PLC與變頻器在礦井提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘 要：目前我國礦井提升機(jī)中的主要系統(tǒng)，通常選用的是電器控制系統(tǒng)，用轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)節(jié)速度，并由繼電器和接觸器組成的一種控制裝置。一般的提升機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速電控系統(tǒng)具有很多的缺點(diǎn)，例如在控制上不夠簡單、明了；應(yīng)用時可靠性較差；調(diào)節(jié)速度的效果較低等。鑒于以上種種因素，通過選擇PLC和變頻器并把兩者組合到一起的控制措施，能夠很好的對原來電控系統(tǒng)進(jìn)行一定的改善，從而增強(qiáng)電控系統(tǒng)的整體效果，并對其安全性和可靠性，以及控制能力和速度調(diào)節(jié)上做出明顯改善。

關(guān)鍵詞：提升機(jī)；電控系統(tǒng)；PLC；變頻器

引言

提升機(jī)屬于大型的提升機(jī)械設(shè)備，通常使用較為廣泛的是礦井提升機(jī)，它所發(fā)揮的效果是連接地面和井下輸送的樞紐。因為它自身作用的關(guān)系，又被稱作是礦井的“咽喉”，所以必須要確保提升機(jī)在井道內(nèi)的安全性能，避免在井道中突發(fā)意外事故，給工作人員帶來一定的危害，耽誤工作正常運(yùn)行。傳統(tǒng)的礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)大多都是選用繼電器和接觸器組成的控制系統(tǒng)，但是，由于該控制系統(tǒng)有很多不完善的地方，使用性能和維護(hù)性能都比較差，所以導(dǎo)致了其很難跟上現(xiàn)今礦業(yè)發(fā)展的前進(jìn)腳步。綜上所述，這種傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)會逐漸地消失，而新式的PLC與變頻器控制系統(tǒng)將會成為新的發(fā)展方向。文章從安全、可靠、高效、經(jīng)濟(jì)等幾個方面為主要出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行改革。

據(jù)統(tǒng)計，我國現(xiàn)在所使用的礦井提升機(jī)大多數(shù)是選擇那種傳統(tǒng)的交流電控制系統(tǒng)[1]。該電控系統(tǒng)在起動和調(diào)速換擋時電流的沖擊力過大，屬于有級調(diào)速，且調(diào)速的平滑性較差，速度低時機(jī)械特性綿軟，靜差率較大，而且容易發(fā)生機(jī)械故障，節(jié)能效果低。為了改善傳統(tǒng)交流繞線式轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)串電阻調(diào)速系統(tǒng)上的不足[2]，通過PLC和變頻器合二為一的控制措施針對傳統(tǒng)電控系統(tǒng)實行完善處理，使提升電動機(jī)較為廣泛區(qū)域中的無極平滑調(diào)速得到了很好的改善，并且在機(jī)器運(yùn)行時可以結(jié)合電動機(jī)的實際使用狀況，來確保電動機(jī)一直正常有序的進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，而且這樣的控制系統(tǒng)還非常適用于環(huán)境較為惡劣的工作場地，還具有相當(dāng)優(yōu)良的節(jié)能省電性能。PLC、變頻調(diào)速電控系統(tǒng)的好處還有很多，比如它可以提高生產(chǎn)工作效率；具有較強(qiáng)的調(diào)速功能；減少機(jī)械設(shè)備帶來的沖擊；降低電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子的溫度，從而大大避免了電機(jī)運(yùn)行時因為溫度過高所造成的機(jī)械故障等問題；系統(tǒng)較為自動化，保護(hù)設(shè)施完善，安全性能較高，如此也有效的降低了工作人員的錯誤發(fā)生率。因此，選擇PLC與變頻器來增強(qiáng)系統(tǒng)的安全性能與可控性能，會使整個體系變得越發(fā)好用穩(wěn)定?？偠灾琍LC、變頻調(diào)速一定會是未來提升機(jī)電控系統(tǒng)的總體趨勢。

1 總體設(shè)計

PLC 控制的大功率礦井提升機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)由動力裝置、液壓站、變頻器、操作臺和控制監(jiān)視系統(tǒng)所構(gòu)成的，系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

動力裝置主要有主電機(jī)、減速器、卷筒、制動器和底座，完成人、物、料的運(yùn)輸作業(yè)。使主電機(jī)經(jīng)過減速器時向卷筒供給牽引所需要的動能。

液壓站主要是由液壓泵、驅(qū)動電機(jī)、油箱、方向閥、節(jié)流閥、溢流閥等元件所構(gòu)成的液壓裝置。根據(jù)驅(qū)動裝置液體的流向和壓力向其提供油液，其適用范圍較廣，在驅(qū)動裝置和液壓站分離的各類設(shè)備上都能夠使用，將兩者用油管連接起來，液壓系統(tǒng)就可以完成所規(guī)定的動作。液壓系統(tǒng)的使用原因是該系統(tǒng)在動力輸送時用途較廣，且工作效率高，整體構(gòu)造簡單、實用。

變頻器是變換電源頻率的裝置，應(yīng)用最多的是“交-直-交”變頻器，其主要結(jié)構(gòu)可分為四部分：（1）整流單元，其作用是把工作頻率不變的交流電變換成直流電；（2）高容量電容，其作用是保存更換后的電力能源；（3）逆變器，其主要作用是把大功率開關(guān)晶體管排列構(gòu)成電子開關(guān)，使直流電轉(zhuǎn)換為其他頻率和幅度可控的方波信號；（4）控制器，其主要作用是根據(jù)所設(shè)的程序運(yùn)行，控制輸出方波的狀態(tài)，讓其疊加成與正弦波相似的交流電，并驅(qū)動交流電動機(jī)。

操作臺：其結(jié)構(gòu)必須要易于操作，由左操作臺、右操作臺以及指示臺共同組成的，左方操作臺要安裝兩個啟動手柄，用來控制速度輔助給定和制動力給定，還要有電源和磁場的送電按鈕，安全復(fù)位按鈕、緊急停止按鈕；燈、閘試驗按鈕，快開按鈕等等。右方操作臺上需要有主令操作手柄；工作、控制方式的選擇開關(guān)以及信號聯(lián)絡(luò)按鈕等。中間指示臺需要有運(yùn)行參數(shù)顯示儀表、主要操作信號以及故障信號指示燈。操作臺屬于礦井提升機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，透過它能夠設(shè)定工作方法以及控制方法，能夠向工作區(qū)域傳達(dá)工作指示和細(xì)致部署，從而達(dá)到對提升機(jī)的正常運(yùn)作、運(yùn)轉(zhuǎn)速度、結(jié)束以及緊急制動等情況進(jìn)行很好的指示和控制。

控制監(jiān)視系統(tǒng)：該系統(tǒng)是操作人員和控制系統(tǒng)以及輸送系統(tǒng)三者間的紐帶，它能夠?qū)崟r監(jiān)測提升機(jī)輸送系統(tǒng)在工作過程中出現(xiàn)的各類狀況，做到充分且及時的了解到實際情況，整個控制功能和調(diào)速都是由軟件控制，當(dāng)控制參數(shù)確定后，就不可更改，且控制的精準(zhǔn)度高，工作性能穩(wěn)定，一旦出現(xiàn)問題可以很好的對其進(jìn)行相應(yīng)的處理。

控制系統(tǒng)工作原理：當(dāng)開車人員接收到開車指令，并啟動開始按鈕，這時所呈現(xiàn)的內(nèi)部狀態(tài)是把380V動力電源連接到變頻器。然后可以松開液壓制動閥，把主令控制器向正方或者反方推進(jìn)，此時提升機(jī)才開始正式運(yùn)行，司機(jī)可以通過指示燈和顯示儀表確切了解提升機(jī)的具體運(yùn)行情況和運(yùn)行參數(shù)。在提升機(jī)工作時，提升機(jī)運(yùn)行的主速度給定控制為S形曲線，由PLC控制，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，從模擬量輸出口輸出，以驅(qū)動變頻器工作。變頻器的輸出頻率可以以實際需要進(jìn)行更改，以操作臺的速度控制手柄給予輔助作用的方式進(jìn)行。旋轉(zhuǎn)編碼器能夠測出電動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，把該信號輸入到調(diào)速控制計算機(jī)[3]，PLC會根據(jù)相關(guān)信號累計計算出提升機(jī)的具體速度和運(yùn)行距離，監(jiān)視器會一直不間斷的觀察提升機(jī)的速度和方位。

2 變頻調(diào)速主電路設(shè)計和選擇

變頻器可以輸出頻率可調(diào)的交流電源，在變頻器的控制輸入單元中接入頻率設(shè)定電路，該系統(tǒng)中通過PLC輸出電壓信號（0～12V） 來控制變頻器的頻率。安全回路可以在提升機(jī)發(fā)生故障時控制提升機(jī)使其進(jìn)入安全保護(hù)狀態(tài)。為了更好的保證人員和設(shè)備的安全，通常會針對不同的故障采取不同的解決措施。另外在變頻器的外圍安裝聲光報警輸出口和制動單元，使回路有著較好的故障監(jiān)視作用，不管是什么地方出現(xiàn)故障，都能夠準(zhǔn)確的實施安全制動和警報功能，更有效地對控制系統(tǒng)進(jìn)行安全保護(hù)，使其在提升機(jī)使用中占據(jù)了較為主要的優(yōu)勢。變頻調(diào)速主控電路如圖2所示。變頻器在選擇時應(yīng)該多注意其負(fù)載性能，明確提升機(jī)的負(fù)載能力。因為有關(guān)于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的設(shè)備都存在靜摩擦力，所負(fù)載的慣性力較大，運(yùn)轉(zhuǎn)時需要充足的啟動轉(zhuǎn)矩。變頻器具備低頻轉(zhuǎn)矩提升能力和短時過流能力。通常低速負(fù)載嚴(yán)重時，想提升轉(zhuǎn)矩能力增強(qiáng)電壓，就會引發(fā)電流保護(hù)措施。在選擇時一定要格外注意這方面情況，將變頻器的總?cè)萘刻嵘患夁M(jìn)行控制。使用矢量控制或是直接轉(zhuǎn)矩控制變頻器能夠在沒有電流的狀況下產(chǎn)生較高的啟動轉(zhuǎn)矩。

2.1 變頻器的容量選擇

變頻器的容量的構(gòu)成分別為額定電流、電動機(jī)功率以及額定容量三部分。在對其進(jìn)行選擇時，變頻器的額定電流是反映變頻裝置負(fù)載狀態(tài)的首要部分。負(fù)載電流不可以大于變頻器額定電流是選用變頻器容量的根本。變頻器額定功率一般按交流異步電動機(jī)功率一致選取。電動機(jī)的容量和級數(shù)以及它的額定電流都是不一樣的，因為電動機(jī)級數(shù)的增長，使得其額定電流增大。在選變頻器時不但要注意其效用和性能以外，還要選擇那種經(jīng)濟(jì)適用的類型，通常不需要預(yù)留出較多的功率余量，當(dāng)變頻器和電動機(jī)的功率互相配合時，大大提升了輸出波形的質(zhì)量，改善變頻器的控制程度。

2.2 聲光報警回路

變頻器報警輸出是將其常閉觸點(diǎn)串聯(lián)在接觸器的線圈電路內(nèi)，當(dāng)變頻器因故障不能正常工作時，報警輸出的常閉觸點(diǎn)動作，使接觸器線圈失電，將變頻器與電源斷開，進(jìn)行安全保護(hù)。為了保護(hù)報警輸出的觸點(diǎn)，在接觸器的線圈兩端，并聯(lián)阻容吸收電路（即RC震蕩電路）。同時其常開觸點(diǎn)閉合，將報警指示燈和電笛接通，進(jìn)行聲光報警。與此同時，控制繼電器得電，其觸點(diǎn)將聲光報警電路自鎖，使變頻器斷電后，聲光報警能持續(xù)下去，直到工作人員按下停止按鈕時報警才能解除。

2.3 制動控制回路

控制回路大都是控制模擬量的，每當(dāng)控制器收到一個輸入量時，就需要根據(jù)相關(guān)程序和算法測算出一個輸出量，如此輸入和輸出就形成了一個循環(huán)，這個循環(huán)就叫做控制回路?？刂苹芈贩珠_環(huán)和閉環(huán)兩種。開環(huán)控制回路是指輸出的數(shù)據(jù)跟輸入的數(shù)據(jù)沒有太大的關(guān)聯(lián)，輸出主要是結(jié)合實際情況擬定的。閉環(huán)控制回路是指輸出會根據(jù)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行反饋而決定的，兩者之間是相互聯(lián)系的。閉環(huán)回路控制在應(yīng)用上屬于較為普遍的方式。提升機(jī)負(fù)載的慣性通常是比較大的，如果變頻器的輸出頻率低到0Hz時，就會出現(xiàn)持續(xù)動作的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象被叫做蠕動現(xiàn)象，又叫做爬行現(xiàn)象，而在礦山提升機(jī)這樣的大型負(fù)載機(jī)械中，發(fā)生蠕動的情況會帶來非常嚴(yán)重的危害。所以，變頻器調(diào)速時一定要設(shè)計出能耗制動和直流制動的功能。

3 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

PLC的核心部分是微處理器，它包含著計算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)以及通信技術(shù)共同組成的新型、通用的自動控制裝置。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)提升機(jī)的多種作業(yè)形式，可以做到自動、半自動、手動、調(diào)驗繩等動作，而且還便于轉(zhuǎn)換，大大改良了提升時運(yùn)行穩(wěn)定的前提條件，在加減速度和等速以及爬行問題上有效的進(jìn)行了改善。

PLC根據(jù)運(yùn)行方式對變頻器實現(xiàn)S形速度給定控制，實現(xiàn)箕斗運(yùn)行速度的準(zhǔn)S形曲線。PLC還完成各種保護(hù)監(jiān)視功能。監(jiān)控內(nèi)容包括： 超速監(jiān)視、過卷監(jiān)視、實時速度監(jiān)視、井筒過卷監(jiān)視、變頻器故障監(jiān)視、礦車行程監(jiān)視、過載監(jiān)視、深度指示器監(jiān)視等，上述的監(jiān)視內(nèi)容一旦發(fā)生故障，就會通過報警回路報警或安全回路實現(xiàn)抱閘停車等保護(hù)措施。

4 PLC 控制程序概述和設(shè)計

可編程序控制器屬于專業(yè)的數(shù)字運(yùn)算控制裝置，能夠準(zhǔn)確執(zhí)行運(yùn)算、控制、定時、計數(shù)等多種運(yùn)行指令，并用數(shù)字式、模擬式的輸入與輸出來控制設(shè)備系統(tǒng)的生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骱拖嚓P(guān)設(shè)備設(shè)施都需要適用于工業(yè)生產(chǎn)情況，要使兩者相互配合成為一個主體系統(tǒng)，在設(shè)計原則上要使其具備一定的擴(kuò)充作用。

PLC控制主程序完成系統(tǒng)的初始化、自檢、故障診斷、調(diào)速系統(tǒng)控制及安全保護(hù)等一系列工作。當(dāng)系統(tǒng)正式啟動時，PLC首先進(jìn)行初始化，并對高速計數(shù)單元HSC0和HSC1進(jìn)行下面幾個操作步驟：寫控制字、定義工作模式、清零、寫設(shè)定值、設(shè)置定時中斷、連接中斷、啟動計數(shù)[4]，然后完成自檢和呈現(xiàn)提升機(jī)初始位置，當(dāng)接收到開車指令時，PLC轉(zhuǎn)入S形速度給定控制，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，當(dāng)PLC接收到傳感器、接近開關(guān)和變頻器故障等外部控制所傳出的信號時，PLC控制程序就會轉(zhuǎn)到對應(yīng)的中斷處理程序上，如此來完成超速保護(hù)、過卷、過載、松繩等保護(hù)及提升機(jī)位置、速度監(jiān)控、變頻器故障監(jiān)控等。當(dāng)故障發(fā)生時應(yīng)該將其轉(zhuǎn)到對應(yīng)的故障處理模塊上進(jìn)行故障清除工作，并且根據(jù)報警回路報警和安全回路實現(xiàn)抱閘停車保護(hù)措施。

5 變頻調(diào)速的發(fā)展以及在提升機(jī)系統(tǒng)中的運(yùn)用

一般的調(diào)速系統(tǒng)中的直流調(diào)速在控制上較為簡單，調(diào)速的精準(zhǔn)度較為準(zhǔn)確，因此使其一直處于主要核心部分，不過這種調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，而且過流力度不足，適用的場所有限，很難達(dá)到高速度化狀態(tài)，如此也就局限了該系統(tǒng)的使用范圍，阻礙了發(fā)展進(jìn)程。而對于交流調(diào)速來說它的好處和特性都很不錯，能夠適應(yīng)于各類工作環(huán)境；過流的能力也比一般調(diào)速系統(tǒng)的過流力高；結(jié)構(gòu)設(shè)計方便簡單；可以長期使用且不容易壞掉；維護(hù)工作也很便利等等?，F(xiàn)今，科學(xué)水平的提升以及電力電子元件的開發(fā)的不斷進(jìn)步，將很多的控制理論知識不斷融入到交流調(diào)速系統(tǒng)中，讓交流調(diào)速的性能能夠與直流調(diào)速的性能相比較，以不相上下的形式發(fā)展下去，也讓交流調(diào)速的使用規(guī)模與日俱增。近年來隨著電力電子技術(shù)的開發(fā)和DSP微處理器的出現(xiàn)，更是給交流調(diào)速系統(tǒng)帶來了很大的提升空間。短短幾十年間交流調(diào)速方式在最初的研究階段到使用階段一直持續(xù)的進(jìn)步著。

交流變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的發(fā)展總共被分為三個階段：其一，電壓/頻率恒定控制，該控制方法在低頻時定子電壓比較低，但是還不能夠無視定子的漏抗壓降，所以就需要手動提升電壓，來補(bǔ)充定子壓降的不足，負(fù)載情況的差異使得補(bǔ)充的定子壓降值也是不同的，在控制中具備了各種補(bǔ)充特性，來方便操作人員使用。其二，矢量變換控制，該控制的主要方式是仿照直流電動機(jī)控制來實行交流電動機(jī)控制，根據(jù)相關(guān)理論知識使它們兩者結(jié)合，改變磁場坐標(biāo)和電流，再將固定的坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，變成旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)后，交流控制就變?yōu)橹绷骺刂?。其三，直接轉(zhuǎn)矩控制，它巧妙地避開了矢量控制中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)和復(fù)雜的計算程序，直接在定子坐標(biāo)上進(jìn)行轉(zhuǎn)矩和磁通的計算，大大提升了控制性能。

提升機(jī)控制系統(tǒng)主要包括模擬技術(shù)轉(zhuǎn)向數(shù)字技術(shù)和全數(shù)字變頻技術(shù)。減速時運(yùn)用低頻發(fā)電制動手法，把系統(tǒng)的動能反映到電網(wǎng)上，跟以動制動減速效果相比，不光提高了調(diào)速性能，還讓減速到爬行正常過渡，而且節(jié)能性能相當(dāng)突出。在提升機(jī)控制系統(tǒng)中在靜張力差最高值的范圍內(nèi)可以做到正負(fù)力減速和爬行、驗繩等作業(yè)形式，合乎控制需求。

6 結(jié)束語

根據(jù)實際情況不難看出，PLC與變頻器結(jié)合的礦井提升機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)有著明顯的社會利益和經(jīng)濟(jì)利益，可以有效的提高提升機(jī)的工作性能，應(yīng)用上也較為方便，并且還有很高的節(jié)能效果。通過PLC和變頻器結(jié)合的方法，得到了較好的成果。解決了提升機(jī)在速度調(diào)節(jié)上的問題，滿足了節(jié)約能源和配合生產(chǎn)的需求和條件。結(jié)合PLC的實際功能和較好的人機(jī)界面以及通信能力上，很好地完成了司機(jī)在控制室對提升機(jī)的控制和參數(shù)的調(diào)節(jié)，克服了普通提升機(jī)的工作性能差和精準(zhǔn)度低的不足。還運(yùn)用PLC使控制回路的靈活性大大提高，發(fā)生故障時可以明確看到，而且便于維修、護(hù)理等諸多好處，有著較深的探索意義。

普通的提升機(jī)電控體系通過PLC和變頻器結(jié)合后，解決了原繼電器系統(tǒng)和接觸器、調(diào)速電阻不足的問題，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)更加安全可靠，且性價比大大增強(qiáng)，所控制的程序還可以根據(jù)實際情況進(jìn)行調(diào)改，在提升控制操作水平上有著較為廣泛的使用前景。變頻器調(diào)速系統(tǒng)在對提升機(jī)進(jìn)行控制時更加凸顯了它優(yōu)良的控制能力，簡易的操控過程，高效率的運(yùn)行能力和降低故障發(fā)生的能力等好處，如此在礦業(yè)提升機(jī)發(fā)展應(yīng)用中會更加突出。通過相關(guān)軟件進(jìn)行仿真實驗測算，結(jié)果表明該系統(tǒng)有著相當(dāng)優(yōu)異的動、靜態(tài)響應(yīng)的特點(diǎn)和輸出電壓或電流的大小不受影響的能力，以及在有電磁干擾的情況下，設(shè)備、系統(tǒng)、裝置的性能都不會出現(xiàn)下降的性能，所以也就非常適用于礦業(yè)發(fā)展的要求。

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