斜井防爆变频绞车PLC控制系统用户手册毕业设计.docx

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斜井防爆变频绞车PLC控制系统用户手册毕业设计

斜井防爆变频绞车PLC控制系统

用户手册

唐山开诚电器有限责任公司

目录

一、概述………………………………………………………………………………2

1.1变频绞车………………………………………………………………………2

1.2用途及适用范围………………………………………………………………2

1.3技术参数………………………………………………………………………3

1.4型号规格………………………………………………………………………3

1.5注意事项………………………………………………………………………3

二、系统组成………………………………………………………………………4

2.1电控系统………………………………………………………………………4

2.2变频调速系统…………………………………………………………………5

2.3信号系统………………………………………………………………………6

三、PLC控制系统…………………………………………………………………8

3.1主要特点………………………………………………………………………8

3.2设备组成与说明………………………………………………………………8

3.3主要控制功能…………………………………………………………………13

3.4主要保护与闭锁功能…………………………………………………………19

四、设备安装………………………………………………………………………22

4.1开装检查………………………………………………………………………22

4.2安装前准备工作………………………………………………………………22

4,3设备布置与接地………………………………………………………………22

4.4电缆敷设，接线………………………………………………………………23

4.5附件安装………………………………………………………………………24

五、操作与维护……………………………………………………………………24

5.1操作准备………………………………………………………………………24

5.2操作方式………………………………………………………………………24

5.3试验方式………………………………………………………………………25

5.4常见故障………………………………………………………………………26

5.5注意事项………………………………………………………………………27

5.6几种特殊情况…………………………………………………………………28

附录1:

用户参数表………………………………………………………………30

一、概述

1.1变频绞车

煤矿井下斜井绞车，以前主要是以内齿轮绞车（机械拖动）,液压绞车（液压拖动）和交流异步电机转子串电阻调速绞车（电气拖动）等几种类型为主，但这些设备在安全可靠性、调速、节能、操作、维护等方面都不同程度的存在缺陷。

串电阻调速绞车在电气防爆性能方面也很难满足要求。

自从有了防爆变频绞车后，使斜井绞车的装备水平发生了质的变化。

目前变频绞车已成为市场的主导产品，其主要特点如下：

1）、结构紧凑、体积小、移动方便、用于矿山井下可节省大量开拓费用。

2）、安全防爆,适用于煤矿井下等含有煤尘，瓦斯或其它易燃易爆气体的场所。

3）、变频绞车是以全数字变频调速为基础,以矢量控制技术为核心，使异步电机的调速性能可以与直流电机相媲美。

表现在低频转矩大、调速平滑、调速范围广、精度高、节能明显等。

4）、采用双PLC控制系统,使斜井绞车的控制性能和安全性能更加完善。

5）、操作简单、运行安全稳定、故障率低、基本免维护。

变频绞车控制系统是完成绞车按一定的控制要求，安全可靠运行的一种过程控制系统。

该系统主要包括绞车的提升控制；行程测量、控制与指示；故障检测、报警与保护；安全电路及液压站工作制动与安全制动控制等。

以PLC为控制核心的绞车控制系统，极大地提高了控制系统本身的安全可靠性，使绞车控制性能和保护性能更加完善；使控制系统的硬件组成和线路更加简化；操作和维护更加容易。

以下称为PLC控制系统。

本系统采用的是日本三菱公司的FX2N系列可编程序逻辑控制器即PLC，具有可靠性高，使用寿命长，体积小，软件功能丰富，易使用等特点。

1.2用途及适用范围

变频绞车电控系统，适用于交流异步电动机（绕线型或鼠笼型）驱动的单滚筒或双滚筒缠绕式绞车。

既可以与新安装的绞车配套使用，也适合于对老绞车电控系统的技术改造。

　变频绞车电控设备适用于以下场所：

1）、海拔高度不超过1000米,如超过这个海拔高度，元器件在功率、容量方面应按海拔高度的增加，适当降容使用。

2）、周围环境温度不高于+40℃，不低于-20℃；

3）、相对湿度不超过95±3％；

4）、没有导电尘埃及对金属和绝缘有破坏作用的气体；

5）、在无淋水、滴水、无剧烈振动和颠簸的地点使用；

6）、没有强磁场作用；

7）、防爆设备适用于煤矿井下等含有煤尘，瓦斯或其它易燃易爆气体的场所。

1.3技术参数

1）、电机型式及调速方式：

电机：

交流异步电动机，推荐采用鼠笼电机；

单机最大容量：

660V，355kW；1140V，500kW；

电机电压等级：

380V，660V,1140V；电压波动范围:

±10％；

调速方式：

交流异步电动机变频调速；

主回路：

交-直-交电压型；

功率器件：

IGBT或SKiiP。

2）、控制方式:

PLC双线制控制。

3）、适用范围：

井下暗斜井、暗立井；地面斜井、立井；单水平、多水平；单滚筒、双滚筒。

4）、产品类型:

防爆型；矿用一般型；普通型。

1.4型号规格

变频绞车电控设备的型谱：

ZJJB-Ⅱ-□□□-□

1.5注意事项

1）、变频绞车电控设备主要由电力电子器件和半导体集成电路等组成，在运输及安装过程中，严禁水泡雨淋,要尽量避免强烈的震动，尽量垂直运输。

长期不用时，应存放在清洁干燥的地方。

储存与使用场所严禁有害气体和湿度超标，防止电子元器件及有关设备受腐蚀损坏。

2）、防爆设备，在出厂前均已按要求装配调试合格，严禁用户改动装置壳体结构和电气元件，以确保本产品的防爆性能和电气性能。

3）、严禁对变频器进行耐压和绝缘测试。

4）、严禁对现场调试好的设备的电气参数和软件私自随意修改。

5）、严禁擅自改变设备使用电压等级，更换使用对象和使用功率。

6）、设备安装时,应严格按照厂方提供的图纸施工。

严禁在强磁场附近安放和使用。

变频器供电电源要求采用独立的变压器就近供电；供电回路馈电开关，应尽量采用电控厂家所推荐的开关；变频器的输入与输出电缆应采用屏蔽电缆，电缆屏蔽层尽可能多处接地，并且不允许与通讯线，瓦斯检测装置和检测线及一些电子仪器仪表等在同一巷道，同一地方相邻。

7）、用户在安装和使用设备之前,必须详细阅读本手册，特别是对黑斜体字的内容应更加留意。

二、系统组成

2.1电控系统:

变频绞车电控系统可简单地划分为：

变频调速系统（由输入电抗器箱+VFD1、变频器箱+VFD2组成）；PLC控制系统（由PLC控制箱+DS、司机台+PA组成）；信号系统（+LM）。

绞车电控系统组成如图1所示。

图1电控系统组成

变频调速系统是根据PLC控制系统发出的控制指令，通过对绞车交流拖动电动机的转矩和频率控制,来完成对绞车的启动、加速、稳速、减速、停止等运行过程的控制。

交流异步电动机采用了矢量控制技术后,使异步电机的调速性能可以与直流电机相媲美。

表现在低频转矩大、调速平滑、调速范围广、精度高、节能明显等。

PLC控制系统主要完成绞车从启动、加速、等速、减速、爬行到停车的整个过程的逻辑控制；行程测量、控制与指示；故障检测、报警与保护；安全电路及液压站工作制动与安全制动控制等。

PLC控制系统极大地提高了控制系统本身的安全可靠性，使绞车控制性能和保护性能更加完善；使控制系统的硬件组成和线路更加简化；操作和维护更加容易。

PLC控制系统受信号系统的控制与闭锁。

信号系统是根据上下井口或各个中段的生产情况,在具备开车条件后，由各水平信号工以打点的形式,通知司机按要求开车,同时与PLC控制系统之间有各种信号闭锁,可避免因司机误操作造成安全故障。

信号系统内部有严格的逻辑闭锁，并有语音对讲和报警功能。

2.2变频调速系统:

（详细说明参见“ZJT-30型隔爆兼本安智能变频调速装置用户手册”）

ZJT-30型隔爆兼本安智能变频调速装置（四象限）是绞车专用的电气传动产品，可实现绞车的调速、正反转、能量回馈制动等功能。

其主要配置为输入电抗器、可控整流系统、电容滤波器、输出逆变系统。

是由输入电抗器箱和变频器箱组成。

2.2.1、输入电抗器箱（+VFD1）:

箱体内主要元器件及其功能如下:

1）、输入电抗器:

输入电抗器的电感量是按通入变频器额定电流时其阻抗压降为电源相电压的15%计算的。

其主要功能为：

*作为储能元件，使电感上的电压与电源电压的相量和高于电源电压，从而可以提高变频器直流母线电压，为能量回馈制动作好准备。

*拟制由电源回路流入的浪涌电压和电流；

*衰减由变频器产生的或外电路流入的谐波电流；

2）、充电电阻:

用来限制电容器的充电电流。

3）、旁路接触器:

当直流母线电压上升到一定值时,自动旁路充电电阻。

4）、变频器控制回路变压器:

800VA,660V（1140V）/380V,为变频器箱电源板提供三

相380V电源。

5）、PLC控制回路变压器:

1200VA,660V（1140V）/110V,24V,为PLC控制箱提供电源。

6）、熔断器RU1、RU2:

用来保护PLC控制回路变压器。

7）、制动油泵控制回路:

由断路器Q1,接触器K1,热继电器KH1,油泵选择接触器K2、

K3组成。

为液压站制动油泵提供电源。

8）、制动油泵控制回路:

由断路器Q2,接触器K4,热继电器KH2,油泵选择接触器K5、

K6组成。

为润滑站油泵提供电源。

2.2.2、变频器箱（+VFD2）:

变频器所采用的功率器件和控制板件均为进口产品,其主要功能如下:

1）、可控整流器:

由三组SKiiP模块组成三相全控桥。

由MSC2控制板通过接口板（PIB）对三相全控桥实行PWM控制，可实现能量在电源侧和直流侧的双向传输，同时，系统可将电源侧的功率因数调整到任何希望的数值，且电源侧的电流为近乎完美的正弦波。

SKiiP模块是一种集功率半导体器件，驱动电路，保护电路等为一体的智能功率模块（即IPM模块）。

可控整流器的主要功能如下：

*能将电动机的发电制动能量回馈到电网，实现回馈制动；

*内置的PID控制器动态调整输入电流，使直流母线电压稳定在设定值上，不受电网电压的波动而变化；

*电源侧功率因数为1；

*电源侧电流接近正弦波，谐波含量小于5%；

*具有过压、欠压、短路、过流、过载、过温等保护。

2）、滤波电容器:

主要作为直流回路滤波和储能用。

3）、逆变器:

由三组SKiiP模块组成三相全控桥。

由MSC3控制板通过接口板（PIB）对三相全控桥实行PWM控制，可实现能量在电机侧和直流侧的双向传输。

由于采用了矢量控制技术，使交流异步电动机的调速性能与直流电动机的几乎相同。

主要表现在以下方面：

*最大输出转矩可达到变频器额定输出转矩的2倍，并能持续一分钟；

*低频运行时输出转距能达到100%变频器额定输出转矩；

*调速平滑，调速范围广（1：

10），精度高（<0.5%）；

*具有过压、欠压、短路、过流、过载、过温等保护。

2.3信号系统:

（详细说明参见“信号系统使用说明书”）

信号系统主要由车房显示箱，上井口信号箱和PLC控制箱，下井口信号箱，语音报警装置及供电电源，直通电话，备用信号等组成。

装在PLC控制箱内的三菱FX2NPLC（主控PLC）是通过CC-LINK通讯网络与装在各水平信号箱内的三菱A系列PLC（相当于远程I/O系统）进行通讯来传输数据的。

2.3.1、信号系统组成说明

1）、车房显示箱:

主要由显示屏，三菱A系列PLC，扩音喇叭，打点（报警）喇叭，送话器，继电器等组成。

除了“急停”和“停车”信号外，其它信号都是车房显示箱内PLC与上井口PLC通过通讯得到的。

显示屏可以汉字的形式显示“提升种类信号”，“急停信号”；还能以数字的形式显示“打点信号”，“水平选择信号”，“前三次打点信号”等。

由继电器接点构成与控制系统的信号闭锁。

2）、上井口信号箱和PLC控制箱:

两个箱子要求安放在一起使用,因为上井口信号箱内的信号是直接进入PLC控制箱的。

上井口信号箱主要由显示屏，各信号按钮，提升种类选择开关，扩音喇叭，打点（报警）喇叭等组成。

上井口显示屏具有双路数码显示功能,可以同时显示下井口“打点信号”和上井口“打点信号”。

PLC控制箱主要由三菱FX2NPLC，AC127V供电电源回路等组成。

3）、下井口或各水平信号箱:

主要由显示屏，三菱A系列PLC,各信号按钮，扩音喇叭，打点（报警）喇叭等组成。

显示屏有一路数码管可显示“打点信号”等。

2.3.2、信号系统主要功能

1）、闭锁功能:

*与绞车控制系统进行闭锁：

不发信号开不了车；开车方向与所发信号方向不一致时开不了车；

*急停信号与绞车安全电路闭锁：

信号系统急停按钮按下时，绞车立即进行安全制动；

*信号与信号之间闭锁：

当信号发出后，其它提升信号发不出（急停和停止除外），只有所发信号清零后，方可发出其他提升信号；

*上下井口信号之间的闭锁：

信号实行转发式，下井口不发信号，上井口不能发出信号。

*与其它设备闭锁。

2）、显示功能:

（信号箱显示屏）

*提升种类汉字显示，即“人”（提人）、“物”（提物）、“检”（检修）、及水平

显示（1水平、2水平等）；

*急停信号汉字显示，即“急”和停车信号的显示“0”；

*打点信号数码显示：

“2”代表正常速度上提，“3”代表正常速度下放，“4”

代表慢速上提、“5”代表慢速下放、“0”代表停车（打点信号清零）；

*提升勾数（提升次数）的数码显示，最大值“999”；

*打点信号（信号2、信号3、信号4、信号5）连续三次循环记忆显示。

3）、声光报警功能:

*语言报警装置：

当某水平发出提升信号后，全线语言报警装置开始报警，

发出“信号发出，注意安全”的语言报警声，并有“信号发出，注意安全”的汉字显示，声音延时5-7秒停止，字符保留，待发出停车信号后消失。

*提升信号发出后，伴有与打点信号数字相同并同步的打点音响声。

如发“2”时，自动伴有两声音响，发“3”时，自动伴有三声音响，以加强信号的声光效果。

*发出急停信号时，伴有特殊的急停报警音响，并延时5-7秒后，音响停止，“急”字保留，由车房清除后恢复。

4）、呼叫与通话功能:

*呼叫装置：

在上下井口信号箱上，设有呼叫信号钮，可进行打点音响（音响次数）呼叫联络，只能作为上下井口信号工之间的联络，不对车房。

*直通电话：

在车房和上下井口信号箱上装有送话器和扩音喇叭,可进行:

车房←→上井口←→下井口，全线通话。

车房、上井口、下井口任一处拿起送话器，按下按钮，即可进行通话联络，三处均有讲话声音，实现全线对讲功能。

三、PLC控制系统

3.1主要特点

1）、双线制:

PLC控制系统主要由两套PLC系统组成。

PLC1作为主控系统，PLC2作为监控系统。

每套PLC系统都带有各自独立的位置检测元件（轴编码器）。

正常工作时，两套PLC系统同时投入运行，实现了绞车的“双线制”控制与保护。

为了确保两套PLC系统能同步工作,在PLC1内对两套PLC系统的位置信号和速度信号进行实时比较，一但偏差过大，就会立即报警。

两套PLC系统主要是以通讯的方式进行数据交换

2）、应急方式:

如果有一套PLC出现故障或其位置检测元件出现故障，则可在“应急1”或“应急2”方式下，由单套PLC继续工作。

绞车在应急方式下工作时，应有的保护并没有缺少，只是没有了“双线制”。

但为了保证绞车运行的安全可靠性，将运行速度降为半速。

如果两套位置检测元件出现故障，绞车只能以不超过0.5m/s的速度运行。

3）、双路速度源：

控制系统中的实际速度来自变频器和轴编码器两个不同的速度源,参与控制和超速保护的实际速度取自两者的最大值。

4）、位置控制:

PLC自动产生以行程为自变量的速度给定v（s），对等速段以后的速度给定实行v（t）与v（s）双重给定，在两者不一致时，以行程给定v（s）为主。

5）、试验方式:

可以在静态时对系统的一些关键故障进行模拟测试。

6）、半自动操作方式:

与传统意义上的半自动操作方式不同,是利用司机台上的“速度选择开关”来同时控制绞车的运行速度与工作闸的开闭,特别适用于斜井绞车的运行情况。

3.2设备组成与说明

PLC控制系统主要由PLC控制箱（+DS）,司机台（+PA）和附件等组成。

3.2.1、PLC控制箱（+DS）

主要由两套PLC、供电电源、继电器和接触器、深度信号转换板等组成。

PLC选用的是日本三菱公司的FX2N系列产品,PLC1（-A1）作为主控系统,PLC2（-A2）作为监控系统。

3.2.1.1、PLC系统

PLC1由基本单元-A10（128MT），模拟量输入单元-A11（4AD），模拟量输出单元-A12（4DA）组成；PLC2由基本单元-A20（64MT），模拟量输入单元-A21（4AD），模拟量输出单元-A22（4DA）组成。

1）、PLC基本单元

主要由电源、CPU、锂电池、RS485通讯、数字量输入（其中:

X0-X7为高速计数器输入端）、数字量输出（晶体管输出）等部分组成。

（1）电源：

额定输入电压:

AC100～240V。

电压允许范围:

AC85～264V。

本系统输入的电源电压为AC110V。

（2）CPU单元：

CPU是PLC的核心，含有编程接口等。

绞车的控制程序储存在CPU内部的RAM存储器中，电源中断后，可由锂电池保持。

PLC上有内置的“RUN/STOP”开关，由人工进行操作。

CPU工作方式:

①、“STOP”方式

－不扫描程序

－禁止输出（信号状态为“0”）

－可对PLC编程或修改程序。

②、“RUN”方式　

－循环进行输入刷新、执行程序和输出刷新

面板LED指示灯主要有：

－电源指示（POWER）:

亮时电源正常

－运行指示（RUN）:

亮时PLC运行正常

－电池电压指示（BATT.V）:

亮时须在一个月内更换锂电池

－出错指示（PROGE.E）:

闪亮时可能程序有错

－I/O点状态指示:

亮时有输入或输出信号

（3）锂电池:

在PLC电源故障时，保存程序和程序中所有带停电保持的软元件的内容。

（4）RS485通讯:

系统中两套PLC通过RS485通讯交换数据。

PLC1为主站，由M800-M899，D490-D499发送数据；由M900-M999，D500-D509接收数据。

PLC2为分站，由M800-M899，D490-D499接收数据；由M900-M999，D500-D509发送数据。

（5）数字量输入

由现场过程来的数字量信号用24VDC电压等级输入。

每个输入均采用光电隔离。

输入信号状态变化时，PLC上有对应的灯光指示。

数字量输入地址采用的是8进制数。

PLC输入端子号与程序中表示的输入信号相同。

X0-X7可作为高速计数器输入端，能直接接收轴编码器A，B两相脉冲信号，并能根据A，B两相的相位进行增减计数。

（6）数字量输出

PLC执行完整个程序后,可将运算结果通过输出端子输出。

输出信号状态变化时,PLC上有对应的灯光指示。

数字量输出地址也采用的是8进制数。

PLC输出端子号与程序中表示的输出信号相同。

2）、模拟量输入单元

模拟量输入单元将现场过程来的模拟量信号（电压或电流信号）采集进来，转化为PLC内部的数字量，来参与程序控制。

对于4AD，外部输入10V，对应PLC内部2000数字量。

系统中主要模拟量输入信号有：

手动速度给定（8V对应额定速度）；变频器速度（8V对应额定速度）；电机电流（10V对应变频器最大电流）；液压站油压信号。

在程序中看到的都是经过规格化的实际物理量。

4AD输入电压超过±15V时模块就可能损坏。

3）、模拟量输出单元

PLC将运算结果（数字量）通过模拟量输出单元转化为模拟量信号（电压或电流信号）。

对于4DA，PLC内部2000数字量，对应外部10V输出。

系统中主要模拟量输出信号有：

变频器速度给定（8V对应额定速度）；变频器速度指示（0-10V）；电机电流指示（0-10V）；液压站油压指示（0-10V）。

3.2.1.2、供电电源

+DS箱内的进线电源来自+VFD1箱,有AC110V和AC24V。

AC110V电源直接供

给开关电源V1和V2（两开关电源都具有过载和短路保护功能）。

V1（AC110V/DC5V）给司机台数字深度指示器提供5V电源；V2（AC110V/DC24V）通过各路转换开关分别给PLC1数字量输入输出和模拟量输入输出提供DC24V电源（M1+，M0）；给PLC2数字量输入输出和模拟量输入输出提供DC24V电源（M2+，M0）；给整个控制回路提供DC24V电源（M+，M-）。

AC110V电源还通过断路器Q3供给PLC1基本单元；Q4供给PLC2基本单元。

AC24V电源供给单相整流桥变成直流后，给蓄电池进行浮充，再经过二级管

降压后，可作为UPS电源给液压站电磁阀提供DC24V电源。

UPS电源可保证液压系

统在整个电源断电后，仍能正常进行二级制动。

3.2.1.3、继电器、接触器

PLC控制系统所选用的继电器HH54P-FL，DC24V是一种合资产品。

共有4对

转换接点，带指示灯和过电压吸收元件；体积小、可靠性高；采用导轨安装、易于更换。

在控制系统中主要用作硬软件信号转换，逻辑闭锁和保护等。

接触器选用的是西门子3TH系列直流操作交流接触器，主要用在安全电路、液压站控制、油泵控制等回路。

3.2.1.4、深度信号转换板

由于PLC数字量输出单元为漏型输出,而数字深度指示器的输入信号为正电

平触发,因而必须在两者之间加深度信号转换板进行电平转换。

实际上就是由三极

管组成的倒向器。

系统中共用了三块即A101-A103。

每块上有16路倒向器。

3.2.2、司机台（+PA）

司机台主要由主令手柄、制动手柄、转换开关、按（旋）钮、指示仪表、指示灯、数字深度指示器、信号显示屏等组成。

对矿用一般型和普通型系统还可配上位机。

3.2.2.1、主令手柄（--B1）

主令手柄是一个独立的机构，是由手柄、高耐磨电位器、和转换开关等组成。

前后推动手柄时，可带动电位器的中心头滑动，按照一定的接线可连续的改变电阻值的大小，同时手柄带动转换开关旋转，在不同位置可接通相应的接点。

手动开车时手柄通过改变加在电位器上的电压值，给出0-8V的电压信号作为速度给定，还可给出“手柄零位”，“正向”，“反向”接点。

3.2.2.2、制动手柄（--B2）

与主令手柄机构相同,但作为工作闸给定时所要求的转换开关接点接通的位置不同。

手动开车时手柄通过改变加在电位器上的电压值，给出0-12V的电压信号加在闸控板的输入端，经闸控板放大后可对工作闸线圈提供相应的驱动信号。

制动手柄在零位时，可给出“零位”接点。

3.2.2.3、转换开关

主要有:

“制动油泵选择”,“润滑油泵选择”,“过卷旁路”,“水平选择”,“操作方式选择”,“应急方式选择”，“半自动速度给定”等转换开关。

3.2.2.4、按钮、旋钮

主