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(guī)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(wěn)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(tǒng)的控制方式主要采用繼電器—接觸器進行控制，其傳動系統(tǒng)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(tài)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(tǒng)，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(wěn)定、可靠運行具有重要的意義。

2 提升機控制系統(tǒng)的控制策略

礦用提升機電氣控制系統(tǒng)主要包括4部分，即調速部分、控制部分、后備保護部分和監(jiān)控部分，而且四者是相互關聯(lián)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(tǒng)示意圖，調速系統(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)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(jié)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(shù)，可以恒轉矩輸出，輸出功率隨轉速變化，因此具有很好的節(jié)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(jù)使用要求進行功能組合、參數(shù)設置(修改)和動態(tài)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(jié)，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(qū)間，根據(jù)每一行程區(qū)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?！跋陆祮印辈僮骺刂谱冾l器反轉、下降過程由行程控制器的下降行程控制完成?！熬o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(xiàn)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(xiàn)電機的啟動、停止等功能。測速回路采用測速發(fā)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(shù)的控制環(huán)節(jié)，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(fā)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?？刂苹芈繁Ｗo電動機換向、動力制動、變頻器控制等環(huán)節(jié)。電動機換向包括自動和手動回路，輔助回路主要指系統(tǒng)的供電電源?？烧{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(fā)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(jiān)測提升機的運行狀態(tài)，數(shù)顯提升深度、速度、提升勾數(shù)、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(jù)提升信號，自動實現(xiàn)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(jiān)視提升機安全回路的工作狀態(tài)。當提升機安全回路出現(xiàn)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(tài)指示功能。

2.4 監(jiān)控部分

礦井提升機是一套復雜的機械電氣系統(tǒng)，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(xù)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?！睹旱V安全規(guī)程》規(guī)定礦井提升機必須裝設安全監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用可視化的監(jiān)控方式，對系統(tǒng)的狀態(tài)等參數(shù)進行監(jiān)控[6，7，8]。

3 提升機控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 硬件設計

控制系統(tǒng)見圖3，系統(tǒng)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(jiān)控單元、輸出執(zhí)行單元、系統(tǒng)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(tǒng)參數(shù)實現(xiàn)現(xiàn)場的顯示、監(jiān)控單元實現(xiàn)人機信號的交換和控制、輸出執(zhí)行單元實現(xiàn)對中央控制信號的執(zhí)行、系統(tǒng)電源給控制系統(tǒng)提供電源、變頻調速單元實現(xiàn)對電機的調速。

圖3 提升機控制系統(tǒng)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(tài)軟件。PLC控制軟件主要功能是實現(xiàn)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(tǒng)部分軟件框圖。上機組態(tài)軟件主要完成對系統(tǒng)運行和故障狀態(tài)，以及系統(tǒng)參數(shù)的在線實時監(jiān)控。圖5為部分監(jiān)控界面。

圖4 提升機控制系統(tǒng)監(jiān)控程序框圖

圖5 監(jiān)控系統(tǒng)的一種監(jiān)控狀態(tài)

4 結束語

文章所設計的礦井提升機PLC控制系統(tǒng)已于2008年在某礦井開發(fā)完成并正式投入運行，實現(xiàn)了對提升機的全數(shù)字控制和全自動化提升。經過3年多的運行表明，該系統(tǒng)具有使用方便、抗干擾能力強、性能穩(wěn)定、動作可靠、準確度高等優(yōu)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(fā)山.國內外礦井提升機的現(xiàn)狀與發(fā)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(tǒng)[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(shù)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(jiān)控與監(jiān)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(jiān)控系統(tǒng)[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(jiān)護系統(tǒng)的實現(xiàn)[J].微機與應用，1999，（9）：23-26.