嘉兴西门子S7-1200代理商

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、引言

    山东新汶矿务局协庄煤矿井下暗井550绞车，原老系统电网电压为6kV，电机功率260kW。原提升机的动力由绕线式电机提供，采用转子串电阻调速。

    将高压四象限运行、矢量控制、能量反馈型变频技术、PLC提升机电控技术应用在井下斜井提升机上，并满足《煤矿安全规程》及《矿用一般型电气设备》的要求，使设备达到各项安全保护标准，稳定运行，是矿井井下斜井提升机安全、可靠、高效提升的有效途径。

    领取高压变频器矿用一般型KY认证时，从国家煤炭防爆安全产品质量监督检验中心获悉，国内外至今没有应用于我国煤矿井下提升机的高压提升机变频器，合康亿盛在这个领域是开拓者。   

拆分的变频器在井下重新安装

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    2、技术比较

    a、交流调速系统转子串电阻调速方式

    交流电机因为其结构简单、体积小、重量轻、寿命长、故障率低、维修方便、价格便宜等诸多优点得以广泛应用，但交流单机、双机拖动的提升系统以前采用绕线电机转子串电阻的调速方式，现已基本淘汰完，此调速方式存在的问题如下：

    (1)提升机在减速和爬行阶段的速度控制性能差，经常造成停车位置不准；

    (2)提升机频繁的起动、调速和制动，在转子外电路所串电阻上产生相当大的功耗；

    (3)电阻分级切换，实现有级调速，设备运行不平稳，引起电气及机械冲击；

    (4)再生发电时，机械能回馈电网，造成电网功率因数低。尤其在供电馈线较长的应用场合，会加大变压器、供电线路等方面的投资；

    (5)低速时机械特性较软，静差率较大；

    (6)起动过程和调速换挡过程中电流冲击大，制动不安全不可靠，对再生能量处理不力，斜井提升机运行中调速不连续，容易掉道，故障率高；

    (7)中高速运行震动大，安全性较差；

    (8)接触器频繁投切，电弧烧伤触点，影响接触器的寿命，设备维修成本较高；

    (9)绕线电动机滑环存在的接触不良问题，容易引起设备型事故；

    (10)设备体积大，发热严重使工作环境恶化(甚至使环境温度高达60℃以上)；

    (11)设备维护工作量大、维护费用高，故障率高。矿用生产是24h连续作业，即使短时间的停机维修也会给生产带来很大损失。

    b、高压变频调速方案

    为克服传统交流绕线式电机串电阻调速系统的缺点，采用高压变频调速技术改造提升机。

    改造方案：根据现场工况，将老电控及电阻调速装置全部拆除，更换新的电控系统，增加一套高压变频器。变频器与PLC电控硬连接方案。变频器和PLC电控采用硬连接：电控把开关量正向起停、反向起停、紧急停机、模拟量频率给定送给变频器，可以控制变频器运行；变频器把开关量运行、故障、就绪、模拟量输出电流、输出频率给电控系统，即可以正常工作。配合如下图所示。    

变频器与PLC电控硬连接

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    3、技术改造总目标：

    (1)提高主井提升机的效率，实现节电的目的技术改造完成后，将现有的转子串电阻的转差功率消型调速方式改为变频变压的转差功率不变型调速方式。在正常工况下，现有的大功率调速电阻群将不再使用，实现节电的目的。

    (2)提高系统的运用可靠性、安全性技术改造完成后，由于在正常工况下不再使用大功率调速电阻群，切换电阻用的接触器将不再工作，较大幅度地减少电气和机械故障对生产的影响。

    由于电压和频率均连续可调，电动机的起动电流可得到有效控制，转矩冲击将不再存在，这将明显地减少当前的有级调速系统容易出现的齿轮箱和钢丝绳等设备的机械故障。

    (3)提升系统改造后单次提升循环时间小于现有单次提升循环时间。

    (4)重斗上行时，电机的电磁转矩必须克服负载阻转矩，起动时还要克服一定的静摩擦力矩，电机处于电动工作状态，且工作于象限。在重斗减速时，虽然重车在斜井面上有一向下的分力，但重车的减速时间较短，电机仍会处于再生状态，工作于第二象限。当另一列重车上行时，电机处于反向电动状态，工作在第三象限和第四象限。用能耗制动方式将消耗重力势能；用回馈制动方式，可节省这部分电能。在用变频器驱动时需将原转子串电阻部分全部短接。提升机在运行过程中，井下和井口必须用信号进行联络，信号未经确认，提升机不能运行。为安全性考虑，液压机械制动需要保留，并在运行过程中实现液压机械制动和变频器的制动无缝结合。同时，还使用高精度测速编码器(每转1000脉冲)进行运行时机斗的位置及速度闭环反馈，保障运行安全。提升机传统的操作方式为，操作工人坐在煤矿井口操作台前，手握操纵杆控制电机正、反转多档调速。为适应操作工人这种操作方式，变频器可采用角编码器与手握操纵杆相连，即手握操纵杆的角位移对应角编码器的速度给定，可实现电机0到大速度无级调速给定。当然变频器还可实现按钮启动和自动提升。

    4、变频调速提升系统的优点

    (1)提升机系统安全得以提高，操纵更加容易系统能自动高精度地按设计的提升速度图控制提升速度，极大地降低了提升机的操纵难度；减速时电力制动自动减速，提升机司机无需再用施闸手段控制提升机减速，避免了超速、过卷的发生，杜绝了人工操作失误。

    (2)提升系统电能消耗明显下降每年可节约电能消耗约20％一50％。变频调速时转子电阻被短接，加、减速阶段消耗在电阻上的大量电能被节约。

    (3)功率因数显著增加功率因数将从转子串电阻调速的0．8左右提高到0．96以上，大大提高了设备对电网容量资源的利用率，减少了因无功电流引起的线路损耗。

    (4)生产效率进一步提高能可靠的按系统设计的短时间加、减速，显著缩短了一次提升时间，提高了生产效率。彻底解决了传统系统中用制动闸施闸或电机断电自然减速来操控低速运行时速度波动大、难于控制又不安全的难题。

    (5)电机发热大幅减轻与转子串电阻调速相比电机定子温度平均下降了10℃左右，转子温度平均下降了20℃左右，使电机运行的故障率大幅度减少。

    (6)系统维修量大幅度减少由于实现了提升全过程的电力牵引与电力制动，机械闸只有在停车和安全回路保护动作时才起作用，因此闸瓦的磨耗大幅度减少。由于变频运行机械特性很硬，不易发生钢绳打滑，这将明显减少钢绳和钢绳衬垫磨损。由于电压和频率均连续可调，电动机的起动电流可得到有效控制，转矩冲击不再存在，明显地减少转子电阻有级变速出现的齿轮箱和钢丝绳等设备的机械故障，减少了设备的维修量和维修费用。

    5结束语

    变频改造后，调速平稳，高效安全，提升机绝大部分时间都处在电动状态，节能十分显著，经测算节能30％以上，节电经济效益巨大。变频调速无疑是提升机调速方式。

PLC(可编程序控制器)以其可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、使用方便、控制程序可变、体积小、功能强等特点，得到了广泛应用。

　　我国20世纪90年代以前生产的机床、轧机、喷涂生产线等机电设备，普遍采用继电器控制，由于继电器的自身特点，对电气元件故障的识别能力较弱。为了提高控制系统的可靠性和机床的加工效率，采用PLC对控制系统进行改造，取得了一定效果。但在采用PLC对原有继电器控制的机电设备进行改造的过程中，除了考虑完成系统工作所需要的控制功能以外，还非常有必要考虑机床电气元件本身故障的自动识别和处理。

　　一、机床电气系统进行PLC改造的基本方法

　　利用PLC改造机床电气系统，可大大简化电气线路。它的设计方法是，将各个电气元件直接与PLC的各个输入、输出端口相连，元件之间的连接关系，以及各线圈的状态由逻辑程序确定，元件之间不存在直接的串联或并联，所以线路简单，而逻辑关系由程序确定，维护和设计比较容易。

　　1.1　电气元件与PLC的硬件连线

　　电气元件与PLC的连线主要就是将控制电路所需要的各开关、按钮、继电器触点、接触器辅助触点等连到PLC的输入端口，并确定各触点对应的端口号，1个元件的多个触点一般只需要连接1个输入口。继电器线圈、接触器线圈、电磁阀线圈、指示灯、照明灯等耗能元件连接输出端口，然后建立输入、输出端口分配表，各端口号将是逻辑程序进行逻辑运算的重要逻辑量。

　　1.2　逻辑程序设计

　　在将各元件与PLC的端口连接以后，还需要编写逻辑程序，确定各输出端口得电、失电的逻辑条件，从而控制各输出端口对应耗能元件的状态。逻辑程序的编写应根据机床的控制要求和原来继电器控制线路中的逻辑关系进行。PLC在运行时，能够采集各输入端口的状态，并根据建立的逻辑程序进行逻辑运算，然后控制各输出端口，使与输出端口相连接的各线圈得电或断电，从而控制电动机、液压系统和其他电气元件工作，即通过开发逻辑程序代替原来元器件间的串、并联接线。

　　采用上述方法可以完成机床工作所需要的控制要求，结合PLC的功能特点，可以考虑在已有的元器件基础上通过编写逻辑程序或者根据需要添加少量元件就能实现机床的故障自诊断，这对于提高机床的可靠性、高效性、易维护性、避免事故的进一步发生是非常有利的。

　　二、故障的自诊断设计

　　2.1　开关信号量的故障诊断设计

　　PLC控制机电设备时，设备中的开关、按钮、继电器的触点等开关信号与PLC的输入端口相连，每个输入端口在PLC的内存中为1个地址。通过读取PLC输入位的状态值作为识别开关量故障信号的依据。诊断开关量故障的实质是将PLC正常的输入位状态值与相应输入位的实际状态值作比较:如果二者比较的结果是一致的，则表明设备处于正常工作状态；若不一致，则表明对应输入位的元件处于故障状态。下面就常用的几种诊断方法作一叙述。

　　2. 1. 1　逻辑错误故障检测诊断法

　　在机床设备正常工作的情况下，控制系统的各个输入、输出信号和内部继电器的信号之间存在确定的逻辑关系，一但输入元器件发生故障，就会引起逻辑错误，控制系统不能按设计的要求进行工作。在这种情况下，我们可以根据元器件发生的故障，建立元器件故障发生时的逻辑关系。因此，一旦故障发生，就能作出相应的警告和处理，如停止进给，停止主轴转动等。

图1所示的组合机床滑台工作时检测3个行程开关X00l(起点)， X002 (快进终点)，X003(工进终点)是否正常的逻辑程序。Y030， Y031，Y032表示快进、工进、快退。表示在任何一个工作状态下，这3个行程开关任何2个都不应该同时闭合，如果同时闭合，则表示有行程开关失灵的故障发生，应该进行停机检查。
　　2. 1. 2　附加触点连接诊断法

　　在进行机床的PLC改造时，往往只是根据系统控制的需要，接入必需的外部输入元器件触头，这可以节约输入点数。但为了提高系统的可靠性，可以考虑把一些非常重要的元器件的常开触点和常闭触点分别接到PLC的2个输入点，并在软件部分加上相应的检测判断程序，以实现在出现卡死或失效时能准确找出故障所在。

　　如在电气控制系统中有一中间继电器K，其一常开触点与X401输入端口相连，为了能够自动判断继电器K是否卡死或失效，现将其常开触点与X401相连，另一常闭触点与X402相连，如果卡死或发生失效，在继电器K线圈得电时，常闭触点断开了，但常开触点没有闭合；我们可采用图2的逻辑关系进行检测，即可发现故障。所以，在端口数量有多余的时候，多串入1个常闭触点，有利于准确发现故障。

　　2. 1. 3　时间限制法

　　自动机床在工作循环中，各个动作都要求在一定的时间内完成，超过了规定的时间限制还没有完成动作，则可认为是机床设备运行出现故障，因此可以在被检测工步动作开始时，同时启动一个定时器，定时时间可以根据实际情况确定，但应比正常工作所需时间要长一些，如果定时器有输出信号则说明已出现故障，然后可以采取相应的处理措施。

　　图3表述了在组合机床上快进转变为工进时的故障检测程序，Mll0表示快进工步，压下行程开关后，应转变为工进，如果超过了规定的时间限制未切换，应视为在快进工步上出现了故障，出现故障的原因可能是行程开关，也可能是液压元件或其他电气元器件。虽然不能确定是何种故障原因，但能确切地控制故障的继续发生。

　　2.2　模拟信号量的故障诊断设计

　　由于PLC具有模拟量的处理功能，在进行机床PCL控制改造时，对一些比较重要的能反映机床工作状态的参数，如液压系统的压力、流量，机床重要机械部件的温度、振动等参数，可以考虑选用相应的传感器或变送器与PLC的专用A/D模块对机床工作参数实现实时检测，并与极限要求值进行比较，以判断机床工作状态是否正常，若不正常，则可以进行显示、报警或者停机等处理。机床设备参数的检测流程框图见图4。

　　三、结语

　　在进行机床PLC改造的过程中，在完成主要的控制要求设计基础上，应该附加考虑利用PI刀程序控制的功能特点，通过编写逻辑程序和添加少量电气元器件的基础上进行机床设备故障的自诊断和及时的处理，这样，可以提高机床的可靠性，提升机床的工作效率，改善机床的自动化程度。

C7632液压半自动多刀车床是机械行业拥有量较多的一种半自动机床。它采用二极管矩阵顺控装置及继电器逻辑控制系统，液压驱动上下刀架作纵横两个方向的运动，装有液压卡盘。其加工自动化程度及生产效率较高，适用于较大批量工件的车削加工。但由于该机床系统采用的是分立元件，易出故障，且维修比较麻烦，影响了机床性能的正常发挥。

　　　我们根据该机床的问题，采用可编程序控制器改造其控制系统，克服了上述缺点，使机床工作可靠、维修方便，大大提高了机床的工作效率，取得了较好的经济效益。

1.PLC选型

(1)控制对象的输入、输出点数输入点即为机床的控制按钮、工作选择开关、行程开关、接近开关等。输出点是控制电动机的接触器、控制液压动作的电磁阀及指示灯等。

　　　考虑到节省改造费用，应尽量压缩输入、输出点数。在某些场合，输入点可以一点两用。如某行程开关只在自动循环时有用，而某按钮只在手动调时用，当输入点不够时，则可将上述两个输入信号共用一个PLC输入点，利用PLC的转移标号指令，不会使两个信号混淆。同样，为节省输出点，也可将与自动控制无关的输出点，如电动机的起动、停止，仍用强电回路控制。

(2)控制对象的输入、输出类型一般的机械加工设备，采用开关量控制，选用直流输入，继电输出型的PLC。输入还有交流型和TTL电平型，而输出则有晶闸管型及直流晶体管型，可适应不同的需要。另外还有各种特殊类型的模块，如A/D、D/A模块，外部可调计时/计数器模块，高速计数器模块等。

2.PLC程序编制步骤

(1)编制开关表即将机床的各输入输出元件分配到PLC输入输出点上，即分配地址。以C7532车床的部分开关表为例，见附表。

(2)按照加工工艺要求，编制动作流程图或开关动作表以C7632车床的下刀架的一种加工流程为例，动作流程图如图1所示。

(3)拟订程序框图程序框图可参照计算机程序框图的编制方法。以C7632车床的程序框为例，如图2。

(4) 编制梯形图程序根据程序框图，开关表及动作表即可直接在编程器键盘上键人程序。编制程序可分段进行，先编制自动循环程序段、手动调整程序段、初始化程序段，后分段模拟运行调试后串联起来。运用转移、标号指令，可将复杂的程序分解成功能程序段，有利于程序编制及调试。以半自动车床自动循环与手动调整程序为例，若开关1127为手动/自选择开关，可按如下方法编制程序（见图3）：

　　　当开关1127接通时，程序按下列顺序扫描执行：1、3、…、20、40，再返回到开头，执行手动调整程序；反之，开关1127断开，程序扫描顺序为2、21、…、40，再返回至开头，执行自动循环程序。

　　　其自动循环工作段的程序，可采本控制器编程语言中特地为顺序控制设计的步进器功能编制。

　　　梯形图编制完成，并通过模拟器模拟运行后，通过打印机打印梯形图文本。当PLC安装在现场设备上后，可通过编程器与其联机，采用“故障检测”方式逐点检查现场设备的输入、输出元件是否连接正确，工作是否正常。在联机状态下，运行梯形图程序，并对运行结果进行监测、修改，直至程序运行完全符合要求，即可使 PLC控制设备正常工作。

3.结语

　　　采用PIC改造C7632车床后，车床的电气故障减少90％以上，工作效率大大提高。由于PLC的控制功能强，使机床的自动化程度提高，又因为程序编制时增加了各种保护功能，使机床不会因误操作而造成损坏。

　　　整个改造过程历时不到一周，停机时间只有两天，费用不到3000元。因此我们认为，采用PLC改造C7632车床及类似的机床，是完全可行且易见成效的技改捷径。