基于PLC 实现提升机变频调速控制系统的设计与仿真

明 澍

（山西焦煤集团有限责任公司西山煤电矿业公司， 山西 太原 030000）

0 引言

提升机是煤矿实现综采工作面和地面的关键设备，其提升效率、运输安全性和可靠性对煤矿生产尤为重要。提升机传统主要采用转子串电子调速的方式对其进行控制，在实际应用中该种控制方式主要表现为调速曲线不平滑、提升机停车定位不准确等问题，对运输效率和提升安全性造成了极大的影响。变频调速可实现提升机的无级调速；同时，变频调速还可根据工况对提升速度进行实时调整控制，达到节能的目的[1]。鉴于此，将基于PLC 实现提升机的变频调速控制，并对调速控制效果进行仿真分析。

1 提升机概述

针对运输对象的不同，煤矿生产中的提升机分为主井提升系统和副井提升系统。其中，主井提升系统主要用于对煤炭进行运输；副井提升系统主要用于对人员和物料的运输。总的来讲，提升系统主要包括有拖动系统、提升容器、钢丝绳、天轮以及装载设备等，提升系统的简图如图1 所示。

图1 提升系统简图

根据实际提升运输工况，提升机控制系统实现对提升容器的加速、减速、匀速、爬行以及制动停车等六种控制状态。对于提升机控制系统而言，旨在保证提升机能够根据实际工况对将设备控制在最佳、最合理的运行状态，核心是保证设备的运输效率和安全性可靠性。提升机控制系统需满足如下要求。

1.1 实现对提升机速度的精准控制

根据《煤矿安全规程》的相关规定，为保证提升的安全，针对不同的提升对象其对应的提升加速度、减速度需合理。当提升人员时，加速度和减速度不得大于0.75 m2/s；当提升物料时，加速度和减速度不得大于1.2 m2/s。

1.2 实时显示功能

基于提升机控制系统可实时对设备的提升速度、运行方向以及实时位置进行显示，确保操作人员可直观掌握提升机的工作状态[2]。

1.3 高灵敏度的制动系统

要求提升机控制系统可实现提升机的稳定制动停车；且在遇到突发情况时实现提升机的紧急停车[3]。

2 基于PLC 提升机变频调速控制系统设计

本节将结合提升机变频调速控制系统功能需求和要求，完成其关键硬件的选型和设计。

2.1 变频器的选型

变频器是实现提升机根据工况对其电机转速进行实时精准调速的关键器件，从而实现对提升速度的无级调速。变频器主要包括有辅助控制单元、进线单元、滤波单元以及供电单元等。变频器选型的主要依据为与其配套电机的参数。

本文所研究提升机所配套电机的具体参数如表1 所示。

表1 提升机电机关键参数

变频器的功率为电机功率的1.1 倍，即变频器功率为280 kW×1.1=308 kW，圆整为310 kW；变频器电流为电机额定电流的1.5 倍，即变频额定电流为35.2 A×1.5=52.8 A。综合上述功率和电流的两项关键指标，最终确定选用变频器的具体型号为71 系列变频器。

2.2 PLC 控制器的选型

PLC 为实现变频器调速的核心，在实际应用中PLC 将结合所采集到的提升机实时运行状态并在相应控制策略的基础上得出针对性的控制策略[4]。因此，PLC 控制器选型时需根据其输入、输出的需求配套相应的输入/输出模块型号及数量；根据数据处理量确定配套的CPU 型号及数量。

结合提升机变频调速的控制需求，CPU 输入点包括电机轴编码信号、下过卷复位开关等9 个；安全回路模块输入点包括有调绳信号、闸瓦磨损信号等8个；制动模块输入点包括制动油压过中继、润滑泵运行反馈信号等13 个；模拟量输入点包括制动角位移信号、电机电流信号等8 个；其他输入点包括提升重物、松绳开关、故障复位信号等24 个；CPU 输出点包括等速段超速指示、深指失效指示灯信号9 个；其他输出点包括有语音报警、减速点打铃、制动泵控制输出信号等25 个。

如表2 所示为S7-300 系列PLC 控制器所配套的相关模块型号及数量。

表2 S7-300 系列PLC 配套模块型号及数量

2.3 变频调速控制策略设计

为实现对提升机高灵敏、高精度和高响应速度的控制，本文所设计的变频调速控制采用三闭环运动控制系统，包括有对提升机位置、速度以及电机力矩的控制，控制框图如图2 所示。

图2 三闭环变频调速控制

如图2 中的位置控制器主要对提升容器的位置进行实时控制，实现对提升容器的精准停车；同时，位置控制器的输出结构可作为速度控制器的输入[5]。速度控制器主要是对速度实现精准控制，同时速度控制器的输入可作为力矩控制的输入。力矩控制主要是提升机电机输出转矩进行控制。

该提升机变频调速控制采用模糊PID 控制策略实现上述的三闭环变频调速控制。基于模糊PID 控制策略实现对提升机位置、速度和力矩的闭环控制。根据提升机的运行工况和控制需求，对模糊PID 控制器的比例、积分、微分三个环节中的系数进行确定。基于Simulink 建立的模糊PID 控制模型如图3 所示。

图3 模糊PID 控制器仿真模型

经仿真分析，基于模糊PID 控制器可实现对变频调速系统快速响应、低超调量的控制。模糊PID 控制器和PID 控制器控制效果对比如表3 所示。

表3 模糊PID 控制器和常规PID 控制器控制效果对比

如表3 所示，采用模糊PID 控制器对应控制系统的超调量可忽略不计；且系统达到稳态的时间远小于常规PID 控制器。同时，在整个控制过程中基于模糊PID 控制器并未出现振荡现象。

3 结语

提升机承担着地面与井下的原煤、人员、物料以及设备的运输任务，但是，提升机传动串子电阻调速控制系统属于有级调速，无法对提升容器进行精准定位并停车。为此，本文基于变频器和PLC 控制器为核心设计了变频调速控制系统，并结合提升机的调速控制要求和需求，确定采用基于模糊PID 控制的三闭环变频调速控制策略实现对提升机的低超调量、快速响应的控制效果。