基于PLC的礦井提升機電控系統(tǒng)研究

謝傳立 楊國華 楊洪帥

摘 ? 要：作為礦井運輸?shù)年P(guān)鍵設(shè)備，提升機控制系統(tǒng)的穩(wěn)定與安全跟整個礦井生產(chǎn)的安全性密切相關(guān)。結(jié)合煤礦安全規(guī)程的要求，明確當(dāng)今礦井務(wù)必應(yīng)用基于PLC的礦井提升機電控系統(tǒng)。為此，本文分析了基于PLC的礦井提升機電控系統(tǒng)實施方案、硬件和軟件設(shè)計，以及基于PLC的礦井提升機電控系統(tǒng)檢測，旨在實現(xiàn)提升機工作效率的提升和礦井生產(chǎn)的安全性。

關(guān)鍵詞：礦井 ?提升機 ?PLC ? 電控系統(tǒng)

中圖分類號：TD63+3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）02（c）-0007-02

對于PLC礦井提升機電控系統(tǒng)而言，其中的PLC主控系統(tǒng)重點控制提升機的運行過程，且實施相應(yīng)的保護，而PLC輔控系統(tǒng)體現(xiàn)協(xié)助的價值。在工作過程中，主控與輔控間結(jié)合網(wǎng)絡(luò)通訊交互數(shù)據(jù)信息，以及進行雙線控制、彼此監(jiān)督，從而實現(xiàn)系統(tǒng)安全性的提升。特別是針對控制系統(tǒng)務(wù)必設(shè)計應(yīng)急開車的功能。這樣一來，當(dāng)提升機存在故障的情況下，PLC依舊能夠獨立運行，進而確保副井工作者的人身安全。下面，筆者對基于PLC的礦井提升機電控系統(tǒng)進行了簡要地探究。

1 ?基于PLC的礦井提升機電控系統(tǒng)實施方案

電控系統(tǒng)是礦井提升機的中心環(huán)節(jié)，電控系統(tǒng)受到變頻調(diào)速系統(tǒng)與核心處理器的一起控制，文章運用的核心處理器為2套型號S7-300 的PLC。電控系統(tǒng)的整體組成部分涵蓋PLC控制箱、制動電阻柜、操作臺觸摸屏、變頻電源柜、低壓配電柜等，其一系列組件的作用如下：一是PLC控制箱。電控系統(tǒng)的核心組成為2套PLC，一套PLC主要是監(jiān)控系統(tǒng)，一套PLC主要是自動或手動控制提升機的安全閘、閉鎖、提升、信號燈等。二是變頻電源柜。其重點是控制電控系統(tǒng)速度，其可以回饋能量。三是制動電阻柜。其重點制動提升機停止或減速的動力。四是低壓配電柜。其體現(xiàn)的功能在于將供電提供給外圍電路與控制電路。五是觸摸屏。其重點呈現(xiàn)畫面、顯示儀表、顯示指示燈，其中顯示畫面涵蓋電控系統(tǒng)的溫度、電流、電壓、位置等等。

2 ?基于PLC的礦井提升機電控系統(tǒng)硬件設(shè)計

基于PLC的礦井提升電控系統(tǒng)的硬件組成部分是PLC控制系統(tǒng)、變頻調(diào)速設(shè)備、配電系統(tǒng)等。

2.1 PLC硬件電路

選用德國西門子的 S7-300 硬件模塊，其具備編程設(shè)備、通訊模塊、接口模塊、電源模塊、CPU模塊等。其中，CPU模塊的組成為微處理器與存儲器，其作用為收集提升機狀態(tài)信號，執(zhí)行控制提升機程序，以及檢測設(shè)備故障，還可以實時存儲系統(tǒng)的工作數(shù)據(jù)。接口模塊也就是交換數(shù)據(jù)模塊，可以直接將數(shù)據(jù)在各硬件間傳輸。通信模塊也就是執(zhí)行I/O 接口、PLC控制器、上位機間的通信。以STEP7.5作為設(shè)備編程，此軟件可以編輯各種文件。電源模塊即供給其它外部設(shè)備電源，轉(zhuǎn)變外部220V交流電為設(shè)備要求的電壓（24V或5V）。

2.2 雙 PLC 控制系統(tǒng)

兩套PLC控制系統(tǒng)的應(yīng)用可以使提升機的穩(wěn)定與安全運行實現(xiàn)。其中I/O接口信息存在開關(guān)信號與模擬信號，開關(guān)信號輸出與輸入數(shù)字信號是10與24，輸出輸入數(shù)量是4與5;安全回路的設(shè)計涵蓋2 套，各自是PLC軟件編程回路和繼電器開關(guān)串聯(lián)的安全回路硬件;作為電氣設(shè)備連鎖的電氣連鎖結(jié)合設(shè)備的安全標(biāo)準(zhǔn)以及礦井的安全規(guī)程進行設(shè)計。

2.3 變頻調(diào)速設(shè)備

變頻調(diào)速設(shè)備的組成部分是主導(dǎo)的控制系統(tǒng)，其直接影響電氣控制系統(tǒng)。結(jié)合分析的提升系統(tǒng)的提升量與工作速度，明確了實施方案，即交-直-交調(diào)速變頻，應(yīng)用德國西門子SM150型變頻器，以使全自動變頻調(diào)速設(shè)備組成。此設(shè)備跟直流變頻系統(tǒng)相比來講，構(gòu)造簡單、效率高，以及可以承受大電壓與大容量。以鉗位三電平二極管作為變頻器構(gòu)造，開關(guān)管應(yīng)用IGBT功率器件，以及結(jié)合矢量控制方式SVP-WM。

2.4 電控系統(tǒng)通信協(xié)議

將MPI多點接口通信協(xié)議應(yīng)用于系統(tǒng)設(shè)計中，可以實現(xiàn)32個最大數(shù)目的協(xié)議節(jié)點以及35 kb/s～12 Mb/s信息傳輸速度，當(dāng)通信量需求不大時，具備理想的通信質(zhì)量和顯著的經(jīng)濟效益。

3 ?基于PLC的礦井提升機電控系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計以軟件界面（STEP7與Win CC）進行編程。系統(tǒng)的編程設(shè)計方式是程序結(jié)構(gòu)化，整體程序的組成是一系列小程序，單獨編寫一系列子程序，以使整個程序的編寫實現(xiàn)。此系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu)組成部分是輔助啟動、提升機準(zhǔn)備、安全回路、機車操作。

3.1 輔助啟動

輔助設(shè)備是制動、油泵、電機等連鎖設(shè)備，在啟動提升機前需要啟動輔助設(shè)備，正常啟動輔助設(shè)備是安全運行系統(tǒng)的基本保障。

3.2 提升機準(zhǔn)備

此程序先判斷提升機是不是具備啟動條件，啟動條件涵蓋手柄、零位連鎖控制、輔助啟動等，在滿足程序時，即啟動提升機。

3.3 安全回路

此程序重點是控制前面設(shè)計的安全回路軟硬件，當(dāng)檢測提升機，存在故障情況下回路能夠停閘，且執(zhí)行閉鎖和報警，工作者能夠?qū)Υ鎯Φ墓收闲畔⒂枰圆榭矗覍⒐收吓懦螅阎苿咏獬?/p>

3.4 機車操作

有自動與手動操作提升機系統(tǒng)的方式。自動控制結(jié)合PLC控制其自動判斷與執(zhí)行提升方向。啟動和運行操作決定了提升機回路的方向。操作方向的回路要求全部的啟動條件達到標(biāo)準(zhǔn)，一系列的標(biāo)準(zhǔn)涵蓋選擇操作方向、解除安全制動、發(fā)出開車信號、輔機啟動等。操作者結(jié)合控制手柄進行以上動作，從而啟動提升系統(tǒng)。

4 ?基于PLC的礦井提升機電控系統(tǒng)檢測

為了對該控制系統(tǒng)的功能進行檢測，立足于以上軟硬件設(shè)計，對實驗樣機進行搭建，模擬設(shè)計的系統(tǒng)且執(zhí)行檢測。一是檢查PLC控制箱、制動電阻柜、變頻電源柜、操作臺、低壓配電柜等接線。二是為一系列柜體主體供電，然后為一系列柜體控制電路供電。三是對變頻柜空載調(diào)試，結(jié)合控制需要設(shè)置有關(guān)參數(shù)，變頻器自動識別電動機，之后空載運行。事實表明，此提升機在瞬間啟動時沖擊電流較小，能夠防止大啟動沖擊形成的影響，以及可以穩(wěn)定、迅速地運行。設(shè)置提升機轉(zhuǎn)速參考值1200 r/min，而提升機能夠迅速地達到實際轉(zhuǎn)速值，且確保穩(wěn)定地運行。鑒于此，設(shè)計的基于PLC的礦井提升機電控系統(tǒng)具備優(yōu)良的性能，可以實現(xiàn)工程的實際需要。

5 ?結(jié)語

綜上所述，為了實現(xiàn)礦井提升機生產(chǎn)穩(wěn)定性與效率的提升，本文設(shè)計了一種于PLC的礦井提升機電控系統(tǒng)，其核心處理器選擇了2套S7-300型號的 PLC，電控系統(tǒng)的整體組成涵蓋操作臺、制動電阻柜、PLC控制箱、低壓配電柜、變頻電源柜等。并且，搭建實驗樣機檢測系統(tǒng)的實際運行情況，最終表明該系統(tǒng)的設(shè)計可以實現(xiàn)工程的實際需要。

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