楊 柳，閻有運(yùn)，鄧 君，常國(guó)雷，蘇豪飛

(河南理工大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，河南焦作454000)

0 引言

目前，我國(guó)正在服役的礦井提升機(jī)大多都采用繞線式異步電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻的交流調(diào)速方式，少數(shù)則采用直流發(fā)電機(jī)－直流電動(dòng)機(jī)組和晶閘管－直流電動(dòng)機(jī)的直流調(diào)速方式［1］.它們的共同特點(diǎn)是：調(diào)速方式落后，設(shè)備陳舊，自動(dòng)化水平不高，安全性和可靠性相對(duì)較差.為順應(yīng)社會(huì)發(fā)展和科技進(jìn)步，對(duì)我國(guó)現(xiàn)役的傳統(tǒng)式礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行改造和革新顯得尤為必要［2］.近年來(lái)，，隨著國(guó)外PLC、變頻器和直流調(diào)速器成功應(yīng)用于礦井提升機(jī)中，在我國(guó)新投產(chǎn)的礦井中也慢慢地開(kāi)始采用以“PLC+變頻器或直流調(diào)速器”方案設(shè)計(jì)的新型礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)，其調(diào)速性能好、效率高、節(jié)能效果明顯、自動(dòng)化水平高，操作簡(jiǎn)單、方便、安全且可靠性高，是今后礦井提升機(jī)發(fā)展的主要方向［3］.然而我國(guó)在這方面的研究還處于試驗(yàn)與探索階段.因此，筆者研究、設(shè)計(jì)與制作一套基于PLC的礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置，以方便相關(guān)研究人員在實(shí)驗(yàn)條件下通過(guò)此礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)一步對(duì)我國(guó)的交流和直流礦井提升系統(tǒng)進(jìn)行研究與改造，以更好地提高和完善我國(guó)的礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)［4］.此外，該礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置還能夠同時(shí)模擬交流和直流礦井提升機(jī)的運(yùn)行工況，以此可以用來(lái)對(duì)煤礦操作人員及技術(shù)工人進(jìn)行針對(duì)性的崗位培訓(xùn)，以提高煤礦操作人員和技術(shù)工人的技術(shù)素質(zhì)和實(shí)際維修操作技能.總之，對(duì)基于PLC的礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置的研究、設(shè)計(jì)與制作具有較高的實(shí)用價(jià)值與較大的現(xiàn)實(shí)意義.

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示，本控制系統(tǒng)主要由主控系統(tǒng)、拖動(dòng)系統(tǒng)、檢測(cè)及操縱系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)及保護(hù)系統(tǒng)等組成［5］.

1.1 主控系統(tǒng)

有關(guān)數(shù)據(jù)表明，我國(guó)新型的礦井提升機(jī)中大多都是采用西門(mén)子PLC或三菱PLC作為主控制器來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，為兼顧通用性，將主控系統(tǒng)設(shè)計(jì)成由兩臺(tái)PLC組成，一臺(tái)是西門(mén)子公司的S7－1200 PLC，另外一臺(tái)是三菱公司的FX2N PLC，采用此種方式研制的模擬實(shí)驗(yàn)裝置既能夠模擬用西門(mén)子PLC作為主控制器設(shè)計(jì)的礦井提升機(jī)的運(yùn)行工況，又能模擬用三菱PLC作為主控制器設(shè)計(jì)的礦井提升機(jī)的運(yùn)行工況，從而使該實(shí)驗(yàn)裝置具有很強(qiáng)的通用性.

1.2 檢測(cè)及操縱系統(tǒng)

檢測(cè)及操縱系統(tǒng)主要由操作臺(tái)、觸摸屏、旋轉(zhuǎn)編碼器及相關(guān)的傳感器等組成.其主要作用是模擬礦井提升機(jī)上升、下放等運(yùn)行工況，同時(shí)檢測(cè)速度、電壓、電流等信號(hào)并在操作臺(tái)和觸摸屏上加以顯示，以方便工作人員查看礦井提升機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)裝置的各種狀態(tài)參數(shù)，使相關(guān)人員更好地了解礦井提升機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)裝置的運(yùn)行工況.

圖1 控制系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Principle diagram of control system

1.3 拖動(dòng)系統(tǒng)

在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上放置額定功率為4 kW的交、直流電機(jī)各一臺(tái)，兩臺(tái)電機(jī)通過(guò)聯(lián)接皮帶相互傳動(dòng).兩臺(tái)電機(jī)分別通過(guò)各自的控制裝置進(jìn)行了驅(qū)動(dòng)，當(dāng)交流電機(jī)作為動(dòng)力源，直流電機(jī)作為負(fù)載時(shí)，可以模擬交流拖動(dòng)方式下的礦井提升機(jī)的運(yùn)行工況;當(dāng)交流電機(jī)作為負(fù)載，直流電機(jī)作為動(dòng)力源時(shí)，模擬的是直流拖動(dòng)方式下的礦井提升機(jī)的運(yùn)行工況.

1.4 調(diào)速系統(tǒng)

本模擬系統(tǒng)采用西門(mén)子公司6SE70系列的變頻器和6RA70系列的直流調(diào)速裝置分別對(duì)交流電機(jī)和直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，只需要在控制單元給出對(duì)變頻器與直流調(diào)速器的控制命令(正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、多段速等)即可使此礦井提升機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)裝置按照設(shè)定的速度曲線運(yùn)行，滿足礦井提升機(jī)的運(yùn)行要求［6］.

1.5 監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)主要由一臺(tái)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和兩臺(tái)觸摸屏組成.觸摸屏主要是用來(lái)繪制系統(tǒng)畫(huà)面，監(jiān)視系統(tǒng)的運(yùn)行畫(huà)面，同時(shí)可以顯示各種運(yùn)行參數(shù)，以方便人們更好地了解模擬系統(tǒng)的運(yùn)行工況.此外，在觸摸屏上還可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)輸入信號(hào)及存儲(chǔ)、輸出報(bào)警信號(hào)等功能.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)與可編程控制器直接通訊，可以實(shí)現(xiàn)在線編程，在線讀、寫(xiě)和修改程序，可在線監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)并及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障和處理故障，同時(shí)可以形象地顯示出礦井提升機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)裝置的各種預(yù)備狀態(tài)畫(huà)面、運(yùn)行狀態(tài)畫(huà)面、故障狀態(tài)畫(huà)面、各種參數(shù)及各種控制元器件的工作狀態(tài)等.

2 控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)的程序流程如圖2所示.初始化程序主要作用是對(duì)旋轉(zhuǎn)編碼器、模擬量輸入輸出模塊、通信模塊及傳感器進(jìn)行初始化處理.控制系統(tǒng)啟動(dòng)前，要先判斷制動(dòng)手柄是否處于零位緊閘位上，只有當(dāng)制動(dòng)手柄處于零位緊閘位時(shí)才能啟動(dòng)系統(tǒng)［7］.當(dāng)開(kāi)車信號(hào)發(fā)出之后，根據(jù)發(fā)出的開(kāi)車信號(hào)的類別來(lái)分別執(zhí)行相應(yīng)的上提重物子程序和下放重物子程序.當(dāng)完成上提重物和下放重物時(shí)，此時(shí)需要判斷是否要停車，若要停車，則要進(jìn)行施閘停車;若不需要停車，則進(jìn)入下一階段的運(yùn)行.其控制系統(tǒng)的流程圖如圖2所示.

3 模擬負(fù)載的運(yùn)行分析與研究

本模擬系統(tǒng)可以模擬交流拖動(dòng)方式下的礦井提升機(jī)的運(yùn)行工況，同時(shí)又可以模擬直流拖動(dòng)方式下的礦井提升機(jī)的運(yùn)行工況，現(xiàn)以交流拖動(dòng)方式下的礦井提升機(jī)為例來(lái)對(duì)模擬負(fù)載進(jìn)行研究.規(guī)定控制系統(tǒng)中各量的正方向如圖3所示.

圖3 拖動(dòng)系統(tǒng)中各量的正方向示意圖Fig.3 Sketch map of positive direction of various physical quantities of drag system

圖3中，TM1為交流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩;TM2為直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩;Td為傳動(dòng)系統(tǒng)的合轉(zhuǎn)矩，且Td=TM1－TM2;FM1為交流電機(jī)的電磁力;FM2為直流電機(jī)的電磁力;Fd為傳動(dòng)系統(tǒng)的合力，且Fd=FM1－FM2;n為拖動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速，順時(shí)針為正，且規(guī)定當(dāng)n＞0時(shí)，模擬負(fù)載為上升過(guò)程.

現(xiàn)以交流電機(jī)作為動(dòng)力源，直流電機(jī)作為負(fù)載為例來(lái)模擬交流礦井提升機(jī)在提重物和下放重物的過(guò)程中的運(yùn)行工況.圖4為模擬礦井提升機(jī)在上提重物時(shí)的系統(tǒng)速度、加速度和力圖，此時(shí)直流電機(jī)在其驅(qū)動(dòng)裝置和PLC的共同控制作用下產(chǎn)生大小恒定，方向?yàn)槟鏁r(shí)針的電磁轉(zhuǎn)矩FM2，且如圖4所示.

圖4 控制系統(tǒng)模擬交流礦井提升機(jī)上提重物時(shí)的速度、加速度和力圖Fig.4 Graph of speed and acceleration and nexuiz of control system when it is simulating the AC mine hoist that is lifting the weight

由圖4可知，在加速階段：有Fd1=FM1－FM2＞0，所以必有 FM1＞FM2＞0，所以 FM1＞0.在等速階段：有Fd2=FM1－FM2=0，所以有FM1=FM2＞0，所以 FM1＞0.在減速階段：有 Fd3=FM1－FM2＜0，所以 FM1=Fd3+FM2，又因且 FM2＞0，所以 FM1＞0.在爬行階段：有 Fd4=FM1－FM2=0，所以FM1=FM2＞0.總之，在模擬交流礦井提升機(jī)上提重物的整個(gè)過(guò)程中，轉(zhuǎn)速n始終大于零，拖動(dòng)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩TM1始終大于零，所以拖動(dòng)電機(jī)一直處于正向電動(dòng)狀態(tài)，其兩電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)圖如圖5所示.

圖5 模擬交流礦井提升機(jī)上提重物時(shí)的兩電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)示意圖Fig.5 Sketch map of the two motors＇running state of control system when it is simulating the AC mine hoist that is lifting the weight

相應(yīng)地，當(dāng)模擬負(fù)載處于下放的過(guò)程時(shí)，負(fù)載電機(jī)在交流拖動(dòng)電機(jī)的拖動(dòng)下作逆時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)行，即系統(tǒng)轉(zhuǎn)速始終小于零，直流電機(jī)在其驅(qū)動(dòng)裝置和PLC的共同控制作用下保持恒定的電磁轉(zhuǎn)矩，且保持如圖6所示.

圖6 控制系統(tǒng)模擬交流礦井提升機(jī)下放重物時(shí)的速度、加速度和力圖Fig.6 Graph of speed and acceleration and nexuiz of control system when it is simulating the AC mine hoist that is lowering the weight

如圖6所示，在加速階段：有Fd1=FM1－FM2＜0，所以必有 FM1=FM2+Fd1，又因|Fd1|＜ FM2，所以FM1＞0.在等速階段：有Fd2=FM1－FM2=0，所以有FM1=FM2＞0，所以FM1＞0.在減速階段：必有 Fd3=FM1－FM2＞0，所以 FM1=Fd3+FM2，因?yàn)镕M2＞0且 Fd3＞0，所以 FM1＞0.在爬行階段：有Fd4=FM1－FM2=0，所以 FM1=FM2＞0，所以FM1＞0.因此，此礦井提升機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)裝置在模擬下放此類大小的負(fù)載時(shí)，拖動(dòng)電機(jī)始終處于反向制動(dòng)狀態(tài)，其電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)示意圖如圖7所示.

圖7 控制系統(tǒng)模擬交流礦井提升機(jī)下放重物時(shí)的兩電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)示意圖Fig.7 Sketch map of the two motors＇running state of control system when it is simulating the AC mine hoist that is lowering the weight

以上分析的是用交流電機(jī)作為拖動(dòng)電機(jī)時(shí)模擬交流礦井提升機(jī)上提和下放重物時(shí)的運(yùn)行工況.相應(yīng)地，若采用直流電機(jī)作動(dòng)力源，用交流電機(jī)作負(fù)載，此時(shí)本實(shí)驗(yàn)裝置就可以模擬直流礦井提升機(jī)的運(yùn)行工況，從而真正地達(dá)到培訓(xùn)的目的.

4 結(jié)論

基于PLC的礦井提升機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)裝置是采用“PLC+變頻器/直流調(diào)速器”進(jìn)行設(shè)計(jì)的，其技術(shù)先進(jìn)，調(diào)速性能優(yōu)越，自動(dòng)化水平高，控制性能好且安全可靠.該裝置用PLC作為主控制器，用電機(jī)作負(fù)載，其模擬負(fù)載的方式獨(dú)特新穎，且能夠很方便地在實(shí)驗(yàn)的條件下來(lái)研究和分析礦井提升機(jī)在提升重物和下放重物過(guò)程中的各種運(yùn)行工況，既能夠模擬交流礦井提升機(jī)的運(yùn)行工況，又能模擬直流礦井提升機(jī)的運(yùn)行工況，所以該實(shí)驗(yàn)裝置具有較高的實(shí)用價(jià)值，對(duì)此實(shí)驗(yàn)裝置的研究具有較大的現(xiàn)實(shí)意義.

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