Nghiên cứu ứng dụng hệ biến tần động cơ để điều khiển tự động trục tải giếng nghiêng công ty than vàng danh

Bộ giáo dục đào tạo Trường đại học mỏ địa chất - Phạm văn Linh Nghiên cứu ứng dụng hệ biến tần động để điều khiển tự động trục tải giếng nghiêng Công ty than Vàng Danh Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hà nội 2008 Bộ giáo dục đào tạo Trường đại học mỏ địa chất Phạm văn Linh Nghiên cứu ứng dụng hệ biến tần - động để điều khiển tự động trục tải giếng nghiêng Công ty than Vàng Danh Chuyên ngành : Tự động hóa Mà số : 60.52.60 Luận văn th¹c sÜ kü tht ng­êi h­íng dÉn khoa häc : TS Nguyễn Chí Tình Hà nội 2008 Bộ giáo dục đào tạo Trường đại học mỏ địa chất Cộng hoà xà hội chủ nghĩa Việt Nam Độc lập Tự Hạnh phúc Lời cam đoan Tôi xin cam đoan rằng: Ngoài tài liệu tham khảo mà trích dẫn, nội dung luận văn kết làm việc thân thời gian qua Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước hội đồng bị phát có chép nội dung tài liệu công trình nghiên cứu khác đà công bố Hà nội, ngày tháng năm 2008 Học viên Phạm Văn Linh Lời cảm ơn! Với quan tâm, giúp đỡ hướng dẫn tận tình Thầy giáo, TS Nguyễn Chí Tình, với nỗ lực thân đến đà hoàn thành luận văn thạc sĩ kỹ thuật Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn gửi tới thầy lời cảm ơn chân thành sâu sắc Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Thầy cô giáo Bộ môn Tự động hoá Trường Đại học Mỏ Địa Chất, người đà truyền dạy cho kiến thức quý báu Tôi xin gửi lời cảm ơn đến lÃnh đạo phòng Cơ điện mỏ than Vàng Danh, cảm ơn chuyên gia Phạm Ninh Công ty Tư vấn đầu tư mỏ Công nghiệp đà giúp đỡ trình thực đề tài Cảm ơn toàn thể bạn bè gia đình đà giúp đỡ động viên để hoàn thành tốt luận văn Hà nội, ngày tháng năm 2008 Học viên Phạm Văn Linh Mục lục Trang phụ bìa Lời cam đoan Lời cảm ơn Danh mục bảng Danh mục hình vẽ, đồ thị Mở đầu Chương Tổng quan biến tần sử dụng công nghiệp mỏ 1.1 Cơ sở lý thuyết thiết bị biến tần: 1.1.1 Thiết bị biến tần gián tiếp 1.1.1.1 Cấu trúc biến tần gián tiếp 1.1.1.2 Các nguyên lý điều khiển biến tần gián tiếp 1.1.1.3 Mạch biến tần pha 1.1.1.4 Biến tần ba pha nguồn áp 1.1.1.5 Điều khiển nghịch lưu dòng điện 1.1.1.6 Điều khiển biến tần theo phương pháp điều chế vector không gian 1.1.2 Thiết bị biến tần trực tiếp 1.1.3 Nguyên lý làm việc biến tần trực tiếp 1.2 Tổng quan loại biến tần sử dụng công nghiệp mỏ 1.2.1 Sử dụng biến tần điều khiển hệ thống vận tải băng tải: 1.2.2 Sử dụng biến tần điều khiển hệ thống bơm thoát nước, quạt thông gió: 1.2.3 Sử dụng biến tần điều khiển hệ thống vận tải trục tải (tời): 1.2.4 Sử dụng biến tần ®iỊu khiĨn c¸c hƯ thèng kh¸c: 1.2.5 NhËn xÐt: 1.3 Các thông số kỹ thuật số biến tần sử dụng mỏ 1.3.1 Biến tần hÃng SIEMENS sản xuất: 1.3.1.1 Các thông số kỹ thuật: 1.3.1.2 Cực đấu dây sơ đồ mạch điều khiển: 1.3.1.3 Màn hình điều khiển: 1.3.2 Biến tần Altivar 71 hÃng Schneider sản xuất: 1.3.2.1 Các đặc tính tổng quát: 1.3.2.2 Màn hình hiển thị phím chức năng: Trang 01 04 04 04 04 05 07 12 15 16 21 22 24 25 28 28 29 31 33 33 33 35 38 39 40 40 Ch­¬ng 1.3.2.3 Sơ đồ mạch điều khiển: 1.3.3 Biến tần VF9 hÃng Toshiba sản xuất: 1.3.3.1 Các đặc tính: 1.3.3.2 Thiết lập thông số vận hành chủ yếu: 1.3.3.3 Sơ đồ mạch điều khiển: 1.3.4 Nhận xét chung: Giới thiệu chung Hệ thống trục tải giếng nghiêng khu Cánh Gà Công ty than vàng danh 2.1 Giới thiệu chung Công ty 2.1.1 Tình hình sản xuất Công ty đến năm 2007 2.1.2 Kế hoạch đầu tư mở rộng nâng công suất khai thác mỏ 2.2 Hệ thống trục tải giếng nghiêng phụ khu Cánh gà mỏ Vàng Danh 2.2.1 Mặt vận tải 2.2.1.1 Mặt cửa giếng phụ (Mặt sân công nghiệp mức +129,0): 2.2.1.2 Mặt bằng, mặt cắt tuyến vận tải trục tải giếng nghiêng phụ 2.2.2 Chức vận tải 2.2.3 Sơ đồ ngoại hình trục tải JK-2/20A 2.2.4 Thông số kỹ thuật trục tải JK-2/20A: 2.2.5 Sơ đồ nguyên lý trục tải JK-2/20A 2.2.6 Các chức phụ trợ: 2.2.6.1 Đốt phanh điều khiển 2.2.6.2.Thiết bị hÃm động 2.2.6.3.Thiết bị hiển thị độ sâu phận bảo vệ giới hạn tốc độ 2.2.6.4 Bộ phận bảo vệ liên động hệ thống 2.2.6.5 Hệ thống điện trạm thuỷ lực phanh 2.1.6.6 Thiết bị bảo vệ cáp lỏng 2.3 Nhận xét hệ thống trục tải giếng nghiêng Vàng Danh: 2.4 Tính toán vận tải 41 42 42 44 47 50 51 51 51 52 54 54 54 56 56 57 58 60 65 65 66 66 67 68 69 70 71 2.4.1 Xác định lại số lượng xe goòng đoàn xe 71 2.4.2 Tính sức căng tĩnh lớn tác động lên máy trục 73 2.4.3 Kiểm tra dự trữ độ bền thực tế cáp lựa chọn 72 2.4.4 Động học hệ thống trục tải 72 2.4.5 Động lực học hệ thống trục tải Chương Chương Mô hệ thống truyền động điện trục tải giếng nghiêng 3.1 Mô giải pháp cải tiến hệ thống truyền động điện trục tải phương pháp dùng biến tần 3.1.1 Sơ ®å cÊu tróc Simulink Matlab m« pháng trơc dïng biến tần 3.1.2 Sơ đồ mô thu gọn 3.2 Mô tả sơ đồ mô 3.3 Kết mô trường hợp 3.3.1 Khi đặt tín hiệu để vận hành trục tải theo biểu đồ thời kỳ 3.3.1.1 Khi trơc chë gng: 3.3.1.2 Khi trơc chë goòng: 3.3.2 Khi đặt tín hiệu để vận hành trục tải theo biểu đồ thời kỳ 3.3.2.1 Khi tải goòng: 3.3.2.1 Khi trục chở goòng: ứng dụng hệ thống Điều khiển lập trình (PLC) Biến tần - Động để tự động hoá trục tải Giếng nghiêng Công ty than Vàng Danh 4.1- Nguyên tắc điều khiển 4.1.1 Yêu cầu tự động hoá điều khiển cho trục tải: 4.1.2 Lựa chọn giải pháp điều khiển tốc độ trục tải giếng nghiêng mỏ Vàng Danh: 4.1.2.1 Điều khiển tốc độ động theo thời gian: 4.1.2.2 Điều khiển tốc độ động theo quÃng đường: 4.2 Mô hình hệ thống điều khiển lựa chọn thiết bị hệ thống: 4.2.1 Mô hình hệ thống Điều khiển lập trình(PLC) - Biến tần - Động 4.2.2 Lựa chọn thiết bị bổ sung: 4.2.2.1 Lựa chọn điều khiển logic khả trình PLC hÃng Siemens 4.2.2.2 Lựa chọn biến tần: 4.2.2.3 Cảm biến : 4.3 Lưu đồ thuật toán để thực điều khiển 4.4 Chương trình điều khiển 4.4.1 Bảng đặt địa cho chức hệ thống điều khiển: 78 88 88 90 90 93 93 93 98 102 102 105 108 108 108 108 108 109 110 110 111 111 116 123 125 126 126 4.4.2 B¶ng tÝn hiệu logic điều khiển: 4.4.3 Chương trình điều khiển hệ thống trục tải PLC S7-200: 4.5 Chạy thử chương trình điều khiển PLC S7-200 CPU 226: 4.5.1 Khai báo thông số: 4.5.2 Hình ảnh máy tính kết nối với điều khiển khả trình (PLC): 4.5.3 Chạy chương trình: 4.5.3.1 Chạy chương trình với tải trục tải goòng: 4.5.3.2 Chạy chương trình với tải trục tải goòng: Kết luận kiến nghị Tài liệu tham khảo 127 128 133 133 134 136 136 145 152 Danh mục hình vẽ đồ thị Hình 1.1 Hình 1.2 Hình 1.3 Hình 1.4 Hình 1.5 H×nh 1.6 H×nh 1.7 H×nh 1.8 H×nh 1.9 H×nh 1.10 H×nh 1.11 H×nh 1.12 H×nh 1.13 H×nh 1.14 H×nh 1.15 H×nh 1.16 H×nh 1.17 H×nh 1.18 H×nh 1.19 H×nh 1.20 H×nh 1.21 H×nh 1.22 H×nh 1.23 H×nh 1.24 H×nh 1.25 H×nh 1.26 H×nh 2.1 H×nh 2.2 H×nh 2.3 H×nh 2.4 Hình 2.5 Hình 2.6 Hình 2.7 Sơ đồ khối biến tần gián tiếp Sơ đồ khối loại biến tần gián tiếp Đồ thị dòng điện điện áp biến tần Nguyên lý làm việc mạch điều biến độ rộng xung Sơ đồ mạch biến tần pha Sơ đồ mạch nghịch lưu với trường hợp đầu vào có lọc, đầu có lọc Đồ thị điều biến độ rộng xung đơn cực Sơ đồ nguyên lý biến nguồn áp ba pha Đồ thị so sánh điện áp pha với cực âm (N) nguồn điện áp dây UAB tải Đồ thị phương pháp điều biến xung ma>1 Đồ thị điện áp tải Sơ đồ nguyên lý nghịch lưu dòng điện Đồ thị dòng áp đầu nghịch lưu Sơ đồ điều khiển biến tần theo phương pháp điều chế vector không gian Mẫu xung điều khiển van góc phần sáu Sơ đồ nguyên lý tạo nên thiết bị biến tần trực tiếp pha Sơ đồ nguyên lý làm việc biến tần trực tiếp pha với tải trở Đồ thị điện áp dòng điện trường hợp Ngoại hình biến tần hÃng Siemens Sơ đồ đấu dây Sơ đồ mạch điều khiển Hình dáng bên biến tần Altivar 71 Màn hình hiển thị phím chức Mạch điện lực điều khiển biến tần Altivar 71 Hình dáng bên biến tần VF9 Sơ đồ mạch điều khiển biến tần VF9 Tổng mặt sân công nghiệp mức +129,0 khu Cánh gà Vàng Danh Mặt bằng, mặt cắt tuyến vận tải trục tải giếng nghiêng phụ Sơ đồ ngoại hình trục tải JK-2/20A Sơ đồ điện trở mạch rôto Sơ đồ nguyên lý mạch điện lực trục tải JK-2/20A Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển trục tải JK-2/20A Biểu đồ vận tốc, gia tốc lực thời kỳ chuyển động chở than Hình 2.8 Hình 2.9 H×nh 3.1 H×nh 3.2 H×nh 3.3 H×nh 3.4 H×nh 3.5 H×nh 3.6 H×nh 3.7 H×nh 3.8 H×nh 3.9 H×nh 3.10 H×nh 3.11 H×nh 4.1 H×nh 4.2 H×nh 4.3 H×nh 4.4 H×nh 4.5 H×nh 4.6 H×nh 4.7 H×nh 4.8 H×nh 4.9 đào lò Biểu đồ vận tốc, gia tốc lực thời kỳ chuyển động chở đá đào lò Biểu đồ vận tốc, gia tốc lực thời kỳ chuyển động chở thiết bị vật liệu Sơ ®å cÊu tróc Simulink Matlab m« pháng trơc dïng biến tần Sơ đồ cấu trúc Simulink Matlab mô thu gọn Sơ đồ cấu trúc phận đo lường lọc điện Kết mô trường hợp trục trở goòng và tốc độ cực đại 3,7m/s Kết mô trường hợp trục trở goòng tốc độ cực đại 1,5m/s Kết mô trường hợp trục trở goòng tốc độ cực đại 1m/s Kết mô trường hợp trục trở hai goòng tốc độ cực đại 3,7m/s Kết mô trường hợp trục trở hai goòng tốc độ cực đại 1,5m/s Kết mô trường hợp trục trở hai goòng tốc độ cực đại 1m/s Kết mô trường hợp trục trở goòng vận hành với thời kỳ Kết mô trường hợp trục trở hai goòng vận hành với thời kỳ Luật điều khiển tốc độ động theo thời gian Luật điều khiển tốc độ động theo quÃng đường Mô hình hệ thống PLC Biến tần - Động Ngoại hình biến tần ATV71HC25N4 Sơ đồ nối mạch biến tần ATV71HC25N4 Cảm biến quang XUB0APSNL2 Nguyên lý làm việc cảm biến tốc độ kế quang điện Kết nối máy tính với điều khiển khả trình PLC S7-200 để chạy thử chương trình PLC S7-200-CPU 226 chạy chương trình điều khiển load vào từ máy tính 140 - Khi số lỗ đếm đếm tăng lên nằm khoảng(177;1865) lỗ, đồng thời PLC thực tính toán chiều dài cáp quấn tang trục lớp lớp thứ tương ứng với đường kính tang D1=2,056m, D2=2,028m từ xác định chiều dài vận chuyển tương ứng 141 - §ång thêi PLC cịng thùc hiƯn so sánh số thực L, nếu: 57,4 L 602,4m PLC cho tÝn hiƯu Q 0.1 ®iỊu khiĨn cho hệ thống trục tải chạy với tốc độ tương ứng v2=3,7m/s 142 - Khi số lỗ đếm đếm tăng lên nằm khoảng(1865;1987) lỗ, đồng thời PLC thực tính toán chiều dài cáp quấn tang trục lớp lớp thứ tương ứng với đường kính tang D1=2,056m, D2=2,028m từ xác định chiều dài vận chuyển tương ứng 143 - Khi số lỗ đếm đếm tăng lên, đồng thời PLC thực so sánh sè thùc L, nÕu: 602,4m  L  638,4m th× PLC cho tÝn hiƯu Q 0.0, Q 0.1 ®iỊu khiển cho hệ thống trục tải chạy với tốc độ t­¬ng øng v0=1m/s 144 - Khi cã tÝn hiƯu dừng từ cảm biến hành trình PLC cho tín hiệu điều khiển dừng Q0.3 * Chương trình thực tương tự có hiệu lệnh cho trục tải chạy đảo chiều 145 4.5.3.2 Chạy chương trình với tải trục tải goòng: Trạng thái chương trình có tín hiệu khởi động gọi chương trình SBR1: 146 * Khi bắt đầu có tín hiệu khởi động cho hành trình tiến: - Khi trục tải vận hành, tang trục quay có tín hiệu từ cảm biến quang gửi đến đếm CTUD đếm hoạt động, trình tính toán so sánh, chuyển đổi số nguyên sang số thực thực hiện: - Khi số lỗ đếm 1000 PLC thực tính toán chiều dài cáp quấn tang trục lớp tương ứng với đường kính tang D 1=2,056m, số lỗ đếm 1001 2000 PLC thực tính toán chiều dài cáp quấn tang trục lớp tương ứng với đường kính tang D1=2,028m, từ xác định chiều dài vận chuyển tương ứng 147 148 - PLC thùc hiƯn so s¸nh sè thùc L, nếu: L 57,4m (tương ứng với số lỗ đếm khoảng 177 lỗ PLC cho tín hiệu Q 0.2 điều khiển cho hệ thống trục tải chạy với tốc độ tương ứng v1=1,5m/s - Khi số lỗ đếm đếm tăng lên nằm khoảng(177;1865) lỗ, đồng thời PLC thực tính toán chiều dài cáp quấn tang trục lớp lớp thứ tương ứng với đường kính tang D1=2,056m, D2=2,028m từ xác định chiều dài vận chuyển tương ứng 149 - Đồng thời PLC cịng thùc hiƯn so s¸nh sè thùc L, nÕu: 57,4 L 602,4m PLC cho tổ hợp tín hiệu Q 0.2, Q 0.0 ®iỊu khiĨn cho hƯ thèng trục tải chạy với tốc độ tương ứng v2=3,7m/s 150 - Khi số lỗ đếm đếm tăng lên nằm khoảng(1865;1987) lỗ, đồng thời PLC thực tính toán chiều dài cáp quấn tang trục lớp lớp thứ tương ứng với đường kính tang D1=2,056m, D2=2,028m từ xác định chiều dài vận chuyển tương ứng - Đồng thêi PLC thùc hiƯn so s¸nh sè thùc L, nÕu: 602,4m L 638,4m PLC cho tổ hợp tÝn hiƯu Q 0.2, Q 0.1 ®iỊu khiĨn cho hệ thống trục tải chạy với tốc độ tương ứng v0=1m/s 151 - Khi cã tÝn hiÖu dõng tõ cảm biến hành trình PLC cho tín hiệu điều khiển dừng Q0.3 * Chương trình thực tương tự có hiệu lệnh cho trục tải chạy đảo chiều 152 Kết luận Sau thời gian làm luận văn, với khối lượng công việc tìm hiểu thực tế lớn, nghiên cứu nhiều lĩnh vực, giúp đỡ tận tình thầy giáo môn Tự động hoá -Trường Đại học Mỏ - Địa chất, tác giả đà hoàn thành luận văn với kết đạt sau: Những kết vấn đề đạt được: - Khảo sát đánh giá tình hình sử dụng biến tần hệ thống truyền động điện mỏ than - Khảo sát nghiên cứu hoạt động hệ thống trục tải giếng nghiêng mỏ than Vàng Danh - Sử dụng phần mềm Simunink Matlab mô hệ thống trục tải dùng biến tần để điều khiển Từ kết mô nhận biết, đánh giá tình trạng hoạt động trục tải - Việc ứng dụng PLC kết hợp với biến tần để điều khiển hệ thống trục tải thay cho hệ thống điều khiển cũ mang lại hiệu lớn tiết kiệm điện năng, vận hành dễ dàng không phụ thuộc vào ý thøc chđ quan cđa ng­êi vËn hµnh, an toµn cho người thiết bị khác liên quan - Độ xác điều khiển phụ thuộc chủ yếu vào số lỗ đĩa quay, điều hoàn toàn khống chế cách chọn đĩa Ví dụ chạy thử với đĩa có số lỗ 20 sai số 0,314m, số lỗ đĩa tăng lên 10 lần độ tăng lên 10 lần Như cần điều khiển với cấp xác yêu cầu ta thực Những vấn đề cần giải quyết: - Nghiên cứu tiếp giải pháp để tự động hoá toàn trình điều khiển cho trục tải, cần đưa tín hiệu hồi tiếp tốc độ, tín hiệu cố điều khiển PLC để tính toán xử lý sau đưa giải pháp điều khiển hợp lý - Xây dựng mô hình tự động hoá hoàn chỉnh bao gồm tất hệ thống giám sát bảo vệ cho trục tải 153 - Hiện mỏ than đà sử dụng biến tần cho điều khiển động hạn chế không hiệu quả, cần ứng dụng rộng rÃi đầu tư đồng thiết bị điều khiển biến tần, PLC, thiết bị điện tử công suất ®Ĩ thay thÕ c¸c hƯ thèng ®iỊu khiĨn cị kiĨu rơle, contactor nhằm đạt suất hiệu sản xuất Tài liệu tham khảo PGS.TS Thái Duy Thức (2006), Giáo trình Kỹ thuật biến đổi, Đại học Mỏ Địa Chất, Hà Nội Thái Duy Thức (2001), Giáo trình truyền động điện tự động công nghiệp Mỏ Dầu khí, Đại học Mỏ Địa Chất, Hà Nội Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Mạnh Tiến, Đoàn Quang Vinh (2004), Điều khiển động xoay chiều cấp từ biến tần bán dẫn, NXB Khoa học kỹ tht, Hµ Néi Ngun Phïng Quang (2005), MATLAB & SIMULINK, NXB khoa häc vµ kü thuËt, Hµ Néi Thái Duy Thức (2001), sở lý thuyết truyền động điện tự động tập I, NXB Giao Thông Vận Tải, Hà Nội Nguyễn DoÃn Phước, Phan Xuân Minh (2006), Tự động hoá với Simatic S7-200, NXB Nông Nghiệp, Hà Nội Lê Văn Doanh, Phạm Thượng Hàn, Nguyễn Văn Hoà, Đào Văn Tân (2006), Các cảm biến kỹ thuật đo lường điều khiển, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Phan Quốc Phô, Nguyễn Đức Chiến (2000), Giáo trình cảm biến, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Phạm Ninh, Phạm Văn Sáu (2007), Tài liệu hướng dẫn thiết kế trục tải mỏ hầm lò khai thác than hay khoáng sản, tài liệu nội Công ty tư vấn đầu tư mỏ C«ng nghiƯp 10 www.schneider-electric.com.vn 11 www.toshiba.com.vn ... Khi trục chở goòng: ứng dụng hệ thống Điều khiển lập trình (PLC) Biến tần - Động để tự động hoá trục tải Giếng nghiêng Công ty than Vàng Danh 4.1- Nguyên tắc điều khiển 4.1.1 Yêu cầu tự động. .. đại học mỏ địa chất Phạm văn Linh Nghiên cứu ứng dụng hệ biến tần - động để điều khiển tự động trục tải giếng nghiêng Công ty than Vàng Danh Chuyên ngành : Tự động hóa Mà số : 60.52.60 Luận văn... t¶i giếng nghiêng khâu vận tải chính- cần thiết Mục đích đề tài - Nghiên cứu ứng dụng hệ thống Điều khiển lập trình (PLC) Biến tần - Động để tự động hóa việc điều khiển cho trục tải giếng nghiêng