PLC在矿井提升机变频调速控制系统中的应用

PLC在矿井提升机变频调速控制系统中的应用李自亮宫文斌吉林大学摘要：矿井提升机是矿山生产最重要的设备。传统提升机转子串电阻调速电控系统存在诸多问题，如控制方式繁琐、可靠性低、调速性能差等。针对这种情况采用PLC与变频器相结合的控制方案对原有电控系统进行改造，提高整个电控系统安全可靠性、控制精度及调速性能。关键词：提升机电控系统PLC变频器改造ApplicationofPLCTechnologyintheVariable-frequencyRegulating-speedControlSystemofMineHoistLiZiliangGongWenbinAbstract：Theminehoistisoneofthemostimportantequipments.Therearemanyproblemsintraditionalelectriccontrolledsysteminwhichspeediscontrolledbyusingrotor—ringresistance,suchas,thefussycontrollingway,breakingdowneasilyandpoorspeedcontrollingetc.Accordingtothiskindofcondition,weadoptPLCandTransducertoreformfororiginalcontrolsystem,soastoraisethesafety,reliability,controlprecisionandspeedregulationperformanceofthewholeelectriccontrolledsystem.Keywords：minehoistelectriccontrolledsystemPLCtransducertransformation1引言目前，我国绝大部分矿井提升机(超过80%)采用传统的交流电控系统[1]。这种电控系统起动和调速换挡过程中电流冲击大；属于有级调速，调速的平滑性差；低速时机械特性较软，静差率较大；故障率高，节能效果差等。为克服传统交流绕线转子异步电动机串电阻调速系统的缺点[2],采用PLC与变频器相结合的控制方案对传统电控系统进行改造，变频调速是通过改变定子供电频率，成功实现了提升电动机大范围的无级平滑调速，在运行过程中能随时根据电动机的负载情况，使电机始终处于最佳运行状态，能够满足提升机特殊工作环境的要求且有着明显的节电效果；采用PLC对提升系统进行保护和监控，使系统更加安全可靠。变频调速系统将是提升机电控系统的发展方向。2总体设计基于PLC控制的大功率矿井提升机变频调速控制系统由动力装置、液压站、变频器、操作台和控制监视系统组成，系统框图如图1所示。各部分功能如下。变频器SB61G75KWAC380VM减速器卷筒液压站A旋转编码器PLC控制监视系统操作台图1控制系统框图动力装置：包括主电机、减速器、卷筒、制动器和底座，完成人、物、料的运输任务。主电机通过减速器向卷筒提供牵引所需的动力。液压站：为提升机提供制动力，停车时先通过液压站给卷筒施加机械制动力，再取消直流制动力；提升机起动时，先对电机施加直流制动，再松开机械抱闸，防止溜车，以保证系统安全可靠地工作。变频器：是动力站的能量供给单元，通过它可将输入工频电能转换成频率可调的电能提供给交流电动机，以达到控制交流电动机转速的目的。操作台：操作台设置两个手柄，分别用于速度辅助给定及制动力给定。它是整个矿井提升机运输系统的控制核心，通过它可以设定系统的工作方式和控制方式，可以发布系统的各种控制命令，以实现对提升机启动、加速、平稳运行、减速、停车以及紧急制动等各种控制功能。控制监视系统：是操作人员和控制系统及运输系统之间的桥梁，它可以在线监测提升机运输系统的各种工作参数、工作状态、故障参数和故障状态。控制系统工作原理：当司机听到开车信号时，按下启动按钮，PLC控制将380V动力电源接入变频器。再松开液压制动闸并将主令控制器推到正向（或反向），提升机开始运行。在提升过程中，控制提升机运行的主速度给定S形速度曲线由PLC编程产生，经过A/D转换，由模拟量输出口输出，以驱动变频器工作；对变频器输出频率的调整控制，也可根据现场的工况需要，由操作台速度控制手柄以辅助给定的方式进行控制。旋转编码器可以检测主电动机的转速，并将此信号传送给可编程控制器[3]，PLC通过该信号可以累计计算提升机的速度及行走距离，监视器可以时时显示提升机速度和位置。3变频调速主电路设计变频器可以输出频率可调的交流电源，在变频器的控制输入回路中接入频率设定电路，本系统中通过PLC输出电压信号(0～12V)来控制变频器的频率。另外在变频器的外围加设有声光报警输出口及制动单元，能够实现变频器故障报警和安全制动，更有效的对控制系统进行安全保护，变频调速主控电路如图2所示。图2变频调速总控电路3.1声光报警回路变频器报警输出的动断（常闭）触点“30B-30C”串联在KM1的线圈电路内，当变频器因故障不能正常工作时，报警输出的常闭触点动作，使KM1线圈失电，将变频器与电源断开，进行安全保护。为了保护报警输出的触点，在接触器的线圈两端，并联阻容吸收电路（即RC震荡电路）。同时（常开）触点“30B-30A”闭合，将报警指示灯HL和电笛HA接通，进行声光报警。与此同时，断电器KA1得电，其触点将声光报警电路自锁，使变频器断电后，声光报警能持续下去，直到工作人员按下ST1为止，报警才能解除。3.2制动控制回路提升机负载由于惯性较大，当变频器的输出频率下降至0Hz时，常常停不住，而有“蠕动”(也称爬行)现象，在矿山提升机这种大负载机械中，蠕动现象有可能造成十分危险的后果。为此，变频器调速时应设置能耗制动和直流制动功能。4PLC控制系统设计PLC是以微处理器为核心，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置，具有结构简单、性能优越、可靠性高、灵活通用、易于编程、使用方便等优点，近年来在工业自动控制、机电一体化、改造传统产业等方面得到了广泛应用[4]。本调速系统选用德国西门子(Siemens)公司生产的模块式PLCS7-300，它属于模块式PLC，主要由机架、CPU模块、信号模块、功能模块、接口模块、通信处理器、电源模块和编程设备组成[5]。其控制电路如图3所示，主要的控制功能有如下几项：主令操作控制、保护监视控制。图3PLC控制电路图主令操作控制，对系统进行管理，实现提升机与操作台之间的指令传递，向提升系统发出相应的指令，并改变相应电控系统的工作状态，使提升机按照预定的力图和速度图安全运行，运行方式可分为启动、等速运行、减速、爬行、停车。FRM空气开关KM1KM2KM3RSTUVW来自PLC的模拟量输入VR1VR2FWDREVCMK2K1AC22030A30B30CHLHACRKA1ST1KA1声光报警回路制动单元PPXB2TATBTH1TH2PBB1PBX5COM制动电阻30B—30C串接于KM1线圈回路点动复位（主速度给定）（辅助给定）K5K6安全回路继电器起动停止工频变频上升下降点动过卷SB1SB2操作台旋转编码器速度及位置显示液压站机械制动I0.1I0.2I0.3I0.4AC220VFRKM2KM3COMQ4.0Q4.1Q4.2KM3KM2KM1模拟量输出-----去变频器DC24VK1K2K4SIEMENSS7-300电压检测电流检测松绳K1K2K3报警继电器正转继电器反转继电器30B—30CRC复位过载DC24VI0.5I0.6I0.7I0.0I0.8I0.9I0.AQ4.3Q4.4Q4.5Q4.6变频工频K5K6复位点动Q4.7Q4.8同步I0.BPLC根据运行方式对变频器实现S形速度给定控制，实现箕斗运行速度的准S形曲线。PLC还完成各种保护监视功能。监控内容包括：超速监视、过卷监视、实时速度监视、井筒过卷监视、变频器故障监视、矿车行程监视、过载监视、深度指示器监视等，以上监视内容出现故障时，通过报警回路报警或安全回路实现抱闸停车保护。5PLC控制程序设计控制程序流程图如图4所示。PLC控制主程序完成系统初始化、自检、故障诊断、调速系统控制及安全保护等工作。图4控制程序流程图系统开机运行，PLC首先进行初始化，主要对高速计数单元HSCO和HSC1进行以下操作：写控制字，定义工作模式，清零，写设定值，设置定时中断，连接中断，启动计数[6]。接着完成自检及提升机初始位置显示，当收到开车指令时，PLC转入S形速度给定控制，在系统运行过程中，当PLC接收到来自传感器、接近开关或变频器故障等外部控制信号时，PLC控制程序转到相应的中断处理程序处，完成超速保护、过卷、过载、松绳等保护及提升机位置、速度监控、变频器故障监控等。当有故障出现时可转到相应的故障处理模块进行故障处理，并通过报警回路报警或安全回路实现抱闸停车保护。6仿真实验该系统中采用PLC与变频器相结合的控制方案，主速度给定由PLC软件编程实现，使提升机启动、运行、停车实现自动化，实现无级平滑调速；在提升机运行过程中，还可通过操作台控制手柄对提升机进行速度辅助给定。使提升机运行更加合理。另外在控制回路中增设同步开关信号，用以消除提升机多次提升运行中的累计误差，提高控制精度。1）该系统是一个实时控制系统，只要系统有良好的动静态响应特性，提升机S形速度给定控制就能够实现，为此利用MATLAB强大的仿真功能，在Simulink环境下对系统建立仿真模型，并进行动态仿真。该系统控制原理为矢量控制变频调速[7,8]，仿真结构图如图5所示。图5变频调速系统仿真结构图它由若干个子系统组成，每个子系统都已封装。主要子系统的作用如下：①*TiCalculation子模块。其作用是计算定子电流在MT坐标系中的T轴分量的给定值*Ti；②ABC/MT子模块。其作用是将异步电动机三相定子电流经过坐标变换等效为两相同步旋转坐标系MT坐标中的分量，并计算出定子电流沿M轴和T轴的电流分量MI，TI；③MT/ABC子模块。其作用是根据定子电流在MT坐标中的分量，经过旋转变换，得出电机定子的三相绕组电流的给定值*abci；④CurrentRegulator子模块它采用的是滞环控制原理来实现电流调节；⑤SpeedController子模块速度调节器由比较环节、比例积分环节和饱和环节等组成，转速调节器的输入信号是转速给定信号和转速反馈信号；⑥TetaCalculation子模块。其作用是计算角，也就是M轴的位置；⑦FluxCalculation子模块。其作用是根据定子电流励磁分量MI，计算转子磁通2（图5中以Phir表示）。2）对所建立的矢量控制变频调速控制系统采用变步长方法进行仿真，其中交流异步电机参数如下：定子内阻Rs=1.898Ω，定子漏感Ls=0.196H，转子内阻Rr=1.45Ω，转子漏感Lr=0.196H，定、转子互感Lm=0.187H，电机额定功率PN=75kW，额定电压UN=380V，转动惯量J=4.9591kg·m2，频率f=50Hz，极对数np=8。SpeedController控制器参数如为：积分增益Ki=0.145，比例增益Kp=2.5。输入以上参数，对系统进行仿真，得出电磁转矩、电机转速波形如图6、图7所示。图6电磁转矩波形图7电机转速波形由图6和图7仿真波形可以看出，在*=160r/min的参考给定转速下，系统空载启动，转速很快达到给定值，转矩波形较为理想。t=0.2s时转速突加到180r/min，电磁转矩相应增加，随即又到达稳定状态。t=0.4s时突降转速到120r/min，转矩也立即跟随变化。t=0.6s时突加负载扰动，转矩立即加载，而转速几乎没有变化。t=0.8s时突减负载，转矩变化，转速仍然稳定在给定的120r/min上。由以上分析，可以得出，整个过程中转速给定和负载扰动频繁突变，而转速能很好的跟随给图6电磁转矩波形定值（即转速在静态和动态下能以足够的精度和速度跟踪实际给定转速），且响应时