基于PLC和变频器的矿井提升机控制系统设计
中国电工技术学会主办，2017年6月21-24日在河北省张北县举办，大会围绕新能源发展战略、系统关键技术、微电网及储能等重要议题展开交流。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
江苏财经职业技术学院机械电子与信息工程学院的研究人员杨怀林，在2017年第5期《电气技术》杂志上撰文，设计以PLC为核心，运用变频器等控制设备的矿井提升机控制系统，实现矿井提升机的自动化控制，提高生产效率，降低了能耗，增强了经济效益。
矿井提升机是机电一体化大型设备，是矿业生产中上下运输的重要工具，承担上运产品、下放材料、运送人员、装载设备等重要任务。矿井提升机的电控系统技术性能和可靠性、安全性和节能减排等都将直接影响煤矿的生产，按照生产的要求提升机能实现平稳启动、等速运行、低速爬行和停车，工作速度平稳、依靠位置准确、反应迅速。
我国传统矿井提升机大多采用TKD控制系统，通过改变绕线电机转子回路中串接电阻的大小，来调整电机的转动速率，是有级调速，在调速过程中能耗较大，当提升机启动加速和在低速运行时，电机转子上串接的电阻比较大，调速时转差损耗大,调速效率低;调速特性软，动态响应速度慢，外接附加电阻不易做到无级调速，调速平滑性差。串级调速对电网干扰大,调速范围窄，功率因数也比较低。能量大都以热能的形式消耗掉，造成浪费。
本系统以PLC为核心，结合变频器，根据矿井生产的实际要求，设计了矿井提升机的自动控制系统，克服了TKD控制系统的缺陷，系统自动化程度加强，生产效率提高，节能效果显著。
1 矿井提升机电控系统结构设计
矿井提升机电控系统由上位机监控系统、主控系统、变频调速控制系统和主电机等组成[1]。其中，上位机监控系统主要由触摸屏组成，与PLC连接通讯，主要实现对系统参数的实时监控与显示，当检测到异常情况时，发出光电警报，提示人员及时排除故障，保证控制系统的安全运行；
主控系统主要由PLC构成，是系统的控制核心，完成对变频器及液压系统等的控制，通过光电编码器采集电机及卷筒的转速反馈给PLC，PLC根据其数据，经过运算，通过变频器对提升机速度进行准确控制；
变频器采用矢量控制变频器，矢量控制变频器能自动识别电动机的参数，能有效控制电机，提升机属于恒转矩负载，矢量控制使电机机械特性优，调试方便，不会发生电机磁路饱和。矿井提升机电控系统如图1所示。
图1 矿井提升机电控系统示意图
2 矿井提升机控制系统的设计
2.1 硬件设计
矿井提升机电控系统主要由PLC和变频器来实现矿井提升机运行的各种性能[4]。PLC及变频器调速系统的主电路图如图2所示。
本系统采用西门子公司的S7-300的PLC，西门子矢量型MM440变频器，型号为6SE6440-2UD42-OGB1，输出功率为200KW，额定输出电流为320A，60S过载电流整定时间，电机采用额定电压为380V，额定电流为206A，额定功率为110KW，额定转速为990r/min的三相异步电动机，电机在运行时，过载时最大电流为309A（过载系数为1.5），变频器最大过载电流为416A，，完全能满足负载要求。
图2 PLC变频器调速系统的主电路图
2.2 转速控制曲线
按照提升机的运行要求，提升机上升或下降，运行过程可分为7个阶段，对应4个频率，即启动阶段、加速阶段、等速运行阶段、减速阶段、爬行阶段、制动停车阶段、间歇阶段[5]。如图3所示。
启动加速时期变频器输出频率为25HZ，时间为t1=20s，平稳运行阶段，变频器的输出频率为50HZ，正常运行6-7m/s，减速上升阶段变频器输出频率为10 HZ，时间为t3=2s，然后为爬行阶段，时间为t4=3s，速度为0.8-1.0m/s，，最后切换到0HZ，电机制动，时间为t5=1s。
操作台发出上升指令，PLC输入端I0.0信号输入，输出端Q0.1输出，变频器数字量输入端6接通，电机正向启动加速，矿井提升机加速上升，20 s之后，变频器切换到50HZ工作，矿井提升机匀速上升，当矿井提升机接近井口时，变频器工作在10 HZ，提升机减速上升和爬行，最后，矿井提升机减速到停止，全部提升过程结束[6]。
图3 变频器转速控制曲线
2.3变频器参数的设置
根据矿井提升机的控制要求，变频器转速控制曲线如图3所示，对应地可以设置最高频率为50Hz，为匀速运行，设置25Hz，为加速上升，设置10Hz，为低速爬行。
表1 MM440变频器主要参数设置
3. 软件设计
软件设计控制流程图如图6所示，主要由PLC控制软件和上位机组态软件，上位机采用昆仑通泰开发完成，主要是对系统的运行状态、故障状态等进行实时监控。PLC控制软件采用SIEMENS公司的STEP7设计完成。
PLC软件设计采用模块化结构[7]，将控制任务进行分解，对子任务进行模块化设计，采用梯形图进行编制程序，监控显示部分主要实现对系统运行参数进行实时监控，当有超速、过卷、过载和松绳等异常情况时，可发出警报，工作人员及时排除故障。
PLC控制系统对提升机的启动、加速、减速、停车等，对提升机的数据信号进行采集和处理，并上传到上位机触摸屏，显示故障和相关数据。
系统安装了制动装置、定车装置、过负荷装置、欠电压保护装置等加强了安全措施，当发生故障时能及时安全停车并锁死；软件中也采取了保护措施，通过实时测速、故障报警（过卷、松绳、过速等）以及继电器、限位开关失效保护等，如果检测到系统不正常或变频器等故障，系统会进入制动状态，并在触摸屏上显示故障信息，排除故障后系统才重新运行。
图4 提升机控制系统软件设计流程图
4.人机界面
为使本系统操作简单，且能直观显示系统的运行状况，本系统使用了北京昆仑通态研发的TPC7062K型触摸屏，它是一款在实时多任务嵌入式操作系统Windows CE环境中运行，使用MCGS嵌入式组态软件进行组态。
通过触摸屏的操作界面，可以方便地控制和显示本控制系统电机及卷筒运行参数的变化，如卷筒的速度以及位置，也可以通过手动调节电机的运行速率以及变频器运行时候的电压，电流以及频率等参数。显示的画面图案清晰、色彩柔和，所有操作界面和提示信息可中文显示，操作过程直观简单。
触摸屏的设计包括创建画面和信息，并将它们和PLC程序相配合，根据系统功能要求，设计了状态显示、参数设定、报警控制和加密处理等界面组成。运行监控画面，按照系统运行要求实时检测和显示电机、卷筒和变频器的工作状态以及故障状态显示在触摸屏上。可以把系统故障报警以及控制的各类信息组态到触摸屏上进行集中管理和控制。
上位机IPC通过COM1口(RS232)经专用通信适配器4520与PLC的外围串行端口连接。串口通信协议为：9600 bps，7位数据，1个起始位，2个停止位，偶校验。
本系统人机交互界面优越，智能化程度高，对于系统参数设计、运行状态、监控信息特别是报警信息等信号数据在屏幕中均能显示。
5.结语
本项目所研究的提升机来源于某中小型矿井，提升机的主要参数为：原矿井年生产量 200 万吨左右；提升机年工作日为300天，每天工作12小时左右；垂直提升，井筒深度H=400M；装载高度HZ=22M，卸载高度HX=23M。原来采用绕线电机转子回路串接电阻的方法进行调速，消耗电能较多，故障率高，安全性低，不能实现自动控制，操作困难。
本文设计的用PLC和变频器来控制提升机自动控制系统，采用PLC作为主控单元,以变频器作为驱动器,以触摸屏作为人机界面，替代了原来通过改变绕线电机转子回路中串接电阻的大小，来调整电机的转动速率的TKD控制系统，从根本上实现了无级调速，提高了能量的利用率，起到了节能减排的效能。
运用PLC能够实时进行程序编写和控制,通过PLC进行数据的转换和处理,并在触摸屏上显示,有利于操作人员观察和控制,安全性好、故障率低、降低了维护成本,能有效提升生产效率和经济效益。