基于PLC邏輯控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)在斜井提升機(jī)中的應(yīng)用及分析

摘 要：針對(duì)斜井提升機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀，通過分析變頻調(diào)速的工作原理，提出技術(shù)方案，從軟硬件功能兩方面設(shè)計(jì)基于PLC邏輯控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)，并對(duì)其技術(shù)性能進(jìn)行了必要的分析和說明。

關(guān)鍵詞：能量回饋；節(jié)能；PLC邏輯控制

1 概述

目前，大多數(shù)中小礦井使用斜井絞車提升，普遍采用交流繞線式電機(jī)串電阻調(diào)速系統(tǒng)，電阻的投切采用繼電器交流接觸器控制。這種控制系統(tǒng)在每天連續(xù)20小時(shí)以上調(diào)速過程中，接觸器動(dòng)作頻繁，提升機(jī)交流接觸器主觸頭容易氧化，故障頻發(fā)；提升機(jī)在爬行階段，需要低速電動(dòng)運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子電路需要投入大量的電阻，其機(jī)械特性很軟；提升機(jī)的工況復(fù)雜，有時(shí)負(fù)載小、速度快，有時(shí)負(fù)載大、速度慢，這就需要通過多次通電或投切電阻來控制提升速度，從而導(dǎo)致速度不穩(wěn)定，操作困難。串電阻調(diào)速屬于有極調(diào)速，平滑性差、靜差率較大，啟動(dòng)過程和變速過程電流沖擊大，中高速運(yùn)行震動(dòng)大，安全性較差。在低速時(shí)投入了大量的轉(zhuǎn)子電阻，消耗了很大一部分的能量，控制保護(hù)回路采用簡單的繼電器硬線路接線繁瑣，可靠性差，故障率高。以至于這種調(diào)速方法很不經(jīng)濟(jì)。而基于PLC邏輯控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)具有：（1）完善的故障診斷能力，維護(hù)方便；（2）可靠性高，相對(duì)穩(wěn)定性好；（3）調(diào)速平滑性好，效率高。（4）起動(dòng)電流低，對(duì)系統(tǒng)及電網(wǎng)無沖擊，節(jié)電效果明顯；（5）易于實(shí)現(xiàn)過程自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，在斜井提升機(jī)中發(fā)揮了極其重要的作用。

2 系統(tǒng)實(shí)施方案

系統(tǒng)采用ABB公司ACS800四象限變頻器，可以實(shí)現(xiàn)全頻率（0-300HZ）范圍內(nèi)直接轉(zhuǎn)矩控制?？刂葡到y(tǒng)采用西門子PEOFIBUS-DP的現(xiàn)場線，雙PLC冗余，遠(yuǎn)程I / O控制。全數(shù)字智能型監(jiān)控器取代機(jī)械監(jiān)控器，對(duì)提升機(jī)進(jìn)行全行程位置速度監(jiān)控。提升機(jī)變頻調(diào)速方案如圖1所示。

3 方案的實(shí)施和技術(shù)優(yōu)勢(shì)

3.1 直接轉(zhuǎn)矩（DTC）變頻調(diào)速部分

3.1.1 硬件構(gòu)成

斜井提升負(fù)載是典型的摩擦性負(fù)載，重載提升時(shí)，電機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩要克服負(fù)載阻力轉(zhuǎn)矩，啟動(dòng)時(shí)還要克服一定的靜摩擦力，電機(jī)工作在第一象限，處于電動(dòng)狀態(tài)；重載下放時(shí)，電機(jī)工作在第二象限，處于再生制動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)另外一輛重車提升時(shí)，電機(jī)處于反向電動(dòng)狀態(tài)，工作在第三或第四象限。ACS800-17選用的IGBT單元是四象限模式開關(guān)變流器，其硬件構(gòu)成如圖2所示。

3.1.2 能量回饋

斜井提升需要單獨(dú)運(yùn)送材料及工具下井時(shí)，電機(jī)純粹處于第二或第四象限，此時(shí)電機(jī)長期處于再生制動(dòng)狀態(tài)。四象限的變頻器能源可再生供電單元允許能量在電動(dòng)模式和發(fā)電模式之間轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)再生制動(dòng)期間能量向電網(wǎng)的回饋。

3.2 PLC邏輯控制及保護(hù)部分

3.2.1 操控系統(tǒng)的構(gòu)成

網(wǎng)絡(luò)化操控系統(tǒng)采用西門子公司S7-300（主控，從控）雙PLC控制，實(shí)現(xiàn)提升工藝的控制及雙線程位置速度的保護(hù)。網(wǎng)絡(luò)化操控部分（含雙線程保護(hù)部分）、網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控系統(tǒng)采用PROFIBUS組成現(xiàn)場總線。

3.2.2 操控系統(tǒng)硬件的構(gòu)成

（1）電源模板PS307：電源模板通過底板總線向SIMATIC S7-300提供5V DC和24V DC 直流電源。（2）CPU模板315-2DP：CPU模板CPU315-2DP是高性能處理器，384K字節(jié)RAM，負(fù)載存貯器內(nèi)裝256K字節(jié)RAM，可擴(kuò)充到最大64M字節(jié)，2個(gè)PROFIBUS-DP接口作為主站和PROFIBUS分布式總線系統(tǒng)連接。（3）計(jì)數(shù)模板FM350-1：FM350-1是單純計(jì)數(shù)任務(wù)的單通道計(jì)數(shù)模板。直接連接增量編碼器，達(dá)到比較值時(shí)，集成的數(shù)字輸出端輸出響應(yīng)。通過計(jì)數(shù)值可以準(zhǔn)確得知提升容器的提升速度和深度數(shù)據(jù)。（4）數(shù)字量輸入模板SM321：數(shù)字量輸入模板將外部過程傳送來的數(shù)字信號(hào)電平轉(zhuǎn)換成內(nèi)部S7-400信號(hào)電平。（5）數(shù)字量輸出模板SM322：數(shù)字量輸出模板將S7-300的內(nèi)部信號(hào)電平轉(zhuǎn)換所需要的外部信號(hào)電平。（6）模擬量輸入模板SM331：模擬量輸入模板從外部的過程模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成S7-300內(nèi)部處理用的數(shù)字信號(hào)。（7）模擬量輸出模板SM332：將S7-300的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成控制需要的模擬量信號(hào)輸出，用于連接模擬量調(diào)節(jié)器，執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

3.3 操控系統(tǒng)軟件功能的實(shí)現(xiàn)及技術(shù)特點(diǎn)

軟件設(shè)計(jì)是操控系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，是控制策略和方法應(yīng)用的載體，系統(tǒng)運(yùn)行和性能的優(yōu)劣主要取決于軟件設(shè)計(jì)的應(yīng)用。（1）安全回路的作用：當(dāng)提升機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況時(shí)能夠停止提升機(jī)運(yùn)行，并防止重新啟動(dòng)，以防事故進(jìn)一步惡化。當(dāng)有此類故障發(fā)生時(shí)，信號(hào)觸發(fā)了安全回路，則可以使的機(jī)械安全制動(dòng)，電氣停車，或禁止提升機(jī)的下一個(gè)提升周期。（2）同步校正采樣：準(zhǔn)確完成脈沖數(shù)的采樣以及特定位置的校正。（3）深度計(jì)數(shù)處理：將計(jì)數(shù)模板采集的脈沖數(shù)通過一系列的運(yùn)算，得到串車實(shí)際運(yùn)行的深度值，再以此深度值為基礎(chǔ)，預(yù)設(shè)各種位置信號(hào)。（4）模擬量運(yùn)算：通過線性運(yùn)算處理所有模擬量輸入/輸出數(shù)據(jù)。（5）數(shù)字量處理：根據(jù)條件判斷處理所有開關(guān)量輸入/輸出狀態(tài)及指令。（6）速度給定保護(hù)：根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)給出提升機(jī)在不同工況要求下的速度給定；根據(jù)速度編碼器的反饋判斷提升機(jī)運(yùn)行狀況，做出超速速度保護(hù)曲線。（7）閘控給定保護(hù)：根據(jù)主控發(fā)出的開車，停車，緊急制動(dòng)等指令，控制液壓站油泵電機(jī)、電磁閥、比例溢流閥；依據(jù)模擬量和數(shù)字量采集的液壓站運(yùn)行，油溫、油壓等信號(hào)判斷其工作狀態(tài)，做出相應(yīng)的超溫、過壓、液位低、殘壓高等一些列保護(hù)。

4 結(jié)束語

通過以上幾個(gè)方面的分析，在斜井提升機(jī)使用PLC邏輯控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)中，用四象限變頻調(diào)速，節(jié)能成效顯著，經(jīng)初步測(cè)算節(jié)能達(dá)45%以上，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益；采用PLC控制技術(shù)取代斜井提升機(jī)傳統(tǒng)、落后的純硬件繼電器控制系統(tǒng)；采用先進(jìn)的故障分析方法對(duì)提升機(jī)系統(tǒng)故障進(jìn)行監(jiān)控取代原有的故障診斷系統(tǒng)；采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)斜井提升機(jī)的微機(jī)管理與控制，從而保證斜井提升機(jī)安全、可靠地運(yùn)行。隨著PLC（可編程邏輯控制器）和工業(yè)現(xiàn)場總線技術(shù)以及變頻調(diào)速技術(shù)的日臻完善，替代原有的繼電器控制及串電阻有極調(diào)速將是一種必然趨勢(shì)。

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作者簡介：楊學(xué)敏，華亭煤業(yè)集團(tuán)有限公司新莊煤礦，機(jī)電工程師。