基于PLC 的礦井提升機控制系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

史曉龍

（晉能控股煤業(yè)集團永定莊煤業(yè)公司綜采一隊，山西 大同 037000）

引言

目前，在煤礦生產(chǎn)作業(yè)過程中，越來越多先進的信息技術(shù)被應(yīng)用其中，這一方面有效提高了煤礦生產(chǎn)效率與質(zhì)量；另一方面也帶來了各種各樣的安全隱患。為此，就要求必須進一步提高完善各類技術(shù)應(yīng)用，從而確保生產(chǎn)過程中的安全可靠。而其中礦井提升機控制系統(tǒng)在運行過程中一旦出現(xiàn)故障，則有可能導(dǎo)致嚴重的安全事故，最終造成更多的人員傷亡以及經(jīng)濟損失。

為此，結(jié)合了某礦井生產(chǎn)過程中的提升機控制系統(tǒng)的實際應(yīng)用，從主控分系統(tǒng)、調(diào)速分系統(tǒng)及上位機分系統(tǒng)三方面，開展了礦用提升機中控制系統(tǒng)的設(shè)計研究，通過科學(xué)的優(yōu)化設(shè)計與應(yīng)用，將PLC 技術(shù)融入到礦井提升機控制系統(tǒng)當(dāng)中，力求進一步提高該系統(tǒng)的運行可靠性與穩(wěn)定性。

1 提升機控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計

礦用提升機的控制系統(tǒng)主要由主控分系統(tǒng)、調(diào)速分系統(tǒng)及上位機分系統(tǒng)等方面組成。其中，主控分系統(tǒng)采取了FX2N 系列控制器，在系統(tǒng)運行期間一旦主控分系統(tǒng)出現(xiàn)故障，則能夠及時切換到備用PLC，不會對生產(chǎn)造成影響。在軟件方面，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對提升機工作方式進行控制與保護等效果。在硬件方面，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)檢測提升機運行期間的位置信號，同時對松繩與過卷問題進行判斷；井筒當(dāng)中，各個位置之間的行程開關(guān)和技術(shù)模塊之間能夠互相校驗，更加精準(zhǔn)的判斷具體容器位置，從而完成精準(zhǔn)停車的效果。由于調(diào)速裝置原本就能夠完成過載保護、缺相保護、過熱保護、過流保護等重要的保護工作，所改進的調(diào)速分系統(tǒng)，能解決提升機在運行期間發(fā)生的超速與過卷問題，變頻裝置能夠配合現(xiàn)場的各類傳感器設(shè)備，完成保護工作，從而滿足煤礦生產(chǎn)安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。另外，上位機系統(tǒng)主要由兩級微機構(gòu)成，能夠?qū)崿F(xiàn)對整個工作過程的動態(tài)化監(jiān)控、參數(shù)信息顯示、故障報警、故障診斷以及數(shù)據(jù)查詢等效果。在監(jiān)控系統(tǒng)當(dāng)中，還設(shè)置有CRT 顯示器以及打印機，可以實時顯示提升速度、容器位置、故障類型以及加速度等關(guān)鍵參數(shù)信息，并完成不同形式的報表打印。提升機控制系統(tǒng)總體框圖如圖1 所示。

圖1 提升機控制系統(tǒng)總體框圖

2 礦井提升機主控分系統(tǒng)設(shè)計

2.1 主供電回路設(shè)計

礦井提升機用電歸類于一類負荷，因此選擇雙回路供電。礦井提升機的控制室當(dāng)中主要包括變頻柜、動力柜以及電源柜，在將高壓電輸送到電源柜中后，再由電源柜為變頻柜與動力柜分別供電。電源柜原本就有著較強的過載保護能力。操作臺當(dāng)中的主電源反饋開關(guān)串聯(lián)變頻柜當(dāng)中的反饋電斷路器當(dāng)中的線圈，能夠達到緊急停車的目的。其中主供電回路圖如下頁圖2 所示。

圖2 雙回路供電圖

動力柜輸出電壓為AC220 V，在操作臺當(dāng)中通過斷路器可以劃分成六路，分別送電給數(shù)顯儀表、開關(guān)電源以及電源模塊等位置。開關(guān)電源則主要為DC24 V回路、現(xiàn)場儀表以及電磁閥進行供電。其中操作臺當(dāng)中的電源供電方式如下頁圖3 所示。

圖3 操作臺供電方式

2.2 系統(tǒng)軟件控制設(shè)計

本文所設(shè)計的主控分系統(tǒng)采用FX2N 系列的PLC 控制器，主要選擇程序結(jié)構(gòu)化這種編程方式。所有控制程序全部由多個子程序一同組成，各個子程序全部采取單獨編程以及組合處理的規(guī)范化編程方式。在PLC 具體執(zhí)行用戶程序過程中，選擇周期循環(huán)掃描這種方式。礦井提升機控制系統(tǒng)所設(shè)計的應(yīng)用程序主要流程為，初始化→輔機啟動→開車準(zhǔn)備→安全回路→半自動操作方式程序、手動操作方式程序、運行狀態(tài)監(jiān)視程序→結(jié)束。礦井提升機控制系統(tǒng)PLC 應(yīng)用程序流程圖如圖4 所示。

圖4 礦井提升機控制系統(tǒng)PLC 應(yīng)用程序流程圖

2.3 操作保護分系統(tǒng)設(shè)計

這一系統(tǒng)主要應(yīng)當(dāng)完成故障安全的保護以及對邏輯操作的控制。將提升機系統(tǒng)當(dāng)中不同部分存在的運行參數(shù)、保護與操作信號以及具體運行狀態(tài)反饋到操作保護系統(tǒng)當(dāng)中，該系統(tǒng)首先會針對相關(guān)參數(shù)信息與信號進行詳細的邏輯運算，最終產(chǎn)生具體的控制指令，比如低壓時合閘、高壓時合閘、運行指令、復(fù)位指令以及油泵電機啟動等等。除此之外，該系統(tǒng)還可以針對相關(guān)信號直接進行邏輯運算和邏輯判斷，并將最終的判斷結(jié)果轉(zhuǎn)化為對應(yīng)控制或保護指令，比如立即施閘等，將具體的故障類型送至顯示器當(dāng)中，同時能夠讓報警系統(tǒng)及時報警與施閘。

3 礦井提升機調(diào)速分系統(tǒng)改進設(shè)計與應(yīng)用

3.1 調(diào)速分系統(tǒng)改進方案設(shè)計

為進一步提高系統(tǒng)安全性，在設(shè)計調(diào)速分系統(tǒng)時將原有電控設(shè)備予以保留，將部分PLC 程序進行更換。在現(xiàn)場增設(shè)高壓開關(guān)柜，提供變頻器部分電源；增設(shè)高壓變頻器，選擇一拖二的原始連接方式，同時安裝精度較高的編碼器兩個，并增設(shè)兩個手動的頻率切換柜，以便于可以實現(xiàn)新老系統(tǒng)的實時切換。在正常條件下，提升機在運行過程中借助于調(diào)速分系統(tǒng)，出現(xiàn)系統(tǒng)故障與停機檢修時，借助于對切換柜與主控臺的操作，及時切換為工頻運行模式，整個切換操作往往十分便利，能夠有效實現(xiàn)對電機的變頻調(diào)速控制。提升機控制系統(tǒng)中工、變頻切換原理圖如圖5 所示。

圖5 工、變頻切換原理圖

3.2 調(diào)速分系統(tǒng)的功能優(yōu)勢分析

1）能耗降低：將原有的串聯(lián)電阻調(diào)速工作方式取消，能夠有效降低電能能耗；

2）效率提升：選擇變頻器裝置之后，能夠有效提高循環(huán)時間，進而提高工作效率；

3）運行安全：選擇變頻器裝置之后，將原本的認為機械制動方式轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏χ苿?，有效提高了絞車運行的穩(wěn)定性，進而提高運行安全性；

4）設(shè)備運行狀態(tài)得到優(yōu)化：變頻器的應(yīng)用能夠有效減少啟動與加速過程中的電流沖擊，為設(shè)備提供一個更加穩(wěn)定的運行環(huán)境；

5）自動檢修運行：系統(tǒng)能夠自動設(shè)定檢修運行工作速度，使得低速勻速的運行需求得以實現(xiàn)；

6）高壓變頻器的應(yīng)用技術(shù)安全成熟：高壓變頻器的應(yīng)用技術(shù)較為成熟且安全可靠，能夠促使提升機系統(tǒng)的運行維護更加便利。

4 礦井提升機上位機分系統(tǒng)設(shè)計

4.1 上位機系統(tǒng)組成設(shè)計

在提升機控制系統(tǒng)當(dāng)中，上位機即代表計算機，借助于監(jiān)控軟件完成對提升機系統(tǒng)的實時監(jiān)控。設(shè)計系統(tǒng)期間，可以在井口位置設(shè)置一臺PLC，負責(zé)對控制系統(tǒng)當(dāng)中的各類信號進行接收與處理，這部分信號主要來源于各位置當(dāng)中的限位開關(guān)、行程開關(guān)以及按鈕等。利用PLC 實時處理，其結(jié)果借助于點亮指示燈，直接反饋到提升機操作人員，同時將具體的閉鎖節(jié)點反饋到主控分系統(tǒng)當(dāng)中，完成閉鎖關(guān)系。計算機在針對運行過程進行監(jiān)控時，還能夠查詢故障，并打印輸出各類存儲的故障問題、日月報表以及運行次數(shù)等。

4.2 數(shù)字式深度控制分系統(tǒng)設(shè)計

該系統(tǒng)設(shè)計的主要功能要求為可以完成對井筒當(dāng)中提升容器的位置指示，同時結(jié)合具體的容器位置將相關(guān)的控制指令及時發(fā)出。除此之外，數(shù)字式深度控制系統(tǒng)還具有各種各樣的優(yōu)勢，比如指示精度較高、方便調(diào)整、能夠控制多數(shù)水平、較高的可靠性與穩(wěn)定性等等。從其具體組成上來看，該系統(tǒng)主要由位置檢測傳感器、高速的技術(shù)模塊或者計數(shù)器、井筒開關(guān)以及數(shù)字式深度指示器組成。

5 結(jié)語

在完成此控制系統(tǒng)的綜合設(shè)計后，將其集成在現(xiàn)有提升機控制系統(tǒng)中，主要從控制精度、操作穩(wěn)定性、系統(tǒng)故障率等方面對改進后的新系統(tǒng)進行了應(yīng)用測試。經(jīng)過測試可知，改進后的系統(tǒng)運行良好，能通過PLC 進行更加精準(zhǔn)地提升操作控制，控制精度更高；同時，在測試過程中，針對提升機超載或電機異響等故障問題時，此新系統(tǒng)也能及時發(fā)出相應(yīng)的報警提示，提升機執(zhí)行了停機操作。整個過程無需人員進行干涉。改進后新系統(tǒng)的成功應(yīng)用，大大提高了設(shè)備的運行效率及作業(yè)安全性，降低了設(shè)備的故障率，為企業(yè)間接帶來了較大經(jīng)濟效益，實際推廣價值較大。