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PLC的礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1  引言
        
目前， 我國絕大部分礦井提升機(jī)（超過70% ）采用傳統(tǒng)的交流提升機(jī)電控系統(tǒng)（tkd-a為代表）。tkd控制系統(tǒng)是由繼電器邏輯電路、大型空氣接觸器、測速發(fā)電機(jī)等組成的有觸點(diǎn)控制系統(tǒng)。經(jīng)過多年的發(fā)展，tkd-a系列提升機(jī)電控系統(tǒng)雖然已經(jīng)形成了自己的特點(diǎn)，然而其不足之處也顯而易見，它的電氣線路過于復(fù)雜化，系統(tǒng)中間繼電器、電氣接點(diǎn)、電氣聯(lián)線多，造成提升機(jī)因電氣故障停車事故不斷發(fā)生。采用 plc技術(shù)的新型電控系統(tǒng)都已較成功的應(yīng)用于礦井提升實(shí)踐，并取得了較好的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，克服了傳統(tǒng)電控系統(tǒng)的缺陷，代表著交流礦井提升機(jī)電控技術(shù)發(fā)展的趨勢。

2  總體設(shè)計(jì)方案 
        
基于plc技術(shù)的礦井交流提升機(jī)電控系統(tǒng)控制電路組成結(jié)構(gòu)如圖1所示， 要由以下5部分組成：高壓主電路（包括高壓換向器、電動(dòng)機(jī)、啟動(dòng)柜、動(dòng)力制動(dòng)電源）、主控plc電路、提升行程檢測與顯示電路、提升速度檢測、提升信號(hào)電路，其中高壓主電路部分仍采用傳統(tǒng)的繼電器控制電路。

圖1  礦井交流提升機(jī)電控系統(tǒng)框圖

工作過程：當(dāng)井口或井底通過信號(hào)通信電路發(fā)出開車信號(hào)后，開車條件具備。司機(jī)將制動(dòng)手柄向前推離緊閘位置，主電動(dòng)機(jī)松閘。司機(jī)將主令控制器的操作手柄推向正向（或反向） 位置，主控plc通過程序控制高壓換向器首先得電，使高壓信號(hào)送入主電動(dòng)機(jī)定子繞組，主電動(dòng)機(jī)接入全部轉(zhuǎn)子電阻啟動(dòng)，然后依次切除8段電阻，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加速， zui后運(yùn)行在自然機(jī)械特性上。交流提升機(jī)運(yùn)行時(shí)， 旋轉(zhuǎn)編碼器跟隨主電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出2列a/b相脈沖，分別接到主控plc的高速計(jì)數(shù)器hsc0的a/b相脈沖輸入端，由主控plc根據(jù)a/b脈沖的相位關(guān)系，自動(dòng)確定hsc0的加、減計(jì)數(shù)方式。根據(jù)hsc0的計(jì)數(shù)值，就可以計(jì)算出提升行程并顯示。同時(shí)只根據(jù)旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的a相脈沖，主控plc進(jìn)行加計(jì)數(shù)。根據(jù)hsc1在恒定間隔時(shí)間內(nèi)的計(jì)數(shù)值，就可以計(jì)算出提升速度。

3  硬件設(shè)計(jì)

3.1 提升機(jī)主回路部分設(shè)計(jì)
        
主回路用于供給提升電動(dòng)機(jī)電源，實(shí)現(xiàn)失壓、過流保護(hù)，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向和調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。主回路由高壓開關(guān)柜、高壓換向器的常開觸頭、動(dòng)力制動(dòng)接觸器的常開主觸頭、動(dòng)力制動(dòng)電源裝置、提升電動(dòng)機(jī)、電機(jī)轉(zhuǎn)子電阻、加速接觸器的常開主觸頭（1jc～8jc）和裝在司機(jī)操作臺(tái)上的指示電流表和電壓表等組成。系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2  提升機(jī)主回路系統(tǒng)原理圖

主拖動(dòng)電機(jī)選擇：鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)盡管結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜、維護(hù)方便，但很難滿足提升機(jī)啟動(dòng)和調(diào)速性能的要求，因此，礦井提升機(jī)交流拖動(dòng)系統(tǒng)均選用繞線式異步電動(dòng)機(jī)作為主拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)，繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻后能限制啟動(dòng)電流和提高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，并能在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)速。地面變電所送來的二路6kv電源，一路工作，一路備用，經(jīng)tgg-6型高壓開關(guān)柜的隔離開關(guān)glk1、油開關(guān)gyd、高壓換向器線路接觸器xlc的主觸頭、正向（或反向）接觸器zc（或fc）后到主電機(jī)的定子。在高壓開關(guān)柜內(nèi)還設(shè)有電壓互感器yh，失壓服扣線圈syq，電流互感器lh和過流脫扣線圈glq，用于失壓或過流保護(hù)。在syq線圈回路中還串聯(lián)接有緊急停車開關(guān)jtk1和換向器室欄柵門閉鎖開關(guān)lsk。                                       

3.2 制動(dòng)回路設(shè)計(jì)
        
礦井提升機(jī)大多數(shù)采用繞線式異步電動(dòng)機(jī)來拖動(dòng)，且多數(shù)場合下采用有級(jí)切換轉(zhuǎn)子回路電阻來實(shí)現(xiàn)調(diào)速。其制動(dòng)系統(tǒng)多采用可控硅動(dòng)力制動(dòng)和可調(diào)閘制動(dòng)系統(tǒng)。前者為電氣制動(dòng)，后者為機(jī)械制動(dòng)。提升機(jī)在減速段運(yùn)行中，當(dāng)速度在0～5%范圍內(nèi)，電氣制動(dòng)起作用，可調(diào)閘不起作用；當(dāng)超速在5%～10%范圍內(nèi)，電氣制動(dòng)限幅，并維持zui大制動(dòng)功率，同時(shí)可調(diào)閘起作用，總制動(dòng)力矩增大；當(dāng)超速10%時(shí)，過速繼電器gsj1作用于安全回路，可調(diào)閘將提升機(jī)滾筒閘住。
     
晶閘管動(dòng)力電源裝置主要有兩部分組成，一部分為主回路，另一部分為觸發(fā)回路。本文設(shè)計(jì)中采用kzg型三相可控硅動(dòng)力制動(dòng)系統(tǒng)。此系統(tǒng)為單閉環(huán)動(dòng)力制動(dòng)系統(tǒng)，系統(tǒng)方框圖如圖3所示，從圖中可以看出速度偏差控制和腳踏控制是“或”的關(guān)系，哪個(gè)信號(hào)大，就允許哪個(gè)信號(hào)通過，亦即相應(yīng)的控制方式發(fā)揮作用。因此，單閉環(huán)控制時(shí)司機(jī)可以腳踏制動(dòng)進(jìn)行控制，而在腳踏控制時(shí)，如提升機(jī)超速，閉環(huán)系統(tǒng)又可起監(jiān)視保護(hù)作用。

圖3  單閉環(huán)動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)方框圖

3.3 速度給定回路
        
速度給定方式就是按行程原則產(chǎn)生速度給定信號(hào)。在礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)中，通常是采用凸輪板給定方法，即由凸輪板控制自整角機(jī)的輸出電壓。由于自整角機(jī)沒有可滑動(dòng)的觸點(diǎn)，因此電壓變化較平穩(wěn)，工作較可靠，維護(hù)量較小。原理圖如圖4所示。

圖4  速度給定電路

        
自整角機(jī)作為給定裝置應(yīng)用時(shí)是將激磁繞組通以單相110伏交流電，在三相同步繞組中任取兩相的輸出作為給定電壓的輸出。其輸出電壓為交流，如需要直流則應(yīng)通過橋式整流輸出。

.4 動(dòng)力制動(dòng)回路
        
晶閘管整流器及其觸發(fā)裝置成套地裝在電源柜中，動(dòng)力制動(dòng)電源裝置輸出電壓的大小與觸發(fā)裝置輸入的控制信號(hào)電壓的高低有關(guān)。

圖5  動(dòng)力制動(dòng)電壓形成回路

控制信號(hào)電壓由兩個(gè)回路組成一個(gè)或門電路，如圖5所示。只要其中之一達(dá)到觸發(fā)要求時(shí)，即可使晶閘管觸發(fā)起制動(dòng)作用。這兩個(gè)回路，一個(gè)是由實(shí)際速度與給定速度形成的速度偏差值，自動(dòng)控制cf3磁放大器的輸出和動(dòng)力制動(dòng)輸出，另一條回路由司機(jī)控制自整角機(jī)cd2的輸出以實(shí)現(xiàn)人工調(diào)節(jié)。                                
        
在人工控制動(dòng)力制動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，由司機(jī)控制腳踏板帶動(dòng)自整角機(jī)cd2發(fā)生控制電壓。調(diào)整時(shí)應(yīng)使其與磁放大器cf3的輸出相配合。當(dāng)腳跟剛剛踩下，腳尖尚未下踏時(shí)，相當(dāng)于控制開關(guān)閉和，使dzc得電吸合，晶閘管動(dòng)力制動(dòng)投入，但此時(shí)自整角機(jī)cd2輸出很小，動(dòng)力制動(dòng)電流zui小。當(dāng)司機(jī)腳尖踏下后，自整角機(jī)cd2輸出zui大。
        
在腳踏動(dòng)力制動(dòng)與cf3輸出回路中，分別由z1和z2兩個(gè)二極管組成一個(gè)或門電路，此兩種控制信號(hào)成并聯(lián)關(guān)系，互不影響。

3.5 行程檢測與顯示
        
利用旋轉(zhuǎn)編碼器將提升機(jī)的運(yùn)行位置轉(zhuǎn)化為脈沖，plc對此脈沖進(jìn)行高速計(jì)數(shù)，通過相應(yīng)的計(jì)算自動(dòng)生成提升機(jī)位置的相關(guān)數(shù)據(jù)，傳送到plc內(nèi)部高速計(jì)數(shù)器的存儲(chǔ)單元。為了提高計(jì)數(shù)器的脈沖精度，選用日本omron公司的e6c-cwsc型可逆旋轉(zhuǎn)編碼器，其脈沖準(zhǔn)確精度高，在低速時(shí)不會(huì)丟失脈沖。
        
為了便于提升機(jī)司機(jī)操作，提升機(jī)電控系統(tǒng)需設(shè)置可靠的行程顯示裝置（又稱深度指示器）用于顯示提升容器在井筒中的位置。本文設(shè)計(jì)根據(jù)編碼器所測的運(yùn)行距離（0～570m），采用3個(gè)led七段顯示器作為提升機(jī)位置的顯示。

圖6  plc數(shù)字顯示電路

圖6所示電路中，用具有鎖存，譯碼，驅(qū)動(dòng)功能的芯片cd4513驅(qū)動(dòng)共陰極led七段顯示器，三只cd45 -13的數(shù)據(jù)輸入端a～d共用可編程控制器的4個(gè)輸出端，其中a為zui低位，d為zui高位。le是鎖存使能輸入端，在le信號(hào)的上升沿將數(shù)據(jù)輸入端輸入的bcd數(shù)鎖存在片內(nèi)的寄存器中，并將該數(shù)譯碼后顯示出來。如果輸入的不是十進(jìn)制數(shù)，顯示器熄滅。le為高電平時(shí)，顯示的數(shù)不受數(shù)據(jù)輸入信號(hào)的影響。顯然，n個(gè)顯示器占用的輸出點(diǎn)數(shù)為：4+n。                                                                             

3.6 輔助回路設(shè)計(jì)
        
輔助回路是用于對輔助設(shè)備進(jìn)行供電和控制的。輔助回路的電源電壓為交流380v，兩回路供電。輔助回路所帶負(fù)荷有：晶閘管動(dòng)力制動(dòng)電源裝置、制動(dòng)油泵電動(dòng)機(jī)、潤滑油泵電動(dòng)機(jī)等。

4  提升機(jī)主電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電阻計(jì)算
        
電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電阻的計(jì)算，對提升設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)有著重要的作用。進(jìn)行啟動(dòng)電阻計(jì)算時(shí)，首先應(yīng)確定預(yù)備級(jí)級(jí)數(shù)和加速級(jí)級(jí)數(shù)。因?yàn)樗x的級(jí)數(shù)直接影響到zui大切換力矩的增大或減小及平均啟動(dòng)加速度的提高或降低，甚至由于過載能力不夠而需加大電動(dòng)機(jī)容量，故應(yīng)全面考慮，選出經(jīng)濟(jì)合理的級(jí)數(shù)。一般情況下，預(yù)備級(jí)級(jí)數(shù)和加速級(jí)級(jí)數(shù)的選擇見附表所示。

三相平衡啟動(dòng)電阻的計(jì)算方法很多，但基本上可分為兩種類型：一類是按給定加速度來計(jì)算啟動(dòng)電阻，另一類是以充分利用電動(dòng)機(jī)的過載能力為出發(fā)點(diǎn)來計(jì)算。因*類方法計(jì)算簡便準(zhǔn)確，故本文中采用此方法計(jì)算。

5  plc控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5.1 主控plc控制電路設(shè)計(jì)
        
根據(jù)提升機(jī)的運(yùn)行方式和煤礦企業(yè)的固有特點(diǎn)，國產(chǎn)礦井提升機(jī)電控制系統(tǒng)中應(yīng)用plc也發(fā)展很快。但從現(xiàn)場使用情況來看，目前，在國產(chǎn)煤礦提升機(jī)控制系統(tǒng)中，plc主要用于處理開關(guān)量，以替代老式提升機(jī)控制系統(tǒng)中眾多的繼電器、接觸器、復(fù)雜的連線以及信號(hào)顯示系統(tǒng)，而涉及到提升機(jī)安全運(yùn)行的制動(dòng)系統(tǒng)中的模擬量和自動(dòng)調(diào)節(jié)過程，大多還是通過用半導(dǎo)體器件、運(yùn)算放大器等可調(diào)閘和可控硅動(dòng)力制動(dòng)的普通電子模式來處理。使用過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)零點(diǎn)漂移、電子元件損壞，并且存在維修及重新調(diào)試難、可靠性差等缺點(diǎn)，因而使提升機(jī)電控系統(tǒng)的可靠性降低。針對上述問題，深入研究用plc控制煤礦提升機(jī)控制系統(tǒng)是非常必要的。