矿山提升机数字化控制系统.doc

矿山提升机数字化控制系统 目 录 第一章 概述 1.1 产品特点 1.2 用途及适用范围 第二章 技术特性 2.1 主要功能 2.2 系统的硬件与软件 第三章 系统优点与经济效益分析 3.1 系统的优点 3.2 经济效益分析 第四章 系统总结 第一章 系统概述 在煤矿生产中，矿井提升机起着非常重要的作用，它是矿山生产的关键设备。提升机电控装置的技术性能，既直接影响矿山生产的效率及安全，又代表着矿井提升机发展的整体水平。 随着世界发达国家矿山提升机控制水平的提高，我国矿山提升机控制已逐步淘汰耗能巨大、自动化水平极低的TKD系统，而变频及PLC数字化控制技术已成熟，经过多年在矿山提升绞车上的实际应用，其性能优越、节能显著已为公众所认知。但矿井提升是矿井生产的咽喉部位，再加我们现有提升机操作人员的水平所限，为保证系统工作的可靠性，应保留原TKD操作系统，改造后，以变频系统为主，TKD系统作为备用，既充分发挥了变频系统的优越性，又减少了工作上的后顾之忧；原系统的监控保护功能采用双PLC（冗余设置）实现，使变频保护与其形成双重保护。在采用先进技术的同时，必须充分考虑系统工作的可靠性、完善性，充分考虑操作的简易性，尽可能简化系统，适合现场条件，这是我们设计的根本。 矿井提升系统是一个高强度作业系统，因此对提升机电气传动系统也有更高的要求。传统TKD交流拖动系统的显著缺点是调速性能差，调速时能量要大量消耗在电阻上，给定方式落后，控制精度低，安全保护和监测环节不完善，安全可靠性差，维护工作量大，而且运行不经济（TKD系统已列入2008国家强制淘汰系列）。本设计对传统的电控系统进行了改进，采用PLC进行变频控制，并且加入了上位机监控系统，包括工艺控制、行程控制、监视系统、安全回路、制动系统、调速系统和信号系统等。本系统大大提高了矿井提升系统的安全性、可靠性、完善了检测系统、提高了调速性能，节约了能源，对于煤矿安全生产有重大意义。 1.1 系统特点 电控部分可实现双回路电源互为备用，变频系统和原电控系统的转换。主要控制功能 （1）具有手动、半自动、全自动、检修、调绳及应急开停功能。 （2）用软件实现按行程给定、速度闭环程序按PLC调节过程来控制。 （3）全数字，电子脉冲信号的给定和手闸控制，同时具有零位锁定功能。 （4）安全回路及主要控制环节的故障用20段语言报警提示。 （5）采用触摸式彩色液晶显示屏实现系统中各种参数的数字显示，梯形图状态显示，提升机位置及速度模拟动态显示，电机电流动态曲线显示等。 （6）实现控制系统的自检报警、信号记忆及相应图文数字显示等。 （7）采用性能优越的西门子品牌PLC，两套PLC相互冗余，构成安全双回路双线制，且冗余量不低于20。 变频部分 u 主回路功率单元模块化设计，维护简单 u 采用能量回馈单元、刹车电阻单元处理再生能量，节能效果显著，可满足电机四象限运行的要求 u 具有完整的保护机制变频器除具有短路、过压、欠压、过流、过热等保护外，还提供了外部故障信号输入、开机联锁保护、内置自动减速程序等功能 u 具有良好的转矩特性启动力矩大于2倍的额定转矩，制动力矩大于额定转矩，6Hz时的低频力矩大于1.6倍额定转矩 u 提供0-5V（10V）和4-20mA工业标准信号接口 1.2 用途及适用范围 JD-BP系列提升机专用变频器主要用做矿山提升机控制系统的调速设备。可用来替代原提升机电控系统的调速部分，也可作为提升机电控系统生产厂家的配套产品。系统的安全措施需要提升机电控系统提供。 警告由于用户违反国家煤安规程的操作而造成的一切后果，本公司不承担任何责任。 第二章 技术特性 2.1 主要功能 基于 PLC 控制的大功率矿井提升机变频调速控制系统由动力装置、液压站、变频器、操作台和上位机监控系统组成，系统框图如图所示。各部分功能如下 动力装置包括主电机、减速器、卷筒、制动器和底座，完成人、物、料的运输任务。主电机通过减速器向卷筒提供牵引所需的动力； 液压站为提升机提供制动力，停车时先通过液压站给卷筒施加机械制动力，再取消直流制动力；提升机起动时，先对电机施加直流制动，再松开机械抱闸，防止溜车，以保证系统安全可靠地工作。 四象限变频调速器是动力装置的能量供给单元，通过它可将输入工频电能转换成频率可调的电能提供给交流电动机，以达到控制交流电动机转速的目的。 数字化操作台操作台设置两个手柄，分别用于速度辅助给定及制动力给定。它是整个矿井提升机运输系统的控制核心，通过它可以设定系统的工作方式和控制方式，可以发布系统的各种控制命令，以实现对提升机启动、加速、平稳运行、减速、停车以及紧急制动等各种控制功能。 数字化操作台 触摸屏监控系统是操作人员和控制系统及运输系统之间的桥梁，它可以在线监测提升机运输系统的各种工作参数、工作状态、故障参数和故障状态。为保证提升机运行的高度安全性, 监视系统一般应具备如下特点（1）终端监视装置是独立于提升机速度控制系统之外的安全监视装置；（2）PLC构成的电子式装置由两套相同的系统构成安全可靠的冗余系统；（3）具有全行程速度连续监视、停车位置监视和运行方向监视等功能。 报警系统本系统采用声光报警（电笛和指示灯），同时显示到上位机监控系统和操作台上。 提升机变频调速及上位机监控总体系统框图 变频与原系统转换 主回路切换原理图 正常工作状态，为1变频调速运行。若1出现故障或需要检修时将电源部分和负载部分都转到相应的位置，需停电后再进行操作。 上位机监控系统 PLC与触摸屏（eView）以及变频器等之间采用网络通讯，进行各种参数设定、显示，提升机位置，速度的设定显示，以及报警显示。 监控内容主要包括超速监视、过载监视、松绳监视、井筒过卷监视、变频器故障监视、矿车行程监视、深度指示器失效监视等，以上监视内容出现故障时，通过报警回路报警或安全回路实现抱闸停车保护。 本系统采用eView触摸屏MT510T（如图7），它强大的32位嵌入式高性能CPU,支持256色真彩显示与敏捷的反应速度；功能强大且简单易用的简体中文编辑软件，使你轻松完成复杂的人机界面设计；独特的多视窗操作功能，大大增加可显示信息量；可与几乎所有的PLC兼容；创新的在线模拟功能，大大节省工程时间；具有手写留言板功能，具有实现三级用户口令保护的功能。 eView触摸屏 2.2 系统的硬件与软件 2.2.1硬件保护与抗干扰 调速控制系统保护措施 无熔丝断路器MCCB用于快速切断变频器的故障电流并防止变频器及其线路故障导致电源故障； 电磁接触器MC在变频器故障时切断电源并防止掉电及故障后的再启动； 调速控制系统抗干扰处理可选 交流电抗器ACL用于改善输入功率因数，降低高次谐波及抑制电源浪涌； 无线电噪声滤波器NF用于减小变频器产生的无线电干扰； 直流电抗器DCL用于改善功率因数，抑制电流尖峰； 2.2.2系统软件实现 软件部分主要是由eView触摸屏程序和PLC软件组成，触摸屏程序主要由Protel组态软件来完成。 软件控制是提升机调速控制的灵魂。PLC 系统控制软件由主程序和中断子程序构成，并集成了 PLC 故障处理功能，能够有效的避免许多干扰因素的影响，确保提升机调速电控系统的有效运行。本系统软件部分由V4.0 STEP 7 MicroWIN实现，完成了风机变频控制系统各种情况的巡检和控制。其控制流程图如下。 主程序流程图 主程序流程图如图2.8所示，其中包括两个主要的功能模块中断子程序功能模块和故障处理子程序功能模块。主程序完成系统初始化、自检、故障诊断、调速系统控制等工作。 （I）中断子程序功能 当 PLC 接收到来自传感器、接近开关或变频器故障等外部控制信号时，PLC 控制程序转到相应的中断处理程序处，完成超速保护、过卷、过载、松绳等保护及提升机位置、速度监控、变频器故障监控等。当有故障出现时可转到相应的故障处理模块进行进行故障处理，并通过报警回路报警或安全回路实现抱闸停车保护。 （II）故障处理子程序功能 故障处理程序综合来自控制系统外围的故障信息和内部系统监视程序检测到的故障信息，控制系统程序依据故障的不同类型以及提升机当前的运行状态，做出相应处理。同时判断并记录首发故障，便于现场工作人员进行维护，快速地查找和排除故障。对于轻故障，如果当前提升机处于停车状态，则不允许开车，系统发出报警信号；如果当前提升机处于运行状态，则允许提升机继续运转完成本次提升循环后，再发出报警信号，而且在停车后故障未被排除前禁止开车。 对于较重故障，如果当前提升机处于停车状态，则不允许开车；如果当前提升机处于运行状态，则依靠传动控制系统实现电气制动，使提升机以正常的减速度减速、停车、抱闸。对于重故障，PLC 系统根据故障的分类使快速开关跳闸或高压开关跳闸。如果当前提升机处于停车状态，则不允许开车并跳闸；如果当前提升机处于运行状态，而且故障点位于减速点之前，则首先选择跳闸，再对提升机实施恒减速制动；如果故障点位于减速点之后，则电气跳闸后施以二级制动；如果故障点位于减速点之后且靠近井口，已经来不及进行二级制动，则系统立即实施紧急制动。 第三章 系统优点与经济效益分析 3.1 系统的优点 提升机是矿山主要耗能设备之一，耗电量约占矿井总耗电量的2040。原始的TKD调速系统，配套功率大，经济效能比低，提升稳定性差、耗能量大。随着矿井的延伸，产量的不断提高, 对提升机进行节能改造，提高运行的可靠性及节能性势在必行。 利用当今先进的变频技术改造传统的提升机电控系统，集无级调速、直流制动、转矩提升先进技术于一体，具有不可比拟的优势 1调速平滑，变有级为无级调速，实现了低频、低压的软启动、软停车，避免了“冲击”、“失控”现象的发生; 2节能效果明显，系统四象限运行使得能量直接回馈电网,且不受回馈能量大小的限制,则保证了绞车运行时可频繁的停车,启动及换向节约大量电能，可提高系统运行效率,节能率可达3040。摔掉了能耗巨大的调速电阻、交流接触器及时间继电器，提高了系统的可靠性; 3采用转矩补偿功能，使重车启动正常; 4启动及加速过程冲击电流小，最大启动电流不超过额定电流的1.3倍，大大减小对电网的冲击; 5采用直流制动功能，使停车更加稳定避免了“溜钩”现象的发生; 6内置失速、过流、漏电、过压、欠压、断相、短路、上行与下运闭锁及自动限速智能模块，与提升系统的保护形成双重保护，大大提高了系统的可靠性; 7灵活的工频/变频转换功能,将原操作系统成为备用,随时可以切换,使提升机的电控系统实现了双套互为备用，大大提高了提升机运行地可靠性，为矿山的安全稳定生产打下坚实的基础； 8考虑到提升机司机工作的习惯性和操作的简单,变频系统延用与原操作系统相同的主令控制器操作; 9变频控制系统内置先进的电气制动单元，不但实现了提升机调速、制动的平稳性和零耗能，更使提升机的原机械制动系统成为备用和停车定位所用，明显减少机械制动系统的磨损和维护工作量，延长其使用寿命； 10具有超强的过载能力; 11内置直流冷却装置; 12节约大量的带阻电控设备的维护检修费用。 3.2 经济效益分析 3.2.1 系统节能节省的费用 节能效果明显，系统四象限运行使得能量直接回馈电网,启动及换向也可节约大量电能，节能率可达3040。甩掉了能耗巨大的调速电阻、交流接触器及时间继电器，仅节能一项根据粗略估算不用一年时间即可收费安装设备所花费用。 3.2.2机械，电气方面节约的维护费用 （1）变速箱的齿轮因为改造后实现了软启，软停，大大减少了齿轮受硬机械力的损伤的可能性，每年可以减少维护费用不低于10万元。 （2）改造后电阻箱的消耗基本没有，这一块的维护费用可以全部节约。大致一年可以节约1.5万元左右。 （3）电气柜内的控制串阻的接触器可以延长使用寿命，一年可以节约将近1万元的电气元器件费用。 （4）加了电磁制动以后，减少了机械制动的摩擦力，机械制动每年可以节省维护费用5000元。 （5）在提升系统改造成了变频系统控制以后，维护时间大大缩短，间接产生的经济效益大大提高了。 第四章 系统总结 本系统的设计是针对当前大多数大中小型矿井矿山提升机调速电控系统采用交流绕线式电机串电阻调速当中存在的提升机调速性能差、故障率高、能耗大等问题展开的。借助于现已成熟的变频调速技术，并将可编程控制器（PLC）强大的控制功能、上位机监控系统与变频技术相结合，应用于矿山提升机电控系统中，能够改善矿山提升机电控系统性能。