PLC和變頻器在絞車控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

沈彩素

廣西華錫礦業(yè)有限公司銅坑礦業(yè)分公司，中國·廣西 河池 547000

1 引言

在現(xiàn)階段工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用PLC 控制技術(shù)，尤其是在電氣工程方面發(fā)揮著十分重要的作用，在一定程度上可以推動(dòng)中國變頻技術(shù)的高速發(fā)展，甚至在未來有可能改變中國變頻器中傳統(tǒng)的直流調(diào)速技術(shù)，變頻調(diào)速技術(shù)作為基礎(chǔ)技術(shù)、高新技術(shù)、節(jié)能技術(shù)，已經(jīng)滲透到各個(gè)領(lǐng)域，應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)來改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，節(jié)約能源及提高產(chǎn)品質(zhì)量，獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。近年來，變頻調(diào)速技術(shù)已成為交流調(diào)速中最活躍、發(fā)展最快的技術(shù)。兩者相結(jié)合，能改善數(shù)據(jù)分析能力不足的情況，使得變頻器中的人機(jī)互動(dòng)功能得以完善，促進(jìn)生產(chǎn)效率的提升。

2 原絞車控制方式及運(yùn)行使用狀況

銅坑礦業(yè)分公司Ⅰ期、Ⅱ期貨運(yùn)索道承擔(dān)著地面礦石運(yùn)送的任務(wù)，線路長度約為5.33km，高差大，地形非常復(fù)雜，每條鋼絲繩（6×7-PPC-Ф36.5）長達(dá)11200m，自重約57t，鋼絲繩更換工作依靠兩臺(tái)絞車（型號(hào)JZ1-16/800）配合完成，更換鋼絲繩時(shí)一臺(tái)絞車收繩，另一臺(tái)絞車放繩，兩臺(tái)絞車速度控制采用交流繞線式異步電動(dòng)機(jī)（JR126-8 110kw）轉(zhuǎn)子繞組串電阻調(diào)速方式，收繩、放繩過程中絞車司機(jī)根據(jù)鋼絲繩的松緊程度來調(diào)節(jié)絞車速度，操作不易掌握，且更換鋼絲繩處比卸礦點(diǎn)高出約320m，受重力作用和慣性影響很難保證收、放鋼絲繩時(shí)兩臺(tái)絞車的速度一致[1]。傳動(dòng)同步差，易引發(fā)事故，而且繼電器控制存在啟動(dòng)電流大、機(jī)械沖擊大、調(diào)速不平穩(wěn)等問題，該系統(tǒng)為80年代末期投產(chǎn)使用，設(shè)備老化，技術(shù)落后，換鋼絲繩效率低。

3 絞車控制系統(tǒng)改造方案

此次改造將由PLC 和變頻器控制方式取代原來的三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組串電阻調(diào)速控制方式，PLC 控制變頻器原理框圖如圖1所示。

圖1 PLC 控制變頻器原理圖

控制系統(tǒng)由主控臺(tái)、變頻柜、電源柜和制動(dòng)電阻柜組成，安放于控制室內(nèi)。該主控臺(tái)采用可編程邏輯控制器（PLC）技術(shù)，配以多種檢測、控制組件完成絞車運(yùn)行過程中應(yīng)有的設(shè)備閉鎖控制、速度閉環(huán)控制、各種安全保護(hù)和工作狀態(tài)顯示。司機(jī)可操作控制臺(tái)上的操作手柄及按鈕來控制絞車的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)絞車電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止的控制功能及電機(jī)的多段速調(diào)速控制。并通過指示燈、儀表及人機(jī)界面了解絞車的運(yùn)行狀態(tài)、系統(tǒng)故障及運(yùn)行參數(shù)。以下對(duì)該控制系統(tǒng)各組成部分進(jìn)行詳細(xì)分析和闡述。

3.1 低壓電源控制柜

①單回路電源進(jìn)線，帶有必要的聯(lián)鎖和保護(hù)，具有相應(yīng)的控制、測量功能，同時(shí)還有過電壓、欠電壓、缺相等保護(hù)。

②配UPS 不間斷電源、以防突然斷電，保證PLC 供電。

3.2 主控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

主控系統(tǒng)選用三菱FX2N－64MR 可編程邏輯控制器（PLC）。完成對(duì)整套電控的操作控制，采用PLC ＋繼電器＋接觸器＋觸摸屏控制方式，操作臺(tái)上按鈕信號(hào)、接近開關(guān)信號(hào)經(jīng)繼電器轉(zhuǎn)換后，信號(hào)進(jìn)入PLC 數(shù)字量輸入模塊，變頻器電流信號(hào)經(jīng)PLC 模擬量輸入模塊進(jìn)入PLC，PLC 根據(jù)設(shè)計(jì)好的程序?qū)@些信號(hào)進(jìn)行處理并驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的I/O 輸出。從而控制電力液壓制動(dòng)器、變頻器及絞車電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)絞車的動(dòng)作控制。完成絞車手動(dòng)、聯(lián)鎖、檢修、應(yīng)急開車等運(yùn)行方式的控制要求。

手動(dòng)：司機(jī)可通過手柄控制提升速度在0 至最大速度范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。

聯(lián)鎖：當(dāng)絞車運(yùn)行在換繩模式下，左邊絞車只能向下放繩，右面絞車只能向上收繩。

檢修運(yùn)行：司機(jī)通過手柄能夠?qū)崿F(xiàn)低速連續(xù)可調(diào)。

應(yīng)急開車：可用于PLC 故障時(shí)，在低速度下應(yīng)急運(yùn)行。

3.3 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)選用10 寸觸摸屏，完成對(duì)絞車各種操作運(yùn)行狀態(tài)、參數(shù)、故障進(jìn)行監(jiān)控。適用于維護(hù)和檢查，靈活的可視畫面使用者一目了然。

3.4 全數(shù)字變頻調(diào)速柜

調(diào)速系統(tǒng)采用優(yōu)利康YD3000 系列160KW 全數(shù)字變頻調(diào)速裝置，配有制動(dòng)單元及制動(dòng)電阻。實(shí)現(xiàn)的主要功能有：具有閉環(huán)矢量控制；可調(diào)斜率的加減速度給定值設(shè)定；啟動(dòng)防沖擊的“S”化曲線給定；預(yù)置起動(dòng)力矩，防止起動(dòng)時(shí)鋼絲繩倒轉(zhuǎn)；具有過流、過壓、欠壓、過速、堵轉(zhuǎn)、絕緣檢測等幾十種保護(hù)功能；變頻調(diào)速柜設(shè)有強(qiáng)迫通風(fēng)裝置[2]。

全數(shù)字交流變頻電控裝置硬件簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、邏輯關(guān)系明確；與模擬量直流裝置相比具有安全可靠，調(diào)試周期短、故障率低、后期維護(hù)量少等優(yōu)點(diǎn)，并且動(dòng)靜態(tài)特性與直流系統(tǒng)一樣，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所要求的啟動(dòng)、加速、等速、減速、爬行、停車等運(yùn)行動(dòng)作。

3.5 司機(jī)操作臺(tái)

①選用三菱FX2N 系列可編程控制器，負(fù)責(zé)絞車的主程序及系統(tǒng)管理，深度指示及監(jiān)控。

②完成絞車運(yùn)行工藝要求的控制功能。

③實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)速系統(tǒng)行程速度給定的控制。

④與提升信號(hào)系統(tǒng)、操作系統(tǒng)之間相互閉鎖。

⑤實(shí)現(xiàn)完善的保護(hù)功能，對(duì)于速度超速保護(hù)設(shè)定、上下過卷設(shè)定等安全保護(hù)。同時(shí)，還能完成定點(diǎn)速度監(jiān)視、監(jiān)控與保護(hù)功能。

⑥主控計(jì)算機(jī)的故障自診斷。

⑦柜內(nèi)裝有硬件連接的安全保護(hù)繼電回路，與PLC 軟件保護(hù)回路互為監(jiān)視，實(shí)現(xiàn)安全回路的冗余功能，并裝有PLC 控制所要求的輸入、輸出。

⑧操作臺(tái)選用新型單體式網(wǎng)絡(luò)化操作臺(tái)，上裝有指示燈、顯示儀表、選擇開關(guān)、操作手柄、按鈕、顯示器；能實(shí)現(xiàn)絞車運(yùn)行的各種控制要求。

3.6 高速計(jì)數(shù)

PLC 高速計(jì)數(shù)口X0、X1 采集軸端光電編碼器A、B相脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。通過PLC 程序運(yùn)算處理產(chǎn)生控制所需要的纏繩方向、米數(shù)值、速度值等信號(hào)，參與纏繩機(jī)的錯(cuò)向、測速、位置顯示等功能。

4 應(yīng)用效果

①變頻器從0HZ 起動(dòng)電機(jī)，它的起動(dòng)加速時(shí)間可以調(diào)整，從而減少起動(dòng)時(shí)對(duì)絞車電機(jī)的電器部件和機(jī)械部件所造成的沖擊，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，使絞車電機(jī)的使用壽命延長。此外，變頻控制能夠減少機(jī)組起動(dòng)時(shí)電流波動(dòng)，這一波動(dòng)電流會(huì)影響電網(wǎng)和其他設(shè)備的用電，變頻器能夠有效地將起動(dòng)電流的峰值減少到最低程度。另外，操作簡單，調(diào)速精度高，速度平穩(wěn)；控制系統(tǒng)本身良好的控制性能和完善的保護(hù)環(huán)節(jié)能有效避免事故的發(fā)生。降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

②原有調(diào)速方式耗能大，采用變頻調(diào)速后，節(jié)能效果明顯，節(jié)電率可達(dá)到20%～40%。

③變頻調(diào)速很容易實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)。只需要改變變頻器內(nèi)部逆變管的開關(guān)順序，即可實(shí)現(xiàn)輸出換相，也不存在因換相不當(dāng)而燒毀電動(dòng)機(jī)的問題。變頻調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)大都是從低速開始，頻率較低。加、減速時(shí)間可以任意設(shè)定，故加、減速時(shí)間比較平緩，起動(dòng)電流較小，可以進(jìn)行較高頻率的起停。變頻調(diào)速系統(tǒng)制動(dòng)時(shí)，變頻器可以利用自己的制動(dòng)回路，將機(jī)械負(fù)載的能量消耗在制動(dòng)電阻上，也可回饋給供電電網(wǎng)，但回饋給電網(wǎng)需增加專用附件，投資較大[3]。除此之外，變頻器還具有直流制動(dòng)功能，需要制動(dòng)時(shí)，變頻器給電動(dòng)機(jī)加上一個(gè)直流電壓，進(jìn)行制動(dòng)，則無需另加制動(dòng)控制電路。

④PLC 控制技術(shù)與變頻技術(shù)相結(jié)合， 能改善數(shù)據(jù)分析能力不足的情況，使得變頻器中的人機(jī)互動(dòng)功能得以完善，促進(jìn)生產(chǎn)效率的提升。

⑤PLC 可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，現(xiàn)代PLC 采用了集成度很高的微電子器件，大量的開關(guān)動(dòng)作由無觸點(diǎn)的半導(dǎo)體電路來完成，其可靠程度是使用機(jī)械觸點(diǎn)的繼電器所無法比較的。

5 結(jié)語

PLC 自動(dòng)控制技術(shù)在變頻器中的應(yīng)用，不僅可以有效解決監(jiān)控技術(shù)和操作控制在變頻器中的空白，變頻器運(yùn)行效率問題，使變頻器中的人機(jī)互動(dòng)功能更加完善，而且在一定程度上推動(dòng)變頻器的快速發(fā)展，促使工業(yè)生產(chǎn)效率有所提升，促進(jìn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的增長。