余汝海

（湖南安標(biāo)檢驗認(rèn)證有限公司，湖南 長沙 410004）

1 礦井提升機系統(tǒng)分析

1.1 礦井提升機概述

礦井提升機是沿著礦井主提升巷道提升礦石、運輸材料、運送人員和設(shè)備，連接地下生產(chǎn)系統(tǒng)的最主要設(shè)備，是礦井運輸?shù)摹昂韲怠?。這就是為什么提升機在整個生產(chǎn)過程中具有極其重要的地位和特別高的安全性和可靠性需求。

目前，大多數(shù)提升機采用AC 電子控制系統(tǒng)。傳統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)的類型在開始加速度時具有大量電流，速度調(diào)節(jié)有缺陷，無論是采用時間繼電器或可控硅替代時間繼電器的技術(shù)，其減速和爬行階段需要附加拖動裝置。力學(xué)性能緩慢不穩(wěn)定，高故障率和高能耗率，傳統(tǒng)交流繞組轉(zhuǎn)子異步電動機串電阻存在缺點。PLC與逆變器組合以校正傳統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)。通過改變定子電源的頻率，成功實現(xiàn)了頻率轉(zhuǎn)換的速度，并且可以實現(xiàn)圍繞提升機構(gòu)旋轉(zhuǎn)的速度規(guī)則。電動機可以根據(jù)電動機負(fù)載操作、最佳運行狀態(tài)，滿足特殊工作環(huán)境的需求，節(jié)能影響很明顯，改進(jìn)系統(tǒng)使用PLC 保護(hù)和監(jiān)控[1]。

1.2 提升機工作原理及機械結(jié)構(gòu)

1.2.1 提升機工作原理

根據(jù)目前所使用的提升鋼絲繩原理，主要分為纏繞式礦井提升機與摩擦式礦井提升機。不管是哪種提升機系統(tǒng)，其中都包含有制動、提升、潤滑、操控、安全等部分。纏繞式提升機的應(yīng)用較為普遍，目前來說主要是單卷筒、雙卷筒兩種，其在運行中，通過動力設(shè)備將鋼絲繩逐步的纏繞到卷筒上，與絞車的工作原理是基本相同的。就運行效果來說，雙筒的運行提升例較大，完全可以滿足不同條件的使用要求。

1.2.2 礦井提升的工作特點

礦車（箕斗）進(jìn)行往復(fù)工作，完成上升和下降任務(wù)。為了應(yīng)對礦山特殊的工作特性，為了確保有效，運行更具穩(wěn)定性，且性能良好，確保電氣系統(tǒng)穩(wěn)定的控制，保證各項工作可以順利的實施，促進(jìn)總體運行效果的提高。

1.3 PLC 簡介

可編程控制設(shè)備主要應(yīng)用在工控操作環(huán)境中，其核心系統(tǒng)為電子計算裝置。通過搭載的可編程內(nèi)存模塊，可以有效實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互、定時、計數(shù)等邏輯命令，并通過獨立的存儲模塊向外發(fā)送?？删幊炭刂圃O(shè)備為用戶提供有大量的擴展端口，可以根據(jù)實際的工控環(huán)境需求進(jìn)行設(shè)計擴增。

1.3.1 PLC 的基本結(jié)構(gòu)

PLC 實際上是一臺專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件配置基本上與微型計算機相同。

隨著微創(chuàng)技術(shù)發(fā)展，其在臨床上的應(yīng)用越來越廣泛，由于其具有創(chuàng)面小，對身體損傷小，術(shù)后恢復(fù)快的優(yōu)點，在進(jìn)行手術(shù)治療時往往會選用微創(chuàng)手術(shù)[1] 。在婦科上經(jīng)常進(jìn)行的微創(chuàng)手術(shù)是腹腔鏡手術(shù)，雖然它產(chǎn)生的創(chuàng)面小，但是圍手術(shù)期的護(hù)理對于患者的康復(fù)同樣重要，快速康復(fù)是近年來越來越成熟的一種臨床醫(yī)療護(hù)理理念，較多的研究已經(jīng)證明其可縮短患者住院時間，降低住院費用，已經(jīng)被應(yīng)于胃癌、結(jié)直腸癌、肝膽疾病、心臟疾病等，對于減輕患者手術(shù)創(chuàng)傷以及術(shù)后恢復(fù)具有重要的作用。

（1）中央處理單元（CPU）。中央處理器（CPU）是PLC 控制的中心。攜帶用戶和數(shù)據(jù)程序使用類型，然后輸入編程狀態(tài)以檢查程序員類型。檢查用戶程序的電源狀態(tài)，內(nèi)存，輸入/輸出和診斷錯誤。

（2）存儲器。軟件系統(tǒng)稱為系統(tǒng)程序存儲器。用于存儲應(yīng)用程序等。

（3）電源?？删幊炭刂圃O(shè)備的電源模塊至關(guān)重要，如果無法為系統(tǒng)運行提供可靠的電力支撐。PLC 系統(tǒng)在實際工作中就難以正常按要求運行，因為AC 電壓的變化通常為±10%～15%，所以PLC 可以直接進(jìn)入AC 電網(wǎng)。無須采取其他措施。

1.3.2 PLC 的基本特點

（1）高可靠性，抗干擾能力強。通過編程實現(xiàn)邏輯序列和定時，可以最大限度地提高傳統(tǒng)繼電器系統(tǒng)的硬件電路。這具有許多機械觸點和許多連接。從這個角度來看，顯然PLC 比二級系統(tǒng)更好。從干擾性能的角度來看，PLC 考慮了結(jié)構(gòu)設(shè)計，內(nèi)部電路設(shè)計和系統(tǒng)程序。

（2）高柔韌性和控制系統(tǒng)具有出色的靈活性。部分調(diào)整和變更制造過程和過程通常僅根據(jù)子通道調(diào)整PLC 程序或校正控制系統(tǒng)。

（3）編程簡單，易于使用的第一編程語言（梯形圖）是一個圖形化的編程語言，使用電氣控制卡與工業(yè)區(qū)，它非常適合在現(xiàn)場學(xué)習(xí)。

（5）簡單維護(hù)。PLC 具有完整的故障診斷功能，可根據(jù)設(shè)備上提供的故障信息輕松找到故障源。

（6）體積小，功耗低。軟件核心邏輯操作可以大大節(jié)省繼電器的數(shù)量和一個計時器。對許多繼電器等于許多繼電器的小PLC 也減少了操作系統(tǒng)的能耗。

2 提升機PLC 自動化控制系統(tǒng)

2.1 對提升過程方面的控制

PLC 的優(yōu)勢主要如下4 點：控制性能好、接口強、功能完善、操作簡單，可以滿足多種條件下應(yīng)用的需要。從礦山提升設(shè)備的運行情況來看，上升階段中大多是以PLC 系統(tǒng)為控制核心。其應(yīng)用方式較為便捷，數(shù)據(jù)處理效率較高，同時還能進(jìn)行實時監(jiān)控和故障診斷等功能。這類功能均無法通過模擬方式實現(xiàn)。

礦用提升機PLC 電控系統(tǒng)的作用就是實現(xiàn)系統(tǒng)，讓系統(tǒng)按照操作者的指令進(jìn)行控制，完全符合運行的要求。通過該系統(tǒng)控制提升機的啟動、運行、停車等運動，并且可以保護(hù)系統(tǒng)運行的安全性，達(dá)到運行的要求。同時，還能夠?qū)崿F(xiàn)安全防護(hù)，即在系統(tǒng)出現(xiàn)安全隱患的情況下，能快速的停止運行，以免產(chǎn)生嚴(yán)重的危害和不利的影響。為了能夠使得PLC 控制系統(tǒng)運行效果合格，一般都需要設(shè)置保護(hù)系統(tǒng)，在關(guān)鍵部位上設(shè)置監(jiān)測點，隨時了解運行的情況，建設(shè)多通道、多元件，發(fā)揮出軟件和硬件的運行效果，進(jìn)而達(dá)到系統(tǒng)保護(hù)的效果，及時發(fā)生嚴(yán)重的故障問題，也不會造成巨大損失。

2.2 對提升行程方面的控制

從理論來說，提升設(shè)備的操作過程是針對位置進(jìn)行調(diào)控，為了保證提升過程中礦車可以在預(yù)定位置停止，所以需要盡可能提升控制的精準(zhǔn)性。目前控制系統(tǒng)可以將實際誤差縮小到2cm 以內(nèi)。PLC 系統(tǒng)在進(jìn)行控制操作前，能夠先完成各種傳感信號的采集，例如，對鋼絲繩松緊度的測定、停車位置確定以及滾筒運行速度等參數(shù)。在運行過程中對這部分信號進(jìn)行解析，就可以實現(xiàn)系統(tǒng)保護(hù)，并達(dá)到預(yù)期的精度要求。

2.3 對提升全過程的監(jiān)測情況

提升設(shè)備在對控制系統(tǒng)進(jìn)行自動化改造升級后，能夠進(jìn)一步提升可靠度，所以如何進(jìn)行提升設(shè)備的運行過程監(jiān)測就顯得尤為關(guān)鍵，這也是目前提升設(shè)備的主要研究方向。提升設(shè)備運行時可以利用PLC 系統(tǒng)對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實時測定，主要包括以下3 個方面：①實時測定提升過程中不同模塊的運行狀態(tài)；②實時測定擴展設(shè)備的運行狀態(tài)；③實時測定傳感模塊的采集信號。

根據(jù)監(jiān)測到的以上數(shù)據(jù)，大部分異常均可以在出現(xiàn)前就得到有些解決，防止事故影響擴大化，并且還能存儲各類監(jiān)控數(shù)據(jù)，發(fā)送到交互界面中顯示，有利于用戶和控制員進(jìn)行異常診斷和處理[2]。

3 礦井提升機變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 礦井提升機對電氣控制系統(tǒng)的要求

變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計主要針對提升機的行程控制、制動控制以及操作控制三部分?？刂葡到y(tǒng)計劃的選擇應(yīng)符合生產(chǎn)過程的要求?；谛谐炭刂茖崿F(xiàn)了變頻調(diào)速系統(tǒng)對不同階段提升機速度的控制，對避免提升機過卷、過放、脫軌等事故的發(fā)生具有顯著意義，因此，必須首先分析提升機電控制系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)特性。因為提升系統(tǒng)的負(fù)載是潛在負(fù)載，所以靜電功率模式始終是提升重量的重力方向，與系統(tǒng)的運動方向無關(guān)。為了按照給定的速度圖操作提升機，電動扭矩可以是正的或負(fù)的。這意味著電動機不僅適用于電力，而且在制動條件下工作，電機操作條件不同于負(fù)載和其他操作?；谏禉C的操作特性和礦井生產(chǎn)的固有特性，機構(gòu)控制系統(tǒng)的要求如下：

（1）它具有良好的速度調(diào)整性能。速度需要穩(wěn)定，易于控制，范圍廣，可以滿足各種操作模式和改進(jìn)階段（加速，減速，等距，爬行等）的需求。

（2）啟動性能更好。提升機與需要穩(wěn)定運行的機器不同。如果系統(tǒng)正在運行，則無法添加，因此，它必須能夠重新啟動，過載容量很高。

（3）特征曲線必須困難。當(dāng)負(fù)載變化時，速度速率沒有受到影響。如果負(fù)載低，則負(fù)載不同，這會影響系統(tǒng)的正常操作。當(dāng)然，負(fù)載超過某些限制，并要求系統(tǒng)有效地自保。必須具有快速安全的制動器停放挖掘機的機械性能。

（4）它很容易轉(zhuǎn)換。它可用自動，半自動，手動，檢測繩，調(diào)整轉(zhuǎn)換，易于操作，靈活，不會導(dǎo)致工作模式轉(zhuǎn)換。

3.2 系統(tǒng)總體設(shè)計

基于PLC 控制的大功率礦井提升頻率控制系統(tǒng)由主控系統(tǒng)、變頻系統(tǒng)、液壓站、潤滑站、操作臺、安全監(jiān)測系統(tǒng)組成。

各部分功能如下：

（1）主控系統(tǒng)。系統(tǒng)主系統(tǒng)采用集成的高速計數(shù)輸入和專用高速計數(shù)模塊組合，收集分別安裝在曲軸、輥軸和日輪上的四個編碼器的數(shù)據(jù)，同時監(jiān)控速度、深度，確定松繩；編程符合自動、半自動、手動、鋼絲繩檢定、鋼絲繩調(diào)整等工作方法，易于轉(zhuǎn)換；滿足提升階段穩(wěn)定作業(yè)的需求，例如加速、減速、固定速度、掃描等。

（2）變頻調(diào)速系統(tǒng)。速度控制系統(tǒng)在逆變器的幫助下具有優(yōu)異的性能。矢量控制技術(shù)適用于系統(tǒng)特點，以實現(xiàn)雙線保護(hù)，如礦井步驟的要求，如絞車，速度，延遲，速度限制等。在逆變器系統(tǒng)中，制動控制信號被執(zhí)行到PLC，并且僅逆變器的輸出耦合必須達(dá)到一定值，才能釋放制動器，避免軸升程啟動時發(fā)生打滑現(xiàn)象。

（3）液壓站。為了制動盤提供制動力，液壓站在停車時為滾筒提供機械動力。當(dāng)絞車開始時，啟動液壓站壓力供給，然后抵消機械制動并防止事故，確保系統(tǒng)和可靠的操作。

（4）操作臺?？刂婆_設(shè)置給定輔助速度和制動調(diào)節(jié)的兩個控制柄。它是整個運輸系統(tǒng)控制礦山升降機，設(shè)定系統(tǒng)運行和控制的核心，可以釋放一系列系統(tǒng)控制指令，用于控制功能，如啟動，加速，平滑操作和減速。

（5）安全監(jiān)測系統(tǒng)。這允許操作員，控制系統(tǒng)和傳輸系統(tǒng)鏈接來實現(xiàn)各種操作參數(shù)，操作條件，故障參數(shù)和運輸系統(tǒng)的在線監(jiān)控。

3.3 PLC 控制程序設(shè)計

PLC 主程序全系統(tǒng)初始化，自檢，故障診斷，速度控制系統(tǒng)控制和安全性。當(dāng)系統(tǒng)開始切換時，PLC 的第一個縮寫主要用于HSO 和HSC1 高速計算單元：寫入文字，確定控制模式，清除，寫入設(shè)置，設(shè)置中斷時間，中斷連接并開始計數(shù)。然后完成自檢和第一個位置。當(dāng)已收到分配時，可編程控制器是S 振動篩的速度。當(dāng)PLC 從傳感器接收外部控制信號時，開關(guān)，頻率轉(zhuǎn)換誤差關(guān)閉，并且PLC 控制程序關(guān)閉，并且PLC 控制程序進(jìn)入相應(yīng)的中斷處理程序，全速保護(hù)，超高值，過載和繩索保護(hù)。你愿意。機定位和速度監(jiān)測，增加變頻器故障監(jiān)測等，可以將其傳輸?shù)较鄳?yīng)的問題錯誤處理模塊，并且通過警報循環(huán)或安全循環(huán)實現(xiàn)制動器的停車保護(hù)[3]。

3.4 PLC 系統(tǒng)抗干擾的主要措施

PLC 系統(tǒng)抗干擾的措施如下。

（1）屏蔽電纜用于獲取數(shù)據(jù)。屏蔽電纜層接地，并可增加多芯電纜的脊椎端部，可增加防護(hù)效果，并且可以擴展芯線之間的干擾。如果需要，可以使用具有屏蔽層的輸入/輸出信號電纜。加大與干擾源電纜的距離，達(dá)到導(dǎo)體直徑40 倍以上時，干擾程度就不太明顯。

（2）信號電路彼此連接，并且不能分開輸入信號線，輸出信號線和電力線。安裝在機柜底部的電纜連接。

（3）必須保護(hù)和接地所有機柜，控制臺等。應(yīng)在機柜中提供獨立的接地端子，用于可編程邏輯控制器DC接地、機柜安全接地和電纜屏蔽接地，這些端子直接和系統(tǒng)內(nèi)沒有接地的電路板實現(xiàn)電氣隔離。電源柜是重要的部件，其主要的作用就是給系統(tǒng)提供電源。電纜部分的接地是通過變頻器來實現(xiàn)的，根據(jù)需要在系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置專用的端子進(jìn)行接地，不會和其他部分的接地端子同時應(yīng)用，同時還要盡量選擇較小的接地電阻，通常在100Ω 以內(nèi)。

（4）PLC 柜的電纜應(yīng)遠(yuǎn)離可能導(dǎo)致電磁干擾的設(shè)備。通常來說，把控制電纜和主回路電纜或者其他動力電纜采取分開設(shè)置的方式，其間距必須不能小于30cm，有些特殊情況可以在10cm 以上，如果因為某些因素導(dǎo)致無法分離設(shè)置，必須把控制電纜穿過鐵管鋪設(shè)。導(dǎo)體絞合需要有效的控制，間距越小的情況下，鋪設(shè)的距離也就會越短，其抗干擾性會越發(fā)明顯。

（5）可以使用多核電纜發(fā)送相同的水平信號。這就是為什么必須單獨發(fā)送數(shù)字信號和模擬信號。具有低電平的信號線必須與其他信號線分離。

4 結(jié)語

本文主要探討了使用可編程控制器和變頻器來改善礦井提升機的運行狀態(tài)的相關(guān)設(shè)計方案。通過這種設(shè)計，可編程控制器的應(yīng)用可以保護(hù)和監(jiān)控系統(tǒng)的運行，使系統(tǒng)更安全可靠。控制過程自動化程度更高，升精度大幅度提高，系統(tǒng)操作簡單、維護(hù)方便。在運行期間，根據(jù)提升的負(fù)載，電機可以達(dá)到最佳的工作狀態(tài)，滿足復(fù)雜特殊工作環(huán)境的工作要求。