基于PLC的矿井提升机变频调速系统设计

刘锡柱

(山西省节能中心有限公司，山西 太原 030045)

0 引言

矿井提升机是煤矿重要的运输设备，承担着重要的运输任务，人员、物资、煤矿的运输都离不开提升机。提升机在运输过程中，需要电机配合频繁地正反转及制动，在如此高强度、大负荷、长时间的运转下，对提升机调速控制系统提出了较高的要求。传统的提升机控制系统一般在电动机转子回路中串接附加电阻来实现调速、启停功能，控制设备已经落后老套，而且存在能耗高、故障率高、效率低、操作复杂等问题，已经无法满足目前煤矿提升机工作的需求[1,2]。

本文采用变频器调速系统替代传统的串接附加电阻调速方式，并借助传感器检测技术、上位机组态技术、PLC控制技术对提升机控制系统进行改造，不仅可以实现提升机电机的平滑调速，而且可以对提升机进行全方面的状态监测和故障预警。

1 系统总体方案

矿井提升机变频调速系统的设计方案如图1所示。整个系统由上位机监控系统、双PLC、井下操作台、变频调速系统、传感检测单元和PROFIBUS通信电缆等组成。其中，上位机监控系统通过PROFIBUS通信电缆与双PLC进行数据双向传输。上位机监控系统功能包括对监控数据以动态曲线方式进行实时显示、故障记录、参数设定、报警提示和运行信号提示等；双PLC分别为主控PLC和备控PLC，两组PLC皆具备监测和控制功能，同时投入运行；传感检测单元包括霍尔元件、压力变送器、旋转编码器、行程开关和磁敏开关等，负责对矿井提升机的运行状态进行参数检测和故障预警，并将数据上传给双PLC；PLC负责对传感器参数进行转换处理和智能决策，当发生故障时作出故障预警，并且智能调整控制策略改变提升机的运行状态；变频调速系统负责对提升机进行调速运行，通过PLC的频率信号，可实现提升机的变频平滑调速、电机软启动等；操作台位于矿井之下，包括显示仪表、操作手柄、电源、角位移和光电开关等，由现场工作人员进行操作，可完成提升机的启停、手动调速等操作。

图1 矿井提升机变频调速系统整体方案

2 硬件方案设计与选型

2.1 PLC设计与选型

本系统的PLC控制部分采用了双PLC，分为一主一备，同时投入运行，实现相应的监测、控制、保护功能。PLC选用了S7-300系列，该系列PLC体积微型，功能强大，非常适合煤矿这种复杂的工业环境。CPU选用了313C-2DP，并配置了PS307电源，通过对输入、输出量的分配统计，额外配置了4个数字量输入模块SM321、4个数字量输出模块SM322、2个模拟量输入模块SM331、2个模拟量输出模块SM332[3]。

该PLC拥有一个PROFIBUS DP接口，通过PROFIBUS通信电缆以PROFIBUS通信协议方式与上位机监控系统进行数据通信。

2.2 传感检测单元设计与选型

系统通过传感器检测单元对提升机自身运行参数进行全方位检测，一是监测提升机的动态，二是为PLC发出控制指令、故障预警提供数据支持。

(1) 闸瓦磨损检测行程开关：滚筒周围共有4道闸，为防止工作过程中闸瓦磨损出现问题，系统选用行程开关，将其安装在闸边，一旦发生磨损，行程开关会自动断开。行程开关选用德力西公司生产的LXK3-20S/L。

(2) 松绳检测行程开关：针对提升过程中出现的松绳问题，采用KBXC-5/127-1矿用行程开关，在提升钢丝绳横放一条绳，绳子两端挂在摇臂式行程幵关上，一旦发生松绳，便会压倒行程开关，使提升机停止工作。

(3) 提升机位置检测：为确定提升机在提升过程中的位置，采用磁敏开关，配合磁钢。将磁钢安装于提升机顶部，磁钢通过吸合不同位置的磁敏开关便可确定提升机的位置，磁敏开关型号为DI-SORIC。

(4) 制动油油压检测：通过压力变送器对制动油压进行检测，用于判断液压站是否正常工作。将压力变送器安装在液压站出管的A管和B管上。压力变送器型号选用PTH 504。

(5) 深度和速度检测：为对提升机运行的深度和和速度进行检测，系统采用两个编码器，将其安装在电机轴和减速器轴上。编码器型号选择为E6B2-CWZ5B 2000P/R。

2.3 变频调速系统设计与选型

系统采用变频器变频调速的方式对提升机电机进行上下提升控制。通过变频器变频进行调速，调速范围宽、速度可控性好，同时具有节能性。本系统选用了ABB公司的ACS800系列变频柜，采用交-交变频调速技术对提升机进行调速。根据公式(1)计算交流电机转速：

(1)

其中：f为系统频率；p为电动机极对数；S为转差率。即变频器通过改变输入交流电源的频率即可实现提升机电机转速的控制。变频调速系统硬件框图如图2所示。

图2 变频调速系统硬件框图

变频器包括整流电路、逆变电路和控制电路，由PLC输出控制信号控制变频器通过直接转矩控制方式进行控制。PLC与变频器之间通过RS485串口方式进行数据传输。

3 系统软件方案设计

3.1 下位机程序设计

双PLC选用的皆是S7-300系列PLC，根据控制器实际需求，采用STEP7 V5.5软件对系统进行下位机程序开发和设计，编程语言为梯形图。系统中变频调速子程序是核心程序，对系统实现提升机平滑调速和节能具有重要作用[4]。图3为提升机运行过程中变频调速子程序的流程图。

图3 变频调速子程序流程图

3.2 上位机监控软件设计

针对上位机监控系统，本文采用WinCC组态软件进行开发。该编程软件可视化性好、设计步骤简洁、功能强大。图4为提升机变频调速系统上位机软件的界面框图。

图4 提升机变频调速系统上位机软件的界面框图

该上位机监控软件由4个主界面组成，包括PLC控制系统主界面、系统登录与管理界面、参数显示与设置界面、故障诊断报警与保护界面。系统不仅可以全数字化地显示提升机系统的传感参数，而且还可远程选择控制模式，显示当前的运行状态及运行速度状态，发生故障可以立即报警，同时会自动启动保护功能。

4 应用效果

该提升机变频调速系统目前已经投入运行，产生了很好的应用效果：

(1) 提升机运行稳定，加速段、等速段、减速段、爬行段运行速度与预先设定的速度基本保持一致，速度曲线上各段之间平滑过渡，符合生产需求。

(2) 系统节能性好。当提升机在减速段以及下放重物时，变频器具备再生反馈制动性，可节电20%；同时功率因数提高，可节电10%左右。

(3) 降低了设备投资成本及维护费。采用变频器替代原有的串电阻调速控制系统，降低了投资成本，同时设备磨损减少，降低了设备维护费用。

5 结论

本文针对原有提升机调速控制系统的不足，设计了一套基于双PLC的提升机变频调速控制系统。该系统具备一套主控PLC，一套备用PLC，安全运行稳定性高；系统外围设置了多种传感器，可实时监测提升机设备的状态参数及故障报警；采用了WinCC组态监控软件，人机监控界面良好；拥有平滑的调速体系，可完美匹配预先设定的速度值；提高了系统功率因数，节能性好。