矿井提升机数字式位置控制装置研究.pdf

鼢 第 2 5卷第 6期 2 0 0 0年1 2 煤 炭 学 报 J OURNA L OF CHI NA COAL S OCI ETY Vo l 2 5 No 6 De c ． 2 0 0 0 文章编号 0 2 5 3 9 9 9 3 1[ 2 0 0 0 0 6 0 6 2 8 0 4 矿井提升机数字式位置控制装置研究 升机数字式位置控制装置 ，分析 了由位置按 S形曲线原剧控制速度的设计 思想及计算方法 ，给出 了其软、硬件设计 ．实际运行表明 该装置不仅使乘人更舒适 、安全 ，而且缩短 了提升周期 ，为 矿井提升机的安全和 高效运行提供 了可靠的保障． 关 键 词 ； 苎 ； 苎 堡 丝 鱼 竖石 升。 F L C ， 中 图 分 类 号 2 ] 5 3 4 文献标识码 A 。 ’ 弼 ， 目前我国矿井提升机所使用的速度给定方式主要有由给定积分器实现的时间给定、由凸轮板控制的 位置给定和采用位置时间串级的给定l l 这几种速度给定方式均难以满足多种多样的速度图要求 ，而采 用计算机技术实现的数字式位置控制不仅能够满足各种速度图的要求而且实现方便．另外，如果提升机只 有一种速度给定方式， 一旦给定装置出现问题 比如没有给出减速度 ，提升机就会出现全速过卷故障 因此，若能多加几种速度给定方式，实现冗余控制，对提升机的自动化运行和安全运行都是十分必要的． 笔者在对淮南矿业集团潘三矿副井提升系统电控装置的改造中，研制了一套应用可编程控制器实现的矿井 提升机数字式位置控制装置．自1 9 9 7 年投人使用至今，运行良好，为矿井提升机的安全和高效运行提供 了可靠的保障． 1 矿井提升机数字式位置控制装置的设计思想 所谓位置控制，就是按提升容器在井筒中的实际位置产生速度给定信号， 通过调速系统控制提升机的 运行速度 速度给定电路如图 1 所示． h 为手动给定的速度期望值，在加速段和等速段 h 是受司机手把控制的；在减速段 h 不仅受司机手把 控制 ，而且还受 凸轮板 的控制 ，也就 是说 ， h 是按 由 凸轮板控制的位置原则产生的给定速度给定积分器 是按时间原则限制给定的加速度 ．为了提高速度给定 图 1速度给定电路 F i g． 1 Fl o w t h a i 1 o f v m s p e e d 装置的可靠性， 笔者又设置了由可编程控制器实现的按位置原则 f S 产生的速度给定信号 ，将 作为给定积分器的限幅值．这样即使 h 和给定积分器均有故障， 错误，只要 s 正确，速度给定信 号 仍是正确的， 从而实现了对速度给定电路的冗余控制． 为了在加、减速段减小对提升机械的冲击以及对电网的有功和无功冲击， 同时也为了在提人时使乘人 感到舒适，在由位置求速度给定信号 s 时，不仅要限制提升机的加速度 n ，而且要限制加速度的变化率 ． 因此 “o 5 ， t 采用如图 2 所示的 S 形曲线由图2 可知 ， 对某一提升水平，在一个提升循环中，速 度曲线分成加速段 O C 、等速段 耐、减速段 妇 和爬行段 四段．加速段又可分为 3 段，即变加速段 m 亦称初加速段 、 等加速段 曲 和变加速段b c 亦称末加速段 ，同样减速段也可分为初减速段 出、等减 收稿 日期 2 0 0 0 4 1 3 维普资讯 第 6期 李敬兆 矿井提升机数字式位甓控制装置研究 速段 e ，和末减速段 詹 三段 ． 在根据位置 或行程 S求速度给定信号 即 f s 的计算中， 主要用到了力学中的 n r 。 0 f ， s 十I Ⅱ d t ， SI 7 d t 三个公式 下 面以淮南矿监集团潘三矿副井提升系统为例来说 明 sf S 的计算． 潘三矿副井提升水平总行程为 6 7 3 m，等速 段速度 7 c d 8 m／ s ，爬行 段速度 0 ． 3 m／ s ， 等加速段的加速度 Ⅱ 0 ． 6 m ，变加速段的 0 ． 1 5 1T J ，变加速段的时间 t 4 s ，减速 段参数与加速段对称，如图 2 所示 将 ∞ 段数据 t 4 s ， 0 ． 1 5 m／ s 3 ， 0 0 ， a o 0 代人上述公式得 囤2 s f ￡ ， 口， t ， ， ￡ 曲线 F i g ． 2 C A l r o f 口 sf ， d ， ￡ a n d ， t 。 j n d J n 。 a t d J a t d s 』 扣 a 扣 上述两式约去 得该段的速度给定信号 s o ． 8 7 7 m／ s 1 ． 6 m 限于篇幅，其余各段计算略．由此得 sf S 为 ∞段 o s ≤1 ． 6 m ， s o ． 8 7 7 污m ／ s ； 0． 0 7 5 0． 0 2 5 ． 1 2 将 t 4 s 代人式 2 得该段行程 S Ⅱ 6段1 ． 6 s ≤3 8 ． 9 3 m，口 s 1 ． 2 S～0 ． 4 8 m／ s ； 6 c段3 8 ． 9 3 S≤6 9 3 31T I ， t 2 、 厂 l __ 一1 3 ． 6，口 6 ． 80 6 t 0 0 7 5 t m／ s ； 段6 9 ． 3 3 S≤6 0 2 m， s 8 m／ s ； 段6 0 2 S 6 3 2 ． 4／ 2 3_ ， 4 0 5 ／ 3 0 4 , 8 -0 ． 4 S，V S 8 0 ． 0 7 t 2 m／ s ； 段6 3 2 ． 4 S6 6 9 m． s ／ _ 西 m／ s ； 詹 段6 6 9 S ≤6 7 1 8 m，t 3 ， 7 5 2 ． 5 - 0 砸，口 s 1 ． 5 0 ． 6 t 0 ． 0 7 5 t ， m／ s ； 段6 7 1 ． 8 S ≤6 7 3 m，v s 0 ． 3 m／ s ． 由 s ， S 可得，当 S0 时， s 0 ． 8 7 7 S 0，进而 0即速度给定信号为零，提升机不 能起动，因此在 S0 这点不按 s 0 ． 8 7 7 S 求 ，而是给一个较小速度 s 0 ． 1 m／ s ，以便提升机起 车， 起车后再按 f S 原则控制速度． 数字式位置控制装置除按位置原则产生速度给定信号 “I3 s 外，还具有如下功能 1 过卷监视及保护当提升机出现过卷时，发出过卷故障信号，由过卷继电器动作安全回路，进行 过卷保护．过卷后，只有与原运行方向相反才可起车． 2 遥点监视及保护 当提升机运行在等速段和减速段时， 若检测提升机的实际速度值超过按位置原 则产生的速度给定值的 1 ． 1 5 倍时，发出超速故障信号， 通过超速继电器动作安全回路，进行超速保护． 3 错向监视及保护当检测提升机实际运行方向与给定运行方向不一致时，发出错向故障信号，由 错向继电器动作安全回路，进行错向保护． 4 同步校正在井简中设置一同步点，在此安装两个同步开关 左右罐各一个 ．在本系统 中， 同 步点设置在距停车点2 0 m处．当绞车运行至该点时，同步开关动作，这时，不管采集的位置值为多少， 都将其调整为起点至同步点处的实际位置值，其 目的是为了减少位置采集误差． 维普资讯 煤 炭 学 报 2 0 0 0 年 第2 5 卷 5 位置、速度图和力图显示将实时运行中的提升容器在井筒中的位置，在上位计算机屏幕上以图 形和数字两种形式显示，并有停车点前 1 0 r n 精确显示功能；同时也将本勾运行的速度图和力图 电流图 以及实时运行的速度值和电流值送至上位机显示，以便司机直观地了解提升机的运行状态． 2 系统硬件 结构 为了可靠地实现上述功能 ，笔者选用 了中 日合资华光电子公司生产的可编程控制器 S G 一 8 f ，s G一 8的I ／ O总点数可达2 0 4 8 点根 据设计要求，选用的模块有电源模块 G一 0 1 W、C P U 模块 s G 8一C P U、通 讯模 块 G P C} l R S 2 3 2 C Q 0 0】 7 f 0 ～ G l W G 1 DM G 『 Z G 1 AD G 旺I A G 汀 C S K N 0 1 D M、 高速计数模块G一 0 1 Z 、8 路模入模块 ～～ {； ． * 9 G一0 l AD、2路模 出模块 G一0 1 D A、1 6点继 电器输出模块 G一 0 1 T和 3 2 点 A C ／ D C输入模 图3 系统硬件 结构 块 G一5 5 N等、并配置了个人计算机作上位机 1g ’ j “ h e “ o 。 r o l s y s t e n l 实时显示故障信号和运行信息系统硬件结构如图 3 所示． 高速计数模块 G一 0 1 Z的计数范围为一 9 9 9 9 9 9 9 9 -- 9 9 9 9 9 9 9 9 ，最高计数频率达 5 0 k H z ，可对正交脉 冲进行加减计数．本系统利用 G一 0 1 Z对旋转编码器输出的两路正交脉冲 A， B进行计数，旋转编码器与 提升机的电机同轴安装，旋转编码器每圈发出 1 0 0 0个脉冲， 对应提升距离 1 ． 2 m，即每个脉冲对应 0 ． 1 2 c m，由G一 1 z所计的脉冲数即可求出提升机运行的位置 s ．然后通过软件由“6 1 r S 位置原则求出速 度给定信号 s ， 再由D ／ A模块 G一 0 1 D A将 s 转换为模拟量输出， 作为速度给定积分器的限幅值，既实 现了位置控制，又实现了对速度给定电路的冗余控制．由G一 0 1 Z检测的实际提升方向与给定的提升方向 比较进行错向监视 ，当检测到提升机的实际运行方向与给定运行方向不一致时，发出错向故障信号，通 过开关量输出模块 G一 0 1 T的Q 0 控制错向继电器动作安全回路，实现错向监视及保护．当 G一 0 1 Z检测 的实际位置大于总提示距离 0 ． 5 m时，发出过卷故障信号．正向过卷时，通过 GO I T的Q 1 控制正向过 卷继电器动作安全回路；反向过卷时，通过 G一 0 1 T的 q 控制反向过卷继电器动作安全回路，从而实现 过卷监视及保护． A ／ D模块 G一 0 l A D采集提升机的实际速度值 r 和电机的电枢电流值J ，通过通讯模块 G O 1 D M将 r 和， 送给上位机显示速度图和力图，同时将实际速度值 在等速段和减速段与 进行比较，如 ≥ 1 ． 1 5 v s ，发出超速故障信号，通过 G一 0 1 T的Q 3 控制超速继电器动作安全回路，实现超速监视及保护 3 2 点 A C ／ D C输入模块 G一 5 5 N采集操作电路和安全回路的信号，如提升机的正、反向起动信号，提 升方向信号以及安全回路各电气设备和机械设备的控制信号等，以便系统监控 通讯模块 G一 0 1 D M实现P L C与上位P C的通讯 ， 将 P L C采集的实际位置值、实际速度值、电枢电流 值以及各 I ／ O量送至上位机，由上位机完成图形和数字的位置显示、停车点处精确显示、速度图和力图 显示以及各主要 I ／ O开关量状态显示等，同时上位机也将运行信息及故障信息存储，以便分析每勾的运 行状况及故障原因． 3 系统软件设计 在程序扫描之前先进行输入刷新 ，将输入信号一次读入 ，这是由可编程控制器扫描式工作原理决定 的．接着进行错向监视，通过 G一0 1 Z检测提升机的实际运行方向与给定方向进行比较，判断提升机是否 错向，若错向，通过错向继电器动作安全回路，进行错向保护． 随后通过 G一0 1 Z采集旋转编码器输出的 脉冲并经数值处理后得位置值 S ，当提升机正向运行时，使 S S ；若为反向运行，应使 S 6 7 3一 S 6 7 3 n l 为潘三矿副井井筒总深度 接着由v s， s 求出位置 S所对应的速度给定值 s ，并通过 G 维普资讯 第 6期 李敬兆 矿井提升机数字式位置控制装置研究 一 0 i D A输出作为给定积分器的限幅值，实现速度给定的 冗余控制 ． 同步开关动作，对位置进行校正．该系统同步点距停 车最为 2 0 m，IE向运行时，不管所计位置值 S 为多少， 都将 s 校正为 6 5 3 m；反向运行时将 s 校正为 2 0 m．可 编程控制器 的用户程序约 7 0 0步，一个扫描周期约 1 0 1T I S ． 同步校正点处的速度约 3 m／ s ，依据可编程控制器 I ／ O延 迟最多两个扫描周期计，则同步校正的最大误差不超过 2 x 1 0 m s 0 ． 3 e ra ／ m s 6 c rn ．接着判断在等速段或减速 段提升机是否超速，若超速则通过超速继电器动作安全回 路，实现超速保护．当检测的实际位置超过提升总距离 0 ． 5 m 时，表明提升机 已过卷 ，这时应立 即通过过卷继 电 器动作安全 回路，实现过卷保护 ．过卷后 ，只有与原运行 方向相反方向开车，才可解除故障并起车．最后程序完成 操作电路和安全回路的监控等其它功能并进行输出刷新 可编程控制器程序框 图如图 4所示 在可编程控制器与上位 P C通讯中，笔者采用的是一 对一通讯方式 3，上位 P C作主机 ，可编程控制器作从机 这样可编程控制器就不需编制通讯程序，只有上位 P C机 需要编制通讯程序 上位 PC 采用的是 C语言编程，详见 参考文献[ 3 J ． 参考文献 图4 可编程控制器程序 № ． 4 P L C s p r o g r a m fl o w c h ll lr t [ 1 孙守信．矿山自动控制系统 [ M] ．北京煤炭工业出版社，1 9 9 6 ． 1 --8 0 ． [ 2 ] 陈金华可编程控制器应用技术 M] 北京 电子工业出版社， 1 9 9 5 4 4 --9 7 [ 3 ] 李敬兆P L C与P C的数据通讯 _ J ] ．电子与自动化，1 9 9 7 ，2 6 3 3 3 --3 5 ． 作者简介 李敬兆 1 9 6 3 ． 男 副教授 1 9 9 2 年于中国矿业大学获硕士学位，现在合肥工业大学攻读博士学位 从事 自动化 专业的教学与科研工作 ． 发表 “ 极点配置 自 校正控制直流调速系统研究 、“ 电气设备第一故障检测”等论文 1 5 篇． Th e r e s e ar c h o f mi n e h o i s t d i g i t a l r a ng e c ont r o l l e r L I J i n g z h a o El e c t r i c En g i n e e n gC o l l ，He f e i m m o fT e c h n o 1 6 g y ，强 2 3 0 0 0 9 ，C h i n a Ah s t r a e t A s e t o f mi n e h o i s t d i g i t a l r a n g e c o n t r o l l e r wi t h P L C i s d e v e l o p e d ．wh i c h a i me d a t s h o r t a g e o f mi n e h o i s t s g i v e n s p e e d d evi c e ． De s i g n i d e a s a n d c a l c u l a t i o n me t h o d o f S c u r v e a r e a n al y z e d ， and t h e P L C s h a r d w a r e a n d sof t wa r e o f t h e min e h o i s t d i git a l r a n g e c o n t r o l l e r a r e g i v e n F a c t s h o w s t h a t t h e d i g i t a l r a n g e con t r o l l e r n o t o n l y ma k e s wo r k e r s r i d e i n comf o r t a n d s a f e t y， b u t a l s o s h o r t e n s t h e mi n e h o i s t s I “ 13 1 “1 c y c l e． I t p mv i d e s r e l i a b l e g ua r a n t e e1 o日 r u n o fmi n e h o i s t Ke y w o r d s h o i s t ；r a n g e con t r o l l e r ；P L C 维普资讯