基于PLC的煤矿提升机控制系统设计.pdf

2020 年第 8 期2020 年 8 月 煤矿提升机主要负责矿井上下之间人员和货物的 运输工作，具有运输时间短、效率高的优点，是矿井 的主要运输工具之一[1]。随着科学技术的发展，煤矿生 产速度加快，对矿井的运输工作提出了更高的要求[2]。 目前，国内大多数煤矿提升机采用传统的继电控制方 式，技术相对落后，无法保证提升机工作的安全性和 可靠性，对工人的生命安全和煤矿的生产效益造成影 响[3-4]。本文对提升机控制方式进行优化，设计了一种 基于 PLC 的煤矿提升机控制系统，采用变频控制方式， 不仅提高了系统的可靠性和安全性，还具有一定的节 能效果，为煤矿带来长远的经济效益。 1提升机控制系统设计 煤矿提升机主要组成部分包括执行机构、减速器、 制动装置、润滑系统、电控操作系统和自我保护系统 等[5]。执行机构主要指提升机的主轴、卷筒、轴承和轴 承座等机构，在运行过程中，由钢丝绳向卷筒传递拉 力，工作机构承担这部分拉力并转换为负载所需的力 矩；减速器的主要作用是降低转速，提升扭矩，利用 齿轮调速的方式，调节提升机所需的力矩；制动装置 主要指盘式制动器，是提升机减速刹车的执行机构， 保障减速命令发出后，提升机可以安全稳定地完成刹 车；润滑系统是机械设备所不能缺少的关键机构，负 责向提升机设备输送润滑油，降低部件之间的摩擦阻 力和冷却各机械设备；电控操作系统负责提升机的自动 控制，根据深度传感器、速度传感器的数据，工作人员 可以了解到提升机的实时位置，并通过操作系统向提 升机发出各种控制命令，完成提升机的启动、加速、减 速和刹车等动作；自我保护系统可实时监测处理提升机 的各项运行数据，如果发生超速和过卷等故障，启动系 统，保障提升机的安全[6-7]。 提升机控制系统的结构框图如图 1 所示。本文所设 计的提升机控制系统以 PLC 控制单元为核心，采用变 频调速的控制方式，实现对提升机启动、加速、减速、 刹车等动作的控制。该系统适用于矿山竖井、斜井等提 升场所，以液晶触摸显示屏为人机交互界面，配设有编 码器、电压和电流采集电路以及各数据采集模块，实现 对提升机运行数据的监测。 图 1提升机控制系统的结构框图 2控制系统硬件设计 2.1主控操作台设计选型 主控操作台是整个提升机控制系统的核心设备，主 收稿日期2020-03-06 作者简介苏俊英，1984年生，女，山西祁县人，2013年毕业于辽 宁工程技术大学电气工程及其自动化专业。 基于 PLC 的煤矿提升机控制系统设计 苏俊英 （ 山西西山煤电股份有限公司马兰矿，山西 古交 030205 ） 摘要 针对国内大多数煤矿提升机采用继电控制方式的情况，提出了一种基于 PLC 的提升机变频调速控制系统。首 先对提升机的主要结构进行了介绍，提出了控制系统的总体结构；其次研究设计了系统的硬件结构，主要对系统的主控 操作台、变频器、供电电路和自我保护模块进行了选型与设计；最后设计了系统的软件主程序流程。该系统具有一定的 节能效果，可满足煤矿生产需求，保障生产效率和工人的生命安全。 关键词 煤矿提升机；PLC；变频调速；控制系统 中图分类号 TD633文献标识码 A文章编号 2095-0802-202008-0105-02 Control System Design of Mine Hoist Based on PLC SU Junying Malan Coal Mine, Xishan Coal Electricity Group Co., Ltd. of Shanxi, Gujiao 030205, Shanxi, China Abstract Aiming at the situation that most domestic coal mine hoists adopt relay control mode, this paper proposed a PLC-based hoist frequency conversion and speed control system. Firstly, it introduced the main structure of the hoist, and put forward the overall structure of the control system; secondly, it studied and designed the hardware structure of the system, mainly including the selection and design of the main control console, frequency converter, power supply circuit and self-protection module of the system; finally, it designed the main program flow of the system software. The system has a certain energy-saving effect, can meet the needs of coal mine production, ensure production efficiency and workers life safety. Key words coal mine hoist; PLC; frequency conversion and speed control; control system （总第 179 期） 技术研究 电动机 控制柜 变频器 编码器编码器 减速器滚筒 显示屏 操作台 井筒信号 液压站润滑站 PLC控制单元 105 2020 年第 8 期2020 年 8 月 要组成部分包括 PLC 核心控制器、功能扩展模块、液 晶触摸屏等其他电气元件。该系统的主控操作台通过 与各信号采集模块、自动控制模块的联合工作，实现 对提升机运行过程中启动与刹车等动作的控制。工作 人员通过人机交互界面设置系统参数，利用 PID 速度 闭环控制，完成对提升机速度的调节，通过显示屏可 实时观测提升机的各种工作状态。 本文根据系统的功能要求、I/O 口需求总量和综合 性价比来选择合理的 PLC 机型，西门子公司 S7-300 型 PLC 可满足系统的功能要求和控制精度要求。S7-300 PLC 模块的主要组成部分包括 CPU 单元、导轨、电源 模块、信号模块和接口模块等[8]。该 PLC 具有指令处理 速度快的优点，可在短时间内分析大量的数据和指令， 并将运算结果输送到输出单元；具有一定的扩展功能， 操作简单，方便技术人员对系统功能的扩展设计；具有 一定的自我诊断功能，可实时监测系统功能有无异常。 2.2变频器选型 系统的变频调速装置主要包括断路器、变频器等。 断路器承担对调速装置的保护功能，具体包括过压、 过流保护等，具有结构简单、方便安全的优点。变频 器的主要作用是通过整流器和逆变器，将电网中的交 流电输出成为系统所需频率的交流电[9]；根据主控操作 台的指令，调节提升机的运行方向、速度等。由于煤 矿提升机承担的负载较大，速度较快，在上升和下降 过程中电机受到的负载较大，容易对机电设备造成较 大的冲击，因此本文选用具有直接转矩控制功能的 ACC600 专用变频器。ACC600 变频器具有响应时间短、 控制曲线平滑的优点，在断电失控或其他故障条件下 具有一定的自我保护功能。 2.3供电电路设计 控制系统的供电电路如图 2 所示。正常情况下， 系统的变频器、PLC 控制单元和数据采集模块利用交流 电网 380 V 电压供电；交流电网断电时，利用电路中 的直流电源，通过逆变器向变频器、控制器等设备输 送交流电[10]。电压采集器监测电网电压数据，当电网发 生故障时切断电网总闸，开启备用直流电源电闸。 2.4自我保护模块设计 提升机控制系统具有十大保护功能，具体包括过 卷保护、过速保护、限速保护、刹车功能保护、超载保 护、深度指示器失效保护、电源失压保护、变频故障保 护、闸瓦磨损保护和松绳保护。本节主要分析介绍过 速保护和深度指示器失效保护。 过速保护设定的上限值为 120的额定速度，系统 通过设置在电机轴上的旋转轴编码器和深度指示器， 采集电机速度信号和提升机位置信号，通过 PLC 计算 分析得到提升机的实际运行速度和罐笼的深度信息。 当实际速度超过 120的额定速度时，系统将控制变频 器调节电机运转速度，以发挥过速保护功能。深度指 示器失效保护主要用于避免提升机运行中深度指示器 失效带来的信号错误，防止技术人员做出错误操作。 系统通过深度指示器失效传感器来监测深度指示器的 工作信号，当信号不稳定或断开时，将切断系统安全 回路，避免对其他硬件设备造成损坏。 3系统软件设计 本文设计的控制系统主程序流程如图 3 所示。系 统初始化，监测无故障后运行信号采集子程序，采集 电机和滚轮上编码器数据、油温和油压等数据，监测 提升机的运行速度和工作状态；运行通信子程序，实 现上位机与控制器之间的信号指令传达；运行控制子 程序，实现提升机的变频调速自动控制；运行故障监 测子程序，根据采集到的数据判断提升机是否发生故 障，并根据自我保护模块对各故障类型进行保护，必 要情况下停机维修。 图 3系统主程序流程图 4结语 设计了一种基于 PLC 的煤矿提升机变频控制系统， 相比于传统的继电控制方式，该系统的控制方式具有 自动化程度高、节能减排的优点，并且系统具有故障 自我诊断功能，可避免硬件设备受到损坏，提升了系 统的安全性和可靠性，为煤矿带来较好的经济效益。 参考文献 ［1］ 申红燕， 任国峰.PLC 和触摸显示器在矿井提升机控制系统中 的应用 ［J］ .太原理工大学学报， 20045 625-627. 图 2控制系统的供电电路图 交流电网 电网总闸 系统开头 电压采集器直流电源 逆变器 备用电源电闸 PLC 变频器 数据采集模块 M 信号采集子程序 控制子程序 通信子程序 是否故障 系统初始化 故障处理 N Y M.电机。 （下转 157 页） 106 2020 年第 8 期2020 年 8 月 （上接 106 页） ［2］ 宋庆军， 姜海燕， 杨永腾， 等.基于冗余 PLC 的数字化矿井提 升机控制系统设计 ［J］ .工矿自动化， 2010， 369 29-31. ［3］ 刘雨刚， 刘兰兰， 付贵祥， 等.PLC 在矿用提升机控制系统中的 应用 ［J］ .煤炭工程， 20077 70-71. ［4］ 王桂林， 王锡平.大型 H 型钢翻转提升机控制系统设计 ［J］ .机 床与液压， 20055 133-135. ［5］ 吴延华， 毛庆波.矿井提升机变频调速系统的能量回馈控制 ［J］ . 煤炭科学技术， 20094 77-79. ［6］ 李资， 蒋慧强.基于 PLC 的矿井提升机液压站油泵自动控制 设计 ［J］ .机电一体化， 2012， 185 76-78. ［7］ 许登举， 张云杰， 李家全， 等.电力传动交流全数字控制系统在 煤矿提升机的应用 ［J］ .煤炭科学技术， 200411 55-57. ［8］ 付正军， 郑均忠.可编程控制器在井提升机行程监视和保护中 的应用研究 ［J］ .工矿自动化， 19944 9-11. ［9］ 原鹏程.基于 PLC 的煤矿提升机控制系统设计 ［J］ .煤， 2018， 276 37-38. ［10］ 牛万春.煤矿电气自动化控制系统关键技术创新设计与应 用 ［J］ .机械管理开发， 20185 143-144. （ 责任编辑刘晓芳 ） A2 cos兹2-sin兹200 0010 -sin兹2-cos兹200 0001 杉 删 山 山 山 山 山 山 山 山 山 山 山 山 煽 闪 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 ，8 A4 sin兹4cos兹400 -cos兹4-sin兹40-154.8 0010 0001 杉 删 山 山 山 山 山 山 山 山 山 山 山 山 煽 闪 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 ，9 A6 sin兹6cos兹600 0010 cos兹6-sin兹6020 0001 杉 删 山 山 山 山 山 山 山 山 山 山 山 山 煽 闪 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 ，10 A8 1110 11170 1110 0001 杉 删 山 山 山 山 山 山 山 山 山 山 山 山 煽 闪 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 。11 则在基坐标系中，机械臂在发生运动 （ 兹2、兹3、兹4、 兹5、兹6、兹7） 后，每个关节末端坐标值为 P1 x1 y1 z1 1 杉 删 山 山 山 山 山 山 山 山 山 山 山 山 煽 闪 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 A1 0 0 0 1 杉 删 山 山 山 山 山 山 山 山 山 山 山 山 煽 闪 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 ，12 P2 x2 y2 z2 1 杉 删 山 山 山 山 山 山 山 山 山 山 山 山 煽 闪 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 A1A2 0 0 0 1 杉 删 山 山 山 山 山 山 山 山 山 山 山 山 煽 闪 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 ，13 P3 x3 y3 z3 1 杉 删 山 山 山 山 山 山 山 山 山 山 山 山 煽 闪 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 A1A2A3 0 0 0 1 杉 删 山 山 山 山 山 山 山 山 山 山 山 山 煽 闪 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 ，14 P4 x4 y4 z4 1 杉 删 山 山 山 山 山 山 山 山 山 山 山 山 煽 闪 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 A1A2A3A4 0 0 0 1 杉 删 山 山 山 山 山 山 山 山 山 山 山 山 煽 闪 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 ，15 P5 x5 y5 z5 1 杉 删 山 山 山 山 山 山 山 山 山 山 山 山 煽 闪 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 A1A2A3A4A5 0 0 0 1 杉 删 山 山 山 山 山 山 山 山 山 山 山 山 煽 闪 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 ，16 P6 x1 y1 z1 1 杉 删 山 山 山 山 山 山 山 山 山 山 山 山 煽 闪 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 A1A2A3A4A5A6 0 0 0 1 杉 删 山 山 山 山 山 山 山 山 山 山 山 山 煽 闪 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 ，17 P7 x7 y7 z7 1 杉 删 山 山 山 山 山 山 山 山 山 山 山 山 煽 闪 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 A1A2A3A4A5A6A7 0 0 0 1 杉 删 山 山 山 山 山 山 山 山 山 山 山 山 煽 闪 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 ，18 P8 x8 y8 z8 1 杉 删 山 山 山 山 山 山 山 山 山 山 山 山 煽 闪 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 A1A2A3A4A5A6A7A8 0 0 0 1 杉 删 山 山 山 山 山 山 山 山 山 山 山 山 煽 闪 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 衫 ，19 式12～19中，Pi为第 i 个关节末端坐标值；xi、yi、zi 为坐标系中的坐标值。 根据位姿矩阵编写 MATLAB 仿真程序，输出每个 关节末端在每个转角后的坐标值，即可用相关图形进 行表达。为了更加简明直观地对仿真结果进行表达， 采用单一变量法，在结构参数和仿真环境不变的情况 下，每次只转动一个自由度，依次进行图形仿真，通 过对比说明七自由度机械臂的运动情况，最后对 7 个 自由度协同运动的情况进行仿真。 4结语 所设计的金属切削废屑处理再生自动压块机，整 体结构简洁紧凑，能够实现抓取、压块成型一体化操 作，且通过抓取装置的回转、俯仰和末端执行器的旋 转，能够实现高精度的抓取；压块机身采用焊接结构， 在保证其过载能力、承受冲击载荷能力较强的同时， 减轻结构的质量，节省制造工时，降低成本。该压块 机可以很好地处理弃置的金属，既不会造成环境污染， 又节约了有限的金属资源，具有较好的发展前景。 参考文献 ［1］ 伍平平， 刘林.上肢康复机器人手和手臂的集成研究 ［J］ .机械 设计与制造， 201212 142-144. ［2］ 马江.六自由度机械臂控制系统设计与运动学仿真 ［D］ .北京 北京工业大学， 2009. ［3］ 石炜， 程原野， 李强.六连杆机器人运动学分析 ［J］ .包头钢铁 学院学报， 20064 360-364. （ 责任编辑刘晓芳 ） 杜思玉， 等 金属切削废屑处理再生自动压块机 157