提升设计00.docx

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提升设计00

矿井维修电工

毕

业

设

计

2012年5月

PLC控制提升机电气控制系统设计

2012年5月

随着人类科学技术的迅猛发展，传统电气控制系统的弊端也逐渐显现，淘汰已成必然，电气控制技术也由继电器控制过渡到了计算机控制系统。

PLC可编程控制器正是在继电器控制和计算机技术的基础上，逐渐发展起来的以微处理器为核心，集微电子技术，自动化技术，计算机技术，通信技术为一体，以工业自动化控制为目标的新型控制装置。

它已逐步成为工业自动化设备的主导产品，因它具有控制能力强，可靠性高，使用方便，适用与不同控制要求的各种控制对象等优点，其工作原理，设计和使用方法也成为电气和机电类专业的必修课程。

它的出现对提高机械设备自动控制性能起到了关键的作用，带动了自动控制产品向着控制可靠、操作简单、通用性强、价格低廉的方向发展，使自动控制的实现越来越容易。

PLC可编程控制器目前已在工业、交通运输、农业、商务等领域得到广泛应用，成为各行业的通用控制产品。

这几年随着煤矿矿井的不断扩建，产量的不断提升以及机械化、自动化的不断提高，同时也为煤矿设备能够在井下恶劣和危险的环境下准确灵敏的实现各项保护功能，真正实现“安全第一，预防为主”的煤矿安全生产方针。

使得PLC可编程控制器在矿山设备中也得到了广泛的应用，这就迫切的要求我们在最短的时间内学习和了解PLC可编程控制器的原理和应用。

这个专业同时也是我个人的兴趣和爱好以及在工作中和实际处理问题中经常遇到的一个难题，因此学好此课题对我来讲至关重要也是当务之急。

此专业知识的学习和掌握将会我在以后的工作中起到不可忽视的作用和产生巨大的帮助

矿井提升系统是矿山生产的关键设备，从井下采出的煤炭及矸石的提升，材料的下放，人员和设备的升降都是由提升设备来完成的。

因此，采用更先进的技术，更安全可靠的控制方式来改善提升机电控装置的技术性能，将直接提高矿山生产的效率及安全程度。

综上所述，将PLC可编程技术与提升机电控系统相结合，便是本人所要做的毕业设计题目是《PLC控制提升机电气控制系统的设计》。

1概述……………………………………………………………………………………..4

2设计步骤………………………………………………………………………………..6

3进行设计………………………………………………………………………………..6

4变频器说明……………………………………………………………………………..16

5原理……………………………………………………………………………………..17

6硬件构成………………………………………………………………………………..22

7人机界面………………………………………………………………………………..25

8故障处理和维护…………………………………………………………………………..28

9主控台各按钮和转换开关的用途与功能……………………………………………..31

1概述

1.1已知资料

1、提升机型号：

JK-2.5/20X

2、电动机参数

功率：

400kw，定子参数：

6KV/50A，转子电压：

512V/498A

3、液压站：

RH---63

4、井型：

斜井，井深730m

5、减速机型号：

ZK型减速比：

20

1.2控制要求

在所有安全条件都具备时才能开车，开车前要有规定的信号操作：

绞车运行到减速点后自动减速，距到位点3米出进入爬行，到位后自动停车：

当司机发现紧急情况需要紧急停车，用右脚踏下右下角的脚踏开关，提升机应立即抱闸停车：

如果安全回路掉电，查清原因排除故障后，按复位按钮后方可进入开车状态：

发生过卷故障后，通过一定的处理，提升机应能反方向启动，以便于处理故障：

各种保护及声光信号齐全

1.3设计要求

设计采用PLC控制提升机电气控制系统，采用绕线式异步电动机拖动，转子回路串电阻启动，调速，直流制动方式。

1.4设计原则

安全第一

除实现《煤矿安全规程》所要求的保护功能外，再根据提升机运行工况增加其他相应的保护功能。

性能可靠

（1）优选进口高性能电气传动装置和电气元件；

（2）能用软件实现的功能不再增加硬件，使系统结构更加简单、合理。

功能强大

（1）采用PLC可编程控制技术；

（2）完全符合矿井提升机工艺的各种要求；（3）满足现场复杂情况而不需再考虑增加硬件设备。

性价比高

（1）充分考虑使用维护的便利性，以节省运行中的人力物力；

（2）尽最大可能提高电控系统效率，以降低电耗，减少运行费用。

（3）系统结构优化设计，使系统设备最少。

2设计步骤

2.1应收集资料

（1）设备配置

（2）提升行程和速度图

（3）系统保护参数设置

（4）信号约定

2.2设计主要内容

（1）根据控制要求设计电路

（2）选择PLC及控制电器

（3）控制线路（PLC外部接线）设计

（4）PLC程序设计

3进行设计

3.1设备配置

根据所提供的技术参数以及对现代化矿井提升电控的基本要求，本系统采用传统串电阻调速方式，适用于单机容量不大于1000KW的交流绕线转子电动机。

该系统采用技术先进、性能可靠的原装进口可编程控制器，运用RS485串行通讯方式实现了N：

N网络，适用于矿山竖井，斜井或其他要求提升的场所中，用于绕线式交流电动机拖动的各种型号的提升机，对于提高矿井自动化、安全保障能力，以及矿井现代化管理水平具有十分重要的现实意义。

全数字交流提升机电控系统主要设备配置包括：

主控台、高压换向电制动切换柜、动力制动电源柜、可控硅调速柜、低压电源柜、高压馈电开关柜、电阻及安装附件。

其主要设备配置图及简介如下：

（1）智能型全数字交流主控台主控台BPDKZN-ZKT

主控台是该电控系统的控制中心，该设备采用操作台式结构，除位置、速度、温度、压力、电流等必要的信号采集传感器和终端执行设备外，所有控制回路及操作全部集中于操作台中。

司机可操作主控台上的操作手把（如手闸、主令控制器）、开关及按钮来控制提升机运行，并通过指示灯和人机界面及时了解提升机的运行状态及运行参数。

此外，本主控台自身具有应急提升功能，在不添加任何外部硬件的情况下，当PLC出现问题时，可以实现故障状态下的低速运行。

（2）高压变频器JTDK-GBP-H-6KV

本设备采用双断点控制，运用RS485通讯方式接收主控台PLC的操作指令，实现工频高压电源与电制动电源的切换，以及主提升机在工频高压电源下正、反向运转的控制。

为确保系统工作的安全可靠性，高压电源与电制动电源的切换及正、反向运转之间均具有电气和机械的双重闭锁，保证设备的安全可靠。

（3）高压变频电控装置GBP-H

本装置与转子金属电阻配合使用。

当绞车起动加速运行时，由主控台PLC发出信号，通过RS485通讯方式传送至可控硅加速柜的PLC，由PLC直接驱动可控硅加速柜的各级可控硅动作，以达到对电机转子回路电阻的自动切换，实现电机启动、调速、制动的目的。

（5）电动机负荷柜（柜号KYN28-12/AH3）一台

进线柜（柜号KYN28-12/AH4）两台

1）双回路高压供电，主回路采用真空断路器构成。

2）手车式结构，具有手动和电动两种分合闸方式。

3）具有电压、电流、功率等指示和必要的过流、速断等保护。

（6）所用变压器柜（柜号KYN28-12/AH2）用于提升机辅助设备的AC380/220V配电。

1）双回路进线，各进、出回路配置有保护装置和工作指示。

2）除为主控台供电外，还为室内照明供电以及备用电源等。

（7）附件

1）轴编码器两套：

分别安装在提升机的高速轴和低速轴上，将数字信号传送到主控PLC和监控PLC，用来测量提升机的行程和速度，具有很高的测量精度；同时两个轴编码器互相独立，相互监视、实现安全回路双线制。

2）压力变送器两套：

一个用于测量制动油压；一个用于测量润滑油压，将相关的压力值转化为电信号，传送到主控台的PLC模块，实现数字化的显示与控制保护。

3）到位开关四套：

采用进口元器件的强磁感应开关，用作井筒到位和减速开关。

4）深指信号传感器及感应磁块1套：

采用强磁感应信号，作为深指失效保护的传感器。

5）手持式编程器：

用于修改参数和输入程序。

6）轴编码器万向连轴器二套

3.2提升行程和速度图

T：

一次净提升时间240s，行程730m。

T1：

加速时间。

T2：

等速时间。

T3；减速时间。

T4：

爬行时间。

T5：

抱闸停车时间。

3.3系统保护参数设置

（1）深指失效运行距离：

≤4m

（2）接近停车位置的限速保护：

2m/s

（3）过卷保护距离：

≤0.5m

（4）反转保护动作:

时间:

≤2s或速度≤1.5m/s

（5）主机过流保护:

≤1.5Ie/10s

（6）减速段限速保护:

≤10%Ve

（7）等速段限速保护:

≤15%Ve

（8）制动油过压保护:

≤6.2MPa

（9）闸瓦磨损保护:

≤1mm

（10）高压保护:

馈电开关跳闸

（11）速度监视保护:

0.5Ve

3.4信号约定

采用声光信号系统,提升方向以主罐为主.

●停车

●●向上快提

●●●向下快放

●●●●向上慢提

●●●●●向下慢放

3.5根据控制要求设计电路及PLC外部接线

3.5.1提升机主回路：

3.5.2控制回路及PLC外部接线图

3.6选择PLC及控制电器

根据控制要求及现场实际情况选用4套日本三菱公司FX2N系列可编程控制器.

3.6.1PLC的选用

采用FX2N-64MT可编程控制器作为系统主控器件,以及两台FX2N-32MR可编程控制器,其中一台控制智能加速站,另一台控制动力制动高压切换柜.系统的各项控制和保护功能之间的逻辑关系,是根据电控原理图结合现场实际情况,用编程的方法加以解决.本系统采用RS485通讯方式,通过通讯模块间的工作指令的传送,将各种外设开关、传感器来的信号均接到主控台PLC的输入端，经PLC的逻辑运算，并经制动、加速智能站、控制动力制动高压切换柜等被控对象动作，而其中一部分控制开关、传感器来的信号，经主控台PLC逻辑处理后，去驱动相应的输出继电器动作，再控制安全继电器、工作继电器及各控制单元，完成提升机的启动、加速、等速、减速、爬行、停车等过程，以及实现提升机的各种保护，语言报警、PID速度闭环控制等。

另设一台FX2N-32MR可编程控制器作为主机的监控机使用,用以完成系统的后备保护、关键控制参数及系统的显示功能。

FX2N-4AD、FX2N-4DA为模数转换和数模转换模块。

用以对模拟量和数字量的转换。

FX2N-16EX为输入扩展模块，用与对主控件

FX2N-64MT输入口的扩展。

3.7系统的主要技术特点

（1）安全回路双线制

1）系统采用两套可编程控制器，分别从安装于高速轴和低速轴上的两个轴编码器采集信号，形成安全回路双线制。

2）两套可编程控制器采集的信号既相互独立，又相互比较。

（2）现场总线技术

1）整套系统采用两套可编程控制器，分安装于主控台内两套，高压开关柜一套、高压变频柜一套、动力制动柜一套，通过现场总线技术仅用一根屏蔽双绞线即可完成通讯控制功能，实现控制的网络智能化。

2）主要控制除了总线技术控制外，还采用了硬件控制，如高压换向柜内的高压正反向供电等，保证了系统的可靠性。

3）系统采用现场总线技术，在提高系统可靠性的同时，省去了大量的控制接线，具有安装调试简单，维护方便，故障率低等一系列优点，如：

可控硅加速柜的所有控制线除了控制电源线外，仅用一根通讯电缆即可完成所有控制。

（3）全数字化设计

1）整套系统采用四套轴编码器，其中两套安装于高速轴和低速轴的轴编码器实现了数字化的行程、速度和保护给定；另外两套分别用于主令控制器和手闸控制器，形成数字化的主令和手闸控制器，为我公司的专利产品。

2）整套系统采用二个压力变送器、电流检测模块，将制动油压、润滑油压、电机电流转换模拟信号，通过A/D模块将压力信号变成数字信号，实现显示和保护。

3）全数字化的设计具有控制准确、操作方便、故障率低等特点。

（4）软件化的设计

系统运用软件化的设计思想，“能用软件实现的功能，决不用硬件”，提高了系统的稳定性，大大减少了系统的硬件故障。

如：

1）变化的减速点：

系统可根据负载的变化自动改变减速点，且不需增加硬件设备。

2）变化的闭环参数：

系统可根据负载的变化自动调节电制动闭环和工作闸闭环参数。

3）自动斜坡贴闸：

当系统下放重物时，可根据下放负载多少，自动贴闸。

（5）模块化设计

本系统运用模块化的设计思想，将多个功能集成为不同的电路模块，如

1）语言报警模块：

系统人性化的将操作提示和故障用语言的方式告知操作人员和维护人员；语言报警有减速点到、提升过卷、等速段过速、减速段过速、2m/s超速、钢丝绳松、闸瓦磨损、深指失效、润滑泵未开、操作错向、轴编码器失效、紧急停车、打点错误、通讯错误等二十段。

2）可调闸模块：

本模块集电制动开环和闭环以及工作闸开环和闭环于一体，且比较开环和闭环后输出结果，具有线性好、输出功率大、稳定性高等特点，适用于各种电磁调节阀。

3）电流检测模块：

本模块将电机电流转换为电压信号后输出，模块内电流信号和电压信号完全隔离，确保强电不窜入控制回路。

4）电源模块：

本模块为系统内各部件提供不同的稳压电源，具有输出功率大、稳定性强等特点。

5）所有模块都是即插即用的免调试模块，极大地缩短了处理故障的时间。

（6）工业控制人机界面

将工业显示屏应用于绞车电控系统，显示绞车的各种静、动态参数。

主要显示画面如下：

1）预备态：

主要显示有容器位置、本次打点次数、上次打点次数、提升钩数、润滑油压、提升时间、到位信号、模拟深度指示器以及主要故障指示等。

2）运行态：

主要显示有速度图、力图、容器位置、提升速度、电机电流、制动油压、本次打点次数、转子加速级数、加速电流继电器等。

3）故障态：

本屏显示所有的故障点，红色为故障，绿色为正常，只要调出此屏即知道故障之所在，极大的缩短了查找故障的时间。

4）故障记忆：

当安全回路动作时，能记录在发生故障的那一时刻绞车的运行参数，非常方便我们分析故障原因，可记忆多屏参数。

5）绞车停车时显示预备态，绞车启动后自动转换为运行态，故障时自动转换为故障记忆，同时也可手动切换。

6）可根据用户要求增加显示内容。

（7）冗余化设计

采用性能优越的进口可编程控制器作为主要控制器件，两套PLC相互冗余，构成安全回路双线制，且冗余量不低于20%，主要用于现场增加保护和控制以及作为备用。

（8）抗干扰设计

按照抗干扰的设计原则，在输入、输出、电源等方面有针对性地实施了抗干扰措施，符合电磁兼容性要求，使得系统安全可靠。

（9）完善的防雷系统

主控台内设置有完善的防雷系统，采用防雷器，有效地提高了系统抵抗自然灾害的能力。

（10）UPS电源

采用具有正弦波特性、功率容量足够大的不间断电源为控制回路供电，主要作用如下：

1）当系统突然停电时，保证二级制动的有效性。

2）正弦波纯在线工作方式，当系统停电时，输出切换时间为零秒，保证设备不间断供电。

3）输入电压范围宽，输出电压稳定，保证设备的稳定工作。

4）内置电源滤波器，提高了系统电磁兼容性。

（11）多种开车方式

1）常规开车：

司机根据信号，操作主令和工作闸开车。

2）低速开车：

即验绳或检查罐道时的低速开车，速度为0.5m/s。

3）正力开车：

当制动电源发生故障时，可用正力开车。

4）应急开车：

当PLC故障时，可以采用此开车方式完成一次提升。

3.8系统的主要技术性能

（1）数字行程监控器

数字行程监控器由PLC、两个轴编码器构成。

两个轴编码器将脉冲信号送入PLC中，经PLC逻辑运算处理转换成提升机钢丝绳线速度和容器行程位置，形成各种操作信号、保护信号和按行程给定的速度给定曲线。

主控PLC与监控PLC之间相互保护、相互监督，并能完成如下功能：

1）实现PLC故障状态下的低速开车功能；

2）实现数字行程给定功能，定位精度≤1cm，并实现数字行程罐位显示；

3）具有对编码器进行同步校正的功能；

4）PLC行程监控器可以很容易地进行参数的整定以适应变化的工况（如变化了的速度、深度等）。

（2）提升控制

系统核心控制部分采用两套模块化工业微机—FX2N可编程控制器，该型可编程控制器具有指令众多，功能强大，配置灵活，使用简单，工作可靠，可以和管理计算机联网，并能完全满足矿井提升工艺过程要求。

1）选用日本三菱公司的FX2N型PLC；

2）主控PLC应用软件能完成提升机手动、自动、常规等运行方式的控制要求；

3）完成提升机运行工艺要求的控制功能；

4）实现对调速系统按速度给定的控制；

5）实现完善的保护功能，对于等速段超速、减速段过速、过卷等安全保护具有多重保护；

6）保护功能按下列三类设置：

—立即施闸的紧急停车；

—完成本次提升后不允许再次开车的功能，即一次提升；

—自动减速后施闸停车。

7）可在线或离线修改用户程序；

8）采用全数字工作闸和主令控制器，采用脉冲编码器来实现，使得控制准确度高、操作轻便、故障率低。

9）留有与矿井生产管理系统联网的接口。

（3）安全保护

系统的安全回路有两套，一套由主控机PLC，另一套为监控机PLC，实现PLC的相互冗余。

系统的主要保护有：

立即施闸类故障保护（就是说发生下列各类故障时，系统能立即进行完全制动停车，并发生声报警）。

—提升容器过卷；

—减速段过速保护；

—等速段超速保护

—高、低压电源断电故障；

—提升容器接近井口速度超过2m/s；

—松绳保护；

—错向保护；

—深指失效保护；

—通讯错误；

—高压失压跳闸保护；

—无制动源保护；

—制动油过压；

—轴编码器失效等。

终端施闸类保护（完成本次提升后不允许再次开车的保护）。

—润滑油欠压；

—润滑油超温；

—制动油超温；

—煤位满仓；

自动减速后施闸类保护（就是说发生下列各类故障时，系统自动降低速度，然后再施闸停车，并发出声报警）。

—制动油故障；

—闸瓦磨损、闸盘偏摆、弹簧疲劳等。

（4）制动控制系统

提升机制动控制系统由PLC、安全继电器、脚踏动力制动和可调闸模块组成，其主要功能是：

1）当系统发生故障导致安全回路断开时，PLC利用采集来的速度信号和油压信号，对液压站制动电液阀进行PID闭环控制，以实现液压站的减速制动功能。

2）当减速制动发生故障时，若提升机在井中，PLC直接控制安全阀和二级制动阀动作，实施二级制动控制；若提升机接近井口，则实施一级紧急制动。

4变频器说明

4.1型号说明

GBP高压变频器现有3KV、6KV和10KV三个电压等级，根据用户要求可以定制其他非标准电压等级产品。

型号

GBP-H06/077

变频器容量（KVA）

800

适配电机功率（KW）

630

额定输出电流（A）

77

外型尺寸（W×H×D）

2100×2590×1500单元柜/2000×2590×1500变压器柜

重量（kg）

2550/2900

每相串联单元数

6

输入频率

45Hz～55Hz

额定输入电压

6KV（-20%～15%）

调制技术

矢量控制技术

控制电源

220VAC，1kVA

输入功率因数

额定负载下>0.97

效率（含变压器）

额定负载下>0.96

输出频率范围

0Hz到120Hz

输出频率分辨率

0.01Hz

过载能力

120%一分钟，150%立即保护

模拟量输入

两路，0～10V/4～20mA

模拟量输出

两路，0～10V/4～20mA

上位通讯

隔离RS485接口，MODBUS规约

加减速时间

5秒～1600秒

开关量输入输出

12入/9出

运行环境温度

0到40℃

贮存/运输温度

-40到70℃

冷却方式

强迫风冷

环境湿度

<90%,不结露

安装海拔高度

<1000米（超过1000米时，需降额运行）

5原理

5.1主电路

GBP系列高压变频器采用交-直-交直接高压（高-高）方式，主电路开关元件为IGBT。

由于IGBT耐压所限，无法直接逆变输出6kV、10kV，而因开关频率高、均压难度大等技术难题无法完成直接串联。

GBP变频器采用功率单元串联，叠波升压，充分利用常压变频器的成熟技术，因而具有很高的可靠性。

图5.1GBP高压变频器6kV系列主电路图

主离变压器（以下简称主变压器），强迫，有使用寿命长、免维护等优点。

变压器原边为Y型接法，直接与高压相接。

组数量依变频器电压等级及结构而定，3kV系列为9个，6kV系列为18，10kV系列为27个，延边三角形接法，为每个功率单元提供三相电源输入。

由于为功率单元提供电源的变压器副边绕组间有一定的相位差，从而消除了大部分由单个功率单元所引起的谐波电流，所以GBP变频器输入电流的总谐波含量（THD）远小于国家标准5%的要求，并且能保持接近1的输入功率因数。

图5.2为6kV系列（每相六单元串联）输入电流实录波形，电流峰值120A，几近完美的正弦波。

图5.2输入电流波形

变频器输出是将多个三相输入、单相输出的低压功率单元串联叠波得到。

如额定输出580VAC功率单元六个串联时产生3450V相电压，见表2-1。

表5-1：

GBP变频器功率单元配置

变频器系列

每相串联

单元数

单元额定电压（V）

输出相电压（V）

输出线电压（V）

每相电压等级数量

6kV

6

580

3450

6000

13

10kV

9

642

5774

10

19

相输出Y接，中性点悬浮，得到驱动电机所需的可变频三相高压电源。

图5.3为6KV变频器系列的电压叠加示意图。

图5.36kV电压叠加图

图5.4为五个690VAC功率单元串联时，每个功率单元输出的电压波形及其串联后输出的相电压波形示意图，可以得到5～0～-5共11个不同的电压等级。

增加电压等级的同时，每个等级的电压值大为降低，从而减小了dv/dt对电机绝缘的破坏，并大大削弱了输出电压的谐波含量，电压等级数量的增加，大大改善了变频器的输出性能，输出波形几乎接近正弦波。

图5.46kV系列5单元输出及相电压波形示意图

5.2功率单元

功率单元原理见图5.5，输入电源端R、S、T接变压器二次线圈的三相低压输出，三相二极管全波整流为直流环节电容充电，电容上的电压提供给由IGBT组成的单相H形桥式逆变电路。

图5.5功率单元原理图

功率单元通过光纤接收信号，采用矢量正弦波脉宽调制（PWM）方式，控制Q1～Q4IGBT的导通和关断，输出单相脉宽调制波形。

每个单元仅有三种可能的输出电压状态，当Q1和Q4导通时，L1和L2的输出电压状态为1；当Q2和Q3导通时，L1和L2的输出电压状态为-1；当Q1和Q3或者Q2和Q4导通时，L1和L2的输出电压状态为0。

输出电压波形见图2.4。

功率单元具有有源逆变能量回馈功能，当电机处于制动状态，电容器上的直流电压达到有源逆变起动的门槛电压时，电源自动起动有源逆变，将电机及其负载的机械能转化为电能，回馈到电网中去。

5.3控制系统

控制系统由控制器，IO板和人机界面组成。

控制器由三块光纤板，一块信号板，一块主控板和一块电源板组成。

各部分之间的联系如图5 .8GBP变频器控制系统结构图所示。

光纤板通过光纤与功率单元传递数据信号，每块光纤板控制一相的所有单元。

光纤板周期性向单元发出脉宽调制（PWM）信号或工作模式。

单元通过光纤接收其触发指令和状态信号，并