提升機變頻電控系統(tǒng)

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

一、系統(tǒng)要求與功能實現

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

    2.具有手動、半自動、檢修及應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.安全保護應有三種狀況，并實現不同的處理措施： 

    a）嚴重故障實現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、網絡通訊故障、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，本次運行結束后不維修好不能再次開車。

    d)根據現場不定速操作的特點，我們在設計上加入包絡曲線程序軟件，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)，實現較為準確的控制，提高生產效率。

    選用雙套PLC，雙PLC之間既有軟件上的聯鎖，又有硬件上的聯鎖和看門狗電路，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。控制與監(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。實現對調速系統(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)的聯鎖，還可以實現過卷、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，并與監(jiān)控系統(tǒng)進行網絡通訊。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，具備與調度室計算機的聯網顯示提升機運行參數功能。

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(zhí)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）、開關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。

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出現問題時，可以實現故障狀態(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)全數字化設計

   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、電機電流轉換模擬信號，通過A/D模塊將壓力信號變成數字信號，實現顯示和保護。

   3、軟件化的設計

   系統(tǒng)運用軟件化的設計思想，能用軟件實現的功能，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、模塊化設計

   系統(tǒng)運用模塊化的設計思想，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(tǒng)內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)顯示屏應用于絞車電控系統(tǒng)實現：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) 預備態(tài)：主要顯示有容器位置、本次打點次數、上次打點次數、提升鉤數、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（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，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：當安全回路動作時，能記錄在發(fā)生故障的那一時刻絞車的運行參數，并可記憶多屏參數。

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

  6）可根據用戶要求增加顯示內容。

三、設計原則

    1、冗余化設計

    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，構成安全回路雙線制，且冗余量不低于10%，主要用于現場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，當系統(tǒng)停電時，輸出切換時間為零秒，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(wěn)定，保證設備的穩(wěn)定工作。

    2）內置電源濾波器，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，并能根據現場情況增加相應功能。

   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）為減少傳感器的數量，盡可能采用新系統(tǒng)公用的傳感元件（如可調閘模塊、測速模塊等），通過轉換開關實現新、舊系統(tǒng)的共用。

   3）充分利用PLC的編程功能，盡量用軟件實現控制功能，減少舊系統(tǒng)的硬件數量（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)顯示部分實現備用系統(tǒng)使用時的運行參數、故障數據顯示。

   5、安全性：采用PLC控制系統(tǒng)，除實現《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《礦山電力設計規(guī)范》所規(guī)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：選擇高性能的進口或國產電氣傳動裝置和電氣元件，使用軟件和硬件雙線制實現安全保護，可用軟件實現的功能不增加硬件，使系統(tǒng)的結構更加簡單合理。

   7、先進性：采用當前先進的技術，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，滿足現場情況，預留功能擴展的接口，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)網絡進行通訊及信號交換，具有遠程監(jiān)控功能。并預留標準TCP/IP接口方便與礦山生產調度網絡聯接。該系統(tǒng)硬件配置整潔、功能強大、技術先進、安全可靠、高效節(jié)能。

三、提升電控系統(tǒng)主要特點：

    1) 根據提升機的特點，采用帶零速電氣安全制動的直接轉矩控制技術的變頻器對交流電機進行調速，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節(jié)，無功沖擊較小，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(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，操作過程實現雙線控制方式，對提升機運行關鍵的信號（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、檢修及應急控制等各種運行方式的控制要求等。控制系統(tǒng)根據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）。

   應急控制：在任何運行方式下出現緊急情況，司機通過急停按鈕或腳踏開關實施急停操作。

    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(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），實現多畫面實時監(jiān)控，多參量數碼及曲線顯示、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)通過網絡進行數據和信號交換實現網絡化集散控制，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) 經過優(yōu)化設計，使設備的性能更加強大，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，技術人員不在現場時，也可通過電話網絡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，可在較短的時間內確定故障原因并找到相應的解決辦法，有利于與現場使用人員的技術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產品：數字式閘瓦磨損、彈簧疲勞監(jiān)測開關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，當出現安全制動時，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)主要設備功能

    1） 變頻調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，滿足各種工況下力圖的要求。

● 配置能量回饋單元、實現提升機4象限運行。節(jié)能效果顯著。

● 手動、半自動速度給定值控制。

● 可調斜率的加減速度給定值設定。

● 起動防沖擊控制(“Ｓ”化曲線給定)。

● 預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。

● 具有過電流、堵轉、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，實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)的調速性能。

● 下放重物時能量反饋回電網，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，在這基礎上還可增加30％-50％額定力矩，因此，重載零速啟動平穩(wěn)，這是現有同類技術所不具備的特性；

● 具有很好堵轉特性，堵轉電流可以隨意設定，并且實際電流值不會超過設定值；

● 使用調試方便，通過人機對話單元，不同使用場合，需設定的參數少于30個；

● 具有內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；

● 變頻調速柜設有強迫通風裝置。

    雙回路電源進線，并具有相應的控制、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)的輔助設備（液壓站、潤滑站、主電機冷卻風機）提供0.22/0.38KV三相電源。其饋出回路選用優(yōu)質開關及其它保護、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，能夠使提升機實現可靠的安全制動和數據保持。