提升機變頻電控系統(tǒng)

    本系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)化操縱臺，雙PLC雙線制控制，主要保護多線制結(jié)構(gòu)。監(jiān)控系統(tǒng)采用工控機系統(tǒng)。操作系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)之間通過工業(yè)局域網(wǎng)絡(luò)進行系統(tǒng)通訊及信號交換，并留有與信號系統(tǒng)進行聯(lián)網(wǎng)的接口，具有遠程監(jiān)控傳輸功能。加減速過程0-50HZ平滑調(diào)節(jié)。

一、系統(tǒng)要求與功能實現(xiàn)

    1.操作和安全保護系統(tǒng)應(yīng)選用兩套不同配置的PLC，互為冗余控制，對提升機運行關(guān)鍵的信號（如速度、容器位置、安全、減速、過卷等等）均應(yīng)采用多線制保護，互為監(jiān)視。

    2.具有手動、半自動、檢修及應(yīng)急控制等各種控制方式。并保證速度圖捌點為S曲線。

    3.本系統(tǒng)具有以下多種保護功能：

    ①防過卷保護 ②防過速保護 ③防過負荷保護、防欠電壓保護 ④限速保護 ⑤深度指示器失效保護 ⑥閘瓦過磨損保護 ⑦松繩保護 ⑧信號方向閉鎖等。

    4.安全保護應(yīng)有三種狀況，并實現(xiàn)不同的處理措施： 

    a）嚴重故障實現(xiàn)立即斷開安全回路實施安全制動（包括等速過速、限速過速、包絡(luò)線超速、爬行段超速、高低壓電源故障、過流、變頻器故障、錯向、PLC故障、過卷、急停操作、網(wǎng)絡(luò)通訊故障、2只測速元件同時損壞、主回路失壓、速度比較錯誤、殘壓高、電機溫度過高等）。

    b）較嚴重故障實現(xiàn)先減速到1.5m/s后實施安全制動（包括機械深度指示器失效、松繩保護、編碼器位置偏差過大、制動油路故障、閘瓦磨損、主回路過壓、接地或欠壓等）。

    c）輕故障允許一次開車，本次運行結(jié)束后不維修好不能再次開車。

    d)根據(jù)現(xiàn)場不定速操作的特點，我們在設(shè)計上加入包絡(luò)曲線程序軟件，即在各個減速帶、變坡點不定點減速，定點減速到位控制系統(tǒng)，實現(xiàn)較為準確的控制，提高生產(chǎn)效率。

    選用雙套PLC，雙PLC之間既有軟件上的聯(lián)鎖，又有硬件上的聯(lián)鎖和看門狗電路，對PLC的運行進行監(jiān)視，防止因PLC死機或其他意外原因造成PLC故障時能及時監(jiān)測并參與安全保護。

主控PLC應(yīng)用軟件能完成提升機手動、半自動 、自動 、檢修、慢動、緊急控制開車等運行方式的控制要求?？刂婆c監(jiān)視提升系統(tǒng)各路電源，滿足其控制功能及各項安全保護。實現(xiàn)對調(diào)速系統(tǒng)行程速度給定的控制，三道以上自動減速保護，停車時自動抱閘停車。與信號系統(tǒng)、控制系統(tǒng)之間的提升信號閉鎖，具有完善的保護功能及遠程診斷功能。

    輔控PLC具備電子數(shù)字監(jiān)控器的功能，可進行深度值、速度值、限速值等的指示，通過與主控系統(tǒng)的聯(lián)鎖，還可以實現(xiàn)過卷、定點限速、全速過速、減速過速、開車錯向、斷軸保護等另一套安全保護，并可參與系統(tǒng)控制。主輔控PLC均安裝在操作臺臺體內(nèi)，并與監(jiān)控系統(tǒng)進行網(wǎng)絡(luò)通訊。各類安全保護、自動化開車及各種工作狀態(tài)顯示等多種功能。具有邏輯編程簡單、安全保護可靠、狀態(tài)顯示齊全、語言報警等功能，具備與調(diào)度室計算機的聯(lián)網(wǎng)顯示提升機運行參數(shù)功能。

二、主控臺

    主控臺是該電控系統(tǒng)的控制中心，采用操作臺式結(jié)構(gòu)，除位置、速度、溫度、壓力、電流等必要的信號采集傳感器和終端執(zhí)行設(shè)備外，所有控制回路及操作全部集中于操作臺中。司機可操作主控臺上的操作手把（如手閘、主令控制器）、開關(guān)及按鈕來控制提升機運行，并通過指示燈和人機界面及時了解提升機的運行狀態(tài)及運行參數(shù)。

此外，主控臺自身具有應(yīng)急提升功能，在不添加任何外部硬件的情況下，當(dāng)PLC出現(xiàn)問題時，可以實現(xiàn)故障狀態(tài)下的低速（1.5m/s）運行。

   1、安全回路雙線制

   1)系統(tǒng)采用兩套可編程控制器，分別從安裝于高速軸和低速軸上的兩個軸編碼器采集信號，形成安全回路雙線制。

   2)兩套可編程控制器采集的信號既相互獨立，又相互比較。

   2、系統(tǒng)全數(shù)字化設(shè)計

   系統(tǒng)采用壓力變送器、電流檢測模塊，將制動油壓、潤滑油壓、電機電流轉(zhuǎn)換模擬信號，通過A/D模塊將壓力信號變成數(shù)字信號，實現(xiàn)顯示和保護。

   3、軟件化的設(shè)計

   系統(tǒng)運用軟件化的設(shè)計思想，能用軟件實現(xiàn)的功能，決不用硬件，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少系統(tǒng)的硬件故障。

   4、模塊化設(shè)計

   系統(tǒng)運用模塊化的設(shè)計思想，將多個功能集成為不同的電路模塊，如

   1)電流檢測模塊：將電機電流轉(zhuǎn)換為電壓信號后輸出，模塊內(nèi)電流信號和電壓信號完全隔離，確保強電不竄入控制回路。

   2)電源模塊：為系統(tǒng)內(nèi)各部件提供不同的穩(wěn)壓電源，要具有輸出功率大、穩(wěn)定性強等特點。

   5、工業(yè)控制人機界面以及上位監(jiān)控系統(tǒng)

   監(jiān)控軟件采用工業(yè)顯示屏應(yīng)用于絞車電控系統(tǒng)實現(xiàn)：提升系統(tǒng)動靜態(tài)畫面生成（ 如提升過程動態(tài)，顯示速度動態(tài)曲線(給定與實際)，提升容器位置動態(tài)顯示、可調(diào)閘電流、制動力矩的動態(tài)顯示、車場工作狀態(tài)等）。

主要顯示畫面如下：

  1) 預(yù)備態(tài)：主要顯示有容器位置、本次打點次數(shù)、上次打點次數(shù)、提升鉤數(shù)、潤滑油壓、提升時間、到位信號、模擬深度指示器以及主要故障指示等。

  2) 運行態(tài)：主要顯示有速度圖、力圖、容器位置、提升速度、電機電流、制動油壓、本次打點次數(shù)（轉(zhuǎn)子加速級數(shù)、加速電流繼電器）等。

  3) 故障態(tài)：本屏顯示所有的故障點，紅色為故障，綠色為正常，只要調(diào)出此屏即知道故障之所在。

  4) 故障記憶：當(dāng)安全回路動作時，能記錄在發(fā)生故障的那一時刻絞車的運行參數(shù)，并可記憶多屏參數(shù)。

  5) 絞車停車時顯示預(yù)備態(tài)，絞車啟動后自動轉(zhuǎn)換為運行態(tài)，故障時自動轉(zhuǎn)換為故障記憶，同時也可手動切換。

  6）可根據(jù)用戶要求增加顯示內(nèi)容。

三、設(shè)計原則

    1、冗余化設(shè)計

    采用進口可編程控制器作為主要控制器件，兩套PLC相互冗余，構(gòu)成安全回路雙線制，且冗余量不低于10%，主要用于現(xiàn)場增加保護和控制以及作為備用。

    2、抗干擾設(shè)計

    按照抗干擾的設(shè)計原則，在輸入、輸出、電源等方面有針對性地實施了抗干擾措施，要符合GB/T13926電磁兼容性要求，整套系統(tǒng)通過電兼容性試驗，使得系統(tǒng)安全可靠。

    3、UPS電源

    采用具有正弦波特性、功率容量足夠大的不間斷的在線工作方式電源為控制回路供電，當(dāng)系統(tǒng)停電時，輸出切換時間為零秒，保證控制設(shè)備不間斷供電。

    1）能夠輸入電壓范圍寬，輸出電壓穩(wěn)定，保證設(shè)備的穩(wěn)定工作。

    2）內(nèi)置電源濾波器，提高系統(tǒng)電磁兼容性。

   4、PLC的選擇

   系統(tǒng)中PLC的I/O留有不少于10%的擴展裕度，以備將來增加新的控制要求，并能根據(jù)現(xiàn)場情況增加相應(yīng)功能。

   1）采用日本歐姆龍可編程控制器（或者西門子、三菱可編程控制器），同時保證和變頻系統(tǒng)選用相同廠家。

   2）為減少傳感器的數(shù)量，盡可能采用新系統(tǒng)公用的傳感元件（如可調(diào)閘模塊、測速模塊等），通過轉(zhuǎn)換開關(guān)實現(xiàn)新、舊系統(tǒng)的共用。

   3）充分利用PLC的編程功能，盡量用軟件實現(xiàn)控制功能，減少舊系統(tǒng)的硬件數(shù)量（如等速度過速保護、減速過速保護等）。

   4)充分利用新系統(tǒng)的PLC和工業(yè)顯示部分實現(xiàn)備用系統(tǒng)使用時的運行參數(shù)、故障數(shù)據(jù)顯示。

   5、安全性：采用PLC控制系統(tǒng)，除實現(xiàn)《煤礦安全規(guī)程》（2010年版），《金屬非金屬地下礦山安全規(guī)程》和《礦山電力設(shè)計規(guī)范》所規(guī)定的保護功能外，根據(jù)提升機運行工況配置相應(yīng)的保護功能。

   6、可靠性：選擇高性能的進口或國產(chǎn)電氣傳動裝置和電氣元件，使用軟件和硬件雙線制實現(xiàn)安全保護，可用軟件實現(xiàn)的功能不增加硬件，使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加簡單合理。

   7、先進性：采用當(dāng)前先進的技術(shù)，確保完善的軟硬件保護環(huán)節(jié)。符合提升機控制的各種要求，滿足現(xiàn)場情況，預(yù)留功能擴展的接口，具備遠程診斷/通信功能。

   ? 上位監(jiān)控系統(tǒng)采用研華、研祥工控機系統(tǒng)含大屏幕液晶彩顯；各系統(tǒng)之間通過工業(yè)網(wǎng)絡(luò)進行通訊及信號交換，具有遠程監(jiān)控功能。并預(yù)留標準TCP/IP接口方便與礦山生產(chǎn)調(diào)度網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接。該系統(tǒng)硬件配置整潔、功能強大、技術(shù)先進、安全可靠、高效節(jié)能。

三、提升電控系統(tǒng)主要特點：

    1) 根據(jù)提升機的特點，采用帶零速電氣安全制動的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的變頻器對交流電機進行調(diào)速，四象限運行。啟動、停車及加減速平穩(wěn)，節(jié)能、免維護。

    2) 加減速過程0-最大運行速度平滑調(diào)節(jié)，無功沖擊較小，功率因數(shù)較高。

    3) 采用了全數(shù)字速度、電流、位置閉環(huán)控制使提升機在任意速度下運行穩(wěn)定可靠并保持較高的運行效率。

    4) 操作和安全保護系統(tǒng)選用兩套不同配置的PLC，兩套PLC互為CPU冗余控制。主輔PLC之間相互通訊及監(jiān)視，操作過程實現(xiàn)雙線控制方式，對提升機運行關(guān)鍵的信號（如速度、容器位置、安全、減速、過卷等等）均采用多線制保護，互為監(jiān)視。

    5) PLC操作控制系統(tǒng)能完成提升機手動、半自動、檢修及應(yīng)急控制等各種運行方式的控制要求等?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)提升容器的位置與去向之間的距離及提升種類，自動選取最大的運行速度，提高系統(tǒng)的運行效率。

   手動運行：司機根據(jù)信號系統(tǒng)情況，通過速度給定器件控制提升機在額定速度以下任意速度運行，自動減速、自動準確停車，同時要受到行程控制器的限制。

   半自動運行：在半自動運行邏輯具備條件時，司機根據(jù)信號情況通過按鈕開車，讓提升機完成一個提升循環(huán)，并具安全聯(lián)鎖；具有自動選擇去向，確定運行速度等功能，自動加速、自動減速、自動準確停車。

   檢修或驗繩：檢修速度：0.3~0.5m/s。檢修時可手柄（0.3~0.5m/s）或按鈕開車（0.5m/s）。

   應(yīng)急控制：在任何運行方式下出現(xiàn)緊急情況，司機通過急停按鈕或腳踏開關(guān)實施急停操作。

    6) 具有三條安全保護回路，其中，軟件安全回路兩條、硬件安全回路一條，關(guān)鍵環(huán)節(jié)采用三重或多重保護，比如過卷、超速等。多條安全保護回路之間互相冗余，保證礦山設(shè)備的高效、安全運轉(zhuǎn)。輕重 故障具有聲、光報警或預(yù)報警。安全回路執(zhí)行繼電器為雙繼電器。

    7) 監(jiān)控系統(tǒng)采用PIV CPU工控機作為上位機，配19英寸液晶彩色顯示器（TFT），實現(xiàn)多畫面實時監(jiān)控，多參量數(shù)碼及曲線顯示、記錄，各種故障的報警及記錄，所記錄的圖表、曲線多達1000條提升循環(huán)。

    8) 各子系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)和信號交換實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化集散控制，使整個系統(tǒng)的外接線大量減少，節(jié)省了安裝工期及費用。

    9) 采取必要的硬件、軟件的抗干擾措施，EMC滿足標準要求；

    10) 經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，使設(shè)備的性能更加強大，硬件包括接線更加整潔，如原來由繼電器進行隔離的線路均由光隔完成，使繼電器數(shù)目減少到最少的必要程度。PLC的I/O及DI/DO余量多于10%。

    11) 變頻裝置的過載能力足夠大，確保任何負載下，變頻裝置能滿足四象限安全運行要求。

    12）具有遠程專家診斷功能，技術(shù)人員不在現(xiàn)場時，也可通過電話網(wǎng)絡(luò)對本提升機電控系統(tǒng)的對各個輸入口、輸出口以及中間參量進行觀察、分析，可在較短的時間內(nèi)確定故障原因并找到相應(yīng)的解決辦法，有利于與現(xiàn)場使用人員的技術(shù)溝通及快速地處理故障。

    13）機械液壓故障檢測冗余系統(tǒng)

   ? 針對極端情況下液壓制動失效，具備主動和被動安全保護相結(jié)合的多重保護措施：

?    作為主動安全保護手段之一，可提前發(fā)現(xiàn)事故隱患。采用壓力傳感器對液壓系統(tǒng)的油路情況進行動態(tài)檢測，檢測值進入PLC，并可以在上位機顯示出出油路回油情況，防止因為出油、回油及油路堵塞的情況。

?    作為主動安全保護手段之二，采用zhuanli產(chǎn)品：數(shù)字式閘瓦磨損、彈簧疲勞監(jiān)測開關(guān)對閘瓦磨損和彈簧疲勞的程度進行動態(tài)檢測，檢測值進入PLC，并可以在上位機顯示出制動閘瓦的間隙；輔助檢測閘瓦的閉合情況。

    具有零速電氣安全制動保護功能：作為被動安全保護手段，在滿足《煤礦安全規(guī)程》要求的前提下，當(dāng)出現(xiàn)安全制動時，同時具有電氣安全制動功能，在零速電氣安全制動的作用下，提升容器會往較重的方向作脈動式向下滑行。避免故障擴大，最大程度地減小故障損失。

四、電控系統(tǒng)主要設(shè)備功能

    1） 變頻調(diào)速柜及變頻回饋制動柜       

采用四象限回饋式變頻控制器，矢量控制，配回饋制動單元。其動靜態(tài)技術(shù)性能滿足提升機4象限運行要求，滿足提升工藝要求的過載能力和安全系數(shù)，滿足各種工況下力圖的要求。

● 配置能量回饋單元、實現(xiàn)提升機4象限運行。節(jié)能效果顯著。

● 手動、半自動速度給定值控制。

● 可調(diào)斜率的加減速度給定值設(shè)定。

● 起動防沖擊控制(“Ｓ”化曲線給定)。

● 預(yù)置起動力矩并與制動器的油壓曲線形成可靠閉鎖，防止起動時容器倒轉(zhuǎn)。

● 具有過電流、堵轉(zhuǎn)、過速、絕緣檢測等幾十種完善的保護。

● 采用變頻的矢量控制技術(shù)，實際速度緊跟預(yù)定速度變化，速度圖從等速段向減速段、減速段向爬行段過渡的平滑性好，與直流電動機拖動的礦井提升機相比，具有更優(yōu)的調(diào)速性能。

● 下放重物時能量反饋回電網(wǎng)，節(jié)能效果顯著。

● 零速啟動力矩可達150％，通過力矩補償，在30秒內(nèi)，在這基礎(chǔ)上還可增加30％-50％額定力矩，因此，重載零速啟動平穩(wěn)，這是現(xiàn)有同類技術(shù)所不具備的特性；

● 具有很好堵轉(zhuǎn)特性，堵轉(zhuǎn)電流可以隨意設(shè)定，并且實際電流值不會超過設(shè)定值；

● 使用調(diào)試方便，通過人機對話單元，不同使用場合，需設(shè)定的參數(shù)少于30個；

● 具有內(nèi)部軟件故障以及外部線路故障的診斷功能，在診斷到故障的情況下，裝置首先自動停止工作，防止故障進一步擴大，同時，進行準確的故障報警；

● 變頻調(diào)速柜設(shè)有強迫通風(fēng)裝置。

    雙回路電源進線，并具有相應(yīng)的控制、測量和保護功能；兩回電源進線采用一用一備。低壓輔助電源為電控系統(tǒng)的輔助設(shè)備（液壓站、潤滑站、主電機冷卻風(fēng)機）提供0.22/0.38KV三相電源。其饋出回路選用優(yōu)質(zhì)開關(guān)及其它保護、控制、測量和信號元器件。在柜內(nèi)設(shè)不間斷電源裝置UPS，向一些關(guān)鍵控制設(shè)備和PLC供電，以保證低壓電源故障后，能夠使提升機實現(xiàn)可靠的安全制動和數(shù)據(jù)保持。