第3章数控提升机系统开发设计及硬件选用.docx
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第3章数控提升机系统开发设计及硬件选用
3数控提升机系统开发设计及硬件选用
系统描述组成：
以兖矿集团某矿主井开发为例，根据该矿主井空间条件小的实际情况，高压柜、驱动整流柜、变压器、电抗器和快开只能放在井塔一楼，系统通过现场总线网络连接在一起。
整个网络有S7-400PLC、S7-300PLC工控机三个主站采用PROFIBUS总线构成上级网络。
其中S7-400PLC含有两个ET200分站和三个SIMOREGDP分站；S7-300PLC含有一个ET200分站。
全数字直流调速电控系统的主驱动部分变流装置采用西门子6RA70，两套并联，完成12脉动变流，减少对电网的谐波污染。
采用电枢可逆、励磁恒定的方式。
励磁部分采用西门子6RA70系列的整流装置，实现恒定励磁。
主控部分采用S7-400系列的PLC完成速度‘S’曲线的给定、位置闭环控制和整个系统的保护控制；行程监控部分采用S7-300系列PLC完成行程包络线的计算和保护，主控部分和行程监控部分PLC均有安全回路保护，另外还增加了一套继电器直动安全回路。
操作台配备工控机和液晶显示器与PLC建立网络通讯，实现对整个系统的监控。
3.1系统功能设计
根据数控化提升机理论分析可知，对整个控制系统根据中央处理器（CPU）及其处理的功能范围来讲，把整个提升机电气控制系统分为主控系统、监视控制系统、驱动控制系统、上位监视系统、制动控制系统等。
西门子S7系列的PLC是西门子S5系列的PLC的升级产品，不论在性能、运算速度、使用范围等上具有较优的性能。
其中S7系列的PLC可分为S7-200PLC、S7-300PLC、S7-400PLC。
其价格、性能、运算速度、I/O点数逐步提高。
S7-200PLC具有紧凑的结构设计、良好的扩展性能、低廉的价格以及较全的指令，使得S7-200PLC满足小规模的控制要求，再解决用户的自动化问题时，具有较强的适应性。
SIMATICS7-300可编程序控制器是模块化结构设计。
各种单独的模块之间可进行广泛组合以用于扩展。
系统组成：
中央处理单元（CPU）；各种CPU有各种不同的性能，例如，有的CPU上集成有输入/输出点，有的CPU上集成有PROFIBUS-DP通讯接口等。
信号模块（SM）用于数字量和模拟量输入/输出，通讯处理器（CP）用于连接网络和点对点连接，功能模块（FM）用于高速计数，定位操作（开环或闭环控制）和闭环控制。
根据客户要求，还可以提供以下设备：
负载电源模块（PS）用于将SIMATICS7-300连接到120/230伏交流电源。
接口模块（IM）用于多机架配置时连接主机架（CR）和扩展机架（ER）。
S7-300通过分布式的主机架（CR）和3个扩展机架（ER），可以操作多达32个模块。
运行时无需风扇。
SIMATICS7-300适用于通用领域：
高电磁兼容性和强抗振动、冲击性，使其具有很高的工业环境适应性。
3.1.1主控系统设计
主控部分S7-400主要功能是执行操作程序，从提升机控制功能上可以实现自动、手动、检查、闭锁等运行方式。
主控部分采用S7-400系列的PLC完成速度‘S’曲线的给定、位置闭环控制和整个系统的报警保护控制；并实现各种故障保护及闭锁。
来自系统各部分的信号经过隔离或直接引入到PLC中，PLC将其处理后进行操作、控制、显示、制动、故障和报警等，同时形成主要的软件安全回路。
1行程控制：
PLC通过编码器检测的脉冲，计算速度、行程，根据行程来进行速度给定。
提升机控制的核心问题是行程控制，也就是运动设备在规定的范围内往复循环移动，并在行程两端达到自动减速、停止的速度给定。
根据行程控制的原则，对PLC编程进行突破性研究，完成行程控制。
由公式：
Vt-VO=at和S=VOt+（1/2）at2可知Vt2-VO2=2As根据v和S的关系（如图3.1），保证减速点后PLC计算的速度给定会自动减小。
图3.1提升机速度与行程的关系
2速度控制：
根据提升机行程控制的要求，由PLC完成系统的速度曲线与保护曲线运算，综合成为速度的给定输出。
速度闭环控制由6RA70装置完成，速度拐点处设置圆形过渡，减少机械冲击。
以独立的每转5000脉冲的编码器完成速度反馈。
3全保护控制
PLC通过采集的现场系统、设备信息，结合定时器、计数器、功能块实现逻辑保护，PLC也通过编码器检测的脉冲，计算速度、行程来实现过速、过卷、速度逐点保护功能。
各种保护可归类为提升系统保护和设备保护。
根据其危害程度，可分为报警和故障紧停，报警只是闭锁提升机，而故障要实施紧停。
在数控提升机控制系统中，提升机故障的检测与判断绝大部分是由PLC软件控制完成。
4传动系统控制：
由6RA70主站完成对速度控制的响应，根据提升机的特点，解决了起动大载荷的问题，在启动前瞬间，根据闸信号，提前启动电流预给，根据6RA70的特点，得以完全实现。
使得提升机在起动过程中平稳起动。
根据提升机的整体控制要求，进行创新性的开发工作，使之完全满足工艺要求，在起动、停车等重要环节的指标，通过测试表明，该性能指标达到或超过了世界先进水平的提升机。
行程、速度、电流控制的关系（如图3.2）。
图3.2行程、速度、电流控制的关系
3.1.2监控系统设计
监控系统由一套西门子的S7-300可编程控制器和相应的控制程序组成。
S7-300监控系统主要包含CPU、计数模块、通讯模块、重要信息输入模块、保护输出模块。
该部分的主要功能是根据系统要求，实现提升机运行状态的监视，完成速度、行程包络线的生成。
同时完成行程、速度监控。
3.1.3驱动控制系统设计
全数字直流调速电控系统的主驱动部分变流装置采用西门子6RA70，两套并联，完成12脉动变流，减少对电网的危害。
采用电枢可逆、恒定励磁方式。
励磁部分采用西门子的6RA70系列的整流装置，实现恒定励磁。
SIMOREG6RA70系列整流装置为三相交流电源直接供电的全数字控制装置，其结构紧凑，用于可调速直流电机电枢和励磁供电，该装置所有的控制、调节、监视及附加功能都由双微处理器来实现;装置内有调节板和用于扩展、通讯接口的附加板。
两台高效能的微处理器（C163和C167）承担电枢和励磁回路所有的调节和传动控制功能。
调节功能在软件中通过参数构成的程序模块来实现。
转速调节器将转速给定值与实际值进行比较。
根据它们之间的差值输出相应的电流给定值送电流调节器（原理：
带有电流内环的转速调节）。
转速调节器是带有可选择的D-部分的PI调节器。
此外尚有可参数设置的可接通速度软化。
调节器的所有识别量都可分别设定。
Kp值（放大系数）同一个连接器信号（外部或内部）相适配。
同时，转速调节器的P-放大系数要与转速实际值，电流实际值，给定值-实际值的差值或卷径相匹配。
为了获得更好的动态响应在速度调节回路有预控器，这可以通过例如在速度调节器输出附加一个转矩给定值来实现，该附加给定值与传动系统的摩擦及转动惯量有关，解决了起动大载荷的问题，使得提升机在起动过程中平稳起动。
可通过一个自动优化过程确定摩擦和转动惯量的补偿。
在调节器锁零放开后，速度调节器输出量的大小可以通过参数直接调整。
通过参数设定可以旁路转速调节器，整流装置作为转矩调节或电流调节的系统运行。
此外，在运行过程中可通过选择功能“主动/随动转换”来切换转速调节/转矩调节。
这个功能是作为通过开关量可设置端子或一个串行接口的开关量连接器来选择。
转矩给定值的输入可以通过可选择连接器实现也可由模拟量可设置端子输入口或串行接口输入。
在“从动状态”下（转矩调节或电流调节）一个极限调节器投入运行。
为了避免系统加速过快，通过一个参数可调的转速限幅对限幅调节器进行干预。
但传动装置被限制于一个可调节的转速误差。
电流调节器是具有相互独立设定的P-放大值和调节时间的PI-调节器。
P或I部分可被切断（纯粹的P-调节器或I-调节器）。
电流实际值通过三相交流侧的电流互感器检测，经负载电阻，整流，再经模拟、数字变换后送电流调节器。
分辨率是装置额定电流的10位。
电流限幅器的输出作为电流给定值。
电流调节器的输出形成触发装置的控制角，同时作用于触发装置的还有预控制器。
电流调节回路的预控制器用于改善调节系统的动态响应，电流调节电路中的允许上升时间范围为6-9ms。
预控制与电流给定值和电机的EMF有关，并确保在电流连续和断续状态或转矩改变符号时所要求的触发角的快速变化。
3.1.4工业总线网络设计
整个系统采用网络化的设计，主控PLC选用西门子功能最强大的S7-400产品，行程监控采用西门子S7-300PLC，两者与上位机一起通过PROFIBUS-FMS总线构成系统的上级网络。
此外，S7-400通过PROFIBUSDP网络下挂操作台ET200M、低压柜2ET200M和由三个6RA70驱动装置组成的DP分站。
驱动系统电枢回路采用两台西门子6RA70装置，两台西门子6RA70装置采用主从方式通过点对点通讯协议实现电流的控制和平衡，完成系统的十二脉动供电以及故障互锁。
具体结构见系统网络图，
如图3.3。
图3.3系统网络图
3.1.5上位监视系统设计
操作台配备工控机与PLC建立网络通讯，实现对整个系统的监控。
实时显示系统状态信息及系统故障。
如图3.4。
上位工控机监视器可实现人--机对话。
上位监视程序，采用支持VisualBasic的iFIX监控软件包。
iFIX是强大的HMI/SCADA系统，可以进行过程的图形化监视，数据采集和管理，监督控制。
能显示高压配电回路、低压配电回路、提升系统图、液压制动系统图、装卸载系统图、驱动系统图、运行曲线、生产报表和故障信息等画面，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，监视器能使司机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，能及时通知维修人员排除故障，从而缩短排除故障时间，提高劳动生产率。
图3.4人--机对话
3.1.6制动控制系统设计
利用主控PLC的控制功能实现对制动系统的控制，对于主井制动控制采用恒力矩控制制动，并实现二级制动，制动性能有计算校核，PLC完成工作制动的给定和发出紧停制动信号，时间继电器完成二级制动的延时控制。
3.1.7主回路设计
提升机6kV系统两路电源引自35kV变电所，一路运行一路备用，两台进线开关为就地操作。
两台6kV馈出线柜，分别连接一台1250kVA的整流变压器。
操作方式：
就地操作和远控操作，设有短路和过流保护，整流变压器设有温度保护。
一台6kV馈出线柜，为一台500kVA的辅助变压器供电。
辅助变压器负责提供380V电源和励磁供电。
一台互感器柜负责高压馈电参数的测量。
主回路采用电枢电流换向（电枢可逆），磁场电流单向（磁场恒定）的方式；可控硅整流系统，主要有两台1250kVA的整流变压器和两台整流柜组成，两台电枢变压器的接线方式分别采用△/△-0和△/Y-11。
单象限工作的整流器，电枢由三相全控桥B6C供电，四象限工作的整流器通过两个三相全控桥（B6）A（B6）C无环流直接反并联。
两组直流并联，实现十二脉动驱动，以减少谐波对电网的影响。
在闭环控制系统的控制下，根据系统的需要通过整流方向及电压的变化，实现提升机的正、反转和速度的调节。
电机直流主回路中，有两台平波电抗器，用于均流；一台直流快速断路器，用于电机保护。
系统图如图3.5
图3.5方案系统图
3.1.8安全保护功能设计
在安全回路设计方面，充分考虑提升机的关键性保护，将其纳入硬件安全回路，如：
过卷保护、极限过卷保护、延时过流保护、瞬动过流保护、超速保护以及驱动装置故障等。
同时也将高压柜、快开的辅助触点纳入其中，确保供电设备均处于正常合闸状态时才能送上硬件安全回路；系统中设置两套独立的PLC控制系统，分别形成各自的软件安全回路，这两套软件安全回路均和硬件安全回路串联形成提升机总的安全回路，三者任何一方检测到提升机有故障存在都无法启动提升机。
系统设有S7-400软安全回路，S7-300软安全回路，以及一套继电器直动的硬件安全回路。
S7-400安全回路完成系统所有的保护，主要有设备状态保护和系统保护。
S7-300安全回路完成系统的行程、速度保护。
继电器安全回路完成系统重要的一些保护并实现安全制动。
软安全回路与硬安全回路互相冗余，完全满足《煤矿安全规程》中不少于两条安全回路的要求，并且超出了《煤矿安全规程》要求。
其保护方式结构（如图3.6）。
图3.6保护方式结构
结合《煤矿安全规程》安全保护的要求，对系统保护内容以及完成方式进行的设置与研究，以及对提升机与提升系统进行创新性研究，使得系统的可靠性达到一个理论上的高度。
丰富了规程的要求。
系统主要设有如下保护：
TS3A系统提升保护设置一览表
序号
名称
描述
㈠提升系统保护
*1
井筒过卷
提升机紧急制动（进继电器安全回路）
*2
井筒极限过卷
提升机紧急制动（进继电器安全回路）
3
计算机过卷
系统计算机计算PG的行程，提升机紧急制动
4
箕斗在装载位置
箕斗进入装载区域显示，该区域决定于装载口高度，联锁装载控制
5
钢丝绳长
系统计算机根据行程判断，定值根据现场制定，提示维护人员确认状态，同时提升机自动提升方式被闭锁
*6
卸载仓满
卸载仓满，提升机被闭锁，装载被闭锁（进继电器安全回路）
7
驱动失败
提升机运行方向、速度与给定不一致，提升机紧急制动
8
速度超限
提升机运行速度超过设定速度包罗线，提升机紧急制动
*9
提升机过速
提升机运行速度超过最大速度的15%，提升机紧急制动（进继电器安全回路）
*10
井口速度超限
箕斗经过井口开关时运行速度超过限值，提升机紧急制动（进继电器安全回路）
11
滑绳
滚筒速度与导向轮速度误差超限（1m/s），紧急制动后，提升机在下次同步之前速度限制在2m／s之内
12
同步超限
箕斗通过同步开关时，系统计算机行程测量值与实际行程误差超过限定值（定值由钢丝绳的弹性模量、长度和张力确定），紧急制动后，提升机在下次同步之前速度限制在2m／s之内
13
绳衬磨损超限
计算机计算到绳衬磨损超限，闭锁下次开车，提示维护人员修正行程参数和确认绳衬磨状态后解锁
14
行程测量故障
系统计算机计算的PG形成误差超限，提升机紧急制动，速度限制在2m/s内同步两次后再次进行故障确认
15
装载系统故障
闭锁自动提升
*16
司机台紧急停车
提升机紧急制动（进继电器安全回路）
*17
卸载站紧急停车
提升机紧急制动（进继电器安全回路）
*18
装载站紧急停车
提升机紧急制动（进继电器安全回路）
19
箕斗门未关
提升机闭锁
㈡提升机状态保护
*20
HV2跳闸
提升机紧急制动（进继电器安全回路）
*21
HV3跳闸
提升机紧急制动（进继电器安全回路）
*22
HV4跳闸
提升机紧急制动（进继电器安全回路）
23
HV2过流
提升机紧急制动
24
HV3过流
提升机紧急制动
25
HV4过流
提升机紧急制动
26
HV2短路
提升机紧急制动
27
HV3短路
提升机紧急制动
28
HV4短路
提升机紧急制动
29
T1变压器超温
闭锁提升机
30
T2变压器超温
闭锁提升机
31
T3变压器超温
闭锁提升机
32
DL1故障
提升机紧急制动
33
DL2故障
提升机紧急制动
34
LC故障
提升机紧急制动
*35
直流断路器跳闸
提升机紧急制动（进继电器安全回路）
36
主电机温度报警
闭锁提升机
37
主轴承温度报警
闭锁提升机
38
导向轮轴承温度报警
闭锁提升机
39
闸衬磨损极限
闭锁提升机
40
制动油温
闭锁提升机
41
主冷风机
闭锁提升机
3.2硬件设计
3.2.1全数字调节部分主要功能
驱动系统电枢回路采用两台西门子6RA70装置，全数字调节部分主要功能有：
1成电枢回路的调节功能：
1.1设定转速给定源
1.2自由选择转速实际值信号
1.3速度自动调节
1.4电枢电流自动调节
1.5斜坡函数发生器
1.6转矩限幅
1.7电流限幅
1.8预控制器
1.9触发装置
2成励磁回路的调节功能：
2.1反电势调节器
2.2励磁电流调节器
2.3触发装置
3现电枢回路和磁场回路的各种监控与诊断：
3.1运行数据的显示
3.2扫描功能
3.3故障信号
3.4警告
3.5紧急安全断电（E-STOP）
3.2.2驱动系统软件结构
1软件结构
两台高效能的微处理器（C163和C167）承担电枢和励磁回路所有的调节和传动控制功能。
调节功能在软件中通过参数构成的程序模块来实现。
功能框图如图3.6
2连接器
调节系统中所有重要的量可用连接器来存取。
经连接器获得的量与测量点相对应并作为可存取的数字值。
连接器的标准标定为每100%14位（16384级）。
该值可在装置内部被使用，如控制给定值或改变限幅。
还可通过操作面板，模拟量输出及串行接口输出。
3结合点
结合点由软件模块的输入通过相应的参数决定。
在相应参数连接器信号的结合点上对所希望的信号引入连接器编号，以便确定哪些信号被作为输入量。
这样，不仅模拟输入和接口信号，而且内部量都可用做给定值，附加给定值，极限值等等。
驱动调节框图如图3.7。
图3.7驱动调节框图
3.2.3硬件抗干扰措施
输入信号通过继电器隔离，利用专用的计算机通讯屏蔽电缆，动力、控制、计算机等系统分设接地系统，有效控制相互间的干扰。
3.2.4控制系统硬件设计
整个系统采用网络化的设计，主控PLC选用西门子功能最强大的S7-400产品，行程监控采用西门子S7-300PLC，两者与上位机一起构成系统的上级网络。
此外，S7-400通过PROFIBUSDP网络下挂操作台ET200M、低压柜2ET200M和由三个6RA70驱动装置组成的DP分站。
3.2.5监控系统硬件设计
监控PLCS7-300采用CPU315-2DP。
具有以下设计特点：
CPU315-2DP具有中到大型的程序存储容量，以及PROFIBUS-DP主/从接口。
可以配置成分布的自动化结构。
微处理器：
处理器执行二进制指令时间为300ns；扩展存储器能力：
CPU315-2DP:
64K字节RAM；PROFIBUS接口：
具有PROFIBUS-DP接口的CPU可以建立分布式自动化系统，具有高速及易于处理等特点。
从用户角度看，可将分布式I/O当作集中式I/O一样（相同的配置、编址及编程）。
SIMATICS7-300数字输入和输出模块。
通过这些模块，可将数字传感器和执行元件与SIMATICS7-300相连。
数字I/O模块具有下列优点：
优化配合，可利用可以任何方式组合的模块使输入/输出点数与任务相配合；灵活的过程连接，可通过各种不同的数字执行元件和传感器使S7-300与过程相连接。
数字输入模块将控制过程的外部数字量电平转化为S7-300的内部信号电平；数字输出模块将S7-300的内部信号电平转化为控制过程所需的外部信号电平。
S7-300的模拟输入和输出模块。
通过这些模块可将模拟传感器和执行元件与S7-300相连。
模拟输入模块将扩展过程中的模拟信号转化为S7-300内部处理用的数字信号。
电压和电流传感器、热电耦、电阻和电阻式温度计均可作为传感器与该模块相连。
模拟输出模块将S7-300的数字信号转换成控制需要的模拟量信号。
FM350-1是智能化的单通道计数模块用于广泛的单纯计数任务。
此模块通过直接连接增量编码器，方式分担CPU的任务：
模块给编码器供电。
FM350-1计数器模块依据可直接连接的门信号检测最高达500千赫兹的增量编码器脉冲信号。
CP343-5通讯处理器是用于PROFIBUS总线系统的SIMATICS7-300和SIMATICC7的通讯处理器。
它分担CPU的通讯任务，并支持其它的通讯连接。
3.2.6控制系统模拟量信号采集
由S7—400的模拟量输入模块实现对以下模拟量的信号采集：
主变、辅变温度；制动油压；测速机信号；主令手柄信号；装载称重信号；整流装置的反馈信号；工作闸工作电流及主变一次电流的模拟量的采集。
3.2.7控制系统数字量信号采集
由S7—400的开关量输入模块实现对所有继电器接点等的数字量等的信号采集。
3.2.8控制系统脉冲量信号采集
由S7—400的开关量输入模块实现对主轴上两个编码器的脉冲信号的采集，实现脉冲计数和行程校正功能。
3.3直流传动系统参数计算
3.3.1主回路选择及基本参数
根据矿井原设计及电机选型计算书，直流电机技术数据：
型号：
ZD250/43；功率：
1250千瓦；电压：
660伏；电流：
2205安；转速：
49转/分；励磁电压：
55/110伏；励磁电流：
365/183安。
3.3.2整流变压器的计算
两台整流变压器选用聚酯干变；两台电枢变压器的接线方式分别采用△/△-0和△/Y-11。
根据电机的额定电压和额定电流参数，直流电机的电枢回路配置成两组三相全控整流桥12脉动供电。
电枢变压器的容量是：
SN=1.732INUN=1.732x690x915=1093KVA，
故选用容量为1250KVA，变压比为6000/690的变压器。
3.3.3直流回路电抗器的选择和计算
根据整流器实现12脉动，选择双值电抗器，电抗器计算如下：
按变流装置的要求计算平波电抗器所需电感：
在0.2（IdN（LD1）时电抗器的电感
在Idmax（LD2）时电抗器的电感
电源频率在50HZ时的电感：
LD1=0.296×10-3×Udi/（0.2×IdN）
=0.296×10-3×1.35×660/（0.2×1102.5）
=1.196×10-3H
LD2=0.296×10-3×Udi/（0.33×Idmax）
=0.296×10-3×1.35×660/（0.33×2205）
=0.362×10-3H
其中：
IdN：
直流电机额定电流的一半
Idmax：
直流电机最大电流的一半
Udi=1.35UN（UN为电源额定电压）。
3.3.4系统参数的校核及计算
3.3.4.1设计参数
1提升高度
Ht=H+Hz+Hx
=397+40.02+9.5=446.52（m）
其中：
H-井筒深度H=397m
Hz-装载高度Hz=40.02m
Hx-卸载高度Hx=9.5m
2工作制度
b=300天，t=14小时
3井塔高度
至主轴中心高Hk=36.9m+0.35m=37.25m
4过卷高度
原设计：
8.359m（悬挂装置高度-箕斗平面至第一绳卡3.345m）
箕斗上平面至抗撞梁:
27.046-（10.000-0.429）-9.500=7.975（m）
5尾绳高度
Hh=12.757m
6悬挂高度
Hc=Ht+Hk+Hh+Hz'
=397+37.25+12.757+40.449=487.456（m）
其中Hz'—大巷轨面至箕斗斗箱底高度。
Hz'=40.449m
7提升容器
一对12t箕斗，载重Qm=12t，自重Qz=18.5t
箕斗本体高度10000mm。
8提升机
JKM3.25×4-Ⅲ
最大静张力：
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