基于PLC逻辑控制的变频调速系统在斜井提升机中的应用及分析

摘 要：针对斜井提升机控制系统应用现状，通过分析变频调速的工作原理，提出技术方案，从软硬件功能两方面设计基于PLC逻辑控制的变频调速系统，并对其技术性能进行了必要的分析和说明。

关键词：能量回馈；节能；PLC逻辑控制

1 概述

目前，大多数中小矿井使用斜井绞车提升，普遍采用交流绕线式电机串电阻调速系统，电阻的投切采用继电器交流接触器控制。这种控制系统在每天连续20小时以上调速过程中，接触器动作频繁，提升机交流接触器主触头容易氧化，故障频发；提升机在爬行阶段，需要低速电动运行，电动机的转子电路需要投入大量的电阻，其机械特性很软；提升机的工况复杂，有时负载小、速度快，有时负载大、速度慢，这就需要通过多次通电或投切电阻来控制提升速度，从而导致速度不稳定，操作困难。串电阻调速属于有极调速，平滑性差、静差率较大，启动过程和变速过程电流冲击大，中高速运行震动大，安全性较差。在低速时投入了大量的转子电阻，消耗了很大一部分的能量，控制保护回路采用简单的继电器硬线路接线繁琐，可靠性差，故障率高。以至于这种调速方法很不经济。而基于PLC逻辑控制的变频调速系统具有：（1）完善的故障诊断能力，维护方便；（2）可靠性高，相对稳定性好；（3）调速平滑性好，效率高。（4）起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显；（5）易于实现过程自动化等优点，在斜井提升机中发挥了极其重要的作用。

2 系统实施方案

系统采用ABB公司ACS800四象限变频器，可以实现全频率（0-300HZ）范围内直接转矩控制。控制系统采用西门子PEOFIBUS-DP的现场线，双PLC冗余，远程I / O控制。全数字智能型监控器取代机械监控器，对提升机进行全行程位置速度监控。提升机变频调速方案如图1所示。

3 方案的实施和技术优势

3.1 直接转矩（DTC）变频调速部分

3.1.1 硬件构成

斜井提升负载是典型的摩擦性负载，重载提升时，电机产生的电磁转矩要克服负载阻力转矩，启动时还要克服一定的静摩擦力，电机工作在第一象限，处于电动状态；重载下放时，电机工作在第二象限，处于再生制动状态，当另外一辆重车提升时，电机处于反向电动状态，工作在第三或第四象限。ACS800-17选用的IGBT单元是四象限模式开关变流器，其硬件构成如图2所示。

3.1.2 能量回馈

斜井提升需要单独运送材料及工具下井时，电机纯粹处于第二或第四象限，此时电机长期处于再生制动状态。四象限的变频器能源可再生供电单元允许能量在电动模式和发电模式之间转换，实现了电机再生制动期间能量向电网的回馈。

3.2 PLC逻辑控制及保护部分

3.2.1 操控系统的构成

网络化操控系统采用西门子公司S7-300（主控，从控）双PLC控制，实现提升工艺的控制及双线程位置速度的保护。网络化操控部分（含双线程保护部分）、网络化监控系统采用PROFIBUS组成现场总线。

3.2.2 操控系统硬件的构成

（1）电源模板PS307：电源模板通过底板总线向SIMATIC S7-300提供5V DC和24V DC 直流电源。（2）CPU模板315-2DP：CPU模板CPU315-2DP是高性能处理器，384K字节RAM，负载存贮器内装256K字节RAM，可扩充到最大64M字节，2个PROFIBUS-DP接口作为主站和PROFIBUS分布式总线系统连接。（3）计数模板FM350-1：FM350-1是单纯计数任务的单通道计数模板。直接连接增量编码器，达到比较值时，集成的数字输出端输出响应。通过计数值可以准确得知提升容器的提升速度和深度数据。（4）数字量输入模板SM321：数字量输入模板将外部过程传送来的数字信号电平转换成内部S7-400信号电平。（5）数字量输出模板SM322：数字量输出模板将S7-300的内部信号电平转换所需要的外部信号电平。（6）模拟量输入模板SM331：模拟量输入模板从外部的过程模拟信号转换成S7-300内部处理用的数字信号。（7）模拟量输出模板SM332：将S7-300的数字信号转换成控制需要的模拟量信号输出，用于连接模拟量调节器，执行机构。

3.3 操控系统软件功能的实现及技术特点

软件设计是操控系统的一个重要组成部分，是控制策略和方法应用的载体，系统运行和性能的优劣主要取决于软件设计的应用。（1）安全回路的作用：当提升机系统出现异常情况时能够停止提升机运行，并防止重新启动，以防事故进一步恶化。当有此类故障发生时，信号触发了安全回路，则可以使的机械安全制动，电气停车，或禁止提升机的下一个提升周期。（2）同步校正采样：准确完成脉冲数的采样以及特定位置的校正。（3）深度计数处理：将计数模板采集的脉冲数通过一系列的运算，得到串车实际运行的深度值，再以此深度值为基础，预设各种位置信号。（4）模拟量运算：通过线性运算处理所有模拟量输入/输出数据。（5）数字量处理：根据条件判断处理所有开关量输入/输出状态及指令。（6）速度给定保护：根据有关数据给出提升机在不同工况要求下的速度给定；根据速度编码器的反馈判断提升机运行状况，做出超速速度保护曲线。（7）闸控给定保护：根据主控发出的开车，停车，紧急制动等指令，控制液压站油泵电机、电磁阀、比例溢流阀；依据模拟量和数字量采集的液压站运行，油温、油压等信号判断其工作状态，做出相应的超温、过压、液位低、残压高等一些列保护。

4 结束语

通过以上几个方面的分析，在斜井提升机使用PLC逻辑控制的变频调速系统中，用四象限变频调速，节能成效显著，经初步测算节能达45%以上，取得了很好的经济效益；采用PLC控制技术取代斜井提升机传统、落后的纯硬件继电器控制系统；采用先进的故障分析方法对提升机系统故障进行监控取代原有的故障诊断系统；采用先进的计算机控制技术实现斜井提升机的微机管理与控制，从而保证斜井提升机安全、可靠地运行。随着PLC（可编程逻辑控制器）和工业现场总线技术以及变频调速技术的日臻完善，替代原有的继电器控制及串电阻有极调速将是一种必然趋势。

参考文献

[1]煤矿安全规程[S].2010.

[2]张复德.斜井提升设备[M].北京：煤炭工业出版社，1994，11.

[3]ACS800固件手册[S].北京：ABB电气传动系统有限公司，2006.

[4]深入浅出西门子S7 300PLC 2004 西门子（中国）有限公司自动化与驱动集团.

作者简介：杨学敏，华亭煤业集团有限公司新庄煤矿，机电工程师。