基于FX3U PLC的H型提升機一體化操作臺控制系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

洛陽中重自動化工程有限責任公司 河南洛陽 471039

H 型提升機是洛陽中重自動化工程有限責任公司開發(fā)的一種中小規(guī)格的單繩纏繞式礦井提升機，也是目前國內(nèi)質(zhì)量最輕、體積最小、結(jié)構(gòu)最優(yōu)的變頻提升機，用于礦山地面、地下豎井和斜井以升降物料、設(shè)備及人員[1]。采用電動機功率在 630 kW 以下的用戶，可以選擇 H 型提升機，以彌補小功率電動機配套提升機產(chǎn)品的不足，相應(yīng)的電控系統(tǒng)也要求與H 型提升機適配。在滿足 H 型提升機工藝控制及軟件安全保護[2-3]等主要功能的前提下，設(shè)計了一種一體化操作臺變頻控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了提升機控制系統(tǒng)操作臺的創(chuàng)新性應(yīng)用。

1 電控系統(tǒng)組成

與傳統(tǒng)提升機的電控系統(tǒng)類似，H 型提升機整套電控系統(tǒng)由低壓配電系統(tǒng)、PLC 控制及操作系統(tǒng)、安全保護系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、全數(shù)字變頻驅(qū)動系統(tǒng)等組成[4]，如圖 1 所示。

除驅(qū)動系統(tǒng)外，H 型提升機的配電及控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)的硬件集中在一個 +PA 操作臺中，由 +PA.2、+PA.1、+PA.3 及所控元件構(gòu)成一個完整的控制及顯示系統(tǒng)，如圖 2 所示。操作臺內(nèi)部元件如圖 3 所示。

圖2 一體化操作臺的組成Fig.2 Constitution of integrated console

2 一體化操作臺的組成及原理

2.1 低壓配電及監(jiān)控系統(tǒng)

+PA.2 為低壓配電部分，斜面上設(shè)有三相數(shù)顯表(PJ1)、溫度巡檢儀(ST1)、液壓泵轉(zhuǎn)換開關(guān)(SA2.1)及潤滑泵轉(zhuǎn)換開關(guān)(SA2.2)。三相數(shù)顯表可顯示三相進線電壓；溫度巡檢儀可接入測溫傳感器，用來檢測電動機、主機主軸及軸承等的溫度，并將數(shù)據(jù)傳給PLC；2 個轉(zhuǎn)換開關(guān)分別用于液壓站和潤滑站常用及備用泵之間的選擇。

+PA.2 背面內(nèi)部設(shè)有低壓配電相關(guān)元器件，其中AC380V 低壓電源為雙回路進線，經(jīng)雙電源開關(guān)切換后接入 +PA.2 低壓配電系統(tǒng)。低壓配電系統(tǒng)可為提升機的配套設(shè)備提供電源，如主電動機風(fēng)機，1 號、2 號潤滑泵，1號、2 號液壓泵，潤滑站及液壓站加熱器，變頻傳動系統(tǒng)控制回路，AC220V 操作機構(gòu)、磁開關(guān)及 UPS 等。低壓配電系統(tǒng)主回路如圖 4 所示，其中控制電動機風(fēng)機、潤滑泵及液壓泵的斷路器選用了集電動機控制和保護功能于一體的電動機啟動器，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的斷路器和熱繼電器組合，節(jié)約了安裝空間及成本。

圖3 一體化操作臺的內(nèi)部元件Fig.3 Internal components of integrated console

圖4 低壓配電系統(tǒng)主回路圖Fig.4 Main circuit diagram of low-pressure distribution system

+PA.3 斜面上鑲嵌有顯示器，內(nèi)部裝有工控機及UPS 電源。工控機及顯示器可完成對 PLC 程序的監(jiān)控，實時記錄設(shè)備運行狀態(tài)，并實現(xiàn)故障記錄、故障排查以及事故追溯等功能。UPS 可為 PLC 系統(tǒng)、液壓站接口電路板、液壓潤滑站壓力傳感器、工控機以及其他重要外部設(shè)備提供電源，確保停電時液壓站能正常動作，提升機安全制動。

2.2 操作臺主體 +PA.1

+PA.1 是操作控制系統(tǒng)的核心，其斜面上設(shè)有數(shù)字式深度指示器及各種顯示儀表，如：主進線電壓表、電動機電流表、可調(diào)閘電流表、液壓油壓表、潤滑油壓表、頻率表，顯示各種運行方式、系統(tǒng)狀態(tài)及故障信號的組合指示燈。另外，在臺面上配有速度給定手柄和閘手柄，液壓站、潤滑站、風(fēng)機和變頻器的啟停按鈕，開車方式轉(zhuǎn)換開關(guān)等，方便進行各種操作。

如圖 3 所示，在 +PA.1 內(nèi)部配置了 2 套 FX3U 系列 PLC 作為核心控制元件。FX3U 具有數(shù)字量、模擬量、高速計數(shù)等數(shù)據(jù)采集及處理功能，能滿足 H 型提升機的控制需求。2 套 PLC 含 2 個基本單元(FX3U-128MR/ES-A、FX3U-48MR/ES-A)、3 個擴展輸入模塊(FX2N-16EX)、1 個擴展輸出模塊(FX2N-16EYT)、1 個模擬量輸入模塊(FX2N-8AD)、1 個模擬量輸出模塊(FX3U-4DA)、2 個 PLC 功能模板(FX3U-485-BD)和 2 個以太網(wǎng)通信模塊(FX3UENET-L)。

FX3U-128MR/ES-A、FX3U-48MR/ES-A、FX2N-16EX、FX2N-16EYT 的輸入/輸出點數(shù)分別為：64/64、24/24、16/0、0/16，分別用于控制系統(tǒng)開關(guān)量信號的輸入和輸出。系統(tǒng)中 FX3U PLC 的 DI接口輸入有：風(fēng)機、液壓站及潤滑站的電源監(jiān)視、運行狀態(tài)、各啟停信號，信號系統(tǒng)、編碼器、磁開關(guān)、閘檢測及各種安全保護信號；FX3U PLC 的 DO 接口控制有：風(fēng)機、潤滑站及液壓站的各電磁閥控制信號，各設(shè)備運行保護狀態(tài)及故障信號輸出指示，深度指示器信號，變頻器控制輸出信號等。

FX3U-ENET-L 為以太網(wǎng)通信模塊，設(shè)計時可根據(jù)用戶需求選配遠程監(jiān)控系統(tǒng)。FX3U-4DA 為 4 路模擬量輸出模塊，用于系統(tǒng)閘電流、液壓站及潤滑站油壓、PLC 速度給定信號的輸出。FX2N-8AD 為 8 路模擬量輸入模塊，用于速度手柄、閘手柄控制信號，液壓站及潤滑站的油壓、油溫信號輸入，變頻器輸出電流及頻率信號的接入等。FX3U-485-BD 為通信模板，用于 FX3U 主從 PLC 間的通信，主從 PLC 控制系統(tǒng)通過 RS-485 網(wǎng)絡(luò)實時交換運行數(shù)據(jù)，確保提升機的安全運行。

除此之外，本控制系統(tǒng)創(chuàng)新性地采用了液壓站功能模塊板和信號系統(tǒng)功能模塊接口板。

2.3 系統(tǒng)主要功能模塊

(1)液壓站系統(tǒng)功能模塊 對液壓站電控功能進行模塊化設(shè)計，采用自制電路板集中控制，如圖 5所示。模塊可實現(xiàn)的主要功能有：電磁閥邏輯控制、比例閥輸出和電流反饋、液壓泵及加熱器的控制等。

(2)信號系統(tǒng)功能模塊 因不同廠家的外部信號系統(tǒng)不同，礦井水平數(shù)也不同，所以該系統(tǒng)通過電路板集成并與 PLC 配合，用編程譯碼的方式使單水平和多水平統(tǒng)一在一塊電路接口板上，如圖 6 所示。

3 控制系統(tǒng)特點

(1)傳統(tǒng)的提升機交-直-交變頻調(diào)速電控系統(tǒng)[5]需要多配置一個低壓電源柜，以完成對主電動機風(fēng)機、液壓站及潤滑站的控制，并接受磁開關(guān)信號等。H 型提升機電控系統(tǒng)則省去低壓配電柜外殼，充分利用一體化操作臺左側(cè)部分 +PA.2，實現(xiàn)低壓配電控制。

(2)液壓站系統(tǒng)功能模塊的特點：利用 PCB 集成電路功能，可減少生產(chǎn)接線，降低出錯率，降低元件采購成本；繼電器可插拔替換；充分考慮不同電壓等級的電磁閥功能，后期修改或者升級液壓站時，可直接升級 PCB 電路板，減少圖紙的修改量。

信號系統(tǒng)功能模塊的特點：利用 PCB 電路板，接受廠外信號系統(tǒng)不受距離控制，可彌補以往提升機信號采集受 PLC 輸入點傳輸距離限制的不足；信號電壓等級適應(yīng)范圍寬，為 110～220 VAC。

(3)一體化操作臺控制系統(tǒng)的設(shè)計與生產(chǎn)可以不需要低壓電源柜到操作臺之間的插接電纜距離參數(shù)，不會延誤設(shè)計、生產(chǎn)和發(fā)貨周期。低壓配電部分電源監(jiān)視信號在廠內(nèi)通過導(dǎo)線直接接入主 PLC。相比傳統(tǒng)電控系統(tǒng)，操作臺的插接端子減為零，非插接端子、導(dǎo)線、走線槽、條架等也大量減少，布局更為合理，節(jié)約了工人大量工時，降低了成本。

(4)控制系統(tǒng)集中在一個操作臺內(nèi)，控制部分遠離傳動部分，編碼器和控制電源受干擾小。操作臺內(nèi)強弱電分開走線，減少了電磁干擾。

(5)傳統(tǒng)的電控系統(tǒng)通常將 UPS 電源設(shè)置在低壓電源柜中，UPS 的啟停要到低壓電源柜去操作。由于距離遠，司機經(jīng)常忘記。一體化操作臺將 UPS 安裝在操作臺司機的右下腳附近，方便直接啟停。

圖5 液壓站系統(tǒng)功能模塊Fig.5 Function module of hydraulic station system

圖6 信號系統(tǒng)功能模塊Fig.6 Function module of signal system

(6)與一體化操作臺配套的驅(qū)動系統(tǒng)采用自制(CHIC1000 系列)或國產(chǎn)(如英威騰 GD300)品牌的相同功率變頻器，相比采用 ABB、西門子等廠家的變頻器，不僅滿足了用戶需求，而且大大降低了成本。

4 系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用

以梨樹 7 號斜井 JK-2.5(400 kW，6 kV)單繩提升機一體化操作臺控制系統(tǒng)為例，采用 GX Works2編程軟件，用梯形圖對提升機控制、安全保護及電氣聯(lián)鎖功能進行編程；采用 WinCC 軟件開發(fā)了監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控畫面可通過顯示器將提升機運行狀態(tài)以曲線的方式呈現(xiàn)，如圖 7 所示。圖中主要信息有提升機主編碼器深度、測速機速度、液壓壓力，電動機電流、閘給定、速度給定等。項目自投入使用以來，運行穩(wěn)定可靠，基本實現(xiàn)了無故障運轉(zhuǎn)，增強了提升機的安全性，提高了提升能力。

圖7 現(xiàn)場應(yīng)用監(jiān)控畫面Fig.7 Monitoring interface in field

5 結(jié)語

針對現(xiàn)代中小型礦山企業(yè)追求經(jīng)濟、實用、緊湊型提升機的現(xiàn)狀，從硬件方面著手，設(shè)計了與 H 型提升機相匹配的一體化操作臺控制系統(tǒng)。相比傳統(tǒng)電控系統(tǒng)，一體化操作臺發(fā)至現(xiàn)場后，安裝周期短，調(diào)試方便，易維護。目前，已有多套 H 型提升機及其一體化操作臺控制系統(tǒng)成功應(yīng)用于各類礦山，運行效果良好，可靠性高，獲得了用戶的好評。