基于PLC 實現提升機變頻調速控制系統的設計與仿真

明 澍

（山西焦煤集團有限責任公司西山煤電礦業公司， 山西 太原 030000）

0 引言

提升機是煤礦實現綜采工作面和地面的關鍵設備，其提升效率、運輸安全性和可靠性對煤礦生產尤為重要。提升機傳統主要采用轉子串電子調速的方式對其進行控制，在實際應用中該種控制方式主要表現為調速曲線不平滑、提升機停車定位不準確等問題，對運輸效率和提升安全性造成了極大的影響。變頻調速可實現提升機的無級調速；同時，變頻調速還可根據工況對提升速度進行實時調整控制，達到節能的目的[1]。鑒于此，將基于PLC 實現提升機的變頻調速控制，并對調速控制效果進行仿真分析。

1 提升機概述

針對運輸對象的不同，煤礦生產中的提升機分為主井提升系統和副井提升系統。其中，主井提升系統主要用于對煤炭進行運輸；副井提升系統主要用于對人員和物料的運輸。總的來講，提升系統主要包括有拖動系統、提升容器、鋼絲繩、天輪以及裝載設備等，提升系統的簡圖如圖1 所示。

圖1 提升系統簡圖

根據實際提升運輸工況，提升機控制系統實現對提升容器的加速、減速、勻速、爬行以及制動停車等六種控制狀態。對于提升機控制系統而言，旨在保證提升機能夠根據實際工況對將設備控制在最佳、最合理的運行狀態，核心是保證設備的運輸效率和安全性可靠性。提升機控制系統需滿足如下要求。

1.1 實現對提升機速度的精準控制

根據《煤礦安全規程》的相關規定，為保證提升的安全，針對不同的提升對象其對應的提升加速度、減速度需合理。當提升人員時，加速度和減速度不得大于0.75 m2/s；當提升物料時，加速度和減速度不得大于1.2 m2/s。

1.2 實時顯示功能

基于提升機控制系統可實時對設備的提升速度、運行方向以及實時位置進行顯示，確保操作人員可直觀掌握提升機的工作狀態[2]。

1.3 高靈敏度的制動系統

要求提升機控制系統可實現提升機的穩定制動停車；且在遇到突發情況時實現提升機的緊急停車[3]。

2 基于PLC 提升機變頻調速控制系統設計

本節將結合提升機變頻調速控制系統功能需求和要求，完成其關鍵硬件的選型和設計。

2.1 變頻器的選型

變頻器是實現提升機根據工況對其電機轉速進行實時精準調速的關鍵器件，從而實現對提升速度的無級調速。變頻器主要包括有輔助控制單元、進線單元、濾波單元以及供電單元等。變頻器選型的主要依據為與其配套電機的參數。

本文所研究提升機所配套電機的具體參數如表1 所示。

表1 提升機電機關鍵參數

變頻器的功率為電機功率的1.1 倍，即變頻器功率為280 kW×1.1=308 kW，圓整為310 kW；變頻器電流為電機額定電流的1.5 倍，即變頻額定電流為35.2 A×1.5=52.8 A。綜合上述功率和電流的兩項關鍵指標，最終確定選用變頻器的具體型號為71 系列變頻器。

2.2 PLC 控制器的選型

PLC 為實現變頻器調速的核心，在實際應用中PLC 將結合所采集到的提升機實時運行狀態并在相應控制策略的基礎上得出針對性的控制策略[4]。因此，PLC 控制器選型時需根據其輸入、輸出的需求配套相應的輸入/輸出模塊型號及數量；根據數據處理量確定配套的CPU 型號及數量。

結合提升機變頻調速的控制需求，CPU 輸入點包括電機軸編碼信號、下過卷復位開關等9 個；安全回路模塊輸入點包括有調繩信號、閘瓦磨損信號等8個；制動模塊輸入點包括制動油壓過中繼、潤滑泵運行反饋信號等13 個；模擬量輸入點包括制動角位移信號、電機電流信號等8 個；其他輸入點包括提升重物、松繩開關、故障復位信號等24 個；CPU 輸出點包括等速段超速指示、深指失效指示燈信號9 個；其他輸出點包括有語音報警、減速點打鈴、制動泵控制輸出信號等25 個。

如表2 所示為S7-300 系列PLC 控制器所配套的相關模塊型號及數量。

表2 S7-300 系列PLC 配套模塊型號及數量

2.3 變頻調速控制策略設計

為實現對提升機高靈敏、高精度和高響應速度的控制，本文所設計的變頻調速控制采用三閉環運動控制系統，包括有對提升機位置、速度以及電機力矩的控制，控制框圖如圖2 所示。

圖2 三閉環變頻調速控制

如圖2 中的位置控制器主要對提升容器的位置進行實時控制，實現對提升容器的精準停車；同時，位置控制器的輸出結構可作為速度控制器的輸入[5]。速度控制器主要是對速度實現精準控制，同時速度控制器的輸入可作為力矩控制的輸入。力矩控制主要是提升機電機輸出轉矩進行控制。

該提升機變頻調速控制采用模糊PID 控制策略實現上述的三閉環變頻調速控制。基于模糊PID 控制策略實現對提升機位置、速度和力矩的閉環控制。根據提升機的運行工況和控制需求，對模糊PID 控制器的比例、積分、微分三個環節中的系數進行確定。基于Simulink 建立的模糊PID 控制模型如圖3 所示。

圖3 模糊PID 控制器仿真模型

經仿真分析，基于模糊PID 控制器可實現對變頻調速系統快速響應、低超調量的控制。模糊PID 控制器和PID 控制器控制效果對比如表3 所示。

表3 模糊PID 控制器和常規PID 控制器控制效果對比

如表3 所示，采用模糊PID 控制器對應控制系統的超調量可忽略不計；且系統達到穩態的時間遠小于常規PID 控制器。同時，在整個控制過程中基于模糊PID 控制器并未出現振蕩現象。

3 結語

提升機承擔著地面與井下的原煤、人員、物料以及設備的運輸任務，但是，提升機傳動串子電阻調速控制系統屬于有級調速，無法對提升容器進行精準定位并停車。為此，本文基于變頻器和PLC 控制器為核心設計了變頻調速控制系統，并結合提升機的調速控制要求和需求，確定采用基于模糊PID 控制的三閉環變頻調速控制策略實現對提升機的低超調量、快速響應的控制效果。