基于PLC 的礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計研究

武建軍

（陽煤集團(tuán)興峪煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 陽泉 045000）

引言

礦用提升機(jī)在煤炭行業(yè)的應(yīng)用較為廣泛，傳統(tǒng)提升機(jī)的控制系統(tǒng)多由繼電器、接觸器等電器元件組成，速度調(diào)節(jié)主要由電機(jī)供電線路中的可變電阻實(shí)現(xiàn)，控制靈敏度差、耗電量高，而且工作過程經(jīng)常出現(xiàn)故障，不利于煤礦產(chǎn)量的進(jìn)一步提升[1-3]。PLC即可編程邏輯控制器，在工程機(jī)械控制系統(tǒng)中的應(yīng)用表現(xiàn)出了眾多優(yōu)勢，也得到了各界人士的廣泛認(rèn)可[4-6]。本文針對傳統(tǒng)礦用提升機(jī)控制系統(tǒng)存在的問題，開展基于PLC 礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計研究工作。

1 礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)的組成

提升機(jī)控制系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

1.1 PLC 控制單元

提升機(jī)控制系統(tǒng)中的PLC 邏輯控制單元，具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，通過接收提升機(jī)驅(qū)動電機(jī)、卷筒等編碼器數(shù)據(jù)，即可得到對應(yīng)的轉(zhuǎn)速及旋轉(zhuǎn)位置的數(shù)據(jù)，并與目標(biāo)值進(jìn)行對比分析，之后再通過A/D轉(zhuǎn)換向變頻器發(fā)出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩要求，使提升機(jī)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。也可以對液壓站的壓力、潤滑站的溫度等信號進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換，輸入至PLC 控制單元，借助上位機(jī)界面實(shí)現(xiàn)提升機(jī)運(yùn)行狀況的實(shí)時監(jiān)控。

圖1 提升機(jī)控制系統(tǒng)框圖

1.2 變頻器

變頻器主要是接收PLC 控制單元輸出的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩值，轉(zhuǎn)換成為矢量控制電壓完成電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的控制，同時，根據(jù)PLC 控制單元發(fā)出的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的方向信號，實(shí)現(xiàn)提升機(jī)升降的控制。變頻器內(nèi)部自帶過流保護(hù)、過載保護(hù)、過壓欠壓保護(hù)等功能，工作過程中能夠起到保護(hù)提升機(jī)的作用。提升機(jī)開始工作時，變頻器的輸出轉(zhuǎn)矩達(dá)到一定值之后其機(jī)械抱閘才打開，電極開始運(yùn)轉(zhuǎn)，提升機(jī)停止工作時，機(jī)械抱閘抱死之后變頻器輸出轉(zhuǎn)矩逐漸降低，避免了提升機(jī)運(yùn)行過程中的溜車問題。

1.3 操作臺

提升機(jī)操作臺作為人機(jī)交互的樞紐，是完成提升機(jī)控制信號設(shè)置的窗口，其中包括工作模式的選擇，即半自動控制模式或者手動控制模式。提升機(jī)工作之前可以運(yùn)用操控手柄和操作面板完成指定運(yùn)動規(guī)律的設(shè)定，以滿足實(shí)際工作的要求。為了防止提升機(jī)使用過程中出現(xiàn)故障問題造成傷亡事故，操作臺為操作人員設(shè)計了自動驗(yàn)繩、松繩和緊急制動等按鈕。

1.4 上位機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)

上位機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)主要完成提升機(jī)工作過程的監(jiān)視工作，包括提升位置、升降模式、故障情況等，能夠儲存提升機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)，對于后續(xù)提升機(jī)運(yùn)行狀況的追溯以及運(yùn)行故障的排查具有重要的意義。

1.5 安全保護(hù)

PLC 控制系統(tǒng)中的安全保護(hù)功能齊全，提升機(jī)工作過程中一旦發(fā)生故障，控制系統(tǒng)能夠立刻做出判斷，對于超度和過載的情況，控制系統(tǒng)能夠立即發(fā)出提升機(jī)停車的信號，使提升機(jī)緩慢停止運(yùn)轉(zhuǎn)；對于突發(fā)的停電問題，防止提升機(jī)溜車，控制系統(tǒng)優(yōu)先啟動機(jī)械抱閘，保證運(yùn)行安全；控制系統(tǒng)通過壓力傳感器和溫度傳感器可以實(shí)時監(jiān)視液壓站的運(yùn)行狀態(tài)，出現(xiàn)異常及時報警，并發(fā)出緊急制動信號，確保提升機(jī)安全運(yùn)行。

2 提升機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計

2.1 供電電路

提升機(jī)控制系統(tǒng)的供電電源來源于電網(wǎng)的380 V交流電，同時系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置一個蓄電池，用于突然斷電時為控制系統(tǒng)提供短暫的電能?？刂葡到y(tǒng)斷電之后將會啟動直流電源，直流電壓通過中間逆變器轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?，保證提升機(jī)控制系統(tǒng)的短暫可靠運(yùn)行?？刂葡到y(tǒng)的供電電路如圖2 所示。

圖2 控制系統(tǒng)的供電電路

2.2 安全保護(hù)回路

控制系統(tǒng)中的安全回路對于提升機(jī)的安全可靠運(yùn)行至關(guān)重要，同時也與工作人員的安全息息相關(guān)。系統(tǒng)中設(shè)計兩條安全回路，第一條是未經(jīng)過PLC 邏輯控制器，直接由繼電器硬件實(shí)現(xiàn)提升機(jī)運(yùn)行安全的保障；第二條是由PLC 邏輯控制器中的安全保護(hù)程序?qū)崿F(xiàn)提升機(jī)運(yùn)行安全的保障。提升機(jī)運(yùn)行過程中的故障類型較為復(fù)雜，故障信號較多，PLC 控制系統(tǒng)需要對接收的故障信號進(jìn)行判別，如果是重大故障信號，系統(tǒng)將會優(yōu)先通過繼電器硬件保護(hù)提升機(jī)，完成緊急制動，同時由PLC 切斷變頻器工作信號，打開PLC 邏輯控制單元內(nèi)部的安全制動程序，對提升機(jī)進(jìn)行雙重保護(hù)制動。如果是輕微故障信號，通常是由PLC 邏輯控制單元中的安全保護(hù)程序?qū)μ嵘龣C(jī)進(jìn)行故障處理，包括是否進(jìn)行制動處理與何時進(jìn)行制動處理。

2.3 信號采集回路

2.3.1 行程開關(guān)

井筒作為提升機(jī)中極其重要的運(yùn)行部件，為了保證其運(yùn)行的安全，根據(jù)其工作特點(diǎn)及運(yùn)動過程，總共為其設(shè)計十個行程開關(guān)，分別安裝于上下過卷位置、上下終端位置、上下減速點(diǎn)位置、上下深度校驗(yàn)位置、中間兩個深度校驗(yàn)位置。

2.3.2 溫度、壓力傳感器

提升機(jī)正常運(yùn)行需要液壓站和潤滑站的保障，因此相關(guān)的液壓回路內(nèi)部液壓油的溫度、壓力等需要進(jìn)行監(jiān)視，系統(tǒng)中設(shè)置了油溫、油壓檢測傳感器用于監(jiān)視液壓站和潤滑站的工作狀況。

2.3.3 編碼器及信號采集

控制系統(tǒng)對于提升機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速、卷筒轉(zhuǎn)速和天輪轉(zhuǎn)速的采集通過編碼器完成，以此監(jiān)視各軸的運(yùn)行狀態(tài)，與此同時，結(jié)合科學(xué)的計算方法完成提升機(jī)位置的監(jiān)視。編碼器的應(yīng)用提高了提升機(jī)位置監(jiān)視的準(zhǔn)確性，并將位置與轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)，使操作人員能夠準(zhǔn)確掌握提升機(jī)的運(yùn)行狀況，更好地控制提升機(jī)的運(yùn)行。

3 礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計

3.1 總體控制程序

提升機(jī)總體運(yùn)行過程由PLC 邏輯控制單元內(nèi)部主程序控制，實(shí)現(xiàn)提升機(jī)各種運(yùn)動狀態(tài)、故障診斷處理、數(shù)據(jù)采集等功能。在PLC 邏輯控制單元正常工作過程中，始終循環(huán)執(zhí)行控制信號→提升機(jī)控制→信號采集反饋→提升機(jī)控制的程序，同時，每次進(jìn)行提升機(jī)運(yùn)動控制時需要判別是否存在故障問題，當(dāng)PLC 邏輯控制單元接收到故障信息時，總體控制程序?qū)舫錾鲜鲅h(huán)程序，開始運(yùn)行故障處理程序。

3.2 故障診斷處理控制程序

當(dāng)PLC 邏輯控制單元檢測得到提升機(jī)故障信號時亦或內(nèi)部計算判斷提升機(jī)存在故障時，系統(tǒng)內(nèi)部故障處理程序?qū)收线M(jìn)行分析，通過控制輸出端繼電器實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的保護(hù)動作。故障及保護(hù)主要涉及到提升機(jī)上下過卷的保護(hù)、液壓站和潤滑站的過壓過溫保護(hù)、提升機(jī)電機(jī)的過欠壓保護(hù)、信號檢測傳感器失效保護(hù)、提升運(yùn)動超速保護(hù)、制動系統(tǒng)故障保護(hù)、松繩故障保護(hù)、變頻器故障保護(hù)等。

3.3 模擬量采集程序

PLC 邏輯控制單元接收的是模擬量信號，包括制動油、潤滑油的壓力和溫度等，經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，控制程序進(jìn)行數(shù)字量與設(shè)定值的比對，如果數(shù)值出現(xiàn)超差現(xiàn)象，就會發(fā)出告警信號。

3.4 上位機(jī)軟件

PLC 邏輯控制系統(tǒng)的上位機(jī)界面主要包括設(shè)備操控界面、故障報警顯示界面、提升機(jī)運(yùn)行參數(shù)設(shè)定界面、運(yùn)行數(shù)據(jù)調(diào)用界面等。其中設(shè)備操控界面能夠顯示提升機(jī)當(dāng)前運(yùn)行的位置、速度、油溫、油壓等，一旦提升機(jī)運(yùn)行參數(shù)出現(xiàn)異常，故障報警顯示界面就會發(fā)出報警信號，警示燈變紅并發(fā)出聲音；提升機(jī)目標(biāo)參數(shù)的設(shè)定通過參數(shù)設(shè)定界面完成，如其運(yùn)動的速度、升降、油溫油壓、報警閾值等，設(shè)置后啟動提升機(jī)，系統(tǒng)將提升機(jī)正常運(yùn)行記錄進(jìn)行存儲，用于工作人員查詢故障，分析速度、溫度等的變化趨勢，指導(dǎo)工作人員對設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)。

4 結(jié)論

實(shí)踐表明，基于PLC 設(shè)計的礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性高、人機(jī)交互操作方便、故障排除高效，為煤礦企業(yè)帶來了極為可觀的經(jīng)濟(jì)效益。