PLC和变频器控制系统在索道运矿系统中的应用

李海明

索道运转系统采用PLC+变频器+触摸屏的方式控制索道系统的运转。随着生产规模的提升，索道运载量的逐步加大以及国家对安全环保提出更高的要求。在索道运转系统的稳定性和人机操作界面的可操作性方面要求越来越高。通过电气人员研究探讨，对变频器和PLC控制系统改进更新，确保索道系统运行平稳可靠。

1 PLC+变频器应用情况

1.1 矿山变频器的特点

随着产能不断提升，对索道运转能力提出了更高的要求。不仅要求提高运载能力，还要求索道运矿过程更平稳。原有的变频器使用年限较长，其内部元器件开始老化。为满足重负载（运输能力现已提升到230t/h）、启动力矩大，而且速度控制要高精度（2.5m/s），经探讨和了解其他矿山变频器的使用情况，选用施耐德ALTIV 71 PLUS变频器为更新设备，它具有以下优点：

（1）通过带或不带传感器的磁通矢量控制进行速度调节。

（2）过电流能力：150%，60s；165%，2s。

（3）ATV71变频器优势：高过转矩重载。

（4）超宽的电压范围：380-15%～480+10%，最大允许电网跌落：50%。

（5）可使用CI卡或ATV-IMC卡（可编程控制器），实现各种复杂要求的功能。

（6）全系列内置EMC滤波器标配直流电抗器（380V产品），抑制谐波。

（7）齐全的通讯协议：标配Modbus和CANopen，支持所有主流工业总线。

（8）集成Modbus与CANopen输入/输出扩展卡，编码器接口卡。

（9）保护电机与变频器“断电”安全功能，ATEX安全功能。

通过在触摸屏上给定运行速度，给定速度指令经PLC传达到施耐德ALTIV 71 PLUS变频器。变频器得到速度指令，通过矢量坐标电路控制电动机定子电流的大小和相位，对电动机的励磁电流和转矩电流分别进行控制，进而达到控制电动机转矩的目的。无速度传感器矢量控制是通过坐标变换处理分别对励磁电流和转矩电流进行控制，然后通过控制电动机定子绕组上的电压、电流辨识转速以达到控制励磁电流和转矩电流的目的。这种控制方式调速范围宽，启动转矩大，工作可靠，操作方便。

1.2 S7-1500系列CPU集成分析

随着对控制设备的精度要求较高外，PLC还得具备能实现快速运算、扩展功能强大、具有多种通讯连接，能够实现复杂的运动控制等功能。西门子PLC S7-1500系列是西门子PLC中性能最强的一类控制器。它能应用在复杂的自动化控制系统中，实现快速的运算，为复杂控制系统提供了解决方案。

（1）S7-1500系列PLC性能强大，扩展能力强。具有多种通信连接，能实现复杂的运动控制，并且具有诊断功能。它是目前西门子PLC中功能最为强大的控制器。

（2）设计方式新颖。S7-1500系列的CPU自带面板，能支持诊断，调试，维护，IP地址分配，趋势图显示，读取程序循环时间等功能；同时具有多功能型I/O模块，可以对产品线进行优化，方便进行选型和备件。

（3）诊断功能强大。S7-1500系列的CPU支持LED通道分配，可以快速定位错误。当发生故障时，用户不需要编写程序就可以通过编程软件，HMI等方式快速实现通道级的诊断。还可以通过ProDiag功能，分析错误过程，大幅减少了调试和停机时间，提高了工程效率。

（4）信息安全功能。S7-1500系列的CPU集成了复制保护和专有技术保护功能，可以确保用户的知识产权不受侵犯，并具有保护功能，防止篡改。

（5）开放功能。S7-1500系列CPU集成标准化的OPC UA通信协议，可以和上位机实现安全有效的通信；还可以通过PLCSim Advance软件实现PLC数据和仿真软件连接进行虚拟调试，提前进行错误修复，减少现场调试时间。

（6）集成运动控制。S7-1500系列CPU具有运动控制功能，可以实现复杂的运动控制任务，例如同步，插补，等，S7-1500T系列CPU能实现的运动控制功能，例如：凸轮控制，同步功能。

（7）性能强大。S7-1500系列CPU响应速度快，微处理的速度最快可达1ns；CPU本体集成有多个以太网接口，最多实现3个以太网网段；Profinet通信支持IRT（等时同步）方式。

（8）组态高效。S7-1500系列CPU通过博图软件进行编程，可以通过LAD，FBD，SCL，STL等多种编程语言实现程序逻辑设计；其中1500F系列的CPU支持故障安全功。

1.3 随着工业自动化的发展，越来越多的工程项目中使用到了西门子SMART系列

在操作台选用了Tp1200 COMFORT 触摸屏。为了给现场操作人员提供更友好的界面，便捷的操作方式。选用了TP1200 COMFORT操作面板，组态比较方便，只需按照步骤操作即可。界面图画选择很多，制作简便，触摸灵敏，与PLC通讯数据传输也快，非常好用，界面清晰、友好。使得整个系统中的设备状态可以清晰的显示在画面上，并由操作员进行控制。Tp1200 COMFORT触摸屏具有以下优点：

（1）在接口方面2个PROFINET接口、1个PROFIBUS接口、USB-2.0接口、USB主机接口（A型），USB设备接口（迷你B型）。

（2）显示屏：1600万色宽屏格式的高分辨率TFT显示屏，超大可视角，亮度可任意调节。

（3）操作方面：按键型设备采用我们熟知的如移动电话应用的按键模式来输入文本和数字。所有可自由组态的功能键均有LED。所有按键都有清晰的按压点，由此确保操作安全。

（4）Internet Explorer用以显示互联网页面PDF、Excel和Word文档的浏览器，具有归档和脚本功能的Runtime软件，SIMATIC控制器的系统诊断，（f（x），f（t））等曲线显示。

（5）数据存储：2个存储卡插槽·插槽用来保存用户数据。用于服务方案的插槽简化了维修时的重新运行操作。自动更新系统卡上的项目数据和设备设置。

（6）从操作设备上可读取SIMATIC控制器的系统诊断，不需要附加编程设备。

2 PLC与控制系统在索道控制系统中的实际应用情况分析

2.1 PLC、施耐德变频器与触摸屏遵循profinet协议运行方式

各个站点PLC、施耐德变频器与触摸屏遵循profinet协议，通过网线进行连接通讯。profinet是新一代基于工业以太网技术的自动化总线标准。作为一项战略性的技术创新，可以完全兼容工业以太网和现有的现场总线技术。随着现场设备智能程度的不断提高，自动化控制系统的分散程度也越来越高，工业控制系统正由分散式自动化向分布式自动化不断演进。

2.2 SIMATIC iMap软件的应用效果

通过SIMATIC iMap软件，即可用图形化组态的方式来实现各组件间的通讯配置，不需要另外编程，大大简化了系统的配置及调试过程。基于组件的软件工具，用于在分布式自动化解决方案中组态通讯，SIMATIC iMap主要的优点通讯组态简便（只需拖动设备的技术功能接口之间的线即可）。应用工厂范围内的工程与组态在模块化中。

（1）它用于以分布式自动化方案对通讯进行组态。SIMATIC iMap用来图形化组态技术功能模板之间的数据交换。

（2）设计SIMATIC iMap是基于Windows的应用程序。SIMATIC iMap基本上包括以下基本视图：项目树：用来管理所有项目资源（技术功能和设备）以及用于在工厂的自动化层级进行导航。网络和拓扑视图：用来定义硬件设备之间的技术功能结构，以及系统诊断（通讯和设备状态诊断）项目视图：用于项目管理和项目中软件功能。

（3）用SIMATIC iMap 进行通讯组态，SIMATIC iMap把以技术功能为基础的程序库元素相互连接。项目工程师把技术功能软件组件相互连接起来，并且组态网络拓扑结构中的相关设备，该项目随后就完成了。通过在线模式，项目工程师可以测试和监控设备之间的通讯。

（4）从技术角度看，SIMATIC iMap具有以下优点：软件组件之间的通讯，无需具有编程知识。用于通讯的一致性数据根据工程信息生成，并被下载到设备中。设备之间的通讯关系是通过以太网下载的。以图形化概览网络拓扑结构。并可映射和软组件有关的设备。

3 索道运矿系统

3.1 PLC接收闸盘制动器制动状态

PLC接收闸盘制动器传输过来的闸盘间距模拟量电压信号后，通过将该信号的电压值进行转换并与程序中的几个设定值进行大小比对，来判断闸盘、闸瓦与旋转盘之间的距离是否在合理的区间内，并据此执行预先设定好的程序。如果是在正常区间内则正常开机、正常运行，如果超过这个间距，则不允许开机，若是出现在正常运行时，出现测距值超过距离区间则会报警停机。

（1）全盘式制动器摩擦副的固定元件和旋转元件都是圆盘形的，分别称为固定盘和旋转盘。制动盘的全部工作面可同时与摩擦片接触，其结构原理与摩擦离合器相似。盘式制动器工作表面为平面且两面传热，圆盘旋转容易冷却，不易发生较大变形，制动效能较为稳定，长时间使用后制动盘因高温膨胀使制动作用增强。盘式制动器结构简单，维修方便，易实现制动间隙自动调整。

（2）制动时，油液被压入内、外两轮缸中、其活塞在液压作用下将两制动块压紧制动盘，产生摩擦力矩而制动。此时，轮缸槽中的矩形橡胶密封圈的刃边在活塞摩擦力的作用下产生微量的弹性变形。放松制动时，活塞和制动块依靠 密封圈的弹力和弹簧的弹力回位。由于矩形密封圈刃边变形量很微小，在不制动时，摩擦片与盘之间的间隙每边只有2cm左右，它足以保证制动的解除。又因制动盘受热膨胀时，其厚度只有微量的变化。矩形橡胶密封圈除起密封作用外，同时还起到活塞回位和自动调整间隙的作用。如果制动块的摩擦片与盘的间隙磨损加大，制动时密封圈变形达到极限后，活塞仍可继续移动，直到摩擦片压紧制动盘为止。解除制动后，矩形橡胶密封圈将活塞推回的距离同磨损之前相同，仍保持标准值。

（3）通过距离传感器检测闸盘、闸瓦间距，并以0V～10V的模拟量电压信号传输到PLC的模拟量模块。PLC则将该信号与程序中的设定值进行大小比对，来判断闸盘、闸瓦所处的状态。PLC根据比对值是否在设定值一定的区间内，来判定状态是否正常、能否正常开机。当间距值大于区间值时，会在操作台触摸屏上给出闸盘间距过大报警提示。在停机状态时，PLC会判定是闸盘出现故障，不允许开机；在正常运转时出现这情况，PLC会判定是闸盘出现故障，从而输出停机指令，索道主机急停停机。

3.2 液压站作用

PLC接收液压站传输过来的油压模拟量电压值信号，通过将该信号的电压值进行转换，然后与程序中的几个设定值进行大小比对，来判断液压站此时的压力值，据此得到液压站压力情况。当操作台发出各种指令后，PLC通过控制继电器动作来控制电磁阀的通断，来控制索道闸盘在刹车状态还是非刹车状态。

（1）液压站是独立的液压装置，它按驱动装置（主机）要求供油，它适用于主机与液压装置可分离的各种液压机械下，由电机带动油泵旋转，泵从油箱中吸油后打油，将机械能转化为液压油的压力能。液压油通过阀组合被液压阀实现了方向、压力、流量调节后经外接管路传输到液压机械的油缸中，从而控制了液动机方向的变换、力量的大小及速度的快慢，推动液压机械做功。

（2）现用液压站主要用于制动器的动作控制，由液压泵、压力调节阀、方向控制阀、蓄能器、过滤装置、仪表等部分组成。当液压站为制动器提供压力时，制动器处于非刹车状态。当制动器的压力卸去时，制动器处于刹车状态。液压站利用蓄能器释放所储存的压力油，来补偿系统的泄露，使系统的压力保持恒定，并配合其他液压阀件，实现对制动器的动作控制。

（3）液压站一用一备，阀组由A阀、B阀、C阀、A’阀及溢流阀组成，其中A阀、C阀、A’阀通断断油，B阀通电通油，开机时，油箱内的叶片泵开始打油，液压油经过吸油过滤器、直角单向阀，进入油压管道中，此时PLC控制A阀、C阀通电断油，B阀断电断油，油压开始升高，当油压上升到工作油压5.5MPA时，压力传感器将压力以0V～10V的信号传输到PLC的模拟量模块，由PLC输出允许开机指令到卸矿站操作台，操作人员启动开机按钮后，PLC控制A失电通油，油压撑开抱闸，由索道电机带动牵引绳开始运转。当停机时，PLC控制C阀失电通油开始卸油，当索道主机转速降到200rpm/s时，B阀失电同C阀一起快速卸油。当索道主机转速低于120rpm/s时A阀关闭。B阀、C阀卸油直到主机停机，停机时，A阀、C阀得电，B阀失电。当索道正常运行过程中，出现紧急情况时，就需要按下急停按钮，控制A’阀（又叫紧急卸油阀）断电通油，以非常快速的方式进行卸油，让闸盘快速抱闸而停机。PLC通过对液压站传输的压力信号在程序中进行判断，按照程序指令控制继电器的动作，来控制电磁阀的通断动作，稳定可靠的实现了闸盘的是否在刹车状态。

4 变频器命令执行步骤

在液压站及各辅助设备准备就绪以后，操作台备妥指示灯亮。然后操作台启动开机，PLC按照操作台给出的指令，进行指令输出，控制液压站电磁阀动作，撑开闸盘抱闸，然后由变频器的输出转矩，让索道主机用5s的加速时间从启动达到恒定转速，以200rpm/s的斜率转速快速提高到给定转速1000rpm/s。然后PLC与变频器的通讯，通过读取施耐德ALTIV 71 PLUS变频器储存转速的地址，获得主电机的转速，通过将读取的转速与给定转速进行比较，给出控制调整转矩输出的指令到变频器，变频器则是接收指令并执行，改变输出以调整电机转速，达到牵引绳转速恒定，形成速度检测—指令调整--转矩控制---速度检测的不断循环过程，来控制电机的转速在一个恒定1000rpm/s，使得运矿的斗车速度均匀稳定，有效防止因运载绳抖动剧烈而发生的掉斗现象，同时，对运载绳的冲击和磨损也大幅降低，延长了其使用寿命。运矿结束，按下停机按钮时，速度从1000rpm开始减速，速度降到200rpm，由PLC控制液压站的电磁阀C阀开始一级泄油，速度降到120rpm开始控制液压站的电磁阀B阀及C阀同时动作进行二级快速泄油，当油压低于1MP时，抱闸停机。采用矢量控制，启动转矩大，很适合重负载启动，到达1000rpm的时间设定合理时，不会出现加速过电流或者加速过电压现象。正常运转时，转速非常稳定，转速保持在误差1%以内。减速时正常停机，根据转速及液压站制动油压值，进行停车，停车过程平稳，变频器不会出现减速过电流和减速过电压现象，最终达到抱闸迅速不会产生飞车现象。

5 结语

由PLC进行数据的读取和处理并下达命令，触摸屏作为人机交互界面，方便快捷的进行参数设定，变频器通过无编码器的磁通矢量控制，驱动能力非常稳定而且具有高启动转矩的能力。随着变频器、PLC以及触摸屏系统的改进和优化，液压站和闸盘系统的改进，整个索道主机系统运行越发的稳定、可靠。