基于PLC控制的變頻調速在礦井提升機中的應用

山西科達自控股份有限公司 苗焰青 高 波 牛乃平

基于PLC控制的變頻調速在礦井提升機中的應用

山西科達自控股份有限公司 苗焰青 高 波 牛乃平

針對礦井提升機控制系統的可靠性要求，提出了基于PLC控制的變頻調速控制系統的改造方案，給出了總體結構，詳細介紹了雙PLC控制系統的工作原理及熱備控制系統的軟硬件配置，完善了系統檢測功能，具有一定的實用性。

礦井；提升機；冗余PLC；控制系統；變頻調速；以太網

1 前言

礦井提升機是集機械、電氣、液壓于一體的綜合型機械,廣泛應用于煤礦、冶金、化工等礦山的豎、斜井中,擔負著升降人員、下放材料、提升礦石、輸送人員等任務,是礦山企業的重要運輸設備,在礦山企業中起著重要作用。礦井提升慣量大、速度快、控制復雜,且現場環境條件惡劣,經常造成各種機械零件和電氣元件的功能失效,再加之操作人員的過失,致使提升失去控制,造成設備損壞,甚至人員傷亡,影響礦山的正常生產。

在某種意義上電氣控制系統的性能決定了提升機能否安全、平穩、可靠地運行,同時也能避免機械沖擊和磨損,減少維修工作量,延長提升機的使用壽命。所以,提升機電控系統一直是一個重大研究課題。

2 提升機的現狀

對于大多數礦井提升機,仍然采用TKD電氣控制系統,即繞線電機轉子切換電阻調速的電氣控制系統。這種電氣控制系統屬有級調速,設備簡單,不能連續調速,在爬行和減速段的速度控制性能較差,特別在負載變動時很難實現恒減、加速控制,經常出現事故。繞線電機轉子串電阻調速系統用繼電器、接觸器、電阻器、電機電刷等容易損壞,且電路復雜,另外提升機的頻繁啟動和制動過程使電阻產生相當大的能量損耗,影響生產效率。

隨著控制技術、驅動技術及電力電子技術的發展,以PLC為控制核心的變頻調速裝置代替繼電器、接觸器,逐步應用于礦井提升機控制系統。但在實際應用中,外圍電路或PLC器件上有時出現故障,造成系統停車,給用戶造成一定的損失。為提高電氣控制的可靠性,采用PLC冗余結構,實現“雙線控制”,在主回路驅動上采用高性能四象限矢量控制變頻裝置,同時保留原有的TKD工頻控制系統,使改造后的礦井提升機具有變頻和工頻兩種運行方式,在硬件和軟件上實現系統冗余控制,既節約了電能又提高了系統的可靠性。

3 系統總體結構

基于雙PLC冗余控制的變頻調速系統結構圖如圖1所示。

圖1 雙PLC冗余控制的變頻調速系統結構

該系統采用2套冗余PLC,一套作為主控系統,撐控提升機的主控權,另一套作為熱備用系統,監控主系統的運行。當主控PLC出現故障時,備用PLC系統自動投入運行,接替主控PLC繼續工作,以維持整個系統正常運行。主、備PLC控制系統均有各自獨立的軸編碼器、閘瓦磨損、過卷等位置檢測信號,對超速、過卷等重要故障實現雙重保護,對運行狀況和系統參數同時實時監控,如任何一套PLC控制系統監測到故障,就采取對應的保護措施。在安全回路上,通過中間繼電器將安全保護信號串入硬件安全回路,使安全回路實現軟、硬雙安全回路控制,即,2套PLC都能夠獨立控制安全回路的通斷。

為了減少變頻故障引起的停機,在系統改造時仍保留TKD工頻控制系統,使提升機改造后具備2套運行方式,即變頻和工頻,當變頻調速系統出現故障時可以切換到工頻運行方式。另外系統在電機軸上和減速器低速軸上分別裝配軸編碼器,采集提升機的深度和速度信號。

4 系統硬件設計

基于雙PLC冗余控制的變頻調速礦井提升機控制系統硬件由雙PLC、變頻器、信號監測傳感器等組成。PLC采用西門子S7-300 系列,采用Profibus網絡實現主站與DP從站之間控制命令和系統反饋信號的傳遞,與上位機通訊采用以太網。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、開關量輸出模塊、開關量輸入模塊、網絡通訊模塊等。

模擬量輸出包括可調閘控制、變頻器速度給定等。

模擬量輸入包括電源電壓、電機電流、制動閘、液壓站制動油壓等。

開關量輸入包括高、低速軸編碼器脈沖輸入、深度指示器位置檢測、深度指示器失效脈沖輸入、井中罐籠位置檢測、松繩保護和閘瓦磨損等。

開關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、各種聯鎖控制等。

主、從系統通訊網絡都是通過Profibus網絡與遠程DP分站通訊,實現現場信號的采集與控制

系統通訊網絡如圖2所示,主要組成部分有:(1)冗余集成Profibus DP網絡接口的2套主、備系統;(2)包含2個DP接口的2 個ET200M從站和若干個I/O模塊;(3)通訊網絡:一個是以太網,用于與上位機的通訊連接,一個是Profibus 網,主要實現主、備用站系統與遠程站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公司生產的ACS800變頻器,該變頻器采用直接轉矩控制,起動力矩能達到額定轉矩的200%,可對電機的所有核心參數進行控制,啟停平穩,沒有沖擊。

圖2 系統通訊網絡

5 系統軟件設計

冗余控制系統的軟件運行機制為:主/備系統獨立運行,主/備系統實時同步監測運行狀態信號,計算判斷提升機的狀態,備用系統不執行輸出。程序由主程序、通訊子程序、測速與同步校核子程序、故障處理子程序。主程序主要執行系統的初始化、啟動、停止、提升、下放、調速、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信號,以及檢測主/備用站PLC的狀態及冗余切換,當運行PLC發生故障時,自動切換,實現雙機熱備,確保提升機不停機;測速與同步子程序對軸編碼器的脈沖信號進行計數,實現測速功能,同時對高、低速雙套編碼器進行同步校核;故障處理子程序執行過載、過卷、超速、松繩、閘瓦磨損、提升機位置、變頻器故障等保護功能,當有故障出現時程序自動調用相應的故障處理子程序進行故障處理,并通過安全回路實現抱閘停車保護或通過報警回路報警。圖3為程序控制流程圖。

為了保證系統的可靠性,該礦井提升機控制系統還設置了故障運行方式。當控制系統或雙PLC均出現故障時,可轉換到該狀態運行,脫離PLC實現簡單操作,根據變頻器多段速功能,主令手柄輸出幾個速度來控制提升機運行。該系統還保留了原來的工頻控制系統,當變頻器需要檢修或出現故障時可轉換到工頻控制系統。

圖3 基于PLC控制的程序流程圖

6 結論

基于PLC控制的變頻調速控制系統采用完善的硬件和軟件設計,克服了傳統系統的不足,完善了安全信號檢測與控制功能,實現了雙機冗余對礦井提升機各個環節的監測和變頻調速控制,提高了各種保護功能,提高了系統的安全性、可靠性,完全滿足礦井提升機的安全生產要求,具有一定的實用性。

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