基于PLC实现提升机变频调速控制系统的设计与仿真.pdf

自动化系统设计andNo.7,2023DevelopmentManagementMechanical2023年第7 期Total243总第2 43期机械管理开发D0I:10.16525/14-1134/th.2023.07.099基于PLC实现提升机变频调速控制系统的设计与仿真明澍（山西焦煤集团有限责任公司西山煤电矿业公司，山西太原030000)摘要：为解决提升机传动转子串电子调速方式的调速曲线不平滑、提升容器停车定位不准确的问题，在对提升机系统简单概述的基础上，根据提升机电气控制系统的要求完成了关键硬件包括变频器、PLC控制器及其配套模块的选型，并为提升机变频调速设计了模糊PID的三闭环控制策略，为保证提升机的运输效率、节能效果和安全性奠定了扎实的理论基础。关键词：提升机；变频调速控制；位置控制器；速度控制器；模糊PID控制器中图分类号：TD633文献标识码：A文章编号：10 0 3-7 7 3X(2023)07-0243-030弓引言提升机是煤矿实现综采工作面和地面的关键设备，其提升效率、运输安全性和可靠性对煤矿生产尤为重要。提升机传统主要采用转子串电子调速的方式对其进行控制，在实际应用中该种控制方式主要表现为调速曲线不平滑、提升机停车定位不准确等问题，对运输效率和提升安全性造成了极大的影响。变频调速可实现提升机的无级调速；同时，变频调速还可根据工况对提升速度进行实时调整控制，达到节能的目的。鉴于此，将基于PLC实现提升机的变频调速控制，并对调速控制效果进行仿真分析。1扶提升机概述针对运输对象的不同，煤矿生产中的提升机分为主井提升系统和副井提升系统。其中，主井提升系统主要用于对煤炭进行运输；副井提升系统主要用于对人员和物料的运输。总的来讲，提升系统主要包括有拖动系统、提升容器、钢丝绳、天轮以及装载设备等，提升系统的简图如图1所示。根据实际提升运输工况，提升机控制系统实现对提升容器的加速、减速、匀速、爬行以及制动停车等六种控制状态。对于提升机控制系统而言，旨在保证提升机能够根据实际工况对将设备控制在最佳、最合理的运行状态，核心是保证设备的运输效率和安全性可靠性。提升机控制系统需满足如下要求。1.1实现对提升机速度的精准控制根据煤矿安全规程的相关规定，为保证提升的图1提升系统简图安全，针对不同的提升对象其对应的提升加速度、减速度需合理。当提升人员时，加速度和减速度不得大于0.7 5 m/s；当提升物料时，加速度和减速度不得大于 1.2 m/s。1.2实时显示功能基于提升机控制系统可实时对设备的提升速度、运行方向以及实时位置进行显示，确保操作人员可直观掌握提升机的工作状态 2 。1.3高灵敏度的制动系统要求提升机控制系统可实现提升机的稳定制动停车；且在遇到突发情况时实现提升机的紧急停车 32基于PLC提升机变频调速控制系统设计本节将结合提升机变频调速控制系统功能需求和要求，完成其关键硬件的选型和设计。2.1变频器的选型变频器是实现提升机根据工况对其电机转速进行实时精准调速的关键器件，从而实现对提升速度的无级调速。变频器主要包括有辅助控制单元、进线单元、滤波单元以及供电单元等。变频器选型的主要依据为与其配套电机的参数。本文所研究提升机所配套电机的具体参数如表1所示。变频器的功率为电机功率的1.1倍，即变频器功率为2 8 0 kW1.1=308kW，圆整为310 kW；变频器电流为电机额定电流的1.5 倍，即变频额定电流为35.2A1.5=52.8A。综合上述功率和电流的两项关键指标，最终确定选用变频器的具体型号为7 1系列变频器。2.2PLC控制器的选型PLC为实现变频器调速的核心，在实际应用中表1提升机电机关键参数电机转速/参数型号额定功率/kW定子电流/A(r/min)指标JR1410-828035.2737收稿日期：2 0 2 2-0 4-2 4作者简介：明澍（19 9 4一），男，河南滑县人，大专，毕业于朔州职业技术学院机电一体化专业，研究方向为机电管理。244第3 8 卷机械管理开发PLC将结合所采集到的提升机实时运行状态并在相应控制策略的基础上得出针对性的控制策略 4。因此,PLC控制器选型时需根据其输入、输出的需求配套相应的输入/输出模块型号及数量；根据数据处理量确定配套的CPU型号及数量。结合提升机变频调速的控制需求，CPU输人点包括电机轴编码信号、下过卷复位开关等9 个；安全回路模块输人点包括有调绳信号、闸瓦磨损信号等8个；制动模块输入点包括制动油压过中继、润滑泵运行反馈信号等13个；模拟量输人点包括制动角位移信号、电机电流信号等8 个；其他输人点包括提升重物、松绳开关、故障复位信号等2 4个；CPU输出点包括等速段超速指示、深指失效指示灯信号9 个；其他输出点包括有语音报警、减速点打铃、制动泵控制输出信号等2 5 个。如表2 所示为S7-300系列PLC控制器所配套的相关模块型号及数量。表2 SS7-300系列PLC配套模块型号及数量模块名称型号数量/个电源模块(5 A)6ES7-3072CPU模块(313C-2DP)6ES7-3132内存卡(12 8 KB)6ES7-9532数字量输入模块6ES7-3214数字量输出模块6ES7-3224模拟量输入模块6ES7-3312模拟量输出模块6ES7-33222.3变频调速控制策略设计为实现对提升机高灵敏、高精度和高响应速度的控制，本文所设计的变频调速控制采用三闭环运动控制系统，包括有对提升机位置、速度以及电机力矩的控制，控制框图如图2 所示。如图2 中的位置控制器主要对提升容器的位置进行实时控制，实现对提升容器的精准停车；同时，位置控制器的输出结构可作为速度控制器的输人 5 。速度控制器主要是对速度实现精准控制，同时速度控制位置速度加速度动态系数动态力矩转矩设定值位置控制器速度控制器静态力矩绳重预置力矩实际位置实际速度图2三闭环变频调速控制器的输人可作为力矩控制的输人。力矩控制主要是提升机电机输出转矩进行控制。该提升机变频调速控制采用模糊PID控制策略实现上述的三闭环变频调速控制。基于模糊PID控制策略实现对提升机位置、速度和力矩的闭环控制。根据提升机的运行工况和控制需求，对模糊PID控制器的比例、积分、微分三个环节中的系数进行确定。基于Simulink建立的模糊PID控制模型如图3所示。TimeClockToWorkspacelnlStepOutl23+38+1du/deln2TransferFcnScope.DerivativefussyPIDPID(s)23+3s+1PID ControllerTransferFcnl图3模糊PID控制器仿真模型经仿真分析，基于模糊PID控制器可实现对变频调速系统快速响应、低超调量的控制。模糊PID控制器和PID控制器控制效果对比如表3所示。表3楼模糊PID控制器和常规PID控制器控制效果对比系统稳定调节时间振荡次数控制器超调量/%上升时间s/s7次常规PID控制器5.235.4780.2721模糊PID控制器0.160.7320.7170如表3所示，采用模糊PID控制器对应控制系统的超调量可忽略不计；且系统达到稳态的时间远小于常规PID控制器。同时,在整个控制过程中基于模糊PID控制器并未出现振荡现象。3约结语提升机承担着地面与井下的原煤、人员、物料以及设备的运输任务，但是，提升机传动串子电阻调速控制系统属于有级调速，无法对提升容器进行精准定位并停车。为此，本文基于变频器和PLC控制器为核心设计了变频调速控制系统，并结合提升机的调速控制要求和需求,确定采用基于模糊PID控制的三闭环变频调速控制策略实现对提升机的低超调量、快速响应的控制效果。参考文献1谭国俊，罗金盛，陶永正，等.基于S7-300PLC的提升机变频调速系统设计 J.电气传动，2 0 0 7，37（3）：45.2金晓萍，邓志杰，牛宏侠，等.基于PLC的矿井提升机交流变频调速系统 J.工矿自动化，2 0 0 8（4)：37-39.3胡雪梅，王东升.矿井提升机变频调速系统改造设计研究 J.电机与控制应用，2 0 11,38（12）：112.4吴延华，毛庆波.矿井提升机变频调速系统的能量回馈控制 J.煤炭科学技术，2 0 0 9（4）：2 4.ina上接第2 42 页上接第2 40 页D（编辑：王慧芳）3上接第2 38 页）PL（编辑：王慧芳）245明2023年第7 期澍：基于PLC实现提升机变频调速控制系统的设计与仿真5王长成.矿井提升机中变频调速电控技术的应用 J.煤炭技术，2014(3):38.C-based Design and Simulation of a Frequency-Controlled Hoist Speed Control SystemMing Shu(Xishan Coal Mining Company,Shanxi Coking Coal Group Limited Liability Company,Taiyuan Shanxi030000,China)Abstract:In order to solve the problems of unsmooth speed regulation curve and inaccurate positioning of hoist container parking in theelectronic speed regulation method of hoist drive rotor string;on the basis of a brief overview of hoist system,the selection of key hardwareincluding frequency converter,PLC controller and its supporting modules was completed according to the requirements of hoist electricalcontrol system;finally,a three-closed-loop control strategy of fuzzy PID was designed for hoist frequency regulation Finally,athree-closed-loop control strategy with fuzzy PID is designed for the hoist speed regulation,which lays a solid theoretical foundation toensure the transport efficiency,energy saving and safety of the hoist.Key words:hoist;frequency control;position controller;speed controller;fuzzy PID controller翁旭泽.矿井主通风机叶片角度动态调整技术应用研究.煤炭工程,2 0 11(2):5 6-5 7.esign and Application of a Centralized Control System for Adjustable Main Ventilation Fansin Mines with Moving LeavesGuo Dahai(Shanxi Coking Coal Huozhou Coal&Electric Mugua Coal Mine,Lyuliang Shanxi 033199,ChinAbstract:The centralized control system of the main ventilator with adjustable dynamic blades,which is composed of PLC and the uppercomputer,can realize the centralized control of the operation status of the ventilator and the specific functional and technical parameters ofthe power supply and distribution system,as well as the centralized display and the unified processing of the data information after analysis.In addition,through the intelligent fiting of the working point and efficiency of the fan,the centralised control system is able to adjust theblade angle in real time for the dynamic blade adjustable ventilator,in order to achieve a smooth start-up process and real-time air volumeadjustment,thus enabling the mine ventilator to be automatically controlled and managed.Key words:ventilator;adjustable dynamic blade;monitoring and control;PLCrediction of Air Demand at Coal Mine Working Face and Intelligent Speed Control ofVentilation FanShi Yongkuan(Xishan Coal Power Ximing Mine,Taiyuan Shanxi 030052,China)Abstract:In order to further improve the safety and productivity of the working face,it is important to ensure the real-time matchingcontrol of the air demand and supply of the working face.Taking the local ventilation fan as an example,based on the analysis of its basicstructural parameters and working conditions,the GA algorithm is used to iterate the neural network model to achieve accurate prediction ofair demand;the PID controller and the T-S neural network control model are used as the core to build the intelligent speed control systemfor the ventilation fan,and to achieve accurate control of the operation status of the ventilation fan,finally achieving the purpose of matchingthe air supply and air demand of the ventilation fan.The purpose is to match the air supply and air demand of the ventilation fan.Key words:ventilation fan;air demand;neural network model;T-S algorithm;PID controlResearch and Application of Remote Control Technology for Hydraulic Support at HeaderWorking FaceYangShuming(Shanxi Xiangning Coking Coal Group Yanjiahe Coal Industry Co.,Ltd.,Linfen Shanxi 042100,ChiAbstract:A set of hydraulic bracket remote control system is designed by studying the electro-hydraulic control technology of hydraulicbracket,which can realize the remote operation status display,parameter analysis and remote control of hydraulic bracket.Through the fieldapplication,it is found that the operating parameters are transmitted reliably and the system has good practicality.Key words:hydraulic support;remote control;electromagnetic pilot valve;electro-hydraulic control technology