变频调速提升机PLC的控制设计研究

朱相羽 徐昕炜

摘 要：我国的矿井提升机控制系统主要采用继电器-接触器进行控制。这种控制系统存在可靠性差、操作复杂、故障率高、耗能高、效率低下等缺点。采用PLC与变频器相结合的方法对控制系统进行改造，十分必要。本文把可编程控制器（PLC）与变频器应用于提升机控制系统上，根据提升机的多段速运行方式，结合所需硬件进行选型，其中包括可编程控制器、变频器、光电旋转编码器和光电传感器。设计主回路和控制回路，并画出端子接线图，进行软件编程。采用可编程控制器（PLC）与变频器相结合的控制系统可以提升提升机工作的可靠性，简化操作，节约能耗，提高效率，减少故障。

关键词：提升机；PLC；变频调速

中图分类号：TD633 文獻标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）02-0050-03

Abstract：The traditional mine hoist control system mainly adopts relay contactor control. This control system is poor reliability，complicated operation，high failure rate，power consumption，low efficiency of faults. It is necessary to adopt the combination of PLC and frequency converter to control system. In this paper，the programmable controller and frequency converter applied in the hoist control system，according to the requirements of the hoist running characteristics，combined with the required hardware selection，including PLC，frequency converter，photoelectric rotary encoder and photoelectric sensors. The main circuit and control loop are designed，and terminal wiring diagrams are drawn up for software programming. The control system combined with programmable logic controller（PLC）and frequency converter can improve the reliability of hoist，simplify operation，save energy consumption，improve efficiency and reduce faults.

Keywords：hoist；PLC；frequency control

0 引 言

提升机在生产生活中应用广泛，大型提升机普遍用于矿山生产。我国的提升机系统通常采用继电器-接触器进行控制，在电动机转子回路串接电阻进行调速。这种控制方法可靠性差、操作复杂、故障率高、耗能高、效率低下。

1 国内外研究现状

目前国内的拖动方式主要有两种：交流拖动方式，我国提升机基本采用串电阻调速的交流拖动方式，采用改变转差率s的调速方法，调速的效率低，耗能高；直流拖动方式，我国提升机控制系统的两种分系统主要采用直流拖动，晶闸管-直流电动机系统和直流发电机-直流电动机系统。未来的研制与发展可以使可编程序控制器（PLC）在工业控制系统的应用越来越广泛，采用PLC控制，硬件接线简洁、软件编程灵活性强、调试系统方便、维护量小，应用PLC对提升机的控制系统进行改造将成为将来的重点研究方向。

国外的主流拖动方式有晶闸管-电动机直流低速直联拖动系统，此类系统的优点在于：总效率高，电能消耗少；单机容量大，适用范围广；调速平滑，精度高；安全可靠；节电明显。缺点在于：功率因数低；无功冲击大。交流变频调速同步机驱动提升系统。此类系统的优点在于：提升容量大；电机可靠运行和降低运行消耗；功率因数高，节省电能；系统可在四象限平滑过渡和无级调速；同步机的价格低，消耗小；调速范围宽。因此，变频同步机拖动调速系统会是是大型提升机拖动的必然发展方向。

2 提升机主体结构

2.1 提升机系统的主体结构

变频调速提升机PLC控制系统的主体结构如图1所示，图中包括动力装置，变频器，PLC，控制系统四大部分。

2.2 提升机系统各阶段速度图分析

提升机系统各阶段速度如图2所示。

t1阶段：货仓在井下装好货物后，将信号传送到操作台，操作人员将信号反馈井底无误后，就开机提升箕斗，电机启动后，以加速度a0加速到v1，加速时间为t1，此时变频器频率为设定值f1。本文中设定的频率值为20Hz。

t2阶段：以加速度a1加速到v2，加速时间t2，此阶段为主加速阶段，此时变频器频率达到设定值f2。本文中设定的频率值为50Hz。

t3阶段：主提升阶段，箕斗以最大提升速度v2等速运行上升，电动机保持电动状态。

t4阶段：主减速阶段，箕斗快到井口时减速运行，减速到v3。此时变频器频率达到设定值f3。本文中设定的频率值为10Hz。

t5阶段：爬行停车阶段。到达停车位置后，变频器立即停车，箕斗减速到零。下降过程与上升过程运动状态一致，只是方向相反。

3 提升机系统的硬件及接线

3.1 变频器的选用

变频器选用德国西门子公司研发、生产的交—直—交方式变频器系列MM420通用变频器。西门子MM420是用于控制三相交流电动机速度的变频器系列，变频器电路端子如图3所示。

进行主电路接线时，情况如表1所示。变频器模块面板上的L1、L2、L3插孔接三相电源，三个电动机插孔U、V、W连接到三相电动机。MM420变频器模块面板上引出了MM420的数字输入点：DIN1（端子5），DIN2（端子6），DIN3（端子7）和内部电源+24V（端子8），内部电源0V（端子9）。以及模擬量的输入端口：AIN+（端子3），AIN-（端子4）。

当变频器处于外部端子控制时，可由PLC控制变频器的启动/停止以及变速运行等。

3.2 PLC的选用

PLC选用的是西门子公司生产的S7-200系列。西门子S7-200系列是超小型化的PLC，在工业制控领域中有十分重要的地位。S7-200系列PLC结构紧凑，拓展性良好，指令功能强大，价格低廉，是现在各种控制工程的理想控制器，有着广泛的应用。

3.3 提升机控制系统的控制回路

提升机系统控制回路如图4所示。

图中I0.0、I0.1为光电编码器的输入端。I0.3、I0.4、I0.5分别为系统的上升、停止以及下降按钮。当按下上升按钮后，箕斗开始加速上升，到达光电开关1的位置，I0.6工作，箕斗开始第二段加速过程，到I0.7后，箕斗开始匀速上升，上升至I1.0开始进入第一段减速，到I1.2进入第二段减速，直至I1.3停止运行。下降过程和上升过程运行状态一致。

Q0.0、Q0.1输出给变频器的是电机运行的相序信号。

拓展模块EM235中的电压，电流分别通过电流互感器和电压互感器测电机转子电压、电流，然后通过电压变送器和电流变送器送到PLC的模拟量输入模块。V0，M0输出的是不同时间段不断变化的频率转化为变频器能识别的不断变化的电压信号。

控制系统中PLC的输入输出端子号如表2所示。

4 结 论

可编程控制器（PLC）是工业控制中新一代通用机型，其通用性强、使用方便、可靠性高，运用在提升机系统中已成为必然。可编程控制器（PLC）是综合计算机技术、自动控制技术和通信技术研制出来的工控装置。采用PLC控制，硬件简洁、软件灵活性强、调试方便、维护量小，PLC技术己经广泛应用于各种提升机控制中。

变频调速是逐渐发展起来的自动控制技术，它利用变频器改变电动机的电压频率，实现了交流电动机的无级调速，在运行过程中均有很高的效率，节能明显，安全可靠。

采用可编程控制器（PLC）和变频器对电动机进行调速控制，使用方便、可靠性高并且经济效益显著，广泛应用广泛。因此，应用PLC和变频器对提升机的控制系统进行改造，将成为提升机未来发展的主要方向。

参考文献：

[1] 张兴，杜少武，黄海宏.电力电子技术 [M].北京：科学出版社，2010.

[2] 李明河.可编程控制器原理与应用 [M].合肥：合肥工业大学出版社，2009.

[3] 徐文尚，陈霞，武超.电气控制技术与PLC [M].北京：机械工业出版社，2011.

[4] 阮毅，陈伯时.电力拖动自动控制系统 [M].北京：机械工业出版社，2010.

[5] 王树.变频调速系统设计与应用 [M].北京：机械工业出版社，2004.

[6] 陈伯时，吴子岳.交流调速系统 [M].北京：机械工业出版社，2007.

[7] Mclennan J，Deutsch C. New Technology for Hoist Conveyance Monitoring and Analysis [J].Canada：CIM Bulletin，2002：78-83.

[8] Siemens A G.Working with STEP7 V5.2 Getting Started [M].2002.

[9] HE Yongyi，GUO Xizhang，A Control System of Material Handlingin FMS [J].Journal of Shanghai University，1997（1）：55-58.

[10] Development of PLC-based Tension Control System [J].Chinese Journal of Aeronautics，2007（3）：266-271.

作者简介：朱相羽（1994-），男，汉族，安徽泗县人，硕士，研究方向：半导体纳米材料；徐昕炜（1995-），男，汉族，安徽潜山人，本科，研究方向：电气工程及其自动化。