基于PLC 的煤礦提升機控制系統設計

張 旭

（晉能控股煤業集團有限公司馬脊梁礦， 山西 大同 037027）

引言

煤炭作為我國主要能源來源，其安全高效生產對于能源安全至關重要，煤礦提升機作為煤炭開采運輸的重要組成部分，擔負著礦井上下人員快速安全運輸的重要任務[1]。機械化采煤裝置的大規模使用進一步提高了煤礦生產效率和自動化水平，并極大地節省了人力物力，同時隨著生產水平的提高，對控制系統的安全性和可靠性要求進一步提高，傳統繼電控制系統主導的控制系統難以滿足生產需求[2]。

為了進一步提高煤礦提升機系統控制的自動化水平，增強煤炭生產運輸過程的精確性和可靠性，需要使用PLC 數字控制技術，其具有編程語言直觀、抗干擾能力強、系統穩定性好、便于功能添加等優點，更適應于煤礦井下的復雜生產環境。

1 控制系統整體方案

為確保提升工作安全進行，煤礦提升機系統（見圖1）主要由以下6 部分組成：執行單元、減速單元、制動單元、潤滑單元、電子控制單元和保護單元等，其中執行單元由軸承、卷筒及其附屬基座等結構構成，主要完成負載力矩輸出并達到提升物品的目的；減速單元通過調節齒輪轉速轉比，完成輸出力矩的調節，從而調整提升速度；制動單元作為平穩控制執行單元停止的裝置，主要由盤式制動器組成；潤滑單元控制潤滑油的輸送量完成系統整體運行摩擦力和設備溫度的調節工作，保證設備的機械性能滿足運行要求并提高其使用壽命[3]；電子控制單元在傳感器采集數據的基礎上，對提升機的位置、速度等當前狀態信息進行判斷，利用既定策略完成對提升機的啟動、運行、停止的控制；保護單元通過旋轉編碼器等裝置檢測當前系統狀態，防止發生失速、超載等故障，保證系統運行安全[4]。

圖1 煤礦提升機系統組成

2 系統硬件電路設計

2.1 PLC 控制系統設計

為滿足提升系統控制要求, 設計了基于PLC 的煤礦提升機控制系統，如圖2 所示。系統主要由電源、PLC、監測控制系統、操作控制單元、變頻器、電動機、旋轉編碼器、減速器和卷筒等9 個部分組成。電源部分為PLC 及變頻器、電動機等系統主要組成部分提供電壓，操作人員通過控制操作控制單元按鈕完成PLC 控制系統命令下發，并通過Modbus 通信協議完成與變頻器的控制及通信，并由變頻器實現對電機的控制，電機的輸出端經過減速器與卷筒進行連接，以實現貨物提升功能。

在電機運行過程中，旋轉編碼器監測電機轉速，變頻器通過通信線將當前電壓、電流信息傳輸給PLC，與此同時通過監測控制系統可以實現對貨物重量、貨物提升位置、系統電壓和繩索的狀態等多個狀態檢測，避免卷線和松動的發生。

2.2 變頻調速系統設計

為實現PLC 指令的精確化控制，需要使用變頻器，變頻器作為一種改變電源屬性的裝置，由電源、整流電路、逆變電路和控制電路組成，整流電路將交流電壓轉變為直流電壓并經過濾波電容處理，控制電路接收到PLC 指令后，控制逆變電路的晶閘管依次順序動作，通過改變其電壓及頻率實現對電動機的控制。

圖2 煤礦提升機控制系統框架

變頻器控制方法主要有V/f 控制、轉差頻率控制、矢量控制和直接轉矩控制等4 種方式，其中直接轉矩控制通過直接測量方式實現對異步電動機的轉矩調節和輸出控制，不需要進行解耦，只需要電壓、電流等參數即可計算出當前轉矩，具有較強的響應能力和較短的控制周期，更適應煤礦井下復雜多變的生產環境。

2.3 通信系統設計

為實現PLC 與變頻器之間的通信，完成控制指令發送和狀態監控數據通信，設計如圖3 所示的通信系統結構和數據幀結構，并采用ModBus 協議。以控制指令為例，PLC 將數據發送至通信模塊打包成數據幀之后，通過傳輸媒介發送至接收單元的收、發模塊中，完成至變頻器的通信，并進一步實現通信功能。當變頻器監測出當前電壓、電流信息時，通過收、發單元，發送至PLC，完成數據交互。

圖3 通信系統結構與數據幀結構圖

通信數據幀格式如上圖所示，接收單元有對應的地址碼，主要由初始結構（大于4 字節）、地址碼（1字節）、功能碼（1 字節）、數據區（N 字節）、校驗碼（16 位數據）、結束結構（大于4 字節）組成，校驗碼主要通過CRC 循環冗余算法來保證數據傳輸準確。接收單元完成數據接收后，對數據進行計算，并根據相應功能碼（查詢、修改）完成數據交互，實現對變頻器狀態的周期監控。

3 軟件系統設計

3.1 操作流程

為實現煤礦井下貨物提升，煤礦提升機運行流程如圖4 所示，當系統負載處于正常狀態時，貨物安裝完畢后，電機啟動加速至8.3 m/s 左右，隨后系統處于等速運行狀態，穩步提升貨物，持續一段時間后，開始進入減速運行狀態，當提升至終點附近時，之后處于低速爬行狀態，并在終點附近進行停止動作，完成停車卸載工作，并結束提升工作。

圖4 提升操作流程圖

3.2 主要流程

為實現PLC 系統對煤礦提升裝置的控制，設計了如圖5 所示的控制系統，并使用STEP7 軟件完成設計。流程開始后進行系統初始化，并進行系統自檢，若自檢發現問題則進行聲光報警，并重新進行初始化設置，否則進行位置判斷。當其初始位置正常時，完成系統啟動，系統啟動后，啟動速度控制系統，并依次進行繩索松動、過載和過卷檢測，一旦發現有問題，則觸發安全或報警回路，并進行相應調整。進行調整后，再進行停止判斷，若符合相關條件，則停止工作。

圖5 PLC 軟件控制系統流程圖

4 結語

為增強煤礦生產的自動化水平，提高煤炭提升機的精確性和安全性，設計以PLC 為核心的自動控制系統，明確了提升步驟，優化系統控制流程。系統主要由操作單元、控制系統、監測系統組成，通過監測電動機和繩索的狀態，防止其出現松動、過載、過快狀態，并采取相應安全措施，對提高煤礦提升機系統的穩定性、增強煤礦生產安全性具有一定借鑒意義。