PLC在可控硅直流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用

隨著計算機控制技術(shù)的迅速發(fā)展，以微處理器為核心的可編程序控制器(PLC)已逐步替代繼電器控制，在各行業(yè)的自動化控制領(lǐng)域得到普遍應(yīng)用。煤炭行業(yè)正在依靠現(xiàn)代化高科技手段對現(xiàn)有陳舊電氣控制設(shè)備進行更新?lián)Q代。

可控硅直流調(diào)速系統(tǒng)控制的發(fā)展，經(jīng)歷了分立元件和集成運放兩代模擬控制電路，最終由PLC數(shù)字程控所代替。前兩種在實踐應(yīng)用時，普遍存在由于設(shè)計問題和動、靜態(tài)響應(yīng)影響以及電子元件動態(tài)參數(shù)變化，還有給定與反饋作用誤差產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)誤差，使得系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩、超調(diào)和起車慣性大等危害。

東海煤礦二水平鋼絲繩膠帶提升機于1990年投產(chǎn)使用，歷經(jīng)兩代調(diào)速控制系統(tǒng)的使用，始終存在運行不穩(wěn)、振蕩、超調(diào)、起車慣力大等多方面實際故障。2004年11月將控制系統(tǒng)改換成PLC數(shù)字控制，解決了上述困擾。該系統(tǒng)經(jīng)改制后使用證實具有運行平穩(wěn)、可靠、節(jié)省電能、操作方便、自動化程度高、無故障等優(yōu)點。

1 系統(tǒng)改前后使用的設(shè)備

(1)改制前的設(shè)備，有繼電器柜一套和后期改造時引進KGSFA2t型調(diào)節(jié)柜、整流柜、勵磁柜各3套(其中2套分別用于2臺直流電動機，另一套做備用設(shè)備)，每套整流柜內(nèi)三相全橋整流由18個400A可控硅完成。

(2)改制后只選用整流柜和電源柜、控制柜各一套(西門子公司技術(shù))，將提升機2臺ZD2―151B一400kW／440V直流電動機電樞串聯(lián)，因此用一套整流系統(tǒng)。PLC可編程控制器鑲嵌在操縱臺內(nèi)，它是該系統(tǒng)的指揮中樞(相當(dāng)于微機內(nèi)中央處理器CPU)，接收和控制機構(gòu)是控制柜內(nèi)兩臺6RA7018整流控制裝置，其中一套控制兩臺直流電動機串聯(lián)電樞整流管(6個1 200 A可控硅)控制極，另一套控制勵磁用。

2 程序控制系統(tǒng)各部件作用

(1)電源柜(低壓供電系統(tǒng))。對系統(tǒng)電機風(fēng)機、制動閘、制動油泵、潤滑油電機等提供電源和進行控制，并為PLC、微機和傳動部分等提供各種電源。

(2)PLC可編程控制器。利用計算機接口將各種控制信號(如安全回路、各段保護、高壓分合閘、快開控制等各種運行方式等)編程輸入PLC輸入接口，給PLC程序處理按順序儲存，在程序存儲器內(nèi)編輯的程序進行運算，最后做出狀態(tài)輸出，通過外部輸出接口控制整流部件6RA7018。

西門子公司的PLC可編程控制器，是控制信號電壓由0～10 V模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)碼。即將模擬信號變換成數(shù)字信號裝置(A／D轉(zhuǎn)換)，通過內(nèi)部S一自鎖，R一只讀，V一故障設(shè)置等繼電程序設(shè)置以及程序、指令編排，最后通過外輸控制整流控制裝置6RA7018或電源柜內(nèi)控制部件。

(3)控制柜。主要由2臺整流裝置6RA7018組成，其主要功能是接收PLC指令后，產(chǎn)生脈沖控制直流電動機主回路中的三相橋式整流電路6個1200 A和勵磁用可控硅觸發(fā)信號的導(dǎo)通角僅(或推B角)，以達(dá)到PLC預(yù)期設(shè)置的直流電動機恒轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動輸出。整流控制裝置6RA7018自身也有接口聯(lián)通計算機進行指令讀寫、修改、刪除；并還有直觀的顯示，顯示其正常工作狀態(tài)值和相對應(yīng)故障以及自鎖值；在其前面板鑲有觸摸鍵，用以微調(diào)和轉(zhuǎn)換原設(shè)置的參數(shù)用。

3 數(shù)字與模擬控制靜動態(tài)參數(shù)分析比較

3．1 可控硅直流控制

當(dāng)采用速度、電壓、電流三環(huán)控制時其方框圖(即數(shù)學(xué)模型)如圖1所示。通常閉環(huán)系統(tǒng)的參考輸入和攏動量恒定不變時，被控量 也恒定不變。當(dāng)參考輸入或攏動量發(fā)生變化時，反饋量將與參考輸入之間產(chǎn)生新的作用誤差，通過控制作用，使被控量(輸出量)按新的參考輸入值穩(wěn)定下來或趨于恢復(fù)到原來的數(shù)值達(dá)到新的平衡，但由于系統(tǒng)總存在著慣性或儲能元件，使達(dá)到新的平衡狀態(tài)不能瞬時完成，要經(jīng)過過渡過程。

圖1 速度、電壓、電流三環(huán)控制方框圖

在摸擬控制電路設(shè)計時，無論是在時域還是頻域考慮，都要求系統(tǒng)首先必須是穩(wěn)定，對超調(diào)量、過渡過程的時間、振蕩次數(shù)提出一定要求，再就是系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差應(yīng)滿足。可這三種要求之間又相互矛盾和制約，很難建立一個同時達(dá)到理想狀態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)。

3．2數(shù)字控制(PLC)

由于該控制系統(tǒng)為非線性系統(tǒng)，故將其設(shè)置在飽和非線性狀態(tài)，如圖2所示。由于該控制系統(tǒng)采用數(shù)碼的形式傳遞，為數(shù)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)的動態(tài)性能可用差分方程過程描述。在非線性系統(tǒng)中，暫態(tài)響應(yīng)曲線的形狀與輸入信號的幅值有關(guān)，這是因為非線性系統(tǒng)不服從迭加原理的緣故；數(shù)字控制非線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性不取決于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)；非線性系統(tǒng)振蕩在物理上是可存在的，但振幅是確定的，與初始條件無關(guān)；再就是非線性系統(tǒng)輸出量(或信號)不包含輸入信號頻率的正弦分量。PLC對模擬量信號的處理，是將模擬信號變換成數(shù)字信號(A／D轉(zhuǎn)換)。A／D變換精度取決于A／D變換器的位數(shù)，如10 V電壓要求以1 mV精度變換時，精度1 m~／10 V=0．01％，即1／3200十進制的3200用二進制表示10位，該系統(tǒng)精度等級足以滿足控制系統(tǒng)要求。且該系統(tǒng)中采用6RA7018整流裝置均以積分方式變換，可使信號尖峰平均化，從而使系統(tǒng)運行平穩(wěn)、可靠。

圖2 飽和非線性狀態(tài)曲線

PLC通過通訊接口和通訊協(xié)議，與6RA7018進行雙工通訊，將工作狀態(tài)與運行參數(shù)相互傳遞，并能實現(xiàn)動態(tài)顯示。同時操作6RA7018可將指令傳至PLC，從而控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)。PLC、6RA7018不但能顯示系統(tǒng)運行狀態(tài)和參數(shù)，還能記錄系統(tǒng)運行故障數(shù)據(jù)，顯示故障點，從而縮短故障查找、排除時間。

由于該系統(tǒng)可對勵磁電流實行無極控制，根據(jù)直流電機機械特性方程式中不難看出當(dāng)轉(zhuǎn)速n恒定時，通過改變勵磁電流來使得磁通改變對轉(zhuǎn)矩 有較寬的調(diào)整，避免只調(diào)整主回路電壓 而產(chǎn)生比較大的電能損耗，從而可降低能耗費用。

4 結(jié)束語

隨著科技不斷發(fā)展，PLC數(shù)字控制將會在自動控制，通訊程控等領(lǐng)域得到更多、更好的應(yīng)用和發(fā)展