PLC技术在矿井提升机电控系统中的应用

沈衡

摘 要：提升機作为矿井的主要生产设备，在矿井生产中具有重要地位，而控制系统又是提升机的核心部分。对控制系统的有效设计是提升机充分发挥其作用的关键。基于此，本文以PLC技术在矿井提升机电控系统中的应用为研究主题，以期为提升机的设计与使用提供参考。

关键词：PLC;矿井提升机;电控系统;应用研究

中图分类号：TD633 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）07-0039-02

0 引言

提升机的使用使矿井生产的安全以及稳定性得到增强，其作为井下的主要生产设备，具有重要地位。其中，国家颁布的《煤矿安全规程》明确规定了提升机的使用规格以及选用参数。当下，较多的矿井在生产中依旧使用交流提升机电控系统，这种形式的控制系统在经过多年的发展后已经成熟，具备其自身独特特点，但随着各行各业对机械自动化需求的不断提升，传统控制系统在使用过程中所暴露出来的问题越来越多，如继电器使用过多、电气节点过多、控制线路复杂、人工操作较难等因素都使电控系统的运行稳定性受到限制，尤其是在控制精度方面，电控系统的精度较低且运行中发生故障概率较高，使用可编程逻辑控制器（PLC）来代替传统的继电器逻辑控制系统成为近年来行业的发展趋势。基于PLC技术的新型电控系统能够替代种类繁多的继电器，可运用软件来实现设备的各项功能，相比传统的继电器控制系统，能够确保矿井提升机的运行更加稳定、安全和可靠。

1 PLC技术概述

PLC是一种工业控制计算机，被广泛应用于各类工业环境中，作为对设备的逻辑、过程控制，进行各类机械生产，该技术既有微处理器的优点又可兼顾系统检修人员的技能习惯，尤其是对于PLC的程序编程来说，用户不需要学习专门的编程语言知识，只需按照给定说明书进行程序的编制即能够投入使用。PLC技术是现代微机技术和传统PLC技术相结合的控制系统，具有程序设计简单、通讯性能强、抗干扰能力强、可靠性高等优点。

2 PLC技术在矿井提升机电控系统中的应用

2.1 整体方案

电控系统是矿井提升机的核心部分，而电控系统的核心部分又包括核心处理器与变频调速系统，在本文研究中，确定采用两套型号S7-300PLC作为电控系统的核心处理器，控制系统整体设计框架如图1所示。

该控制系统主要组成为：PLC控制箱、变频电源柜、制动电阻柜、低压配电柜、操作台触摸屏。其中，控制系统设定两套PLC控制器，一套作为自动、手动控制提升机的上升、关闭以及速度的确定，并给定安全闸;另一套PLC则主要用来实现对整个系统的监控;变频电源柜的作用是用来控制整个电控系统的运行速度;制动电阻柜是用来控制提升机的减速和动力制动;低压配电柜是用来给控制电路供电;触摸屏则用来显示相应的系统画面、仪表、指示灯显示以及通讯等功能。

2.2 硬件设计

2.2.1 PLC硬件电路

本文研究中选用西门子S7-300硬件模块，控制电路结构如图2所示。该控制系统中CPU模块包含微处理器与存储器，可以用来收集与整理提升机的状态信息，完成提升机的指令，并对操作程序以及数据信息进行存储;通信模块是为了实现PLC、I/O接口与其他设备的通信;接口模块的主要功能是进行各模块之间的数据交换;控制系统中所使用的编程设备为STEP 7，可对各种不同类型的文本程序进行编辑;电源模块是给外部设备提供电源，把输入系统的220V交流电变为24V与5V电压。

2.2.2 双PLC控制系统

使用两套PLC控制系统能够提升整个控制系统运行的可靠性。

（1）I/O接口分配。本控制系统中I/O接口信息有开关信号（数字信号）与模拟信号，其中，输入与输出开关信号为132、24;模拟信号输入、输出数量24、10个。（2）安全回路设计。使用两套安全回路系统，分别为继电器开关串联硬件和PLC软件程序安全回路。（3）电气联锁。通过设定电气联锁提升系统运行安全性。

2.2.3 变频调速装置

变频调速装置是控制系统的主要部分。本文研究中，根据矿井提升机的容量与速度要求，最终使用交直流的变频调速方案，选定西门子SM150系列作为电压源型交直流变频器。与直流调速系统相比，交直流变频调速的结构更加简单，运行效率较高，且该形式的调速系统能够满足对提升机更大容量的需求，此外，为提升提升机的调速精度，系统的变频器拓扑结构使用二极管钳位三电平，控制方式为SVP-WM矢量控制。

2.2.4 电控系统通信协议

本控制系统使用的为多接口MPI通信协议，该通信协议最大节点数32个，数据传输最快速度可达到13Mb/s，尤其在通讯数据信息使用量小的工作环境中，MPI通信效果更佳，且其经济性较好。

2.3 软件设计

控制系统所使用的软件在进行设计时均利用STEP与WinCC软件进行编程，其中，控制系统的编程方式为程序结构化，每一个程序又包含很多个子程序，对所有子程序进行独立的编写。如图3所示，该图为电控系统应用程序流程图。整个电控系统的应用程序主要涵盖提升机辅机的启闭、动作准备、安全回路以及机车操作等。

2.3.1 辅机启动

提升机和提升系统内的油泵、动力制动装置等辅机存在联锁关系，因此在进行提升机电机启动前，首先需要将系统的辅机打开。

2.3.2 提升机做准备

该准备程序是对提升机启动启闭的前提条件进行检测，即检测提辅机启动是否启动完成，系统检测到辅机启动则输出准备完成信号。

2.3.3 安全回路

该程序主要是对系统的硬件以及软件安全回路进行控制，当检测到提升机出现运行问题时，立即进行倒闸停车，并及时地闭锁报警。此外，为不影响提升机的运行，在程序内设置故障种类存储记忆，当排除提升机运行故障后即能够接触安全制动。

2.3.4 机车操作方式

机车操作方式分为两类，手动式与自动式，手动式是由人工完成，自动式则是借助PLC控制器自动对提升方向进行判断与执行。提升机方向操作流程如图4所示。

3 仿真与调试

为分析上述控制系统的实际性能，在完成硬件和软件设计基础上，构建了试验样机，并对设计的系统进行模拟运行检测。如图5所示，该图为提升机的输出电流波形，从图中能够看出，该提升机启动瞬间存在较小冲击电流，但仅需要0.1s左右，就可以达到稳定运行。表明该提升机控制系统设计、运行良好，符合提升机预期设计要求，既经济，又安全可靠，从而提高了矿井的安全运行，保证了矿井的安全生产。

4 效果评价与效益

PLC技术在矿井中的使用，可显著提升矿井提升机控制系统的可靠性，从而避免使用传统大量的继电器装置，其接线多且复杂极易造成操作人员发生误操作;另外，PLC的使用使提升机控制系统的抗干扰性以及可靠性大幅度提升，有效降低提升机故障发生概率。

5 结语

提升机在矿产生产中的使用，使矿井生产的安全以及稳定性得到增强，本文分析了PLC技术在提升机电控系统中的组成、硬件设计、软件设计等，通过仿真可知，PLC在矿井提升机中应用具有巨大优势，不仅能够提高电控系统的自动化程度，还可以大大提高提升机运行的稳定与安全性，既经济，又安全可靠。

参考文献

[1] 国家安全生产监督管理局编.煤矿安全规程[M].煤炭工业出版社，2016.

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[3] 孟伟光.PLC控制变频调速在矿井提升机传动系统中的应用[J].能源与节能，2016（06）：173-174+176.