PLC與變頻器在礦井提升機調速系統中的應用

摘 要：目前我國礦井提升機中的主要系統，通常選用的是電器控制系統，用轉子串電阻調節速度，并由繼電器和接觸器組成的一種控制裝置。一般的提升機轉子串電阻調速電控系統具有很多的缺點，例如在控制上不夠簡單、明了；應用時可靠性較差；調節速度的效果較低等。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進行一定的改善，從而增強電控系統的整體效果，并對其安全性和可靠性，以及控制能力和速度調節上做出明顯改善。

關鍵詞：提升機；電控系統；PLC；變頻器

引言

提升機屬于大型的提升機械設備，通常使用較為廣泛的是礦井提升機，它所發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系，又被稱作是礦井的“咽喉”，所以必須要確保提升機在井道內的安全性能，避免在井道中突發意外事故，給工作人員帶來一定的危害，耽誤工作正常運行。傳統的礦井提升機控制系統大多都是選用繼電器和接觸器組成的控制系統，但是，由于該控制系統有很多不完善的地方，使用性能和維護性能都比較差，所以導致了其很難跟上現今礦業發展的前進腳步。綜上所述，這種傳統的繼電器控制系統會逐漸地消失，而新式的PLC與變頻器控制系統將會成為新的發展方向。文章從安全、可靠、高效、經濟等幾個方面為主要出發點進行改革。

據統計，我國現在所使用的礦井提升機大多數是選擇那種傳統的交流電控制系統[1]。該電控系統在起動和調速換擋時電流的沖擊力過大，屬于有級調速，且調速的平滑性較差，速度低時機械特性綿軟，靜差率較大，而且容易發生機械故障，節能效果低。為了改善傳統交流繞線式轉子異步電動機串電阻調速系統上的不足[2]，通過PLC和變頻器合二為一的控制措施針對傳統電控系統實行完善處理，使提升電動機較為廣泛區域中的無極平滑調速得到了很好的改善，并且在機器運行時可以結合電動機的實際使用狀況，來確保電動機一直正常有序的進行運轉，而且這樣的控制系統還非常適用于環境較為惡劣的工作場地，還具有相當優良的節能省電性能。PLC、變頻調速電控系統的好處還有很多，比如它可以提高生產工作效率；具有較強的調速功能；減少機械設備帶來的沖擊；降低電機定子、轉子的溫度，從而大大避免了電機運行時因為溫度過高所造成的機械故障等問題；系統較為自動化，保護設施完善，安全性能較高，如此也有效的降低了工作人員的錯誤發生率。因此，選擇PLC與變頻器來增強系統的安全性能與可控性能，會使整個體系變得越發好用穩定。總而言之，PLC、變頻調速一定會是未來提升機電控系統的總體趨勢。

1 總體設計

PLC 控制的大功率礦井提升機變頻調速控制系統由動力裝置、液壓站、變頻器、操作臺和控制監視系統所構成的，系統框圖如圖1 所示。

動力裝置主要有主電機、減速器、卷筒、制動器和底座，完成人、物、料的運輸作業。使主電機經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、驅動電機、油箱、方向閥、節流閥、溢流閥等元件所構成的液壓裝置。根據驅動裝置液體的流向和壓力向其提供油液，其適用范圍較廣，在驅動裝置和液壓站分離的各類設備上都能夠使用，將兩者用油管連接起來，液壓系統就可以完成所規定的動作。液壓系統的使用原因是該系統在動力輸送時用途較廣，且工作效率高，整體構造簡單、實用。

變頻器是變換電源頻率的裝置，應用最多的是“交-直-交”變頻器，其主要結構可分為四部分：（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晶體管排列構成電子開關，使直流電轉換為其他頻率和幅度可控的方波信號；（4）控制器，其主要作用是根據所設的程序運行，控制輸出方波的狀態，讓其疊加成與正弦波相似的交流電，并驅動交流電動機。

操作臺：其結構必須要易于操作，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以及信號聯絡按鈕等。中間指示臺需要有運行參數顯示儀表、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系統的重要組成部分，透過它能夠設定工作方法以及控制方法，能夠向工作區域傳達工作指示和細致部署，從而達到對提升機的正常運作、運轉速度、結束以及緊急制動等情況進行很好的指示和控制。

控制監視系統：該系統是操作人員和控制系統以及輸送系統三者間的紐帶，它能夠實時監測提升機輸送系統在工作過程中出現的各類狀況，做到充分且及時的了解到實際情況，整個控制功能和調速都是由軟件控制，當控制參數確定后，就不可更改，且控制的精準度高，工作性能穩定，一旦出現問題可以很好的對其進行相應的處理。

控制系統工作原理：當開車人員接收到開車指令，并啟動開始按鈕，這時所呈現的內部狀態是把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，此時提升機才開始正式運行，司機可以通過指示燈和顯示儀表確切了解提升機的具體運行情況和運行參數。在提升機工作時，提升機運行的主速度給定控制為S形曲線，由PLC控制，經過A/D轉換，從模擬量輸出口輸出，以驅動變頻器工作。變頻器的輸出頻率可以以實際需要進行更改，以操作臺的速度控制手柄給予輔助作用的方式進行。旋轉編碼器能夠測出電動機的運轉速度，把該信號輸入到調速控制計算機[3]，PLC會根據相關信號累計計算出提升機的具體速度和運行距離，監視器會一直不間斷的觀察提升機的速度和方位。

2 變頻調速主電路設計和選擇

變頻器可以輸出頻率可調的交流電源，在變頻器的控制輸入單元中接入頻率設定電路，該系統中通過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發生故障時控制提升機使其進入安全保護狀態。為了更好的保證人員和設備的安全，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視作用，不管是什么地方出現故障，都能夠準確的實施安全制動和警報功能，更有效地對控制系統進行安全保護，使其在提升機使用中占據了較為主要的優勢。變頻調速主控電路如圖2所示。變頻器在選擇時應該多注意其負載性能，明確提升機的負載能力。因為有關于恒轉矩負載的設備都存在靜摩擦力，所負載的慣性力較大，運轉時需要充足的啟動轉矩。變頻器具備低頻轉矩提升能力和短時過流能力。通常低速負載嚴重時，想提升轉矩能力增強電壓，就會引發電流保護措施。在選擇時一定要格外注意這方面情況，將變頻器的總容量提升一級進行控制。使用矢量控制或是直接轉矩控制變頻器能夠在沒有電流的狀況下產生較高的啟動轉矩。

2.1 變頻器的容量選擇

變頻器的容量的構成分別為額定電流、電動機功率以及額定容量三部分。在對其進行選擇時，變頻器的額定電流是反映變頻裝置負載狀態的首要部分。負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功率一致選取。電動機的容量和級數以及它的額定電流都是不一樣的，因為電動機級數的增長，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，還要選擇那種經濟適用的類型，通常不需要預留出較多的功率余量，當變頻器和電動機的功率互相配合時，大大提升了輸出波形的質量，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串聯在接觸器的線圈電路內，當變頻器因故障不能正常工作時，報警輸出的常閉觸點動作，使接觸器線圈失電，將變頻器與電源斷開，進行安全保護。為了保護報警輸出的觸點，在接觸器的線圈兩端，并聯阻容吸收電路（即RC震蕩電路）。同時其常開觸點閉合，將報警指示燈和電笛接通，進行聲光報警。與此同時，控制繼電器得電，其觸點將聲光報警電路自鎖，使變頻器斷電后，聲光報警能持續下去，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，每當控制器收到一個輸入量時，就需要根據相關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，這個循環就叫做控制回路。控制回路分開環和閉環兩種。開環控制回路是指輸出的數據跟輸入的數據沒有太大的關聯，輸出主要是結合實際情況擬定的。閉環控制回路是指輸出會根據輸入數據進行反饋而決定的，兩者之間是相互聯系的。閉環回路控制在應用上屬于較為普遍的方式。提升機負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，就會出現持續動作的現象，這種現象被叫做蠕動現象，又叫做爬行現象，而在礦山提升機這樣的大型負載機械中，發生蠕動的情況會帶來非常嚴重的危害。所以，變頻器調速時一定要設計出能耗制動和直流制動的功能。

3 PLC控制系統設計

PLC的核心部分是微處理器，它包含著計算機技術、自動控制技術以及通信技術共同組成的新型、通用的自動控制裝置。該系統能夠實現提升機的多種作業形式，可以做到自動、半自動、手動、調驗繩等動作，而且還便于轉換，大大改良了提升時運行穩定的前提條件，在加減速度和等速以及爬行問題上有效的進行了改善。

PLC根據運行方式對變頻器實現S形速度給定控制，實現箕斗運行速度的準S形曲線。PLC還完成各種保護監視功能。監控內容包括： 超速監視、過卷監視、實時速度監視、井筒過卷監視、變頻器故障監視、礦車行程監視、過載監視、深度指示器監視等，上述的監視內容一旦發生故障，就會通過報警回路報警或安全回路實現抱閘停車等保護措施。

4 PLC 控制程序概述和設計

可編程序控制器屬于專業的數字運算控制裝置，能夠準確執行運算、控制、定時、計數等多種運行指令，并用數字式、模擬式的輸入與輸出來控制設備系統的生產過程。可編程序控制器和相關設備設施都需要適用于工業生產情況，要使兩者相互配合成為一個主體系統，在設計原則上要使其具備一定的擴充作用。

PLC控制主程序完成系統的初始化、自檢、故障診斷、調速系統控制及安全保護等一系列工作。當系統正式啟動時，PLC首先進行初始化，并對高速計數單元HSC0和HSC1進行下面幾個操作步驟：寫控制字、定義工作模式、清零、寫設定值、設置定時中斷、連接中斷、啟動計數[4]，然后完成自檢和呈現提升機初始位置，當接收到開車指令時，PLC轉入S形速度給定控制，在系統運行過程中，當PLC接收到傳感器、接近開關和變頻器故障等外部控制所傳出的信號時，PLC控制程序就會轉到對應的中斷處理程序上，如此來完成超速保護、過卷、過載、松繩等保護及提升機位置、速度監控、變頻器故障監控等。當故障發生時應該將其轉到對應的故障處理模塊上進行故障清除工作，并且根據報警回路報警和安全回路實現抱閘停車保護措施。

5 變頻調速的發展以及在提升機系統中的運用

一般的調速系統中的直流調速在控制上較為簡單，調速的精準度較為準確，因此使其一直處于主要核心部分，不過這種調速系統的結構相當復雜，而且過流力度不足，適用的場所有限，很難達到高速度化狀態，如此也就局限了該系統的使用范圍，阻礙了發展進程。而對于交流調速來說它的好處和特性都很不錯，能夠適應于各類工作環境；過流的能力也比一般調速系統的過流力高；結構設計方便簡單；可以長期使用且不容易壞掉；維護工作也很便利等等。現今，科學水平的提升以及電力電子元件的開發的不斷進步，將很多的控制理論知識不斷融入到交流調速系統中，讓交流調速的性能能夠與直流調速的性能相比較，以不相上下的形式發展下去，也讓交流調速的使用規模與日俱增。近年來隨著電力電子技術的開發和DSP微處理器的出現，更是給交流調速系統帶來了很大的提升空間。短短幾十年間交流調速方式在最初的研究階段到使用階段一直持續的進步著。

交流變頻調速控制系統的發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，來補充定子壓降的不足，負載情況的差異使得補充的定子壓降值也是不同的，在控制中具備了各種補充特性，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控制來實行交流電動機控制，根據相關理論知識使它們兩者結合，改變磁場坐標和電流，再將固定的坐標進行轉換，變成旋轉坐標后，交流控制就變為直流控制。其三，直接轉矩控制，它巧妙地避開了矢量控制中的坐標轉換環節和復雜的計算程序，直接在定子坐標上進行轉矩和磁通的計算，大大提升了控制性能。

提升機控制系統主要包括模擬技術轉向數字技術和全數字變頻技術。減速時運用低頻發電制動手法，把系統的動能反映到電網上，跟以動制動減速效果相比，不光提高了調速性能，還讓減速到爬行正常過渡，而且節能性能相當突出。在提升機控制系統中在靜張力差最高值的范圍內可以做到正負力減速和爬行、驗繩等作業形式，合乎控制需求。

6 結束語

根據實際情況不難看出，PLC與變頻器結合的礦井提升機調速控制系統有著明顯的社會利益和經濟利益，可以有效的提高提升機的工作性能，應用上也較為方便，并且還有很高的節能效果。通過PLC和變頻器結合的方法，得到了較好的成果。解決了提升機在速度調節上的問題，滿足了節約能源和配合生產的需求和條件。結合PLC的實際功能和較好的人機界面以及通信能力上，很好地完成了司機在控制室對提升機的控制和參數的調節，克服了普通提升機的工作性能差和精準度低的不足。還運用PLC使控制回路的靈活性大大提高，發生故障時可以明確看到，而且便于維修、護理等諸多好處，有著較深的探索意義。

普通的提升機電控體系通過PLC和變頻器結合后，解決了原繼電器系統和接觸器、調速電阻不足的問題，系統整體結構更加安全可靠，且性價比大大增強，所控制的程序還可以根據實際情況進行調改，在提升控制操作水平上有著較為廣泛的使用前景。變頻器調速系統在對提升機進行控制時更加凸顯了它優良的控制能力，簡易的操控過程，高效率的運行能力和降低故障發生的能力等好處，如此在礦業提升機發展應用中會更加突出。通過相關軟件進行仿真實驗測算，結果表明該系統有著相當優異的動、靜態響應的特點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，設備、系統、裝置的性能都不會出現下降的性能，所以也就非常適用于礦業發展的要求。

參考文獻

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