畢業(yè)設(shè)計67礦車變頻牽引控制系統(tǒng)

蘭州大學畢業(yè)設(shè)計說明書 1 摘 要 本設(shè)計主要完成礦 車變頻牽引控制系統(tǒng)的 PLC 系統(tǒng)設(shè)計和組態(tài)設(shè)計。 PLC 系統(tǒng)采用施耐德公司的 Quantum 系列 作為主控制器，完成對電動機、變頻器等被控對象的控制，可以實現(xiàn)對礦 車 的監(jiān)控，同時為了保證系統(tǒng)的可行性采用遠程 I/O。組態(tài)設(shè)計使用組態(tài)王 完成，能夠?qū)崿F(xiàn)上位監(jiān)控 功能。 使用編程軟件完成許多控制功能讓車前進、后退等等。 PLC 程序設(shè)計借助于 Concept 軟件中的仿真器，不需要使用實際硬件，即可對程序功能進行測試，可以減少現(xiàn)場調(diào)試的工作量。 關(guān)鍵詞 ： 礦 車牽引； PLC；變頻器 ;組態(tài)王 蘭州大學畢業(yè)設(shè)計說明書 2 Abstract This design mainly completes design the PLC system and configuration of the frequency converter control system of the mineral car. The PLC system takes Quantum series of adopting which produced by Schneider as the master controller, finishes the target of control the motor, frequency converter, etc. and realizes the control to the machine of the mineral car. At the same time, it takes the long range I/O for the dependability of the system. The configuration is designed and finished under the environment of kingview and can realize such functions as computers supervise and control, etc. The usage software completes many control functions to let the mineral car go forward, retreat.etc. Depending on the artificial device in concept software we do not need to use the real hardware, which says that it can test the function of the procedure and reduce the debug in the field. Keyword: Mineral car traction;PLC; Frequency converter; Kingview 蘭州大學畢業(yè)設(shè)計說明書 3 目錄 第一章變頻器火車牽引概述 . 1 1.1 變頻牽引的背景 . 1 1.2 本次畢業(yè)設(shè)計要求 . 1 1.2.1 內(nèi)容 .1 1.2.2 功能 .2 第二章 系統(tǒng)概述 . 3 2.1 方案論證 . 3 2.1.1 I/O 連接方式的選擇 .3 2.1.2PLC 控制網(wǎng)的選擇 .4 2.1.3 礦車裝料過程控制方案的選擇 .4 2.1.4 單、雙纜的選擇 .6 2.1.5 變頻器控制方式的選擇 .6 2.2 系統(tǒng)組成 . 6 2.2.1 PLC 系統(tǒng) .6 2.2.2 計算機監(jiān)控系統(tǒng) .7 第三章硬件設(shè)計 . 8 3.1 軌道開關(guān)設(shè)計 . 8 3.2 三相異步電動機 . 8 3.3 變頻器 . 8 3.4 編碼器 .13 3.5PLC 設(shè)計 .15 3.5.1Quamtum PLC 選型 . 15 3.5.2 PLC 模塊接線 . 20 3.5.3 主從站連接 . 22 蘭州大學畢業(yè)設(shè)計說明書 4 3 6 電氣元件選型 .23 3 7 硬件原理圖（如大圖 1 或附錄一示） .24 第四章 PLC 程序設(shè)計 . 26 4.1Concept2.5 簡介 .26 4.2 編程步驟 . 27 4.2.1 模塊選型 . 27 4.2.2 地址分配 . 29 4.2.3 部分程序設(shè)計說明 . 31 4 3 程序流程圖（附錄二） .33 4 4 程序梯形圖（附錄三） .33 第五章 上位組態(tài)設(shè)計 . 34 5.1 組態(tài)軟件介紹 .34 5.1.1 組態(tài)軟件的發(fā)展歷史和定義 . 35 5.1.2 組態(tài)軟件定義 . 35 5.2“組態(tài)王”組態(tài)軟件概述 .36 5.2.1 組態(tài)王軟件版本介紹 . 36 5.2.2“組態(tài)王”軟件的功能分析 . 36 5.2.3 組態(tài)王軟件的組成 . 37 5.3“組態(tài)王”設(shè)計 .38 5.3.1 組態(tài)王中工程的建立 . 39 5.3.2 變量統(tǒng)計及數(shù)據(jù)詞典的建立 . 39 5.3.3 變量連接的建立 . 40 5.4 組態(tài)王的使用 .41 設(shè)計總結(jié) . 47 參考文獻 .48 英文翻譯 .49 蘭州大學畢業(yè)設(shè)計說明書 5 致謝 .68 附錄一見系統(tǒng)硬件分塊圖 .69 附錄二 .69 附錄三 .75 蘭州大學畢業(yè)設(shè)計說明書 1 第一章 變頻器火車牽引概述 1.1 變頻 牽引的 背景 變 頻技術(shù)是應交流電機無級調(diào)速的 需要而誕生的。 20世紀 60年代后半期開始，電力電子器件從 SCR(晶閘管 )、 GTO(門極可關(guān)斷晶閘管 )、 BJT(雙極型功率晶體管 )、MOSFET(金屬氧化物場效應管 )、 SIT(靜電感應晶體管 )、 SITH(靜電感應晶閘管 )、MGT(MOS 控制晶體管 )、 MCT(MOS 控制品閘管 )發(fā)展到今天的 IGBT(絕緣柵雙極型晶體管 )、 HVIGBT(耐高壓絕緣柵雙極型晶閘管 )，器件的更新促使電力變換技術(shù)的不斷發(fā)展。 20 世紀 70 年代開始，脈寬調(diào)制變壓變頻 (PWM VVVF)調(diào)速研究引起了人們的高度重視。 電機交流變頻調(diào)速技術(shù)是當今 節(jié)電、改善工藝流程以提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善環(huán)境、推動技術(shù)進步的一種主要手段。變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和起制動性能，高效率、高功率因數(shù)和節(jié)間效果，廣泛的適用范圍及其它許多優(yōu)點而被國內(nèi)外公認為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。 而變頻 調(diào)速 在工業(yè)節(jié)能中發(fā)揮著越來越大和不可忽視作用 。 1.2 本次畢業(yè)設(shè)計要求 本畢業(yè)設(shè)計取材于某控制系統(tǒng)工程實例。 我們依據(jù) 火車牽引 的 工藝 ， 絞車電氣牽引系統(tǒng)采用變頻器作為牽引電機數(shù)字化調(diào)速裝置，實現(xiàn)對繞線式 132kW 交流電機無級調(diào)速，變頻器滿足電機低速、重載、頻繁啟動要求。整個控制系統(tǒng)采用PLC 實現(xiàn)放礦牽引 工藝的集中控制（包括供電、檢測、液壓、牽引） ， 采用工控機或人機界面形成上位機系統(tǒng) 。 1.2.1 內(nèi)容 了解項目要求包括熟悉工藝條件及要求，了解控制要求，了解控制參數(shù)指標。確定控制方案包括根據(jù)工藝條件及要求控制參數(shù)及指標，被控對象的特點確定難點。確定整體控制方案包括：系統(tǒng)的功能、可靠性、維護性、操作性、成本、甲方技術(shù)實力及經(jīng)費力量、對技術(shù)難點的考慮、回路的考慮。系統(tǒng)的設(shè)計包括設(shè)計依據(jù)，控制設(shè)計包括電器的選擇、工藝設(shè)計、控制器設(shè)備及儀表的選擇、電器圖紙的設(shè)計、材料表、外協(xié)加工、安裝及纜線圖，軟件設(shè)計流程圖結(jié)構(gòu)設(shè)計 ，軟件設(shè)計說明，具體的編程設(shè)計，調(diào)試及修改完善，系統(tǒng)的安裝調(diào)試及參數(shù)整定，操作說明書。本題初步做法是：用 PLC 控制礦車的各種工作狀態(tài)。上位組態(tài)軟件或人機界面與 PLC 連接， PLC 再與車廂設(shè)置的遠程 I/O 點或 PLC 連接。 PLC 之間的蘭州大學畢業(yè)設(shè)計說明書 2 相互連接則需要布置現(xiàn)場總線如用以太網(wǎng)。這就要進行具體的選擇。使用設(shè)置遠程 I/O 則要考慮各個動作再設(shè)下接觸器，在車的終點和起點位置要考慮減速、停車、過卷，還要考慮由于是正反兩個方向的牽引所以這三個動作要反過來再設(shè)置。整個過程是：啟動 加速 全速運行 減速 停車 啟動 加速 勻速運行 放礦 勻速運行（負載變化） 停止放礦 再加速 重載全速運行 減速，由軸編碼器來傳送電機的信息，判斷礦車行駛的快慢、距離等。 PLC 輸出所需狀態(tài)給變頻器改變電機的轉(zhuǎn)動，這就需要使用編程軟件。工作手段分成自動手動和緊急處理。手動時在放礦點和控制室均可單獨實現(xiàn)放礦機和絞車的手動控制。緊急處理時在放礦點、控制室、機房設(shè)置檢修控制箱。設(shè)置若干緊急停車開關(guān)及檢修電源控制箱。礦車的具體運轉(zhuǎn)狀況可通過組態(tài)或人機界面來仿真現(xiàn)場工作。這樣就可完成整個工作。包括： 控制系統(tǒng)主機的選型 ； 設(shè)備及儀表的選擇 ； 硬件及軟件設(shè)計 1.2.2 功能 根據(jù)火車的運行速度、放礦機與火車的相對位置、放礦機與車廂內(nèi)礦石的相對高度，實現(xiàn)全自動放礦及整個工作循環(huán)。要使用組態(tài)軟件或人機界面與 PLC 進行通訊。要充分考慮到電源、電機、變頻器、軸 編碼器、 PLC 控制、開關(guān)等?？紤]到多種突發(fā)事件，要使用聲光報警。在考慮設(shè)置 I/O 點時要收集所有的動作，包括正反方向、高速、中速、低速、報警、 正常、維修、手動、自動等等。由變頻器控制電機的工作，編碼器與電機軸相連，電機 轉(zhuǎn)動的信息就傳給了計數(shù)器模塊，編程軟件將所需動作給 PLC 再輸出給變頻器，從而控制電 機 的動作，帶動礦車前進或后退 。如圖 1-1 所示的示意圖。 要求實現(xiàn)： 全自動運行：火車啟動 -加速 -全速運行 -減速 -停車 -啟動 -加速 -勻速運行 -放礦-勻速運行（負載變化） -停止放礦 -再加速 -重載全速運行 -減速 -停車 整個工作循環(huán)全自動運行。在控制室通過監(jiān)視系統(tǒng)全程監(jiān)視； 手動運行：在放礦點和控制室均可單獨實現(xiàn)放礦機和絞車的手動控制； 緊急處理：在放礦點、控制室、機房設(shè)置檢修控制箱。設(shè)置若干緊急停車開關(guān)及檢修電源控制箱。 洞內(nèi) 洞外 放礦機 礦車 圖 1-1 放礦示意 圖 控制室 機柜 蘭州大學畢業(yè)設(shè)計說明書 3 第二章 系統(tǒng)概述 在該系統(tǒng)中，為了有效的擴展控制系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)，采用 Schneider的遠程 I/O技術(shù) (RIO)。對 變頻調(diào)速采用端子控制 ,PLC與變頻器直接連接。 變頻器外部端子控制，使用 PLC輸出變頻器所需的開關(guān)量 或 模擬量信號控制變頻器。此種控制方案由于使用 PLC與變頻器直接連接，減少了用來進行數(shù)據(jù)傳輸和進行通訊的設(shè)備，降低了成本，同時也減少了因為增加設(shè)備而帶來的不穩(wěn)定 因素。 2.1 方案論證 2.1.1 I/O 連接方式的選擇 I/O 連接可選擇：本地 IO， DIO， RIO， Momentum I/O。 (1)本地 IO 采用 Quantum 背板擴展單元 140 XBE100 00 進行 I/O 擴展 ，兩個單元和 一條電纜 即可實現(xiàn)， 支持本地及遠程分站 ， 支持現(xiàn)存所有 I/O 模板 ， 所有開關(guān)量和模擬量 I/O、高速記數(shù)模板 。 支持所有電源，主機架失電將導致 CPU/分站關(guān)斷，從機架失電將不會導致 CPU/分站關(guān) 斷。 圖 2-1 本地 IO (2)分布的 I/O 可以 降低系統(tǒng)實施費用 ； DIO 網(wǎng)絡(luò)可以分成 多個部分，在每個部分最多可以連接 32個分站，每個部分最大距離為 450 米?？梢允褂?RR85中繼器進行網(wǎng)絡(luò)擴展，最多可以連接三個 RR85 中繼器，最大分站數(shù)為 64 個，傳輸距離達到 1800 米。如果傳輸距離超過 1800 米 ，可以使用 FR85 光纖模塊。兩個光纖模塊之間如采用 50um 光纖時電纜通訊距離可達 2KM，總計距離可達 8 KM，采用 62.5u或者 100um 光纖電纜時 通訊距離可達 3KM，總計距離可達 12KM。 圖 2-2 分布的 I/O (3)遠程 I/O 能 覆蓋大范圍的物理區(qū)域 ； RIO 結(jié)構(gòu)基于 S908 的 I/O 聯(lián)網(wǎng)，傳輸蘭州大學畢業(yè)設(shè)計說明書 4 介質(zhì)為同軸電纜， RIO 最多可有 31 個分站。每個 RIO 分站，最多 64 個字輸入， 64個字輸出。此字數(shù)限制包括了離散量和模擬量。 RIO 不帶中繼器的傳輸距離為 4572米（ 15000 英尺），如使用光纖中繼器，網(wǎng)絡(luò)總長能到 13 公里。 (4)Momentum I/O 在極小的空間集成 IO 與 接線端子 ， 價格極佳 ， 易于分布 ，僅 5cm 深 。 支持多種網(wǎng)絡(luò)標準 :Modbus Plus、 Interbus-S、 Profibus DP。 本系統(tǒng)采用 遠程 I/O(RIO)， 可以 實現(xiàn)無擾操作，火車無論在洞內(nèi)還是洞外都可實時監(jiān)測和控制， 從而提高了控制的精度 。 2.1.2PLC 控制網(wǎng) 的選擇 方案 1使用上位機 和 PLC、遠程 I/O組成的控制網(wǎng)。 遠程 I/O之間用電纜連接。 圖 2-3 方案一控制網(wǎng) 方案 2 使用人機界面和 PLC 構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)， PLC 之間用以太網(wǎng)通訊。 圖 2-4 方案二 控制網(wǎng) 第二種方案使用的以太網(wǎng)通訊復雜， 最后選第一種方案。 2.1.3 礦車裝料過程控制方案的選擇 1、火車以較低速緩慢、平穩(wěn)的速度 進行裝礦。 上位機 R I O R I O PLC 人機界面 PLC1 PLC2 蘭州大學畢業(yè)設(shè)計說明書 5 火車在前停車動作結(jié)束后開始以較低速后退，直到碰到開始裝料行程開關(guān)由上位機或放礦點的放料大小控制火車以一個裝料速度后退。同時軸編碼器和放礦點PLC 進行對火車的速度進行監(jiān)測。 此方案主要由連接在電機轉(zhuǎn)子軸上的軸編碼器產(chǎn)生的脈沖進行監(jiān)測，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一周會產(chǎn)生 1000 個脈沖，軸編碼器產(chǎn)生的脈沖數(shù)由高速計數(shù)模塊來計量，高速計數(shù)模塊所計的數(shù)據(jù)送入 PLC 的 CPU，同時放礦 點的遠程 IO 會送來相應的監(jiān)測數(shù)據(jù)，CPU 對這兩個數(shù)據(jù)會進行實時地處理、運算，然后由其將處理好的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成一個模擬電壓信號，而該電壓信號對應變頻器調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速的頻率信號，再由該頻率信號產(chǎn)生一個合適的電機轉(zhuǎn)速信號，最后經(jīng)變頻器控制電機以該速度帶動十節(jié)車廂緩慢、平穩(wěn)的裝礦，直到十節(jié)車廂均裝滿后火車開始重載加速到一定的速度駛出洞外。其中在裝礦環(huán)節(jié)我們設(shè)置了諸如前減速、前停車、前過卷、到裝礦位、裝料結(jié)束、后減速、后停車、后過卷等行程開關(guān)，從而保證了火車在行進過程中更安全的監(jiān)測，使火車在行進過程中得到了有力的安全保障。 此方案在實際工程設(shè)計中涉及到較多的算法，使得工程不易實現(xiàn)或?qū)崿F(xiàn)起來比較困難，對設(shè)計人員來說設(shè)計的控制精度及響應時間等要求較高。同時該方案在實際工程中控制精度比理論設(shè)計要低，當火車的速度過高或與放礦點控制不匹配時操作不但麻煩而且可能造成事故。 2、火車以走 -停 -走 -停的循環(huán)方式裝礦。 該方案就是火車在前停車動作結(jié)束開始反向啟動，啟動后火車開始以較低速行駛，目的是在碰到開始裝料位開關(guān)火車就能安全、準確的停車開始裝礦。我們依據(jù)實際車廂的長度及相鄰兩節(jié)車廂間的跨度將車廂分為六等份，每一等份與相鄰兩節(jié)車廂間的跨距相 同，均為 1 米。車廂到“開始放礦”位時，計數(shù)模塊計數(shù)到設(shè)定值后將該數(shù)據(jù)送往變頻器中，變頻器控制帶動車廂的電機也可以使車停止（此時假如計數(shù)未到而外部給控制器一個開關(guān)量信號火車也將會停車），然后開始給該節(jié)車廂的第一“等份”裝。 當該部分車廂裝滿后，控制火車的控制器會接收到一個“放礦到位”的開關(guān)量信號，控制器再次控制變頻器向后繼續(xù)退一米的距離 ,同時計數(shù)器也開始計數(shù)；當計數(shù)器計到 1000 個脈沖時，火車后退的位置正好是 1 米，也就是正處于裝礦的位置，同時， PLC 也將會接收到外部另一個“接受放礦”的開關(guān)量信號，火車也可以停 車（在停車裝礦時火車將會被控制停止不動，直到接收到外部控制信號才會使火車向后運動）。 如此循環(huán)直到將本節(jié)車廂全部裝滿，然后火車會駛過兩節(jié)車廂中間的空位開始下一節(jié)車廂的裝載，如此延續(xù)直到十節(jié)車廂均裝滿后，火車啟動后會碰到軌道上的“裝料結(jié)束”行程開關(guān)，火車開始重載加速到一定的速度駛出洞外。從而可保證每節(jié)車廂都能裝滿且不會因過載而造成堵軌等事故。 蘭州大學畢業(yè)設(shè)計說明書 6 在本設(shè)計中我們采用第二種方案，第一種方案比第二種方案要多許多數(shù)據(jù)處理及運算和保護，從設(shè)計的簡單、易維護、經(jīng)濟來比較，方案二較適合本系統(tǒng)。 2.1.4 單、雙纜的選擇 本 系統(tǒng)采用 遠程 I/O(RIO),主站和分站之間通過電纜實現(xiàn)連接 ,連接方式有兩種 :單纜連接 和 雙纜連接 ，單線 連接方式是主站和分站之間用一根電纜連接 ,可以節(jié)約成本 。雙線連接方式是主站和分站之間用兩根電纜連接 。最終選擇 單 纜連接 。 2.1.5 變頻器控制方式的選擇 變 頻器控制方式分為：總線控制與端子控制。 總線控制方式：通過 MB+網(wǎng)對變頻器進行控制，具體參數(shù)在上位機上進行設(shè)定，操作較為簡單控制方式靈活。但同一個 MB+網(wǎng)上所接變頻器數(shù)量是有限的，而且需要在變頻器上安裝通訊卡。 端子控制 ：功能實現(xiàn)較為靈活，不需要安裝通訊卡 ，直接在控制端子上實現(xiàn)。控制量的給定 可以用模擬量給定，也可以用數(shù)字量給定。 本設(shè)計選擇 端子控制 。 2.2 系統(tǒng)組成 該控制系統(tǒng)是由上位監(jiān)控系統(tǒng)和下位 PLC 控制系統(tǒng)二部分組成的，上位監(jiān)控系統(tǒng)位于 控 制 室，可實時監(jiān)控 牽引 設(shè)備的運動狀況。下位 PLC 采用的是 Quantum系列可編程控制器。 用變頻器來控制礦車的動作，主要控制放料時的啟停，電機的正反轉(zhuǎn)、運行、停止等。 2.2.1 PLC 系統(tǒng) 可編程序控制器定名為 Programmable Logic Controller（ PLC），現(xiàn)在，仍將PLC 簡稱 PC。 PLC 的定義 是：可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設(shè)計。它采用可編程序的存貯器，用來在其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都應按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴充其功能的原則設(shè)計。上世紀 80年代至 90年代中期，是 PLC 發(fā)展最快的時期，年增長率一直保持為 3040%。在這時期， PLC 在處理模擬量能力、數(shù)字運算能力、人機接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到大幅度提高， PLC 逐漸進入 過程控制領(lǐng)域，在某些應用上取代了在過程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的 DCS 系統(tǒng)。 PLC 具有通用性強、使用方便、適應面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等特點。 PLC 在工業(yè)自動化控制特別是順序控制中的地位，在可預見的將來，是無法取代的。 蘭州大學畢業(yè)設(shè)計說明書 7 PLC 的可靠性是很高的，施耐德公司 Quantum 系列 PLC 高性能、高可靠、兼容性、易于升級、系統(tǒng)開放。適用于過程控制、高速機器控、基礎(chǔ)設(shè)施應用、變電站自動化。其背板靈活， 能支持所有電源組合、 CPU 種類、智能模板。 模塊可在任意槽 與槽位無關(guān) 。能提供廣泛的多種層次及協(xié)議的通訊能 力 、 超大系統(tǒng)容量 的優(yōu)點適合做此設(shè)計。使用各模塊來控制系統(tǒng)更有條理，方便檢查和控制。 2.2.2 計算機監(jiān)控系統(tǒng) 上位機終端電阻監(jiān)控畫面洞外（主站）洞內(nèi)（從站）圖 2-5 計算機監(jiān)控系統(tǒng) 上位機與 PLC上的 CPU模塊相連，使用 Modbus Plus (簡稱 MB + ) 網(wǎng) ， 是Schneider 公司推出的一種專為工廠級應用而設(shè)計的工業(yè)局域網(wǎng) ,主要為其 PLC 產(chǎn)品提供一種網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議 。 MB +網(wǎng)可實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和遠程遍程、與操作員接口連接等功能 。 具有故障 自診斷功能 ,使網(wǎng)絡(luò)的維護和恢復更加容易 ;網(wǎng)絡(luò)為模塊式結(jié)構(gòu) ,可根據(jù)實際要求配置成樹形、星形、環(huán)形 ;網(wǎng)絡(luò)具有良好的開放性 ,有利于網(wǎng)絡(luò)的管理 。 Modicon TSX Quantum 系列 PLC 是 Schneider 電氣公司的一種大型 PLC 控制系統(tǒng) ,該系列產(chǎn)品采用模塊式結(jié)構(gòu) ,為在不同的工業(yè)現(xiàn)場使用提供了穩(wěn)定可靠的平臺 。 不僅具有先進的通信和輸入輸出能力 ,而且集成了多個控制功能 ,系統(tǒng)具有可靠性高、穩(wěn)定性強、高抗干擾的 I/ O 處理元件、硬件配置的靈活性和可擴展性 。 系統(tǒng)構(gòu)成包括處理器、網(wǎng)絡(luò)模塊、輸入輸出模塊和相關(guān)外部 設(shè)備 ,支持多種通信協(xié)議 ,MB + 網(wǎng)絡(luò)是其應用最廣泛的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 。 蘭州大學畢業(yè)設(shè)計說明書 8 第三 章 硬件設(shè)計 3.1 軌道開關(guān) 設(shè)計 在礦車軌道上安裝行程開關(guān)來確定礦車的工作狀態(tài)，在洞外安裝后停車行程開關(guān)、 后減速行程開關(guān) 、 后過卷行程開關(guān)。在洞內(nèi)安裝前停車行程開關(guān) 、 前過卷行程開關(guān) 、 前減速行程開關(guān) 、 放料開始行程開關(guān)、放料結(jié)束行程開關(guān)。礦車的運動過程是：加速、勻速、減速、 前 停車、 前過卷、反向啟動、加速、勻速、開始放料、電機的啟?？刂品帕稀⒔Y(jié)束放料，在該過程中加速勻速可用軟件來控制變頻器的工作使礦車按預期的指令工作，碰到減速開關(guān) 時減速，碰到放料開始和放料結(jié)束行程開關(guān)時開始放料和結(jié)束放料。 洞內(nèi) 洞外 軌道 前過卷 前停車 前減速 放料開始 放料結(jié)束 后減速 后停車 后過卷 圖 3-1 軌道結(jié)構(gòu)圖 3.2 三相異步電動機 異步電機的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)一般簡稱為變頻調(diào)速系統(tǒng)。由于在調(diào)速時轉(zhuǎn)差功率不 隨轉(zhuǎn)速而變化，調(diào)速范圍寬，無論是高速還是低速時效率都較高，在采取一定的技術(shù)措施后能實現(xiàn)高動態(tài)性能，可與直流調(diào)速系統(tǒng)媲美。因此現(xiàn)在應用面很廣。 根據(jù)本次設(shè)計要求及設(shè)備的需要使用一個 132KW 的異步電動機。 3.3 變頻器 近 20 年來 , 隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、微機控制技術(shù)及現(xiàn)代控制理論的發(fā)展 , 交流調(diào)速技術(shù)也得到迅速的發(fā)展 , 特別是變頻調(diào)速 , 大有取代直流調(diào)速之勢。 蘭州大學畢業(yè)設(shè)計說明書 9 變頻器可以分為 4 個主要部分： 1整流器 它與單相獲三相交流電源相連接，產(chǎn)生脈動的支流電壓。整流器有兩種基本類型，可控的和不可控的 。 2中間電路 它有以下 3 種類型： 1）將整流電壓變換成支流電流 2）使脈動的支流電壓變得穩(wěn)定或平滑，供逆變器使用 3）將整流后固定的支流電壓變換成可變的支流電壓 3逆變器 它產(chǎn)生馬達電壓的頻率。另外，一些逆變器還可以將固定的支流電壓變換成可變的交流電壓。 4控制電路 它將信號傳給整流器、中間電路和逆變器，同時它也接受來自這些部分的信號。具體被控制的部分取決于各個變頻器的設(shè)計。變頻器都是由控制電路利用信號來開關(guān)逆變器的半導器件，這是所有變頻器的共同點。變頻器可以依據(jù)控制輸出電壓的開關(guān)模式來分類 。 變頻 器的分類方法有多種，按照主電路工作方式分類，可以分為電壓型變頻器和電流型變頻器；按照開關(guān)方式分類，可以分為 PAM 控制變頻器、 PWM 控制變頻器和高載頻 PWM 控制變頻器；按照工作原理分類，可以分為 V/f 控制變頻器、轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器和矢量控制變頻器等；按照用途分類，可以分為通用變頻器、高性能專用變頻器、高頻變頻器、單相變頻器和三相變頻器等。 變頻調(diào)速裝置主要有兩大類 ； 一類是矢量控制的變頻調(diào)速裝置 , 高精度、高性能 , 可以和直流調(diào)速相媲美 , 但其控制技術(shù)復雜 , 價格高 , 因而應用還不廣泛 ； 另一類是通用變頻調(diào)速 裝置 , 結(jié)構(gòu)簡單 , 效率高、功率因數(shù)高 , 應用廣泛 , 其中尤以脈寬調(diào)制 (PWM)變頻調(diào)速裝置最為普遍 , 一般僅作開環(huán)和在調(diào)速要求不高的場合使用 。 對于異步電機的變壓變頻調(diào)速，必須具備能夠同時控制電壓幅值和頻率的交流電源，而電網(wǎng)提供的是恒壓恒頻的電源，因此應該配置變壓變頻器，又稱 VVVF（ Variable Voltage Variable Frequency）裝置。最早的 VVVF 裝置是旋轉(zhuǎn)變頻機組，即由直流電動機拖動交流同步發(fā)電機，調(diào)節(jié)直流電動機的轉(zhuǎn)速就能控制交流發(fā)電機輸出電壓和頻率。自從電力電子器件獲得廣泛 應用以后，旋轉(zhuǎn)變頻機組已經(jīng)無例外地讓位給靜止式的變壓變頻器了。 從整體結(jié)構(gòu)上看，電力電子變壓變頻器可分為交 -直 -交和交 -交兩大類。 交 -直 -交變壓變頻器先將工頻交流電源通過整流器變換成直流，再通過逆變蘭州大學畢業(yè)設(shè)計說明書 10 器變換成可控頻率和電壓的交流，如圖 3-2。 圖 3-2 交 -直 -交（間接）變壓變頻器 由于這類變壓變頻器在恒頻交流電源和變頻交流輸出之間有一個 “ 中間直流環(huán)節(jié) ” ，所以又稱間接式的變壓變頻器。 具體的整流和逆變電路種類很多，當前應用最廣的是由二極管組成不控整流器和由功率開關(guān)器件（ P-MOSFET， IGBT 等）組成的脈寬調(diào)制（ PWM）逆變器，簡稱PWM 變壓變頻器，如圖 3-3。 圖 3-3 交 -直 -交 PWM 變壓變頻器 PWM 變壓變頻器的應用之所以如此廣泛，是由于它具有如下的一系列優(yōu)點： （ 1）在主電路整流和逆變兩個單元中，只有逆變單元可控，通過它同時調(diào)節(jié)電壓和頻率，結(jié)構(gòu)簡單。采用全控型的功率開關(guān)器件，只通過驅(qū)動電壓脈沖進行控制，電路也簡單，效率高。 （ 2）輸出電壓波形雖是一系列的 PWM 波，但由于采用了恰當?shù)?PWM 控制技術(shù)，正弦基波的比重較大，影響電機運行的低次諧波受到很大的抑制，因而轉(zhuǎn)矩脈動小，提高了系統(tǒng)的 調(diào)速范圍和穩(wěn)態(tài)性能。 （ 3）逆變器同時實現(xiàn)調(diào)壓和調(diào)頻，動態(tài)響應不受中間直流環(huán)節(jié)濾波器參數(shù)的影響，系統(tǒng)的動態(tài)性能也得以提高。 蘭州大學畢業(yè)設(shè)計說明書 11 （ 4）采用不可控的二極管整流器，電源側(cè)功率因素較高，且不受逆變輸出電壓大小的影響。 交 -交變壓變頻器的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示，它只有一個變換環(huán)節(jié)，把恒壓恒頻（ CVCF）的交流電源直接變換成 VVVF 輸出，因此又稱直接式變壓變頻器。有時為了突出其變頻功能，也稱作周波變換器（ Cycloconveter）。 圖 3-4 交 -交（直接）變壓變頻器 常用的交 -交變壓變頻器輸出的每一相都是一個由正、 反兩組晶閘管可控整流裝置反并聯(lián)的可逆線路。也 就是說，每一相都相當于一套直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的反并聯(lián)可逆線路，如 圖 3-5。 圖 3-5 交 -交變壓變頻器每一相的可逆線路 (2) 變頻器工作原理 交流電動機的同步轉(zhuǎn)速表達式 為 ： 6 0 (1 )fsnp 式中 n 異步電動機的轉(zhuǎn)速； f 異步電動機的頻率； s 電動機轉(zhuǎn)差率； p 電動機極對數(shù)。 由式可知，轉(zhuǎn)速 n 與頻率 f 成正比，只要改變頻率 f 即可改變電動機的轉(zhuǎn)速，蘭州大學畢業(yè)設(shè)計說明書 12 當頻率 f 在 0 50Hz 的范圍內(nèi)變化時，電動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻器就是通過改變電動機電源頻率實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的，是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段 。 從總體控制結(jié)構(gòu)上看 ,兩者都采用轉(zhuǎn)矩和磁鏈分別控制 ,轉(zhuǎn)矩控制環(huán) (或電流的轉(zhuǎn)矩分量環(huán) )都處于轉(zhuǎn)速環(huán)的內(nèi)環(huán) ,可以抑制磁鏈變化對轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)的影響 ,從而使轉(zhuǎn)速和磁鏈子系統(tǒng)實現(xiàn)了近似的解耦。因此兩種系統(tǒng)都能獲得較高的靜、動態(tài)性能。 (3) 變頻器容量選擇 選擇變頻器的容量一般應以 KVA 數(shù)為單位，但由于交流電動機的額定電壓為某一固定值，相應的變頻器開關(guān)元件的耐壓值也就確定了，開關(guān)元件的工作電流就成為影響變頻器容量的唯一參數(shù)，這樣變頻器容量的選擇就可以轉(zhuǎn)化為其電流的選擇。實用中一般是根據(jù)電動機 的電流情況來確定變頻器的額定電流。 在本系統(tǒng)中異步電機的額定電壓為交流 380V ，額定功率為 132KW ，那么開關(guān)元件的工作電流為： 132 2 1 0 . 7 2 9 5 13 8 0 3KW （ A ） 通過查閱變頻器技術(shù)資料我們選擇額定電流為 245A 的變頻器。 最終選擇 型號為 ATV61HC13N4 的變頻器。 ATV61 變頻器有許多可配置的邏輯與模擬輸入 / 輸出 見下圖 變頻器 的結(jié)構(gòu) ，以便針對應用情況來優(yōu)化變頻器。為了提高控制系統(tǒng)的性能，變頻器支持 Modbus 與 CANopen 協(xié)議并作為標準。 ATV61 變頻器也支持大多數(shù)工業(yè)通信總線。 圖 3-6 變頻器的結(jié)構(gòu)圖 蘭州大學畢業(yè)設(shè)計說明書 13 對變頻器輸入的指令對 PLC 而言是輸出的，而對變頻器輸出的指令對 PLC 來說是輸入的， 急停正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)這三個指令對變頻器是輸入指令，由 PLC 發(fā)出該指令控制 PLC 工作，接在變頻器的數(shù)字量輸入上， 如下圖 所示： 急停 正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 圖 3-7 變頻器 輸入信號 接線圖 故障信號 是由變頻器 輸出 給 PLC 的 ， 接在變頻器的數(shù)字量輸出上，由下圖所示： 故障 急停 運行 R1A R1C R1B R2A R2C 圖 3-8 變頻器 輸出信號 接線 圖 3.4 編碼器 根據(jù)檢測原理，編碼器可分為光學式、磁式、感應式和電容式。根據(jù)其刻度方法及信號輸出形式，可分為增量式、絕對式以及混合式三種。 （ 1） 增量式編碼器 增量式編碼器是直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出三組方波脈沖 A、 B 和 Z 相； A、 B兩組脈沖相位差 90，從而可方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向，而 Z 相為每