1 引言
目前， 我國(guó)絕大部分礦井提升機(jī)(超過(guò)70%)采用傳統(tǒng)的交流提升機(jī)電控系統(tǒng)(tkd-a為代表)。tkd控制系統(tǒng)是由繼電器邏輯電路、大型空氣接觸器、測(cè)速發(fā)電機(jī)等組成的有觸點(diǎn)控制系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，tkd-a系列提升機(jī)電控系統(tǒng)雖然已經(jīng)形成了自己的特點(diǎn)，然而其不足之處也顯而易見(jiàn)，它的電氣線路過(guò)于復(fù)雜化，系統(tǒng)
中間繼電器、電氣接點(diǎn)、電氣聯(lián)線多，造成提升機(jī)因電氣故障停車事故不斷發(fā)生。采用plc技術(shù)的新型電控系統(tǒng)都已較成功的應(yīng)用于礦井提升實(shí)踐，并取得了較好的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，克服了傳統(tǒng)電控系統(tǒng)的缺陷，代表著交流礦井提升機(jī)電控技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。
2 總體設(shè)計(jì)方案
基于plc技術(shù)的礦井交流提升機(jī)電控系統(tǒng)控制電路組成結(jié)構(gòu)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(dòng)機(jī)、啟動(dòng)柜、動(dòng)力制動(dòng)電源)、主控plc電路、提升行程檢測(cè)與顯示電路、提升速度檢測(cè)、提升信號(hào)電路，其中高壓主電路部分仍采用傳統(tǒng)的繼電器控制電路。
圖1 礦井交流提升機(jī)電控系統(tǒng)框圖
工作過(guò)程：當(dāng)井口或井底通過(guò)信號(hào)通信電路發(fā)出開(kāi)車信號(hào)后，開(kāi)車條件具備。司機(jī)將制動(dòng)手柄向前推離緊閘位置，主電動(dòng)機(jī)松閘。司機(jī)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(guò)程序控制高壓換向器首先得電，使高壓信號(hào)送入主電動(dòng)機(jī)定子繞組，主電動(dòng)機(jī)接入全部轉(zhuǎn)子電阻啟動(dòng)，然后依次切除8段電阻，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加速，最后運(yùn)行在自然機(jī)械特性上。交流提升機(jī)運(yùn)行時(shí)，旋轉(zhuǎn)編碼器跟隨主電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出2列a/b相脈沖，分別接到主控plc的高速計(jì)數(shù)器hsc0的a/b相脈沖輸入端，由主控plc根據(jù)a/b脈沖的相位關(guān)系，自動(dòng)確定hsc0的加、減計(jì)數(shù)方式。根據(jù)hsc0的計(jì)數(shù)值，就可以計(jì)算出提升行程并顯示。同時(shí)只根據(jù)旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的a相脈沖，主控plc進(jìn)行加計(jì)數(shù)。根據(jù)hsc1在恒定間隔時(shí)間內(nèi)的計(jì)數(shù)值，就可以計(jì)算出提升速度。
3 硬件設(shè)計(jì)
3.1 提升機(jī)主回路部分設(shè)計(jì)
主回路用于供給提升電動(dòng)機(jī)電源，實(shí)現(xiàn)失壓、過(guò)流保護(hù)，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向和調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。主回路由高壓開(kāi)關(guān)柜、高壓換向器的常開(kāi)觸頭、動(dòng)力制動(dòng)接觸器的常開(kāi)主觸頭、動(dòng)力制動(dòng)電源裝置、提升電動(dòng)機(jī)、電機(jī)轉(zhuǎn)子電阻、加速接觸器的常開(kāi)主觸頭(1jc～8jc)和裝在司機(jī)操作臺(tái)上的指示電流表和電壓表等組成。系統(tǒng)原理圖如圖2所示。
圖2 提升機(jī)主回路系統(tǒng)原理圖
主拖動(dòng)電機(jī)選擇：鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)盡管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、維護(hù)方便，但很難滿足提升機(jī)啟動(dòng)和調(diào)速性能的要求，因此，礦井提升機(jī)交流拖動(dòng)系統(tǒng)均選用繞線式異步電動(dòng)機(jī)作為主拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)，繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻后能限制啟動(dòng)電流和提高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，并能在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)速。地面變電所送來(lái)的二路6kv電源，一路工作，一路備用，經(jīng)tgg-6型高壓開(kāi)關(guān)柜的
隔離開(kāi)關(guān)glk1、油開(kāi)關(guān)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(jī)的定子。在高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)還設(shè)有電壓互感器yh，失壓服扣線圈syq，電流互感器lh和過(guò)流脫扣線圈glq，用于失壓或過(guò)流保護(hù)。在syq線圈回路中還串聯(lián)接有緊急停車開(kāi)關(guān)jtk1和換向器室欄柵門閉鎖開(kāi)關(guān)lsk。
3.2 制動(dòng)回路設(shè)計(jì)
礦井提升機(jī)大多數(shù)采用繞線式異步電動(dòng)機(jī)來(lái)拖動(dòng)，且多數(shù)場(chǎng)合下采用有級(jí)切換轉(zhuǎn)子回路電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速。其制動(dòng)系統(tǒng)多采用可控硅動(dòng)力制動(dòng)和可調(diào)閘制動(dòng)系統(tǒng)。前者為電氣制動(dòng)，后者為機(jī)械制動(dòng)。提升機(jī)在減速段運(yùn)行中，當(dāng)速度在0～5%范圍內(nèi)，電氣制動(dòng)起作用，可調(diào)閘不起作用；當(dāng)超速在5%～10%范圍內(nèi)，電氣制動(dòng)限幅，并維持最大制動(dòng)功率，同時(shí)可調(diào)閘起作用，總制動(dòng)力矩增大；當(dāng)超速10%時(shí)，過(guò)速繼電器gsj1作用于安全回路，可調(diào)閘將提升機(jī)滾筒閘住。
晶閘管動(dòng)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(fā)回路。本文設(shè)計(jì)中采用kzg型三相可控硅動(dòng)力制動(dòng)系統(tǒng)。此系統(tǒng)為單閉環(huán)動(dòng)力制動(dòng)系統(tǒng)，系統(tǒng)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(guān)系，哪個(gè)信號(hào)大，就允許哪個(gè)信號(hào)通過(guò)，亦即相應(yīng)的控制方式發(fā)揮作用。因此，單閉環(huán)控制時(shí)司機(jī)可以腳踏制動(dòng)進(jìn)行控制，而在腳踏控制時(shí)，如提升機(jī)超速，閉環(huán)系統(tǒng)又可起監(jiān)視保護(hù)作用。
圖3 單閉環(huán)動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)方框圖
3.3 速度給定回路
速度給定方式就是按行程原則產(chǎn)生速度給定信號(hào)。在礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)中，通常是采用凸輪板給定方法，即由凸輪板控制自整角機(jī)的輸出電壓。由于自整角機(jī)沒(méi)有可滑動(dòng)的觸點(diǎn)，因此電壓變化較平穩(wěn)，工作較可靠，維護(hù)量較小。原理圖如圖4所示。
圖4 速度給定電路
自整角機(jī)作為給定裝置應(yīng)用時(shí)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(yīng)通過(guò)橋式整流輸出。
3.4 動(dòng)力制動(dòng)回路
晶閘管整流器及其觸發(fā)裝置成套地裝在電源柜中，動(dòng)力制動(dòng)電源裝置輸出電壓的大小與觸發(fā)裝置輸入的控制信號(hào)電壓的高低有關(guān)。
圖5 動(dòng)力制動(dòng)電壓形成回路
控制信號(hào)電壓由兩個(gè)回路組成一個(gè)或門電路，如圖5所示。只要其中之一達(dá)到觸發(fā)要求時(shí)，即可使晶閘管觸發(fā)起制動(dòng)作用。這兩個(gè)回路，一個(gè)是由實(shí)際速度與給定速度形成的速度偏差值，自動(dòng)控制cf3磁放大器的輸出和動(dòng)力制動(dòng)輸出，另一條回路由司機(jī)控制自整角機(jī)cd2的輸出以實(shí)現(xiàn)人工調(diào)節(jié)。
在人工控制動(dòng)力制動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，由司機(jī)控制腳踏板帶動(dòng)自整角機(jī)cd2發(fā)生控制電壓。調(diào)整時(shí)應(yīng)使其與磁放大器cf3的輸出相配合。當(dāng)腳跟剛剛踩下，腳尖尚未下踏時(shí)，相當(dāng)于控制開(kāi)關(guān)閉和，使dzc得電吸合，晶閘管動(dòng)力制動(dòng)投入，但此時(shí)自整角機(jī)cd2輸出很小，動(dòng)力制動(dòng)電流最小。當(dāng)司機(jī)腳尖踏下后，自整角機(jī)cd2輸出最大。
在腳踏動(dòng)力制動(dòng)與cf3輸出回路中，分別由z1和z2兩個(gè)二極管組成一個(gè)或門電路，此兩種控制信號(hào)成并聯(lián)關(guān)系，互不影響。
3.5 行程檢測(cè)與顯示
利用旋轉(zhuǎn)編碼器將提升機(jī)的運(yùn)行位置轉(zhuǎn)化為脈沖，plc對(duì)此脈沖進(jìn)行高速計(jì)數(shù)，通過(guò)相應(yīng)的計(jì)算自動(dòng)生成提升機(jī)位置的相關(guān)數(shù)據(jù)，傳送到plc內(nèi)部高速計(jì)數(shù)器的存儲(chǔ)單元。為了提高計(jì)數(shù)器的脈沖精度，選用日本omron公司的e6c-cwsc型可逆旋轉(zhuǎn)編碼器，其脈沖準(zhǔn)確精度高，在低速時(shí)不會(huì)丟失脈沖。
為了便于提升機(jī)司機(jī)操作，提升機(jī)電控系統(tǒng)需設(shè)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(shè)計(jì)根據(jù)編碼器所測(cè)的運(yùn)行距離(0～570m)，采用3個(gè)led七段顯示器作為提升機(jī)位置的顯示。
圖6 plc數(shù)字顯示電路
圖6所示電路中，用具有鎖存，譯碼，驅(qū)動(dòng)功能的芯片cd4513驅(qū)動(dòng)共陰極led七段顯示器，三只cd45-13的數(shù)據(jù)輸入端a～d共用可編程控制器的4個(gè)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(hào)的上升沿將數(shù)據(jù)輸入端輸入的bcd數(shù)鎖存在片內(nèi)的寄存器中，并將該數(shù)譯碼后顯示出來(lái)。如果輸入的不是十進(jìn)制數(shù)，顯示器熄滅。le為高電平時(shí)，顯示的數(shù)不受數(shù)據(jù)輸入信號(hào)的影響。顯然，n個(gè)顯示器占用的輸出點(diǎn)數(shù)為：4+n。
3.6 輔助回路設(shè)計(jì)
輔助回路是用于對(duì)輔助設(shè)備進(jìn)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(fù)荷有：晶閘管動(dòng)力制動(dòng)電源裝置、制動(dòng)油泵電動(dòng)機(jī)、潤(rùn)滑油泵電動(dòng)機(jī)等。
4 提升機(jī)主電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電阻計(jì)算
電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電阻的計(jì)算，對(duì)提升設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)有著重要的作用。進(jìn)行啟動(dòng)電阻計(jì)算時(shí)，首先應(yīng)確定預(yù)備級(jí)級(jí)數(shù)和加速級(jí)級(jí)數(shù)。因?yàn)樗x的級(jí)數(shù)直接影響到最大切換力矩的增大或減小及平均啟動(dòng)加速度的提高或降低，甚至由于過(guò)載能力不夠而需加大電動(dòng)機(jī)容量，故應(yīng)全面考慮，選出經(jīng)濟(jì)合理的級(jí)數(shù)。一般情況下，預(yù)備級(jí)級(jí)數(shù)和加速級(jí)級(jí)數(shù)的選擇見(jiàn)附表所示。
三相平衡啟動(dòng)電阻的計(jì)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(lái)計(jì)算啟動(dòng)電阻，另一類是以充分利用電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力為出發(fā)點(diǎn)來(lái)計(jì)算。因第一類方法計(jì)算簡(jiǎn)便準(zhǔn)確，故本文中采用此方法計(jì)算。
5 plc控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
5.1 主控plc控制電路設(shè)計(jì)
根據(jù)提升機(jī)的運(yùn)行方式和煤礦企業(yè)的固有特點(diǎn)，國(guó)產(chǎn)礦井提升機(jī)電控制系統(tǒng)中應(yīng)用plc也發(fā)展很快。但從現(xiàn)場(chǎng)使用情況來(lái)看，目前，在國(guó)產(chǎn)煤礦提升機(jī)控制系統(tǒng)中，plc主要用于處理開(kāi)關(guān)量，以替代老式提升機(jī)控制系統(tǒng)中眾多的繼電器、接觸器、復(fù)雜的連線以及信號(hào)顯示系統(tǒng)，而涉及到提升機(jī)安全運(yùn)行的制動(dòng)系統(tǒng)中的模擬量和自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程，大多還是通過(guò)用半導(dǎo)體器件、運(yùn)算放大器等可調(diào)閘和可控硅動(dòng)力制動(dòng)的普通電子模式來(lái)處理。使用過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)零點(diǎn)漂移、電子元件損壞，并且存在維修及重新調(diào)試難、可靠性差等缺點(diǎn)，因而使提升機(jī)電控系統(tǒng)的可靠性降低。針對(duì)上述問(wèn)題，深入研究用plc控制煤礦提升機(jī)控制系統(tǒng)是非常必要的。
本文中主控單元可編程序控制器(plc)設(shè)計(jì)，由一個(gè)cpu226主機(jī)和兩片i/o擴(kuò)展模塊em223和em222組成，設(shè)計(jì)含有40個(gè)輸入點(diǎn)40個(gè)輸出點(diǎn)，則具體i/o接線如圖7所示。
圖7 主控plc電路及擴(kuò)展i/o接線
5.2 plc控制軟件設(shè)計(jì)
plc控制軟件主程序流程圖如圖8所示。
圖8 主程序控制流程圖
(1) 初始化子程序用于對(duì)高速計(jì)數(shù)器hsc0和hsc1進(jìn)行以下操作：寫(xiě)控制字， 定義工作模式，清零， 寫(xiě)設(shè)定值，設(shè)置定時(shí)中斷， 連接中斷， 啟動(dòng)計(jì)數(shù)。
(2)制動(dòng)油泵、潤(rùn)滑油泵、動(dòng)力制動(dòng)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(jī)安全運(yùn)行所需輔助設(shè)備的控制。
(3) 制動(dòng)油過(guò)壓信號(hào)、制動(dòng)油過(guò)熱信號(hào)和潤(rùn)滑油過(guò)壓信號(hào)的顯示控制用于交流提升機(jī)工作狀態(tài)的顯示控制。
(4) 調(diào)繩閉鎖回路是在調(diào)繩過(guò)程中起安全保護(hù)作用。雙卷簡(jiǎn)提升機(jī)換水平調(diào)繩時(shí)，調(diào)繩轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)1hk-3斷開(kāi)，使調(diào)繩連鎖環(huán)節(jié)串入安全回路。正常運(yùn)行時(shí)，lhk-3接通，調(diào)繩連鎖不起作用。
(5) 提升信號(hào)回路用于對(duì)交流提升電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)或減速作好準(zhǔn)備。
(6) 位置測(cè)量子程序用于測(cè)量提升機(jī)在礦井中的位置。
(7) 行程顯示子程序根據(jù)旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖個(gè)數(shù)來(lái)顯示當(dāng)前的行程位置。
(8) 減速信號(hào)回路和減速信號(hào)鈴用于減速控制并且發(fā)出鈴聲提示信號(hào)。
(9) 自動(dòng)換向工作回路和手動(dòng)正反轉(zhuǎn)工作回路分別用于自動(dòng)和手動(dòng)方式下對(duì)交 流提升電動(dòng)機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)控制。
(10) 安全回路用于防止和避免交流提升機(jī)發(fā)生意外事故。
(11) 定時(shí)器控制回路和轉(zhuǎn)子電阻通斷控制用于交流提升電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)或減速時(shí)的轉(zhuǎn)子電阻切換控制。
(12) 動(dòng)力制動(dòng)回路用于動(dòng)力制動(dòng)電源的投入與切除控制。
(13) 腳踏制動(dòng)聯(lián)鎖和工作閘繼電器用于交流提升電動(dòng)機(jī)制動(dòng)控制。
6 結(jié)束語(yǔ)
提升機(jī)的控制系統(tǒng)采用plc控制與tkd-a控制系統(tǒng)結(jié)合的方式，具有可靠、安全、實(shí)現(xiàn)方便等優(yōu)點(diǎn)。采用plc實(shí)現(xiàn)提升機(jī)主要控制邏輯， 增加控制功能，實(shí)現(xiàn)高效自動(dòng)化生產(chǎn)。其關(guān)鍵是充分發(fā)揮plc的優(yōu)勢(shì)，利用其綜合測(cè)控機(jī)制， 解決好測(cè)速、保護(hù)等問(wèn)題， 實(shí)現(xiàn)與原系統(tǒng)的良好銜接， 提高系統(tǒng)的綜合性能，達(dá)到低投入高產(chǎn)出。從系統(tǒng)的應(yīng)用情況看仍存在一些需進(jìn)一步完善的問(wèn)題如：網(wǎng)絡(luò)通信功能和先進(jìn)控制技術(shù)及策略如智能控制等，在現(xiàn)有plc技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步進(jìn)行功能擴(kuò)充，將會(huì)進(jìn)一步提高我國(guó)礦井提升電控系統(tǒng)的現(xiàn)代化水平。
