自動化畢業(yè)論文DOC

1、畢 業(yè) 設(shè) 計 （論文）說 明 書 設(shè)計題目：數(shù)控技術(shù)在礦井提升機系統(tǒng)中的應(yīng)用 專業(yè) 函 授 站： 新汶礦業(yè)職工大學(xué) 班級： 10自動化控制專業(yè) 設(shè) 計 人： 李昆侖 山東科技大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院年 月 日山 東 科 技 大 學(xué)繼續(xù)教育畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書 發(fā)給 自動化控制 專業(yè) 10 級 班學(xué)生 李昆侖 一、 畢業(yè)設(shè)計題目： 數(shù)控技術(shù)在礦井提升機系統(tǒng)中的應(yīng)用 二、設(shè) 計 專 題： 數(shù)控提升機的電控系統(tǒng) 三、設(shè)計原始資料： SIMATIC STEP7系統(tǒng)編程軟件和6RA70調(diào)試軟件 提升機的控制模型 四、設(shè)計應(yīng)解決下列各主要問題: 1、建立了提升機的控制模型 2、對提升機驅(qū)動系統(tǒng)控制及應(yīng)用 五、設(shè)計說明

2、書應(yīng)附有下列圖紙： 1、 副井高壓配電圖 2、副井液壓站原理圖 六、命題發(fā)出日期： 設(shè)計應(yīng)完成日期： 設(shè)計指導(dǎo)人（簽章）： 系 主 任（簽章）： 院 長（簽章）： 指導(dǎo)教師對畢業(yè)設(shè)計的評語 指導(dǎo)教師（簽章：） 年 月 日特 邀 評 閱 人 意 見 評閱人（簽章：） 職 稱（簽章：） 年 月 日答辯（考試）委員會鑒定意見答辯（考 試）成績： 鑒 定 意 見： 主 任（簽章：） 副主任（簽章：） 年 月 日摘 要本文在分析礦井提升直流傳動全數(shù)字控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，建立了提升機的控制模型，確定了直流提升系統(tǒng)的整體控制方案，進一步研究了部分子系統(tǒng)的功能開發(fā)，設(shè)計了整套硬件電路，開發(fā)了整套控制系統(tǒng)軟件，根

3、據(jù)現(xiàn)場使用狀況條件進行了運行調(diào)試。重點對提升控制工藝的研究開發(fā)，使用SIMATIC STEP7系統(tǒng)編程軟件和6RA70調(diào)試軟件，運用提升系統(tǒng)控制基本原理，建立了實驗開發(fā)模型，達到了對提升機驅(qū)動系統(tǒng)控制及應(yīng)用。研究、開發(fā)一套由高壓開關(guān)柜、整流變壓器、電樞整流柜、司機控制臺、PLC柜、輔助柜、低壓配電柜、上位監(jiān)視機、高速直流電動機組成的TSA型全數(shù)字自動化副井提升電控系統(tǒng)。數(shù)控提升機的電控系統(tǒng)主要包括主控、驅(qū)動控制、監(jiān)控、井筒信號、制動控制、人機對話、顯示、硬件安全回路及其它子系統(tǒng)等硬件和軟件。關(guān)鍵詞： 數(shù)字化 ；現(xiàn)場總線 ；提升機 ；電控系統(tǒng) ；直流傳動目錄1 緒論··

4、83;·················································

5、83;··8 1.1礦井提升直流傳動全數(shù)字控制技術(shù)研究的必要性和研究意義 ·················81.2 礦井提升直流傳動全數(shù)字控制技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景····················&#

6、183;81.3 本文主要研究內(nèi)容···············································&

7、#183;·····92 礦井提升直流傳動理論分析····································102.1直流傳動系統(tǒng)概述···

8、83;·················································102

9、.2直流傳動系統(tǒng)的調(diào)速方案···············································112.3

10、 礦井提升機電氣傳動裝置··············································112.4 電氣傳動的計

11、算機控制·················································13

12、3 數(shù)控化提升機系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計····································143.1系統(tǒng)功能設(shè)計··········

13、;···············································143.2 硬件總體設(shè)計·

14、;··················································

15、;······213.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計··········································

16、;···············234 數(shù)控化提升機電控系統(tǒng)在煤礦的運用····························274.1副井概述··

17、··················································

18、·········274.2 改造研發(fā)內(nèi)容·······································

19、··················274.3 主要經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)、項目最終目標(biāo)····························

20、83;·········304.4研究、開發(fā)或?qū)嵤┘夹g(shù)路線·····································

21、3;·······305數(shù)控化提升機系統(tǒng)運行效果····································32致 謝···&#

22、183;·················································&#

23、183;··········33參 考 文 獻······································

24、;·······················341 緒論1.1礦井提升直流傳動全數(shù)字控制技術(shù)研究的必要性和研究意義 目前我國提升機設(shè)備的制造和技術(shù)水平遠遠落后于世界提升機的發(fā)展水平，無論在硬件還是軟件上都有較大差距。國內(nèi)提升機電控系統(tǒng)設(shè)備技術(shù)水平較國外還有較大差距。數(shù)字化電控設(shè)備雖然已有部分產(chǎn)品，但尚未實現(xiàn)系列化、系統(tǒng)化、規(guī)?；Ｔ谔嵘龣C數(shù)控技術(shù)上仍處于學(xué)習(xí)發(fā)展階

25、段，多為消化吸收國外的成熟技術(shù)，技術(shù)相對較簡單的軟硬件已能夠設(shè)計編制，但一些關(guān)鍵軟件技術(shù)如驅(qū)動控制等尚未有較大突破若使用還需購買，生產(chǎn)的較高檔電控設(shè)備的硬件多為國外公司的成熟產(chǎn)品。國內(nèi)產(chǎn)品尚未達到國外八十年代末的技術(shù)水平。德國SIEMENS（西門子）公司和瑞典ABB公司是世界提升機電控設(shè)備生產(chǎn)領(lǐng)域的兩大主要公司，代表了提升機電控技術(shù)和裝備的世界先進水平。他們均生產(chǎn)系列化的提升機直流和交流驅(qū)動數(shù)據(jù)化電控設(shè)備，德國SIEMENS（西門子）公司的代表產(chǎn)品為SIMATIC S5系列（用于主控、制動控制、井筒信號等）和 SIMADYN D 系列（用于驅(qū)動控制和監(jiān)控）；瑞典ABB公司代表產(chǎn)品為MASTER

26、 PIECE系列（用于主控和監(jiān)控）、PRIDE系列（用于直流驅(qū)動控制）和TCDC系列（用于交交變頻交流驅(qū)動控制）。對應(yīng)于硬件設(shè)備，兩公司開發(fā)了適應(yīng)不同系統(tǒng)要求的模塊化、系列化、易讀、易編的專用程序軟件。該系統(tǒng)不僅可用于煤炭、冶金行業(yè)的提升機系統(tǒng)，還可廣泛應(yīng)用于有驅(qū)動控制的領(lǐng)域及許多過程控制需要的場合，不僅可以成套使用，還可以根據(jù)實際情況使用某些系統(tǒng)，前景十分廣闊，國外進口設(shè)備不僅價格高，而且技術(shù)服務(wù)和配件購置不方便；國內(nèi)數(shù)控設(shè)備有取代國外數(shù)控設(shè)備的趨勢。對提高我國提升機等領(lǐng)域的技術(shù)水平和經(jīng)濟效益具有重要意義。1.2 礦井提升直流傳動全數(shù)字控制技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景提升機是承擔(dān)礦山人員和物料提升

27、任務(wù)的關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備，是礦山井上下聯(lián)系的咽喉，是礦井中技術(shù)含量最高的設(shè)備之一，也是實現(xiàn)礦井生產(chǎn)和效益目標(biāo)的保證。80年代PLC在工業(yè)領(lǐng)域已成熟使用，數(shù)字化驅(qū)動技術(shù)在80年代末90年代初形成，隨著數(shù)控技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展，以及PLC產(chǎn)品在提升機領(lǐng)域的應(yīng)用。世界先進的提升機已實現(xiàn)電控系統(tǒng)的全數(shù)字化控制，硬件和軟件都有成熟的、系列化的產(chǎn)品。如美國GE公司。提升機的主控系統(tǒng)、驅(qū)動控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、制動控制系統(tǒng)、井筒信號系統(tǒng)、定量控制、井筒通訊等已完全實現(xiàn)數(shù)控化。德國SIEMENS（西門子）公司和瑞典ABB公司是世界提升機電控設(shè)備生產(chǎn)領(lǐng)域的兩大主要公司，代表了提升機電控技術(shù)和裝備的世界先進水平。我國提升機大

28、部分使用模擬控制，模擬提升機的主控系統(tǒng)采用繼電器控制，觸點多，接線復(fù)雜，故障率高，維護困難；驅(qū)動控制系統(tǒng)采用直流發(fā)電機組拖動，無功電耗較大；保護系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等的信號采集采用機械傳動、分離元件處理。隨著數(shù)控技術(shù)進入中國，中國也進行了數(shù)控化的產(chǎn)品開發(fā)研制，并且逐漸的應(yīng)用到了提升機領(lǐng)域，國內(nèi)如大中院校、企業(yè)院所正在做數(shù)字化提升機電控系統(tǒng)的集成開發(fā)嘗試。但由于資金投入少，人力、技術(shù)力量不強，并且由于國際礦山領(lǐng)域經(jīng)濟的不景氣，整個系統(tǒng)的成熟性沒有再上一個臺階，目前應(yīng)用在提升機領(lǐng)域的國內(nèi)的數(shù)控產(chǎn)品存在下列問題：1）、驅(qū)動控制產(chǎn)品不成熟，功能不夠強大，可靠性還需要提高；2）、對提升控制工藝沒有深入的研究，

29、缺乏提升控制與維護的經(jīng)驗，產(chǎn)品適應(yīng)性不強；3)、在硬件配置上，存在安全性差，系統(tǒng)可靠性需要探討，不能完全滿足提升控制的需要?？紤]當(dāng)今數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，緊密結(jié)合提升機控制工藝的需要，我們認為當(dāng)今先進的數(shù)字化提升機應(yīng)具有以下特點：1)、在驅(qū)動控制上，礦井提升機直流拖動與交流拖動相比，調(diào)速性能好，不需附加其它拖動裝置，隨著驅(qū)動控制產(chǎn)品的成熟，完全能夠?qū)崿F(xiàn)全數(shù)字化控制，大大增加了系統(tǒng)的可靠性與控制精度。與此相比，交流控制產(chǎn)品不夠成熟，存在造價高、不易維護的特點；2）、在整個系統(tǒng)的配置上，應(yīng)采用現(xiàn)在比較成熟的網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計，既減少了現(xiàn)場維護的工作量，增加了系統(tǒng)的可靠性，又減少了現(xiàn)場施工的工作量，減低了系統(tǒng)的整

30、體成本；3）、數(shù)控化的系統(tǒng)要有友好的人機界面，實時顯示系統(tǒng)的各種信息，具有故障智能診斷功能，增加維護的方便性，減少系統(tǒng)的故障處理時間；4）、隨著基礎(chǔ)技術(shù)的不斷進步，各元器件的可靠性大大提高，在提升機控制系統(tǒng)中，應(yīng)選用高可靠性的器件。1.3 本文主要研究內(nèi)容1）、數(shù)字化提升機電控系統(tǒng)總體方案設(shè)計；2）、提升機主控系統(tǒng)的選型和開發(fā)；3）、提升機監(jiān)控系統(tǒng)的選型和開發(fā)；4）、提升機驅(qū)動控制系統(tǒng)的選型和開發(fā)；5）、工業(yè)總線網(wǎng)絡(luò)的選擇與開發(fā)；6）、提升機上位監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)和調(diào)試；7）、提升機制動控制系統(tǒng)的開發(fā)和實驗；8）、數(shù)字化提升機電控系統(tǒng)的調(diào)試；2 礦井提升直流傳動理論分析2.1直流傳動系統(tǒng)概述礦井直

31、流提升機全數(shù)字調(diào)速電控系統(tǒng)有如下特點：硬件結(jié)構(gòu)簡單，故障點少，可靠性高全數(shù)字調(diào)速電控系統(tǒng)的硬件電路均采用大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路，元器件少，結(jié)構(gòu)簡單，故障點少，可靠性高；模擬調(diào)速電控系統(tǒng)的硬件電路則以分立元件為主，元器件多，線路復(fù)雜，故障點多，可靠性差。（1）可控精度高，工作穩(wěn)定性好全數(shù)字調(diào)速電控系統(tǒng)設(shè)有微處理器，整個控制功能與調(diào)速算法均由軟件完成，控制參數(shù)一經(jīng)確定，就不會發(fā)生改變，所以控制精度高，工作穩(wěn)定性好；而模擬調(diào)速電控系統(tǒng)的控制功能與調(diào)速算法均由硬件實現(xiàn)，控制參數(shù)離散性大，控制精度低，工作穩(wěn)定性差。（2）容易實現(xiàn)先進的控制算法隨著控制對象的多樣化和復(fù)雜化，傳統(tǒng)的PID控制算法愈來愈沒滿

32、足不了控制對象的要求，某些控制對象必須要求采用先進的控制算法如自適應(yīng)控制、模糊控制、智能控制等才能達到控制精度，而這些先進的控制算法只有全數(shù)字調(diào)速電控系統(tǒng)才能實現(xiàn)，這是模擬調(diào)速電控系統(tǒng)望塵莫及的，模擬系統(tǒng)只能完成一些諸如PID的簡單控制算法。（3）故障自診斷能力強，大大降低使用維護成本全數(shù)字調(diào)速電控系統(tǒng)中，硬件工作狀態(tài)可以通過軟件來反映，軟件運行情況也可以通過硬件來監(jiān)視，這樣硬、軟件故障可以通過指示直接反映出來，維護方便，模擬調(diào)速系統(tǒng)線路復(fù)雜，一旦發(fā)生故障，很難查找，維護極為不便。（4）具有較高的可構(gòu)置性，擴展方便，運行靈活性高全數(shù)字電控系統(tǒng)硬件采用以總線聯(lián)系的模塊化結(jié)構(gòu)，控制算法和系統(tǒng)控制采

33、用軟件完成，具有較高的可構(gòu)置性，在系統(tǒng)設(shè)計投入運行以后，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和系統(tǒng)要求的提高，可以進行功能擴展，具有較高的運行靈活性；而模擬電控系統(tǒng)一經(jīng)設(shè)計完成，就無法進行功能擴展，具有功能單一，運行靈活性差的特點。（5）可與其它系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)現(xiàn)代化管理全數(shù)字調(diào)速電控系統(tǒng)容易實現(xiàn)數(shù)字通訊，并與其它系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，它可將系統(tǒng)中的運行參數(shù)、運行狀態(tài)傳遞到網(wǎng)絡(luò)上，便于實現(xiàn)現(xiàn)代化管理，而模擬調(diào)速電控系統(tǒng)就很難實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能。（6）性能價格比高一方面，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，集成器件的成本越來越低，這樣全數(shù)字調(diào)速電控系統(tǒng)的成本將越來越低；另一方面，全數(shù)字調(diào)速電控系統(tǒng)技術(shù)先進、可靠性高、功能強大，因此具有很高的性能價格

34、比。進一步來說，全數(shù)字調(diào)速電控系統(tǒng)在技術(shù)上已經(jīng)發(fā)展成熟，因此在傳動領(lǐng)域采用全數(shù)字調(diào)速電控系統(tǒng)并大力發(fā)展是一種必然趨勢，它終將取代模擬調(diào)速電控系統(tǒng)。2.2直流傳動系統(tǒng)的調(diào)速方案2.2.1直流電動機調(diào)速的分類與技術(shù)指標(biāo)2.2.2 直流調(diào)速系統(tǒng)的方案選擇當(dāng)改變電樞電壓時，理想空載轉(zhuǎn)速也將改變，而機械特性的斜率不變。其特性曲線是一族以U為參數(shù)的平行直線。由此可知，在整個調(diào)速范圍內(nèi)均有較大的硬度，在允許的轉(zhuǎn)速變化率范圍內(nèi)可以獲得較低的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，故此種方法的調(diào)速范圍較寬，一般可達1012。如采用各種反饋或穩(wěn)速控制系統(tǒng)，調(diào)速范圍可達幾百至幾千。改變電樞電壓調(diào)速方式屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，并在空載或負載轉(zhuǎn)矩時也能得到

35、穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，通過電壓正反相變化，使電機能平滑的啟動和工作在四個象限，能實現(xiàn)回饋制動，而且控制功率較小，效率較高，配上各種調(diào)節(jié)器可組成性能指標(biāo)較高的調(diào)速系統(tǒng)，因此在工業(yè)中得到廣泛采用。改變電動機的電樞電壓，需要有獨立的可變電壓的電源，一般采用的有直流發(fā)電機、電機擴大機、磁放大器、汞弧整流器等。2.2.3 12相晶閘管供電可逆?zhèn)鲃酉到y(tǒng)采用雙變流器組成12相整流線路的傳動系統(tǒng)。對于供電給大容量直流電動機的可控整流裝置,為了減輕對電網(wǎng)的干擾,特別是減少高次諧波分量,可以將兩組三相整流橋進行并聯(lián),組成12相整流線路對電動機供電.一般采用并聯(lián)方案。用一臺三繞組變壓器，一次繞阻接成三角形或星形；二次繞組中的一

36、個接成星形，另一個接成三角形，則此兩繞組相位差30度。兩個二次繞組分別供電給兩個三相整流橋，此兩個整流電路的輸出，通過平衡電抗器進行并聯(lián)后向直流發(fā)電機供電。為了使兩組整流橋的輸出電壓相等，三角形連接的變壓器繞組相電壓應(yīng)比星形連接的饒組相電壓大1.73倍。對于多臺直流電動機傳動的場合，為減少高次諧波對電網(wǎng)的影響，每臺電動機可采用三相整流電路，但每臺變壓器的一次繞組可采用三角形或星形聯(lián)結(jié)并采用移相變壓器，已形成對電網(wǎng)大于6相脈動的負載電流。對于電動機容量較大，電網(wǎng)容量相對較小，而又要經(jīng)常工作在低速的系統(tǒng)，變流裝置經(jīng)常要運行在深控場合，即控制角a大，直流電壓低，相依的功率因數(shù)將變得很低。此時，可采用

37、兩組可控整流裝置串聯(lián)不對稱控制的方法。為了降低低速運行時的無功功率，對兩套整流裝置采用不對稱控制，其原理是將一組整流器的控制角固定在最大或最小，先控制另一組的相位，帶接近極限控制角后再控制原來被固定控制角的那一組的相位。因為兩組變流器是并聯(lián)的，所以在啟動與電流斷續(xù)時，所有應(yīng)導(dǎo)通的晶閘管應(yīng)在同一個時間觸發(fā)，故最好采用寬脈沖觸發(fā)形式。2.3 礦井提升機電氣傳動裝置2.3.1 概述礦井提升機也叫礦井卷揚機，是礦井的關(guān)鍵設(shè)備之一。作為井上與井下的唯一輸送通道，是礦井的咽喉部位。不難想象，礦井提升機運行性能的優(yōu)劣，不僅直接影響到礦山的正常生產(chǎn)與產(chǎn)品產(chǎn)量，而且還與設(shè)備及人身安全密切相關(guān)。礦井提升機種類繁多

38、，按照井道結(jié)構(gòu)，有立井與斜井之分；按照拖動電動機，有交流拖動與直流拖動提升機；按容器功能，則有箕斗與罐籠，箕斗又分為單箕斗和雙箕斗，罐籠也有單罐籠和雙罐籠，還有單層罐籠和雙層罐籠之區(qū)別。按鋼絲繩結(jié)構(gòu)方式，則有單繩圓柱滾筒提升機和多繩摩擦輪提升機，按照速度圖形式，則有三階段，五階段和六階段速度的提升機。在1894年AEG公司曾為西格蘭德礦井提供了第一套配有直流發(fā)電機-電動機系統(tǒng)的礦井提升機，直到1965年，世界各地要求較高或容量較大的礦井提升機都一直沿用這類系統(tǒng)。此后，由于電力半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展。特別是晶閘管的出現(xiàn)，對要求較高或多水平開采的礦井，其提升機幾乎都采用了晶閘管變流裝置供電的直流傳動系統(tǒng)

39、。以交流電動機組成的交流傳動系統(tǒng)，亦大量地應(yīng)用于提升機。但就我國目前情況看，國產(chǎn)的交流傳動礦機提升極大部分仍采用較老的控制方式，它是在線繞轉(zhuǎn)子異步電動機的轉(zhuǎn)子回路，串入多級電阻(也有用水電組的),逐漸切除電阻,實現(xiàn)分級調(diào)速;減速制動多采用能耗制動的方式；至于停車前的爬行段,常需另外增加一套附加裝置,它可以是小容量異步電動機或低頻(5Hz)電源。不過，這類系統(tǒng)的控制性能均不夠理想，而且消耗大量的電能，從節(jié)能的觀點出發(fā)，是不利的。這類系統(tǒng)一般僅用于容量不大，控制要求不高的單水平礦井提升機。從技術(shù)發(fā)展的角度看，由于電力半導(dǎo)體器件機微電子技術(shù)的發(fā)展，近年來變頻調(diào)速技術(shù)迅速發(fā)展，使它有可能應(yīng)用到提升機。

40、國外已將交-交變頻調(diào)速系統(tǒng)用于礦井提升機，我國也以引進這方面的技術(shù)，可望在短期內(nèi)有較快的發(fā)展，但前主要還是成本偏高，故在復(fù)雜的要求較高的多水平大容量的提升機中，占主導(dǎo)地位的仍屬于直流傳動系統(tǒng)。2.3.2 提升機傳動系統(tǒng)2.3.3 提升機的安全保護對礦井提升機來說，由于其所處的關(guān)鍵地位，其可靠運行的重要性是可想而知的。除了轉(zhuǎn)動系統(tǒng)的運行可靠外，整個系統(tǒng)中的有關(guān)參量檢測，監(jiān)視機保護措施的完整也是至關(guān)重要的。提升機的有關(guān)需要保護的參量不下數(shù)十種，下面按期事故的嚴重程度加以分類。1）、重事故所謂重事故就是要求緊急停車的故障。提升機在運行中，凡遇到作用于緊急停車回路的事故信號，不論處于何種運行狀態(tài)，如高

41、速、低速、電動或發(fā)電制動，都要立即報閘制動，主要有：(1)制動油壓故障,開車時油壓過低,停車時油壓過高;(2)錯向開車;(3)高壓進線油斷路器跳閘;(4)控制電源段電機三相交流電源斷相;(5)深度發(fā)送裝置與主機的連接斷開或松動;(6)測速發(fā)電機與主機連接斷開;(7)提升機過卷或超速;(8)提升機到上下兩端的減速點之后不減速或速度超過給定值;(9)電樞回路過流或電樞堵轉(zhuǎn)過流超度一定時間;(10)電樞供電和勵磁供電變流回路的快熔熔斷(直流傳動,對于多并聯(lián)場和,每個橋臂中有兩個以上的快熔熔斷,才作為緊急停車信號)；(11)開車時井口的搖臺動作;(12)制動油泵失電;(13)勵磁回路因重大故障引起勵磁

42、電源與開關(guān)動作;2）、輕故障凡屬下列故障則稱為輕故障，即事故發(fā)生后，允許提升機繼續(xù)完成事故前所要求的運行繼續(xù)按原有速度圖運行到正常停車，停車后就不得再開車，必須等待故障妥善處理之后，才允許重新投入運行。屬于輕故障的有：(1)主回路電樞接地及勵磁回路接地；(2)各變流柜的冷卻風(fēng)機停轉(zhuǎn)；(3)電動機軸承過熱；(4)潤滑油油量不足；(5)油壓制動閘回路的油溫過高。3）、閃光報警凡屬下列故障，允許提升機繼續(xù)正常運行，而只給操做司機或現(xiàn)場維修人員發(fā)出燈光信號或音響報警信號。(1)閘瓦磨損(損壞程度較嚴重的應(yīng)按重事故處理);(2)電動機油泵溫度過高;(3)直流傳動中變流橋交流側(cè)或直流側(cè)阻容保護故障;(4)

43、變流橋的多并聯(lián)橋臂中有一只快熔斷。2.4 電氣傳動的計算機控制2.4.1 可編程序控制器PLC的硬件結(jié)構(gòu)主要由五個部分組成：中央處理器(CPU)、輸入模塊、輸出模塊、電源、編程器及外部設(shè)備。來自現(xiàn)場設(shè)備的輸入信號如開關(guān)、按鈕、儀表信號等經(jīng)輸入模塊(對輸入信號進行電平轉(zhuǎn)換及隔離)讀入CPU，由用戶程序(在系統(tǒng)程序管理下)解讀，這些程序由一系列的指令組成。包括邏輯運算、算術(shù)運算、定時、計數(shù)、比較、數(shù)據(jù)傳送、存取、及轉(zhuǎn)換等。完成用戶程序中所規(guī)定的控制任務(wù)，并按照輸入和輸出信號進行邏輯判斷，用其結(jié)果來驅(qū)動輸出模塊(對輸出信號進行電壓和電流轉(zhuǎn)換及隔離)控制繼電器、電磁閥或電動機等，完成生產(chǎn)過程及工藝流程

44、的控制。2.4.2控制系統(tǒng)的工業(yè)總線整套通訊系統(tǒng)分成兩個層次，三個部分。即：由S7-400、S7-300和上位工控機組成最高層次的通訊網(wǎng)絡(luò)，S7-400、S7-300分別與各自的遠程I/O組成最基礎(chǔ)的通訊網(wǎng)絡(luò)?；A(chǔ)通訊網(wǎng)絡(luò)完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集、處理及功能的輸出，最高層次的通訊網(wǎng)絡(luò)完成系統(tǒng)的人機界面。 3 數(shù)控化提升機系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計本章包括系統(tǒng)功能設(shè)計、硬件總體設(shè)計、計算和軟件總體設(shè)計三部分。3.1系統(tǒng)功能設(shè)計根據(jù)數(shù)控化提升機理論分析可知，對整個控制系統(tǒng)根據(jù)中央處理器（CPU）及其處理的功能范圍來講，把整個提升機電氣控制系統(tǒng)分為主控系統(tǒng)、監(jiān)視控制系統(tǒng)、驅(qū)動控制系統(tǒng)、上位監(jiān)視系統(tǒng)、制動控制系統(tǒng)等。西門

45、子S7系列的PLC是西門子S5系列的PLC的升級產(chǎn)品，不論在性能、運算速度、使用范圍等上具有較優(yōu)的性能。其中S7系列的PLC可分為S7-200PLC、S7-300PLC、S7-400PLC。其價格、性能、運算速度、I/O點數(shù)逐步提高。S7-200PLC具有緊湊的結(jié)構(gòu)設(shè)計、良好的擴展性能、低廉的價格以及較全的指令，使得S7-200PLC滿足小規(guī)模的控制要求，再解決用戶的自動化問題時，具有較強的適應(yīng)性。SIMATIC S7-300 可編程序控制器是模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計。各種單獨的模塊之間可進行廣泛組合以用于擴展。系統(tǒng)組成：中央處理單元 (CPU)；各種 CPU 有各種不同的性能，例如，有的 CPU 上集

46、成有輸入/輸出點，有的 CPU 上集成有 PROFIBUS-DP 通訊接口等。信號模塊 (SM)用于數(shù)字量和模擬量輸入/輸出，通訊處理器 （CP）用于連接網(wǎng)絡(luò)和點對點連接，功能模塊 (FM)用于高速計數(shù)，定位操作 (開環(huán)或閉環(huán)控制) 和閉環(huán)控制。根據(jù)客戶要求，還可以提供以下設(shè)備：負載電源模塊 (PS)用于將 SIMATIC S7-300 連接到 120/230 伏交流電源。接口模塊 (IM)用于多機架配置時連接主機架(CR) 和擴展機架 (ER)。S7-300通過分布式的主機架 (CR) 和 3個擴展機架 (ER)，可以操作多達 32 個模塊。運行時無需風(fēng)扇。SIMATIC S7-300 適用

47、于通用領(lǐng)域：高電磁兼容性和強抗振動、沖擊性，使其具有很高的工業(yè)環(huán)境適應(yīng)性。 主控系統(tǒng)設(shè)計主控部分S7-400主要功能是執(zhí)行操作程序，從提升機控制功能上可以實現(xiàn)自動、手動、檢查、閉鎖等運行方式。主控部分采用S7-400 系列的PLC完成速度S曲線的給定、位置閉環(huán)控制和整個系統(tǒng)的報警保護控制；并實現(xiàn)各種故障保護及閉鎖。來自系統(tǒng)各部分的信號經(jīng)過隔離或直接引入到PLC中，PLC將其處理后進行操作、控制、顯示、制動、故障和報警等，同時形成主要的軟件安全回路。1）、 行程控制：PLC通過編碼器檢測的脈沖，計算速度、行程，根據(jù)行程來進行速度給定。提升機控制的核心問題是行程控制，也就是運動設(shè)備在規(guī)定的范圍內(nèi)往

48、復(fù)循環(huán)移動，并在行程兩端達到自動減速、停止的速度給定。根據(jù)行程控制的原則，對PLC編程進行突破性研究，完成行程控制。由公式：Vt- VO=at 和S = VOt +(1/2)at2 可知Vt2- VO2=2As根據(jù)v和S的關(guān)系（如圖31），保證減速點后PLC計算的速度給定會自動減小。圖31 V-S曲線圖2） 、速度控制：根據(jù)提升機行程控制的要求，由PLC完成系統(tǒng)的速度曲線與保護曲線運算，綜合成為速度的給定輸出。速度閉環(huán)控制由6RA70裝置完成，速度拐點處設(shè)置圓形過渡，減少機械沖擊。以獨立的每轉(zhuǎn)5000脈沖的編碼器完成速度反饋。3）、安全保護控制PLC通過采集的現(xiàn)場系統(tǒng)、設(shè)備信息，結(jié)合定時器、計

49、數(shù)器、功能塊實現(xiàn)邏輯保護，PLC也通過編碼器檢測的脈沖，計算速度、行程來實現(xiàn)過速、過卷、速度逐點保護功能。各種保護可歸類為提升系統(tǒng)保護和設(shè)備保護。根據(jù)其危害程度，可分為報警和故障緊停，報警只是閉鎖提升機，而故障要實施緊停。在數(shù)控提升機控制系統(tǒng)中，提升機故障的檢測與判斷絕大部分是由PLC軟件控制完成。4） 、傳動系統(tǒng)控制：PLC實現(xiàn)行程控制，使提升機在規(guī)定的行程范圍內(nèi)循環(huán)移動，同時要實現(xiàn)速度的給定。由6RA70主站完成對速度、電流控制的響應(yīng)，PLC通過通訊方式把6RA70速度、電流閉環(huán)的信息參數(shù)傳到CPU中，PLC完成速度、電流閉環(huán)的控制監(jiān)視。行程、速度、電流控制的關(guān)系（如圖32） 圖32 行程

50、速度電流控制關(guān)系 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計監(jiān)控系統(tǒng)由一套西門子的S7-300可編程控制器和相應(yīng)的控制程序組成。S7-300監(jiān)控系統(tǒng)主要包含CPU、計數(shù)模塊、通訊模塊、重要信息輸入模塊、保護輸出模塊。該部分的主要功能是根據(jù)系統(tǒng)要求，實現(xiàn)提升機運行狀態(tài)的監(jiān)視，完成速度、行程包絡(luò)線的生成。同時完成行程、速度監(jiān)控。3.1.3 驅(qū)動控制系統(tǒng)設(shè)計全數(shù)字直流調(diào)速電控系統(tǒng)的主驅(qū)動部分變流裝置采用西門子6RA70，兩套并聯(lián)，完成12脈動變流，減少對電網(wǎng)的危害。采用電樞可逆、恒定勵磁方式。勵磁部分采用西門子的6RA70系列的整流裝置，實現(xiàn)恒定勵磁。SIMOREG 6RA70系列整流裝置為三相交流電源直接供電的全數(shù)字控制裝置，

51、其結(jié)構(gòu)緊湊，用于可調(diào)速直流電機電樞和勵磁供電，該裝置所有的控制、調(diào)節(jié)、監(jiān)視及附加功能都由雙微處理器來實現(xiàn);裝置內(nèi)有調(diào)節(jié)板和用于擴展、通訊接口的附加板。兩臺高效能的微處理器(C163 和C167)承擔(dān)電樞和勵磁回路所有的調(diào)節(jié)和傳動控制功能。調(diào)節(jié)功能在軟件中通過參數(shù)構(gòu)成的程序模塊來實現(xiàn)。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器將轉(zhuǎn)速給定值與實際值進行比較。根據(jù)它們之間的差值輸出相應(yīng)的電流給定值送電流調(diào)節(jié)器(原理：帶有電流內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié))。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是帶有可選擇的D-部分的PI 調(diào)節(jié)器。此外尚有可參數(shù)設(shè)置的可接通速度軟化。調(diào)節(jié)器的所有識別量都可分別設(shè)定。Kp 值(放大系數(shù))同一個連接器信號(外部或內(nèi)部)相適配。同時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的

52、P-放大系數(shù)要與轉(zhuǎn)速實際值，電流實際值，給定值-實際值的差值或卷徑相匹配。為了獲得更好的動態(tài)響應(yīng)在速度調(diào)節(jié)回路有預(yù)控器，這可以通過例如在速度調(diào)節(jié)器輸出附加一個轉(zhuǎn)矩給定值來實現(xiàn)，該附加給定值與傳動系統(tǒng)的摩擦及轉(zhuǎn)動慣量有關(guān)，解決了起動大載荷的問題，使得提升機在起動過程中平穩(wěn)起動?？赏ㄟ^一個自動優(yōu)化過程確定摩擦和轉(zhuǎn)動慣量的補償。在調(diào)節(jié)器鎖零放開后，速度調(diào)節(jié)器輸出量的大小可以通過參數(shù)直接調(diào)整。通過參數(shù)設(shè)定可以旁路轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，整流裝置作為轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)或電流調(diào)節(jié)的系統(tǒng)運行。此外，在運行過程中可通過選擇功能“主動/隨動轉(zhuǎn)換”來切換轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)/轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)。這個功能是作為通過開關(guān)量可設(shè)置端子或一個串行接口的開關(guān)量連接器

53、來選擇。轉(zhuǎn)矩給定值的輸入可以通過可選擇連接器實現(xiàn)也可由模擬量可設(shè)置端子輸入口或串行接口輸入。在“從動狀態(tài)”下(轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)或電流調(diào)節(jié))一個極限調(diào)節(jié)器投入運行。為了避免系統(tǒng)加速過快，通過一個參數(shù)可調(diào)的轉(zhuǎn)速限幅對限幅調(diào)節(jié)器進行干預(yù)。但傳動裝置被限制于一個可調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)速誤差。電流調(diào)節(jié)器是具有相互獨立設(shè)定的P-放大值和調(diào)節(jié)時間的PI-調(diào)節(jié)器。P 或I 部分可被切斷(純粹的P-調(diào)節(jié)器或I-調(diào)節(jié)器)。電流實際值通過三相交流側(cè)的電流互感器檢測，經(jīng)負載電阻，整流，再經(jīng)模擬、數(shù)字變換后送電流調(diào)節(jié)器。分辨率是裝置額定電流的10 位。電流限幅器的輸出作為電流給定值。電流調(diào)節(jié)器的輸出形成觸發(fā)裝置的控制角，同時作用于觸發(fā)裝置

54、的還有預(yù)控制器。電流調(diào)節(jié)回路的預(yù)控制器用于改善調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，電流調(diào)節(jié)電路中的允許上升時間范圍為6-9 ms 。預(yù)控制與電流給定值和電機的EMF 有關(guān)，并確保在電流連續(xù)和斷續(xù)狀態(tài)或轉(zhuǎn)矩改變符號時所要求的觸發(fā)角的快速變化。3.1.4 工業(yè)總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計整個系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)化的設(shè)計，主控PLC選用西門子功能最強大的S7-400產(chǎn)品，行程監(jiān)控采用西門子S7-300PLC，兩者與上位機一起通過PROFIBUS-FMS總線構(gòu)成系統(tǒng)的上級網(wǎng)絡(luò)。此外，S7-400通過PROFIBUS DP網(wǎng)絡(luò)下掛操作臺ET200M、低壓柜2 ET200M和由三個6RA70驅(qū)動裝置組成的DP 分站。驅(qū)動系統(tǒng)電樞回路采用兩臺西門

55、子6RA70裝置，兩臺西門子6RA70裝置采用主從方式通過點對點通訊協(xié)議實現(xiàn)電流的控制和平衡，完成系統(tǒng)的十二脈動供電以及故障互鎖。具體結(jié)構(gòu)見系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖，如圖32圖33 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖3.1.5 上位監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計操作臺配備工控機與PLC建立網(wǎng)絡(luò)通訊，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的監(jiān)控。實時顯示系統(tǒng)狀態(tài)信息及系統(tǒng)故障（如圖34）。上位工控機監(jiān)視器可實現(xiàn)人-機對話。上位監(jiān)視程序，采用支持Visual Basic的iFIX監(jiān)控軟件包。iFIX是強大的 HMI/SCADA 系統(tǒng)，可以進行過程的圖形化監(jiān)視，數(shù)據(jù)采集和管理，監(jiān)督控制。能顯示高壓配電回路、低壓配電回路、提升系統(tǒng)圖、液壓制動系統(tǒng)圖、裝卸載系統(tǒng)圖、驅(qū)動系統(tǒng)圖、運行

56、曲線、生產(chǎn)報表和故障信息等畫面，反映提升機所有的運行參數(shù)和運行狀態(tài)以及故障類型和故障發(fā)生時間，監(jiān)視器能使司機對提升機的運行狀況一目了然，若發(fā)生故障，司機能及時從監(jiān)視器上了解到故障類型及位置，能及時通知維修人員排除故障，從而縮短排除故障時間，提高勞動生產(chǎn)率。圖34 上位機監(jiān)控系統(tǒng)3.1.6 制動控制系統(tǒng)設(shè)計利用主控PLC的控制功能實現(xiàn)對制動系統(tǒng)的控制，對于主井制動控制采用恒力矩控制制動，并實現(xiàn)二級制動，制動性能有計算校核，PLC完成工作制動的給定和發(fā)出緊停制動信號，時間繼電器完成二級制動的延時控制。3.1.7 主回路設(shè)計提升機6kV系統(tǒng)兩路電源引自35kV變電所，一路運行一路備用，兩臺進線開關(guān)為

57、就地操作。一臺6kV饋出線柜，連接一臺1000kVA的整流變壓器。操作方式：就地操作和遠控操作，設(shè)有短路和過流保護，整流變壓器設(shè)有溫度保護。主回路采用電樞電流換向（電樞可逆），磁場電流單向（磁場恒定）的方式；可控硅整流系統(tǒng)，主要有一臺1000kVA的整流變壓器和一臺整流柜組成。四象限工作的整流器通過兩個三相全控橋(B6)A(B6)C無環(huán)流直接反并聯(lián)。在閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制下，根據(jù)系統(tǒng)的需要通過整流方向及電壓的變化，實現(xiàn)提升機的正、反轉(zhuǎn)和速度的調(diào)節(jié)。電機直流主回路中，有一臺平波電抗器，用于均流；一臺直流快速斷路器，用于電機保護。3.1.8 安全保護功能設(shè)計在安全回路設(shè)計方面，充分考慮提升機的關(guān)鍵性

58、保護，將其納入硬件安全回路，如：過卷保護、極限過卷保護、延時過流保護、瞬動過流保護、超速保護以及驅(qū)動裝置故障等。同時也將高壓柜、快開的輔助觸點納入其中，確保供電設(shè)備均處于正常合閘狀態(tài)時才能送上硬件安全回路；系統(tǒng)中設(shè)置兩套獨立的PLC控制系統(tǒng)，分別形成各自的軟件安全回路，這兩套軟件安全回路均和硬件安全回路串聯(lián)形成提升機總的安全回路，三者任何一方檢測到提升機有故障存在都無法啟動提升機。系統(tǒng)設(shè)有S7-400軟安全回路，S7-300軟安全回路，以及一套繼電器直動的硬件安全回路。S7-400安全回路完成系統(tǒng)所有的保護，主要有設(shè)備狀態(tài)保護和系統(tǒng)保護。S7-300安全回路完成系統(tǒng)的行程、速度保護。繼電器安全

59、回路完成系統(tǒng)重要的一些保護并實現(xiàn)安全制動。軟安全回路與硬安全回路互相冗余，完全滿足煤礦安全規(guī)程中不少于兩條安全回路的要求，并且超出了煤礦安全規(guī)程要求。其保護方式結(jié)構(gòu)（如圖35）。圖35 提升機保護方式結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)功能框圖結(jié)合煤礦安全規(guī)程安全保護的要求，對系統(tǒng)保護內(nèi)容以及完成方式進行的設(shè)置與研究，以及對提升機與提升系統(tǒng)進行創(chuàng)新性研究。豐富了規(guī)程的要求。系統(tǒng)主要設(shè)有如下保護如表31：表31 TS3A系統(tǒng)提升保護設(shè)置一覽表序 號名 稱描 述 提升系統(tǒng)保護1井筒過卷提升機緊急制動（進繼電器安全回路）2井筒極限過卷提升機緊急制動（進繼電器安全回路）3計算機過卷系統(tǒng)計算機計算PG的行程，提升機緊急制動4箕斗

60、在裝載位置箕斗進入裝載區(qū)域顯示，該區(qū)域決定于裝載口高度，聯(lián)鎖裝載控制5鋼絲繩長系統(tǒng)計算機根據(jù)行程判斷，定值根據(jù)現(xiàn)場制定，提示維護人員確認狀態(tài)，同時提升機自動提升方式被閉鎖6卸載倉滿卸載倉滿，提升機被閉鎖，裝載被閉鎖（進繼電器安全回路）7驅(qū)動失敗提升機運行方向、速度與給定不一致，提升機緊急制動8速度超限提升機運行速度超過設(shè)定速度包羅線，提升機緊急制動9提升機過速提升機運行速度超過最大速度的15%，提升機緊急制動（進繼電器安全回路）10井口速度超限箕斗經(jīng)過井口開關(guān)時運行速度超過限值，提升機緊急制動（進繼電器安全回路）11滑繩滾筒速度與導(dǎo)向輪速度誤差超限（1m/s），緊急制動后提升機在下次同步之前速

61、度限制在2ms之內(nèi)12同步超限箕斗通過同步開關(guān)時，系統(tǒng)計算機行程測量值與實際行程誤差超過限定值（定值由鋼絲繩的彈性模量、長度和張力確定），緊急制動后，提升機在下次同步之前速度限制在2ms之內(nèi)13繩襯磨損超限計算機計算到繩襯磨損超限，閉鎖下次開車，提示維護人員修正行程參數(shù)和確認繩襯磨狀態(tài)后解鎖14行程測量故障系統(tǒng)計算機計算的PG形成誤差超限，提升機緊急制動，速度限制在2m/s內(nèi)同步兩次后再次進行故障確認15裝載系統(tǒng)故障閉鎖自動提升16司機臺緊急停車提升機緊急制動（進繼電器安全回路）17卸載站緊急停車提升機緊急制動（進繼電器安全回路）18裝載站緊急停車提升機緊急制動（進繼電器安全回路）19箕斗門未

62、關(guān)提升機閉鎖 提升機狀態(tài)保護20HV2跳閘提升機緊急制動（進繼電器安全回路）21HV3跳閘提升機緊急制動（進繼電器安全回路）22HV4跳閘提升機緊急制動（進繼電器安全回路）23HV2過流提升機緊急制動24HV3過流提升機緊急制動25HV4過流提升機緊急制動26HV2短路提升機緊急制動27HV3短路提升機緊急制動28HV4短路提升機緊急制動29T1變壓器超溫閉鎖提升機30T2變壓器超溫閉鎖提升機31T3變壓器超溫閉鎖提升機32DL1故障提升機緊急制動33DL2故障提升機緊急制動34LC故障提升機緊急制動35直流斷路器跳閘提升機緊急制動（進繼電器安全回路）36主電機溫度報警閉鎖提升機37主軸承溫度

63、報警閉鎖提升機38制動油溫閉鎖提升機39主冷風(fēng)機閉鎖提升機3.2 硬件總體設(shè)計主回路硬件配置驅(qū)動系統(tǒng)電樞回路采用西門子6RA70裝置，全數(shù)字調(diào)節(jié)部分主要功能有：1）、成電樞回路的調(diào)節(jié)功能：（1）設(shè)定轉(zhuǎn)速給定源（2）自由選擇轉(zhuǎn)速實際值信號（3）速度自動調(diào)節(jié)（4）電樞電流自動調(diào)節(jié)（5）斜坡函數(shù)發(fā)生器（6）轉(zhuǎn)矩限幅（7）電流限幅（8）預(yù)控制器（9）觸發(fā)裝置2）、成勵磁回路的調(diào)節(jié)功能：（1）反電勢調(diào)節(jié)器（2）勵磁電流調(diào)節(jié)器（3）觸發(fā)裝置3）、現(xiàn)電樞回路和磁場回路的各種監(jiān)控與診斷：（1）運行數(shù)據(jù)的顯示（2）掃描功能（3）故障信號（4）警告（5）緊急安全斷電（E-STOP） 硬件抗干擾措施輸入信號通過繼電器隔離，利用專用的計算機通訊屏蔽電纜，動力、控制、計算機等系統(tǒng)分設(shè)接地系統(tǒng)，有效控制相互間的干擾。 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計整個系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)化的設(shè)計，主控PLC選用西門子功能最強大的S7-400產(chǎn)品，行程監(jiān)控采用西門子S7-300PLC，兩者與上位機一起構(gòu)成系統(tǒng)的上級