提升機(jī)變頻電控系統(tǒng)

    本系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)化操縱臺(tái)，雙PLC雙線制控制，主要保護(hù)多線制結(jié)構(gòu)。監(jiān)控系統(tǒng)采用工控機(jī)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(jìn)行系統(tǒng)通訊及信號(hào)交換，并留有與信號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)的接口，具有遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)

    1.操作和安全保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)選用兩套不同配置的PLC，互為冗余控制，對(duì)提升機(jī)運(yùn)行關(guān)鍵的信號(hào)（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(hù)，互為監(jiān)視。

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

    3.本系統(tǒng)具有以下多種保護(hù)功能：

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

    4.安全保護(hù)應(yīng)有三種狀況，并實(shí)現(xiàn)不同的處理措施： 

    a）嚴(yán)重故障實(shí)現(xiàn)立即斷開安全回路實(shí)施安全制動(dòng)（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(cuò)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(shí)損壞、主回路失壓、速度比較錯(cuò)誤、殘壓高、電機(jī)溫度過高等）。

    b）較嚴(yán)重故障實(shí)現(xiàn)先減速到1.5m/s后實(shí)施安全制動(dòng)（包括機(jī)械深度指示器失效、松繩保護(hù)、編碼器位置偏差過大、制動(dòng)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(yùn)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(diǎn)，我們在設(shè)計(jì)上加入包絡(luò)曲線程序軟件，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(tǒng)，實(shí)現(xiàn)較為準(zhǔn)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(duì)PLC的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)視，防止因PLC死機(jī)或其他意外原因造成PLC故障時(shí)能及時(shí)監(jiān)測并參與安全保護(hù)。

主控PLC應(yīng)用軟件能完成提升機(jī)手動(dòng)、半自動(dòng) 、自動(dòng) 、檢修、慢動(dòng)、緊急控制開車等運(yùn)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(xiàng)安全保護(hù)。實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)速系統(tǒng)行程速度給定的控制，三道以上自動(dòng)減速保護(hù)，停車時(shí)自動(dòng)抱閘停車。與信號(hào)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)之間的提升信號(hào)閉鎖，具有完善的保護(hù)功能及遠(yuǎn)程診斷功能。

    輔控PLC具備電子數(shù)字監(jiān)控器的功能，可進(jìn)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(shí)現(xiàn)過卷、定點(diǎn)限速、全速過速、減速過速、開車錯(cuò)向、斷軸保護(hù)等另一套安全保護(hù)，并可參與系統(tǒng)控制。主輔控PLC均安裝在操作臺(tái)臺(tái)體內(nèi)，并與監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊。各類安全保護(hù)、自動(dòng)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(hù)可靠、狀態(tài)顯示齊全、語言報(bào)警等功能，具備與調(diào)度室計(jì)算機(jī)的聯(lián)網(wǎng)顯示提升機(jī)運(yùn)行參數(shù)功能。

二、主控臺(tái)

    主控臺(tái)是該電控系統(tǒng)的控制中心，采用操作臺(tái)式結(jié)構(gòu)，除位置、速度、溫度、壓力、電流等必要的信號(hào)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(tái)中。司機(jī)可操作主控臺(tái)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(jī)運(yùn)行，并通過指示燈和人機(jī)界面及時(shí)了解提升機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)及運(yùn)行參數(shù)。

此外，主控臺(tái)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(shí)，可以實(shí)現(xiàn)故障狀態(tài)下的低速（1.5m/s）運(yùn)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(gè)軸編碼器采集信號(hào)，形成安全回路雙線制。

   2)兩套可編程控制器采集的信號(hào)既相互獨(dú)立，又相互比較。

   2、系統(tǒng)全數(shù)字化設(shè)計(jì)

   系統(tǒng)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(jī)電流轉(zhuǎn)換模擬信號(hào)，通過A/D模塊將壓力信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)顯示和保護(hù)。

   3、軟件化的設(shè)計(jì)

   系統(tǒng)運(yùn)用軟件化的設(shè)計(jì)思想，能用軟件實(shí)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(jì)

   系統(tǒng)運(yùn)用模塊化的設(shè)計(jì)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(jī)電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后輸出，模塊內(nèi)電流信號(hào)和電壓信號(hào)完全隔離，確保強(qiáng)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(qiáng)等特點(diǎn)。

   5、工業(yè)控制人機(jī)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(shí)現(xiàn)：提升系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)畫面生成（ 如提升過程動(dòng)態(tài)，顯示速度動(dòng)態(tài)曲線(給定與實(shí)際)，提升容器位置動(dòng)態(tài)顯示、可調(diào)閘電流、制動(dòng)力矩的動(dòng)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(diǎn)次數(shù)、上次打點(diǎn)次數(shù)、提升鉤數(shù)、潤滑油壓、提升時(shí)間、到位信號(hào)、模擬深度指示器以及主要故障指示等。

  2) 運(yùn)行態(tài)：主要顯示有速度圖、力圖、容器位置、提升速度、電機(jī)電流、制動(dòng)油壓、本次打點(diǎn)次數(shù)（轉(zhuǎn)子加速級(jí)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(diǎn)，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(dòng)作時(shí)，能記錄在發(fā)生故障的那一時(shí)刻絞車的運(yùn)行參數(shù)，并可記憶多屏參數(shù)。

  5) 絞車停車時(shí)顯示預(yù)備態(tài)，絞車啟動(dòng)后自動(dòng)轉(zhuǎn)換為運(yùn)行態(tài)，故障時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)換為故障記憶，同時(shí)也可手動(dòng)切換。

  6）可根據(jù)用戶要求增加顯示內(nèi)容。

三、設(shè)計(jì)原則

    1、冗余化設(shè)計(jì)

    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(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(hù)和控制以及作為備用。

    2、抗干擾設(shè)計(jì)

    按照抗干擾的設(shè)計(jì)原則，在輸入、輸出、電源等方面有針對(duì)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(tǒng)通過電兼容性試驗(yàn)，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(shí)，輸出切換時(shí)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(kuò)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(shí)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(shí)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(shí)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(hù)、減速過速保護(hù)等）。

   4)充分利用新系統(tǒng)的PLC和工業(yè)顯示部分實(shí)現(xiàn)備用系統(tǒng)使用時(shí)的運(yùn)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(shí)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(jì)規(guī)范》所規(guī)定的保護(hù)功能外，根據(jù)提升機(jī)運(yùn)行工況配置相應(yīng)的保護(hù)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制實(shí)現(xiàn)安全保護(hù)，可用軟件實(shí)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(jìn)性：采用當(dāng)前先進(jìn)的技術(shù)，確保完善的軟硬件保護(hù)環(huán)節(jié)。符合提升機(jī)控制的各種要求，滿足現(xiàn)場情況，預(yù)留功能擴(kuò)展的接口，具備遠(yuǎn)程診斷/通信功能。

   ? 上位監(jiān)控系統(tǒng)采用研華、研祥工控機(jī)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(jìn)行通訊及信號(hào)交換，具有遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。并預(yù)留標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)大、技術(shù)先進(jìn)、安全可靠、高效節(jié)能。

三、提升電控系統(tǒng)主要特點(diǎn)：

    1) 根據(jù)提升機(jī)的特點(diǎn)，采用帶零速電氣安全制動(dòng)的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的變頻器對(duì)交流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，四象限運(yùn)行。啟動(dòng)、停車及加減速平穩(wěn)，節(jié)能、免維護(hù)。

    2) 加減速過程0-最大運(yùn)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(jī)在任意速度下運(yùn)行穩(wěn)定可靠并保持較高的運(yùn)行效率。

    4) 操作和安全保護(hù)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(shí)現(xiàn)雙線控制方式，對(duì)提升機(jī)運(yùn)行關(guān)鍵的信號(hào)（如速度、容器位置、安全、減速、過卷等等）均采用多線制保護(hù)，互為監(jiān)視。

    5) PLC操作控制系統(tǒng)能完成提升機(jī)手動(dòng)、半自動(dòng)、檢修及應(yīng)急控制等各種運(yùn)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(dòng)選取最大的運(yùn)行速度，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

   手動(dòng)運(yùn)行：司機(jī)根據(jù)信號(hào)系統(tǒng)情況，通過速度給定器件控制提升機(jī)在額定速度以下任意速度運(yùn)行，自動(dòng)減速、自動(dòng)準(zhǔn)確停車，同時(shí)要受到行程控制器的限制。

   半自動(dòng)運(yùn)行：在半自動(dòng)運(yùn)行邏輯具備條件時(shí)，司機(jī)根據(jù)信號(hào)情況通過按鈕開車，讓提升機(jī)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(yùn)行速度等功能，自動(dòng)加速、自動(dòng)減速、自動(dòng)準(zhǔn)確停車。

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

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

    6) 具有三條安全保護(hù)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(hù)，比如過卷、超速等。多條安全保護(hù)回路之間互相冗余，保證礦山設(shè)備的高效、安全運(yùn)轉(zhuǎn)。輕重 故障具有聲、光報(bào)警或預(yù)報(bào)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(jī)作為上位機(jī)，配19英寸液晶彩色顯示器（TFT），實(shí)現(xiàn)多畫面實(shí)時(shí)監(jiān)控，多參量數(shù)碼及曲線顯示、記錄，各種故障的報(bào)警及記錄，所記錄的圖表、曲線多達(dá)1000條提升循環(huán)。

    8) 各子系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)和信號(hào)交換實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化集散控制，使整個(gè)系統(tǒng)的外接線大量減少，節(jié)省了安裝工期及費(fèi)用。

    9) 采取必要的硬件、軟件的抗干擾措施，EMC滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；

    10) 經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)，使設(shè)備的性能更加強(qiáng)大，硬件包括接線更加整潔，如原來由繼電器進(jìn)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(fù)載下，變頻裝置能滿足四象限安全運(yùn)行要求。

    12）具有遠(yuǎn)程專家診斷功能，技術(shù)人員不在現(xiàn)場時(shí)，也可通過電話網(wǎng)絡(luò)對(duì)本提升機(jī)電控系統(tǒng)的對(duì)各個(gè)輸入口、輸出口以及中間參量進(jìn)行觀察、分析，可在較短的時(shí)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(jī)械液壓故障檢測冗余系統(tǒng)

   ? 針對(duì)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(hù)相結(jié)合的多重保護(hù)措施：

?    作為主動(dòng)安全保護(hù)手段之一，可提前發(fā)現(xiàn)事故隱患。采用壓力傳感器對(duì)液壓系統(tǒng)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(jī)顯示出出油路回油情況，防止因?yàn)槌鲇?、回油及油路堵塞的情況。

?    作為主動(dòng)安全保護(hù)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(duì)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(jī)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(hù)功能：作為被動(dòng)安全保護(hù)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(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(kuò)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(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)性能滿足提升機(jī)4象限運(yùn)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(shí)現(xiàn)提升機(jī)4象限運(yùn)行。節(jié)能效果顯著。

● 手動(dòng)、半自動(dòng)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(dòng)防沖擊控制(“Ｓ”化曲線給定)。

● 預(yù)置起動(dòng)力矩并與制動(dòng)器的油壓曲線形成可靠閉鎖，防止起動(dòng)時(shí)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(hù)。

● 采用變頻的矢量控制技術(shù)，實(shí)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(dòng)機(jī)拖動(dòng)的礦井提升機(jī)相比，具有更優(yōu)的調(diào)速性能。

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

● 零速啟動(dòng)力矩可達(dá)150％，通過力矩補(bǔ)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(dòng)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(shí)際電流值不會(huì)超過設(shè)定值；

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

● 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(dòng)停止工作，防止故障進(jìn)一步擴(kuò)大，同時(shí)，進(jìn)行準(zhǔn)確的故障報(bào)警；

● 變頻調(diào)速柜設(shè)有強(qiáng)迫通風(fēng)裝置。

    雙回路電源進(jìn)線，并具有相應(yīng)的控制、測量和保護(hù)功能；兩回電源進(jìn)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(jī)冷卻風(fēng)機(jī)）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(hù)、控制、測量和信號(hào)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(jī)實(shí)現(xiàn)可靠的安全制動(dòng)和數(shù)據(jù)保持。