摘 要介绍可编程控制器(PLC)的功能与特点,矿井提升机的PLC电控系统的组成,探讨PLC在提升机电控系统中的应用,并就抗干扰问题提出几点具体措施。
关键词可编程控制器;矿井;提升机;通信
中图分类号TP文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)101-0127-02
矿井提升机是矿山生产过程中非常重要的设备,由于历史和经济的原因,这些提升机所用的电控系统,特别是交流提升机电控设备,普遍存在着技术落后、结构庞大、连线复杂、故障率高、可靠性差、使用维护难度大等问题,直接影响了矿井提升机的安全和效率。随着PLC在各个领域应用的迅速发展,在矿井提升机电控系统中的应用发展很快,使用PLC来改造目前正在使用的老式提升机电控系统也很普遍。由于PLC适用于各种恶劣环境,可用于机器控制或生产过程的自动控制,具有体积小、功耗低、速度快、可靠性高、抗干扰性强等特点,同时还具有灵活性和可扩展性,要改变生产过程只需改变程序即可,非常方便,这是继电接触器控制电路无法比拟的。当前不论在国内、国外,PLC都已成为工业控制领域中最主要的自动化装置之一,它代表了当前电气程控技术的先进水平。
1PLC的功能与特点
1.1什么是PLC
PLC即可编程控制器(Programmable logic Controller),是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令,并能通过数字式或模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体,易于扩展其功能的原则而设计。
1.2功能
PLC的基本功能包括开关量的I/O(输人输出)和模拟量的I/O,以及内部中间继电器、锁存继电器、主控继电器、计时器、计数器、移位寄存器、四则运算等。PLC的扩展功能有通信联网、成组数据传送、矩阵运算,以及PID闭环回路控制和特殊功能函数运算等功能。此外,PLC还具有自诊断、报警、监控功能,时钟的设定及读取功能,数据后备功能,并可选配中文显示屏,可见它适用性很强,能满足各种工业控制要求(见图1)。
图1可编程控制器(PLC)结构框图
1.3特点
1)可靠性高,抗干扰能力强。PLC由于采用现代大规模集成电路技术,采用严格的生产工艺制造,内部电路采取了先进的抗干扰技术,具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说,使用PLC构成控制系统,和同等规模的继电接触器系统相比,电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一,故障也就大大降低。此外,PLC带有硬件故障自我检测功能,出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中,应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序,使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样,整个系统具有极高的可靠性。
2)配套齐全,功能完善,适用性强。PLC发展到今天,已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外,现代PLC大多具有完善的数据运算能力,可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现,使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展,使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
3)易学易用,深受工程技术人员欢迎。PLC作为通用工业控制计算机,是面向工矿企业的工控设备。它接口容易,编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近,只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
4)系统的设计、建造工作量小,维护方便,容易改造。PLC用存储逻辑代替接线逻辑,大大减少了控制设备外部的接线,使控制系统设计及建造的周期大为缩短,同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。
5)体积小,重量轻,能耗低。以超小型PLC为例,新近出产的品种底部尺寸小于100mm,重量小于150g,功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部,是实现机电一体化的理想控制设备。
2提升机PLC电控系统的设计
矿井提升机的PLC电控系统由以下几部分构成:PLC、工艺控制模块、行程控制模块、监视系统模块、安全回路模块、制动系统模块、调速系统模块、信号系统模块和与上位机通信模块(见图2)。
图2PLC电控系统功能框图
2.1工艺控制模块
为了保证提升机工艺流程控制与联锁的高可靠性,将PLC用于工艺流程控制时,要充分发挥PLC编程方便、扩展灵活和功能完善的特点,除将原继电器控制系统中的开关量用PLC的逻辑关系替代外,还需增加多重联锁和可靠的检验,构成功能完善的控制系统,设计时要充分考虑便于操作和增加故障诊断处理功能。
2.2行程控制模块
提升机的行程控制实质上是进行位置控制,对提升容器高度进行检测和数字显示,以保证提升容器在预定地点准确停车。为了减少钢丝绳及设备运行的动态冲击及对电网有功功率的冲击,并兼顾到提升人和物的不同要求,一般采取加速度控制方法,工艺条件允许时,最好实现无爬行控制,以减少提升时间,提高生产效率。目前,常用的方法是由PLC构成数字式行程给定装置,通过光电增量式转角脉冲变换器,经PLC采集、处理并计算出位移、输出速度给定信号。
2.3监视系统模块
监视系统主要是为提高提升机运行的安全性,对提升行程终端的监视,即减速段超速和过卷的监视,提升机速度的检测和数字显示,以及等速段超速的监视,实现方式大多采用由PLC构成的电子式装置并加设井筒开关。监视系统应从以下几点出发进行设计:①要有安全可靠的冗余系统,可以采用由2套相同的系统构成。②终端监视装置和提升机速度控制系统是并行的,即2个系统是各自独立的。③功能要考虑全面,要具有全行程速度连续监视、停车位置监视和运行方向监视等功能。
2.4安全回路模块
安全回路应具有完善可靠的故障监视功能,无论是提升机还是安全回路本身出现故障时,都能确保实施安全制动,并将故障信息上传到调度室的监控中心。一般说来,将故障分为下述3种类型进行处理:①故障预报,若出现润滑油压异常、主电动机轴承过热等情况时,进行声光报警,提示值班维修人员及时采取措施。②若出现开车过程中安全门打开、调零电机故障等,进行声光报警,提示值班维修人员,并进行事故停车,即完成本次提升后闭锁。③若出现两终端超速、运行错向等情况时,进行声光报警,提示值班维修人员,同时紧急停车,立即进行电气和机械制动,停车后系统闭锁。在矿井提升机中,安全回路是最为重要的。
2.5制动系统模块
制动系统由于其特殊性,要有安全可靠的冗余系统,可以采用由2套相同的、高可靠性的PLC组成的系统构成。制动系统除要保证可靠地实现工作制动和安全制动外,还要完成对制动用液压站的控制及对制动系统中其它环节的监视。由于设计有安全可靠的冗余系统,所以当其中任一套发生故障时仍可保证制动阀可靠动作,且每台PLC的输出模块都由另一台PLC的输人模块进行监视。
2.6调速系统模块
调速系统模块是将PLC的开关量控制与模拟式调节系统结合在一起,实现对变流装置的所有开关电器的“分”、“合”控制。该模块可实现对模拟调速系统中各调节器的控制,对无环流可逆装置的逻辑转换控制以及调节控制系统的多种自检功能、参数随机设定功能等。
2.7信号系统模块
矿井提升机的信号系统大体上可分为信号输人、信号输出及保护系统3部分。将去向信号、开车命令及提升类别信号送入PLC的输入端,经处理,输出各种指令或保护信号,同时设有信号记忆及询问功能,便于司机查看,并可适当增加信号种类,如检修状态、闭锁状态、特种物品提升状态等。
2.8与上位机通信模块
在现代化的矿井中,要有由计算机构成的矿井安全监控系统,主要对以下3个方面进行监控:环境安全监控;生产过程监控;生产工艺监控。对于矿井提升机,需将运行状态数据、提升次数数据、故障信号等相关数据上传给上位计算机,以实现上位计算机对现场设备运行状态的监控。由于矿井提升机与调度室的监控中心距离远近不一,从节省投资的角度出发,可采用现有的电话线进行通讯。用于监控的上位计算机串口直接与MODEM调制解调器相连,MODEM接电话线,通过电话网络与PLC端的MODEM相接(如图3)。
图3通信功能框图
PLC与上位机采用异步串行方式进行通信,其通讯可采用主从问答方式,即上位机按设定的时间间隔向下位机(PLC等)巡回发出通信请求。上位机通过发送一个命令帧启动通讯,PLC收到这个命令帧信号后,首先判断其目的地址是否和自己的站号相符合,若符合,则对数据进行判断:是读命令还是写命令,以及寄存器类型、地址、字节数等。若是写命令,调用相应的服务程序,根据接收的命令完成指定的控制,同时向上位机发送应答帧,至此一次通讯过程结束;若是读命令,则根据所接收的命令要求,发送给上位机要求的数据,以供上位机处理,若PLC接收的地址与本地地址不相符,则对上位机不予响应。
3抗干扰措施
为保证系统正常运行,必须采取一些抗干扰措施:如电源的隔离,可采用1:1电源变压器隔离;在模拟量输入环节可采用低通滤波,低通滤波器的中心频率很低,近似直流,可滤除50Hz工频及以上频率的各种干扰脉冲;另外在交流接触器线圈两端可采取加装阻容吸收网络的方法等。
4结束语
矿井提升机电控系统中应用PLC控制具有安全、可靠、实现方便等优点。因此使用PLC取代原有的TKD及KKX系列提升机电控,不仅改善了提升机的安全性能,而且极大提高了提升机系统的技术装备水平,使大型设备的技术管理迈上了一个新台阶,是矿井电气控制技术的发展方向,是矿井实现现代化生产和管理的重要途径之一。
参考文献
[1]顾永辉,等.煤矿电工手册(6)[s].北京:煤炭工业出版社,1980.
[2]台方.可编程控制器应用[M].北京:中国水利水电出版社,2001.
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