1、 / 12基于 PLC 的礦井提升機控制系統設計2010-2-9 20:25:00 來源：1 引言 目前，我國絕大部分礦井提升機（超過 70% ）采用傳統的交流提升機電控系統（ tkd-a 為代 表）。 tkd控制系統是由繼電器邏輯電路、大型空氣接觸器、測速發電機等組成的有觸點控制系統。經 過多年的發展， tkd-a 系列提升機電控系統雖然已經形成了自己的特點，然而其不足之處也顯而易見， 它的電氣線路過于復雜化，系統中間繼電器、電氣接點、電氣聯線多，造成提升機因電氣故障停車事 故不斷發生。采用 plc 技術的新型電控系統都已較成功的應用于礦井提升實踐，并取得了較好的運行經 驗，克服了傳統電控系

2、統的缺陷，代表著交流礦井提升機電控技術發展的趨勢。 2 總體設計方案 基于plc技術的礦井交流提升機電控系統控制電路組成結構如圖1 所示，要由以下 5部分組成：高壓主電路（包括高壓換向器、電動機、啟動柜、動力制動電源）、主控 plc 電路、提升行程檢測與顯示電路、提 升速度檢測、提升信號電路，其中高壓主電路部分仍采用傳統的繼電器控制電路。圖 1 礦井交流提升機電控系統框圖工作過程：當井口或井底通過信號通信電路發出開車信號后，開車條件具備。司機將制動手柄向前推 離緊閘位置，主電動機松閘。司機將主令控制器的操作手柄推向正向（或反向）極端位置，主控 plc 通 過程序控制高壓換向器首先得電，使高壓信

3、號送入主電動機定子繞組，主電動機接入全部轉子電阻啟 動，然后依次切除 8 段電阻，實現自動加速，最后運行在自然機械特性上。交流提升機運行時，旋轉 編碼器跟隨主電動機轉動，輸出 2列 a/b相脈沖，分別接到主控 plc的高速計數器 hsc0的 a/b相脈沖輸 入端，由主控 plc 根據 a/b 脈沖的相位關系，自動確定 hsc0的加、減計數方式。根據 hsc0 的計數值，就 可以計算出提升行程并顯示。同時只根據旋轉編碼器輸出的a 相脈沖，主控 plc 進行加計數。根據 hsc1在恒定間隔時間內的計數值，就可以計算出提升速度。3 硬件設計提升機主回路部分設計主回路用于供給提升電動機電源，實現失壓、

4、過流保護，控制電機的轉向和 調節轉速。主回路由高壓開關柜、高壓換向器的常開觸頭、動力制動接觸器的常開主觸頭、動力制動 電源裝置、提升電動機、電機轉子電阻、加速接觸器的常開主觸頭（1jc8jc）和裝在司機操作臺上的指示電流表和電壓表等組成。系統原理圖如圖 2 所示。圖 2 提升機主回路系統原理圖圖 2 提升機主回路系統原理圖主拖動電機選擇：鼠籠式異步電動機盡管結構簡單、價格便宜、維護方便，但很難滿足提升機啟動和 調速性能的要求，因此，礦井提升機交流拖動系統均選用繞線式異步電動機作為主拖動電動機，繞線 式異步電動機轉子串電阻后能限制啟動電流和提高啟動轉矩，并能在一定范圍內進行調速。地面變電所送來的

5、二路 6kv 電源，一路工作，一路備用，經 tgg-6 型高壓開關柜的隔離開關 glk1 、油開關 gyd、 高壓換向器線路接觸器 xlc 的主觸頭、正向（或反向）接觸器 zc（或 fc ）后到主電機的定子。在高壓開 關柜內還設有電壓互感器 yh，失壓服扣線圈 syq，電流互感器 lh 和過流脫扣線圈 glq，用于失壓或過流 保護。在 syq線圈回路中還串聯接有緊急停車開關 jtk1 和換向器室欄柵門閉鎖開關 lsk。3.2 制動回路設 計礦井提升機大多數采用繞線式異步電動機來拖動，且多數場合下采用有級切換轉子回路電阻來實現 調速。其制動系統多采用可控硅動力制動和可調閘制動系統。前者為電氣制動

6、，后者為機械制動。提 升機在減速段運行中，當速度在 0 5%范圍內，電氣制動起作用，可調閘不起作用；當超速在5% 10%范圍內，電氣制動限幅，并維持最大制動功率，同時可調閘起作用，總制動力矩增大；當超速 10%時，過速繼電器 gsj1 作用于安全回路，可調閘將提升機滾筒閘住。晶閘管動力電源裝置主要有兩 部分組成，一部分為主回路，另一部分為觸發回路。本文設計中采用 kzg 型三相可控硅動力制動系統 此系統為單閉環動力制動系統，系統方框圖如圖 3 所示，從圖中可以看出速度偏差控制和腳踏控制是或”的關系，哪個信號大，就允許哪個信號通過，亦即相應的控制方式發揮作用。因此，單閉環控制時3.3 速度給定回

7、路速度給定方式就是按行程原則產生速度給定信號。在礦井提升機電控系統中，通常是 采用凸輪板給定方法，即由凸輪板控制自整角機的輸出電壓。由于自整角機沒有可滑動的觸點，因此 電壓變化較平穩，工作較可靠，維護量較小。原理圖如圖4 所示。圖 4 速度給定電路自整角機作為給定裝置應用時是將激磁繞組通以單相 110 伏交流電，在三相同步繞組中任取兩相的輸 出作為給定電壓的輸出。其輸出電壓為交流，如需要直流則應通過橋式整流輸出。 3.4 動力制動回路晶 閘管整流器及其觸發裝置成套地裝在電源柜中，動力制動電源裝置輸出電壓的大小與觸發裝置輸入的 控制信號電壓的高低有關。圖5 動力制動電壓形成回路控制信號電壓由兩個

8、回路組成一個或門電路，如圖 5 所示。只要其中之一達到觸發要求時，即可使晶 閘管觸發起制動作用。這兩個回路，一個是由實際速度與給定速度形成的速度偏差值，自動控制cf3 磁放大器的輸出和動力制動輸出，另一條回路由司機控制自整角機cd2 的輸出以實現人工調節。在人工控制動力制動系統時，由司機控制腳踏板帶動自整角機 cd2 發生控制電壓。調整時應使其與磁放大器 cf3 的輸出相配合。當腳跟剛剛踩下，腳尖尚未下踏時，相當于控制開關閉和，使 dzc 得電吸合，晶閘管動 力制動投入，但此時自整角機 cd2 輸出很小，動力制動電流最小。當司機腳尖踏下后，自整角機 cd2輸 出最大。在腳踏動力制動與 cf3

9、輸出回路中，分別由 z1 和 z2 兩個二極管組成一個或門電路，此兩種控 制信號成并聯關系，互不影響。 3.5 行程檢測與顯示利用旋轉編碼器將提升機的運行位置轉化為脈沖， plc對此脈沖進行高速計數，通過相應的計算自動生成提升機位置的相關數據，傳送到 plc 內部高速計 數器的存儲單元。為了提高計數器的脈沖精度，選用日本omron 公司的 e6c-cwsc型可逆旋轉編碼器，其脈沖準確精度高，在低速時不會丟失脈沖。為了便于提升機司機操作，提升機電控系統需設置可靠 的行程顯示裝置（又稱深度指示器）用于顯示提升容器在井筒中的位置。本文設計根據編碼器所測的運行距離（ 0570m），采用 3個 led七

10、段顯示器作為提升機位置的顯示。圖 6 plc 數字顯示電路圖 6所示電路中，用具有鎖存，譯碼，驅動功能的芯片 cd4513驅動共陰極 led七段顯示器，三只 cd45 - 13的數據輸入端 ad共用可編程控制器的 4個輸出端，其中 a為最低位， d為最高位。 le是鎖存使能 輸入端，在 le信號的上升沿將數據輸入端輸入的 bcd 數鎖存在片內的寄存器中，并將該數譯碼后顯示 出來。如果輸入的不是十進制數，顯示器熄滅。 le 為高電平時，顯示的數不受數據輸入信號的影響。 顯然， n個顯示器占用的輸出點數為： 4+n。3.6 輔助回路設計輔助回路是用于對輔助設備進行供電和控 制的。輔助回路的電源電壓

11、為交流 380v ，兩回路供電。輔助回路所帶負荷有：晶閘管動力制動電源裝 置、制動油泵電動機、潤滑油泵電動機等。 4 提升機主電動機轉子電阻計算 電動機轉子電阻的計算，對提升設備的正常運轉有著重要的作用。進行啟動電阻計算時，首先應確定預備級級數和加速級級數。 因為所選的級數直接影響到最大切換力矩的增大或減小及平均啟動加速度的提高或降低，甚至由于過 載能力不夠而需加大電動機容量，故應全面考慮，選出經濟合理的級數。一般情況下，預備級級數和 加速級級數的選擇見附表所示。三相平衡啟動電阻的計算方法很多，但基本上可分為兩種類型：一類是按給定加速度來計算啟動電 阻，另一類是以充分利用電動機的過載能力為出發

12、點來計算。因第一類方法計算簡便準確，故本文中 采用此方法計算。 5 plc控制系統設計 5.1 主控 plc控制電路設計根據提升機的運行方式和煤礦企業的固 有特點，國產礦井提升機電控制系統中應用 plc 也發展很快。但從現場使用情況來看，目前，在國產煤 礦提升機控制系統中， plc 主要用于處理開關量，以替代老式提升機控制系統中眾多的繼電器、接觸 器、復雜的連線以及信號顯示系統，而涉及到提升機安全運行的制動系統中的模擬量和自動調節過 程，大多還是通過用半導體器件、運算放大器等可調閘和可控硅動力制動的普通電子模式來處理。使 用過程中經常會出現零點漂移、電子元件損壞，并且存在維修及重新調試難、可靠

13、性差等缺點，因而 使提升機電控系統的可靠性降低。針對上述問題，深入研究用 plc 控制煤礦提升機控制系統是非常必要 的。本文中主控單元可編程序控制器（ plc ）設計，由一個 cpu226主機和兩片 i/o 擴展模塊 em223 和em222組成，設計含有 40個輸入點 40個輸出點，則具體 i/o 接線如圖 7所示。線圖7 主控 plc電路及擴展 i/o接plc 控制軟件設計圖 8 主程序控制流程圖plc控制軟件主程序流程圖如圖 8所示。（ 1）初始化子程序用于對高速計數器 hsc0和 hsc1進行以下操 作：寫控制字，定義工作模式，清零，寫設定值，設置定時中斷，連接中斷，啟動計數。（2）制

14、動油泵、潤滑油泵、動力制動電源、五通閥電磁鐵、四通閥電磁鐵和安全閥電磁鐵等的控制屬于交流提升 機安全運行所需輔助設備的控制。（ 3）制動油過壓信號、制動油過熱信號和潤滑油過壓信號的顯示控 制用于交流提升機工作狀態的顯示控制。（ 4）調繩閉鎖回路是在調繩過程中起安全保護作用。雙卷簡 提升機換水平調繩時，調繩轉換開關 1hk-3 斷開，使調繩連鎖環節串入安全回路。正常運行時， lhk-3 接通，調繩連鎖不起作用。（ 5）提升信號回路用于對交流提升電動機啟動或減速作好準備。（6）位置測量子程序用于測量提升機在礦井中的位置。（ 7）行程顯示子程序根據旋轉編碼器的脈沖個數來顯 示當前的行程位置。（ 8）

15、減速信號回路和減速信號鈴用于減速控制并且發出鈴聲提示信號。（9）自動換向工作回路和手動正反轉工作回路分別用于自動和手動方式下對交流提升電動機進行正反轉控 制。（ 10）安全回路用于防止和避免交流提升機發生意外事故。（11）定時器控制回路和轉子電阻通斷控制用于交流提升電動機啟動或減速時的轉子電阻切換控制。（12）動力制動回路用于動力制動電源的投入與切除控制。（ 13）腳踏制動聯鎖和工作閘繼電器用于交流提升電動機制動控制。6 結束語 提升機的控制系統采用 plc控制與 tkd-a控制系統結合的方式，具有可靠、安全、實現方便等優點。采用 plc實現提升機主要控制邏輯，增加控制功能，實現高效自動化生產

16、。其關鍵是充分發揮 plc 的優勢， 利用其綜合測控機制，解決好測速、保護等問題，實現與原系統的良好銜接，提高系統的綜合性能， 達到低投入高產出。從系統的應用情況看仍存在一些需進一步完善的問題如：網絡通信功能和先進控 制技術及策略如智能控制等，在現有 plc 技術的基礎上進一步進行功能擴充，將會進一步提高我國礦井 提升電控系統的現代化水平。 作者簡介 徐成毅男畢業于遼寧工學院電氣工程及其自動化專業現供職于 大連三洋制冷有限公司技術研發本部。參考文獻 1 盧燕.礦井提升機電力拖動與控制 .北京:冶金工業出 版社,20012王永華，陳玉國 .現代電氣控制及 plc應用技術 .北京:航空航天大學出版

17、社 ,20033余發止 .國 內為礦井提升機的現狀與發展 .礦井機電 ,1995年第 3期4葉予光 .基于 plc技術的礦井提升機電控系統 . 機電一體化 ,2004年第 6期5蔣宏民.plc 技術在我國礦井交流提升系統中的應用研究 .冶金礦山設計與建 設， 1998年第 4期6張紅巖.可編程控制器在交流提升機電控中的應用 .中州煤炭 ,2005年第 4期主拖動電機選擇：鼠籠式異步電動機盡管結構簡單、價格便宜、維護方便，但很難滿足提升機啟動 和調速性能的要求，因此，礦井提升機交流拖動系統均選用繞線式異步電動機作為主拖動電動機， 繞線式異步電動機轉子串電阻后能限制啟動電流和提高啟動轉矩，并能在一

18、定范圍內進行調速。地 面變電所送來的二路 6kv 電源，一路工作，一路備用，經 tgg-6 型高壓開關柜的隔離開關 glk1、油開 關 gyd、高壓換向器線路接觸器 xlc 的主觸頭、正向（或反向）接觸器 zc（或 fc ）后到主電機的定 子。在高壓開關柜內還設有電壓互感器 yh，失壓服扣線圈 syq，電流互感器 lh 和過流脫扣線圈 glq， 用于失壓或過流保護。在 syq線圈回路中還串聯接有緊急停車開關 jtk1 和換向器室欄柵門閉鎖開關 lsk。3.2 制動回路設計礦井提升機大多數采用繞線式異步電動機來拖動，且多數場合下采用有級切換 轉子回路電阻來實現調速。其制動系統多采用可控硅動力制動

19、和可調閘制動系統。前者為電氣制 動，后者為機械制動。提升機在減速段運行中，當速度在05%范圍內，電氣制動起作用，可調閘不起作用；當超速在 5%10%范圍內，電氣制動限幅，并維持最大制動功率，同時可調閘起作用， 總制動力矩增大；當超速 10%時，過速繼電器 gsj1 作用于安全回路，可調閘將提升機滾筒閘住。晶 閘管動力電源裝置主要有兩部分組成，一部分為主回路，另一部分為觸發回路。本文設計中采用 kzg 型三相可控硅動力制動系統。此系統為單閉環動力制動系統，系統方框圖如圖 3 所示，從圖中可以 看出速度偏差控制和腳踏控制是 “或 ”的關系，哪個信號大，就允許哪個信號通過，亦即相應的控制 方式發揮作

20、用。因此，單閉環控制時司機可以腳踏制動進行控制，而在腳踏控制時，如提升機超 速，閉環系統又可起監視保護作用。圖速度給定回路速度給定方式就是按行程原則產生速度給定信號。在礦井提升機電控系統中，通常 是采用凸輪板給定方法，即由凸輪板控制自整角機的輸出電壓。由于自整角機沒有可滑動的觸點， 因此電壓變化較平穩，工作較可靠，維護量較小。原理圖如圖 4 所示。自整角機作為給定裝置應用時是將激磁繞組通以單相 110 伏交流電，在三相同步繞組中任取兩相的 輸出作為給定電壓的輸出。其輸出電壓為交流，如需要直流則應通過橋式整流輸出。3.4 動力制動回路晶閘管整流器及其觸發裝置成套地裝在電源柜中，動力制動電源裝置輸

21、出電壓的大小與觸發裝置 輸入的控制信號電壓的高低有關。圖 5 動力制動電壓形成回路 控制信號電壓由兩個回路組成一個或門電路，如圖 5 所示。只要其中之一達到觸發要求時，即可使 晶閘管觸發起制動作用。這兩個回路，一個是由實際速度與給定速度形成的速度偏差值，自動控制 cf3 磁放大器的輸出和動力制動輸出，另一條回路由司機控制自整角機cd2 的輸出以實現人工調節。在人工控制動力制動系統時，由司機控制腳踏板帶動自整角機 cd2 發生控制電壓。調整時應使其與 磁放大器 cf3 的輸出相配合。當腳跟剛剛踩下，腳尖尚未下踏時，相當于控制開關閉和，使 dzc得電 吸合，晶閘管動力制動投入，但此時自整角機 cd

22、2 輸出很小，動力制動電流最小。當司機腳尖踏下 后，自整角機 cd2輸出最大。在腳踏動力制動與 cf3輸出回路中，分別由 z1和 z2兩個二極管組成一個或門電路，此兩種控制信號成并聯關系，互不影響。 3.5 行程檢測與顯示利用旋轉編碼器將提升機 的運行位置轉化為脈沖， plc 對此脈沖進行高速計數，通過相應的計算自動生成提升機位置的相關數 據，傳送到 plc 內部高速計數器的存儲單元。為了提高計數器的脈沖精度，選用日本omron公司的e6c-cwsc型可逆旋轉編碼器，其脈沖準確精度高，在低速時不會丟失脈沖。為了便于提升機司機操 作，提升機電控系統需設置可靠的行程顯示裝置（又稱深度指示器）用于顯

23、示提升容器在井筒中的 位置。本文設計根據編碼器所測的運行距離（ 0570m），采用 3個 led七段顯示器作為提升機位置 的顯示。圖 6 plc 數字顯示電路圖 6 所示電路中，用具有鎖存，譯碼，驅動功能的芯片cd4513 驅動共陰極 led 七段顯示器，三只cd45 -13的數據輸入端 ad共用可編程控制器的 4個輸出端，其中 a為最低位， d為最高位。 le是鎖 存使能輸入端，在 le 信號的上升沿將數據輸入端輸入的 bcd數鎖存在片內的寄存器中，并將該數譯 碼后顯示出來。如果輸入的不是十進制數，顯示器熄滅。 le 為高電平時，顯示的數不受數據輸入信 號的影響。顯然， n個顯示器占用的輸出

24、點數為： 4+n。 3.6 輔助回路設計輔助回路是用于對輔助設 備進行供電和控制的。輔助回路的電源電壓為交流380v，兩回路供電。輔助回路所帶負荷有：晶閘管動力制動電源裝置、制動油泵電動機、潤滑油泵電動機等。 4 提升機主電動機轉子電阻計算 電動 機轉子電阻的計算，對提升設備的正常運轉有著重要的作用。進行啟動電阻計算時，首先應確定預 備級級數和加速級級數。因為所選的級數直接影響到最大切換力矩的增大或減小及平均啟動加速度 的提高或降低，甚至由于過載能力不夠而需加大電動機容量，故應全面考慮，選出經濟合理的級數。一般情況下，預備級級數和加速級級數的選擇見附表所示。三相平衡啟動電阻的計算方法很多，但基

25、本上可分為兩種類型：一類是按給定加速度來計算啟動電 阻，另一類是以充分利用電動機的過載能力為出發點來計算。因第一類方法計算簡便準確，故本文 中采用此方法計算。 5 plc控制系統設計 5.1 主控 plc控制電路設計根據提升機的運行方式和煤礦企業 的固有特點，國產礦井提升機電控制系統中應用 plc 也發展很快。但從現場使用情況來看，目前，在國產煤礦提升機控制系統中， plc 主要用于處理開關量，以替代老式提升機控制系統中眾多的繼電 器、接觸器、復雜的連線以及信號顯示系統，而涉及到提升機安全運行的制動系統中的模擬量和自 動調節過程，大多還是通過用半導體器件、運算放大器等可調閘和可控硅動力制動的普

26、通電子模式plc 控制煤礦提升機控制 cpu226主機和兩片 i/o 擴 i/o 接線如圖 7 所示。接線圖 7 主控 plc 電路及擴展 i/o來處理。使用過程中經常會出現零點漂移、電子元件損壞，并且存在維修及重新調試難、可靠性差 等缺點，因而使提升機電控系統的可靠性降低。針對上述問題，深入研究用 系統是非常必要的。本文中主控單元可編程序控制器（ plc）設計，由一個 展模塊 em223和 em222組成，設計含有 40個輸入點 40個輸出點，則具體5.2 plc 控制軟件設計圖 8 主程序控制流程圖plc 控制軟件主程序流程圖如圖 8所示。（ 1）初始化子程序用于對高速計數器 hsc0和 hsc1 進行以下 操作：寫控制字，定義工作模式，清零，寫設定值，設置定時中斷，連接中斷，啟動計數。（2）制動油泵、潤滑油泵、動力制動電源、五通閥電磁鐵、四通閥電磁鐵和安全閥電磁鐵等的控制屬于交 流提升機安全運行所需輔助設備的控制。（ 3）制動油過壓信號、制動油過熱信號和潤滑油過壓信號 的顯示控制用于交流提升機工作狀態的顯示控制。（4）調繩閉鎖回路是在調繩過程中起安全保護作用。雙卷簡提升機換水平調繩時，調繩轉換開關 1hk-3 斷開，使調繩連鎖環節串入安全回路。正常 運行時， lhk-3 接通，調