PLC 变频器在矿山提升机控制系统中应用的分析

余汝海

（湖南安标检验认证有限公司，湖南 长沙 410004）

1 矿井提升机系统分析

1.1 矿井提升机概述

矿井提升机是沿着矿井主提升巷道提升矿石、运输材料、运送人员和设备，连接地下生产系统的最主要设备，是矿井运输的“喉咙”。这就是为什么提升机在整个生产过程中具有极其重要的地位和特别高的安全性和可靠性需求。

目前，大多数提升机采用AC 电子控制系统。传统电气控制系统的类型在开始加速度时具有大量电流，速度调节有缺陷，无论是采用时间继电器或可控硅替代时间继电器的技术，其减速和爬行阶段需要附加拖动装置。力学性能缓慢不稳定，高故障率和高能耗率，传统交流绕组转子异步电动机串电阻存在缺点。PLC与逆变器组合以校正传统的电气控制系统。通过改变定子电源的频率，成功实现了频率转换的速度，并且可以实现围绕提升机构旋转的速度规则。电动机可以根据电动机负载操作、最佳运行状态，满足特殊工作环境的需求，节能影响很明显，改进系统使用PLC 保护和监控[1]。

1.2 提升机工作原理及机械结构

1.2.1 提升机工作原理

根据目前所使用的提升钢丝绳原理，主要分为缠绕式矿井提升机与摩擦式矿井提升机。不管是哪种提升机系统，其中都包含有制动、提升、润滑、操控、安全等部分。缠绕式提升机的应用较为普遍，目前来说主要是单卷筒、双卷筒两种，其在运行中，通过动力设备将钢丝绳逐步的缠绕到卷筒上，与绞车的工作原理是基本相同的。就运行效果来说，双筒的运行提升例较大，完全可以满足不同条件的使用要求。

1.2.2 矿井提升的工作特点

矿车（箕斗）进行往复工作，完成上升和下降任务。为了应对矿山特殊的工作特性，为了确保有效，运行更具稳定性，且性能良好，确保电气系统稳定的控制，保证各项工作可以顺利的实施，促进总体运行效果的提高。

1.3 PLC 简介

可编程控制设备主要应用在工控操作环境中，其核心系统为电子计算装置。通过搭载的可编程内存模块，可以有效实现数据交互、定时、计数等逻辑命令，并通过独立的存储模块向外发送。可编程控制设备为用户提供有大量的扩展端口，可以根据实际的工控环境需求进行设计扩增。

1.3.1 PLC 的基本结构

PLC 实际上是一台专用于工业控制的计算机，其硬件配置基本上与微型计算机相同。

随着微创技术发展，其在临床上的应用越来越广泛，由于其具有创面小，对身体损伤小，术后恢复快的优点，在进行手术治疗时往往会选用微创手术[1] 。在妇科上经常进行的微创手术是腹腔镜手术，虽然它产生的创面小，但是围手术期的护理对于患者的康复同样重要，快速康复是近年来越来越成熟的一种临床医疗护理理念，较多的研究已经证明其可缩短患者住院时间，降低住院费用，已经被应于胃癌、结直肠癌、肝胆疾病、心脏疾病等，对于减轻患者手术创伤以及术后恢复具有重要的作用。

（1）中央处理单元（CPU）。中央处理器（CPU）是PLC 控制的中心。携带用户和数据程序使用类型，然后输入编程状态以检查程序员类型。检查用户程序的电源状态，内存，输入/输出和诊断错误。

（2）存储器。软件系统称为系统程序存储器。用于存储应用程序等。

（3）电源。可编程控制设备的电源模块至关重要，如果无法为系统运行提供可靠的电力支撑。PLC 系统在实际工作中就难以正常按要求运行，因为AC 电压的变化通常为±10%～15%，所以PLC 可以直接进入AC 电网。无须采取其他措施。

1.3.2 PLC 的基本特点

（1）高可靠性，抗干扰能力强。通过编程实现逻辑序列和定时，可以最大限度地提高传统继电器系统的硬件电路。这具有许多机械触点和许多连接。从这个角度来看，显然PLC 比二级系统更好。从干扰性能的角度来看，PLC 考虑了结构设计，内部电路设计和系统程序。

（2）高柔韧性和控制系统具有出色的灵活性。部分调整和变更制造过程和过程通常仅根据子通道调整PLC 程序或校正控制系统。

（3）编程简单，易于使用的第一编程语言（梯形图）是一个图形化的编程语言，使用电气控制卡与工业区，它非常适合在现场学习。

（5）简单维护。PLC 具有完整的故障诊断功能，可根据设备上提供的故障信息轻松找到故障源。

（6）体积小，功耗低。软件核心逻辑操作可以大大节省继电器的数量和一个计时器。对许多继电器等于许多继电器的小PLC 也减少了操作系统的能耗。

2 提升机PLC 自动化控制系统

2.1 对提升过程方面的控制

PLC 的优势主要如下4 点：控制性能好、接口强、功能完善、操作简单，可以满足多种条件下应用的需要。从矿山提升设备的运行情况来看，上升阶段中大多是以PLC 系统为控制核心。其应用方式较为便捷，数据处理效率较高，同时还能进行实时监控和故障诊断等功能。这类功能均无法通过模拟方式实现。

矿用提升机PLC 电控系统的作用就是实现系统，让系统按照操作者的指令进行控制，完全符合运行的要求。通过该系统控制提升机的启动、运行、停车等运动，并且可以保护系统运行的安全性，达到运行的要求。同时，还能够实现安全防护，即在系统出现安全隐患的情况下，能快速的停止运行，以免产生严重的危害和不利的影响。为了能够使得PLC 控制系统运行效果合格，一般都需要设置保护系统，在关键部位上设置监测点，随时了解运行的情况，建设多通道、多元件，发挥出软件和硬件的运行效果，进而达到系统保护的效果，及时发生严重的故障问题，也不会造成巨大损失。

2.2 对提升行程方面的控制

从理论来说，提升设备的操作过程是针对位置进行调控，为了保证提升过程中矿车可以在预定位置停止，所以需要尽可能提升控制的精准性。目前控制系统可以将实际误差缩小到2cm 以内。PLC 系统在进行控制操作前，能够先完成各种传感信号的采集，例如，对钢丝绳松紧度的测定、停车位置确定以及滚筒运行速度等参数。在运行过程中对这部分信号进行解析，就可以实现系统保护，并达到预期的精度要求。

2.3 对提升全过程的监测情况

提升设备在对控制系统进行自动化改造升级后，能够进一步提升可靠度，所以如何进行提升设备的运行过程监测就显得尤为关键，这也是目前提升设备的主要研究方向。提升设备运行时可以利用PLC 系统对相关数据进行实时测定，主要包括以下3 个方面：①实时测定提升过程中不同模块的运行状态；②实时测定扩展设备的运行状态；③实时测定传感模块的采集信号。

根据监测到的以上数据，大部分异常均可以在出现前就得到有些解决，防止事故影响扩大化，并且还能存储各类监控数据，发送到交互界面中显示，有利于用户和控制员进行异常诊断和处理[2]。

3 矿井提升机变频调速系统的设计

3.1 矿井提升机对电气控制系统的要求

变频调速控制系统的设计主要针对提升机的行程控制、制动控制以及操作控制三部分。控制系统计划的选择应符合生产过程的要求。基于行程控制实现了变频调速系统对不同阶段提升机速度的控制，对避免提升机过卷、过放、脱轨等事故的发生具有显著意义，因此，必须首先分析提升机电控制系统的静态和动态特性。因为提升系统的负载是潜在负载，所以静电功率模式始终是提升重量的重力方向，与系统的运动方向无关。为了按照给定的速度图操作提升机，电动扭矩可以是正的或负的。这意味着电动机不仅适用于电力，而且在制动条件下工作，电机操作条件不同于负载和其他操作。基于升降机的操作特性和矿井生产的固有特性，机构控制系统的要求如下：

（1）它具有良好的速度调整性能。速度需要稳定，易于控制，范围广，可以满足各种操作模式和改进阶段（加速，减速，等距，爬行等）的需求。

（2）启动性能更好。提升机与需要稳定运行的机器不同。如果系统正在运行，则无法添加，因此，它必须能够重新启动，过载容量很高。

（3）特征曲线必须困难。当负载变化时，速度速率没有受到影响。如果负载低，则负载不同，这会影响系统的正常操作。当然，负载超过某些限制，并要求系统有效地自保。必须具有快速安全的制动器停放挖掘机的机械性能。

（4）它很容易转换。它可用自动，半自动，手动，检测绳，调整转换，易于操作，灵活，不会导致工作模式转换。

3.2 系统总体设计

基于PLC 控制的大功率矿井提升频率控制系统由主控系统、变频系统、液压站、润滑站、操作台、安全监测系统组成。

各部分功能如下：

（1）主控系统。系统主系统采用集成的高速计数输入和专用高速计数模块组合，收集分别安装在曲轴、辊轴和日轮上的四个编码器的数据，同时监控速度、深度，确定松绳；编程符合自动、半自动、手动、钢丝绳检定、钢丝绳调整等工作方法，易于转换；满足提升阶段稳定作业的需求，例如加速、减速、固定速度、扫描等。

（2）变频调速系统。速度控制系统在逆变器的帮助下具有优异的性能。矢量控制技术适用于系统特点，以实现双线保护，如矿井步骤的要求，如绞车，速度，延迟，速度限制等。在逆变器系统中，制动控制信号被执行到PLC，并且仅逆变器的输出耦合必须达到一定值，才能释放制动器，避免轴升程启动时发生打滑现象。

（3）液压站。为了制动盘提供制动力，液压站在停车时为滚筒提供机械动力。当绞车开始时，启动液压站压力供给，然后抵消机械制动并防止事故，确保系统和可靠的操作。

（4）操作台。控制台设置给定辅助速度和制动调节的两个控制柄。它是整个运输系统控制矿山升降机，设定系统运行和控制的核心，可以释放一系列系统控制指令，用于控制功能，如启动，加速，平滑操作和减速。

（5）安全监测系统。这允许操作员，控制系统和传输系统链接来实现各种操作参数，操作条件，故障参数和运输系统的在线监控。

3.3 PLC 控制程序设计

PLC 主程序全系统初始化，自检，故障诊断，速度控制系统控制和安全性。当系统开始切换时，PLC 的第一个缩写主要用于HSO 和HSC1 高速计算单元：写入文字，确定控制模式，清除，写入设置，设置中断时间，中断连接并开始计数。然后完成自检和第一个位置。当已收到分配时，可编程控制器是S 振动筛的速度。当PLC 从传感器接收外部控制信号时，开关，频率转换误差关闭，并且PLC 控制程序关闭，并且PLC 控制程序进入相应的中断处理程序，全速保护，超高值，过载和绳索保护。你愿意。机定位和速度监测，增加变频器故障监测等，可以将其传输到相应的问题错误处理模块，并且通过警报循环或安全循环实现制动器的停车保护[3]。

3.4 PLC 系统抗干扰的主要措施

PLC 系统抗干扰的措施如下。

（1）屏蔽电缆用于获取数据。屏蔽电缆层接地，并可增加多芯电缆的脊椎端部，可增加防护效果，并且可以扩展芯线之间的干扰。如果需要，可以使用具有屏蔽层的输入/输出信号电缆。加大与干扰源电缆的距离，达到导体直径40 倍以上时，干扰程度就不太明显。

（2）信号电路彼此连接，并且不能分开输入信号线，输出信号线和电力线。安装在机柜底部的电缆连接。

（3）必须保护和接地所有机柜，控制台等。应在机柜中提供独立的接地端子，用于可编程逻辑控制器DC接地、机柜安全接地和电缆屏蔽接地，这些端子直接和系统内没有接地的电路板实现电气隔离。电源柜是重要的部件，其主要的作用就是给系统提供电源。电缆部分的接地是通过变频器来实现的，根据需要在系统内设置专用的端子进行接地，不会和其他部分的接地端子同时应用，同时还要尽量选择较小的接地电阻，通常在100Ω 以内。

（4）PLC 柜的电缆应远离可能导致电磁干扰的设备。通常来说，把控制电缆和主回路电缆或者其他动力电缆采取分开设置的方式，其间距必须不能小于30cm，有些特殊情况可以在10cm 以上，如果因为某些因素导致无法分离设置，必须把控制电缆穿过铁管铺设。导体绞合需要有效的控制，间距越小的情况下，铺设的距离也就会越短，其抗干扰性会越发明显。

（5）可以使用多核电缆发送相同的水平信号。这就是为什么必须单独发送数字信号和模拟信号。具有低电平的信号线必须与其他信号线分离。

4 结语

本文主要探讨了使用可编程控制器和变频器来改善矿井提升机的运行状态的相关设计方案。通过这种设计，可编程控制器的应用可以保护和监控系统的运行，使系统更安全可靠。控制过程自动化程度更高，升精度大幅度提高，系统操作简单、维护方便。在运行期间，根据提升的负载，电机可以达到最佳的工作状态，满足复杂特殊工作环境的工作要求。