液壓提升機控制系統研究與改進

周 慧

（山西焦煤西山煤電官地煤礦職教中心， 山西 太原 030022）

1 液壓提升機控制系統原理及存在不足

1.1 繼電器控制系統

我國煤礦提升機常用的控制系統控制方式為接線程序控制，其核心功能部件是由若干個接觸器和繼電器組成，通過導線將它們連接起來并發揮作用。該類控制系統的功能原理為：在繼電器、接觸器等其他電子元件之間布置合適的接線方式來實現指定功能的程序要求，其程序體現在線路如何連接之中，需要設置不同的控制程序就必須重新接線。該繼電器控制系統的特點是通過硬件實現的電路控制，沒有軟件控制?？刂圃韴D如圖1所示[1]。

該類控制系統的控制指令由輸入部分來發出，輸出部分為執行命令部分，輸入與輸出之間即為特定的線路連接。目前，該類繼電器控制系統有以下幾方面不足之處：

1）對功能比較復雜的程序進行控制時，則相對應的繼電器、接觸器等電子元件需要的也就特別多，接線較為繁瑣復雜，容易出錯，響應速度慢，控制的準確性和控制精度也會降低；同時易損元器件增多，接線處容易燒壞，事故率較高，可靠性和穩定性差。

2）只有硬件的電路控制容錯率低，自動化程度差，提升機在運輸過程中，其載重和速度會不斷變化，導致提升機受力特性難以控制，無法嚴格地執行設定的程序參數，無法進行調速，導致停車位置不準，安全性和舒適性較差。

3）控制系統雖然能夠自動運行，但缺乏自動檢測和自動保護功能，無法監測設備的運行狀態，設備的運行狀況難以把握，出現故障后難以評估、分析、排查故障等。

針對繼電器控制系統不足之處，提高其自動化程度，保障提升的安全運行，對提升機的控制系統進行改進很有必要。

圖1 繼電器控制系統

目前提高設備自動化水平的主要措施就是通過采用可編程控制器（PLC）的軟件編程式的自動控制方式代替繼電器——接觸器這種接線式的硬件電路控制方式，采用PLC的控制系統抗干擾能力更強，同時大中型的PLC一般采用模塊化設計，減小了控制部分的占用空間，維護檢修方便[2]。

1.2 PLC控制系統控制系統原理

PLC控制系統的工作原理是通過PC機上編制特定的軟件程序，控制系統通過不斷地循環掃描該套程序，最后輸出控制設備運行。其程序的編制和修改主要是通過編程器來完成的，完成編制的程序儲存在存儲器中。原理如圖2所示。

圖2 PLC控制系統

采用PLC控制方式的控制系統與繼電器控制系統在輸入設備與輸出設備是沒任何區別，只是中間的控制環節由繼電器控制系統的接線控制轉變為PLC控制。

2 液壓提升機電控系統改進設計要求

礦井提升用液壓提升機的電控系統包括操作及監控兩部分組成。提升機的安全性能保障需要軟件和硬件同時進行；監控部分采用顯示屏對提升機的運行狀況進行實時監測和顯示，方案如下頁圖3所示。

主控系統主要實現液壓提升機的整個提升運行過程的控制，包括啟停、勻速運行、加減速等全部開車行走過程。在運行控制指令時，主控系統主要對提升機的運行時的提升速度進行控制，同時信息檢測系統與監控系統對相應的信息的進行采集和反饋，主控系統作出相應的調整，實現3個系統的交互，進而對提升機實現有效的控制。

監控系統對提升機運行中的各種運行狀態進行輸出反饋，若發現異常情況或故障現象，則會通過顯示屏顯示并報警。

信號檢測系統對提升機在運行中各種關鍵部位、關鍵參數信息進行實時檢測。

圖3 提升機控制系統方案

3 液壓防爆提升機電控系統改進設計

3.1 電控系統硬件

3.1.1 I/O模塊接口

根據提升機功能需求確定模擬量輸入和輸出模塊的數量。

1）模擬量輸入。需要確定的模擬量輸入模塊的數量為：電機溫度信號、手柄速度信號、補油壓力信號、工作壓力信號、潤滑壓力信號、油溫信號、制動壓力信號。

2）模擬量輸出。需要確定的模擬量輸出模塊數量為：開關量輸入59路，開關量輸出36路，模擬量輸入7路，模擬量輸出2路。

3.1.2 PLC選型

根據提升機的功能需求，需要選用2臺PLC，1臺作為提升機主控系統的控制器，另1臺作為提升機監控系統的控制器。PLC系統連接配置如圖4所示。

3.1.3 PLC控制系統功能設計

對主控制系統PLC進行功能設計，通過選型分析計算，設計出符合相關功能要求的控制系統組成部件。最終決定采用了一個基本單元224XPCN、一個擴展單元EM223CN和兩個擴展單元EM235CN，其中224XPCN和EM223CN接口類型為開關量輸入輸出模塊類型，兩個EM235CN為模擬量輸入輸出模塊。其功能原理如圖5所示。

圖4 PLC系統連接配置圖

圖5 主控系統PLC的原理框圖

基本單元224XPCN為該主控系統的中央處理單元，其輸入接口與編碼器、啟動器和操作臺手柄處相連接，輸出接口與電磁啟動器和電磁閥相連接，主要功能是對提升機的提升位置和速度進行監控；EM223CN輸入接口主要是接收由操作臺而來的檢測與按鈕指令信號，輸出端分別與顯示器和測溫熱電阻相連接，指令控制測溫熱電阻，顯示器輸出接收來的檢測信息；擴展單元EM235CN 輸入接口主要是接收操作臺的手柄推進速度和傳感器的檢測信息，輸出接口與比例閥連接，進而控制閥門的開閉。監控系統PLC主要包括1個基本單元224XPCN和3個擴展單元EM221CN組成，接口類型為開關量輸入輸出模塊。224XPCN輸入接口主要接收編碼器和操作臺的按鈕的信號信息，輸出端控制報警裝置和制動電磁閥的執行動作。監控系統PLC的原理框圖如下頁圖6所示。

3.2 液壓防爆提升機速度控制系統

提升機速度控制系統由PLC控制系統、比例放大器、變量泵、電磁換向閥、液壓馬達等組成。其原理如下頁圖7所示。

提升機運行時的提升速度與變量泵有直接的關系，隨著變量泵的輸出流量變化而變化，其速度與輸出流量成正比關系，通過控制變量泵的輸出流量來調控提升機運行時的提升和下降速度。通過設置電壓的大小來控制變量泵的輸出流量，當設定變量泵的輸出流量為零時，液壓馬達處于停止狀態，提升機速度處于不變狀態，改變變量泵的輸出量的大小，就能實現提升機的加減速運行。

電壓的控制主要是通過PLC系統程序里設定的參數利用模擬量輸出模塊的轉換接口將數字信號轉換為電壓信號輸出后實現。提升機的速度由傳感器、編碼器采集，反饋到PLC系統中，通過與設定量比較、分析、處理，再由PID控制，輸出模塊轉換后輸出，實現對提升機運行速度的閉環控制。

圖7 提升機速度控制系統原理

4 結語

目前，液壓提升機在煤礦生產中被普遍應用，其電控系統的自動化程度及可靠性對煤礦的高效生產與礦井下人員的安全作業有著很大的影響。通過對液壓提升機的繼電器控制系統的原理及不足之處進行分析，指出運用PLC控制系統的先進所在，并對現有液壓提升機控制系統進行改進設計，采用PLC改變了傳統的接線式繼電器控制方式，提高了系統的控制水平與安全性能。