PLC和變頻器控制系統(tǒng)在索道運(yùn)礦系統(tǒng)中的應(yīng)用

李海明

索道運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)采用PLC+變頻器+觸摸屏的方式控制索道系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)。隨著生產(chǎn)規(guī)模的提升，索道運(yùn)載量的逐步加大以及國家對安全環(huán)保提出更高的要求。在索道運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和人機(jī)操作界面的可操作性方面要求越來越高。通過電氣人員研究探討，對變頻器和PLC控制系統(tǒng)改進(jìn)更新，確保索道系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)可靠。

1 PLC+變頻器應(yīng)用情況

1.1 礦山變頻器的特點(diǎn)

隨著產(chǎn)能不斷提升，對索道運(yùn)轉(zhuǎn)能力提出了更高的要求。不僅要求提高運(yùn)載能力，還要求索道運(yùn)礦過程更平穩(wěn)。原有的變頻器使用年限較長，其內(nèi)部元器件開始老化。為滿足重負(fù)載（運(yùn)輸能力現(xiàn)已提升到230t/h）、啟動(dòng)力矩大，而且速度控制要高精度（2.5m/s），經(jīng)探討和了解其他礦山變頻器的使用情況，選用施耐德ALTIV 71 PLUS變頻器為更新設(shè)備，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）通過帶或不帶傳感器的磁通矢量控制進(jìn)行速度調(diào)節(jié)。

（2）過電流能力：150%，60s；165%，2s。

（3）ATV71變頻器優(yōu)勢：高過轉(zhuǎn)矩重載。

（4）超寬的電壓范圍：380-15%～480+10%，最大允許電網(wǎng)跌落：50%。

（5）可使用CI卡或ATV-IMC卡（可編程控制器），實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜要求的功能。

（6）全系列內(nèi)置EMC濾波器標(biāo)配直流電抗器（380V產(chǎn)品），抑制諧波。

（7）齊全的通訊協(xié)議：標(biāo)配Modbus和CANopen，支持所有主流工業(yè)總線。

（8）集成Modbus與CANopen輸入/輸出擴(kuò)展卡，編碼器接口卡。

（9）保護(hù)電機(jī)與變頻器“斷電”安全功能，ATEX安全功能。

通過在觸摸屏上給定運(yùn)行速度，給定速度指令經(jīng)PLC傳達(dá)到施耐德ALTIV 71 PLUS變頻器。變頻器得到速度指令，通過矢量坐標(biāo)電路控制電動(dòng)機(jī)定子電流的大小和相位，對電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流分別進(jìn)行控制，進(jìn)而達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。無速度傳感器矢量控制是通過坐標(biāo)變換處理分別對勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，然后通過控制電動(dòng)機(jī)定子繞組上的電壓、電流辨識轉(zhuǎn)速以達(dá)到控制勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流的目的。這種控制方式調(diào)速范圍寬，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，工作可靠，操作方便。

1.2 S7-1500系列CPU集成分析

隨著對控制設(shè)備的精度要求較高外，PLC還得具備能實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)算、擴(kuò)展功能強(qiáng)大、具有多種通訊連接，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制等功能。西門子PLC S7-1500系列是西門子PLC中性能最強(qiáng)的一類控制器。它能應(yīng)用在復(fù)雜的自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)快速的運(yùn)算，為復(fù)雜控制系統(tǒng)提供了解決方案。

（1）S7-1500系列PLC性能強(qiáng)大，擴(kuò)展能力強(qiáng)。具有多種通信連接，能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制，并且具有診斷功能。它是目前西門子PLC中功能最為強(qiáng)大的控制器。

（2）設(shè)計(jì)方式新穎。S7-1500系列的CPU自帶面板，能支持診斷，調(diào)試，維護(hù)，IP地址分配，趨勢圖顯示，讀取程序循環(huán)時(shí)間等功能；同時(shí)具有多功能型I/O模塊，可以對產(chǎn)品線進(jìn)行優(yōu)化，方便進(jìn)行選型和備件。

（3）診斷功能強(qiáng)大。S7-1500系列的CPU支持LED通道分配，可以快速定位錯(cuò)誤。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，用戶不需要編寫程序就可以通過編程軟件，HMI等方式快速實(shí)現(xiàn)通道級的診斷。還可以通過ProDiag功能，分析錯(cuò)誤過程，大幅減少了調(diào)試和停機(jī)時(shí)間，提高了工程效率。

（4）信息安全功能。S7-1500系列的CPU集成了復(fù)制保護(hù)和專有技術(shù)保護(hù)功能，可以確保用戶的知識產(chǎn)權(quán)不受侵犯，并具有保護(hù)功能，防止篡改。

（5）開放功能。S7-1500系列CPU集成標(biāo)準(zhǔn)化的OPC UA通信協(xié)議，可以和上位機(jī)實(shí)現(xiàn)安全有效的通信；還可以通過PLCSim Advance軟件實(shí)現(xiàn)PLC數(shù)據(jù)和仿真軟件連接進(jìn)行虛擬調(diào)試，提前進(jìn)行錯(cuò)誤修復(fù)，減少現(xiàn)場調(diào)試時(shí)間。

（6）集成運(yùn)動(dòng)控制。S7-1500系列CPU具有運(yùn)動(dòng)控制功能，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)，例如同步，插補(bǔ)，等，S7-1500T系列CPU能實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)控制功能，例如：凸輪控制，同步功能。

（7）性能強(qiáng)大。S7-1500系列CPU響應(yīng)速度快，微處理的速度最快可達(dá)1ns；CPU本體集成有多個(gè)以太網(wǎng)接口，最多實(shí)現(xiàn)3個(gè)以太網(wǎng)網(wǎng)段；Profinet通信支持IRT（等時(shí)同步）方式。

（8）組態(tài)高效。S7-1500系列CPU通過博圖軟件進(jìn)行編程，可以通過LAD，F(xiàn)BD，SCL，STL等多種編程語言實(shí)現(xiàn)程序邏輯設(shè)計(jì)；其中1500F系列的CPU支持故障安全功。

1.3 隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，越來越多的工程項(xiàng)目中使用到了西門子SMART系列

在操作臺選用了Tp1200 COMFORT 觸摸屏。為了給現(xiàn)場操作人員提供更友好的界面，便捷的操作方式。選用了TP1200 COMFORT操作面板，組態(tài)比較方便，只需按照步驟操作即可。界面圖畫選擇很多，制作簡便，觸摸靈敏，與PLC通訊數(shù)據(jù)傳輸也快，非常好用，界面清晰、友好。使得整個(gè)系統(tǒng)中的設(shè)備狀態(tài)可以清晰的顯示在畫面上，并由操作員進(jìn)行控制。Tp1200 COMFORT觸摸屏具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）在接口方面2個(gè)PROFINET接口、1個(gè)PROFIBUS接口、USB-2.0接口、USB主機(jī)接口（A型），USB設(shè)備接口（迷你B型）。

（2）顯示屏：1600萬色寬屏格式的高分辨率TFT顯示屏，超大可視角，亮度可任意調(diào)節(jié)。

（3）操作方面：按鍵型設(shè)備采用我們熟知的如移動(dòng)電話應(yīng)用的按鍵模式來輸入文本和數(shù)字。所有可自由組態(tài)的功能鍵均有LED。所有按鍵都有清晰的按壓點(diǎn)，由此確保操作安全。

（4）Internet Explorer用以顯示互聯(lián)網(wǎng)頁面PDF、Excel和Word文檔的瀏覽器，具有歸檔和腳本功能的Runtime軟件，SIMATIC控制器的系統(tǒng)診斷，（f（x），f（t））等曲線顯示。

（5）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：2個(gè)存儲(chǔ)卡插槽·插槽用來保存用戶數(shù)據(jù)。用于服務(wù)方案的插槽簡化了維修時(shí)的重新運(yùn)行操作。自動(dòng)更新系統(tǒng)卡上的項(xiàng)目數(shù)據(jù)和設(shè)備設(shè)置。

（6）從操作設(shè)備上可讀取SIMATIC控制器的系統(tǒng)診斷，不需要附加編程設(shè)備。

2 PLC與控制系統(tǒng)在索道控制系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用情況分析

2.1 PLC、施耐德變頻器與觸摸屏遵循profinet協(xié)議運(yùn)行方式

各個(gè)站點(diǎn)PLC、施耐德變頻器與觸摸屏遵循profinet協(xié)議，通過網(wǎng)線進(jìn)行連接通訊。profinet是新一代基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的自動(dòng)化總線標(biāo)準(zhǔn)。作為一項(xiàng)戰(zhàn)略性的技術(shù)創(chuàng)新，可以完全兼容工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)有的現(xiàn)場總線技術(shù)。隨著現(xiàn)場設(shè)備智能程度的不斷提高，自動(dòng)化控制系統(tǒng)的分散程度也越來越高，工業(yè)控制系統(tǒng)正由分散式自動(dòng)化向分布式自動(dòng)化不斷演進(jìn)。

2.2 SIMATIC iMap軟件的應(yīng)用效果

通過SIMATIC iMap軟件，即可用圖形化組態(tài)的方式來實(shí)現(xiàn)各組件間的通訊配置，不需要另外編程，大大簡化了系統(tǒng)的配置及調(diào)試過程?；诮M件的軟件工具，用于在分布式自動(dòng)化解決方案中組態(tài)通訊，SIMATIC iMap主要的優(yōu)點(diǎn)通訊組態(tài)簡便（只需拖動(dòng)設(shè)備的技術(shù)功能接口之間的線即可）。應(yīng)用工廠范圍內(nèi)的工程與組態(tài)在模塊化中。

（1）它用于以分布式自動(dòng)化方案對通訊進(jìn)行組態(tài)。SIMATIC iMap用來圖形化組態(tài)技術(shù)功能模板之間的數(shù)據(jù)交換。

（2）設(shè)計(jì)SIMATIC iMap是基于Windows的應(yīng)用程序。SIMATIC iMap基本上包括以下基本視圖：項(xiàng)目樹：用來管理所有項(xiàng)目資源（技術(shù)功能和設(shè)備）以及用于在工廠的自動(dòng)化層級進(jìn)行導(dǎo)航。網(wǎng)絡(luò)和拓?fù)湟晥D：用來定義硬件設(shè)備之間的技術(shù)功能結(jié)構(gòu)，以及系統(tǒng)診斷（通訊和設(shè)備狀態(tài)診斷）項(xiàng)目視圖：用于項(xiàng)目管理和項(xiàng)目中軟件功能。

（3）用SIMATIC iMap 進(jìn)行通訊組態(tài)，SIMATIC iMap把以技術(shù)功能為基礎(chǔ)的程序庫元素相互連接。項(xiàng)目工程師把技術(shù)功能軟件組件相互連接起來，并且組態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的相關(guān)設(shè)備，該項(xiàng)目隨后就完成了。通過在線模式，項(xiàng)目工程師可以測試和監(jiān)控設(shè)備之間的通訊。

（4）從技術(shù)角度看，SIMATIC iMap具有以下優(yōu)點(diǎn)：軟件組件之間的通訊，無需具有編程知識。用于通訊的一致性數(shù)據(jù)根據(jù)工程信息生成，并被下載到設(shè)備中。設(shè)備之間的通訊關(guān)系是通過以太網(wǎng)下載的。以圖形化概覽網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。并可映射和軟組件有關(guān)的設(shè)備。

3 索道運(yùn)礦系統(tǒng)

3.1 PLC接收閘盤制動(dòng)器制動(dòng)狀態(tài)

PLC接收閘盤制動(dòng)器傳輸過來的閘盤間距模擬量電壓信號后，通過將該信號的電壓值進(jìn)行轉(zhuǎn)換并與程序中的幾個(gè)設(shè)定值進(jìn)行大小比對，來判斷閘盤、閘瓦與旋轉(zhuǎn)盤之間的距離是否在合理的區(qū)間內(nèi)，并據(jù)此執(zhí)行預(yù)先設(shè)定好的程序。如果是在正常區(qū)間內(nèi)則正常開機(jī)、正常運(yùn)行，如果超過這個(gè)間距，則不允許開機(jī)，若是出現(xiàn)在正常運(yùn)行時(shí)，出現(xiàn)測距值超過距離區(qū)間則會(huì)報(bào)警停機(jī)。

（1）全盤式制動(dòng)器摩擦副的固定元件和旋轉(zhuǎn)元件都是圓盤形的，分別稱為固定盤和旋轉(zhuǎn)盤。制動(dòng)盤的全部工作面可同時(shí)與摩擦片接觸，其結(jié)構(gòu)原理與摩擦離合器相似。盤式制動(dòng)器工作表面為平面且兩面?zhèn)鳠?，圓盤旋轉(zhuǎn)容易冷卻，不易發(fā)生較大變形，制動(dòng)效能較為穩(wěn)定，長時(shí)間使用后制動(dòng)盤因高溫膨脹使制動(dòng)作用增強(qiáng)。盤式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)簡單，維修方便，易實(shí)現(xiàn)制動(dòng)間隙自動(dòng)調(diào)整。

（2）制動(dòng)時(shí)，油液被壓入內(nèi)、外兩輪缸中、其活塞在液壓作用下將兩制動(dòng)塊壓緊制動(dòng)盤，產(chǎn)生摩擦力矩而制動(dòng)。此時(shí)，輪缸槽中的矩形橡膠密封圈的刃邊在活塞摩擦力的作用下產(chǎn)生微量的彈性變形。放松制動(dòng)時(shí)，活塞和制動(dòng)塊依靠 密封圈的彈力和彈簧的彈力回位。由于矩形密封圈刃邊變形量很微小，在不制動(dòng)時(shí)，摩擦片與盤之間的間隙每邊只有2cm左右，它足以保證制動(dòng)的解除。又因制動(dòng)盤受熱膨脹時(shí)，其厚度只有微量的變化。矩形橡膠密封圈除起密封作用外，同時(shí)還起到活塞回位和自動(dòng)調(diào)整間隙的作用。如果制動(dòng)塊的摩擦片與盤的間隙磨損加大，制動(dòng)時(shí)密封圈變形達(dá)到極限后，活塞仍可繼續(xù)移動(dòng)，直到摩擦片壓緊制動(dòng)盤為止。解除制動(dòng)后，矩形橡膠密封圈將活塞推回的距離同磨損之前相同，仍保持標(biāo)準(zhǔn)值。

（3）通過距離傳感器檢測閘盤、閘瓦間距，并以0V～10V的模擬量電壓信號傳輸?shù)絇LC的模擬量模塊。PLC則將該信號與程序中的設(shè)定值進(jìn)行大小比對，來判斷閘盤、閘瓦所處的狀態(tài)。PLC根據(jù)比對值是否在設(shè)定值一定的區(qū)間內(nèi)，來判定狀態(tài)是否正常、能否正常開機(jī)。當(dāng)間距值大于區(qū)間值時(shí)，會(huì)在操作臺觸摸屏上給出閘盤間距過大報(bào)警提示。在停機(jī)狀態(tài)時(shí)，PLC會(huì)判定是閘盤出現(xiàn)故障，不允許開機(jī)；在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)這情況，PLC會(huì)判定是閘盤出現(xiàn)故障，從而輸出停機(jī)指令，索道主機(jī)急停停機(jī)。

3.2 液壓站作用

PLC接收液壓站傳輸過來的油壓模擬量電壓值信號，通過將該信號的電壓值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后與程序中的幾個(gè)設(shè)定值進(jìn)行大小比對，來判斷液壓站此時(shí)的壓力值，據(jù)此得到液壓站壓力情況。當(dāng)操作臺發(fā)出各種指令后，PLC通過控制繼電器動(dòng)作來控制電磁閥的通斷，來控制索道閘盤在剎車狀態(tài)還是非剎車狀態(tài)。

（1）液壓站是獨(dú)立的液壓裝置，它按驅(qū)動(dòng)裝置（主機(jī)）要求供油，它適用于主機(jī)與液壓裝置可分離的各種液壓機(jī)械下，由電機(jī)帶動(dòng)油泵旋轉(zhuǎn)，泵從油箱中吸油后打油，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓油的壓力能。液壓油通過閥組合被液壓閥實(shí)現(xiàn)了方向、壓力、流量調(diào)節(jié)后經(jīng)外接管路傳輸?shù)揭簤簷C(jī)械的油缸中，從而控制了液動(dòng)機(jī)方向的變換、力量的大小及速度的快慢，推動(dòng)液壓機(jī)械做功。

（2）現(xiàn)用液壓站主要用于制動(dòng)器的動(dòng)作控制，由液壓泵、壓力調(diào)節(jié)閥、方向控制閥、蓄能器、過濾裝置、儀表等部分組成。當(dāng)液壓站為制動(dòng)器提供壓力時(shí)，制動(dòng)器處于非剎車狀態(tài)。當(dāng)制動(dòng)器的壓力卸去時(shí)，制動(dòng)器處于剎車狀態(tài)。液壓站利用蓄能器釋放所儲(chǔ)存的壓力油，來補(bǔ)償系統(tǒng)的泄露，使系統(tǒng)的壓力保持恒定，并配合其他液壓閥件，實(shí)現(xiàn)對制動(dòng)器的動(dòng)作控制。

（3）液壓站一用一備，閥組由A閥、B閥、C閥、A’閥及溢流閥組成，其中A閥、C閥、A’閥通斷斷油，B閥通電通油，開機(jī)時(shí)，油箱內(nèi)的葉片泵開始打油，液壓油經(jīng)過吸油過濾器、直角單向閥，進(jìn)入油壓管道中，此時(shí)PLC控制A閥、C閥通電斷油，B閥斷電斷油，油壓開始升高，當(dāng)油壓上升到工作油壓5.5MPA時(shí)，壓力傳感器將壓力以0V～10V的信號傳輸?shù)絇LC的模擬量模塊，由PLC輸出允許開機(jī)指令到卸礦站操作臺，操作人員啟動(dòng)開機(jī)按鈕后，PLC控制A失電通油，油壓撐開抱閘，由索道電機(jī)帶動(dòng)牽引繩開始運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)停機(jī)時(shí)，PLC控制C閥失電通油開始卸油，當(dāng)索道主機(jī)轉(zhuǎn)速降到200rpm/s時(shí)，B閥失電同C閥一起快速卸油。當(dāng)索道主機(jī)轉(zhuǎn)速低于120rpm/s時(shí)A閥關(guān)閉。B閥、C閥卸油直到主機(jī)停機(jī)，停機(jī)時(shí)，A閥、C閥得電，B閥失電。當(dāng)索道正常運(yùn)行過程中，出現(xiàn)緊急情況時(shí)，就需要按下急停按鈕，控制A’閥（又叫緊急卸油閥）斷電通油，以非?？焖俚姆绞竭M(jìn)行卸油，讓閘盤快速抱閘而停機(jī)。PLC通過對液壓站傳輸?shù)膲毫π盘栐诔绦蛑羞M(jìn)行判斷，按照程序指令控制繼電器的動(dòng)作，來控制電磁閥的通斷動(dòng)作，穩(wěn)定可靠的實(shí)現(xiàn)了閘盤的是否在剎車狀態(tài)。

4 變頻器命令執(zhí)行步驟

在液壓站及各輔助設(shè)備準(zhǔn)備就緒以后，操作臺備妥指示燈亮。然后操作臺啟動(dòng)開機(jī)，PLC按照操作臺給出的指令，進(jìn)行指令輸出，控制液壓站電磁閥動(dòng)作，撐開閘盤抱閘，然后由變頻器的輸出轉(zhuǎn)矩，讓索道主機(jī)用5s的加速時(shí)間從啟動(dòng)達(dá)到恒定轉(zhuǎn)速，以200rpm/s的斜率轉(zhuǎn)速快速提高到給定轉(zhuǎn)速1000rpm/s。然后PLC與變頻器的通訊，通過讀取施耐德ALTIV 71 PLUS變頻器儲(chǔ)存轉(zhuǎn)速的地址，獲得主電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過將讀取的轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，給出控制調(diào)整轉(zhuǎn)矩輸出的指令到變頻器，變頻器則是接收指令并執(zhí)行，改變輸出以調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到牽引繩轉(zhuǎn)速恒定，形成速度檢測—指令調(diào)整--轉(zhuǎn)矩控制---速度檢測的不斷循環(huán)過程，來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速在一個(gè)恒定1000rpm/s，使得運(yùn)礦的斗車速度均勻穩(wěn)定，有效防止因運(yùn)載繩抖動(dòng)劇烈而發(fā)生的掉斗現(xiàn)象，同時(shí)，對運(yùn)載繩的沖擊和磨損也大幅降低，延長了其使用壽命。運(yùn)礦結(jié)束，按下停機(jī)按鈕時(shí)，速度從1000rpm開始減速，速度降到200rpm，由PLC控制液壓站的電磁閥C閥開始一級泄油，速度降到120rpm開始控制液壓站的電磁閥B閥及C閥同時(shí)動(dòng)作進(jìn)行二級快速泄油，當(dāng)油壓低于1MP時(shí)，抱閘停機(jī)。采用矢量控制，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，很適合重負(fù)載啟動(dòng)，到達(dá)1000rpm的時(shí)間設(shè)定合理時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)加速過電流或者加速過電壓現(xiàn)象。正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)速非常穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速保持在誤差1%以內(nèi)。減速時(shí)正常停機(jī)，根據(jù)轉(zhuǎn)速及液壓站制動(dòng)油壓值，進(jìn)行停車，停車過程平穩(wěn)，變頻器不會(huì)出現(xiàn)減速過電流和減速過電壓現(xiàn)象，最終達(dá)到抱閘迅速不會(huì)產(chǎn)生飛車現(xiàn)象。

5 結(jié)語

由PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取和處理并下達(dá)命令，觸摸屏作為人機(jī)交互界面，方便快捷的進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，變頻器通過無編碼器的磁通矢量控制，驅(qū)動(dòng)能力非常穩(wěn)定而且具有高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的能力。隨著變頻器、PLC以及觸摸屏系統(tǒng)的改進(jìn)和優(yōu)化，液壓站和閘盤系統(tǒng)的改進(jìn)，整個(gè)索道主機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行越發(fā)的穩(wěn)定、可靠。