第四章提升行程PLC控制

第4章提升机提升行程PLC控制技术矿井提升机与所有的运输设备一样，其工作目标是把被运输物体从原始出发点运输到目的地，即从一个提升水平（例如A）运至另一个提升水平（例如B）。因此对控制系统而言，它是一种对被控对象“位置变化”的控制。为保证提升机运行安全、准确、经济、高效，当提升机运行位置变化时，其速度也应作相应的变化。在实际中，实现提升机从A水平至B水平的运输时，其速度一般要经过初加速、正常加速、等速、减速和低速爬行五个阶段的变化，要完成提升机运行速度的控制，则必须有一个按上述要求而确定的可靠的速度参考信号，即调节系统中的“速度给定信号”，才能保证安全可靠和准确高效地完成提升任务。4．1速度给定方式分析目前提升机采用的给定方式有两种：一是给定速度为时间的函数（v=f(t)），简称时间给定，其给定速度图如图4—1a所示；二是给定速度为行程的函数（v=f(s)），简称行程给定，其给定速度图如图4—1b所示。a1vma3v4t1t2t3t4otv图4—1a时间给定速度图h1h2h3h4hvmv4v图4—1b行程给定速度图当调速系统的机械特性具有足够的硬度时，这两种给定方式效果基本是一样的，但当调速系统的静差率较大，负载的波动较大（例如副井）时，这两种给定方式的效果就有差别。为了改善提升系统的运行性能，近年来在速度给定电路中增加了加速度变化率限制环节，即不但要限制加速度值a，而且还要限制加速度的导数da/dt，为了使提升系统更加安全可靠地运行，有的提升机速度给定电路中采用行程给定和时间给定串级联接。但这种电路设计复杂、参数调整不易，因而为了获得理想的速度给定曲线，现已采用计算机软件来实现速度给定信号的计算。4．1．1时间给定方式对于时间给定方式，我们分析以下两种情况，一是在负载波动时，若系统的静差率较大，其实际速度是波动的；二是在提升运行最大速度较低时，其减速段运行时间是有着明显变化的。在这两种情形下，提升机运行在减速段的行程距离是变化的。下面举例说明。图4—2a中的曲线I所示的是全速Vm=10m/s、减速度a2=1.0m/s2、爬行速度Vp=0.4m/s的给定速度图。在提升重物时，实际运行的速度V1=9.8m/s，实际运行的速度图如图4—2a中的曲线Ⅱ所示。111ACEDBFt0t1t2v图4—2a时间给定方式下的偏差分析（提升重物）111ACEDBFt0t1t2v图4—2b时间给定方式下的偏差分析（下放重物）由图4—2a可以看出，在减速段，实际上运行距离比给定速度图I少运行AE段（忽略爬行段的速度偏差）。而AE段折合的运行距离△h为：△h=tVVEA)(21式中t—A点减至E点所需时间，t=（VA-VE）/a2=(10-9.8)/1.0=0.2s则△h=m98.12.0)8.910(21由于减速点A到停车点F的距离是一定的，减速段距离减少1.98m，则爬行距离增加1.98m。一般爬行速度VP很小，在0.3~0.5m/s之间，那么会使爬行段的运行时间增加好几秒，致使提升周期延长，提升能力减少。若为下放重物，在等速度段的实际速度大于给定速度Vm，实际运行速度图如图4—2b中的曲线I所示，曲线I为给定速度图。若实际运行全速为10.2m/s，则在减速段，实际上比给定速度图多运行了CE段。经分析CE段的距离为2.02m。由于减速段运行了2.02m，则爬行段距离就减少了2.02m，为了尽量减小提升周期，一般爬行距离仅有2~3m，若调速系统的静差率再大一些，则有可能在停车时速度仍较高，以致停车时因速度过高而产生机械冲击，或停车不准确，甚至造成上提过卷，给提升机的安全运行造成不安全因素。时间给定的特点是在任何情况下不论提升速度大小，减速度a都是恒定的，这就形成了不同提升速度下减速曲线差别很大。如果速度图是按最大速度下最短周期的情况而设计的，则在速度较低情况下运行时减速段缩短，将有很长一段爬行距离，大大延长了提升时间，如图4—3所示。标准速度图时间方式速度图vmvm1t0t1t2t3t4v图4—3时间给定速度图仍如上例，提升机设计速度Vm=10.0m/s，减速度a2=1.0m/s2，爬行速度Vp=0.4m/s，若按最大速度下最短周期的情况考虑：则减速点到停车点距离△s=Vm2/2a2=50m，运行时间t=Vm/a2=10s。当提升机Vm1=5.0m/s运行时，可以计算出减速点至爬行点距离：△s=mavvpm34.1222212减速点至爬行点时间：t2-t1=savvpm6.421爬行距离：s2=△s-△s1=37.66m爬行时间：t4-t2=△s2/Vp=94.15s减速点至停车点运行时间：△t=t4-t1=98.75s由以上计算结果可以看出，时间给定方式在最大提升速度较低的情况下，提升循环周期大大延长，从而也就降低了提升设备生产效率。4．1．2行程给定方式行程给定就是按行程原则产生速度给定信号，过去通常是采用凸轮板给定方法，即由凸轮板控制自整角机的输出电压。目前已有不少系统采用电子线路（例如SIEMENS公司产品）或计算机（例如原AEG公司产品）来实现按行程原则产生速度给定信号，即首先通过轴编码器检测提升行程，然后根据行程及期望的速度图，由电子线路或计算机产生速度给定信号。对于行程给定方式，当负载变化时，若系统的静差率较大，则在减速阶段的实际速度也是波动的，但是减速距离变化很小，下面举例说明。若给定的等速度Vm=10m/s，减速度a2=1.0m/s2，爬行速度Vp=0.4m/s，给定的速度图如图4—4中的曲线I所示。111ADBFE0vhC图4—4a行程给定方式的误差分析（提升重物）111ADBFE0vhC图4—4b行程给定方式的误差分析（下放重物）在提升重物时，实际运行的速度图如图4-4（a）中的曲线II所示，（忽略爬行阶段的速度偏差）。设定的爬行距离为BF段，但实际的爬行段为DF段，致使爬行距离增加了DB段，若等速段的实际速度Vc=9.8m/s，速度偏差为0.2m/s。在D点时的实际速度为0.4m/s，而在给定速度图中此点的速度VE=0.6m/s，速度偏差也为0.2m/s。经计算，速度从0.6m/s下降到0.4m/s时所需的时间为0.2s，则DB段距离为：hDB=mtVVBE1.02.0)4.06.0(21)(21在下放重物时，实际运行的速度图如图4—4（b）中的曲线II所示（忽略爬行段的速度偏差）。设定的爬行段为BF，但实际的爬行段为DF，致使爬行距离减少了BD段。若在等速段的速度Vc=10.2m/s，经计算，BD段的距离为hDB=0.1m。显然，当负载波动时爬行段的距离基本不变，由此可见，行程给定方式比时间给定方式优越。对于行程给定方式，下面就最大运行速度变化时作一分析，并和时间方式下的控制性能比较。假设本次开车最大速度值Vm1Vm，如果还强行按照原最大速度Vm设计的行程给定作为提升机的速度给定信号，则会在减速点处速度给定信号发生一个大幅值方向的跳变，这对提升机支行工艺是不容许的。因此，这里所采取的行程原则是提升机到减速点后，并不立即减速而是等待一段时间，当检测到实际减速值时，才开始减速，这就相当于根据等速段的实际速度值把减速点适当后移。对这种行程给定原则，我们作一简单计算。仍如上例，Vm=10m/s，a2=1.0m/s2。减速点到停车点距离△s减=Vm2/2a2=50m，减速支行时间，△减=Vm/a2=10s。T2-t4时间段间隔：t4-t2=Vm1/a2=5sT4-t2段内行程△S4：△S4=Vm12/2a2=12.5mT1-t2段内行程△S3：△S3=△S减-△S4=37.5mT1-t2段内时间隔：T2-t1=△S3/Vm1=7.5s减速点到停车点所用时间：△T=t4-t1=12.5s将时间方式速度图和行程方式速度图作于图4—5中，可以看出，行程给定较时间给定，克服了由于最大提升速度的变化而引起的提升周期及距离变长的缺点，提高了生产效率。标准速度图时间方式速度图vmvm1t0t1t2t3t4v行程给定t5图4—5时间方式和行程方式速度图4．1．3带加速度变化限制的速度给定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。梯形速度图是我国提升机运行中广泛采用的一种速度图，具有代表性的如图4—6所示。0VmVt图4—6折线型速度给定曲线折线型速度给定曲线能够基本满足控制要求，但也存在不足：一是对电网造成有功和无功的冲击，形成尖峰负荷，影响整个电网系统的正常运行。二是对提升系统机构部分产生动态冲击，加大钢丝绳的摆动，对提升机的稳定运行造成不良影响。究其原因，主要是这种折线型速度图的速度过渡不平滑，在速度的变化转折处加速度变化率过大而造成的。因此，为了解决折线型速度曲线所产生的问题，实现速度图的平滑变化，我们可以利用计算机技术，由软件实现提升运行速度曲线的S化（即通过限制加速度a的变化率），产生S型速度给定曲线，如图4—7所示。并且通过修改有关提升控制参数，无论是加速起动段，还是减速制动段，也无论是单层运行还是多层运行都可以产生所期望的速度给定曲线。图4-7S型速度给定示意图由于软件调试方便，参数可以任意修改，能够实现较为复杂的控制措施，因此拟用软件来实现S型速度给定信号。用软件实现S型速度曲线，其参数不随外界变化，而且可以任意修改，以达到预期的加速度变化率；采用抗扰能力强的工业性计算机，可使系统可靠工作，而且几乎不需要维护。4．2S型速度给定曲线的算法分析4．2．1产生理想S型速度给定曲线基本公式1、起动加速段基本公式在提升机运行于正常状态，运行最大速度值保持在恒值Vm时，此时生成的速度曲线，我们可以称之为理想S型给定曲线，如图4—7所示。000àavtttt1t2t3t4t5t6t7t8T速度计算的基本依据是加速度的变化率对时间的双积分，它能给出每一计算周期内的实际给定值，从而产生计算过程的运行曲线V=f(t)，这样用抛物线和直线综合成的速度曲线实现了速度转折点处平滑过渡。图4—7所示曲线中0—t3为起动加速段，t3—t4为全速段，t4—t7为减速段，t7之后为爬行和停车段。曲线在各时间段上的表达式为：V1(t)=21A1t20≤t≤t1(4—1))(21)(111122ttaAatVmmt1≤t≤t2(4—2)222123)(21)(ttAaAVtVmmt2≤t≤t3（4—3）式中：am1——加速起动段最大加速度（m/s2）；A1——0~t1段加速度的变化率（m/s3）；A2——t2~t3段加速度的变化率（m/s3）。其中A1、A2值的大小，可在实际系统调试中，在满足现场生产的要求及保证机械冲击能够承受的前提下，进行合理的确定。2、全速运行及减速停车段基本公式经过起动加速段，提升机便以给定最大速度全速运行，并不断检测提升容器的实际行程。在减速段为保证运行可靠、停车准确，速度给定采用行程方式，也就是在提升容器到达减速点时，提升机自动进入减速制动（电气制动过程），行程计算机不断计算实际的减速距离，在给定的运行曲线参数下，减速段速度给定便是这个减速距离的函数。全速阶段：V（t）=Vmt3t≤t4(4—4)在减速阶段，为方便分析，将速度图曲线分成三段，如图4—8所示，各段速度与行程关系式为：减速段I（tI段）：2)(21)(43ttAVtVmt4t≤t5（4—5）3434)(61)()(ttAttVtSmt4t≤t5（4—9）其中：A3——该段加速度变化率（m/s3）t4t5t6t7am2aRR6R7VpttV图4—8减速段速度图曲线减速段II（tII段）：V(t)=V(s)=2622VSamt5t≤t6(4—6)中：am2——减速段最大减速度值（m/s2）S——S6--S（t），为匀减速段行程值（m）；S6——参考点R6位置，视具体情形而定，一般距停车点5~10m；V6——参考点R6速度值，一般取2.0~2.5m/s减速段III（tII段）：V（t）=V6-am2(t-t6)+264)(21ttAt6t≤t7(4—7)36