煤礦提升機變頻調速系統開發與應用

劉 鵬

（山西宏廈第一建設有限責任公司，山西陽泉 045008）

0 引言

煤礦提升機是煤礦生產中至關重要的設施，承擔著井下與地面人員、設備、礦物的運輸重任[1-2]。目前，部分煤礦所使用礦用提升設備系統較為久遠，系統以繞線式交流異步電機作為動力來源，在轉子的回路內部串聯多段外接的電阻進行調速，利用凸輪控制器、繼電器和接觸器的配合實現控制，存在控制穩定性差、能耗高、故障率高的不足，可靠性相對較差[3-5]。具體表現為利用電機轉子串聯電阻進行調速能量消耗較大、調速的范圍比較小、控制平滑性差，繼電器、接觸器故障率較高，調速不夠平穩，對其他機械設備造成很大沖擊而引起設備磨損，影響設備正常壽命，給企業造成了巨大損失。針對這一現狀，本文采用行業公認的較為先進的全數字變頻調速的現代交流調速技術，結合可編程邏輯控制器（PLC）對現有電控系統進行了改造優化，實現了對提升機的無級變速控制，增強了安全保護，大大提高了系統的安全性、穩定性以及可靠性。

1 總體方案

煤礦提升機變頻調速系統的主要功能在于對提升電機啟動、運行以及停機過程中對加載在電機上的電流進行頻率變換，達到對電機電流平緩控制、電機運作速度調整、沖擊保護、功耗降低、安全保障的目的。變頻器調速的主要原理是依據交流異步電動機的轉速n與供電電源的頻率f呈一定比例關系，數學關系如下：

式中：s為異步電機轉差率；p為交流異步電動機的極數對，由交流異步電動機本身確定。

由式（1）可知，在轉差率以及極對數不變情況下，提升電機的轉速與供電電源的頻率成正相關關系。因此，可通過調節供電電源的頻率實現對提升電機速度的改變。利用傳感器或其他檢測設備，對反映提升設備運行狀態的參數進行采集監測，由PLC軟件程序進行運算，根據運算輸出不同的控制指令給變頻器，變頻器輸出不同頻率的電流給異步交流提升電機，實現對提升機運轉速度、方向的控制。

基于PLC與變頻器配合的調速系統，具有調速連續、調速過程平滑的特點，即所謂無級變速。另外，結合實際生產情況，增加用于安全保護的制動單元以及制動電阻，可以實現電氣中的軟啟動，沖擊電流較小，大大減少對機械結構的沖擊磨損，降低了維護成本且運行能耗較小，具有安全、經濟、高效的優勢。礦用提升機的結構如圖1所示。

圖1 礦用提升機結構示意圖

2 變頻調速系統

2.1 系統的硬件選型

提升機變頻調速系統的硬件主要包括PLC、變頻器、傳感器以及通訊結構等。PLC為系統控制核心，經過分析比較，選用德國西門子公司設計生產的SIMTIC S7-300系列中型PLC，結合生產實際需要選用315-2DP型號CPU。該型號CPU功能強大、性能穩定、廣泛應用于工業控制領域。變頻器作為變頻調速的核心部件，經過比較，選用西門子Micro Master440變頻器，該變頻器為通用版本，支持多種控制方式、具有出眾的過載能力，內置制動單元，適用范圍比較廣；具有6個數字量2個模擬量輸入、2個模擬量輸出以及3個繼電器輸出；集成了RS-485接口模塊，可支持Profibus以及Device-Net通訊；具有高效保護功能，包括過載電流持續保護，高低電壓保護；變頻器以及提升電機過熱保護；接地以及短路保護；電機閉鎖保護，失速保護等功能[6-8]。

2.2 控制模塊

控制部分按實現功能分為對提升機上升、下降、速度調整以及安全保護。變頻器調整速度控制提升過程中，利用旋轉脈沖編碼器，對提升機的位移進行監測，實現精確的定位。調速控制過程中，采用S型曲線速度，初始啟動狀態下，首先保持加速，然后轉為勻速狀態，最后利用減速環節以及制動控制實現容器平穩停止。該過程能夠有效減少由于轉矩脈沖引起的機械沖擊，對卷筒、減速結構、傳動結構等起到充分的的保護作用，減少機械磨損，延長結構壽命，降低設備故障率及維修成本。同時，可對變頻器設定減速程序，在故障情況下，PLC發出減速指令后，變頻器按設定參數執行減速操作。變頻器采用絕緣柵雙極型晶體管（IGBT），交-直-交變頻調速，無需額外電阻附加，即可實現無級變速。采用PID控制方式，通過逆變器向負載提供變頻的電源，使所有控制功能均由參數設定完成，實現對電機高動態性能的轉矩轉速控制。

2.3 監測保護模塊

圖2 PLC外部接線圖

監測保護部分主要通過布置傳感器感知電機轉速、液壓油壓力、電機電流大小、下放以及上升位移等信息經信號調理轉換后轉化為數字信號，由通信模塊傳輸到CPU。當監測的狀態參數出現故障異常時，PLC控制聲光報警系統發出警告，同時對運行情況做出調整，降低運行速度甚至停機，提醒檢修，保障設備安全。此外，系統對電路設置過流保護、過卷保護、抱閘停機以及變頻器緊急停機，電路電流超出閾值時自動報警、降低負荷、保障安全；嚴重故障情況下，PLC給出急停信號，通過停止變頻器電能輸出，依靠機械制動實現緊急停機。PLC的外部接線如圖2所示。

3 通信網絡

通信網絡主要通過通信結構構建、通信協議組態實現各部件之間的信息交互。變頻器與PLC之間通過通信接口利用Profibus-DP通訊協議實現通訊。PLC利用模擬量輸入接口以及數字量輸入接口對檢測設備采集的反映設備狀態的模擬量、數字量參數分別進行預處理、A/D轉換，并進行相關運算，根據計算結果輸出控制指令。PLC通過以太網通訊接口實現將監測控制信息實時整合反饋到與監控中心以及其他上位機相連的工業以太網中。通信網絡結構如圖3所示。

圖3 通信網絡結構圖

4 軟件設計

軟件系統設計包括對PLC的編程以及變頻器的調試。對PLC的編程利用較為簡單、直觀的梯形圖（LAD）編程語言構建邏輯關系圖進行編程。本文結合開發難度，選擇應用較為廣泛的STEP7軟件通過高效的梯形圖對SIMTIC S7-300進行編程，同時利用STEP7軟件進行了程序功能的測試完善。西門子MicroMaster440變頻器可直接通過用戶調試面板進行功能的安裝調試。根據提升電機參數進行電動機類型選擇、額定電流、額定電壓、額定功率、額定速度等參數設置，選擇帶傳感器矢量控制，對控制參數進行設置，同時設置加速時間、減速時間等，進行調試直到系統可到達預期效果。系統PLC軟件程序流程如圖4所示。

圖4 PLC軟件程序流程圖

5 結束語

本文針對煤礦提升機現有電控系統的缺陷，設計了一套以PLC和變頻器相結合的礦用提升機變頻調速系統，并進行了開發應用。系統可實現對礦用提升機電動機的平穩控制，完成設備上升、下放、運轉速度調整、安全保護等一系列智能控制功能。實踐結果表明，該系統具有控制性能好、平滑穩定、安全可靠、能耗較低的優勢，可大大減少設備的磨損、振動與沖擊，有效降低設備故障率，增加設備使用壽命，切實為企業增加經濟效益。