單側(cè)猴車智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

張瑋，蔡小偉，陳豪錦，王鵬，吳春富

（龍巖學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，福建龍巖 364012）

單側(cè)猴車智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

張瑋，蔡小偉，陳豪錦，王鵬，吳春富

（龍巖學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，福建龍巖 364012）

本文針對(duì)一些老礦井的主斜運(yùn)巷狹窄且垂高超過(guò)50米，無(wú)機(jī)械運(yùn)送人員而不符合礦山產(chǎn)業(yè)政策的情況，提出了使用PLC控制主控電機(jī)雙向運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)猴車往復(fù)式單側(cè)坐人的改造方案.同時(shí)運(yùn)用MOUBUS RTU和PROFIBUS DP通訊協(xié)議，分別實(shí)現(xiàn)礦井上下水平及地面與井下通訊.現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用表明：該改造方案具有無(wú)需再拓寬巷道，投資少、不影響生產(chǎn)，信號(hào)傳送穩(wěn)定、系統(tǒng)運(yùn)行安全等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)其他該類巷道有很好的借鑒參考作用.

PLC；通訊協(xié)議；單側(cè)猴車；智能系統(tǒng)

引言

福建省礦山儲(chǔ)量零星分散，小型礦床多、構(gòu)造復(fù)雜，礦井儲(chǔ)量少[1].礦井通常主斜巷中間鋪設(shè)臺(tái)階負(fù)擔(dān)整個(gè)礦井工作人員步行上、下，同時(shí)巷道兩邊布置了排水、壓風(fēng)、供水管道及通訊、高低壓電纜等設(shè)施.根據(jù)新《煤礦規(guī)程》規(guī)定，礦井超過(guò)50米，運(yùn)輸平巷超過(guò)1500米時(shí)必須使用機(jī)械運(yùn)送人員[2].斜巷運(yùn)送人員機(jī)械主要有兩種：斜井人車和架空乘人裝置[3].目前不少礦井主斜巷垂深已超過(guò)50米，必須使用機(jī)械運(yùn)送人員.但因早期地方礦井管理不到位，無(wú)正規(guī)設(shè)計(jì)和施工，很多地方礦井雖然主運(yùn)斜巷道高度符合要求但寬度達(dá)不到安裝斜井人車設(shè)備運(yùn)送人員的要求，或?qū)挾纫堰_(dá)到了，但因各種管道、電纜等設(shè)施的占用，最終無(wú)法安裝斜井人車,針對(duì)這種情況考慮采用架空乘人裝置（簡(jiǎn)稱猴車）.傳統(tǒng)礦井采用猴車人員上下過(guò)程：人員坐上掛在綱絲繩的乘人器上，鋼絲繩借助驅(qū)動(dòng)輪、迂回輪、托繩輪，在礦用電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，運(yùn)載著上班人員從線路起點(diǎn)的上水平車站運(yùn)行到下水平終點(diǎn)車站，同時(shí)運(yùn)載著下班人員從線路起點(diǎn)的下水平車站運(yùn)行到終點(diǎn)的上水平車站，即在鋼絲繩的無(wú)極循環(huán)運(yùn)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)人員的同時(shí)上下班[4].依《煤礦規(guī)程》規(guī)定：安裝雙向同時(shí)坐人的循環(huán)運(yùn)行方式的無(wú)極鋼絲繩牽引猴車，應(yīng)具備如下條件：寬度滿足猴凳中心距離巷道幫部0.7米安全距離，高度滿足猴凳底部距離巷道底板0.3米安全距離，最小寬2.4米，高2.8米的巷道方能滿足猴車安裝需要[2].為此，針對(duì)福建省原有很多礦山主斜巷寬度不符合安裝機(jī)械運(yùn)人要求的情況，為避免開拓一條副井或拓寬原主巷道而造成的巨大投資和因停工而減產(chǎn)，本文結(jié)合雙向同時(shí)坐人的循環(huán)運(yùn)行方式猴車，利用PLC控制理論，運(yùn)用MOUBUS RTU和PROFIBUS DP通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守運(yùn)人的智能控制系統(tǒng).

1 控制系統(tǒng)原理

1.1 單側(cè)猴車控制要求

如圖1所示，在礦山上水平（猴車機(jī)頭）位置安裝猴車轉(zhuǎn)速檢測(cè)、主電機(jī)制動(dòng)壓力檢測(cè)、人員紅外檢測(cè)、變坡掉繩檢測(cè)、電機(jī)及減速機(jī)外殼檢測(cè)、機(jī)頭越位和限位檢測(cè)等；通過(guò)PLC實(shí)現(xiàn)猴車上下行、猴車工作制動(dòng)及緊急制動(dòng)等.在下水平（猴車機(jī)尾）安裝人員紅外檢測(cè)、機(jī)尾越位和限位檢測(cè)、重錘限位檢測(cè)、斷繩檢測(cè)及急停區(qū)域檢測(cè)等.與傳統(tǒng)雙向同時(shí)坐人的循環(huán)運(yùn)行方式猴車不同，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到機(jī)頭或機(jī)尾有礦工人員乘坐吊椅時(shí)，且系統(tǒng)無(wú)故障時(shí)則自動(dòng)啟動(dòng)并定時(shí)開始，結(jié)合上下班不同時(shí)間段自動(dòng)判斷下行或上行，將礦工自動(dòng)單側(cè)運(yùn)送至下車點(diǎn).期間，若下行階段且上水平機(jī)頭上車點(diǎn)紅外傳感器檢測(cè)到乘員時(shí)，則定時(shí)時(shí)間刷新；若上行階段且下水平機(jī)尾上車點(diǎn)紅外傳感器檢測(cè)到乘員時(shí)，則定時(shí)時(shí)間刷新；若無(wú)再檢測(cè)到同方向人員，一旦定時(shí)時(shí)間到則系統(tǒng)停機(jī).此系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值守自動(dòng)啟停單側(cè)坐人的控制要求，也避免了無(wú)人乘坐時(shí)猴車長(zhǎng)時(shí)間空運(yùn)行，節(jié)省能耗，提高效率.

圖1 單側(cè)猴車控制系統(tǒng)原理圖

1.2 系統(tǒng)控制框圖

系統(tǒng)整體方案如圖2所示.控制系統(tǒng)主要由一臺(tái)安裝機(jī)頭的主站控制器PLC和一臺(tái)安裝機(jī)尾的分站控制器PLC組成.主站和分站采用MODBUS RTU通訊協(xié)議進(jìn)行PPI通信.遠(yuǎn)程控制界面和機(jī)頭觸摸屏采用RS485串行通訊線對(duì)機(jī)頭主站和機(jī)尾分站PROFIBUSDP通信.主站控制器負(fù)責(zé)直接采集機(jī)頭各種開關(guān)量和模擬量信號(hào)、觸摸屏等裝置的開關(guān)量和模擬量控制信號(hào)，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)分站控制器的狀態(tài)信號(hào)，負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程控制界面?zhèn)魉瓦^(guò)來(lái)的控制信號(hào).根據(jù)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)和運(yùn)行控制邏輯，向各執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出相應(yīng)控制信號(hào)，即發(fā)出礦山猴車是上行提升人員或下行下放人員，猴車是正常停車或事故停車等操作，同時(shí)把當(dāng)前的運(yùn)行信息通過(guò)MODBUS RTU通訊協(xié)議送給各機(jī)尾分站控制器，通過(guò)RS485串行通訊線送給機(jī)頭顯示臺(tái)、遠(yuǎn)程控制臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示.

圖2 系統(tǒng)控制框圖

2 主模塊選型及系統(tǒng)控制方法

2.1 主模塊選型

機(jī)頭與機(jī)尾之間的電控中心選擇西門子S7-200緊湊型可編程控制器，主站采用24輸入/16點(diǎn)輸出的CPU226為控制核心，同時(shí)配置專門為特定物理量輸入到PLC的2路熱電阻輸入模擬量擴(kuò)展模塊EM231，從站采用集成14點(diǎn)輸入/10輸出的CPU224為控制核心[6]，主站與從站之間通

圖3 控制系統(tǒng)通訊接線框圖

在遠(yuǎn)程控制中心的臺(tái)式機(jī)上連接一個(gè)西門子CP5611，PCI通訊卡，在井下機(jī)頭CPU226控制器和井下機(jī)尾CPU224控制器分別擴(kuò)展一個(gè)西門子S7-200的智能通訊擴(kuò)展模塊EM277，串行通訊線使用RS485,通過(guò)PC（計(jì)算機(jī)）與SIMATICS7之間的PROFIBUSDP通訊，形成以遠(yuǎn)程監(jiān)控PC為主站，井下機(jī)頭觸摸屏、機(jī)頭CPU266控制器，機(jī)尾CPU224為從站，實(shí)現(xiàn)地面遠(yuǎn)程監(jiān)控、井下機(jī)頭就近控制和顯示目的[5].

2.2 系統(tǒng)控制方法

系統(tǒng)控制過(guò)程如下：

（1）當(dāng)紅外檢測(cè)到有礦工要上下時(shí)，系統(tǒng)自檢測(cè)，若系統(tǒng)無(wú)故障，則機(jī)頭和機(jī)尾同時(shí)進(jìn)行開車預(yù)警3秒鐘，根據(jù)優(yōu)先原則，判斷上下方向，猴車啟動(dòng)運(yùn)行；

（2）為了解決上下班高峰期人員同時(shí)要上下的問題，我們采用分段優(yōu)先的原則，如早班上班時(shí)間一般7：30是交接班高峰期，根據(jù)礦山慣例是先上班再下班，則設(shè)計(jì)中7：00-7：30為下行優(yōu)先權(quán)，而接下來(lái)半小時(shí)則為上行優(yōu)先權(quán)；

（3）當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，主電機(jī)立即斷電，制動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生制動(dòng)力而緊急制動(dòng)，機(jī)頭和機(jī)尾同時(shí)發(fā)出故障報(bào)警信號(hào)；

（4）在機(jī)頭操作臺(tái)和遠(yuǎn)程控制界面可以實(shí)時(shí)控制并顯示運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài).

3 軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主程序和啟動(dòng)猴車功能子程序流程圖如圖4、5所示.編程說(shuō)明如下[7]：

（1）控制系統(tǒng)上電時(shí)，啟動(dòng)通訊功能，啟動(dòng)故障檢測(cè)及報(bào)警功能.

（2）當(dāng)上下水平紅外線傳感器檢測(cè)有人或上下水平按啟動(dòng)按鈕時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)方向判斷和預(yù)警功能.

（3）系統(tǒng)根據(jù)猴車運(yùn)行速度、斜巷道的實(shí)際垂深和坡度，計(jì)算猴車從機(jī)頭到機(jī)尾(或從機(jī)尾到機(jī)頭）的時(shí)間，另加上礦工上車和下車的時(shí)間，設(shè)定PLC定時(shí)總時(shí)間.當(dāng)運(yùn)行時(shí)間未到且另有新啟動(dòng)信號(hào)時(shí)，運(yùn)行時(shí)間預(yù)設(shè)值復(fù)位.當(dāng)超過(guò)總設(shè)定時(shí)間無(wú)人再啟動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)停止運(yùn)行.

（4）在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生故障或需要急停時(shí)，則猴車立即停止運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值班全自動(dòng)安全運(yùn)行.

4 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試與運(yùn)行結(jié)果

本設(shè)計(jì)方案在福建省某煤礦得以實(shí)施，該礦猴車運(yùn)行速度為0.8米/秒，巷道坡度24度，垂深145米，則運(yùn)行大概時(shí)間為7.12秒，考慮到礦工上車及下車時(shí)間等因素，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)調(diào)試時(shí)間為10 秒.該猴車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用隔爆三相異步電動(dòng)機(jī)，設(shè)計(jì)電機(jī)功率37KW，啟動(dòng)方案設(shè)計(jì)為軟啟動(dòng)方式；減速機(jī)選擇平面二次包絡(luò)環(huán)面螺桿減速機(jī)，制動(dòng)器選用電力液壓塊式制動(dòng)器.礦井年產(chǎn)6萬(wàn)噸，每天二班制，單班最多人數(shù)47人，根據(jù)猴車速度0.8米/秒，乘人器每隔15米安裝一個(gè)，則最大上行或下行時(shí)間都需要23.7分鐘.再增加其他一些因素，調(diào)試中時(shí)間定為30分鐘.設(shè)計(jì)采用優(yōu)先權(quán)時(shí)間段，如表1所示，基本上接近雙向同時(shí)坐人的循環(huán)運(yùn)行方式，不影響礦工的正常上班.且機(jī)尾采用PLC替代傳統(tǒng)的電子控制器，克服了因南方礦井下潮濕而經(jīng)常出現(xiàn)的故障.

圖4 控制主程序流程圖

圖5 啟動(dòng)猴車功能子程序流程圖

表1 優(yōu)先權(quán)時(shí)間段

4 結(jié)束語(yǔ)

單側(cè)坐人猴車是針對(duì)老礦井巷道窄，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)巷道拓寬的背景下提出來(lái)的.單側(cè)坐人猴車的應(yīng)用減少了礦工上下井行走的時(shí)間，減輕了不必要的體力消耗，為搞好安全生產(chǎn)打下了基礎(chǔ)，為提高礦山生產(chǎn)效率提供了保障.方案中提出了優(yōu)先權(quán)時(shí)間段設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值守自動(dòng)運(yùn)行，節(jié)省人力，節(jié)約了能源.因此，該裝置的使用得到了某煤礦業(yè)主的高度評(píng)價(jià)，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益.福建省地方礦山有相當(dāng)多礦井均有類似情況，若均采用，其經(jīng)濟(jì)效益將更加顯著，該裝置具有廣闊的應(yīng)用前景.

〔1〕郭玉森，吳傳始.福建小煤礦的現(xiàn)狀及出路［J］.煤礦開采.2006（05）：13-14+27.

〔2〕煤礦安全規(guī)程（國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局）［Z］.修訂實(shí)施，2013.

〔3〕吳濤.應(yīng)用架空乘人裝置改造煤礦斜井人車系統(tǒng)的分析［J］.煤炭工程，2007（12）：103-104.

TP273

A

1673-260X（2015）04-0045-03

國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（G20142005）