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        全數(shù)字傳動控制系統(tǒng)INGESYS IC3的應用

        2013-07-02 06:45:02杜昆吳傳祥劉鵬程
        電氣傳動 2013年2期
        關鍵詞:長材副井電樞

        杜昆,吳傳祥,劉鵬程

        (淮南礦業(yè)集團 張集煤礦,安徽 淮南232174)

        1 引言

        淮南礦業(yè)集團張集煤礦是年產1 360 萬t 的大型現(xiàn)代化礦井,其副井提升系統(tǒng)采用了2 套JKMD-4.0×4(Ⅲ)落地式多繩摩擦輪提升機,主電機為1 600 kW 直流電機。 傳動系統(tǒng)采用磁場恒定,電樞換向,邏輯無環(huán)流可逆雙閉環(huán)(電流環(huán)、速度環(huán))直流調速方案。 磁場采用三相全橋式整流裝置,電樞回路采用兩組可逆整流橋并聯(lián)組成主電路。 自1998年以來,提升傳動控制一直采用的是西班牙C30 直流調速系統(tǒng),在技術上和硬件上已面臨淘汰。 隨著張集礦的發(fā)展,對副井的提升能力提出了更高的要求,在保證人員安全上下井之外,還要承擔大量車皮、矸石、長材、大件的打運任務。 因此,確保絞車的安全穩(wěn)定運行顯得極為重要。

        原C30 系統(tǒng)經過十多年的使用,已暴露出諸多問題,如:調速反饋信號易受電磁干擾;絞車低轉速運行時經常出現(xiàn)抖動;加速度變化不連續(xù),S形曲線過渡不平滑,絞車運行欠平穩(wěn),易造成電流短時變化率過大導致大功率元件損壞的情況,同時增加了鋼絲繩的受力,影響其使用壽命;由于系統(tǒng)相應備件已停產,市場上無法購買,目前已無備件可供更換。

        為保證絞車的穩(wěn)定運行,我們將副井原有的C30 系統(tǒng)升級為INGESYS IC3(以下簡稱為IC3)全數(shù)字傳動控制系統(tǒng)。

        2 IC3 系統(tǒng)硬件組成

        IC3 系統(tǒng)為西班牙INGETEAM 公司開發(fā)的最新產品,為原C30 系統(tǒng)的升級替換版,采用完全模塊化設計,并且支持熱插拔。

        1)電源模塊IC3601:輸出DC 24 V,為系統(tǒng)其他模塊供電。

        2)CPU 模 塊IC3101:模 塊 的CPU 采 用 了Pentium 500 MHz 微處理器,32 MB FLASH 存儲器,外接擴展CFLASH 存儲卡插槽,64 MB 內存以及256 kB 用戶自定義的非易失性隨機訪問存儲器(NVRAM)。模塊的接口也十分豐富:2 個10/100M 自適應以太網接口,可以與上位機的網卡接口連接進行通訊,使得工程技術人員可以很方便地進行在線調試;1 個USB2.0 接口;1 個RS-232C 串行接口等。

        3)IO 直流驅動模塊IC3711:本系統(tǒng)共使用了3 個IC3711 模塊,分別用于驅動電樞Ⅰ、電樞Ⅱ和勵磁系統(tǒng)的晶閘管觸發(fā)脈沖。

        4)數(shù)字量輸入模塊IC3311:32 位數(shù)字量輸入模塊。

        5)數(shù)字量輸出模塊IC3331:32 位數(shù)字量輸出模塊。

        6)高速計數(shù)模塊IC3391:包括6 個高速計數(shù)器和4 個11 位可調幅值模擬量輸出。

        7)現(xiàn)場總線PROFIBUS-DP 通信模塊IC3271:如圖1所示,主控AB PLC 的DP 模塊與IC3271 通過西門子DP 耦合器連接,從而建立通訊。

        圖1 系統(tǒng)通訊示意圖Fig.1 The schematic diagram of system communication

        3 IC3 編程軟件CoDeSys

        CoDeSys 是PLC 的完整開發(fā)環(huán)境,支持基于IEC61131-3 標準的編程語言,同時還支持C 語言等高級語言。 只要在上位機上安裝了CoDeSys軟件,經過簡單的設置,通過普通的RJ-45 網線連接CPU 模塊IC3101 和上位機的以太網接口,即可實現(xiàn)上位機與IC3101 的通訊。 軟硬件的結合使IC3 系統(tǒng)實現(xiàn)了如下功能。

        3.1 全數(shù)字行程控制

        原C30 系統(tǒng)中,提升機滾筒上設置了1 個測速電機,輸出速度信號至AB PLC。 由于測速機輸出為模擬量,易受外界電磁干擾及自身運行不穩(wěn)等因素,容易導致誤差,會造成C30 與主控PLC速度比較值超出額定范圍,引起安全回路動作,導致緊急停車,有時會對主電機和鋼絲繩造成不同程度的傷害。 所以,此次系統(tǒng)升級拆除了測速電機,直接采用編碼器輸出的數(shù)字信號作為實際速度輸出信號,在相當程度上避免了此類事故的發(fā)生。

        主軸上有2 個增量式旋轉軸角編碼器,其輸出脈沖分別送入AB PLC 的高速計數(shù)模塊和IC3的高速計數(shù)模塊IC3391。 旋轉編碼器與被測軸相連,可連續(xù)輸出與旋轉角度對應的脈沖數(shù),其輸出脈沖頻率與轉速成正比。 轉動時輸出A,B兩列正交脈沖,IC3391 對來自編碼器的行程脈沖進行計數(shù)和數(shù)據(jù)處理,可計算出容器的實際位置及運行速度,并與主控PLC 的輸出相比較,取最小值送入速度調節(jié)器給定。 系統(tǒng)調用S_CURVE 子程序生成S 形速度曲線的程序界面,如圖2所示。

        圖2 S 形速度曲線生成程序界面Fig.2 S-curve program generation interface

        圖3為提升速度曲線。 從圖3可以看出,曲線過渡平滑,加速度變化連續(xù),大大降低了由于提升速度反超調引起的振蕩,緩和了鋼絲繩的受力,消除了對提升系統(tǒng)的沖擊,減少了振動,使絞車運行更加平穩(wěn)。 編程中對提升速度進行了重新設定,由于生產任務較重,為了使車皮、矸石、物料能夠及時上下井,提物速度需進一步提高;“大件”和“長材”以前一直共用一個信號,考慮到實際生產的需要,將“大件”和“長材”信號區(qū)分開,設定為2 個獨立的速度選擇,同時打運長材的速度應在保證安全施工的情況下提高一倍,液壓支架等大件打運,考驗的是絞車的提升極限,速度仍保持不變; 爬行段的速度由原來的0.2 m/s 提高為0.35 m/s,并對速度曲線圖的各段進行了優(yōu)化,使絞車提升循環(huán)時間大幅降低,經濟效益和打運效率提升明顯,符合實際生產的迫切需要。

        圖3 提升速度曲線Fig.3 The lifting velocity curve

        3.2 電樞電流、勵磁電流的調節(jié)

        CoDeSys 中通過高級語言編程實現(xiàn)了可視化視窗界面,直觀地顯示出系統(tǒng)運行的各個環(huán)節(jié),使之一目了然,極大地凸顯了IC3 新系統(tǒng)的應用優(yōu)勢,如圖4所示。

        圖4 電樞電流調節(jié)器界面Fig.4 The armature current regulator interface

        3.3 安全回路和安全監(jiān)視

        IC3 系統(tǒng)和主控PLC、 繼電器回路的雙重保護可以實現(xiàn)對整個提升系統(tǒng)的冗余監(jiān)控。 速度監(jiān)控的目的是為了防止錯向和超速。 系統(tǒng)根據(jù)旋轉編碼器輸入脈沖的相位關系確定提升機的實際運行方向,再與給定方向比較,錯向時發(fā)出錯向保護。 超速保護采用全行程速度監(jiān)控。 此外如電樞過流,勵磁故障、過卷等故障都可以在可視化界面里顯示出來,如圖5所示。 為檢修人員及時診斷排查提供了強大而方便的工具。

        圖5 系統(tǒng)故障診斷顯示Fig.5 The fault diagnosis of system

        4 系統(tǒng)升級改造成果及結論

        系統(tǒng)升級改造后,提升效率顯著提高。提物的速度由6 m/s 提高到8 m/s;“大件”和“長材”區(qū)分為2 個獨立的速度選擇,打運長材的速度由1.5 m/s 提高至3 m/s; 絞車提升循環(huán)時間由150 s 降至120 s,經濟效益十分明顯。 全數(shù)字行程控制,按S 形曲線行程原則產生速度給定信號,速度曲線過渡平滑,優(yōu)化了對加速度變化率的控制,減少了對電網及提升機械系統(tǒng)的沖擊,絞車低轉速運行時出現(xiàn)抖動的現(xiàn)象已經基本消失,極大提高了絞車運行的安全可靠性和乘坐的舒適性。

        自2011年8月對副井單罐、9月對副井雙罐提升系統(tǒng)順利升級改造以來,根據(jù)生產需要多次對程序進行優(yōu)化,相對于以前的C30 系統(tǒng),技術人員通過CoDeSys 軟件可以很方便的對新系統(tǒng)進行在線監(jiān)測、程序修改、故障查詢,確保了副井絞車系統(tǒng)保持著高效穩(wěn)定安全的運行狀態(tài),至今未發(fā)生過由于傳動系統(tǒng)故障而產生的提升事故。實踐證明,INGESYS IC3 全數(shù)字傳動控制系統(tǒng)在張集礦副井提升中發(fā)揮著重要作用。

        [1] Ingeteam Technology.Hardware and Software Reference,Development Environment User,System Configuration and Installation Manuals[M].Ingeteam Technology,2009.

        [2] 王清靈,龔幼民.現(xiàn)代礦井提升機電控系統(tǒng)[M].北京:機械工業(yè)出版社,1996.

        [3] 馬建民,趙增玉.現(xiàn)代提升機數(shù)字控制系統(tǒng)[M].北京:中國礦業(yè)大學出版社,2002.

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