矿井提升机讲解

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第2章系统控制方案设计

2.1 控制单元基本原理

在我国传统的提升机设备中,普遍使用TKD系统,这种控制系统是采用继电器有触点的逻辑控制,以磁放大器为核心组成模拟量闭环调节。在继电器控制系统中,要完成一个控制任务,支配控制系统工作的“程序”是由各分立元件(继电器、接触器、电子元件等)用导线连接起来加以实现的,这样的控制系统称为接线程序控制系统。在接线程序控制系统中,控制程序的修改必须通过改变接线来实现。

如图2.1所示是一个继电器控制系统。它是由继电器、接触器用导线连接起来以实现控制程序的,其输入对输出的控制通过接线程序来实现,输入设备(按钮、行程开关、限位开关、传感器等)用以向系统送入控制信号。输出设备(接触器、电磁阀等执行元件)用以控制生产机械和生产过程中的各种被控对象(电动机、电炉、电磁阀门等)。

图2.1 继电器控制系统框图

几十年来,这种控制系统由于受元件水平的限制而存在着缺陷,突出表现在:使用大量继电器、接触器及其它分立电子元件,系统体积大,运行噪声大,功耗高,接线复杂,故障率高,工作稳定性和可靠性差,控制速度慢,控制精度差,功能改变难度大,使用寿命短;在启动过程中,由于罐笼的实际载重量不同,实际的加速过程并非按照预定的设计参数运行,常常出现停车不准确甚至提前停车现象;采用磁放大器做调节控制,稳定性差,线性度差,调速精度很难保证;系统安全保护环节不全面,工作不可靠,故障显示不直观,分析查找故障难度大,缺乏运行参数显示功能;调速性能差,机械冲击大,人员乘车舒适性差。

这些不足主要是因为采用继电器控制方式造成的,在这种控制方式下继续改善的余地不大。如果对该竖井提升机电控系统进行技术改造,那么需要改变控制策略,采用当代高新实用技术来控制,使之成为安全、可靠、高效率、自动化程度高的电控系统。可编程序逻辑控制器(Programmable logic controller),简称PLC,PLC技术是现代工业自动化的重要手段,由它构成的控制系统逻辑控制由PLC通过软件编程实现,柔性强,控制功能多,控制线路大大简化;PLC的输入/输出回路均带有光电隔离等抗干扰和过载保护措施,程序运行为循环扫描工作方式,且有故障检测及诊断程序,可靠性极高。PLC控制系统结构为模块化结构,维护更换方便,并可显示故障类型。

图2.2为可编程控制器控制系统。其输入设备和输出设备与继电器控制系统相同,但它们是直接接到可编程序控制器的输入端和输出端的。控制程序是通过一个编程器写到可编程控制器的程序存储器中。每个程序语句确定了一个顺序,运行时依次读取存储器中的程序语句,对它们的内容进行解释并加以执行,执行结果用以接通输出设备,控制被控对象工作。在存储程序控制系统中,控制程序的修改不需要通过改变控制器内部的接线(即硬件),而只需通过编程器改变程序存储器中某些语句的内容。

图2.2 可编程控制器控制过程系统框图

可编程逻辑控制器因为其具有高可靠性以及软件可编程的优点,在现代控制中越来越广泛的应用。

对于一般提升机电控系统来说,采用一套中小容量的PLC即可满足要求,其价格也不高。如图2.2所示,如果采用PLC技术对TKD电控系统进行改造,把原来由各种电器通过连线而实现的逻辑控制改由PLC通过软件编程实现,则控制线路将大大简化,设备体积、设备维修量将大大减小,抗干扰能力将大大增强,工作可靠性将大大提高,工艺改变时只需要改变控制程序即可。改造时保持原有的操作方式、按钮、开关、主令控制器作用不变,则用户使用起来将非常方便,不需要适应期。同时可以利用PLC的高速计数功能、网络通信功能、故障检测及诊断功能、信号显示功能等来增加一些新的控制功能,安全性将大大提高,运行将更加平稳、准确,完全能够满足矿山生产的苛刻要求,而且投资相对较少,性价比较高,具有很强的实用价值。

2.2 控制系统总体设计

基于PLC的矿井提升机变频调速控制系统由动力装置、液压站、变频器、操作台和控制监视系统组成,其系统框图如图2.3所示:

图2.3 控制系统框图

系统框图中各部分功能如下:

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。对于矿井提升机这样的大型机械来说,在电机脱离电源后,由于运行惯性较大,往往要经过一段时间才能停止转动,这将影响生产效率,甚至威胁到生产人员的生命安全和物料的运输。因此必须在系统里加入制动器,避免产生“蠕动”现象,从而保证运输的人和物料的安全。

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。

变频器:是动力站的能量供给单元,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。

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。控制监视系统: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。提升过程监视与安全回路一样,是现代提升机控制的重要环节。提升过程采用微机主要完成如下参数的监视:提升过程中各工况参数(如速度、电流)监视;各主要设备运行状态监视;各传感器(如位置开关、停车开关)信号的监视。使各种故障在出现之前就得以处理,防止事故的发生,并对各被监视参数进行存储、保留或打印输出。甚至与上位机联网,合并于矿井监测系统中。系统框图中用旋转编码器来测试电机的转速。

控制系统工作原理:当司机听到开车信号时,按下启动按钮,PLC控制将380V动力电源接入变频器。再松开液压制动闸并将主令控制器推到正向(或反向),提升机开始运行。在提升过程中,控制提升机运行的主速度给定S形速度曲线由PLC编程产生,经过A/D转换,由模拟量输出口输出,以驱动变频器工作;对变频器输出频率的调整控制,也可根据现场的工况需要,由操作台速度控制手柄以辅助给定的方式进行控制。旋转编码器可以检测主电动机的转速,并将此信号传送给可编程控制器,PLC通过该信号可以累计计算提升机的速度及行走距离,监视器可以时时显示提升机速度和位置。

2.3 可编程控制器(PLC)介绍

可编程控制器是以微处理器为基础,综合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术和通信网络技术发展起来的一种通用工业自动控制装置。它面向控制过程、面向用户、适应工业环境、操作方便、可靠性高,成为现代工业控制的三大支柱(PLC、机器人和CAD/CAM)之一。PLC控制技术代表着当前程序控制的先进水平,PLC装置已成为自动化系统的基本装置。

2.3.1 PLC的基本特点

可编程控制器(PLC)的诞生给工业控制带来革命性的飞跃,与传统的继电器控制相比有着突出的特点:

(1)灵活性、通用性强

继电器控制系统如果工艺要求稍有变化,控制电路必须随之作相应的变动,所有布线和控制柜极有可能重新设计,耗时且费力然而是利用存储在机内的程序实现各种控制功能的。因此当工艺过程改变时,只需修改程序即可,外部接线改动极小,甚至可以不必改动,其灵活性和通用性是继电器控制电路无法比拟的。

(2)可靠性高,抗干扰能力强

继电器控制系统中,由于器件的老化、脱焊、触点的抖动以及触点电弧等现象是不可避免的,大大降低了系统的可靠性。而在控制系统中,大量的开关动作是由无触点的半导体电路来完成的,加之在硬件和软件方面都采取了强有力的措施,使产品具有极高的可靠性和抗干扰能

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