煤礦絞車電控系統(tǒng)的PLC變頻改造設(shè)計路徑剖析

摘 要：本文針對以往高耗能的礦山絞車電控系統(tǒng)，運用變頻器與PLC，對其開展系統(tǒng)化改造，不僅詳細的設(shè)計了電控系統(tǒng)與主控程序軟件的流程圖，而且還設(shè)計了控制電路、主電路的流程圖，并有目的性的開展了PLC與變頻器的選型，最終制定出了一種變頻器與OLC相結(jié)合能夠?qū)崿F(xiàn)S形速度曲線的方法，此改造的實踐操作，有助于達成礦山節(jié)能降耗目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：電控系統(tǒng)；煤礦絞車；PLC；變頻器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.12.056

當(dāng)前， 煤礦絞車在整個礦山中有著較大的用電量，同時在耗能方面也比較突出。針對以往的電機阻電控系統(tǒng)而言，其在實際運行中，尤其是在加速或者是減速過程中，在由轉(zhuǎn)子串接相應(yīng)電阻上，通常會有比較大的電能浪費，即20%～30，至此，本文針對此狀況，以副井絞車為研究對象，對其開展了細致化的PLC變頻改造，以期更好的達成此方面的節(jié)能減排目標(biāo)。

1 硬件設(shè)計

1.1 變頻器電控系統(tǒng)外部電路、主電路的設(shè)計

電控系統(tǒng)主電路由電磁接觸器MCl、MC2、MC3，無熔絲斷路器MCCB，變頻器及感應(yīng)電動機等所構(gòu)成；對于變頻器的外部電路而言，其有多個電路構(gòu)成，即聲光報警電路、接收來自PLC的控制信號等。（1）計算變頻器容量。比如某煤礦的副井絞車，其所選用的系統(tǒng)類型即為較為常見的交流繞線式電機串電阻調(diào)速系統(tǒng)，此系統(tǒng)的主要參數(shù)為：電機功率354kW，電流418A，電壓660V；絞車道坡度為16°，長度為1200m；減速機為XL-30，速比30，輸入轉(zhuǎn)速980r/min；卷筒寬度為2m，直徑為2.5m；絞車為K-2.5×2/30型單繩纏繞礦井提升機，由中信重型機械公司生產(chǎn)。在實施改造時，為了使各項成本能夠最大化的降低，經(jīng)協(xié)商，最終決定仍然采用原先的繞線電機。因此，此系統(tǒng)存在比較陳舊的電機設(shè)備，此外，對于此礦絞車而言，在負(fù)載方面也比較的恒定，在變頻器相應(yīng)容量進行選擇過程中，設(shè)定容量系數(shù)為1.2，所以需最小變頻容量值為355×1.2=426kW。（2）選擇變頻器型號。由賽普產(chǎn)的SAPSOOG系列通用變頻器，其所選用的是電流矢量控制技術(shù)，其低俗轉(zhuǎn)矩能夠?qū)崿F(xiàn)200%的額定轉(zhuǎn)矩輸出，并且還內(nèi)置有PLC程序，能夠?qū)\行實施控制，此外，還具有多種操作與控制方式，保護功能比較齊全，對于那些礦井絞車電機驅(qū)動比較適用。結(jié)合系統(tǒng)實況，另通過查閱相關(guān)規(guī)范手冊，最終選擇的變頻器為時下較為通用的SAPS00G-450-T6-AA（賽普），其標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)為三相660V。（3）聲、光報警電路的合理設(shè)計。對于聲、光報警而言，其電路由多部分構(gòu)成，主要由自鎖解除按鈕A6、報警自鎖繼電器BJ線圈及其常開觸點、故障報警鈴JL與故障報警燈JD構(gòu)成。因來自PLC的故障繼電器K3及APl500G變頻器內(nèi)部檢測電路，對變頻器內(nèi)部故障，即繼電器相應(yīng)輸出端子TC，呈現(xiàn)出與TA閉合狀況，并且還共同控制著斷開工序，通常以此種方式來進行聲、光報警。

1.2 PLC控制部分的電路設(shè)計

針對PLC控制的電路來講，其在整個礦井絞車電控系統(tǒng)當(dāng)中，往往發(fā)揮著核心性作用，構(gòu)成多樣，即旋轉(zhuǎn)編碼器、操作臺、可編程邏輯控制器、電壓電流檢測、繼電電路及各種輸入控制按鈕。對于其所持有的功能而言，即實時監(jiān)控絞車的工作狀態(tài)，依據(jù)預(yù)定的速度圖及力圖，對絞車進行控制，結(jié)合運行方式，給定控制變頻器，使其能夠?qū)崿F(xiàn)S形速度曲線，使其能夠多方面的自動運行，如停車、爬行、減速及啟動等，為絞車的可靠、經(jīng)濟及安全運行提供保障。選擇由西門子公司生產(chǎn)的S7-300系列PLC。運用主控為PLC的主要原因在于，其具有較好的環(huán)境適應(yīng)性，能夠在一些比較惡劣復(fù)雜的礦井環(huán)境中使用，具有較好的電磁兼容性，工作可靠。此外，對于S7-300的構(gòu)成而言，其由多種模塊部件組合而成，各個模塊之間又能夠以各種方式適當(dāng)組合，來實現(xiàn)與現(xiàn)場實際需要相符的控制系統(tǒng)設(shè)計。其具有各種CPU，能夠提供所需要的集成系統(tǒng)功能，便于各種控制系統(tǒng)的形成。

2 電控系統(tǒng)保護的實現(xiàn)路徑

對于SAPS00G變頻器而言，其保護功能比較多樣，可進行如下保護：（1）輸入電源電壓過低保護；（2）輸入電源電壓過高，大于額定值125%，并且在持續(xù)時間方面超出30s時提供保護；（3）負(fù)載慣性過高或者是減速時間過短，并且此狀況持續(xù)時間超出30s；（4）電機產(chǎn)生回生電壓或者是電源電壓變動過高，使得母線的電壓持續(xù)升高；（5）負(fù)載慣性過高或者是減速時間太短，造成直流母線具有過高的電壓；（6）加速或減速時，具有過短的時間設(shè)置，在轉(zhuǎn)矩設(shè)定值方面，提升幅度比較大；在制動電流上，通常會出現(xiàn)直流定位過高的情況；由于此狀況持續(xù)的時間比較長，在此影響下，會造成所輸出的電流出現(xiàn)持續(xù)性過高；（7）過電壓失速防止功能。對于變頻器而言，如若其正在運作執(zhí)行的是減速，在負(fù)載慣性的作用驅(qū)動下，會造成電機出現(xiàn)持續(xù)性的能量回升狀況，隨后變頻器內(nèi)部也會出現(xiàn)此情況，此時，處在直流側(cè)電壓，便會在比較短的時間內(nèi)，出現(xiàn)快速升高，所以，對于變頻器直流側(cè)而言，如若其電壓短時間內(nèi)升高過快，那么變頻器在此影響下，便可立刻呈減速狀態(tài)，直到位于直流側(cè)的電壓，在數(shù)值上將至標(biāo)準(zhǔn)保護值則止，當(dāng)恢復(fù)正常之后，變頻器再次減速；（8）外部故障端子輸入保護。實施PLC檢測后，如若發(fā)現(xiàn)絞車配套的牽引鋼絲繩出現(xiàn)過松的情況，或者是存在下過卷、上過卷的情況，此時的PLC繼電器，對應(yīng)的K3線圈便會處于得電狀態(tài)，此狀況驅(qū)動下，其與SAPS00G變頻器，在處于對接狀態(tài)的保護開關(guān)，通過端子MT的輸入，便會與COM端子，在具體的上常閉觸點方面，呈持續(xù)性的斷開狀態(tài)；對于APS00G變頻器而言，對其實施檢測，如若發(fā)現(xiàn)存在此信號，在為變頻器提供保護的實際操作中，位于系統(tǒng)內(nèi)部的故障繼電器，在具體的輸出端子TC方面，與TA一道呈持續(xù)性的閉合狀態(tài)，當(dāng)發(fā)生此故障后，與之相對應(yīng)的故障報警鈴，感知故障后，便立即對外發(fā)出警報，報警燈在此應(yīng)動下，隨及閃動發(fā)光。

3 S形速度曲線的實現(xiàn)

（1）速度曲線的選擇。此礦井絞車所選用的乃是不對稱的5階段S形速度曲線，由5各階段構(gòu)成，即制動、爬行、減速、勻速及加速。其中加速度與減速度均為1m/s2，爬行速度1.75m/s，工頻速度7.6m/s。（2）S曲線PLC編程實現(xiàn)。結(jié)合速度曲線運行參數(shù)，將減速距離、加速距離、減速時間及加速時間計算出來，然后依據(jù)絞車運行線路的長度，停車的實際距離及爬行的大致距離，開展細致化計算，得出工頻運行距離，通過此計算，便可較好的得知PLC輸出模擬控制的電壓，與距離間處于何種關(guān)系。于PLC編程過程中，需合理設(shè)定工作運行、減速階段、加速階段及啟用轉(zhuǎn)換器的狀態(tài)。在定位絞車側(cè)方面，主要通過PLC，利用旋轉(zhuǎn)編碼器，對其其脈沖個數(shù)進行計算，然后通過CPU計算而得到。（3）憑借變頻器的WF曲線，設(shè)置S曲線。在選擇賽普SA500G變頻器V/F曲線時，設(shè)置內(nèi)部參數(shù)代碼F34在其中發(fā)揮著決定作用。如果F34=0時，那么V/F便為一條曲線，而且呈現(xiàn)為線性加減的曲線，以通用負(fù)載較為常見且多用。如若為F34=1，針對此時的V/F曲線而言，則為二次平方轉(zhuǎn)矩曲線，以加減速中較為多用，即此操作中所需噪聲將起、減緩振動等。依據(jù)絞車實際需要，設(shè)計時，最終選定F34=1。

4 設(shè)計絞車電控系統(tǒng)軟件

設(shè)計絞車的電控系統(tǒng)軟件，較多會用到PLC編程，其由兩部分構(gòu)成，即中斷服務(wù)子程序與主程序。軟件與硬件在彼此協(xié)調(diào)的情況來完成工作。只有軟硬件協(xié)調(diào)配合，方能實現(xiàn)控制系統(tǒng)各項預(yù)定功能。當(dāng)系統(tǒng)處于通電狀態(tài)，首要步驟即為使系統(tǒng)呈初始化，然后結(jié)合系統(tǒng)實際狀況，使其自檢，當(dāng)確認(rèn)合格之后，便可進行啟動信號的接受工作，當(dāng)系統(tǒng)的運行狀態(tài)為加速段時，并且已經(jīng)達到了相應(yīng)工頻運行點，便會以一種自動的方式轉(zhuǎn)運至工頻，當(dāng)其達到相應(yīng)減速點時，便會以一種減速的狀態(tài)而持續(xù)運行，若達到最終的停車點時，便會立即停車，此時便呈待定狀態(tài)，等待下一指令。在此時段，若有異常，或非工作工作，系統(tǒng)便隨即跳轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)向中斷子程序，對系統(tǒng)進行相應(yīng)保護，且及時將聲光警報發(fā)出。

5 結(jié)語

總而言之，變頻技術(shù)現(xiàn)今已在煤礦絞車電機當(dāng)中得到廣泛應(yīng)用，把變頻技術(shù)體積小、啟動電流低、精度高及調(diào)速范圍廣等優(yōu)勢，經(jīng)一定方式均轉(zhuǎn)至煤礦絞車當(dāng)中，推動絞車電氣控制的深層次發(fā)展，促進整個煤礦產(chǎn)業(yè)的更好發(fā)展。

參考文獻：

[1]陳偉，謝胡.煤礦絞車PLC變頻技術(shù)探究分析[J].華東科技：學(xué)術(shù)版，2016（02）：347.

[2]白旭峰.王莊煤礦副立井絞車PLC-SCR電控改造[J].煤，2008， 17（3）：65-66.

[3]張廣軍.可編程控制器在煤礦副井絞車電控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 中州煤炭，2003（06）：27-28.

作者簡介：張濤（1984-），男，河南唐河人，本科，助理工程師，技術(shù)主管，研究方向：礦山運輸、煤礦提升機使用或控制方面的等、井下蓄電池車，煤礦。