提升运输的毕业设计.doc
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1、1 概述1.1 矿井提高机的概述矿井提高机是矿山大型固定设备之一,是井下与地面的重要运送工具。矿井提高机重要担负一个矿井所有的矿物(煤,矿石)提高,升降人员,运送设备,下放材料等, 根据提高机的工作种类或工作原理的不同,提高机有不同的分类:提高机按工作种类可分为:1)主井提高机:担负矿井生产矿物提高的主提高机。2)副井提高机:担负矿井人员、材料、设备等升降任务的提高机。按驱动方式可分为:1)直流提高机;2)交流提高机;直流提高机又分为:1)发电机组控制提高机;2)晶闸管调速提高机;交流提高机分为:1)TDK系列串电阻柜调速提高机;2)串极调速提高机;3)变极调速提高机;4)变频调速提高机;各类
2、提高机的工作原理和构造虽然差别很大,但它们都有一些共同的不可缺少的部分组成,如图1.1所示:图1.1 提高机组成框图动力装置: 主电机;传动系统: 减速机、联轴器、滚筒、导向轮等;制动系统装置:制动器和液压传动装置润滑冷却系统: 润滑泵站及管路、悬挂装置:提高容器(箕斗或罐笼)、钢丝绳,联轴器等;电源系统: 主变压器、高压装置、低压装置等;控制系统: 操作台、行程监控器、继电器柜、传动柜;保护系统:提供矿井提高机完善后备保护的系统1.2 提高机电控系统现状及趋势 1.2.1 国内矿井提高机电控系统现状国内现有提高机多为交流异步电动机驱动的TKD系统,这种控制系统是采用继电器有触点的逻辑控制,以
3、切换串入交流电机转子的电阻来达成调速的目的,减速段采用定子回路切换成低频动力电源(或直流动力制动电源)进行动力制动减速;减至爬行速度后,再用低频电源或高压二次给电拖动至井口。随着PLC功能的不断完善,近年来,以有一些厂家将PLC应用在交流提高机的改造上,重要表现在:采用PLC逻辑替代了本来的继电器逻辑,采用电子线路替代了磁放大器,对可调闸和动力制动进行调节控制,主令控制器用简朴的接点耦合替代,数字信号采用电子线路解决。引入这些技术后,在一定限度上改善了提高机的性能,但也存在一定的缺陷,重要问题有:外围硬件过多,没有充足发挥PLC软件的功能,装置容易出现故障和产生不稳定;简朴耦合的主令控制器可靠
4、性差,容易导致开车控制上的重大错误;对速度检测增长中间有源环节,容易导致速度检测的不真实性,甚至出现错误的速度检测值;减速点等关键点设立太少,留有重大隐患;没有良好的调节控制程序,调速性能不抱负。1.2.2矿井提高机的继续研究和发展趋势随着数控技术进入中国,中国也进行了数控化的开发研制,并逐渐应用到了提高机里面。国内如大中专院校、公司院所正在做数字化提高机电控系统的集成开发尝试。考虑当今数控技术的发展,紧密结合提高机控制工艺的规定,我们认为当今先进的数字化提高机应具有以下特点:在驱动控制上,矿井提高机与直流拖动与交流拖动相比,调速性能好,不需要附加其他拖动装置,随着驱动控制产品的成熟,完全可以
5、实现全数字化控制,大大提高了系统的可靠性与控制精度。在整个系统的配置上,应采用现在比较成熟的网络化设计,增长系统的可靠性,减少了现场的工作量,减低的系统的整体成本。2 电控系统总体方案选型设计实现工业自动化控制可以用多种方式来实现,总体方案设计中选择何种控制系统是关键的一环。它直接关系到投资成本、耗能、可靠性、安全性和应用效果。本系统的总体方案选型重要涉及监控系统的选型和拖动系统的选型,其中监控系统选型又涉及操作站系统的选型和主控制系统的选型。2.1 监控系统选型比较提高机的监控系统重要由上位机和主控系统组成,来完毕现场的信号、数据的采集及实时显示、监控和保护任务。2.1.1上位机的选型比较上
6、位机是控制系统人机界面和监视控制装置,它重要完毕监督控制、最佳控制及集中监视、操作和解决。对所监视的系统范围内也许出现的紧急情况做出相应,实现对被监控系统的最佳运营。它具有系统协调、报表制作、画面显示、画面拷贝、历史数据存储和检索及自诊断等一系列功能。上位机既可以由工业控制计算机实现也可以由触摸式显示屏实现,但两者在性能上存在差异:1.触摸式显示屏 它是目前国际上较先进的一种集控制与显示与一体的专用计算机产品,被成为可编程序控制器的脸面,并可以用于设立参数显示数据,以动画的形式描绘自动化控制过程等。在矿井提高系统中可以用棒图显示提高容器在井筒中的高度,动态显示全程的提高速度的曲线度,故障实现自
7、登录,自诊断以及声光报警等。2.工业控制计算机 工业控制计算也是工业现场常采用的一种监控设备,与触摸式显示屏比较它在操作的方便性略差,在数据或画面调出时触摸式显示屏可以直接用手点击相应画面即可,而工控机需采用相应的指令。2.1.2主控系统的选型比较 矿井提高机主控系统是矿井提高机电控系统的核心,它综合信号系统、深度指示系统、传动系统、上位机系统及其它设备的各种信号、数据,对提高机及相关设备的工作状况进行实时监控,控制罐笼的启动、减速、停车,保障罐笼在运营过程中的安全。对本系统来讲,主控系统既可以改造为用微型计算机进行控制,也可以改造为用PLC进行控制。下面将对两者的性能进行比较:1. 应用范围
8、:微型计算机系统一般用于科学计算、数据解决及计算机通信等方面。而PLC重要用于工业控制。2. 使用环境:微型计算机对环境规定比较高,一般规定在干扰小并具有一定温度和湿度规定的机房内使用。而PLC适应工程现场的环境。3. 程序设计:微型计算机系统具有丰富的程序设计语言,规定使用者具有一定水平的计算机程序编制能力和接口技术。PLC可以把非常简朴的编程语言提供应用户使用,编程语句数量少、逻辑简朴,有的PLC还提供算术运算指令,步进指令等,易于学习和掌握。4. 系统功能:微型计算机系统一般配有较强的操作系统进行设备管理、文献管理、存储管理。PLC只有简朴的监控程序,能完毕故障检查、用户程序输入和修改用
9、户程序的执行等功能。由以上分析可见,PLC是工业控制的专用机具有可靠性高、编程简朴、控制系统设计调试周期短,但输入/输出响应速度慢的特点,而微型计算机是通用计算机,可靠性相比PLC而言稍差,编程复杂且控制系统涉及调试周期长,但响应速度快。2.2拖动控制系统选型比较 2.2.1交流传动系统 交流传动系统泛指以各种交流电动机为控制对象的传动系统,一般地说,交流传动比较简朴,设备和安装费用低,建筑占地面积小,但电气调速性能差,减速和爬行阶段需要附加拖动装置。1. 串级调速 在绕线转子异步电动机转子回路中引入外加电动势,以改变电动机运营转差率而获得不同转速。根据产生附加电势的方法不同,异步串级拖动可分
10、为直流电机串级、离子串级以及可控硅直流串级。目前广泛采用的是后者,该拖动方式具有效率较高,调速平滑,爬行段不需附加其它设备和控制性能好等特点。它的缺陷是功率因数低、颠覆力矩减少约17%,线路较复杂,投资较高等。2. 变频调速 大型提高机采用变频调速取代传统的直流传动是近年来的发展趋势,它克服了大功率直流电动机换向器的换向能力受限,设计制造及维护困难和电动机体积庞大等问题。变频调速是运用异步电动机的同步转速随频率变化的特性,通过改变异步电动机的频率进行调速的方法,它有以下显著的优点:1) 输出功率可以连续调节,可以实现电动机无级调速。2) 功率因数高,运用效率高,节能效果显著。 有发无功功率的能
11、力,不消耗电网上的无功。 稳压性能好。如设备在额定功率下运营,能保证电动机在额定电压下运营,从而避免了因电压高(低)对电机所导致的危害。 在电动机的负荷低于额定功率时,它可以根据给定值来调整电动机的输出功率。3) 对电网电压波动有很大的适应能力,并能大大减少系统对电网的污染。4) 可调范围(频率可在0Hz400Hz之间进行调节)宽,可以实现大范围调速,并能保证很硬的输出特性,并且动态响应特性好,调速精度高。合用于各种压力、温度、速度、流量的控制。5) 启动、停止平稳,极大地缓和了对电动机的冲击,使电动机可以平稳地加速或减速,从而避免了骤然启动或骤然停止所导致的损害,大大延长了电动机及整套机组的
12、使用寿命。除此之外,更兼其体积小、重量轻、通用性强的特点,因此,变频调速技术越来越广泛的应用于工业生产领域。这将极大地提高工业生产领域的自动化水平,从而可以实现增产节能的目的。2.2.2直流传动系统1.直流发电机-电动机传动方式 控制直流发电机的励磁实现电动机变电枢电压调速,均匀地调节励磁电流和极性,可方便地实现转速无级调速和四象限运营。其缺陷是设备和安装费用高、建筑占地面积大、发电机组维护工作量大。2.晶闸管变流装置供电方式 运用晶闸管变流装置组成的可逆系统是一种可实现四象限运营、性能好的调速系统且效率高、可节能、维护工作量小。早该系统下一般均采用以电枢电流反馈为内环和测速反馈为外环的双环调
13、节系统。可逆系统基本上采用有环流控制和无准备切换逻辑无环流控制两种控制方式。2.3 提高机电控系统选型在保证系统的可靠、安全和经济性的前提下,综合考虑上述各种方案的优缺陷,本系统各模块的选型方案如下:上位机系统:采用触摸式显示屏,以模拟画面形式显示出绞车运营的各种状态、各种参数及各种控制元件工作状况。主控制系统:采用完全独立的两套PLC系统进行过程实时监控实现安全回路的双线制。拖动控制系统:采用三相交流异步电动变频调速系统,以实现节能、稳定运营。在本系统中触摸屏、PLC、变频器三者之间通过RS485通信电缆进行连接通信。PLC根据内部指令控制变频器的运营,PLC及变频器的参数通过触摸屏进行设立
14、,且两者的运营状况返回触摸屏进行实时显示。3 矿井提高机变频调速数控系统原理框图 3.1矿井提高机变频控制系统框图为克服传统交流绕线式电机串电阻调速系统的缺陷,采用变频调速技术改造提高机,可以实现全频率(050Hz)范围内的恒转矩控制。对再生能量的解决,可采用价格低廉的能耗制动方案或节能更加显著的回馈制动方案。为安全性考虑,液压机械制动需要保存,并在设计过程中对液压机械制动和变频器的制动加以整合。矿井提高机变频调速方案如图3.1所示:图3.1 矿井提高机变频调速方案基于PLC控制的大功率长距离矿井提高机变频调速控制系统由主轴装置、动力站、变频柜、控制台和在线检测监控计算机组成,系统框图如图所示
15、。主轴装置由主轴、筒壳、支轮、制动轮、轴承座等部件组成,完毕人、物、料的运送任务。动力站是由主电机、制动器、减速器和底座等组成,主电机通过减速器向提高机提供牵引所需的动力;失效安全型制动器为提高机提供工件制动力,以保证系统安全可靠地工作。变频柜是动力站的能量供应单元,通过它可将输入工频电能转换成频率可调的电能提供应交流电动机,以达成控制交流电动机转速的目的。控制台是整个矿井提高机运送系统的控制核心,通过它可以设定系统的工件方式和控制方式,可以发布系统的各种控制命令,可以接受变频柜和动力站的各种回馈信号,以实现对提高机启动、加速、平稳运营、减速、停车以及紧急制动等各种控制功能。监控计算机是操作人
16、员和控制系统及运送系统之间的桥梁,它可以在线监测提高机运送系统的各种工作参数、工作状态、故障参数和故障状态。3.2 提高机工作原理简介在本系统中通过上位机系统对PLC和变频器进行参数设立完毕以后,PLC根据外部信号做出相应控制反映进而控制变频器的运营,变频器根据内部所设定参数进而选择相应频率运营,并将运营状况反馈到触摸屏进行实时显示。在运营过程中运用旋转编码器对提高机的运营速度和提高高度进行控制并在触摸屏中实时显示,在提高机刹车时采用电磁阀和液压泵同时工作以加强安全。4 各控制单元元件选型 4.1 变频器选型 4.1.1 变频器的基本原理变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达成调速的目的
17、。变频器的工作原理是把市电(380V、50Hz)通过整流器变成平滑直流,然后运用半导体器件(GTO、GTR或IGBT)组成的三相逆变器,将直流电变成可变电压和可变频率的交流电,由于采用微解决器编程的正弦脉宽调制(SPWM)方法,使输出波形近似正弦波,用于驱动异步电机,实现无级调速。通用变频器的基本结构原理如图4.1所示。由图4.1可见通用变频器由功率主电路和控制电路及操作显示三部分组成,主电路涉及整流器、直流中间电路、逆变器及检测部分的传感器(图中未画出)。直流中间电路涉及限流电路、滤波电路和制动电路以及电源再生电路等。控制电路重要由主控电路信号检测电路、保护电路控制电源和操作显示接口电路等组
18、成。高性能矢量型通用变频器由于采用了矢量控制方式,在进行矢量控制时需要进行大量的运算,其运算电路中往往尚有一个以数字信号解决器DSP为主的转矩计算用CPU及相应的磁通检测和调节电路。直流中间电路;限流电路、滤波电路、制动电路整流电路压敏电阻网络逆变电路:控制电路、保护电路、光电隔离检测电路:涉及光电隔离电路、电流、电压、温度检测电路主控制电路:系统控制器、输入信号解决、频率信号解决、电动机控制信号运算模型、控制方式、数据通信、SPWM调制、速度调节、参数控制、运营命令、PID调节、串行通信接口保护电路:变频保护、电动机保护、系统保护、控制电源操作、显示电路:运营操作、参数设立、运营状态显示、故
19、障显示外部控制信号、运营操作、运营指令、频率指令、程序指令则变频器的工作原理图如下图4.2所示:RGEGEGEGEGEGESTUVWGEDCPB1DCN充电电阻器电流接触+电解电容B2图4.2 变频器工作原理图4.1.2变频器的型号选择根据变频器选型的基本原则,选择变频器时应以电动机的额定电流和负载特性曲线为依据选择变频器的额定容量,即变频器的容量选择要保证变频器的额定电流大于该电动机的额定电流或着变频器所适配的电动机功率大于该电动机的功率。依据上述原则再考虑到电动机性能上的差异即机械负载的波动,变频容量取电动机容量的12倍。本系统中的驱动电动机属于有载启动的输送类机械,所需电动机轴上功率为1
20、55KW,接1.5倍容量就选择232.5KW的变频器。因此在本系统中选择由西门子公司生产的MM440变频器,该变频器是一种应用范围广泛的矢量控制方式多功能、模块化通用变频器,具有低速高转矩输出,良好的动态性能和过载能力强等特点。内置参数自整定PID控制器;具有1.5个可编程固定频率,4个可编程跳转频率;集成RS485通讯接口,可送PROFIBUS-DP和DEVICENET通信模块可实现主/从控制方式。过载能力为200额定负载电流,连续时间60S;内置制动单元;具有过压保护、欠压保护、变频器和电动机过热保护。短路保护、防失速保护、采用PIN编号实现参数连锁。4.1.3变频器的硬件接线图 具体接线
21、图见附图一由变频器的外部接线可见,变频器的输入信号有模拟电压输入,正转、反转信号输入,低频电压输出信号,低频爬行信号,脚踏信号输入,以及故障复位输入。该系统的控制方式分为闭环控制,开环控制,以下将逐个介绍变频器的实际控制方式。1、闭环控制 闭环控制应用在低频制动阶段,此时变频器的模拟输入信号为高压电机的模拟速度信号,正、反转信号之一闭合,低频电压输出信号闭合,其他信号断开。变频器将根据低频电压输出信号闭合瞬间,模拟电压输入信号的值折算为高压电机高压断开时的瞬间速度,以及预先设立的减速曲线斜率和制动时间,生成高压电机低频制动时的速度曲线,在保持频率不变的情况下,根据实际的速度反馈和生产的速度曲线
22、,控制变频器的输出电压,达成良好的制动效果。2、开环控制开环控制方式分为低频爬行,脚踏制动和脚踏验绳方式。低频爬行方式:低频爬行是在低频制动完毕,达成爬行点速度后,低频爬行信号输入,低频制动完毕,变频器根据预先设定的低频电压输出。 脚踏制动方式和脚踏验绳方式:在该两种方式下,变频器的输出电压都跟踏板带动的自整脚机输出的信号成比例,由司机拟定变频器需要输出的低频电压。 实际运营时,当提高机高压投入,根据提高机的运营方向输入正、反转运营信号,此时变频器根据面板设立的频率,输出所需的低屡屡率,低频电压输出处在“等待”状态,输出电压值为1V左右,同时变频器根据模拟电压的输入值,实时记录和监视高压电机的
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