课程设计论文PLC在矿井提升机电控系统中的应用研究.doc

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1、PLC在矿井提升机电控系统中的应用研究 摘 要目前，我国提升机设备中, 交流提升机数量占大多数,我国绝大部分矿井提升机(超过80%)采用传统的交流电控系统并普遍使用TKD 系统,这种控制系统是采用继电器有触点的逻辑控制, 以磁放器为核心组成模拟量可调闸闭环调节。几十年来, 这种控制系统由于受元器件水平的限制而存在着缺陷,突出表现在: 使用大量继电器、接触器及其它分离电子元件,故障率高,可靠性差；采用磁放大器做调节控制, 稳定性差, 线性度差,调速精度很难保证；系统安全保护环节不全面, 工作不可靠, 故障显示不直观,分析查找故障难度大；这种电控系统起动和调速换挡过程中电流冲击大；属于有级调速，调

2、速性能差, 机械冲击大。 随着PLC 功能的不断完善,近年来,已有一些厂家将PLC 应用在交流提升机的改造上,主要表现在:采用PLC 逻辑替代了原来的继电器逻辑；采用电子线路替代磁放大器,对可调闸和动力制动进行调节控制；主令控制器用简单的接点耦合替代；速度信号采用了电子线路处理。引入这些技术后, 在一定程度上改善提升机的性能。关键词：PLC技术 工作闸回路 发展前景 应用范围目 录中文摘要11.引言12.传统提升机电控系统的现状和特点42.1、传统矿用提升机电力拖动系统 42.2、 传统提升机电控系统存在的不足 42.3、PLC技术应用的优缺点 53. 提升机电控系统的改造设计应用 73.1、

3、JTDK-ZN-O1S交流提升机电控系统 76 总 结 36参考文献 401.引言提升机作为矿山进行生产活动的关键设备之一，其电控调速技术的发展对促进矿井生产效率的提高和安全作业，无疑具有极其重大的影响。历经几十年发展，我国的矿井提升机电控技术取得了不少的进步，但与美国、德国等世界发达国家相比，依然存在着很大的差距。目前，发达国家的矿井提升机电控技术已全面实现了全数字控制，而国内绝大多矿井提升机电控系统还是交流串阻调速继电器接触器控制，效率低下，安全隐患多，严重制约着我国矿山产业的健康发展，急需大规模的技术改造和更新。采用全数字交流提升机电控系统对提升机电控进行设备配置，以满足正常提升的需要。

4、该系统采用技术先进、性能可靠的原装进口可编程控制器，运用RS485串行通讯方式实现了系统间的相互通讯，适用于矿山竖井，斜井或其他要求提升的场所中，用于绕线式交流电动机拖动的各种型号的提升机，是改造矿井和新建矿井选型的理想设备，对于提高矿井自动化、安全保障能力，以及矿井现代化管理水平具有十分重要的现实意义。2.传统提升机电控系统的现状2.1传统矿用提升机电力拖动系统交流绕线型异步电动机拖动是矿井提升机电力拖动发展的第一阶段,大体在20 世纪50 年代至60 年代初,采用的是“异步电机+ 转子串电阻加速+ 高压接触器换向+ 动力制动(或低频拖动减速) + 继电器控制”方式进行调速,用交流接触器进行

5、速度段切换,这种调速方式在低同步状态没有制动力矩,而提升工艺要求拖动系统在低速爬行段能够工作在制动状态(下放重物)或电动状态(提升重物)。发电机- 电动机直流拖动与绕线型异步电动机交流拖动同属第一发展阶段。一般采用“发电机- 电动机机组+ 继电器控制”的方式。由于绕线型异步电动机的调速性能不够理想,所以在20世纪50 年代和60 年代初,人们便开始采用这种拖动方式。直流电动机的机械特性为直线,较之交流电动机而言,调速性能更好,工作更加可靠。系统的主提升电动机为他励式直流电动机,由同步电动机驱动的直流发电机对其直接供电,通过改变直流发电机的励磁大小来改变直流电动机电枢两端的电压,从而改变电动机的

6、转速,达到了提升机的调速目的。2.2 传统提升机电控系统存在的不足绕线型异步电动机转子回路串电阻后能限制起动电流和提高起动转矩,并能在一定范围内调速。具有结构简单,坚固耐用,建筑面积小,维护方便,价格低廉,安装调试方便等优点。缺点是启动阶段电能损耗较大,当用于要求频繁启动或不同运行速度的多水平提升机时,问题就更为突出,但用于单水平深井提升时,提升效率与用发电机组供电的直流拖动系统相当。挡位调节，调速不连续，运行中机械振动大，矿车冲击大，制动不安全。启动及换挡时冲击电流大，启动电流一般是额定电流的1.7倍，有时会更大，如果加速快，甚至回引起总开关跳闸。调速时大量的电能消耗在电阻上，浪费严重，造成

7、工作环境恶劣，空间噪音大。维修量大，不方便，由于操作时交流接触器频繁动作，易造成触点及线圈的烧坏，转子更换碳刷频繁.耽误生产,矿井生产是24小时连续工作，生产量大,任务繁重,由于电控系统设计落后,制造工艺落后,即使短时间的停机维修也会给生产带来很大损失。此外,由于靠切除转子回路电阻进行调速,所以系统的调速性能不好,调速范围小且为有级调速。如果选用了动力制动、低频制动、可调机械闸、负荷测量、计量装载等辅助装置后,运行性能将会大有改进。因此,在这一阶段,矿井提升机多采用绕线型异步电动机进行拖动。目前，我国提升机设备中, 交流提升机数量占大多数,我国绝大部分矿井提升机(超过80%)采用传统的交流电控

8、系统并普遍使用TKD 系统,这种控制系统是采用继电器有触点的逻辑控制, 以磁放器为核心组成模拟量可调闸闭环调节。几十年来, 这种控制系统由于受元器件水平的限制而存在着缺陷,突出表现在: 使用大量继电器、接触器及其它分离电子元件,故障率高,可靠性差；采用磁放大器做调节控制, 稳定性差, 线性度差,调速精度很难保证；系统安全保护环节不全面, 工作不可靠, 故障显示不直观,分析查找故障难度大；这种电控系统起动和调速换挡过程中电流冲击大；属于有级调速，调速性能差, 机械冲击大。2.3 PLC技术应用的优缺点 随着PLC 功能的不断完善,近年来,已有一些厂家将PLC 应用在交流提升机的改造上,主要表现在

9、:采用PLC 逻辑替代了原来的继电器逻辑；采用电子线路替代磁放大器,对可调闸和动力制动进行调节控制；主令控制器用简单的接点耦合替代；速度信号采用了电子线路处理。引入这些技术后, 在一定程度上改善提升机的性能,但也存在不少缺陷,主要问题有:外围硬件过多, 没有充分发挥PLC 软件功能,装置容易出现故障和产生不稳定；简单耦合的主令控制器可靠性差,容易造成开车控制上的重大错误；对速度检测增加中间有源环节, 容易造成速度检测的不真实性,甚至出现错误的速度检测值。减速点等关键点设置太少,留有重大隐患；没有良好的调节控制程序,调速性能不理想。3. 提升机电控系统的改造设计应用平煤集团四矿一水平主井提升设备

10、设计生产于上世纪5060年代的建矿初期，随着科学技术水平的不断发展，有些设计已经显得落后，安全保护设施也不全面，老的元器件无法购买备件。由于矿井生产压力大，运行负荷较重，多年的长时间大负荷运行，机械设备损伤比较严重；电控设备更新换代很快，老的设计已经淘汰，新的技术不断应用，设备安全可靠性、控制性能、节能效果已经有了质的飞跃，针对老的高压交流提升机设备也有了完善可靠的改造方案，因此，从设备的更新换代、节能提效等方面考虑，现有设备都有改造的必要。随着生产力水平的不断提高，目前的提升速度、安全保护装备已经不能满足原煤生产的需要，是限制矿井进一步提高煤炭产量的瓶颈，急需提高提升效率，加大提升量。改造所

11、使用设备为电控设备由焦作华飞电子电器股份有限公司生产的JTDK-ZN-O1S交流提升机电控系统成套设备，机械设备由洛阳中信公司生产。3.1 JTDK-ZN-O1S交流提升机电控系统JTDK-ZN-01S交流提升机电控系统由主控台、高压换向柜、可控硅调速柜、低频电源柜组成。主要控制环节采用两台高可靠性进口工业计算机，完善地解决了安全回路双线制问题。主要控制功能按冗余原则设计，电磁兼容性按GB/T17626（IEC801）进行设计和试验，面板显示用触摸式彩色液晶显示屏显示各种静态、动态提升参数和速度图、力图等各种工作曲线。配以我公司研制的YTX型语言报警板、CL-1型电流检测模块、KD-03型可调

12、闸动力制动模块等技术成果，形成的产品具有逻辑电路可编程、安全回路双线制、执行器件模块化、参数显示用彩屏、低频电源全数字、报警内容语言化、给定测速程序化、执行器件电子化等八大特点。适用于矿山竖井、斜井等以绕线转子交流电动机拖动的各种型号提升机。在多绳、多水平、双机、斜井、多定位等复杂的运行场合，其优越的工作性能尤其突出。3.1.1 主要设备采用全数字交流提升机电控系统对提升机电控进行设备配置，以满足正常提升的需要。该系统采用技术先进、性能可靠的原装进口可编程控制器，运用RS485串行通讯方式实现了系统间的相互通讯，适用于矿山竖井，斜井或其他要求提升的场所中，用于绕线式交流电动机拖动的各种型号的提

13、升机，是改造矿井和新建矿井选型的理想设备，对于提高矿井自动化、安全保障能力，以及矿井现代化管理水平具有十分重要的现实意义。主要设备包括：主控台、信号台、换向智能站、调速智能站及必要的安装配件。其硬件配置如下图（图3-2虚线框内为主要设备的配置）。图3-1a 硬件配置图图3-1b 硬件配置图3.1.2 系统硬件说明1）、智能型全数字交流主控台（如图3-2）图3-2 交流电控主控台主控台是该电控系统的控制中心，该设备采用操作台式结构，除位置、速度、温度、压力、电流等必要的信号采集传感器和终端执行设备外，所有控制回路全部集中于操作台中。司机可操作主控台上的开关及按钮来控制提升机运行，并通过指示灯和人

14、机界面及时了解提升机的运行状态及运行参数。主控部分采用技术先进、性能可靠的日本三菱公司的FX2N型可编程控制器，按“安全回路双线制”的设计原则，配以我公司研制生产的多种检测控制模块完成了提升机运行过程中应有的逻辑控制、时间和速度控制，具有按行程的速度给定、PID速度闭环控制、各种情况下的安全保护、自动化开车控制功能及各种工作状态显示。本主控台具有逻辑编程简单，安全保护可靠、状态显示齐全、语言报警等功能。采用该设备后可省去老电控系统中的逻辑控制屏；专用操作台；凸轮板给定装置；测速发电机；后备保护装置；车房信号台等。2）、智能型高压换向电制动切换柜（如图3-3）图3-3 JTDK-ZN-GHZ 型

15、高压换向电制动切换柜本设备用于用于高压电源与电制动电源的切换，采用RS485通讯方式实现了与主控台的通讯。本设备内设一台PLC，可以方便地对高低压换向接触器的各种试验，有效地节约了查找故障的时间。并在线路设计上采用了双重化可靠设计：主电路的断开必须经过相互串联的两个接触器的主触头以保证电路的可靠断开。正反接触器之间有电气联锁、机械联锁及程序闭锁，从而防止了相与相之间的短路；工频高压回路与电制动回路之间有电气联锁、机械联锁及程序闭锁，从而防止了高压电串入电制动回路。3）、智能型可控硅调速柜（如图3-4）图3-4 JTDK-ZN-SCR 型可控硅加速柜本装置与金属电阻配合使用。当绞车起动加速运行时

16、，由主控台PLC发出信号，通过RS485通讯方式传送至可控硅加速柜的PLC，由PLC直接驱动可控硅加速柜的可控硅动作，以达到对电机转子回路电阻的自动切换，实现电机启动、调速、制动的目的。其主回路每段采用三只单向可控硅构成的三角形接法。并具有过电压和超温保护。本设备具有接线简单之优点，整套设备的控制线只有一根三相四线制的电源线和一根屏蔽线（屏蔽线我公司发货时配发）。4）、可控硅动力制动电源柜（如图3-5）图3-5 JTDK-PC-ZDY 型动力制动电源柜本设备主要用于交流提升机电控系统，作为主电机在能耗制动状态运行时的直流电源。当提升机运行到减速段时，主控台根据实际速度和给定速度的偏差，向动力制

17、动电源柜发出控制信号，该设备自动调整输出电流的大小，以改变制动力矩的强弱，使电机运行在能耗制动状态，达到制动的目的。5）、高压馈电开关柜6KV双回路供电，分别引自变电所两路6KV母线。手车式结构，具有手动和电动两种分合闸方式。6）、低压电源柜（如图3-6）图3-6 JTDK-DYG 型低压电源柜低压电源柜用于提升机辅助设备的AC380/220V配电。双回路进线，各进、出回路配置有保护装置和工作指示，并为起重机、电焊机、室内照明供电。用途： 是提升机电控系统的配套设备，主要用于向主控台及其他设备提供所需电源。特点：具有过压和过流保护功能，安全可靠，结构简单，操作方便。7）、附件轴编码器两套：采用

18、进口产品，分别安装在提升机的低速轴和高速轴上，用来测量提升机的行程和速度，具有很高的测量精度。同时测量、对比结果后进行相关的控制。压力变送器两套：一个用于测量制动油压，测量范围010MPa，一个用于测量润滑油压，测量范围01MPa，将相关的压力值转化为电信号，传送到主控台，参与控制。管径为M201.5螺纹，直接安装在供油管路中。到位开关四套：为提升机的到位信号，具有感应信号强、感应距离远等特点。深指信号传感器一个及感应磁块一套。手持式编程器一个（日本三菱公司产品），用于修改参数和输入程序。3.1.3 主要技术特征1）、现场总线技术 系统采用了RS485串行通讯的现场总线技术，仅用一根屏蔽线即可

19、完成通讯功能，实现了控制的智能化。在提高系统可靠性的同时，省去了大量的控制接线，具有安装调试简单，使用维护方便等一系列优点。2）、全数字化设计将轴编码器应用于绞车电控，实现数字化的行程、速度、给定、油压等，其中数字化的主令控制器和手闸控制器具有控制准确、操作方便、故障率低等特点。3）、软件化的设计 本系统运用软件化的设计思想，能用软件实现的功能，决不用硬件，提高了系统的稳定性，大大减少了系统的硬件故障。4）、模块化设计 本系统运用模块化的设计思想，将系统多个功能集成为不同的电路模块，如语言报警模块、可调闸模块、电流检测模块、功率检测模块、电源模块等，缩短了故障的处理时间。5）、冗余化设计 采用

20、性能优越的进口可编程控制器作为主要控制器件，两套PLC相互冗余，构成安全回路双线制，且I/O冗余量不低于20%。6）、抗干扰设计 按照抗干扰的设计原则，在输入、输出、电源等方面有针对性地实施了抗干扰措施，完全符合GB/T17626电磁兼容性要求，整套系统独家通过电兼容性试验，使得系统安全可靠。7）、完善的防雷系统 主控台内设置有完善的防雷系统，采用德国OBO公司设计生产的防雷器，有效地提高了系统抵抗自然灾害的能力。8）、工业控制人机界面将工业显示屏应用于电控系统，显示绞车的各种静、动态参数，如速度、行程、油压、速度图、力图、打点次数及各种开关量的状态，可对系统进行在线技术支持和远程故障诊断。此

21、外显示屏中设置了故障记忆和故障态，以便查寻提升机的故障状态和故障原因，方便简洁。9）、UPS电源 采用具有正弦波特性、功率容量充分大的不间断电源为控制回路供电，保证了系统电磁兼容性指标的实现；当发生突然停电，保证了二级制动的有效性。10）、语言报警 本系统设计了安全回路控制接点动作记忆电路，一旦安全回路动作，引起动作的各种故障被记忆下来，并连续不断地用语言播放故障位置，大大缩短了故障的查找时间。11）、多种运行方式 提升系统能完成提升机手动、自动、检修等各种运行方式的控制要求。6.总 结交流电控系统特点适用于绕线转子交流电动机所有控制过程均由主控台完成主控回路采用操作台式结构，除位置、速度、压

22、力、温度、电流等必要的信号采集传感器和终端执行设备外，所有控制回路均装到操作台中。常规设计的系统中原来附设的控制柜(屏)、测速发电机、给定自整角机和凸轮板、磁放大器、交流稳压电源、后备保护、信号屏、温度检测仪、安全回路动作记忆、松绳煤位继电器、反转滑绳保护装置等全部不再需要，大大简化了现场设备,也减少了故障产生的几率和维护工作量。可靠小巧的高压换向柜决定系统运行可靠性的一台很重要设备-高压换向控制柜，在经过大量研究和经验总结后，成功的解决了：1、常规器件形成的主回路的多断点；2、正反向和高低压机械闭锁；3、频繁动作不会使真空度下降的主触头；4、真空接触器引起的截流过电压；5、真空触头无流分断直

23、流或低频电流；6、高度可靠的辅助接点；7、真空接触器机械部分及辅助器件的可靠性。使得真空接触器使用于高压矿井交流提升机定子回路变成了现实。真正无环流低频电源系统中的低频电源采用16位单片机80C196KC作CPU，具有控制精度高、输出波形好的优点。该电源是真正的交、交无环流系统，使用中不需要再考虑任何环流抑制措施。高度可靠的无触点开关调速柜切换各级电阻是采用SCR无触点开关，可靠性非常高，使得影响交流提升机电控可靠性指标的主要瓶颈得以很好的解决。另外，切换时采用常规的连续切换方案，使得现场维护人员能按正常思维方式处理提升机电控问题。较之编码控制方案，不仅控制精度高、结构简单、能保证上级扩展下级

24、的安全要求，而且符合常规控制方式，便于使用维护。特点:1、按现场电控系统使用惯例，采用与常规设计方法一致的8级连续切换控制方案，具有如下优点：、电控系统调速工作过程与常规一致，因而符合现场机电管理和维护人员的思维方式，不背离常规电控原理，使得处理问题时分析方法简单明快。而编码方式在分析每一级时都要经过计算才能得出结果，因而分析问题困难。、按常规逐级配备电阻，因而各级金属电阻阻值精密、准确。改造时直接接到原位置，不重新配置电阻。而编码方式是用很少的几段电阻经过串联和并联的方式完成电阻的选配，故而很难准确地配置各段电阻，当然也难以保证各级的加速特性。特别是对原计算出来似的阻值要重新选配增加了不少麻

25、烦。2、具有各级SCR开关动作的控制和显示，符合提升机前级控制后级的要求，满足了提升安全和设备可靠性的要求。而编码方式是根本做不到此要求的。3、采用三只SCR环形联接形成每一级的方式（日本三菱公司的固定模式）短接转子电阻，使得每一级使用器件减少一半，从而使得故障率降低，使用维护容易，提高了系统的可靠性。而在编码方式中，使用了36只SCR才完成了6段，元件数量的增加势必导致故障率（的5级是15只SCR，8级是24只SCR，10级是30只SCR）。4、在SCR器件的触发控制方式上，采用高于额定值5倍的强脉冲触发，使得器件触发可靠，杜绝了因器件的di/dt（电流上升率）问题而造成的器件损坏和控制的延

26、迟。而编码方式是用经变压器降压、全桥整流后的直流触发电路。因而容易造成器件的损坏和控制的延迟。5、在SCR器件的选用上，采用不小于3倍的裕量，使得器件工作时发热量很低，也相应地提高了设备的可靠性。另外还配备了智能冷却系统，当某部分SCR温度高时，会自动使风扇运行。6、具有过电压吸收器件，进一步保证了可靠性。连续调速的全数字斩波调速将大功率斩波调速技术使用于矿井提升机电控设备。系统采用高压大功率快速晶闸管全数字斩波技术对大功率绕线转子交流电动机进行连续的无级调速，使得控制特性平稳、连续，大大减少了对系统中机械部分的冲击,也提高了电控系统的可靠性。此次改造，采用目前国内最先进的交流电控设备，实现提

27、升机的平稳调速控制；完善全数字PID控制、保护；简化了现场设备,也减少了故障产生的几率和维护工作量；减少了对系统中机械部分的冲击振动,延长了设备的使用寿命；也提高了电控系统的可靠性；而老的电控系统可以作为在新系统有故障时的备用系统使用；在现场使用过程中又结合实际进行了部分改造,充分利用现有资源，提高了经济效益，在装备水平、安全可靠性等方面都达到了一个全新的高度。参 考 文 献1.顾永辉等 煤矿电工手册（修订本）第三分册 煤矿固定设备电力拖动，煤炭工业出版社 19992.顾永辉等 煤矿电工手册（修订本）第一分册 电机及电器，煤炭工业出版社 19993.矿山电力拖动与控制 煤炭工业出版社 2002

28、4.王清灵 现代矿井提升机电控系统 机械工业出版社 1996 5.余发山 国内外矿井提升机的现状与发展 煤炭机电，1995 6.易建湘 提升机全自动电气控制系统 有色金属，2001 7.李敬兆 王清灵.矿井提升机计算机监控系统.煤炭科学技术 8.苏红卫.提升机数字式监控器的研究.矿山机械，1999 9.马健 矿井提升机变频调速系统数学模型的建立及仿真研究 焦作工学院学报 1999 10.卢燕 PLC与提升机电控系统 .矿山机械，199911.张耀成 李向真.用PLC 改造矿井提升机控制系统.矿业安全与环保12.矿井提升机故障处理和技术改造 机械工业出版社 200513.余发山等 自动控制系统 中国矿业大学出版社 200514.陈玉宏 胡学敏 自动控制原理 重庆大学出版社 199715.张兢 电路 重庆大学出版社 200316.王艳秋 电机及电力拖动 化学工业出版社 200117.煤矿安全规程煤炭工业出版社 2007版