基于PLC控制的直流电动机调速系统的设计毕业设计.doc
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1、基于PLC控制的直流电动机调速系统的设计摘要矿井提升机在煤矿生产中起着非常重要的作用,它是矿山建设的关键设备。大功率直流调速系统具有调速性能优良,可靠性高的优点,被广泛应用与矿井提升机中。可编程控制器PLC是通用的自动化控制装置 ,是矿井提升机事项自动化控制的核心控制元件。它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体,采用模块式组合设计,具有控制功能强,可靠性高,使用灵活方便,易于扩展等优点,在矿井提升机中得到广泛应用。在文章里,在基于“上位计算机监控+下位多PLC控制+微处理器多数字调节+可控硅变流+拖动电机” 模式下,首先详细介绍了大功率直流调速系统的基本原理,分析了调速系统的基
2、本组成以及基本调速方法;然后系统的论述了现代PLC控制技术,介绍了PLC控制系统的基本方法,接着本文以经济性好,可靠性高的大功率晶闸管为调速系统可控整流电源,根据现代控制理论,采用转速-电流双闭环调速系统与弱磁调速相结合的方法对大功率直流调速系统的主电路,转速控制电路以及信号检测电路进行设计,结合现代PLC控制技术对调速系统运行进行控制,对电动机、晶闸管等元件主要参数进行监视,保护;最终实现提升机的各种安全保护及自动开车功能,实现提升机全自动运行,通过上位机监控系统,提高矿机现代化管理水平。 关键词:矿井提升机,直流调速系统,可编程逻辑控制器,晶闸管,闭环控制DESIGN OF DC SPEE
3、D CONTROL SYSTEM BASED ON PLCABSTRACTThe mine hoists are very important for coal production, they are key equipments. High-power DC motor varied speed control system is widely used on mine hoist, because of its high varied speed quality and its higher reliability.PLC short for programmable Logic Con
4、troller is one of the most popular auto-control equipment on mine hoist. It combines of the relay control technique and computer technique and communicates technique. Its module design can satisfy any industry control situation just by assemble module of different function together. Because of its s
5、trong capability high reliability and other merits, it is used widely on the mine hoist.The paper adopts the mode of “host computer monitoring & lower multi-PLC controlling & microprocessor multi-digital adjusting & motor driving”, Firstly, introduces the composition of the speed control system and
6、the main speed control methods; Secondly, sufficiently discuss the PLC control technique and the way the design a PLC based control system; Thirdly, the paper uses the high-power thyristor as the controllable power souse of the high-power DC motor speed control system, designs the main circuit, spee
7、d control circuit, signal test circuit bases on the modern control theory, PLC is used to monitor the important parameters of the main elements such as motor and thyristor, protect them according to the signal get from the test circuit; Finally, realizes many kinds of safe protections and automatic
8、run function for hoist, hoists main well hoist automatically. KEYWARDS:coal mine hoist, digital DC speed adjust system, PLC, Thyristor, closed-loop control目录摘要(中文)I摘要(英文)II1绪论11.1 课题来源11.2 国内外提升及研究现状11.3 本文研究内容41.4 本文研究意义42大功率直流电机调速系统52.1 调速系统的主要性能指标52.1.1稳态性能指标52.1.2动态性能指标62.2 直流电机调速的基本方法82.3直流调速系统
9、的可控直流电源92.3.1晶闸管三相可控整流电源92.3.2晶闸管的可靠触发112.4 闭环控制直流调速系统122.4.1 转速一电流双闭环调速系统122.4.2调压调速基础上的弱磁调速172.5 直流电动机的可逆运行182.5.1电枢反接可逆线路192.5.2励磁反接可逆线路203.1 矿井提升机对电气控制系统的要求213.2 控制单元基本原理253.3 系统设计253.4 主回路组成283.5 控制回路的组成293.5.1主处理器293.5.2电枢电流调节293.5.3电源293.5.4 通讯接口293.5.5 输入/输出接口303.5.6高速计数器303.5.7液晶显示器303.6 C3
10、0系统软件304 PLC在提升机控制系统中的应用324.1 PLC概念及其系统组成324.1.1本系统中PLC的选型及特点334.1.2 PLC的外部接线图344.2 SIEMENS S7-400介绍354.2.1 SIEMENS S7-400概况354.2.2 S7-400的结构354.2.3 STEP7编程软件介绍364.2.4 STEP7的硬件组态与诊断功能384.2.5 硬件组态384.3 PLC在直流调速系统中的应用394.3.1 PLC的特点394.3.2 PLC在直流调速系统中的应用414.4 多PLC冗余控制系统设计424.4.1行程PLC硬件构成及双PLC提升行程控制424.
11、4.2双线制提升机安全保护回路424.4.3 PLC控制液压制动系统434.5行程精度校正系统设计444.5.1 深度指示仪的作用444.5.2 蠕动的产生444.5.3 行程脉冲值的同步校正454.6 全自动控制的实现454.6.1自动开车的实现454.6.2 与闸控系统的配合484.6.3 与信号系统的配合494.6.4 自动加减速的实现494.6.5 自动停车的实现494.6.6 可靠性设计505结论与展望51参考文献53致谢541绪论1.1 课题来源矿井提升机是机、电、液一体化的大型机械,广泛应用于煤炭,有色金属,黑色金属,非金属,化工等矿山的竖井、斜井,是生产运输的主要工具。在煤炭生
12、产中提升机担负着提升煤炭、矸石、下放材料、升降人员和设备的重要任务,是联系井上与井下的唯一途径,素有矿井“咽喉”之称。提升机的电力传动特性复杂,电动机频繁正反向,经常处于过负荷运转和电动、制动不断地转换状态中。提升机运行的安全可靠性不仅直接影响整个矿井的生产能力,而且还涉及到井下工作人员的生命安全。因此,研制并制造既安全可靠又节省能源的提升机是煤矿安全生产的一项重要课题。潘一矿位于安徽淮南境内,矿井设计能力为320万吨/年,其第二副井为立井提升,落地式布置一台摩擦式提升机,一边罐笼为宽罐笼;另一边为窄罐笼。绞车为洛阳矿山机械厂生产的JKMD-4.54()-(PY)多绳轮绞车。使用的事哈尔滨电机
13、厂生产的ZKJ2500/650-12型直流电动机,额定功率为1800kW。至2010年4月,该提升机正式投入使用。该系统为全数字化控制,半自动化运行。液压站及闸控为瑞典ABB公司具有“恒减速制动”的系统。1)第二副井提升方式和提升任务(人、下料或矸石)中央副井主要担负着提矸、下料、升降大型设备和升降人员等辅助提升任务。2)提升机主要技术参数提升机宽罐安装的是5吨双层提升罐笼,窄罐安装的是1.5吨双层提升罐笼。电动机型号为ZKJ2500/650-12,电机功率1800kW;电机为哈尔滨电机厂生产。电控系统系上海华菱电控有限公司设备,西班牙C30全数字行程闭环控制系统,PLC控制,传动与PLC对罐
14、笼位置、行程及故障实行全数字冗余控制。3)主要提升设备的检测时间和结论全程(宽罐笼从-790m至上井口或相反)一次绞车运行时间320s。1.2 国内外提升及研究现状 近三十年来,国外提升机机械部分和电气部分都得到了飞速发展,而且两者相互促进,相互提高。起初的提升机是电动机通过减速器传动卷筒的系统,后来出现了直流慢速电动机和直流电动机悬臂安装直接传动的提升机。上世纪七十年代西门子发明矢量控制的交-直-交变频器后,标志着用同步电动机代替直流电动机实现调速的技术时代已经到来。1981年第一代用同步机悬臂传动的提升机在德国 Monopol矿问世,1988年由MAV GHH 和西门子合作制造的机电一体提
15、升机在德国Rom berg矿诞生了,这是世界上第一台机械和电气融合一体的同步电机传动提升机。 在提升机机械和电气传动技术飞速发展的同时,电子技术和计算机技术的发展,使提升机的电气控制系统更是日新月异。早在上世纪七十年代,国外就将可编程控制器(PLC)应用与提升机控制 。上世纪八十年代初,计算机又被应用于提升机的监视与管理。计算机和PLC的应用,使提升机自动化水平、安全、可靠性都达到一个新的高度,并提供了新的、现代化的管理、监视手段。特别强调的是,此时期在国外一些著名的提升机制造公司,如西门子,ABB,ALSHOM都利用新的技术和装备,开发或完善了提升机的安全保护和监控装置,是安全保护性能有了新
16、的提高。 就在国外科学技术突飞猛进发展的时候,我国提升机电控系统横长时间处于落后的状况,就提升机控制技术而言,和国外相比,我们存在很大差距。 目前我国提升机部分仍采用交流绕线式异步电动机拖动方式,其电控系统用于诞生缠绕式提升机的有TKD系列,多绳磨擦式提升机有JKM,K/J系列。这几种提升机通常在电动机转子回路中串接附加电阻进行启动和调速。串电阻调速是一种恒转矩调速方法。尽管串电阻调速方法很不经济,低速特性也很软,稳定性差,但是这种调速方法简单易行,启动转矩较大,因此,在拖动起重机等中,小容量的绕线式异步电动机仍然应用广泛。 20世纪80年代,我国从瑞典,德国等国家引进20多套晶闸管直流电动机
17、控制系统。直流电动机传动有两种电控系统,一种为直流发电机直流电动机机组,另一种为晶闸管直流电动机系统。我国自己生产的晶闸管直流电动机控制系统应用于20世纪90年代。这种控制系统的优点是:体积小、重量轻、占地面积小;基础省、安装方面、建筑费用低;无齿轮传动部分,不需要减速器、总效率高、电能损耗少;单机容量大、适用范围广;调速平稳、调速范围广、调速精度高;易于控制、能实现自动化,安全可靠,节约电能。 矿井提升机对安全性、可靠性和调速性能的特殊要求,使得提升机电控系统的技术水平在一定程度上代表一个企业或国家的传动控制技术水平。比较国内外矿用提升机系统,具体来说国外矿井提升机在电控方面的应用特点有以下
18、几个方面:1)提升机工艺过程微机控制提升机工艺过程大都采用微机控制,由于微机功能强,使用灵活,运算速度,监视显示易于实现,并有诊断功能,这是采用模拟控制无法实现的。2)提升行程控制提升机的控制从本质上说是一个位置控制,要保证提升容器在预定地点准确停车,要求准确度高,目前可达2cm。采用微机控制,可通过采集各种传感信号,如转角脉冲变换、钢丝绳打滑、井筒、滚筒及钢丝绳磨损等信号进行处理,计算出容器的准确位置而施以控制和保护。一般过程控制用微机做监视,行程控制也采用单独下位机完成。3)提升过程监视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。提升过程监视采用微机主要完成如下参数的监视:a、
19、提升过程中各工况参数(如速度、电流)监视;b、各主要设备运行参数的监视;c、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。甚至与上微机联网,合并于矿井监测系统中。4)安全回路图1-1 提升机自动化控制系统安全回路是指提升机再出现机械、电气故障时控制提升机进入安全保护状态的极为重要的环节。为确保人员和设备的安全,对不同的故障一般采用不同的处理方法。安全回路非常重要,它是保护的最后环节之一,英、德几家公司都采用两台PC微机作为安全回路,使安全回路具有完善的故障监视功能,无论是提升机还是安全回路本身出现故障时都能
20、准确的实施安全制动,如图1-1所示。而在电力拖动方面,近几年国外出现了不少新的拖动方式,如交-交变频方式,交-直-交变频方式。20世纪80年代西欧一些工业发达的国家将交流变频调速技术应用于矿井提升机,有代表性的是ABB公司和西门子公司。我国20世纪90年代也引进了交流变频调速提升机控制系统。变频调速方式类似于他励直流电动机取得很宽的调速范围、很好的调速平滑性和足够硬度的机械特性,在提升及应用中显示了其独特的优势。1.3 本文研究内容本文主要就矿井提升机的电控系统和直流电动机的调速系统进行研究,运用PLC控制技术,研制更加可靠的控制系统,使提升机运行的可靠性和安全性得到提高,在提升机控制系统中应
21、用计算机控制技术和晶闸管-弱磁与调压配合的直流电动机调速技术进行设计。就计算机技术在工业现场的应用而言,可编程控制器(PLC)是目前作为工业控制最理想的机型,它是采用计算机技术、按照事先编好并存储在计算机内部的一段程序来完成设备的操作控制。采用PLC控制,硬件简洁、调试方便、维护量小,PLC技术已经广泛应用于各种提升机控制。操作、监视和安全保护系统选用可编程控制器。主控计算机应用软件能完成提升机自动、半自动、手动、检修、低速爬行等各种运动方式的控制要求。1.4 本文研究意义本文提升机控制单元采用目前工业使用的可编程控制器来控制,具有变成简单,控制可靠的优点;电力拖动系统中,采用调速范围广、静差
22、率小、稳定性能好及具有良好动态性能的晶闸管-直流电动机调速系统,PLC的应用优化了调速系统性能。本文从解决实际矿井提升系统存在的问题出发,对传统的调速方案进行了控制方式的革新和数字化改造,降低了成本,提高了控制精度,加强了系统的稳定性。使用、经济、高效、可靠是本文提升机系统研究与设计的追求目标。2大功率直流电机调速系统 功率直流电机调速系统以大功率直流电动机为控制对象,以电力电子器件为功率变换装置,将电能转换成机械能,在自动控制理论指导下,实现弱电对强电的控制,最终达到调节电机转速的目的。大功率直流电机调速系统通过对电动机转速的控制,将电能转换为机械能,进而控制工作机械按给定的运动规律运行,使
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