目前， 我國絕大部分礦井提升機（超過(guò)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(fā)電機等組成的有觸點(diǎn)控制系統。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，tkd-a系列提升機電控系統雖然已經(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(xiàn)路過(guò)于復雜化，系統中間繼電器、電氣接點(diǎn)、電氣聯(lián)線(xiàn)多，造成提升機因電氣故障停車(chē)事故不斷發(fā)生。采用 plc技術(shù)的新型電控系統都已較成功的應用于礦井提升實(shí)踐，并取得了較好的運行經(jīng)驗，克服了傳統電控系統的缺陷，代表著(zhù)交流礦井提升機電控技術(shù)發(fā)展的趨勢。

2  總體設計方案

基于plc技術(shù)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(dòng)機、啟動(dòng)柜、動(dòng)力制動(dòng)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(guò)程：當井口或井底通過(guò)信號通信電路發(fā)出開(kāi)車(chē)信號后，開(kāi)車(chē)條件具備。司機將制動(dòng)手柄向前推離緊閘位置，主電動(dòng)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(guò)程序控制高壓換向器首先得電，使高壓信號送入主電動(dòng)機定子繞組，主電動(dòng)機接入全部轉子電阻啟動(dòng)，然后依次切除8段電阻，實(shí)現自動(dòng)加速， ***后運行在自然機械特性上。交流提升機運行時(shí)， 旋轉編碼器跟隨主電動(dòng)機轉動(dòng)，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(guān)系，自動(dòng)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(shí)只根據旋轉編碼器輸出的a相脈沖，主控plc進(jìn)行加計數。根據hsc1在恒定間隔時(shí)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(dòng)機電源，實(shí)現失壓、過(guò)流保護，控制電機的轉向和調節轉速。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、電機轉子電阻、加速接觸器的常開(kāi)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(dòng)電機選擇：鼠籠式異步電動(dòng)機盡管結構簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、維護方便，但很難滿(mǎn)足提升機啟動(dòng)和調速性能的要求，因此，礦井提升機交流拖動(dòng)系統均選用繞線(xiàn)式異步電動(dòng)機作為主拖動(dòng)電動(dòng)機，繞線(xiàn)式異步電動(dòng)機轉子串電阻后能***啟動(dòng)電流和提高啟動(dòng)轉矩，并能在一定范圍內進(jìn)行調速。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(xiàn)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(kāi)關(guān)柜內還設有電壓互感器yh，失壓服扣線(xiàn)圈syq，電流互感器lh和過(guò)流脫扣線(xiàn)圈glq，用于失壓或過(guò)流保護。在syq線(xiàn)圈回路中還串聯(lián)接有緊急停車(chē)開(kāi)關(guān)jtk1和換向器室欄柵門(mén)閉鎖開(kāi)關(guān)lsk。                                       

3.2 制動(dòng)回路設計

礦井提升機大多數采用繞線(xiàn)式異步電動(dòng)機來(lái)拖動(dòng)，且多數場(chǎng)合下采用有級切換轉子回路電阻來(lái)實(shí)現調速。其制動(dòng)系統多采用可控硅動(dòng)力制動(dòng)和可調閘制動(dòng)系統。前者為電氣制動(dòng)，后者為機械制動(dòng)。提升機在減速段運行中，當速度在0～5%范圍內，電氣制動(dòng)起作用，可調閘不起作用；當超速在5%～10%范圍內，電氣制動(dòng)限幅，并維持***大制動(dòng)功率，同時(shí)可調閘起作用，總制動(dòng)力矩增大；當超速10%時(shí)，過(guò)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(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。本文設計中采用kzg型三相可控硅動(dòng)力制動(dòng)系統。此系統為單閉環(huán)動(dòng)力制動(dòng)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(guān)系，哪個(gè)信號大，就允許哪個(gè)信號通過(guò)，亦即相應的控制方式發(fā)揮作用。因此，單閉環(huán)控制時(shí)司機可以腳踏制動(dòng)進(jìn)行控制，而在腳踏控制時(shí)，如提升機超速，閉環(huán)系統又可起監視保護作用。

圖3  單閉環(huán)動(dòng)制動(dòng)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(chǎn)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(méi)有可滑動(dòng)的觸點(diǎn)，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(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，如需要直流則應通過(guò)橋式整流輸出。

.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

控制信號電壓由兩個(gè)回路組成一個(gè)或門(mén)電路，如圖5所示。只要其中之一達到觸發(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，另一條回路由司機控制自整角機cd2的輸出以實(shí)現人工調節。                                

在人工控制動(dòng)力制動(dòng)系統時(shí)，由司機控制腳踏板帶動(dòng)自整角機cd2發(fā)生控制電壓。調整時(shí)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(shí)，相當于控制開(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cd2輸出很小，動(dòng)力制動(dòng)電流***小。當司機腳尖踏下后，自整角機cd2輸出***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(mén)電路，此兩種控制信號成并聯(lián)關(guān)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(jìn)行高速計數，通過(guò)相應的計算自動(dòng)生成提升機位置的相關(guān)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(shí)不會(huì )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(chēng)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(gè)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(dòng)功能的芯片cd4513驅動(dòng)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(gè)輸出端，其中a為***低位，d為***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(lái)。如果輸入的不是十進(jìn)制數，顯示器熄滅。le為高電平時(shí)，顯示的數不受數據輸入信號的影響。顯然，n個(gè)顯示器占用的輸出點(diǎn)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(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。輔助回路所帶負荷有：晶閘管動(dòng)力制動(dòng)電源裝置、制動(dòng)油泵電動(dòng)機、潤滑油泵電動(dòng)機等。

4  提升機主電動(dòng)機轉子電阻計算

電動(dòng)機轉子電阻的計算，對提升設備的正常運轉有著(zhù)重要的作用。進(jìn)行啟動(dòng)電阻計算時(shí)，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***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)機容量，故應***考慮，選出經(jīng)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(jiàn)附表所示。

三相平衡啟動(dòng)電阻的計算方法很多，但基本上可分為兩種類(lèi)型：一類(lèi)是按給定加速度來(lái)計算啟動(dòng)電阻，另一類(lèi)是以充分利用電動(dòng)機的過(guò)載能力為出發(fā)點(diǎn)來(lái)計算。因***類(lèi)方法計算簡(jiǎn)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(yè)的固有特點(diǎn)，國產(chǎn)礦井提升機電控制系統中應用plc也發(fā)展很快。但從現場(chǎng)使用情況來(lái)看，目前，在國產(chǎn)煤礦提升機控制系統中，plc主要用于處理開(kāi)關(guān)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(xiàn)以及信號顯示系統，而涉及到提升機安全運行的制動(dòng)系統中的模擬量和自動(dòng)調節過(guò)程，大多還是通過(guò)用半導體器件、運算放大器等可調閘和可控硅動(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 )出現零點(diǎn)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(diǎn)，因而使提升機電控系統的可靠性降低。針對上述問(wèn)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(gè)cpu226主機和兩片i/o擴展模塊em223和em222組成，設計含有40個(gè)輸入點(diǎn)40個(gè)輸出點(diǎn)， 則具體i/o接線(xiàn)如圖7所示。

圖7  主控plc電路及擴展i/o接線(xiàn)

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(jìn)行以下操作：寫(xiě)控制字， 定義工作模式，清零， 寫(xiě)設定值， 設置定時(shí)中斷， 連接中斷， 啟動(dòng)計數。

（2） 制動(dòng)油泵、潤滑油泵、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安全運行所需輔助設備的控制。

（3） 制動(dòng)油過(guò)壓信號、制動(dòng)油過(guò)熱信號和潤滑油過(guò)壓信號的顯示控制用于交流提升機工作狀態(tài)的顯示控制。

（4） 調繩閉鎖回路是在調繩過(guò)程中起安全保護作用。雙卷簡(jiǎn)提升機換水平調繩時(shí)，調繩轉換開(kāi)關(guān)1hk-3斷開(kāi)，使調繩連鎖環(huán)節串入安全回路。正常運行時(shí)，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(dòng)機啟動(dòng)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(gè)數來(lái)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(fā)出鈴聲提示信號。

（9） 自動(dòng)換向工作回路和手動(dòng)正反轉工作回路分別用于自動(dòng)和手動(dòng)方式下對交 流提升電動(dòng)機進(jìn)行正反轉控制。

（10） 安全回路用于防止和避免交流提升機發(fā)生意外事故。

（11） 定時(shí)器控制回路和轉子電阻通斷控制用于交流提升電動(dòng)機啟動(dòng)或減速時(shí)的轉子電阻切換控制。

（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)機制動(dòng)控制。

結束語(yǔ)

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(shí)現方便等優(yōu)點(diǎn)。采用plc實(shí)現提升機主要控制邏輯， 增加控制功能，實(shí)現***自動(dòng)化生產(chǎn)。其關(guān)鍵是充分發(fā)揮plc的優(yōu)勢， 利用其綜合測控機制， 解決好測速、保護等問(wèn)題， 實(shí)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(chǎn)出。從系統的應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，在現有plc技術(shù)的基礎上進(jìn)一步進(jìn)行功能擴充，將會(huì )進(jìn)一步提高我國礦井提升電控系統的現代化水平。