煤礦提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

劉 鵬

（山西宏廈第一建設(shè)有限責(zé)任公司，山西陽泉 045008）

0 引言

煤礦提升機(jī)是煤礦生產(chǎn)中至關(guān)重要的設(shè)施，承擔(dān)著井下與地面人員、設(shè)備、礦物的運(yùn)輸重任[1-2]。目前，部分煤礦所使用礦用提升設(shè)備系統(tǒng)較為久遠(yuǎn)，系統(tǒng)以繞線式交流異步電機(jī)作為動力來源，在轉(zhuǎn)子的回路內(nèi)部串聯(lián)多段外接的電阻進(jìn)行調(diào)速，利用凸輪控制器、繼電器和接觸器的配合實(shí)現(xiàn)控制，存在控制穩(wěn)定性差、能耗高、故障率高的不足，可靠性相對較差[3-5]。具體表現(xiàn)為利用電機(jī)轉(zhuǎn)子串聯(lián)電阻進(jìn)行調(diào)速能量消耗較大、調(diào)速的范圍比較小、控制平滑性差，繼電器、接觸器故障率較高，調(diào)速不夠平穩(wěn)，對其他機(jī)械設(shè)備造成很大沖擊而引起設(shè)備磨損，影響設(shè)備正常壽命，給企業(yè)造成了巨大損失。針對這一現(xiàn)狀，本文采用行業(yè)公認(rèn)的較為先進(jìn)的全數(shù)字變頻調(diào)速的現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)，結(jié)合可編程邏輯控制器（PLC）對現(xiàn)有電控系統(tǒng)進(jìn)行了改造優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了對提升機(jī)的無級變速控制，增強(qiáng)了安全保護(hù)，大大提高了系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性以及可靠性。

1 總體方案

煤礦提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的主要功能在于對提升電機(jī)啟動、運(yùn)行以及停機(jī)過程中對加載在電機(jī)上的電流進(jìn)行頻率變換，達(dá)到對電機(jī)電流平緩控制、電機(jī)運(yùn)作速度調(diào)整、沖擊保護(hù)、功耗降低、安全保障的目的。變頻器調(diào)速的主要原理是依據(jù)交流異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n與供電電源的頻率f呈一定比例關(guān)系，數(shù)學(xué)關(guān)系如下：

式中：s為異步電機(jī)轉(zhuǎn)差率；p為交流異步電動機(jī)的極數(shù)對，由交流異步電動機(jī)本身確定。

由式（1）可知，在轉(zhuǎn)差率以及極對數(shù)不變情況下，提升電機(jī)的轉(zhuǎn)速與供電電源的頻率成正相關(guān)關(guān)系。因此，可通過調(diào)節(jié)供電電源的頻率實(shí)現(xiàn)對提升電機(jī)速度的改變。利用傳感器或其他檢測設(shè)備，對反映提升設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的參數(shù)進(jìn)行采集監(jiān)測，由PLC軟件程序進(jìn)行運(yùn)算，根據(jù)運(yùn)算輸出不同的控制指令給變頻器，變頻器輸出不同頻率的電流給異步交流提升電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對提升機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度、方向的控制。

基于PLC與變頻器配合的調(diào)速系統(tǒng)，具有調(diào)速連續(xù)、調(diào)速過程平滑的特點(diǎn)，即所謂無級變速。另外，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況，增加用于安全保護(hù)的制動單元以及制動電阻，可以實(shí)現(xiàn)電氣中的軟啟動，沖擊電流較小，大大減少對機(jī)械結(jié)構(gòu)的沖擊磨損，降低了維護(hù)成本且運(yùn)行能耗較小，具有安全、經(jīng)濟(jì)、高效的優(yōu)勢。礦用提升機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 礦用提升機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2 變頻調(diào)速系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)的硬件選型

提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的硬件主要包括PLC、變頻器、傳感器以及通訊結(jié)構(gòu)等。PLC為系統(tǒng)控制核心，經(jīng)過分析比較，選用德國西門子公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的SIMTIC S7-300系列中型PLC，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際需要選用315-2DP型號CPU。該型號CPU功能強(qiáng)大、性能穩(wěn)定、廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。變頻器作為變頻調(diào)速的核心部件，經(jīng)過比較，選用西門子Micro Master440變頻器，該變頻器為通用版本，支持多種控制方式、具有出眾的過載能力，內(nèi)置制動單元，適用范圍比較廣；具有6個數(shù)字量2個模擬量輸入、2個模擬量輸出以及3個繼電器輸出；集成了RS-485接口模塊，可支持Profibus以及Device-Net通訊；具有高效保護(hù)功能，包括過載電流持續(xù)保護(hù)，高低電壓保護(hù)；變頻器以及提升電機(jī)過熱保護(hù)；接地以及短路保護(hù)；電機(jī)閉鎖保護(hù)，失速保護(hù)等功能[6-8]。

2.2 控制模塊

控制部分按實(shí)現(xiàn)功能分為對提升機(jī)上升、下降、速度調(diào)整以及安全保護(hù)。變頻器調(diào)整速度控制提升過程中，利用旋轉(zhuǎn)脈沖編碼器，對提升機(jī)的位移進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)精確的定位。調(diào)速控制過程中，采用S型曲線速度，初始啟動狀態(tài)下，首先保持加速，然后轉(zhuǎn)為勻速狀態(tài)，最后利用減速環(huán)節(jié)以及制動控制實(shí)現(xiàn)容器平穩(wěn)停止。該過程能夠有效減少由于轉(zhuǎn)矩脈沖引起的機(jī)械沖擊，對卷筒、減速結(jié)構(gòu)、傳動結(jié)構(gòu)等起到充分的的保護(hù)作用，減少機(jī)械磨損，延長結(jié)構(gòu)壽命，降低設(shè)備故障率及維修成本。同時，可對變頻器設(shè)定減速程序，在故障情況下，PLC發(fā)出減速指令后，變頻器按設(shè)定參數(shù)執(zhí)行減速操作。變頻器采用絕緣柵雙極型晶體管（IGBT），交-直-交變頻調(diào)速，無需額外電阻附加，即可實(shí)現(xiàn)無級變速。采用PID控制方式，通過逆變器向負(fù)載提供變頻的電源，使所有控制功能均由參數(shù)設(shè)定完成，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)高動態(tài)性能的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速控制。

2.3 監(jiān)測保護(hù)模塊

圖2 PLC外部接線圖

監(jiān)測保護(hù)部分主要通過布置傳感器感知電機(jī)轉(zhuǎn)速、液壓油壓力、電機(jī)電流大小、下放以及上升位移等信息經(jīng)信號調(diào)理轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，由通信模塊傳輸?shù)紺PU。當(dāng)監(jiān)測的狀態(tài)參數(shù)出現(xiàn)故障異常時，PLC控制聲光報(bào)警系統(tǒng)發(fā)出警告，同時對運(yùn)行情況做出調(diào)整，降低運(yùn)行速度甚至停機(jī)，提醒檢修，保障設(shè)備安全。此外，系統(tǒng)對電路設(shè)置過流保護(hù)、過卷保護(hù)、抱閘停機(jī)以及變頻器緊急停機(jī)，電路電流超出閾值時自動報(bào)警、降低負(fù)荷、保障安全；嚴(yán)重故障情況下，PLC給出急停信號，通過停止變頻器電能輸出，依靠機(jī)械制動實(shí)現(xiàn)緊急停機(jī)。PLC的外部接線如圖2所示。

3 通信網(wǎng)絡(luò)

通信網(wǎng)絡(luò)主要通過通信結(jié)構(gòu)構(gòu)建、通信協(xié)議組態(tài)實(shí)現(xiàn)各部件之間的信息交互。變頻器與PLC之間通過通信接口利用Profibus-DP通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)通訊。PLC利用模擬量輸入接口以及數(shù)字量輸入接口對檢測設(shè)備采集的反映設(shè)備狀態(tài)的模擬量、數(shù)字量參數(shù)分別進(jìn)行預(yù)處理、A/D轉(zhuǎn)換，并進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果輸出控制指令。PLC通過以太網(wǎng)通訊接口實(shí)現(xiàn)將監(jiān)測控制信息實(shí)時整合反饋到與監(jiān)控中心以及其他上位機(jī)相連的工業(yè)以太網(wǎng)中。通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括對PLC的編程以及變頻器的調(diào)試。對PLC的編程利用較為簡單、直觀的梯形圖（LAD）編程語言構(gòu)建邏輯關(guān)系圖進(jìn)行編程。本文結(jié)合開發(fā)難度，選擇應(yīng)用較為廣泛的STEP7軟件通過高效的梯形圖對SIMTIC S7-300進(jìn)行編程，同時利用STEP7軟件進(jìn)行了程序功能的測試完善。西門子MicroMaster440變頻器可直接通過用戶調(diào)試面板進(jìn)行功能的安裝調(diào)試。根據(jù)提升電機(jī)參數(shù)進(jìn)行電動機(jī)類型選擇、額定電流、額定電壓、額定功率、額定速度等參數(shù)設(shè)置，選擇帶傳感器矢量控制，對控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，同時設(shè)置加速時間、減速時間等，進(jìn)行調(diào)試直到系統(tǒng)可到達(dá)預(yù)期效果。系統(tǒng)PLC軟件程序流程如圖4所示。

圖4 PLC軟件程序流程圖

5 結(jié)束語

本文針對煤礦提升機(jī)現(xiàn)有電控系統(tǒng)的缺陷，設(shè)計(jì)了一套以PLC和變頻器相結(jié)合的礦用提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，并進(jìn)行了開發(fā)應(yīng)用。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對礦用提升機(jī)電動機(jī)的平穩(wěn)控制，完成設(shè)備上升、下放、運(yùn)轉(zhuǎn)速度調(diào)整、安全保護(hù)等一系列智能控制功能。實(shí)踐結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有控制性能好、平滑穩(wěn)定、安全可靠、能耗較低的優(yōu)勢，可大大減少設(shè)備的磨損、振動與沖擊，有效降低設(shè)備故障率，增加設(shè)備使用壽命，切實(shí)為企業(yè)增加經(jīng)濟(jì)效益。