矿井提升机行程控制的研究及PLC实现.pdf

第 2期 2 0 0 7年 4月 工矿 自 动 化 I n d u s t r y a n d M i n e A u t o ma t i o n NO ． 2 Ap r ． 2 0 0 7 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 0 7 0 2 0 1 0 8 --0 3 矿井提升机行程控制的研究及P L C实现 包西平 ， 杨 庆 江 ， 李 晔 黑龙江科技学院电气与信息工程学院， 黑龙江 哈尔滨 1 5 0 0 2 7 摘要 分析 了矿井提升机 S形速度给定曲线的数 学模型， 指 出启动加 速段速度宜采用时间给定方式， 制 动减速段速度宜采用行程给定方式， 并介绍 了实现减速段速度行程给定的 P L C硬件配置和软件编程。 关键 词 矿 井 ；交流提 升机 ； S形速度 给 定 曲线 ； 行 程控 制 ； P L C 中图分类号 T D 5 3 4 ． 7 文献标 识码 B 0引言 提升机行程控制， 就是对提升机的行程进行信 号采样 ， 根据设计确定的行程 一速度曲线 ， 计算出速 度给定值 ， 经速度调节系统控制提升机的运行速度。 行程给定是根据提升机的行程确定速度给定信 号的大小 ， 主要用于减速段提升机速度给定信号 的 产生和限制 。采用行程给定后， 减速点可随着提升 机最大运行速度的变化而变化， 在减速到停车区间 内， 根据提升容器距停车点 的距离来确定速度给定 信号。在该区间内的任一位置都对应 1 个 由行程给 定产生 的速度信号， 信号仅与提升容器所处的位置 有关 ， 因此无论 手 动还是 自动 ， 提升 机均可 按行程 给 定产生 的速度给定信号减速运行， 且停车准确 ， 安全 可靠。 目前 ， 我国矿井提升机电控系统的行程控制部 分多数采用机械式行程控制和跟踪。这种方式对于 单水平提升系统而言， 基本能满足要求 ， 但对于每次 收稿 日期 2 0 0 6 1 2 一O 1 作者简介 包西平 1 9 7 2 一 ， 男 ， 黑龙江科 技学院 电气 与信息工 程学院在读硕 士研究生 ， 主要研究方向为 P L C与工业控制。 提升循环运动距离不一定相 同的多水平提升系统 ， 由于其提升速度 图结构复杂 ， 采用机械式行程控制 就很难满足所期望的行程控制和保护要求。为满足 矿井提升机对电控系统 的要求， 笔者把 P L C应用到 提升机行程控制器 的设计中。按行程控制的要求 ， 配置了系统硬件 ， 并开发了应用软件。 1 行程控 制原 理及 实际行 程控 制算法 分析 1 ． 1 S型速度给定曲线及其参数计算 S型速度给定 曲线如图 1所示 ， 其中 0 ～￡ 。 为启 动段 ， t 。 ～￡ 为匀速段 ， t 。 ～￡ 为减速段 ， t 之后为爬 行和停车段 。 图 1 S型速度给定 曲线 输媒介大有发展前途 。随着技术 的发展和电力网络 的不断完善， 能够解决通信 串扰问题的 C DMA扩频 通信技术作为电力线数据传输的方式在工矿通信与 信号 处 理 系统 中将 会 有更 大 的应 用 舞 台。基 于 P L 3 2 0 1的 C DMA扩频通信系统 电路设计简单 、 抗 噪声能力强、 匹配阻抗范围广， 具有很好的性价 比。 参考文献 r 1 ]YUNGS OO K，J ANG J B，J AEHAK C．B e y o n d 3 G Vi s i o n， Re q u i r e me n t s ， a n d En a b l i n g Te c h n o l o g i e s [ J ] ．I E E E C o mmu n ．Ma g a z i n e ,2 0 0 3 ， 4 1 3 1 2 0 ～ 1 2 4． VI TE RBI A J ，W OLF J K，Z EHAVI E，e t a 1 ． A P r a g ma t i c Ap p r o a c h t o T r e l l i s c o d e d Mo d u l a t i o n [ J ] ． I EEE C o mmu n ．Ma g a z i n e ， 1 9 8 9 ， 2 7 7 1 1 ～ 1 9 ． Z I E ME R R E， TR AN TE R W H． 通信原理 系统 、 调制与噪声[ M] ． 北京 高等教育出版社， 2 0 0 4 ． 维普资讯 2 0 0 7年 第 2期 包西平等 矿 井提 升机 行 程控 制 的研 究及 P L C实现 1 0 9 ‘ 1 速度给定曲线中速度基本公式 1 1 一 r 1 t 。 ，o ≤ 1 1 厶 V2 一 堕 口 l 1 ， l ≤ 2 厶，m l 3 一 一 r 2 n 1 ／ r 2 - [ - t 2 一 。 ， 2 ≤ 3 V 一 ，t 3 ≤ 4 4 1 5 一 一_ 去 _ r 3 t --t 4 。 ， t 4 ≤ ≤t 5 5 厶 V6 一V 5 一n 2 一t 5 ，t 5 ≤ ≤ t 6 6 1 7 一 6 - -a 2 t --t 6 r 4 t --t 6 。 ，t 6 ≤ ≤t 7 7 V8 一 。 ，t 7 ≤ ≤ T 8 式 中 a 为启 动加 速段最 大加 速度 ， m／ s 。 ； n z为 减速段最大减速度 ， m／ s 。 ； r 为 0 ～t 段加速度的 变化 率， m／ s 。 ； r 础为 t ～t 。段 加 速 度 的变 化 率 ， m／ s 。 ； r 3 为 t 4 ～t 5 段加速度的变化率 ， m／ s 。 ； r 4 为 t 。 ～ 段 加速 度 的变 化率 ， m／ s 。 ； T 为提 升 周期 ； V ～ 为参考点 t ～t 的速度值， 。 一般取2 ． 0 ～ 2 ． 5 m／ s ； 为爬行 速度 ， 一般 取 0 ． 3 ～0 ． 5 m／ s 。 2 减速段提升容器在各段上的行程值公式 减速段速度曲线如图 2所示 。 图 2减 速 段 速 度 曲 线 减 速段 I ≤ ≤ s 5 一 s 4 m a x ～ 4 一 言 m 3 一 4 。 减 速段 Ⅱ ≤ ≤ t 。 s 6 一S 5 5 t --￡ 5 一寺n 2 t -- 5 。 减 速段 Ⅲ ￡ 。 ≤￡ ≤￡ 9 3 减速段行程距离值公式 AS 5 一 5 一t 4 一r 3 5 一t 4 。 ／ 6 一 a 2 ／ r 3 ～a { ／ 6 3 A S 。 一 ； 一 j ／ 2 a 1 2 1 3 A S 7 一V 6 7 一t 6 一音n 2 7 --t6 。 r m 4 7 --t 6 。 厶 U 。 a 2 ／ r 一a ； ／ 3 1 4 1 ． 2 行程控制算法分析 最大运行速度是提升机运行参数中极为重要的 一 个参数 ， 它的任何变化将导致运行 曲线 的相应变 化。下面就 值 的变化， 对行程控制 的算法作进 一 步的分析。 1 ． 2 ． 1 变减速点行程控制算法 如 图 2所 示 ， 设 在 减 速段 I、 减 速 段 Ⅱ、 减 速段 Ⅲ及爬行段， 行程距离分别为 A S s 、 A S e 、 A S 及 s ， 则总减速行程距离 S j A S s A S e A S S 。在 实际情况 中， 值是个变值 ， 或者大于最 大给定速 度 ， 或者低于最大给定速度。若 值大于最大给 定速度 ， 则减速点提前 ； 反之 ， 则减速点后移 ， 以变减 速点的方法保证爬行距离不变。实际上 ， 这是一种 定减速度策略， 此时改变 的运行参数只是 A S s 、 AS e 和 A S ， 运行减速度 a 和减速度变化率 r 。 、 r 则保 持不 变 。 总减速行程距 离 s i 在运行减速参数 r 。 和 r 不变 的情况下 ， S 由 唯一 确 定 。在匀 速运 行 阶 段 ， 行程控制器检测到实际运行的最大速度 ， 根 据上述算法计算出 A S 、 A S 。 和 A S ， 也就是求 出了 实际减速点的位置。 l _ 2 ． 2 变减速度行程控制算法 根据提升机的实际运行最大值 适当调整减 速度 a 。 ， 即若 大 ， 则调大 a ； 若 小， 则调小 a ， 这样也可获得 良好的减速效果 。在调整 a z时， 必须 同时调整 r 。 和 ， 否则将会在加速度 的转折 点 出现 速度给 定 的跳变 。 本设计采用变减速点行程控制算法。 1 O 2交流 提升 机速 度行 程给 定 s 一 s 。 。 t -- t 6 一 丢 n t - t 。 丢 r m 4 一 。 1 1 当提升容器运行到爬行点后 ， 便 以预定 的恒速 度进入低速运行段 ， 爬行距离 S 。 一般为 3 ～5 m。 提升机速度采用行程给定方式 ， 速度给定信号 由提升容器在井简 中的位置决定， 其特点是任一位 置都对应 1 个 由该行程位置产生的速度给定信号， 而与时间无关 。但提升机运行于加速段时 ， 则不应 采用行程给定方式 一方面因为初加速时刻的行程 值为零 ， 则此时速度给定也为零 ， 致使提升机不能开 维普资讯 1 1 O 工矿 自动 化 2 0 0 7年 4月 车运行 ； 另一方面由于手动操作时， 司机主令手柄也 参与开车加速的过程 ， 以控制提升机运行最大速度 值 ， 这时将与行程给定原则相悖。因此 ， 在第 1 小节 所给出的加速段速度基本公式都是运行时 间的函 数 ， 该算法简单 ， 易于实现。 2 ． 1启动 加速段 时闽给 定方式 式 1 ～ 8 都是运行 时间 t 的函数 ， 另外考虑 到启动阶段的要求及特点 ， 在该段采用时间方式进 行速度给定 。 2 ． 2 减速过程 中行程速度控制的实现 如上所述 ， 当 t 4 ￡ ≤￡ s时 1 5 ￡ V m 一r m 3 t --t 4 厶 1 △ s 5 ￡ 一 t --t 4 一r 3 t --t 4 。 U 式中 a S ￡ 为以实际减速点为参考点 的减速 行程 ， 通过检测实际行程可求出； 在等速段可实 际测 出； r m 3 为已知 。 因此可根据 A S ￡ 的值求 出对应的 ￡ 一t 。 1 设， z V m z 一去r m 3 x 。 一A S 5 ￡ ， 由三次方 U 程求根公式可得 ￡ 一t 的值， 再将其代入速度公式 可得瞬时速度 的值 。同理， 可求 出瞬时速度 s 、 ‘ 的值 。 3硬 件配 置 在提升机 的天轮和滚筒上各安装 1台轴编码 器 ， 用于产生脉冲序列信号， 计数模块对来 自于轴编 码器的脉冲信号进行计数 ， 以指示提升容器 的实际 位置和速度 ， 继而发送行程监视和位置信号 。 行程控制器选用德国西 门子公 司的 S I MATI C S 7 2 0 0 P L C， 该 P L C以微处理器为核心 ， 带有指令 存储器 、 模拟或数字 的输入／ 输出接 口， 以位运算为 主， 能完成逻辑 、 顺序 、 定时、 计数和算术运算功能， 其硬件配置主要包括电源模块、 C P U 模块 、 模拟量 输入模块 、 模拟量输出模块 、 计数模块等。 4 行程控 制速 度给 定的 P L C程序 设计 在 发生变化时， 提升机运行到减速点后 ， 并 不立即进人减速段 ， 而是等待一段时间 ， 直到提升容 器到达实际减速点后， 才进入减速制动阶段 。这样 ， 在 较低时 ， 可以大大缩短运行中的爬行行程和 提升循环周期 ， 从而大大提高提升设备的生产效率。 由于减速段速度给定采取行程控制方式 ， 为保 证给定信号 的精确可靠、 提升机运行平稳、 停车准 确 ， 需在同步开关 的控制下校正行 程值 。速度给定 程序流程如图 3所示 。 图 3速 度 给 定 程 序 流 程 图 另外 ， 以 P L C为核心 的控制器， 还有许多行程 保护功能， 如超速保护 、 轴编码器保护 、 过卷保护、 错 向监视等。这些保护功能均可通过软件编程实现。 5 结语 由于提升机速度给定曲线在加速段采用加速度 变化率对时间的双积分 ， 在减速段采用行 程方式给 定 ， 使速度给定 曲线过渡平滑 ， 减少了对电网及提升 机械系统 的冲击 ， 提高 了系统 的安全 、 可靠性。用 P L C实现行程控制功能、 生成 S型速度 给定曲线 、 预置速度给定值 ， 完善 了控制系统的各种监视和保 护功能 ， 保证了提升机 的运行 可靠 、 控制平滑、 停车 准确。 参考文献 [ 1 ] 王清灵， 龚幼民． 现代矿井提升机电控系统[ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 1 9 9 6 ． [ 2 ] 李雷军 ． 基于 S I MAD Y ND的矿 井提 升 机全 数字行 程 控 制器 的研究[ J ] ． 金属矿 山， 2 0 0 2 2 ． 维普资讯