PLC在可控硅直流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用

隨著計(jì)算機(jī)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(dòng)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(duì)現(xiàn)有陳舊電氣控制設(shè)備進(jìn)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(yùn)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(shí)踐應(yīng)用時(shí)，普遍存在由于設(shè)計(jì)問(wèn)題和動(dòng)、靜態(tài)響應(yīng)影響以及電子元件動(dòng)態(tài)參數(shù)變化，還有給定與反饋?zhàn)饔谜`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(jī)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(yùn)行不穩(wěn)、振蕩、超調(diào)、起車慣力大等多方面實(shí)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(shí)具有運(yùn)行平穩(wěn)、可靠、節(jié)省電能、操作方便、自動(dòng)化程度高、無(wú)故障等優(yōu)點(diǎn)。

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(shí)引進(jìn)KGSFA2t型調(diào)節(jié)柜、整流柜、勵(lì)磁柜各3套(其中2套分別用于2臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)，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(gè)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(jī)2臺(tái)ZD2―151B一400kW／440V直流電動(dòng)機(jī)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(tái)內(nèi)，它是該系統(tǒng)的指揮中樞(相當(dāng)于微機(jī)內(nèi)中央處理器CPU)，接收和控制機(jī)構(gòu)是控制柜內(nèi)兩臺(tái)6RA7018整流控制裝置，其中一套控制兩臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)串聯(lián)電樞整流管(6個(gè)1 200 A可控硅)控制極，另一套控制勵(lì)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(duì)系統(tǒng)電機(jī)風(fēng)機(jī)、制動(dòng)閘、制動(dòng)油泵、潤(rùn)滑油電機(jī)等提供電源和進(jìn)行控制，并為PLC、微機(jī)和傳動(dòng)部分等提供各種電源。

(2)PLC可編程控制器。利用計(jì)算機(jī)接口將各種控制信號(hào)(如安全回路、各段保護(hù)、高壓分合閘、快開(kāi)控制等各種運(yùn)行方式等)編程輸入PLC輸入接口，給PLC程序處理按順序儲(chǔ)存，在程序存儲(chǔ)器內(nèi)編輯的程序進(jìn)行運(yùn)算，最后做出狀態(tài)輸出，通過(guò)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(hào)電壓由0～10 V模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)碼。即將模擬信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)裝置(A／D轉(zhuǎn)換)，通過(guò)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(guò)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(tái)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(dòng)機(jī)主回路中的三相橋式整流電路6個(gè)1200 A和勵(lì)磁用可控硅觸發(fā)信號(hào)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(dòng)機(jī)恒轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)輸出。整流控制裝置6RA7018自身也有接口聯(lián)通計(jì)算機(jī)進(jìn)行指令讀寫(xiě)、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(duì)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(dòng)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(shí)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(dòng)量恒定不變時(shí)，被控量 也恒定不變。當(dāng)參考輸入或攏動(dòng)量發(fā)生變化時(shí)，反饋量將與參考輸入之間產(chǎn)生新的作用誤差，通過(guò)控制作用，使被控量(輸出量)按新的參考輸入值穩(wěn)定下來(lái)或趨于恢復(fù)到原來(lái)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(chǔ)能元件，使達(dá)到新的平衡狀態(tài)不能瞬時(shí)完成，要經(jīng)過(guò)過(guò)渡過(guò)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(jì)時(shí)，無(wú)論是在時(shí)域還是頻域考慮，都要求系統(tǒng)首先必須是穩(wěn)定，對(duì)超調(diào)量、過(guò)渡過(guò)程的時(shí)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(gè)同時(shí)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(dòng)態(tài)性能可用差分方程過(guò)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(hào)的幅值有關(guān)，這是因?yàn)榉蔷€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(wú)關(guān)；再就是非線性系統(tǒng)輸出量(或信號(hào))不包含輸入信號(hào)頻率的正弦分量。PLC對(duì)模擬量信號(hào)的處理，是將模擬信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)(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(shí)，精度1 m~／10 V=0．01％，即1／3200十進(jìn)制的3200用二進(jìn)制表示10位，該系統(tǒng)精度等級(jí)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(hào)尖峰平均化，從而使系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)、可靠。

圖2 飽和非線性狀態(tài)曲線

PLC通過(guò)通訊接口和通訊協(xié)議，與6RA7018進(jìn)行雙工通訊，將工作狀態(tài)與運(yùn)行參數(shù)相互傳遞，并能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示。同時(shí)操作6RA7018可將指令傳至PLC，從而控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。PLC、6RA7018不但能顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)，還能記錄系統(tǒng)運(yùn)行故障數(shù)據(jù)，顯示故障點(diǎn)，從而縮短故障查找、排除時(shí)間。

由于該系統(tǒng)可對(duì)勵(lì)磁電流實(shí)行無(wú)極控制，根據(jù)直流電機(jī)機(jī)械特性方程式中不難看出當(dāng)轉(zhuǎn)速n恒定時(shí)，通過(guò)改變勵(lì)磁電流來(lái)使得磁通改變對(duì)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(fèi)用。

4 結(jié)束語(yǔ)

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