基于PLC的礦井提升機變頻調速系統設計

劉錫柱

(山西省節能中心有限公司，山西 太原 030045)

0 引言

礦井提升機是煤礦重要的運輸設備，承擔著重要的運輸任務，人員、物資、煤礦的運輸都離不開提升機。提升機在運輸過程中，需要電機配合頻繁地正反轉及制動，在如此高強度、大負荷、長時間的運轉下，對提升機調速控制系統提出了較高的要求。傳統的提升機控制系統一般在電動機轉子回路中串接附加電阻來實現調速、啟停功能，控制設備已經落后老套，而且存在能耗高、故障率高、效率低、操作復雜等問題，已經無法滿足目前煤礦提升機工作的需求[1,2]。

本文采用變頻器調速系統替代傳統的串接附加電阻調速方式，并借助傳感器檢測技術、上位機組態技術、PLC控制技術對提升機控制系統進行改造，不僅可以實現提升機電機的平滑調速，而且可以對提升機進行全方面的狀態監測和故障預警。

1 系統總體方案

礦井提升機變頻調速系統的設計方案如圖1所示。整個系統由上位機監控系統、雙PLC、井下操作臺、變頻調速系統、傳感檢測單元和PROFIBUS通信電纜等組成。其中，上位機監控系統通過PROFIBUS通信電纜與雙PLC進行數據雙向傳輸。上位機監控系統功能包括對監控數據以動態曲線方式進行實時顯示、故障記錄、參數設定、報警提示和運行信號提示等；雙PLC分別為主控PLC和備控PLC，兩組PLC皆具備監測和控制功能，同時投入運行；傳感檢測單元包括霍爾元件、壓力變送器、旋轉編碼器、行程開關和磁敏開關等，負責對礦井提升機的運行狀態進行參數檢測和故障預警，并將數據上傳給雙PLC；PLC負責對傳感器參數進行轉換處理和智能決策，當發生故障時作出故障預警，并且智能調整控制策略改變提升機的運行狀態；變頻調速系統負責對提升機進行調速運行，通過PLC的頻率信號，可實現提升機的變頻平滑調速、電機軟啟動等；操作臺位于礦井之下，包括顯示儀表、操作手柄、電源、角位移和光電開關等，由現場工作人員進行操作，可完成提升機的啟停、手動調速等操作。

圖1 礦井提升機變頻調速系統整體方案

2 硬件方案設計與選型

2.1 PLC設計與選型

本系統的PLC控制部分采用了雙PLC，分為一主一備，同時投入運行，實現相應的監測、控制、保護功能。PLC選用了S7-300系列，該系列PLC體積微型，功能強大，非常適合煤礦這種復雜的工業環境。CPU選用了313C-2DP，并配置了PS307電源，通過對輸入、輸出量的分配統計，額外配置了4個數字量輸入模塊SM321、4個數字量輸出模塊SM322、2個模擬量輸入模塊SM331、2個模擬量輸出模塊SM332[3]。

該PLC擁有一個PROFIBUS DP接口，通過PROFIBUS通信電纜以PROFIBUS通信協議方式與上位機監控系統進行數據通信。

2.2 傳感檢測單元設計與選型

系統通過傳感器檢測單元對提升機自身運行參數進行全方位檢測，一是監測提升機的動態，二是為PLC發出控制指令、故障預警提供數據支持。

(1) 閘瓦磨損檢測行程開關：滾筒周圍共有4道閘，為防止工作過程中閘瓦磨損出現問題，系統選用行程開關，將其安裝在閘邊，一旦發生磨損，行程開關會自動斷開。行程開關選用德力西公司生產的LXK3-20S/L。

(2) 松繩檢測行程開關：針對提升過程中出現的松繩問題，采用KBXC-5/127-1礦用行程開關，在提升鋼絲繩橫放一條繩，繩子兩端掛在搖臂式行程幵關上，一旦發生松繩，便會壓倒行程開關，使提升機停止工作。

(3) 提升機位置檢測：為確定提升機在提升過程中的位置，采用磁敏開關，配合磁鋼。將磁鋼安裝于提升機頂部，磁鋼通過吸合不同位置的磁敏開關便可確定提升機的位置，磁敏開關型號為DI-SORIC。

(4) 制動油油壓檢測：通過壓力變送器對制動油壓進行檢測，用于判斷液壓站是否正常工作。將壓力變送器安裝在液壓站出管的A管和B管上。壓力變送器型號選用PTH 504。

(5) 深度和速度檢測：為對提升機運行的深度和和速度進行檢測，系統采用兩個編碼器，將其安裝在電機軸和減速器軸上。編碼器型號選擇為E6B2-CWZ5B 2000P/R。

2.3 變頻調速系統設計與選型

系統采用變頻器變頻調速的方式對提升機電機進行上下提升控制。通過變頻器變頻進行調速，調速范圍寬、速度可控性好，同時具有節能性。本系統選用了ABB公司的ACS800系列變頻柜，采用交-交變頻調速技術對提升機進行調速。根據公式(1)計算交流電機轉速：

(1)

其中：f為系統頻率；p為電動機極對數；S為轉差率。即變頻器通過改變輸入交流電源的頻率即可實現提升機電機轉速的控制。變頻調速系統硬件框圖如圖2所示。

圖2 變頻調速系統硬件框圖

變頻器包括整流電路、逆變電路和控制電路，由PLC輸出控制信號控制變頻器通過直接轉矩控制方式進行控制。PLC與變頻器之間通過RS485串口方式進行數據傳輸。

3 系統軟件方案設計

3.1 下位機程序設計

雙PLC選用的皆是S7-300系列PLC，根據控制器實際需求，采用STEP7 V5.5軟件對系統進行下位機程序開發和設計，編程語言為梯形圖。系統中變頻調速子程序是核心程序，對系統實現提升機平滑調速和節能具有重要作用[4]。圖3為提升機運行過程中變頻調速子程序的流程圖。

圖3 變頻調速子程序流程圖

3.2 上位機監控軟件設計

針對上位機監控系統，本文采用WinCC組態軟件進行開發。該編程軟件可視化性好、設計步驟簡潔、功能強大。圖4為提升機變頻調速系統上位機軟件的界面框圖。

圖4 提升機變頻調速系統上位機軟件的界面框圖

該上位機監控軟件由4個主界面組成，包括PLC控制系統主界面、系統登錄與管理界面、參數顯示與設置界面、故障診斷報警與保護界面。系統不僅可以全數字化地顯示提升機系統的傳感參數，而且還可遠程選擇控制模式，顯示當前的運行狀態及運行速度狀態，發生故障可以立即報警，同時會自動啟動保護功能。

4 應用效果

該提升機變頻調速系統目前已經投入運行，產生了很好的應用效果：

(1) 提升機運行穩定，加速段、等速段、減速段、爬行段運行速度與預先設定的速度基本保持一致，速度曲線上各段之間平滑過渡，符合生產需求。

(2) 系統節能性好。當提升機在減速段以及下放重物時，變頻器具備再生反饋制動性，可節電20%；同時功率因數提高，可節電10%左右。

(3) 降低了設備投資成本及維護費。采用變頻器替代原有的串電阻調速控制系統，降低了投資成本，同時設備磨損減少，降低了設備維護費用。

5 結論

本文針對原有提升機調速控制系統的不足，設計了一套基于雙PLC的提升機變頻調速控制系統。該系統具備一套主控PLC，一套備用PLC，安全運行穩定性高；系統外圍設置了多種傳感器，可實時監測提升機設備的狀態參數及故障報警；采用了WinCC組態監控軟件，人機監控界面良好；擁有平滑的調速體系，可完美匹配預先設定的速度值；提高了系統功率因數，節能性好。