PLC和變頻器在絞車控制系統中的應用

沈彩素

廣西華錫礦業有限公司銅坑礦業分公司，中國·廣西 河池 547000

1 引言

在現階段工業生產中廣泛應用PLC 控制技術，尤其是在電氣工程方面發揮著十分重要的作用，在一定程度上可以推動中國變頻技術的高速發展，甚至在未來有可能改變中國變頻器中傳統的直流調速技術，變頻調速技術作為基礎技術、高新技術、節能技術，已經滲透到各個領域，應用變頻調速技術來改造傳統產業，節約能源及提高產品質量，獲得較好的經濟效益和社會效益。近年來，變頻調速技術已成為交流調速中最活躍、發展最快的技術。兩者相結合，能改善數據分析能力不足的情況，使得變頻器中的人機互動功能得以完善，促進生產效率的提升。

2 原絞車控制方式及運行使用狀況

銅坑礦業分公司Ⅰ期、Ⅱ期貨運索道承擔著地面礦石運送的任務，線路長度約為5.33km，高差大，地形非常復雜，每條鋼絲繩（6×7-PPC-Ф36.5）長達11200m，自重約57t，鋼絲繩更換工作依靠兩臺絞車（型號JZ1-16/800）配合完成，更換鋼絲繩時一臺絞車收繩，另一臺絞車放繩，兩臺絞車速度控制采用交流繞線式異步電動機（JR126-8 110kw）轉子繞組串電阻調速方式，收繩、放繩過程中絞車司機根據鋼絲繩的松緊程度來調節絞車速度，操作不易掌握，且更換鋼絲繩處比卸礦點高出約320m，受重力作用和慣性影響很難保證收、放鋼絲繩時兩臺絞車的速度一致[1]。傳動同步差，易引發事故，而且繼電器控制存在啟動電流大、機械沖擊大、調速不平穩等問題，該系統為80年代末期投產使用，設備老化，技術落后，換鋼絲繩效率低。

3 絞車控制系統改造方案

此次改造將由PLC 和變頻器控制方式取代原來的三相異步電動機轉子繞組串電阻調速控制方式，PLC 控制變頻器原理框圖如圖1所示。

圖1 PLC 控制變頻器原理圖

控制系統由主控臺、變頻柜、電源柜和制動電阻柜組成，安放于控制室內。該主控臺采用可編程邏輯控制器（PLC）技術，配以多種檢測、控制組件完成絞車運行過程中應有的設備閉鎖控制、速度閉環控制、各種安全保護和工作狀態顯示。司機可操作控制臺上的操作手柄及按鈕來控制絞車的運行，實現對絞車電機的正轉、反轉、停止的控制功能及電機的多段速調速控制。并通過指示燈、儀表及人機界面了解絞車的運行狀態、系統故障及運行參數。以下對該控制系統各組成部分進行詳細分析和闡述。

3.1 低壓電源控制柜

①單回路電源進線，帶有必要的聯鎖和保護，具有相應的控制、測量功能，同時還有過電壓、欠電壓、缺相等保護。

②配UPS 不間斷電源、以防突然斷電，保證PLC 供電。

3.2 主控計算機系統

主控系統選用三菱FX2N－64MR 可編程邏輯控制器（PLC）。完成對整套電控的操作控制，采用PLC ＋繼電器＋接觸器＋觸摸屏控制方式，操作臺上按鈕信號、接近開關信號經繼電器轉換后，信號進入PLC 數字量輸入模塊，變頻器電流信號經PLC 模擬量輸入模塊進入PLC，PLC 根據設計好的程序對這些信號進行處理并驅動相應的I/O 輸出。從而控制電力液壓制動器、變頻器及絞車電機，實現對絞車的動作控制。完成絞車手動、聯鎖、檢修、應急開車等運行方式的控制要求。

手動：司機可通過手柄控制提升速度在0 至最大速度范圍內連續可調。

聯鎖：當絞車運行在換繩模式下，左邊絞車只能向下放繩，右面絞車只能向上收繩。

檢修運行：司機通過手柄能夠實現低速連續可調。

應急開車：可用于PLC 故障時，在低速度下應急運行。

3.3 上位機監控系統

上位機監控系統選用10 寸觸摸屏，完成對絞車各種操作運行狀態、參數、故障進行監控。適用于維護和檢查，靈活的可視畫面使用者一目了然。

3.4 全數字變頻調速柜

調速系統采用優利康YD3000 系列160KW 全數字變頻調速裝置，配有制動單元及制動電阻。實現的主要功能有：具有閉環矢量控制；可調斜率的加減速度給定值設定；啟動防沖擊的“S”化曲線給定；預置起動力矩，防止起動時鋼絲繩倒轉；具有過流、過壓、欠壓、過速、堵轉、絕緣檢測等幾十種保護功能；變頻調速柜設有強迫通風裝置[2]。

全數字交流變頻電控裝置硬件簡單、結構緊湊、邏輯關系明確；與模擬量直流裝置相比具有安全可靠，調試周期短、故障率低、后期維護量少等優點，并且動靜態特性與直流系統一樣，實現系統所要求的啟動、加速、等速、減速、爬行、停車等運行動作。

3.5 司機操作臺

①選用三菱FX2N 系列可編程控制器，負責絞車的主程序及系統管理，深度指示及監控。

②完成絞車運行工藝要求的控制功能。

③實現對調速系統行程速度給定的控制。

④與提升信號系統、操作系統之間相互閉鎖。

⑤實現完善的保護功能，對于速度超速保護設定、上下過卷設定等安全保護。同時，還能完成定點速度監視、監控與保護功能。

⑥主控計算機的故障自診斷。

⑦柜內裝有硬件連接的安全保護繼電回路，與PLC 軟件保護回路互為監視，實現安全回路的冗余功能，并裝有PLC 控制所要求的輸入、輸出。

⑧操作臺選用新型單體式網絡化操作臺，上裝有指示燈、顯示儀表、選擇開關、操作手柄、按鈕、顯示器；能實現絞車運行的各種控制要求。

3.6 高速計數

PLC 高速計數口X0、X1 采集軸端光電編碼器A、B相脈沖進行計數。通過PLC 程序運算處理產生控制所需要的纏繩方向、米數值、速度值等信號，參與纏繩機的錯向、測速、位置顯示等功能。

4 應用效果

①變頻器從0HZ 起動電機，它的起動加速時間可以調整，從而減少起動時對絞車電機的電器部件和機械部件所造成的沖擊，增強系統的可靠性，使絞車電機的使用壽命延長。此外，變頻控制能夠減少機組起動時電流波動，這一波動電流會影響電網和其他設備的用電，變頻器能夠有效地將起動電流的峰值減少到最低程度。另外，操作簡單，調速精度高，速度平穩；控制系統本身良好的控制性能和完善的保護環節能有效避免事故的發生。降低工人的勞動強度。

②原有調速方式耗能大，采用變頻調速后，節能效果明顯，節電率可達到20%～40%。

③變頻調速很容易實現電機的正、反轉。只需要改變變頻器內部逆變管的開關順序，即可實現輸出換相，也不存在因換相不當而燒毀電動機的問題。變頻調速系統起動大都是從低速開始，頻率較低。加、減速時間可以任意設定，故加、減速時間比較平緩，起動電流較小，可以進行較高頻率的起停。變頻調速系統制動時，變頻器可以利用自己的制動回路，將機械負載的能量消耗在制動電阻上，也可回饋給供電電網，但回饋給電網需增加專用附件，投資較大[3]。除此之外，變頻器還具有直流制動功能，需要制動時，變頻器給電動機加上一個直流電壓，進行制動，則無需另加制動控制電路。

④PLC 控制技術與變頻技術相結合， 能改善數據分析能力不足的情況，使得變頻器中的人機互動功能得以完善，促進生產效率的提升。

⑤PLC 可靠性高，抗干擾能力強，現代PLC 采用了集成度很高的微電子器件，大量的開關動作由無觸點的半導體電路來完成，其可靠程度是使用機械觸點的繼電器所無法比較的。

5 結語

PLC 自動控制技術在變頻器中的應用，不僅可以有效解決監控技術和操作控制在變頻器中的空白，變頻器運行效率問題，使變頻器中的人機互動功能更加完善，而且在一定程度上推動變頻器的快速發展，促使工業生產效率有所提升，促進企業經濟效益的增長。