基于PLC变频调速技术的矿用提升机调速控制研究

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　　摘 要：对东曲矿用输送设备的PLC控制系统进行设计，介绍了整个输送设备的整体结构，并给出了该输送设备的主要技术参数及设备的力学计算，根据计算结果对输送设备的整个PLC控制系统的总体方案进行了设计，设计结果包括PLC基本结构组成、主站系统设计、操作柜及监控后台等，对同类型设备的控制系统设计具有一定的指导意义。
　　关键词：PLC；输送机；控制系统；TCP/IP 协议；调速
　　0 引言
　　随着工业水平的提高，促进煤矿的自动化生产对于煤矿在减少生产成本、提高生产效率方面来说已势在必行，同时自动化生产采用人机合作的生产模式，极大程度地提高了生产的安全性。
　　国内的输送设备大多采用可编程控制器完成整个生产过程的控制，虽然可实现基本的启动、运行、停止等工作，但在监测及实时通信等方面仍存在一定的漏洞。基于PLC技术设计了矿井提升机的控制系统，不仅包含了PLC主体系统，同时还配备了外观优美且操作简易的操作柜，以及具备存储功能的监控后台，能够及时将监测到的信号反馈至输送设备中，无论是在生产效益方面还是施工安全方面都得到了极大地提高。
　　1 输送设备主要结构参数计算及受力配比分析
　　1.1 輸送设备主要结构
　　煤矿输送设备的主要结构分为：承载部分：输送皮带、支撑辊、机架；驱动部分：驱动滚筒；改向部分：改向滚筒；张紧部分：张紧装置、张紧钢绳、张紧悬块；清扫部分：清洁部件。
　　1.2 主要技术参数及其力学计算
　　1.2.1 输送设备主要技术参数
　　该东曲矿输送设备的主要已知技术参数如表1所示：
　　表1 输送设备的主要已知技术参数表
　　名称 皮带宽（mm） 带速（m/s） 运量（t/h） 机长（mm） 倾角
　　数值 1800 3.0 2000 4200 0～13.75
　　整体驱动为双滚筒三电机驱动，另外，配备 1LA4454-4AV00-Z型电机4台、H3SH18+PG1+PG4型减速器3台、KPZ-1400/304制动器1个、NJD330型逆止器2台。设备尾部装有ZLT-02-200型张紧装置。
　　1.2.2 输送设备力学计算
　　1.2.2.1线路阻力计算
　　线路阻力（输送带运行阻力）包括直线阻力和弯曲段阻力。弯曲段阻力一般考虑阻力系数K（K=1.03～1.07）。述基本阻力外，还受附加阻力，包括物料在装载点加速时与输送带之间的摩擦阻力简称物料加速阻力；装料点的导料槽摩擦阻力；清扫装置的摩擦阻力；中间卸料装置的阻力等。下面分别予以计算
　　直线阻力计算：
　　空载段直线阻力的计算公式为：
　　2 输送设备控制系统总体方案
　　2.1 总体设计思路
　　①为了输送设备可靠、快速的运行，控制系统选用PLC集中控制技术来实现；②结构部分主要由供配电、PLC中控和监控系统等部分组成；③输送设备的驱动部分必须包含高压变频器，并且各变频器间功率要求平衡；④输送设备控制部分包含各种功能的传感器，如温度报警器、打滑传感器、张力传感器等；⑤另外整个输送设备需要安设声、光报警器以及能够监测井底给煤机工作状况的监控功能；⑥整个输送设备的运行过程中能够进行实时监视以及数据存储的功能。
　　2.2 输送设备控制系统的整体结构
　　该输送设备的控制系统整体结构主要由：上位工控机部分、PLC 控制柜部分、及保护部分组成，另外还有电源、警报器等。这些部分协调合作实现输送设备的控制及监控。整个控制系统可实现图形、数据的收集，并提供ODBC、DDE等多种数据接口，再进行全矿网络汇集。
　　2.2.1 上位机
　　上位机包含2台工控机、显示器、打印机等。工控机用独立双电源供电，避免断电导致生产无法进行。
　　2.2.2 PLC 部分
　　PLC采用西门子S7-300系列，其结构已模块化，维护方便，这部分主要包括PLC主站、机头站及机尾站。
　　2.2.3 保护部分
　　此部分主要包括各种传感器：如速度、打滑、温度等传感器。
　　3 输送设备PLC控制系统设计
　　3.1 PLC基本结构组成
　　PLC主要应用于工业生产，其实质就是一种能够实现自动化控制的计算机，其硬件类组件基本上与微型计算机相同，主机由中央处理单元、存储器以及电源系统组成。
　　①中央处理单元（CPU）是PLC的核心端口，其整个执行过程呈循环式状态，首先接收输入单元采集的输入信号，并将信号分类存放至I/O映象区；然后逐个对存放的信号进行逻辑化分析以及数值运算，完成对输入信号的处理，随后将新的信号通过输出单元传递至各个相对应的输出装置，最终完成整个信号的传递与执行；如此循环运行，直到停止运行；②存储器是实现软件调用的关键端口，其根据存放软件的种类的不同可分为系统程序存储器与用户程序存储器，前者用来存放系统性软件，后者用来存放应用类软件；③电源在整个PLC系统中起到了提供动力的作用，尤其是具有良好性能的电源系统可极大地提高整机的工作效率，尤其是对于波动范围在10%或15%的交流电中，可将PLC直接连接到交流电网上去。
　　3.2 PLC主站系统设计
　　PLC主站系统是整个输送设备控制系统的关键部分，其主要可实现五项基本功能：
　　能够在一定的时间允许误差的范围内，实现对输送设备的启停操作，保证输送设备的安全使用；根据带速传感器传输的数值对输送设备的运转速度进行控制，确保输送设备的合理使用；使用TCP/IP 协议的自主通信功能对东曲矿输送设备进行不定时差的观察与检测，并将获取的讯息在第一时间内返还至主站台；根据输入的电流型号对变频器的工作状态进行实时检测，完成与高压系统及低压系统的精确对接；将温度传感器及带速传感器的输入数值进行汇总分析，并将分析结果及时反馈至输送设备的主站的监控系统，实现配套保护装置在第一时间做出相应的安全措施。
　　PLC主站在对输送设备进行控制时，在输入端口设置了数字量输入模块以及模拟量输入模块，同样地在输出端口设置了与输入模块对应的数字量输出模块以及模拟量输出模块。其中，四种模块的基本功能如下：①数字量输入模块用以将电机工作状态、变频器运转状态、电机冷却风扇命令执行状态以及输送设备的运行状态进行信息采集；②数字量输出模块将数字量输入模块采集的信息进行处理，实现变频器、电机以及输送设备在启动与停止两种工况下快速切换；③模拟量输入、输出模块将传入的电流信号进行处理，并以定量的速度或频率反馈至变频器，适应不同的运行工况。
　　4 结语
　　根据东曲矿使用的输送设备的整体结构组成和输送设备的主要参数，对该输送设备进行了力学分析与计算，基于计算结果对输送设备的整个PLC控制系统的总体方案进行了设计，设计结果包括PLC基本结构组成、主站系统设计、操作柜及监控后台等，实现了煤矿生产时的自动化作业，提高了生产效率，保证安全生产。
　　参考文献：
　　[1]董有祥.PLC变频控制技术在矿井提升机控制系统中的应用[J].科学之友，2011（23）：52-53.
　　[2]邓小盾.基于西门子变频PLC的矿井提升机控制系统[J].煤炭技术，2012，31（10）：131-133.
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