基于PLC 的摩擦式提升機滑繩保護系統設計分析

倪 飛

（晉能控股煤業有限公司青磁窯煤礦， 山西 大同 037000）

引言

在摩擦提升機中，滑繩保護裝置扮演著非常重要的角色，通常保護保護礦井安全生產應對危險滑動趨勢起著非常大的作用。滑繩事故的原因有很多諸如鋼絲繩與摩擦襯墊的摩擦導致摩擦因數下降，制動力矩超標等。為了能夠更好地保障提升機的可靠性，以西門子57-1200 PLC 為核心設計了一種滑繩保護系統。由于力具有可傳性，因此可以將借助PLC 系統同步測量鋼絲繩對摩擦襯墊的壓力以及相應的脈沖輸出。當處于允許的滑動極限內時，通?？梢越柚：刂茩C制對帶載提升機進行可靠制動。

1 摩擦提升機滑繩保護系統設計方案

圖1 表示相應的摩擦提升機結構示意圖。工作過程如下所示：在電動機的驅動下，帶動鋼絲繩，有鋼絲繩提供牽引力，將動力傳遞給摩擦輪襯墊，在與鋼絲繩的摩擦下實現提升容器的升降。

圖1 表示相應的摩擦提升機結構示意圖

為了能夠有效地提高提升機的可靠性，對提升機的滑動狀態進行實時調整，與此同時對天輪與摩擦輪的主軸編碼器輸出脈沖進行通不處理。假如監測到的脈沖數量存在較大的差異性，并且相對位移超過了允許值，那么機械手將鋼絲繩直接抱緊。

為了能夠更好地優化滑繩系統，設計了如圖2所示的主控回路與輔助控制回路雙閉環優化方案。

圖2 滑繩保護系統優化方案

對于主控回路而言，選用傳統的滑繩保護裝置，以天輪以及摩擦輪主軸編碼器所反饋的脈沖數為基礎，借助控制器辨識給定的△x 下，相應的脈沖序列線速度偏移量用△x 表示，這樣可以從檢測到鋼絲繩的滑移位移xAC；將該數值與設定的數值xPC進行對比，假如滑移位移超過了該數值后，那么相應的電控液壓閥將會得電，從而向機械手發出指令將抱緊鋼絲繩，從而可以避免出現滑繩事故問題。

為了防止提升機產生滑繩問題，通?？梢栽谀Σ凛喴r墊與主軸輪轂之間設置應變片壓力傳感器，這時選取測壓力pAC以及與之相應的提升機輸出功率PAC等參數，將這些參數當做輔助控制回路的反饋信號，與此同時需要借助控制器處理信號，最終可以給出功率變化量，壓力變化量pEE時變量△pEV以及相應的△pEE。最終可以借助模糊控制程序在線處理反饋輸入的變化量以及相應的時變化量，這樣可以依據負載變化情況，計算出允許的最大制動扭矩[1]。

由此可以看出，主控回路可以為滑繩保護提供直接的保護。主要應用于如下幾個方面：鋼絲繩與摩擦襯墊之間的摩擦因數相對較低的情況；超載或者制動力過大的情況。而相應的輔助控制回路作用在于可靠回路方面，在負載變化的情況下調整制動力矩，從而可以最大限度地避免滑動極限值[2]。

2 滑繩保護系統設計

2.1 PLC 選型與硬件設計

在PLC 選型的過程中，充分考慮滑繩保護以及安全制定的靈活性以及性價比，本設計選用57-300 PLC。 從功能角度進行分析選用 CPU 1214CDC/DC/DC 為滑繩保護從站的控制器，如圖3所示。為了能夠滿足PROFIBUS-DP 的功能需要，在CPU1214C 擴展了一個DP 從站單元CM 1242-5，這樣可以構建一個從站提升機滑繩保護系統。

圖3 PLC 硬件原理圖

通過查閱相關資料可以發現，CPU 1214C 設置了如下幾個端口：2AI、14DI、10DQ。與此同時為了滿足液壓系統、聲光系統以及傳感器，設置了CPU 1214C 的物理端口，如表1 所示。主要涉及開關輸入量、輸入與輸出單元。其中CPU 1214C、SM 1231 能夠對系統的油溫、泵電機溫度以及流量等進行監測。檢測到數據后將其傳輸給CPU 控制器，經過處理后將其傳輸給SM 1232 輸出調節伺服閥[3]。

表1 滑繩保護系統選型

通過分析滑繩保護裝置可以看出，當主控回路處于工作狀態時，能夠將信息傳輸給反饋輸入摩擦輪以及天輪主軸的編碼器。通過分析手冊可以看出，CPU 1214C 內部設置了6 個高速計數器，能夠對單相低于100 kHz 的脈沖信號進行測量。由此可以看出，摩擦輪以及天輪設置的頻率應小于100 kHz，圖4 表示24 VNPN 輸出的增量型編碼器，相應得到每轉輸出脈沖數N=2 000 個。假如主軸轉速達到了50 r/s，那么對應的相應頻率可以達到100 kHz。與此同時，編碼器與A、B、C 相與CPU 1214 進行連接，其中C、A、B 相脈沖相差90°。從而可以正確地判斷天輪以及摩擦輪的方向。假如C 相輸出了零電位信號后，能夠精確地計算出△t 內摩擦輪和天輪主軸編碼器脈沖輸出數N1和N2。

圖4 摩擦輪和天輪主軸編碼器的脈沖輸出接線圖

2.2 滑繩保護功能與軟件設計

主副雙閉環控制回路可以看出，滑繩抱緊系統包括如下幾個子程序：啟動程序單元、主程序單元、應用子程序。其中，在主程序中可以實現循環調用如下單元：數據采集與處理單元、故障處理單元、通信控制單元、滑繩保護單元、安全制動單元等，這樣可以實現分立單元的運行。

通常在調用57-1200 PLC 控制程序的過程，必須將其設定在OB 100 啟動程序塊以及相應的OB1主程序塊中。其中，在對主程序進行初始化的過程中，往往需要借助OB 100，與此同時為了能夠更好地保護滑繩，在系統中設定了終端服務入口。依據兩個裝置編碼器的輸出情況，當觸發滑繩故障中斷，與此同時出現調用滑繩保護程序，以及開關量控制單元SM1223 輸出控制電控液壓閥以及液壓泵動作，從而可以使得液壓驅動以及相應的機械手制動副能夠抱緊鋼絲繩。為了能夠有效地防止出現滑繩現象，通常在OBl 中調用安全制動子程序，依據相應的模糊控制流程進行控制，這樣可以借助SM1231 以及CM1242-5 檢查得到壓力信號PAA 以及相應地提升機功率參數PAC。經過處理后，進而得到相應的功率變化量，以安全制動子程序為基礎，在借助模糊算法計算出滑動極限允許的最大制動力矩，接著將得到的數據傳輸給電液伺服電機，從而可以實現更好地控制提升機。

安全制動系統觸發時選用緊急制動的形式。在該軟件中，將反饋信號進行AD 轉換，在該軟件內設置有5530 到27648 模擬信號，這樣可以與傳感器的4～20 mA 模擬量進行匹配。接著對變化量以及時變量進行計算，從而可以有效地處理輸入參數。隨機將5530 到27648 模擬信號轉成成為-5～+5 的模糊論域，為了能夠更好地進行查詢，將在-5～+5 的數字與0～11 進行匹配。這樣可以對模糊化的參數進行判斷，假如超過設定值，那么將進行模糊輸入。對查詢數據單元中的模糊規則進行查詢，接著借助DA 轉換可以把模糊輸出的-27 648～+27 648 轉化與之對應的-10～10 V 電信號，最終可以借助電液伺服閥以及相應的液壓系統完成制動。

3 結語

為了能夠有效地提高提升機制動的可靠性，制定了滑繩保護系統，與此同時設計了相應的PLC 控制系統。該方案以S7-1200 PLC 核心，設計出相應的控制方式以及硬件結構。其中選用主控制回路的形式對滑繩提供直接的保護，同時以摩擦輪以及相應的滑繩位移位反饋基礎，選用液壓驅動以及機械手制動鋼絲繩。而相應的輔助回路可以設定為模糊算法，這樣可以提高負載以及相應的繩輪徑向壓力為反饋，能夠提供最大的制動力矩。該系統可以大大提高提升機的可靠性，最大限度降低滑繩的事故率。