PLC＋FM458构架在大红山铁矿箕斗井提升机上的应用.pdf

2 0 1 0年 8月 第 3 9卷第 4期 总第 2 2 3期 云南冶金 YUNNAN MET AL L URGY Au g ． 2 01 0 V o 1 ． 3 9 ．N o ． 4 S u m 2 2 3 P L CF M4 5 8构架在 大红 山铁矿 箕斗井提 升机上 的应用 杨建华 昆钢大红山建设指挥部 ，云南玉溪6 5 3 4 0 5 摘要 大红山扩产 程箕斗井承担 着井下 矿石 到地 面的运输 ，矿井 提升 机的控制 对提升 工作起 着关键作 用 。对同步电动机调速 系统而言 ，传统的控制主要采用交交变频 、交 一直 一交变频 完成 ，本文介绍西 门子公 司交 一 交变频器 P L CF M 4 5 8构架在大红山铁 矿箕 斗井提升机 系统上 的应用 ，详细说 明了控制系统 的组成 、功 能、控 制 、配置及系统的优缺 点。 关键词 P L CF M 4 5 8构架 ；箕斗井 ；提升机 ；交 一 交变频器 ；控制 中图分类号 T D 5 3 1 ． 1 文献标 识码 A 文章编号 1 0 0 6 - 0 3 0 8 2 0 1 0 0 4 -00 1 3 -03 Th e App l i c a t i o n o f PLC FM 4 5 8 Fr a me wo r k o n t h e Ho i s t e r o f s k i ps W e l l i n Da ho n g s ha n I r o n M i n e YANG J i a n g h u a Y u x i D a h o n g s h a n Mi n i n g C o ． ，L t d ． ，Y u x i ，Y u n n a n 6 5 0 3 0 2 ，C h i n a ABSTRACTF o r s k i p we l l s u n d e rta k e t h e o r e t r a n s p o r t a t i o n f r o m mi n e s t o t h e g r o u n d i n Da h o n g s h a n e x p a n s i o n wo r k s ，S O mi n e h o i s t e r c o n t r o l s y s t e m p l a y s a v i t a l r o l e i n a s c e n s i o n wo r k ． Re l a t iv e t o t h e s y n c h r o n o u s mo t o r s p e e d c o n t r o l s y s t e m ， t r a d i t i o n a l c o n t r o l s y s t e m a d o p t s AC- AC o r AC- DC-AC c o n v e rte r ． T h e p a p e r i n t r o d u c e d t h e a p p l i c a t i o n o f PL C FM4 5 8 fra me wo r k o f S i e me n s AC AC c o n v e r t e r o n t h e h o i s t e r o f s k i p s w e l l i n Da h o n g s h a n i r o n mi n e， t h e d e t a i l s o f c o n t r o l s y s t e m c o mp o n e n t s ， f u n c t i o n s ， c o n t r o l ， c mffi g u r a t i o n a n d s y s t e m a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s we r e d e s c r i b e d ． KEY W ORDS P L CFM4 5 8 f r a me wo r k；s k i p we l l ；h o i s t e r ；AC AC c o n v e rte r ；c o n t r o l 大功率同步电机的调速控制 ，传统的方式主要 有交 一交变频和交 一直 一交变频两种。 交交变频器采用晶闸管 自然换流方式 ，工作稳 定 ，可靠 。交交变频的最高输 出频率是电网频率的 1 ／ 3～1 ／ 2 ，在大功率低频范围有很大的优势 。交交 变频没有直流环节 ，变频效率高 ，主回路简单 ，不 含直流电路及滤波部分 ，与电源之间无功功率处理 以及有功功率 回馈容易 。虽然大功率交交变频器得 到了普遍 的应用 ，但 因其功率 因数低 ，高次谐波 多，输出频率低 ，变化范围窄 ，使用元件数量多使 之应用受到了一定的限制。它在传统大功率电机调 收稿 日期 2 0 1 0 - 0 5 2 l 作者简介 杨建华 1 9 6 6 一 ，男 ，云南南华人 ，T程师 。 速系统中应用较多。 交直交变频器 比较常见 ，由整流器 、滤波系统 和逆变器三部分组成。整流器为二极管三相桥式不 控整流器或大功率晶体管组成 的全控整流器 ，逆变 器是大功率晶体管组成的三相桥式 电路 ，其作用正 好与整流器相反 ，它是将恒定的直流电交换为可调 电压 ，可调频率的交流电。中问滤波环节是用电容 器或 电抗 器对 整 流后 的电压 或 电流进行 滤波 。 1 提升机控制系统组成 大红山铁矿箕斗井提升机控制系统主要 由提升 1 3 2 0 1 0年 8月 第 3 9卷第 4期 总第 2 2 3期 云南冶金 YUNNAN ME TAL L URGY Au g ． 2 01 0 V o 1 ． 3 9 N o ． 4 S u n d2 3 主电机、中压开关柜 、变压器 定子整流变压器 6 台，励磁整流变压 t台 、丁艺控制柜 WT C 、操作 台、低压配电柜 4 0 0 V ／ 2 2 0 V ／ 2 4 V 、S L 1 5 0交交 变频器 包括传动控制柜、定子整流柜、励磁整 流柜 、井筒信号 、装卸载电控 系统及动态功率补 偿装置组成。 2 控制系统特点 2 ． 1 控 制系统 架构 针对铁矿山行业的特殊性，采用 P L CF M 4 5 8 构架的控制 系统。逻 辑控 制部 分 由西 门子 s 7 4 0 0 P L C来实现 ，工艺控制部分 南 F M 4 5 8控制器来 实现 。 S 7 4 0 0 P L C是西门子公 司生产 的高端 P L C系 列 ，其在处理时 间、处理精 度 ，容错 能力 ，故障 率 、扩展能力、通讯能力、易用性等方面均具有一 定优势。主要用来实现逻辑联锁控制和保护功能。 F M 4 5 8是针对行业 对 自动化和工艺控制要求 较高的场合下开发的 6 4位处理器。F M 4 5 8的高浮 点运算能力和程序固定时间处理能力充分满足了矿 山生 产对 工 艺 控 制 的准 确性 与 实 时性 的要 求。 F M 4 5 8主要用来实现 艺控制 ，如位置控 制、井 筒开关信号检测、行程控制 、速度控制、工艺过程 控制等。 三闭环的控制方式使系统能严格按照设定曲线 运行 ，全数字的闭环控制方式使停车位置准确 ，不 依赖停车开关停车 ，减少 了故障点，自动化程度 高 ，减少了系统运行过程中人工的参与。 2 ． 2网络通讯 系统对所有远程信号采集 和控制均采用 P r o fi b u s 通讯方式进 行 ，在远程 站放 置 E T 2 0 0装置 。这 种分布式网络控制方式布线简单 ，拓扑扩展方便 ， 减少了现场接线，维护方便 ，故障率低 ，为设备生 产和故障处理争取了大量时间和人力。 2 ． 3 控 制 回路 系统分为安全回路 、电气停车回路 、闭锁回路 三大控制 回路。根据信号的轻重级别不同，把故障 分成三种 ，故障发生时，系统将采取不同的控制方 式 ，便于实际故障查找与排除。 2 ． 4 双 P L C控 制的主控 、监控 系统 提升机控制工艺复杂 ，设备之间联锁较多 ，对 实时性和安全性要求甚高。因此 ，本次设计把安全 可靠放在第一位。所有的与安全有关的现场设备信 号分别进入主控 、监控 系统进行 连锁 比较 ，主控 1 4 P L C 、监控 P L C系统在工艺控制功能上实行双路独 立信号采集、状态判断 、实时运算、控制指令生成 等 ，任意一个系统发现故障信号时立即采取相应措 施 ，有效避免了单 P L C系统可能发生 的信号误采 集，C P U自身运算错误等故障发生。 2 ． 5 传 感器信 号的双 路检测 提升机控制系统的精确可靠控制必须以采集信 号的准确、实时为前提 ，高性能的 S 7 4 0 0 P L C和 F M 4 5 8为信号采集 、传输、处理提供 了保障。 轴编码器采用双路输出的高精度编码器，信号 分别进入主控和监控系统。j个编码器反馈数据相 互 比较 ，确保每一个参与运算数据的准确性。 井筒开关信号直接进入控制系统 ，不采用继电 器 ，大大减少了硬件延时带来的控制的不准确性 。 2 ． 6 提 升机控 制专 用功 能块 和工 艺控制 程序 任何系统控制都存在 自身的特殊性 ，利用西门 子提升机控制专用功能块。位置 、速度、加速度、 冲力 、爬行等曲线设定只需要改变参数即可，大大 节省编程开发时间，人力成本 ，调试时间等。该功 能块确保了提升时间的最优化处理，缩短了不必要 的爬行时问。 工艺控制 中加入了包络线速度 、逐点速度、连 续速度等速度监视；重载提升、重载下放 、提升超 载 、滑绳 、位 置 突 变、超 速、过 卷 等 软 件 保 护 功能 。 所有的提升机控制工艺均为参数输入，功能块 参数化的方式给以后 的维护和诊断带来了方便。 3 工艺控制系统功能 3 ． 1 主控系统 提升机的主控系统 由西门子 s 7 4 0 0 P L C结合 E T 2 0 0组成 ，协调管理提升机 的操作 和报警任务。 可以对提升机的速度 、位置 、扭矩 、距离等进行检 测并采取相应的控制。 3 ． 2 监控 系统 提升机的监控室是由两路控制器实现的。其 中 第一路 即通道 A在前 面主控 系统 中已叙述。 提升机的第二路 即通道 B监控功能 由西门子 公司的 S 7 4 0 0 P L C结合 E T 2 0 0组成 ，监控系统是 在硬件和软件上均独立于全面所描述的提升机主控 系统 P L C的。它的主要 功能包括 全提升周期 的 连续速度监控 ，位置突变监控，重载提升的监控 ， 重载下放的监控 ，滑绳监控 ，软过卷保护 ，硬过卷 保护等。 杨建华P L CF M 4 5 g构架在大红 山铁矿箕斗井提升机上的应用 3 ． 3安全 回路 安全 回路中 安 全 回路 、电气停 车回路、闭 锁回路集成 了所有 的威 及人或物 的安全 的故 障 信号 。当有 此类故障信 号时 ，信号触 发 了安全 回 路。则可以导致 机械安全制动 、电气停车或禁止 提升机的下一个提升周期。 根据安全规程 ，安全 回路 是在主 P L C系统 和 监控 P L C系统中通过各 自安全一样 的软件实现 的。 两路软件安全 回路的输出通过少许的继电器串联形 成冗余 回路。 输出的安全回路触发信号 ，通过继电器驱动液 压制动系统 ，并且系统给出故障的报警 。 主要安全 回路分类 闭锁 回路 故障发生后 ，仍旧允许提升机继续 完成本次提升。但在本周期完成之后，提升机将被 闭锁 ，不能启动 ，直至故障被排除后复位。如 变 压器 超温 。 电气停车回路 故障发生后 ，系统将立即实行 电气停车。之后 ，提升机将不能启动 ，直至故障被 排除后复位。如 轴承超温 。 安全 回路 故障发生后 ，提升机立即抱闸实施 机械制动 ，提升机不能启动 ，直至故障被排除后复 位。如 急停按钮被按下。安全 回路设计在两套完 全独立的硬件 P L C 和软件系统中。其分别是在 主控 P L C和 提升机监控 系统 P L C 中描述 的 结构 中实现的。 上述两个通道 中的安全 回路的运算结果是相互 监控 的，当发现有不同结果时 ，系统将启动紧急制 动 ，并且发出系统不对称报警。 4 集 中控制 提升机控制的操作在控制室内统一进行 ，控制 室设三段式操作台，操作台内放置 E T 2 0 0 M，操作和 控制等信号接至 E T 2 0 0 M，经过 P R O F I B U SD P网 络与控制系统进行通讯 。在这个操作 台上安设 了所 有的与操作有关的信号，L E D指示灯和显示仪表。 防某些数据的丢失 。 在设计低压配电系统时，为重要设备供 电的断 路器都配备有辅助触点 ，并将这些辅助触点接入到 安设在低压柜 中的 E T 2 0 0远程站 中，这种 配置可 以将断路器 的状态纳入 P L C的监测 之中。并且 由 于 E T 2 0 0远程端子就 安装在低压柜 中，省掉 了电 缆接线工作。 6 交交变频传动装置 高压供电系统 中有 6台定子整流变压器，三台 接法 为 D y ，5，另外 三 台为 D，d 0 ，变 压 器二 次输 出接进 6台变频器柜 定子整流功率柜 ，变频器 输出经切换柜后接 至电机 的双绕组 线圈 电机双 绕组没有相位差 7 外部接 口 井筒信号系统与主控 系统之问通过 P R O F I B U S D P总线传输信号 ，对于重要信号 ，通过硬线连接 实现联锁 。 井筒 内共安装了 8个井筒开关 ，其中 ，左箕斗 安装了 4个 ，两个同步开关 ，一个过卷开关 ，一个 极限过卷开关 ，右箕斗和左箕斗相同。同步开关有 四个作用 ，一是校正记数误差 ，实现同步功能 ；二 是不在井筒开关 5 1 1 1 范围 内动作 时，会报故障， 实现位置监测 ；三是提供速度包络线 ；四是同步开 关误动作时 ，系统设置有跳跃保护功能。井 口停车 点没有安装到位开关。井 口停车点由系统计算脉冲 来实现。 在整个提升系统中共装有 4个编码 器 其中， 导向轮侧装有 1个位 置检测编码器 双路输 出 、 主轴侧装有 1 个速 度检测 编码 器 双路输 出 、1 个位置检测编码器 双路输出 1个矢量控制编 码器 单路输 出用来 实现对提升机 速度、位置 的监 控 。 提升机采用闭环控制系统 ，对速度、位置、转 矩 、同步信号等实现 自动化控制。 5 低压配电8 系统配置优 缺点 低压 配 电 系统共 由 2个 柜子 1 F 1 1 ／ 1 W1 1 组成，两个柜子已经做 了并柜处理。1 F 1 1提供 4 0 0 V低压配电电源，1 W1 1提供 2 3 0 V ／ 2 4 V低压配电 电源。柜内设有欠压保护装置和绝缘监测装置。在 低压柜旁还有 1个 2 3 0 V ／ 6 k V的 U P S 不间断电 源 ，目的是在断 电时 ，为系统提供后备 电源 ，以 玉溪大红 山矿业有限公司是 国内 自动化程度较 高的大型矿山 ，箕斗井 肩负着井下矿 石的运输任 务 ，其重要性不言而喻，提升系统的安全可靠是安 全稳定生产的重要保障，因此 ，设计时把安全可靠 放在第一位。主要优点如下 下转第 4 5页 1 5 和晓才 ，等欧洲冶金法生产太 阳能级多晶硅的工 艺 ’ l h 3 h 5 h 1 0 h 图 2 b 除碳结果图 F i g ． 2 b T h e r e s u l t s o f c a r b o n r e mo v a l 5 结语 1 由欧洲太阳能极多晶硅项 目的工艺路线产 出的硅 ，能满足定 向结晶或 C z 成型的要求 熔化 后 ，也可以用来做带状成型 。S i O 与碳 中的杂质 含量总计为 1 ～1 0 g ／ g的水平 。而 S i 晶片中的杂 质要求在 1 g ／ g左右或更低 。所 以，在液态阶段 的定 向结晶的过程 中，杂质的分离是必要的，以便 产出太 阳能极 的硅锭。 2 从其定向结晶除杂的过程的研究 中，除钛 的效果也非常好 ，甚 至 比一些报导 中提到的方法 都好 图 2 a表示 了欧洲太 阳能多晶硅项 目 1中除碳 的工艺线路。首先 ，在控制降温期间 ，超标的碳以 参考文献 S i C的形式沉淀下来 ，从而与硅实现分离 。其结果 『 1 ]I J．J ．G r l i 。 l a r - g r a d i l i o n b y d i t b a s e d 。 。 o u r b 0 t h 一 是，在硅的熔点处碳 含量达 到了饱和值 7 0 g ／ e r m i c r e d u c t i o n o f s i l i c a[ J ] ． E u r o p e c n P V S E C ， 1 9 7 9 ． g 。再者 ，进行氧 化熔化处 理及 固化 结 晶，碳 含 [ 2 ]O -R ⋯e s s ，R J e n s e n ，A A 13 1 s t e i n L v s l a n d P l a s m a R o ta r y 量降低至少于 5 g ／ g的水平。图2 b显示了这个结 F “ [ M ] N 。 g i “ p ， - 果。在最终 的硅 中，7 0 ％的分析结果为 碳的一般 含量为小于或等于 3 g ／ g 。 上接第 1 5页 1 系统安 全 可靠 ，采 用西 门子公 司 P L C F M4 5 8构架 ，双 C P U结 构 ，提 高了纠错能 力，避 免了错误信号产生的误动作 ； 2 结构清晰，系统内部分工明确 ； 3 信号处理及 时，运算 能力大大提高 ，使得 控制更加及时 ； 4 系统扩展性好 ； 5 开 放性强 ，采用 西 门子符 合 国际标 准 的 P R O F I B U S通讯协议 ，便于以外部系统通信 。 缺点 1 系统过于庞大 ，交 一交变频器虽然在结构 上只有一个 中间环节 ，省去了中间直流环节 ，看似 简单 ，但所用的器件数量却很多 ，总体设备庞大； 2 输入功率因数较低 ，谐波 电流含量大 ，频 谱复杂等 ，因此须配置滤波和无功补偿设备 。 9 结语 交 一交变频器 P L CF M4 5 8构架在玉溪大红山 矿业有限公司箕斗井提升机调速上 已成功使用多 年 。P L CF M4 5 8构架的控制 系统有效地发挥了交 一 交变频器的高效率并有效地降低变频 器调节率 ， 减少了交 一交变频的部分不利因素。该控制系统运 行效果 良好 ，能安全 、可靠、稳定 、经济有效地完 成生产要求 ，同时减轻工人劳动强度 ，提高生产管 理水平 。 参考文献 [ 1 ]邓星钟 ，等．机 电传动 控制 [ M] ．武 汉 华中科技大学 出版 社 ，2 0 0 7 ． [ 2 ]廖晓钟．电力 电子技术 与电气传动 [ M] ．北京 北京 理工大 学出版社 ，2 0 0 0 ． [ 3 ]李德华． 交 流 调 速 控 制 系 统 [ M] ．北 京 电 子 工 业 出 版 社 ，2 0 0 3 ． [ 4 ]许 建 国． 电 机 与 拖 动 基 础[ M] ． 北 京 高 等 教 育 出 版 社 ．2 0 0 4 ． [ 5] 孑 L凡 才． 自 动 控 制 系 统[ M] ．北 京 机 械 工 业 出 版 社 ，2 0 0 3 ． [ 6 ]林 瑞 光． 电 机 与 拖 动 基 础[ M] ． 杭 州 浙 江 大 学 出 版 社 ．2 0 0 2 ． 4 5