PLC与变频器在矿井提升机调速系统中的应用

PLC与变频器在矿井提升机调速系统中的应用

目前我国矿井提升机中的主要系统，通常选用的是电器控制系统，用转子串电阻调节速度，并由继电器和接触器组成的一种控制装置。一般的提升机转子串电阻调速电控系统具有很多的缺点，例如在控制上不够简单、明了；应用时可靠性较差；调节速度的效果较低等。鉴于以上种种因素，通过选择PLC和变频器并把两者组合到一起的控制措施，能够很好的对原来电控系统进行一定的改善，从而增强电控系统的整体效果，并对其安全性和可靠性，以及控制能力和速度调节上做出明显改善。

标签：提升机；电控系统；PLC；变频器

引言

提升机属于大型的提升机械设备，通常使用较为广泛的是矿井提升机，它所发挥的效果是连接地面和井下输送的枢纽。因为它自身作用的关系，又被称作是矿井的“咽喉”，所以必须要确保提升机在井道内的安全性能，避免在井道中突发意外事故，给工作人员带来一定的危害，耽误工作正常运行。传统的矿井提升机控制系统大多都是选用继电器和接触器组成的控制系统，但是，由于该控制系统有很多不完善的地方，使用性能和維护性能都比较差，所以导致了其很难跟上现今矿业发展的前进脚步。综上所述，这种传统的继电器控制系统会逐渐地消失，而新式的PLC与变频器控制系统将会成为新的发展方向。文章从安全、可靠、高效、经济等几个方面为主要出发点进行改革。

据统计，我国现在所使用的矿井提升机大多数是选择那种传统的交流电控制系统[1]。该电控系统在起动和调速换挡时电流的冲击力过大，属于有级调速，且调速的平滑性较差，速度低时机械特性绵软，静差率较大，而且容易发生机械故障，节能效果低。为了改善传统交流绕线式转子异步电动机串电阻调速系统上的不足[2]，通过PLC和变频器合二为一的控制措施针对传统电控系统实行完善处理，使提升电动机较为广泛区域中的无极平滑调速得到了很好的改善，并且在机器运行时可以结合电动机的实际使用状况，来确保电动机一直正常有序的进行运转，而且这样的控制系统还非常适用于环境较为恶劣的工作场地，还具有相当优良的节能省电性能。PLC、变频调速电控系统的好处还有很多，比如它可以提高生产工作效率；具有较强的调速功能；减少机械设备带来的冲击；降低电机定子、转子的温度，从而大大避免了电机运行时因为温度过高所造成的机械故障等问题；系统较为自动化，保护设施完善，安全性能较高，如此也有效的降低了工作人员的错误发生率。因此，选择PLC与变频器来增强系统的安全性能与可控性能，会使整个体系变得越发好用稳定。总而言之，PLC、变频调速一定会是未来提升机电控系统的总体趋势。

1 总体设计

PLC 控制的大功率矿井提升机变频调速控制系统由动力装置、液压站、变

频器、操作台和控制监视系统所构成的，系统框图如图1 所示。

动力装置主要有主电机、减速器、卷筒、制动器和底座，完成人、物、料的运输作业。使主电机经过减速器时向卷筒供给牵引所需要的动能。

液压站主要是由液压泵、驱动电机、油箱、方向阀、节流阀、溢流阀等元件所构成的液压装置。根据驱动装置液体的流向和压力向其提供油液，其适用范围较广，在驱动装置和液压站分离的各类设备上都能够使用，将两者用油管连接起来，液压系统就可以完成所规定的动作。液压系统的使用原因是该系统在动力输送时用途较广，且工作效率高，整体构造简单、实用。

变频器是变换电源频率的装置，应用最多的是“交-直-交”变频器，其主要结构可分为四部分：（1）整流单元，其作用是把工作频率不变的交流电变换成直流电；（2）高容量电容，其作用是保存更换后的电力能源；（3）逆变器，其主要作用是把大功率开关晶体管排列构成电子开关，使直流电转换为其他频率和幅度可控的方波信号；（4）控制器，其主要作用是根据所设的程序运行，控制输出方波的状态，让其叠加成与正弦波相似的交流电，并驱动交流电动机。

操作台：其结构必须要易于操作，由左操作台、右操作台以及指示台共同组成的，左方操作台要安装两个启动手柄，用来控制速度辅助给定和制动力给定，还要有电源和磁场的送电按钮，安全复位按钮、紧急停止按钮；灯、闸试验按钮，快开按钮等等。右方操作台上需要有主令操作手柄；工作、控制方式的选择开关以及信号联络按钮等。中间指示台需要有运行参数显示仪表、主要操作信号以及故障信号指示灯。操作台属于矿井提升机系统的重要组成部分，透过它能够设定工作方法以及控制方法，能够向工作区域传达工作指示和细致部署，从而达到对提升机的正常运作、运转速度、结束以及紧急制动等情况进行很好的指示和控制。

控制监视系统：该系统是操作人员和控制系统以及输送系统三者间的纽带，它能够实时监测提升机输送系统在工作过程中出现的各类状况，做到充分且及时的了解到实际情况，整个控制功能和调速都是由软件控制，当控制参数确定后，就不可更改，且控制的精准度高，工作性能稳定，一旦出现问题可以很好的对其进行相应的处理。

控制系统工作原理：当开车人员接收到开车指令，并启动开始按钮，这时所呈现的内部状态是把380V动力电源连接到变频器。然后可以松开液压制动阀，把主令控制器向正方或者反方推进，此时提升机才开始正式运行，司机可以通过指示灯和显示仪表确切了解提升机的具体运行情况和运行参数。在提升机工作时，提升机运行的主速度给定控制为S形曲线，由PLC控制，经过A/D转换，从模拟量输出口输出，以驱动变频器工作。变频器的输出频率可以以实际需要进行更改，以操作台的速度控制手柄给予辅助作用的方式进行。旋转编码器能够测出电动机的运转速度，把该信号输入到调速控制计算机[3]，PLC会根据相关信号累计计算出提升机的具体速度和运行距离，监视器会一直不间断的观察提升机的速度和方位。

2 变频调速主电路设计和选择

变频器可以输出频率可调的交流电源，在变频器的控制输入单元中接入频率设定电路，该系统中通过PLC输出电压信号（0～12V） 来控制变频器的频率。安全回路可以在提升机发生故障时控制提升机使其进入安全保护状态。为了更好的保证人员和设备的安全，通常会针对不同的故障采取不同的解决措施。另外在变频器的外围安装声光报警输出口和制动单元，使回路有着较好的故障监视作用，不管是什么地方出现故障，都能够准确的实施安全制动和警报功能，更有效地对控制系统进行安全保护，使其在提升机使用中占据了较为主要的优势。变频调速主控电路如图2所示。变频器在选择时应该多注意其负载性能，明确提升机的负载能力。因为有关于恒转矩负载的设备都存在静摩擦力，所负载的惯性力较大，运转时需要充足的启动转矩。变频器具备低频转矩提升能力和短时过流能力。通常低速负载严重时，想提升转矩能力增强电压，就会引发电流保护措施。在选择时一定要格外注意这方面情况，将变频器的总容量提升一级进行控制。使用矢量控制或是直接转矩控制变频器能够在没有电流的状况下产生较高的启动转矩。2.1 变频器的容量选择

变频器的容量的构成分别为额定电流、电动机功率以及额定容量三部分。在对其进行选择时，变频器的额定电流是反映变频装置负载状态的首要部分。负载电流不可以大于变频器额定电流是选用变频器容量的根本。变频器额定功率一般按交流异步电动机功率一致选取。电动机的容量和级数以及它的额定电流都是不一样的，因为电动机级数的增长，使得其额定电流增大。在选变频器时不但要注意其效用和性能以外，还要选择那种经济适用的类型，通常不需要预留出较多的功率余量，当变频器和电动机的功率互相配合时，大大提升了输出波形的质量，改善变频器的控制程度。

2.2 声光报警回路

变频器报警输出是将其常闭触点串联在接触器的线圈电路内，当变频器因故障不能正常工作时，报警输出的常闭触点动作，使接触器线圈失电，将变频器与电源断开，进行安全保护。为了保护报警输出的触点，在接触器的线圈两端，并联阻容吸收电路（即RC震荡电路）。同时其常开触点闭合，将报警指示灯和电笛接通，进行声光报警。与此同时，控制继电器得电，其触点将声光报警电路自锁，使变频器断电后，声光报警能持续下去，直到工作人员按下停止按钮时报警才能解除。

2.3 制动控制回路

控制回路大都是控制模拟量的，每当控制器收到一个输入量时，就需要根据相关程序和算法测算出一个输出量，如此输入和输出就形成了一个循环，这个循环就叫做控制回路。控制回路分开环和闭环两种。开环控制回路是指输出的数据跟输入的数据没有太大的关联，输出主要是结合实际情况拟定的。闭环控制回路是指输出会根据输入数据进行反馈而决定的，两者之间是相互联系的。闭环回路控制在应用上属于较为普遍的方式。提升机负载的惯性通常是比较大的，如果变

频器的输出频率低到0Hz时，就会出现持续动作的现象，这种现象被叫做蠕动现象，又叫做爬行现象，而在矿山提升机这样的大型负载机械中，发生蠕动的情况会带来非常严重的危害。所以，变频器调速时一定要设计出能耗制动和直流制动的功能。

3 PLC控制系统设计

PLC的核心部分是微处理器，它包含着计算机技术、自动控制技术以及通信技术共同组成的新型、通用的自动控制装置。该系统能够实现提升机的多种作业形式，可以做到自动、半自动、手动、调验绳等动作，而且还便于转换，大大改良了提升时运行稳定的前提条件，在加减速度和等速以及爬行问题上有效的进行了改善。

PLC根据运行方式对变频器实现S形速度给定控制，实现箕斗运行速度的准S形曲线。PLC还完成各种保护监视功能。监控内容包括： 超速监视、过卷监视、实时速度监视、井筒过卷监视、变频器故障监视、矿车行程监视、过载监视、深度指示器监视等，上述的监视内容一旦发生故障，就会通过报警回路报警或安全回路实现抱闸停车等保护措施。

4 PLC 控制程序概述和设计

可编程序控制器属于专业的数字运算控制装置，能够准确执行运算、控制、定时、计数等多种运行指令，并用数字式、模拟式的输入与输出来控制设备系统的生产过程。可编程序控制器和相关设备设施都需要适用于工业生产情况，要使两者相互配合成为一个主体系统，在设计原则上要使其具备一定的扩充作用。

PLC控制主程序完成系统的初始化、自检、故障诊断、调速系统控制及安全保护等一系列工作。当系统正式启动时，PLC首先进行初始化，并对高速计数单元HSC0和HSC1进行下面几个操作步骤：写控制字、定义工作模式、清零、写设定值、设置定时中断、连接中断、启动计数[4]，然后完成自检和呈现提升机初始位置，当接收到开车指令时，PLC转入S形速度给定控制，在系统运行过程中，当PLC接收到传感器、接近开关和变频器故障等外部控制所传出的信号时，PLC控制程序就会转到对应的中断处理程序上，如此来完成超速保护、过卷、过载、松绳等保护及提升机位置、速度监控、变频器故障监控等。当故障发生时应该将其转到对应的故障处理模块上进行故障清除工作，并且根据报警回路报警和安全回路实现抱闸停车保护措施。

5 变频调速的发展以及在提升机系统中的运用

一般的调速系统中的直流调速在控制上较为简单，调速的精准度较为准确，因此使其一直处于主要核心部分，不过这种调速系统的结构相当复杂，而且过流力度不足，适用的场所有限，很难达到高速度化状态，如此也就局限了该系统的使用范围，阻碍了发展进程。而对于交流调速来说它的好处和特性都很不错，能够适应于各类工作环境；过流的能力也比一般调速系统的过流力高；结构设计方