變頻調(diào)速提升機(jī)PLC的控制設(shè)計(jì)研究

朱相羽 徐昕煒

摘 要：我國的礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)主要采用繼電器-接觸器進(jìn)行控制。這種控制系統(tǒng)存在可靠性差、操作復(fù)雜、故障率高、耗能高、效率低下等缺點(diǎn)。采用PLC與變頻器相結(jié)合的方法對控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，十分必要。本文把可編程控制器（PLC）與變頻器應(yīng)用于提升機(jī)控制系統(tǒng)上，根據(jù)提升機(jī)的多段速運(yùn)行方式，結(jié)合所需硬件進(jìn)行選型，其中包括可編程控制器、變頻器、光電旋轉(zhuǎn)編碼器和光電傳感器。設(shè)計(jì)主回路和控制回路，并畫出端子接線圖，進(jìn)行軟件編程。采用可編程控制器（PLC）與變頻器相結(jié)合的控制系統(tǒng)可以提升提升機(jī)工作的可靠性，簡化操作，節(jié)約能耗，提高效率，減少故障。

關(guān)鍵詞：提升機(jī)；PLC；變頻調(diào)速

中圖分類號：TD633 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：2096-4706（2019）02-0050-03

Abstract：The traditional mine hoist control system mainly adopts relay contactor control. This control system is poor reliability，complicated operation，high failure rate，power consumption，low efficiency of faults. It is necessary to adopt the combination of PLC and frequency converter to control system. In this paper，the programmable controller and frequency converter applied in the hoist control system，according to the requirements of the hoist running characteristics，combined with the required hardware selection，including PLC，frequency converter，photoelectric rotary encoder and photoelectric sensors. The main circuit and control loop are designed，and terminal wiring diagrams are drawn up for software programming. The control system combined with programmable logic controller（PLC）and frequency converter can improve the reliability of hoist，simplify operation，save energy consumption，improve efficiency and reduce faults.

Keywords：hoist；PLC；frequency control

0 引 言

提升機(jī)在生產(chǎn)生活中應(yīng)用廣泛，大型提升機(jī)普遍用于礦山生產(chǎn)。我國的提升機(jī)系統(tǒng)通常采用繼電器-接觸器進(jìn)行控制，在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串接電阻進(jìn)行調(diào)速。這種控制方法可靠性差、操作復(fù)雜、故障率高、耗能高、效率低下。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前國內(nèi)的拖動(dòng)方式主要有兩種：交流拖動(dòng)方式，我國提升機(jī)基本采用串電阻調(diào)速的交流拖動(dòng)方式，采用改變轉(zhuǎn)差率s的調(diào)速方法，調(diào)速的效率低，耗能高；直流拖動(dòng)方式，我國提升機(jī)控制系統(tǒng)的兩種分系統(tǒng)主要采用直流拖動(dòng)，晶閘管-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和直流發(fā)電機(jī)-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。未來的研制與發(fā)展可以使可編程序控制器（PLC）在工業(yè)控制系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，采用PLC控制，硬件接線簡潔、軟件編程靈活性強(qiáng)、調(diào)試系統(tǒng)方便、維護(hù)量小，應(yīng)用PLC對提升機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行改造將成為將來的重點(diǎn)研究方向。

國外的主流拖動(dòng)方式有晶閘管-電動(dòng)機(jī)直流低速直聯(lián)拖動(dòng)系統(tǒng)，此類系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于：總效率高，電能消耗少；單機(jī)容量大，適用范圍廣；調(diào)速平滑，精度高；安全可靠；節(jié)電明顯。缺點(diǎn)在于：功率因數(shù)低；無功沖擊大。交流變頻調(diào)速同步機(jī)驅(qū)動(dòng)提升系統(tǒng)。此類系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于：提升容量大；電機(jī)可靠運(yùn)行和降低運(yùn)行消耗；功率因數(shù)高，節(jié)省電能；系統(tǒng)可在四象限平滑過渡和無級調(diào)速；同步機(jī)的價(jià)格低，消耗小；調(diào)速范圍寬。因此，變頻同步機(jī)拖動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)會(huì)是是大型提升機(jī)拖動(dòng)的必然發(fā)展方向。

2 提升機(jī)主體結(jié)構(gòu)

2.1 提升機(jī)系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)

變頻調(diào)速提升機(jī)PLC控制系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中包括動(dòng)力裝置，變頻器，PLC，控制系統(tǒng)四大部分。

2.2 提升機(jī)系統(tǒng)各階段速度圖分析

提升機(jī)系統(tǒng)各階段速度如圖2所示。

t1階段：貨倉在井下裝好貨物后，將信號傳送到操作臺(tái)，操作人員將信號反饋井底無誤后，就開機(jī)提升箕斗，電機(jī)啟動(dòng)后，以加速度a0加速到v1，加速時(shí)間為t1，此時(shí)變頻器頻率為設(shè)定值f1。本文中設(shè)定的頻率值為20Hz。

t2階段：以加速度a1加速到v2，加速時(shí)間t2，此階段為主加速階段，此時(shí)變頻器頻率達(dá)到設(shè)定值f2。本文中設(shè)定的頻率值為50Hz。

t3階段：主提升階段，箕斗以最大提升速度v2等速運(yùn)行上升，電動(dòng)機(jī)保持電動(dòng)狀態(tài)。

t4階段：主減速階段，箕斗快到井口時(shí)減速運(yùn)行，減速到v3。此時(shí)變頻器頻率達(dá)到設(shè)定值f3。本文中設(shè)定的頻率值為10Hz。

t5階段：爬行停車階段。到達(dá)停車位置后，變頻器立即停車，箕斗減速到零。下降過程與上升過程運(yùn)動(dòng)狀態(tài)一致，只是方向相反。

3 提升機(jī)系統(tǒng)的硬件及接線

3.1 變頻器的選用

變頻器選用德國西門子公司研發(fā)、生產(chǎn)的交—直—交方式變頻器系列MM420通用變頻器。西門子MM420是用于控制三相交流電動(dòng)機(jī)速度的變頻器系列，變頻器電路端子如圖3所示。

進(jìn)行主電路接線時(shí)，情況如表1所示。變頻器模塊面板上的L1、L2、L3插孔接三相電源，三個(gè)電動(dòng)機(jī)插孔U、V、W連接到三相電動(dòng)機(jī)。MM420變頻器模塊面板上引出了MM420的數(shù)字輸入點(diǎn)：DIN1（端子5），DIN2（端子6），DIN3（端子7）和內(nèi)部電源+24V（端子8），內(nèi)部電源0V（端子9）。以及模擬量的輸入端口：AIN+（端子3），AIN-（端子4）。

當(dāng)變頻器處于外部端子控制時(shí)，可由PLC控制變頻器的啟動(dòng)/停止以及變速運(yùn)行等。

3.2 PLC的選用

PLC選用的是西門子公司生產(chǎn)的S7-200系列。西門子S7-200系列是超小型化的PLC，在工業(yè)制控領(lǐng)域中有十分重要的地位。S7-200系列PLC結(jié)構(gòu)緊湊，拓展性良好，指令功能強(qiáng)大，價(jià)格低廉，是現(xiàn)在各種控制工程的理想控制器，有著廣泛的應(yīng)用。

3.3 提升機(jī)控制系統(tǒng)的控制回路

提升機(jī)系統(tǒng)控制回路如圖4所示。

圖中I0.0、I0.1為光電編碼器的輸入端。I0.3、I0.4、I0.5分別為系統(tǒng)的上升、停止以及下降按鈕。當(dāng)按下上升按鈕后，箕斗開始加速上升，到達(dá)光電開關(guān)1的位置，I0.6工作，箕斗開始第二段加速過程，到I0.7后，箕斗開始勻速上升，上升至I1.0開始進(jìn)入第一段減速，到I1.2進(jìn)入第二段減速，直至I1.3停止運(yùn)行。下降過程和上升過程運(yùn)行狀態(tài)一致。

Q0.0、Q0.1輸出給變頻器的是電機(jī)運(yùn)行的相序信號。

拓展模塊EM235中的電壓，電流分別通過電流互感器和電壓互感器測電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓、電流，然后通過電壓變送器和電流變送器送到PLC的模擬量輸入模塊。V0，M0輸出的是不同時(shí)間段不斷變化的頻率轉(zhuǎn)化為變頻器能識(shí)別的不斷變化的電壓信號。

控制系統(tǒng)中PLC的輸入輸出端子號如表2所示。

4 結(jié) 論

可編程控制器（PLC）是工業(yè)控制中新一代通用機(jī)型，其通用性強(qiáng)、使用方便、可靠性高，運(yùn)用在提升機(jī)系統(tǒng)中已成為必然。可編程控制器（PLC）是綜合計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)研制出來的工控裝置。采用PLC控制，硬件簡潔、軟件靈活性強(qiáng)、調(diào)試方便、維護(hù)量小，PLC技術(shù)己經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種提升機(jī)控制中。

變頻調(diào)速是逐漸發(fā)展起來的自動(dòng)控制技術(shù)，它利用變頻器改變電動(dòng)機(jī)的電壓頻率，實(shí)現(xiàn)了交流電動(dòng)機(jī)的無級調(diào)速，在運(yùn)行過程中均有很高的效率，節(jié)能明顯，安全可靠。

采用可編程控制器（PLC）和變頻器對電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制，使用方便、可靠性高并且經(jīng)濟(jì)效益顯著，廣泛應(yīng)用廣泛。因此，應(yīng)用PLC和變頻器對提升機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，將成為提升機(jī)未來發(fā)展的主要方向。

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作者簡介：朱相羽（1994-），男，漢族，安徽泗縣人，碩士，研究方向：半導(dǎo)體納米材料；徐昕煒（1995-），男，漢族，安徽潛山人，本科，研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化。