基于PLC与6RA70控制的提升机控制系统研究 -.pdf

2 0 1 1年第 1 1期 煤炭工程 基于 P L C与 6 R A 7 0控制的提升机控制系统研究 钟 麟 兰州煤矿设计研究院，甘肃 兰州7 3 0 0 0 0 摘要矿井提升机是煤矿生产的关键设备 ，其性 能要求满足四象限运行功能 ，具备根据 负 载自 动调节电流的功能。文章针对内蒙百灵煤矿提升机 系统的实际情况，开发 了一种基于 P L C 与 6 R A 7 0的提升机控制 系统。阐述 了6 R A 7 0直流调速 系统在矿井提升机 中的应用，并通过 S 7 3 0 0系列 P L C实现 了对 6 R A 7 0调速 系统的控制 ，上位机 系统采用组态软件 实现对提升机运行状 态的实时监控，为进行提升机的远程故障诊断奠定了基础。 关键词直流调速 系统；提升机 ；P R O F I B U S总线；6 R A 7 0 ；P L C 中图分类号 T D 5 3 4 文献标识码 B 文章编号 1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 1 1 1 - 0 1 2 3 - 0 3 矿井提升机是煤矿生产 中的关键设备，其控制系统性 能的优劣关系到煤矿整个生产系统的安全性和可靠性。文 章以内蒙古百灵煤矿提升机 电控系统为基础 ，开发出了一 种以西门子公司6 R A 7 0为驱动装置 ，以 s 73 0 0系列 P L C 作为主控单元的直流提升机 电控系统，并分析了该电控系 统的技术方案与功能的实现方法。 1 项 目背景及设计思路 内蒙古百灵煤矿位于宁夏与内蒙交界处贺兰山山脉北 段的西侧 内蒙境内 ，海拔高程在 1 5 1 01 6 2 5 m，最大高 差为 1 1 5 m。该矿副井提升机系统主机采用 J K一3 ． 52 ． 5 ／ 2 0型单滚筒缠绕式提升机 ，配套电机选用 Z D系列直流电 机，功率 6 3 0 k W；转速5 2 0 r ／ m i n ；电压6 6 0 V，电流 1 0 3 2 A，冷却方式 I C 0 6 ，自带鼓风机。配有行 星轮减速 器、牌坊式深度指示器、二级制动液压站、润滑站冷却系 统。考虑到当地地处高原，冬季昼夜温差较大，该系统主 要用于下放物料的工况 ，以及随着电力电子技术、计算机 数字控制技术、通信技术的发展情况，全数字直流调速系 统已经广泛应用于矿井提升机电控系统 中，目前 已经基本 上取代了早期的 “ 数／ 模控制系统”和 “ FD调速 继电 器控制”方式 ，与后两者相 比，全数字控制系统具有如下 优点 1 系统调速性能更高。由于对提升机电控系统的给定 和反馈信号采用数字化信号，从而提高了系统的控制精度， 使调速范围更大。 2 维护方便。由于采用 P L C作为主控单元、易于对提 升系统运行参数进行采集，并通过监控系统进行实时动态 显示 ，并具有故障记忆功能 ，可以方便的实现人性化语言 报警 ，用语言的方式告知操作人员和维护人员故障的位置， 系统维护时间缩短，提高了工作效率。 3 系统可靠性增强。因采用 P L C代替分立的继电器控 制电路，采用全数字控制电路代替早期的模拟电路，其功 能采用软件方法实现，使得系统中元件减少，同时采用计 算机实现提升机系统的控制功能，有效的解决 了传统模拟 电路中存在的零漂现象 ，提高了系统的可靠性与安全性。 正是基于上述设计理念，经过对该矿提升机系统进行 综合分析与系统论证，该系统中的驱动装置采用当今引领 世界电力传动技术发展的德国西门子公司生产的 6 R A 7 0直 流调速装置，主控单元选用 s 73 0 0系列 P L C ，上位机监 控系统选用组态软件 Wi n c e 组成全数字提升机控制系统。 2 系统总体方案 西门子公司的 6 R A 7 0系列直流调速装置是在早期 的 6 R A 2 4的基础上发展起来的，其将调节功能与功率单元集 成在一起，是一种高性能的全数字直流控制 系统。因此， 在百灵矿副井提升机 电控系统方案中，采用了 “ 直流电动 机 全数字 6 R A 7 0调节 双 P L C冗余控制 上位机监控 故障 自诊断 信息网络互联”的控制模式。目前在西门子 公司的 S I MA T I C s 7平台中已经将 S I MO R E G 6 R A T 0整合在 一 起，可以方便的通过 P R O F I B U S总线网络实现 6 R A 7 0与 s 73 0 0系列 P L C之间的通信。在提升工艺控制方面，采 用两套 s 73 0 0 P L C实现安全回路的双线制冗余及行程的 控制功能。传动装置采用西门子原装 6 R A 7 0直流调速装置 实现系统的串联 1 2脉动顺序控制运行，提升机的传动装置 能够适应提升机的各种工作情况，可以实现平稳地启动、 运行、减速、低速爬行、制动、停车、提升机 的减速及爬 行，具有电流与速度双闭环调节功能。上位机系统能够实 时动态的显示提升机的工作状况，同时具有工业以太网接 收稿 日期 2 0 1 1 0 7 0 8 作者简介钟麟 1 9 6 9一 ，江西宜春人 ，1 9 9 4年中国矿业大学矿山机电专业毕业 ，现任兰州煤矿设计研究院工程 师，从事矿井供配电设计。 1 2 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 煤炭工程 2 0 1 1年第 1 1期 口，可以将提升机运行状态参数上传到调度中心等管理部 门。该提升机控制系统主要设备包括高压开关柜、低压配 电系统、P L C主控系统、6 R A 7 0调速控制系统、快开、电 抗器、6 ／ 1 2脉动切换柜、操作台和上位机系统组成。系统 总体方案如图 1 所示。 图 1系统总体方案 3 系统功能的实现 3 ． 1 系统硬件 组 态 选用西门子 P L C中型号为 C P U 3 1 52 D P的 C P U作 为 P R O F I B U SD P主站。连接一个 6 R A 7 0直流调速装置作为 从站。两个 6 R A 7 0均通过 P R O F I B U S总线与 C P U 3 1 5之间 进行数据信息的交换。 ‘ 3 ． 2 系统功 能 实现 3 ． 2 ． 1 系统整体网络通信体系 系统采用总线式结构进行数据信息的传输 ，系统 中双 P L C之间通过 MP I和 P R O F I B U S双总线结构进行数据的传 输；主控 P L C采用 s 7 3 0 0 P L C，其 C P U模块选用 C P U 3 1 5 2 D P模块 ，该模块具有 P R O F I B U SD P通信端 口，其主 要用于现场控制器与分散 I ／ O之间的高速通信，可以满足 交直流调速 系统对快速 响应的时间要求，系统正是基 于 P R O F I B U SD P的这种功能特性，利用该端 口和 6 R A 7 0进 行通信，提升机运行的状态参数通过 P R O F I B U S 总线传输 到主控 P L C中；上位机通过 R S 4 8 5总线 与 P L C之间进行 通信 。 3 ． 2 ． 2 全数字直流调速系统功能实现 西门子公司的原装 6 R A 7 0驱动装置作为全数字直流调 速系统的核心 ，为了实现 6 ／ 1 2脉动控制，系统采用两台 6 R A 7 0装置，两个装置之间通过定义 P 7 9 05实现主从装 置之问的 “ 装置对装置”的通信方式；利用 P 7 9 1定义传输 字节数，利用 P 7 9 3定义通信波特率，利用 P 7 9 4定义装置 之间数据连接器的选择。提升机系统的给定信号从 P L C给 出、速度反馈信号 由轴编码器给出，给定信号与速度反馈 1 2 4 信号分别接入两个 6 R A 7 0装置中，在使用时，主装置直接 使用该信号来实现速度、电流双闭环的控制模式，从装置 根据主机传送的转矩值对电流进行控制 ，自身只进行换向 和脉冲的控制。电机的励磁使用主装置的励磁回路进行供 电。6 1／ A 7 0与主控 P L C之间通过 P R O F I B U SD P总线实现， 需要在 6 R A 7 0中装配 C B P 2板，通过该板上 的 P R O F I B U S 端 口实现数据交换 ，交换的数据包括提升机 的电流、电压 等参数 ，通过在 P L C中调用通信功能标准模块 S F C 1 4和 S F C 1 5实现对 6 R A 7 0中数据的读写功能。 3 ． 2 ． 3 提升机操作保护功能实现 来 自提升机各系统的运行状态与参数被引入主控 P L C 中，提升机操作保护系统对信号进行处理，完成逻辑操作 控制和故障安全保护两方面任务。一方面，操作保护系统 将与操作控制相关的信号进行逻辑运算和闭锁，最后产生 控制指令，如快开合闸、磁场合闸、开车命令、开车方向、 过卷复位、安全复位、制动松闸等；另一方面，操作保护 系统将与故障保护相关的信号进行逻辑运算和判断，最后 处理为立即施闸、井口施闸、电气制动和报警 四类，送监 视器显示故障类型并控制声光报警系统报警并施闸。 3 ． 2 ． 4 行程控制功能 矿井提升运行过程必须要求平稳、安全 、可靠 ，在副 井提人时还应保证矿井上下人员的舒适感。行程控制功能 主要利用轴编码器对提升行程进行计算。除了行程计算功 能外 ，行程 P L C还完成如下功能 1 速度给定功能速度采用行程给定方式 ，其给定信 号是由提升容器在井筒中的位置决定的，其特点是任一位 置都对应一个由该行程位置产生的速度给定信号 ，而与时 间无关 。 2 包络线保护功能在等速段，如果速度超过最大速 度 V m的 1 5 ％ ，给出等速段超速信号，并进入电气制动； 在减速段不断将实际速度和由减速行程距离计算 出来的连 续速度保护包络线相比较，如果实际速度超出保护包络线 则发出报警信号，同时进入电气制动。 3 定点保护功能利用软件和井筒开关在减速段对提 升机进行定点速度保护，如果速度超限就进行制动处理。 4 轴编码器监视在本系统中，主滚筒和导向轮两处 各装一套轴编码器，并在 s 7～ 3 0 0 P L C中配置了两套 F M3 5 0 高速计算模块，对应每一套编码器分别计数 ，并通过软件 比较两套 F M 3 5 0之间的计数值，形成互为监视。 5 速度调节器解锁功能若速度调节器未解锁，假使 松闸，则应使安全回路动作；若 速度调节器解锁，延 时 0 ． 5 s 后，闸仍没松开 ，则必须重新封锁调节器 ，以免堵转。 3 ． 2 ． 5 全载半速功能 当一台装置出现故障时，通过 6 ／ 1 2脉动切换柜进行切 换，使一台系统单独工作，这时电机电枢电流不变，电压 降低一半，完全能够满足全载半速运行功能。 3 ． 2 ． 6 故障诊断功能 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1年第 1 1期 煤炭工程 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 t 0 O 0 2 0 40 6 0 8 O 历时／ d 图 5井壁 温度变化 曲线 受拉的趋势，出现压应力减小或拉应力增大。 2 混凝土应变由于浇注初期混凝土水化热影响，导 致水泥浆产生高热膨胀 ，初期混凝土环向应变和竖向应变 均为拉应变，峰值出现在混凝土硬化阶段。随着时间增长， 压应变逐渐减大，拉应变变为压应变，压应变在浇筑后 的 1 0天时间内随着时间增长较快，而后增长速度变缓，在 4 8 天后期趋于平稳 ，竖向应变东北、西南两个方 向在浇筑 7 天时间压应变变为拉应变。浇注初期竖 向、环向均出现了 较大的拉应变，但此时混凝土处于塑性状态尚未完成硬化， 故 不会导致井壁破坏 。 3 井壁温度g监测层位井壁混凝土浇注后 ，井壁内温 度迅速升高，在 1天后达到峰值，峰值过后随时间增长井 壁温度下降。而且在后续的监测中根据温度变化曲线能够 准确的判定井壁进入负温的时间点。 通过上面监测数据可以发现，监测数据较稳定，敏感 性较好 ，能够及时反映井壁的受力变化情况。钢筋内力 以 及混凝上应变在混凝土浇筑初期变化较大，属于监测过程 中的危险期 ，随着时间的推移，钢筋内力与混凝上应变变 化趋于稳定 ， 且都在容许范围内， 因此井筒在施工过程中 是安全的 。 4结语 冻结立井施工过程中井壁的监测一直受到岩土工程界 广泛的关注，对井筒掘进过程中钢筋应力、混凝土应变和 井壁温度进行监测，实时反馈井壁掘砌过程中井壁的力学 性态，是检验井筒安全性的有效措施之一。 由于光纤材质传输与光纤传感器具有不受电磁干扰、 灵敏度高、重量轻、结构紧凑、探头体积尺寸小 的特点， 可埋入材料内部 ，进行材料内部应变、温度等参量的测量， 对窄小、复杂空间测量的适应性强，因此特别适合井筒安 全监测。光纤光栅传感器系统在煤矿井壁安全监测中的应 用将大大提高井壁安全监测的可靠性。 参考文献 邱 标．基 于光 纤光 栅 监 测 的厚松 散层 井 筒变 形 预测 研 究 [ D ] ．西安西安科技大学，2 0 0 9 ． 何锋 刚．布拉格光栅应变传感器用于既有混凝 土结构监测研 究 [ D] ．徐州 中国矿业大学 ，2 0 0 9 ． 梁磊 ．光纤 B r a g g光栅传感器在桥梁工程 中的应用 [ J ] ．光 学与光电技术 ，2 0 0 3 ， 0 2 3 6～ 3 9 ． 吕辰刚，葛春风．光纤光栅传感阵列的数据融合分析 [ J ] ． 传感技术学报 ，2 0 0 7 ，2 0 1 1 2 4 3 3～2 4 3 2 ． 詹亚歌 ，吴华．高精 度准分 布式光 纤光栅传 感系统 的研究 [ J ] ．光电子 激光， 2 0 0 8 ， 1 9 6 7 5 8 ～ 7 6 2 ． 赵勇．光纤光栅及其传感技术 [ M] ．北京国防工业出版 社 ，2 0 o 6 ． 何涛．光纤光栅传感器用于盾构隧道施工的监测 [ J ] ．地 下 空间与工程学报 ，2 0 0 8 ，4 1 1 5 71 6 1 ． 责任编辑赵巧芝 上接 第 1 2 4页 系统采用液晶显示屏显示绞车的各种静、动态参数，具有 多种数据接口及工业以太网接 口，可以将所有画面上传至 以太网，并且可完全替代上位机 ，和上位机监控系统构成 双冗余监控，显示屏能 自动换屏，并具有故障记忆功能， 可从显示屏上方便地查出故障的位置及故障时绞车的状态， 使司机能够对系统状态及时把握。当发生故障时，故障信 息能够自动存储，维修人员根据故障记录能够快速排除故 障，从而缩短系统维修时间。 4结语 诊断功能，提高了系统的可靠性和可维护性。 参考文献 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] 内蒙古百灵煤矿副井提升系统采用基于 P L C与 6 R A 7 0 [ 4 ] 的直流调速控制系统，从整个运行的情况来看，整个系统 完全达到了预期 的设计要求 。同时 ，由于在 系统 中引入 [ ] P R O F I B U S网络进行数据传输， 诚少了控制电缆的用量，降 低了系统及工程成本，同时系统能够提供实时监测与故障 李连彪 ，王峰 ，冯 喜军．P R O F I B U S网络在数控 提升机中 的 应用 [ J ] ．工矿 自动化 ，2 0 0 3， 5 3 2～3 3 ． 王峰， 何凤有．串联 6 R A 7 0 调速系统的网络控制 [ J ]．金 属矿山 ，2 0 0 9 ， 1 1 1 5～1 1 7 ． 左东生 ，刘桂君 ，李 云龙 ，等．基 于 S I MA D Y ND 的矿井 提升机电控系统改造 [ J ] ．金属矿山， 2 0 0 9 ， 1 1 1 2 1 1 4 ． 魏英 琴 ，张涵．成庄矿副井 提升机电控系统 改造 研究 [ J ] ． 煤矿机械 ，2 0 1 0 ， 3 1 7 8～1 8 0 ． 王 峰，何风有 ，郭峰．主井提升机系统的数字 化与信息化改 造 [ J ] ．煤矿机械 ，2 0 0 8 ， 4 1 4 3～1 4 5 ． 责任编辑赵巧芝 1 2 7 ＼ 莓 f 1 {] {1 J 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m