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基于PLC的變頻調速提升控制系統設計
1、引言
礦井提升機是礦山生產過程中***重要的礦山設備之一，是礦山生產運輸的主要工具。礦井提升機的主要任務是沿井筒提升礦石、煤炭、研石，下放材料，升降人員和設備等，是聯系井下與井上的重要途徑，素有礦井“咽喉”之稱。它的安全******性不僅直接影響整個礦井的生產能力，而且還涉及到井下工作人員的生命安全。因此，研究并制造既安全******又節省能源的提升機是非常重要的。
傳統的礦山提升設備采用繼電器-接觸器進行控制，采用繞線式交流電動機并通過轉子外加金屬電阻進行調速。這種控制系統存在能耗大、效率低、安全******性差、故障率高、維護難、調速性能差等缺點。而采用可編程控制器（PLC）對得升機控制系統進行改造后，大大減少了系統故障，提高了系統的******性和安全性。采用PLC控制變頻器，使調速更平滑、操作更簡單，在大大減小提升機控制系統體積的同時,更提高了系統的控制精度和安全******性，降低了故障率。同時還能與上位機進行通信，實現計算機對煤礦的監控。
2、提升機控制系統的設計
不管提升機的電動機是在正轉還是反轉狀態，一般都有起動、加速、中速運行、穩定運行、減速、低速運行、制動停車等幾個階段，如圖1所示。為了使提升機調速性能良好，我們選用了交流異步電動機的變頻調速控制。
為了使提升機具有良好的啟動性能、調速性能和安全******性等要求，我們設計了基于PLC和變頻器的電控系統，同時還采用了MCGS組態軟件進行監控。控制系統框圖如圖2所示。該控制系統包括以下幾個部分： PLC部分、變頻器部分、上位機監測部分。PLC主要實現的功能是：控制提升電動機的正反轉啟動運行、停止、正反向點動、提升速度與提升高度的選擇、急停、復位和安全保護等功能；變頻器主要實現提升機的多段速度運行和調速控制。另外還選擇了合適的傳感器來檢測提升機的運行狀態和提升機的運行速度和位置；上位機部分主要由裝有MCGS組態軟件的PC機組成，通過MCGS與PLC之間的通信可以實時顯示提升機的運行狀態、運行速度和行程。
根據提升機控制系統的特點和I/O點數的估算，本系統所選用的PLC是三菱公司的FX2N-64MR型PLC。FX2N系列是三菱公司中比較******的系列，FX2N******為256點，它的基本指令執行時間高達0.08μS/指令，內置的用戶存儲器容量為8K，可擴展到16K。有多種特殊功能模塊和功能擴展模塊，可以實現多軸定位控制，每個基本單元可擴展8個特殊單元。機內有實時時鐘，PID指令可實現模擬量閉環控制。有功能很強的數學指令集，如浮點數運算、開平方和三角函數等。
3、PLC程序設計
由于系統控制核心主要由PLC和上位機組成，因此，軟件設計主要包括PLC控制程序設計和上位機組態軟件的設計。PLC程序的主要功能是對提升機的啟動/停止、加速/減速/停車等過程控制和安全保護控制等。上位機軟件主要對系統運行狀態和故障狀態實時監控，對運行數據、故障數據進行實時處理，并存儲和記憶。
PLC軟件設計采用調用子程序的方式，程序編制采用梯形圖。根據提升機的控制要求和控制過程，我們給出的提升機的主程序框圖如圖3所示。
提升機的監控系統主要由可編程控制器(PLC)和觸摸屏組成，觸摸屏作為PLC的上位機，通過通信方式完成現場信號、現場數據的采集及實時顯示、監控和保護。本監控由MCGS組態軟件來實時監測顯示礦井提升機的提升速度和提升高度以及各種報警信號，使用MCGS組態軟件的豐富的圖形界面，可以使工作過程更直觀、形象。本組態畫面由提升容器上升動畫、報警信號、實時提升高度與速度曲線、實時提升高度與速度數字顯示等幾個部分組成。提升機的主畫面如圖4所示。通過提升速度曲線可以方便觀察速度的變化規律，及時發現提升過程的速度故障(超速、速度不穩等)；通過提升高度棒圖可以顯示提升機的行程。
4、結論
通過仿真和試驗結果可知，采用PLC和變頻器實現的提升機的控制系統能夠滿足提升機的控制功能要求。而且大大減少了提升機的硬件部分，減少了故障，提高了******性；變頻器的調速方法實現了提升機的平滑調速，提高了提升機的舒適度和安全性；組態軟件的使用方便的實現了對提升機速度、行程和信號的監控以及各參數的修改。相信在未來礦山機電設備控制領域中,PLC變頻控制技術的應用必將越來越廣泛。同時控制系統也會不斷的完善。
礦井提升機是礦山生產過程中***重要的礦山設備之一，是礦山生產運輸的主要工具。礦井提升機的主要任務是沿井筒提升礦石、煤炭、研石，下放材料，升降人員和設備等，是聯系井下與井上的重要途徑，素有礦井“咽喉”之稱。它的安全******性不僅直接影響整個礦井的生產能力，而且還涉及到井下工作人員的生命安全。因此，研究并制造既安全******又節省能源的提升機是非常重要的。
傳統的礦山提升設備采用繼電器-接觸器進行控制，采用繞線式交流電動機并通過轉子外加金屬電阻進行調速。這種控制系統存在能耗大、效率低、安全******性差、故障率高、維護難、調速性能差等缺點。而采用可編程控制器（PLC）對得升機控制系統進行改造后，大大減少了系統故障，提高了系統的******性和安全性。采用PLC控制變頻器，使調速更平滑、操作更簡單，在大大減小提升機控制系統體積的同時,更提高了系統的控制精度和安全******性，降低了故障率。同時還能與上位機進行通信，實現計算機對煤礦的監控。
2、提升機控制系統的設計
不管提升機的電動機是在正轉還是反轉狀態，一般都有起動、加速、中速運行、穩定運行、減速、低速運行、制動停車等幾個階段，如圖1所示。為了使提升機調速性能良好，我們選用了交流異步電動機的變頻調速控制。
為了使提升機具有良好的啟動性能、調速性能和安全******性等要求，我們設計了基于PLC和變頻器的電控系統，同時還采用了MCGS組態軟件進行監控。控制系統框圖如圖2所示。該控制系統包括以下幾個部分： PLC部分、變頻器部分、上位機監測部分。PLC主要實現的功能是：控制提升電動機的正反轉啟動運行、停止、正反向點動、提升速度與提升高度的選擇、急停、復位和安全保護等功能；變頻器主要實現提升機的多段速度運行和調速控制。另外還選擇了合適的傳感器來檢測提升機的運行狀態和提升機的運行速度和位置；上位機部分主要由裝有MCGS組態軟件的PC機組成，通過MCGS與PLC之間的通信可以實時顯示提升機的運行狀態、運行速度和行程。
根據提升機控制系統的特點和I/O點數的估算，本系統所選用的PLC是三菱公司的FX2N-64MR型PLC。FX2N系列是三菱公司中比較******的系列，FX2N******為256點，它的基本指令執行時間高達0.08μS/指令，內置的用戶存儲器容量為8K，可擴展到16K。有多種特殊功能模塊和功能擴展模塊，可以實現多軸定位控制，每個基本單元可擴展8個特殊單元。機內有實時時鐘，PID指令可實現模擬量閉環控制。有功能很強的數學指令集，如浮點數運算、開平方和三角函數等。
3、PLC程序設計
由于系統控制核心主要由PLC和上位機組成，因此，軟件設計主要包括PLC控制程序設計和上位機組態軟件的設計。PLC程序的主要功能是對提升機的啟動/停止、加速/減速/停車等過程控制和安全保護控制等。上位機軟件主要對系統運行狀態和故障狀態實時監控，對運行數據、故障數據進行實時處理，并存儲和記憶。
PLC軟件設計采用調用子程序的方式，程序編制采用梯形圖。根據提升機的控制要求和控制過程，我們給出的提升機的主程序框圖如圖3所示。
提升機的監控系統主要由可編程控制器(PLC)和觸摸屏組成，觸摸屏作為PLC的上位機，通過通信方式完成現場信號、現場數據的采集及實時顯示、監控和保護。本監控由MCGS組態軟件來實時監測顯示礦井提升機的提升速度和提升高度以及各種報警信號，使用MCGS組態軟件的豐富的圖形界面，可以使工作過程更直觀、形象。本組態畫面由提升容器上升動畫、報警信號、實時提升高度與速度曲線、實時提升高度與速度數字顯示等幾個部分組成。提升機的主畫面如圖4所示。通過提升速度曲線可以方便觀察速度的變化規律，及時發現提升過程的速度故障(超速、速度不穩等)；通過提升高度棒圖可以顯示提升機的行程。
4、結論
通過仿真和試驗結果可知，采用PLC和變頻器實現的提升機的控制系統能夠滿足提升機的控制功能要求。而且大大減少了提升機的硬件部分，減少了故障，提高了******性；變頻器的調速方法實現了提升機的平滑調速，提高了提升機的舒適度和安全性；組態軟件的使用方便的實現了對提升機速度、行程和信號的監控以及各參數的修改。相信在未來礦山機電設備控制領域中,PLC變頻控制技術的應用必將越來越廣泛。同時控制系統也會不斷的完善。
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