竇新宇

(唐山學(xué)院 智能與信息工程學(xué)院，河北 唐山 063000)

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基于PLC的礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

竇新宇

(唐山學(xué)院 智能與信息工程學(xué)院，河北 唐山 063000)

電控系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性是礦井提升機(jī)安全運(yùn)行的重要保證。文章分析了利用變頻器和PLC控制器設(shè)計(jì)礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)的方法，提出了電控系統(tǒng)軟、硬件的設(shè)計(jì)方案，為改進(jìn)礦井提升機(jī)提供了一種新思路。

PLC控制器；礦井提升機(jī)；電控系統(tǒng)

礦井提升機(jī)是機(jī)、電、液一體化的大型機(jī)械，廣泛用于礦山的豎井、斜井，是煤炭開采中重要的運(yùn)輸工具[1]。本文利用PLC與變頻器相結(jié)合的方式對礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)對提升機(jī)運(yùn)行速度的平穩(wěn)控制，且穩(wěn)定性、可靠性、可操作性均有提高。

1 PLC調(diào)速控制的優(yōu)點(diǎn)

(1)調(diào)速平滑，調(diào)速范圍大。

(2)調(diào)速精確度提高。

(3)具有良好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。

(4)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)換向易實(shí)現(xiàn)。頻率過零即可反向轉(zhuǎn)動(dòng)，采用PLC控制改變相序即可實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)啟動(dòng)，因此可實(shí)現(xiàn)四象限內(nèi)平穩(wěn)的過渡。

(5)節(jié)約電能。轉(zhuǎn)子串接電阻調(diào)速比變頻調(diào)速多消耗電能21%～40%[2]。

2 電控系統(tǒng)分析

2.1 控制要求

(1)加減速度符合規(guī)定。運(yùn)輸人員時(shí)的加速度要小于運(yùn)輸物料時(shí)的加速度。

(2)調(diào)速性能表現(xiàn)優(yōu)良。速度平穩(wěn)，調(diào)速方便。

(3)起動(dòng)性能表現(xiàn)穩(wěn)定。由于提升機(jī)是負(fù)載啟動(dòng)，所以系統(tǒng)必須具有較高的負(fù)載能力。

(4)較硬的特性曲線。要滿足負(fù)載變化對提升速度的影響，防止負(fù)載變化時(shí)對提升速度產(chǎn)生影響。

(5)多種運(yùn)行方式可相互轉(zhuǎn)換。手動(dòng)、自動(dòng)、半自動(dòng)、驗(yàn)繩、調(diào)繩等工作方式轉(zhuǎn)換容易。

(6)采用新技術(shù)和利用節(jié)能裝備，在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的基礎(chǔ)上提高系統(tǒng)的可靠性。

2.2 調(diào)速方案

利用變頻器與PLC控制器相互配合的控制思想對礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)進(jìn)行升級改進(jìn)。變頻調(diào)速是通過改變電動(dòng)機(jī)定子的供電頻率來實(shí)現(xiàn)的，控制的目的是實(shí)現(xiàn)寬幅平滑變速。系統(tǒng)選用交流電動(dòng)機(jī)交-直-交變頻調(diào)速系統(tǒng)。

2.3 變頻器系統(tǒng)器件的選擇要求

選擇變頻器時(shí)，恒定轉(zhuǎn)矩的負(fù)載功率公式為P=Tn/9 550。式中P為異步電動(dòng)機(jī)的功率(kW)；T為異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩(N·m)；n為異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速(r/min)。

(1)變頻器中斷路器的容量是礦井提升機(jī)電動(dòng)機(jī)額定電流的1.3～1.4倍，而電動(dòng)機(jī)整定值是斷路器額定值的3～4倍[3]。

(2)帶能量回饋的整流單元由兩個(gè)反并聯(lián)、脈動(dòng)晶閘管橋組成，在兩個(gè)方向上有電能流過。矢量控制的效果不僅能使電網(wǎng)保持在較低擾動(dòng)狀態(tài)，而且也可以調(diào)節(jié)功率因數(shù)，實(shí)現(xiàn)無功功率的補(bǔ)償。

(3)采用整流單元或整流/回饋單元向直流母線供電。

3 控制方案設(shè)計(jì)

由于控制工藝比較復(fù)雜，因此利用順序結(jié)構(gòu)對主程序和子程序進(jìn)行模塊化編程。程序中內(nèi)存地址被分成五部分：參數(shù)的設(shè)定、上位機(jī)的顯示、系統(tǒng)故障的存儲(chǔ)、系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、系統(tǒng)中間量。系統(tǒng)各種子程序均被主循環(huán)程序反復(fù)調(diào)用，按事先編寫的控制程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制。系統(tǒng)程序編寫靈活，便于根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行修改，且僅修改子程序就可改變原有的控制功能，可大幅度提高提升機(jī)運(yùn)行的安全性和可靠性。

3.1 PLC硬件選型

礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)硬件選型見表1。

表1 礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)硬件選型

3.2 端口配置

礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)I/O端口配置見表2。

表2 礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)I/O端口配置表

3.3 控制子程序設(shè)計(jì)方案

控制子程序可實(shí)現(xiàn)下列功能：對主電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速的控制，液壓站電磁閥開度的控制，制動(dòng)泵液壓泵開度的控制，調(diào)閘和調(diào)繩的控制，安全保護(hù)、安全制動(dòng)。程序設(shè)置分為四種方式：半自動(dòng)、手動(dòng)、檢修、應(yīng)急運(yùn)行。前兩種運(yùn)行方式被認(rèn)為是正常工況；0.3 m/s低速運(yùn)行速度被應(yīng)用于檢修工況；當(dāng)故障出現(xiàn)時(shí)，保護(hù)環(huán)節(jié)使系統(tǒng)停機(jī)；應(yīng)急運(yùn)行方式應(yīng)用于出現(xiàn)故障且不能及時(shí)排除的工況，應(yīng)急運(yùn)行速度小于0.5 m/s。限于文章篇幅源程序省略?？刂谱映绦蛄鞒虉D如圖1所示。

圖1 控制子程序流程圖

3.4 深度、速度檢測子程序設(shè)計(jì)方案

提升機(jī)深度檢測的主要作用是：向操作人員提示容器在井筒中的實(shí)際位置；在容器靠近停車位置時(shí)減速信號和減速控制指令被發(fā)送給操作人員；當(dāng)提升容器過卷時(shí)終點(diǎn)開關(guān)被啟動(dòng)，以此斷開安全回路，實(shí)現(xiàn)安全制動(dòng)；減速階段提供給定速度并通過限速裝置實(shí)現(xiàn)過速保護(hù)。

光電旋轉(zhuǎn)編碼器的雙線輸入被應(yīng)用在深度、速度檢測環(huán)節(jié)。高速的計(jì)數(shù)模塊被用來對編碼器的信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，其中編碼器信號的兩路信號分別對行程速度進(jìn)行保護(hù)、顯示與監(jiān)測。在程序中，兩組編碼器的數(shù)據(jù)信息根據(jù)閉環(huán)控制的原理進(jìn)行比較，結(jié)果相同時(shí)，系統(tǒng)正常運(yùn)行；反之，系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，子程序會(huì)向系統(tǒng)發(fā)出故障制動(dòng)指令。深度、速度檢測子程序流程圖如圖2所示。

圖2 深度、速度檢測子程序流程圖

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的一套基于PLC控制的礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)，包含了變頻系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的速度控制，且達(dá)到了預(yù)期控制目標(biāo)。本系統(tǒng)克服了繼電器控制安全性較低、性價(jià)比不高的缺點(diǎn)。本系統(tǒng)的程序能根據(jù)現(xiàn)場工作條件隨時(shí)修改，最大程度地滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。變頻調(diào)速系統(tǒng)在使用中克服了機(jī)械沖擊，使電控系統(tǒng)運(yùn)行更加平穩(wěn)，具有操作簡便、運(yùn)行可靠、維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)為今后提升機(jī)電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與改造提供了一種新的思路。

[1] 原艷紅.基于PLC的礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械，2014，35(11)：257-259.

[2] 李偉.基于PLC的礦井提升機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2015，23(9)：52-54.

[3] 李廣青.提升機(jī)電控系統(tǒng)一種隱性故障的分析與處理[J].煤礦機(jī)電，2007，12(9)：56-57.

(責(zé)任編校：夏玉玲)

On the Design of Electric Control System for Mine Hoists Based on PLC

DOU Xin-yu

(College of Intelligence and Information Engineering， Tangshan University， Tangshan 063000， China)

The accuracy and reliability of the electric control system for mine hoists is essential to the safe operation of mines. The author of this paper has analyzed the designing of the electric control system for mine hoists with the frequency inverter and the PLC controller，and proposed a design of the software and hardware of electric control systems， which provides a new way to improve mine hoists.

PLC controller； mine hoist； electric control system

竇新宇(1984-)，男，河北唐山人，講師，博士研究生，主要從事自動(dòng)化控制研究。

TP271+.4

A

1672-349X(2016)06-0041-03

10.16160/j.cnki.tsxyxb.2016.06.011