基于PLC的礦井提升機(jī)智能型電控系統(tǒng)的分析

王 澤

（山西臨汾西山生輝有限公司， 山西 運(yùn)城 044600）

引言

運(yùn)輸設(shè)備的可靠性及安全性是礦井生產(chǎn)需要保證的環(huán)節(jié)[1-2]。而目前礦井提升系統(tǒng)多采用TDK控制方式，即采用異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子回路對電阻進(jìn)行串聯(lián)而調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速，但是這種調(diào)速方法的可靠性及安全性較差，且維修復(fù)雜、提升效率較差，不能滿足煤礦生產(chǎn)繁重的提升任務(wù)，所以此類提升系統(tǒng)逐步被淘汰。隨著科技的進(jìn)步及煤礦生產(chǎn)要求的進(jìn)一步提高，對礦井提升系統(tǒng)也提出了更高要求，因此采用高性能礦井提升系統(tǒng)對煤礦的安全生產(chǎn)具有重要意義[3]。

1 提升機(jī)電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)是礦井提升機(jī)的最重要的組成部分，電控系統(tǒng)主要由變頻器與核心處理器共同控制，通過研究選用型號為S7-300的PLC處理器。電控系統(tǒng)由變頻電源柜、PLC控制箱、低壓配電箱、制動電阻柜、控制觸摸屏等組成，提升機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 提升機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

電控系統(tǒng)各組件的功能如下：變頻電源柜控制電控系統(tǒng)的速度，且可以實(shí)現(xiàn)能量回饋；PLC控制箱以兩套PLC電控系統(tǒng)為核心，其中一套PLC控制器采用自動或手動方式控制提升機(jī)的升降、速度及閉鎖、接受信號指示燈及安全閘等，另一套PLC電控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)運(yùn)行的監(jiān)控功能；制動電阻柜為實(shí)現(xiàn)提升機(jī)停止及減速的動力制動；觸摸屏可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的畫面、指示燈及儀表等的顯示，并具有通信功能，畫面顯示功能顯示提升機(jī)位置和運(yùn)行狀況。

2 電控系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)與選型

2.1 PLC硬件電路

通過研究選用德國西門子的S7-300硬件模塊，它有接口模塊、CPU模塊、通訊模塊、電源模塊及編程設(shè)備等，其硬件組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。CPU模塊由存儲器和微處理器組成，其功能主要是采集提升機(jī)的狀態(tài)信號，實(shí)施提升機(jī)的控制程序并對設(shè)備故障進(jìn)行檢測，并對系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)及程序?qū)崟r存儲。接口模塊即數(shù)據(jù)交換模塊，實(shí)現(xiàn)各硬件直接的數(shù)據(jù)傳輸。通信模塊即實(shí)施上位機(jī)、PLC控制器、I/O接口等各設(shè)備之間的通信。設(shè)備編程采用的是STEP7.5，該軟件能實(shí)現(xiàn)不同文件的編輯。電源模塊是為實(shí)現(xiàn)對其他外部設(shè)備的電源供給，將外部的220 V的交流電轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)備所需的5 V或24 V電壓。

圖2 PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 雙PLC控制系統(tǒng)

使用兩套PLC控制系統(tǒng)能明顯提高提升系統(tǒng)的安全性與可靠性。I/O接口信息有模擬信號和開關(guān)信號兩種，開關(guān)信號就是數(shù)字信號，輸出與輸入的數(shù)字信號為10和24。設(shè)計(jì)的安全回路包含兩套安全回路，分別為繼電器開關(guān)串聯(lián)組成的安全回路硬件與PLC軟件編程的回路。電氣連鎖是依據(jù)礦井相關(guān)安全規(guī)程與設(shè)備安全要求而設(shè)計(jì)的電氣設(shè)備連鎖。

2.3 變頻調(diào)速裝置

變頻調(diào)速裝置是煤礦提升機(jī)控制系統(tǒng)的主要組成部分，該系統(tǒng)對電氣控制系統(tǒng)有直接影響。通過研究，考慮提升系統(tǒng)的運(yùn)行速度及提升量，提出采用交直交調(diào)速變頻方案，使用的變頻器是德國西門子SM150型電源壓型變頻器，組成全自動變頻調(diào)速裝置。該裝置相對直流變頻系統(tǒng)而言，具有效率高且結(jié)構(gòu)簡單，能承受更大容量和電壓的優(yōu)點(diǎn)。變頻器結(jié)構(gòu)使用的為鉗位三電平二極管，采用IGBT功率器件作為開關(guān)管，采用SVP-WM矢量控制方式。

2.4 電控系統(tǒng)通信協(xié)議

設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用MPI多點(diǎn)接口通信協(xié)議，該協(xié)議節(jié)點(diǎn)數(shù)目最大為32個，信息數(shù)據(jù)傳輸速度為35 kbit/s～12 Mbit/s，在通信量需求較小的情況下，該通信方式效果好，且經(jīng)濟(jì)效益明顯。

3 電控系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)部分均通過WinCC和STEP7軟件界面編程來實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)采用程序結(jié)構(gòu)化方式來進(jìn)行編程設(shè)計(jì)，整個程序由各個小程序組成，通過對各子程序單獨(dú)進(jìn)行編寫實(shí)現(xiàn)整個程序。該系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu)如圖3所示，所有的應(yīng)用程序由提升機(jī)準(zhǔn)備、輔助啟動、機(jī)車操作方式及安全回路等組成。

3.1 輔助啟動

輔助設(shè)備包括電機(jī)、油泵、制動裝置等連鎖裝置，在提升機(jī)啟動前應(yīng)首先對輔助設(shè)備啟動，輔助設(shè)備的正常啟動是系統(tǒng)安全順利運(yùn)行的前提條件。

3.2 提升機(jī)動作準(zhǔn)備

該程序首先對提升機(jī)是否具有啟動條件進(jìn)行判斷，啟動的條件包括輔助啟動與否、零位聯(lián)鎖控制及其手柄等。該程序滿足時，提升機(jī)會隨即啟動。

圖3 電控系統(tǒng)應(yīng)用程序流程

3.3 安全回路

該程序主要是對前面設(shè)計(jì)的安全回路硬件及軟件進(jìn)行控制，通過對提升機(jī)進(jìn)行故障檢測，發(fā)生故障時回路會停閘操作，并閉鎖進(jìn)行報(bào)警。工作人員通過查看儲存的故障信息，排除相應(yīng)故障后解除制動。

3.4 機(jī)車操作方式

提升系統(tǒng)的操作方式包括手動和自動兩種方式。手動控制是通過工人手動完成，自動控制是通過PLC控制器對提升方向進(jìn)行自動判斷并執(zhí)行。提升機(jī)的回路方向由啟動與運(yùn)行操作決定。操作方向上的回路需使所有啟動條件均滿足要求，各項(xiàng)條件包括有安全制動解除、操作方向選擇、輔機(jī)啟動、發(fā)出開車信號、系統(tǒng)接收信號啟動等。操作人員通過控制手柄，實(shí)現(xiàn)上述一系列動作，最終完成提升系統(tǒng)的啟動。