PLC和變頻器控制系統在索道運礦系統中的應用

李海明

索道運轉系統采用PLC+變頻器+觸摸屏的方式控制索道系統的運轉。隨著生產規模的提升，索道運載量的逐步加大以及國家對安全環保提出更高的要求。在索道運轉系統的穩定性和人機操作界面的可操作性方面要求越來越高。通過電氣人員研究探討，對變頻器和PLC控制系統改進更新，確保索道系統運行平穩可靠。

1 PLC+變頻器應用情況

1.1 礦山變頻器的特點

隨著產能不斷提升，對索道運轉能力提出了更高的要求。不僅要求提高運載能力，還要求索道運礦過程更平穩。原有的變頻器使用年限較長，其內部元器件開始老化。為滿足重負載（運輸能力現已提升到230t/h）、啟動力矩大，而且速度控制要高精度（2.5m/s），經探討和了解其他礦山變頻器的使用情況，選用施耐德ALTIV 71 PLUS變頻器為更新設備，它具有以下優點：

（1）通過帶或不帶傳感器的磁通矢量控制進行速度調節。

（2）過電流能力：150%，60s；165%，2s。

（3）ATV71變頻器優勢：高過轉矩重載。

（4）超寬的電壓范圍：380-15%～480+10%，最大允許電網跌落：50%。

（5）可使用CI卡或ATV-IMC卡（可編程控制器），實現各種復雜要求的功能。

（6）全系列內置EMC濾波器標配直流電抗器（380V產品），抑制諧波。

（7）齊全的通訊協議：標配Modbus和CANopen，支持所有主流工業總線。

（8）集成Modbus與CANopen輸入/輸出擴展卡，編碼器接口卡。

（9）保護電機與變頻器“斷電”安全功能，ATEX安全功能。

通過在觸摸屏上給定運行速度，給定速度指令經PLC傳達到施耐德ALTIV 71 PLUS變頻器。變頻器得到速度指令，通過矢量坐標電路控制電動機定子電流的大小和相位，對電動機的勵磁電流和轉矩電流分別進行控制，進而達到控制電動機轉矩的目的。無速度傳感器矢量控制是通過坐標變換處理分別對勵磁電流和轉矩電流進行控制，然后通過控制電動機定子繞組上的電壓、電流辨識轉速以達到控制勵磁電流和轉矩電流的目的。這種控制方式調速范圍寬，啟動轉矩大，工作可靠，操作方便。

1.2 S7-1500系列CPU集成分析

隨著對控制設備的精度要求較高外，PLC還得具備能實現快速運算、擴展功能強大、具有多種通訊連接，能夠實現復雜的運動控制等功能。西門子PLC S7-1500系列是西門子PLC中性能最強的一類控制器。它能應用在復雜的自動化控制系統中，實現快速的運算，為復雜控制系統提供了解決方案。

（1）S7-1500系列PLC性能強大，擴展能力強。具有多種通信連接，能實現復雜的運動控制，并且具有診斷功能。它是目前西門子PLC中功能最為強大的控制器。

（2）設計方式新穎。S7-1500系列的CPU自帶面板，能支持診斷，調試，維護，IP地址分配，趨勢圖顯示，讀取程序循環時間等功能；同時具有多功能型I/O模塊，可以對產品線進行優化，方便進行選型和備件。

（3）診斷功能強大。S7-1500系列的CPU支持LED通道分配，可以快速定位錯誤。當發生故障時，用戶不需要編寫程序就可以通過編程軟件，HMI等方式快速實現通道級的診斷。還可以通過ProDiag功能，分析錯誤過程，大幅減少了調試和停機時間，提高了工程效率。

（4）信息安全功能。S7-1500系列的CPU集成了復制保護和專有技術保護功能，可以確保用戶的知識產權不受侵犯，并具有保護功能，防止篡改。

（5）開放功能。S7-1500系列CPU集成標準化的OPC UA通信協議，可以和上位機實現安全有效的通信；還可以通過PLCSim Advance軟件實現PLC數據和仿真軟件連接進行虛擬調試，提前進行錯誤修復，減少現場調試時間。

（6）集成運動控制。S7-1500系列CPU具有運動控制功能，可以實現復雜的運動控制任務，例如同步，插補，等，S7-1500T系列CPU能實現的運動控制功能，例如：凸輪控制，同步功能。

（7）性能強大。S7-1500系列CPU響應速度快，微處理的速度最快可達1ns；CPU本體集成有多個以太網接口，最多實現3個以太網網段；Profinet通信支持IRT（等時同步）方式。

（8）組態高效。S7-1500系列CPU通過博圖軟件進行編程，可以通過LAD，FBD，SCL，STL等多種編程語言實現程序邏輯設計；其中1500F系列的CPU支持故障安全功。

1.3 隨著工業自動化的發展，越來越多的工程項目中使用到了西門子SMART系列

在操作臺選用了Tp1200 COMFORT 觸摸屏。為了給現場操作人員提供更友好的界面，便捷的操作方式。選用了TP1200 COMFORT操作面板，組態比較方便，只需按照步驟操作即可。界面圖畫選擇很多，制作簡便，觸摸靈敏，與PLC通訊數據傳輸也快，非常好用，界面清晰、友好。使得整個系統中的設備狀態可以清晰的顯示在畫面上，并由操作員進行控制。Tp1200 COMFORT觸摸屏具有以下優點：

（1）在接口方面2個PROFINET接口、1個PROFIBUS接口、USB-2.0接口、USB主機接口（A型），USB設備接口（迷你B型）。

（2）顯示屏：1600萬色寬屏格式的高分辨率TFT顯示屏，超大可視角，亮度可任意調節。

（3）操作方面：按鍵型設備采用我們熟知的如移動電話應用的按鍵模式來輸入文本和數字。所有可自由組態的功能鍵均有LED。所有按鍵都有清晰的按壓點，由此確保操作安全。

（4）Internet Explorer用以顯示互聯網頁面PDF、Excel和Word文檔的瀏覽器，具有歸檔和腳本功能的Runtime軟件，SIMATIC控制器的系統診斷，（f（x），f（t））等曲線顯示。

（5）數據存儲：2個存儲卡插槽·插槽用來保存用戶數據。用于服務方案的插槽簡化了維修時的重新運行操作。自動更新系統卡上的項目數據和設備設置。

（6）從操作設備上可讀取SIMATIC控制器的系統診斷，不需要附加編程設備。

2 PLC與控制系統在索道控制系統中的實際應用情況分析

2.1 PLC、施耐德變頻器與觸摸屏遵循profinet協議運行方式

各個站點PLC、施耐德變頻器與觸摸屏遵循profinet協議，通過網線進行連接通訊。profinet是新一代基于工業以太網技術的自動化總線標準。作為一項戰略性的技術創新，可以完全兼容工業以太網和現有的現場總線技術。隨著現場設備智能程度的不斷提高，自動化控制系統的分散程度也越來越高，工業控制系統正由分散式自動化向分布式自動化不斷演進。

2.2 SIMATIC iMap軟件的應用效果

通過SIMATIC iMap軟件，即可用圖形化組態的方式來實現各組件間的通訊配置，不需要另外編程，大大簡化了系統的配置及調試過程。基于組件的軟件工具，用于在分布式自動化解決方案中組態通訊，SIMATIC iMap主要的優點通訊組態簡便（只需拖動設備的技術功能接口之間的線即可）。應用工廠范圍內的工程與組態在模塊化中。

（1）它用于以分布式自動化方案對通訊進行組態。SIMATIC iMap用來圖形化組態技術功能模板之間的數據交換。

（2）設計SIMATIC iMap是基于Windows的應用程序。SIMATIC iMap基本上包括以下基本視圖：項目樹：用來管理所有項目資源（技術功能和設備）以及用于在工廠的自動化層級進行導航。網絡和拓撲視圖：用來定義硬件設備之間的技術功能結構，以及系統診斷（通訊和設備狀態診斷）項目視圖：用于項目管理和項目中軟件功能。

（3）用SIMATIC iMap 進行通訊組態，SIMATIC iMap把以技術功能為基礎的程序庫元素相互連接。項目工程師把技術功能軟件組件相互連接起來，并且組態網絡拓撲結構中的相關設備，該項目隨后就完成了。通過在線模式，項目工程師可以測試和監控設備之間的通訊。

（4）從技術角度看，SIMATIC iMap具有以下優點：軟件組件之間的通訊，無需具有編程知識。用于通訊的一致性數據根據工程信息生成，并被下載到設備中。設備之間的通訊關系是通過以太網下載的。以圖形化概覽網絡拓撲結構。并可映射和軟組件有關的設備。

3 索道運礦系統

3.1 PLC接收閘盤制動器制動狀態

PLC接收閘盤制動器傳輸過來的閘盤間距模擬量電壓信號后，通過將該信號的電壓值進行轉換并與程序中的幾個設定值進行大小比對，來判斷閘盤、閘瓦與旋轉盤之間的距離是否在合理的區間內，并據此執行預先設定好的程序。如果是在正常區間內則正常開機、正常運行，如果超過這個間距，則不允許開機，若是出現在正常運行時，出現測距值超過距離區間則會報警停機。

（1）全盤式制動器摩擦副的固定元件和旋轉元件都是圓盤形的，分別稱為固定盤和旋轉盤。制動盤的全部工作面可同時與摩擦片接觸，其結構原理與摩擦離合器相似。盤式制動器工作表面為平面且兩面傳熱，圓盤旋轉容易冷卻，不易發生較大變形，制動效能較為穩定，長時間使用后制動盤因高溫膨脹使制動作用增強。盤式制動器結構簡單，維修方便，易實現制動間隙自動調整。

（2）制動時，油液被壓入內、外兩輪缸中、其活塞在液壓作用下將兩制動塊壓緊制動盤，產生摩擦力矩而制動。此時，輪缸槽中的矩形橡膠密封圈的刃邊在活塞摩擦力的作用下產生微量的彈性變形。放松制動時，活塞和制動塊依靠 密封圈的彈力和彈簧的彈力回位。由于矩形密封圈刃邊變形量很微小，在不制動時，摩擦片與盤之間的間隙每邊只有2cm左右，它足以保證制動的解除。又因制動盤受熱膨脹時，其厚度只有微量的變化。矩形橡膠密封圈除起密封作用外，同時還起到活塞回位和自動調整間隙的作用。如果制動塊的摩擦片與盤的間隙磨損加大，制動時密封圈變形達到極限后，活塞仍可繼續移動，直到摩擦片壓緊制動盤為止。解除制動后，矩形橡膠密封圈將活塞推回的距離同磨損之前相同，仍保持標準值。

（3）通過距離傳感器檢測閘盤、閘瓦間距，并以0V～10V的模擬量電壓信號傳輸到PLC的模擬量模塊。PLC則將該信號與程序中的設定值進行大小比對，來判斷閘盤、閘瓦所處的狀態。PLC根據比對值是否在設定值一定的區間內，來判定狀態是否正常、能否正常開機。當間距值大于區間值時，會在操作臺觸摸屏上給出閘盤間距過大報警提示。在停機狀態時，PLC會判定是閘盤出現故障，不允許開機；在正常運轉時出現這情況，PLC會判定是閘盤出現故障，從而輸出停機指令，索道主機急停停機。

3.2 液壓站作用

PLC接收液壓站傳輸過來的油壓模擬量電壓值信號，通過將該信號的電壓值進行轉換，然后與程序中的幾個設定值進行大小比對，來判斷液壓站此時的壓力值，據此得到液壓站壓力情況。當操作臺發出各種指令后，PLC通過控制繼電器動作來控制電磁閥的通斷，來控制索道閘盤在剎車狀態還是非剎車狀態。

（1）液壓站是獨立的液壓裝置，它按驅動裝置（主機）要求供油，它適用于主機與液壓裝置可分離的各種液壓機械下，由電機帶動油泵旋轉，泵從油箱中吸油后打油，將機械能轉化為液壓油的壓力能。液壓油通過閥組合被液壓閥實現了方向、壓力、流量調節后經外接管路傳輸到液壓機械的油缸中，從而控制了液動機方向的變換、力量的大小及速度的快慢，推動液壓機械做功。

（2）現用液壓站主要用于制動器的動作控制，由液壓泵、壓力調節閥、方向控制閥、蓄能器、過濾裝置、儀表等部分組成。當液壓站為制動器提供壓力時，制動器處于非剎車狀態。當制動器的壓力卸去時，制動器處于剎車狀態。液壓站利用蓄能器釋放所儲存的壓力油，來補償系統的泄露，使系統的壓力保持恒定，并配合其他液壓閥件，實現對制動器的動作控制。

（3）液壓站一用一備，閥組由A閥、B閥、C閥、A’閥及溢流閥組成，其中A閥、C閥、A’閥通斷斷油，B閥通電通油，開機時，油箱內的葉片泵開始打油，液壓油經過吸油過濾器、直角單向閥，進入油壓管道中，此時PLC控制A閥、C閥通電斷油，B閥斷電斷油，油壓開始升高，當油壓上升到工作油壓5.5MPA時，壓力傳感器將壓力以0V～10V的信號傳輸到PLC的模擬量模塊，由PLC輸出允許開機指令到卸礦站操作臺，操作人員啟動開機按鈕后，PLC控制A失電通油，油壓撐開抱閘，由索道電機帶動牽引繩開始運轉。當停機時，PLC控制C閥失電通油開始卸油，當索道主機轉速降到200rpm/s時，B閥失電同C閥一起快速卸油。當索道主機轉速低于120rpm/s時A閥關閉。B閥、C閥卸油直到主機停機，停機時，A閥、C閥得電，B閥失電。當索道正常運行過程中，出現緊急情況時，就需要按下急停按鈕，控制A’閥（又叫緊急卸油閥）斷電通油，以非常快速的方式進行卸油，讓閘盤快速抱閘而停機。PLC通過對液壓站傳輸的壓力信號在程序中進行判斷，按照程序指令控制繼電器的動作，來控制電磁閥的通斷動作，穩定可靠的實現了閘盤的是否在剎車狀態。

4 變頻器命令執行步驟

在液壓站及各輔助設備準備就緒以后，操作臺備妥指示燈亮。然后操作臺啟動開機，PLC按照操作臺給出的指令，進行指令輸出，控制液壓站電磁閥動作，撐開閘盤抱閘，然后由變頻器的輸出轉矩，讓索道主機用5s的加速時間從啟動達到恒定轉速，以200rpm/s的斜率轉速快速提高到給定轉速1000rpm/s。然后PLC與變頻器的通訊，通過讀取施耐德ALTIV 71 PLUS變頻器儲存轉速的地址，獲得主電機的轉速，通過將讀取的轉速與給定轉速進行比較，給出控制調整轉矩輸出的指令到變頻器，變頻器則是接收指令并執行，改變輸出以調整電機轉速，達到牽引繩轉速恒定，形成速度檢測—指令調整--轉矩控制---速度檢測的不斷循環過程，來控制電機的轉速在一個恒定1000rpm/s，使得運礦的斗車速度均勻穩定，有效防止因運載繩抖動劇烈而發生的掉斗現象，同時，對運載繩的沖擊和磨損也大幅降低，延長了其使用壽命。運礦結束，按下停機按鈕時，速度從1000rpm開始減速，速度降到200rpm，由PLC控制液壓站的電磁閥C閥開始一級泄油，速度降到120rpm開始控制液壓站的電磁閥B閥及C閥同時動作進行二級快速泄油，當油壓低于1MP時，抱閘停機。采用矢量控制，啟動轉矩大，很適合重負載啟動，到達1000rpm的時間設定合理時，不會出現加速過電流或者加速過電壓現象。正常運轉時，轉速非常穩定，轉速保持在誤差1%以內。減速時正常停機，根據轉速及液壓站制動油壓值，進行停車，停車過程平穩，變頻器不會出現減速過電流和減速過電壓現象，最終達到抱閘迅速不會產生飛車現象。

5 結語

由PLC進行數據的讀取和處理并下達命令，觸摸屏作為人機交互界面，方便快捷的進行參數設定，變頻器通過無編碼器的磁通矢量控制，驅動能力非常穩定而且具有高啟動轉矩的能力。隨著變頻器、PLC以及觸摸屏系統的改進和優化，液壓站和閘盤系統的改進，整個索道主機系統運行越發的穩定、可靠。