基于PLC的礦井提升機模擬實驗裝置的研究與設(shè)計

楊 柳，閻有運，鄧 君，常國雷，蘇豪飛

(河南理工大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，河南焦作454000)

0 引言

目前，我國正在服役的礦井提升機大多都采用繞線式異步電機轉(zhuǎn)子串電阻的交流調(diào)速方式，少數(shù)則采用直流發(fā)電機－直流電動機組和晶閘管－直流電動機的直流調(diào)速方式［1］.它們的共同特點是：調(diào)速方式落后，設(shè)備陳舊，自動化水平不高，安全性和可靠性相對較差.為順應(yīng)社會發(fā)展和科技進步，對我國現(xiàn)役的傳統(tǒng)式礦井提升機控制系統(tǒng)進行改造和革新顯得尤為必要［2］.近年來，，隨著國外PLC、變頻器和直流調(diào)速器成功應(yīng)用于礦井提升機中，在我國新投產(chǎn)的礦井中也慢慢地開始采用以“PLC+變頻器或直流調(diào)速器”方案設(shè)計的新型礦井提升機控制系統(tǒng)，其調(diào)速性能好、效率高、節(jié)能效果明顯、自動化水平高，操作簡單、方便、安全且可靠性高，是今后礦井提升機發(fā)展的主要方向［3］.然而我國在這方面的研究還處于試驗與探索階段.因此，筆者研究、設(shè)計與制作一套基于PLC的礦井提升機控制系統(tǒng)實驗裝置，以方便相關(guān)研究人員在實驗條件下通過此礦井提升機控制系統(tǒng)實驗裝置進一步對我國的交流和直流礦井提升系統(tǒng)進行研究與改造，以更好地提高和完善我國的礦井提升機控制系統(tǒng)［4］.此外，該礦井提升機控制系統(tǒng)實驗裝置還能夠同時模擬交流和直流礦井提升機的運行工況，以此可以用來對煤礦操作人員及技術(shù)工人進行針對性的崗位培訓(xùn)，以提高煤礦操作人員和技術(shù)工人的技術(shù)素質(zhì)和實際維修操作技能.總之，對基于PLC的礦井提升機控制系統(tǒng)實驗裝置的研究、設(shè)計與制作具有較高的實用價值與較大的現(xiàn)實意義.

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

本控制系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示，本控制系統(tǒng)主要由主控系統(tǒng)、拖動系統(tǒng)、檢測及操縱系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)及保護系統(tǒng)等組成［5］.

1.1 主控系統(tǒng)

有關(guān)數(shù)據(jù)表明，我國新型的礦井提升機中大多都是采用西門子PLC或三菱PLC作為主控制器來進行設(shè)計的，為兼顧通用性，將主控系統(tǒng)設(shè)計成由兩臺PLC組成，一臺是西門子公司的S7－1200 PLC，另外一臺是三菱公司的FX2N PLC，采用此種方式研制的模擬實驗裝置既能夠模擬用西門子PLC作為主控制器設(shè)計的礦井提升機的運行工況，又能模擬用三菱PLC作為主控制器設(shè)計的礦井提升機的運行工況，從而使該實驗裝置具有很強的通用性.

1.2 檢測及操縱系統(tǒng)

檢測及操縱系統(tǒng)主要由操作臺、觸摸屏、旋轉(zhuǎn)編碼器及相關(guān)的傳感器等組成.其主要作用是模擬礦井提升機上升、下放等運行工況，同時檢測速度、電壓、電流等信號并在操作臺和觸摸屏上加以顯示，以方便工作人員查看礦井提升機模擬實驗裝置的各種狀態(tài)參數(shù)，使相關(guān)人員更好地了解礦井提升機模擬實驗裝置的運行工況.

圖1 控制系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Principle diagram of control system

1.3 拖動系統(tǒng)

在實驗臺上放置額定功率為4 kW的交、直流電機各一臺，兩臺電機通過聯(lián)接皮帶相互傳動.兩臺電機分別通過各自的控制裝置進行了驅(qū)動，當交流電機作為動力源，直流電機作為負載時，可以模擬交流拖動方式下的礦井提升機的運行工況;當交流電機作為負載，直流電機作為動力源時，模擬的是直流拖動方式下的礦井提升機的運行工況.

1.4 調(diào)速系統(tǒng)

本模擬系統(tǒng)采用西門子公司6SE70系列的變頻器和6RA70系列的直流調(diào)速裝置分別對交流電機和直流電機進行調(diào)速，只需要在控制單元給出對變頻器與直流調(diào)速器的控制命令(正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、多段速等)即可使此礦井提升機模擬實驗裝置按照設(shè)定的速度曲線運行，滿足礦井提升機的運行要求［6］.

1.5 監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)主要由一臺工業(yè)控制計算機和兩臺觸摸屏組成.觸摸屏主要是用來繪制系統(tǒng)畫面，監(jiān)視系統(tǒng)的運行畫面，同時可以顯示各種運行參數(shù)，以方便人們更好地了解模擬系統(tǒng)的運行工況.此外，在觸摸屏上還可以實現(xiàn)手動輸入信號及存儲、輸出報警信號等功能.工業(yè)控制計算機與可編程控制器直接通訊，可以實現(xiàn)在線編程，在線讀、寫和修改程序，可在線監(jiān)控設(shè)備的運行狀態(tài)并及時發(fā)現(xiàn)故障和處理故障，同時可以形象地顯示出礦井提升機模擬實驗裝置的各種預(yù)備狀態(tài)畫面、運行狀態(tài)畫面、故障狀態(tài)畫面、各種參數(shù)及各種控制元器件的工作狀態(tài)等.

2 控制系統(tǒng)的程序設(shè)計

本控制系統(tǒng)的程序流程如圖2所示.初始化程序主要作用是對旋轉(zhuǎn)編碼器、模擬量輸入輸出模塊、通信模塊及傳感器進行初始化處理.控制系統(tǒng)啟動前，要先判斷制動手柄是否處于零位緊閘位上，只有當制動手柄處于零位緊閘位時才能啟動系統(tǒng)［7］.當開車信號發(fā)出之后，根據(jù)發(fā)出的開車信號的類別來分別執(zhí)行相應(yīng)的上提重物子程序和下放重物子程序.當完成上提重物和下放重物時，此時需要判斷是否要停車，若要停車，則要進行施閘停車;若不需要停車，則進入下一階段的運行.其控制系統(tǒng)的流程圖如圖2所示.

3 模擬負載的運行分析與研究

本模擬系統(tǒng)可以模擬交流拖動方式下的礦井提升機的運行工況，同時又可以模擬直流拖動方式下的礦井提升機的運行工況，現(xiàn)以交流拖動方式下的礦井提升機為例來對模擬負載進行研究.規(guī)定控制系統(tǒng)中各量的正方向如圖3所示.

圖3 拖動系統(tǒng)中各量的正方向示意圖Fig.3 Sketch map of positive direction of various physical quantities of drag system

圖3中，TM1為交流電機的電磁轉(zhuǎn)矩;TM2為直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩;Td為傳動系統(tǒng)的合轉(zhuǎn)矩，且Td=TM1－TM2;FM1為交流電機的電磁力;FM2為直流電機的電磁力;Fd為傳動系統(tǒng)的合力，且Fd=FM1－FM2;n為拖動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速，順時針為正，且規(guī)定當n＞0時，模擬負載為上升過程.

現(xiàn)以交流電機作為動力源，直流電機作為負載為例來模擬交流礦井提升機在提重物和下放重物的過程中的運行工況.圖4為模擬礦井提升機在上提重物時的系統(tǒng)速度、加速度和力圖，此時直流電機在其驅(qū)動裝置和PLC的共同控制作用下產(chǎn)生大小恒定，方向為逆時針的電磁轉(zhuǎn)矩FM2，且如圖4所示.

圖4 控制系統(tǒng)模擬交流礦井提升機上提重物時的速度、加速度和力圖Fig.4 Graph of speed and acceleration and nexuiz of control system when it is simulating the AC mine hoist that is lifting the weight

由圖4可知，在加速階段：有Fd1=FM1－FM2＞0，所以必有 FM1＞FM2＞0，所以 FM1＞0.在等速階段：有Fd2=FM1－FM2=0，所以有FM1=FM2＞0，所以 FM1＞0.在減速階段：有 Fd3=FM1－FM2＜0，所以 FM1=Fd3+FM2，又因且 FM2＞0，所以 FM1＞0.在爬行階段：有 Fd4=FM1－FM2=0，所以FM1=FM2＞0.總之，在模擬交流礦井提升機上提重物的整個過程中，轉(zhuǎn)速n始終大于零，拖動電機的電磁轉(zhuǎn)矩TM1始終大于零，所以拖動電機一直處于正向電動狀態(tài)，其兩電機運行狀態(tài)圖如圖5所示.

圖5 模擬交流礦井提升機上提重物時的兩電機運行狀態(tài)示意圖Fig.5 Sketch map of the two motors＇running state of control system when it is simulating the AC mine hoist that is lifting the weight

相應(yīng)地，當模擬負載處于下放的過程時，負載電機在交流拖動電機的拖動下作逆時針方向運行，即系統(tǒng)轉(zhuǎn)速始終小于零，直流電機在其驅(qū)動裝置和PLC的共同控制作用下保持恒定的電磁轉(zhuǎn)矩，且保持如圖6所示.

圖6 控制系統(tǒng)模擬交流礦井提升機下放重物時的速度、加速度和力圖Fig.6 Graph of speed and acceleration and nexuiz of control system when it is simulating the AC mine hoist that is lowering the weight

如圖6所示，在加速階段：有Fd1=FM1－FM2＜0，所以必有 FM1=FM2+Fd1，又因|Fd1|＜ FM2，所以FM1＞0.在等速階段：有Fd2=FM1－FM2=0，所以有FM1=FM2＞0，所以FM1＞0.在減速階段：必有 Fd3=FM1－FM2＞0，所以 FM1=Fd3+FM2，因為FM2＞0且 Fd3＞0，所以 FM1＞0.在爬行階段：有Fd4=FM1－FM2=0，所以 FM1=FM2＞0，所以FM1＞0.因此，此礦井提升機模擬實驗裝置在模擬下放此類大小的負載時，拖動電機始終處于反向制動狀態(tài)，其電機運行狀態(tài)示意圖如圖7所示.

圖7 控制系統(tǒng)模擬交流礦井提升機下放重物時的兩電機運行狀態(tài)示意圖Fig.7 Sketch map of the two motors＇running state of control system when it is simulating the AC mine hoist that is lowering the weight

以上分析的是用交流電機作為拖動電機時模擬交流礦井提升機上提和下放重物時的運行工況.相應(yīng)地，若采用直流電機作動力源，用交流電機作負載，此時本實驗裝置就可以模擬直流礦井提升機的運行工況，從而真正地達到培訓(xùn)的目的.

4 結(jié)論

基于PLC的礦井提升機模擬實驗裝置是采用“PLC+變頻器/直流調(diào)速器”進行設(shè)計的，其技術(shù)先進，調(diào)速性能優(yōu)越，自動化水平高，控制性能好且安全可靠.該裝置用PLC作為主控制器，用電機作負載，其模擬負載的方式獨特新穎，且能夠很方便地在實驗的條件下來研究和分析礦井提升機在提升重物和下放重物過程中的各種運行工況，既能夠模擬交流礦井提升機的運行工況，又能模擬直流礦井提升機的運行工況，所以該實驗裝置具有較高的實用價值，對此實驗裝置的研究具有較大的現(xiàn)實意義.

［1］李金金，李鐵鷹.基于PLC控制的變頻調(diào)速在礦井提升機中的應(yīng)用［D］.太原：太原理工大學(xué)信息工程學(xué)院，2007.

［2］張均偉，馬星河.基于Profibus總線礦井提升機電控系統(tǒng)的研究與設(shè)計［D］.焦作：河南理工大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，2011.

［3］王清靈，龔幼民.現(xiàn)代礦井提升機電控系統(tǒng)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1996.

［4］馮樹旭.礦井提升機控制系統(tǒng)設(shè)計［D］.長沙：中南大學(xué)機電工程學(xué)院，2005.

［5］盧燕.礦井提升機電力拖動控制［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2001.

［6］劉濤，付子義.新型礦井提升機變頻電控系統(tǒng)的研究與設(shè)計［D］.焦作：河南理工大學(xué)計算機學(xué)院，2011.

［7］黃仰金.礦山副井提升機計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用［D］.長沙：中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，2004.