提升機變頻電控系統

    本系統采用網(wǎng)絡(luò )化操縱臺，雙PLC雙線(xiàn)制控制，主要保護多線(xiàn)制結構。監控系統采用工控機系統。操作系統、調速系統、監控系統之間通過(guò)工業(yè)局域網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行系統通訊及信號交換，并留有與信號系統進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)的接口，具有遠程監控傳輸功能。加減速過(guò)程0-50HZ平滑調節。

一、系統要求與功能實(shí)現

    1.操作和安全保護系統應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(guò)卷等等）均應采用多線(xiàn)制保護，互為監視。

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

    3.本系統具有以下多種保護功能：

    ①防過(guò)卷保護 ②防過(guò)速保護 ③防過(guò)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(guò)磨損保護 ⑦松繩保護 ⑧信號方向閉鎖等。

    4.安全保護應有三種狀況，并實(shí)現不同的處理措施： 

    a）嚴重故障實(shí)現立即斷開(kāi)安全回路實(shí)施安全制動(dòng)（包括等速過(guò)速、限速過(guò)速、包絡(luò )線(xiàn)超速、爬行段超速、高低壓電源故障、過(guò)流、變頻器故障、錯向、PLC故障、過(guò)卷、急停操作、網(wǎng)絡(luò )通訊故障、2只測速元件同時(shí)損壞、主回路失壓、速度比較錯誤、殘壓高、電機溫度過(guò)高等）。

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

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

    d)根據現場(chǎng)不定速操作的特點(diǎn)，我們在設計上加入包絡(luò )曲線(xiàn)程序軟件，即在各個(gè)減速帶、變坡點(diǎn)不定點(diǎn)減速，定點(diǎn)減速到位控制系統，實(shí)現較為準確的控制，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(mén)狗電路，對PLC的運行進(jìn)行監視，防止因PLC死機或其他意外原因造成PLC故障時(shí)能及時(shí)監測并參與安全保護。

主控PLC應用軟件能完成提升機手動(dòng)、半自動(dòng) 、自動(dòng) 、檢修、慢動(dòng)、緊急控制開(kāi)車(chē)等運行方式的控制要求?？刂婆c監視提升系統各路電源，滿(mǎn)足其控制功能及各項安全保護。實(shí)現對調速系統行程速度給定的控制，三道以上自動(dòng)減速保護，停車(chē)時(shí)自動(dòng)抱閘停車(chē)。與信號系統、控制系統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具備電子數字監控器的功能，可進(jìn)行深度值、速度值、限速值等的指示，通過(guò)與主控系統的聯(lián)鎖，還可以實(shí)現過(guò)卷、定點(diǎn)限速、全速過(guò)速、減速過(guò)速、開(kāi)車(chē)錯向、斷軸保護等另一套安全保護，并可參與系統控制。主輔控PLC均安裝在操作臺臺體內，并與監控系統進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )通訊。各類(lèi)安全保護、自動(dòng)化開(kāi)車(chē)及各種工作狀態(tài)顯示等多種功能。具有邏輯編程簡(jiǎn)單、安全保護可靠、狀態(tài)顯示齊全、語(yǔ)言報警等功能，具備與調度室計算機的聯(lián)網(wǎng)顯示提升機運行參數功能。

二、主控臺

    主控臺是該電控系統的控制中心，采用操作臺式結構，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行設備外，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(kāi)關(guān)及按鈕來(lái)控制提升機運行，并通過(guò)指示燈和人機界面及時(shí)了解提升機的運行狀態(tài)及運行參數。

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

   1、安全回路雙線(xiàn)制

   1)系統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(gè)軸編碼器采集信號，形成安全回路雙線(xiàn)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、系統全數字化設計

   系統采用壓力變送器、電流檢測模塊，將制動(dòng)油壓、潤滑油壓、電機電流轉換模擬信號，通過(guò)A/D模塊將壓力信號變成數字信號，實(shí)現顯示和保護。

   3、軟件化的設計

   系統運用軟件化的設計思想，能用軟件實(shí)現的功能，決不用硬件，提高系統的穩定性，減少系統的硬件故障。

   4、模塊化設計

   系統運用模塊化的設計思想，將多個(gè)功能集成為不同的電路模塊，如

   1)電流檢測模塊：將電機電流轉換為電壓信號后輸出，模塊內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：為系統內各部件提供不同的穩壓電源，要具有輸出功率大、穩定性強等特點(diǎn)。

   5、工業(yè)控制人機界面以及上位監控系統

   監控軟件采用工業(yè)顯示屏應用于絞車(chē)電控系統實(shí)現：提升系統動(dòng)靜態(tài)畫(huà)面生成（ 如提升過(guò)程動(dòng)態(tài)，顯示速度動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)(給定與實(shí)際)，提升容器位置動(dòng)態(tài)顯示、可調閘電流、制動(dòng)力矩的動(dòng)態(tài)顯示、車(chē)場(chǎng)工作狀態(tài)等）。

主要顯示畫(huà)面如下：

  1) 預備態(tài)：主要顯示有容器位置、本次打點(diǎn)次數、上次打點(diǎn)次數、提升鉤數、潤滑油壓、提升時(shí)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(dòng)油壓、本次打點(diǎn)次數（轉子加速級數、加速電流繼電器）等。

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

  4) 故障記憶：當安全回路動(dòng)作時(shí)，能記錄在發(fā)生故障的那一時(shí)刻絞車(chē)的運行參數，并可記憶多屏參數。

  5) 絞車(chē)停車(chē)時(shí)顯示預備態(tài)，絞車(chē)啟動(dòng)后自動(dòng)轉換為運行態(tài)，故障時(shí)自動(dòng)轉換為故障記憶，同時(shí)也可手動(dòng)切換。

  6）可根據用戶(hù)要求增加顯示內容。

三、設計原則

    1、冗余化設計

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

    2、抗干擾設計

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

    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(xiàn)工作方式電源為控制回路供電，當系統停電時(shí)，輸出切換時(shí)間為零秒，保證控制設備不間斷供電。

    1）能夠輸入電壓范圍寬，輸出電壓穩定，保證設備的穩定工作。

    2）內置電源濾波器，提高系統電磁兼容性。

   4、PLC的選擇

   系統中PLC的I/O留有不少于10%的擴展裕度，以備將來(lái)增加新的控制要求，并能根據現場(chǎng)情況增加相應功能。

   1）采用日本歐姆龍可編程控制器（或者西門(mén)子、三菱可編程控制器），同時(shí)保證和變頻系統選用相同廠(chǎng)家。

   2）為減少傳感器的數量，盡可能采用新系統公用的傳感元件（如可調閘模塊、測速模塊等），通過(guò)轉換開(kāi)關(guān)實(shí)現新、舊系統的共用。

   3）充分利用PLC的編程功能，盡量用軟件實(shí)現控制功能，減少舊系統的硬件數量（如等速度過(guò)速保護、減速過(guò)速保護等）。

   4)充分利用新系統的PLC和工業(yè)顯示部分實(shí)現備用系統使用時(shí)的運行參數、故障數據顯示。

   5、安全性：采用PLC控制系統，除實(shí)現《煤礦安全規程》（2010年版），《金屬非金屬地下礦山安全規程》和《礦山電力設計規范》所規定的保護功能外，根據提升機運行工況配置相應的保護功能。

   6、可靠性：選擇高性能的進(jìn)口或國產(chǎn)電氣傳動(dòng)裝置和電氣元件，使用軟件和硬件雙線(xiàn)制實(shí)現安全保護，可用軟件實(shí)現的功能不增加硬件，使系統的結構更加簡(jiǎn)單合理。

   7、先進(jìn)性：采用當前先進(jìn)的技術(shù)，確保完善的軟硬件保護環(huán)節。符合提升機控制的各種要求，滿(mǎn)足現場(chǎng)情況，預留功能擴展的接口，具備遠程診斷/通信功能。

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

三、提升電控系統主要特點(diǎn)：

    1) 根據提升機的特點(diǎn)，采用帶零速電氣安全制動(dòng)的直接轉矩控制技術(shù)的變頻器對交流電機進(jìn)行調速，四象限運行。啟動(dòng)、停車(chē)及加減速平穩，節能、免維護。

    2) 加減速過(guò)程0-最大運行速度平滑調節，無(wú)功沖擊較小，功率因數較高。

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

    4) 操作和安全保護系統選用兩套不同配置的PLC，兩套PLC互為CPU冗余控制。主輔PLC之間相互通訊及監視，操作過(guò)程實(shí)現雙線(xiàn)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(guò)卷等等）均采用多線(xiàn)制保護，互為監視。

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

   手動(dòng)運行：司機根據信號系統情況，通過(guò)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(dòng)減速、自動(dòng)準確停車(chē)，同時(shí)要受到行程控制器的限制。

   半自動(dòng)運行：在半自動(dòng)運行邏輯具備條件時(shí)，司機根據信號情況通過(guò)按鈕開(kāi)車(chē)，讓提升機完成一個(gè)提升循環(huán)，并具安全聯(lián)鎖；具有自動(dòng)選擇去向，確定運行速度等功能，自動(dòng)加速、自動(dòng)減速、自動(dòng)準確停車(chē)。

   檢修或驗繩：檢修速度：0.3~0.5m/s。檢修時(shí)可手柄（0.3~0.5m/s）或按鈕開(kāi)車(chē)（0.5m/s）。

   應急控制：在任何運行方式下出現緊急情況，司機通過(guò)急停按鈕或腳踏開(kāi)關(guān)實(shí)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)節采用三重或多重保護，比如過(guò)卷、超速等。多條安全保護回路之間互相冗余，保證礦山設備的高效、安全運轉。輕重 故障具有聲、光報警或預報警。安全回路執行繼電器為雙繼電器。

    7) 監控系統采用PIV CPU工控機作為上位機，配19英寸液晶彩色顯示器（TFT），實(shí)現多畫(huà)面實(shí)時(shí)監控，多參量數碼及曲線(xiàn)顯示、記錄，各種故障的報警及記錄，所記錄的圖表、曲線(xiàn)多達1000條提升循環(huán)。

    8) 各子系統通過(guò)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行數據和信號交換實(shí)現網(wǎng)絡(luò )化集散控制，使整個(gè)系統的外接線(xiàn)大量減少，節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(mǎn)足標準要求；

    10) 經(jīng)過(guò)優(yōu)化設計，使設備的性能更加強大，硬件包括接線(xiàn)更加整潔，如原來(lái)由繼電器進(jìn)行隔離的線(xiàn)路均由光隔完成，使繼電器數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(guò)載能力足夠大，確保任何負載下，變頻裝置能滿(mǎn)足四象限安全運行要求。

    12）具有遠程專(zhuān)家診斷功能，技術(shù)人員不在現場(chǎng)時(shí)，也可通過(guò)電話(huà)網(wǎng)絡(luò )對本提升機電控系統的對各個(gè)輸入口、輸出口以及中間參量進(jìn)行觀(guān)察、分析，可在較短的時(shí)間內確定故障原因并找到相應的解決辦法，有利于與現場(chǎng)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

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

?    作為主動(dòng)安全保護手段之一，可提前發(fā)現事故隱患。采用壓力傳感器對液壓系統的油路情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測，檢測值進(jìn)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(dòng)安全保護手段之二，采用zhuanli產(chǎn)品：數字式閘瓦磨損、彈簧疲勞監測開(kāi)關(guān)對閘瓦磨損和彈簧疲勞的程度進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測，檢測值進(jìn)入PLC，并可以在上位機顯示出制動(dòng)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(dòng)保護功能：作為被動(dòng)安全保護手段，在滿(mǎn)足《煤礦安全規程》要求的前提下，當出現安全制動(dòng)時(shí)，同時(shí)具有電氣安全制動(dòng)功能，在零速電氣安全制動(dòng)的作用下，提升容器會(huì )往較重的方向作脈動(dòng)式向下滑行。避免故障擴大，最大程度地減小故障損失。

四、電控系統主要設備功能

    1） 變頻調速柜及變頻回饋制動(dòng)柜       

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

● 配置能量回饋單元、實(shí)現提升機4象限運行。節能效果顯著(zhù)。

● 手動(dòng)、半自動(dòng)速度給定值控制。

● 可調斜率的加減速度給定值設定。

● 起動(dòng)防沖擊控制(“Ｓ”化曲線(xiàn)給定)。

● 預置起動(dòng)力矩并與制動(dòng)器的油壓曲線(xiàn)形成可靠閉鎖，防止起動(dòng)時(shí)容器倒轉。

● 具有過(guò)電流、堵轉、過(guò)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(shí)際速度緊跟預定速度變化，速度圖從等速段向減速段、減速段向爬行段過(guò)渡的平滑性好，與直流電動(dòng)機拖動(dòng)的礦井提升機相比，具有更優(yōu)的調速性能。

● 下放重物時(shí)能量反饋回電網(wǎng)，節能效果顯著(zhù)。

● 零速啟動(dòng)力矩可達150％，通過(guò)力矩補償，在30秒內，在這基礎上還可增加30％-50％額定力矩，因此，重載零速啟動(dòng)平穩，這是現有同類(lèi)技術(shù)所不具備的特性；

● 具有很好堵轉特性，堵轉電流可以隨意設定，并且實(shí)際電流值不會(huì )超過(guò)設定值；

● 使用調試方便，通過(guò)人機對話(huà)單元，不同使用場(chǎng)合，需設定的參數少于30個(gè)；

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

● 變頻調速柜設有強迫通風(fēng)裝置。

    雙回路電源進(jìn)線(xiàn)，并具有相應的控制、測量和保護功能；兩回電源進(jìn)線(xiàn)采用一用一備。低壓輔助電源為電控系統的輔助設備（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(kāi)關(guān)及其它保護、控制、測量和信號元器件。在柜內設不間斷電源裝置UPS，向一些關(guān)鍵控制設備和PLC供電，以保證低壓電源故障后，能夠使提升機實(shí)現可靠的安全制動(dòng)和數據保持。