)設(shè)定 23 第 4 章 PLC 在提升機變頻控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 26 41 PLC 概述 26 42 本系統(tǒng)中 PLC 的選型及特點 27 43 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計 27 PLC 的 IO 分配 28 PLC 接線圖 33 第 5 章 PLC 控制程序設(shè)計 34 51 PLC 軟件概述及提升機 PLC 控制要求 34 52 程序設(shè)計 35 53 系統(tǒng)抗干擾措施 40 結(jié) 論 42 謝 辭 43 參考文獻(xiàn) 44 附 錄 46 外文資料翻譯 47 前 言 在煤炭生產(chǎn)中提升機擔(dān)負(fù)著提升煤炭巖石下放材料升降人員和設(shè)備的任務(wù)是聯(lián)系井上與井下的唯一途徑素有礦井咽喉之稱提升機的電力傳動特性復(fù)雜電動機頻繁正反向經(jīng)常處于過負(fù)荷運轉(zhuǎn)和電動制動不斷地轉(zhuǎn)換的狀態(tài)中對提升機來說運行的安全可靠性是至關(guān)重要的主井直接關(guān)系到礦山的生產(chǎn)效率作為運送人員的副井 一旦發(fā)生故障往往造成機毀人亡提升機運行的安全可靠性不僅直接影響整個礦井的生產(chǎn)能力影響整個礦山的經(jīng)濟效益而且還涉及到井下工作人員的生命安全因此研制并制造既安全可靠又節(jié)省能源的提升機是煤礦安全生產(chǎn)的一項重要課題 就計算機技術(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)控制最理想的機型它是采用計算機技術(shù)按照事先編好并儲存在計算機內(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調(diào)試方便維護量小 PLC 技術(shù)己經(jīng)廣泛應(yīng)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(shè)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(yīng)用軟件能完成提升機自動半自動手動等各種運動方式的控制要求 在廣泛考察現(xiàn)行的變頻調(diào)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(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的工業(yè)計算機現(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)適合礦井提升機電控設(shè)備 是進行技術(shù)改造和新建礦井設(shè)備選型的理想選擇 第 1 章 緒 論 11 課題概述 礦井提升機是機電液一體化的大型機械廣泛用于煤炭有色金屬黑色金屬非金屬化工等礦山的豎井斜井是生產(chǎn)運輸?shù)闹饕ぞ咴诿禾可a(chǎn)中提升機擔(dān)負(fù)著提升煤炭矸石下放材料升降人員和設(shè)備的任務(wù)是聯(lián)系井上與井下的唯一途徑素有礦井咽喉之稱提升機的電力傳動特性復(fù)雜電動機頻繁正反向經(jīng)常處于負(fù)荷運轉(zhuǎn)和電動制動不斷地轉(zhuǎn)換的狀態(tài)中對應(yīng)提升機來說運行的安全可靠是至關(guān)重要的主井直接關(guān)系到礦山的生產(chǎn)效率作為運送人員的副井一旦發(fā)生故障往往造成機毀人亡提升機運行的安全可靠性不 僅直接影響整個礦井的生產(chǎn)能力影響整個礦山的經(jīng)濟效益而且還涉及到井下工作人員的生命安全因此研制并制造即安全可靠又節(jié)省能源的提升機是煤炭安全生產(chǎn)的一項重要課題 12 國內(nèi)外礦井提升機的發(fā)展?fàn)顩r 礦井提升裝置是采礦業(yè)的重要設(shè)備隨著科學(xué)技術(shù)的進步和礦井生產(chǎn)現(xiàn)代化要求的不斷提高人們對提升機工作特性的認(rèn)識進一步深化提升設(shè)備及拖動控制系統(tǒng)也逐步趨于完善各種新技術(shù)新工藝逐步應(yīng)用于礦井提升設(shè)備中特別是模擬技術(shù)微電子技術(shù)微電腦技術(shù)在提升機控制中的應(yīng)用已成為必然的發(fā)展方向 井提升機的現(xiàn)狀 1 晶閘管 電動機 SCRD 直流低速直聯(lián)拖動系統(tǒng) 部分發(fā)達(dá)國家原有的交流提升機已基本上被晶閘管 電動機 以下簡稱SCRD 所取代如德國瑞典等國家己有 90 以上采用直流提升機傳動系統(tǒng)大都采用低速直聯(lián)式 省去減速機 使系統(tǒng)大為簡化如 AEG公司采用低速直聯(lián)的 SCRD系統(tǒng)電機功率 3000kw 額定轉(zhuǎn)速 558rmin 滾筒直徑 65m 提人速度 17ms 提物速度 20ms提升高度 1200m 具有完善的保護系統(tǒng)采用磁場反并聯(lián)有平波電抗器及臥式深度發(fā)送裝置采用積分給定與行程給定相結(jié)合的雙重給定信號主回路采用兩組三相橋組成 12 脈動順抗整流大大提高了功率因數(shù) SIEMENS 西門子 公司 ABB 公司CEOELEC 公司以及 ASEA 公司等都有相同類型的產(chǎn)品其性能大同小異此類系統(tǒng)的優(yōu)點在于體積小重量輕占地面積小安裝方便建筑費用低無減速器總效率高電能消耗少維護工作量小備件少處理事故快單機容量大適用范圍廣調(diào)速平滑精度高易于實現(xiàn)最佳控制和自動化安全可靠節(jié)電顯著 58 年可回收設(shè)備投資是礦井節(jié)電的有效途徑其缺點在于功率因數(shù)低如三相橋平均功率因數(shù)只有 045 左右無功沖擊大高次諧波對電網(wǎng)影響大這些缺點可采用順序控制和多脈沖整流的方法以及在電網(wǎng)上加諧波濾波器等措施使其抑制在一定的允許范圍內(nèi) 2 交流變頻調(diào)速同步機驅(qū)動提升系統(tǒng) SCRD 直流拖動系統(tǒng)趨于成熟且采用了順控技術(shù)等措施來提高功率因數(shù)但其功率因數(shù)仍然較低從而從電網(wǎng)吸收大量的無功功率且對電網(wǎng)品質(zhì)因數(shù)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響提升容量越大問題越突出再則直流電機制造成本高電樞回路的整流子限制了提升容量的進一步增加且整流子碳刷易磨損加大了維護工作量故障率高因此換相整流子是個薄弱環(huán)節(jié)由于存在上述兩個問題迫使人們又重新考慮交流拖動方式自 80 年代初以來交流變頻供電的同步機拖動異軍突起在大型提升機中發(fā)展成為技術(shù)經(jīng)濟均優(yōu)的拖動方式如 SIEMENS公司 1979年投運 的 2179。 4200kwl179。 548OkW 額定轉(zhuǎn)速695rminAEG 公司 1985 年投 l179。4200kW 額定轉(zhuǎn)速 4586rminSIEMAG 公司投運的 2x46O0kW 等變頻調(diào)速同步機拖動的提升機經(jīng)過多年的運行均獲得成功這種拖動系統(tǒng)主要有如下優(yōu)點 a 提升容量幾乎不受限制最大可達(dá) l0000kw 提升速度可達(dá) 20ms 以上提升高度 1200m 以上滾筒直徑達(dá) 65m 這是直流系統(tǒng)難以達(dá)到的 b 沒有整流子和碳刷這 一薄弱環(huán)節(jié)保證了電機的可靠運行和降低了運行消耗 c 功率因數(shù)高可達(dá)住 09～ 1 極大地節(jié)省了電能 d 動態(tài)品質(zhì)好 和直流系統(tǒng)相同 系統(tǒng)可在四象限平滑過渡和無級調(diào)速 e 由于機械特性好故起動轉(zhuǎn)矩大 f 同步機的價格和有色金屬的消耗低于直流機 g 調(diào)速范圍寬因此多數(shù)專家認(rèn)為變頻同步機拖動調(diào)速系統(tǒng)是大型提升機拖動的必然發(fā)展方向這種 拖動系統(tǒng)的缺點是 a 必須有專用的變頻電源 b 在恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速時低速段電機的過載倍數(shù)有所降低 c 高次諧波對電網(wǎng)有影響需在電網(wǎng)上加濾波器等補償措施加以緩解 3 微機控制在提升機上的應(yīng)用 從 70 年代開始隨著 微機技術(shù)的發(fā)展微機控制技術(shù)己逐步應(yīng)用于礦井提升機中目前國外己達(dá)到相當(dāng)成熟的階段使整個拖動控制產(chǎn)生一次重大的變革其應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾方面 1 提升工藝過程微機控制 在交流變頻裝置中提升工藝過程大都采用微機控制由于微機功能強使用靈活運算速度快監(jiān)視顯示易于實現(xiàn)并具有診斷功能這是采用模擬控制無法實現(xiàn)的如 AEG公司采用 CP80微機 ABB公司采用 MASTER200和 SIEMENS公司采用 S5150等微機實現(xiàn)的變頻控制都獲得了相當(dāng)成功它們把控制監(jiān)視基準(zhǔn)值預(yù)測以及模擬控制等組合在公共的微機控制總線上組成靜止變 流器的傳動控制計算機實現(xiàn)速度及多個變量的調(diào)節(jié) 2 提升行程控制 提升機的控制從本質(zhì)上說是一個位置控制要保證提升罐籠在預(yù)定地點準(zhǔn)確停車要求準(zhǔn)確度高目前可達(dá)177。㎡ g為重力加速度 Td傳動系統(tǒng)的動態(tài)轉(zhuǎn)矩 e加速度可以得出按給定速度圖所需轉(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(fù)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(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)的運動狀態(tài)和方向無關(guān)因此在電動機不帶電時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(fù)這意味著電動機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(guān)安全生產(chǎn)規(guī)程的 規(guī)定提升人員時加速度 a≤075ms2升降物料時加速度 a≤ 12ms2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(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(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)載變化時提升速度基本上不受影響防止負(fù)載不同時速降過大影響系統(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(zhuǎn)換容易要能夠方便的進行自動半自動手動驗繩調(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)確保系統(tǒng)安全運行盡量節(jié)約能源和降低運轉(zhuǎn)費用 22 提升機調(diào)速控制系統(tǒng)方案設(shè)計 控制單元基本原理 我國提升機設(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(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際載重量不同實際的加速過程并非按照預(yù)定的設(shè)計參數(shù)運行常常出現(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(diào)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(shù)改造那么需要改變控制策略采用當(dāng)代高新實用技術(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 PLCPLC 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 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(jié)構(gòu)為模塊化結(jié)構(gòu)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(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控制程序是通過一個編程器寫到可編程控制器的程序存儲器中每個程序語句確定了一個順序運行時依次讀取存儲器中的程序語句對它們的內(nèi)容進行解釋并加以執(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(yīng)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 即可滿足要求其價格也不高如果采用 PLC技術(shù)對 TKDA電控系統(tǒng)進行改造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(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(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)期同時可以