PLC在矿井提升机变频调速控制系统中的应用.pdf

第 4期 2 0 1 2年 1 2月 水 力采煤 与 管道运 输 HYDRAUL I C C0AL MI NI NG P I P E L I N E TRANS P 0RTA TI ON No ． 4 De c ． 2 01 2 P L C在矿井提升机变频调速控制系统中的应用 徐玉龙 安徽 淮北 矿业 集 团公 司朔 里矿 安徽 准北 2 3 5 0 5 2 摘要 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P L C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P L C 变频器 中图分类号 T D 5 3 4 ． 7 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 60 8 9 8 【 2 0 1 2 0 4 0 0 3 20 5 1 引言 目前， 我 国绝 大 部 分 矿 井 提 升 机 超 过 8 0 ％ 采用传统的交流电控系统⋯。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。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 j ， 采用 P L C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 P L C对提升系统进行保护和监控 ， 使系统更加安全可靠。变频调速将是提升机 电 控系统 的发 展方向。 2 总体设计 P L C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。 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 V 塑 笪堕 图 2 切眼及巷道垮落后管路位置图 6 结 语 2 0 7 5 W排水管路的使用， 改变了以往直接 由里 口往外泵水的思路， 使用切眼预埋管泵水的 方式， 减小了水泵的泵水阻力， 缩短了泵水线路 的同时也减少了排水管线的损坏几率， 这种设计 32 在钱矿实属首次 。 ②减少了铺设排水管线的工程量 ， 针对以往 方式风道至少要铺 4趟 1 5 9 m m排水管， 工程量 大 ， 水管的回收量也大。切眼预埋管的铺设工程 量减少了2 ／ 3 ， 大大减轻了工人的劳动强度， 提高 了安全 系数 。 ③切眼预埋管无法回收， 造成 了一定的资源 浪费。 总之 ， 在 2 0 7 5 W 工作 面 的 回采过 程 中 ， 切 眼 预埋管能将涌水排出采面， 回采初期的 7 0 m给防 排水提供了可靠的技术保证 ， 同时也为钱家营矿 业公司以后的工作面排水积累了宝贵的经验。 作者简介 胡保利 1 9 8 3一 ， 男， 2 0 0 9年毕业于中国矿业大学， 本科 ， 助理 工程 师 ， 开滦 钱 家营矿业 分公 司综采 一 队技 术 队长 。 收 稿 日期 2 0 1 2 0 92 8 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年 1 2月 徐玉龙 P L C在矿井提升机变频调速控制 系统中的应 用 第4期 松开机械抱 闸， 防止溜车 ， 以保证系统安全可靠 地工作 。 图 1 控制系统框图 变频器 是动力站 的能量供给单元 ， 通过它 可将输人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 司机昕到开 车信号 时， 按下启动按钮 ， P L C将 3 8 0 V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 P L C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。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 J ， P L C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， 该系 统中通过 P L C输 出电压信号 0～ 1 2 V 来控制变 频器的频率。另外在变频器 的外围加设声光报 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， 更有效地对控制系统进行安全保 护。变频调速主控电路如图2 所示。 K M3 I l 张 ‘} 1h 一 R U _ _ 叶 垴 S Y ■ T W ■ 一 气开 v H I 主 建度 特定 I 卜L 束自眦 的 接撑量 赣 V R2 { } 删培宅 r 一 I 3 0 目 L L J -剃 卜 姗 冲 撞 fK 蜮 曝 回 路 点 萌 复技 R 1 翱 L RE L． I X5 CM t删 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“ 3 0 B一 3 0 C ” 串联在 K M1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 K M1 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 R C震荡 电 路 。同时 常开 触点“ 3 0 B一 3 0 A” 闭合， 将报 警指示灯 H L和电笛 H A接通 ， 进行声光报警。 与此同时， 断电器 K A 1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 S T 1 为止， 报警才能解除。 3 ． 2 制动控 制回路 由于提升机负载惯性较大， 当变频器的输出 频率下 降至 0 H z 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 。 4 P L C控 制系统设计 P L C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 j 。 该调速系统选用德 国西门子 S i e m e n s 公司 33 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年 1 2月 水力采煤与管道运输 第4期 生产的模 块式 P L C S 7 3 0 0， 它属于模块式 P L C， 主要 由机架、 C P U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 。其控制电路如图 3所示。主要的控制功 能有主令操作控制和保护监视控制。 图 3 P L C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。 P L C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。 P L C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。 5 P L C控制程序设计 控制程序流程 图如 图 4所示 。P L C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。 系统开机运行 ， P L C首先进行初始化， 主要 对高速计数单元 H S C O和 H S C 1 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 ] 。接着完成 自 检及提升机初始位置显示 ， 当收到开车指令时， P L C转 入 S 形 速 度 给定 控 制 ， 在 系 统 运 行 过 程 3 4 ≤ 雹噩卜 哐 ’ ’一 卜 ≥ 岖 圃 咂 瞳 匝季 1 图 4 控制程序流程图 中， 当 P L C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， P L C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 该系统采用 P L C与变频器相结合的控制方 案， 主速度给定由 P L C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 M A T L A B强大的仿真功 能 ， 在 S i m u l i n k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 ， 仿 真结构 图如图 5所示 。 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 ① C a l c u l a t i o n子模块 ， 其作用是计算定子电流在 M T坐标系中的 T 轴分 量的给定值i ； ②A B C ／ M T 子模块 ， 其作用是将 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年 1 2月 徐 玉龙 P L C在矿井提升机 变频调速控制 系统 中的应用 第4期 图 5 变频调速系统仿真结构图 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 I ， I ； ③ M T ／ A B C子模块 ， 其作用是根据定 子电流在 M T 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 i b ； ④ C u r r e n t R e g u l a t o r 子模块 ， 它采用的是滞环控制原理来实现电流调 节； ⑤ S p e e d C o n tr o l l e r 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 ； ⑥ T e t a C a l c u l a t io n子模块 ， 其作用是计算角 ， 也就是 M轴的位 置； ⑦ F l u x C al c u l a t i o n子模块， 其作用是根据定子电流励磁分量 ， 计算转子磁 通 2 图 5中以 P h i r 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 定子内阻 R ， 1 ． 8 9 8 ； 定子漏感 L 0 ． 1 9 6 H； 转子内阻 R ， 1 ． 4 5 ； 转子漏感 L ， 0 ． 1 9 6 H； 定、 转子互感 L 0 ． 1 8 7 H； 电机额定功率 P N 7 5 k W ； 额 定 电 压 U N 3 8 0 V； 转 动 惯 量 J 4 ． 9 5 9 1 k g m ； 频率， 5 0 H z ； 极对数 n 。 8 。 S p e e d C o n t r o l l e r 控制器参数 积分增益 K 0 ． 1 4 5 ， 比例增益 K p 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 。 一 ● I _ 一 T～ _● L ． - I一 ■ ■ ■ ■ ● ■ ■ - ■- - _ ■■■■ _ f ●● ⋯． } _ 以 图 6电磁 转矩波形 ￡ 专 丰 三 鼍 三 一 H } ～ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 卜 ⋯ ⋯ } ⋯ ⋯ 一 } } } l⋯ ．量⋯． j ⋯ ⋯ ⋯ ⋯量 ⋯ ≥⋯ ； L一 ⋯ ⋯ l ⋯ ⋯ ■⋯ I⋯ L⋯ } 卜 ⋯ 图 7 电机转 速波形 由图6和图 7仿真波形可以看 出， 在 ∞ 1 6 0 r ／ m i n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 ． 2 s 时转速 突加 到 1 8 0 r ／ mi n ， 电磁 转 矩 相应 增加 ， 随 即又 到 达 稳 定 状 态 。t0 ． 4 s时 突 降 转 速 到 1 2 0 r ／ m i n ， 转矩也立即跟随变化。t 0 ． 6 s 时突加 负载扰动 ， 转矩立即加载， 而转速几乎没有变化。 t 0 ． 8 s 时突减负载， 转矩变化， 转速仍然稳定在 给定 的 1 2 0 r ／ rai n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 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 ， 且响应时间短， 过渡过 程 快 ， 因此 提 升机 S形 速 度给 定便 能 够实 现 ， 且 系统有很好 的跟随和抑制扰动的性能。整个变 化过程中电磁转矩也能够快速响应 ， 并很快达到 稳 定 ， 所 以系统 具有很强的带负载能力 。 7 结语 传统提升机 电控系统采用 P L C与变频器相 结合的方案进行改选后 ， 省去了大量 的继电器、 接触器及调速电阻 ， 减少 了故障发生率， 同时还 有利于节能。另外该系统采用 P L C软件编程， 实 现提升机主 s形速度给定及操作 台辅助速度给 定， 能够实现 自动及手动调速 ， 灵活性大 ， 易于操 作； 系统加入同步开关 ， 也提高了控制精度。经 过 M A T L A B仿真实验分析， 该系统具有良好的动 静态响应特性、 带负载能力及抗干扰能力， 因此 能够满足矿 山生产实际需要。可经现场进一步 调试实验 ， 应用于实际生产 。 参考文献 [ 1 】 蒋宏 民． P L C技 术在我 国矿 井交流提 升 系统 中的应 用研 究 [ J ] ．冶金矿山设计与建设 ， 1 9 9 8 ， 3 0 4 1 8 2 9 [ 2 ] 杜俊明．矿井提升机的变频调速改造[ J ] ．电气时代 ， 35 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 2 0 1 2年 l 2月 水力采煤与管道运输 HYDRAULI C C0AL MI NI NG ＆ P I P EL I NE T RANS P0RT AT I ON No ． 4 De c ． 2 O1 2 副斜 井架空乘人装 置优化 改造 徐新法王永 亮 新密 市煤炭 学校 河 南 新 密 4 5 2 3 7 0 摘要 郑宏恒泰煤业副并提升运输为满足生产过程人员的运输需求， 减少候罐 时间， 增加生产 作业时间， 提高运输系统的安全性、 可靠性， 由原来的人车运输更新为架空乘人装置。介绍了 该 装置 的选 型、 布置 、 安装和使用效果。 关键词 架空乘人装置 选型 技术参数 中图分类号 T D 5 2 7文献标识码 B文章编号 1 0 0 60 8 9 8 2 0 1 2 0 4 0 0 3 6一 O 3 1概 况 郑宏恒 泰 新 密 煤 业 有 限公 司， 始 建 于 l 9 8 8年 ， l 9 9 6年 1 2月正式竣工投产 并 同时通过 矿井质量标准化验收， 达部级质量标准化矿井标 准。2 0 0 2年 3月改制 ， 成立河南省新密市恒泰煤 业有限责任公司， 2 0 1 0年煤炭资源兼并重组 ， 成 立郑宏恒泰 新密 煤业有 限公司。矿井在册职 工 1 3 4 8 人 ， 井田面积 5 ． 3 k m ， 核定生产能力0 ． 6 Mt ／ a ， 实际生 产能力 0 ． 4 1 5 Mt ／ a 。煤 田地质 构造 属于 单 斜 构 造 ， 地 层 走 向 4 55 5 。 ， 倾 角 1 6 2 4 。 ， 具有缓坡状小褶曲， 北西及东北向两断裂， 井 田南 部为七里 岗断层 ， 走 向 l 7～ 3 7 。 ， 井 田东部 为李岗勘探区， 西部为东沟煤矿， 矿区构造复杂 程度为中等。矿井开拓方式为反斜井单水平上 、 下 山开 拓 。副 井 主要进 风 、 运 输 材料 及 人员 ， 采 用2 J K一 2 ． 5 ／ 2 0提升机 ， 配套 X R B 1 5 6 ／ 6型人 车和 i t 固定式运料矿车。 机， 双钩提升 ， 提升容器为 1 t 固定式运料矿车， 装 备 X R B 1 5 6 ／ 6型斜井人 车。副井 担负矿井运 输设备、 材料 、 矸石和人员等任务， 兼进风和安全 出 口 。 矿井 一 线 职 工 8 l 3人 ， 入 井 人 员 合 计 6 8 8 人 ， 最大班 入井 人员 2 6 6人 ， 最 大掘 进 班入 井 人 员 1 4 5人 ， 检修班人井人员 1 5 6人。 自 1 9 9 4年矿 井 投 产 以来 已运 行 1 6 a ， 1 9 9 8 年为解决提升运输安全性问题 曾对轨道进行更 换。但在设备运行 中仍出现较多的问题 ①随着 矿井生产服务年限的增长， 轨道运输道床发生变 化 ， 道轨磨损 ， 系统运行安全性相对降低 ； ②轨道 检修工作量大； ③随着设备使用年限的增加， 提 升机维护保养、 钢丝绳安全管理任务加重。为减 少副井提升压力和机械磨损、 节约电费、 延长轮 衬和钢丝的使用寿命 、 排除系统潜在隐患、 提升 系统运行安全可靠性 ， 决定采用架空乘人装置代 替 XR B 1 56 ／ 6人车 。 2 改造前状况 3 架空乘人装置选型 副 井 斜 长 8 3 2 m， 坡 度 2 7 。 ， 巷 道 净 断 面 1 2 ． 5 m ， 砼碹支护 。安装 1台 2 J T一2 ． 5 ／ 2 0提升 3 ． 1 要求与 功能 根据 煤矿安全规程、 地下矿用索道安全 2 0 06 5 7479 [ 3 ] 谭波， 李燕林， 谭冠政． 变频调速在矿 井提 升机 中的应用 [ J ] ． 电器工业， 2 0 0 5 4 5 2 5 3 [ 4 ] 郭月英． 采用 P L C控 制方式的矿井提升机 电控 系统 [ J ] ． 科技情报开发与经济， 2 0 0 5 ， 1 5 1 6 2 4 0 2 4 1 [ 5 】 西 门子 中国 有 限公 司．S I E ME NS s 73 0 0可编 程控 制 器手册 ．2 0 0 2 [ 6 ] 王玉中． 基于 P L C技术的交流提升机电控 系统改造[ J ] ． 煤 炭科 学技 术 ，2 0 0 5， 3 3 1 1 4 O一4 2 [ 7 ] 李文静 ， 熊光煌． 基于 M A T L A B的异步电动机矢量控制变 频调速 系统的仿真[ J ] ．电力学报 ， 2 0 0 6 ， 2 1 2 1 4 6一 l 48 [ 8 】 杨勇， 张建峡． 基于 M A T L A B ／ S I M U L I N K交流调速 系统的 仿真研究[ J ] ． 贵州工业大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 5 ， 3 4 4 3 74l 作者简介 徐玉龙 1 9 7 4一 ， 男， 2 0 0 5年毕业于安徽理工 大学， 工程 师 ， 现任职 于朔 里煤矿 。 收稿 日期 2 0 1 2一 O 40 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m