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矿井提升机PLC电控系统研究 乔惠军 （阳泉煤业（集团）有限责任公司一矿， 山西阳泉045008） 摘要为了确保矿井提升机平稳运行，对提升机的控制系统进行了理论分析。PLC电气控制系统集硬件、网络、软件于一身，数据采集、 过程控制和信息传递、存储与利用为一体，功能齐全，控制效果理想。根据PLC控制原理，设计了PLC控制系统结构、程序、流程。PLC 电控系统运用于矿井提升机试验，经试验表明，PLC控制下的矿井提升机运行稳定，有效保障了提升机的安全性。 关键词提升机；PLC控制；硬件层；软件层 中图分类号TD633文献标识码A文章编号1009－9492 2019 06－0171－03 Research on PLC Electronic Control System of Mine Hoist QIAO Hui-jun （No. 1 Mine of Yangquan Coal Group Co.，Ltd.，Yangquan 045008，China） AbstractIn order to ensure the smooth operation of mine hoist，the control system is theoretically analyzed in this paper. PLC electric control system integrates hardware，network and software. It integrates automatic solution，data acquisition，process control，ination transmission，storage and utilization. It has complete functions and ideal control effect. According to the principle of PLC control，the structure，procedure and flow chart of PLC control system are designed. The PLC electronic control system is used in the mine hoist test. The test shows that the mine hoist controlled by PLC runs stably and effectively guarantees the safety of the hoist. Key wordshoist； PLC control； hardware layer； software layer 收稿日期2018－12－03 DOI 10. 3969 / j. issn. 1009-9492. 2019. 06. 058 0 引言 在煤矿工作状态中，矿井提升机是保证其正常工作的 重要设备。提升机往往用于矿井中，主要是提升或者下放 工人、设备、材料等。提升机一旦出现故障，不仅仅会影 响生产过程，同时也会对人员的生命安全造成威胁[1]。所 以，在设计提升系统时，不仅仅要求设备具有良好的安全 性，同时也要保证整个控制系统的可靠性。 根据煤矿安全规程，得知目前规程要求提升机的控制 系统必须使用PLC技术。其中PLC的主控系统主要负责对 整个提升机的工作过程进行控制，并且提供一定的保护。 而辅控PLC主要是协助作用。在工作时，主控和辅控之间 利用网络通讯机械能数据的交互，并且实现双线控制，互 相监督，提高系统的安全性。尤其是控制系统必须设计一 个应急开车的功能，提升机一旦出现问题，PLC仍可以保 证独立工作，从而保证副井人员的安全[2]。本文希望通过 对矿井提升机PLC电控系统研究，来达到确保矿井提升机 安全、稳定运行的目的。 1 提升机电气控制系统概述 目前，采煤场使用的电气控制系统比较简单，包括2 层网络和3层设备，也就是俗称的“32”网格系统[3]。 其中，3层设备主要为执行层、控制层和管理层。执 行层主要是PLC的输出端或者是接口区，包含的设备有执 行器、传感器以及一些大型设备。控制层主要是对系统起 到控制的作用，包括控制器、PLC等设备。管理层属于整 个系统的核心部分，主要构成有操作站、工程师站等。 两层网络主要为控制网和监控网，控制网是控制端和 现场设备之间的桥梁，主要交换数据和传输信息，监控网 是操作端设备与控制端设备之间沟通的桥梁，主要完成二 者之间的信息交流、互换。 （1）DCS实时数据库 在PLC系统中，DCS是其常用的数据库[4]，该数据库 具有一定的实时性，可以保证在任意时间内，系统用户得 到的数据值一致。数据的一致性、安全性可以保证系统的 稳定性。 （2）PLC控制系统 PLC系统的设计相对简单，可以实现机电设备的一体 化，同时可以对底层设备进行分散化的控制。通过这种方 式，可以提高控制系统的可靠性。同时，对于PLC下设的 各个子站而言，可以利用接口进入到DCS中，最终保证系 统数据具有统一性、可靠性[5]。 （3）工程师工作站 对于控制系统而言，对工程师工作站的要求较高。其 中控制工程师需要按照实际的生产要求，对生产工艺和设 备进行分析，最终制定约束条件，确定操作参数。同时， 工人可以在工程站学习，进行模拟培训，最终掌握对系统 的维护流程。 （4）操作员工作站 在控制系统中，操作员工作站的设计比较复杂，往往 机电工程技术2019年第48卷第06期自动化与智能化 171 需要包含应用数据、人机界面、变量控制等操作。操作人 员需要观察工作站中的画面，来对控制回路的运行状态进 行监控。同时，根据受控参数，可以了解各个变量的发展 趋势。对于操作人员而言，该工作站是其进入控制系统的 有效方式。 PLC电气控制系统功能齐全，系统集硬件、网络、软 件于一身，以及自动解决、数据采集、过程控制和信息传 递、存储与利用为一体。PLC电控系统包含工艺、管理、 技术等多层次内容[6]。此次控制系统以实时数据监测为目 标，使操作人员在中央控制室中即可完成对生产的监控。 2 PLC控制系统 在设计中使用以太网来连接主控PLC和监控PLC。其 中，主控PLC将同Profibus-DP总线通讯相连，利用远程I/ O接口，控制操作台。其主要有2条总线、2个通讯模块构 成，可以避免通讯冗余。而监控PLC作为辅助，对整个系 统发挥监控的作用[7]。 在设计过程中对PLC的功能主要分为以下几步一是 初始化状态，对PLC进行上电；二是计数器初始化状态， 在该步中，计数器模块进 行初步的计算，显示位 置；三是设定提升机参 数；四是使用通讯模块； 五是启动软件保护装置； 六是调用合适的程序；七 是设定速度；八是确定速 度输出。图 1 是 PLC 电控 系统中程序设计控制原理 图。 程序设计中，PLC电控系统每个元器件均进行了编 号，并分配了相应地址，表1为控制系统中具体的地址表 分配。 根据Vt2-Vt022aS，可以计算得到提升机的位置。如 图 2 所示是 PLC 事先设定的速度曲线。其中，t 代表时 间/s ； Us代表速度/m s-1；AB代表在t0时间段内的速度变 化曲线。 在提升机的载重过高 时，往往会出现错向保护 故障。此时，主电机提供 的开闸转矩往往过低，使 得电机的特性较软。此 时，电机不再处于正常工 作状态下，而是处于倒转，即在负载的带动反向转动。此 时，提升机往往会发出向上运行的指令，从而导致盘型闸 松开，交流器也会随之启动。此时，如果发现提升机的实 际速度方向同预定的方向相反，则会报出错向故障，从而 进行错向保护，提高系统的稳定性。 3 提升机PLC电控系统试验 在PLC电气系统的控制下，对提升机进行了试验，发 现如果电机过载，或者发生了堵转，则其实际工作电流会 超过额定电流，同时会出现12 s的延时，这即为堵转保 护。在实际工作中，当电机的工作电流达到额定电流的 1.6倍时，则会出现8 s的延时，这即为电机过载保护。经 过试验发现，该功能的使用正常。在每个行程中，提升机 在井筒中，往往会经过两个校核点。如果在校核位置上没 有出现相应的动作，则系统会报距离损坏故障。如果在校 核点的位置中，提升机的速度过快，超过了设定值，则会 报超速故障[8]。经过试验，可以发现电控系统的运行正 常。包括故障保护、全速急停等试验都为正常状态。 如图3所示，其中黄色的线表示的是超速保护曲线， 其超速范围值为115。而红色的曲线代表着实际的工作 速度曲线。通过该图，可以发现在实际工作中，如果提前 设定了速度，则提升机 可以保证其稳定性，并 及时调整，不会出现超 调。在控制系统中，使 用了3类编码器，三者 各司其职，其中监控编 码器是同导向轮相连 接。在PLC系统出现故 障时，每个编码器的输 图1提升机PLC控制原理 图2PLC控制下提升机运行 速度曲线 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 控制系统元器件 安全回路复位 信号复位 控制台急停 安全回来断开 提升机急停 封锁开关 变流器急停 机械过卷 校核开关 罐笼上下停车 制动油泵开关 进线快熔 电机温度报警 制动油泵过载 滤芯堵塞 离合开关 编号 DI2.1 DI1.1 DI1.3 DI2.5 DI3.12 DI3.11 DI5.1 DI1.14 DI1.15 DI6.1 DI11.1 DI2.19 DI6.12 DI6.21 DI5.1 DI4.1 分配的地址 367 369 401 402 403 512 523 538 539 541 542 547 548 601 612 618 表1各个元器件的编码与地址分配 图3试验中PLC控制下 提升机速度曲线 机电工程技术2019年第48卷第06期自动化与智能化 172 出均为零。通过试验，可以发现提升机的运行曲线为正常 状态，整个系统具有一定的稳定性和安全性。进一步说 明，提升机在PLC电控下运行稳定，保护效果理想。 4 结束语 矿井提升机电气控制系统为执行层、控制层和管理层 三层，控制网和监控网两层网络，PLC电气控制系统集硬 件、网络、软件于一身，自动化解决方案、参数检测、数 据采集、过程控制和信息传递、存储与利用为一体。简单 分析PLC控制原理，设计了PLC控制系统结构、程序、流 程，在矿井提升机运行中使用了PLC控制系统。经试验表 明，PLC控制下的矿井提升机运行稳定，PLC电控系统保 护功能齐全且正常，保障了提升机的安全性。 参考文献 ［1］刘兴华.如何解决提升机在速度闭环调速时的撞击问 题［J］.中国高新技术企业，2009（4） 7-9. ［2］张国庆.矿井提升机PLC电控的应用与思考［J］.山西 煤炭，2010（3） 9-11. ［3］董青青.基于PLC的矿井提升机电控系统设计与应用 ［D］. 西安西安科技大学，2014. ［4］董玉亭.提升机PLC及西门子PLC 控制系统故障处理 ［J］ 科技资讯，2014（18） 43-45. ［5］张文.PLC技术在煤矿提升机变频控制系统中的实践应 用［J］.煤炭技术，2012（10） 23-25. ［6］ 赵龙.矿用提升机的变频调速系统研究 ［J］.煤矿机 械，2011（11） 13-16. ［7］辛策.基于PLC和WinCC的变频调速提升机系统设计 ［D］.太原太原理工大学，2012. ［8］索楠.基于PLC矿井提升机控制系统设计［D］.太原 太原理工大学，2012. 作者简介乔惠军，男，1988年生，山西阳泉人，大学本 科，助理工程师。研究领域煤矿机电维修管理工作。 编辑 麦丽菊 码器之间，增加高速电偶电路，其结构如下图所示。编码 器的其中一相 （A相） 通过高速电偶6N1336隔离后，与 控制芯片的PA8相连。 3系统软件程序设计 本系统的控制核心为S7-300型号的PLC控制器，对 其的程序编程是通过STEP7软件实现的[8-9]，PLC编程的特 点是模块化、可视化，在程序编写中，可以有三种方式进 行程序编写分布式、结构化、线型。 图 3 是主程序流程 图，PLC 上电后开始工 作，首先监测自身的各项 监测功能能否正常开启， 开始监测传感器的数据， 当电机没能正常启动时， 判定提升机的工作状态为 停止工作，直接获取油压 数据、监测手柄状态、采 集温度传感器的温度数 据，保存现场采集的数 据，等待下一次的监测指 令。在电机正常运行，即 煤矿提升机的工作状态中，实时监测油压数据、各个位置 温度传感器的数据，通过位移、加速度传感器判断提升机 的运行速度是否正常，有没有超速、或者加速度变化异常 的情况，当有任意一种情况发生时，发出预警。 4 结束语 本文利用PLC控制器作为核心，设计煤矿提升机故障 预警系统。首先分析了煤矿提升机故障在线监测的需求， 设计故障预警系统的总体结构。在硬件设计中，详细介绍 PLC及外围相关模块的选型和功能实现，结合煤矿生产的 特点，对闸间隙监测传感器、油压监测传感器、电机转速 传感器进行选型，利用STEP-7软件设计PLC主控程序， 实现提升机故障的在线监测与故障预警。 参考文献 ［1］ 何凤有，谭国俊. 矿井直流提升机计算机控制技术 ［M］. 徐州中国矿业大学出版社，2003. ［2］吴强. 煤矿安全技术与事故处理［M］. 徐州中国矿 业大学出版社，2001. ［3］何正嘉，陈进，王太勇，等. 机械故障诊断理论及应 用［M］. 北京高等教育出版社，2010. ［4］ 王雷. 矿井提升机远程监控与故障诊断系统的研究 ［D］. 徐州中国矿业大学，2013. ［5］杨亚涛. 矿井提升机监测与故障诊断系统研究［D］. 西安西安科技大学，2013. ［6］ 周智仁. 提升机盘式制动器的状态检测盒故障诊断 ［D］. 徐州中国矿业大学，1991. ［7］季海明. 矿井提升机智能数字监控器的设计［J］. 煤 矿机电，2007（3） 25-27. ［8］ 夏战国. 基于 OPC 的矿井提升机监测数据通信系统 ［J］. 微计算机信息，2008（10） 117-119. ［9］ 方明煌. 矿用提升机安全监控系统可靠性的探讨 ［J］. 山西机械，1995（4） 17-20. 作者简介赵宝宝，男，1982年生，山西壶关人，大学本 科，助理工程师。研究领域煤矿机电。 编辑 麦丽菊 图3主程序流程图 （上接第164页） 􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂 乔惠军矿井提升机PLC电控系统研究自动化与智能化 173