基于S7-300PLC的提升机变频调速系统设计

摘要：现代交流调速技术因其优越的性能和日益成熟的技术将在包括矿井提升机在内的电力传动系统中普及。根据安全可靠和运行速度平滑原则，提出了基于双PLC控制结构的矿井提升机变频调速系统，对PLC、变频器及制动单元作了设计说明，并给出S曲线速度产生方法和系统软件设计流程图。该系统投入后，运行正常，达到设计目的。系统设计具有通用性，对矿井提升机交流调速系统设计具有参考价值。 1  概述    目前国内矿井提升机交流调速系统主要采用TKD-A系统，其组成主要为继电器、接触器等有触点器件，系统可靠性差且硬件复杂。TKD-A系统采用的是交流电机转子串电阻调速方式，其速度控制不够平滑，而且在减速阶段和重物下放需要切断电机主回路，用动力制动来使电动机按照设计曲线减速。    为适应矿井提升机自动化和高性能运行的需求，对某矿副井提升机进行改造。基于安全、可靠和高效原则设计了“S7-300 变频器 制动单元 TP27”的系统结构。图1为系统的结构图。操作台控制变频器主回路接触器，给出PLC部分提升方向以及提升速度等信号。操作台还控制润滑油泵、制动油泵等设备的外围信号。

   PLC部分接受操作台、变频器反馈、轴编码器、井筒信号等信号，产生变频器运行信号，给定变频器速度，并与液压站部分相配合，在停车点抱闸停车。此外PLC部分还实时监视系统的运行状态，对各种故障情况进行分析处理。    变频器接受PLC的起／停控制，根据给定速度的大小控制电动机运行。6SE70采用带有速度反馈的矢量控制方式，实现高精度控制。速度反馈采用的是HTL单极脉冲编码器。 2  硬件组成 2.1  PLC部分硬件构成    根据控制需要，PLC控制部分采用2台PLC构成冗余系统，对一些重要的保护同时控制，确保提升机运行安全。其中一台PLC为提升机操作保护系统，主要完成逻辑操作控制和故障判断处理两个方面的任务；另一台PLC为行程控制系统，主要完成高性能的提升机速度曲线即S曲线给定。    本系统采用西门子SIMATIC S7-300 PLC，并通过MPI网与西门子触摸屏TP27构成网络，实时监视系统运行的状态。图2给出系统的硬件组态。其中操作保护PLC的MPI地址为2，行程控制PLC的MPI地址为6，触摸屏TP27的地址为1。

   操作保护PLC的组成主要为电源模块PS307，CPU314，两个输入模块D132�DC24V，一个输出模块DO16�Rel，两个计数器模块FM350。行程控制PLC的组成类似，但多一个8路模拟量输入模块AI8�12bit和一个4路输出模块AO4�12bit。 2.2  编码器及FM350模块    编码器和FM350模块是整个系统正常运行的核心部件，其作用是根据脉冲计数确定提升机的位置和提升机实际速度。系统中采用NEMICONOVM-2048-2MD旋转编码器，分别安装在提升机的导向轮和驱动轮上。FM350模块可以接受4种类型的脉冲输入，本系统采用的是5 V encoder RS422，symmetric型，接线图如图3所示。

   通过校正可以使提升机每次到达同一点为一固定脉冲。在减速段根据位移可以得到给定速度，根据单位时间内脉冲数值差又可以得到提升机的实际速度，此处单位时间是指STEP7的中断组织块的周期，我们设定OB35的周期为20ms。    检测到实际速度和位移以后，还可以对提升机一些重要的保护作出判断，如过卷、超速等等。 2.3  变频器的硬件设计 2.3.1  主回路    系统采用西门子6SE70变频器，提升机主电机的功率为180kW，据此选用6SE7033-7EG60型变频器。    6SE70的输入输出端子可以自由定义和使用。本应用中对控制端子X101的功能设置为：X101-3，变频器故障（输出）；X101-4，变频器运行（输出）；X101-5，变频器警告（输出）X101-6，制动单元和制动电阻故障（输入）；X101-7，变频器故障复位（输入）；X101-8，停车2（输入）；X101-9，启／停（输入）。速度主设定X101-15，16通过PLC的AO模块给定。 2.3.2  制动电阻和制动单元    提升机属于位势性负载，提升机需要消耗能量，而下放时则会释放能量。因为通用变频器都是单向整流，如果电动机处于制动状态或发电状态，回馈的能量将通过逆变环节到达直流环节，会使直流母线电压升高，因此需要增加制动单元。    制动单元和制动电阻的连接如图4所示。其中制动单元的X38-4和X38-2接DC 24 V，X38-1为故障复位功能，通过复位按钮SB2实现复位功能。为合理利用CUVC板上X101的数字量端子，将制动电阻的热触点3，4和制动单元故障串联作为X101-6，并在6SE70软件中自定义其功能为制动单元和制动电阻故障。

3  S曲线速度给定    为了提高提升机的舒适性和减少对机械部分的冲击，本系统中借助于PLC实现提升机速度的S曲线变化。S曲线不但要求系统在加、减速过程中速度变化平滑，而且要求系统的加、减速度变化平滑，如图5所示。

3.1  理想S曲线的产生方法 3.1.1  加速段的基本公式    根据曲线对速度和加速度的要求，在加速过程中加速度和速度都是时间t的变量。给出加速阶段速度表达式为

式中：a_ml：为加速启动段的最大加速度，m／s²；A₁为0～t₁段加速度的变化率，m／s³；A₂为t₂～t₃段加速度的变化率，m／s³。 3.1.2  等速段、减速段和爬行段的基本公式    等速段是指提升机以最大速度等速运行的过程。

   减速段与加速段一样，可以分为3个阶段，分别用υ₅（t），υ₆（t），υ₇（t）表示。给出减速各段速度表达式为

式中：υ_m为等速运行速度，m／s；A₃为t₄～t₅段加速度变化率，m／s³；a_m2为减速段最大减速度值，m／s²；S为匀减速段行程值，m，S＝S₆-S（t）；S₆为参考点R₆位置，根据实际情况决定，m；υ₆为参考点R₆速度，根据实际情况决定，m／s；A₄为t₆～t₇段加速度变化率，m／s³。    爬行段即提升运行速度降为υ_p，而进入的一段低速运行段，表示为

3.2  实际S曲线速度给定的校正    以上给出的速度给定公式是在最大速度情况下得出来的，在实行情况中，特别是手动操作方式下，很难保证υ_m为常数。 3.2.1  减速点后移法    这种方法的原则是保持A₃，a_m2，A₄不变，结合实际υ_m计算出减速3个阶段的距离S₅，S₆，S₇和爬行段距离S_p。由S_j＝S5 S₆ S₇ S_p计算出实际距离，再结合总行程就可以计算出减速点位置。 3.2.2  减速度变化法    这种方法的原则是减速点保持不变，可以通过变化减速段Ⅱ的减速度a_m2来实现。由

，并保持减速段Ⅰ和减速段Ⅲ的时间不变，这样υ_m的变化就会影响υ₅，a_m2发生变化。本系统采用的就是这种方法。 3.3  本系统S曲线相关参数设计    设定系统中A₁＝A₂＝A₃＝A₄＝0.25m／s²，则a_m1＝a_m2＝0.5m／s²加速段Ⅰ、加速段Ⅲ、减速段Ⅰ和减速段Ⅲ的时间均为2s。该矿井为单次提升189m的双水平斜井，设计提升最大速度为3.82m／s，爬行速度设定为0.2m／s。    根据式（5）、式（6），得到

由式（8）、式（9）得

由式（7）<