煤礦絞車電控系統的PLC變頻改造設計路徑剖析

摘 要：本文針對以往高耗能的礦山絞車電控系統，運用變頻器與PLC，對其開展系統化改造，不僅詳細的設計了電控系統與主控程序軟件的流程圖，而且還設計了控制電路、主電路的流程圖，并有目的性的開展了PLC與變頻器的選型，最終制定出了一種變頻器與OLC相結合能夠實現S形速度曲線的方法，此改造的實踐操作，有助于達成礦山節能降耗目標。

關鍵詞：電控系統；煤礦絞車；PLC；變頻器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.12.056

當前， 煤礦絞車在整個礦山中有著較大的用電量，同時在耗能方面也比較突出。針對以往的電機阻電控系統而言，其在實際運行中，尤其是在加速或者是減速過程中，在由轉子串接相應電阻上，通常會有比較大的電能浪費，即20%～30，至此，本文針對此狀況，以副井絞車為研究對象，對其開展了細致化的PLC變頻改造，以期更好的達成此方面的節能減排目標。

1 硬件設計

1.1 變頻器電控系統外部電路、主電路的設計

電控系統主電路由電磁接觸器MCl、MC2、MC3，無熔絲斷路器MCCB，變頻器及感應電動機等所構成；對于變頻器的外部電路而言，其有多個電路構成，即聲光報警電路、接收來自PLC的控制信號等。（1）計算變頻器容量。比如某煤礦的副井絞車，其所選用的系統類型即為較為常見的交流繞線式電機串電阻調速系統，此系統的主要參數為：電機功率354kW，電流418A，電壓660V；絞車道坡度為16°，長度為1200m；減速機為XL-30，速比30，輸入轉速980r/min；卷筒寬度為2m，直徑為2.5m；絞車為K-2.5×2/30型單繩纏繞礦井提升機，由中信重型機械公司生產。在實施改造時，為了使各項成本能夠最大化的降低，經協商，最終決定仍然采用原先的繞線電機。因此，此系統存在比較陳舊的電機設備，此外，對于此礦絞車而言，在負載方面也比較的恒定，在變頻器相應容量進行選擇過程中，設定容量系數為1.2，所以需最小變頻容量值為355×1.2=426kW。（2）選擇變頻器型號。由賽普產的SAPSOOG系列通用變頻器，其所選用的是電流矢量控制技術，其低俗轉矩能夠實現200%的額定轉矩輸出，并且還內置有PLC程序，能夠對運行實施控制，此外，還具有多種操作與控制方式，保護功能比較齊全，對于那些礦井絞車電機驅動比較適用。結合系統實況，另通過查閱相關規范手冊，最終選擇的變頻器為時下較為通用的SAPS00G-450-T6-AA（賽普），其標準的參數為三相660V。（3）聲、光報警電路的合理設計。對于聲、光報警而言，其電路由多部分構成，主要由自鎖解除按鈕A6、報警自鎖繼電器BJ線圈及其常開觸點、故障報警鈴JL與故障報警燈JD構成。因來自PLC的故障繼電器K3及APl500G變頻器內部檢測電路，對變頻器內部故障，即繼電器相應輸出端子TC，呈現出與TA閉合狀況，并且還共同控制著斷開工序，通常以此種方式來進行聲、光報警。

1.2 PLC控制部分的電路設計

針對PLC控制的電路來講，其在整個礦井絞車電控系統當中，往往發揮著核心性作用，構成多樣，即旋轉編碼器、操作臺、可編程邏輯控制器、電壓電流檢測、繼電電路及各種輸入控制按鈕。對于其所持有的功能而言，即實時監控絞車的工作狀態，依據預定的速度圖及力圖，對絞車進行控制，結合運行方式，給定控制變頻器，使其能夠實現S形速度曲線，使其能夠多方面的自動運行，如停車、爬行、減速及啟動等，為絞車的可靠、經濟及安全運行提供保障。選擇由西門子公司生產的S7-300系列PLC。運用主控為PLC的主要原因在于，其具有較好的環境適應性，能夠在一些比較惡劣復雜的礦井環境中使用，具有較好的電磁兼容性，工作可靠。此外，對于S7-300的構成而言，其由多種模塊部件組合而成，各個模塊之間又能夠以各種方式適當組合，來實現與現場實際需要相符的控制系統設計。其具有各種CPU，能夠提供所需要的集成系統功能，便于各種控制系統的形成。

2 電控系統保護的實現路徑

對于SAPS00G變頻器而言，其保護功能比較多樣，可進行如下保護：（1）輸入電源電壓過低保護；（2）輸入電源電壓過高，大于額定值125%，并且在持續時間方面超出30s時提供保護；（3）負載慣性過高或者是減速時間過短，并且此狀況持續時間超出30s；（4）電機產生回生電壓或者是電源電壓變動過高，使得母線的電壓持續升高；（5）負載慣性過高或者是減速時間太短，造成直流母線具有過高的電壓；（6）加速或減速時，具有過短的時間設置，在轉矩設定值方面，提升幅度比較大；在制動電流上，通常會出現直流定位過高的情況；由于此狀況持續的時間比較長，在此影響下，會造成所輸出的電流出現持續性過高；（7）過電壓失速防止功能。對于變頻器而言，如若其正在運作執行的是減速，在負載慣性的作用驅動下，會造成電機出現持續性的能量回升狀況，隨后變頻器內部也會出現此情況，此時，處在直流側電壓，便會在比較短的時間內，出現快速升高，所以，對于變頻器直流側而言，如若其電壓短時間內升高過快，那么變頻器在此影響下，便可立刻呈減速狀態，直到位于直流側的電壓，在數值上將至標準保護值則止，當恢復正常之后，變頻器再次減速；（8）外部故障端子輸入保護。實施PLC檢測后，如若發現絞車配套的牽引鋼絲繩出現過松的情況，或者是存在下過卷、上過卷的情況，此時的PLC繼電器，對應的K3線圈便會處于得電狀態，此狀況驅動下，其與SAPS00G變頻器，在處于對接狀態的保護開關，通過端子MT的輸入，便會與COM端子，在具體的上常閉觸點方面，呈持續性的斷開狀態；對于APS00G變頻器而言，對其實施檢測，如若發現存在此信號，在為變頻器提供保護的實際操作中，位于系統內部的故障繼電器，在具體的輸出端子TC方面，與TA一道呈持續性的閉合狀態，當發生此故障后，與之相對應的故障報警鈴，感知故障后，便立即對外發出警報，報警燈在此應動下，隨及閃動發光。

3 S形速度曲線的實現

（1）速度曲線的選擇。此礦井絞車所選用的乃是不對稱的5階段S形速度曲線，由5各階段構成，即制動、爬行、減速、勻速及加速。其中加速度與減速度均為1m/s2，爬行速度1.75m/s，工頻速度7.6m/s。（2）S曲線PLC編程實現。結合速度曲線運行參數，將減速距離、加速距離、減速時間及加速時間計算出來，然后依據絞車運行線路的長度，停車的實際距離及爬行的大致距離，開展細致化計算，得出工頻運行距離，通過此計算，便可較好的得知PLC輸出模擬控制的電壓，與距離間處于何種關系。于PLC編程過程中，需合理設定工作運行、減速階段、加速階段及啟用轉換器的狀態。在定位絞車側方面，主要通過PLC，利用旋轉編碼器，對其其脈沖個數進行計算，然后通過CPU計算而得到。（3）憑借變頻器的WF曲線，設置S曲線。在選擇賽普SA500G變頻器V/F曲線時，設置內部參數代碼F34在其中發揮著決定作用。如果F34=0時，那么V/F便為一條曲線，而且呈現為線性加減的曲線，以通用負載較為常見且多用。如若為F34=1，針對此時的V/F曲線而言，則為二次平方轉矩曲線，以加減速中較為多用，即此操作中所需噪聲將起、減緩振動等。依據絞車實際需要，設計時，最終選定F34=1。

4 設計絞車電控系統軟件

設計絞車的電控系統軟件，較多會用到PLC編程，其由兩部分構成，即中斷服務子程序與主程序。軟件與硬件在彼此協調的情況來完成工作。只有軟硬件協調配合，方能實現控制系統各項預定功能。當系統處于通電狀態，首要步驟即為使系統呈初始化，然后結合系統實際狀況，使其自檢，當確認合格之后，便可進行啟動信號的接受工作，當系統的運行狀態為加速段時，并且已經達到了相應工頻運行點，便會以一種自動的方式轉運至工頻，當其達到相應減速點時，便會以一種減速的狀態而持續運行，若達到最終的停車點時，便會立即停車，此時便呈待定狀態，等待下一指令。在此時段，若有異常，或非工作工作，系統便隨即跳轉，轉向中斷子程序，對系統進行相應保護，且及時將聲光警報發出。

5 結語

總而言之，變頻技術現今已在煤礦絞車電機當中得到廣泛應用，把變頻技術體積小、啟動電流低、精度高及調速范圍廣等優勢，經一定方式均轉至煤礦絞車當中，推動絞車電氣控制的深層次發展，促進整個煤礦產業的更好發展。

參考文獻：

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作者簡介：張濤（1984-），男，河南唐河人，本科，助理工程師，技術主管，研究方向：礦山運輸、煤礦提升機使用或控制方面的等、井下蓄電池車，煤礦。