基于PLC 的无极生绞车的控制系统设计

1目录目录1 无极绳绞车运输的特点及其工作原理.31.1 无极绳绞车的用途及特点 .31.1.1 用途 .31.1.2 特点 .31.2 无极生绞车的工作原理 .41.2.2 列车编组形式 .51.2.3 使用环境条件与环境影响 .51.2.4 工作条件 .51.2.5 安全 .61.3 选题背景 .61.4 课题研究的主要内容 .62 无极绳绞车及控制系统的组成 .72.1 无极绳绞车的主要设备 .72.1.1 绞 车 .72.1.2 张紧装置 .72.1.3 梭 车 .82.1.4 尾 轮 .82.1.5 轮 组 .82.2 无极生绞车的运行方式 .92.2.1 使用前的准备和检查 .92.2.2 使用时的安全注意事项 .102.2.3 启动及运行过程中的操作程序及注意事项 .112.2.4 运行中的监测和记录 .112.2.5 停车的操作程序、方法及注意事项 .112.3 无极生绞车控制的关键技术及难点 .113 无级绳绞车控制系统的硬件设计.123.1 现场总线技术 .123.1.1 现场总线的特点 .133.1.2 现场总线技术发展趋势 .143.2 PROFIBUS（过程现场总线） .153.2.1 PROFIBUS 的组成 .153.2.2 PROFIBUS 的传输技术 .1623.2.3 PROFIBUS 总线存取方式 .163.2.4 PROFIBUS-DP 设备的分类 .163.2.5 PROFIBUS-DP 网络配置方案 .163.3 PLC 系统.173.3.1 PLC 系统 .173.4 无极绳绞车控制系统设计与选型.183.5 S7-300 系列 PLC 简介.183.5.1 S7-300 的概况 .183.5.2 S7-300 的组成部件 .183.6 无级绳绞车控制系统的通信网络配置.193.7 修磨机 PLC 控制系统的硬件配置.203.8 无极生绞车的变频传动系统.223.8.1 变频器的工作原理 .223.8.2 变频器电路的基本功能 .223.8.3 逆变电路的基本工作原理 .233.8.4 变频器的种类 .233.8.5 中小容量通用型变频器的主电路 .243.8.6 变频器的选型 .243.9 网络系统.273.10 无极生绞车控制原理.293.11 无极绳绞车控制系统硬件配置.323.12 电气控制系统的操作部分.373.13 无极绳绞车的保护系统.384 无极绳绞车控制系统的软件设计.404.1 软件设计综述 .4031 无极绳绞车运输的特点及其工作原理无极绳绞车运输的特点及其工作原理1.1 无极绳绞车的用途及特点无极绳绞车的用途及特点1.1.1 用途用途无极绳连续牵引车是煤矿和金属矿山井下巷道的以钢丝绳牵引的普通轨道运输设备。适用于长距离、大倾角、多变坡、大吨位工况条件下的工作面顺槽、采区上（下）山和集中轨道巷材料、设备等系统行驶线路内的不经转载的直达运输。是替代传统小绞车接力、对拉运输方式，实现重轻型液压整体支架和矿井各种运输的一种比较理想的运输装备。也可用于金属矿井下巷道和地面坡度不大且起伏变化轨道运输。1.1.2 特点特点无极绳连续牵引车吸收借鉴了绳牵引卡轨车的部分优良技术，参考了传统无极绳绞车的使用经验，创造性地研制的一种实用新型辅助运输装备，是对井下无极绳辅助运输系统的完善和进一步提高，具有如下特点：（1）操作简单，可靠性高。采用机械传动方式，结构紧凑，操作方便，大大地提高了工人可操作性和设备可靠性。（2）适应性强，用途广。无极绳连续牵引车既可使用在顺槽，又可应用在采区上（下）山，还可布置在集中轨道巷，又能为掘进后配套服务。（3）系统布置灵活。4无极绳绞车既可平行于轨道布置，又可垂直于轨道布置。系统既可布置成单轨（两条轨道）单运输，又可布置成双轨（四条轨道）双运输，还可布置成三轨（三条轨道）双运输。如系统布置成单轨（两条轨道）运输，可采用钢丝绳同在轨道内；也可采用主绳在轨道内，而副绳在轨道外的布置型式。无极绳绞车进出绳方便且体积适中，既可利用原有硐室布置，又可靠巷帮布置，充分为客户着想。（4）系统配置方便。根据不同的工况条件，采用不同轮组配置方式，可适应起伏变化坡道的不同运输需求。（5）可实现巷道水平转弯运输。配备专用弯道达到水平曲线运输之目的。（6）梭车储绳量大，运行费用低。采用张紧装置张紧钢丝绳,钢丝绳张力随牵引工况而变化，钢丝绳寿命长；采用导向轮分绳,避免钢丝绳咬绳,减少钢丝绳磨损；梭车采用储绳结构，可减少有运距变化巷道钢丝绳浪费；系统采用可靠的机械结构，故障率低，维护量小。（7）安全高效，经济实用。两套制动系统；区段内直达运输，无需转载，减少人力倒车次数，减轻了作业人员的劳动强度；同时大大降低了管理人员的难度和设备使用的事故率。（8）安装简单。采用灵活的固定结构，拆装方便；尾轮固定简单，可方便快捷地移动，实现运距变化。1.2 无极生绞车的工作原理无极生绞车的工作原理1.2.1 工作原理由电机提供动力，采用减速机或变速箱和一对渐开线圆柱正齿轮5传动，通过无极绳绞车滚筒旋转，借助钢丝绳与滚筒之间的摩擦力而达到传送重物之目的。系统示意图（见附图） 。1.2.2 列车编组形式列车编组形式（1）散料运输列车编组该编组可在梭车前面或后面串列 24 节矿车或 2 节平板车，运输矸石、支护材料和配件等辅助材料。（2）工字钢车和重型设备运输本系统可以运送工字钢车，包括工字钢和水管等长型材料，也可整体运送液压支架，采用三环链连接或硬连接，运输时可在梭车前面串联一个材料车或一个支架平板载重车。1.2.3 使用环境条件与环境影响使用环境条件与环境影响（1）无极绳连续牵引车，可在矿井下有瓦斯的巷道中使用。（2）无极绳连续牵引车，无任何污染，不影响周围的任何环境。1.2.4 工作条件工作条件（1）轨道质量要满足运送大型设备的要求。（2）整体轨道平直，同时避免阴阳轨道出现，且轨枕间距应在500600mm。（3）坡度变化平缓，垂直曲线半径15m。（4）水平弯道处曲线半径12m。（5）无极绳绞车安装位置巷道，根据情况进行扩巷。6（6）对于采区上（下）山和集中轨道巷等道岔较多的巷道，为保证副绳顺利通过，在道岔处需使用木轨枕。1.2.5 安全安全无极绳连续牵引车，可实现长距离的连续运输，因而可避免小绞车接力运输中的摘挂钩时易发生的跑车事故，并且系统中有可靠的安全制动装置又可大大提高设备的安全性能，另外车辆运行的稳定性也较传统方式有较大的提高。1.3 选题背景选题背景无极绳连续牵引车适用于长距离、大倾角、多变坡、大吨位工况条件下的工作面顺槽、采区上（下）山和集中轨道巷材料、设备等系统行驶线路内的不经转载的直达运输。可替代传统小绞车接力、对拉运输方式，实现重轻型液压整体支架和矿井各种运输的一种比较理想的运输装备。也可用于金属矿井下巷道和地面坡度不大且起伏变化轨道运输，运输可靠性好。而自动化控制系统有利于提高生产力，减轻人的劳动强度，提高系统控制的准确性。1.4 课题研究的主要内容课题研究的主要内容本文选择的研究对象是煤矿无极绳绞车提升系统。根据功能相同、利用 S7-200PLC 系统对船舶电动起货机进行实物仿真，建立货物升降变频机构、变幅伺服机构和回转步进机构，增加昆仑通态 TPC1062KS 触摸屏对系统进行监控。变频器部分应用了 PID 算法，STEP7V5.4SP4 承担主要的逻辑时序程序控制和信号的输入输出通道，PROTOOLCS/RTV6.0SP3 实现界面监7控。主要研究内容包括:(l)无极绳绞车的功能分析(2)无极绳绞车的逻辑时序程序控制(3)货物升降变频控制(4)变幅伺服控制(5)回转步进控制(6)昆仑通态触 TPC1062KS 摸屏监控界面制作(7)结论2 无极绳绞车及控制系统的组成无极绳绞车及控制系统的组成2.1 无极绳绞车的主要设备无极绳绞车的主要设备2.1.1 绞绞 车车无极绳绞车是整个系统的动力源，采用机械传动，主要组成为:(1)底座。由结构件焊接成整体。通过地脚螺栓与基础固定。(2)变速箱。采用硬齿面齿轮。(3)滚筒部分。滚筒部分由小齿轮轴、大齿轮、主轴、卷绳筒及绳衬等组成。(4)联轴器。联轴器用于联结电机和变速箱。 (5)制动装置。有电力液压推杆和手动带式二套制动装置。(6)齿轮罩。铁皮制成固定于底座上，用以保护大小齿轮，以保证安全。82.1.2 张紧装置张紧装置无极绳运输系统为保证钢丝绳有一定的初张力必须配置张紧装置。本系统张紧装置为重锤式，主要由框架、张紧绳轮、动轮组、转向轮、配重和防护网等组成。该装置可吸收钢丝绳系统由于弹性变形而伸长的部分；同时，可为绞车提供尾张力,保证钢丝绳在卷绳筒绳衬上有较稳定的正压力，促使绞车正常牵引，而不致钢丝绳在卷绳筒上打滑。由于系统用于双向运输，所以系统中设有两组张紧装置。2.1.3 梭梭 车车 梭车是用来牵引矿车、平板车、材料车等车列，且具有固定钢丝绳和储存钢丝绳等功能。前后两端是碰头，碰头连接车列。梭车主要有下列部分组成：车架、储绳筒、车轮组件等。(1)车架。梭车车架主要有架体、碰头组成，车架两端是碰头，车轮组件安装在架体上，组成行走机构，起行走和承重作用。 (2)储绳筒。梭车安装有一个储绳筒，可储存钢丝绳，以备巷道延深开采或缩短运距之用。收绳时先拔出固定插销，再用手把摇转储绳筒，钢丝绳逐渐缠绕于储绳筒上，最后插入固定插销。2.1.4 尾尾 轮轮尾轮固定在运距的终端，支承整个系统的反力，并可随工作面的推进，可方便地移动，以实现运距的变化。2.1.5 轮轮 组组为适应起伏变化坡道，本系统设计有轮组，可防止钢丝绳抬高时车辆掉道，又可避免钢丝绳摩擦巷道底板。轮组的固定方法象矿用轨枕一样通9过横梁固定在轨道下沿上。6、弯道护轨装置为适应转弯巷道的运输需要，我公司设计了一种专用的弯道护轨系统。用户只需准备转弯轨道即可。其设备主要布置图如图 2.1 所示2.2 无极生绞车的运行方式无极生绞车的运行方式2.2.1 使用前的准备和检查使用前的准备和检查各矿使用无极绳连续牵引车时要根据使用要求，巷道条件及设备布置特点制定井下使用安全规程；绞车司机、跟车司机等有关人员要进行培训；10无极绳连续牵引车使用前应做如下检查检查起动器等电控设备是否正常；通讯信号的发射接收是否正常；轨道中有无影响车辆运行的杂物；各车辆之间的连接是否可靠；载重车是否过载和偏载。（1）无极绳绞车开车前应检视各处情况是否正常，如电气线路是否正确，开关等有无缺陷，各连接处螺栓是否紧固,手闸是否在松闸位置及灵活可靠，轴承及减速器内润滑油是否充足，档位是否到位、正确、自锁等，在检查各处情况正常后方可开动电机进行空运转，在检查电液制动闸正常和绞车无异声后方可加上负荷。手闸的使用必须是在关闭电机电源后方可进行,一般不许可在电机通电期间进行刹车，以免损坏绞车机件和电机。 （2）张紧装置张紧装置应牢固且稳定地安装在水泥地基上，上部可用圆环链与顶侧帮固定并拉牢，以能承受意外的侧向力。两端导向轮的方向应与钢丝绳的走向保持一致。运行时须注意滑轮和配重是否上下移动自如，不得有卡滞现象。（3）梭车每次运行前必须检查固定钢丝绳的两只楔块，如有松动情况应立即加以紧固。收放钢丝绳后,应将定位销插入储绳筒孔内，防止储绳筒在运行中转动，使钢丝绳逸出。（4）尾轮运输液压支架等重型设备时，尾轮必须用水泥基础固定。用户可根据实际情况,在尾轮处用 2-4 根单体支柱斜撑，以防安全。112.2.2 使用时的安全注意事项使用时的安全注意事项有条件的煤矿可规定车辆运行时应禁止行人，并有声光警示。跟车司机在车辆行走过程中应时刻注意车辆行走前方轨道是否正常，轨道中有无影响车辆运行的杂物。跟车司机一般乘坐于牵引车的司机室中，信号发射机随身携带。2.2.3 启动及运行过程中的操作程序及注意事项启动及运行过程中的操作程序及注意事项跟车司机确定具备开车条件后，再发送开车信号，发送信号不得少于2 次，绞车司机接到第二次信号后再启动开车。跟车司机和绞车司机一定要熟记信号的使用规定。运行过程中跟车司机要注意车辆运行是否正常，绞车司机要注意无极绳绞车、张紧装置工作是否正常。2.2.4 运行中的监测和记录运行中的监测和记录每班都应对运输货物种类、运输量、连续牵引车的运行情况及发生的故障进行记录。2.2.5 停车的操作程序、方法及注意事项停车的操作程序、方法及注意事项一般跟车司机待车辆即将运行到位时发送停车信号，绞车司机接到停车信号后马上操纵停车按钮停车，另外，跟车司机也可以利用发射机的紧急停车按钮或遥控停车（信号具备遥控功能时） 。停车后绞车司机应注意绞车制动闸制动是否可靠。2.3 无极生绞车控制的关键技术及难点无极生绞车控制的关键技术及难点无极绳绞车电控系统包括：驱动、控制、操作、保护、通讯五大部分，12协调运行，共同完成胶带机运行的软起、软停和过程控制。3 无级绳绞车控制系统的硬件设计无级绳绞车控制系统的硬件设计3.1 现场总线技术现场总线技术现场总线是现场智能设备相互联络通讯的工业控制总线，是开放的、分布式控制系统结构。现场总线实现在制造和过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信。现场设备或仪表装置，如传感器、变送器、执行器和现场智能 I/O 等，它们不是简单现场仪表，而是具有补偿、诊断、控制等综合功能的。现场总线控制系统 FCS（Fieldbus Control System）是在气动控制系统、电动模拟控制系统、计算机集中控制系统、集散控制系统DCS（Distributed ControlSystem）之后，基于网络技术发展起来的第五代控制系统。现场总线控制系统以智能仪表和数据通信网络为基本组成，技术基础是控制技术、智能仪表技术、计算机网络技术以及数字通信技术，在工业自动化领域已成为广为关注的热点，获得了广泛的应用。通常的 FCS 系统中，由基于现场总线协议的现场智能仪表组成控制回路，现场智能仪表可承担控制站的部分控制功能，使控制站专职于执行复杂的高层次的控制算法，减轻其负担。对简单的控制应用甚至可取消控制站，直接以现场总线、网桥和集线器连接操作站与现场仪表连接，构成分布式控制系统。FCS 是新型的过程自动化系统，位于整个生产控制系统和网络结构的底层，为底层控制网络（Infranet） ，承担生产运行现场的测量控制任务。它还可与互联网（Intenet） 、企业内部网（Intranet）相连。FCS 作为现场总13线控制系统，具有统一开放的通信协议。3.1.1 现场总线的特点现场总线的特点分布式的 FCS 系统较之传统 DCS 系统实现了“信息集中，控制分散” ，具有以下特点：（1）现场通信网络在基于现场总线的 FCS 控制系统中，通过现场总线相连各现场设备，现场设备可以实现相互、互通，解决了 DCS 存在信息孤岛的技术缺陷。（2）一对 N 的结构现场总线可连接 N 台现场仪表（现场设备） ，设备间双向传输。相对 DCS采取的一对一的信号传送而言，现场总线具有布线简单、安装费用低、维护方便等优点。（3）分散控制功能现场总线的智能仪表可承担传统控制站的部分控制功能，实现分散控制，系统更为灵活和自治。（4）完全开放式系统，具有良好的兼容性与互操作性现场总线的技术和标准是公开的，是开放式互联系统，不仅可与同层之间的网络互连，还可实现不同层之间的网络互连。遵守现场总线协议的不同厂家的现场仪表设备产品可安装在同一现场总线系统中互联互通，具有完全的兼容性和互操作性。（5）可靠性与稳定性更高现场总线采用数字化处理和通讯技术，现场仪表的测控精度高，信号传输的抗干扰能力强，从而提高了控制系统的可靠性和稳定性。（6）优越的远程监控功能14通过现场总线可在控制室远程监视系统的各种运行信息，远程控制现场的设备。可在控制室对现场设备进行配置与参数设置。使用网络组态工具软件，可方便地组建与配置网络参数。（7）便于实现企业信息化系统企业信息集成系统分为三层：Infranet 控制网（FCS） ，企业内部网Intranet 和全球互联网 Internet。FCS 通过网桥将现场测控设备相互连接，实现不同网段，不同现场通信设备之间的信息共享。通过网关连接到上层管理网上，把工业现场的数据传到生产管理网络，实现生产过程的综合自动化。由于现场总线的优点，使 FCS 控制系统从设计、安装、投运到正常生产运行及检修维护等各方面都体现出优越性，成为过程控制技术的发展方向。3.1.2 现场总线技术发展趋势现场总线技术发展趋势现场总线技术从出现到不断发展，必然对自动化领域的发展发生重大的影响。目前同时存在着各种不同的总线标准。国际上主要的制造商除了力推自己的总线产品外，也开发总线兼容技术，使之可与其它总线连接。向着开放统一的方向发展，实现网络结构的简单化，形成统一的国际标准，是现场总线技术的发展方向。同时，以太网技术的发展也影响着现场总线技术的发展，通过两者结合，可以降低现场总线的成本。引入工业以太网技术也是现场总线技术发展的一个趋势。153.2 PROFIBUS（过程现场总线）（过程现场总线）PROFIBUS 作为目前国际上通用的现场总线标准之一，被纳入现场总线的国际标准 IEC 61158 和欧洲标准 EN 50170、我国的国家标准。作为用于车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现312001.1038TJB场总线计术,PROFIBUS 是实现现场监控的分布式数字控制和通信网络，工厂综合自动化和现场设备智能化的解决方案。PROFIBUS 开放的现场总线，具有相同接口的各种的自动化设备均可在网络中相互交换信息921。3.2.1 PROFIBUS 的组成的组成PROFIBUS 由 3 部分组成，即 PROFIBUS-DP（Decentralized Periphery,分布式外围设备） 、PROFIBUS-PA（Process Automation,过程自动化）和 PROFIBUS-FMS（Fieldbus Message Specification，现场总线报文规范） 。PROFIBUS-FMS 定义了主站与主站之间的通信模型，用于车间级通用性任务。提供访问变量、程序传递、事件控制等服务。通过提供周期性传输主、从站之间的数据和非周期性功能，进行组态、诊断、报警处理。FMS主要用于系统级与车间级系统间的数据传输，处理单元级的多主站数据通信，实现复杂的通信任务。PROFIBUS-DP 用于单元级控制设备与分布式 I/O 之间的通信，可以取代 420mA 的模拟信号传输，传输速率可以达到 12Mbps，因此可快速简单地完成数据的实时传输，一般构成单主站系统和多主站系统。PROFIBUS-PA 是专为过程自动化设计的，主要用于现场传感器和执行器之间的低速数据传输。由于传输技术采用了 IEC1158-2 标准，可确保本16质安全并通过总线实现对现场设备供电。使用分段耦合器可以将PROFIBUS-PA 设备集成到 PROFIBUS-DP 网络中。3.2.2 PROFIBUS 的传输技术的传输技术现场总线控制技术的应用不仅要考虑传输距离和传输速率，还要经济可靠。为了满足工业应用的要求，PROFIBUS 提供了 RS-485 传输、光纤传输、PA 的 IEC1158-2 传输等技术，用于 DP 和 FMS。3.2.3 PROFIBUS 总线存取方式总线存取方式三种 PROFIBUS(DP、FMS、PA)都使用一致的总线存取控制、数据安全性、传输协议和报文的处理协议。3.2.4 PROFIBUS-DP 设备的分类设备的分类PROFIBUS-DP 设备可分为以下三种不同类型的设备：（1）1 类 DP 主站（DPM1）是系统的中央控制器，它在预定的周期内与分布式的站（如 DP 从站）循环地交换信息，并对总线通信进行管理和控制。（2）2 类 DP 主站（DPM2）是 DP 网络中的编程、诊断和管理设备。（3）分布式 I/O，是输入和输出信息采集和发送的外围设备，它只与组态它的 DP 主站交换用户数据。3.2.5 PROFIBUS-DP 网络配置方案网络配置方案（1）PLC 做 1 类主站，不设监控站（配置一台调试编程设备） 。由 PLC 实现总线的通信管理、从站数据的读写、从站远程参数的设置等功能。17（2）PLC 做 1 类主站，PLC 与监控站通过串口一对一连接。监控站所需从站数据通过串口从 PLC 中读取。（3）用 PLC（或其他控制器）做 1 类主站，监控站连接在 PROFIBUS 总线上，完成远程编程、组态以及在线监控等功能。（4）PC 机（配有 PROFIBUS 网卡）做 1 类主站，监控站与 1 类主站一体化。PC 机应选用具有高可靠性的工业级 PC。通信厂商通常只提供模块的驱动程序，总线和从站控制程序、监控程序都需要用户开发设计。3.3 PLC 系统系统3.3.1 PLC 系统系统可编程逻辑控制器简称 PLC。随着微电子技术、计算机技术和通信技术的发展，而工业自动化控制需求也越来越高，PLC 在功能、速度、智能化模块以及联网通信等方面都有了大的提高。PLC 不仅仅能实现开关量控制，还具备了模拟量控制、过程控制以及远程通信等强大功能。PLC 就是以嵌入式 CPU 为核心，配以输入、输出及通讯等模块的工业控制装置。PLC 具有可靠性高、编程简单和使用方便等优点，被广泛应用于现代工业生产中，使整个控制系统在功能的可靠性、配置的灵活性等方面较之过去大为提高91011.PLC 控制系统有三种类型：控制单一机器的单台 PLC 构成的单机控制系统；控制多台机器或生产流水线的单台 PLC 构成的集中控制系统；18控制多个被控对象的由多个具有通信功能的 PLC 构成的分布式控制统。3.4 无极绳绞车控制系统设计与选型无极绳绞车控制系统设计与选型目前各类生产线上主要运用的 PLC 品牌有西门子、施耐德、ABB、GE 等。修磨机电气控制系统主要包括磨头控制、台车控制、台架控制、液压站控制。因此希望选择能满足中等控制要求的 PLC 来完成系统的构建，通过比较技术性能，性价比等，选用西门子 SIMATIC S7-300。3.5 S7-300 系列系列 PLC 简介简介3.5.1 S7-300 的概况的概况S7-300 是模块化的中小型 PLC，适用于中等性能的控制要求。信号模块和功能模块能满足各种领域的自动控制任务，用户可根据具体情况选择合适的模块。当系统规模扩大时可增加模块，扩展 PLC 系统2226。3.5.2 S7-300 的组成部件的组成部件S7-300 PLC 是模块式的 PLC，它由以下几部分组成：中央处理单元（CPU）负载电源模块（PS）信号模块（SM）信号模块主要是数字量输入/输出模块和模拟量输入/输出模块。数字量输入/输出模块有 SM321/SM322；19模拟量输入/输出模块有 SM331/SM332；模拟量还有热电偶、热电阻、DC4-20mA 和 DC010V 等多种不同类型输入模块。功能模块（FM）功能模块用于对实时性和存储容量要求高的控制任务，例如计数模块、电子凸轮模块、步进电动机定位模块等。通信处理器（CP）通信处理器用于 PLC 之间、PLC 与计算机和其他智能设备之间的通信，可以将 PLC 接入 PROFIBUS-DP、ASi 和工业以太网，或用于实现点对点通信等。通信处理器可以减轻 CPU 处理通信的负担，并减少用户对通信的编程工作。接口模块（IM）接口模块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和 3 个扩展机架，最多可以配置 32 个信号模块、功能模块和通信处理器。PLC 系统设主站和远程 I/O 站。主站内配置 CPU 模块、通讯模块和I/O 接口模块；远程站内配置有通讯接口模块、远程 I/O 接口模块；主站和远程 I/O 站之间采用 ProfibusDP 总线通讯。3.6 无级绳绞车控制系统的通信网络配置无级绳绞车控制系统的通信网络配置修磨机的通信网络采用了 PROFIBUS-DP 协议，传输速率可达 12Mbps。选用 S7-300 的 CPU316-2DP 作为 DP 主站，负责修磨机的整体协调控制、磨头和台车精确位置和速度控制 CPU316-2DP 与从站循环地交换信息，并对总线通信进行控制和管理，是系统的中央控制器。通过集成的PROFIBUS-DP 接口可直接连接到 PROFIBUS-DP 现场总线。DP 从站有 ET 20200、变频器、编码器、操作面板等。ET200 是多通道模块化分布式 I/O，最多可扩展 8 个模块、连接 256 个 I/O 通道，适用于大点数、高性能的应用242224。使用 STEP7 作为设备的编程软件。3.7 修磨机修磨机 PLC 控制系统的硬件配置控制系统的硬件配置 表 3.1 PLC 系统主要硬件表名称订货号主要技术参数数量DP 地址电源模块6ES7 307-1EA00-0AA0 220VAC/24VDC、5A。10CPU 模块6ES7 316-2AG00-0AB0内置工作存储器：程序1.4MB、数据 1.4MB；10存储卡6ES7 951-1KK00-0AA0容量：1MB10接口模块6ES7 365-0BA01-0AA0用于中央控制器和一个带最多 8个模块扩展机架；距离：1 m10，16ES7 321-1BL00-0AA024VDC；32 点3 0数字量输入模块6ES7 131-0BL00-24VDC；32 点2 5，10210XB0 6ES7 131-0BL10-0XB024VDC；32 点1 66ES7 322-1BL00-0AA024VDC；32 点2 06ES7 1320BH1-0XB024VDC；16 点2 7，8数字量输出模快6ES7 132-0BL0-OXB024VDC；32 点1 11数字量输入/输出模块6ES7 133-0BL00-0XB0 24VDC；16/161 9模拟量输入模块6ES7 331-7KF01-0AB024VDC；8 点；输入信号：电压、电流、热电阻、热电偶。41模拟量输出模板6ES7 332-5HD01-0AB024VDC；4 点；输出信号：电压、电流；负载阻抗：电压 1000 欧姆、电流 500 欧姆2122操作屏昆仑通态 TPC1062KS触摸屏主频 400MHz1 4编码器Leine&linde BOX 8 SE-645 21 Starangnas1 12编码器HUBNER FG4KK 8192G-90G-NG1 12变频器6ES7033-2EG60-Z114变频器6ES7026-0ED61-Z115 表 3.2 I/O 点数汇总表信号类型设计点数实际使用点数剩余点数模拟量输入32 点24 点8 点模拟量输出8 点6 点2 点开关量输入208 点143 点65 点开关量输出160 点89 点71 点3.8 无极生绞车的变频传动系统无极生绞车的变频传动系统3.8.1 变频器的工作原理变频器的工作原理变频器是将固定频率的交流电变换为频率连续可调的电力装置27。通过改变电机输入电压的频率来改变电机转速。233.8.2 变频器电路的基本功能变频器电路的基本功能三相变频器由三相整流桥、直流中间电路、逆变电路三部分组成。整流桥将工频的外部电源变换直流电源，中间电路起滤波与保护作用，逆变电路将直流变换成频率可变的交流电。变频器的控制电路包括：主控制电路、信号检测电路、基极驱动电路、外部接口电路以及保护电路。控制电路检测工作的状态与参数，使变频器能够进行各种高性能的控制，并为变频器主电路提供所需的保护。3.8.3 逆变电路的基本工作原理逆变电路的基本工作原理逆变电路的基本原理是：输入直流电源，由六个晶体管开关组成三相逆变电路，通过控制这六个开关，在输出端得到相位上相差 120 度(电气角)的三相交流电源。开关频率决定交流电源的频率，幅值为直流电源的幅值。只要改变开关顺序可改变该交流电源的相序，从而改变异步电动机转向。3.8.4 变频器的种类变频器的种类变频器有五种分类方式：按交流环节不同可分为间接和直接变频器；按直流24电路的滤波方式可分为电压型和电流型变频器；按电压的调制方式可分为脉冲幅值调制和脉冲宽度调制；按控制方式可分为 V/f 控制、转差频率控制和矢量控制方式；按输入电流的相数可分为三进三出和单进三出变频器。3.8.5 中小容量通用型变频器的主电路中小容量通用型变频器的主电路虽然变频器的种类较多，但它们的基本结构相似，大部分采用以下主电路结构（图 3.1） 。 图 3.1 交直交电压型变频器主电路3.8.6 变频器的选型变频器的选型1）确定负载的机械特性 a）恒转矩负载TL（阻转矩）271000kgg1.8m476.2825TL传送带与传输拖辊之间的摩檫力 FL与半径 r 的乘积 b）恒功率负载 不同的转速下，负载功率是不变的。 c）平方律负载 阻转矩与 n2（转速）成正比。2）确定变频器的容量 一般情况下，变频器的电流大于或等于额定电流，即：IBIe。在连续变动负载中，变频器应选电流大于或等于电机运行过程中的最大电流，即：IBImax。 对三相电机而言，P2（电机功率） COSIU33）确定变频器的控制方式 变频器控制方式有：a）V/FC 恒定控制（V/F 频率控制、V/F 速度控制）适用于水泵、风机一类平方律负载； b）矢量控制 矢量控制通过三相-两相变换和同步旋转变换，把交流异步电动机在按转子磁链定向的同步旋转坐标上等效成直流电动机，从而模仿直流电动机进行控制，得到在静、动态性能上完全能够与直流调速系统相媲美的交流调速系统。矢量控制强调转子磁链与转矩的解耦，实现连续控制，调速范围较宽。c）直接转矩控制 直接转矩控制与矢量控制不同，直接转矩控制放弃了旋转坐标变换，而是在静止两相坐标系上控制转矩和定子磁链，并采用砰-砰控制以获得快速的转矩响应。直接转矩控制强调控制定子磁链，不受转子参数随转速变化而变化，采用转矩和定子砰-砰26控制而避开了旋转坐标变换，简化了控制结构，动态响应快。 以上 b） 、c）适用于重负载或恒转矩工况。根据工作情况，我们选择直接转矩控制的变频器直接转矩控制的变频器控制原理如图 2 所示图 2 DTC 控制原理图直接转矩控制具有以下优点：1) 直接转矩控制（DTC）与矢量控制不同，直接转矩控制的反馈量是力矩信号，高速数字信号处理器每秒钟更新 40000 次实际检测的电流信号和 DC 母线电压信号，再由这些信号根据自适应电机模型计算出力矩信号，并对其进行直接控制。它较矢量控制通过控制电流来间接控制力矩的方法更直接、快速、高精度。直接转矩控制技术的特点：a) 电机磁场矢量轨迹接近圆形，谐波小，损耗低，噪声及温升均比27一般逆变器驱动的电机小得多。b) 电机的数字模型是建立在定子坐标系下分析并控制磁链和转矩的，省掉了复杂的坐标变换及其计算，因而控制系统十分简单，物理过程直接明确。c) 直接转矩控制采用定子磁链定向，该量仅与定子电阻有关，只要知道了定子电阻，就可以进行磁链矢量控制。d) 直接转矩控制强调的是转矩的直接控制与效果，避开了通过控制电流，磁链等量间接控制转矩的过程，而是直接控制电机转矩，因而使电机获得极高的响应频率，从而保证电机具有良好的速度控制能力。同时也使得系统具有较强的抗机械谐振能力。e) 精确的电机模型，高速数据处理技术，借助于独立控制的两点转矩调节器和磁链调节器，使优化脉冲控制逻辑以极快的响应频率去高速更新控制脉冲的状态，保证了转矩阶跃响应快速且无超调，也使得系统有很好的零速满转矩能力，特别适合提升应用。f) 由于直接转矩控制方式不需要测速反馈信号，因此可以不装测速机，其转矩和速度的控制水平优于闭环直流调速，如果有测速机反馈转速信号的话，直接转矩控制系统的各项指标均远高于其他各项控制方式。3.9 网络系统网络系统 无极绳绞车各设备现场分布广，I/O 点多，若采用集中控制不利于现场布线，如梭车上有大量信号，梭车是运动的，使用控制电缆采集信号会造成拖缆小车负荷大，故障环节多等不利影响。所以 CPU 布置在主操作台内，有 2 个机架，现场设备如阀台、梭车、操作面板、编码器、变频器等采用分布式 I/O，现场总线方式。28 图 3.3 系统硬件组态配置图模拟量输入模块 SM331:用于连接电压和电流传感器、热电偶、电阻器和电阻式温度计。SM331 目前有两种规格型号，一种是 812 位模块，一种是 212 位模块，我们系统所使用的是 812 位模拟量输入模块，连接垂直缸压力销传感器、线性传感器，水平缸线性传感器，台车测速电机，齿轮箱、液压站、润滑站温度传感器和压力、速度等设定值。模拟量输出模块 SM332:用于连接模拟量执行器。SM332 目前有 212 位和 412 位两种规格型号，我们所选用的为 412 位模拟量输出模块，主要连接垂直缸电磁阀伺服阀和压力、速度等的给定值。数字量输入模块 SM321:用于连接外部的机械触点和电子数字式传感器，本系统中主要连接各种接近开关、光电管、限位开关和操作台各控制按钮信号。数字量输出模块 SM332:用于连接电磁阀、接触器指示灯、电机启动器等。在本系统中主要连29接水平缸电磁阀和各信号灯指示。3.10 无极生绞车控制原理无极生绞车控制原理由 KXJD1-127 隔爆兼本质安全型电源控制箱和 CXH-1/9.5 本质安全型操作台组成。1) 控制原理理想的启动速度曲线，应使带式输送机平稳启动，且在整个启动过程中加速度的最大值较小，没有突变，即最大限度地减小启动惯性力和启动冲击作用。国内常用的控制曲线如图 3 所示，其曲线方程为：v(t)=v/2(1-cost/T) 0tTv：设计带速，T：启动时间。由于输送机在启动之前，输送带处于松弛状态，为避免输送带的冲击，将输送带拉紧启动，可进一步改善启动峰值张力作用。这样，需要在启动开始阶段加入一段时间延迟段，其最佳起动曲线如图 4 所示。延迟段的速度一般取为设计带速的 10。 30 图三 上述曲线中启动时间 T 是非常重要的设计参数，一般可根据设计经验，通过控制启动最大加速度或平均加速度，初步确定启动时间，再根据动态分析结果进行优化。通常情况下，长距离带式输送机的启动最大加速度不大于 0.05m/s2，中长距离带式输送机的启动最大加速度不大于 0.1m/s2。a) 变频器的启动控制曲线理想的启动速度曲线，应使带式输送机平稳启动，且在整个启动过程中加速度的最大值较小，没有突变，最大限度地减小启动惯性力和启动冲击力。本技术方案检验控制曲线如图 4 所示。 图四 起动过程为避免输送机在启动过程中发生共振现象，本方案启动时间 T 根据我公司的经验设置在 T5LVw，即启动时间 T 大于下分支输送带纵向波由机头传到机尾所需时间的 5 倍。L：输送机总长，mVw：输送带纵向应力波传递速度，m/s Vw=EB/（qB+qRu）0.1VTV0时间速度皮带拉紧时间31E：输送带弹性模量，N/mmB：带宽，mmqB：输送带单位质量，kg/mqRu：下分支托辊转动部分质量，kg/mb) 起动时的功率平衡。为达到这一效果，本方案采用交流变频器作为驱动部件。在多机拖动时，根据皮带机机械驱动装置的布置，BPJ1 系列变频器可实现转矩或速度全程跟踪，达到功率平衡。如：当 2 台以上电机同时起动，且前两台电机处于同轴时，则两同轴的 1 号电机设为主机，2 号电机必须设为转矩跟踪；不同轴的 3 号电机设为速度跟踪。并将 2 号变频器的速度输出作为 3 号变频器的速度输入给定。如此，便能实现 3 台电机功率平衡。c) 变频器的停车变频器的停车由自由停车和变频停车两种。自由停车是靠系统惯性停车，变频停车是按预定的停车曲线停车，即：正常运行停车时，PLC 控制器给变频器一个停车命令（可以是接点信号，也可以是 4-20mA 给定的倒“S”型或线性停车曲线） ，变频器会按照给定的停车曲线和时间自动进行停车，即：变频器在接收到停车指令后，会按给定的减速参数尽可能地减速到给定值，然后开始直流制动。正常情况下，当变频器的频率降到 0.5Hz 时,开始直流制动,整个停车过程，一般在 10-60s 之内完成（如图 6 所示）32 图六3.11 无极绳绞车控制系统硬件配置无极绳绞车控制系统硬件配置本方案的控制系统内由 KXJD1-127 型隔爆兼本质安全型电源控制箱（如图 7 所示）来完成，箱内装有西门子 S7-300PLC、触摸屏（或显示器） 、本质安全型电源和继电器等。33 图 7主要功能和特点：a) 采用模块化结构各 I/O 模块采用可拆卸端子排，出现故障时便于维修和更换；具有故障自诊断功能 PLC 的扫描器和适配器发生故障时，系统会通过网络的通讯情况判断故障，并发出报警；PLC 的 I/O 模块发生故障时，CPU 会通过 I/O模块的状态位侦测到故障及故障内容，系统会发出报警。PLC 配有 PT100温度模块，实时检测电机（电机内置 TP100）各测点温度，实现超温保护并在显示屏和上位机上显示。整个 PLC 控制功能主要是完成变频器运行过程和辅助设备所有控制功能，即软起、软停和过程控制。b) 供操作箱的外部本安传感器用，可提供 5 路不共地的隔离栅，其中 3 路作隔爆与本安的转换，1 路作隔爆与非隔爆的转换；可输入 16 个开关量信号，2 个 420mA 模拟量信号，可输出 8 个开关量信号，2 个模拟量信号；输出接点容量：DC10A、220V、AC16A、500V；本安端：最高电压34DC9.5V，最大电流 1A。c) 触摸屏触摸屏具有各种设备运行状态和参数显示功能，包括胶带的运行、停止、电机转速、电机电流、故障保护（尾部重锤限位、煤仓煤位、语音、洒水、温度、打滑等） 、近控远控状态、电机温度、变频器温度、变频器直流电压、系统电压电机功率、电机转矩、电机频率、运行时间等几十个参数和多达 50 个故障及报警信息，触摸屏还可以通过门上 5 个防爆型按键修改程序或控制皮带运行。起动流程图（详见图 8）和停车流程图（详见图 9）触摸屏显示大致分为六个主画面和若干个子画面。上电后触摸屏显示“欢迎”画面，通常情况下选择“监控”按钮，进入“系统监控”画面，如选择“报警”按钮，进入“故障报警”画面，如选择按“参数”按钮，进入“延时参数设定”画面，如选择按“系统”按钮，进入“系统设定”画面。“系统监控”画面第一行左上角是工作方式指示，中间是工作状态指示，右边是起动、停止按钮。以下几行为指示灯，当对设备动作后，呈高亮状态。“故障报警”画面可以通过“报警清单”按钮条查看目前报警的故障，“报警记录”按钮条清除故障报警记录。 “故障复位”按钮条用于解除软件上的故障自锁。“系统设定”画面的“设备监视”按钮条可以实现监视 PLC 的内部软件， “PCL 诊断”按钮条可以查看 PLC 程序指令， “数据文件”按钮条可以编辑触摸屏的数据文件值， “画面清单”可以查看触摸屏所有的画面， “时间日期”按钮条可以设定当前时间， “对比度”按钮条可以调整触摸屏的对比度， “蜂鸣器”按钮条可以关闭或打开触摸时的声音， “停止 PLC”按35钮条用于在“程序清单”画面中修改程序指令时停止 PLC。“延时参数设定”画面有两上画面组成，用于对程序中的延时参数进行监视和修改，触摸某项参数的标签，在弹出软键盘上修改参数，按画面上的“保存修改值”按钮条，可以保存已修改的参数， “载信修改值”将导入上次保存过的、经修改的参数， “载入设定值”将导入默认的参数。 36 图 8 起动流程图37 图 9停车流程图3.12 电气控制系统的操作部分电气控制系统的操作部分操作部分在 CXH-1/9.5 本安操作台上完成（见图 10） ，操作台装有德国 P+F 公司生产的本安 PLC 模块、隔离栅、网关、远程 I/O 及操作按钮等，具有就地、集控和手动、自动等多种操作方式。操作台上配备的按钮及开关有：功能选择、设备的起停、速度选择、无级调速、单台运行、正反运行等等；参数显示由一块线性彩色显示屏及相应的仪表完成，主要显示设备的运行状态和运行参数，并和主机（关联设备 KXJD1-127 点控箱）进行数据交换。 就地方式：38在就地工作方式下，通过变频器上的起停按钮实现皮带机的起停，自动按设定的加速曲线完成皮带机的软启动和软停车。 集控方式（自动方式）在集控方式下能通过 PROFIBUS 总线实现胶带机的多机联动等上述各种控制功能，接收来自现场设备各种控制状态信号，并把所有数据通过PROFIBUS 总线先转换成本质安全型总线 FSK,然后到达地面以后再由FSK/PROFIBUS 转换器转换成 PROFIBUS 总线，传送给上位机；也可以在上位机上对井下皮带进行控制操作。如上位机和井下控制器距离非常远，则可配置网络增强器来完成信号的传输。本技术方案可将采区转载皮带、石门皮带、顺槽皮带、大巷皮带及至地面筛分皮带等分成几大控制节点，每个节点均配有电源控制箱，既可独立完成节点内的控制，也可以通过 PROFIBUS 总线方式完成集控。集控点设置在调度室，工作人员可以在调度室内开、停井下和筛分车间的各台变频器和皮带机的起停。井下可实现无人执守。 手动方式可以在操作台上手动操作完成皮带机的启、停及过程控制。当胶带机部分传感器有故障时（非主要传感器） ，为不影响生产，可以手动控制运行，亦称为检修运行。3.13 无极绳绞车的保护系统无极绳绞车的保护系统1) 变频器的各种保护变频器具有过流、过压、欠压、短路、接地、过热、过载、断相、电机堵转等保护。2) 胶带机运行各种保护39胶带机设有起动预警信号、跑偏、急停、烟雾、速度、堆煤、纵撕、温度、煤位、张力等保护。同时配有语音扩音电话等。3）故障保护a）系统提供了煤位、烟雾、油温、纵撕、沿线停车、跑偏、打滑、电机过载等多种常用的故障保护功能。任何一个保护传感器动作，都将导致停车，并且在触摸屏上的“故障清单”有相应的显示。b） 沿线任一拉线、跑偏开关动作，操作台上的触摸屏“报警清单”有故障显示，跑偏确认的延时时间为 2 秒。c） 打滑速度整定值为额定带速的 75%，确认延时时间为 3 秒。d） 如果闸电机电源缺相或过流引起热继电器动作，其常闭接点断开，将导致立即停电机、抱闸。e） 起动过程中，任一台磁力起动器没有在规定的时间（3 秒）内返回已起动信号，或者在运行过程中，返回的已起动信号消失，都将导致停车。f）在运行过程中，随意切换工作方式，将导致停车。g）在集控运行中，输入的远控信号消失，立即正常停车，输入的前级运行信号消失，立即导致紧急停车。h） 当 PLC 的内置电池容量不足时，在“PLC 诊断”画面有显示，应当购买专用电池替换，否则将导致程序丢失，最多不可超过 1 个月。i）若触摸屏的显示通信中断，只要 PLC 没损坏，控制箱可以起停本条皮带。404 无极绳绞车控制系统的软件设计无极绳绞车控制系统的软件设计4.1 软件设计综述软件设计综述STEP 7 是用于对 SIMATIC 可编程控制器，进行组态和编程的标准软件包，适用 SIMATIC S7-300/S7-400、SIMATIC M7-00/M7-00 以及 SIMATIC C7 等设备。用 STEP 7 软件设计一个自动化解决方案，就是创建一个项目，完成硬件组态和程序编写，进而在线调试，实现自动化系统的控制功能25。在 STEP7 中，由独立的程序或数据单元组成的各种类型的块组成用户程序。组织块 OB 是由启动程序、主程序和中断响应程序等各种程序模块组成的；功能 FC 和功能块 FCB 是用户编写的程序块，可被其他程序块调用；系统功能 SFC 和系统功能块 SFB 是供用户调用的固化在 CPU 中的功能块；背景 DB 和共享 DB 是用户程序的数据存储区。所有的这些块都可在 Blocks 目录下插入生成。编写程序块时要对程序块的属性进行设置，在程序编辑器的工具栏里选择所需的编程指令对程序块进行编辑。