基于PLC的矿井提升机智能型电控系统的分析
2020-03-14王泽
王 泽
（山西临汾西山生辉有限公司， 山西 运城 044600）
引言
运输设备的可靠性及安全性是矿井生产需要保证的环节[1-2]。而目前矿井提升系统多采用TDK控制方式，即采用异步电动机的转子回路对电阻进行串联而调节电动机转速，但是这种调速方法的可靠性及安全性较差，且维修复杂、提升效率较差，不能满足煤矿生产繁重的提升任务，所以此类提升系统逐步被淘汰。随着科技的进步及煤矿生产要求的进一步提高，对矿井提升系统也提出了更高要求，因此采用高性能矿井提升系统对煤矿的安全生产具有重要意义[3]。
1 提升机电控系统的设计方案
矿井提升机电控系统是矿井提升机的最重要的组成部分，电控系统主要由变频器与核心处理器共同控制，通过研究选用型号为S7-300的PLC处理器。电控系统由变频电源柜、PLC控制箱、低压配电箱、制动电阻柜、控制触摸屏等组成，提升机电控系统设计方案结构图如图1所示。
图1 提升机电控系统设计方案
电控系统各组件的功能如下：变频电源柜控制电控系统的速度，且可以实现能量回馈；PLC控制箱以两套PLC电控系统为核心，其中一套PLC控制器采用自动或手动方式控制提升机的升降、速度及闭锁、接受信号指示灯及安全闸等，另一套PLC电控系统实现对系统运行的监控功能；制动电阻柜为实现提升机停止及减速的动力制动；触摸屏可实现系统运行状态的画面、指示灯及仪表等的显示，并具有通信功能，画面显示功能显示提升机位置和运行状况。
2 电控系统硬件的设计与选型
2.1 PLC硬件电路
通过研究选用德国西门子的S7-300硬件模块，它有接口模块、CPU模块、通讯模块、电源模块及编程设备等，其硬件组成结构如图2所示。CPU模块由存储器和微处理器组成，其功能主要是采集提升机的状态信号，实施提升机的控制程序并对设备故障进行检测，并对系统的运行数据及程序实时存储。接口模块即数据交换模块，实现各硬件直接的数据传输。通信模块即实施上位机、PLC控制器、I/O接口等各设备之间的通信。设备编程采用的是STEP7.5，该软件能实现不同文件的编辑。电源模块是为实现对其他外部设备的电源供给，将外部的220 V的交流电转变为设备所需的5 V或24 V电压。
图2 PLC控制系统结构图
2.2 双PLC控制系统
使用两套PLC控制系统能明显提高提升系统的安全性与可靠性。I/O接口信息有模拟信号和开关信号两种，开关信号就是数字信号，输出与输入的数字信号为10和24。设计的安全回路包含两套安全回路，分别为继电器开关串联组成的安全回路硬件与PLC软件编程的回路。电气连锁是依据矿井相关安全规程与设备安全要求而设计的电气设备连锁。
2.3 变频调速装置
变频调速装置是煤矿提升机控制系统的主要组成部分，该系统对电气控制系统有直接影响。通过研究，考虑提升系统的运行速度及提升量，提出采用交直交调速变频方案，使用的变频器是德国西门子SM150型电源压型变频器，组成全自动变频调速装置。该装置相对直流变频系统而言，具有效率高且结构简单，能承受更大容量和电压的优点。变频器结构使用的为钳位三电平二极管，采用IGBT功率器件作为开关管，采用SVP-WM矢量控制方式。
2.4 电控系统通信协议
设计系统采用MPI多点接口通信协议，该协议节点数目最大为32个，信息数据传输速度为35 kbit/s～12 Mbit/s，在通信量需求较小的情况下，该通信方式效果好，且经济效益明显。
3 电控系统软件的设计
软件设计部分均通过WinCC和STEP7软件界面编程来实现。系统采用程序结构化方式来进行编程设计，整个程序由各个小程序组成，通过对各子程序单独进行编写实现整个程序。该系统的程序结构如图3所示，所有的应用程序由提升机准备、辅助启动、机车操作方式及安全回路等组成。
3.1 辅助启动
辅助设备包括电机、油泵、制动装置等连锁装置，在提升机启动前应首先对辅助设备启动，辅助设备的正常启动是系统安全顺利运行的前提条件。
3.2 提升机动作准备
该程序首先对提升机是否具有启动条件进行判断，启动的条件包括辅助启动与否、零位联锁控制及其手柄等。该程序满足时，提升机会随即启动。
图3 电控系统应用程序流程
3.3 安全回路
该程序主要是对前面设计的安全回路硬件及软件进行控制，通过对提升机进行故障检测，发生故障时回路会停闸操作，并闭锁进行报警。工作人员通过查看储存的故障信息，排除相应故障后解除制动。
3.4 机车操作方式
提升系统的操作方式包括手动和自动两种方式。手动控制是通过工人手动完成，自动控制是通过PLC控制器对提升方向进行自动判断并执行。提升机的回路方向由启动与运行操作决定。操作方向上的回路需使所有启动条件均满足要求，各项条件包括有安全制动解除、操作方向选择、辅机启动、发出开车信号、系统接收信号启动等。操作人员通过控制手柄，实现上述一系列动作，最终完成提升系统的启动。
