劉錫柱

(山西省節(jié)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(shè)備，承擔(dān)著重要的運輸任務(wù)，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(zhuǎn)及制動，在如此高強度、大負(fù)荷、長時間的運轉(zhuǎn)下，對提升機調(diào)速控制系統(tǒng)提出了較高的要求。傳統(tǒng)的提升機控制系統(tǒng)一般在電動機轉(zhuǎn)子回路中串接附加電阻來實現(xiàn)調(diào)速、啟停功能，控制設(shè)備已經(jīng)落后老套，而且存在能耗高、故障率高、效率低、操作復(fù)雜等問題，已經(jīng)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(diào)速系統(tǒng)替代傳統(tǒng)的串接附加電阻調(diào)速方式，并借助傳感器檢測技術(shù)、上位機組態(tài)技術(shù)、PLC控制技術(shù)對提升機控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，不僅可以實現(xiàn)提升機電機的平滑調(diào)速，而且可以對提升機進(jìn)行全方面的狀態(tài)監(jiān)測和故障預(yù)警。

1 系統(tǒng)總體方案

礦井提升機變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計方案如圖1所示。整個系統(tǒng)由上位機監(jiān)控系統(tǒng)、雙PLC、井下操作臺、變頻調(diào)速系統(tǒng)、傳感檢測單元和PROFIBUS通信電纜等組成。其中，上位機監(jiān)控系統(tǒng)通過PROFIBUS通信電纜與雙PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)雙向傳輸。上位機監(jiān)控系統(tǒng)功能包括對監(jiān)控數(shù)據(jù)以動態(tài)曲線方式進(jìn)行實時顯示、故障記錄、參數(shù)設(shè)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(jiān)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(zhuǎn)編碼器、行程開關(guān)和磁敏開關(guān)等，負(fù)責(zé)對礦井提升機的運行狀態(tài)進(jìn)行參數(shù)檢測和故障預(yù)警，并將數(shù)據(jù)上傳給雙PLC；PLC負(fù)責(zé)對傳感器參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理和智能決策，當(dāng)發(fā)生故障時作出故障預(yù)警，并且智能調(diào)整控制策略改變提升機的運行狀態(tài)；變頻調(diào)速系統(tǒng)負(fù)責(zé)對提升機進(jìn)行調(diào)速運行，通過PLC的頻率信號，可實現(xiàn)提升機的變頻平滑調(diào)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(guān)等，由現(xiàn)場工作人員進(jìn)行操作，可完成提升機的啟停、手動調(diào)速等操作。

圖1 礦井提升機變頻調(diào)速系統(tǒng)整體方案

2 硬件方案設(shè)計與選型

2.1 PLC設(shè)計與選型

本系統(tǒng)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(xiàn)相應(yīng)的監(jiān)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(fù)雜的工業(yè)環(huán)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(tǒng)計，額外配置了4個數(shù)字量輸入模塊SM321、4個數(shù)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(xié)議方式與上位機監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

2.2 傳感檢測單元設(shè)計與選型

系統(tǒng)通過傳感器檢測單元對提升機自身運行參數(shù)進(jìn)行全方位檢測，一是監(jiān)測提升機的動態(tài)，二是為PLC發(fā)出控制指令、故障預(yù)警提供數(shù)據(jù)支持。

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

(2) 松繩檢測行程開關(guān)：針對提升過程中出現(xiàn)的松繩問題，采用KBXC-5/127-1礦用行程開關(guān)，在提升鋼絲繩橫放一條繩，繩子兩端掛在搖臂式行程幵關(guān)上，一旦發(fā)生松繩，便會壓倒行程開關(guān)，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(guān)，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(guān)便可確定提升機的位置，磁敏開關(guān)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(jìn)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(jìn)行檢測，系統(tǒng)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(diào)速系統(tǒng)設(shè)計與選型

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

(1)

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

圖2 變頻調(diào)速系統(tǒng)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(zhuǎn)矩控制方式進(jìn)行控制。PLC與變頻器之間通過RS485串口方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

3 系統(tǒng)軟件方案設(shè)計

3.1 下位機程序設(shè)計

雙PLC選用的皆是S7-300系列PLC，根據(jù)控制器實際需求，采用STEP7 V5.5軟件對系統(tǒng)進(jìn)行下位機程序開發(fā)和設(shè)計，編程語言為梯形圖。系統(tǒng)中變頻調(diào)速子程序是核心程序，對系統(tǒng)實現(xiàn)提升機平滑調(diào)速和節(jié)能具有重要作用[4]。圖3為提升機運行過程中變頻調(diào)速子程序的流程圖。

圖3 變頻調(diào)速子程序流程圖

3.2 上位機監(jiān)控軟件設(shè)計

針對上位機監(jiān)控系統(tǒng)，本文采用WinCC組態(tài)軟件進(jìn)行開發(fā)。該編程軟件可視化性好、設(shè)計步驟簡潔、功能強大。圖4為提升機變頻調(diào)速系統(tǒng)上位機軟件的界面框圖。

圖4 提升機變頻調(diào)速系統(tǒng)上位機軟件的界面框圖

該上位機監(jiān)控軟件由4個主界面組成，包括PLC控制系統(tǒng)主界面、系統(tǒng)登錄與管理界面、參數(shù)顯示與設(shè)置界面、故障診斷報警與保護界面。系統(tǒng)不僅可以全數(shù)字化地顯示提升機系統(tǒng)的傳感參數(shù)，而且還可遠(yuǎn)程選擇控制模式，顯示當(dāng)前的運行狀態(tài)及運行速度狀態(tài)，發(fā)生故障可以立即報警，同時會自動啟動保護功能。

4 應(yīng)用效果

該提升機變頻調(diào)速系統(tǒng)目前已經(jīng)投入運行，產(chǎn)生了很好的應(yīng)用效果：

(1) 提升機運行穩(wěn)定，加速段、等速段、減速段、爬行段運行速度與預(yù)先設(shè)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(chǎn)需求。

(2) 系統(tǒng)節(jié)能性好。當(dāng)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(jié)電20%；同時功率因數(shù)提高，可節(jié)電10%左右。

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

5 結(jié)論

本文針對原有提升機調(diào)速控制系統(tǒng)的不足，設(shè)計了一套基于雙PLC的提升機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備一套主控PLC，一套備用PLC，安全運行穩(wěn)定性高；系統(tǒng)外圍設(shè)置了多種傳感器，可實時監(jiān)測提升機設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)及故障報警；采用了WinCC組態(tài)監(jiān)控軟件，人機監(jiān)控界面良好；擁有平滑的調(diào)速體系，可完美匹配預(yù)先設(shè)定的速度值；提高了系統(tǒng)功率因數(shù)，節(jié)能性好。