PLC在礦井提升機變頻控制系統中的應用

高斌斌，吳曉霞

(山西工程職業學院 機械電子工程系，山西 太原 030009)

0 引言

由于井工煤礦生產的特殊性，井下產出煤和矸石的運輸、井下工作人員的升降及井下所需物料、工具、設備的提升與下放，均需通過礦井提升機來完成，因此礦井提升機在煤礦生產中有著舉足輕重的地位。本文針對某礦副斜井實際生產情況，設計了一套基于三菱FX系列PLC與變頻器的礦井提升機控制系統，通過本系統可以完成該礦不同類型物料、工具、設備的提升與下放，以保證礦井的安全生產。

1 控制要求

針對礦井生產運行實際情況，礦井提升機對于控制系統提出如下要求：

(1) 提升機運行前，首先應接收啟動信號，根據啟動信號確定提升機運行方向及速度，提升機運行方向分為提升和下放，速度分為全速、半速及低速運行。

(2) 提升機需具備檢修和故障運行功能。

(3) 礦井提升機停止時，由盤式制動器閘住滾筒，因此提升機在啟動前需將制動閘收回。

(4) 提升機運行時，通過主令手柄控制提升機啟動，提升機運行過程中，根據運行行程分為加速段、等速段、減速段和爬行段，每段都有不同的速度，由PLC控制變頻器手動或自動調節。

(5) 提升機運行時，通過潤滑泵向主軸承、減速器軸承和嚙合齒面送潤滑油，以保證軸承和齒輪能良好工作。

(6) 提升機提升終了時，能夠通過配套的液壓站實現可靠制動并閘住滾筒。

(7) 為保證提升機安全運行，需具備自動換向功能。

(8) 根據運行實際情況，提升機需具備不同運行段超速、電機過流、滑繩、松繩、過卷、閘瓦磨損、潤滑油欠壓、液壓油過壓及潤滑油、液壓油過溫等保護。

2 變頻系統設計

礦井提升機在運行過程中采用變頻器實現調速。該礦礦井提升機主電機屬于高壓運行設備，其運行電壓與礦井地面變電所出線電壓相配套，考慮到該礦井出線電壓為6 kV，故采用6 kV高壓電機，變頻器選擇ABB公司的ACS2000系列變頻器。

提升機屬于重載啟動，因此變頻器啟動需要較大的啟動轉矩，且變頻器需根據礦井提升機的運行方式和行程調節變頻器的頻率和運行方向。

變頻器頻率的給定方式有外接數字量給定、模擬量給定和通訊給定，數字量給定采用多段式頻率輸出，頻率固定，但提升機正力提升和負力提升頻率相差較大，控制精度低；通訊給定，通過PLC與變頻器通訊，將頻率傳送到變頻器，由于PLC與變頻器采用不同的廠家，因此通訊時較為復雜，且穩定性差。通過比較，本控制系統采用模擬量給定方式，PLC通過判斷返回的變頻器速度和行程，根據設定 速度動態調整所需頻率。

3 PLC控制系統設計

本設計采用PLC完成礦井提升機的控制要求，PLC硬件結構框圖如圖1所示。

圖1 PLC硬件結構框圖

3.1 啟動信號的發出

啟動信號發出之前，首先需判斷是否符合信號發出條件，即安全條件是否具備，然后根據卡萁斗的位置、運輸材料類型和運行速度要求，發出相對應的啟動信號。

根據礦井提升機停止、運行方向、速度的不同，共需5個信號，通過打點次數不同進行控制，無效信號有兩種：①打點次數超過5次；②打點信號對應的提升方向與卡萁斗所處位置不匹配。

本設計通過按鈕輸入提升信號，輸入信號為開關量信號，PLC程序內部采用計數器。每次根據運行要求的不同，按鈕按下相應次數，PLC計數器將計數值與設定值進行比較，為提升機開車提供依據。

對于檢修、故障開車需根據現場情況，通過相應按鈕將信號輸入到PLC，PLC根據輸入信號的類型控制提升機運行。

3.2 提升機系統啟動

礦井提升機啟動前，通過PLC輸出相應信號給外置液壓站，液壓站增大系統油壓，將制動閘收回；同時發送指令給潤滑泵，以啟動潤滑系統。這兩條指令均為開關量信號，由中間繼電器傳送。

3.3 提升機運行

當啟動信號發出后，首先判斷啟動條件是否具備，在條件具備的情況下，通過主令手柄發出啟動指令。提升機控制采用兩種方式：①手動方式，通過主令手柄輸入高速脈沖，PLC將主令輸入脈沖換算為變頻器頻率輸出，從而控制提升機的速度；②自動方式，在主令手柄發出啟動信號后，PLC控制系統根據提升機行程自動調整提升機的速度。由于變頻器采用外接模擬量給定方式，因此需用到PLC D/A模塊，將頻率計算量轉換為0～10 V電壓信號輸入到變頻器，本系統選擇FX3U-4DA模塊。

根據提升機的運行狀態，變頻器運行方式可以分為全速、半速、低速等模式。在自動模式下，PLC可以根據設定程序自動選擇頻率。在手動模式下，通過主令手柄輸入脈沖控制頻率，在不同速度運行時，單靠提升機司機手動調節，準確性較差。本系統在不同速度模式下，通過PLC對主令手柄輸入脈沖采取不同比例的換算實現頻率調節。

3.4 提升機速度及行程檢測

為了保證提升機行程及速度檢測的準確性，通過在不同的位置進行檢測。本設計采用歐姆龍E6B2-CWZ6C系列軸編碼器，分別在電機主軸和導向輪處安裝，對于軸編碼器返回脈沖的測量，需用到PLC高速計數器。通過將高速脈沖信號進行計數和換算，得出提升機的行程。由于鋼絲繩在運行過程中可能會出現滑繩，因此需要不斷將兩處編碼器獲得的行程數據進行比較，以判斷是否發生滑繩。

(1) 滑繩檢測：通過PLC初始化指令設定滑繩距離，本設計設定為4 m。滑繩分為正向滑繩和反向滑繩，正向滑繩即提升時產生滑繩，導向輪距離大于電機軸距離；反向滑繩即下放時產生滑繩，導向輪距離小于電機軸距離。

(2) 提升機速度檢測：提升機速度檢測主要是通過計算單位時間內返回的脈沖數，將軸編碼器B相或A相送入PLC輸入，采用SPD指令統計一定時間內返回的脈沖數，經過換算將其轉換為實際速度，通過實際速度與不同行程段設定速度的比較，可以判斷出是否發生超速，包括等速段超速、減速段超速、爬行段超速等。

(3) 松繩檢測：提升機在重載啟動或突然停車的情況下，可能會造成鋼絲繩松弛下垂，從而產生松繩。在鋼絲繩出口處安裝硬連接裝置，裝置兩側連接行程開關，當發生松繩時，硬連接裝置帶動行程開關動作，返回松繩信號。

3.5 提升機自動換向

通過PLC將返回來的行程與終點設定值進行比較或判斷行程開關返回的信號，確定是否到達終點。終點到達時，自動進行換向。即當提升機正向到位時，自動換為反向；當反向到位時，自動換為正向。

3.6 提升機制動

當提升機提升終了時，通過變頻器調速，提升機速度接近為0，此時將制動信號發送給液壓站，液壓站通過調節液壓油壓力大小獲得制動力矩，盤式制動器將滾筒可靠閘住。

制動閘長期使用會產生磨損，為保證能夠可靠制動，制動閘處需安裝有行程開關，當閘瓦間隙超過一定范圍時，向PLC返回閘瓦磨損信號，報警輸出。提升機在提升終了時，若出現提升機不停車繼續運行的情況，則會產生過卷。過卷分為正向過卷和反向過卷，過卷距離設定為0.5 m，將電機行程與停車點位置進行比較，從而判斷是否發生過卷。此外，為了保證過卷時能夠安全停車，在過卷處各安裝一個行程開關，開關動作則說明發生了過卷。

3.7 提升機保護

對于礦井提升機，除了速度、行程、閘瓦磨損等保護外，還需對潤滑泵油壓、液壓站油壓、電機電流等進行檢測，并實現保護。

潤滑泵油壓、液壓站油壓通過壓力變送器進行檢測，選用HMPH系列，通過PLC A/D模塊，將返回的信號進行換算，然后與設定值進行比較，以判斷是否發生潤滑油欠壓、制動油過壓等故障。

對于主機電流信號，采用電流檢測模塊進行檢測，通過PLC A/D模塊獲取信號，同樣將返回信號進行換算，與過電流設定值進行比較，過電流設定值為額定電流的1.5倍，可以判斷出是否發生過流。

潤滑油和液壓油，除了油壓以外，油溫過高也會影響其正常運行，因此需對油溫進行檢測。本設計選用JUC-1M型溫控器，油溫設定為60 ℃，當油溫超過設定值時，返回一個開關量信號，產生報警。

3.8 雙PLC配置

由于礦井提升機的重要性，采用雙PLC對其進行控制，在正常工作時，兩臺PLC對礦井提升機行程、速度信號同時進行采集，兩臺PLC不斷將獲取到的數據進行交換和比較，當出現通訊故障、返回數據相差較大或一定時間內返回值不符合運行規律時，判斷系統出現問題，進行緊急制動或停車。

4 結束語

本系統設計過程中，既考慮到了礦井提升機的各種運行方式，又考慮到了提升機在實際運行過程中可能存在的各種故障，實現了相應的檢測和保護。本系統可以與上位機監控系統相結合，將提升機的運行過程、運行中的各種信息及相關的故障信息顯示到監控畫面中，并將相關數據進行存儲，以便工作人員實時掌握和查詢。