基于PLC的矿井提升机变频调速系统毕业设计文档格式.docx
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对应提升机来说运行的安全可靠是至关重要的,主井直接关系到矿山的生产效率,作为运送人员的副井,一旦发生故障往往造成机毁人亡。
提升机运行的安全可靠性不仅直接影响整个矿井的生产能力,影响整个矿山的经济效益,而且还涉及到井下工作人员的生命安全。
因此,研制并制造即安全可靠又节省能源的提升机是煤炭安全生产的一项重要课题。
1.2国内外矿井提升机研究现状与发展趋势
矿井提升装置是采矿业的重要设备,随着科学技术的进步和矿井生产现代化要求的不断提高,人们对提升机工作特性的认识进一步深化,提升设备及拖动控制系统也逐步趋于完善,各种新技术、新工艺逐步应用于矿井提升设备中。
特别是模拟技术、微电子技术、微电脑技术在提升机控制中的应用已成为必然的发展方向。
1.2.1国外矿井提升机的现状
1.晶闸管-电动机(SCR-D)直流低速直联拖动系统
部分发达国家原有的交流提升机已基本上被晶闸管-电动机(以下简称SCR-D)所取代。
此类系统的优点在于:
(1)体积小,重量轻,占地面积小,安装方便,建筑费用低。
(2)无减速器,总效率高,电能消耗少。
(3)维护工作量小,备件少,处理事故快。
(4)单机容量大,适用范围广。
(5)调速平滑,精度高。
(6)易于实现最佳控制和自动化,安全可靠。
(7)节电显著,5-8年可回收设备投资,是矿井节电的有效途径。
2.交流变频调速同步机驱动提升系统
SCR-D直流拖动系统趋于成熟,且采用了顺控技术等措施来提高功率因数,但其功率因数仍然较低,从而从电网吸收大量的无功功率,且对电网品质因数产生严重的影响,提升容量越大,问题越突出。
再则,直流电机制造成本高,电枢回路的整流子限制了提升容量的进一步增加,且整流子,碳刷易磨损,加大了维护工作量,故障率高。
因此换相整流子是个薄弱环节。
由于存在上述两个问题,迫使人们又重新考虑交流拖动方式。
自80年代初以来,交流变频供电的同步机拖动异军突起,在大型提升机中发展成为技术、经济均优的拖动方式。
这种拖动系统主要有如下优点:
(1)提升容量几乎不受限制,最大可达l0000kw,提升速度可达20m/s以上,提升高度1200m以上,滚筒直径达6.5m。
(2)没有整流子和碳刷这一薄弱环节,保证了电机的可靠运行和降低了运行消耗。
(3)功率因数高,可达住0.9~1,极大地节省了电能。
(4)动态品质好。
(5)由于机械特性好,故起动转矩大。
(6)同步机的价格和有色金属的消耗低于直流机。
(7)调速范围宽。
3.微机控制在提升机上的应用
从70年代开始,随着微机技术的发展,微机控制技术己逐步应用于矿井提升机中。
目前,国外己达到相当成熟的阶段,使整个拖动控制产生一次重大的变革。
其应用主要体现在以下几方面:
(1)提升工艺过程微机控制。
在交流变频装置中,提升工艺过程大都采用微机控制。
由于微机功能强,使用灵活,运算速度快,监视显示易于实现,并具有诊断功能,这是采用模拟控制无法实现的。
(2)提升行程控制。
提升机的控制从本质上说是一个位置控制,要保证提升罐笼在预定地点准确停车,要求准确度高,目前可达±
2cm。
(3)提升过程监视。
由于近代提升机控制系统的设计特别强调安全可靠性,所以提升过程监视与安全回路一样,是现代提升机控制的重要环节。
(4)安全回路。
安全回路旨在出现机械、电气故障时控制提升机进入安全保护状态。
以确保人员和设备的安全。
(5)制动系统的控制与监视。
制动(可调闸)控制系统除要可靠地完成工作制动和安全制动外,还要完成对液压站的控制以及各环节参数(如油压、闸瓦磨损等)的监视,其技术要求与安全回路相似。
如西门子公司采用两套可编程序控制器(PLC)的双重控制与保护系统。
(6)全数字化调速控制系统。
德国AEG公司的LogidynD(32位机)、西门子公司的SiemadynD(40位机)以及ABB公司的Tyrak(16位机)系统都己应用于提升机上。
全数字化系统具有硬件结构单一,参数稳定且调整方便,可方便地与上位机联网等优点。
当然此类系统要求维护人员有更高的技术水平和计算机知识。
1.2.2国内提升机的现状与发展趋向
1.交流拖动方式
目前我国提升机约70%采用串电阻调速的交流拖动方式。
有单绳和多绳两种系列,大都采用改变转差率s的调速方法,在调速中产生大量的转差功率,使大量电能消耗在转子附加电阻上,导致调速的经济性变差。
极少数提升机采用串级调速方法,其调速范围窄,且投资大。
2.直流拖动方式
我国提升机采用直流拖动有两种系统:
直流发电机一直流电动机机和晶闸管一直流电动机系统。
3.研制与发展。
(1)国产大型直流提升机及电控系统正在逐步完善和推广使用。
(2)大功率变频调速电控提升机其效率可达89%,国内正在组织研究这种系统,不少院校和研究单位都在着手研制。
如天津电气传动研究所己研制了一台300kw的变频调速装置。
(3)可编程序控制器在提升机电控系统的应用。
可编程序控制器具有可靠性高、抗干扰能力强、实现继电逻辑容易,基本免于维护等独特优点,特别适用于对我国占大部分的交流提升机继电-接触器电控系统进行技术改造;
因此有不少单位都在着手研制,如焦作矿务局,韩城矿务局均用可编程序控制器对TKD电控系统进行改造,已投入正常运行和使用,已经显示出了很强的生命力。
这是今后一段时期对我国占绝大多数采用继电控制的交流提升系统进行技术改造的必由之路。
1.3本文研究意义
在调研中发现,目前山西省各大煤矿的矿井提升机系统的调速方案大多采用继电器接触器控制的转子串电阻调速。
该方案耗能大,占地面积大,已不能适应现代矿业发展的需要.因此有必要对其调速方案进行改造。
在广泛考察现行的变频调速方案后,本文提升机系统控制单元采用目前工控适用的可编程控制器来控制,具有编程简单和控制可靠性高的优点:
电力拖动系统中,选用先进的变频传动装置,优化了调速系统的性能,这一控制方法目前仍为现代交流调速的重要研究方向之一。
采用先进的工业计算机、现场总线和工业自动化技术,按照结构标准化、产品系列化、性能现代化、体积小型化的原则,研制生产适合矿井提升机电控设备是进行技术改造和新建矿井设备选型的理想选择。
本文从解决实际矿井提升系统存在的问题出发,对传统的调速方案进行了控制方式的革新和数字化改造,降低了成本,提高了控制精度,加强了系统稳定性。
本文所提出的设计方案具有实用价值。
适用、经济、高效、可靠是本文提升机系统设计的追求目标。
第1章矿井提升机
1.1科技名词定义
中文名称:
矿井提升机
英文名称:
minewinder;
minehoist
其他名称:
矿井卷扬机;
绞车;
矿井绞车
定义:
安装在地面,借助于钢丝绳带动提升容器沿井筒或斜坡道运行的提升机械。
矿井提升机可分为竖井提升机和斜井提升机两种。
XX名片:
矿井提升机是矿井井下和地面的工作机械。
如图1-1
图1-1矿井提升机剖视图
说明:
矿井提升机是一种大型绞车。
用钢丝绳带动容器(罐笼或箕斗)在井筒中升降,完成输送物料和人员的任务。
矿井提升机是由原始的提水工具逐步发展演变而来。
现代的矿井提升机提升量大,速度高,已发展成为电子计算机控制的全自动重型矿山机械。
1.2矿井提升机的组成
矿井提升机主要由电动机、减速器、卷筒、制动系统、深度指示系统、测速限速系统和操纵系统等组成,采用交流或直流电机驱动。
1.3矿井提升机的分类
按工作方式分为:
缠绕式矿井提升机和摩擦式矿井提升机。
1.缠绕式矿井提升机有单绳缠绕式和多绳缠绕式两种
(1)单绳缠绕式提升机。
根据卷筒数目可分为单卷筒和双卷筒两种。
单筒大多只有一根钢丝绳,连接一个容器。
双筒的每个卷筒各配一根钢丝绳,连接两个容器,运转时一个容器上升,另一个容器下降。
缠绕式矿井提升机大多用于年产量在120万吨以下、井深小于400米的矿井中。
(2)多绳缠绕式提升机。
提升机在超深井运行中,尾绳悬垂长度变化大,提升钢丝绳承受很大交变应力,影响钢丝绳寿命。
尾绳在井筒中还易扭转,妨碍工作。
20世纪50年代末,英国人布雷尔(Blair)设计了一台直径3.2m双绳多层缠绕式提升机(又称布雷尔式提升机),提升高度1580~2349m,一次提升量10~20t。
2.摩擦式矿井提升机分为井塔式和落地式两种
(1)井塔式提升机。
机房设在井塔顶层,与井塔合成一体,节省场地。
钢丝绳不暴露在露天,不受雨雪的侵蚀,但井塔的重量大,基建时间长,造价高,并不宜用于地震区。
如图1-2
图1-2井塔式多绳磨擦式提升系统示意图
(2)落地式提升机。
机房直接设在地面上,井架低,投资小,抗震性能好。
缺点是钢丝绳暴露在露天,弯曲次数多,影响钢丝绳的工作条件及使用寿命。
如图1-3
图1-3落地式多绳磨擦式提升系统示意图
目前我国提升机90%以上均采用交流绕线式异步电动机的拖动方式,其电控系统用于单绳缠绕式提升机和多绳磨擦式提升机。
1.4提升机电动机运行方式
提升机电动机的运行方式主要根据系统的力图来确定。
如图1-4
1.加速阶段F1
提升时为正力,采用电动加速。
下放时为负力。
若负力值较小,可考虑自由加速,并配合使用盘式制动器,若负力值较大,则采用动力制动加速。
加速阶段不实行闭环调节,而以时间、速度为函数,逐步短接转子附加电阻,使提升电动机从零速升至全速。
2.匀速阶段F2
提升时为正力,采用电动拖动。
下放时为负力,采用能耗制动、闭环控制,单闭环速度控制系统由与距离有关的理想速度给定电路、速度负反馈电路、PID调节器、移相触发电路及双向可控硅能耗制动电路组成,下放速度由PID调节。
3.主减速阶段F3
提升时为正力,采取逐级接入转子附加电阻和机械制动的方式。
下放时为负力,一方面接入转子附加电阻,另一方面增大制动电流并辅以机械制动方式减速。
4.爬行阶段F4
当为正力时,转子接入几段附加电阻,由PLC控制运行。
当为负力时在能耗制动方式下接入转子附加电阻。
5.停车阶段F5
将盘式制动器的KT线圈断电,抱闸迅速抱住卷筒,提升机停转。
图1-4提升机力图
1.5提升机的受力情况
由直线运动的运动方程可得:
F=
+ma(1-1)
式中:
F-提升机在某运动阶段的力,N。
-提升机的静阻力(包括车重、提升机重量和绳重),N。
m-把旋转运动的部件折算到直线运动的变位质量,kg。
a-各阶段的加速度、减速度值,m/
。
当a=0时,F=
,匀速运行。
a>0时,F>
,加速运行;
a<0时,F<
,减速运行。
根据以上分析,F=f(t)的力图见图1-4。
第2章PLC简介
2.1PLC的基本概念
1969年,出现了可编程逻辑控制器PLC(ProgrammableLogicController),其特点是:
具备逻辑控制、定时、计数、等功能,编程语言采用直观的梯形图语言,软件更改方便,通用性和灵活性好。
目前,可编程控制器PLC主要是朝着小型化、廉价化、标准化、高速化、智能化、大容量化、网络化的方向发展,与计算机技术相结合,形成工业控制及系统、分布式控制系统DCS(DistributedControlSystem)、现场总线控制系统FCS(FieldbusControlSystem),这将是PLC的功能更强,可靠性更高,使用更方便,适用范围更广。
国际电工委员会(IEC)于1982年11月1985年1月对可编程序控制器作了如下的定义:
“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境下应用而设计。
它采用可编程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的命令,并通过数字式模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。
可编程序控制器及其有关设备,都应按易于与工业控制系统联成一个整体,易于扩充功能的原则而设计。
2.1.1PLC的基本结构
如图2-1所示,PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程器等组成。
PLC的特殊功能模块用来完成某些特殊的任务。
PLC主要由CPU模块、I/O模块、变成装置和电源组成。
根据硬件结构的不同,可以将PLC分为整体式、模块式和混合式。
整体式PLC又叫做单元式或箱体式,他的体积小、价格低、小型PLC一般采用整体结构。
模块式PLC一般用于大、中型PLC,它由机架和模块组成。
按PLC的控制规模分类,PLC可分为小型机、中型机、大型机。
图2-1PLC基本组成
2.1.2PLC的基本特点
PLC的诞生给工业控制带来革命性的飞跃,与传统的继电器控制相比有着突出的特点。
1.灵活性、通用性强
继电器控制系统如果工艺要求稍有变化,控制电路必须随之作相应的变动,所有布线和控制柜极有可能重新设计,耗时且费力然而是利用存储在机内的程序实现各种控制功能的。
因此当工艺过程改变时,只需修改程序即可,外部接线改动极小,甚至可以不必改动,其灵活性和通用性是继电器控制电路无法比拟的。
2.可靠性高,抗干扰能力强
继电器控制系统中,由于器件的老化、脱焊、触点的抖动以及触点电弧等现象是不可避免的,大大降低了系统的可靠性。
而在控制系统中,大量的开关动作是由无触点的半导体电路来完成的,加之在硬件和软件方面都采取了强有力的措施,使产品具有极高的可靠性和抗干扰能力可以直接安装在工业现场稳定地工作。
PLC在硬件方面采取电磁屏蔽、光电隔离、多级滤波等措施在软件方面采取警戒时钟、故障诊断、自动恢复等措施,并利用后备电池对程序和数据进行保护,因此被称为“专为适应恶劣的工业环境而设计的计算机”。
3.编程简单,使用方便
PLC采用面向过程,面向问题的“自然语言”编程方式,直观易懂,主要采用梯形图和语句表编写程序,使得广大电气技术人员更容易接纳和理解。
同时设计人员也可根据自己的喜好和实际应用的要求选择其他编程语言。
标准是编程语言的标准,除了梯形图语句表之,还存在顺序流程图结构化文本和功能块图三种编程语言的表达方式。
一个程序的不同部分可用任何一种语言来描述,支持复杂的顺序操作功能处理以及数据结构。
4.功能强大,可扩展
主要功能包括开关量的逻辑控制、模拟量控制部分还具备控制或模糊控制功能、数字量智能控制、数据采集和监控、通信、联网及集散控制等功能。
PLC的功能扩展也极为方便,硬件配置相当灵活,根据控制要求的改变,可以随时变动特殊功能单元的种类和个数,再相应修改用户程序就可以达到变换和增加控制功能的目的。
PLC以原有的继电器、逻辑运算、顺序控制为基础逐步发展起来的。
与继电器控制系统相比较,它以软器件代替了硬器件,以软触点代替了硬触点,以软接线代替了硬接线,从而使其器件、触点的寿命达数万甚至十万小时,而改变接线的速度则极为迅速。
它是由计算机简化而来的,又有着诸多自身独特的优势。
如下所述:
(1)系列化。
各大生产公司一般都有小型、中型、大型三种系列产品。
(2)多处理器。
一般小型机是单处理器系统中型机是双处理器系统,包括位处理器和字处理器大型机则为多处理器系统,由字处理器、位处理器和浮点处理器等组成。
(3)较大的存储能力。
(4)很强的I/O口。
(5)智能外围接口。
(6)网络化。
PLC可连成功能很强的网络系统,一般有低速网络和高速网络两种。
这两类网络可级连,网上可兼容不同类型的和计算机,从而组成控制范围很大的局域网络。
(7)紧凑及高可靠性。
(8)通俗化的编程语言和丰富的指令。
2.2PLC的选型
PLC技术是工业自动化的重要手段,它可以实现逻辑控制、顺序控制、定时、计数、算数运算、数据运算、数据通信等功能,并且具有处分支、中断、自诊断能力。
PLC技术的逻辑控制功能通过软件编程来实现,柔性强,控制功能多,控制线路大大简化。
PLC的输入输出回路均带有光电隔离等抗干扰和过载保护措施。
程序运行为周期性顺序扫描和集中批处理的工作方式,具有故障检测及诊断程序,可靠性极高。
PLC控制系统为模块结构,维护更换方便,并可显示故障类型。
因此本文决定采用PLC进行,并且保持原有的操作方式、按钮、开关的作用不变,以方便用户,缩短适应期。
根据PLC的技术特点又可增加一些新的功能。
S7-200系列西门子PLC家族中的成员之一,在西门子工控领域中占有重要的地位。
S7-200系列PLC体积小,价格低廉,软硬件功能强大,系统配置方便,它一推向市场就在各行各业得到了广泛的应用。
而S7-200系列的产品可以满足设计要求,因此设计以西门子公司的S7-200系列入手。
S7-200主机单元发展至今,经历了两代产品。
第一代产品为CPU21X型,包括CPU212、CPU214、CPU215和CPU216,其中每种主机单元可以进行扩展。
第二代产品为CPU22X型,包括CPU221、CPU222、CPU224、CPU224X、CPU226和CPU226XM,他们已经得到广泛的应用。
1.CPU221型主机单元具有6输入/4输出共计10数字I/O点,无I/O扩展能力。
2.CPU222型主机单元具有8输入/6输出共计14个数字I/O点,可以连接2个I/O扩展单元,最大扩展至78个数字量I/O点或10路模拟量I/O。
3.CPU224型主机单元具有14输入/10输出共计24个数字量I/O点,可以连接7个扩展单元,最大扩展至168个数字量I/O点或35路模拟量I/O。
4.CPU224XP型主机单元具有与CPU224相比增加了2路输入/1路输出功3路模拟量I/O。
5.CPU226型主机单元具有24个输入/16个输出共计40个熟悉I/O点,可以连接的I/O扩展单元,最大扩展至248个数字量I/O点或35路模拟量I/O。
2.3PLC的工作原理
PLC通电后,需要对硬件和软件做一些初始化工作。
为了使PLC的输出及时地响应各种输入信号,初始化后PLC要反复不停地分段处理各种不同的任务,这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。
整个扫描过程分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行、程序输出几个阶段,全过程扫描一次所需要的时间称为扫描周期。
内部处理阶段,PLC检查CPU模块的硬件是否正常,复位监视定时器等。
在通信服务阶段,PLC与一些智能模块通信、响应编程器键入的命令、更新编程器的显示内容等。
当PLC处于停止(STOP)状态时,只进行内部处理和通信操作服务等内容。
在PLC处于运行(RUN)状态时,从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出,一直循环扫描工作。
1.初始化过程
与其它单片机运行一样,上电运行或复位时进行处理。
(1)硬件初始化,复位输出输入模块,清零。
(2)清除数据区。
(3)输出输入地址分配。
2.扫描过程
(1)扫描输入,将输入口状态读入至输入口映像区。
(2)时钟处理,特殊寄存器更新。
(3)执行用户程序。
(4)输出,将输出口映像区输出至输出端口刷新。
(5)自诊断检查。
3.出错处理
检查PLC内部电路CPU、电池电压、程序存储器、I/O、通讯异常。
致命错误,CPU强制STOP方式,所有扫描停止。
如图2-2
图2-2小型PLC的典型工作过
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