基于PLC的礦井提升機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李偉，郭曉偉，溫迎飛

（黃河科技學(xué)院 河南 鄭州 450063）

礦井提升機(jī)是提升系統(tǒng)中最主要的組成部分，與此同時(shí)也是采礦工業(yè)中的必要設(shè)備。科技的進(jìn)步使人們對(duì)采礦業(yè)的安全性，可靠性以及生產(chǎn)力都有了新的認(rèn)識(shí)，不僅僅局限與以前傳統(tǒng)的方式，對(duì)其有了全新的了解和要求。模擬技術(shù)，數(shù)字技術(shù)和微控制技術(shù)的迅速發(fā)展，以及各種微控制芯片的性能提升其在提升機(jī)的應(yīng)用中優(yōu)勢(shì)逐漸凸顯，并且越來越受到工程師的青睞。

本文的研究目的是對(duì)原有的國(guó)內(nèi)大多數(shù)提升機(jī)所采用的轉(zhuǎn)子回路串電阻分段控制的交流繞線式電機(jī)繼電器部分的系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，把變頻調(diào)速和電腦控制技術(shù)應(yīng)用在提升機(jī)控制系統(tǒng)中，使提升機(jī)運(yùn)行的可靠性和安全性得到提高。研究?jī)?nèi)容包括通過編制PLC程序來實(shí)現(xiàn)通過開關(guān)量邏輯控制指令代替繼電器電路的功能，PLC通過模擬量模塊來實(shí)現(xiàn)A/D和D/A轉(zhuǎn)換的應(yīng)用，變頻器在交-直-交變頻調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用等。

1 系統(tǒng)分析

1.1 礦井提升機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

礦井提升機(jī)主要由電動(dòng)機(jī)、主軸裝置、減速器、深度指示系統(tǒng)、液壓制動(dòng)系統(tǒng)、卷筒（或摩擦輪）、電控系統(tǒng)、速度系統(tǒng)和操縱系統(tǒng)等部分組成，并且采用交流或直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)[1]。系統(tǒng)具體組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成圖Fig.1 The system composition diagram

提升機(jī)的工作過程一般分為起動(dòng)時(shí)的初加速，然后勻速，結(jié)尾減速以及上行爬坡和停止這幾種情況。同時(shí)在礦井提升系統(tǒng)之中，我們應(yīng)該遵循著“安全、可靠、經(jīng)濟(jì)”的設(shè)計(jì)原則[2]?！鞍踩浴笔侵府?dāng)出現(xiàn)故障的時(shí)候，我們要確保把系統(tǒng)引入到安全狀態(tài)，一般是指安全制動(dòng)，也就是我們通常所說的“故障安全”。而“可靠性”是指在要求的規(guī)定時(shí)間內(nèi)，使得系統(tǒng)在保持長(zhǎng)時(shí)間正常工作狀態(tài)的同時(shí)，怎樣才能把系統(tǒng)故障率降到最低。但對(duì)提升系統(tǒng)來說，這就需要較高的工作可靠性，也就是說使提升容器按要求快速、準(zhǔn)確地送到指定位置，確保其高效長(zhǎng)期的運(yùn)行。但在保證提升系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行的前提的同時(shí)，提高系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量，減小操作難度和維修時(shí)間，延長(zhǎng)系統(tǒng)的服務(wù)時(shí)間，也是有必要的。

1.2 提升機(jī)對(duì)控制系統(tǒng)的要求

為了保持其運(yùn)行期間的可靠程度提升機(jī)的首要條件就是，在生產(chǎn)過程中選用滿足工藝要求的速度圖和力圖。與此同時(shí)合格的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的功耗也會(huì)相應(yīng)的降低。

1）對(duì)提升機(jī)的受力進(jìn)行分析

直線運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程表達(dá)式為：

各字母含義：F—提升機(jī)在某一階段所受的力，單位：N；Fc—提升機(jī)的靜阻力（包括車子自重、提升機(jī)的重量和牽引繩重），單位：N；M—把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的部位的零件等和到在直線運(yùn)動(dòng)中的變位質(zhì)量，單位：kg；a—各階段的加速度與減速度值，單位：m/s2。

當(dāng) a=0 時(shí)，F(xiàn)=Fc， 勻速運(yùn)行；a＞0 時(shí)，F(xiàn)＞Fc， 加速運(yùn)行；a＜0時(shí)，F(xiàn)＜Fc，減速運(yùn)行。根據(jù)以上分析，F(xiàn)=f（t）的力圖如圖 2 所示。

圖2 提升機(jī)力圖Fig.2 Hoist Nexuiz diagram

2）提升機(jī)的速度要求

如圖3所示，為提升機(jī)的五段速示意圖，分別為：

①主加速階段t1

②勻速階段t2

③主減速階段t3

④爬行階段t4

⑤停車階段t5

圖3 提升機(jī)速度圖Fig.3 Hoist speed diagram

不同階段有不同的速度與加速度要求，圖3速度數(shù)值為假定值。

1.3 礦井提升機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)方案

在本次設(shè)計(jì)之中，我們對(duì)傳統(tǒng)的電控系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，特別是采用了PLC與變頻器相結(jié)合的控制方案。通過改變定子的供電頻率而進(jìn)行變頻調(diào)速，實(shí)現(xiàn)了在較大范圍內(nèi)的平滑變速，在電機(jī)運(yùn)行過程中，根據(jù)實(shí)際情況所加的負(fù)載，控制電機(jī)在最佳的狀態(tài)運(yùn)行，在滿足節(jié)電效果的同時(shí)亦滿足了該系統(tǒng)的復(fù)雜工作環(huán)境要求。PLC是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)和監(jiān)控，使其工作在穩(wěn)定安全的狀態(tài)。因此，本次設(shè)計(jì)選用交流電動(dòng)機(jī)交-直-交變頻調(diào)速系統(tǒng)。

2 基于PLC的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 PLC的簡(jiǎn)介

可編程控制器即（PLC）是以微處理技術(shù)為基礎(chǔ)同時(shí)用半導(dǎo)體器件集成技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)以及自動(dòng)控制，現(xiàn)代通信技術(shù)等現(xiàn)代科技綜合在一塊，進(jìn)而發(fā)展的新型工業(yè)自動(dòng)控制裝置。其結(jié)構(gòu)圖如圖4。

圖4 PLC結(jié)構(gòu)圖Fig.4 The PLCstructure

2.2 PLC在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

PLC在現(xiàn)代化的生產(chǎn)生活中起著越來越重要的作用，開發(fā)人員通過軟件編程可構(gòu)成邏輯控制系統(tǒng)，使得控制線路大大簡(jiǎn)化，且柔韌性強(qiáng)，控制功能多。因此，發(fā)展前景時(shí)候分好，而且應(yīng)用廣泛。在PLC的輸入/輸出回路之中，程序可以循環(huán)掃描，并且有故障檢測(cè)和診斷程序，可靠性十分高。

圖5 PLC控制系統(tǒng)框圖Fig.5 Block diagram of the PLCcontrol system

如圖5所示為其控制系統(tǒng)，與繼電器相比在輸入和輸出端有很多的相似之處，不同的是它們是直接接到PLC的輸入和輸出端。控制程序其實(shí)就是程序通過編輯器燒錄進(jìn)可編程控制器的程序。軟件中的語句確定它在程序中的運(yùn)行順序，當(dāng)在運(yùn)行的時(shí)候從內(nèi)存中讀取程序語句，按照規(guī)則進(jìn)行一步步的執(zhí)行，并把結(jié)果送到輸出設(shè)備，通過外接器件進(jìn)而控制設(shè)備。當(dāng)需要進(jìn)行修改時(shí)，僅僅只要修改程序，不用更改硬件設(shè)備。編程邏輯控制器的低復(fù)雜度，高可靠性便捷性還有高效率，使其在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越普遍。

2.3 PLC控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

基于PLC的礦井提升機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)主要由動(dòng)力裝置、液壓站、變頻器、操作臺(tái)和監(jiān)控系統(tǒng)等組成，其系統(tǒng)框圖如圖6所示。

圖6 控制系統(tǒng)框圖Fig.6 Block diagram of control system

基于PLC的控制系統(tǒng)工作原理：首先，做好準(zhǔn)備工作和安全措施，當(dāng)聽到開車信號(hào)的時(shí)候，按下啟動(dòng)按鈕。這時(shí)，PLC控制把380 V的動(dòng)力電源接入變頻器。然后，把液壓制動(dòng)閘松開，同時(shí)將主令控制器推到正向，這個(gè)時(shí)候，提升機(jī)開始運(yùn)行工作。在運(yùn)行的過程之中，提升機(jī)系統(tǒng)的速度控制由PLC編程來實(shí)現(xiàn)，并經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)，再經(jīng)輸出模塊輸出，驅(qū)動(dòng)變頻器工作。而變頻器的輸出頻率控制，可以由操作臺(tái)的速度控制手柄來調(diào)節(jié)。在旋轉(zhuǎn)編碼器中，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度可以輕易地被我們檢測(cè)到，并將結(jié)果發(fā)送給可編程控制器，這時(shí)，PLC則可以通過結(jié)果分析提升機(jī)的速度和行走距離，而監(jiān)視器也可以同步顯示提升機(jī)的速度和位置[3-4]。

3 變頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 變頻器簡(jiǎn)介

變頻器是把工頻電源變成不同種頻率的電能控制裝置。在本設(shè)計(jì)之中，采用的是交-直-交方式（VVVF變頻或矢量控制變頻）變頻器，可以把交流電通過整流器先變換成直流電，然后再利用三相逆變器，將直流電變換成可變電壓和頻率的交流電，提供給電動(dòng)機(jī)[5]。其中，變頻器電路由4個(gè)部分組成，包括整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制。整流部分是三相橋式的不可控整流器，逆變部分是三相橋式逆變器，并且輸出PWM波形，中間的直流環(huán)節(jié)是濾波、直流儲(chǔ)能和緩沖無功功率[6]。

3.2 變頻器主控電路

變頻調(diào)速主電路采用380 V電源。且輸出為頻率可調(diào)的的交流電源，在變頻器的控制輸入回路中接入頻率改變電路.變頻器的頻率通過PLC的輸出電壓信號(hào)來控制。在外圍電路中增加聲光報(bào)警控制部分，實(shí)現(xiàn)其預(yù)定的故障提醒和安全制動(dòng)，根據(jù)要求設(shè)計(jì)調(diào)速控制電路如圖7所示。

4 PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)的任務(wù)就是編寫出能滿足生產(chǎn)控制要求的PLC用戶應(yīng)用程序，即繪制出梯形圖、編制出指令語句表。

PLC控制程序設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)的程序核心主要有PLC和上位機(jī)構(gòu)成，所以，PLC和上位機(jī)的軟件組成架構(gòu)非常重要。PLC主要實(shí)現(xiàn)提升機(jī)的初加速，勻速，結(jié)尾減速以及上行爬坡和停止這幾種情況的信號(hào)采集和過程控制。上位機(jī)是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和運(yùn)算。一旦故障出現(xiàn)，對(duì)故障進(jìn)行分析和記憶。系統(tǒng)控制程序流程圖如圖8所示。

圖7 變頻調(diào)速主電路圖Fig.7 Frequency conversion speed regulation The main circuit diagram

圖8 控制程序流程圖Fig.8 Control program flow chart

5 結(jié) 論

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一套基于PLC控制的礦井提升機(jī)系統(tǒng)，包含了控制臺(tái)，變頻模塊，電源模塊，動(dòng)力模塊和PLC模塊，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的速度調(diào)節(jié)，適應(yīng)了現(xiàn)代工業(yè)要求的能源節(jié)約和效率提升的要求?？朔藗鹘y(tǒng)繼電器的安全性不高，性價(jià)比較低的缺點(diǎn)，其軟件程序根據(jù)實(shí)際情況由編程人員及時(shí)修改，最大限度的滿足實(shí)際生產(chǎn)要求。其特有的變頻調(diào)速系統(tǒng)在使用中減少了傳統(tǒng)的機(jī)械沖擊，使提升機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)可靠。簡(jiǎn)便的操作，高效率的運(yùn)行方式，更小維護(hù)投入讓該系統(tǒng)在同類產(chǎn)品中具有明顯的優(yōu)勢(shì)，也是今后該類行業(yè)的一個(gè)新的方向。

[1]呂淑然，苑占永.礦山井下作業(yè)應(yīng)知應(yīng)會(huì)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社 ，2009.

[2]王朝暉.礦井提升系統(tǒng)新技術(shù)及裝備[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1999.

[3]董愛華.可編程控制器原理及應(yīng)用[M].北京：中國(guó)電力出版社，2009.

[4]欒振輝，廖玲利.煤礦機(jī)械PLC控制技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[5]毛金良.變頻調(diào)速控制系統(tǒng)在礦井提升機(jī)中的應(yīng)用[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2012（4）:141-143.MAO Jin-liang.The variable frequency speed control system applied in mine hoist[J].Electrical and mechanical product development，2012（4）:141-143.

[6]呂汀，施紅梅．變頻技術(shù)原理與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.