全数字电控系统在矿井提升机中的应用 论文

毕业论文

（ 届 专业）

题 目：全数字电控系统在矿井

提升机中的应用

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2016年4月 日至 月

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全数字电控系统在矿井提升机中的应用

摘要 : 数字控制技术与一般的提升机电控系统相比，在安全回路中增加了一套软件安全回路，即系统分别有硬件和软件两套安全回路。以煤矿副井提升机电控系统为例，对模拟控制系统和数字控制系统进行比较，阐述了数字控制系统的优越性，并介绍了原系统改造方案及数字控制系统的硬件及软件配置 。 关键词 : 全数字；电控系统；提升机

Abstract : The article illustrates the electrical control system of mi ne hoists ,compares the simulative system with the digital one so as to expound the superiority of the digital control system. Furthermore , the paper presents the re building scheme , al so gives the configuration of the hardware and software .

Key words : full-digital ; electric control system ; mi ne hoists

引言（preface ）

自八十年代以来 , 煤矿提升机控制系统大多采用“SCR - 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。该模拟系统存在以下缺点和不足：

( 1) 控制回路一经确定，控制参数的调整则极为不便，不易形成最优控制。

( 2) 温度的变化易使调节保护部分的模拟电路产生“零漂”。同样，环境湿度的变化也会使绝缘电阻变化，从而改变了系统的特性。

( 3) 电路分立元件多，电路复杂，故障点多，可靠性差。

( 4) 该模拟系统限制了提升控制系统的控制精 度及安全性能。

( 5) 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。

煤矿副井提升机电控设备原为模拟控制系统，该绞车为直流拖动，其电控系统调节保护部分采用模拟电路调节，行程及主令部分采用继电器控制。基于上述模拟调节控制保护系统所存在的问题，对原

电控系统的改造尤为必要。随着计算机和数字技术的发展，组成一套全数字系统已经成为可能，特别自九十年代以来，全数字直流调速电控在我国矿井提升机 SCR - D 系统 中已开始应用，它从根本上改变了模拟控制系统的缺点，并且有模拟系统无法比拟的优点：

( 1) 控制精度高，参数稳定性好，克服了模拟系统的“零漂”问题。

( 2) 硬件结构简单，故障点少，可靠性高。

( 3) 故障自诊断能力强。

( 4) 加强了通讯功能，可以很方便地与矿井调度室和其它微机联网进行通讯，便于现代化管理。

正文（text ）：

一、两种全数字提升机电控系统在矿井的应用

随着科学技术的发展，特别是矿山机电技术和计算机技术的发展，使煤矿机电装备自动化控制在矿井广泛应用，提高了机电使用效率，大幅提高煤矿生产效率。矿井提升机是煤矿生产中的关键设备之一，在煤矿生产中，其起着非常重要的作用。

矿井提升是矿井生产过程中的一个重要环节，矿井提升机担负着物料、人员等的提升运输的任务等。它的安全、可靠、有效运行，不仅关系到矿井的生产能力和经济效益，而且还与矿工的生命安全紧紧地系在一起。随着生产发展、技术进步的要求，矿井提升系统的安全可靠性也越来越突显重要，人们对电控系统的要求包括人性化设计水平、智能化水平、结构形式等都提出了更高的要求，这已是现代矿井提升机电控系统开发中最为重要的内容，矿井提升机自动化技术正在向智能化、网络化和集成化发展。

所以提升机控制系统的研究一直是社会各届人士共同关注的一个重大课题。电气控制方式在很大程度上决定了提升机能否实现平稳、安全、可靠地起制动运行，避免了严重的机械磨损，防止较大的机械冲击，减少机械部分维修的工作量，延长提升机械的使用寿命。随着矿井提升系统自动化，改善提升系统的性能，以及提高提升设备的提升能力等的要求，对电气传动方式提出了更高的要求。对矿井提升机电气传送系统的要求是有良好的调速性能，调速精度高，四象限运行，能快速进行正、反转运行，动态响应速度快，有准确的制动和定位功能，可靠性要求高等。

目前，我国绝大部分矿井提升机（超过70%）采用传统的交流提升机电控系统（TKD-A ）,TKD 控制系统是由继电器逻辑电路、大型空气接触器、测速发电机等组成的有触点控制系统。经过多年的发展，TKD-A 系列提升机电控系统虽然已经形成了自己的特点，然而不足之处也显而易见，它的电气线路过于复杂化，系统中间继电器、电气接点、电气联线多，造成提升机因电气故障停车事故不断发

生。采用PLC 技术的新型电控系统都已较成功的应用于矿井提升实践，克服了传统电控系统的缺陷，代表着交流矿井提升电控技术发展的趋势。本文主要阐述了全数字直流提升机电控系统和全数字交—交变频提升机电控系统的应用等问题。

全数字直流提升机电控系统 、主控系统一般采用可编程序控制器，其软件主要完成提升机运行的顺序逻辑控制、算术计算、比较及通讯等功能。一些提升机的主控系统还完成了提升机的行程控制功能，因其行程控制实时性要求较高，因此，此类型的主控系统对可编程序控制器有很高的要求。按提升机电控系统控制功能的具体要求，应选择不同类型的PLC 。

传动控制系统主要实现提升机速度、电流双闭环控制、逻辑无环流换向控制等功能，以及变流器的监测和保护功能。

监控系统通过采集与主轴直联的旋转编码器信号、井筒开关信号及其余运行信号，对提升机行程、速度等重要参数进行监视，完成过卷、等速度段超速、减速段连续速度保护、定点速度保护等保护功能，起到主控系统、传动控制系统等保护的热冗余后备保护。

液压制动控制系统是实现故障安全优先要求提升机系统的重要环节，完成工作制动和紧急制动等控制。根据制动控制原理不同，紧急制动应分为恒减速制动和恒力矩制动（二级制动）。前者是在制动过程中控制系统按减速度闭环调节液压制动系统的制动油压实现减速度不变的控制；而后者是根据预先设置的油压和时间进行紧急制动。恒力矩制动过程中减速度与实际负载的状态相关，适合负载基本恒定的主井提升系统；恒减速制动可依负载调整制动力，适合有人员提升的副井提升系统。

井筒信号系统是提升机行程控制与保护的重要部分，分别在井筒中不同位置设置同步校正开关、定点速度检测开关和过卷开关等，以使控制系统获得提升容器在井筒中的确切位置，实现准确测量行程。

二、直流提升机数字化改造方案

煤矿副井提升机电控系统中，提升机选用 J KMD4X3. 5 型落地式多绳摩擦提升机，绞车采用直流拖动 , 主电机容量 1000 KW(电枢 电压 660 V/ 1770 A) ,原电控系统原理图如图1 所示：在数字化改造的转接线路中 , 为了当新系统出现故障时而不影响煤矿的正常工作，采用了公共插头与两个插座，插座 1 用以连接原模拟 调节系统，插座 2 用于连接新数字调节系统，公共 插头用于连接两个系统的公用部分 。具体的结构 图如图 2 。

1）、直流全数字电控装置设计

根据提升机的工艺要求，改造后的矿井提升机全数字直流电控系统框图如图 3 所示。

2）、全数字控制系统设计

传动方案：主回路为磁场可逆 ( 6 脉动供 电) 、电枢恒定逻辑无环流 (串联 12 脉动供电) ，主电机可四象限运行 。

调节部分采用以十六位处理器为核心的 ASCS 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 、PLC 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 16 位微处理器来完成 , 保证所有控制回路的调节左右 , 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 PI 参数调节范围很大 , 且具有积分分离功能。

三、可编程序控制器 ( PLC)

PLC 是整个电气系统的中心，本系统中选用S7 - 300 可编程序控制器及其它模块配置，属高档机，安装在 PLC 柜内 。PLC 柜中装有两台 PLC ，分别完成提升机系统的操作保护和行程监控，其中一台PLC 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 PLC 构成操作保护系统，保护完善 (所有保护分为立即施闸 、电气制动施闸 、终端施闸和报警四类) ，系统的安全回路有两套，一套由 PLC 构成，另一套为继电器直动回路。行程监控 PLC 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 PLC 实 际运算来调节减速度以保证其为一固定值，从而保 证了停车点不变和停车点的精度。

此外行程监控 PLC 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，此外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 ，就可保证定位精度小于 2 cm , 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PLC 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，这样大大提高了行程监控器的可靠性 。

1）、S7 - 300 PLC 的硬件配置

行程监控 S7 - 300 包括电源模块 、CPU 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 。电源模块将输入交流电压转换成24 V 直流电，为其它模块供电。CPU 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 S7 - 300 内部信号电平，可输入 32 路 24 V 开关量信号。输出模块用于将 S7 - 300 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 S7 - 300 内部处理 用的数字信号 。D/ A 模块用于将 S7 - 300 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上的轴编 码器进行计数。操作保护 PLC S7 - 300 包括电源模块 、CPU 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 PLC 类同 。

2）、300 PLC 的软件配置

PLC 的软件配置有系统程序和用户程序 。系统 程序装配在 CPU 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入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 5 种 形式 : 组织块 ( 0B) 、程序块 ( PB) 、功能块 ( FB) 、数据 块 ( DB) 、顺序块 ( SB) (本系统未用) 。功能块 ( FB) 是用于反复经常的复杂功能的编 程 ( 如专用控制器 、报警器 、计算功能和调整功 能) 。组织块 ( OB) 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 , 使用者不能调用 , 可以编程序 , 本系统使用了 3 个 OB 块 ( OB100 ,OB1 ,OB35) 。OB100 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 4 所示 。OB1 为循环运行组织块 , 即用户主程序部分 , 行 程 PLC 主程序框图如图 5 所示 。在 OB1 中可以调 用其它功能块 , 如

SFB 、SFC 、FB 、FC 等 。OB35 为中断组织块 , 它为循环时间中断 , 循环时间为 0～60 ms , 根 据用户需要可任意设置 , 本系统利用 OB35 的中断时间 , 循 环 向 上 位 机 发 送 监 控 数 据 。系统中行程 PLC 的中断 程序框图如图 6 所示 。

3）、PLC 与原系统的衔接

PLC 与原系统的衔接方法是，在原系统与 PLC 系统 之间设置转换开关，平时采用PLC 控制， PLC 控制系统发生故障时采用原系统。

4）、监控系统

监控系统主要由工控机和监视器组成 , 放置于操作车房 , 采用 RS485 与 PLC 系统进行通讯 。监视器可实现人 - 机对话，它可显示主回路、低压配电回路、提升系统、液压制动系统、装卸载系统和故障 信息等画面 ，并提供电机运行的速度曲线图和力 图 , 反映提升机所有的运行参数和运行状态以及故 障类型和故障发生时间 , 使操作员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 , 以及时通知维修人员排 除故障 , 从而缩短排除故障的时间 , 提高效率 。

因此，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 、维护更加方便 。

全自动数字控制系统已经成为可能, 全数字直流调速电控系统在我国矿井提升机SCR-D 系统中已开始 广泛应用, 它从根本上改变了F-D 控制系统的缺点, 并具有其它控制系统无法比拟的优点。

参考书目（Reference books）：

1. 西门子公司 . S7 - 300 可编程序控制器编程手册 . 2001. 12.

2. 郝用兴 . 提升机 PLC 控制系统 . 平原大学学报 ,2000.

3. 何凤有 , 谭国俊 . 矿井直流提升机计算机控制技术M. 中国矿业大学出版社 . 2003.

4. 电控系统在矿井提升机中的应用李江成 (中国矿业大学 , 江苏 徐州 221008)

5. 提升机交流电控系统常见故障（南京栖霞山新阳矿业公司 刘永红 210033）