PLC與變頻技術(shù)在礦井提升機系統(tǒng)中的改進

陳良

摘 要

礦井提升機是礦山中一種非常重要的電氣設備，素有“礦山咽喉”之稱。茂名是全國的油城之一，在工業(yè)應用中也會應用到礦井提升機的控制設備，傳統(tǒng)的礦井提升機調(diào)速性能較差，對于礦井提升機在啟動、停車、邏輯控制等方面也存在一些弊端，已經(jīng)不能適應現(xiàn)代礦井高產(chǎn)出、高效益的要求。PLC與變頻技術(shù)作為新型的工業(yè)技術(shù)在工控領域發(fā)揮著越來越重要的作用。高功能性和高效率的控制可以在礦井提升機的控制方面發(fā)揮出更好的優(yōu)勢。本文就將從PLC和礦井提升機系統(tǒng)概述、控制系統(tǒng)的搭建和軟硬件系統(tǒng)等方面展開，對PLC與變頻器在礦井提升機系統(tǒng)進行研究與改進分析。

【關(guān)鍵詞】PLC 變頻器 智能化 高效率 穩(wěn)定性 安全性

1 概述

1.1 礦井提升機系統(tǒng)的概述

礦井提升機系統(tǒng)是礦井挖掘中一個非常重要的電氣設備，它的工作正常與否直接關(guān)系著礦井的生產(chǎn)效率。礦井提升機系統(tǒng)主要作用是可以把采集到的有用的礦石、煤炭和石油等物品從礦井底部運輸?shù)降V井的頂端。所以說，礦井提升機是開采礦井的“咽喉”。礦井提升機系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，會直接的關(guān)系到礦井的正常生產(chǎn)，但是傳統(tǒng)的礦井提升機還存在一些隱患，嚴重時危及人的生命。在智能控制、高效生產(chǎn)和安全方面也有待提高，所以需要開發(fā)新的礦井提升機系統(tǒng)來實現(xiàn)這些要求。

1.2 PLC與變頻技術(shù)的概述

PLC與變頻技術(shù)是當前廣泛應用的一項工控自動化技術(shù)，首先，PLC的穩(wěn)定性高是應用于工控自動化的原因。PLC內(nèi)部自帶的光電耦合器隔離了外部的電路和內(nèi)部的電路，可以很好的免去外部電路對于控制器部分的干擾問題。變頻技術(shù)則對它的多個速度和穩(wěn)定性有較強的控制，避免了人為操作的時候出現(xiàn)的一些問題。因為都是智能化的控制系統(tǒng)，所以礦井提升機系統(tǒng)在設計和改進的過程中，取得了良好的應有效果。

2 系統(tǒng)的控制原理和整體構(gòu)成

2.1 礦井提升機系統(tǒng)的主要組成部分和工作原理

礦井提升機系統(tǒng)是一個非常復雜的系統(tǒng)，它的主要組成部分包括：提升容器、提升鋼絲繩、動力部分的提升機（包括機械部分和拖動部分）、礦井提升機的井架等固定設備。除此以外，他還需要有一些輔助的系統(tǒng)，比如機械傳統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)部分、觀測和控制系統(tǒng)以及制動系統(tǒng)。

傳統(tǒng)的纏繞式提升機設備是一種常用的設備，它由卷筒、鋼絲繩、天輪、提升容器和平衡尾繩等組成。其的工作原理是礦井提升機的動力拖動部分是安裝在地面的提升機房。提供牽引動力的鋼絲繩一頭固定在卷筒上，另一端繞過天輪（頂端的定滑輪）之后連接到提升容器的頂端。當滾筒在電力拖動部分拖動以后就會通過鋼絲繩帶動提升容器部分進行上下的目的，實現(xiàn)人或者物在礦井中的運輸。目前纏繞式礦井提升機一般應用在較淺井的礦井之中。

2.2 PLC與變頻技術(shù)礦井提升機系統(tǒng)的構(gòu)成

PLC與變頻技術(shù)礦井提升機系統(tǒng)的系統(tǒng)要求主要分為兩個部分，分別是主動指令控制和自動保護控制指令。

在主動的操作指令層面，管理人員可以根據(jù)現(xiàn)場的工作情況和實際的需要，可以通過改變各種參數(shù)來實現(xiàn)礦機提升機控制系統(tǒng)工作狀態(tài)的改變。礦井提升機的主動指令操作主要包括電控系統(tǒng)工作狀態(tài)的改變，設置預定的工作流程，讓系統(tǒng)自動的按順序改變工作狀態(tài)。除了人為的設定系統(tǒng)的工作狀態(tài)還可以人為的改變單個指令。比如改變系統(tǒng)的啟動、停止、加速、減速、制動等都有對應的單個指令。系統(tǒng)下達指令以后通過PIC改變變頻器的工作狀態(tài)，實現(xiàn)多個速度的運行，從而實現(xiàn)對機械部分的控制。

另一部分是保護監(jiān)視系統(tǒng)的指令操作。根據(jù)要求事先設定的參數(shù)，當參數(shù)不在設定的范圍時，系統(tǒng)的保護部分會自動的下達指令，讓系統(tǒng)采取措施，防止發(fā)生危險?？刂葡到y(tǒng)的保護部分主要包括：速度監(jiān)視、過卷監(jiān)視、變頻器監(jiān)視、提升容器實施監(jiān)視、過載監(jiān)視和深度監(jiān)視這幾個部分。按照具體功能的不同，礦井提升機系統(tǒng)整個控制系統(tǒng)分為行程系統(tǒng)、保護系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)三個部分。

3 礦井提升機系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

3.1 行程控制PLC與變頻技術(shù)的硬件構(gòu)成

行程的控制是一種典型的位置控制，控制的目的是讓提升容器準確的停在指定的位置。典型的比較成熟的控制硬件配置是光-電增量式轉(zhuǎn)角-脈沖變換器。具體的安裝過程是把旋轉(zhuǎn)編碼器用聯(lián)軸器固定在提升機的驅(qū)動輪上，這樣就可以把驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)動變成電信號采集到PLC，再利用PLC與變頻技術(shù)上下進程和時間、速度等進行控制，使PLC與變頻技術(shù)礦井提升機系統(tǒng)可以正常地進行運作，如圖1所示。

3.2 PLC與變頻技術(shù)礦井提升機系統(tǒng)保護系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

在這部分保護系統(tǒng)中要注意兩個方面的問題，一是電源模塊的供電問題，需要電源模塊可靠穩(wěn)定的把220V-AC轉(zhuǎn)換為24V-DC。沒有穩(wěn)定的電源PLC與變頻器輸出就不能正常的進行。另一個部分是數(shù)模-模數(shù)轉(zhuǎn)化模塊的質(zhì)量，通過數(shù)字與模擬信號之間的轉(zhuǎn)換，能夠更有效、更準確的處理出PLC與變頻器輸入、輸出的信號連接口，如果定時與計算出現(xiàn)了問題，那么就會造成系統(tǒng)的癱瘓，嚴重的會造成人員傷亡和機器的損壞，如圖2所示。

3.3 PLC與變頻技術(shù)礦井提升機系統(tǒng)控制部分的硬件構(gòu)成

通過按鈕與鍵盤的輸入控制，利用模塊之間的通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換，對PLC與變頻技術(shù)的通信端口與輸出端口進行控制，利用指令燈系統(tǒng)的與感應系統(tǒng)的反饋，實現(xiàn)系統(tǒng)通信、運行、報警和音頻的智能控制，如圖3所示。

4 PLC與變頻技術(shù)礦井提升機系統(tǒng)的軟件構(gòu)成

系統(tǒng)主要是有三個部分構(gòu)成的，這里采用的是STEP7，編程環(huán)境在這里不做過多的贅述。編程采用模塊化的設計，在行程的控制部分，選擇的是三個模塊，分別是OB100、OB1和DB35。

其中，OB100模塊的作用是用來啟動的。在該模塊中設置了程序的初始化指令，相關(guān)的系統(tǒng)參數(shù)的設置也是在這個部分設置的，類似于單片機的頭文件。在上電初始化的時候，該模塊被執(zhí)行一次，保障系統(tǒng)能夠正常的啟動。但是這個部分只在PLC與變頻技術(shù)礦井提升機系統(tǒng)啟動的過程中執(zhí)行，之后不參與程序的循環(huán)。

OB1模塊為循環(huán)模塊也就是常說的主程序模塊，這個部分是程序運行時一直循環(huán)的過程。通過設計時的程序流程圖可以知道，主程序是一個主要的循環(huán)過程，在主程序循環(huán)的過程中可以調(diào)用相關(guān)的子模塊程序，SFB、SFC、FB、FC等都可以在主程序中調(diào)用出來。運用這種模塊化的程序設計可以快速的設計，而且在調(diào)試的過程中可以很快的發(fā)現(xiàn)問題，改動的時候也不必全部的去修改。程序主要是應用在PLC與變頻技術(shù)礦井提升機系統(tǒng)的工作與應用。

DB35是循環(huán)中斷的子程序。PLC中的程序是循環(huán)執(zhí)行的，要想做出什么改變的時候就需要中斷了。循環(huán)的時間值設定在0到60之間，具體的設置過程需要根據(jù)實際的用戶需要進行設置。程序主要應用在PLC與變頻技術(shù)礦井提升機系統(tǒng)出現(xiàn)故障或問題時，相應程序應該出現(xiàn)有的中斷或中止，終端程序需要包括有：

（1）需要根據(jù)用戶當?shù)氐倪壿嬤^程給出中斷的實際值，當需要改變程序執(zhí)行狀態(tài)的時候就要進行中斷過程。

（2）當PLC受到傳感器傳來的故障信號的時候要馬上進行中斷，并調(diào)到故障處理子程序部分。

（3）采集的數(shù)據(jù)和預先設定的數(shù)值誤差過大的時候也需要調(diào)用相應的子程序模塊。變頻器技術(shù)則應用于頻率上的控制，對時間、速度、頻率上的控制與同步起到很大的幫助。

5 總結(jié)

以上是根據(jù)自己多年的PLC、變頻技術(shù)的研究和應用寫出關(guān)于PLC與變頻技術(shù)礦井提升機系統(tǒng)的文章，其中包含了組成的硬件部分和軟件部分的程序思路以及注意事項。這種新型的礦井提升機系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)的礦井提升機在性能上有了很大的提升，達到了智能、高效、省時、省力、安全的效果。在參與設備的設計和改造時，產(chǎn)品也得到了當?shù)貑挝坏囊恢潞迷u。當然，在新環(huán)境中設計與安裝礦井提升機系統(tǒng)設備時，因地制宜地應用不同的PLC及變頻器和機械設備。本文只作為部分的參考，希望能給廣大的讀者帶來一些幫助。

參考文獻

[1]向曉漢，編著.西門子PLC工業(yè)通信完全精通教程[M].北京：化學工業(yè)出版社，2013.

[2]梁強，編著.西門子PLC控制系統(tǒng)設計及應用[M].北京：中國電力出版社，2011.

[3]姜建芳，編著.西門子S7-300/400 PLC工程應用技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2015.

[4]王建，楊秀雙，編著.西門子變頻器入門與典型應用[M].北京：中國電力出版社，2012.

[5]姚立波，周連平，編著.西門子變頻器應用技術(shù)[M].北京：清華大學出版社，2015.

作者單位

茂名市交通高級技工學校 廣東省茂名市 525000