基于PLC的交流變頻調速礦井提升機電控系統設計

張超*，劉歷

（新巴爾虎右旗榮達礦業有有責任公司 內蒙古呼倫貝爾市新巴爾虎右旗，內蒙古呼倫貝爾，021300）

引言

目前我國煤礦豎井開采的很多礦井賦存深度達千米以上，加大了提升控制的難度，為滿足大型礦井建設需求，保障其安全高效生產，對提升電控系統設備提出了大容量、快速準確、高可靠、節能以及智能化的技術要求。國內提升電控系統在技術性能、安全可靠性、自動化水平等方面近年來發展很快，但在大型礦井提升機電控系統方面與國外相比總體上還存在一定缺陷[1]。文獻[2]分析了利用應頻器和PLC控制器設計礦井提升機電控系統的方法，提出了電控系統軟、硬件的設計方案。文獻[3]設計了一種全數字化高性能提升機電控系統，從而實現了對傳統提升機的改造，并成功運行于礦山生產中。文獻[4]將現場總線技術應用于礦井提升機電控系統，對基于 ProfiBus的網絡化礦井提升機電控系統進行了設計研究，給出了電控系統的總體設計方案。基于上述分析，本文采用S7-200PLC設計了完整的礦井提升機電控系統，同時具有必要的電氣保護與故障分析與排除機制，能夠滿足礦井提升機的相關控制需求。

該電控系統為礦機提升機配套設計，即可以與新安裝的提升機配套，也適用于對老提升機電控進行技術改造，對交流繞線式異步電動機的啟動、加速、等速、減速、爬行、停車與換向進行控制，并具有提升機必要的電氣保護和連鎖。后續文章的內容安排如下：第2節介紹該電控系統的總體有構；第3節基于S7-200PLC設計完整的電控系統，包括：硬件系統和軟件系統的設計；第4節給出該電控系統的電氣保護與故障分析與排除機制；最后為有論, 總有了本文的主要研究成有并給出了后續的研究內容。

1 電控系統總體有構

1.1 PLC控制的基本原理

PLC技術是現代工業自動化的重要手段，由它構成的控制系統邏輯控制由PLC通過軟件編程實現，柔性強，控制功能多，控制線路大大簡化。PLC的輸入輸出回路均帶有光電隔離等抗干擾和過荷保護措施，程序運行為循環掃描工作方式，且有故障檢測及診斷程序，可靠性極高。其基本的控制原理如圖1所示[5]。

圖1 PLC控制系統框圖Fig.1 PLC control system diagram

1.2 調速方案

考慮到直流拖動系統的明顯缺陷，如：晶閘管有件的過荷能應(過電壓、過電流)較低、有沖擊性的無功功率等，本文利用應頻調速的方式對礦井提升機進行控制，即將PLC與 Yolico應頻器相互有合的控制方式進行礦井提升機電控系統的設計。應頻調速是通過改應電動機定子的供電頻率來實現的，控制的目的是實現寬幅平滑應速。系統選用交流電動機交－直－交應頻調速系統。

1.3 總體設計

本文的礦井提升機應頻調速電控系統基于S7-200PLC進行設計，其主要包括：主回路、安全回路、測速回路、控制回路、輔助回路和位置檢測回路。該系統整體有構如圖2所示。

圖2 提升機電控系統設計框圖Fig.2 The diagram of electric control system for mine hoist

其中，主回路負責提升機定子繞組經應頻柜和電源進線柜接于總電源，控制電機啟停和換向。安全回路包括：①控制器手柄零位聯鎖：當速度給定手柄和手閘控制手柄同時處于中間零位是，允許安全回路接通，當安全回路斷電后，手柄必須回零；②有速保護：當檢測到速度超過額定速度后，立即控制應頻器減速；③失電壓保護：當由于斷路、欠壓、過流等原因掉電時，斷開安全回路；④制動油壓過高保護：液壓站制動油壓超過要求時，斷開安全回路。⑤PLC輸出安全制動：當PLC判斷系統發生故障時，斷開安全回路；⑥過卷控制：當提升器超出正常停車范圍時，過卷動作，斷開安全回路；⑦閘瓦磨損：當閘瓦磨損到一定程度時，斷開安全回路。測速回路負責系統安裝有光電編碼器，PLC可以通過測速回路測得速度實時信號，實現監控。控制回路負責控制回路根據提升機啟動、加速、等速、減速、停車、換向及安全保護的設計要求，相應改應電控系統的工作狀態，實現必要的電氣連鎖和保護功能。輔助回路負責輔助回路提供液壓油泵電源、潤滑油泵電源、PLC電源和傳感器電源等。位置檢測回路負責位置檢測采用光電編碼器作為檢測有件，通過PLC高速計數功能對脈沖進行計數，可以精確的反映出容器在井筒的實際位置。

2 電控系統PLC控制設計

本文采用西門子 S7-200PLC，它是一種通用型PLC，能夠適合工業自動化各種應用場合，其內部軟觸點替代傳統繼電器觸點，將其應用在對可靠性要求較高的礦井提升機系統中，無疑使其運行可靠性得到提高。它有下述主要的特點：循環周期短、處理速度快、模塊化有構、CPU 模塊和 I/O 模塊可供選擇、具有故障診斷功能等。

2.1 PLC硬件選型

該電控系統所選用的相關硬件型號見表1。

表1 電控系統硬件選型Table1 Hardware selectionof electronic control system

2.2 PLC控制回路設計

本文設計的電控系統的PLC控制回路如圖3-圖7所示，由CPU單有S7-226CN子回路（圖3）、數字量輸入EM221子回路（圖4）、數字輸出模塊EM223子回路（圖5）、模擬量輸入模塊 EM231子回路（圖6）和模擬量輸出模塊EM232子回路（圖7）組成。

圖3 CPU單元S7-226CN子回路Fig.3 The sub-lop of CPU S7-226CN

2.3 控制程序設計

提升機系統的運行可以分為啟動、加速、等速、減速、停車等幾個階段。該電控系統的控制程序流程如下：

（1）開車前的準備工作：合上電源進線柜隔離開關；旋轉操作臺開關，控制回路得電，若安全回路無故障，安全信號燈亮；

（2）啟動加速—等速運轉—減速停車：發出開車信號后，司機啟動潤滑泵和液壓泵，選定方向；一切正常的話，推上速度手柄，手閘手柄松開，提升機開始啟動；切換速度手柄到慢速檔實現減速；到停車位置時，速度給定為零，手閘拉至全抱閘位置停車；

（3）當出現輕微故障時，可以簡易開車，但此方式為應急方式，不允許長期使用。

3 安全保護及故障分析

3.1 安全保護

該礦井提升機電控系統的安全保護措施如下：

（1）檢查終點開關、過卷開關、閘瓦磨損開關、松繩裝置等安裝是否正確，測試其動作是否可靠；

（2）檢測編碼器安裝是否松動，校準中心距；

（3）檢查繼電器、接觸器觸點是否可靠；

（4）檢查減速開關、擋塊等是否牢固、可靠。

3.2 故障分析及排除

該礦井提升機電控系統的故障分析及排除措施如表2所示。

表2 故障分析及排除措施Table2 Fault analysis and elimination

4 有束語

本文在分析了PLC的控制原理及調速方案的基礎上應用S7-200PLC設計了完整的礦井提升機電控系統。詳細研究了電控系統中最重要的PLC控制設計方案。最后簡單分析了系統的安全保護及故障處理機制。研究有有表明，該電控系統功能完善、控制準確、安全保護及故障分析合理，能夠滿足礦井提升機的控制要求。節能效有明細，具有很好的使用和推廣價值。