矿井提升机的PLC控制系统设计.docx
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矿井提升机的PLC控制系统设计
摘要
矿井提升机是采矿业中的一个核心电气硬件,它担负着矿井中矿石、物料、人员的运输任务,传统的矿井提升机主要采用继电器一接触器进行控制,具有连接线路复杂、效率低、故障率很高、浪费电能严重并且可靠性差,存在很大的安全问题,因此矿井提升机的安全控制一直是国内外学者研究的问题。
采用PLC可编程序控制器,通过编程掌握各个控制状态,具有更稳定、安全并且节能的优点。
因此本文采用可编程序控制器和变频器实现矿井提升机的控制系统设计。
关键词:
PLC;变频器;矿井提升机;
第一章矿井提升机简介
第二章
现代调速方式和和制动方式的介绍;
现代PLC的介绍;
现代变频器技术简介
第三章
总体的设计目标;设计中各部分的分析;软件设计思路
第四章变频器KV2000的选择
三菱PLC芯片选择以及接线分析
第五章软件编程设计
矿井提升机介绍
矿井提升机是采矿业中一种最大的矿井工作硬件机电设备,其集机电液于一体,在不同的矿业生产中承担着矿石运输,人员转移等等不同的重要任务,因此矿井提升机构的安全与可靠性控制尤其重要。
现在的矿井提升机已经取代了由接触器和继电器的构成的繁琐的机构,而是通过运行相对较安全可靠的,而且具有较高的效率的可编程控制器组成的电控系统来控制矿井提升机的升降,其主要的电控系统一般来讲有三种,分别是传统的交流电控系统,交流变频调速系统和直流电控系统三大类。
由于我国经济的快速发展,人们对矿山资源的需求也在日益增长,要求矿井提升机的运行应该是相对较安全可靠的,而且应该具有较高的效率。
经过了几十年的发展,数字化控制取得了很大的进步,我国的矿井提升机电控技术初步形成,但是与美国、德国等发达国家相比,依然存在着很大差距。
目前发达国家的矿井提升机电控技术已经全面实现了数字控制,而国内绝大多数矿井提升机的电控系统还是采用效率低下、安全隐患多的继电器一接触器控制技术,严重影响着我国矿山产业的健康发展,所以需要对矿井提升机进行大规模技术改造和更新。
矿井提升机的安全性、可靠性以及经济性具有很高的要求。
针对目前现状,本课题需要研究矿井提升机的运行特点,控制逻辑,PLC与矿井提升机的控制关联,变频器的使用,从而解决以下三个主要问题:
1.对于提升速度,提升高度,制动等运作方面更加平滑;
2.更为简单、直观的操作界面;
3.减少矿井提升机不必要的能源损耗,优化运行机制。
而在本设计中,也特别需要在安全方面做出应有的装置,安全回路,故障报警等等设计内容都为矿井提升机的安全运行提供了更好的保障。
调速方式
矿井提升机调速基于异步电机,转速公式为:
(2-1)
因此想要改变电机转速,可通过的方式有:
改变转差率s,改变电机的极对数p,改变供电频率f。
从调速的本质来看,可分为改变同步转速或者不改变同步转速两种。
其中不改变同步转速的有:
绕线式电动机的转子串电阻调速、斩波调速、串级调速等。
转变同步转速的有:
改变定子线路电压、变极对数调速方法、无换向电动机调速、频率的变频调速等等。
制动方式
现代最常用的制动系统大致分为三类,分别为反接制动、动力制动、回馈制动。
其中反接制动适用于正转反转频繁切换的系统,动力制动时最常见的制动系统,适合应用于对停车位置要求相对严格的系统中;回馈制动时将他励电机电源从高降到低,将转速从高降到低的过程。
电功率的输出传给装置的电源,这种制动过程伴随这一种正向的功率反馈过程。
现代plc介绍
美国数字设备公司根据GM公司的生产要求,于1969年研制出了世界上第一台可编程控制器。
其后,各个发达国家均相继引入这项新的技术,并获得了空前成功。
自此,PLC迅速发展起来。
在20世纪70年代初期和中期,PLC虽然引入了部分计算机的控制特点和控制功能,但受限于当时的技术水平和时代需求,它仅能按程序顺序完成控制要求。
它仅具有计数器,定时器,等简单的逻辑运算功能。
随着微处理器的迅速发展,在七十年代末八十年代初期,PLC的处理速度大大提高。
增加了许多的特殊功能,使得其不光可以进行逻辑控制,还可以对工业生产中的许多模拟数据进行处理控制。
自八十年代以来,随着大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展,PLC也开始更多的借鉴当时较为先进的计算机控制功能,以16位和32位处理器为核心的PLC迅速的在全世界普及和发展,现在的plc已经拥有了中断技术,高速计数等等高级功能,使得其在工业环境中的应用变得更加可靠和强大,逐渐在现代工业生产控制系统中占据了自己的一席之地。
可编程逻辑控制器实质是一种专用于工业控制的计算机,其硬件结构基本上与微型计算机相同,基本构成为:
电源;中央处理单元;存储器;输入输出接口电路
输入输出接口电路是PLC除中央处理器外最重要的部件。
输入接口电路由光电耦合电路和微机的输入接口电路组成,他的作用是沟通PLC与外部硬件设施及上位机,起到通道的作用。
种种选通、中断请求电路构成了输出接口电路。
输入输出接口电路可以向现场的各类工业电气器件发送控制信号,它是PLC与外界工业设备沟通的基本桥梁,是PLC控制功能实现的重要窗口。
PLC的正常运行阶段分为三个。
分别是输入采样阶段,用户程序执行阶段,和输出刷新阶段。
在输入采样阶段,控制器会用上文提到的扫描方式一次读入所有的输入状态和数据,并将它们全部存入映像区中的相应的单元内。
输入采样结束后,会进入下一个用户程序阶段。
在这一阶段,PLC将会按照由上而下的顺序依次的扫描用户程序(梯形图)。
在扫描每一个梯形图时又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路,并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算再之后然后根据逻辑运算的结果,刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中的状态;或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态;或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
经过以上两个阶段后,会进入输出的新阶段,在这个阶段里,PLC会根据之前存储的输出数据来刷新所有的输出线路,通过输出的相关电气设备电路,才能驱动种种相关的工业外部设备。
经过以上的种种输出步骤之后,PLC才能够将预设的程序所达到的预期控制功能圆满完成。
相比于单片机技术或者传统的矿井提升机控制技术,PLC的优点是十分明确的。
最核心的优点是PLC具有强大的稳定性,可以在极其恶劣的工业环境中长时间稳定运行。
而相比于传统的电路及开关控制,PLC的可编程特性又使他具有较高的适应能力,不管是改变PLC的功能,还是矿井提升机具体工作参数的调整,都可借由编程逻辑的改变而实现。
除了这两个优点之外,它强大的功能,配套化的硬件装置,以及较小的维修工作量,都为矿井提升机的PLC技术提供了优势点。
在本次设计中选择了三菱公司的一款PLC产品,它的功能强大,能够很好地满足本次的设计任务。
通过该款PLC产品,配合变频器的使用,能够很好地控制矿井提升机正常运行,也为将来的功能调整提供便利。
变频技术简介
异步电机的转速主要有电压和频率决定。
而现代变频器技术则是通过改变电源频率的方法来进行调速的控制设备,是一种整合了微电子技术和变频技术的新型调速方式。
变频器主要由整流、滤波、逆变三大部分组成。
其中对于频率的调整是选择了电力电子开关器件来实现的。
通过对于多个电力电子开关器件的正确连线,在使用中通过开关的通断可以进行无极的频率电压参数调节,这种新型的调速方法不但可以达到调速的预期目的,相比传统的电阻调速,它还在节能方面有更突出的优势。
市面上绝大多数变频器均拥有自己的丰富的辅助功能,在电力控制的流程中,一旦产生了过载,过压等等危险的故障现象,变频器能够通过安全回路和过载保护功能来很好的保护电机,同时提升了矿井提升机运行中的安全系数。
正是由于变频技术随着自动化技术的提升而越来越先进,目前,已经在各类工业级电机的运行控制调速系统中,已经成为了不可忽视的一种先进调速思路。
变频器目前的发展分为四代,第一代是正弦脉宽调制控制方式;第二代产品是电压空间矢量控制方式;第三代产品是矢量控制方式;第四代产品是直接转矩控制方式
第三章
各部分的设计
动力系统主要有机械部分和电气部分两部分构成,矿井提升机的机械部分基本上由制动器、滚筒、减速器和底座四部分组成;电气部分主要包括变频器、PLC控制设备、断路器等电气功能设备组成。
液压系统包括液压站和润滑站。
在停车时先通过液压站可以提供强大的制动力量,制动力通过滚筒施加给电机。
而在提升机启动时,首先电机会在变频器所施加一定力矩下受力,其次程序控制松开机械闸,这样的设置可以防止溜车,从而保证系统安全可靠地运行。
控制系统是整个设计的核心部分,也是本次设计的重点。
通过对于三菱PLC的使用,可以设定系统的工作方式和控制方式,可以发布系统的各种控制命令,以顺利控制矿井提升机的种种运行状态。
监控系统是保障矿井提升机正常运行和意外事件规避的重要部分。
PLC自身可以完成一定的数据处理比较功能。
通过PLC编程上的控制和设计,可以实时监控电机的运算速度和运输斗的位置,在不同的状况下进行处理,从而很好地完成保障功能。
安全回路则是保证整个运行系统安全的关键,它包括硬件回路和软件回路两条回路。
安全回路相互闭锁,当一条断开的时候,另外一条也会同时断开。
安全回路通过硬件回路实现。
当检测装置发现故障信号时,通过接触器的功能,可使硬件安全回路断开,系统会立刻解除运行控制指令,解除变频器的功能,通过液压站进行制动,从而使矿井提升斗安全停止,保护人员安全。
系统框架图如下:
图3-1系统框架图
上图为提升控制系统各个部分之间关系的框架图,该控制系统以PLC为核心,以变频器为重要组成部分,这两个部分通力配合,以完成整个提升机运行过程的控制。
旋转编码器的设置和与PLC的互联,可以使PLC实时获得电机的当前速度并监控,各行程开关会为PLC提供行程控制信号。
是PLC的控制输入的重要组成部分。
软件设计思路
软件系统的主要任务有:
控制回路,安全回路,以及故障回路的编程。
在控制回路中主要是控制加速和减速动作。
在加速的阶段要通过PLC的命令控制变频器的各段速度,通过行程开关和旋转编码器来确定实时速度及位置。
当PLC接收到来自行程开关的信号,说明到达相应的位置,从而实现相应的变速功能。
一旦系统的各个监控环节报出故障时,安全回路则应起到作用,断开正传和反转的回路,锁住整个运行,从而保证矿井提升机的安全运行。
本设计中软件正常运行的先决条件是硬件的正确布置。
本设计在矿井中设置各个行程开关来确定矿井提升机的具体位置。
如减速点,限位点等。
一旦矿井提升机的机斗触及行程开关,即可发出相应信号传输至PLC,PLC的中央处理器即对该信号进行处理,按照程序的要求向变频器发送相应的加速,减速,停机等信号。
同时PLC在收到警告信号时也能即刻处理,进行紧急停车。
设计流程图
变频器的选择
KV2000系列变频器是应用无感矢量技术,控制输出电压和频率来改变三相交流异步电动机运行速度的一种电力转换器。
通过电流传感器,精确检测出三相输出交流信号及相位角度的变化,以无感矢量计算方式,自动修正频率,以达到负载变动时电动机转速稳定的效果。
矿井提升机的PLC控制系统变频器配线图:
本次设计中选择了三菱公司的PLC产品FX2N48MR来进行设计。
R代表着它是继电器输出,可供交直流负载使用,能较好满足本次设计的基本需求。
48是输入输出点的总和,FX是系列的名称。
这款三菱的PLC使用和维护方便,非常可靠,
它具有较强的抗干扰性,
三菱公司的编程软件和编程语言都十分简单易学,便于普通工人使用。
而且它的控制功能强,
综上所述,它非常适合与矿井提升机设计的使用。
PLC输入输出口配置
矿井提升机的基本输入口表
序号
工位名称
文字符号
输出口
1
编码器A相
X001
2
电源启动
SB1
X002
3
电机制动
SB2
X003
4
电机正转
SB3
X004
5
电机反转
SB4
X00
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