PLC可编程控制器电控系统在矿井的应用.pdf

山西科技S H A N X I S C I E N C E A N D T E C HN O L O G Y 2 0 1 2年第 2 7卷第 4 期 ●应 用技术 P L C可编程控制器电控系统在矿井的应用 郭朝 霞 山西省煤矿节能监测中心， 山西太原， 0 3 0 0 4 5 摘要 矿井提升是矿井生产过程中的一个重要环节， 它的任务是提升有用矿物和矸石， 升降人 员和设备， 下放材料等。提升机电控装置的技术性能， 直接影响矿山生产的效率及安全， 并代表着矿井提升机发展的整体水平， 是矿井安全生产中的重大环节。 关键词 P L C； 矿 井提升 ； 应 用 中图分类号 T D 5 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 4 6 4 2 9 2 0 1 2 0 4 0 0 7 8 0 3 1概 述 我国目前矿井提升机的电控系统主要有以下 3种方案 转 子电路串电阻的交流调速系统、直流发电机与直流电动机组成 的 G M直流调速系统和晶闸管整流装置供电的 v M直流调速 系统。本文以安全、 可靠、 高效 、 经济为出发点 ， 以可靠性原则为 依据 ， 对矿井提升机电控系统中转子电路串电阻调速部分， 由可 编程控制器 P L C 代替继电器一 接触器构成的逻辑控制装置的电 路改造设计。 可编程控制器 P L C 是采用微机技术的通用工业自 动化装置， 是一种数字运算操作的电子系统。该电子系统采用一 类可编程的存储器用其内部存储的控制程序、 执行逻辑运算、 顺 序控制 、 定时和计数、 算术运算等操作， 并通过数字式或模拟式、 输入输出来控制被控对象。 采用新技术 、 新设备、 新工艺来装备煤炭生产的各个环节 ， 以达到减人提效、确保安全生产的 目的，是科技兴煤的必由之 路。矿井提升设备， 其中主要是提升机及其控制和安全设备 ， 多 年来 ， 矿井提升机及其拖运、 安全保护系统等设备的技术水平和安 全水平一直是困扰煤炭安全生产和效益提高的重要因素。为改变 这一状况， 煤炭行业的工程技术人员做了大量的工作， 已开发了众 多适用的产品和技术， 积累了丰富的经验， 取得了长足的进步。 2 我国矿井提 升机 电气控制 系统的现状 目前 ，我国矿井提升机 9 0 ％以上是采用单机容量在 1 0 0 0 k W 以下传统的交流异步电机拖动， 采用转子串、 切电阻调速， 由 继电器一 接触器构成逻辑控制装置； 直流电动机拖动的提升机不 足 1 0 ％， 其中多一半为电动机一 发电机组供电， 采用晶闸管整流 传动的只占一少部分。近年来 ， 仅引进了几台交一 交变频同步电 机拖动系统。计算机技术已在提升机电控系统中得到普遍应用。 这种由可编程序的控制、调节装置构成的提升机电控系统的主 收稿 日期 2 0 1 2 0 5 2 1 作者简介 郭朝霞， 女， 1 9 8 5年出生， 2 0 0 6 年毕业于山西煤炭职 业技术学院， 助理工程师， 0 3 0 0 4 5 ， 山西省太原市 7 8 要特点是 可完成提升行程的测量和设定； 实现了对提升过程的 程序控制， 精度高， 甚至可以取消爬行段； 实现了速度、 电流以及 矢量的数字交换等， 对提升机进行闭环调节 ； 实现行程、 速度等 重要参数及提升状态的监视； 具有良好的控制监视系统 ， 实现了 显示、 记录和打印等有关数据的全部 自动化。 3 技术改造 为了真正实现“ 安全、 可靠、 经济运行” 的原则， 在利用众多 新技术、 新产品来实现提升系统现代化改造时， 必须以“ 可靠性 系统工程 ” 理论 为指导 。 3 ． 1 工艺对提升机速度的要 求 矿井提升机是矿山运输系统中的主要设备之一 ，主要用于 矿井提升矿石或人员、 材料。不论何种提升系统， 都有固定的循 环运行方式 ， 亦即按照一定的速度图进行运转。提升机的速度图 和加速度图， 如图 1 所示。 图 1 速度 图和加速图 工艺对提升机电控系统的要求 1 加 减 速度大小的确定应符合以下条件 ①应符合国家 有关安全生产规程的规定。升降人员时， 加速度 n ≤0 ． 7 5 m ／ s z ， 升 降物料时， 加速度 n ≤1 ． 2 m ／ s z 。②应不超过提升机的减速器所允 许的动力矩。 2 具有良好的调速性能。 要求速度平稳， 调速方便， 调速范 围大， 能满足各种运行方式及提升阶段 如加速 、 减速 、 等速、 爬 行等 稳定运行的要求。 郭朝霞 P L C可编程控制器电控系统在矿井的应用 2 0 1 2 年第 2 7卷第 4期 3 有较好的启动性能。提升机不同于其他机械 ， 不可能待 系统运转后再装加物料 ， 因此 ， 必须能重载启动， 有较高的过负 荷能力。 4 特性曲线要硬。要保让负载变化时， 提升速度基本上不 受影响， 防止负载不同时速降过大影响系统正常工作 当然 ， 当 负载超过一定的限度时， 还要求系统能有效地 自我保护， 迅速安 全制动停车， 即所谓要具备挖土机机械特性 。 5 工作方式转换容易。 要能够方便地进行 自动、 半 自动、 手 动、 验绳、 调绳等工作方式的转换 ， 操作方便 ， 控制灵活， 不至于 因工作 方式 的转换影 响正常生产 。 6 尽量采用新技术和节能设备 ， 易于实现 自动化控制和提 高整个系统的工作效率。 7 要求具备各种必要的连锁和安全保护环节 ， 确保系统安 全运行 。 8 要尽量节约投资和降低运转费用。 3 ． 2矿 井提升机电控 系统改造 的途径和技术要点 J K D 4 6多绳摩擦提升机 ， 摩擦轮直径为 4 m， 钢丝绳根数 6 根， 钢丝绳最大静张力差 1 8 0 k N， 钢丝绳最大静张力 7 0 0 k N， 钢丝 绳 最大直径 3 9 ． 5 mm， 钢丝绳间距 3 0 0 mm， 最大提升速度 1 2 m ／ s ， 导向轮直径 3 ． 2 m。 提升机的主 电动机采用绕线型异步 电动机 ，通过其转 子轴 上的滑环， 向转子绕组回路接入电阻， 以便进行起动和调速。根 据我国国情， 按照可靠性系统工程的原理， 对现的提升电控系统 进行综合分析、 评价 ， 尽量采用国内外的新技术成果， 形成一套 较为完整的改造方案及适用的换代产品。根据现有的经济条件， 对绕线异步电机串电阻的调速部分的电路 ，采用无触点的P L C 系统代替原有触点的继电器逻辑控制系统 ，提高系统的安全性 及可靠性 ， 充分利用 P L C的多种功能， 进一步改善控制性能， 防 止控制系统的内外部干扰。 使提升控制系统的速度图达到如图 2 所示 的理想状态 。 0 图 2理 想 速 度 提升高度H h ， 其中h ， h ， h ， 分别为加速、 等速、 减速 运行距离 ， 单位为 m； 一次提升时间 r l t 1 ￡ 2 b t 4 t 5 ， 其中￡ l ， t 2 ， t 3 分别为加速 、 等速、 减速运行时间， 单位为 s ； 一次运行周期等于提 升时间加上问歇时间， 即 ， 其中 0 为停歇时间， 单位为 s 。 3 ． 3 J K D 4 6多绳摩擦提升机的 电控 系统 J K D 4 6系列 电控 系统 ， 是 目前 已经定 型的控制 系统 ， 它可 以完成半 自动控制的以下 5种运行方式 1 电动加速一等速运行一动力制动减速； 2 电动加速等速运行一电动减速； 3 电动加速一发电制动运行一动力制动减速； 4 动力制动加速一动力制动等速运行一动力制动减速； 5 脚踏动力制动。 4 P L C的基本原理及在提升系统中的实现 4 ． 1 P L C控 制 系统的概述 可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统 ，专为工业 环境下应用而设计的， 它采用一类可编程的存储器 ， 用于其内部 存储程序、 执行逻辑运算、 顺序控制 、 定时和计数 ， 算术操作等面 向用户的指令，并通过数字式或者模拟式输入输出控制各种类 型的机械或生产过程。可编程控制器及其外部有关设备都按易 于与工业控制系统连成一个整体， 易于扩充其功能原则设计的。 4 ． 2 P L C与继电器控制 系统的 区别 P L C的梯形图与继电器控制线路图十分相似，主要原因是 P L C梯形图在绘制上沿用了继电器控制的电路元件符号和术 语， 仅个别之处有些不同。同时， 信号的输入／ 输出形式及控制功 能基本上也是相同的，但 P L C的控制与继电器的控制又有根本 的不同之处 ， 主要表现在以下几个方面 1 控制逻辑。继电器控制逻辑采用硬接线逻辑， 利用继电 器机械触点的串联或并联，及延时继电器的滞后动作等组合成 控制逻辑 ， 其接线多而复杂、 体积大、 功耗大、 故障率高， 一旦系 统构成后， 想再改变或增加功能都很困难 。另外， 继电器触点数 目有限， 每个只有 4 - 8对触点， 灵活性和扩展性很差。而 P L C采 用存储器逻辑， 其控制逻辑以程序方式存储在内存中， 要改变控 制逻辑， 只需要改变程序即可， 故称为“ 软接线” ， 灵活性和扩展 性都很好。 2 工作方式。电源接通时， 继电器控制线路中各继电器同 时都处于受控状态， 即该吸合的都应吸合 ， 不该吸合的都因受某 种条件限制不能吸合 ， 它属于并行工作方式。而 P L C的控制逻 辑 中， 各内部器件都处于周期性循环扫描过程中， 属于串行工 作 方式。 3 可靠性和可维护性。 继电器控制逻辑使用了大量的机械 触点 ， 连线也多。触点开闭时会受到电弧的损坏， 并有机械磨损， 寿命短， 因此可靠性和可维护性差。而 P L C采用微电子技术 ， 大 量的开关动作 由无触点的半导体电路来完成 ， 体积小、 寿命长 、 可靠性高。P L C还配有 自检和监督功能， 能检查出自身的故障， 并随时显示给操作人员， 还能动态地监视控制程序的执行情况 ， 为现场调试和维护提供了方便。 4 控制速度。 继电器控制逻辑依靠触点的机械动作实现控 制， 工作频率低 ， 触点的开闭动作一般在几十毫秒数量级。另外 ， 机械触点还会出现抖动问题。而 P L C是由程序指令控制半导体 电路来实现控制， 属于无触点控制， 速度极快 ， 一般一条用户指 令的执行时间在微秒数量级， 且不会出现抖动。 5 定时控制。 继电器控制逻辑利用时间继电器进行时间控 制。一般来说， 时间继电器存在定时精度不高， 定时范围窄， 且易 受环境湿度和温度变化的影响， 调整时间困难等问题。P L C使用 半导体集成电路做定时器， 时基脉冲由晶体振荡器产生， 精度相 79 山西科技S HA N X I S C I E N C E A N D T E C HN O L O G Y 2 0 1 2年第 2 7 卷第 4期 当高， 且定时时间不受环境的影响， 定时范围一般从 0 ． 1 m s 到若 干天或更长。用户可根据需要在程序中设置定时值， 然后由软件 来控制定时时间。 6 设计和施工。使用继电器控制逻辑完成一项控制工程 ， 其设计、 施工、 调试必须依次进行 ， 周期长， 而且修改困难。工程 越大， 这一点就越突出。而用 P L C完成一项控制工程， 在系统设 计完成以后 ， 现场施工和控制逻辑的设计 包括梯形图设计 可 以同时进行， 周期短 ， 且调试都很方便。 从以上几个方面的比较可知， P L C在性能上比继电器控制 逻辑优异， 特别是可靠性高、 通用性强、 设计施工周期短， 而且体 积小、 功耗低、 调试、 使用维护方便。 4 ． 3 P L C的工作原理 整个扫描过程分为内部处理、 通信操作、 程序输入处理、 程 序执行、 程序输出几个阶段 ， 全过程扫描一次所需要的时间称为 扫描周期。内部处理阶段， P L C检查 C P U模块的硬件是否正常， 复位监视定时器等。在通信服务阶段 ， P L C与一些智能模块通 信、 响应编程器键人的命令、 更新编程器的显示内容等。当P L C 处于停止 s T 0 P 状态时 只进行内部处理和通信操作服务等内 容。 在 P L C处于运行 R u N 6 t 态时， 从内部处理、 通信操作、 程序 输入、 程序执行、 程序输出， 一直循环扫描工作。 4 ． 4可编 程 控 制 器 的 编程 语 言 P L C是一种工业控制计算机，不仅有硬件，软件也必不可 少 。 目前 P L C常用的编程语言有 4种 梯形图编程语言， 指令语 句表语言， 功能图编程语言， 高级编程功能语言。其中， 梯形图语 言形象直观 ， 类似电气控制系统中继电器控制电路图， 逻辑关系 明显； 指令语句表编程语言虽然不如梯形图编程语言直观， 但有 键人方便的特点 ；功能图编程语言和高级编程语言需要比较多 的硬件设备， 工程当中特殊场合下不是经常用到。 5 技术经济分析 J K D 4 x 6多绳摩擦提升机采用串电阻调速 ，利用继电器一 接 触器构成逻辑控制装置。继电接触器控制系统有明显的缺点 设 备体积大， 可靠性差， 动作速度慢， 功能少， 难于实现较复杂的控 制。P L C采用微电子技术， 大量的开关动作由无触点的电子存储 器件来完成， 大部分继电器和繁杂的连线被软件程序所取代， 故 寿命长 ， 可靠性大大提高， 是 目前国内先进的控制系统， 实现了 提升机及提升系统自动化运行，取得了明显的经济效益和社会 效益。提升系统的安全性有了更可靠的保证 ， 在 自动化程度、 能 源节约、 噪声治理、 人财物节约等方面取得了显著效果。 参考文献 [ 1 ] 卢 燕． 矿井提升机电力拖动与控制[ M] ． 北京 冶金工业出 版社 ， 2 0 0 1 ． [ 2 ] 杨兴瑶． 电动机调速的原理及 系统[ M] ． 北京 水利电力出版 社 ． 2 0 0 4 ． [ 3 ] 陈立定． 电气控制与可编程序控制器的原理及应用[ M] ． 北 京 M_ r - 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