PLC在礦井提升機(jī)變頻控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

高斌斌，吳曉霞

(山西工程職業(yè)學(xué)院 機(jī)械電子工程系，山西 太原 030009)

0 引言

由于井工煤礦生產(chǎn)的特殊性，井下產(chǎn)出煤和矸石的運(yùn)輸、井下工作人員的升降及井下所需物料、工具、設(shè)備的提升與下放，均需通過(guò)礦井提升機(jī)來(lái)完成，因此礦井提升機(jī)在煤礦生產(chǎn)中有著舉足輕重的地位。本文針對(duì)某礦副斜井實(shí)際生產(chǎn)情況，設(shè)計(jì)了一套基于三菱FX系列PLC與變頻器的礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)，通過(guò)本系統(tǒng)可以完成該礦不同類型物料、工具、設(shè)備的提升與下放，以保證礦井的安全生產(chǎn)。

1 控制要求

針對(duì)礦井生產(chǎn)運(yùn)行實(shí)際情況，礦井提升機(jī)對(duì)于控制系統(tǒng)提出如下要求：

(1) 提升機(jī)運(yùn)行前，首先應(yīng)接收啟動(dòng)信號(hào)，根據(jù)啟動(dòng)信號(hào)確定提升機(jī)運(yùn)行方向及速度，提升機(jī)運(yùn)行方向分為提升和下放，速度分為全速、半速及低速運(yùn)行。

(2) 提升機(jī)需具備檢修和故障運(yùn)行功能。

(3) 礦井提升機(jī)停止時(shí)，由盤(pán)式制動(dòng)器閘住滾筒，因此提升機(jī)在啟動(dòng)前需將制動(dòng)閘收回。

(4) 提升機(jī)運(yùn)行時(shí)，通過(guò)主令手柄控制提升機(jī)啟動(dòng)，提升機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，根據(jù)運(yùn)行行程分為加速段、等速段、減速段和爬行段，每段都有不同的速度，由PLC控制變頻器手動(dòng)或自動(dòng)調(diào)節(jié)。

(5) 提升機(jī)運(yùn)行時(shí)，通過(guò)潤(rùn)滑泵向主軸承、減速器軸承和嚙合齒面送潤(rùn)滑油，以保證軸承和齒輪能良好工作。

(6) 提升機(jī)提升終了時(shí)，能夠通過(guò)配套的液壓站實(shí)現(xiàn)可靠制動(dòng)并閘住滾筒。

(7) 為保證提升機(jī)安全運(yùn)行，需具備自動(dòng)換向功能。

(8) 根據(jù)運(yùn)行實(shí)際情況，提升機(jī)需具備不同運(yùn)行段超速、電機(jī)過(guò)流、滑繩、松繩、過(guò)卷、閘瓦磨損、潤(rùn)滑油欠壓、液壓油過(guò)壓及潤(rùn)滑油、液壓油過(guò)溫等保護(hù)。

2 變頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

礦井提升機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中采用變頻器實(shí)現(xiàn)調(diào)速。該礦礦井提升機(jī)主電機(jī)屬于高壓運(yùn)行設(shè)備，其運(yùn)行電壓與礦井地面變電所出線電壓相配套，考慮到該礦井出線電壓為6 kV，故采用6 kV高壓電機(jī)，變頻器選擇ABB公司的ACS2000系列變頻器。

提升機(jī)屬于重載啟動(dòng)，因此變頻器啟動(dòng)需要較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，且變頻器需根據(jù)礦井提升機(jī)的運(yùn)行方式和行程調(diào)節(jié)變頻器的頻率和運(yùn)行方向。

變頻器頻率的給定方式有外接數(shù)字量給定、模擬量給定和通訊給定，數(shù)字量給定采用多段式頻率輸出，頻率固定，但提升機(jī)正力提升和負(fù)力提升頻率相差較大，控制精度低；通訊給定，通過(guò)PLC與變頻器通訊，將頻率傳送到變頻器，由于PLC與變頻器采用不同的廠家，因此通訊時(shí)較為復(fù)雜，且穩(wěn)定性差。通過(guò)比較，本控制系統(tǒng)采用模擬量給定方式，PLC通過(guò)判斷返回的變頻器速度和行程，根據(jù)設(shè)定 速度動(dòng)態(tài)調(diào)整所需頻率。

3 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用PLC完成礦井提升機(jī)的控制要求，PLC硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 PLC硬件結(jié)構(gòu)框圖

3.1 啟動(dòng)信號(hào)的發(fā)出

啟動(dòng)信號(hào)發(fā)出之前，首先需判斷是否符合信號(hào)發(fā)出條件，即安全條件是否具備，然后根據(jù)卡萁斗的位置、運(yùn)輸材料類型和運(yùn)行速度要求，發(fā)出相對(duì)應(yīng)的啟動(dòng)信號(hào)。

根據(jù)礦井提升機(jī)停止、運(yùn)行方向、速度的不同，共需5個(gè)信號(hào)，通過(guò)打點(diǎn)次數(shù)不同進(jìn)行控制，無(wú)效信號(hào)有兩種：①打點(diǎn)次數(shù)超過(guò)5次；②打點(diǎn)信號(hào)對(duì)應(yīng)的提升方向與卡萁斗所處位置不匹配。

本設(shè)計(jì)通過(guò)按鈕輸入提升信號(hào)，輸入信號(hào)為開(kāi)關(guān)量信號(hào)，PLC程序內(nèi)部采用計(jì)數(shù)器。每次根據(jù)運(yùn)行要求的不同，按鈕按下相應(yīng)次數(shù)，PLC計(jì)數(shù)器將計(jì)數(shù)值與設(shè)定值進(jìn)行比較，為提升機(jī)開(kāi)車提供依據(jù)。

對(duì)于檢修、故障開(kāi)車需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，通過(guò)相應(yīng)按鈕將信號(hào)輸入到PLC，PLC根據(jù)輸入信號(hào)的類型控制提升機(jī)運(yùn)行。

3.2 提升機(jī)系統(tǒng)啟動(dòng)

礦井提升機(jī)啟動(dòng)前，通過(guò)PLC輸出相應(yīng)信號(hào)給外置液壓站，液壓站增大系統(tǒng)油壓，將制動(dòng)閘收回；同時(shí)發(fā)送指令給潤(rùn)滑泵，以啟動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)。這兩條指令均為開(kāi)關(guān)量信號(hào)，由中間繼電器傳送。

3.3 提升機(jī)運(yùn)行

當(dāng)啟動(dòng)信號(hào)發(fā)出后，首先判斷啟動(dòng)條件是否具備，在條件具備的情況下，通過(guò)主令手柄發(fā)出啟動(dòng)指令。提升機(jī)控制采用兩種方式：①手動(dòng)方式，通過(guò)主令手柄輸入高速脈沖，PLC將主令輸入脈沖換算為變頻器頻率輸出，從而控制提升機(jī)的速度；②自動(dòng)方式，在主令手柄發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)后，PLC控制系統(tǒng)根據(jù)提升機(jī)行程自動(dòng)調(diào)整提升機(jī)的速度。由于變頻器采用外接模擬量給定方式，因此需用到PLC D/A模塊，將頻率計(jì)算量轉(zhuǎn)換為0～10 V電壓信號(hào)輸入到變頻器，本系統(tǒng)選擇FX3U-4DA模塊。

根據(jù)提升機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，變頻器運(yùn)行方式可以分為全速、半速、低速等模式。在自動(dòng)模式下，PLC可以根據(jù)設(shè)定程序自動(dòng)選擇頻率。在手動(dòng)模式下，通過(guò)主令手柄輸入脈沖控制頻率，在不同速度運(yùn)行時(shí)，單靠提升機(jī)司機(jī)手動(dòng)調(diào)節(jié)，準(zhǔn)確性較差。本系統(tǒng)在不同速度模式下，通過(guò)PLC對(duì)主令手柄輸入脈沖采取不同比例的換算實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)。

3.4 提升機(jī)速度及行程檢測(cè)

為了保證提升機(jī)行程及速度檢測(cè)的準(zhǔn)確性，通過(guò)在不同的位置進(jìn)行檢測(cè)。本設(shè)計(jì)采用歐姆龍E6B2-CWZ6C系列軸編碼器，分別在電機(jī)主軸和導(dǎo)向輪處安裝，對(duì)于軸編碼器返回脈沖的測(cè)量，需用到PLC高速計(jì)數(shù)器。通過(guò)將高速脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)和換算，得出提升機(jī)的行程。由于鋼絲繩在運(yùn)行過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)滑繩，因此需要不斷將兩處編碼器獲得的行程數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以判斷是否發(fā)生滑繩。

(1) 滑繩檢測(cè)：通過(guò)PLC初始化指令設(shè)定滑繩距離，本設(shè)計(jì)設(shè)定為4 m?；K分為正向滑繩和反向滑繩，正向滑繩即提升時(shí)產(chǎn)生滑繩，導(dǎo)向輪距離大于電機(jī)軸距離；反向滑繩即下放時(shí)產(chǎn)生滑繩，導(dǎo)向輪距離小于電機(jī)軸距離。

(2) 提升機(jī)速度檢測(cè)：提升機(jī)速度檢測(cè)主要是通過(guò)計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)返回的脈沖數(shù)，將軸編碼器B相或A相送入PLC輸入，采用SPD指令統(tǒng)計(jì)一定時(shí)間內(nèi)返回的脈沖數(shù)，經(jīng)過(guò)換算將其轉(zhuǎn)換為實(shí)際速度，通過(guò)實(shí)際速度與不同行程段設(shè)定速度的比較，可以判斷出是否發(fā)生超速，包括等速段超速、減速段超速、爬行段超速等。

(3) 松繩檢測(cè)：提升機(jī)在重載啟動(dòng)或突然停車的情況下，可能會(huì)造成鋼絲繩松弛下垂，從而產(chǎn)生松繩。在鋼絲繩出口處安裝硬連接裝置，裝置兩側(cè)連接行程開(kāi)關(guān)，當(dāng)發(fā)生松繩時(shí)，硬連接裝置帶動(dòng)行程開(kāi)關(guān)動(dòng)作，返回松繩信號(hào)。

3.5 提升機(jī)自動(dòng)換向

通過(guò)PLC將返回來(lái)的行程與終點(diǎn)設(shè)定值進(jìn)行比較或判斷行程開(kāi)關(guān)返回的信號(hào)，確定是否到達(dá)終點(diǎn)。終點(diǎn)到達(dá)時(shí)，自動(dòng)進(jìn)行換向。即當(dāng)提升機(jī)正向到位時(shí)，自動(dòng)換為反向；當(dāng)反向到位時(shí)，自動(dòng)換為正向。

3.6 提升機(jī)制動(dòng)

當(dāng)提升機(jī)提升終了時(shí)，通過(guò)變頻器調(diào)速，提升機(jī)速度接近為0，此時(shí)將制動(dòng)信號(hào)發(fā)送給液壓站，液壓站通過(guò)調(diào)節(jié)液壓油壓力大小獲得制動(dòng)力矩，盤(pán)式制動(dòng)器將滾筒可靠閘住。

制動(dòng)閘長(zhǎng)期使用會(huì)產(chǎn)生磨損，為保證能夠可靠制動(dòng)，制動(dòng)閘處需安裝有行程開(kāi)關(guān)，當(dāng)閘瓦間隙超過(guò)一定范圍時(shí)，向PLC返回閘瓦磨損信號(hào)，報(bào)警輸出。提升機(jī)在提升終了時(shí)，若出現(xiàn)提升機(jī)不停車?yán)^續(xù)運(yùn)行的情況，則會(huì)產(chǎn)生過(guò)卷。過(guò)卷分為正向過(guò)卷和反向過(guò)卷，過(guò)卷距離設(shè)定為0.5 m，將電機(jī)行程與停車點(diǎn)位置進(jìn)行比較，從而判斷是否發(fā)生過(guò)卷。此外，為了保證過(guò)卷時(shí)能夠安全停車，在過(guò)卷處各安裝一個(gè)行程開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)動(dòng)作則說(shuō)明發(fā)生了過(guò)卷。

3.7 提升機(jī)保護(hù)

對(duì)于礦井提升機(jī)，除了速度、行程、閘瓦磨損等保護(hù)外，還需對(duì)潤(rùn)滑泵油壓、液壓站油壓、電機(jī)電流等進(jìn)行檢測(cè)，并實(shí)現(xiàn)保護(hù)。

潤(rùn)滑泵油壓、液壓站油壓通過(guò)壓力變送器進(jìn)行檢測(cè)，選用HMPH系列，通過(guò)PLC A/D模塊，將返回的信號(hào)進(jìn)行換算，然后與設(shè)定值進(jìn)行比較，以判斷是否發(fā)生潤(rùn)滑油欠壓、制動(dòng)油過(guò)壓等故障。

對(duì)于主機(jī)電流信號(hào)，采用電流檢測(cè)模塊進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)PLC A/D模塊獲取信號(hào)，同樣將返回信號(hào)進(jìn)行換算，與過(guò)電流設(shè)定值進(jìn)行比較，過(guò)電流設(shè)定值為額定電流的1.5倍，可以判斷出是否發(fā)生過(guò)流。

潤(rùn)滑油和液壓油，除了油壓以外，油溫過(guò)高也會(huì)影響其正常運(yùn)行，因此需對(duì)油溫進(jìn)行檢測(cè)。本設(shè)計(jì)選用JUC-1M型溫控器，油溫設(shè)定為60 ℃，當(dāng)油溫超過(guò)設(shè)定值時(shí)，返回一個(gè)開(kāi)關(guān)量信號(hào)，產(chǎn)生報(bào)警。

3.8 雙PLC配置

由于礦井提升機(jī)的重要性，采用雙PLC對(duì)其進(jìn)行控制，在正常工作時(shí)，兩臺(tái)PLC對(duì)礦井提升機(jī)行程、速度信號(hào)同時(shí)進(jìn)行采集，兩臺(tái)PLC不斷將獲取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行交換和比較，當(dāng)出現(xiàn)通訊故障、返回?cái)?shù)據(jù)相差較大或一定時(shí)間內(nèi)返回值不符合運(yùn)行規(guī)律時(shí)，判斷系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題，進(jìn)行緊急制動(dòng)或停車。

4 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，既考慮到了礦井提升機(jī)的各種運(yùn)行方式，又考慮到了提升機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中可能存在的各種故障，實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的檢測(cè)和保護(hù)。本系統(tǒng)可以與上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)相結(jié)合，將提升機(jī)的運(yùn)行過(guò)程、運(yùn)行中的各種信息及相關(guān)的故障信息顯示到監(jiān)控畫(huà)面中，并將相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，以便工作人員實(shí)時(shí)掌握和查詢。