基于PLC的交流變頻調(diào)速礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(新巴爾虎右旗榮達(dá)礦業(yè)有限責(zé)任公司 內(nèi)蒙古呼倫貝爾市新巴爾虎右旗，內(nèi)蒙古呼倫貝爾，021300)

引言

目前我國(guó)煤礦豎井開采的很多礦井賦存深度達(dá)千米以上，加大了提升控制的難度，為滿足大型礦井建設(shè)需求，保障其安全高效生產(chǎn)，對(duì)提升電控系統(tǒng)設(shè)備提出了大容量、快速準(zhǔn)確、高可靠、節(jié)能以及智能化的技術(shù)要求。國(guó)內(nèi)提升電控系統(tǒng)在技術(shù)性能、安全可靠性、自動(dòng)化水平等方面近年來發(fā)展很快，但在大型礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)方面與國(guó)外相比總體上還存在一定缺陷[1]。文獻(xiàn)[2]分析了利用變頻器和PLC控制器設(shè)計(jì)礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)的方法，提出了電控系統(tǒng)軟、硬件的設(shè)計(jì)方案。文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了一種全數(shù)字化高性能提升機(jī)電控系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳統(tǒng)提升機(jī)的改造，并成功運(yùn)行于礦山生產(chǎn)中。文獻(xiàn)[4]將現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)應(yīng)用于礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)，對(duì)基于ProfiBus的網(wǎng)絡(luò)化礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究，給出了電控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案?；谏鲜龇治?，本文采用S7-200PLC設(shè)計(jì)了完整的礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)，同時(shí)具有必要的電氣保護(hù)與故障分析與排除機(jī)制，能夠滿足礦井提升機(jī)的相關(guān)控制需求。

該電控系統(tǒng)為礦機(jī)提升機(jī)配套設(shè)計(jì)，即可以與新安裝的提升機(jī)配套，也適用于對(duì)老提升機(jī)電控進(jìn)行技術(shù)改造，對(duì)交流繞線式異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、加速、等速、減速、爬行、停車與換向進(jìn)行控制，并具有提升機(jī)必要的電氣保護(hù)和連鎖。后續(xù)文章的內(nèi)容安排如下：第2節(jié)介紹該電控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)；第3節(jié)基于S7-200PLC設(shè)計(jì)完整的電控系統(tǒng)，包括：硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；第4節(jié)給出該電控系統(tǒng)的電氣保護(hù)與故障分析與排除機(jī)制；最后為結(jié)論, 總結(jié)了本文的主要研究成果并給出了后續(xù)的研究?jī)?nèi)容。

1 電控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.1 PLC控制的基本原理

PLC技術(shù)是現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的重要手段，由它構(gòu)成的控制系統(tǒng)邏輯控制由PLC通過軟件編程實(shí)現(xiàn)，柔性強(qiáng)，控制功能多，控制線路大大簡(jiǎn)化。PLC的輸入輸出回路均帶有光電隔離等抗干擾和過載保護(hù)措施，程序運(yùn)行為循環(huán)掃描工作方式，且有故障檢測(cè)及診斷程序，可靠性極高。其基本的控制原理如圖1所示[5]。

圖1 PLC控制系統(tǒng)框圖

1.2 調(diào)速方案

考慮到直流拖動(dòng)系統(tǒng)的明顯缺陷，如：晶閘管元件的過載能力(過電壓、過電流)較低、有沖擊性的無功功率等，本文利用變頻調(diào)速的方式對(duì)礦井提升機(jī)進(jìn)行控制，即將PLC與Yolico變頻器相互結(jié)合的控制方式進(jìn)行礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。變頻調(diào)速是通過改變電動(dòng)機(jī)定子的供電頻率來實(shí)現(xiàn)的，控制的目的是實(shí)現(xiàn)寬幅平滑變速。系統(tǒng)選用交流電動(dòng)機(jī)交-直-交變頻調(diào)速系統(tǒng)。

1.3 總體設(shè)計(jì)

本文的礦井提升機(jī)變頻調(diào)速電控系統(tǒng)基于S7-200PLC進(jìn)行設(shè)計(jì)，其主要包括：主回路、安全回路、測(cè)速回路、控制回路、輔助回路和位置檢測(cè)回路。該系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 提升機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

Fig.2 The diagram of electric control system for mine hoist

其中，主回路負(fù)責(zé)提升機(jī)定子繞組經(jīng)變頻柜和電源進(jìn)線柜接于總電源，控制電機(jī)啟停和換向。安全回路包括：①控制器手柄零位聯(lián)鎖：當(dāng)速度給定手柄和手閘控制手柄同時(shí)處于中間零位是，允許安全回路接通，當(dāng)安全回路斷電后，手柄必須回零；②限速保護(hù)：當(dāng)檢測(cè)到速度超過額定速度后，立即控制變頻器減速；③失電壓保護(hù)：當(dāng)由于斷路、欠壓、過流等原因掉電時(shí)，斷開安全回路；④制動(dòng)油壓過高保護(hù)：液壓站制動(dòng)油壓超過要求時(shí)，斷開安全回路。⑤PLC輸出安全制動(dòng)：當(dāng)PLC判斷系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，斷開安全回路；⑥過卷控制：當(dāng)提升器超出正常停車范圍時(shí)，過卷動(dòng)作，斷開安全回路；⑦閘瓦磨損：當(dāng)閘瓦磨損到一定程度時(shí)，斷開安全回路。測(cè)速回路負(fù)責(zé)系統(tǒng)安裝有光電編碼器，PLC可以通過測(cè)速回路測(cè)得速度實(shí)時(shí)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控?？刂苹芈坟?fù)責(zé)控制回路根據(jù)提升機(jī)啟動(dòng)、加速、等速、減速、停車、換向及安全保護(hù)的設(shè)計(jì)要求，相應(yīng)改變電控系統(tǒng)的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)必要的電氣連鎖和保護(hù)功能。輔助回路負(fù)責(zé)輔助回路提供液壓油泵電源、潤(rùn)滑油泵電源、PLC電源和傳感器電源等。位置檢測(cè)回路負(fù)責(zé)位置檢測(cè)采用光電編碼器作為檢測(cè)元件，通過PLC高速計(jì)數(shù)功能對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，可以精確的反映出容器在井筒的實(shí)際位置。

2 電控系統(tǒng)PLC控制設(shè)計(jì)

本文采用西門子 S7-200PLC，它是一種通用型PLC，能夠適合工業(yè)自動(dòng)化各種應(yīng)用場(chǎng)合，其內(nèi)部軟觸點(diǎn)替代傳統(tǒng)繼電器觸點(diǎn)，將其應(yīng)用在對(duì)可靠性要求較高的礦井提升機(jī)系統(tǒng)中，無疑使其運(yùn)行可靠性得到提高。它有下述主要的特點(diǎn)：循環(huán)周期短、處理速度快、模塊化結(jié)構(gòu)、CPU 模塊和 I/O 模塊可供選擇、具有故障診斷功能等。

2.1 PLC硬件選型

該電控系統(tǒng)所選用的相關(guān)硬件型號(hào)見表1。

表 1電控系統(tǒng)硬件選型

Table 1 Hardware selectionof electronic control system

名稱型號(hào)數(shù)量PLC CPUS7-226CN1數(shù)字量輸入模塊EM2211數(shù)字量輸出模塊EM2231模擬量輸入模塊EM2311模擬量輸出模塊EM2321

2.2 PLC控制回路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的電控系統(tǒng)的PLC控制回路如圖3-圖7所示，由CPU單元S7-226CN子回路(圖3)、數(shù)字量輸入EM221子回路(圖4)、數(shù)字輸出模塊EM223子回路(圖5)、模擬量輸入模塊EM231子回路(圖6)和模擬量輸出模塊EM232子回路(圖7)組成。

圖3 CPU單元S7-226CN子回路

2.3 控制程序設(shè)計(jì)

提升機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行可以分為啟動(dòng)、加速、等速、減速、停車等幾個(gè)階段。該電控系統(tǒng)的控制程序流程如下：

(1)開車前的準(zhǔn)備工作：合上電源進(jìn)線柜隔離開關(guān)；旋轉(zhuǎn)操作臺(tái)開關(guān)，控制回路得電，若安全回路無故障，安全信號(hào)燈亮；

(2)啟動(dòng)加速—等速運(yùn)轉(zhuǎn)—減速停車：發(fā)出開車信號(hào)后，司機(jī)啟動(dòng)潤(rùn)滑泵和液壓泵，選定方向；一切正常的話，推上速度手柄，手閘手柄松開，提升機(jī)開始啟動(dòng)；切換速度手柄到慢速檔實(shí)現(xiàn)減速；到停車位置時(shí)，速度給定為零，手閘拉至全抱閘位置停車；

(3)當(dāng)出現(xiàn)輕微故障時(shí)，可以簡(jiǎn)易開車，但此方式為應(yīng)急方式，不允許長(zhǎng)期使用。

3 安全保護(hù)及故障分析

3.1 安全保護(hù)

該礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)的安全保護(hù)措施如下：

(1)檢查終點(diǎn)開關(guān)、過卷開關(guān)、閘瓦磨損開關(guān)、松繩裝置等安裝是否正確，測(cè)試其動(dòng)作是否可靠；

(2)檢測(cè)編碼器安裝是否松動(dòng)，校準(zhǔn)中心距；

(3)檢查繼電器、接觸器觸點(diǎn)是否可靠；

(4)檢查減速開關(guān)、擋塊等是否牢固、可靠。

3.2 故障分析及排除

該礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)的故障分析及排除措施如表2所示。

表 2故障分析及排除措施

Table 2 Fault analysis and elimination

故障位置故障特征原因處理PLCPLC輸入輸出不工作接線松動(dòng)檢查相關(guān)接口PLC故障燈亮1、內(nèi)部數(shù)據(jù)超限運(yùn)算錯(cuò)誤2、外部電器干擾3、元件損壞1、PLC重新上電2、排除周邊設(shè)備干擾3、更換元件變頻器減速運(yùn)行中變頻器故障停止輸出1、制動(dòng)電阻過熱2、制動(dòng)電阻電纜松脫3、制動(dòng)單元損壞1、檢查散熱裝置2、檢查接線并加固3、更換元件變頻器運(yùn)行速度不穩(wěn)1、主回路電源不穩(wěn)或電纜松脫2、輸入信號(hào)不穩(wěn)1、檢查電源及主回路2、檢查信號(hào)回路及相關(guān)元件變頻器其他故障過壓、過流按變頻器故障碼進(jìn)行排查接觸器接觸器通電時(shí)不吸合1、線圈連接不好或斷路2、電壓不足,吸力不夠3、機(jī)械卡位1、檢查線圈回路2、檢查電源電壓3、清楚障礙物運(yùn)行中線圈燒毀1、線圈受潮,絕緣降低2、電源電壓過高1、更換線圈2、檢查電源電壓吸合聲音過大1、短路環(huán)受損2、銜鐵接觸不良3、螺栓松動(dòng)1、更換2、調(diào)整銜鐵3、禁錮相應(yīng)部件主觸點(diǎn)發(fā)熱嚴(yán)重1、觸點(diǎn)壓力過大或過小2、線圈上電壓低于額定85%,吸力不夠3、觸點(diǎn)磨損嚴(yán)重或臟污4、負(fù)荷過大1、調(diào)整觸點(diǎn)壓力2、檢查電源電壓3、清潔打磨觸點(diǎn),嚴(yán)重時(shí)更換4、換大容量接觸器

4 結(jié)束語

本文在分析了PLC的控制原理及調(diào)速方案的基礎(chǔ)上應(yīng)用S7-200PLC設(shè)計(jì)了完整的礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)。詳細(xì)研究了電控系統(tǒng)中最重要的PLC控制設(shè)計(jì)方案。最后簡(jiǎn)單分析了系統(tǒng)的安全保護(hù)及故障處理機(jī)制。研究結(jié)果表明，該電控系統(tǒng)功能完善、控制準(zhǔn)確、安全保護(hù)及故障分析合理，能夠滿足礦井提升機(jī)的控制要求。節(jié)能效果明細(xì)，具有很好的使用和推廣價(jià)值。