PLC技術(shù)在礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)中的應(yīng)用

沈衡

摘 要：提升機(jī)作為礦井的主要生產(chǎn)設(shè)備，在礦井生產(chǎn)中具有重要地位，而控制系統(tǒng)又是提升機(jī)的核心部分。對控制系統(tǒng)的有效設(shè)計(jì)是提升機(jī)充分發(fā)揮其作用的關(guān)鍵?；诖耍疚囊訮LC技術(shù)在礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)中的應(yīng)用為研究主題，以期為提升機(jī)的設(shè)計(jì)與使用提供參考。

關(guān)鍵詞：PLC;礦井提升機(jī);電控系統(tǒng);應(yīng)用研究

中圖分類號：TD633 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）07-0039-02

0 引言

提升機(jī)的使用使礦井生產(chǎn)的安全以及穩(wěn)定性得到增強(qiáng)，其作為井下的主要生產(chǎn)設(shè)備，具有重要地位。其中，國家頒布的《煤礦安全規(guī)程》明確規(guī)定了提升機(jī)的使用規(guī)格以及選用參數(shù)。當(dāng)下，較多的礦井在生產(chǎn)中依舊使用交流提升機(jī)電控系統(tǒng)，這種形式的控制系統(tǒng)在經(jīng)過多年的發(fā)展后已經(jīng)成熟，具備其自身獨(dú)特特點(diǎn)，但隨著各行各業(yè)對機(jī)械自動化需求的不斷提升，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)在使用過程中所暴露出來的問題越來越多，如繼電器使用過多、電氣節(jié)點(diǎn)過多、控制線路復(fù)雜、人工操作較難等因素都使電控系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性受到限制，尤其是在控制精度方面，電控系統(tǒng)的精度較低且運(yùn)行中發(fā)生故障概率較高，使用可編程邏輯控制器（PLC）來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繼電器邏輯控制系統(tǒng)成為近年來行業(yè)的發(fā)展趨勢。基于PLC技術(shù)的新型電控系統(tǒng)能夠替代種類繁多的繼電器，可運(yùn)用軟件來實(shí)現(xiàn)設(shè)備的各項(xiàng)功能，相比傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)，能夠確保礦井提升機(jī)的運(yùn)行更加穩(wěn)定、安全和可靠。

1 PLC技術(shù)概述

PLC是一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，被廣泛應(yīng)用于各類工業(yè)環(huán)境中，作為對設(shè)備的邏輯、過程控制，進(jìn)行各類機(jī)械生產(chǎn)，該技術(shù)既有微處理器的優(yōu)點(diǎn)又可兼顧系統(tǒng)檢修人員的技能習(xí)慣，尤其是對于PLC的程序編程來說，用戶不需要學(xué)習(xí)專門的編程語言知識，只需按照給定說明書進(jìn)行程序的編制即能夠投入使用。PLC技術(shù)是現(xiàn)代微機(jī)技術(shù)和傳統(tǒng)PLC技術(shù)相結(jié)合的控制系統(tǒng)，具有程序設(shè)計(jì)簡單、通訊性能強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

2 PLC技術(shù)在礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 整體方案

電控系統(tǒng)是礦井提升機(jī)的核心部分，而電控系統(tǒng)的核心部分又包括核心處理器與變頻調(diào)速系統(tǒng)，在本文研究中，確定采用兩套型號S7-300PLC作為電控系統(tǒng)的核心處理器，控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

該控制系統(tǒng)主要組成為：PLC控制箱、變頻電源柜、制動電阻柜、低壓配電柜、操作臺觸摸屏。其中，控制系統(tǒng)設(shè)定兩套PLC控制器，一套作為自動、手動控制提升機(jī)的上升、關(guān)閉以及速度的確定，并給定安全閘;另一套PLC則主要用來實(shí)現(xiàn)對整個系統(tǒng)的監(jiān)控;變頻電源柜的作用是用來控制整個電控系統(tǒng)的運(yùn)行速度;制動電阻柜是用來控制提升機(jī)的減速和動力制動;低壓配電柜是用來給控制電路供電;觸摸屏則用來顯示相應(yīng)的系統(tǒng)畫面、儀表、指示燈顯示以及通訊等功能。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 PLC硬件電路

本文研究中選用西門子S7-300硬件模塊，控制電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。該控制系統(tǒng)中CPU模塊包含微處理器與存儲器，可以用來收集與整理提升機(jī)的狀態(tài)信息，完成提升機(jī)的指令，并對操作程序以及數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲;通信模塊是為了實(shí)現(xiàn)PLC、I/O接口與其他設(shè)備的通信;接口模塊的主要功能是進(jìn)行各模塊之間的數(shù)據(jù)交換;控制系統(tǒng)中所使用的編程設(shè)備為STEP 7，可對各種不同類型的文本程序進(jìn)行編輯;電源模塊是給外部設(shè)備提供電源，把輸入系統(tǒng)的220V交流電變?yōu)?4V與5V電壓。

2.2.2 雙PLC控制系統(tǒng)

使用兩套PLC控制系統(tǒng)能夠提升整個控制系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

（1）I/O接口分配。本控制系統(tǒng)中I/O接口信息有開關(guān)信號（數(shù)字信號）與模擬信號，其中，輸入與輸出開關(guān)信號為132、24;模擬信號輸入、輸出數(shù)量24、10個。（2）安全回路設(shè)計(jì)。使用兩套安全回路系統(tǒng)，分別為繼電器開關(guān)串聯(lián)硬件和PLC軟件程序安全回路。（3）電氣聯(lián)鎖。通過設(shè)定電氣聯(lián)鎖提升系統(tǒng)運(yùn)行安全性。

2.2.3 變頻調(diào)速裝置

變頻調(diào)速裝置是控制系統(tǒng)的主要部分。本文研究中，根據(jù)礦井提升機(jī)的容量與速度要求，最終使用交直流的變頻調(diào)速方案，選定西門子SM150系列作為電壓源型交直流變頻器。與直流調(diào)速系統(tǒng)相比，交直流變頻調(diào)速的結(jié)構(gòu)更加簡單，運(yùn)行效率較高，且該形式的調(diào)速系統(tǒng)能夠滿足對提升機(jī)更大容量的需求，此外，為提升提升機(jī)的調(diào)速精度，系統(tǒng)的變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使用二極管鉗位三電平，控制方式為SVP-WM矢量控制。

2.2.4 電控系統(tǒng)通信協(xié)議

本控制系統(tǒng)使用的為多接口MPI通信協(xié)議，該通信協(xié)議最大節(jié)點(diǎn)數(shù)32個，數(shù)據(jù)傳輸最快速度可達(dá)到13Mb/s，尤其在通訊數(shù)據(jù)信息使用量小的工作環(huán)境中，MPI通信效果更佳，且其經(jīng)濟(jì)性較好。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)所使用的軟件在進(jìn)行設(shè)計(jì)時均利用STEP與WinCC軟件進(jìn)行編程，其中，控制系統(tǒng)的編程方式為程序結(jié)構(gòu)化，每一個程序又包含很多個子程序，對所有子程序進(jìn)行獨(dú)立的編寫。如圖3所示，該圖為電控系統(tǒng)應(yīng)用程序流程圖。整個電控系統(tǒng)的應(yīng)用程序主要涵蓋提升機(jī)輔機(jī)的啟閉、動作準(zhǔn)備、安全回路以及機(jī)車操作等。

2.3.1 輔機(jī)啟動

提升機(jī)和提升系統(tǒng)內(nèi)的油泵、動力制動裝置等輔機(jī)存在聯(lián)鎖關(guān)系，因此在進(jìn)行提升機(jī)電機(jī)啟動前，首先需要將系統(tǒng)的輔機(jī)打開。

2.3.2 提升機(jī)做準(zhǔn)備

該準(zhǔn)備程序是對提升機(jī)啟動啟閉的前提條件進(jìn)行檢測，即檢測提輔機(jī)啟動是否啟動完成，系統(tǒng)檢測到輔機(jī)啟動則輸出準(zhǔn)備完成信號。

2.3.3 安全回路

該程序主要是對系統(tǒng)的硬件以及軟件安全回路進(jìn)行控制，當(dāng)檢測到提升機(jī)出現(xiàn)運(yùn)行問題時，立即進(jìn)行倒閘停車，并及時地閉鎖報(bào)警。此外，為不影響提升機(jī)的運(yùn)行，在程序內(nèi)設(shè)置故障種類存儲記憶，當(dāng)排除提升機(jī)運(yùn)行故障后即能夠接觸安全制動。

2.3.4 機(jī)車操作方式

機(jī)車操作方式分為兩類，手動式與自動式，手動式是由人工完成，自動式則是借助PLC控制器自動對提升方向進(jìn)行判斷與執(zhí)行。提升機(jī)方向操作流程如圖4所示。

3 仿真與調(diào)試

為分析上述控制系統(tǒng)的實(shí)際性能，在完成硬件和軟件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，構(gòu)建了試驗(yàn)樣機(jī)，并對設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行模擬運(yùn)行檢測。如圖5所示，該圖為提升機(jī)的輸出電流波形，從圖中能夠看出，該提升機(jī)啟動瞬間存在較小沖擊電流，但僅需要0.1s左右，就可以達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行。表明該提升機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行良好，符合提升機(jī)預(yù)期設(shè)計(jì)要求，既經(jīng)濟(jì)，又安全可靠，從而提高了礦井的安全運(yùn)行，保證了礦井的安全生產(chǎn)。

4 效果評價與效益

PLC技術(shù)在礦井中的使用，可顯著提升礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性，從而避免使用傳統(tǒng)大量的繼電器裝置，其接線多且復(fù)雜極易造成操作人員發(fā)生誤操作;另外，PLC的使用使提升機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾性以及可靠性大幅度提升，有效降低提升機(jī)故障發(fā)生概率。

5 結(jié)語

提升機(jī)在礦產(chǎn)生產(chǎn)中的使用，使礦井生產(chǎn)的安全以及穩(wěn)定性得到增強(qiáng)，本文分析了PLC技術(shù)在提升機(jī)電控系統(tǒng)中的組成、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)等，通過仿真可知，PLC在礦井提升機(jī)中應(yīng)用具有巨大優(yōu)勢，不僅能夠提高電控系統(tǒng)的自動化程度，還可以大大提高提升機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定與安全性，既經(jīng)濟(jì)，又安全可靠。

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