PLC技术在矿井交流提升机电控系统中的应用

摘要：提出了PLC技术在矿井交流提升机电控系统中的应用，设计了基于PLC技术的电控系统控制电路，分析了PLC技术的发展前景。

关键词：PLC技术；矿井交流提升机；电控系统

矿井提升机是煤炭、冶金等深井矿山生产过程中非常重要的设备。对矿井提升机的电气控制设备基本要求是：安全第一、高度可靠、功能强大、使用方便。目前，国内采用交流提升系统的矿井占85%以上，其中绝大部分仍是采用继电器、接触器控制的电控系统，这种传统的电控系统存在着调速性能差、运行效率低、故障率高、使用寿命短，无法实现精确自动控制的缺陷。随着计算机控制技术的发展，采用当代先进的计算机及辅助控制技术形成矿井提升机电气控制系统，已成为势在必行的局面。结合国内目前提升机电控系统的具体实际，新型的PLC技术与传统的电控系统相结合应是一条适合我国国情的道路。应用PLC扩展网络功能，可以充分利用现有设备，将提升控制、监测功能复合到一个系统。

1 PLC技术的发展概况

PLC(可编程序控制器)是专为工业现场使用的计算机，由于其处理开关量大，多达上千个，且不改变外部接线，只改变程序就可以完成控制系统的修改。省时、省力、编程容易、操作简单，同时PLC具有体积小，功耗低，性价比高。可靠性高，抗干扰能力强，故障率低。维护简单，自动化、集成化程度高，能够完成较复杂的逻辑运算。

现代的PLC技术是计算机与传统继电器逻辑控制技术相结合的产物。它从产生到发展至今，短短20多年，就经历了一系列深刻的变化，不但占领了已过时的继电器系统与常规电子系统的广大市场，且与现代各种微机控制系统展开了激烈的竞争，掀起了一场“控制设备的革命”。目前几乎每个工业领域都有PLC的身影。可以说，PLC与工业机器人、数控机床一道，已成为现代工业自动化的三大支柱。

从发展方向来看，目前，PLC正朝着两个方向发展：一个是大型化、高可靠性、多功能；另一个是小型化、低成本、简单实用。

2 PLC技术在矿井提升机中的应用

2.1 矿井交流提升机电控系统组成

(1)工艺控制。由于PLC编程方便、灵活和功能完善，将其于工艺流程控制时，并非仅将原继电器控制系统中的开关量简单地用PLC的逻辑关系替代，而是采用多重联锁和可靠的检验，构成功能完善的监视与控制系统，以保证提升工艺流程控制与联锁的高可靠性，且便于操作和进行故障诊断处理。

(2)行程控制。提升机的行程控制，实质上是位置控制，保证提升容器在预定地点准确停车。为了减少钢丝绳及设备的动态冲击，并考虑到副井提升时人的感受．一般采用加速度控制，工艺允许时，最好实现无爬行控制，以减少提升时间，提高生产效率。目前，常用的方法是由PLC构成数字式行程给定装置，通过光一电增量式转角一脉冲变换器，经PLC采集、处理并计算出位移，输出速度给定信号。

(3)监视系统。提升过程的监视。最重要的是提升行程终端的监视，即减速段速和过卷监视，及等速段超速监视，实现方式多为PLC构成的电子式装置加井筒开关。为保证提升机运行的高度安全性，监视系统一般具有如下特点：①终端监视装置是独立于提升机速度控制系统之外的安全监视装置；②PLC构成的电子式装置由两套相同的系统构成安全可靠的冗余系统；③具有全行程速度连续监视、停车位置监视和运行方向监视等功能。

(4)安全回路。在矿井提升机中，安全回路是最为得要的。一般说来，提升机的故障处理方式有3种：①故障信号预报，如润滑油压异常、主电动机轴承过热等；②事故停车，即完成本次提升后闭锁，如开车过程中安全门打开、调零电机故障等；③紧急停车，即立即进行电气和机械制动，停车后系统闭锁，如两终端超速、运行错向等。安全回路应具有完善的故障监视功能，使无论是提升机还是安全回路本身出现故障时，都能确保实施安全制动。

(5)制动系统。制运系统除要保证可靠地实现工作制动外，还要完成对制动用液压站的控制及对制动系统中其它环节的监视。由于其技术要求与安全回路相似，故一般由2台高可靠性的PLC构成，当其中任一台发生故障时仍可保证制动阀可靠动作，且每台PLC的输出模块都由另一台PLC的输入模块进行监视。

(6)调速系统。将PLC的开关量控制与模拟式调节系统结台在一起，实现对变流装置的所有开关电器的“分”、“合”控制，对模拟调建系统中各调节器的制制，对无环流可逆装置的逻辑转换控制以及调控制系统的多种自检功能、参数随机设定功能等。

(7)信号系统。矿井提升机的信号系统大体上可分为信号输入、信号输出及保护系统3部分。将去向信号、开车命令及提升类别信号送人PLC的输入端，经处理输出各种指令或保护信号。

2.2 基于PLC的控制电路设计

基于PLC技术的交流提升机电控系统控制电路组成结构如图1所示。主要由以下5部分组成：



高压主电路(包括高压换向器、电动机、启动柜、动力制动电源)、主控PLC电路、提升行程检测与显示电路、提升速度检测与显示电路、提升信号电路，其中高压主电路部分仍采用原电路。当井口或井底通过信号通信电路发出开车信号后，开车条件具备。司机将制动手柄向前推离紧闸位置，主电动机松闸。司机将主令控制器的操作手柄推向正向(或反向)极端位置，主控PLC通过程序控制高压换向器首得电，使高压信号送入主电动机定子绕组，主电动机接入全部转子电阻启动，然后依次切除8段电阻，实现自动加速，最后运行在自然机械特性上。交流提升机运行时，旋转编码器跟随主电动机转动，输出2列A/B相脉冲，分别接到主控PLC的高速计数HSCO的A/B相脉冲输入端，由主控PLC根据A/B脉冲的相位关系，自动确定HSCO的加、减计数方式。根据HSCO的计算值，就可以计算出提升行程并显示。

同时只把旋转编码器输出的A相脉冲接到主控PLC的高速计数器HSC1的A相脉冲输入端，主控PLC进行加计数。根据HSC1在恒定间隔时间内的计数值，就可以计算出提升速度并示。交流提升机需要动力制动减速时，司机应先将正力减速开关2HK手柄置于左45°位置。当提升行程检测与显示电路检测到减速点时，主控PLC通过程序控制主电动机从电网切除，延时0.6 s后系统投入动力制动减速，加速接解器2JC－4CJ为按照速度原则控制作好准备。动力制动减速时，制动电流的大小根据实际速度与给定速度的偏差来调整。速度偏差信号经电子放大器放大后，由晶闸管触发整流装置自动调节动力制动电流的大小，以满足给定速度的要求。

2.3 系统设计

在系统设计方面，除了满足继电器与PLC双安全回路、高低压电源失电欠压、电动机过流、松绳、煤仓满、错向、防倒车、机械与电气过卷、闸瓦磨损保护、油温油压超限等常规的内容以外，在软件设计时还采取了一些特殊的措施，使系统的保护功能更加完善。

(1)脉冲编码器、测速发电机相互监视对位置与速度的监测控制，在提升机的PLC控制系统中起着重要的作用，必须对脉冲编码器与测速发电机的工作状态进行监视，当其中任何一个发生故障时，都能及时跳开安全回路。

(2)接点反馈错误提升机的大多数故障出现在硬件设备的误动与拒动上，当PLC输出信号而继电器或接触器因线圈故障等原因拒动时，就有可能造成减速点高压电源不掉电、全速过卷这样的重大事故主。对接点反馈进行监视，可以及时发现故障，采取相应的措施，以防故障进一步扩大。

(3)行程后备保护当提升机运行至减速点后，如果脉冲编码器和机械减速开关失效、减速点不减速时，利用测速发电机与运行时间的累计，可计算出实际提升位置，当判别到达减速点以后，自动切除高压电源，自动减速。此外当运行时间超出到减速点运行时间一定范围的时候，提升机亦自动减速。

(4)程序逻辑错误通过编制相应的程序还可检测出逻辑错误，并对提升系统采取相应的安全措施。

(5)可变减速点为了避免低频电源装置失效时发生减速距离不够而过卷的事故，采取了可变减速点的技术，即用PLC给出的软减速点作为主减速点，空载运行时减速点适当前移，使系统更加安全可靠。

(6)连续速度监视PLC根据轴编码器的脉冲计数信号，即可确定提升机所处的位置，并计算出此时的给定速度，当实际速度超出一定的范围的时候，控制系统自动报警，或是安全制动。实现这种连续速度包络线监测，使提升机全过程处于监控状态，保证安全运行。

(7)定点速度监视在减速阶段，设定数个位置点，当提升机到达此位置时，如果速度超出给定速度一定的范围，也将采取响应的保护措施。

3 PLC技术在矿井提升系统的应用前景

基于PLC技术提升电控系统，一方面将对现有电控系统进行功能扩充，如采用网络通信等；另一方面将研究先进控制技术及策略与现有电控系统相结合的可能性，有可能针对具体的回路，实现局部回路的智能控制如：模糊控制等，从而进一步提高我国矿井提升电控系统的现代化水平。

(1)网络通信。由于网络通信是一项很重要的功能，是现代控制系统的发展方向。因此，可以预见，在不久的将来，矿井提升电控系统也将有此功能并不断发展和完善它。网络通信，首先涉及的就是通信环境的建立，最简单的情况，就是利用PLC本身提供的专用通信模块，组成上下位机控制系统，实现参数的传输。

(2)PLC标准化。根据PLC的设计标准，采用开放式的设计模式，将统一规范的总线、结构、编程方式、语言规则在行业内推行，做到用户接口标准化、网络协议标准化、编程接口标准化、编程语言标准化。

(3)智能控制。由于提升系统本身的复杂性，使得系统精确的控制模型难于建立，导致传统的电控系统存在控制不准确的缺陷。随着硬件技术的不断发展和先进控制策略的不断引入，有可能首先对提升电控系统的部分回路，实现智能控制，从而提高系统的控制精度。

4 结束语

将可编程程序控制器引入矿井提升电控系统，已在国内许多矿山企业获得成功，实际应用时，考虑提升机工作环境和工作性质的特殊性，应以稳定性和可靠性为主。用PLC技术代替传统的继电器－接触器控制系统，不但可以加强系统的控制功能，加强系统对故障的判别能力，而且也将极大地提高系统的安全可靠性和生产效率；而在现有系统的基础上进一步扩充网络功能和基于先进策略的控制技术将是矿井提升机电控系统的发展方向。

参考文献：

[1] 郭月英. 采用PLC控制方式的矿井提升机电控系统[J]. 科技情况开发与经济，2005，15(16)：240.

[2] 卢光华，卢燕. PLC在矿井提升机电控系统中的应用[J]. 化工矿物与加工，2001(8)：16－17.

[3] 王玉中. 基于PLC技术的交流提升机电控系统改造[J]. 煤炭科学技术，2005，33(11)：41.