李宝荣

（1.太原理工大学电气与动力工程学院，山西 太原 030024；2.山西省交通规划勘察设计院，山西 太原 030012）

1 引言

矿井提升机作为矿山最重要的大型机械设备之一，其集机、电、液于一体，在煤炭生产中担负着提升煤炭、下放材料、升降人员和设备的重要任务[1]。其运行的安全、可靠、稳定性直接影响着整个矿井的生产能力、经济效益。提升机传统的控制方式主要采用继电器—接触器进行控制，其传动系统特性复杂，电动机频繁正反向，经常处于过负荷运转和电动、制动不断转换的状态中[1，2]。为此文章设计了一种基于PLC的矿井提升机控制系统，具有调速平滑、控制可靠、保护完善、可视化程度高的特点，对于提高提升机的安全、稳定、可靠运行具有重要的意义。

2 提升机控制系统的控制策略

矿用提升机电气控制系统主要包括4部分，即调速部分、控制部分、后备保护部分和监控部分，而且四者是相互关联的。

2.1 调速部分

调速部分采用变频调速。图1为提升机变频调速系统示意图，调速系统主要由变频器、行程控制、操作控制、制动部分等组成[3，4]。

图1 提升机变频调速系统示意图[3，4]

变频器主要对提升机的升降进行变频调速，实现恒加速变频调速启动、恒减速变频调速停车及行程变频调速运行等。通过改变电动机输入电源的频率来调节电机转速，调速范围宽。变频器调速有别于转子串电阻调速，降低了转差率，提高了电路的功率因数，可以恒转矩输出，输出功率随转速变化，因此具有很好的节电效果。另一方面，变频器还可通过软件很方便地改变输出转矩（即调整转矩补偿曲线）和加减速时间、目标频率、上下限频率等。变频器还具有强大的兼容功能，并根据使用要求进行功能组合、参数设置(修改)和动态调速，也可通过端子排控制，对行程进行多段速度控制。图1（b）为变频器恒加速和恒减速调速过程示意图，加速和减速过程可以灵活调节，这种调速方式对防止提升机的过卷、过放、脱轨等都是十分有利的。

行程控制主要对提升机的变速、停车和制动等进行精确的控制，将提升机的升降过程划分成不同的行程区间，根据每一行程区间的实际情况，采用不同的变频调速控制提升机的升降速度，见图2。操作控制主要完成提升机的提升启动、下降启动、故障复位及紧急制动等操作控制。“提升启动”操作控制变频器正转运行，提升过程由行程控制器的提升行程控制完成。“下降启动”操作控制变频器反转、下降过程由行程控制器的下降行程控制完成。“紧急制动”操作主要控制异常时的变频器停止和抱闸制动，制动部分包括能耗制动和抱闸制动，主要实现提升机停车控制。

2.2 控制部分

图2 行程控制过程示意图[3，4]

控制部分采用可编程控制器（PLC）作为中央控制器。主要包括主回路、测速回路、安全回路、控制回路、辅助回路、可调闸控制回路、限速保护回路、动力制动控制回路和深度指示回路等。主回路由电动机电源、定子回路和转子回路组成，和变频器相结合实现电机的启动、停止等功能。测速回路采用测速发电机，将提升机的实际速度用电量测量出来，以供速度比较和一些以速度为函数的控制环节，同时反映提升机的转向。安全回路中串入许多保护接点，当提升机发生故障时，这些保护触点断开安全回路，使提升机断电，并对其进行安全制动。控制回路保护电动机换向、动力制动、变频器控制等环节。电动机换向包括自动和手动回路，辅助回路主要指系统的供电电源。可调闸控制回路由磁放大器、制动手柄自整角机、速度给定自整角机及测速反馈回路组成。

2.3 后备保护部分

后备保护的控制触点串入安全回路。当绞车发生过卷、松绳、闸瓦间隙过大、满仓、超速、深度指示器失效、卡斗等故障时，后备保护断开安全回路，绞车实行安全制动。能实时监测提升机的运行状态，数显提升深度、速度、提升勾数、提升信号等。具有信号闭锁功能，即能记忆最近10次打点信号，显示当前打点信号，提升信号同提升机控制回路相闭锁，没有提升信号，提升机无法启动。根据提升信号，自动实现上下行方向闭锁，自动分辨出提人、提物。具有安全回路故障探测功能，即自动监视提升机安全回路的工作状态。当提升机安全回路出现故障时，自动指示出故障点的准确位置。同时，具有在线试验和模拟试验功能、键盘闭锁功能、传感器工作状态指示功能。

2.4 监控部分

矿井提升机是一套复杂的机械电气系统，是矿山生产中具有举足轻重作用的重要大型设备。为确保提升机能够达到高效、安全、可靠地连续提升，它应具有较好的机械性能，良好的电气控制设备和完善的保护装置。《煤矿安全规程》规定矿井提升机必须装设安全监控系统。系统采用可视化的监控方式，对系统的状态等参数进行监控[6，7，8]。

3 提升机控制系统的实现

3.1 硬件设计

控制系统见图3，系统以PLC为中央控制单元，主要包括保护信号采集和处理单元、显示单元、监控单元、输出执行单元、系统电源、变频调速单元等。保护信号采集和处理单元主要完成后备保护信号保护的检测和处理、显示单元对系统参数实现现场的显示、监控单元实现人机信号的交换和控制、输出执行单元实现对中央控制信号的执行、系统电源给控制系统提供电源、变频调速单元实现对电机的调速。

图3 提升机控制系统硬件结构框图

3.2 软件设计

软件包括PLC控制软件和上机组态软件。PLC控制软件主要功能是实现对提升机的启动、加速、减速、停车等过程控制信号采集、逻辑处理。采用子程序模块化程序设计方法。图4为提升机控制系统部分软件框图。上机组态软件主要完成对系统运行和故障状态，以及系统参数的在线实时监控。图5为部分监控界面。

图4 提升机控制系统监控程序框图

图5 监控系统的一种监控状态

4 结束语

文章所设计的矿井提升机PLC控制系统已于2008年在某矿井开发完成并正式投入运行，实现了对提升机的全数字控制和全自动化提升。经过3年多的运行表明，该系统具有使用方便、抗干扰能力强、性能稳定、动作可靠、准确度高等优点，大大降低了能耗，具有明显的经济效益和社会效益。该成果的推广应用将对促进我国矿山提升控制技术进步产生巨大的影响，带来显着的经济效益和社会效益。

[1]余发山.国内外矿井提升机的现状与发展[J].煤炭机电，1995，（3）：31-34.

[2]王宇星.矿井提升机的自动化控制[J].湖南有色金属，2001，（3）：44-47.

[3]易建湘.提升机全自动电气控制系统[J].有色金属，2001，（2）：35-39.

[4]刘永成，孙宝国.矿井交流提升机全数字交交变频低频拖动电控系应用[J].煤炭自动化，1998，（51）：48-51.

[6]陶建平.矿井提升机的监控与监视[J].中州煤炭，1999，（5）：18-20.

[7]李敬兆，王清灵.矿井提升机计算机监控系统[J].煤炭科学技术，2000，（10）：4-7.

[8]肖兴明，黄小军等.矿井提升机监护系统的实现[J].微机与应用，1999，（9）：23-26.