PLC技術在礦井提升機電控系統中的應用

沈衡

摘 要：提升機作為礦井的主要生產設備，在礦井生產中具有重要地位，而控制系統又是提升機的核心部分。對控制系統的有效設計是提升機充分發揮其作用的關鍵。基于此，本文以PLC技術在礦井提升機電控系統中的應用為研究主題，以期為提升機的設計與使用提供參考。

關鍵詞：PLC;礦井提升機;電控系統;應用研究

中圖分類號：TD633 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）07-0039-02

0 引言

提升機的使用使礦井生產的安全以及穩定性得到增強，其作為井下的主要生產設備，具有重要地位。其中，國家頒布的《煤礦安全規程》明確規定了提升機的使用規格以及選用參數。當下，較多的礦井在生產中依舊使用交流提升機電控系統，這種形式的控制系統在經過多年的發展后已經成熟，具備其自身獨特特點，但隨著各行各業對機械自動化需求的不斷提升，傳統控制系統在使用過程中所暴露出來的問題越來越多，如繼電器使用過多、電氣節點過多、控制線路復雜、人工操作較難等因素都使電控系統的運行穩定性受到限制，尤其是在控制精度方面，電控系統的精度較低且運行中發生故障概率較高，使用可編程邏輯控制器（PLC）來代替傳統的繼電器邏輯控制系統成為近年來行業的發展趨勢。基于PLC技術的新型電控系統能夠替代種類繁多的繼電器，可運用軟件來實現設備的各項功能，相比傳統的繼電器控制系統，能夠確保礦井提升機的運行更加穩定、安全和可靠。

1 PLC技術概述

PLC是一種工業控制計算機，被廣泛應用于各類工業環境中，作為對設備的邏輯、過程控制，進行各類機械生產，該技術既有微處理器的優點又可兼顧系統檢修人員的技能習慣，尤其是對于PLC的程序編程來說，用戶不需要學習專門的編程語言知識，只需按照給定說明書進行程序的編制即能夠投入使用。PLC技術是現代微機技術和傳統PLC技術相結合的控制系統，具有程序設計簡單、通訊性能強、抗干擾能力強、可靠性高等優點。

2 PLC技術在礦井提升機電控系統中的應用

2.1 整體方案

電控系統是礦井提升機的核心部分，而電控系統的核心部分又包括核心處理器與變頻調速系統，在本文研究中，確定采用兩套型號S7-300PLC作為電控系統的核心處理器，控制系統整體設計框架如圖1所示。

該控制系統主要組成為：PLC控制箱、變頻電源柜、制動電阻柜、低壓配電柜、操作臺觸摸屏。其中，控制系統設定兩套PLC控制器，一套作為自動、手動控制提升機的上升、關閉以及速度的確定，并給定安全閘;另一套PLC則主要用來實現對整個系統的監控;變頻電源柜的作用是用來控制整個電控系統的運行速度;制動電阻柜是用來控制提升機的減速和動力制動;低壓配電柜是用來給控制電路供電;觸摸屏則用來顯示相應的系統畫面、儀表、指示燈顯示以及通訊等功能。

2.2 硬件設計

2.2.1 PLC硬件電路

本文研究中選用西門子S7-300硬件模塊，控制電路結構如圖2所示。該控制系統中CPU模塊包含微處理器與存儲器，可以用來收集與整理提升機的狀態信息，完成提升機的指令，并對操作程序以及數據信息進行存儲;通信模塊是為了實現PLC、I/O接口與其他設備的通信;接口模塊的主要功能是進行各模塊之間的數據交換;控制系統中所使用的編程設備為STEP 7，可對各種不同類型的文本程序進行編輯;電源模塊是給外部設備提供電源，把輸入系統的220V交流電變為24V與5V電壓。

2.2.2 雙PLC控制系統

使用兩套PLC控制系統能夠提升整個控制系統運行的可靠性。

（1）I/O接口分配。本控制系統中I/O接口信息有開關信號（數字信號）與模擬信號，其中，輸入與輸出開關信號為132、24;模擬信號輸入、輸出數量24、10個。（2）安全回路設計。使用兩套安全回路系統，分別為繼電器開關串聯硬件和PLC軟件程序安全回路。（3）電氣聯鎖。通過設定電氣聯鎖提升系統運行安全性。

2.2.3 變頻調速裝置

變頻調速裝置是控制系統的主要部分。本文研究中，根據礦井提升機的容量與速度要求，最終使用交直流的變頻調速方案，選定西門子SM150系列作為電壓源型交直流變頻器。與直流調速系統相比，交直流變頻調速的結構更加簡單，運行效率較高，且該形式的調速系統能夠滿足對提升機更大容量的需求，此外，為提升提升機的調速精度，系統的變頻器拓撲結構使用二極管鉗位三電平，控制方式為SVP-WM矢量控制。

2.2.4 電控系統通信協議

本控制系統使用的為多接口MPI通信協議，該通信協議最大節點數32個，數據傳輸最快速度可達到13Mb/s，尤其在通訊數據信息使用量小的工作環境中，MPI通信效果更佳，且其經濟性較好。

2.3 軟件設計

控制系統所使用的軟件在進行設計時均利用STEP與WinCC軟件進行編程，其中，控制系統的編程方式為程序結構化，每一個程序又包含很多個子程序，對所有子程序進行獨立的編寫。如圖3所示，該圖為電控系統應用程序流程圖。整個電控系統的應用程序主要涵蓋提升機輔機的啟閉、動作準備、安全回路以及機車操作等。

2.3.1 輔機啟動

提升機和提升系統內的油泵、動力制動裝置等輔機存在聯鎖關系，因此在進行提升機電機啟動前，首先需要將系統的輔機打開。

2.3.2 提升機做準備

該準備程序是對提升機啟動啟閉的前提條件進行檢測，即檢測提輔機啟動是否啟動完成，系統檢測到輔機啟動則輸出準備完成信號。

2.3.3 安全回路

該程序主要是對系統的硬件以及軟件安全回路進行控制，當檢測到提升機出現運行問題時，立即進行倒閘停車，并及時地閉鎖報警。此外，為不影響提升機的運行，在程序內設置故障種類存儲記憶，當排除提升機運行故障后即能夠接觸安全制動。

2.3.4 機車操作方式

機車操作方式分為兩類，手動式與自動式，手動式是由人工完成，自動式則是借助PLC控制器自動對提升方向進行判斷與執行。提升機方向操作流程如圖4所示。

3 仿真與調試

為分析上述控制系統的實際性能，在完成硬件和軟件設計基礎上，構建了試驗樣機，并對設計的系統進行模擬運行檢測。如圖5所示，該圖為提升機的輸出電流波形，從圖中能夠看出，該提升機啟動瞬間存在較小沖擊電流，但僅需要0.1s左右，就可以達到穩定運行。表明該提升機控制系統設計、運行良好，符合提升機預期設計要求，既經濟，又安全可靠，從而提高了礦井的安全運行，保證了礦井的安全生產。

4 效果評價與效益

PLC技術在礦井中的使用，可顯著提升礦井提升機控制系統的可靠性，從而避免使用傳統大量的繼電器裝置，其接線多且復雜極易造成操作人員發生誤操作;另外，PLC的使用使提升機控制系統的抗干擾性以及可靠性大幅度提升，有效降低提升機故障發生概率。

5 結語

提升機在礦產生產中的使用，使礦井生產的安全以及穩定性得到增強，本文分析了PLC技術在提升機電控系統中的組成、硬件設計、軟件設計等，通過仿真可知，PLC在礦井提升機中應用具有巨大優勢，不僅能夠提高電控系統的自動化程度，還可以大大提高提升機運行的穩定與安全性，既經濟，又安全可靠。

參考文獻

[1] 國家安全生產監督管理局編.煤礦安全規程[M].煤炭工業出版社，2016.

[2] 郝莉，李澤光，李磊.采用羅克韋爾ControlLogix+FlexI/O系統在舞陽八臺礦副井提升機改造中的應用[J].河南冶金，2015，11（5）：47-50.

[3] 孟偉光.PLC控制變頻調速在礦井提升機傳動系統中的應用[J].能源與節能，2016（06）：173-174+176.