基于PLC的礦井提升機變頻調速控制系統(tǒng)設計說明

./電控學院[監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的設計]<提升機變頻調速控制系統(tǒng)設計>班級：：學號：日期：基于PLC的礦井提升機變頻調速控制系統(tǒng)設計摘要本文針對提升機控制系統(tǒng)中存在的上述問題,把可編程序控制器和變頻器應用于提升機控制系統(tǒng)上,并在可行性方面進行了較深入的研究。根據提升機的運行特點,控制系統(tǒng)采用工控機監(jiān)控提升機變頻調速系統(tǒng),PLC控制系統(tǒng)、變頻調速系統(tǒng)等組成。為了提高系統(tǒng)的可靠性,對提升機各種物理量及控制單元進行控制監(jiān)控。提升機的動態(tài)監(jiān)測由工控機或觸摸屏和組態(tài)軟件組成。用戶在組態(tài)環(huán)境中完成動畫設計、設備連接、編寫控制流程和工程所需要的信息報表以及結果打印等。主控系統(tǒng)采用PLC系統(tǒng),硬件簡潔、軟件靈活性強、調試方便、維護量小,配合一些專用電子模塊組成的提升機控制設備,可供控制高壓帶動動力制動或低頻制動等。同時能檢測各電機故障現(xiàn)象并送往上位機顯示。減少了傳統(tǒng)繼電器接觸式控制系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié),減少了硬件和控制線,極大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,可靠性。關鍵詞：礦用提升機；變頻調速；矢量控制；可編程控制器.第1章礦井提升機調速系統(tǒng)的設計1.1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2-1所示,根據動力學方程式Td=Te-Ti=Tn*e/375<2.1>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2-1所示。圖a圖b圖c圖d圖1-1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2-1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規(guī)程的規(guī)定。提升人員時,加速度a≦0.75m/s2,升降物料時,加速度a≦1.2m/s2,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。<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),確保系統(tǒng)安全運行.盡量節(jié)約能源和降低運轉費用。1.2提升機調速控制系統(tǒng)方案設計1.2.1控制單元基本原理圖2-2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?？刂瞥绦蚴峭ㄟ^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容。圖2-2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。1.2.2調速裝置直流拖動系統(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V-M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V-M系統(tǒng)為主。但是根據國生產實踐經驗表明,V-M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圍,不致由于出現(xiàn)過負荷時使晶閘管元件燒毀。但由于這種降級使用,也給生產維護上增加了困難。<2>有沖擊性的無功功率。由于高次諧波的影響,使電網電壓的波動加大并導致畸變,即所謂引起"電力公害":同時低速時功率因數(shù)也較低。目前,在我國使用的多繩摩擦輪提升機,G-M直流拖動占一定比例,而進口的直流拖動提升系統(tǒng),則全部采用V-M系統(tǒng)。傳統(tǒng)的串電阻交流拖動系統(tǒng)具有結構簡單,堅固耐用,占地面積小,維護方便,運行可靠價格低廉,設備供貨容易,安裝調試周期短等優(yōu)點.主要缺點是啟動階段電能損耗較大,當用于要求頻繁啟動或不同運行速度的多水平提升機時就更為不經濟。但用于單水平提升時,其提升效果實際上與用發(fā)電機組供電的直流拖動系統(tǒng)相當。此外在調速性能方面,交流拖動系統(tǒng)一般不如直流拖動系統(tǒng)優(yōu)越,但選用了動力制動、低頻制動、可調機械閘、負荷測量、計算裝載等輔助裝置后,交流拖動系統(tǒng)亦可獲得滿意的調速性能。綜上原因,交流拖動系統(tǒng)在我國中小型礦山或者中等深度以下礦井獲得了廣泛應用。近年來交流變頻調速技術迅速發(fā)展起來,調速方式的不斷進步使得運用于提升機系統(tǒng)的交流調速技術不僅僅局限于傳統(tǒng)的轉子串電阻方式,變頻調速技術也越來越多地在提升機控制系統(tǒng)中廣泛應用,充分發(fā)揮出交流調速的優(yōu)勢。目前交流調速最有前途的是變頻調速技術,在變頻調速技術中矢量控制和直接轉矩控制都能滿足提升機恒轉矩負載這一特征,所以在提升機調速系統(tǒng)中這兩種調速方案將是重要發(fā)展方向。1.2.3主控系統(tǒng)設計控制系統(tǒng)由主控系統(tǒng)、變頻系統(tǒng)、液壓站、潤滑站、操作臺、安全保護和控制監(jiān)視系統(tǒng)組成,系統(tǒng)框圖如圖2-3所示。各部分功能如下。2-3提升機控制系統(tǒng)框圖〔1主控系統(tǒng)圖2-3為提升機控制系統(tǒng)框圖。系統(tǒng)的主控系統(tǒng)采用三菱FX2N系列的可編程控制器,一備一用,當主PLC發(fā)生故障的時候可以迅速切換備用PLC不影響生產。使用PLC集成高速計數(shù)輸入口以及特殊高速計數(shù)模塊相結合,對分別安裝于電機軸、輥筒主軸、天輪的四個編碼器數(shù)據進行采集,同時監(jiān)視速度、深度以及判斷松繩；A/D模塊采集現(xiàn)場液壓站及潤滑站的油壓、油溫等信號;在井筒及深指器各階段安裝行程開關,用以確定罐籠位置,并相互校驗,達到停車位的精確控制。程序編制滿足提升機自動、半自動、手動、驗繩、調繩等工作方式,并可方便的轉換;滿足提升階段<如加速、減速、等速、爬行等>穩(wěn)定運行的要求?！?變頻調速系統(tǒng)調速系統(tǒng)采用德國制造西門子變頻器,性能優(yōu)越,采用矢量控制技術適合提升機工作環(huán)境,只需在控制單元給出對變頻器的控制命令<正轉、反轉、多段速等>即可使提升機按照設定的速度曲線運行,滿足提升階段穩(wěn)定運行的要求。變頻調速裝置本身具有過壓、欠壓、過流、過負荷、缺相、超溫等保護,同時配合來自現(xiàn)場的各種信號傳感器的監(jiān)視及相應處理,可實現(xiàn)絞車過卷、過速、減速、限速等重要保護的雙線制保護功能,滿足煤礦安全規(guī)程要求。在變頻器系統(tǒng)中輸出閘控信號到PLC,要求只有在變頻的輸出轉矩達到一定值的時候才可以松閘,這樣會避免豎井提升機啟動時發(fā)生溜車現(xiàn)象?！?液壓站為提升機提供制動力,停車時先通過液壓站給卷筒施加機械制動力,再取消直流制動力；提升機起動時,先對電機施加直流制動,再松開機械抱閘,防止溜車,以保證系統(tǒng)安全可靠地工作?！?操作臺操作臺設置兩個手柄,分別用于速度輔助給定及制動力給定。它是整個礦井提升機運輸系統(tǒng)的控制核心,通過它可以設定系統(tǒng)的工作方式和控制方式,可以發(fā)布系統(tǒng)的各種控制命令,以實現(xiàn)對提升機啟動、加速、平穩(wěn)運行、減速、停車以及緊急制動等各種控制功能?！?控制監(jiān)視系統(tǒng)：是操作人員和控制系統(tǒng)及運輸系統(tǒng)之間的橋梁,它可以在線監(jiān)測提升機運輸系統(tǒng)的各種工作參數(shù)、工作狀態(tài)、故障參數(shù)和故障狀態(tài)。〔6安全保護本系統(tǒng)設有一條硬件安全電路和兩條軟件安全電路,這三條安全電路相互冗余與閉鎖,一條斷開時,另兩條也同時斷開。硬安全回路通過硬件回路實現(xiàn),無論PLC單元是否正常工作,一旦出現(xiàn)重度故障信號,硬安全回路馬上斷開;軟安全回路分別在兩套PLC軟件中搭建,與硬安全回路相同并且同時動作。安全電路斷開后,系統(tǒng)會立即解除運行控制指令,封鎖變頻器,制動油泵,斷開安全閥和KT線圈,進行緊急制動。安全保護功能齊全,設有過卷、等速超速、定點超速、PLC編碼器斷線、錯向、傳動系統(tǒng)故障及自動限速等保護功能。控制系統(tǒng)工作原理：當司機聽到開車信號時,按下啟動按鈕,PLC控制將380V動力電源接入變頻器。再松開液壓制動閘并將主令控制器推到正向〔或反向,提升機開始運行。在提升過程中,控制提升機運行的主速度給定S形速度曲線由PLC編程產生,經過A/D轉換,由模擬量輸出口輸出,以驅動變頻器工作；對變頻器輸出頻率的調整控制,也可根據現(xiàn)場的工況需要,由操作臺速度控制手柄以輔助給定的方式進行控制。旋轉編碼器可以檢測主電動機的轉速,并將此信號傳送給可編程控制器,PLC通過該信號可以累計計算提升機的速度及行走距離,監(jiān)視器可以時時顯示提升機速度和位置。第2章變頻調速系統(tǒng)的設計2.1變頻器主電路設計及參數(shù)設定變頻器可以輸出頻率可調的交流電源,在變頻器的控制輸入回路中接入頻率設定電路,本系統(tǒng)過PLC輸出電壓信號<0～12V>來控制變頻器的頻率。變頻器的容量可從三個角度表述:額定電流、可用電動機功率和額定容量,其中后兩項變頻器生產廠家由本國或本公司生產的標準電動機給出,或隨變頻器輸出電壓而降低,都很難確切表達變頻器的能力。還可以將多臺變頻器的直流母線直接連接,形成公共直流母線,再接入制動單元與制動電阻,當制動功率大時由制動電阻消耗能量。選擇變頻器時應以負載特性為基本依據,分析提升機的負載屬于重力,其負載特性屬于恒轉矩負載特性。由于恒轉矩負載類設備都存在一定靜摩擦力,負載的慣量很大,在啟動時要求有足夠的啟動轉矩另外在變頻器的外圍加設有聲光報警輸出口及制動單元,能夠實現(xiàn)變頻器故障報警和安全制動,更有效的對控制系統(tǒng)進行安全保護,變頻調速主控電路如圖3-1所示。3-1變頻調速主控電路圖聲光報警回路：變頻器報警輸出的動斷〔常閉觸點30B-30C串聯(lián)在KM1的線圈電路,當變頻器因故障不能正常工作時,報警輸出的常閉觸點動作,使KM1線圈失電,將變頻器與電源斷開,進行安全保護。為了保護報警輸出的觸點,在接觸器的線圈兩端,并聯(lián)阻容吸收電路〔即RC震蕩電路。同時〔常開觸點30B-30C閉合,將報警指示燈HL和電笛HA接通,進行聲光報警。與此同時,斷電器KA1得電,其觸點將聲光報警電路自鎖,使變頻器斷電后,聲光報警能持續(xù)下去,直到工作人員按下ST1停為止,報警才能解除。制動控制回路：提升機負載由于慣性較大,當變頻器的輸出頻率下降至0Hz時,常常停不住,而有"蠕動"<也稱爬行>現(xiàn)象,在礦山提升機這種大負載機械中,蠕動現(xiàn)象有可能造成十分危險的后果。為此,變頻器調速時應設置能耗制動和直流制動功能。有關功能的參數(shù)系統(tǒng)存儲在裝置中的參數(shù)組的結構菜單中,因而,一個菜單代表裝置全部參數(shù)中的一套參數(shù),一個參數(shù)有可能列入幾個菜單。參數(shù)表指明一個參數(shù)作列入的菜單,通過配置給每個菜單的菜單號,使其賦值生效。第3章PLC控制程序設計3.1程序設計<1>軟件結構由于系統(tǒng)控制核心主要由PCL和上位機組成,因此,軟件包括PLC控制軟件和上位機組態(tài)軟件。PLC軟件的主要功能是對提升機的啟動、加速、減速、停車等過程控制、信號采集、邏輯處理。PLC軟件設計采用模塊化結構,程序編制采用梯形圖。上位機軟件主要對系統(tǒng)運行狀態(tài)、故障狀態(tài)實時監(jiān)控,對運行數(shù)據、故障數(shù)據進行存儲和記憶。PLC軟件結構的設計是根據提升機工藝和控制要求,將控制任務和過程分解為許多子過程和子任務,再對各個子過程和子任務進行模塊設計、功能說明,形成一個模塊化的程序結構。如圖5-1所示。圖5-1PLC軟件結構圖<2>設計思路軟件部分說明由于控制工藝比較復雜,本程序采用主子程序模塊化順序結構進行編程,程序中的存地址可分成:參數(shù)設定、上位機顯示、故障存儲、運行數(shù)據存儲、中間量這五部分,系統(tǒng)各種子程序均由主循環(huán)程序調用執(zhí)行,按事先輸入的控制程序實現(xiàn)自動控制,系統(tǒng)編程靈活,修改程序方便,僅需修改子程序梯形圖程序就可改變控制功能,便于現(xiàn)場維護管理,使提升機運行安全性和可靠性得到了大幅度提高。主程序和部分子程序分別介紹如下:1控制程序控制子程序流程圖如圖5-2所示。提升信號、工作手柄以及所選擇的工作方式,驅動變頻器實現(xiàn)提升下放操作,完成對絞車的啟動、加速、等速、減速、停止等運行過程的轉矩和頻率控制。故障時,通過對液壓站電磁閥的控制,實施一二級安全制動。主要輸出驅動控制功能為:a電機變頻調速控制；b制動泵液壓泵的控制；c液壓站電磁閥的控制；d調繩調閘操作；e安全保護、安全制動。程序置有半自動運行<主井提升可實現(xiàn)自動運行>、手動運行、檢修運行、應急運行等四種運行方式。在正常情況下可采用半自動或手動運行；檢修運行時系統(tǒng)自動給定一個檢修速度<0.3m/s>低速運行:當故障時,在系統(tǒng)保護停機后,故障被確認但不能立即排除,此時可采用應急運行方式,應急運行速度不超過0.5m/s。圖5-2控制子程序流程圖2>深度、速度檢測子程序速度檢測采用光電旋轉編碼器雙線輸入。利用高速計數(shù)模塊對編碼器信號計數(shù),其中一路編碼器信號用于行程速度保護,一路用于顯示與監(jiān)測。兩套編碼器的數(shù)據在程序中不斷進行比較,當比較結果發(fā)生不一致時,程序會發(fā)出故障安全制動指令。3>程序軟安全回路功能設置在PLC軟安全回路中具有如下保護接點:過卷保護、主電源失壓、制動油過壓、后備保護、變頻故障、操作臺急停信號、減速段超速、等速段超速、爬行段超速、松繩信號、深指失效、松閘保護、錯向保護、編碼器失效、PLC故障、溜車故障。以上任一故障發(fā)生均會斷開安全回路實現(xiàn)安全制動。此外,主令零位、工作閘零位與安全回路閉鎖。4保護設置子程序對各種保護點<減速點開關、過卷開關、終點開關、解除二級制動中繼接點等>除在外部設置硬接點外,在程序中也設置軟開關進行雙重保護。PLC是本控制系統(tǒng)中關鍵的一環(huán),其主要控制電路如圖5—3所示,主要的控制功能有如下幾項：主令操作控制、保護監(jiān)視控制。主令操作控制,對系統(tǒng)進行管理,實現(xiàn)提升機與操作臺之間的指令傳遞,向提升系統(tǒng)發(fā)出相應的指令,并改變相應電控系統(tǒng)的工作狀態(tài),使提升機按照預定的力圖和速度圖安全運行,運行方式可分為啟動、等速運行、減速、爬行、停車。PLC根據運行方式對變頻器實現(xiàn)S形速度給定控制,實現(xiàn)箕斗運行速度的準S形曲線。PLC還完成各種保護監(jiān)視功能。監(jiān)控容主要包括：超速監(jiān)視、過卷監(jiān)視、實時速度監(jiān)視、井筒過卷監(jiān)視、變頻器故障監(jiān)視、礦車行程監(jiān)視、過載監(jiān)視、深度指示器監(jiān)視等,以上監(jiān)視容出現(xiàn)故障時,通過報警回路報警或安全回路實現(xiàn)抱閘停車保護。1、起動,停車<1>多數(shù)變頻器不能適應上電運行功能,所以應對控制系統(tǒng)加入保護功能。當需要開機運行時,按下起動按鈕SB1,其輸出繼電器KM1便吸合,置于電源與變頻器之間的常開觸點閉合,將三相AC380V動力電接入變頻調速回路中；當減速停車,并實現(xiàn)機械抱閘制動后,可以將變頻器與動力電源脫開,按下停止按鈕SB2,使繼電器KM1失電,其常開觸點斷開,變頻器便與動力電源脫開。圖5-3PLC外部接線<2>梯形圖及編程語言二、上提升,下放在控制回路中利用正轉繼電器K1的常閉觸頭控制反轉繼電器K2的線圈；利用反轉繼電器K2的常閉觸頭控制正轉繼電器K1的線圈。從而達到互鎖作用。其動作過程如：當要下放礦車或送工人到井下時,按下下降按鈕,繼電器K2吸合,其常開觸點閉合,常閉觸點斷開。此時變頻器REV與CM端相連,電機反轉下放重物。同時斷開繼電器K1回路,形成下降閉鎖；當按下上升按鈕時,K2吸合,斷開K1回路,形成上升閉鎖。此時FWD與CM相連,電機正轉上提煤車。當按下停止按鈕時,所有繼電器常閉觸頭閉合,為下一次提升做準備。三、工頻與變頻轉換<1>工變頻轉換系統(tǒng)可使電機轉速需在工頻運行或變頻出現(xiàn)故障時進行自由切換。正常工作狀態(tài),為變頻調速運行。此時繼電器KM2得電,KM3失電；置于變頻器與電機之間的KM2常開觸點閉合,跨過變頻器,連接電機與三相動力電源的KM3常開觸點斷開。變頻器接入調速回路,并接受操作臺控制信號