矿井直流提升机全数字新型电控系统.pdf

4 煤矿机电 2 0 0 6年第1 期 矿井直流提升机全数字新型电控系统 谭国俊， 熊树 中国矿业大学 信息与电气工程学院， 江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 摘要 本文以A S C S直流提升机控制系统在平顶 山矿业集团八矿主井提升机中的实际应用为 例， 介绍了数字电控系统设计方案， 并给出了P L C的硬件配置和软件设计方案。经实际运行， 充分 体现 了故障率低、 可靠性高等多方面的优 点。 关键词 P L C ； 提升机； 全数字； 电控系统 中图分类号 T M7 6 2 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 0 8 7 4 2 0 0 6 0 1 0 0 0 4 0 3 A N e w W h o l e - d i g it a l E l e c t r ic Co n t r o l De v ic e f o r Mi n e DC W i n d e r T A N G u o -j u n ， X I O N G S h u C o l l e g e o f I n f o r m a t i o n a n d E l e c t ri c a l E n g i n e e ri n g ，C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y ， X u z h o u 2 2 1 0 0 8 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e a r t i c l e i s i l l u s t r a t e d w i t h AS CS e l e c t r i c c o n t r o 1 s y s t e m o f DC wi n d e r u s e d f o r t h e ma i n s h a f t h o i s t i n No ． 8 Mi n e o f P i n g d i n g s h a n Mi n i n g G r o u p ．I t a l s o i n t r o d u c e s t h e d e s i g n s c h e me o f d i g i t a l c o n t r o l s y s t e m a n d s i v e s t h e c o n f i g u r a t i o n o f P L C h a r d w a r e a n d d e s i g n s c h e me o f s o f t wa r e ．T h e s y s t e m s h o ws t h e a d v a n t a g e s s u c h a s l o w f a u l t r a t e a n d h i g h r e l i a bi l i t y b y wa y o f p r a c t i c e ． K e y wo r d sP L C；wi n d e r ；w h o l e d i g i t a l ；e l e c t r i c c o n t r o l s y s t e m 1 引言 2 直流提升机全数字电控系统 现在煤矿提升机控制系统大多采用“ S C R D 模拟调节 继 电器控制” 的直流拖动方式 ， 其调节 控制保护系统基 本采用模拟系统。然而 ， 这种模拟 系统的控制参数调整极 为不便 ， 温度的变化 易使调 节保护部分的模拟电路产生“ 零漂” ， 环境湿度的变 化也会使绝缘电阻变化 ， 从而改变系统的特性 ； 电路 分立元件多， 电路复杂， 故障点多， 导致可靠性差， 限 制了提升控制系统的控制精度及安全性能； 整个电 控系统故障诊断能力差， 不能直接显示故障类型及 故障点。随着计算机和数字技术的发展， 采用全数 字电控系统已经成为可能， 它从根本上改变了模拟 控制系统的缺点， 并具有模拟系统无法比拟的优点。 本文以A S C S 直流提升机控制系统在平顶山矿 业集团八矿主井提升机中的实际应用为例， 介绍了 数字电控系统设计方案， 并给出了 P L C硬件配置和 软件设计方案。在实际运行中， 该系统充分体现故 障率低、 可靠性高等多方面的优点。 J K MD 4 X 3 ． 5型落地式 多绳摩擦 提升机采用直 流拖 动， 主电机 容量 1 0 0 0 k W 电枢 电压 6 6 0 V ／ 1 7 7 0 A ， 用 A S C S全数字电控系统控制 ， 系统原理如 图 1 所示 。 图 1 系统原理图 1 传动方案 主回路为磁场可逆 6脉动供电 、 电枢恒定逻 维普资讯 2 0 0 6 年第1 期 煤矿机电 5 辑无环流 串联 1 2脉动供电 ， 主电机可四象限运 行。 2 调节部分 采用以 1 6位处理器为核心 的 A S C S全数字调 节系统， 电枢电流单向、 磁场电流换向、 电流和速度 双闭环均由全数字调节部分实现全数字控制。该系 统既可以用模拟量给定， 也可用上位机、 P L C或其它 数字操作单元提供数字量给定。反馈可用模拟测速 机， 也可用轴编码器或者同时使用作为复合反馈， 从 而得到最佳的动态性能和稳态精度。所有控制算法 都由高速 l 6 位微处理器来完成， 保证所有控制回路 的调节作用在主回路6 个晶闸管桥的转换时间之内 完成， 以保证电流环的采样时间。对可逆装置， 转矩 反向时的无环流时间非常短 且可由软件设定 。 电流环具有 自适应功能 ， 即使负载变化很大时， 系统 也能获得平稳的速度响应 ， 速度环的 P I 参数调节范 围很大， 且具有积分分离功能。 3 可编程序控制器 P L C P L C是整个电气 系统的操作保护 中心 ， 系统选 用了 S I E ME N S公 司的 S 73 0 0可编程序控制器及 其它模块配置， 在 P L C柜中装有两台 P L C ， 分别完 成提升机系 统 的操 作保 护和行 程监 控 ， 其 中一 台 P L C与轴编码器配合构成数字式行程监控器， 自动 生成 S型速度曲线 ， 行程跟踪精 度高 ， 停车准确 ； 另 一 台P L C构成操作保护系统， 提供立即施闸、 电气 制动施闸、 终端施闸和报警四类保护功能。系统的 安全回路有两套， 一套由 P L C构成 ， 另一套为继电 器直动回路。行程监控 P L C将部分操作信号、 部分 保护信号以及设定的一些行程参数与轴编码器信号 结合起来进行逻辑运算处理， 自动产生提升机所需 的速度给定信号。为了尽量减少起动、 制动过程中 的机械冲击， 提高提升机控制精度， 速度给定信号的 加速 、 减速段为“ S ” 型曲线 ， 减速段行程通过 P L C实 际运算来调节减速度以保证其为一固定值， 从而保 证停车点不变和停 车点的精度。 此外， 行程监控 P L C还将轴编码器信号经软件 计算后处理成罐笼在井筒中的位置和在线速度， 送 到操作台监视器显示， 还产生包络曲线对提升机的 速度进行连续监视。这种以软件处理为主的行程跟 踪方法在灵活性 、 可靠性及精度等方面都很高， 只要 选择分辨率较高的轴编码器， 就可以保证定位的精 度 2 c m， 因打滑及钢绳伸长等行程误差， 可通过井 筒同步开关加以校正。两台 P L C既相互独立， 又能 相互监视， 对某些保护 如过卷 、 超速、 钢绳打滑等 还能相互备用， 大大提高了行程监控器的可靠性。 1 s 7 3 0 0 P L C的硬件配置 1 行程监控 主要包括电源模块 、 C P U模块 、 输入模块 、 输 出 模块、 A ／ D模块、 D ／ A模块 、 计数模块和通信模块。 电源模块将输人交流电压转换成 2 4 V直流电， 为其它模块供 电。C P U模块用 于控制总 线上模块 之间的数据传输， 并执行用户程序。输入模块用于 将控制系统送来的外部数字信号电平转换成内部信 号电平 ， 可输入 3 2路 2 4 V开关量信 号。输 出模块 用于将内部信号电平转换成控制系统所要求 的外部 信号电平。A ／ D模块用于将控制系统送来的外部 模拟信号 如电压、 电流 、 速度、 精度等 转换成内部 处理用的数字信号； D ／ A模块用于将输出的数字信 号转换成控制系统所需的模拟信号 如电压 。计 数模块共两块 ， 一块用于对导向轮的轴编码器进行 计数， 另一块用于对传动控制器一 卜 的轴编码器进行 计数 。 2 操作保护 主要包括电源模块 、 C P U模块 、 输入模 块 、 输 出 模块 ， A ／ D模块 ， 计数模 块。各模 块功能 同上述行 程监控 P L C类同。 2 软件配置 软件配置有系统程序和用户程序。系统程序装 配在 C P U模块上随硬件的产品而来； 用户程序是编 程器编好程序后输人到可 编程 序控制器 的存储模 块 。程序是采用块式结 构形式 ， 共有组织块 0 B 、 程序块 P B 、 功能块 F B 、 数据块 D B 、 顺序块 S B 5种形式 。本系统没有采用顺序块 。 功能块 F B 是用于复杂功能的反复经常编程 如专用控制器、 报警器、 计算功能和调整功能 。 组织块 O B 是系统程序和用户程序的接 口， 是用户 程序的一部分， 但只能 由系统程序调用， 呵以编程 序， 使用者不能调用 ， 本系统使用 了 3个 O B块 O B I O 0 ， O B 1 ， O B 3 5 。O B I O 0为加电启动组织块， 在该组织块中编制有关系统参数初始化的程序， 此 组织块仅在系统加 电起动后运行一 次， 以后在程序 循环中不再执行， 系统初始化程序框图如图2 所示。 O B 1为循环运行组织块 ， 即用 户主程 序部 分 ， 行程 P L C主程序框图如图 3所示。在 O B 1中可以调用 其它功能块， 如 S F B 、 S F C 、 F B 、 F C等。O B 3 5为中断 维普资讯 6 煤矿机电 2 0 0 6年第1 期 组织块， 它使循环时间中断， 循环时间为 0～ 6 0 m s ， 可根据用户需要任意设置。本系统利用 O B 3 5的中 断时间， 循环向上位机发送监控数据。系统中行程 监控 P L C的中断程序框图如图4 所示。 圈2 系统初始化程序框图图3 行程 P L C主程序框图 Y 结束 图 4中断程序框图 3 速度给定控制 系统采用了带加速度变化限制的行程给定 ， 利 用 P L C由软件实现提升运行速度曲线的 s化 即限 制加速度的变化率 。s 形速度给定控制和 s 形速 度给定曲线分别如图 5 、 图6所示。在加速阶段采 用加速度对时间的双积分形式给出， 即按时问给定 方式， 在减速阶段按行程原则来控制。 4 监控系统 基于 Wi n d o w s 操作系统， 利用 V C 语言， 自 行开发了提升机监控软件， 能在计算机屏幕上实时 动态反映提升机系统的所有运行参数和运行状态。 如显示主回路、 低压配电回路、 速度图、 液压制动系 统和故障信息等画面， 使司机对提升机的运行状况 一 目了然。若发生故障， 司机能及时从监视器上了 解到故障类型及位置， 通知维修人员排除故障。 图5 S形速度给定控制图 图6 S形速度给定曲线 5结语 提升机直流全数字新型电控装置， 速度曲线为 s 型， 起动、 制动平滑过渡， 对机械设备不产生冲击 震动， 经实践证明， 运行特性较好。系统参数经过软 件调试一次性永久设定， 不存在参数漂移问题。全 数字控制器重复性好， 可靠性高， 它使提升机的操 作、 维护都更方便。系统在平顶山矿业集团八矿主 井提升机中的实际应用中， 故障率低、 可靠性高。 参考文献 [ 1 ] 何凤有． 谭国俊． 矿井直流提升机计算机控制技术[ M] ． 徐州 中国矿业 大学 出版社 ， 2 0 0 3 作者简介 谭国俊 1 9 6 2一 ， 男， 教授， 博士生导师。1 9 8 4年毕业于 中国矿业大学， 长期从事电力电子与电气传动研究， 曾获原煤炭工业 部科技进步二等奖， 国家科技进步三等奖。 收稿 日期 2 0 0 5～ 0 72 8 ； 责任编辑 姚克 一 维普资讯