摘要 数控模拟化、变频程序及PLC在矿山绞车控制系统中简单化、系统化及安全稳定性得到全面的肯定，并具有高效节能型，具有调速平稳高稳定性（调速范围广）、精度高，对老控制系统来说全面降低维护量及维护成本，对矿井生产效率提供高效益的服务等优点。
关键词 数显模拟 控制模块化 高稳定性 变频调速 PLC控制
数控模拟化、变频程序及PLC是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置，目的是用来取代继电器、执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能，建立柔性的程控系统。国际电工委员会（IEC）颁布了对数显控制、PLC的规定：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。结合我矿（牛栏山煤矿）203采区井下使用数控模拟化、变频程序及PLC系统绞车情况，浅谈一些数显控制、PLC程序程控系统的相关运用。数显控制、PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。可以认为，在工业控制领域中，数显控制、PLC控制技术的应用已形成世界潮流。
数显控制、PLC程序既有生产厂家的系统程序，又有用户自己开发的应用程序，系统程序提供运行平台，同时还以数显控制、PLC程序可靠运行及信息与信息之间的转换进行必要的公共处理。
变频调速装置同样是集自动控制、电力电子、微机控制及通信等合成一体的高新技术。其控制部分具有功率因数高、起动平稳、调速范围宽等优点。由于采用软启动方式，可减少对电网及电动机等设备的机械冲击，延长电机及机械设备的使用寿命。随着科学技术的高速发展，变频技术以其具有良好的节电、节能、可靠、高效的特性应用到各个工业控制领域，随着时间的推移，在我国的各类矿山生产（煤矿、冶金等）中的提升机控制系统，变频调速装置逐渐应用于交流电动机的自动化控制中。
1 绞车系统及变频器基本参数
（1）额定输入电压：380V/660V/1140V，电压波动范围：-15%～+10%，额定频率：50Hz。
（2）变频器输出。输出电压：0～输入电压，输出频率：0～50Hz连续可调。
（3）数显控制方式。无速度传感器矢量反馈，有速度传感器矢量反馈。
（4）配套提升机。单卷筒或双卷筒，减速器，制动器。
（5）电动机型号。绕线式交流电动机；鼠笼式交流电动机。
（6）液压站。
（7）润滑站。
2 绞车电控系统构成及功能
绞车电控系统分为以下几部分：电源柜、变频柜、数显控制PLC及操作控制台（简称：操作台）和各种传感器等几部分组成（如图1）。
图1
2.1 电源柜
电源柜主要通过隔离开关向变频器、绞车电机供电，同时为数显控制PLC及操作控制台提供稳定的工作电源。
2.2 数显控制PLC操作控制台
绞车系统采用数显控制及双PLC通过485通讯方式进行控制，通过数显控制来完成PLC内部软件编程从而实现控制及监视运行状况，当系统出现故障时，在操作台的触摸屏上有醒目的故障显示（并能够记录在故障记忆里），提醒维修人员对其进行检修或者维护；维护中备用信号启动，不影响系统的正常提升。
2.3 变频柜
变频调速装置采用交-直-交控制方式，输入电压经变频器内部整流后为直流电压，然后通过IGBT逆变（见图2）后输出交流电压，具有调速范围广，调速性能好的特点。尤其在低频运行时，也能保证有100%的额定力矩输出，且内部设有过压、欠压、过载、变频器元件过热及缺相等保护，并具有故障记忆存贮功能，机械制动器控制，转矩验证，功率优化，限幅开关监控等。
具体说明如下：
（1）单象限变频调速装置中，提升机能够在负力运行时，变频装置将发电制动的能耗消耗在外接金属电阻上。而四象限变频调速装置中，在提升机负力运行时，能够自动向供电电网发电，使电动机处于发电反馈制动状态，这种状况下，大大改善了下放操作时的调速特性，提高的提升机在下放过程中的安全性能，并节省了大量的电能。
图2 逆变主回路
图3 速度图
（2）对系统整个控制过程来说，由速度及给定图（图 3）中可以看出，变频调速过程可根据用户的现场特点，满足不同程度的要求，并且具有调速精度高，整个速度曲线起动及减速平稳，实现软启动过程，对电网电压及电网的功率因数降低冲击微小，大大提高了电网安全运行，对提升机的机械冲击减小，使机械制动器投入次数大大减少，延长机械设备使用寿命。
（3）老系统中大多采用通过串接电阻的方式，通过大量的继电器及接触器，才能完成系统的分级调速控制，且精度不是很好，造成维护量非常大，既占用了大量的人力资源，也增加的工作量，同时降低了工矿的生产效率。而数显控制PLC和变频器做为一个整体控制方式，通过内部软元件替代了老系统中继电器和接触器，且电脑控制不但动作灵敏，且可以对故障进行记忆，为维修人员提供参考，大大提高人员的工作量。另外，变频调速系统很好的实现无级调速的控制及闭环控制，相应的提高的工矿的工作效率，能够满足工作的提升要求，对电机的取样及测试后，通过自身的面板，可以查询电机的技术参数，并对电机的实际运行参数进行实时的监控，对出现故障时进行保护及报警。
2.4 控制台
控制台上设有自动、手动、检修转换开关，前方操作台上设有液晶触摸屏，操作台另设有操作手柄、润滑、工作闸液压站电机的起停控制开关。
（1）在控制台上的液晶触摸屏上采用自动及手动翻页的方式做有几幅组态界面：监控主界面、后备保护界面、故障查询界面、变频器运行界面、提升信号状态。
（2）每个界面上均有返回主界面的按钮，主界面上主要监视提升机的实际运行位置、提升时每个时刻的速度、液压站的运行状况、较严重的故障报警，主界面上还有相应的提升信号显示。
（3）主界面主要显示液压站的油压、油温及电机工作状态、润滑油压力、松闸指示等。
（4）后备保护界面主要显示：深度指示器监视、松绳保护、电机温度保护、减速器温度保护、减速点保护、减速点失效保护、上、下2m开关故障，上、下同步开关故障，上、下过卷和上、下减速开关故障、错向保护，减速过速，等速过速，一级制动，二级制动，电流过载等。
（5）故障查询界面主要用于对各种故障情况进行查询、追忆，便于对设备的维护和管理。
（6）变频器运行界面可以显示变频器运行时的各种参数：散热器的温度、电流、频率、转矩及各种故障。
3 主要技术特点
（1）调速精度及范围。软启动软停车减小了机械冲击，启动及加速换档时对电网冲击电流很小，使绞车系统和电网运行更加稳定可靠.变频器本身提供的功能使机械制动与电制动有机的结合起来，保证系统的绝对安全，实现了无极调速，调速范围宽，运行曲线成S型，使加速平滑，无冲击感。调速精度不低于0.5%，调速范围为0.2至电机额定转速。
（2）显示及保护功能。采用软件及硬件接合，显示直观，使得系统更加安全可靠。
（3）操作简单、方便。外围控制采用数显模式PLC控制与各部传感器相互联系，构成闭环控制 （也可采用开环控制），完整稳定可靠的人机界面时时监测系统运行情况，简化了老系统复杂的结构组成，为司机操作简单、方便及系统安全稳定性大大提高，从而大幅度降低了人工的劳动强度。
（4）节能效果显著。系统能将自身发电的电能，通过四象限变频调速装置回馈电网，采用自换向技术保持回馈电流与电网电压的反相位，真正实现能耗回馈制动。
（5）安全保护功能齐全。数显模拟化PLC控制及变频系统除一般过流、直流过压、直流欠压、变频器过温、短路、输入缺相、环境温度、过频、I/O控制板内部故障、内部故障外，还具可编程故障保护功能、AI<Min功能、控制盘信号丢失、外部故障功能、电机过热保护、堵转保护、欠载功能、电机缺相功能、接地故障保护。
（6）控制精度高、动态性能好。采用全数字数显模式、IGBT逆变器变频单元向负载提供变频电源，使所有控制功能均由参数设定完成，速度调节器、电流调节器参数均通过优化而自动设置；电流、速度双闭环，满足各种控制要求。直接转矩控制，可实现高动态性能的转速控制、转矩控制，可以达到并超过直流设备的动态特性。脉冲编码器的使用，可实现绞车的精确定位。
4 经济技术比较
（1）技术性能。数显模拟化PLC控制变频装置系统属无级调速及闭环控制，调速范围大，调速精度高，低速运行更容易控制；系统保护齐全，安全性能高；操作强度小，尤其是负载提升操作时，操作智能化、可靠性高。
老系统调速低速运行及负载提升时，需要电器控制及制动闸相互配合操作，司机不易控制。
（2）节电性能。能量直接回馈电网，且不受回馈能量大小的限制，则保证了绞车运行时可频繁的停车，四象限变频调速装置在负力提升时，能够实现反馈制动，节能效果明显。通过比较此系统比原系统节电20%～35%。
（3）维修费用。老系统检修及备件更换频繁，消耗大量材料费，变频调速装置基本处于免维护，可以省掉维修资金。
（4）节省人工。原串电阻调速方式由于设备数量多，而且检修困难，劳动强度大，如果每月按20工时进行维修；而变频调速控制系统，每月只要10个工时就能满足其检修和维修。如按80元/工计算：年节省人工费用8960元 （约9000元）。
5 结论
由以上经济比较可知，数显模拟化PLC控制及变频调速系统把技术用矿山绞车的控制领域系统中既提高运行系统的安全稳定可靠性，同时又大量的节省资金、清洁能源、减负人力，为工矿企业大幅度提高了生产效率。
