基于plc礦井提升機變頻調(diào)速系統(tǒng)所有專業(yè)(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 是從礦井中將煤拖到地面上來，電機工作在 正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)電動狀態(tài)，只有在滿載拖車快接近井口時，需要減速并制動 。 方案 礦井提升機調(diào)速系統(tǒng)采用交流異步電動機拖動，其交流異步電動機轉(zhuǎn)速公式為：n=60f/p(1s)從上式可見，改變供電頻率 f、電動機的極對數(shù) p 及轉(zhuǎn)差率 s 均可達到改變轉(zhuǎn)速的目的。 PLC 變頻調(diào)速是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速方法， 從調(diào)速的本質(zhì)來看，不同的調(diào)速方式無非 是改變交流電動機的同步轉(zhuǎn)速或不改變同步轉(zhuǎn)速兩種。在生產(chǎn)機械上廣泛使用的調(diào)速方法中，不改變同步轉(zhuǎn)速的有：繞線式電動機的轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、斬波調(diào)速、串級調(diào)速等。改變同步轉(zhuǎn)速的有：變極對數(shù)調(diào)速，改變定子電壓、頻率的變頻調(diào)速，無換向電動機調(diào)速 等。 經(jīng)分析本文將 采用 改變定子電壓、頻率的變頻調(diào)速 的方案， 近年來交流變頻調(diào)速技術(shù)迅速發(fā)展起來，調(diào)速方式的不斷進步使得運用于提升機系統(tǒng)的交流調(diào)速技術(shù)不僅僅局限于傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子串電阻方式，變頻調(diào)速技術(shù)也越來越多地在提升機控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，充分發(fā)揮出交流調(diào)速的優(yōu)勢。 此方案 調(diào)速平滑， 實施時 采用閉環(huán)系統(tǒng)，機械特性較硬，調(diào)速范圍較寬 。 控制方案分析與確定 傳統(tǒng)繼電器 — 接觸器控制 5 國內(nèi)大多繼電器 — 接觸器式礦井提升機設(shè)備還是以磁放大器為核心組成模擬量閉環(huán)調(diào)節(jié)構(gòu)成的，支配控制系統(tǒng)工作的“程序”是由各分立元件 (繼電器、接觸器、電子元件等 )用導(dǎo)線連接起來加以實現(xiàn)的，這樣的控制系統(tǒng)稱為接線程序控制系統(tǒng)。在接線程序控制系統(tǒng)中控制程序的修改必須通過改變接 線來實現(xiàn)。圖 13 為繼電器 — 接觸器控制系統(tǒng)框圖。 輸 入 設(shè) 備按 鈕 、 限 位 開 關(guān) 、 操 作 手 柄繼 電 器 控 制 線 路有 繼 電 器 和 連 接 線 路 組 成輸 出 設(shè) 備繼 電 器 和 電 磁 閥被 控 制 的 機 械 設(shè) 備 或 生 產(chǎn) 過 程 圖 13 繼電器 — 接觸器控制系統(tǒng)框圖 而這種控制方式還存在著很多的問題： （ 1）使用大量繼電器、接觸器及其它分立電子元件使系統(tǒng)體積大、運行噪聲大。 （ 2）繼電器、接觸器頻繁動作，電弧燒蝕觸點，使用壽命短。 （ 3）在啟動過程中由于罐籠的實際載重量不同，而使實際的加速過程并非按照預(yù)定的設(shè)計參數(shù)運行，常常出現(xiàn)停車不準確甚至提前停車現(xiàn)象，不能正常裝卸載。 （ 4）系統(tǒng)安全保護環(huán)節(jié)不全面，工作不可靠，故障顯示不直觀，分析 查找故障難度大，缺乏運行參數(shù)顯示功能 . （ 5）機械沖擊大、人員乘車舒適性差。 這些不足主要是因為采用繼電器控制方式造成的，在這種 控制方式下繼續(xù)改善的余地不大。如果對該豎井提升機電控系統(tǒng)進行技術(shù)改造，那么需要改變控制策略，采用當代高新實用技術(shù)，比如先進的工業(yè)計算機、現(xiàn)場總線和工業(yè)自動化技術(shù)來控制，按照結(jié)構(gòu)標準化、產(chǎn)品系列化、性能現(xiàn)代化、體積小型化的原則，研制生產(chǎn)適合礦井提升機電控設(shè)備是進行技術(shù)改造和新建礦井設(shè)備選型的理想選擇，從而使之成為安全、可靠、高效率、自動化程度高的電控系統(tǒng)。 PLC 控制變頻調(diào)速 為了改善舊式提升機的不足，因此，需要研制更加安全可靠的控制系統(tǒng)，使提升機運行的可靠性和安全性得到提高。在提升機控制系統(tǒng)中應(yīng)用計算機 控制技術(shù)和變頻調(diào)速技術(shù)，對原有提升機控制系統(tǒng)進行升級換代。 在變頻調(diào)速技術(shù)中矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制都能滿足提升機恒轉(zhuǎn)矩負載這一特征，所以在提升機調(diào)速系統(tǒng)中這兩種調(diào)速方案將是重要發(fā) 6 展方向 。 PLC 控制變頻調(diào)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(yīng)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(zhuǎn)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。 采用 PLC 控制變頻調(diào)速 ， 在最大限度滿足生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)工藝對電氣控制系統(tǒng)要求的前提下，力求運行安全、可靠、動作準確、結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟、電動機及電氣元件選用合理，操作、安裝、調(diào)試和維修方便 。 圖 1－ 4 為可編程控制器 （ PLC） 控制系統(tǒng)。其輸入設(shè)備和輸出設(shè)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，對它們的內(nèi)容進行解釋并加以執(zhí)行，執(zhí)行結(jié)果用以接通輸出設(shè)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內(nèi)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內(nèi)容。 輸 入 設(shè) 備按 鈕 、 限 位 開 關(guān) 、 操 作 手 柄可 編 程 控 制 器輸 出 設(shè) 備繼 電 器 和 電 磁 閥被 控 制 的 機 械 設(shè) 備 或 生 產(chǎn) 過 程 圖 14 可編程控制器控制過程系統(tǒng)框圖 本次設(shè)計 采用 PLC 控制變頻調(diào)速系統(tǒng)，選用 PLC 和變頻器的組合可完成數(shù)字量的輸入，實現(xiàn)模擬量和數(shù)字量的輸出控制。采用 PLC 技術(shù)，克服原繼電器系統(tǒng)的不足，系統(tǒng)安全可靠，性價比提高，且控制程序可根據(jù)需要修改，對提高控制技術(shù)水平具有廣闊的應(yīng)用前景。通過對頻率的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)對速度的控制， 使得速度變化更加平滑和實現(xiàn)精確調(diào)速。從解決實際礦井提升系統(tǒng)存在的問題出發(fā)，對傳統(tǒng)的調(diào)速方案進行了控制方式的革新和數(shù)字化改造，降低了成本，提高了控制精度，加強了系統(tǒng)穩(wěn)定性 , 使速度變化更加平滑和實現(xiàn)精確調(diào)速。 采用該控制系統(tǒng)，使提升機工作可靠，使用方便，同時具有動態(tài)顯示的功能，節(jié)能效果明顯。本文將提出的設(shè)計方案具有實用價值。適用、經(jīng)濟、高效、可靠是本文提升機系統(tǒng)設(shè)計的追求目標。基于 PLC 的礦井提升變頻調(diào)速控制系統(tǒng)圖如圖 15 所示。 7 圖 15 基于 plc的礦井提升變頻調(diào)速控制系統(tǒng)圖 基于 PLC 的礦井提升機變 頻調(diào)速控制系統(tǒng)由控制監(jiān)視系統(tǒng)、操作臺、 PLC、編碼器、變頻器和液壓站等系統(tǒng)組成。圖 16 為礦井提升機變頻調(diào)速控制的系統(tǒng)框圖。 圖 16 控制系統(tǒng)框圖 8 系統(tǒng)框圖中部分系統(tǒng)功能如下： 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)。提升過程監(jiān)視與安全回路一樣，是現(xiàn)代提升機控制的重要環(huán)節(jié)。提升過程采用微機主要完成如下參數(shù)的監(jiān)視：提升過程中各工況參數(shù) (如速度、電流 )監(jiān)視；各主要設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)視；各傳感器 (如位置開關(guān)、停車開關(guān) )信號 的監(jiān)視。使各種故障在出現(xiàn)之前就得以處理，防止事故的發(fā)生，并對各被監(jiān)視參數(shù)進行存儲、保留或打印輸出。甚至與上位機聯(lián)網(wǎng)，合并于礦井監(jiān)測系統(tǒng)中。系統(tǒng)框圖中用旋轉(zhuǎn)編碼器來測試電機的轉(zhuǎn)速。 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。 變頻器：是動力站的能量供給單元，通過它可將輸入工頻電能轉(zhuǎn)換成頻率可調(diào)的電能提供給交流電動機，以達到控制交流電動機轉(zhuǎn)速的目的。 操作臺：操作臺設(shè)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(shè)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。 9 第二章 主要元部件的選擇 （ PLC）的選擇 PLC 技術(shù)是工業(yè)自動化的重要手段，它可以實現(xiàn)邏輯控制、順序控制、定時、計數(shù)、算數(shù)運算、數(shù)據(jù)運算、數(shù)據(jù)通信等功能，并且具有處分支、中斷、自診斷能力。 PLC 技術(shù)的邏輯控制功能通過軟件編程來實現(xiàn)，柔性強，控制功能多，控制線路大大簡化。 PLC的輸入輸出回路均帶有光電隔離等抗干擾和過載保護措施。程序運行為周期性順序掃描和集中批處理的工作方式，具有故障檢測及診斷程序，可靠性極高。 PLC 控制系統(tǒng)為模塊結(jié)構(gòu)，維護更換方便，并可顯示故障類型。因此本文決定采用 PLC 進行，并且保持原有的操作方式、按鈕、開關(guān)的作用不變，以方便用戶，縮短適應(yīng)期。根據(jù) PLC 的技術(shù)特點又可增加一些新的功能。 S7200 系列西門子 PLC 家族中的成員之一，在西門子工控領(lǐng)域中占有重要的地位。S7200 系列 PLC 體積小，價格低廉，軟硬件功能強大，系統(tǒng)配置方便，它一推向市場就在各行各業(yè)得 到了廣泛的應(yīng)用。而 S7200 系列的產(chǎn)品可以滿足設(shè)計要求，因此本次設(shè)計以西門子公司的 S7200 系列入手。 S7200 可編程控制器（ PLC）的基本結(jié)構(gòu)如圖 21 所示。 輸入單元外設(shè)接口輸出單元擴展單元電 源中 央 處 理 單 元系 統(tǒng) 程 序 用 戶 程 序存 儲 器輸入信號輸出信號P L C 主 機 圖 21 PLC的基本結(jié)構(gòu)圖 S7200 系列西門子 PLC 的基本特點 PLC 通電后，需要對硬件和軟件做一些初始化工作。為了使 PLC 的輸出及時地響應(yīng)各種輸入信號，初始化后 PLC 要反復(fù)不停地分段處理各種不同的任務(wù)，這種周而復(fù)始的循環(huán)工作方式稱為掃描工作方式。 整個掃描過程分為 內(nèi)部處理、通信操作、程序輸入處理、程序執(zhí)行、程序輸出幾個階 10 段，全過程掃描一次所需要的時間稱為掃描周期。內(nèi)部處理階段， PLC 檢查 CPU 模塊的硬件是否正常，復(fù)位監(jiān)視定時器等。在通信服務(wù)階段， PLC 與一些智能模塊通信、響應(yīng)編程器鍵入的命令、更新編程器的顯示內(nèi)容等。當 PLC 處于停止 (STOP)狀態(tài)時，只進行內(nèi)部處理和通信操作服務(wù)等內(nèi)容。在 PLC 處于運行 (RUN)狀態(tài)時，從內(nèi)部處理、通信操作、程序輸入、程序執(zhí)行、程序輸出，一直循環(huán)掃描工作。 可編程控制器（ PLC）的誕生給工業(yè)控制帶來革命性的飛躍，與傳統(tǒng)的繼電器控制相比有著突出的特點： (1)靈活性、通用性強 繼電器控制系統(tǒng)如果工藝要求稍有變化，控制電路必須隨之作相應(yīng)的變動，所有布線和控制柜極有可能重新設(shè)計，耗時且費力然而是利用存儲在機內(nèi)的程序?qū)崿F(xiàn)各種控制功能的。因此當工藝過程改變時，只需修改程序即可，外部接線改動極小，甚至可以不必改動，其靈活性和通用性是繼電器控制電路無法比擬的。 (2)可靠性高，抗干擾能力強 繼電器控制系統(tǒng)中，由于器件的老化、脫焊、觸點的抖動以及觸點電弧等現(xiàn)象是不可避免的，大大降低了系統(tǒng)的可靠性。而在控制系統(tǒng)中，大量的開關(guān)動作是由無觸點的半導(dǎo)體電路來 完成的，加之在硬件和軟件方面都采取了強有力的措施，使產(chǎn)品具有極高的可靠性和抗干擾能力可以直接安裝在工業(yè)現(xiàn)場穩(wěn)定地工作。 PLC 在硬件方面采取電磁屏蔽、光電隔離、多級濾波等措施在軟件方面采取警戒時鐘、故障診斷、自動恢復(fù)等措施，并利用后備電池對程序和數(shù)據(jù)進行保護 ,因此被稱為“專為適應(yīng)惡劣的工業(yè)環(huán)境而設(shè)計的計算機”。 (3)編程簡單，使用方便 PLC 采用面向過程，面向問題的“自然語言”編程方式，直觀易 懂，主要采用梯形圖和語句表編寫程序，使得廣大電氣技術(shù)人員更易接納和理解。同時設(shè)計人員也可根據(jù)自己的喜好和實際應(yīng)用的要求選擇其他編程語言。標準是編程語言的標準，除了梯形圖和語句表之外，還存在順序流程圖、結(jié)構(gòu)化文本和功能塊圖三種編程語言的表達方式。一個程序的不同部分可用任何一種語言來描述，支持復(fù)雜的順序操作功能處理以及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 (4)功能強大，可擴展 PLC 的主要功能包括開關(guān)量的邏輯控制、模擬量控制部分還具備控制或模糊控制功能、數(shù)字量智能控制、數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控、通信、聯(lián)網(wǎng)及集散控制等功能。 PLC 的功能擴展也極 為方便，硬件配置相當靈活 ,根據(jù)控制要求的改變，可以隨時變動特殊功能單元的種類和個數(shù)，再相應(yīng)的修改用戶程序就可以達到變換和增加控制功能的目的。 (5)控制系統(tǒng)易于實現(xiàn)、開發(fā)工作量少