PLC与变频技术在矿井提升机系统中的改进

陈良

摘 要

矿井提升机是矿山中一种非常重要的电气设备，素有“矿山咽喉”之称。茂名是全国的油城之一，在工业应用中也会应用到矿井提升机的控制设备，传统的矿井提升机调速性能较差，对于矿井提升机在启动、停车、逻辑控制等方面也存在一些弊端，已经不能适应现代矿井高产出、高效益的要求。PLC与变频技术作为新型的工业技术在工控领域发挥着越来越重要的作用。高功能性和高效率的控制可以在矿井提升机的控制方面发挥出更好的优势。本文就将从PLC和矿井提升机系统概述、控制系统的搭建和软硬件系统等方面展开，对PLC与变频器在矿井提升机系统进行研究与改进分析。

【关键词】PLC 变频器 智能化 高效率 稳定性 安全性

1 概述

1.1 矿井提升机系统的概述

矿井提升机系统是矿井挖掘中一个非常重要的电气设备，它的工作正常与否直接关系着矿井的生产效率。矿井提升机系统主要作用是可以把采集到的有用的矿石、煤炭和石油等物品从矿井底部运输到矿井的顶端。所以说，矿井提升机是开采矿井的“咽喉”。矿井提升机系统一旦出现故障，会直接的关系到矿井的正常生产，但是传统的矿井提升机还存在一些隐患，严重时危及人的生命。在智能控制、高效生产和安全方面也有待提高，所以需要开发新的矿井提升机系统来实现这些要求。

1.2 PLC与变频技术的概述

PLC与变频技术是当前广泛应用的一项工控自动化技术，首先，PLC的稳定性高是应用于工控自动化的原因。PLC内部自带的光电耦合器隔离了外部的电路和内部的电路，可以很好的免去外部电路对于控制器部分的干扰问题。变频技术则对它的多个速度和稳定性有较强的控制，避免了人为操作的时候出现的一些问题。因为都是智能化的控制系统，所以矿井提升机系统在设计和改进的过程中，取得了良好的应有效果。

2 系统的控制原理和整体构成

2.1 矿井提升机系统的主要组成部分和工作原理

矿井提升机系统是一个非常复杂的系统，它的主要组成部分包括：提升容器、提升钢丝绳、动力部分的提升机（包括机械部分和拖动部分）、矿井提升机的井架等固定设备。除此以外，他还需要有一些辅助的系统，比如机械传统、润滑系统部分、观测和控制系统以及制动系统。

传统的缠绕式提升机设备是一种常用的设备，它由卷筒、钢丝绳、天轮、提升容器和平衡尾绳等组成。其的工作原理是矿井提升机的动力拖动部分是安装在地面的提升机房。提供牵引动力的钢丝绳一头固定在卷筒上，另一端绕过天轮（顶端的定滑轮）之后连接到提升容器的顶端。当滚筒在电力拖动部分拖动以后就会通过钢丝绳带动提升容器部分进行上下的目的，实现人或者物在矿井中的运输。目前缠绕式矿井提升机一般应用在较浅井的矿井之中。

2.2 PLC与变频技术矿井提升机系统的构成

PLC与变频技术矿井提升机系统的系统要求主要分为两个部分，分别是主动指令控制和自动保护控制指令。

在主动的操作指令层面，管理人员可以根据现场的工作情况和实际的需要，可以通过改变各种参数来实现矿机提升机控制系统工作状态的改变。矿井提升机的主动指令操作主要包括电控系统工作状态的改变，设置预定的工作流程，让系统自动的按顺序改变工作状态。除了人为的设定系统的工作状态还可以人为的改变单个指令。比如改变系统的启动、停止、加速、减速、制动等都有对应的单个指令。系统下达指令以后通过PIC改变变频器的工作状态，实现多个速度的运行，从而实现对机械部分的控制。

另一部分是保护监视系统的指令操作。根据要求事先设定的参数，当参数不在设定的范围时，系统的保护部分会自动的下达指令，让系统采取措施，防止发生危险。控制系统的保护部分主要包括：速度监视、过卷监视、变频器监视、提升容器实施监视、过载监视和深度监视这几个部分。按照具体功能的不同，矿井提升机系统整个控制系统分为行程系统、保护系统和辅助系统三个部分。

3 矿井提升机系统的硬件构成

3.1 行程控制PLC与变频技术的硬件构成

行程的控制是一种典型的位置控制，控制的目的是让提升容器准确的停在指定的位置。典型的比较成熟的控制硬件配置是光-电增量式转角-脉冲变换器。具体的安装过程是把旋转编码器用联轴器固定在提升机的驱动轮上，这样就可以把驱动轮的转动变成电信号采集到PLC，再利用PLC与变频技术上下进程和时间、速度等进行控制，使PLC与变频技术矿井提升机系统可以正常地进行运作，如图1所示。

3.2 PLC与变频技术矿井提升机系统保护系统的硬件构成

在这部分保护系统中要注意两个方面的问题，一是电源模块的供电问题，需要电源模块可靠稳定的把220V-AC转换为24V-DC。没有稳定的电源PLC与变频器输出就不能正常的进行。另一个部分是数模-模数转化模块的质量，通过数字与模拟信号之间的转换，能够更有效、更准确的处理出PLC与变频器输入、输出的信号连接口，如果定时与计算出现了问题，那么就会造成系统的瘫痪，严重的会造成人员伤亡和机器的损坏，如图2所示。

3.3 PLC与变频技术矿井提升机系统控制部分的硬件构成

通过按钮与键盘的输入控制，利用模块之间的通信，实现数据与数据之间的转换，对PLC与变频技术的通信端口与输出端口进行控制，利用指令灯系统的与感应系统的反馈，实现系统通信、运行、报警和音频的智能控制，如图3所示。

4 PLC与变频技术矿井提升机系统的软件构成

系统主要是有三个部分构成的，这里采用的是STEP7，编程环境在这里不做过多的赘述。编程采用模块化的设计，在行程的控制部分，选择的是三个模块，分别是OB100、OB1和DB35。

其中，OB100模块的作用是用来启动的。在该模块中设置了程序的初始化指令，相关的系统参数的设置也是在这个部分设置的，类似于单片机的头文件。在上电初始化的时候，该模块被执行一次，保障系统能够正常的启动。但是这个部分只在PLC与变频技术矿井提升机系统启动的过程中执行，之后不参与程序的循环。

OB1模块为循环模块也就是常说的主程序模块，这个部分是程序运行时一直循环的过程。通过设计时的程序流程图可以知道，主程序是一个主要的循环过程，在主程序循环的过程中可以调用相关的子模块程序，SFB、SFC、FB、FC等都可以在主程序中调用出来。运用这种模块化的程序设计可以快速的设计，而且在调试的过程中可以很快的发现问题，改动的时候也不必全部的去修改。程序主要是应用在PLC与变频技术矿井提升机系统的工作与应用。

DB35是循环中断的子程序。PLC中的程序是循环执行的，要想做出什么改变的时候就需要中断了。循环的时间值设定在0到60之间，具体的设置过程需要根据实际的用户需要进行设置。程序主要应用在PLC与变频技术矿井提升机系统出现故障或问题时，相应程序应该出现有的中断或中止，终端程序需要包括有：

（1）需要根据用户当地的逻辑过程给出中断的实际值，当需要改变程序执行状态的时候就要进行中断过程。

（2）当PLC受到传感器传来的故障信号的时候要马上进行中断，并调到故障处理子程序部分。

（3）采集的数据和预先设定的数值误差过大的时候也需要调用相应的子程序模块。变频器技术则应用于频率上的控制，对时间、速度、频率上的控制与同步起到很大的帮助。

5 总结

以上是根据自己多年的PLC、变频技术的研究和应用写出关于PLC与变频技术矿井提升机系统的文章，其中包含了组成的硬件部分和软件部分的程序思路以及注意事项。这种新型的矿井提升机系统相比于传统的矿井提升机在性能上有了很大的提升，达到了智能、高效、省时、省力、安全的效果。在参与设备的设计和改造时，产品也得到了当地单位的一致好评。当然，在新环境中设计与安装矿井提升机系统设备时，因地制宜地应用不同的PLC及变频器和机械设备。本文只作为部分的参考，希望能给广大的读者带来一些帮助。

参考文献

[1]向晓汉，编著.西门子PLC工业通信完全精通教程[M].北京：化学工业出版社，2013.

[2]梁强，编著.西门子PLC控制系统设计及应用[M].北京：中国电力出版社，2011.

[3]姜建芳，编著.西门子S7-300/400 PLC工程应用技术[M].北京：机械工业出版社，2015.

[4]王建，杨秀双，编著.西门子变频器入门与典型应用[M].北京：中国电力出版社，2012.

[5]姚立波，周连平，编著.西门子变频器应用技术[M].北京：清华大学出版社，2015.

作者单位

茂名市交通高级技工学校 广东省茂名市 525000