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• 關鍵詞： 提升機
• 摘要：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，要由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

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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
3.1 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、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(1jc～8jc)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

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，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3  單閉環動制動系統方框圖

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(0～570m)，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a～d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。

圖7  主控plc電路及擴展i/o接線

5.2 plc控制軟件設計

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) 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。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。