基于PLC的礦井提升機智能型電控系統的分析

王 澤

（山西臨汾西山生輝有限公司， 山西 運城 044600）

引言

運輸設備的可靠性及安全性是礦井生產需要保證的環節[1-2]。而目前礦井提升系統多采用TDK控制方式，即采用異步電動機的轉子回路對電阻進行串聯而調節電動機轉速，但是這種調速方法的可靠性及安全性較差，且維修復雜、提升效率較差，不能滿足煤礦生產繁重的提升任務，所以此類提升系統逐步被淘汰。隨著科技的進步及煤礦生產要求的進一步提高，對礦井提升系統也提出了更高要求，因此采用高性能礦井提升系統對煤礦的安全生產具有重要意義[3]。

1 提升機電控系統的設計方案

礦井提升機電控系統是礦井提升機的最重要的組成部分，電控系統主要由變頻器與核心處理器共同控制，通過研究選用型號為S7-300的PLC處理器。電控系統由變頻電源柜、PLC控制箱、低壓配電箱、制動電阻柜、控制觸摸屏等組成，提升機電控系統設計方案結構圖如圖1所示。

圖1 提升機電控系統設計方案

電控系統各組件的功能如下：變頻電源柜控制電控系統的速度，且可以實現能量回饋；PLC控制箱以兩套PLC電控系統為核心，其中一套PLC控制器采用自動或手動方式控制提升機的升降、速度及閉鎖、接受信號指示燈及安全閘等，另一套PLC電控系統實現對系統運行的監控功能；制動電阻柜為實現提升機停止及減速的動力制動；觸摸屏可實現系統運行狀態的畫面、指示燈及儀表等的顯示，并具有通信功能，畫面顯示功能顯示提升機位置和運行狀況。

2 電控系統硬件的設計與選型

2.1 PLC硬件電路

通過研究選用德國西門子的S7-300硬件模塊，它有接口模塊、CPU模塊、通訊模塊、電源模塊及編程設備等，其硬件組成結構如圖2所示。CPU模塊由存儲器和微處理器組成，其功能主要是采集提升機的狀態信號，實施提升機的控制程序并對設備故障進行檢測，并對系統的運行數據及程序實時存儲。接口模塊即數據交換模塊，實現各硬件直接的數據傳輸。通信模塊即實施上位機、PLC控制器、I/O接口等各設備之間的通信。設備編程采用的是STEP7.5，該軟件能實現不同文件的編輯。電源模塊是為實現對其他外部設備的電源供給，將外部的220 V的交流電轉變為設備所需的5 V或24 V電壓。

圖2 PLC控制系統結構圖

2.2 雙PLC控制系統

使用兩套PLC控制系統能明顯提高提升系統的安全性與可靠性。I/O接口信息有模擬信號和開關信號兩種，開關信號就是數字信號，輸出與輸入的數字信號為10和24。設計的安全回路包含兩套安全回路，分別為繼電器開關串聯組成的安全回路硬件與PLC軟件編程的回路。電氣連鎖是依據礦井相關安全規程與設備安全要求而設計的電氣設備連鎖。

2.3 變頻調速裝置

變頻調速裝置是煤礦提升機控制系統的主要組成部分，該系統對電氣控制系統有直接影響。通過研究，考慮提升系統的運行速度及提升量，提出采用交直交調速變頻方案，使用的變頻器是德國西門子SM150型電源壓型變頻器，組成全自動變頻調速裝置。該裝置相對直流變頻系統而言，具有效率高且結構簡單，能承受更大容量和電壓的優點。變頻器結構使用的為鉗位三電平二極管，采用IGBT功率器件作為開關管，采用SVP-WM矢量控制方式。

2.4 電控系統通信協議

設計系統采用MPI多點接口通信協議，該協議節點數目最大為32個，信息數據傳輸速度為35 kbit/s～12 Mbit/s，在通信量需求較小的情況下，該通信方式效果好，且經濟效益明顯。

3 電控系統軟件的設計

軟件設計部分均通過WinCC和STEP7軟件界面編程來實現。系統采用程序結構化方式來進行編程設計，整個程序由各個小程序組成，通過對各子程序單獨進行編寫實現整個程序。該系統的程序結構如圖3所示，所有的應用程序由提升機準備、輔助啟動、機車操作方式及安全回路等組成。

3.1 輔助啟動

輔助設備包括電機、油泵、制動裝置等連鎖裝置，在提升機啟動前應首先對輔助設備啟動，輔助設備的正常啟動是系統安全順利運行的前提條件。

3.2 提升機動作準備

該程序首先對提升機是否具有啟動條件進行判斷，啟動的條件包括輔助啟動與否、零位聯鎖控制及其手柄等。該程序滿足時，提升機會隨即啟動。

圖3 電控系統應用程序流程

3.3 安全回路

該程序主要是對前面設計的安全回路硬件及軟件進行控制，通過對提升機進行故障檢測，發生故障時回路會停閘操作，并閉鎖進行報警。工作人員通過查看儲存的故障信息，排除相應故障后解除制動。

3.4 機車操作方式

提升系統的操作方式包括手動和自動兩種方式。手動控制是通過工人手動完成，自動控制是通過PLC控制器對提升方向進行自動判斷并執行。提升機的回路方向由啟動與運行操作決定。操作方向上的回路需使所有啟動條件均滿足要求，各項條件包括有安全制動解除、操作方向選擇、輔機啟動、發出開車信號、系統接收信號啟動等。操作人員通過控制手柄，實現上述一系列動作，最終完成提升系統的啟動。