畢業論文--基于plc的礦井提升機變頻調速控制系統設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 利用 PLC 的高速計數功能網絡通信功能故障檢測及診斷功能信號顯示功能等來增加一些新的控制功能安全性將大大提高運行將更加平穩準確完全能夠滿足礦山生產的苛刻要求而且投資相對較少性價比較高具有很強的實用價值 調速裝置 礦井提升機從電力拖動而言可分為交流拖動和直流拖動兩大類我國目前正在服務的礦井提升機的電控系統中屬于交流拖動的有轉子電路串電阻的調速系統屬于直流拖動的有直流 發電機與直流電動機組成的 GM 調速系統和晶閘管整流裝置供電的 VM 調速系統 直流拖動系統一般采用他勵電動機作為主拖動電機它具有調速性能好低速階段運行穩定在加速減速和低速運行時的電耗小容易實現自動化控制等優點根據供電方式的不同直流拖動系統又可分為兩類一類是發電機組供電的系統 簡稱GM 系統 一類是晶閘管供電的系統 簡稱 VM 系統 GM 系統的特點是過載能力強所需設備均為常規定型產品供貨容易運行可靠維護工作量大但是技術要求不高對系統以外的電網不會造成有害的影響即不會引起電力公害等 與 GM系統相比 VM系統具 有以下優點功率放大倍數高 GM系統的功率放大倍數在 101 左右 VM 系統可高達 104 比 GM 系統高三個數量級快速響應性好 GM系統為秒級 VM為毫秒級因而動態品質快速性能較好功耗小效率高 GM系統平均效率為 75 左右 VM 系統可達 85 左右比 GM 系統效率提高 10 以上調速范圍大由于剩磁影響 GM系統在調速時轉速受到限制而 VM系統調速時速度從零到最大速度都能控制運行可靠 直流拖動系統具有調速性能好的特點是交流拖動系統無法相比的而 VM 系統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 VM系統為主但是根據國內生產實踐經驗表明 VM系統尚存在以下缺點 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量使元件作串聯或并聯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范圍內不致由于出現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也較低 目前在我國使用的多繩摩擦輪提升機 GM 直流拖動占一定比例而進口的直流拖動提升系統則全部采用 VMPLC 控制的大功率礦井提升機變頻調速控制系統由主控系統變頻系統液壓站潤滑站操作臺安全保護和控制監視系統組成系統框圖如圖 23 所示各部分功能如下 23 提升機控制系統框圖 1 主控系統 圖 23 為提升機控制系統框圖系統的主控系統采用三菱 FX2N 系列的可編程控制器一備一用當主 PLC發生故障的時候可以迅速切換備用 PLC不影響生產使用PLC 集成高速計數輸入口以及特殊高速計數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據進行采集同時監視速度深度以及判斷松繩 AD 模塊采集現 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 穩定運行的要求 2 變頻調速系統 調速系統采用德國制造西門子變頻器性能優越采用矢量控制技術適合提升機工作環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場的各 種信號傳感器的監視及相應處理可實現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程要求在變頻器系統中輸出閘控信號到 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生溜車現象 3 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安全可靠地工作 4 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的控制核心通過它可以設定系統 的工作方式和控制方式可以發布系統的各種控制命令以實現對提升機啟動加速平穩運行減速停車以及緊急制動等各種控制功能 5 控制監視系統 是操作人員和控制系統及運輸系統之間的橋梁它可以在線監測提升機運輸系統的各種工作參數工作狀態故障參數和故障狀態 6 安全保護 本系統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無論 PLC單元是否正常工作一旦出現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故障及自動限速等保護功能 控制系統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 AD 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視器可以時時顯示提升機速度和位置 第 3 章 變頻調速系統的設計 31 變頻調速的發展及在提升機系統中的應用 傳統調速系統中直流調速以其控制容易調速精度高等特點長期占據了主導地位但是由于結構復雜過流能力不強環境適應差難以實現高速度化等原因一直限制了其應用范圍的進一步擴大相比較而言交流異步電機具有環境適應能力強過流能力大牢固耐用結構簡單容易維護及價格低廉等優點但異步電機的調速性能 難以滿足生產要求隨著電力電子器件的產生和控制理論的飛速發展現代控制理論越來越多的應用到交流調速系統中使得交流調速性能可以和直流調速相媲美相競爭交流調速系統的應用領域不斷擴大近年來電力電子技術的發展和 DSP微處理器的推出更為高性能交流調速系統的實現奠定了基礎目前已經進入了實用化階段作為眾多調速方案之一的變頻調速其發展不超過 40 年卻取得了長足的進步變頻調速以其節能和可平滑調速調速范圍寬等優點得到了廣泛的應用 交流電動機變頻調速控制技術大體經歷了以下幾個發展階段 第一個階段為電壓頻率 Uf150 確保低速爬行時的啟動與運行特性輸出頻率跟隨給定頻率并且頻率與電流值可準確指示出來從而使傳動系統獲得高精度高可靠性采用直接轉矩控制可改善低頻特性普通變頻器雖然可以輸出較低的頻率但輸出力矩小特性較軟應用于提升位能負載時起動瞬間總要溜車采用特殊的軟件編程改善低頻特性即使在輸出 0Hz的情況下也能輸出 200的負載力矩達到了在整個運行過程都能輸出滿足負載要求的力矩完全避免了重載坡起時溜車的現象 提升機使用變頻調 速控制具有下列優點 1 調速平滑調速范圍大通過控制器的控制變頻器的輸出頻率可以連續調節實現無級調速使電動機起動電流小動負荷小調速平滑而無沖擊 2 調速精度高電動機在自然特性上運轉時的外特性硬轉速隨負載變化小 3 動態品質好可使提升機的起動制動反轉和調速過程的時間降至最少具有良好的動態品質 4 易實現電動機的換向當頻率降低至零后即可反向開車采用控制器改變相序即可實現反轉因此可在四象限內平滑的過渡 5 節電效果顯著變頻調速比轉子回路串接電阻的調速方法節約電能 20～40 32 變頻調速基本原理 由電機學的基本公式 41 式中電動機定子繞組的磁極對數 p 一定改變電源頻率 f 即可改變電動機同步轉速異步電動機的實際轉速總低于同步轉速而且隨著同步轉速而變化電源頻率增加同步轉速 n0 也增加實際轉速也增加電源頻率下降同步轉速 n0 也下降電機轉速也降低這種通過改變電源頻率實現的速度調節過程稱為變頻調速 在變頻調速領域異步電機的控制方式多種多樣但從轉矩的響應性和過渡特性來看變頻調速的控制方式分為以下幾種 1VF 控制 VF 控制是交流電機最簡單的一種控制方法通過控制過程中始終保持 VF 為常數來保證轉子磁通的恒定然而 VF 控 制是一種開環的控制方式速度動態特性較差電機轉矩利用率低控制參數 如加減速度等 還需要根據負載的不同來進行相應的調整特別是低速時由于定子電阻和逆變器等器件開關延時的存在系統可能會發生不穩定現象這種控制方式多用于調速精度不高的場所 2 轉差頻率控制 轉差頻率控制是檢測異步電動機的轉速對轉差頻率采取閉環控制與 VF 控制相比調速精度要求較高且系統容易穩定即能在寬廣的調速范圍內將電動機的轉矩功率因數及效率控制在最佳狀態但是采用此法的電動機調速系統只能是單機運行同時轉差頻率控制未能實施對電機瞬時轉矩的閉環控制盡管這種系統的 靜態精度較高但由于快速性較差故適用于對響應的快速性要求不高的系統 3 矢量控制 矢量控制是一種建立在轉子磁鏈定向的基礎上通過一系列的坐標變換實現電機定子電流轉矩分量和磁通分量的解耦的控制方法可以將作為控制對象的感應電機當作直流電機來進行控制實現對瞬時轉矩的控制目前實用中多采用轉差頻率矢量控制由于其沒有實現直接磁通的閉環控制無需檢測出磁通因而容易實現但是其控制器的設計在某種程度上依賴于電機的參數為了減少控制上對電機參數的敏感性已經提出了許多參數辨識參數補償和參數自適應方案收到了較好的效果 4 直接轉矩控制 直接轉矩控制 DTC 也是一種轉矩閉環控制方法其克服了坐標變換和解耦運算的復雜性直接對轉矩進行控制通過轉矩誤差磁通控制誤差按一定的原則選擇逆變器開關狀態控制施加在定子端的三相電壓調節電機的轉速和輸出功率達到控制電機轉速的目的由于 DTC 直接著眼于轉矩控制對轉子參數變化表現為狀態干擾而非參數干擾 DTC方法比矢量控制方法具有較高的魯棒性但是 DTC也存在不足之處其最大的困難就在于低速性能不理想 33 變頻器的選擇 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這就要求通用變頻器有足夠的低頻轉矩提升能力和短時過流能力但當低速時負載較重的情況下為提高轉矩提升能力而使電壓補償提的過高往往容易引起過電流保護動作選型時應充分考慮這些情況必要時應將通用變頻器的容量提高一檔或者采用具有矢量控制或直接轉矩控制的通用變頻器采用矢量控制或直接轉矩控制通用變頻可以在不過電流的情況下提供較大的起動轉矩對于升降類恒轉矩負載如提升機電梯等這類負載的特點是啟動時沖擊電流大在其下降過程中需要一定制動轉矩同時會有能量回饋因此要求變頻 器有一定余量 系統設計時應注意適當增大異步電動機的容量或增大通用變頻器的容量通用變頻器的容量一般取 11～ 15 倍異步電動機的容量 的選型 提升機普遍選用帶低速轉矩提升功能的電壓型變頻器如日本的安川三菱富士德國的西門子及丹麥的丹佛斯等本系統選用西門子 6SE70 變頻器西門子變頻器具有較合理的價格完整的理論計算書及輔件推薦值有利于用戶合理選用 6SE07 系列變頻器是具有多種可供選擇接線方式的設備有將整流部分與逆變部分裝于一體的變頻器用于變頻器的制動電阻和制動單元單獨的整流單元整流回饋單元和單獨的逆變器制動運 行的方式對于不經常制動的設備可以選擇變頻器制動單元制動電阻的方式對于經常制動的設備采用整流回饋單元向公共直流母線供電再由直流母線向多臺逆變器供電對于不同時制動的逆變器可以在直流母線上交換能量當制動功率大時從回饋單元向電網回饋能量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 6SE7O 系列變頻器具有多種控制方式可以設定為 VVVF 控制開環矢量控制閉環矢量控制中的一種閉環矢量控制的性能最好必須接入測速裝置 6SE70 系列變頻器的所有設備