基于PLC的礦井提升控制系統應用

張建鋒

（中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039）

0 引言

隨著國家對煤礦資源的大量開采，礦用提升機作為煤礦生產中關鍵設備，在礦井中人員及物料和設備輸送等方面發揮著重要作用。同時也能將開采好的礦石和矸石運輸到地面，是礦井生產過程中極其重要的一部分，提高整套控制系統的綜合性能至關重要[1]。針對提升機作業調速問題，目前主要采用增加調節電阻方式進行設備調速，存在調速范圍窄、調速精度低等問題，已無法滿足當前提升機在礦井中的智能調速需求，不斷開展提升機控制系統的優化改進，成為當前的研究重點方向。

為此，本文設計一種以PLC為控制核心的礦井提升系統，解決了傳統提升中的不足。該系統主要由PLC控制裝置、提升調速系統及安全監測等部分構成[2]。在詳細設計提升機控制系統需要的硬件部分基礎上，利用相關軟件編寫程序，實現了對提升運輸機的有效控制。

1 礦用提升機調速機理分析

調速功能在提升機中應用的較為廣泛，其調速的目的主要是通過對其運動速度與時間的變化關系來是實現調節，找到速度隨時間的變化規律，由此所形成的變化曲線稱之為提升機速度變化圖，如圖1所示。圖中，t0為初始加速度階段，t1為主加速階段，t2為恒速階段，t3為主減速階段，t4為平穩過渡階段，t5為制動階段，θ為停車階段。當前，整個提升機的調速過程主要按照此變化規律來進行調節，而速度的變化則主要通過電機的轉速調節進行實現，其計算公式為：

圖1 提升機速度變化

式中：f為供電頻率；n為轉速；p為磁極數；s為轉差率。

2 系統硬件設計

提升機控制系統中的核心是PLC和變頻器[4]，PLC選用的是西門子公司的S7－300，CPU模塊將收集的信息進行計算、判斷及處理，并向執行單元發出相應的數字信號和模擬量信號控制指令，同時，該控制器中的通信模塊具有遠程通信的作用，能滿足提升機遠程操控的需求。S7－300控制器中配備了多個開關量輸入和輸出接口，數據之間通過RS485進行信號傳輸通訊，內部的JD－BP37/38系列變頻器則采用了BUS協議，可通過調節電機的轉速來實現對提升機輸出功率及運行速度的控制，控制器的實物如圖2所示。

圖2 S7－300控制器實物

3 系統軟件設計

3.1 安全保護模塊

由于提升機在作業過程中經常出現超速、彈簧疲勞、變頻器故障等問題，為提高提升機作業過程中的安全性，在整個控制系統中設計了安全保護模塊。該保護模塊首先將對提升機運行時出現的故障進行診斷檢測，針對出現的不同故障問題及時發出相應的故障報警提示和故障發生位置，并在顯示面板中進行了故障實時顯示，同時切斷相應的電源系統，人員只需通過提示的故障進行故障檢修及排除。以此達到智能保護提升機作業安全的目的。該模塊控制流程如圖3所示。

圖3 雙閉環調速系統的轉速波形

圖3 安全模塊控制流程

3.2 模擬量模塊設計

各類傳感器會將采集相關信息及時傳輸出來。因而，在CPU接收信號之前，需經過專門的模擬量接收模塊進行信號接收，并將接收的信號通過A/D轉換器進行電信號向數字信號的轉換，發送至CPU處理器中。CPU處理器在進行數據的分析、計算及處理時，若發現相應的參數超過設定閥值，在會發出相應的報警提示，若參數正常則進行參數的實時顯示。模擬量模塊的控制流程如圖4所示。

圖4 模擬量模塊設計流程

3.3 上位機顯示界面設計

為實時、直觀地掌握提升機運行參數及故障情況，采用了MCGS組態軟件對提升機控制系統的上機位顯示界面進行了設計，通過顯示界面，可對設備的運行狀態及相關參數進行實時顯示及控制，是人員掌握設備狀態的重要窗口。在顯示界面中，能將提升機的作業功率、運行速度、故障類型、作業溫度進行實時顯示，人員可通過顯示界面中的按鈕進行狀態查詢，整體智能化程度相對較高。

4 模糊自適應整定PID在提升機系統中的運用

4.1 模糊控制原理

模糊控制是一種新型的控制方式，主要將成熟經驗及專家知識等通過收集、整理后形成一種模糊化的控制信號，相應執行器在接收到此信號后，經過內部的模糊推理和計算，執行相關模糊化控制，實現整個環節的智能化閉環控制[4]。而整定PID則主要是利用此控制原理進行控制操作。

4.2 模糊自適應整定PID

PID控制在工業控制中應用的較為普遍，主要通過內部的微分、積分、比例等方式進行不同功能的調節，其中，通過比例調節來改變提升機的運行速率，通過積分調節來消除速度變化誤差，通過微分調節來修正速度的變化趨勢，以此實現整個提升速度的有效控制[7]。結合提升機運行特點，在此處PID控制中，選取了誤差和誤差變化率作為輸入控制量，通過控制器對其兩輸入量的信號收集及模糊化計算與判斷，使其轉為可識別的控制量，結合自身的模糊控制及誤差修正技術處理后，得到最佳的修正量參數，最后再與PID初始參數進行比較，以此得到最新的PID參數，更好地實現對提升機的實時控制。

4.3 模糊自適應整定PID實現方法

結合S7－300PLC控制器中的程序編程軟件STEP 7，采用了離線控制方式，通過將控制語言制作成表格的形式，存儲在S7－300的存儲器中，工作的時候通過查表的方式找到PID參數，給到PID控制器中，實現整個系統的控制。

5 控制系統的應用評價

在完成該控制系統的總體設計后，為進一步掌握該控制系統的可靠性及穩定性，將該系統在礦用提升機中進行了應用測試，測試周期約為5個月。在此期間，該控制系統運行良好，與原來的單片機或PID控制相比，提升機的控制精度及靈敏性均得到明顯提升，提升機在加速、恒速及制動減速等環境的穩定性也大大提升。在此測試期間，整套系統未出現故障異常現象，據人員統計，提升機因電氣故障產生的停機時間縮短了將近70%，在減少提升機維護成本基礎上，也降低了人員的勞動強度，實現了提升機自動化的穩定運行。由此驗證了該控制系統能更好地滿足提升機的現場生產需求。

6 結束語

分析目前煤礦提升系統，發現其存在消耗高、故障率高、控制不靈活的問題，影響提升的運行穩定及可靠性，不利于設備的高效運行及井下作業安全。而不斷將當前成熟的自動化控制技術應用到提升機的生產作業中，成為當前重點任務。為此，完成了基于PLC控制器的提升機控制系統硬件及軟件分系統設計，大大提升了提升機的控制精度及控制準確性，在煤礦中運用本系統，實踐證明本系統相較于模糊控制和PID控制單一控制，在性能上比較突出，能更好地滿足現場生產的需求。