PLC在矿井提升机变频控制系统中的应用

高斌斌，吴晓霞

(山西工程职业学院 机械电子工程系，山西 太原 030009)

0 引言

由于井工煤矿生产的特殊性，井下产出煤和矸石的运输、井下工作人员的升降及井下所需物料、工具、设备的提升与下放，均需通过矿井提升机来完成，因此矿井提升机在煤矿生产中有着举足轻重的地位。本文针对某矿副斜井实际生产情况，设计了一套基于三菱FX系列PLC与变频器的矿井提升机控制系统，通过本系统可以完成该矿不同类型物料、工具、设备的提升与下放，以保证矿井的安全生产。

1 控制要求

针对矿井生产运行实际情况，矿井提升机对于控制系统提出如下要求：

(1) 提升机运行前，首先应接收启动信号，根据启动信号确定提升机运行方向及速度，提升机运行方向分为提升和下放，速度分为全速、半速及低速运行。

(2) 提升机需具备检修和故障运行功能。

(3) 矿井提升机停止时，由盘式制动器闸住滚筒，因此提升机在启动前需将制动闸收回。

(4) 提升机运行时，通过主令手柄控制提升机启动，提升机运行过程中，根据运行行程分为加速段、等速段、减速段和爬行段，每段都有不同的速度，由PLC控制变频器手动或自动调节。

(5) 提升机运行时，通过润滑泵向主轴承、减速器轴承和啮合齿面送润滑油，以保证轴承和齿轮能良好工作。

(6) 提升机提升终了时，能够通过配套的液压站实现可靠制动并闸住滚筒。

(7) 为保证提升机安全运行，需具备自动换向功能。

(8) 根据运行实际情况，提升机需具备不同运行段超速、电机过流、滑绳、松绳、过卷、闸瓦磨损、润滑油欠压、液压油过压及润滑油、液压油过温等保护。

2 变频系统设计

矿井提升机在运行过程中采用变频器实现调速。该矿矿井提升机主电机属于高压运行设备，其运行电压与矿井地面变电所出线电压相配套，考虑到该矿井出线电压为6 kV，故采用6 kV高压电机，变频器选择ABB公司的ACS2000系列变频器。

提升机属于重载启动，因此变频器启动需要较大的启动转矩，且变频器需根据矿井提升机的运行方式和行程调节变频器的频率和运行方向。

变频器频率的给定方式有外接数字量给定、模拟量给定和通讯给定，数字量给定采用多段式频率输出，频率固定，但提升机正力提升和负力提升频率相差较大，控制精度低；通讯给定，通过PLC与变频器通讯，将频率传送到变频器，由于PLC与变频器采用不同的厂家，因此通讯时较为复杂，且稳定性差。通过比较，本控制系统采用模拟量给定方式，PLC通过判断返回的变频器速度和行程，根据设定 速度动态调整所需频率。

3 PLC控制系统设计

本设计采用PLC完成矿井提升机的控制要求，PLC硬件结构框图如图1所示。

图1 PLC硬件结构框图

3.1 启动信号的发出

启动信号发出之前，首先需判断是否符合信号发出条件，即安全条件是否具备，然后根据卡萁斗的位置、运输材料类型和运行速度要求，发出相对应的启动信号。

根据矿井提升机停止、运行方向、速度的不同，共需5个信号，通过打点次数不同进行控制，无效信号有两种：①打点次数超过5次；②打点信号对应的提升方向与卡萁斗所处位置不匹配。

本设计通过按钮输入提升信号，输入信号为开关量信号，PLC程序内部采用计数器。每次根据运行要求的不同，按钮按下相应次数，PLC计数器将计数值与设定值进行比较，为提升机开车提供依据。

对于检修、故障开车需根据现场情况，通过相应按钮将信号输入到PLC，PLC根据输入信号的类型控制提升机运行。

3.2 提升机系统启动

矿井提升机启动前，通过PLC输出相应信号给外置液压站，液压站增大系统油压，将制动闸收回；同时发送指令给润滑泵，以启动润滑系统。这两条指令均为开关量信号，由中间继电器传送。

3.3 提升机运行

当启动信号发出后，首先判断启动条件是否具备，在条件具备的情况下，通过主令手柄发出启动指令。提升机控制采用两种方式：①手动方式，通过主令手柄输入高速脉冲，PLC将主令输入脉冲换算为变频器频率输出，从而控制提升机的速度；②自动方式，在主令手柄发出启动信号后，PLC控制系统根据提升机行程自动调整提升机的速度。由于变频器采用外接模拟量给定方式，因此需用到PLC D/A模块，将频率计算量转换为0～10 V电压信号输入到变频器，本系统选择FX3U-4DA模块。

根据提升机的运行状态，变频器运行方式可以分为全速、半速、低速等模式。在自动模式下，PLC可以根据设定程序自动选择频率。在手动模式下，通过主令手柄输入脉冲控制频率，在不同速度运行时，单靠提升机司机手动调节，准确性较差。本系统在不同速度模式下，通过PLC对主令手柄输入脉冲采取不同比例的换算实现频率调节。

3.4 提升机速度及行程检测

为了保证提升机行程及速度检测的准确性，通过在不同的位置进行检测。本设计采用欧姆龙E6B2-CWZ6C系列轴编码器，分别在电机主轴和导向轮处安装，对于轴编码器返回脉冲的测量，需用到PLC高速计数器。通过将高速脉冲信号进行计数和换算，得出提升机的行程。由于钢丝绳在运行过程中可能会出现滑绳，因此需要不断将两处编码器获得的行程数据进行比较，以判断是否发生滑绳。

(1) 滑绳检测：通过PLC初始化指令设定滑绳距离，本设计设定为4 m。滑绳分为正向滑绳和反向滑绳，正向滑绳即提升时产生滑绳，导向轮距离大于电机轴距离；反向滑绳即下放时产生滑绳，导向轮距离小于电机轴距离。

(2) 提升机速度检测：提升机速度检测主要是通过计算单位时间内返回的脉冲数，将轴编码器B相或A相送入PLC输入，采用SPD指令统计一定时间内返回的脉冲数，经过换算将其转换为实际速度，通过实际速度与不同行程段设定速度的比较，可以判断出是否发生超速，包括等速段超速、减速段超速、爬行段超速等。

(3) 松绳检测：提升机在重载启动或突然停车的情况下，可能会造成钢丝绳松弛下垂，从而产生松绳。在钢丝绳出口处安装硬连接装置，装置两侧连接行程开关，当发生松绳时，硬连接装置带动行程开关动作，返回松绳信号。

3.5 提升机自动换向

通过PLC将返回来的行程与终点设定值进行比较或判断行程开关返回的信号，确定是否到达终点。终点到达时，自动进行换向。即当提升机正向到位时，自动换为反向；当反向到位时，自动换为正向。

3.6 提升机制动

当提升机提升终了时，通过变频器调速，提升机速度接近为0，此时将制动信号发送给液压站，液压站通过调节液压油压力大小获得制动力矩，盘式制动器将滚筒可靠闸住。

制动闸长期使用会产生磨损，为保证能够可靠制动，制动闸处需安装有行程开关，当闸瓦间隙超过一定范围时，向PLC返回闸瓦磨损信号，报警输出。提升机在提升终了时，若出现提升机不停车继续运行的情况，则会产生过卷。过卷分为正向过卷和反向过卷，过卷距离设定为0.5 m，将电机行程与停车点位置进行比较，从而判断是否发生过卷。此外，为了保证过卷时能够安全停车，在过卷处各安装一个行程开关，开关动作则说明发生了过卷。

3.7 提升机保护

对于矿井提升机，除了速度、行程、闸瓦磨损等保护外，还需对润滑泵油压、液压站油压、电机电流等进行检测，并实现保护。

润滑泵油压、液压站油压通过压力变送器进行检测，选用HMPH系列，通过PLC A/D模块，将返回的信号进行换算，然后与设定值进行比较，以判断是否发生润滑油欠压、制动油过压等故障。

对于主机电流信号，采用电流检测模块进行检测，通过PLC A/D模块获取信号，同样将返回信号进行换算，与过电流设定值进行比较，过电流设定值为额定电流的1.5倍，可以判断出是否发生过流。

润滑油和液压油，除了油压以外，油温过高也会影响其正常运行，因此需对油温进行检测。本设计选用JUC-1M型温控器，油温设定为60 ℃，当油温超过设定值时，返回一个开关量信号，产生报警。

3.8 双PLC配置

由于矿井提升机的重要性，采用双PLC对其进行控制，在正常工作时，两台PLC对矿井提升机行程、速度信号同时进行采集，两台PLC不断将获取到的数据进行交换和比较，当出现通讯故障、返回数据相差较大或一定时间内返回值不符合运行规律时，判断系统出现问题，进行紧急制动或停车。

4 结束语

本系统设计过程中，既考虑到了矿井提升机的各种运行方式，又考虑到了提升机在实际运行过程中可能存在的各种故障，实现了相应的检测和保护。本系统可以与上位机监控系统相结合，将提升机的运行过程、运行中的各种信息及相关的故障信息显示到监控画面中，并将相关数据进行存储，以便工作人员实时掌握和查询。