李謨發(fā)，張碧，寧金葉

(1.湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 湖南 湘潭 411101；2.湖南工程學(xué)院， 湖南 湘潭 411101)

0 引言

礦井提升機(jī)是各類采礦生產(chǎn)過程中的重要設(shè)備。傳統(tǒng)的斜井提升機(jī)普遍采用交流接觸器—晶閘管控制電阻投切的交流繞線式電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，因工作過程中交流接觸器動(dòng)作頻繁，其主觸頭易氧化，進(jìn)而引發(fā)設(shè)備故障。同時(shí)采用降壓?jiǎn)?dòng)，很多礦區(qū)的進(jìn)線變壓器容量較小,輸出電壓低，造成了工頻時(shí)常無法正常開機(jī);采用串電阻的調(diào)速系統(tǒng)屬于有極調(diào)速，其控制性能差，同樣會(huì)造成提升機(jī)在減速和爬行階段停機(jī)位置不準(zhǔn)確,而且轉(zhuǎn)子外電路所串電阻會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的功耗，節(jié)能較差[1],中高速運(yùn)行震動(dòng)大，安全性較差。由上可見,礦井提升機(jī)的傳統(tǒng)電控系統(tǒng)在調(diào)速、節(jié)能、安全可靠性、維護(hù)等方面都存在不同程度的缺陷[2]。

為解決傳統(tǒng)提升機(jī)控制系統(tǒng)在能耗、調(diào)速性能、安全性、高可靠性與自動(dòng)化水平上的缺陷，本文提出一種雙PLC控制的變頻調(diào)速技術(shù)方案，并從系統(tǒng)原理、軟、硬件方面做了詳細(xì)闡述。

1 系統(tǒng)控制原理

本系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。電能通過降壓變壓器把礦山配電網(wǎng)的10 kV電壓等級(jí)降壓為提升機(jī)控制裝置所需的380 V電壓，再通過變頻器與電動(dòng)機(jī)相連，變頻器可把380 V/50 Hz的工頻電源變?yōu)殡妱?dòng)機(jī)實(shí)際調(diào)速過程中需要的電能形式；變頻器還與直流能量?jī)?chǔ)存單元連接，直流能量?jī)?chǔ)存單元與電動(dòng)機(jī)連接，能量?jī)?chǔ)存單元內(nèi)包括降壓斬波器與蓄電池組，當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作在制動(dòng)工作狀態(tài)時(shí)，把回饋的能量通過降壓斬波器與蓄電池組連接，把能量?jī)?chǔ)存起來，不采用電阻消耗，儲(chǔ)存的直流電能可以為系統(tǒng)中需要的直流環(huán)節(jié)供電，特別是在電動(dòng)機(jī)在需要快速制動(dòng)時(shí)，可以把這部分直流電能接到電動(dòng)機(jī)軸上，采用直流制動(dòng)功能，節(jié)能效果明顯；變頻器與控制單元連接，可實(shí)現(xiàn)PLC對(duì)變頻器的遠(yuǎn)程監(jiān)控；電動(dòng)機(jī)與編碼器及減速箱相連，減速箱與潤(rùn)滑油站相連，編碼器Ⅰ把電機(jī)的實(shí)時(shí)速度信號(hào)反饋到控制單元編碼器Ⅱ把滾筒的實(shí)時(shí)速度信號(hào)反饋到控制單元，潤(rùn)滑油站實(shí)現(xiàn)對(duì)減速箱的保護(hù)；減速箱與滾筒相連，滾筒與運(yùn)料小車及液壓站連接，液壓站為提升機(jī)系統(tǒng)提供制動(dòng)力[3]。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

操作臺(tái)與上位機(jī)組合運(yùn)行，監(jiān)控整個(gè)提升機(jī)控制裝置，操作臺(tái)的臺(tái)面上有轉(zhuǎn)換開關(guān)，對(duì)應(yīng)自動(dòng)模式、手動(dòng)模式、停車模式3個(gè)檔位，還有高精度對(duì)應(yīng)0～10 V可調(diào)的電位器，在手動(dòng)模式下，可以通過該電位器調(diào)節(jié)給定信號(hào)給變頻器的外部模擬量調(diào)速結(jié)合內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器，對(duì)提升機(jī)進(jìn)行調(diào)速，上位機(jī)能顯示提升機(jī)各部件的運(yùn)行情況、運(yùn)行參數(shù)及各種控制元件的工作狀態(tài)，還可把安裝在礦井各個(gè)部位的攝像頭中的信息上傳到上位機(jī)的液晶顯示屏上，實(shí)時(shí)監(jiān)控礦井的電氣設(shè)備、工人的安全操作情況，更加確保了作業(yè)的安全性。

當(dāng)提升機(jī)到達(dá)目的后，為了防止操作人員未能把硬件操作到零位，為防止下次啟動(dòng)的時(shí)候出現(xiàn)不必要的意外狀況，設(shè)置自鎖單元，一旦電動(dòng)機(jī)停機(jī)，自鎖單元能夠自鎖[4]，待下次啟動(dòng)時(shí)，需要操作人員進(jìn)行解鎖才能進(jìn)行下一步操作，這樣也提高了礦井操作的安全性。

若系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況，相對(duì)應(yīng)的指示燈和液晶顯示屏顯示報(bào)警內(nèi)容，報(bào)警燈會(huì)閃爍，并發(fā)出報(bào)警聲，此時(shí)可以按下操作臺(tái)上的應(yīng)急按鈕，確保系統(tǒng)能立即斷電運(yùn)行，但制動(dòng)電動(dòng)機(jī)的液壓系統(tǒng)與直流制動(dòng)系統(tǒng)繼續(xù)工作，以防止運(yùn)料小車出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

雙PLC控制原理如圖2所示。PLCI作為主控系統(tǒng)，通過采集編碼器Ⅰ信號(hào)實(shí)現(xiàn)提升機(jī)行程和速度控制；PLCⅡ作為監(jiān)控系統(tǒng)，通過采集編碼器Ⅱ信號(hào)實(shí)現(xiàn)提升機(jī)行程和速度控制。PLCⅠ與PLCⅡ以通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，正常工作時(shí)2套PLC系統(tǒng)可同時(shí)投入運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)提升機(jī)的“雙線制”控制與保護(hù)。為了確保2套PLC系統(tǒng)能同步工作，在PLCI內(nèi)對(duì)2套PLC系統(tǒng)的位置信號(hào)和速度信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)比較，一旦偏差過大，就會(huì)立即報(bào)警。系統(tǒng)中的故障信息都是通過信號(hào)通道送往PLCⅠ與PLCⅡ，一旦其中一臺(tái)出現(xiàn)故障，另一臺(tái)仍可以繼續(xù)運(yùn)行，這樣提高了系統(tǒng)的可靠性。

圖2 雙PLC控制原理

2.2 變頻器的選擇依據(jù)

根據(jù)礦井提升機(jī)的工作特點(diǎn)，為確?？刂频恼{(diào)速與穩(wěn)定性能，變頻器應(yīng)按如下依據(jù)進(jìn)行選擇。

1) 采用的控制方式必須具有低頻力矩大，有大于2倍額定轉(zhuǎn)矩的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，1 Hz時(shí)大于1.6倍額定轉(zhuǎn)矩，零速150%力矩保持，掛重物懸空不溜鉤等特點(diǎn)。

2) 獨(dú)特的抱閘控制邏輯，優(yōu)于傳統(tǒng)FDT模式，控制性能更好。

3) 斜度小于40°的礦井采用開環(huán)矢量，大于40°的建議用閉環(huán)矢量并放大一檔功率等級(jí)配置。

4) 頻率范圍：0.5～50 Hz分段設(shè)置，無級(jí)連續(xù)調(diào)節(jié)。

5) 工作電壓范圍：323～480 VAC額定負(fù)荷下無故障運(yùn)行。

6) 過載能力：200%額定電流，允許1 min；250%額定電流，允許1.5 s。

2.3 變頻調(diào)試方案

變頻器現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試步驟：

1) 輸入電動(dòng)機(jī)及編碼器參數(shù)，并做自學(xué)習(xí)(優(yōu)先用動(dòng)態(tài)自學(xué)習(xí)，自學(xué)習(xí)過程中，電動(dòng)機(jī)必須脫開負(fù)載，編碼器的方向及速度準(zhǔn)確性必須正確。

2) 輸入基本用戶參數(shù)。

3) 輸入增強(qiáng)型附加參數(shù)。

變頻調(diào)試過程中的注意事項(xiàng)：當(dāng)在斜坡或陡坡啟車時(shí)，發(fā)現(xiàn)容易“溜車”，下滑時(shí),適當(dāng)增加啟動(dòng)頻率，可以提高啟動(dòng)力矩；變頻器對(duì)應(yīng)PID調(diào)節(jié)的功能碼——速度環(huán)比例增益1值與速度環(huán)積分時(shí)間1,分別對(duì)應(yīng)了PID調(diào)節(jié)中的P與I,速度環(huán)比例增益1值越大,速度環(huán)積分時(shí)間1越小,根據(jù)經(jīng)典PID控制原理可得出出力反應(yīng)快，反之則反，但是要注意這一對(duì)參數(shù)需要匹配調(diào)節(jié)，否則出會(huì)現(xiàn)啟車“抖動(dòng)”現(xiàn)象，甚至拉不起來貨物；在抱閘期間，增加停止頻率和保持時(shí)間可以避免因抱閘頻率高，引起電流過沖[5]。

2.4 抗干擾設(shè)計(jì)

為了保證整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定及控制系統(tǒng)的良好動(dòng)態(tài)性能，抗干擾設(shè)計(jì)在系統(tǒng)中是重要的一環(huán)。

1) 信號(hào)電纜和電力電纜分開敷設(shè)，并且信號(hào)傳輸導(dǎo)線采用屏蔽電纜，所有屏蔽電纜層匯線接地，信號(hào)電纜接線端子均安裝在柜體下側(cè)。

2) 引至PLC柜的電纜要盡量遠(yuǎn)離那些會(huì)產(chǎn)生電磁干擾的裝置，控制柜、操作臺(tái)等有保護(hù)接地，柜內(nèi)設(shè)有獨(dú)立的電纜屏蔽地接地端子、機(jī)殼安全地、PLC直流地，與內(nèi)部未接地電路板在電氣上進(jìn)行隔離。

3) 在變頻器的輸入、輸出端安裝適當(dāng)?shù)碾娍蛊骱蜑V波器，電動(dòng)機(jī)和變頻器之間電纜采用穿鋼管敷設(shè)或用鎧裝電纜，并與其他弱電信號(hào)在不同的電纜溝分別敷設(shè)，避免輻射干擾。

4) 在軟件方面對(duì)采集的電信號(hào)與非電信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波，設(shè)置看門狗軟件程序等措施。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制程序采用模塊化設(shè)計(jì)[6]，主要包括系統(tǒng)主程序模塊、子程序模塊、通信模塊、故障診斷與處理等模塊。主程序流程圖如圖3所示，首先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化與系統(tǒng)檢測(cè)等工作。子程序主要包括中斷子程序、液壓站控制、速度控制、行程控制、變頻控制等多個(gè)子程序，只需在主程序中調(diào)用這些子程序即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。比如中斷子程序收到限位開關(guān)、過載傳感器、變頻器故障信號(hào)等，PLC能自動(dòng)轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的子程序中，完成對(duì)系統(tǒng)的保護(hù)。液壓站子程序主要用來控制液壓站，包括工作閘、制動(dòng)泵和潤(rùn)滑泵的啟停，油壓信號(hào)采集和比例閥信號(hào)給定等。速度控制子程序根據(jù)前面得到的運(yùn)行區(qū)間來計(jì)算相應(yīng)的速度給定值并發(fā)送給變頻器。其余子程序都能實(shí)現(xiàn)相對(duì)應(yīng)的功能，配合完成系統(tǒng)的全數(shù)字化控制過程。

圖3 主程序流程

4 結(jié)論

本系統(tǒng)采用雙PLC控制變頻調(diào)速系統(tǒng)的方式，該系統(tǒng)方案能滿足礦井提升機(jī)惡劣工作環(huán)境和特殊工作性質(zhì)的要求，既實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無級(jí)調(diào)速與全自動(dòng)化控制，又有效保證了提升機(jī)系統(tǒng)的安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性。