煤矿绞车电控系统的PLC变频改造设计路径剖析

摘 要：本文针对以往高耗能的矿山绞车电控系统，运用变频器与PLC，对其开展系统化改造，不仅详细的设计了电控系统与主控程序软件的流程图，而且还设计了控制电路、主电路的流程图，并有目的性的开展了PLC与变频器的选型，最终制定出了一种变频器与OLC相结合能够实现S形速度曲线的方法，此改造的实践操作，有助于达成矿山节能降耗目标。

关键词：电控系统；煤矿绞车；PLC；变频器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.12.056

当前， 煤矿绞车在整个矿山中有着较大的用电量，同时在耗能方面也比较突出。针对以往的电机阻电控系统而言，其在实际运行中，尤其是在加速或者是减速过程中，在由转子串接相应电阻上，通常会有比較大的电能浪费，即20%～30，至此，本文针对此状况，以副井绞车为研究对象，对其开展了细致化的PLC变频改造，以期更好的达成此方面的节能减排目标。

1 硬件设计

1.1 变频器电控系统外部电路、主电路的设计

电控系统主电路由电磁接触器MCl、MC2、MC3，无熔丝断路器MCCB，变频器及感应电动机等所构成；对于变频器的外部电路而言，其有多个电路构成，即声光报警电路、接收来自PLC的控制信号等。（1）计算变频器容量。比如某煤矿的副井绞车，其所选用的系统类型即为较为常见的交流绕线式电机串电阻调速系统，此系统的主要参数为：电机功率354kW，电流418A，电压660V；绞车道坡度为16°，长度为1200m；减速机为XL-30，速比30，输入转速980r/min；卷筒宽度为2m，直径为2.5m；绞车为K-2.5×2/30型单绳缠绕矿井提升机，由中信重型机械公司生产。在实施改造时，为了使各项成本能够最大化的降低，经协商，最终决定仍然采用原先的绕线电机。因此，此系统存在比较陈旧的电机设备，此外，对于此矿绞车而言，在负载方面也比较的恒定，在变频器相应容量进行选择过程中，设定容量系数为1.2，所以需最小变频容量值为355×1.2=426kW。（2）选择变频器型号。由赛普产的SAPSOOG系列通用变频器，其所选用的是电流矢量控制技术，其低俗转矩能够实现200%的额定转矩输出，并且还内置有PLC程序，能够对运行实施控制，此外，还具有多种操作与控制方式，保护功能比较齐全，对于那些矿井绞车电机驱动比较适用。结合系统实况，另通过查阅相关规范手册，最终选择的变频器为时下较为通用的SAPS00G-450-T6-AA（赛普），其标准的参数为三相660V。（3）声、光报警电路的合理设计。对于声、光报警而言，其电路由多部分构成，主要由自锁解除按钮A6、报警自锁继电器BJ线圈及其常开触点、故障报警铃JL与故障报警灯JD构成。因来自PLC的故障继电器K3及APl500G变频器内部检测电路，对变频器内部故障，即继电器相应输出端子TC，呈现出与TA闭合状况，并且还共同控制着断开工序，通常以此种方式来进行声、光报警。

1.2 PLC控制部分的电路设计

针对PLC控制的电路来讲，其在整个矿井绞车电控系统当中，往往发挥着核心性作用，构成多样，即旋转编码器、操作台、可编程逻辑控制器、电压电流检测、继电电路及各种输入控制按钮。对于其所持有的功能而言，即实时监控绞车的工作状态，依据预定的速度图及力图，对绞车进行控制，结合运行方式，给定控制变频器，使其能够实现S形速度曲线，使其能够多方面的自动运行，如停车、爬行、减速及启动等，为绞车的可靠、经济及安全运行提供保障。选择由西门子公司生产的S7-300系列PLC。运用主控为PLC的主要原因在于，其具有较好的环境适应性，能够在一些比较恶劣复杂的矿井环境中使用，具有较好的电磁兼容性，工作可靠。此外，对于S7-300的构成而言，其由多种模块部件组合而成，各个模块之间又能够以各种方式适当组合，来实现与现场实际需要相符的控制系统设计。其具有各种CPU，能够提供所需要的集成系统功能，便于各种控制系统的形成。

2 电控系统保护的实现路径

对于SAPS00G变频器而言，其保护功能比较多样，可进行如下保护：（1）输入电源电压过低保护；（2）输入电源电压过高，大于额定值125%，并且在持续时间方面超出30s时提供保护；（3）负载惯性过高或者是减速时间过短，并且此状况持续时间超出30s；（4）电机产生回生电压或者是电源电压变动过高，使得母线的电压持续升高；（5）负载惯性过高或者是减速时间太短，造成直流母线具有过高的电压；（6）加速或减速时，具有过短的时间设置，在转矩设定值方面，提升幅度比较大；在制动电流上，通常会出现直流定位过高的情况；由于此状况持续的时间比较长，在此影响下，会造成所输出的电流出现持续性过高；（7）过电压失速防止功能。对于变频器而言，如若其正在运作执行的是减速，在负载惯性的作用驱动下，会造成电机出现持续性的能量回升状况，随后变频器内部也会出现此情况，此时，处在直流侧电压，便会在比较短的时间内，出现快速升高，所以，对于变频器直流侧而言，如若其电压短时间内升高过快，那么变频器在此影响下，便可立刻呈减速状态，直到位于直流侧的电压，在数值上将至标准保护值则止，当恢复正常之后，变频器再次减速；（8）外部故障端子输入保护。实施PLC检测后，如若发现绞车配套的牵引钢丝绳出现过松的情况，或者是存在下过卷、上过卷的情况，此时的PLC继电器，对应的K3线圈便会处于得电状态，此状况驱动下，其与SAPS00G变频器，在处于对接状态的保护开关，通过端子MT的输入，便会与COM端子，在具体的上常闭触点方面，呈持续性的断开状态；对于APS00G变频器而言，对其实施检测，如若发现存在此信号，在为变频器提供保护的实际操作中，位于系统内部的故障继电器，在具体的输出端子TC方面，与TA一道呈持续性的闭合状态，当发生此故障后，与之相对应的故障报警铃，感知故障后，便立即对外发出警报，报警灯在此应动下，随及闪动发光。

3 S形速度曲线的实现

（1）速度曲线的选择。此矿井绞车所选用的乃是不对称的5阶段S形速度曲线，由5各阶段构成，即制动、爬行、减速、匀速及加速。其中加速度与减速度均为1m/s2，爬行速度1.75m/s，工频速度7.6m/s。（2）S曲线PLC编程实现。结合速度曲线运行参数，将减速距离、加速距离、减速时间及加速时间计算出来，然后依據绞车运行线路的长度，停车的实际距离及爬行的大致距离，开展细致化计算，得出工频运行距离，通过此计算，便可较好的得知PLC输出模拟控制的电压，与距离间处于何种关系。于PLC编程过程中，需合理设定工作运行、减速阶段、加速阶段及启用转换器的状态。在定位绞车侧方面，主要通过PLC，利用旋转编码器，对其其脉冲个数进行计算，然后通过CPU计算而得到。（3）凭借变频器的WF曲线，设置S曲线。在选择赛普SA500G变频器V/F曲线时，设置内部参数代码F34在其中发挥着决定作用。如果F34=0时，那么V/F便为一条曲线，而且呈现为线性加减的曲线，以通用负载较为常见且多用。如若为F34=1，针对此时的V/F曲线而言，则为二次平方转矩曲线，以加减速中较为多用，即此操作中所需噪声将起、减缓振动等。依据绞车实际需要，设计时，最终选定F34=1。

4 设计绞车电控系统软件

设计绞车的电控系统软件，较多会用到PLC编程，其由两部分构成，即中断服务子程序与主程序。软件与硬件在彼此协调的情况来完成工作。只有软硬件协调配合，方能实现控制系统各项预定功能。当系统处于通电状态，首要步骤即为使系统呈初始化，然后结合系统实际状况，使其自检，当确认合格之后，便可进行启动信号的接受工作，当系统的运行状态为加速段时，并且已经达到了相应工频运行点，便会以一种自动的方式转运至工频，当其达到相应减速点时，便会以一种减速的状态而持续运行，若达到最终的停车点时，便会立即停车，此时便呈待定状态，等待下一指令。在此时段，若有异常，或非工作工作，系统便随即跳转，转向中断子程序，对系统进行相应保护，且及时将声光警报发出。

5 结语

总而言之，变频技术现今已在煤矿绞车电机当中得到广泛应用，把变频技术体积小、启动电流低、精度高及调速范围广等优势，经一定方式均转至煤矿绞车当中，推动绞车电气控制的深层次发展，促进整个煤矿产业的更好发展。

参考文献：

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[3]张广军.可编程控制器在煤矿副井绞车电控系统中的应用[J]. 中州煤炭，2003（06）：27-28.

作者简介：张涛（1984-），男，河南唐河人，本科，助理工程师，技术主管，研究方向：矿山运输、煤矿提升机使用或控制方面的等、井下蓄电池车，煤矿。