基于PLC 的無極生絞車的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、1 目錄目錄 1 無極繩絞車運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)及其工作原理.3 1.1 無極繩絞車的用途及特點(diǎn) .3 1.1.1 用途 .3 1.1.2 特點(diǎn) .3 1.2 無極生絞車的工作原理 .4 1.2.2 列車編組形式 .5 1.2.3 使用環(huán)境條件與環(huán)境影響 .5 1.2.4 工作條件 .5 1.2.5 安全 .6 1.3 選題背景 .6 1.4 課題研究的主要內(nèi)容 .6 2 無極繩絞車及控制系統(tǒng)的組成 .7 2.1 無極繩絞車的主要設(shè)備 .7 2.1.1 絞 車 .7 2.1.2 張緊裝置 .7 2.1.3 梭 車 .8 2.1.4 尾 輪 .8 2.1.5 輪 組 .8 2.2 無極生絞車的運(yùn)行方式 .

2、9 2.2.1 使用前的準(zhǔn)備和檢查 .9 2.2.2 使用時(shí)的安全注意事項(xiàng) .10 2.2.3 啟動(dòng)及運(yùn)行過程中的操作程序及注意事項(xiàng) .11 2.2.4 運(yùn)行中的監(jiān)測(cè)和記錄 .11 2.2.5 停車的操作程序、方法及注意事項(xiàng) .11 2.3 無極生絞車控制的關(guān)鍵技術(shù)及難點(diǎn) .11 3 無級(jí)繩絞車控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì).12 3.1 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù) .12 3.1.1 現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn) .13 3.1.2 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) .14 3.2 profibus（過程現(xiàn)場(chǎng)總線） .15 3.2.1 profibus 的組成 .15 3.2.2 profibus 的傳輸技術(shù) .16 2 3.2.3 prof

3、ibus 總線存取方式 .16 3.2.4 profibus-dp 設(shè)備的分類 .16 3.2.5 profibus-dp 網(wǎng)絡(luò)配置方案 .16 3.3 plc 系統(tǒng).17 3.3.1 plc 系統(tǒng) .17 3.4 無極繩絞車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與選型.18 3.5 s7-300 系列 plc 簡(jiǎn)介.18 3.5.1 s7-300 的概況 .18 3.5.2 s7-300 的組成部件 .18 3.6 無級(jí)繩絞車控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)配置.19 3.7 修磨機(jī) plc 控制系統(tǒng)的硬件配置.20 3.8 無極生絞車的變頻傳動(dòng)系統(tǒng).22 3.8.1 變頻器的工作原理 .22 3.8.2 變頻器電路的基本功能 .

4、22 3.8.3 逆變電路的基本工作原理 .23 3.8.4 變頻器的種類 .23 3.8.5 中小容量通用型變頻器的主電路 .24 3.8.6 變頻器的選型 .24 3.9 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng).27 3.10 無極生絞車控制原理.29 3.11 無極繩絞車控制系統(tǒng)硬件配置.32 3.12 電氣控制系統(tǒng)的操作部分.37 3.13 無極繩絞車的保護(hù)系統(tǒng).38 4 無極繩絞車控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì).40 4.1 軟件設(shè)計(jì)綜述 .40 3 1 無極繩絞車運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)及其工作原理無極繩絞車運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)及其工作原理 1.1 無極繩絞車的用途及特點(diǎn)無極繩絞車的用途及特點(diǎn) 1.1.1 用途用途 無極繩連續(xù)牽引車是煤礦和金屬礦

5、山井下巷道的以鋼絲繩牽引的 普通軌道運(yùn)輸設(shè)備。適用于長(zhǎng)距離、大傾角、多變坡、大噸位工況條 件下的工作面順槽、采區(qū)上（下）山和集中軌道巷材料、設(shè)備等系統(tǒng) 行駛線路內(nèi)的不經(jīng)轉(zhuǎn)載的直達(dá)運(yùn)輸。是替代傳統(tǒng)小絞車接力、對(duì)拉運(yùn) 輸方式，實(shí)現(xiàn)重輕型液壓整體支架和礦井各種運(yùn)輸?shù)囊环N比較理想的 運(yùn)輸裝備。也可用于金屬礦井下巷道和地面坡度不大且起伏變化軌道 運(yùn)輸。 1.1.2 特點(diǎn)特點(diǎn) 無極繩連續(xù)牽引車吸收借鑒了繩牽引卡軌車的部分優(yōu)良技術(shù)，參 考了傳統(tǒng)無極繩絞車的使用經(jīng)驗(yàn)，創(chuàng)造性地研制的一種實(shí)用新型輔助 運(yùn)輸裝備，是對(duì)井下無極繩輔助運(yùn)輸系統(tǒng)的完善和進(jìn)一步提高，具有 如下特點(diǎn)： （1）操作簡(jiǎn)單，可靠性高。采用機(jī)械傳動(dòng)

6、方式，結(jié)構(gòu)緊湊，操作 方便，大大地提高了工人可操作性和設(shè)備可靠性。 （2）適應(yīng)性強(qiáng)，用途廣。無極繩連續(xù)牽引車既可使用在順槽，又 可應(yīng)用在采區(qū)上（下）山，還可布置在集中軌道巷，又能為掘進(jìn)后配 套服務(wù)。 （3）系統(tǒng)布置靈活。 4 無極繩絞車既可平行于軌道布置，又可垂直于軌道布置。 系統(tǒng)既可布置成單軌（兩條軌道）單運(yùn)輸，又可布置成雙軌（四 條軌道）雙運(yùn)輸，還可布置成三軌（三條軌道）雙運(yùn)輸。 如系統(tǒng)布置成單軌（兩條軌道）運(yùn)輸，可采用鋼絲繩同在軌道內(nèi)； 也可采用主繩在軌道內(nèi)，而副繩在軌道外的布置型式。 無極繩絞車進(jìn)出繩方便且體積適中，既可利用原有硐室布置，又 可靠巷幫布置，充分為客戶著想。 （4）系統(tǒng)配

7、置方便。根據(jù)不同的工況條件，采用不同輪組配置方 式，可適應(yīng)起伏變化坡道的不同運(yùn)輸需求。 （5）可實(shí)現(xiàn)巷道水平轉(zhuǎn)彎運(yùn)輸。配備專用彎道達(dá)到水平曲線運(yùn)輸 之目的。 （6）梭車儲(chǔ)繩量大，運(yùn)行費(fèi)用低。采用張緊裝置張緊鋼絲繩,鋼 絲繩張力隨牽引工況而變化，鋼絲繩壽命長(zhǎng)；采用導(dǎo)向輪分繩,避免鋼 絲繩咬繩,減少鋼絲繩磨損；梭車采用儲(chǔ)繩結(jié)構(gòu)，可減少有運(yùn)距變化巷 道鋼絲繩浪費(fèi)；系統(tǒng)采用可靠的機(jī)械結(jié)構(gòu)，故障率低，維護(hù)量小。 （7）安全高效，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。兩套制動(dòng)系統(tǒng)；區(qū)段內(nèi)直達(dá)運(yùn)輸，無 需轉(zhuǎn)載，減少人力倒車次數(shù)，減輕了作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度；同時(shí)大大 降低了管理人員的難度和設(shè)備使用的事故率。 （8）安裝簡(jiǎn)單。采用靈活的固定

8、結(jié)構(gòu)，拆裝方便；尾輪固定簡(jiǎn)單， 可方便快捷地移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)距變化。 1.2 無極生絞車的工作原理無極生絞車的工作原理 1.2.1 工作原理 由電機(jī)提供動(dòng)力，采用減速機(jī)或變速箱和一對(duì)漸開線圓柱正齒輪 5 傳動(dòng)，通過無極繩絞車滾筒旋轉(zhuǎn)，借助鋼絲繩與滾筒之間的摩擦力而 達(dá)到傳送重物之目的。 系統(tǒng)示意圖（見附圖） 。 1.2.2 列車編組形式列車編組形式 （1）散料運(yùn)輸列車編組 該編組可在梭車前面或后面串列 24 節(jié)礦車或 2 節(jié)平板車，運(yùn)輸矸 石、支護(hù)材料和配件等輔助材料。 （2）工字鋼車和重型設(shè)備運(yùn)輸 本系統(tǒng)可以運(yùn)送工字鋼車，包括工字鋼和水管等長(zhǎng)型材料，也可整 體運(yùn)送液壓支架，采用三環(huán)鏈連接或硬連接

9、，運(yùn)輸時(shí)可在梭車前面串聯(lián)一 個(gè)材料車或一個(gè)支架平板載重車。 1.2.3 使用環(huán)境條件與環(huán)境影響使用環(huán)境條件與環(huán)境影響 （1）無極繩連續(xù)牽引車，可在礦井下有瓦斯的巷道中使用。 （2）無極繩連續(xù)牽引車，無任何污染，不影響周圍的任何環(huán)境。 1.2.4 工作條件工作條件 （1）軌道質(zhì)量要滿足運(yùn)送大型設(shè)備的要求。 （2）整體軌道平直，同時(shí)避免陰陽軌道出現(xiàn)，且軌枕間距應(yīng)在 500600mm。 （3）坡度變化平緩，垂直曲線半徑15m。 （4）水平彎道處曲線半徑12m。 （5）無極繩絞車安裝位置巷道，根據(jù)情況進(jìn)行擴(kuò)巷。 6 （6）對(duì)于采區(qū)上（下）山和集中軌道巷等道岔較多的巷道，為保證副繩 順利通過，在道岔處需

10、使用木軌枕。 1.2.5 安全安全 無極繩連續(xù)牽引車，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的連續(xù)運(yùn)輸，因而可避免小絞車接 力運(yùn)輸中的摘掛鉤時(shí)易發(fā)生的跑車事故，并且系統(tǒng)中有可靠的安全制動(dòng)裝 置又可大大提高設(shè)備的安全性能，另外車輛運(yùn)行的穩(wěn)定性也較傳統(tǒng)方式有 較大的提高。 1.3 選題背景選題背景 無極繩連續(xù)牽引車適用于長(zhǎng)距離、大傾角、多變坡、大噸位工況條件 下的工作面順槽、采區(qū)上（下）山和集中軌道巷材料、設(shè)備等系統(tǒng)行駛線 路內(nèi)的不經(jīng)轉(zhuǎn)載的直達(dá)運(yùn)輸?？商娲鷤鹘y(tǒng)小絞車接力、對(duì)拉運(yùn)輸方式，實(shí) 現(xiàn)重輕型液壓整體支架和礦井各種運(yùn)輸?shù)囊环N比較理想的運(yùn)輸裝備。也可 用于金屬礦井下巷道和地面坡度不大且起伏變化軌道運(yùn)輸，運(yùn)輸可靠性好。 而

11、自動(dòng)化控制系統(tǒng)有利于提高生產(chǎn)力，減輕人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高系統(tǒng)控制 的準(zhǔn)確性。 1.4 課題研究的主要內(nèi)容課題研究的主要內(nèi)容 本文選擇的研究對(duì)象是煤礦無極繩絞車提升系統(tǒng)。根據(jù)功能相同、利 用 s7-200plc 系統(tǒng)對(duì)船舶電動(dòng)起貨機(jī)進(jìn)行實(shí)物仿真，建立貨物升降變頻機(jī) 構(gòu)、變幅伺服機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)步進(jìn)機(jī)構(gòu)，增加昆侖通態(tài) tpc1062ks 觸摸屏對(duì)系 統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。變頻器部分應(yīng)用了 pid 算法，step7v5.4sp4 承擔(dān)主要的邏輯 時(shí)序程序控制和信號(hào)的輸入輸出通道，protoolcs/rtv6.0sp3 實(shí)現(xiàn)界面監(jiān) 7 控。主要研究?jī)?nèi)容包括: (l)無極繩絞車的功能分析 (2)無極繩絞車的邏輯時(shí)序程序控

12、制 (3)貨物升降變頻控制 (4)變幅伺服控制 (5)回轉(zhuǎn)步進(jìn)控制 (6)昆侖通態(tài)觸 tpc1062ks 摸屏監(jiān)控界面制作 (7)結(jié)論 2 無極繩絞車及控制系統(tǒng)的組成無極繩絞車及控制系統(tǒng)的組成 2.1 無極繩絞車的主要設(shè)備無極繩絞車的主要設(shè)備 2.1.1 絞絞 車車 無極繩絞車是整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力源，采用機(jī)械傳動(dòng)，主要組成為: (1)底座。由結(jié)構(gòu)件焊接成整體。通過地腳螺栓與基礎(chǔ)固定。(2)變速箱。 采用硬齒面齒輪。 (3)滾筒部分。滾筒部分由小齒輪軸、大齒輪、主軸、卷繩筒及繩襯等組 成。 (4)聯(lián)軸器。聯(lián)軸器用于聯(lián)結(jié)電機(jī)和變速箱。 (5)制動(dòng)裝置。有電力液壓推桿和手動(dòng)帶式二套制動(dòng)裝置。 (6)齒輪

13、罩。鐵皮制成固定于底座上，用以保護(hù)大小齒輪，以保證安全。 8 2.1.2 張緊裝置張緊裝置 無極繩運(yùn)輸系統(tǒng)為保證鋼絲繩有一定的初張力必須配置張緊裝置。本 系統(tǒng)張緊裝置為重錘式，主要由框架、張緊繩輪、動(dòng)輪組、轉(zhuǎn)向輪、配重 和防護(hù)網(wǎng)等組成。該裝置可吸收鋼絲繩系統(tǒng)由于彈性變形而伸長(zhǎng)的部分； 同時(shí)，可為絞車提供尾張力,保證鋼絲繩在卷繩筒繩襯上有較穩(wěn)定的正壓 力，促使絞車正常牽引，而不致鋼絲繩在卷繩筒上打滑。由于系統(tǒng)用于雙 向運(yùn)輸，所以系統(tǒng)中設(shè)有兩組張緊裝置。 2.1.3 梭梭 車車 梭車是用來牽引礦車、平板車、材料車等車列，且具有固定鋼絲繩和 儲(chǔ)存鋼絲繩等功能。前后兩端是碰頭，碰頭連接車列。梭車主要有

14、下列部 分組成：車架、儲(chǔ)繩筒、車輪組件等。 (1)車架。梭車車架主要有架體、碰頭組成，車架兩端是碰頭，車輪 組件安裝在架體上，組成行走機(jī)構(gòu)，起行走和承重作用。 (2)儲(chǔ)繩筒。 梭車安裝有一個(gè)儲(chǔ)繩筒，可儲(chǔ)存鋼絲繩，以備巷道延深開采或縮短運(yùn)距之 用。收繩時(shí)先拔出固定插銷，再用手把搖轉(zhuǎn)儲(chǔ)繩筒，鋼絲繩逐漸纏繞于儲(chǔ) 繩筒上，最后插入固定插銷。 2.1.4 尾尾 輪輪 尾輪固定在運(yùn)距的終端，支承整個(gè)系統(tǒng)的反力，并可隨工作面的推進(jìn)， 可方便地移動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)距的變化。 2.1.5 輪輪 組組 為適應(yīng)起伏變化坡道，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)有輪組，可防止鋼絲繩抬高時(shí)車輛 掉道，又可避免鋼絲繩摩擦巷道底板。輪組的固定方法象礦用軌

15、枕一樣通 9 過橫梁固定在軌道下沿上。6、彎道護(hù)軌裝置 為適應(yīng)轉(zhuǎn)彎巷道的運(yùn)輸需要，我公司設(shè)計(jì)了一種專用的彎道護(hù)軌系統(tǒng)。 用戶只需準(zhǔn)備轉(zhuǎn)彎軌道即可。 其設(shè)備主要布置圖如圖 2.1 所示 2.2 無極生絞車的運(yùn)行方式無極生絞車的運(yùn)行方式 2.2.1 使用前的準(zhǔn)備和檢查使用前的準(zhǔn)備和檢查 各礦使用無極繩連續(xù)牽引車時(shí)要根據(jù)使用要求，巷道條件及設(shè)備布置 特點(diǎn)制定井下使用安全規(guī)程；絞車司機(jī)、跟車司機(jī)等有關(guān)人員要進(jìn)行培訓(xùn)； 10 無極繩連續(xù)牽引車使用前應(yīng)做如下檢查 檢查起動(dòng)器等電控設(shè)備是否正常； 通訊信號(hào)的發(fā)射接收是否正常； 軌道中有無影響車輛運(yùn)行的雜物； 各車輛之間的連接是否可靠； 載重車是否過載和偏載。

16、 （1）無極繩絞車 開車前應(yīng)檢視各處情況是否正常，如電氣線路是否正確，開關(guān)等有 無缺陷，各連接處螺栓是否緊固,手閘是否在松閘位置及靈活可靠，軸承 及減速器內(nèi)潤(rùn)滑油是否充足，檔位是否到位、正確、自鎖等，在檢查各處 情況正常后方可開動(dòng)電機(jī)進(jìn)行空運(yùn)轉(zhuǎn)，在檢查電液制動(dòng)閘正常和絞車無異 聲后方可加上負(fù)荷。 手閘的使用必須是在關(guān)閉電機(jī)電源后方可進(jìn)行,一般不許可在電機(jī) 通電期間進(jìn)行剎車，以免損壞絞車機(jī)件和電機(jī)。 （2）張緊裝置 張緊裝置應(yīng)牢固且穩(wěn)定地安裝在水泥地基上，上部可用圓環(huán)鏈與頂 側(cè)幫固定并拉牢，以能承受意外的側(cè)向力。 兩端導(dǎo)向輪的方向應(yīng)與鋼絲繩的走向保持一致。 運(yùn)行時(shí)須注意滑輪和配重是否上下移動(dòng)自如

17、，不得有卡滯現(xiàn)象。 （3）梭車 每次運(yùn)行前必須檢查固定鋼絲繩的兩只楔塊，如有松動(dòng)情況應(yīng)立即 加以緊固。 收放鋼絲繩后,應(yīng)將定位銷插入儲(chǔ)繩筒孔內(nèi)，防止儲(chǔ)繩筒在運(yùn)行中 轉(zhuǎn)動(dòng)，使鋼絲繩逸出。 （4）尾輪 運(yùn)輸液壓支架等重型設(shè)備時(shí)，尾輪必須用水泥基礎(chǔ)固定。 用戶可根據(jù)實(shí)際情況,在尾輪處用 2-4 根單體支柱斜撐，以防安全。 11 2.2.2 使用時(shí)的安全注意事項(xiàng)使用時(shí)的安全注意事項(xiàng) 有條件的煤礦可規(guī)定車輛運(yùn)行時(shí)應(yīng)禁止行人，并有聲光警示。 跟車司機(jī)在車輛行走過程中應(yīng)時(shí)刻注意車輛行走前方軌道是否正常， 軌道中有無影響車輛運(yùn)行的雜物。跟車司機(jī)一般乘坐于牽引車的司機(jī)室中， 信號(hào)發(fā)射機(jī)隨身攜帶。 2.2.3 啟

18、動(dòng)及運(yùn)行過程中的操作程序及注意事項(xiàng)啟動(dòng)及運(yùn)行過程中的操作程序及注意事項(xiàng) 跟車司機(jī)確定具備開車條件后，再發(fā)送開車信號(hào)，發(fā)送信號(hào)不得少于 2 次，絞車司機(jī)接到第二次信號(hào)后再啟動(dòng)開車。跟車司機(jī)和絞車司機(jī)一定 要熟記信號(hào)的使用規(guī)定。運(yùn)行過程中跟車司機(jī)要注意車輛運(yùn)行是否正常， 絞車司機(jī)要注意無極繩絞車、張緊裝置工作是否正常。 2.2.4 運(yùn)行中的監(jiān)測(cè)和記錄運(yùn)行中的監(jiān)測(cè)和記錄 每班都應(yīng)對(duì)運(yùn)輸貨物種類、運(yùn)輸量、連續(xù)牽引車的運(yùn)行情況及發(fā)生的 故障進(jìn)行記錄。 2.2.5 停車的操作程序、方法及注意事項(xiàng)停車的操作程序、方法及注意事項(xiàng) 一般跟車司機(jī)待車輛即將運(yùn)行到位時(shí)發(fā)送停車信號(hào)，絞車司機(jī)接到停 車信號(hào)后馬上操縱停

19、車按鈕停車，另外，跟車司機(jī)也可以利用發(fā)射機(jī)的緊 急停車按鈕或遙控停車（信號(hào)具備遙控功能時(shí)） 。 停車后絞車司機(jī)應(yīng)注意絞車制動(dòng)閘制動(dòng)是否可靠。 2.3 無極生絞車控制的關(guān)鍵技術(shù)及難點(diǎn)無極生絞車控制的關(guān)鍵技術(shù)及難點(diǎn) 無極繩絞車電控系統(tǒng)包括：驅(qū)動(dòng)、控制、操作、保護(hù)、通訊五大部分， 12 協(xié)調(diào)運(yùn)行，共同完成膠帶機(jī)運(yùn)行的軟起、軟停和過程控制。 3 無級(jí)繩絞車控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)無級(jí)繩絞車控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 3.1 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù) 現(xiàn)場(chǎng)總線是現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備相互聯(lián)絡(luò)通訊的工業(yè)控制總線，是開放的、分布 式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)在制造和過程區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)裝置與控制室內(nèi) 的自動(dòng)控制裝置之間的數(shù)字式、串行、多

20、點(diǎn)通信?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或儀表裝置， 如傳感器、變送器、執(zhí)行器和現(xiàn)場(chǎng)智能 i/o 等，它們不是簡(jiǎn)單現(xiàn)場(chǎng)儀表， 而是具有補(bǔ)償、診斷、控制等綜合功能的。 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng) fcs（fieldbus control system）是在氣動(dòng)控制 系統(tǒng)、電動(dòng)模擬控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)集中控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng) dcs（distributed controlsystem）之后，基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展起來的第五 代控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)以智能儀表和數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)為基本組成， 技術(shù)基礎(chǔ)是控制技術(shù)、智能儀表技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及數(shù)字通信技術(shù)， 在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域已成為廣為關(guān)注的熱點(diǎn)，獲得了廣泛的應(yīng)用。 通常的 fcs 系統(tǒng)中，由

21、基于現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)智能儀表組成控制回 路，現(xiàn)場(chǎng)智能儀表可承擔(dān)控制站的部分控制功能，使控制站專職于執(zhí)行復(fù) 雜的高層次的控制算法，減輕其負(fù)擔(dān)。對(duì)簡(jiǎn)單的控制應(yīng)用甚至可取消控制 站，直接以現(xiàn)場(chǎng)總線、網(wǎng)橋和集線器連接操作站與現(xiàn)場(chǎng)儀表連接，構(gòu)成分 布式控制系統(tǒng)。 fcs 是新型的過程自動(dòng)化系統(tǒng)，位于整個(gè)生產(chǎn)控制系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的底層， 為底層控制網(wǎng)絡(luò)（infranet） ，承擔(dān)生產(chǎn)運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量控制任務(wù)。它還 可與互聯(lián)網(wǎng)（intenet） 、企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)（intranet）相連。fcs 作為現(xiàn)場(chǎng)總 13 線控制系統(tǒng)，具有統(tǒng)一開放的通信協(xié)議。 3.1.1 現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn) 分布式的 fcs 系統(tǒng)

22、較之傳統(tǒng) dcs 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了“信息集中，控制分散” ，具 有 以下特點(diǎn)： （1）現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò) 在基于現(xiàn)場(chǎng)總線的 fcs 控制系統(tǒng)中，通過現(xiàn)場(chǎng)總線相連各現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng) 設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)相互、互通，解決了 dcs 存在信息孤島的技術(shù)缺陷。 （2）一對(duì) n 的結(jié)構(gòu) 現(xiàn)場(chǎng)總線可連接 n 臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)儀表（現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備） ，設(shè)備間雙向傳輸。相對(duì) dcs 采取的一對(duì)一的信號(hào)傳送而言，現(xiàn)場(chǎng)總線具有布線簡(jiǎn)單、安裝費(fèi)用低、維 護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。 （3）分散控制功能 現(xiàn)場(chǎng)總線的智能儀表可承擔(dān)傳統(tǒng)控制站的部分控制功能，實(shí)現(xiàn)分散控制， 系統(tǒng)更為靈活和自治。 （4）完全開放式系統(tǒng)，具有良好的兼容性與互操作性 現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)是公開的

23、，是開放式互聯(lián)系統(tǒng)，不僅可與同層之間 的網(wǎng)絡(luò)互連，還可實(shí)現(xiàn)不同層之間的網(wǎng)絡(luò)互連。遵守現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議的不同 廠家的現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)備產(chǎn)品可安裝在同一現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)中互聯(lián)互通，具有完 全的兼容性和互操作性。 （5）可靠性與穩(wěn)定性更高 現(xiàn)場(chǎng)總線采用數(shù)字化處理和通訊技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)儀表的測(cè)控精度高，信號(hào)傳輸 的抗干擾能力強(qiáng)，從而提高了控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。 （6）優(yōu)越的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能 14 通過現(xiàn)場(chǎng)總線可在控制室遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)的各種運(yùn)行信息，遠(yuǎn)程控制現(xiàn)場(chǎng)的 設(shè)備?？稍诳刂剖覍?duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行配置與參數(shù)設(shè)置。使用網(wǎng)絡(luò)組態(tài)工具軟 件，可方便地組建與配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。 （7）便于實(shí)現(xiàn)企業(yè)信息化系統(tǒng) 企業(yè)信息集成系統(tǒng)分為三層：inf

24、ranet 控制網(wǎng)（fcs） ，企業(yè)內(nèi)部網(wǎng) intranet 和全球互聯(lián)網(wǎng) internet。fcs 通過網(wǎng)橋?qū)F(xiàn)場(chǎng)測(cè)控設(shè)備相互連接， 實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)段，不同現(xiàn)場(chǎng)通信設(shè)備之間的信息共享。通過網(wǎng)關(guān)連接到上層 管理網(wǎng)上，把工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)傳到生產(chǎn)管理網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的綜合自 動(dòng)化。 由于現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)點(diǎn)，使 fcs 控制系統(tǒng)從設(shè)計(jì)、安裝、投運(yùn)到正常生 產(chǎn)運(yùn)行及檢修維護(hù)等各方面都體現(xiàn)出優(yōu)越性，成為過程控制技術(shù)的發(fā)展方 向。 3.1.2 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)從出現(xiàn)到不斷發(fā)展，必然對(duì)自動(dòng)化領(lǐng)域的發(fā)展發(fā)生重大 的影響。目前同時(shí)存在著各種不同的總線標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)際上主要的制造商除了 力

25、推自己的總線產(chǎn)品外，也開發(fā)總線兼容技術(shù)，使之可與其它總線連接。 向著開放統(tǒng)一的方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單化，形成統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)， 是現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展方向。同時(shí)，以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展也影響著現(xiàn)場(chǎng)總線 技術(shù)的發(fā)展，通過兩者結(jié)合，可以降低現(xiàn)場(chǎng)總線的成本。引入工業(yè)以太網(wǎng) 技術(shù)也是現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)發(fā)展的一個(gè)趨 勢(shì)。 15 3.2 profibus（過程現(xiàn)場(chǎng)總線）（過程現(xiàn)場(chǎng)總線） profibus 作為目前國(guó)際上通用的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)之一，被納入現(xiàn)場(chǎng)總線 的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) iec 61158 和歐洲標(biāo)準(zhǔn) en 50170、我國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 。作為用于車間級(jí)監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn) 312001.1038t jb

26、 場(chǎng)總線計(jì)術(shù),profibus 是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控的分布式數(shù)字控制和通信網(wǎng)絡(luò)，工 廠綜合自動(dòng)化和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能化的解決方案。profibus 開放的現(xiàn)場(chǎng)總線， 具有相同接口的各種的自動(dòng)化設(shè)備均可在網(wǎng)絡(luò)中相互交換信息921。 3.2.1 profibus 的組成的組成 profibus 由 3 部分組成，即 profibus-dp（decentralized periphery,分布式外圍設(shè)備） 、profibus-pa（process automation,過程 自動(dòng)化）和 profibus-fms（fieldbus message specification，現(xiàn)場(chǎng)總線 報(bào)文規(guī)范） 。 profib

27、us-fms 定義了主站與主站之間的通信模型，用于車間級(jí)通用性 任務(wù)。提供訪問變量、程序傳遞、事件控制等服務(wù)。通過提供周期性傳輸 主、從站之間的數(shù)據(jù)和非周期性功能，進(jìn)行組態(tài)、診斷、報(bào)警處理。fms 主要用于系統(tǒng)級(jí)與車間級(jí)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳輸，處理單元級(jí)的多主站數(shù)據(jù)通 信，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的通信任務(wù)。 profibus-dp 用于單元級(jí)控制設(shè)備與分布式 i/o 之間的通信，可以取 代 420ma 的模擬信號(hào)傳輸，傳輸速率可以達(dá)到 12mbps，因此可快速簡(jiǎn)單 地完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，一般構(gòu)成單主站系統(tǒng)和多主站系統(tǒng)。 profibus-pa 是專為過程自動(dòng)化設(shè)計(jì)的，主要用于現(xiàn)場(chǎng)傳感器和執(zhí)行 器之間的低速數(shù)據(jù)傳輸

28、。由于傳輸技術(shù)采用了 iec1158-2 標(biāo)準(zhǔn)，可確保本 16 質(zhì)安全并通過總線實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備供電。使用分段耦合器可以將 profibus-pa 設(shè)備集成到 profibus-dp 網(wǎng)絡(luò)中。 3.2.2 profibus 的傳輸技術(shù)的傳輸技術(shù) 現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)的應(yīng)用不僅要考慮傳輸距離和傳輸速率，還要經(jīng)濟(jì) 可靠。為了滿足工業(yè)應(yīng)用的要求，profibus 提供了 rs-485 傳輸、光纖傳 輸、pa 的 iec1158-2 傳輸?shù)燃夹g(shù)，用于 dp 和 fms。 3.2.3 profibus 總線存取方式總線存取方式 三種 profibus(dp、fms、pa)都使用一致的總線存取控制、數(shù)據(jù)安全 性

29、、傳輸協(xié)議和報(bào)文的處理協(xié)議。 3.2.4 profibus-dp 設(shè)備的分類設(shè)備的分類 profibus-dp 設(shè)備可分為以下三種不同類型的設(shè)備： （1）1 類 dp 主站（dpm1）是系統(tǒng)的中央控制器，它在預(yù)定的周期內(nèi) 與分布式的站（如 dp 從站）循環(huán)地交換信息，并對(duì)總線通信進(jìn)行管理和 控制。 （2）2 類 dp 主站（dpm2）是 dp 網(wǎng)絡(luò)中的編程、診斷和管理設(shè)備。 （3）分布式 i/o，是輸入和輸出信息采集和發(fā)送的外圍設(shè)備，它只與 組態(tài)它的 dp 主站交換用戶數(shù)據(jù)。 3.2.5 profibus-dp 網(wǎng)絡(luò)配置方案網(wǎng)絡(luò)配置方案 （1）plc 做 1 類主站，不設(shè)監(jiān)控站（配置一臺(tái)調(diào)試編

30、程設(shè)備） 。由 plc 實(shí) 現(xiàn)總線的通信管理、從站數(shù)據(jù)的讀寫、從站遠(yuǎn)程參數(shù)的設(shè)置等功能。 17 （2）plc 做 1 類主站，plc 與監(jiān)控站通過串口一對(duì)一連接。監(jiān)控站所需從 站數(shù)據(jù)通過串口從 plc 中讀取。 （3）用 plc（或其他控制器）做 1 類主站，監(jiān)控站連接在 profibus 總線 上，完成遠(yuǎn)程編程、組態(tài)以及在線監(jiān)控等功能。 （4）pc 機(jī)（配有 profibus 網(wǎng)卡）做 1 類主站，監(jiān)控站與 1 類主站一體 化。pc 機(jī)應(yīng)選用具有高可靠性的工業(yè)級(jí) pc。通信廠商通常只提供模塊的 驅(qū)動(dòng)程序，總線和從站控制程序、監(jiān)控程序都需要用戶開發(fā)設(shè)計(jì)。 3.3 plc 系統(tǒng)系統(tǒng) 3.3.1

31、plc 系統(tǒng)系統(tǒng) 可編程邏輯控制器簡(jiǎn)稱 plc。隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的 發(fā) 展，而工業(yè)自動(dòng)化控制需求也越來越高，plc 在功能、速度、智能化模塊 以及聯(lián)網(wǎng)通信等方面都有了大的提高。 plc 不僅僅能實(shí)現(xiàn)開關(guān)量控制，還具備了模擬量控制、過程控制以及 遠(yuǎn)程通信等強(qiáng)大功能。plc 就是以嵌入式 cpu 為核心，配以輸入、輸出及 通訊等模塊的工業(yè)控制裝置。 plc 具有可靠性高、編程簡(jiǎn)單和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn) 代工業(yè)生產(chǎn)中，使整個(gè)控制系統(tǒng)在功能的可靠性、配置的靈活性等方面較 之過去大為提高91011. plc 控制系統(tǒng)有三種類型： 控制單一機(jī)器的單臺(tái) plc 構(gòu)成的單機(jī)控制系

32、統(tǒng)； 控制多臺(tái)機(jī)器或生產(chǎn)流水線的單臺(tái) plc 構(gòu)成的集中控制系統(tǒng)； 18 控制多個(gè)被控對(duì)象的由多個(gè)具有通信功能的 plc 構(gòu)成的分布式控制統(tǒng)。 3.4 無極繩絞車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與選型無極繩絞車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與選型 目前各類生產(chǎn)線上主要運(yùn)用的 plc 品牌有西門子、施耐德、abb、ge 等。 修磨機(jī)電氣控制系統(tǒng)主要包括磨頭控制、臺(tái)車控制、臺(tái)架控制、液壓站控 制。因此希望選擇能滿足中等控制要求的 plc 來完成系統(tǒng)的構(gòu)建，通過比 較技術(shù)性能，性價(jià)比等，選用西門子 simatic s7-300。 3.5 s7-300 系列系列 plc 簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介 3.5.1 s7-300 的概況的概況 s7-300 是模

33、塊化的中小型 plc，適用于中等性能的控制要求。信號(hào)模 塊和功能模塊能滿足各種領(lǐng)域的自動(dòng)控制任務(wù)，用戶可根據(jù)具體情況選擇 合適的模塊。當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大時(shí)可增加模塊，擴(kuò)展 plc 系統(tǒng)2226。 3.5.2 s7-300 的組成部件的組成部件 s7-300 plc 是模塊式的 plc，它由以下幾部分組成： 中央處理單元（cpu） 負(fù)載電源模塊（ps） 信號(hào)模塊（sm） 信號(hào)模塊主要是數(shù)字量輸入/輸出模塊和模擬量輸入/輸出模塊。 數(shù)字量輸入/輸出模塊有 sm321/sm322； 19 模擬量輸入/輸出模塊有 sm331/sm332；模擬量還有熱電偶、熱電阻、 dc4-20ma 和 dc010v 等多

34、種不同類型輸入模塊。 功能模塊（fm） 功能模塊用于對(duì)實(shí)時(shí)性和存儲(chǔ)容量要求高的控制任務(wù)，例如計(jì)數(shù)模塊、 電子凸輪模塊、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定位模塊等。 通信處理器（cp） 通信處理器用于 plc 之間、plc 與計(jì)算機(jī)和其他智能設(shè)備之間的通信， 可以將 plc 接入 profibus-dp、asi 和工業(yè)以太網(wǎng)，或用于實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn) 通信等。通信處理器可以減輕 cpu 處理通信的負(fù)擔(dān)，并減少用戶對(duì)通信的 編程工作。 接口模塊（im） 接口模塊用于多機(jī)架配置時(shí)連接主機(jī)架（cr）和擴(kuò)展機(jī)架（er） 。 s7-300 通過分布式的主機(jī)架和 3 個(gè)擴(kuò)展機(jī)架，最多可以配置 32 個(gè)信 號(hào)模塊、功能模塊和通信處理器。

35、plc 系統(tǒng)設(shè)主站和遠(yuǎn)程 i/o 站。主站內(nèi)配置 cpu 模塊、通訊模塊和 i/o 接口模塊；遠(yuǎn)程站內(nèi)配置有通訊接口模塊、遠(yuǎn)程 i/o 接口模塊；主站 和遠(yuǎn)程 i/o 站之間采用 profibusdp 總線通訊。 3.6 無級(jí)繩絞車控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)配置無級(jí)繩絞車控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)配置 修磨機(jī)的通信網(wǎng)絡(luò)采用了 profibus-dp 協(xié)議，傳輸速率可達(dá) 12mbps。 選用 s7-300 的 cpu316-2dp 作為 dp 主站，負(fù)責(zé)修磨機(jī)的整體協(xié)調(diào)控制、 磨頭和臺(tái)車精確位置和速度控制 cpu316-2dp 與從站循環(huán)地交換信息，并 對(duì)總線通信進(jìn)行控制和管理，是系統(tǒng)的中央控制器。通過集成的

36、profibus-dp 接口可直接連接到 profibus-dp 現(xiàn)場(chǎng)總線。dp 從站有 et 20 200、變頻器、編碼器、操作面板等。et200 是多通道模塊化分布式 i/o， 最多可擴(kuò)展 8 個(gè)模塊、連接 256 個(gè) i/o 通道，適用于大點(diǎn)數(shù)、高性能的應(yīng) 用242224。使用 step7 作為設(shè)備的編程軟件。 3.7 修磨機(jī)修磨機(jī) plc 控制系統(tǒng)的硬件配置控制系統(tǒng)的硬件配置 表 3.1 plc 系統(tǒng)主要硬件表 名稱訂貨號(hào)主要技術(shù)參數(shù)數(shù)量dp 地址 電源模 塊 6es7 307-1ea00- 0aa0 220vac/24vdc、 5a。 10 cpu 模 塊 6es7 316-2ag0

37、0- 0ab0 內(nèi)置工作存儲(chǔ) 器：程序 1.4mb、 數(shù)據(jù) 1.4mb； 10 存儲(chǔ)卡 6es7 951-1kk00- 0aa0 容量：1mb 10 接口模 塊 6es7 365-0ba01- 0aa0 用于中央控制器 和一個(gè)帶最多 8 個(gè)模塊擴(kuò)展機(jī)架； 距離：1 m 1 0，1 6es7 321-1bl00- 0aa0 24vdc；32 點(diǎn) 3 0 數(shù)字量 輸入模 塊 6es7 131-0bl00- 24vdc；32 點(diǎn) 2 5，10 21 0xb0 6es7 131-0bl10- 0xb0 24vdc；32 點(diǎn) 1 6 6es7 322-1bl00- 0aa0 24vdc；32 點(diǎn) 2 0

38、 6es7 1320bh1- 0xb0 24vdc；16 點(diǎn) 2 7，8 數(shù)字量 輸出模 快 6es7 132-0bl0- oxb0 24vdc；32 點(diǎn) 1 11 數(shù)字量 輸入/輸 出模塊 6es7 133-0bl00- 0xb0 24vdc；16/16 1 9 模擬量 輸入模 塊 6es7 331-7kf01- 0ab0 24vdc；8 點(diǎn)； 輸入信號(hào)：電壓、 電流、熱電阻、 熱電偶。 41 模擬量 輸出模 板 6es7 332-5hd01- 0ab0 24vdc；4 點(diǎn)； 輸出信號(hào)：電壓、 電流；負(fù)載阻抗： 電壓 1000 歐姆、 電流 500 歐姆 21 22 操作屏昆侖通態(tài) tpc1

39、062ks 觸摸屏 主頻 400mhz 1 4 編碼器 leine&linde box 8 se-645 21 starangnas 1 12 編碼器 hubner fg4kk 8192g-90g-ng 1 12 變頻器 6es7033-2eg60-z114 變頻器 6es7026-0ed61-z115 表 3.2 i/o 點(diǎn)數(shù)匯總表 信號(hào)類型設(shè)計(jì)點(diǎn)數(shù)實(shí)際使用點(diǎn)數(shù)剩余點(diǎn)數(shù) 模擬量輸入32 點(diǎn)24 點(diǎn)8 點(diǎn) 模擬量輸出8 點(diǎn)6 點(diǎn)2 點(diǎn) 開關(guān)量輸入208 點(diǎn)143 點(diǎn)65 點(diǎn) 開關(guān)量輸出160 點(diǎn)89 點(diǎn)71 點(diǎn) 3.8 無極生絞車的變頻傳動(dòng)系統(tǒng)無極生絞車的變頻傳動(dòng)系統(tǒng) 3.8.1 變頻器的工作

40、原理變頻器的工作原理 變頻器是將固定頻率的交流電變換為頻率連續(xù)可調(diào)的電力裝置27。通過 改變 電機(jī)輸入電壓的頻率來改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。 23 3.8.2 變頻器電路的基本功能變頻器電路的基本功能 三相變頻器由三相整流橋、直流中間電路、逆變電路三部分組成。 整流橋?qū)⒐ゎl的外部電源變換直流電源，中間電路起濾波與保護(hù)作用，逆 變 電路將直流變換成頻率可變的交流電。 變頻器的控制電路包括：主控制電路、信號(hào)檢測(cè)電路、基極驅(qū)動(dòng)電路、外 部 接口電路以及保護(hù)電路。 控制電路檢測(cè)工作的狀態(tài)與參數(shù)，使變頻器能夠進(jìn)行各種高性能的控制， 并 為變頻器主電路提供所需的保護(hù)。 3.8.3 逆變電路的基本工作原理逆變電路的基本

41、工作原理 逆變電路的基本原理是：輸入直流電源，由六個(gè)晶體管開關(guān)組成三相逆變 電 路，通過控制這六個(gè)開關(guān)，在輸出端得到相位上相差 120 度(電氣角)的三 相交流 電源。開關(guān)頻率決定交流電源的頻率，幅值為直流電源的幅值。只要改變 開關(guān)順 序可改變?cè)摻涣麟娫吹南嘈?，從而改變異步電?dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向。 3.8.4 變頻器的種類變頻器的種類 變頻器有五種分類方式：按交流環(huán)節(jié)不同可分為間接和直接變頻器；按直 流 24 電路的濾波方式可分為電壓型和電流型變頻器；按電壓的調(diào)制方式可分為 脈沖幅 值調(diào)制和脈沖寬度調(diào)制；按控制方式可分為 v/f 控制、轉(zhuǎn)差頻率控制和矢 量控制 方式；按輸入電流的相數(shù)可分為三進(jìn)三出和單進(jìn)三

42、出變頻器。 3.8.5 中小容量通用型變頻器的主電路中小容量通用型變頻器的主電路 雖然變頻器的種類較多，但它們的基本結(jié)構(gòu)相似，大部分采用以下主電路 結(jié) 構(gòu)（圖 3.1） 。 圖 3.1 交直交電壓型變頻器主電路 3.8.6 變頻器的選型變頻器的選型 1）確定負(fù)載的機(jī)械特性 a）恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載 tl（阻轉(zhuǎn)矩）271000kgg1.8m476.28 25 tl傳送帶與傳輸拖輥之間的摩檫力 fl與半徑 r 的乘積 b）恒功率負(fù)載 不同的轉(zhuǎn)速下，負(fù)載功率是不變的。 c）平方律負(fù)載 阻轉(zhuǎn)矩與 n2（轉(zhuǎn)速）成正比。 2）確定變頻器的容量 一般情況下，變頻器的電流大于或等于額定電流，即：ibie。在 連續(xù)變動(dòng)負(fù)

43、載中，變頻器應(yīng)選電流大于或等于電機(jī)運(yùn)行過程中的最大電流， 即：ibimax。 對(duì)三相電機(jī)而言，p2（電機(jī)功率） cosiu3 3）確定變頻器的控制方式 變頻器控制方式有： a）v/fc 恒定控制（v/f 頻率控制、v/f 速度控制） 適用于水泵、風(fēng)機(jī)一類平方律負(fù)載； b）矢量控制 矢量控制通過三相-兩相變換和同步旋轉(zhuǎn)變換，把交流異步電動(dòng)機(jī)在 按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)上等效成直流電動(dòng)機(jī)，從而模仿直流電動(dòng) 機(jī)進(jìn)行控制，得到在靜、動(dòng)態(tài)性能上完全能夠與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美的交 流調(diào)速系統(tǒng)。矢量控制強(qiáng)調(diào)轉(zhuǎn)子磁鏈與轉(zhuǎn)矩的解耦，實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制，調(diào)速 范圍較寬。 c）直接轉(zhuǎn)矩控制 直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制不同，

44、直接轉(zhuǎn)矩控制放棄了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換， 而是在靜止兩相坐標(biāo)系上控制轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈，并采用砰-砰控制以獲得 快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。直接轉(zhuǎn)矩控制強(qiáng)調(diào)控制定子磁鏈，不受轉(zhuǎn)子參數(shù)隨轉(zhuǎn)速 變化而變化，采用轉(zhuǎn)矩和定子砰-砰 26 控制而避開了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，簡(jiǎn)化了控制結(jié)構(gòu)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。 以上 b） 、c）適用于重負(fù)載或恒轉(zhuǎn)矩工況。 根據(jù)工作情況，我們選擇直接轉(zhuǎn)矩控制的變頻器 直接轉(zhuǎn)矩控制的變頻器控制原理如圖 2 所示 圖 2 dtc 控制原理圖 直接轉(zhuǎn)矩控制具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1) 直接轉(zhuǎn)矩控制（dtc）與矢量控制不同，直接轉(zhuǎn)矩控制的反饋量是 力矩信號(hào)，高速數(shù)字信號(hào)處理器每秒鐘更新 40000 次實(shí)際檢測(cè)的電流信號(hào) 和 d

45、c 母線電壓信號(hào)，再由這些信號(hào)根據(jù)自適應(yīng)電機(jī)模型計(jì)算出力矩信號(hào)， 并對(duì)其進(jìn)行直接控制。它較矢量控制通過控制電流來間接控制力矩的方法 更直接、快速、高精度。 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的特點(diǎn)： a) 電機(jī)磁場(chǎng)矢量軌跡接近圓形，諧波小，損耗低，噪聲及溫升均比 27 一般逆變器驅(qū)動(dòng)的電機(jī)小得多。 b) 電機(jī)的數(shù)字模型是建立在定子坐標(biāo)系下分析并控制磁鏈和轉(zhuǎn)矩的， 省掉了復(fù)雜的坐標(biāo)變換及其計(jì)算，因而控制系統(tǒng)十分簡(jiǎn)單，物理過程直接 明確。 c) 直接轉(zhuǎn)矩控制采用定子磁鏈定向，該量?jī)H與定子電阻有關(guān)，只要 知道了定子電阻，就可以進(jìn)行磁鏈?zhǔn)噶靠刂啤?d) 直接轉(zhuǎn)矩控制強(qiáng)調(diào)的是轉(zhuǎn)矩的直接控制與效果，避開了通過控制 電流，磁

46、鏈等量間接控制轉(zhuǎn)矩的過程，而是直接控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩，因而使電 機(jī)獲得極高的響應(yīng)頻率，從而保證電機(jī)具有良好的速度控制能力。同時(shí)也 使得系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗機(jī)械諧振能力。 e) 精確的電機(jī)模型，高速數(shù)據(jù)處理技術(shù)，借助于獨(dú)立控制的兩點(diǎn)轉(zhuǎn) 矩調(diào)節(jié)器和磁鏈調(diào)節(jié)器，使優(yōu)化脈沖控制邏輯以極快的響應(yīng)頻率去高速更 新控制脈沖的狀態(tài)，保證了轉(zhuǎn)矩階躍響應(yīng)快速且無超調(diào)，也使得系統(tǒng)有很 好的零速滿轉(zhuǎn)矩能力，特別適合提升應(yīng)用。 f) 由于直接轉(zhuǎn)矩控制方式不需要測(cè)速反饋信號(hào)，因此可以不裝測(cè)速 機(jī)，其轉(zhuǎn)矩和速度的控制水平優(yōu)于閉環(huán)直流調(diào)速，如果有測(cè)速機(jī)反饋轉(zhuǎn)速 信號(hào)的話，直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)均遠(yuǎn)高于其他各項(xiàng)控制方式。 3.9 網(wǎng)

47、絡(luò)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 無極繩絞車各設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)分布廣，i/o 點(diǎn)多，若采用集中控制不利于現(xiàn) 場(chǎng)布線，如梭車上有大量信號(hào)，梭車是運(yùn)動(dòng)的，使用控制電纜采集信號(hào)會(huì) 造成拖纜小車負(fù)荷大，故障環(huán)節(jié)多等不利影響。所以 cpu 布置在主操作臺(tái) 內(nèi)，有 2 個(gè)機(jī)架，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備如閥臺(tái)、梭車、操作面板、編碼器、變頻器等 采用分布式 i/o，現(xiàn)場(chǎng)總線方式。 28 圖 3.3 系統(tǒng)硬件組態(tài)配置圖 模擬量輸入模塊 sm331: 用于連接電壓和電流傳感器、熱電偶、電阻器和電阻式溫度計(jì)。 sm331 目前有兩種規(guī)格型號(hào)，一種是 812 位模塊，一種是 212 位模塊， 我們系統(tǒng)所使用的是 812 位模擬量輸入模塊，連接垂直缸壓力銷傳感

48、器、 線性傳感器，水平缸線性傳感器，臺(tái)車測(cè)速電機(jī)，齒輪箱、液壓站、潤(rùn)滑 站溫度傳感器和壓力、速度等設(shè)定值。 模擬量輸出模塊 sm332: 用于連接模擬量執(zhí)行器。sm332 目前有 212 位和 412 位兩種規(guī)格 型號(hào)，我們所選用的為 412 位模擬量輸出模塊，主要連接垂直缸電磁閥 伺服閥和壓力、速度等的給定值。 數(shù)字量輸入模塊 sm321: 用于連接外部的機(jī)械觸點(diǎn)和電子數(shù)字式傳感器，本系統(tǒng)中主要連接各 種接近開關(guān)、光電管、限位開關(guān)和操作臺(tái)各控制按鈕信號(hào)。 數(shù)字量輸出模塊 sm332: 用于連接電磁閥、接觸器指示燈、電機(jī)啟動(dòng)器等。在本系統(tǒng)中主要連 29 接水平缸電磁閥和各信號(hào)燈指示。 3.10

49、 無極生絞車控制原理無極生絞車控制原理 由 kxjd1-127 隔爆兼本質(zhì)安全型電源控制箱和 cxh-1/9.5 本質(zhì)安全型 操作臺(tái)組成。 1) 控制原理 理想的啟動(dòng)速度曲線，應(yīng)使帶式輸送機(jī)平穩(wěn)啟動(dòng)，且在整個(gè)啟動(dòng)過程 中加速度的最大值較小，沒有突變，即最大限度地減小啟動(dòng)慣性力和啟動(dòng) 沖擊作用。 國(guó)內(nèi)常用的控制曲線如圖 3 所示，其曲線方程為： v(t)=v/2(1-cost/t) 0tt v：設(shè)計(jì)帶速， t：?jiǎn)?dòng)時(shí)間。 由于輸送機(jī)在啟動(dòng)之前，輸送帶處于松弛狀態(tài)，為避免輸送帶的沖擊， 將輸送帶拉緊啟動(dòng)，可進(jìn)一步改善啟動(dòng)峰值張力作用。這樣，需要在啟動(dòng) 開始階段加入一段時(shí)間延遲段，其最佳起動(dòng)曲線如圖

50、 4 所示。延遲段的速 度一般取為設(shè)計(jì)帶速的 10。 30 圖三 上述曲線中啟動(dòng)時(shí)間 t 是非常重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，一般可根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)， 通過控制啟動(dòng)最大加速度或平均加速度，初步確定啟動(dòng)時(shí)間，再根據(jù)動(dòng)態(tài) 分析結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。通常情況下，長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)的啟動(dòng)最大加速度不 大于 0.05m/s2，中長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)的啟動(dòng)最大加速度不大于 0.1m/s2。 a) 變頻器的啟動(dòng)控制曲線 理想的啟動(dòng)速度曲線，應(yīng)使帶式輸送機(jī)平穩(wěn)啟動(dòng)，且在整個(gè)啟動(dòng)過程 中加速度的最大值較小，沒有突變，最大限度地減小啟動(dòng)慣性力和啟動(dòng)沖 擊力。本技術(shù)方案檢驗(yàn)控制曲線如圖 4 所示。 圖四 起動(dòng)過程 為避免輸送機(jī)在啟動(dòng)過程中發(fā)生共振

51、現(xiàn)象，本方案啟動(dòng)時(shí)間 t 根據(jù)我 公司的經(jīng)驗(yàn)設(shè)置在 t5lvw，即啟動(dòng)時(shí)間 t 大于下分支輸送帶縱向波由 機(jī)頭傳到機(jī)尾所需時(shí)間的 5 倍。 l：輸送機(jī)總長(zhǎng)，m vw：輸送帶縱向應(yīng)力波傳遞速度，m/s vw=eb/（qb+qru） 0.1v t v 0 時(shí)間 速度 皮帶拉緊時(shí)間 31 e：輸送帶彈性模量，n/mm b：帶寬，mm qb：輸送帶單位質(zhì)量，kg/m qru：下分支托輥轉(zhuǎn)動(dòng)部分質(zhì)量，kg/m b) 起動(dòng)時(shí)的功率平衡。為達(dá)到這一效果，本方案采用交流變頻器作 為驅(qū)動(dòng)部件。在多機(jī)拖動(dòng)時(shí)，根據(jù)皮帶機(jī)機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置的布置，bpj1 系列 變頻器可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩或速度全程跟蹤，達(dá)到功率平衡。 如：當(dāng) 2

52、臺(tái)以上電機(jī)同時(shí)起動(dòng)，且前兩臺(tái)電機(jī)處于同軸時(shí)，則兩同軸 的 1 號(hào)電機(jī)設(shè)為主機(jī)，2 號(hào)電機(jī)必須設(shè)為轉(zhuǎn)矩跟蹤；不同軸的 3 號(hào)電機(jī)設(shè) 為速度跟蹤。并將 2 號(hào)變頻器的速度輸出作為 3 號(hào)變頻器的速度輸入給定。 如此，便能實(shí)現(xiàn) 3 臺(tái)電機(jī)功率平衡。 c) 變頻器的停車 變頻器的停車由自由停車和變頻停車兩種。自由停車是靠系統(tǒng)慣性停車， 變頻停車是按預(yù)定的停車曲線停車，即：正常運(yùn)行停車時(shí)，plc 控制器給 變頻器一個(gè)停車命令（可以是接點(diǎn)信號(hào)，也可以是 4-20ma 給定的倒“s” 型或線性停車曲線） ，變頻器會(huì)按照給定的停車曲線和時(shí)間自動(dòng)進(jìn)行停車， 即：變頻器在接收到停車指令后，會(huì)按給定的減速參數(shù)盡可能

53、地減速到給 定值，然后開始直流制動(dòng)。正常情況下，當(dāng)變頻器的頻率降到 0.5hz 時(shí), 開始直流制動(dòng),整個(gè)停車過程，一般在 10-60s 之內(nèi)完成（如圖 6 所示） 32 圖六 3.11 無極繩絞車控制系統(tǒng)硬件配置無極繩絞車控制系統(tǒng)硬件配置 本方案的控制系統(tǒng)內(nèi)由 kxjd1-127 型隔爆兼本質(zhì)安全型電源控制箱 （如圖 7 所示）來完成，箱內(nèi)裝有西門子 s7-300plc、觸摸屏（或顯示器） 、 本質(zhì)安全型電源和繼電器等。 33 圖 7 主要功能和特點(diǎn)： a) 采用模塊化結(jié)構(gòu) 各 i/o 模塊采用可拆卸端子排，出現(xiàn)故障時(shí)便于維修和更換；具有故 障自診斷功能 plc 的掃描器和適配器發(fā)生故障時(shí)，系

54、統(tǒng)會(huì)通過網(wǎng)絡(luò)的通訊 情況判斷故障，并發(fā)出報(bào)警；plc 的 i/o 模塊發(fā)生故障時(shí)，cpu 會(huì)通過 i/o 模塊的狀態(tài)位偵測(cè)到故障及故障內(nèi)容，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警。plc 配有 pt100 溫度模塊，實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)（電機(jī)內(nèi)置 tp100）各測(cè)點(diǎn)溫度，實(shí)現(xiàn)超溫保護(hù) 并在顯示屏和上位機(jī)上顯示。整個(gè) plc 控制功能主要是完成變頻器運(yùn)行過 程和輔助設(shè)備所有控制功能，即軟起、軟停和過程控制。 b) 供操作箱的外部本安傳感器用，可提供 5 路不共地的隔離柵，其 中 3 路作隔爆與本安的轉(zhuǎn)換，1 路作隔爆與非隔爆的轉(zhuǎn)換；可輸入 16 個(gè)開 關(guān)量信號(hào)，2 個(gè) 420ma 模擬量信號(hào)，可輸出 8 個(gè)開關(guān)量信號(hào)，2 個(gè)模

55、擬 量信號(hào)；輸出接點(diǎn)容量：dc10a、220v、ac16a、500v；本安端：最高電壓 34 dc9.5v，最大電流 1a。 c) 觸摸屏 觸摸屏具有各種設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)顯示功能，包括膠帶的運(yùn)行、停 止、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)電流、故障保護(hù)（尾部重錘限位、煤倉煤位、語音、 灑水、溫度、打滑等） 、近控遠(yuǎn)控狀態(tài)、電機(jī)溫度、變頻器溫度、變頻器 直流電壓、系統(tǒng)電壓電機(jī)功率、電機(jī)轉(zhuǎn)矩、電機(jī)頻率、運(yùn)行時(shí)間等幾十個(gè) 參數(shù)和多達(dá) 50 個(gè)故障及報(bào)警信息，觸摸屏還可以通過門上 5 個(gè)防爆型按 鍵修改程序或控制皮帶運(yùn)行。起動(dòng)流程圖（詳見圖 8）和停車流程圖（詳 見圖 9） 觸摸屏顯示大致分為六個(gè)主畫面和若干個(gè)子畫面。

56、 上電后觸摸屏顯示“歡迎”畫面，通常情況下選擇“監(jiān)控”按鈕，進(jìn) 入“系統(tǒng)監(jiān)控”畫面，如選擇“報(bào)警”按鈕，進(jìn)入“故障報(bào)警”畫面，如 選擇按“參數(shù)”按鈕，進(jìn)入“延時(shí)參數(shù)設(shè)定”畫面，如選擇按“系統(tǒng)”按 鈕，進(jìn)入“系統(tǒng)設(shè)定”畫面。 “系統(tǒng)監(jiān)控”畫面第一行左上角是工作方式指示，中間是工作狀態(tài)指 示，右邊是起動(dòng)、停止按鈕。以下幾行為指示燈，當(dāng)對(duì)設(shè)備動(dòng)作后，呈高 亮狀態(tài)。 “故障報(bào)警”畫面可以通過“報(bào)警清單”按鈕條查看目前報(bào)警的故障， “報(bào)警記錄”按鈕條清除故障報(bào)警記錄。 “故障復(fù)位”按鈕條用于解除軟 件上的故障自鎖。 “系統(tǒng)設(shè)定”畫面的“設(shè)備監(jiān)視”按鈕條可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)視 plc 的內(nèi)部軟 件， “pcl 診斷

57、”按鈕條可以查看 plc 程序指令， “數(shù)據(jù)文件”按鈕條可以 編輯觸摸屏的數(shù)據(jù)文件值， “畫面清單”可以查看觸摸屏所有的畫面， “時(shí) 間日期”按鈕條可以設(shè)定當(dāng)前時(shí)間， “對(duì)比度”按鈕條可以調(diào)整觸摸屏的 對(duì)比度， “蜂鳴器”按鈕條可以關(guān)閉或打開觸摸時(shí)的聲音， “停止 plc”按 35 鈕條用于在“程序清單”畫面中修改程序指令時(shí)停止 plc。 “延時(shí)參數(shù)設(shè)定”畫面有兩上畫面組成，用于對(duì)程序中的延時(shí)參數(shù)進(jìn) 行監(jiān)視和修改，觸摸某項(xiàng)參數(shù)的標(biāo)簽，在彈出軟鍵盤上修改參數(shù)，按畫面 上的“保存修改值”按鈕條，可以保存已修改的參數(shù)， “載信修改值”將 導(dǎo)入上次保存過的、經(jīng)修改的參數(shù)， “載入設(shè)定值”將導(dǎo)入默認(rèn)的參數(shù)。 36 圖