基于~PLC的矿井提升机控制系统设计.doc

1 前言1.1 提升机的发展过程及现状向矿井提升机是铁矿安全生产的关键设备之一，其作用是提升矿粉、升降人员和下放物料等，在整个铁矿生产中占有十分重要的地位。矿井提升机安全、可靠、高效、准确地运行集中体现在其电气控制系统中，电控系统性能的优劣直接影响全矿的安全生产及矿工生命的安全。现代矿井提升机的发展与现代电力传动及其控制技术的发展密切相关。根据受控电动机类型的不同，矿井提升机可分为直流驱动提升机和交流驱动提升机两大类。由于交流电动机有结构简单、紧凑、坚固、容量大、价格低廉、应用场合广泛和直接使用交流三相电源等优点，因而交流驱动提升机得到了广泛的应用。在 20 世纪 70 年代前，矿井提升机大多采用交流驱动系统，但是由于其调速能力较差，很难适用于调速性能要求较高的场合。直流电动机具有良好的启、制动性能，可在大范围内平滑调速，调速性能指标远优于交流电动机，因此在 20 世纪 70 年代后，随着大功率可控硅的使用、电子控制技术和装置的发展，直流驱动提升机逐渐在大中型铁矿中占据了主导地位。 随着电力电子器件、微电子控制技术和交流调速控制理论的发展，交流驱动逐渐获得了与直流驱动相同的控制特性，并在高性能交流驱动应用中获得了根本性的突破，成为大容量提升机的首选方案。目前国内铁矿企业，井下提升机大多采用交流绕线式异步电动机转子串电阻的调速方案。提升机电控系统经历了由继电器控制、分离元件控制、模拟电路控制到微电子(计算机) 控制的发展历程，目前数字控制系统已广泛应用于提升机控制系统中。采用数字控制技术后，提升机电控系统具有结构简单、控制精度高、系统功能开发简单等优点；特别是其具有智能化的信息采集、故障诊断和在线检测等功能，极大地提高了系统的可靠性，缩短了查找和排除故障的时间，降低了维护成本。1.2 主要存在的问题虽然交流提升机在调速性能上获得了根本性的突破，成为大容量提升机的首选方案，但是由交流电动机的基本原理可知，由定子传入转子的电磁功率 Pm 可分为两部分：一部分是驱动负载的有效功率 P(1-s)Pm；另一部分是转差功率 PsPm，与转差率 s 成正比。根据转差功率的大小及消耗情况，交流调速系统可分为如下三类：(1)转差功率消耗型调速系统：全部转差功率都被转换成热能而消耗掉。这类调速方式有定子调压调速、电磁离合器调速、绕线式异步电动机转子串电阻调速等。这类调速系统是以增加转差功率的消耗来换取转速降低的，转速越低，效率越低。(2)转差功率回馈型调速系统：少部分转差功率被消耗掉，大部分通过变流装置回馈电网或转化为机械能予以利用。绕线式异步电动机串级调速就属这类。转速越低，回馈功率就越多。但这类调速方式用于矿井提升机的较少。(3)转差功率不变型调速系统：这类系统中，无论转速高低，所消耗的转差功率都基本不变。变级调速和变频调速即属于这类调速系统。无论采用哪种调速方案，转差功率调速系统中转子消耗是不可避免的，于是造成了能源的浪费。特别是目前中小型矿井提升机广泛采用的绕线式异步电动机转子串电阻调速方式，属于转差功率消耗型调速系统，虽在负力提升情况下，可通过一定装置来实现能量的回馈，但效率依然很低。1.3 系统设计方案选择可编程控制系统（Programmable Logic Controller）是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统。它采用一种可编程的存储器，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指令，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程，使高可靠性的数字控制系统在较低成本价格上得以实现，越来越受到广大用户的青睐，成为当今自动化电气控制的主流。液粘调速离合器是根据流体力学中关于液体粘性定义及牛顿内摩擦定律理论而研制成功的新型传动装置。它可以实现平滑的无级调速，摩擦副在分离状态下使工作机起动，起动电流也大大降低，因而避免了电阻投切造成的能源浪费，同时大惯量工作机缓慢加速，可以防止过载，并且调速反应灵敏，转速控制精度高，能够实现手动控制和远程控制。在目前国内铁矿企业生产条件急需改善、设备急需更新的情况下，将可编程控制器用作提升机控制系统，调速装置采用液粘调速离合器，将使提升机在运行特性、调速范围、节电效果等各项经济技术指标均明显提高。本系统具体设计方案是采用光电编码器采样提升机滚筒的转速信号，电流互感器在电动机定子侧采样电流信号，经过可编程控制器的 A/D, D/A 模块转换，构成转速、电流负反馈控制。利用可编程控制器的内置PID 模块构成转速、电流 PI 调节器，然后通过模拟量输出模块来控制液粘调速离合器电液比例溢流阀，从而达到控制提升机调速的目的。该系统研制成功后，可解决旧系统体积大、维护困难、效率低等一系列问题。同时采用笼型电机拖动，将使系统静特性明显变硬，调速范围也将显著加宽，并且节电效果可达 30%左右,可成为井下提升机更新换代的理想设备。2 系统总体方案设计2.1 系统设计要求2.1.1 系统控制要求(1)矿井提升机是整个铁矿安全生产的关键，其安全可靠性直接关系到全矿的生产和矿工的生命安全。由于铁矿井下生产环境恶劣，运行情况复杂，各种操作频繁，因此对提升机电控系统来说，除了能够满足各种复杂的控制要求外，更重要的是其可靠性和安全保障。(2)要求具有很好的调速性能，能够精确地完成井下提升的整个运行过程。(3)可以重载起动，有一定的过载能力。(4)工作方式转换容易，易于实现自动化。(5)技术先进，维护简单、方便，在保证安全可靠运行前提下，控制线路简洁明了，便于维修和排除故障。(6)尽量降低投资成本，减少运行费用，提高节电效果和经济效益。 2.1.2 系统控制速度图矿井提升机的工作过程一般经历加速、等速、减速三个运行阶段。本系统设计中采用井底初加速、等速，井筒主加速、等速和井口减速运行等阶段。系统速度控制如图 2-1 所示。图 2-1 提升速度图及循环时间计算表 开始时，在井口平车场空车线上的空车串，由井口推车器以 a1加速至 V0=1.Om/s 低速，向下推进。同时，井底的重车串上提，当全部重车串进入井筒后，提升机以 a2加速到最大提升速度 Vm，并等速运行至井口，在空车串运行到井底时，提升机以 a3减速，使之由 Vm减至 V0,进入井底车场时，减速停车。这时，在井口平车场内的重车串借惯性继续前进，当行至摘挂钩位置时，摘钩并挂空车。同时井下也摘掉空车并挂上重车，然后打开井口空车线上的阻车器，进入下一个提升循环。如图 2-1 所示，提升机在各运行阶段的参数预置如下，关于时间及距离的设置及计算在脉冲单元的计算中再详加说明。a.系统最大提升速度 Vm=5.Om/s；b.井下平车场平均速度 V0=1.0m/s；c.井下平车场加、减速度 a1=a4=0.3m/s2；d.井筒中主加、减速度 a2=a3=0.5m/s2;2.2 系统硬件设计 矿井提升机硬件结构主要包括控制系统、调速装置、放大驱动系统、换向回路、安全回路等部分，本系统硬件设计构成如图 2-2 所示。控制操作台 井底装载 井口卸载 检测传感器 报警显示PLC 控 制 系 统光电编码器 放大驱动 闸控回路 换向回路 安全回路提升机滚筒 液粘装置图 2-2 系统硬件组成采用 PLC 作主控制系统，分别接收来自司机操作台、检测系统、放大驱动控制系统、闸控回路、安全回路、井筒信号系统、报警显示和外部各个监测元件的信息，这些信息多数首先要经过主控程序的相应处理，并将相应的信息和指令发送到上述各个系统中，来控制提升机系统运行。主控系统的软件主要用来执行提升机运行的逻辑、比较、顺序控制、算术计算和位置控制等功能。其控制过程主要是通过光电编码器采样提升机滚筒转速信号，电流互感器在电动机定子侧采样电流信号，经过可编程控制器的 A/D, D/A 模块转换，构成转速、电流负反馈控制；利用可编程控制器的内置PID（比例、微分、积分的缩写）模块构成转速、电流 PI 调节器。通过模拟量输出模块控制电液比例溢流阀，从而控制液粘调速离合器达到调速的目的。根据 PLC 的控制性能和液粘调速离合器的调速特性，可实现提升机全自动、手动和检修操作方式，各种操作方式均由司机通过控制操作台进行控制。在全自动运行方式下，不需要司机操作，只要井底装载和井口卸载完成，发出完成信号，提升机就自动起车，通过井底初加速和井筒主加速，进入等速运行，过减速点后，按给定速度图减速、停车，并完成装载和卸载全过程；在手动控制和检修运行方式下，井口给出开车控制信号后，由司机通过行程开关控制车组在各阶段的运行过程，停车及装、卸载过程仍由系统自动控制完成。为操作及检修的方便，首先 PLC 内部自检功能的故障输出接点直接进入安全回路，一旦 PLC 出现故障，安全回路便立即动作，实现安全制动；同时系统中各种相应的运行状态和各个外部线路，在 PLC 的输入和输出模块上，都要有相应的指示，通过指示灯可以直接判断信号传输是否正常。2.3 可编程控制器(PLC)的特点及选型2.3.1 PLC 特点及应用可编程控制器（Programmable Logic Controller）是计算机技术与自动化控制技术相结合而开发的一种适用工业环境的新型通用自动控制装置，是作为传统继电器的替换产品而出现的。它采用一种可编程的存储器，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指令，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，可编程控制器更多地具有了计算机的功能，不仅能实现逻辑控制、定时控制、计数控制、顺序(步进)控制，还具有了模拟量控制、闭环过程控制、数据处理和通信联网等功能。由于可编程控制器可通过软件来改变控制过程，并且编程简单，同时采用了模块化结构设计，易于扩展和拆装，因而具有体积小，功耗低，可靠性高，组装维护方便，控制功能完善和抗干扰能力强等特点，已广泛应用于工业控制的各个领域，成为当今自动化电气控制的主流。2.3.2 可编程控制器的选型本设计的主要控制过程是利用可编程控制器的 A/D, D/A 模块和可编程控制器内置的 PID 模块构成提升机系统的转速、电流 PI 调节器，通过PLC 的模拟量输出模块来控制液粘调速离合器的电液比例溢流阀，从而调节控制油压，该油压经控制油入口进入油缸，推动活塞，通过对摩擦副施加不同压力来改变主、被动片间的油膜厚度，从而实现对输出轴转速的调节，以实现提升机调速运行的要求。整个控制系统除了用到 PLC 逻辑控制、定时控制和计数控制等基本控制功能外，关键是要用到 PLC 的高级控制单元，主要包括 A/D、D/A 单元，脉冲输出单元、位置控制单元和 PID 模块等。现代大中型的 PLC 一般都配备了专门的 A/D 和 D/A 转换模块，可以将现场需要控制的模拟量通过 A/D 模块转换为数字量，经微处理器运算处理后，再通过 D/A 模块转换，变成模拟量去控制被控对象。同时大中型 PLC 也配备了 PID 控制模块，当控制过程中某一变量出现偏差时，PLC就按照 PID 算法去调节该控制过程，把变量保持在某一整定值范围内。在本系统中，可选用日本松下电工公司生产的中型 PLC-FP3 机。其性能特点简介如下：(1) FP3 机具有快速的 CPU 处理速度,最多可控制 2048 个 I/O 点, 具有 16K 步的大程序容量和 EPROM 写入功能， 并提供了 288 条方便指令，编程工具功能强大。CPU 中具有中断功能、调试和测试运行功能，在程序运行过程中可利用中继功能执行高优先级的中断程序。编程器具有注释功能等，可在程序中插入注释, 便于以后的检查与调试。(2)FP3 机 CPU 单元除具有一般功能的控制单元外，还具有功能完善的 A/D、D/A 单元，脉冲输出单元、位置控制单元和进行 PID 处理等特殊功能模块。并且在 FP3 的高级单元内部一般自带有 CPU 和存储器，只要在初始化时，由 FP3 的 CPU 单元将控制字写入其内部存储器中，则这些存储器即可独立运行。高级单元内部的存储器可由该单元与 CPU 共享，CPU 单元只要用专用的读/写指令即可对之进行读或写。(3)FP3 机 I/0 分配采用自由编址方式，为用户提供灵活便利的使用条件，其编址方式可通过两种方式来实现，一种是根据各单元在底板上插放的位置确定该单元所用点的地址，另一种是使用编程工具设定各单元的地址。(4)FP3 机采用模块化结构设计，使其具有如下突出优点:a.组装灵活。可以根据生产需要随时更换或扩充，使整个系统更快地适应产品更新换代的要求。b.维修方便。出现故障时，只需更换部分芯片或功能模块即可，使停机修理的时间和费用降至最低限度。c.对各种功能的模块可以根据需要进行生产，随时改进其设计、不断完善，有利于提高质量、降低成本。2.4 液粘调速离合器本系统中提升机的调速装置采用液体粘性调速离合器（也称液粘调速离合器、液粘离合器） 。液体粘性调速离合器是依据牛顿液体内摩擦定律，即液体的粘性和油膜的剪切作用而研制成功的一种新型流体传动装置。本系统中使用 YL-8 型液体粘性调速离合器，是辽宁华孚石油高科技股份有限公司最新开发、研制成功的高效节能产品。2.4.1 结构及工作原理YL-8 型液体粘性调速离合器由主机和液压系统两大部分组成。主机由主动部分、被动部分和加压分离部分等构成。主动部分包括主动轴和主动摩擦片，它们以花键相联，并可作轴向自由滑动;被动部分包括被动轴、被动盘、被动鼓、被动摩擦片和支承盘，除被动片外，其余零件分别用平键和螺栓连接成刚体。被动片和被动鼓以花键相连并可在被动鼓上作轴向自动移动；主动片与主动轴同步旋转，被动片与被动轴同步旋转；加压分离部分包括油缸、活塞、回位弹簧、压盘等。在主动轴和被动轴的轴向径向均钻有油孔，分别通往润滑油腔和工作油腔。液压系统由润滑油系统和控制供油系统两部分组成，其工作原理图如图 2-3.图 2-3 液压系统原理图1、润滑油箱 2、粗滤油器 3、润滑油泵 4、电机 5、换热器6、压力继电器 7、电接点温度计 8、润滑油压力表 9、电机10、精滤油器 11、控制油泵 12、控制油压力表 13、二位二通电磁阀14、电液比例溢流阀 15、电子控制器 16、控制油箱在离合器主机中，主被动摩擦片之间始终保持一层完整的油膜，原动机动力经主动轴上花键传到主动片，通过摩擦副的液体粘性和油膜剪切力作用将动力传给被动片，再传给被动鼓，最后经被动轴带动负载工作。润滑供油系统是向摩擦副连续供油的装置，使摩擦片之间不断产生新的油膜，同时将滑差损失产生的热量经换热器以循环方式很快被带走，使调速离合器能在滑差情况下保持持久工作。控制供油系统由电液比例溢流阀来调节控制油压，该油压经控制油入口进入油缸，推动活塞，对摩擦副施加不同压力来改变主、被动片间的油膜厚度，从而实现对输出轴转速的调节，以满足工作机的变速要求。