PLC在礦井提升機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)中的應(yīng)用
摘要：礦井提升機(jī)是礦山生產(chǎn)最重要的設(shè)備。傳統(tǒng)提升機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速電控系統(tǒng)存在諸多問題，如控制方式繁瑣、可靠性低、調(diào)速性能差等。針對這種情況采用PLC與變頻器相結(jié)合的控制方案對原有電控系統(tǒng)進(jìn)行改造，提高整個電控系統(tǒng)安全可靠性、控制精度及調(diào)速性能。
關(guān)鍵詞：提升機(jī) 電控系統(tǒng) PLC 變頻器 改造
Application of PLC Technology in the Variable-frequency
Regulating-speed Control System of Mine Hoist
Li Ziliang Gong Wenbin
Abstract：The mine hoist is one of the most important equipments. There are many problems in traditional electric controlled system in which speed is controlled by using rotor—ring resistance, such as, the fussy controlling way , breaking down easily and poor speed controlling etc. According to this kind of condition, we adopt PLC and Transducer to reform for original control system, so as to raise the safety, reliability, control precision and speed regulation performance of the whole electric controlled system.
Keywords：mine hoist electric controlled system PLC transducer transformation
1 引言
目前，我國絕大部分礦井提升機(jī)(超過80%)采用傳統(tǒng)的交流電控系統(tǒng)[1]。這種電控系統(tǒng)起動和調(diào)速換擋過程中電流沖擊大；屬于有級調(diào)速，調(diào)速的平滑性差；低速時機(jī)械特性較軟，靜差率較大；故障率高，節(jié)能效果差等。為克服傳統(tǒng)交流繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)串電阻調(diào)速系統(tǒng)的缺點(diǎn)[2],采用PLC與變頻器相結(jié)合的控制方案對傳統(tǒng)電控系統(tǒng)進(jìn)行改造，變頻調(diào)速是通過改變定子供電頻率，成功實(shí)現(xiàn)了提升電動機(jī)大范圍的無級平滑調(diào)速，在運(yùn)行過程中能隨時根據(jù)電動機(jī)的負(fù)載情況，使電機(jī)始終處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，能夠滿足提升機(jī)特殊工作環(huán)境的要求且有著明顯的節(jié)電效果；采用PLC對提升系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)和監(jiān)控，使系統(tǒng)更加安全可靠。變頻調(diào)速系統(tǒng)將是提升機(jī)電控系統(tǒng)的發(fā)展方向。
2 總體設(shè)計(jì)
基于PLC控制的大功率礦井提升機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)由動力裝置、液壓站、變頻器、操作臺和控制監(jiān)視系統(tǒng)組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。各部分功能如下。
圖1 控制系統(tǒng)框圖
動力裝置：包括主電機(jī)、減速器、卷筒、制動器和底座，完成人、物、料的運(yùn)輸任務(wù)。主電機(jī)通過減速器向卷筒提供牽引所需的動力。
液壓站：為提升機(jī)提供制動力，停車時先通過液壓站給卷筒施加機(jī)械制動力，再取消直流制動力；提升機(jī)起動時，先對電機(jī)施加直流制動，再松開機(jī)械抱閘，防止溜車，以保證系統(tǒng)安全可靠地工作。變頻器：是動力站的能量供給單元，通過它可將輸入工頻電能轉(zhuǎn)換成頻率可調(diào)的電能提供給交流電動機(jī)，以達(dá)到控制交流電動機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。
操作臺：操作臺設(shè)置兩個手柄，分別用于速度輔助給定及制動力給定。它是整個礦井提升機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)的控制核心，通過它可以設(shè)定系統(tǒng)的工作方式和控制方式，可以發(fā)布系統(tǒng)的各種控制命令，以實(shí)現(xiàn)對提升機(jī)啟動、加速、平穩(wěn)運(yùn)行、減速、停車以及緊急制動等各種控制功能。
控制監(jiān)視系統(tǒng)：是操作人員和控制系統(tǒng)及運(yùn)輸系統(tǒng)之間的橋梁，它可以在線監(jiān)測提升機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)的各種工作參數(shù)、工作狀態(tài)、故障參數(shù)和故障狀態(tài)。
控制系統(tǒng)工作原理：當(dāng)司機(jī)聽到開車信號時，按下啟動按鈕，PLC控制將380V動力電源接入變頻器。再松開液壓制動閘并將主令控制器推到正向（或反向），提升機(jī)開始運(yùn)行。在提升過程中，控制提升機(jī)運(yùn)行的主速度給定S形速度曲線由PLC編程產(chǎn)生，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，由模擬量輸出口輸出，以驅(qū)動變頻器工作；對變頻器輸出頻率的調(diào)整控制，也可根據(jù)現(xiàn)場的工況需要，由操作臺速度控制手柄以輔助給定的方式進(jìn)行控制。旋轉(zhuǎn)編碼器可以檢測主電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，并將此信號傳送給可編程控制器[3]，PLC通過該信號可以累計(jì)計(jì)算提升機(jī)的速度及行走距離，監(jiān)視器可以時時顯示提升機(jī)速度和位置。
3 變頻調(diào)速主電路設(shè)計(jì)
變頻器可以輸出頻率可調(diào)的交流電源，在變頻器的控制輸入回路中接入頻率設(shè)定電路，本系統(tǒng)中通過PLC輸出電壓信號(0～12 V)來控制變頻器的頻率。另外在變頻器的外圍加設(shè)有聲光報(bào)警輸出口及制動單元，能夠?qū)崿F(xiàn)變頻器故障報(bào)警和安全制動，更有效的對控制系統(tǒng)進(jìn)行安全保護(hù)，變頻調(diào)速主控電路如圖2所示。
圖2 變頻調(diào)速總控電路
3.1 聲光報(bào)警回路
變頻器報(bào)警輸出的動斷（常閉）觸點(diǎn)“30B-30C”串聯(lián)在KM1的線圈電路內(nèi)，當(dāng)變頻器因故障不能正常工作時，報(bào)警輸出的常閉觸點(diǎn)動作，使KM1線圈失電，將變頻器與電源斷開，進(jìn)行安全保護(hù)。為了保護(hù)報(bào)警輸出的觸點(diǎn)，在接觸器的線圈兩端，并聯(lián)阻容吸收電路（即RC震蕩電路）。同時（常開）觸點(diǎn) “30B-30A”閉合，將報(bào)警指示燈HL和電笛HA接通，進(jìn)行聲光報(bào)警。與此同時，斷電器KA1得電，其觸點(diǎn)將聲光報(bào)警電路自鎖，使變頻器斷電后，聲光報(bào)警能持續(xù)下去，直到工作人員按下ST1為止，報(bào)警才能解除。
3.2 制動控制回路
提升機(jī)負(fù)載由于慣性較大，當(dāng)變頻器的輸出頻率下降至0Hz時，常常停不住，而有“蠕動”(也稱爬行)現(xiàn)象，在礦山提升機(jī)這種大負(fù)載機(jī)械中，蠕動現(xiàn)象有可能造成十分危險的后果。為此，變頻器調(diào)速時應(yīng)設(shè)置能耗制動和直流制動功能。
4 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
PLC是以微處理器為核心，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)而發(fā)展起來的一種新型、通用的'自動控制裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)越、可靠性高、靈活通用、易于編程、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，近年來在工業(yè)自動控制、機(jī)電一體化、改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)等方面得到了廣泛應(yīng)用[4]。
本調(diào)速系統(tǒng)選用德國西門子(Siemens)公司生產(chǎn)的模塊式PLC S7-300，它屬于模塊式PLC，主要由機(jī)架、CPU 模塊、信號模塊、功能模塊、接口模塊、通信處理器、電源模塊和編程設(shè)備組成[5]。其控制電路如圖3所示，主要的控制功能有如下幾項(xiàng)：主令操作控制、保護(hù)監(jiān)視控制。
圖3 PLC控制電路圖
主令操作控制，對系統(tǒng)進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)提升機(jī)與操作臺之間的指令傳遞，向提升系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的指令，并改變相應(yīng)電控系統(tǒng)的工作狀態(tài)，使提升機(jī)按照預(yù)定的力圖和速度圖安全運(yùn)行，運(yùn)行方式可分為啟動、等速運(yùn)行、減速、爬行、停車。PLC根據(jù)運(yùn)行方式對變頻器實(shí)現(xiàn)S形速度給定控制，實(shí)現(xiàn)箕斗運(yùn)行速度的準(zhǔn)S形曲線。
PLC還完成各種保護(hù)監(jiān)視功能。監(jiān)控內(nèi)容包括：超速監(jiān)視、過卷監(jiān)視、實(shí)時速度監(jiān)視、井筒過卷監(jiān)視、變頻器故障監(jiān)視、礦車行程監(jiān)視、過載監(jiān)視、深度指示器監(jiān)視等，以上監(jiān)視內(nèi)容出現(xiàn)故障時，通過報(bào)警回路報(bào)警或安全回路實(shí)現(xiàn)抱閘停車保護(hù)。
5 PLC控制程序設(shè)計(jì)
控制程序流程圖如圖4所示。PLC控制主程序完成系統(tǒng)初始化、自檢、故障診斷、調(diào)速系統(tǒng)控制及安全保護(hù)等工作。
圖4 控制程序流程圖
系統(tǒng)開機(jī)運(yùn)行，PLC首先進(jìn)行初始化，主要對高速計(jì)數(shù)單元HSCO和HSC1進(jìn)行以下操作：寫控制字，定義工作模式，清零，寫設(shè)定值，設(shè)置定時中斷，連接中斷，啟動計(jì)數(shù)[6]。接著完成自檢及提升機(jī)初始位置顯示，當(dāng)收到開車指令時，PLC轉(zhuǎn)入S形速度給定控制，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，當(dāng)PLC接收到來自傳感器、接近開關(guān)或變頻器故障等外部控制信號時，PLC控制程序轉(zhuǎn)到相應(yīng)的中斷處理程序處，完成超速保護(hù)、過卷、過載、松繩等保護(hù)及提升機(jī)位置、速度監(jiān)控、變頻器故障監(jiān)控等。當(dāng)有故障出現(xiàn)時可轉(zhuǎn)到相應(yīng)的故障處理模塊進(jìn)行故障處理，并通過報(bào)警回路報(bào)警或安全回路實(shí)現(xiàn)抱閘停車保護(hù)。
6 仿真實(shí)驗(yàn)
該系統(tǒng)中采用PLC與變頻器相結(jié)合的控制方案，主速度給定由PLC軟件編程實(shí)現(xiàn)，使提升機(jī)啟動、運(yùn)行、停車實(shí)現(xiàn)自動化，實(shí)現(xiàn)無級平滑調(diào)速；在提升機(jī)運(yùn)行過程中，還可通過操作臺控制手柄對提升機(jī)進(jìn)行速度輔助給定。使提升機(jī)運(yùn)行更加合理。另外在控制回路中增設(shè)同步開關(guān)信號，用以消除提升機(jī)多次提升運(yùn)行中的累計(jì)誤差，提高控制精度。
1）該系統(tǒng)是一個實(shí)時控制系統(tǒng)，只要系統(tǒng)有良好的動靜態(tài)響應(yīng)特性，提升機(jī)S形速度給定控制就能夠?qū)崿F(xiàn)，為此利用MATLAB強(qiáng)大的仿真功能，在Simulink環(huán)境下對系統(tǒng)建立仿真模型，并進(jìn)行動態(tài)仿真。該系統(tǒng)控制原理為矢量控制變
頻調(diào)速[7,8]，仿真結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。
圖5 變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖
它由若干個子系統(tǒng)組成，每個子系統(tǒng)都已封裝。主要子系統(tǒng)的作用如下：
①Calculation 子模塊。其作用是計(jì)算定子電流在MT坐標(biāo)系中的T軸分量的給定值；
② ABC/MT子模塊。其作用是將異步電動機(jī)三相定子電流經(jīng)過坐標(biāo)變換等效為兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系MT坐標(biāo)中的分量，并計(jì)算出定子電流沿M軸和T軸的電流分量，；
③ MT/ABC子模塊。其作用是根據(jù)定子電流在MT坐標(biāo)中的分量，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)變換，得出電機(jī)定子的三相繞組電流的給定值；
④ Current Regulator子模塊它采用的是滯環(huán)控制原理來實(shí)現(xiàn)電流調(diào)節(jié)；
⑤ Speed Controller子模塊速度調(diào)節(jié)器由比較環(huán)節(jié)、比例積分環(huán)節(jié)和飽和環(huán)節(jié)等組成，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸入信號是轉(zhuǎn)速給定信號和轉(zhuǎn)速反饋信號；
⑥ Teta Calculation子模塊。其作用是計(jì)算角，也就是M軸的位置；
⑦ Flux Calculation 子模塊。其作用是根據(jù)定子電流勵磁分量，計(jì)算轉(zhuǎn)子磁通（圖5中以Phir表示）。
2）對所建立的矢量控制變頻調(diào)速控制系統(tǒng)采用變步長方法進(jìn)行仿真，其中交流異步電機(jī)參數(shù)如下：定子內(nèi)阻Rs=1.898 Ω，定子漏感Ls=0.196 H，轉(zhuǎn)子內(nèi)阻Rr=1.45 Ω，轉(zhuǎn)子漏感Lr=0.196 H，定、轉(zhuǎn)子互感Lm=0.187 H，電機(jī)額定功率PN=75 kW，額定電壓UN=380 V，轉(zhuǎn)動慣量J=4.9591 kg·m2，頻率f=50 Hz，極對數(shù)np=8。
Speed Controller控制器參數(shù)如為：積分增益Ki=0.145，比例增益Kp=2.5。輸入以上參數(shù)，對系統(tǒng)進(jìn)行仿真，得出電磁轉(zhuǎn)矩、電機(jī)轉(zhuǎn)速波形如圖6、圖7所示。
圖6 電磁轉(zhuǎn)矩波形
圖7 電機(jī)轉(zhuǎn)速波形
由圖6和圖7仿真波形可以看出，在=160 r/min的參考給定轉(zhuǎn)速下，系統(tǒng)空載啟動，轉(zhuǎn)速很快達(dá)到給定值，轉(zhuǎn)矩波形較為理想。t=0.2 s時轉(zhuǎn)速突加到180 r/min，電磁轉(zhuǎn)矩相應(yīng)增加，隨即又到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)。t=0.4 s時突降轉(zhuǎn)速到120 r/min，轉(zhuǎn)矩也立即跟隨變化。t=0.6 s時突加負(fù)載擾動，轉(zhuǎn)矩立即加載，而轉(zhuǎn)速幾乎沒有變化。t=0.8 s時突減負(fù)載，轉(zhuǎn)矩變化，轉(zhuǎn)速仍然穩(wěn)定在給定的120 r/min上。
由以上分析，可以得出，整個過程中轉(zhuǎn)速給定和負(fù)載擾動頻繁突變，而轉(zhuǎn)速能很好的跟隨給定值（即轉(zhuǎn)速在靜態(tài)和動態(tài)下能以足夠的精度和速度跟蹤實(shí)際給定轉(zhuǎn)速），且響應(yīng)時間短，過渡過程快，因此提升機(jī)S形速度給定便能夠?qū)崿F(xiàn)；且系統(tǒng)有很好的跟隨和抑制擾動的性能。整個變化過程中電磁轉(zhuǎn)矩也能夠快速響應(yīng)，并很快達(dá)到穩(wěn)定，所以系統(tǒng)具有很強(qiáng)的帶負(fù)載能力。
7 結(jié)語
傳統(tǒng)提升機(jī)電控系統(tǒng)采用PLC與變頻器相結(jié)合的方案進(jìn)行改選后，省去了大量的繼電器、接觸器及調(diào)速電阻，減少了故障發(fā)生率，同時還有利于節(jié)能。另外該系統(tǒng)采用PLC軟件編程實(shí)現(xiàn)提升機(jī)主S形速度給定及操作臺輔助速度給定，能夠?qū)崿F(xiàn)自動及手動調(diào)速，靈活性大，易于操作；系統(tǒng)加入同步開關(guān)，也提高了控制精度。經(jīng)過MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)分析，該系統(tǒng)具有良好的動靜態(tài)響應(yīng)特性、帶負(fù)載能力及抗干擾能力，因此能夠滿足礦山生產(chǎn)實(shí)際需要。可經(jīng)現(xiàn)場進(jìn)一步調(diào)試實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。
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