基于PLC控制的變頻調(diào)速在礦井提升機中的應(yīng)用

山西科達自控股份有限公司 苗焰青 高 波 牛乃平

基于PLC控制的變頻調(diào)速在礦井提升機中的應(yīng)用

山西科達自控股份有限公司 苗焰青 高 波 牛乃平

針對礦井提升機控制系統(tǒng)的可靠性要求，提出了基于PLC控制的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的改造方案，給出了總體結(jié)構(gòu)，詳細介紹了雙PLC控制系統(tǒng)的工作原理及熱備控制系統(tǒng)的軟硬件配置，完善了系統(tǒng)檢測功能，具有一定的實用性。

礦井；提升機；冗余PLC；控制系統(tǒng)；變頻調(diào)速；以太網(wǎng)

1 前言

礦井提升機是集機械、電氣、液壓于一體的綜合型機械,廣泛應(yīng)用于煤礦、冶金、化工等礦山的豎、斜井中,擔負著升降人員、下放材料、提升礦石、輸送人員等任務(wù),是礦山企業(yè)的重要運輸設(shè)備,在礦山企業(yè)中起著重要作用。礦井提升慣量大、速度快、控制復雜,且現(xiàn)場環(huán)境條件惡劣,經(jīng)常造成各種機械零件和電氣元件的功能失效,再加之操作人員的過失,致使提升失去控制,造成設(shè)備損壞,甚至人員傷亡,影響礦山的正常生產(chǎn)。

在某種意義上電氣控制系統(tǒng)的性能決定了提升機能否安全、平穩(wěn)、可靠地運行,同時也能避免機械沖擊和磨損,減少維修工作量,延長提升機的使用壽命。所以,提升機電控系統(tǒng)一直是一個重大研究課題。

2 提升機的現(xiàn)狀

對于大多數(shù)礦井提升機,仍然采用TKD電氣控制系統(tǒng),即繞線電機轉(zhuǎn)子切換電阻調(diào)速的電氣控制系統(tǒng)。這種電氣控制系統(tǒng)屬有級調(diào)速,設(shè)備簡單,不能連續(xù)調(diào)速,在爬行和減速段的速度控制性能較差,特別在負載變動時很難實現(xiàn)恒減、加速控制,經(jīng)常出現(xiàn)事故。繞線電機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速系統(tǒng)用繼電器、接觸器、電阻器、電機電刷等容易損壞,且電路復雜,另外提升機的頻繁啟動和制動過程使電阻產(chǎn)生相當大的能量損耗,影響生產(chǎn)效率。

隨著控制技術(shù)、驅(qū)動技術(shù)及電力電子技術(shù)的發(fā)展,以PLC為控制核心的變頻調(diào)速裝置代替繼電器、接觸器,逐步應(yīng)用于礦井提升機控制系統(tǒng)。但在實際應(yīng)用中,外圍電路或PLC器件上有時出現(xiàn)故障,造成系統(tǒng)停車,給用戶造成一定的損失。為提高電氣控制的可靠性,采用PLC冗余結(jié)構(gòu),實現(xiàn)“雙線控制”,在主回路驅(qū)動上采用高性能四象限矢量控制變頻裝置,同時保留原有的TKD工頻控制系統(tǒng),使改造后的礦井提升機具有變頻和工頻兩種運行方式,在硬件和軟件上實現(xiàn)系統(tǒng)冗余控制,既節(jié)約了電能又提高了系統(tǒng)的可靠性。

3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于雙PLC冗余控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 雙PLC冗余控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)采用2套冗余PLC,一套作為主控系統(tǒng),撐控提升機的主控權(quán),另一套作為熱備用系統(tǒng),監(jiān)控主系統(tǒng)的運行。當主控PLC出現(xiàn)故障時,備用PLC系統(tǒng)自動投入運行,接替主控PLC繼續(xù)工作,以維持整個系統(tǒng)正常運行。主、備PLC控制系統(tǒng)均有各自獨立的軸編碼器、閘瓦磨損、過卷等位置檢測信號,對超速、過卷等重要故障實現(xiàn)雙重保護,對運行狀況和系統(tǒng)參數(shù)同時實時監(jiān)控,如任何一套PLC控制系統(tǒng)監(jiān)測到故障,就采取對應(yīng)的保護措施。在安全回路上,通過中間繼電器將安全保護信號串入硬件安全回路,使安全回路實現(xiàn)軟、硬雙安全回路控制,即,2套PLC都能夠獨立控制安全回路的通斷。

為了減少變頻故障引起的停機,在系統(tǒng)改造時仍保留TKD工頻控制系統(tǒng),使提升機改造后具備2套運行方式,即變頻和工頻,當變頻調(diào)速系統(tǒng)出現(xiàn)故障時可以切換到工頻運行方式。另外系統(tǒng)在電機軸上和減速器低速軸上分別裝配軸編碼器,采集提升機的深度和速度信號。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計

基于雙PLC冗余控制的變頻調(diào)速礦井提升機控制系統(tǒng)硬件由雙PLC、變頻器、信號監(jiān)測傳感器等組成。PLC采用西門子S7-300 系列,采用Profibus網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)主站與DP從站之間控制命令和系統(tǒng)反饋信號的傳遞,與上位機通訊采用以太網(wǎng)?；灸K包括CPU模塊、電源模塊、模擬量輸出模塊、模擬量輸入模塊、開關(guān)量輸出模塊、開關(guān)量輸入模塊、網(wǎng)絡(luò)通訊模塊等。

模擬量輸出包括可調(diào)閘控制、變頻器速度給定等。

模擬量輸入包括電源電壓、電機電流、制動閘、液壓站制動油壓等。

開關(guān)量輸入包括高、低速軸編碼器脈沖輸入、深度指示器位置檢測、深度指示器失效脈沖輸入、井中罐籠位置檢測、松繩保護和閘瓦磨損等。

開關(guān)量輸出包括軟安全回路控制、變頻器的啟、停、液壓站電磁閥控制、各種聯(lián)鎖控制等。

主、從系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)都是通過Profibus網(wǎng)絡(luò)與遠程DP分站通訊,實現(xiàn)現(xiàn)場信號的采集與控制

系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)如圖2所示,主要組成部分有:(1)冗余集成Profibus DP網(wǎng)絡(luò)接口的2套主、備系統(tǒng);(2)包含2個DP接口的2 個ET200M從站和若干個I/O模塊;(3)通訊網(wǎng)絡(luò):一個是以太網(wǎng),用于與上位機的通訊連接,一個是Profibus 網(wǎng),主要實現(xiàn)主、備用站系統(tǒng)與遠程站ET200M的通訊鏈接和主站與備用站同步通訊的鏈接

變頻器選用ABB公司生產(chǎn)的ACS800變頻器,該變頻器采用直接轉(zhuǎn)矩控制,起動力矩能達到額定轉(zhuǎn)矩的200%,可對電機的所有核心參數(shù)進行控制,啟停平穩(wěn),沒有沖擊。

圖2 系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計

冗余控制系統(tǒng)的軟件運行機制為:主/備系統(tǒng)獨立運行,主/備系統(tǒng)實時同步監(jiān)測運行狀態(tài)信號,計算判斷提升機的狀態(tài),備用系統(tǒng)不執(zhí)行輸出。程序由主程序、通訊子程序、測速與同步校核子程序、故障處理子程序。主程序主要執(zhí)行系統(tǒng)的初始化、啟動、停止、提升、下放、調(diào)速、自檢和故障判斷等控制;通訊子程序主要傳遞主站與DP從站之間的控制命令和狀態(tài)信號,以及檢測主/備用站PLC的狀態(tài)及冗余切換,當運行PLC發(fā)生故障時,自動切換,實現(xiàn)雙機熱備,確保提升機不停機;測速與同步子程序?qū)S編碼器的脈沖信號進行計數(shù),實現(xiàn)測速功能,同時對高、低速雙套編碼器進行同步校核;故障處理子程序執(zhí)行過載、過卷、超速、松繩、閘瓦磨損、提升機位置、變頻器故障等保護功能,當有故障出現(xiàn)時程序自動調(diào)用相應(yīng)的故障處理子程序進行故障處理,并通過安全回路實現(xiàn)抱閘停車保護或通過報警回路報警。圖3為程序控制流程圖。

為了保證系統(tǒng)的可靠性,該礦井提升機控制系統(tǒng)還設(shè)置了故障運行方式。當控制系統(tǒng)或雙PLC均出現(xiàn)故障時,可轉(zhuǎn)換到該狀態(tài)運行,脫離PLC實現(xiàn)簡單操作,根據(jù)變頻器多段速功能,主令手柄輸出幾個速度來控制提升機運行。該系統(tǒng)還保留了原來的工頻控制系統(tǒng),當變頻器需要檢修或出現(xiàn)故障時可轉(zhuǎn)換到工頻控制系統(tǒng)。

圖3 基于PLC控制的程序流程圖

6 結(jié)論

基于PLC控制的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)采用完善的硬件和軟件設(shè)計,克服了傳統(tǒng)系統(tǒng)的不足,完善了安全信號檢測與控制功能,實現(xiàn)了雙機冗余對礦井提升機各個環(huán)節(jié)的監(jiān)測和變頻調(diào)速控制,提高了各種保護功能,提高了系統(tǒng)的安全性、可靠性,完全滿足礦井提升機的安全生產(chǎn)要求,具有一定的實用性。

［1］趙安新.數(shù)字化礦山及其關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用［D］.西安科技大學,2006.

［2］沈占彬,彭秋紅.基于全數(shù)字調(diào)節(jié)的礦井提升機電控系統(tǒng)的改造［J］.工礦自動化,2009(9).

［3］宋慶軍,姜海燕,楊永騰,王衍國.基于冗余PLC的數(shù)字化礦井提升機控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.工礦自動化,2010(9).

［4］王滿利,郭建峰,劉群坡.基于PROFIBUS的提升機雙PLC熱備控制系統(tǒng)研究［J］.礦山機械,2010(3).