PLC在提升机变频调速控制系统设计中的应用
1研究内容
当前国内提升机电控绝大多数还是转子回路串电阻分段控制的交流绕线式电机继电器接触器系统，设备陈旧、技术落后，并且存在着很多的问题:
l)转子回路串接电阻，消耗电能，造成能源浪费。
2)电阻分级切换，为有级调速，设备运行不平稳，容易引起电气及机械冲击。
3)继电器、接触器频繁动作，电弧烧蚀触点，影响接触器使用寿命，维修成本较高。
4)交流绕线异步电动机的滑环存在接触不良问题，容易引起设备事故。
5)电动机依靠转子电阻获得的低速，其运行特性较软。
6)提升容器通过给定的减速点时，由于负载的不同，而将得到不同的减速度，不能达到稳定的低速爬行，最后导致停车位置不准，不能正常装卸载。
这使提升机运行的可靠性和安全性不能得到有效的保障。为克服以上问题，可在提升机控制系统中应用计算机控制技术和变频调速技术，对原有提升机控制系统进行升级换代。
可编程控制器(PLC)是目前作为工业控制最理想的机型，它是采用计算机技术、按照事先编好并储存在计算机内部一段程序来完成设备的操作控制。采用PLC控制，硬件简洁、软件灵活性强、调试方便、维护量小。
而在PLC电控系统的基础上配合变频调速装置，运用现在先进的矢量控制技术，不但适合提升机运行工艺的要求，还将解决整套提升机系统的电力拖动方面的一系列问题。变频装置取代复杂的串联电阻切换装置，提升机运行速度曲线、转矩大小的要求都由变频器来完成，简化了控制操作流程，提高了控制精度。
2 矿井提升机对电气控制系统的要求
综合提升机的运行特点以及矿山生产固有的特点，提升机工艺对提升机电控系统的要求如下：
1)加(减)速度符合国家有关安全生产规程的规定。
2)具有良好的调速性能。要求速度平稳，调速方便，调速范围大，能满足各种运行方式及提升阶段(如加速、减速、等速、爬行等)稳定运行的要求。
3)有较好的起动性能。提升机不同于其他机械，不可能待系统运转后再装加物料，因此，必须能重载启动，有较高的过载能力。
4)特性曲线要硬。要保证负载变化时，提升速度基本上不受影响，防止负载不同时速降过大，影响系统正常工作。
5)工作方式转换容易。要能够方便的进行自动、半自动、手动、验绳、调绳等工作方式的转换，操作方便，控制灵活，不至于因工作方式的转换影响正常生产。
6)采用新技术和节能设备，易于实现自动化控制和提高整个系统的工作效率。具备必要的连锁和安全保护环节，确保系统安全运行。尽量节约能源和降低运转费用。
3 提升机电控系统总体结构
基于PLC控制的大功率矿井提升机变频调速控制系统由动力装置、变频器、操作台和控制监视系统组成，各部分功能如下：
动力装置：包括主电机、电源模块、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；
变频调速器：是动力装置的能量供给单元，通过它可将输入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。
图5.1 电控系统总体结构图
4 PLC外围硬件设计
4.1 电源回路
电源部分采用双回路供电模式，电源柜主要是给变频柜和动力柜供电，同时用来进行过流保护和电压、电流测量。并且将操作台中的主电源上电开关串入变频柜送电断路器的失压脱扣线圈中，用来实现紧急停车。
4.2 位置信号采集及传感器的信号采集
(l)行程开关
(2)传感器
传感器的设置主要是针对液压站和润滑站两部分。液压站的主要作用是:可以为盘式制动器提供不同的油压值的压力油，以获得不同的制动力矩;在事故状态下，可以使制动器的油压迅速降到预选设定的某一值P;级，经过沿时后制动器的全部油压迅速回到零，使制动器达到全制动状态。
(3)编码器输入及隔离电路
共四个编码器，分别安装于电机轴、深指器轴、天轮，主要用于采集速度、深度的电平信号。
4.3安全回路
安全回路用于防止和避免提升机发生意外故障。硬安全回路通过硬件回路实现，无论PLC单元是否正常工作，一旦出现重度故障信号，硬安全回路马上断开。系统安全回路采用两个接触器并联使用，以提高系统的安全性能。在安全回路中串有很多保护触头，当提升机发生故障时，故障对应的保护触头动作，ACI和ACZ断电，系统会立即解除运行控制指令，封锁变频器、制动油泵，断开安全阀和KT线圈，进行紧急安全制动。断电的同时，PLC和外围硬件回路同时动作，控制工作闸对提升机迅速施闸。
4.4各机构安全保护及检测
来自提升系统各部分的运行状态和运行参数，操作信号和保护信号均引入到操作保护系统中，这些参数和信号与操作控制相关内容进行逻辑运算和闭锁，最后产生控制指令。提升机的保护主要由安全回路来实现，安全回路设计成双线制。
图5.16 全保护及检测结构图
5 PLC控制系统设计
由于工艺比较复杂，程序采用主子程序模块化顺序结构进行编程，程序中的内存地址可分成：参数设定、上位机显示、故障存储、数据存储、中间量这五部分，系统各种子程序均由主循环程序调用执行，按事先输入的控制程序实现自动控制。
5.1 总体结构
由于系统控制核心主要由PLC和上位机组成，因此，软件包括PLC控制和上位组态软件。PLC控制软件的主要功能是对提升机的启动、加速、减速、停车等过程控制，以及数据信号采集与处理。PLC软件设计采用模块化结构，程序编制采用梯形图。上位机软件主要对系统运行状态、故障状态实时监控，对运行数据、故障数据进行存储和记忆。
PLC软件结构设计是根据提升机工艺和控制要求，将控制任务和过程分解为许多子过程和子任务，再对各个子过程和子任务进行模块设计、功能说明，形成一个模块化的程序结构。
图5.10 PLC软件结构图
调速控制系统软件流程主程序流程图如图5.11所示，其中包括两个主要的功能模块：中断子程序功能模块和故障处理子程序功能模块。主程序完成系统初始化、自检、故障诊断、调速系统控制等工作。
图5.11 PLC工作流程图
5.2变频调速在控制系统中的运用
系统内部采用矢量控制思想，AC380V三相动力电源由隔爆接线腔R,S,T 3个接线柱接入隔爆主腔内，大功率变频（SB61G110KW）可以将工频三相交流电经过交—直变换之后经过逆变器，利用设定的参数进行逆变，使得输出为某一相应设定频率的交流电，经变频后输出U,V,W来驱动电机的运行。变频器输出频率的变化，将导致电动机的输出转速变化，二者之间的关系近似线性。这样，就起到了调速的作用。
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PLC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控制。
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，PLC通过该信号可以累计计算提升机的行走距离。操作人员通过操作台向PLC发送控制提升机运行的控制命令。控制监视系统通过与PLC的通信，将电动机的所有运行参数和故障参数都显示出来，并对矿车的位置及速度进行时时监控。为操作人员分析故障、判断故障和处理提供依据。
5.3通讯系统设计
在PLC与上位计算机之间采用RS-485和RS-232C标准通信接口进行通信。
计算机与计算机或计算机与外部设备之间的数据传输和交换的方式主要有串行通信和并行通信两种方式，其中串行通信指的是数据逐位传输的方式。
5.3系统抗干扰措施
1）数据采集采用屏蔽电缆，所有屏蔽电缆层汇线接地。
2）信号回路汇线接，输入信号电缆、输出信号电缆和电力电缆都要分开敷设，不能扎在一起，信号电缆接线端子均安装在柜体下侧。
3）所有机柜、操作台等均需保护接地，台柜内需有独立的PLC直流地、机壳安全地、电缆屏蔽地接地端子，与结构内部未接地电路板在电气上隔离。电源柜、动力柜、变频柜进线方式均为:下进下出。
4）引至PLC柜的电缆要尽量远离那些会产生电磁干扰的装置。
5）同一电平等级的信号才能用一条多芯电缆传输。因此对数字信号和模拟信号，在任何情况下，都必须分开电缆进行传输。低电平信号线应与其它信号线分开。尽量缩短模拟量FO信号线的长度，并采用双芯屏蔽线作为信号线。
6）保证PLC柜良好的通风环境。
6组态软件
6.1上位机的软件设计
为了提高系统的可靠性，必须对提升机各种物理量进行控制监控，还要对有关的控制单元的工作情况进行监控。提升机的动态监测由工控机或触摸屏和组态软件组成，配备打印机，可实现图表、汉字显示及打印，实时报警。轻重故障自诊断，深度、速度、压力等实时显示，提升机运行过程各类关键数据及事故过程记录，作为PLC的上位机，通过通信方式实现监控目的。组态软件由“组态环境”和“运行环境”两部分组成，两个部分既互相独立又相互联系。
6.2 MCGS组态软件的系统构成及工作方式
MCGS组态软件由“MCGS组态环境”和“MCGS运行环境”两个系统组成。两部分互相独立，又紧密相关。
图6.2 组态软件模拟运行
图6.3 组态软件的组成框图
MCGS通过设备驱动程序与外部设备进行数据交换。包括数据采集和发送设备指令。设备驱动程序是由VB、VC程序设计语言编写的DLL（动态连接库）文件，设备驱动程序中包含符合各种设备通讯协议的处理程序，将设备运行状态的特征数据采集进来或发送出去。MCGS负责在运行环境中调用相应的设备驱动程序，将数据传送到工程中各个部分，完成整个系统的通讯过程。每个驱动程序独占一个线程，达到互不干扰的目的。
MCGS提供了一套完善的网络机制，可通过TCP/IP网、Modem网和串口网将多台计算机连接在一起，构成分布式网络监控系统，实现网络间的实时数据同步、历史数据同步和网络事件的快速传递。同时，可利用MCGS提供的网络功能，在工作站上直接对服务器中的数据库进行读写操作。
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