基于FX3U PLC的H型提升機(jī)一體化操作臺控制系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

洛陽中重自動化工程有限責(zé)任公司 河南洛陽 471039

H 型提升機(jī)是洛陽中重自動化工程有限責(zé)任公司開發(fā)的一種中小規(guī)格的單繩纏繞式礦井提升機(jī)，也是目前國內(nèi)質(zhì)量最輕、體積最小、結(jié)構(gòu)最優(yōu)的變頻提升機(jī)，用于礦山地面、地下豎井和斜井以升降物料、設(shè)備及人員[1]。采用電動機(jī)功率在 630 kW 以下的用戶，可以選擇 H 型提升機(jī)，以彌補小功率電動機(jī)配套提升機(jī)產(chǎn)品的不足，相應(yīng)的電控系統(tǒng)也要求與H 型提升機(jī)適配。在滿足 H 型提升機(jī)工藝控制及軟件安全保護(hù)[2-3]等主要功能的前提下，設(shè)計了一種一體化操作臺變頻控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了提升機(jī)控制系統(tǒng)操作臺的創(chuàng)新性應(yīng)用。

1 電控系統(tǒng)組成

與傳統(tǒng)提升機(jī)的電控系統(tǒng)類似，H 型提升機(jī)整套電控系統(tǒng)由低壓配電系統(tǒng)、PLC 控制及操作系統(tǒng)、安全保護(hù)系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、全數(shù)字變頻驅(qū)動系統(tǒng)等組成[4]，如圖 1 所示。

除驅(qū)動系統(tǒng)外，H 型提升機(jī)的配電及控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)的硬件集中在一個 +PA 操作臺中，由 +PA.2、+PA.1、+PA.3 及所控元件構(gòu)成一個完整的控制及顯示系統(tǒng)，如圖 2 所示。操作臺內(nèi)部元件如圖 3 所示。

圖2 一體化操作臺的組成Fig.2 Constitution of integrated console

2 一體化操作臺的組成及原理

2.1 低壓配電及監(jiān)控系統(tǒng)

+PA.2 為低壓配電部分，斜面上設(shè)有三相數(shù)顯表(PJ1)、溫度巡檢儀(ST1)、液壓泵轉(zhuǎn)換開關(guān)(SA2.1)及潤滑泵轉(zhuǎn)換開關(guān)(SA2.2)。三相數(shù)顯表可顯示三相進(jìn)線電壓；溫度巡檢儀可接入測溫傳感器，用來檢測電動機(jī)、主機(jī)主軸及軸承等的溫度，并將數(shù)據(jù)傳給PLC；2 個轉(zhuǎn)換開關(guān)分別用于液壓站和潤滑站常用及備用泵之間的選擇。

+PA.2 背面內(nèi)部設(shè)有低壓配電相關(guān)元器件，其中AC380V 低壓電源為雙回路進(jìn)線，經(jīng)雙電源開關(guān)切換后接入 +PA.2 低壓配電系統(tǒng)。低壓配電系統(tǒng)可為提升機(jī)的配套設(shè)備提供電源，如主電動機(jī)風(fēng)機(jī)，1 號、2 號潤滑泵，1號、2 號液壓泵，潤滑站及液壓站加熱器，變頻傳動系統(tǒng)控制回路，AC220V 操作機(jī)構(gòu)、磁開關(guān)及 UPS 等。低壓配電系統(tǒng)主回路如圖 4 所示，其中控制電動機(jī)風(fēng)機(jī)、潤滑泵及液壓泵的斷路器選用了集電動機(jī)控制和保護(hù)功能于一體的電動機(jī)啟動器，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的斷路器和熱繼電器組合，節(jié)約了安裝空間及成本。

圖3 一體化操作臺的內(nèi)部元件Fig.3 Internal components of integrated console

圖4 低壓配電系統(tǒng)主回路圖Fig.4 Main circuit diagram of low-pressure distribution system

+PA.3 斜面上鑲嵌有顯示器，內(nèi)部裝有工控機(jī)及UPS 電源。工控機(jī)及顯示器可完成對 PLC 程序的監(jiān)控，實時記錄設(shè)備運行狀態(tài)，并實現(xiàn)故障記錄、故障排查以及事故追溯等功能。UPS 可為 PLC 系統(tǒng)、液壓站接口電路板、液壓潤滑站壓力傳感器、工控機(jī)以及其他重要外部設(shè)備提供電源，確保停電時液壓站能正常動作，提升機(jī)安全制動。

2.2 操作臺主體 +PA.1

+PA.1 是操作控制系統(tǒng)的核心，其斜面上設(shè)有數(shù)字式深度指示器及各種顯示儀表，如：主進(jìn)線電壓表、電動機(jī)電流表、可調(diào)閘電流表、液壓油壓表、潤滑油壓表、頻率表，顯示各種運行方式、系統(tǒng)狀態(tài)及故障信號的組合指示燈。另外，在臺面上配有速度給定手柄和閘手柄，液壓站、潤滑站、風(fēng)機(jī)和變頻器的啟停按鈕，開車方式轉(zhuǎn)換開關(guān)等，方便進(jìn)行各種操作。

如圖 3 所示，在 +PA.1 內(nèi)部配置了 2 套 FX3U 系列 PLC 作為核心控制元件。FX3U 具有數(shù)字量、模擬量、高速計數(shù)等數(shù)據(jù)采集及處理功能，能滿足 H 型提升機(jī)的控制需求。2 套 PLC 含 2 個基本單元(FX3U-128MR/ES-A、FX3U-48MR/ES-A)、3 個擴(kuò)展輸入模塊(FX2N-16EX)、1 個擴(kuò)展輸出模塊(FX2N-16EYT)、1 個模擬量輸入模塊(FX2N-8AD)、1 個模擬量輸出模塊(FX3U-4DA)、2 個 PLC 功能模板(FX3U-485-BD)和 2 個以太網(wǎng)通信模塊(FX3UENET-L)。

FX3U-128MR/ES-A、FX3U-48MR/ES-A、FX2N-16EX、FX2N-16EYT 的輸入/輸出點數(shù)分別為：64/64、24/24、16/0、0/16，分別用于控制系統(tǒng)開關(guān)量信號的輸入和輸出。系統(tǒng)中 FX3U PLC 的 DI接口輸入有：風(fēng)機(jī)、液壓站及潤滑站的電源監(jiān)視、運行狀態(tài)、各啟停信號，信號系統(tǒng)、編碼器、磁開關(guān)、閘檢測及各種安全保護(hù)信號；FX3U PLC 的 DO 接口控制有：風(fēng)機(jī)、潤滑站及液壓站的各電磁閥控制信號，各設(shè)備運行保護(hù)狀態(tài)及故障信號輸出指示，深度指示器信號，變頻器控制輸出信號等。

FX3U-ENET-L 為以太網(wǎng)通信模塊，設(shè)計時可根據(jù)用戶需求選配遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。FX3U-4DA 為 4 路模擬量輸出模塊，用于系統(tǒng)閘電流、液壓站及潤滑站油壓、PLC 速度給定信號的輸出。FX2N-8AD 為 8 路模擬量輸入模塊，用于速度手柄、閘手柄控制信號，液壓站及潤滑站的油壓、油溫信號輸入，變頻器輸出電流及頻率信號的接入等。FX3U-485-BD 為通信模板，用于 FX3U 主從 PLC 間的通信，主從 PLC 控制系統(tǒng)通過 RS-485 網(wǎng)絡(luò)實時交換運行數(shù)據(jù)，確保提升機(jī)的安全運行。

除此之外，本控制系統(tǒng)創(chuàng)新性地采用了液壓站功能模塊板和信號系統(tǒng)功能模塊接口板。

2.3 系統(tǒng)主要功能模塊

(1)液壓站系統(tǒng)功能模塊 對液壓站電控功能進(jìn)行模塊化設(shè)計，采用自制電路板集中控制，如圖 5所示。模塊可實現(xiàn)的主要功能有：電磁閥邏輯控制、比例閥輸出和電流反饋、液壓泵及加熱器的控制等。

(2)信號系統(tǒng)功能模塊 因不同廠家的外部信號系統(tǒng)不同，礦井水平數(shù)也不同，所以該系統(tǒng)通過電路板集成并與 PLC 配合，用編程譯碼的方式使單水平和多水平統(tǒng)一在一塊電路接口板上，如圖 6 所示。

3 控制系統(tǒng)特點

(1)傳統(tǒng)的提升機(jī)交-直-交變頻調(diào)速電控系統(tǒng)[5]需要多配置一個低壓電源柜，以完成對主電動機(jī)風(fēng)機(jī)、液壓站及潤滑站的控制，并接受磁開關(guān)信號等。H 型提升機(jī)電控系統(tǒng)則省去低壓配電柜外殼，充分利用一體化操作臺左側(cè)部分 +PA.2，實現(xiàn)低壓配電控制。

(2)液壓站系統(tǒng)功能模塊的特點：利用 PCB 集成電路功能，可減少生產(chǎn)接線，降低出錯率，降低元件采購成本；繼電器可插拔替換；充分考慮不同電壓等級的電磁閥功能，后期修改或者升級液壓站時，可直接升級 PCB 電路板，減少圖紙的修改量。

信號系統(tǒng)功能模塊的特點：利用 PCB 電路板，接受廠外信號系統(tǒng)不受距離控制，可彌補以往提升機(jī)信號采集受 PLC 輸入點傳輸距離限制的不足；信號電壓等級適應(yīng)范圍寬，為 110～220 VAC。

(3)一體化操作臺控制系統(tǒng)的設(shè)計與生產(chǎn)可以不需要低壓電源柜到操作臺之間的插接電纜距離參數(shù)，不會延誤設(shè)計、生產(chǎn)和發(fā)貨周期。低壓配電部分電源監(jiān)視信號在廠內(nèi)通過導(dǎo)線直接接入主 PLC。相比傳統(tǒng)電控系統(tǒng)，操作臺的插接端子減為零，非插接端子、導(dǎo)線、走線槽、條架等也大量減少，布局更為合理，節(jié)約了工人大量工時，降低了成本。

(4)控制系統(tǒng)集中在一個操作臺內(nèi)，控制部分遠(yuǎn)離傳動部分，編碼器和控制電源受干擾小。操作臺內(nèi)強弱電分開走線，減少了電磁干擾。

(5)傳統(tǒng)的電控系統(tǒng)通常將 UPS 電源設(shè)置在低壓電源柜中，UPS 的啟停要到低壓電源柜去操作。由于距離遠(yuǎn)，司機(jī)經(jīng)常忘記。一體化操作臺將 UPS 安裝在操作臺司機(jī)的右下腳附近，方便直接啟停。

圖5 液壓站系統(tǒng)功能模塊Fig.5 Function module of hydraulic station system

圖6 信號系統(tǒng)功能模塊Fig.6 Function module of signal system

(6)與一體化操作臺配套的驅(qū)動系統(tǒng)采用自制(CHIC1000 系列)或國產(chǎn)(如英威騰 GD300)品牌的相同功率變頻器，相比采用 ABB、西門子等廠家的變頻器，不僅滿足了用戶需求，而且大大降低了成本。

4 系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用

以梨樹 7 號斜井 JK-2.5(400 kW，6 kV)單繩提升機(jī)一體化操作臺控制系統(tǒng)為例，采用 GX Works2編程軟件，用梯形圖對提升機(jī)控制、安全保護(hù)及電氣聯(lián)鎖功能進(jìn)行編程；采用 WinCC 軟件開發(fā)了監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控畫面可通過顯示器將提升機(jī)運行狀態(tài)以曲線的方式呈現(xiàn)，如圖 7 所示。圖中主要信息有提升機(jī)主編碼器深度、測速機(jī)速度、液壓壓力，電動機(jī)電流、閘給定、速度給定等。項目自投入使用以來，運行穩(wěn)定可靠，基本實現(xiàn)了無故障運轉(zhuǎn)，增強了提升機(jī)的安全性，提高了提升能力。

圖7 現(xiàn)場應(yīng)用監(jiān)控畫面Fig.7 Monitoring interface in field

5 結(jié)語

針對現(xiàn)代中小型礦山企業(yè)追求經(jīng)濟(jì)、實用、緊湊型提升機(jī)的現(xiàn)狀，從硬件方面著手，設(shè)計了與 H 型提升機(jī)相匹配的一體化操作臺控制系統(tǒng)。相比傳統(tǒng)電控系統(tǒng)，一體化操作臺發(fā)至現(xiàn)場后，安裝周期短，調(diào)試方便，易維護(hù)。目前，已有多套 H 型提升機(jī)及其一體化操作臺控制系統(tǒng)成功應(yīng)用于各類礦山，運行效果良好，可靠性高，獲得了用戶的好評。