矿井提升机PLC电控系统研究(1).pdf

2019 年 07 期 165 技术与应用 矿井提升机 PLC 电控系统研究 ■ 刘昊 淮南矿业集团谢桥煤矿绞车一队 安徽阜阳 236221 摘 要为了确保矿井提升机平稳运行，对提升机的控制系统进行了理论分析。PLC 电气控制系统集硬件、网络、软件于一身，数据采集、 过程控制和信息传递、存储与利用为一体，功能齐全，控制效果理想。根据 PLC 控制原理，设计了 PLC 控制系统结构、程序、流程。PLC 电控系统运用于矿井提升机试验，经试验表明，PLC 控制下的矿井提升机运行稳定，有效保障了提升机的安全性。 关键词提升机；PLC 控制；硬件层；软件层 引言 在矿井的生产过程中，需要大量的矿井上下人员、物资等的运 输，这些繁重的运输任务通常是通过煤矿提升机完成的。提升机在 正常工作过程中的特点是负荷变化大、速度变化大、运输距离远。 由于煤矿提升机连接的是井上、井下两个部分，在不断的上下运动 中， 电机需要频繁地进行正反转， 对提升机电控系统具有很高的要求。 本文在对矿井提升机的电控系统改进中，首先分析矿井提升机的系 统性能，然后，对提升机的硬件系统、调速系统进行优化设计，使 得煤矿提升机能够频繁升降，并且具有更高的定位精度和可靠性。 1 提升机电气控制系统概述 目前，采煤场使用的电气控制系统比较简单，包括 2 层网络和 3 层设备，也就是俗称的“32”网格系统。其中，3 层设备主要为 执行层、 控制层和管理层。 执行层主要是PLC的输出端或者是接口区， 包含的设备有执行器、传感器以及一些大型设备。控制层主要是对 系统起到控制的作用，包括控制器、PLC 等设备。管理层属于整个 系统的核心部分，主要构成有操作站、工程师站等。两层网络主要 为控制网和监控网，控制网是控制端和现场设备之间的桥梁，主要 交换数据和传输信息，监控网是操作端设备与控制端设备之间沟通 的桥梁，主要完成二者之间的信息交流、互换。（1）DCS 实时数据 库在 PLC 系统中，DCS 是其常用的数据库，该数据库具有一定的实 时性，可以保证在任意时间内，系统用户得到的数据值一致。数据 的一致性、安全性可以保证系统的稳定性。（2）PLC 控制系统 PLC 系统的设计相对简单，可以实现机电设备的一体化，同时可以对底 层设备进行分散化的控制。通过这种方式，可以提高控制系统的可 靠性。同时，对于 PLC 下设的各个子站而言，可以利用接口进入到 DCS 中，最终保证系统数据具有统一性、可靠性。（3）工程师工 作站对于控制系统而言，对工程师工作站的要求较高。其中控制工 程师需要按照实际的生产要求，对生产工艺和设备进行分析，最终 制定约束条件，确定操作参数。同时，工人可以在工程站学习，进 行模拟培训，最终掌握对系统的维护流程。（4）操作员工作站在 控制系统中，操作员工作站的设计比较复杂，往往需要包含应用数 据、人机界面、变量控制等操作。操作人员需要观察工作站中的画面， 来对控制回路的运行状态进行监控。同时，根据受控参数，可以了 解各个变量的发展趋势。对于操作人员而言，该工作站是其进入控 制系统的有效方式。 2 矿井提升机硬件设计 2.1 PLC 电源回路设计 煤矿提升机的安全运行对于煤矿生产具有重要意义，特别是煤 矿的副提升机，在煤矿生产中，主要进行工作人员和部分工作材料 的运送， 当提升机出现故障时， 将会威胁到矿井工作人员的人身安全， 因此，为了保障 PLC 控制器的正常运行，在 PLC 的供电端采用双电 源供电的设计，一路为供电电路，一路为备用电路，当供电端出现 故障时，备用电源自动进行切换，高压换向电制动切换柜的主要作 用是给提升机电机定子绕组供电。 2.2 电流监控电路 在矿井提升机的工作过程中，需要对矿井提升机的电机电流进 行检测，判断电机的工作状态，根据电机的电流值也可以判断提升 机的负载重量是否超过额定值。利用电流互感器可以将电机上的强 电电流转换为控制器可以采集的弱电电流。电流互感器安装在电机 接触器的下端，采集每一条支路上的电流数据。在煤矿提升机的工 作过程中，如果出现过载、断相等相关故障时，电气信号将会被控 制器采集，进而控制继电器工作，发出预警信号，提示工作人员进 行处理。 3 变频器抗干扰设计 随着功率晶体管的大规模发展与应用，交流电动机的变频调速 技术日趋完善，在煤矿提升机的调速系统中，利用变频调速技术， 可以增加提升机速度调节的平滑性，实现无极调速，并可以根据负 载大小和提升机电机的运输能力灵活调节速度，提高电能利用效率。 为了提高变频调速系统的稳定性，本节针对煤矿井下的干扰，结合 变频器的结构和工作原理，设计抗干扰方案，对煤矿提升机的变频 调速系统进行优化。 3.1 变频器结构 煤矿提升机的变频器主要由以下四个部分组成整流器、中间 环节、逆变电路、控制电路变频器，在三相变频器中，整流电路一 般由三相全波整流桥组成，其主要功能是将输入的交流电转换成直 流电，并给控制电路和逆变电路提供电源；一般整流器产生的直流 电压或者电流中，含有大量的纹波，纹波频率为电源频率的整数倍， 变频器的中间环节主要实现滤波功能，通过大容量的电解电容，对 输出电压进行滤波；逆变器由六个半导体开关器件组成。通过控制 主开关元件的通断， 可以输出任意频率的三相交流电给提升机的电机。 3.2 抗干扰措施 变频器的干扰主要来源为电源输入接口处引入的干扰，电源噪 声的种类包括电压浪涌、下陷；尖峰电压；射频干扰。变频器电源 抗干扰措施包括①利用交流稳压源，防止电源中的过压与欠压； ②增加隔离变压器，隔离变压器的初级、次级线圈之间包含屏蔽 层，可以提高共模抗干扰的能力；③利用低通滤波器，滤除高次谐 波，改善电压波形。改进布线方式，减少线路干扰对变频器的影 响，主要措施包括①信号线缆与动力线缆分开敷设，间隔距离大 于 20cm；②数字信号和模拟信号的线缆采用屏蔽线缆，并保证屏蔽 层两端接地 ； ③在变频器和煤矿提升机的电机之间增加正弦波滤波器。 4 提升机 PLC 电控系统试验 在 PLC 电气系统的控制下，对提升机进行了试验，发现如果电 机过载，或者发生了堵转，则其实际工作电流会超过额定电流，同 时会出现 12s 的延时，这即为堵转保护。在实际工作中，当电机的 工作电流达到额定电流的 1.6 倍时，则会出现 8s 的延时，这即为 电机过载保护。经过试验发现，该功能的使用正常。在每个行程中， 提升机在井筒中，往往会经过两个校核点。如果在校核位置上没有 出现相应的动作，则系统会报距离损坏故障。如果在校核点的位置 中，提升机的速度过快，超过了设定值，则会报超速故障。经过试验， 可以发现电控系统的运行正常。包括故障保护、全速急停等试验都 为正常状态。 5 结束语 矿井提升机电气控制系统为执行层、控制层和管理层三层，控 制网和监控网两层网络， PLC电气控制系统集硬件、 网络、 软件于一身， 自动化解决方案、参数检测、数据采集、过程控制和信息传递、存 储与利用为一体。 简单分析PLC控制原理， 设计了PLC控制系统结构、 程序、 流程， 在矿井提升机运行中使用了PLC控制系统。 经试验表明， PLC 控制下的矿井提升机运行稳定，PLC 电控系统保护功能齐全且 正常，保障了提升机的安全性。 参考文献 [1] 宋志雄 . 基于“互联网 ”的智能配电网运维技术的探讨 [J]. 科 技创新与应用，2018（36）135-136. [2] 范李平，张晓辉，苏伟 . 一种新型变电站智能运维平台的设计及 应用 [J]. 电气开关，2018，56（05）100-102. [3] 彭辉，郑小娟 . 信息技术背景下如何提高配电网运维技术水平 [J]. 科技经济市场，2017（08）49-51.