PLC在可控硅直流調速系統的應用

隨著(zhù)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(dòng)化控制領(lǐng)域得到普遍應用。煤炭行業(yè)正在依靠現代化高科技手段對現有陳舊電氣控制設備進(jìn)行更新?lián)Q代。

可控硅直流調速系統控制的發(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數字程控所代替。前兩種在實(shí)踐應用時(shí)，普遍存在由于設計問(wèn)題和動(dòng)、靜態(tài)響應影響以及電子元件動(dòng)態(tài)參數變化，還有給定與反饋作用誤差產(chǎn)生的穩態(tài)誤差，使得系統產(chǎn)生振蕩、超調和起車(chē)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)兩代調速控制系統的使用，始終存在運行不穩、振蕩、超調、起車(chē)慣力大等多方面實(shí)際故障。2004年11月將控制系統改換成PLC數字控制，解決了上述困擾。該系統經(jīng)改制后使用證實(shí)具有運行平穩、可靠、節省電能、操作方便、自動(dòng)化程度高、無(wú)故障等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統改前后使用的設備

(1)改制前的設備，有繼電器柜一套和后期改造時(shí)引進(jìn)KGSFA2t型調節柜、整流柜、勵磁柜各3套(其中2套分別用于2臺直流電動(dòng)機，另一套做備用設備)，每套整流柜內三相全橋整流由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(mén)子公司技術(shù))，將提升機2臺ZD2―151B一400kW／440V直流電動(dòng)機電樞串聯(lián)，因此用一套整流系統。PLC可編程控制器鑲嵌在操縱臺內，它是該系統的指揮中樞(相當于微機內中央處理器CPU)，接收和控制機構是控制柜內兩臺6RA7018整流控制裝置，其中一套控制兩臺直流電動(dòng)機串聯(lián)電樞整流管(6個(gè)1 200 A可控硅)控制極，另一套控制勵磁用。

2 程序控制系統各部件作用

(1)電源柜(低壓供電系統)。對系統電機風(fēng)機、制動(dòng)閘、制動(dòng)油泵、潤滑油電機等提供電源和進(jìn)行控制，并為PLC、微機和傳動(dòng)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(kāi)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，在程序存儲器內編輯的程序進(jìn)行運算，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(mén)子公司的PLC可編程控制器，是控制信號電壓由0～10 V模擬信號轉換成數碼。即將模擬信號變換成數字信號裝置(A／D轉換)，通過(guò)內部S一自鎖，R一只讀，V一故障設置等繼電程序設置以及程序、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(dòng)機主回路中的三相橋式整流電路6個(gè)1200 A和勵磁用可控硅觸發(fā)信號的導通角僅(或推B角)，以達到PLC預期設置的直流電動(dòng)機恒轉速轉動(dòng)輸出。整流控制裝置6RA7018自身也有接口聯(lián)通計算機進(jìn)行指令讀寫(xiě)、修改、刪除；并還有直觀(guān)的顯示，顯示其正常工作狀態(tài)值和相對應故障以及自鎖值；在其前面板鑲有觸摸鍵，用以微調和轉換原設置的參數用。

3 數字與模擬控制靜動(dòng)態(tài)參數分析比較

3．1 可控硅直流控制

當采用速度、電壓、電流三環(huán)控制時(shí)其方框圖(即數學(xué)模型)如圖1所示。通常閉環(huán)系統的參考輸入和攏動(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定下來(lái)或趨于恢復到原來(lái)的數值達到新的平衡，但由于系統總存在著(zhù)慣性或儲能元件，使達到新的平衡狀態(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

在摸擬控制電路設計時(shí)，無(wú)論是在時(shí)域還是頻域考慮，都要求系統首先必須是穩定，對超調量、過(guò)渡過(guò)程的時(shí)間、振蕩次數提出一定要求，再就是系統穩態(tài)誤差應滿(mǎn)足?？蛇@三種要求之間又相互矛盾和制約，很難建立一個(gè)同時(shí)達到理想狀態(tài)系統結構和參數。

3．2數字控制(PLC)

由于該控制系統為非線(xiàn)性系統，故將其設置在飽和非線(xiàn)性狀態(tài)，如圖2所示。由于該控制系統采用數碼的形式傳遞，為數控系統，該系統的動(dòng)態(tài)性能可用差分方程過(guò)程描述。在非線(xiàn)性系統中，暫態(tài)響應曲線(xiàn)的形狀與輸入信號的幅值有關(guān)，這是因為非線(xiàn)性系統不服從迭加原理的緣故；數字控制非線(xiàn)性系統的穩定性不取決于系統的結構和參數；非線(xiàn)性系統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(xiàn)性系統輸出量(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字信號(A／D轉換)。A／D變換精度取決于A(yíng)／D變換器的位數，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，該系統精度等級足以滿(mǎn)足控制系統要求。且該系統中采用6RA7018整流裝置均以積分方式變換，可使信號尖峰平均化，從而使系統運行平穩、可靠。

圖2 飽和非線(xiàn)性狀態(tài)曲線(xiàn)

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)與運行參數相互傳遞，并能實(shí)現動(dòng)態(tài)顯示。同時(shí)操作6RA7018可將指令傳至PLC，從而控制系統的運行狀態(tài)。PLC、6RA7018不但能顯示系統運行狀態(tài)和參數，還能記錄系統運行故障數據，顯示故障點(diǎn)，從而縮短故障查找、排除時(shí)間。

由于該系統可對勵磁電流實(shí)行無(wú)極控制，根據直流電機機械特性方程式中不難看出當轉速n恒定時(shí)，通過(guò)改變勵磁電流來(lái)使得磁通改變對轉矩 有較寬的調整，避免只調整主回路電壓 而產(chǎn)生比較大的電能損耗，從而可降低能耗費用。

4 結束語(yǔ)

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