礦井提升機PLC控制系統(tǒng)的研究

李寶榮

（1.太原理工大學(xué)電氣與動力工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院，山西 太原 030012）

1 引言

礦井提升機作為礦山最重要的大型機械設(shè)備之一，其集機、電、液于一體，在煤炭生產(chǎn)中擔(dān)負(fù)著提升煤炭、下放材料、升降人員和設(shè)備的重要任務(wù)[1]。其運行的安全、可靠、穩(wěn)定性直接影響著整個礦井的生產(chǎn)能力、經(jīng)濟效益。提升機傳統(tǒng)的控制方式主要采用繼電器—接觸器進行控制，其傳動系統(tǒng)特性復(fù)雜，電動機頻繁正反向，經(jīng)常處于過負(fù)荷運轉(zhuǎn)和電動、制動不斷轉(zhuǎn)換的狀態(tài)中[1，2]。為此文章設(shè)計了一種基于PLC的礦井提升機控制系統(tǒng)，具有調(diào)速平滑、控制可靠、保護完善、可視化程度高的特點，對于提高提升機的安全、穩(wěn)定、可靠運行具有重要的意義。

2 提升機控制系統(tǒng)的控制策略

礦用提升機電氣控制系統(tǒng)主要包括4部分，即調(diào)速部分、控制部分、后備保護部分和監(jiān)控部分，而且四者是相互關(guān)聯(lián)的。

2.1 調(diào)速部分

調(diào)速部分采用變頻調(diào)速。圖1為提升機變頻調(diào)速系統(tǒng)示意圖，調(diào)速系統(tǒng)主要由變頻器、行程控制、操作控制、制動部分等組成[3，4]。

圖1 提升機變頻調(diào)速系統(tǒng)示意圖[3，4]

變頻器主要對提升機的升降進行變頻調(diào)速，實現(xiàn)恒加速變頻調(diào)速啟動、恒減速變頻調(diào)速停車及行程變頻調(diào)速運行等。通過改變電動機輸入電源的頻率來調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，調(diào)速范圍寬。變頻器調(diào)速有別于轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，降低了轉(zhuǎn)差率，提高了電路的功率因數(shù)，可以恒轉(zhuǎn)矩輸出，輸出功率隨轉(zhuǎn)速變化，因此具有很好的節(jié)電效果。另一方面，變頻器還可通過軟件很方便地改變輸出轉(zhuǎn)矩（即調(diào)整轉(zhuǎn)矩補償曲線）和加減速時間、目標(biāo)頻率、上下限頻率等。變頻器還具有強大的兼容功能，并根據(jù)使用要求進行功能組合、參數(shù)設(shè)置(修改)和動態(tài)調(diào)速，也可通過端子排控制，對行程進行多段速度控制。圖1（b）為變頻器恒加速和恒減速調(diào)速過程示意圖，加速和減速過程可以靈活調(diào)節(jié)，這種調(diào)速方式對防止提升機的過卷、過放、脫軌等都是十分有利的。

行程控制主要對提升機的變速、停車和制動等進行精確的控制，將提升機的升降過程劃分成不同的行程區(qū)間，根據(jù)每一行程區(qū)間的實際情況，采用不同的變頻調(diào)速控制提升機的升降速度，見圖2。操作控制主要完成提升機的提升啟動、下降啟動、故障復(fù)位及緊急制動等操作控制?！疤嵘龁印辈僮骺刂谱冾l器正轉(zhuǎn)運行，提升過程由行程控制器的提升行程控制完成?！跋陆祮印辈僮骺刂谱冾l器反轉(zhuǎn)、下降過程由行程控制器的下降行程控制完成?！熬o急制動”操作主要控制異常時的變頻器停止和抱閘制動，制動部分包括能耗制動和抱閘制動，主要實現(xiàn)提升機停車控制。

2.2 控制部分

圖2 行程控制過程示意圖[3，4]

控制部分采用可編程控制器（PLC）作為中央控制器。主要包括主回路、測速回路、安全回路、控制回路、輔助回路、可調(diào)閘控制回路、限速保護回路、動力制動控制回路和深度指示回路等。主回路由電動機電源、定子回路和轉(zhuǎn)子回路組成，和變頻器相結(jié)合實現(xiàn)電機的啟動、停止等功能。測速回路采用測速發(fā)電機，將提升機的實際速度用電量測量出來，以供速度比較和一些以速度為函數(shù)的控制環(huán)節(jié)，同時反映提升機的轉(zhuǎn)向。安全回路中串入許多保護接點，當(dāng)提升機發(fā)生故障時，這些保護觸點斷開安全回路，使提升機斷電，并對其進行安全制動。控制回路保護電動機換向、動力制動、變頻器控制等環(huán)節(jié)。電動機換向包括自動和手動回路，輔助回路主要指系統(tǒng)的供電電源。可調(diào)閘控制回路由磁放大器、制動手柄自整角機、速度給定自整角機及測速反饋回路組成。

2.3 后備保護部分

后備保護的控制觸點串入安全回路。當(dāng)絞車發(fā)生過卷、松繩、閘瓦間隙過大、滿倉、超速、深度指示器失效、卡斗等故障時，后備保護斷開安全回路，絞車實行安全制動。能實時監(jiān)測提升機的運行狀態(tài)，數(shù)顯提升深度、速度、提升勾數(shù)、提升信號等。具有信號閉鎖功能，即能記憶最近10次打點信號，顯示當(dāng)前打點信號，提升信號同提升機控制回路相閉鎖，沒有提升信號，提升機無法啟動。根據(jù)提升信號，自動實現(xiàn)上下行方向閉鎖，自動分辨出提人、提物。具有安全回路故障探測功能，即自動監(jiān)視提升機安全回路的工作狀態(tài)。當(dāng)提升機安全回路出現(xiàn)故障時，自動指示出故障點的準(zhǔn)確位置。同時，具有在線試驗和模擬試驗功能、鍵盤閉鎖功能、傳感器工作狀態(tài)指示功能。

2.4 監(jiān)控部分

礦井提升機是一套復(fù)雜的機械電氣系統(tǒng)，是礦山生產(chǎn)中具有舉足輕重作用的重要大型設(shè)備。為確保提升機能夠達到高效、安全、可靠地連續(xù)提升，它應(yīng)具有較好的機械性能，良好的電氣控制設(shè)備和完善的保護裝置?！睹旱V安全規(guī)程》規(guī)定礦井提升機必須裝設(shè)安全監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用可視化的監(jiān)控方式，對系統(tǒng)的狀態(tài)等參數(shù)進行監(jiān)控[6，7，8]。

3 提升機控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 硬件設(shè)計

控制系統(tǒng)見圖3，系統(tǒng)以PLC為中央控制單元，主要包括保護信號采集和處理單元、顯示單元、監(jiān)控單元、輸出執(zhí)行單元、系統(tǒng)電源、變頻調(diào)速單元等。保護信號采集和處理單元主要完成后備保護信號保護的檢測和處理、顯示單元對系統(tǒng)參數(shù)實現(xiàn)現(xiàn)場的顯示、監(jiān)控單元實現(xiàn)人機信號的交換和控制、輸出執(zhí)行單元實現(xiàn)對中央控制信號的執(zhí)行、系統(tǒng)電源給控制系統(tǒng)提供電源、變頻調(diào)速單元實現(xiàn)對電機的調(diào)速。

圖3 提升機控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

3.2 軟件設(shè)計

軟件包括PLC控制軟件和上機組態(tài)軟件。PLC控制軟件主要功能是實現(xiàn)對提升機的啟動、加速、減速、停車等過程控制信號采集、邏輯處理。采用子程序模塊化程序設(shè)計方法。圖4為提升機控制系統(tǒng)部分軟件框圖。上機組態(tài)軟件主要完成對系統(tǒng)運行和故障狀態(tài)，以及系統(tǒng)參數(shù)的在線實時監(jiān)控。圖5為部分監(jiān)控界面。

圖4 提升機控制系統(tǒng)監(jiān)控程序框圖

圖5 監(jiān)控系統(tǒng)的一種監(jiān)控狀態(tài)

4 結(jié)束語

文章所設(shè)計的礦井提升機PLC控制系統(tǒng)已于2008年在某礦井開發(fā)完成并正式投入運行，實現(xiàn)了對提升機的全數(shù)字控制和全自動化提升。經(jīng)過3年多的運行表明，該系統(tǒng)具有使用方便、抗干擾能力強、性能穩(wěn)定、動作可靠、準(zhǔn)確度高等優(yōu)點，大大降低了能耗，具有明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。該成果的推廣應(yīng)用將對促進我國礦山提升控制技術(shù)進步產(chǎn)生巨大的影響，帶來顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。

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