礦井提升機PLC控制系統的研究

李寶榮

（1.太原理工大學電氣與動力工程學院，山西 太原 030024；2.山西省交通規劃勘察設計院，山西 太原 030012）

1 引言

礦井提升機作為礦山最重要的大型機械設備之一，其集機、電、液于一體，在煤炭生產中擔負著提升煤炭、下放材料、升降人員和設備的重要任務[1]。其運行的安全、可靠、穩定性直接影響著整個礦井的生產能力、經濟效益。提升機傳統的控制方式主要采用繼電器—接觸器進行控制，其傳動系統特性復雜，電動機頻繁正反向，經常處于過負荷運轉和電動、制動不斷轉換的狀態中[1，2]。為此文章設計了一種基于PLC的礦井提升機控制系統，具有調速平滑、控制可靠、保護完善、可視化程度高的特點，對于提高提升機的安全、穩定、可靠運行具有重要的意義。

2 提升機控制系統的控制策略

礦用提升機電氣控制系統主要包括4部分，即調速部分、控制部分、后備保護部分和監控部分，而且四者是相互關聯的。

2.1 調速部分

調速部分采用變頻調速。圖1為提升機變頻調速系統示意圖，調速系統主要由變頻器、行程控制、操作控制、制動部分等組成[3，4]。

圖1 提升機變頻調速系統示意圖[3，4]

變頻器主要對提升機的升降進行變頻調速，實現恒加速變頻調速啟動、恒減速變頻調速停車及行程變頻調速運行等。通過改變電動機輸入電源的頻率來調節電機轉速，調速范圍寬。變頻器調速有別于轉子串電阻調速，降低了轉差率，提高了電路的功率因數，可以恒轉矩輸出，輸出功率隨轉速變化，因此具有很好的節電效果。另一方面，變頻器還可通過軟件很方便地改變輸出轉矩（即調整轉矩補償曲線）和加減速時間、目標頻率、上下限頻率等。變頻器還具有強大的兼容功能，并根據使用要求進行功能組合、參數設置(修改)和動態調速，也可通過端子排控制，對行程進行多段速度控制。圖1（b）為變頻器恒加速和恒減速調速過程示意圖，加速和減速過程可以靈活調節，這種調速方式對防止提升機的過卷、過放、脫軌等都是十分有利的。

行程控制主要對提升機的變速、停車和制動等進行精確的控制，將提升機的升降過程劃分成不同的行程區間，根據每一行程區間的實際情況，采用不同的變頻調速控制提升機的升降速度，見圖2。操作控制主要完成提升機的提升啟動、下降啟動、故障復位及緊急制動等操作控制。“提升啟動”操作控制變頻器正轉運行，提升過程由行程控制器的提升行程控制完成。“下降啟動”操作控制變頻器反轉、下降過程由行程控制器的下降行程控制完成。“緊急制動”操作主要控制異常時的變頻器停止和抱閘制動，制動部分包括能耗制動和抱閘制動，主要實現提升機停車控制。

2.2 控制部分

圖2 行程控制過程示意圖[3，4]

控制部分采用可編程控制器（PLC）作為中央控制器。主要包括主回路、測速回路、安全回路、控制回路、輔助回路、可調閘控制回路、限速保護回路、動力制動控制回路和深度指示回路等。主回路由電動機電源、定子回路和轉子回路組成，和變頻器相結合實現電機的啟動、停止等功能。測速回路采用測速發電機，將提升機的實際速度用電量測量出來，以供速度比較和一些以速度為函數的控制環節，同時反映提升機的轉向。安全回路中串入許多保護接點，當提升機發生故障時，這些保護觸點斷開安全回路，使提升機斷電，并對其進行安全制動。控制回路保護電動機換向、動力制動、變頻器控制等環節。電動機換向包括自動和手動回路，輔助回路主要指系統的供電電源。可調閘控制回路由磁放大器、制動手柄自整角機、速度給定自整角機及測速反饋回路組成。

2.3 后備保護部分

后備保護的控制觸點串入安全回路。當絞車發生過卷、松繩、閘瓦間隙過大、滿倉、超速、深度指示器失效、卡斗等故障時，后備保護斷開安全回路，絞車實行安全制動。能實時監測提升機的運行狀態，數顯提升深度、速度、提升勾數、提升信號等。具有信號閉鎖功能，即能記憶最近10次打點信號，顯示當前打點信號，提升信號同提升機控制回路相閉鎖，沒有提升信號，提升機無法啟動。根據提升信號，自動實現上下行方向閉鎖，自動分辨出提人、提物。具有安全回路故障探測功能，即自動監視提升機安全回路的工作狀態。當提升機安全回路出現故障時，自動指示出故障點的準確位置。同時，具有在線試驗和模擬試驗功能、鍵盤閉鎖功能、傳感器工作狀態指示功能。

2.4 監控部分

礦井提升機是一套復雜的機械電氣系統，是礦山生產中具有舉足輕重作用的重要大型設備。為確保提升機能夠達到高效、安全、可靠地連續提升，它應具有較好的機械性能，良好的電氣控制設備和完善的保護裝置。《煤礦安全規程》規定礦井提升機必須裝設安全監控系統。系統采用可視化的監控方式，對系統的狀態等參數進行監控[6，7，8]。

3 提升機控制系統的實現

3.1 硬件設計

控制系統見圖3，系統以PLC為中央控制單元，主要包括保護信號采集和處理單元、顯示單元、監控單元、輸出執行單元、系統電源、變頻調速單元等。保護信號采集和處理單元主要完成后備保護信號保護的檢測和處理、顯示單元對系統參數實現現場的顯示、監控單元實現人機信號的交換和控制、輸出執行單元實現對中央控制信號的執行、系統電源給控制系統提供電源、變頻調速單元實現對電機的調速。

圖3 提升機控制系統硬件結構框圖

3.2 軟件設計

軟件包括PLC控制軟件和上機組態軟件。PLC控制軟件主要功能是實現對提升機的啟動、加速、減速、停車等過程控制信號采集、邏輯處理。采用子程序模塊化程序設計方法。圖4為提升機控制系統部分軟件框圖。上機組態軟件主要完成對系統運行和故障狀態，以及系統參數的在線實時監控。圖5為部分監控界面。

圖4 提升機控制系統監控程序框圖

圖5 監控系統的一種監控狀態

4 結束語

文章所設計的礦井提升機PLC控制系統已于2008年在某礦井開發完成并正式投入運行，實現了對提升機的全數字控制和全自動化提升。經過3年多的運行表明，該系統具有使用方便、抗干擾能力強、性能穩定、動作可靠、準確度高等優點，大大降低了能耗，具有明顯的經濟效益和社會效益。該成果的推廣應用將對促進我國礦山提升控制技術進步產生巨大的影響，帶來顯著的經濟效益和社會效益。

[1]余發山.國內外礦井提升機的現狀與發展[J].煤炭機電，1995，（3）：31-34.

[2]王宇星.礦井提升機的自動化控制[J].湖南有色金屬，2001，（3）：44-47.

[3]易建湘.提升機全自動電氣控制系統[J].有色金屬，2001，（2）：35-39.

[4]劉永成，孫寶國.礦井交流提升機全數字交交變頻低頻拖動電控系應用[J].煤炭自動化，1998，（51）：48-51.

[6]陶建平.礦井提升機的監控與監視[J].中州煤炭，1999，（5）：18-20.

[7]李敬兆，王清靈.礦井提升機計算機監控系統[J].煤炭科學技術，2000，（10）：4-7.

[8]肖興明，黃小軍等.礦井提升機監護系統的實現[J].微機與應用，1999，（9）：23-26.