周 慧

（山西焦煤西山煤電官地煤礦職教中心， 山西 太原 030022）

1 液壓提升機(jī)控制系統(tǒng)原理及存在不足

1.1 繼電器控制系統(tǒng)

我國(guó)煤礦提升機(jī)常用的控制系統(tǒng)控制方式為接線程序控制，其核心功能部件是由若干個(gè)接觸器和繼電器組成，通過(guò)導(dǎo)線將它們連接起來(lái)并發(fā)揮作用。該類(lèi)控制系統(tǒng)的功能原理為：在繼電器、接觸器等其他電子元件之間布置合適的接線方式來(lái)實(shí)現(xiàn)指定功能的程序要求，其程序體現(xiàn)在線路如何連接之中，需要設(shè)置不同的控制程序就必須重新接線。該繼電器控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)的電路控制，沒(méi)有軟件控制。控制原理圖如圖1所示[1]。

該類(lèi)控制系統(tǒng)的控制指令由輸入部分來(lái)發(fā)出，輸出部分為執(zhí)行命令部分，輸入與輸出之間即為特定的線路連接。目前，該類(lèi)繼電器控制系統(tǒng)有以下幾方面不足之處：

1）對(duì)功能比較復(fù)雜的程序進(jìn)行控制時(shí)，則相對(duì)應(yīng)的繼電器、接觸器等電子元件需要的也就特別多，接線較為繁瑣復(fù)雜，容易出錯(cuò)，響應(yīng)速度慢，控制的準(zhǔn)確性和控制精度也會(huì)降低；同時(shí)易損元器件增多，接線處容易燒壞，事故率較高，可靠性和穩(wěn)定性差。

2）只有硬件的電路控制容錯(cuò)率低，自動(dòng)化程度差，提升機(jī)在運(yùn)輸過(guò)程中，其載重和速度會(huì)不斷變化，導(dǎo)致提升機(jī)受力特性難以控制，無(wú)法嚴(yán)格地執(zhí)行設(shè)定的程序參數(shù)，無(wú)法進(jìn)行調(diào)速，導(dǎo)致停車(chē)位置不準(zhǔn)，安全性和舒適性較差。

3）控制系統(tǒng)雖然能夠自動(dòng)運(yùn)行，但缺乏自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)保護(hù)功能，無(wú)法監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)備的運(yùn)行狀況難以把握，出現(xiàn)故障后難以評(píng)估、分析、排查故障等。

針對(duì)繼電器控制系統(tǒng)不足之處，提高其自動(dòng)化程度，保障提升的安全運(yùn)行，對(duì)提升機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)很有必要。

圖1 繼電器控制系統(tǒng)

目前提高設(shè)備自動(dòng)化水平的主要措施就是通過(guò)采用可編程控制器（PLC）的軟件編程式的自動(dòng)控制方式代替繼電器——接觸器這種接線式的硬件電路控制方式，采用PLC的控制系統(tǒng)抗干擾能力更強(qiáng)，同時(shí)大中型的PLC一般采用模塊化設(shè)計(jì)，減小了控制部分的占用空間，維護(hù)檢修方便[2]。

1.2 PLC控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)原理

PLC控制系統(tǒng)的工作原理是通過(guò)PC機(jī)上編制特定的軟件程序，控制系統(tǒng)通過(guò)不斷地循環(huán)掃描該套程序，最后輸出控制設(shè)備運(yùn)行。其程序的編制和修改主要是通過(guò)編程器來(lái)完成的，完成編制的程序儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器中。原理如圖2所示。

圖2 PLC控制系統(tǒng)

采用PLC控制方式的控制系統(tǒng)與繼電器控制系統(tǒng)在輸入設(shè)備與輸出設(shè)備是沒(méi)任何區(qū)別，只是中間的控制環(huán)節(jié)由繼電器控制系統(tǒng)的接線控制轉(zhuǎn)變?yōu)镻LC控制。

2 液壓提升機(jī)電控系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)要求

礦井提升用液壓提升機(jī)的電控系統(tǒng)包括操作及監(jiān)控兩部分組成。提升機(jī)的安全性能保障需要軟件和硬件同時(shí)進(jìn)行；監(jiān)控部分采用顯示屏對(duì)提升機(jī)的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和顯示，方案如下頁(yè)圖3所示。

主控系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)液壓提升機(jī)的整個(gè)提升運(yùn)行過(guò)程的控制，包括啟停、勻速運(yùn)行、加減速等全部開(kāi)車(chē)行走過(guò)程。在運(yùn)行控制指令時(shí)，主控系統(tǒng)主要對(duì)提升機(jī)的運(yùn)行時(shí)的提升速度進(jìn)行控制，同時(shí)信息檢測(cè)系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)相應(yīng)的信息的進(jìn)行采集和反饋，主控系統(tǒng)作出相應(yīng)的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)3個(gè)系統(tǒng)的交互，進(jìn)而對(duì)提升機(jī)實(shí)現(xiàn)有效的控制。

監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)提升機(jī)運(yùn)行中的各種運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行輸出反饋，若發(fā)現(xiàn)異常情況或故障現(xiàn)象，則會(huì)通過(guò)顯示屏顯示并報(bào)警。

信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)提升機(jī)在運(yùn)行中各種關(guān)鍵部位、關(guān)鍵參數(shù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。

圖3 提升機(jī)控制系統(tǒng)方案

3 液壓防爆提升機(jī)電控系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)

3.1 電控系統(tǒng)硬件

3.1.1 I/O模塊接口

根據(jù)提升機(jī)功能需求確定模擬量輸入和輸出模塊的數(shù)量。

1）模擬量輸入。需要確定的模擬量輸入模塊的數(shù)量為：電機(jī)溫度信號(hào)、手柄速度信號(hào)、補(bǔ)油壓力信號(hào)、工作壓力信號(hào)、潤(rùn)滑壓力信號(hào)、油溫信號(hào)、制動(dòng)壓力信號(hào)。

2）模擬量輸出。需要確定的模擬量輸出模塊數(shù)量為：開(kāi)關(guān)量輸入59路，開(kāi)關(guān)量輸出36路，模擬量輸入7路，模擬量輸出2路。

3.1.2 PLC選型

根據(jù)提升機(jī)的功能需求，需要選用2臺(tái)PLC，1臺(tái)作為提升機(jī)主控系統(tǒng)的控制器，另1臺(tái)作為提升機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的控制器。PLC系統(tǒng)連接配置如圖4所示。

3.1.3 PLC控制系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

對(duì)主控制系統(tǒng)PLC進(jìn)行功能設(shè)計(jì)，通過(guò)選型分析計(jì)算，設(shè)計(jì)出符合相關(guān)功能要求的控制系統(tǒng)組成部件。最終決定采用了一個(gè)基本單元224XPCN、一個(gè)擴(kuò)展單元EM223CN和兩個(gè)擴(kuò)展單元EM235CN，其中224XPCN和EM223CN接口類(lèi)型為開(kāi)關(guān)量輸入輸出模塊類(lèi)型，兩個(gè)EM235CN為模擬量輸入輸出模塊。其功能原理如圖5所示。

圖4 PLC系統(tǒng)連接配置圖

圖5 主控系統(tǒng)PLC的原理框圖

基本單元224XPCN為該主控系統(tǒng)的中央處理單元，其輸入接口與編碼器、啟動(dòng)器和操作臺(tái)手柄處相連接，輸出接口與電磁啟動(dòng)器和電磁閥相連接，主要功能是對(duì)提升機(jī)的提升位置和速度進(jìn)行監(jiān)控；EM223CN輸入接口主要是接收由操作臺(tái)而來(lái)的檢測(cè)與按鈕指令信號(hào)，輸出端分別與顯示器和測(cè)溫?zé)犭娮柘噙B接，指令控制測(cè)溫?zé)犭娮?，顯示器輸出接收來(lái)的檢測(cè)信息；擴(kuò)展單元EM235CN 輸入接口主要是接收操作臺(tái)的手柄推進(jìn)速度和傳感器的檢測(cè)信息，輸出接口與比例閥連接，進(jìn)而控制閥門(mén)的開(kāi)閉。監(jiān)控系統(tǒng)PLC主要包括1個(gè)基本單元224XPCN和3個(gè)擴(kuò)展單元EM221CN組成，接口類(lèi)型為開(kāi)關(guān)量輸入輸出模塊。224XPCN輸入接口主要接收編碼器和操作臺(tái)的按鈕的信號(hào)信息，輸出端控制報(bào)警裝置和制動(dòng)電磁閥的執(zhí)行動(dòng)作。監(jiān)控系統(tǒng)PLC的原理框圖如下頁(yè)圖6所示。

3.2 液壓防爆提升機(jī)速度控制系統(tǒng)

提升機(jī)速度控制系統(tǒng)由PLC控制系統(tǒng)、比例放大器、變量泵、電磁換向閥、液壓馬達(dá)等組成。其原理如下頁(yè)圖7所示。

提升機(jī)運(yùn)行時(shí)的提升速度與變量泵有直接的關(guān)系，隨著變量泵的輸出流量變化而變化，其速度與輸出流量成正比關(guān)系，通過(guò)控制變量泵的輸出流量來(lái)調(diào)控提升機(jī)運(yùn)行時(shí)的提升和下降速度。通過(guò)設(shè)置電壓的大小來(lái)控制變量泵的輸出流量，當(dāng)設(shè)定變量泵的輸出流量為零時(shí)，液壓馬達(dá)處于停止?fàn)顟B(tài)，提升機(jī)速度處于不變狀態(tài)，改變變量泵的輸出量的大小，就能實(shí)現(xiàn)提升機(jī)的加減速運(yùn)行。

電壓的控制主要是通過(guò)PLC系統(tǒng)程序里設(shè)定的參數(shù)利用模擬量輸出模塊的轉(zhuǎn)換接口將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出后實(shí)現(xiàn)。提升機(jī)的速度由傳感器、編碼器采集，反饋到PLC系統(tǒng)中，通過(guò)與設(shè)定量比較、分析、處理，再由PID控制，輸出模塊轉(zhuǎn)換后輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)運(yùn)行速度的閉環(huán)控制。

圖7 提升機(jī)速度控制系統(tǒng)原理

4 結(jié)語(yǔ)

目前，液壓提升機(jī)在煤礦生產(chǎn)中被普遍應(yīng)用，其電控系統(tǒng)的自動(dòng)化程度及可靠性對(duì)煤礦的高效生產(chǎn)與礦井下人員的安全作業(yè)有著很大的影響。通過(guò)對(duì)液壓提升機(jī)的繼電器控制系統(tǒng)的原理及不足之處進(jìn)行分析，指出運(yùn)用PLC控制系統(tǒng)的先進(jìn)所在，并對(duì)現(xiàn)有液壓提升機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，采用PLC改變了傳統(tǒng)的接線式繼電器控制方式，提高了系統(tǒng)的控制水平與安全性能。