山西科達(dá)自控股份有限公司 苗焰青 高 波 牛乃平

基于PLC控制的變頻調(diào)速在礦井提升機(jī)中的應(yīng)用

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針對(duì)礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性要求，提出了基于PLC控制的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的改造方案，給出了總體結(jié)構(gòu)，詳細(xì)介紹了雙PLC控制系統(tǒng)的工作原理及熱備控制系統(tǒng)的軟硬件配置，完善了系統(tǒng)檢測(cè)功能，具有一定的實(shí)用性。

礦井；提升機(jī)；冗余PLC；控制系統(tǒng)；變頻調(diào)速；以太網(wǎng)

1 前言

礦井提升機(jī)是集機(jī)械、電氣、液壓于一體的綜合型機(jī)械,廣泛應(yīng)用于煤礦、冶金、化工等礦山的豎、斜井中,擔(dān)負(fù)著升降人員、下放材料、提升礦石、輸送人員等任務(wù),是礦山企業(yè)的重要運(yùn)輸設(shè)備,在礦山企業(yè)中起著重要作用。礦井提升慣量大、速度快、控制復(fù)雜,且現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件惡劣,經(jīng)常造成各種機(jī)械零件和電氣元件的功能失效,再加之操作人員的過(guò)失,致使提升失去控制,造成設(shè)備損壞,甚至人員傷亡,影響礦山的正常生產(chǎn)。

在某種意義上電氣控制系統(tǒng)的性能決定了提升機(jī)能否安全、平穩(wěn)、可靠地運(yùn)行,同時(shí)也能避免機(jī)械沖擊和磨損,減少維修工作量,延長(zhǎng)提升機(jī)的使用壽命。所以,提升機(jī)電控系統(tǒng)一直是一個(gè)重大研究課題。

2 提升機(jī)的現(xiàn)狀

對(duì)于大多數(shù)礦井提升機(jī),仍然采用TKD電氣控制系統(tǒng),即繞線電機(jī)轉(zhuǎn)子切換電阻調(diào)速的電氣控制系統(tǒng)。這種電氣控制系統(tǒng)屬有級(jí)調(diào)速,設(shè)備簡(jiǎn)單,不能連續(xù)調(diào)速,在爬行和減速段的速度控制性能較差,特別在負(fù)載變動(dòng)時(shí)很難實(shí)現(xiàn)恒減、加速控制,經(jīng)常出現(xiàn)事故。繞線電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速系統(tǒng)用繼電器、接觸器、電阻器、電機(jī)電刷等容易損壞,且電路復(fù)雜,另外提升機(jī)的頻繁啟動(dòng)和制動(dòng)過(guò)程使電阻產(chǎn)生相當(dāng)大的能量損耗,影響生產(chǎn)效率。

隨著控制技術(shù)、驅(qū)動(dòng)技術(shù)及電力電子技術(shù)的發(fā)展,以PLC為控制核心的變頻調(diào)速裝置代替繼電器、接觸器,逐步應(yīng)用于礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)。但在實(shí)際應(yīng)用中,外圍電路或PLC器件上有時(shí)出現(xiàn)故障,造成系統(tǒng)停車,給用戶造成一定的損失。為提高電氣控制的可靠性,采用PLC冗余結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)“雙線控制”,在主回路驅(qū)動(dòng)上采用高性能四象限矢量控制變頻裝置,同時(shí)保留原有的TKD工頻控制系統(tǒng),使改造后的礦井提升機(jī)具有變頻和工頻兩種運(yùn)行方式,在硬件和軟件上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)冗余控制,既節(jié)約了電能又提高了系統(tǒng)的可靠性。

3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于雙PLC冗余控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 雙PLC冗余控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)采用2套冗余PLC,一套作為主控系統(tǒng),撐控提升機(jī)的主控權(quán),另一套作為熱備用系統(tǒng),監(jiān)控主系統(tǒng)的運(yùn)行。當(dāng)主控PLC出現(xiàn)故障時(shí),備用PLC系統(tǒng)自動(dòng)投入運(yùn)行,接替主控PLC繼續(xù)工作,以維持整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行。主、備PLC控制系統(tǒng)均有各自獨(dú)立的軸編碼器、閘瓦磨損、過(guò)卷等位置檢測(cè)信號(hào),對(duì)超速、過(guò)卷等重要故障實(shí)現(xiàn)雙重保護(hù),對(duì)運(yùn)行狀況和系統(tǒng)參數(shù)同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)控,如任何一套PLC控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到故障,就采取對(duì)應(yīng)的保護(hù)措施。在安全回路上,通過(guò)中間繼電器將安全保護(hù)信號(hào)串入硬件安全回路,使安全回路實(shí)現(xiàn)軟、硬雙安全回路控制,即,2套PLC都能夠獨(dú)立控制安全回路的通斷。

為了減少變頻故障引起的停機(jī),在系統(tǒng)改造時(shí)仍保留TKD工頻控制系統(tǒng),使提升機(jī)改造后具備2套運(yùn)行方式,即變頻和工頻,當(dāng)變頻調(diào)速系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)可以切換到工頻運(yùn)行方式。另外系統(tǒng)在電機(jī)軸上和減速器低速軸上分別裝配軸編碼器,采集提升機(jī)的深度和速度信號(hào)。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于雙PLC冗余控制的變頻調(diào)速礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)硬件由雙PLC、變頻器、信號(hào)監(jiān)測(cè)傳感器等組成。PLC采用西門子S7-300 系列,采用Profibus網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)主站與DP從站之間控制命令和系統(tǒng)反饋信號(hào)的傳遞,與上位機(jī)通訊采用以太網(wǎng)。基本模塊包括CPU模塊、電源模塊、模擬量輸出模塊、模擬量輸入模塊、開(kāi)關(guān)量輸出模塊、開(kāi)關(guān)量輸入模塊、網(wǎng)絡(luò)通訊模塊等。

模擬量輸出包括可調(diào)閘控制、變頻器速度給定等。

模擬量輸入包括電源電壓、電機(jī)電流、制動(dòng)閘、液壓站制動(dòng)油壓等。

開(kāi)關(guān)量輸入包括高、低速軸編碼器脈沖輸入、深度指示器位置檢測(cè)、深度指示器失效脈沖輸入、井中罐籠位置檢測(cè)、松繩保護(hù)和閘瓦磨損等。

開(kāi)關(guān)量輸出包括軟安全回路控制、變頻器的啟、停、液壓站電磁閥控制、各種聯(lián)鎖控制等。

主、從系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)都是通過(guò)Profibus網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程DP分站通訊,實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的采集與控制

系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)如圖2所示,主要組成部分有:(1)冗余集成Profibus DP網(wǎng)絡(luò)接口的2套主、備系統(tǒng);(2)包含2個(gè)DP接口的2 個(gè)ET200M從站和若干個(gè)I/O模塊;(3)通訊網(wǎng)絡(luò):一個(gè)是以太網(wǎng),用于與上位機(jī)的通訊連接,一個(gè)是Profibus 網(wǎng),主要實(shí)現(xiàn)主、備用站系統(tǒng)與遠(yuǎn)程站ET200M的通訊鏈接和主站與備用站同步通訊的鏈接

變頻器選用ABB公司生產(chǎn)的ACS800變頻器,該變頻器采用直接轉(zhuǎn)矩控制,起動(dòng)力矩能達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的200%,可對(duì)電機(jī)的所有核心參數(shù)進(jìn)行控制,啟停平穩(wěn),沒(méi)有沖擊。

圖2 系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

冗余控制系統(tǒng)的軟件運(yùn)行機(jī)制為:主/備系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行,主/備系統(tǒng)實(shí)時(shí)同步監(jiān)測(cè)運(yùn)行狀態(tài)信號(hào),計(jì)算判斷提升機(jī)的狀態(tài),備用系統(tǒng)不執(zhí)行輸出。程序由主程序、通訊子程序、測(cè)速與同步校核子程序、故障處理子程序。主程序主要執(zhí)行系統(tǒng)的初始化、啟動(dòng)、停止、提升、下放、調(diào)速、自檢和故障判斷等控制;通訊子程序主要傳遞主站與DP從站之間的控制命令和狀態(tài)信號(hào),以及檢測(cè)主/備用站PLC的狀態(tài)及冗余切換,當(dāng)運(yùn)行PLC發(fā)生故障時(shí),自動(dòng)切換,實(shí)現(xiàn)雙機(jī)熱備,確保提升機(jī)不停機(jī);測(cè)速與同步子程序?qū)S編碼器的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù),實(shí)現(xiàn)測(cè)速功能,同時(shí)對(duì)高、低速雙套編碼器進(jìn)行同步校核;故障處理子程序執(zhí)行過(guò)載、過(guò)卷、超速、松繩、閘瓦磨損、提升機(jī)位置、變頻器故障等保護(hù)功能,當(dāng)有故障出現(xiàn)時(shí)程序自動(dòng)調(diào)用相應(yīng)的故障處理子程序進(jìn)行故障處理,并通過(guò)安全回路實(shí)現(xiàn)抱閘停車保護(hù)或通過(guò)報(bào)警回路報(bào)警。圖3為程序控制流程圖。

為了保證系統(tǒng)的可靠性,該礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)還設(shè)置了故障運(yùn)行方式。當(dāng)控制系統(tǒng)或雙PLC均出現(xiàn)故障時(shí),可轉(zhuǎn)換到該狀態(tài)運(yùn)行,脫離PLC實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單操作,根據(jù)變頻器多段速功能,主令手柄輸出幾個(gè)速度來(lái)控制提升機(jī)運(yùn)行。該系統(tǒng)還保留了原來(lái)的工頻控制系統(tǒng),當(dāng)變頻器需要檢修或出現(xiàn)故障時(shí)可轉(zhuǎn)換到工頻控制系統(tǒng)。

圖3 基于PLC控制的程序流程圖

6 結(jié)論

基于PLC控制的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)采用完善的硬件和軟件設(shè)計(jì),克服了傳統(tǒng)系統(tǒng)的不足,完善了安全信號(hào)檢測(cè)與控制功能,實(shí)現(xiàn)了雙機(jī)冗余對(duì)礦井提升機(jī)各個(gè)環(huán)節(jié)的監(jiān)測(cè)和變頻調(diào)速控制,提高了各種保護(hù)功能,提高了系統(tǒng)的安全性、可靠性,完全滿足礦井提升機(jī)的安全生產(chǎn)要求,具有一定的實(shí)用性。

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