宁波西门子授权代理商CPU供应商

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 0 引言

    查找国内外关于斜井提升机调速电控系统的有关资料发现，煤矿提升机的驱动电动机一般采用三相绕线式异步电动机，其调速方法是在电动机转子回路中接入金属电阻，用主令控制器逐段切除电阻来达到加减速和调速的目的。采用转子串电阻调速的电控系统，这种系统的制动方式为能耗制动，制动所产生的能量全部消耗在电阻上。电动机转子串电阻调速系统的调速属有级调速，开环控制，调速范围小，调速精度低，爬行速度不易控制，尤其是重物下放时，需要动力制动与转子串电阻及制动闸配合操作，司机不易控制，性能差。在减速时和下放重物时，投入动力制动，不仅消耗外加直流电能，而且还将电动机上的再生电能消耗在转子串接的电阻上，浪费了大量的电能，且运行维护量大，维护费用高。还有一种控制方式是变频控制，但于660V或380V低压等级系统。

    目前国内外通用变频技术，四象限变频技术，PLC绞车电控技术已很成熟，应用已非常广泛。但6000V绞车变频电控系统未见报道和应用。

    据调查了解，国内外至今没有适用于我国煤矿井下提升机的6000V绞车变频电控系统。将6000V四象限变频技术、PLC绞车电控技术在井下斜井提升机上进行综合应用并满足《煤矿规程》的要求，使设备达到各项保护完善的目的是事在必行的，也是矿井斜井提升机、提升的有效途径。

    1 技术关键

    （1）数字本安电路实现斜井防爆提升机的双线制运行。

    （2）将创造单元串联多重化技术的国产高压变频器应用于矿山提升机的记录。

    （3）变频调速实现斜井提升能耗制动转为发电反馈制动。

    （4）采用矢量控制技术，实现低速大转矩，起动力矩大的目的。

    （5）充分发挥PLC的数字化、网络化及计算功能，使提升机具有完善的软硬件保护功能，各主要保护实现双线制。

    （6）满足提升机频繁起停要求。

    （7）满足井下**的湿度要求。

    2 项目实施情况

    （1）现有技术及基础条件

    峰峰集团九龙矿是年设计能力120万吨的矿井,目前开采一水平煤层,正在为二水平开采做开拓延伸工程。

    高压变频器在风机、泵类应用已经比较成熟,PLC技术和低压变频器在提升机的应用也日趋成熟。

    （2）现场设备情况

    峰峰集团九龙矿井下南二绞车环境恶劣，电控系统改造时，正值夏日，井下雾气大，车房潮湿度高；同时受我矿矸石电厂影响，电压波动范围高达5700V-6800V，南二坡巷道破坏严重，6KV提升绞车四象限高压变频电控系统能否适应如此恶劣的环境，经受住工业性试验的考验，是三方攻关人员面临的挑战。经过三方共同的努力，解决了实验中出现的问题，使绞车的各项运行指标达到了设计要求，绞车达到了改造的目标。

    ·南二车运行参数及环境条件

    型号JK-2K

    主电机功率240KW

    额定电压:三相AC6KV

    大速度4m/s

    斜坡长度930m

    该绞车承担九龙矿井下南二地区物料、人员、设备的运输任务，负荷在15吨范围内无规律变化，南二轨道坡有7个片口，绞车启动停止频繁。

    （3）6KV绞车变频调速电控系统

    6KV绞车变频调速电控系统主要有变频器、操作台和传感器。现分述如下：

    ①新风光电子公司JD-BP37型高压提升变频调速器

    JD-BP37型高压提升变频调速器采用新型IGBT为主控器件，全数字化，彩色液晶触摸屏控制，以高性、易操作、为设计目标，采用的矢量控制变频调速技术完成提升机的四象限运行，用于鼠笼式电机或绕线式转子串电阻电机控制，即可用于新矿井安装，也可用于老矿井改造。风光高压提升变频器，采用若干个低压逆变器功率单元串联的方式实现直接高压输出，所用的6kv高压提升变频器，变压器有18组付边绕组，每相分为6个功率单元，三相共18个单元，采用36脉冲整流，输入端的谐波成分远规定。高压提升变频器系统结构图如下图1示.。功率单元电路结构2示。    

    基本控制要求

    ●罗拉1、捻、罗拉2、加油、槽筒、黑筒电机保证同步运行，比例可调。

    ●车速:550m/min

    ●成品纱锭两端不能有落纱，表面不能由鼓包，平整如一。

    ●24小时连续工作制。

    控制特点

    ●10台电动机均使用380V三相异步电动机，全部选用安邦信G7系列变频器来驱动，同功率一一匹配。

    ●同步控制信号由同步控制器按比例提供，现场微调通过变频器内部信号叠加功能来完成。信号叠加可以是叠加，亦可以是相对叠加。

    ●为使成型纱锭没有鼓包、平整如一，在槽筒电机上增加摆频功能。G7系列变频器已具备内置摆频功能软件，能很好的解决这一问题。

    摆频功能描述

    纱锭成型过程，是由两个立的运动叠加而成。一个恒速（constantspeed）旋动，一个往复（Traverse）运动。通过两个运动的叠加，纱线在纸筒表面形成菱形网状运动轨迹。如果两个运动都是匀速运动，则势必在纱线相交处形成鼓包，如不带摆频功能图示（Withoutwobble）。如欲打乱每层的交点，将往复运动的速度时时变化，即增加摆频功能，则这一问题就得到了圆满解决

    加弹捻机退卷上变频器内置七段速自动运行功能的应用G7内置七段速调节方便，每段速可控制正反向，加减速时间可调。

    交流变频调速的特点

    I.减少功耗降

    纺织厂离不开空调设备。当空调电机使用变频调速器控制后，降低了功耗，大大节省了用电支出。据某公司提供的数据，全年12台空调机可节电24余万元，空调用电单耗平均下降了6、7个百分点。

    II.简化了机构提高了性能

    通过PLC可编程控制器或工控机的控制，再经变频调速器实现多电机的同步协调运转。根据生产工艺曲线控制各机构的运动，进而简化了机构。比如粗纱机利用交流变频调速，去掉了锥轮变速机构，从而克服了锥轮变速皮带打滑变速不准的问题。

    而对于细纱机来说，由于利用变频调速器去掉了成形机构中的成形凸轮所造成的桃底有停顿、桃有冲击的现象。使得细纱卷形状良好。以便于下一道工序的高速退绕。同时利用变频调速器控制三十九主电机的变速来控制锭子的转数，使得细纱在大中小纱时转速在变化，以减少纱的断头率。

    交流变频技术的应用

    变频器控制的纺织机械上的交流电机主要分为两类。一类就是常用的Y系列的交流异步电机。这种电机主要应用于调速精度要求不高、调速范围不大的纺织机上。而另一种为交流变频调速异步电动机。主要用于调速精度要求高、调速范围宽的机器上。

    下面介绍下下不同形式的变频器。

    1）用变频器开环控制异步电动机调速称为V/F形式。这种方式电路简单、。但调速范围在10：1范围以内，调速精度较低2%～5%，并且低速性能不理想。因此多用于针织机或要求不高的纺织机械上。

    2）采用安邦信G7系列变频器，其有优良的低速特性。电路结构简单，性高。同时具有较好的加减速特性、转矩特性以及电流限制特性等。调速精度可达0.5%～1.0%。调速范围在20：1范围内。较适合印染机械的调速等。

    在一些设备上，将所有电气元件与变频器及控制面板与卷绕头机械部份合为一体，是减少了体积，增强了性。

    加弹捻机上变频器摆频功能的应用

    在加弹捻机上为使成型纱锭没有鼓包、平整如一，在槽筒电机上增加摆频功能。而安邦信G7变频器的内置摆频功能软件，能很好的解决这一问题。

    中小型加弹捻机是生产人造纤维弹力丝线的主要设备，在中国有近10家纺织机械厂生产该类设备，沿海发达地区又有非常广阔的市场。目前市场上提供的货源主要有120锭和144锭两种，从控制的角度来看，两种控制原理是相同，所以在此仅介绍120锭的控制方式。

    加弹捻机工艺特点

    120根人造纤维丝线分成两组，每组各60根，通过罗拉1的牵引力使60个纱锭自由放线。

一 引言

    随着汽车工业的快速发展，对汽车轮胎的需求也快速增长。同时，由于我国高等级公路的快速发展，汽车的运行速度也大大提高了，这就对汽车轮胎的质量提出了高的要求。而钢联线作为轮胎的重要组成部分，对轮胎的强度起着重要作用。钢联线的质量直接影响着轮胎的质量、品质、等级。作为钢联线的主要生产设备直进式拉丝机，应用也越来越广泛。早期的直进式拉丝机，主要以进口为主，包括德国、意大利、韩国等地进口的拉丝机为主，这些系统有直流调速的，也有交流变频调速的。现在这些设备在一些大的钢联线生产厂还在应用。近年来，随着国内机械加工能力的提高，以及自动化控制技术的发展，直进式拉丝机已基本实现国产化。在江阴、靖江等地的几家拉丝机生产厂，都已生产出交流变频同步调速的直进式拉丝机。在这些设备上，有的应用了进口的变频器，如：Danfoss、ABB、以及日本宫川在无锡生产的Yolico等，有的也应用了国产的变频器，如：汇川等。

    这个应用案例就是优利康（Yolico）变频器在江阴生产的直进式拉丝机上的配套案例。

    二 直进式拉丝机工作原理简介

    直进式拉丝机是有多个拉拔头组成的小型的连续生产设备，通过逐级拉拔，可以一次性地把钢丝冷拉到所需的规格，所以工作效率比较高。但是，由于通过每一级的拉拔后，钢丝的线径发生了变化，所以每个拉拔头工作线速度也应有变化。

    根据拉模配置的不同，各个拉拔头的拉拔速度也要变化。拉拔速度的基准是每个时刻通过拉模的钢丝的秒体积不变，即使以下公式成立：

    πR2×V1=πr2×V2

    其中R：进线钢丝的直径

    V1：进线钢丝的线速度

    r：出线钢丝的直径

    V2：出线钢丝的线速度

    直进式拉丝机的各个拉拔头的工作速度就是基于以上的公式，保证各个拉拔头同步运行。但是，以上的说明是基于理想状态的稳态工作过程，由于机械传动的误差以及机械传动的间隙，还有在起动、加速、减速、停止等动态的工作过程中，各个拉拔头就无法保持同步，所以，现在大多数的直进式拉丝机上都有张力传感器，动态测量各个拉拔头间的钢丝的张力，再把张力转换成标准信号（0～20mA或0～10V），用这个标准信号反馈给调速变频器，变频器用这个信号作闭环PID过程控制，在主速度上叠加上PID计算的调整量，保持各个张力检测点的张力恒定，也就保证了直进式拉丝机工作在同步恒张力的工作状态。

    根据以上的说明，直进式拉丝机对变频器的性能提出较高的要求。变频器应具有以下的性能。

    1，低频起动力矩大，过载能力强，速度精度高

    2，有内置PID功能，PID的参数丰富

    3，动态响应快

    所以，我们选用了优利康（Yolico）的电流矢量变频器作为直进式拉丝机的驱动装置，该变频器在实际使用中也满足了拉丝机的要求，响应快，起动力矩大，过载能力强，在矢量控制时速度控制精度达到0.2%（无PG），有内置PID，PID参数丰富，包括PID增益、限幅、偏置等等。

如所需水压值实际水压值时，可人为调整变频调速器的输出频率，达到所需的恒压值。

    系统控制图

    五变频器主要调节参数

    六结语

    在智能建筑中供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论是设备的投资，运行的经济性，还是系统的稳定性、性、自动化程度等方面都具有无法比拟的优势，而且具有显著的节能效果。恒压供水调速系统的这些优越性，引起国内几乎所有供水设备厂家的高度重视，并不断投入开发、生产这一产品。在给水系统中，用水管式传感器水泵输出管网压力，在现场控制器与设定值比较，比较后去控制变频器的输出频率，达到控制水泵转速的目的。如给水管网用户用水量增多，管网压力减少，控制器控制变频器输出频率增加，水泵转速随着增加，增加供水量以满足用户的需求。如给水管网用户用水量减少，管网压力增大，控制器控制变频器输出频率降低，水泵转速随着减少，减少供水量，从而达到节能的目的。

    三ECO变频器选用原则

    ECO变频器是SIEMENS公司推出的用于风机、水泵等设备调速节能运行的变频器。其主要特点是：

    ⑴ECO变频器安装调试容易，维护和运行。由于变频器的特定功能使其产品的成本降至小，价格，降低了整套系统的成本。

    ⑵ECO变频器能够地跟随设，可使系统有好的性能。

    ⑶内置PID调节采用了标准比例、积分、微分控制的闭环过程控制，并为反馈传感器提供了标准电源。

    ⑷在运行噪声的控制方面采用了自动开关频率优化，从而降低电机运行时的噪声。

    ⑸ECO变频器针对风机、水泵节能运行的需要，设置了能量优化控制程序，为在运行中搜寻小能量消耗点，自动升高和降低电机电压。当电机达到稳的速度（即加程结束时）时通用变频器即在这个速度下运行，而ECO变频器此时开始分析电机的功率消耗。然后开始微小地升高或降低变频器的输出电压来搜索频率，即的功率消耗。如果ECO变频器出在升高电机电压时，功率消耗增加了，则变频器的控制策略（能量优化控制程序）就开始降低电机电压，以搜索的功率消耗水平，如果出在降低电机电压时，功率消耗增加，则升高电机电压。这样就可搜寻到效率，功率消耗小点并在此处运行。用这种优化节能程序（典型）可节约2%～5%的额定容量的电能。

    ⑹在选择ECO变频器时，不能用它驱动额定功率比它大或者额定功率不足其一半的电机，否则会影响变频器的性能甚至造成损坏。

    四控制系统详解

    为了保持供水系统水压的基本恒定，需要变频器根据给定的压力信号与管网水压的反馈信号进行比较，以调节水泵的转速，达到供水、水压恒定的目的。

    当恒压供水系统处于自动调节状态时，自动控制指示灯亮，系统进入自动控制状态。系统由管网水压传感器作为系统的反馈信号，反馈信号采用4-20mA电流信号，恒压值的设定可在可编程控制器（PLC）中人为设定，通过使用ECO变频器内部的PID控制功能，启动水泵作变频调节运行，并达到恒定的压力值，开成一个动态平衡过程。若设定恒压值为Y0，过程压力值为Yi，当用水量增加Yi＜Y0时，则变频器输出频率上升，转速提高，供水量增大，仍达到恒定的设定压力值，从而开成一个新的动态平衡过程，实现系统的自动控制功能。

    此系统也可进行手动开环调节运行。如管网水压传感器出现故障时，人为将手动/自动开关置于手动位置，系统处于手动调节状态，手动控制指示灯亮，可在控制面板实现频率（液位）手动设定，并变频启动水泵。

    随着科学技术的迅猛发展，电力电子技术、微电子技术及现代控制理论的不断进步，又因为变频器所具有的率性能和良好的控制特性，目前在交流电动机的速度控制中较多采用。使用变频器一个的优点就是节省能源，而且通过发挥其理想的控制特性，设备使用性能可以大幅提高。在智能建筑中，生活恒压给水在节能和性方面要作具体分析，从而选择合理控制方式。本文介绍了西门子ECO变频器在在智能建筑中恒压供水方面的应用，对变频器的设计和使用特点做了详细阐述。

    一概述

    在智能建筑日益增多的今天，供水问题成为业主比较关心的问题，所以变频恒压自动供水便提上了日程。以前在一般建筑的建设中往往需要建设一个二次加压供水泵房并采用变频器实现恒压自动供水。一般情况下，恒压供水自动控制系统通过压力传感器采集管网中的压力并将其转换成模拟信号进行变频控制。这样变频恒压水系统直接取代水塔、高位水箱及传统的气压罐供水装置，为局部加压供水开辟了新的途径。另外由于水泵耗电功率与电机转速的三次方成正比关系，所以水泵调速运行的节能效果非常明显，平均耗电量较通常供水方式节省40％。与可编程控制器结合使用，可实现循环变频，电机软启动，具有欠压保护、过压保护、短路保护、过流保护功能，工作稳定，大大延长了设备的使用寿命。

    本系统为可编程控制的变频水压控制系统。系统采用可编程控制器（PLC），可实现手动开环调节、自动闭环调节、远方控制及本地控制。每台电机设置单的控制面板，具有水压显示、频率显示、工作状态显示功能，变频器故障、可编程控制器故障，可实现声光报警。变频调速器采用西门子公司产品，可实现电机的平滑调节，变频调速器加装交流电抗器及直流电抗器，确保变频调速器电源侧谐波分量小于5%。

    二变频控制恒压供水分析

    大家知道，水泵消耗功率与转速的三次方成正比。即N=KN3

    N：为水泵消耗功率；n：为水泵运行时的转速；K为比例系数。而水泵设计是按工频运行时设计的，但供水时除高峰外，大部分时间流量较小，由于命名用了变频技术及微机技术有微机控制，因此可以使水泵运行的转速随流量的变化而变化，终达到节能的目的。实践证明，使用变频设备可使水泵运行平均转速比工频转速降低20%，从而大大降低能耗，节能率可达20%-40%。

    变频器的作用是为电机提供可变频率的电源，实现电机的无级调速，从而使管网水压连续变化。传感器的任务是检测管网水压。压力设定单元为系统提供满足用户需要的水压期望值。压力设定信号和压力反馈信号在输入可编程控制器后，经可编程控制器内部PID控制程序的计算，输出给变频器一个转速控制信号。还有一种办法是将压力设定信号和压力反馈信号送入PID回路调节器，由PID回路调节器在调节器内部进行运算后，输入给变频器一个转速调节信号。

    由于变频器的转速控制信号是由可编程控制器或PID回路调节器给出的，所以对可编程控制器来计时，既要有模拟量输入接口，又要有模拟量输出接口。由于带模拟量输入/输出接口的可编程控制器价格很高，这无形中就增加了供水设备的成本

 S7-200系列PLC的通讯端口支持多种通讯协议，此处可以采用的有两种。一种是西门子的PPI主-从协议，利用这种协议主站可以直接对从站，即控制系统中的PLC，发出指令，控制从站的各端口及功能。这种方式PLC的编程简单，不需要对原有从站程序进行修改。但是PPI协议不是一个公开的协议，在文献[4>中提到了一种通过串口侦听PPI协议从而利用主站编程控制从站的方式。另外一种通讯模式是自由口模式，利用自定义的PLC程序控制S7-200CPU的通讯端口，使用用户自己定义的通讯协议来实现与外界的通讯。这种模式支持ASCII和二进制协议。自由口模式使用简单、灵活，但需要对PLC进行专门的编程。因为无线遥控所需数据量不大，通过比较，选择了自由口通讯模式，以ASCII码的形式在手持操作器和PLC之间传递命令和反馈信息。在PLC内编写了专门的无线控制程序，实现无线控制状态下的数据通信及对机械手的控制。

    无线数传模块的功能仅为实现PLC与手持操作器的无线通信功能，对于PLC与手持操作器中CPU而言，通过无线数传模块的无线通信与通过串行端口直接相连的有线通信两种方式，在编程上是没有任何差别的。

    单片机与无线数传模块的通信接口则可以选择三种接口模式中的任一种，既可以采用简单的直接相连;为提高稳定性，也可以采用232或485芯片进行电平转换后再与数传模块相连。为保持好的可扩展性，我们选择了RS-232接口标准。

    3.手持操作器的设计

    手持操作器的功能为通过处理器的数字IO及AD功能检测按钮及摇杆上的操作输入，并将转换后的数字信号进行编码后形成控制指令，通过无线数传模块发出。

    XC166系列单片机是英飞凌科技（Infineon）的16位微控制器产品，其优异的内核结构，的指令集，以及不断扩充新的产品线，使其广泛应用于汽车电子、工业控制和信息技术领域。该系列单片机具有丰富的接口模式，如14通道10位AD变换器，同步/异步串行通道USART，高速同步串行通道SPI，CAN模块，79个IO引脚等，并可与各种设备组成通讯网络。同时，该系列单片机适应于恶劣的工业环境，工作温度可在-40～125°C。[6>针对我们所设计的手持操作器的功能，我们选择了XC166系列中的XC164CS型单片机。这样只需附加少的外围硬件，就可以实现所需的功能，同时，使该遥控器具有工作性能稳定和易于进行功能扩展的优点。

    手持操作器的功能模块主要包括AD采样功能，即采集摇杆操作产生的比例控制电压;数字IO功能，即采集按钮操作状态和进行一些功能状态显示;通讯功能，即定时地将采集到的控制指令按规定的格式编码后通过串口以无线的方式发送。

    手持操作器由电池供电，XC166系列单片机及无线数传模块可以满足低功耗的要求。

    4.数据性

    无线遥控操作系统保证的高性和控制的性，避免发生失控和错误控制指令现象，本系统主要通过以下几方面来保证：

    无线数传模块的高抗干扰能力和低误码率，前向纠错信道编码技术;

    串行通讯协议校验，一般采用奇偶校验;

    软件协议校验;通过软件编程，对发送的数据进行校验，可采用CRC校验、交互确认或多次发送对比的方式。在我们的程序中采用同一动作指令重复发送的方式，只有命令指令与确认指令相同，PLC才接受指令，否则忽略此指令。这样就避免了通信所产生的错误指令;

    PLC的“软件”;在PLC程序中设置定时程序，当时未收到无线指令时，停止机械手动作，防止由于通讯中断而使机械手失控;

    通过以上四个措施，可以有效地保证无线遥控的性，防止产生错误操作指令或机械手失控。

    5.结论

    通过试验证明，这种采用PLC和无线数传模块的遥控方式简单可行，由于PLC及数传模块都有成熟的工业化产品，性高，，扩展性好，因此本方案具有较高的实用，简化了设计过程。但手持操作器中的单片机模块尚需进一步的工业化设计，以达到高的工业性要求，并实现总线通信、自检验等多功能。

    本文作者点：通过设计一种新的架构体系，利用工业化的无线数传模块，将PLC控制与无线遥控结合起来，使机械手控制系统能够兼具二者的优点，降低了成本、满足了控制系统稳定性、兼容性及无线控制的要求。