基于PLC技術(shù)礦井提升機控制系統(tǒng)的設(shè)計

1、引言

目前，我國絕大部分礦井提升機（超過70%）采用傳統(tǒng)的交流提升機電控系統(tǒng)（tkd-a為代表）。tkd控制系統(tǒng)是由繼電器邏輯電路、大型空氣接觸器、測速發(fā)電機等組成的有觸點控制系統(tǒng)。經(jīng)過多年的發(fā)展，tkd-a系列提升機電控系統(tǒng)雖然已經(jīng)形成了自己的特點，然而其不足之處也顯而易見，它的電氣線路過于復(fù)雜化，系統(tǒng)中間繼電器、電氣接點、電氣聯(lián)線多，造成提升機因電氣故障停車事故不斷發(fā)生。采用plc技術(shù)的新型電控系統(tǒng)都已較成功的應(yīng)用于礦井提升實踐，并取得了較好的運行經(jīng)驗，克服了傳統(tǒng)電控系統(tǒng)的缺陷，代表著交流礦井提升機電控技術(shù)發(fā)展的趨勢。

2、總體設(shè)計方案

基于plc技術(shù)的礦井交流提升機電控系統(tǒng)控制電路組成結(jié)構(gòu)要由以下5部分組成：高壓主電路（包括高壓換向器、電動機、啟動柜、動力制動電源）、主控plc電路、提升行程檢測與顯示電路、提升速度檢測、提升信號電路，其中高壓主電路部分仍采用傳統(tǒng)的繼電器控制電路。
工作過程：當(dāng)井口或井底通過信號通信電路發(fā)出開車信號后，開車條件具備。司機將制動手柄向前推離緊閘位置，主電動機松閘。司機將主令控制器的操作手柄推向正向（或反向）極端位置，主控plc通過程序控制高壓換向器首先得電，使高壓信號送入主電動機定子繞組，主電動機接入全部轉(zhuǎn)子電阻啟動，然后依次切除8段電阻，實現(xiàn)自動加速，最后運行在自然機械特性上。交流提升機運行時，旋轉(zhuǎn)編碼器跟隨主電動機轉(zhuǎn)動，輸出2列a/b相脈沖，分別接到主控plc的高速計數(shù)器hsc0的a/b相脈沖輸入端，由主控plc根據(jù)a/b脈沖的相位關(guān)系，自動確定hsc0的加、減計數(shù)方式。根據(jù)hsc0的計數(shù)值，就可以計算出提升行程并顯示。同時只根據(jù)旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的a相脈沖，主控plc進行加計數(shù)。根據(jù)hsc1在恒定間隔時間內(nèi)的計數(shù)值，就可以計算出提升速度。

3、硬件設(shè)計

3.1提升機主回路部分設(shè)計

主回路用于供給提升電動機電源，實現(xiàn)失壓、過流保護，控制電機的轉(zhuǎn)向和調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。主回路由高壓開關(guān)柜、高壓換向器的常開觸頭、動力制動接觸器的常開主觸頭、動力制動電源裝置、提升電動機、電機轉(zhuǎn)子電阻、加速接觸器的常開主觸頭（1jc～8jc）和裝在司機操作臺上的指示電流表和電壓表等組成。
主拖動電機選擇：鼠籠式異步電動機盡管結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、維護方便，但很難滿足提升機啟動和調(diào)速性能的要求，因此，礦井提升機交流拖動系統(tǒng)均選用繞線式異步電動機作為主拖動電動機，繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻后能限制啟動電流和提高啟動轉(zhuǎn)矩，并能在一定范圍內(nèi)進行調(diào)速。地面變電所送來的二路6kv電源，一路工作，一路備用，經(jīng)tgg-6型高壓開關(guān)柜的隔離開關(guān)glk1、油開關(guān)gyd、高壓換向器線路接觸器xlc的主觸頭、正向（或反向）接觸器zc（或fc）后到主電機的定子。在高壓開關(guān)柜內(nèi)還設(shè)有電壓互感器yh，失壓服扣線圈syq，電流互感器lh和過流脫扣線圈glq，用于失壓或過流保護。在syq線圈回路中還串聯(lián)接有緊急停車開關(guān)jtk1和換向器室欄柵門閉鎖開關(guān)lsk。

3.2制動回路設(shè)計

礦井提升機大多數(shù)采用繞線式異步電動機來拖動，且多數(shù)場合下采用有級切換轉(zhuǎn)子回路電阻來實現(xiàn)調(diào)速。其制動系統(tǒng)多采用可控硅動力制動和可調(diào)閘制動系統(tǒng)。前者為電氣制動，后者為機械制動。提升機在減速段運行中，當(dāng)速度在0～5%范圍內(nèi)，電氣制動起作用，可調(diào)閘不起作用；當(dāng)超速在5%～10%范圍內(nèi)，電氣制動限幅，并維持最大制動功率，同時可調(diào)閘起作用，總制動力矩增大；當(dāng)超速10%時，過速繼電器gsj1作用于安全回路，可調(diào)閘將提升機滾筒閘住。
晶閘管動力電源裝置主要有兩部分組成，一部分為主回路，另一部分為觸發(fā)回路。本文設(shè)計中采用kzg型三相可控硅動力制動系統(tǒng)。此系統(tǒng)為單閉環(huán)動力制動系統(tǒng)，速度偏差控制和腳踏控制是“或”的關(guān)系，哪個信號大，就允許哪個信號通過，亦即相應(yīng)的控制方式發(fā)揮作用。因此，單閉環(huán)控制時司機可以腳踏制動進行控制，而在腳踏控制時，如提升機超速，閉環(huán)系統(tǒng)又可起監(jiān)視保護作用。

3.3速度給定回路

速度給定方式就是按行程原則產(chǎn)生速度給定信號。在礦井提升機電控系統(tǒng)中，通常是采用凸輪板給定方法，即由凸輪板控制自整角機的輸出電壓。由于自整角機沒有可滑動的觸點，因此電壓變化較平穩(wěn)，工作較可靠，維護量較小。
自整角機作為給定裝置應(yīng)用時是將激磁繞組通以單相110伏交流電，在三相同步繞組中任取兩相的輸出作為給定電壓的輸出。其輸出電壓為交流，如需要直流則應(yīng)通過橋式整流輸出。

3.4動力制動回路

晶閘管整流器及其觸發(fā)裝置成套地裝在電源柜中，動力制動電源裝置輸出電壓的大小與觸發(fā)裝置輸入的控制信號電壓的高低有關(guān)。
控制信號電壓由兩個回路組成一個或門電路。只要其中之一達到觸發(fā)要求時，即可使晶閘管觸發(fā)起制動作用。這兩個回路，一個是由實際速度與給定速度形成的速度偏差值，自動控制cf3磁放大器的輸出和動力制動輸出，另一條回路由司機控制自整角機cd2的輸出以實現(xiàn)人工調(diào)節(jié)。
在人工控制動力制動系統(tǒng)時，由司機控制腳踏板帶動自整角機cd2發(fā)生控制電壓。調(diào)整時應(yīng)使其與磁放大器cf3的輸出相配合。當(dāng)腳跟剛剛踩下，腳尖尚未下踏時，相當(dāng)于控制開關(guān)閉和，使dzc得電吸合，晶閘管動力制動投入，但此時自整角機cd2輸出很小，動力制動電流最小。當(dāng)司機腳尖踏下后，自整角機cd2輸出最大。
在腳踏動力制動與cf3輸出回路中，分別由z1和z2兩個二極管組成一個或門電路，此兩種控制信號成并聯(lián)關(guān)系，互不影響。

3.5行程檢測與顯示

利用旋轉(zhuǎn)編碼器將提升機的運行位置轉(zhuǎn)化為脈沖，plc對此脈沖進行高速計數(shù)，通過相應(yīng)的計算自動生成提升機位置的相關(guān)數(shù)據(jù)，傳送到plc內(nèi)部高速計數(shù)器的存儲單元。為了提高計數(shù)器的脈沖精度，選用日本omron公司的e6c-cwsc型可逆旋轉(zhuǎn)編碼器，其脈沖準(zhǔn)確精度高，在低速時不會丟失脈沖。
為了便于提升機司機操作，提升機電控系統(tǒng)需設(shè)置可靠的行程顯示裝置（又稱深度指示器）用于顯示提升容器在井筒中的位置。本文設(shè)計根據(jù)編碼器所測的運行距離（0～570m），采用3個led七段顯示器作為提升機位置的顯示。
3.6輔助回路設(shè)計

輔助回路是用于對輔助設(shè)備進行供電和控制的。輔助回路的電源電壓為交流380v，兩回路供電。輔助回路所帶負荷有：晶閘管動力制動電源裝置、制動油泵電動機、潤滑油泵電動機等。

4、提升機主電動機轉(zhuǎn)子電阻計算

電動機轉(zhuǎn)子電阻的計算，對提升設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)有著重要的作用。進行啟動電阻計算時，首先應(yīng)確定預(yù)備級級數(shù)和加速級級數(shù)。因為所選的級數(shù)直接影響到最大切換力矩的增大或減小及平均啟動加速度的提高或降低，甚至由于過載能力不夠而需加大電動機容量，故應(yīng)全面考慮，選出經(jīng)濟合理的級數(shù)。一般情況下，預(yù)備級級數(shù)和加速級級數(shù)的選擇見附表所示。
三相平衡啟動電阻的計算方法很多，但基本上可分為兩種類型：一類是按給定加速度來計算啟動電阻，另一類是以充分利用電動機的過載能力為出發(fā)點來計算。因第一類方法計算簡便準(zhǔn)確，故本文中采用此方法計算。


5、plc控制系統(tǒng)設(shè)計

5.1主控plc控制電路設(shè)計

根據(jù)提升機的運行方式和煤礦企業(yè)的固有特點，國產(chǎn)礦井提升機電控制系統(tǒng)中應(yīng)用plc也發(fā)展很快。但從現(xiàn)場使用情況來看，目前，在國產(chǎn)煤礦提升機控制系統(tǒng)中，plc主要用于處理開關(guān)量，以替代老式提升機控制系統(tǒng)中眾多的繼電器、接觸器、復(fù)雜的連線以及信號顯示系統(tǒng)，而涉及到提升機安全運行的制動系統(tǒng)中的模擬量和自動調(diào)節(jié)過程，大多還是通過用半導(dǎo)體器件、運算放大器等可調(diào)閘和可控硅動力制動的普通電子模式來處理。使用過程中經(jīng)常會出現(xiàn)零點漂移、電子元件損壞，并且存在維修及重新調(diào)試難、可靠性差等缺點，因而使提升機電控系統(tǒng)的可靠性降低。針對上述問題，深入研究用plc控制煤礦提升機控制系統(tǒng)是非常必要的。
本文中主控單元可編程序控制器（plc）設(shè)計，由一個cpu226主機和兩片i/o擴展模塊em223和em222組成，設(shè)計含有40個輸入點40個輸出點。

5.2 plc控制軟件設(shè)計

（1）初始化子程序用于對高速計數(shù)器hsc0和hsc1進行以下操作：寫控制字，定義工作模式，清零，寫設(shè)定值，設(shè)置定時中斷，連接中斷，啟動計數(shù)。

（2）制動油泵、潤滑油泵、動力制動電源、五通閥電磁鐵、四通閥電磁鐵和安全閥電磁鐵等的控制屬于交流提升機安全運行所需輔助設(shè)備的控制。

（3）制動油過壓信號、制動油過熱信號和潤滑油過壓信號的顯示控制用于交流提升機工作狀態(tài)的顯示控制。

（4）調(diào)繩閉鎖回路是在調(diào)繩過程中起安全保護作用。雙卷簡提升機換水平調(diào)繩時，調(diào)繩轉(zhuǎn)換開關(guān)1hk-3斷開，使調(diào)繩連鎖環(huán)節(jié)串入安全回路。正常運行時，lhk-3接通，調(diào)繩連鎖不起作用。

（5）提升信號回路用于對交流提升電動機啟動或減速作好準(zhǔn)備。

（6）位置測量子程序用于測量提升機在礦井中的位置。

（7）行程顯示子程序根據(jù)旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖個數(shù)來顯示當(dāng)前的行程位置。

（8）減速信號回路和減速信號鈴用于減速控制并且發(fā)出鈴聲提示信號。

（9）自動換向工作回路和手動正反轉(zhuǎn)工作回路分別用于自動和手動方式下對交流提升電動機進行正反轉(zhuǎn)控制。

（10）安全回路用于防止和避免交流提升機發(fā)生意外事故。

（11）定時器控制回路和轉(zhuǎn)子電阻通斷控制用于交流提升電動機啟動或減速時的轉(zhuǎn)子電阻切換控制。

（12）動力制動回路用于動力制動電源的投入與切除控制。

（13）腳踏制動聯(lián)鎖和工作閘繼電器用于交流提升電動機制動控制。



6、結(jié)束語

提升機的控制系統(tǒng)采用plc控制與tkd-a控制系統(tǒng)結(jié)合的方式，具有可靠、安全、實現(xiàn)方便等優(yōu)點。采用plc實現(xiàn)提升機主要控制邏輯，增加控制功能，實現(xiàn)高效自動化生產(chǎn)。其關(guān)鍵是充分發(fā)揮plc的優(yōu)勢，利用其綜合測控機制，解決好測速、保護等問題，實現(xiàn)與原系統(tǒng)的良好銜接，提高系統(tǒng)的綜合性能，達到低投入高產(chǎn)出。從系統(tǒng)的應(yīng)用情況看仍存在一些需進一步完善的問題如：網(wǎng)絡(luò)通信功能和先進控制技術(shù)及策略如智能控制等，在現(xiàn)有plc技術(shù)的基礎(chǔ)上進一步進行功能擴充，將會進一步提高我國礦井提升電控系統(tǒng)的現(xiàn)代化水平。


作者簡介

徐成毅男畢業(yè)于遼寧工學(xué)院電氣工程及其自動化專業(yè)現(xiàn)供職于大連三洋制冷有限公司技術(shù)研發(fā)本部。



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