基于PLC 的礦井提升機電控系統研究與設計

蘭晉生

（山西省節能中心有限公司， 山西 太原 030045）

引言

礦井提升機是集供電、排水、通風、提升、運輸等系統于一體的系統設備，負責井下煤炭、物資器材與人員的運輸工作[1]。如果提升機在工作過程中出現失控、超速與過卷等事故，不僅會造成設備的損壞，更有可能危害工人的生命安全[2]。礦井提升機系統龐大復雜，電機及配套設施的電能消耗較大，占到煤礦總功耗的30%左右，造成了一定的能源浪費[3]。因此，研究一種可靠性高、控制穩定、節能性優良的系統具有重要意義。本文以西門子PLC 控制器為核心部件、變頻器為驅動裝置，開發了一種礦用提升機數字控制系統，實現提升機的平滑速度控制，為礦井生產過程的綠色環保與安全可靠保駕護航。

1 系統總體方案設計與分析

1.1 系統需求分析

1）提升效率。礦井提升機對系統的提升效率要求較高，隨著煤礦規模的增大，物料與器材設備的運輸要求增多，需要進一步優化提升機的提升效率。

2）硬件系統可靠性。礦井環境復雜，提升機工作過程會受到較大的沖擊載荷，硬件系統的可靠性是提升系統安全運行的重要保障。

3）環保節能。提升系統作為煤礦的主要電能消耗設備，可節約提升機的功率消耗，有效節約生產成本。

4）運行數據的直觀顯示。系統應當通過人機交互界面將運行數據直觀顯示，并對數據進行記錄，方便檢修人員的數據追溯與維修。

1.2 系統總體方案設計

提升機控制系統的整體方案如圖1 所示，主要由主控制部分、供電部分、變頻驅動部分、信號指揮部分、人機交互部分、液壓控制部分等組成。系統具有完整的人機交互功能，操作人員通過操作臺與上位機系統實現對提升機的遠程監視與控制，通過操作臺指示燈為工作人員顯示設備運行過程中發生的故障。上位機系統通過網絡端口接入地區調度室，在發生故障的情況下，保證地區工程師可快速接入系統，實現遠程的應急處理與維護升級。系統采用雙PLC 冗余設計，主控PLC 完成提升機系統的保護、邏輯運算、液壓站、變頻器及信號系統的控制功能，輔PLC 負責系統的后備保護，保證系統的安全可靠運行。操作臺是系統的控制端口，為人機交互的主要通道，司機通過操作按鈕與開關實現對提升機運行方式的遠程控制，通過人機交互界面與指示燈，快速便捷地判斷運行故障。

圖1 系統總體方案設計

2 系統控制方案設計

礦井提升機根據罐籠質量進行功率的調節，在滿足運輸需求的前提下，節省功率消耗是節能的關鍵。目前PID 算法是電機的常用控制算法，通過采集目標的實時信息與給定值比較得到輸入偏差，采用比例、積分和微分進行調節。PID 算法對線性對象的控制效果好，可靠性高，但不適合提升機的自適應控制。因此，本文將模糊控制與PID 控制算法相結合，通過模糊控制對PID 的3 個參數進行調節修正，提高系統的動態性能。

模糊PID 控制改善了傳統PID 算法的缺陷，可根據實際情況實時調整算法的PID 參數。提升機控制系統的模糊PID 調節原理如圖2 所示，主要由模糊控制器、PID 控制器、變頻器、提升機等組成。

圖2 提升機控制方案原理

給定提升機的轉速為Q0，通過編碼器檢測得到實時轉速Q，將兩數據做差分析，得到參數的誤差與誤差變化率作為模糊PID 控制器的輸入信號，通過模糊控制規則推理生成各參數的修正量dKP、dKI、dKD，分別與初始PID 參數*KP、*KI、*KD相加后得到正定參數KP、KI、KD，送入PID 調節器實現變頻器的自適應控制。

在系統調節參數初期，輸出數據的偏差較大，應當選取較小的積分參數與微分參數，較大的比例參數，避免出現積分飽和現象；在調節一定時間后，輸出偏差逐漸減小，應當選取較小的積分參數，逐漸增大微分參數，避免超調量快速增大；在調節末期，輸出偏差較小，應適當調節微分參數，保證輸出值穩定。

3 系統硬件選型設計

3.1 PLC 選型

本文選擇西門子S7-400 系列PLC 作為提升機的主控制器與輔控制器，PLC 硬件組態包括電源、CPU、數字量與模擬量輸入輸出模塊等。CPU 選擇功能強大的CPU224 型號，包括兩個通信端口，同時連接操作臺與上位機，滿足控制需求。

3.2 變頻器選型與接線

根據提升機驅動需求，本文選用西門子公司的MM440 變頻器。變頻器輸入三相電源，輸出接三相交流電機。PLC、變頻器與電機的接線圖如圖3 所示，PLC 采用220 V 交流供電，變頻器采用380 V 三相交流供電。SB1 與SB2 按鈕分別為提升機的啟動與停止按鈕，均采用常開觸點與I0.0、I0.1 端口連接。

圖3 變頻器接線圖

3.3 信號采集裝置選型及安裝設計

如圖4 所示為信號采集裝置安裝示意圖。系統信號采集裝置主要包括行程開關、溫度、壓力傳感器與編碼器等。行程開關主要安裝于井筒，包括上過卷開關、下過卷開關、上終端開關、下終端開關、上減速電開關、下減速電開關上深度檢驗開關、中間兩個深度的檢驗開關與下深度檢驗開關，共計10 個行程開關。溫度與壓力傳感器用于檢測液壓站、潤滑站與制動泵等附近的油溫與油壓等參數，其中溫度傳感器選擇PT100 型電阻式溫度傳感器，測量溫度范圍-200～＋850 ℃，壓力傳感器選用MPT230 壓力傳感器測量油壓信號，可將不同的壓力信號轉換為對應的電流信號。編碼器負責電機輸出軸、卷筒等轉速參數的采集，用于計算提升機的運行速度，并監測設備的工作狀態。通過編碼器可以校驗深度指示器的準確性，有效提高提升機位置的定位精度。編碼器選用E6B2 型光電編碼器，測量最大轉速6 000 r/min，最高響應頻率100 Hz。

圖4 信號采集裝置安裝示意圖

4 系統應用效果分析

提升機控制系統應用以來，受到廣大員工的一致認可，為企業帶來了經濟效益與社會效益。該控制系統應用以前，提升機設備整機額定功率為1 000 kW，按每工作日16 h 生產時間、一年300 個工作日計，系統不進行變頻調速控制時，提升機系統耗電量估算為480 萬kW·h，按照市場商用電價每度0.8 元計算，全年電費384 萬元。裝置應用后，2020 年提升機實際用電量430 萬kW·h，理論節電率η=50/450≈11.1%，節約電費約40 萬元，具有較好的節能性，為企業帶來了可觀的經濟效益。控制系統應用前，2019 年提升機設備的故障停機次數為2 次，系統應用后，2020 年提升機未發生故障停機事故，有效提高了系統的運行可靠性，保證了礦井提升效率，為礦井安全生產保駕護航。