基于PLC 實現(xiàn)提升機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真

明 澍

（山西焦煤集團有限責任公司西山煤電礦業(yè)公司， 山西 太原 030000）

0 引言

提升機是煤礦實現(xiàn)綜采工作面和地面的關(guān)鍵設(shè)備，其提升效率、運輸安全性和可靠性對煤礦生產(chǎn)尤為重要。提升機傳統(tǒng)主要采用轉(zhuǎn)子串電子調(diào)速的方式對其進行控制，在實際應用中該種控制方式主要表現(xiàn)為調(diào)速曲線不平滑、提升機停車定位不準確等問題，對運輸效率和提升安全性造成了極大的影響。變頻調(diào)速可實現(xiàn)提升機的無級調(diào)速；同時，變頻調(diào)速還可根據(jù)工況對提升速度進行實時調(diào)整控制，達到節(jié)能的目的[1]。鑒于此，將基于PLC 實現(xiàn)提升機的變頻調(diào)速控制，并對調(diào)速控制效果進行仿真分析。

1 提升機概述

針對運輸對象的不同，煤礦生產(chǎn)中的提升機分為主井提升系統(tǒng)和副井提升系統(tǒng)。其中，主井提升系統(tǒng)主要用于對煤炭進行運輸；副井提升系統(tǒng)主要用于對人員和物料的運輸?？偟膩碇v，提升系統(tǒng)主要包括有拖動系統(tǒng)、提升容器、鋼絲繩、天輪以及裝載設(shè)備等，提升系統(tǒng)的簡圖如圖1 所示。

圖1 提升系統(tǒng)簡圖

根據(jù)實際提升運輸工況，提升機控制系統(tǒng)實現(xiàn)對提升容器的加速、減速、勻速、爬行以及制動停車等六種控制狀態(tài)。對于提升機控制系統(tǒng)而言，旨在保證提升機能夠根據(jù)實際工況對將設(shè)備控制在最佳、最合理的運行狀態(tài)，核心是保證設(shè)備的運輸效率和安全性可靠性。提升機控制系統(tǒng)需滿足如下要求。

1.1 實現(xiàn)對提升機速度的精準控制

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定，為保證提升的安全，針對不同的提升對象其對應的提升加速度、減速度需合理。當提升人員時，加速度和減速度不得大于0.75 m2/s；當提升物料時，加速度和減速度不得大于1.2 m2/s。

1.2 實時顯示功能

基于提升機控制系統(tǒng)可實時對設(shè)備的提升速度、運行方向以及實時位置進行顯示，確保操作人員可直觀掌握提升機的工作狀態(tài)[2]。

1.3 高靈敏度的制動系統(tǒng)

要求提升機控制系統(tǒng)可實現(xiàn)提升機的穩(wěn)定制動停車；且在遇到突發(fā)情況時實現(xiàn)提升機的緊急停車[3]。

2 基于PLC 提升機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計

本節(jié)將結(jié)合提升機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)功能需求和要求，完成其關(guān)鍵硬件的選型和設(shè)計。

2.1 變頻器的選型

變頻器是實現(xiàn)提升機根據(jù)工況對其電機轉(zhuǎn)速進行實時精準調(diào)速的關(guān)鍵器件，從而實現(xiàn)對提升速度的無級調(diào)速。變頻器主要包括有輔助控制單元、進線單元、濾波單元以及供電單元等。變頻器選型的主要依據(jù)為與其配套電機的參數(shù)。

本文所研究提升機所配套電機的具體參數(shù)如表1 所示。

表1 提升機電機關(guān)鍵參數(shù)

變頻器的功率為電機功率的1.1 倍，即變頻器功率為280 kW×1.1=308 kW，圓整為310 kW；變頻器電流為電機額定電流的1.5 倍，即變頻額定電流為35.2 A×1.5=52.8 A。綜合上述功率和電流的兩項關(guān)鍵指標，最終確定選用變頻器的具體型號為71 系列變頻器。

2.2 PLC 控制器的選型

PLC 為實現(xiàn)變頻器調(diào)速的核心，在實際應用中PLC 將結(jié)合所采集到的提升機實時運行狀態(tài)并在相應控制策略的基礎(chǔ)上得出針對性的控制策略[4]。因此，PLC 控制器選型時需根據(jù)其輸入、輸出的需求配套相應的輸入/輸出模塊型號及數(shù)量；根據(jù)數(shù)據(jù)處理量確定配套的CPU 型號及數(shù)量。

結(jié)合提升機變頻調(diào)速的控制需求，CPU 輸入點包括電機軸編碼信號、下過卷復位開關(guān)等9 個；安全回路模塊輸入點包括有調(diào)繩信號、閘瓦磨損信號等8個；制動模塊輸入點包括制動油壓過中繼、潤滑泵運行反饋信號等13 個；模擬量輸入點包括制動角位移信號、電機電流信號等8 個；其他輸入點包括提升重物、松繩開關(guān)、故障復位信號等24 個；CPU 輸出點包括等速段超速指示、深指失效指示燈信號9 個；其他輸出點包括有語音報警、減速點打鈴、制動泵控制輸出信號等25 個。

如表2 所示為S7-300 系列PLC 控制器所配套的相關(guān)模塊型號及數(shù)量。

表2 S7-300 系列PLC 配套模塊型號及數(shù)量

2.3 變頻調(diào)速控制策略設(shè)計

為實現(xiàn)對提升機高靈敏、高精度和高響應速度的控制，本文所設(shè)計的變頻調(diào)速控制采用三閉環(huán)運動控制系統(tǒng)，包括有對提升機位置、速度以及電機力矩的控制，控制框圖如圖2 所示。

圖2 三閉環(huán)變頻調(diào)速控制

如圖2 中的位置控制器主要對提升容器的位置進行實時控制，實現(xiàn)對提升容器的精準停車；同時，位置控制器的輸出結(jié)構(gòu)可作為速度控制器的輸入[5]。速度控制器主要是對速度實現(xiàn)精準控制，同時速度控制器的輸入可作為力矩控制的輸入。力矩控制主要是提升機電機輸出轉(zhuǎn)矩進行控制。

該提升機變頻調(diào)速控制采用模糊PID 控制策略實現(xiàn)上述的三閉環(huán)變頻調(diào)速控制。基于模糊PID 控制策略實現(xiàn)對提升機位置、速度和力矩的閉環(huán)控制。根據(jù)提升機的運行工況和控制需求，對模糊PID 控制器的比例、積分、微分三個環(huán)節(jié)中的系數(shù)進行確定。基于Simulink 建立的模糊PID 控制模型如圖3 所示。

圖3 模糊PID 控制器仿真模型

經(jīng)仿真分析，基于模糊PID 控制器可實現(xiàn)對變頻調(diào)速系統(tǒng)快速響應、低超調(diào)量的控制。模糊PID 控制器和PID 控制器控制效果對比如表3 所示。

表3 模糊PID 控制器和常規(guī)PID 控制器控制效果對比

如表3 所示，采用模糊PID 控制器對應控制系統(tǒng)的超調(diào)量可忽略不計；且系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)的時間遠小于常規(guī)PID 控制器。同時，在整個控制過程中基于模糊PID 控制器并未出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。

3 結(jié)語

提升機承擔著地面與井下的原煤、人員、物料以及設(shè)備的運輸任務，但是，提升機傳動串子電阻調(diào)速控制系統(tǒng)屬于有級調(diào)速，無法對提升容器進行精準定位并停車。為此，本文基于變頻器和PLC 控制器為核心設(shè)計了變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，并結(jié)合提升機的調(diào)速控制要求和需求，確定采用基于模糊PID 控制的三閉環(huán)變頻調(diào)速控制策略實現(xiàn)對提升機的低超調(diào)量、快速響應的控制效果。