基于FX3U PLC的H型提升机一体化操作台控制系统的设计与应用

洛阳中重自动化工程有限责任公司 河南洛阳 471039

H 型提升机是洛阳中重自动化工程有限责任公司开发的一种中小规格的单绳缠绕式矿井提升机，也是目前国内质量最轻、体积最小、结构最优的变频提升机，用于矿山地面、地下竖井和斜井以升降物料、设备及人员[1]。采用电动机功率在 630 kW 以下的用户，可以选择 H 型提升机，以弥补小功率电动机配套提升机产品的不足，相应的电控系统也要求与H 型提升机适配。在满足 H 型提升机工艺控制及软件安全保护[2-3]等主要功能的前提下，设计了一种一体化操作台变频控制系统，实现了提升机控制系统操作台的创新性应用。

1 电控系统组成

与传统提升机的电控系统类似，H 型提升机整套电控系统由低压配电系统、PLC 控制及操作系统、安全保护系统、监控系统、全数字变频驱动系统等组成[4]，如图 1 所示。

除驱动系统外，H 型提升机的配电及控制系统、监控系统的硬件集中在一个 +PA 操作台中，由 +PA.2、+PA.1、+PA.3 及所控元件构成一个完整的控制及显示系统，如图 2 所示。操作台内部元件如图 3 所示。

图2 一体化操作台的组成Fig.2 Constitution of integrated console

2 一体化操作台的组成及原理

2.1 低压配电及监控系统

+PA.2 为低压配电部分，斜面上设有三相数显表(PJ1)、温度巡检仪(ST1)、液压泵转换开关(SA2.1)及润滑泵转换开关(SA2.2)。三相数显表可显示三相进线电压；温度巡检仪可接入测温传感器，用来检测电动机、主机主轴及轴承等的温度，并将数据传给PLC；2 个转换开关分别用于液压站和润滑站常用及备用泵之间的选择。

+PA.2 背面内部设有低压配电相关元器件，其中AC380V 低压电源为双回路进线，经双电源开关切换后接入 +PA.2 低压配电系统。低压配电系统可为提升机的配套设备提供电源，如主电动机风机，1 号、2 号润滑泵，1号、2 号液压泵，润滑站及液压站加热器，变频传动系统控制回路，AC220V 操作机构、磁开关及 UPS 等。低压配电系统主回路如图 4 所示，其中控制电动机风机、润滑泵及液压泵的断路器选用了集电动机控制和保护功能于一体的电动机启动器，代替传统的断路器和热继电器组合，节约了安装空间及成本。

图3 一体化操作台的内部元件Fig.3 Internal components of integrated console

图4 低压配电系统主回路图Fig.4 Main circuit diagram of low-pressure distribution system

+PA.3 斜面上镶嵌有显示器，内部装有工控机及UPS 电源。工控机及显示器可完成对 PLC 程序的监控，实时记录设备运行状态，并实现故障记录、故障排查以及事故追溯等功能。UPS 可为 PLC 系统、液压站接口电路板、液压润滑站压力传感器、工控机以及其他重要外部设备提供电源，确保停电时液压站能正常动作，提升机安全制动。

2.2 操作台主体 +PA.1

+PA.1 是操作控制系统的核心，其斜面上设有数字式深度指示器及各种显示仪表，如：主进线电压表、电动机电流表、可调闸电流表、液压油压表、润滑油压表、频率表，显示各种运行方式、系统状态及故障信号的组合指示灯。另外，在台面上配有速度给定手柄和闸手柄，液压站、润滑站、风机和变频器的启停按钮，开车方式转换开关等，方便进行各种操作。

如图 3 所示，在 +PA.1 内部配置了 2 套 FX3U 系列 PLC 作为核心控制元件。FX3U 具有数字量、模拟量、高速计数等数据采集及处理功能，能满足 H 型提升机的控制需求。2 套 PLC 含 2 个基本单元(FX3U-128MR/ES-A、FX3U-48MR/ES-A)、3 个扩展输入模块(FX2N-16EX)、1 个扩展输出模块(FX2N-16EYT)、1 个模拟量输入模块(FX2N-8AD)、1 个模拟量输出模块(FX3U-4DA)、2 个 PLC 功能模板(FX3U-485-BD)和 2 个以太网通信模块(FX3UENET-L)。

FX3U-128MR/ES-A、FX3U-48MR/ES-A、FX2N-16EX、FX2N-16EYT 的输入/输出点数分别为：64/64、24/24、16/0、0/16，分别用于控制系统开关量信号的输入和输出。系统中 FX3U PLC 的 DI接口输入有：风机、液压站及润滑站的电源监视、运行状态、各启停信号，信号系统、编码器、磁开关、闸检测及各种安全保护信号；FX3U PLC 的 DO 接口控制有：风机、润滑站及液压站的各电磁阀控制信号，各设备运行保护状态及故障信号输出指示，深度指示器信号，变频器控制输出信号等。

FX3U-ENET-L 为以太网通信模块，设计时可根据用户需求选配远程监控系统。FX3U-4DA 为 4 路模拟量输出模块，用于系统闸电流、液压站及润滑站油压、PLC 速度给定信号的输出。FX2N-8AD 为 8 路模拟量输入模块，用于速度手柄、闸手柄控制信号，液压站及润滑站的油压、油温信号输入，变频器输出电流及频率信号的接入等。FX3U-485-BD 为通信模板，用于 FX3U 主从 PLC 间的通信，主从 PLC 控制系统通过 RS-485 网络实时交换运行数据，确保提升机的安全运行。

除此之外，本控制系统创新性地采用了液压站功能模块板和信号系统功能模块接口板。

2.3 系统主要功能模块

(1)液压站系统功能模块 对液压站电控功能进行模块化设计，采用自制电路板集中控制，如图 5所示。模块可实现的主要功能有：电磁阀逻辑控制、比例阀输出和电流反馈、液压泵及加热器的控制等。

(2)信号系统功能模块 因不同厂家的外部信号系统不同，矿井水平数也不同，所以该系统通过电路板集成并与 PLC 配合，用编程译码的方式使单水平和多水平统一在一块电路接口板上，如图 6 所示。

3 控制系统特点

(1)传统的提升机交-直-交变频调速电控系统[5]需要多配置一个低压电源柜，以完成对主电动机风机、液压站及润滑站的控制，并接受磁开关信号等。H 型提升机电控系统则省去低压配电柜外壳，充分利用一体化操作台左侧部分 +PA.2，实现低压配电控制。

(2)液压站系统功能模块的特点：利用 PCB 集成电路功能，可减少生产接线，降低出错率，降低元件采购成本；继电器可插拔替换；充分考虑不同电压等级的电磁阀功能，后期修改或者升级液压站时，可直接升级 PCB 电路板，减少图纸的修改量。

信号系统功能模块的特点：利用 PCB 电路板，接受厂外信号系统不受距离控制，可弥补以往提升机信号采集受 PLC 输入点传输距离限制的不足；信号电压等级适应范围宽，为 110～220 VAC。

(3)一体化操作台控制系统的设计与生产可以不需要低压电源柜到操作台之间的插接电缆距离参数，不会延误设计、生产和发货周期。低压配电部分电源监视信号在厂内通过导线直接接入主 PLC。相比传统电控系统，操作台的插接端子减为零，非插接端子、导线、走线槽、条架等也大量减少，布局更为合理，节约了工人大量工时，降低了成本。

(4)控制系统集中在一个操作台内，控制部分远离传动部分，编码器和控制电源受干扰小。操作台内强弱电分开走线，减少了电磁干扰。

(5)传统的电控系统通常将 UPS 电源设置在低压电源柜中，UPS 的启停要到低压电源柜去操作。由于距离远，司机经常忘记。一体化操作台将 UPS 安装在操作台司机的右下脚附近，方便直接启停。

图5 液压站系统功能模块Fig.5 Function module of hydraulic station system

图6 信号系统功能模块Fig.6 Function module of signal system

(6)与一体化操作台配套的驱动系统采用自制(CHIC1000 系列)或国产(如英威腾 GD300)品牌的相同功率变频器，相比采用 ABB、西门子等厂家的变频器，不仅满足了用户需求，而且大大降低了成本。

4 系统现场应用

以梨树 7 号斜井 JK-2.5(400 kW，6 kV)单绳提升机一体化操作台控制系统为例，采用 GX Works2编程软件，用梯形图对提升机控制、安全保护及电气联锁功能进行编程；采用 WinCC 软件开发了监控系统，监控画面可通过显示器将提升机运行状态以曲线的方式呈现，如图 7 所示。图中主要信息有提升机主编码器深度、测速机速度、液压压力，电动机电流、闸给定、速度给定等。项目自投入使用以来，运行稳定可靠，基本实现了无故障运转，增强了提升机的安全性，提高了提升能力。

图7 现场应用监控画面Fig.7 Monitoring interface in field

5 结语

针对现代中小型矿山企业追求经济、实用、紧凑型提升机的现状，从硬件方面着手，设计了与 H 型提升机相匹配的一体化操作台控制系统。相比传统电控系统，一体化操作台发至现场后，安装周期短，调试方便，易维护。目前，已有多套 H 型提升机及其一体化操作台控制系统成功应用于各类矿山，运行效果良好，可靠性高，获得了用户的好评。