基于PLC的絞車安全防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳冠亮

(汾西礦業(yè)賀西煤礦，山西 柳林 033300)

絞車是煤礦井下運(yùn)輸、車輛調(diào)度的重要設(shè)備。當(dāng)絞車出現(xiàn)故障時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響礦井正常生產(chǎn)[1～2]。近年來(lái)，絞車安全防護(hù)裝置的推廣使用，在一定程度上降低了絞車事故發(fā)生率[3～4]。但是由于設(shè)備運(yùn)行環(huán)境惡劣，絞車使用過(guò)程中存在鋼絲繩斷裂、礦車翻車等風(fēng)險(xiǎn)[5]。為此，筆者設(shè)計(jì)了一種基于PLC的絞車安全防護(hù)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排繩、過(guò)卷、超速斷電等功能，在一定程度上提高礦井絞車運(yùn)行安全保障能力。

1 排繩裝置設(shè)計(jì)

現(xiàn)階段礦井井下絞車使用的排繩裝置主要分為絲杠式、圓柱凸輪式兩種。筆者在兩種排繩裝置的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一種自動(dòng)排繩裝置，該排繩裝置采用步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力源產(chǎn)生扭矩，從而帶動(dòng)布繩引導(dǎo)滑塊按照排繩線路做直線運(yùn)動(dòng)。當(dāng)布繩引導(dǎo)滑塊達(dá)到兩側(cè)極限位置(A、B位置)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使得引導(dǎo)滑塊實(shí)現(xiàn)往返運(yùn)動(dòng)，具體的排繩裝置總體構(gòu)成見圖1。

圖1 排繩裝置構(gòu)成

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自動(dòng)排繩裝置的動(dòng)力由步進(jìn)電機(jī)提供，不需要與絞車連接。步進(jìn)電機(jī)通過(guò)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)絲桿引導(dǎo)布繩和滑塊移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)排繩，具體結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 排繩引導(dǎo)裝置結(jié)構(gòu)

當(dāng)布繩引導(dǎo)滑塊與接近開關(guān)相距10mm距離時(shí)，接近開關(guān)將檢測(cè)信號(hào)傳輸給PLC控制器，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，滑塊反向移動(dòng)。

1.2 自動(dòng)排繩裝置電控設(shè)計(jì)

自動(dòng)排繩裝置采用步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力與絞車無(wú)支架關(guān)聯(lián)。當(dāng)絞車轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)向發(fā)生改變時(shí)，需要步進(jìn)電機(jī)及時(shí)跟隨絞車運(yùn)行變動(dòng)，因此采用用霍爾傳感器來(lái)對(duì)絞車的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，具體布置見圖3。

圖3 霍爾傳感器安裝位置示意圖

在絞車滾筒上布置磁鋼，當(dāng)絞車運(yùn)行時(shí)，霍爾傳感器(速度、轉(zhuǎn)向)監(jiān)測(cè)到絞車運(yùn)行狀態(tài)，將監(jiān)測(cè)到的絞車運(yùn)行狀態(tài)傳輸給PLC控制器。

2 防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 自動(dòng)給油保護(hù)裝置

當(dāng)絞車啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，PLC發(fā)出控制信號(hào)中斷繼電器運(yùn)行。當(dāng)絞車停止運(yùn)行時(shí)，PLC控制器發(fā)出控制信號(hào)，中間繼電器失電，電磁閥關(guān)閉自動(dòng)給油裝置。

2.2 絞車安全防護(hù)裝置

絞車安全防護(hù)裝置包括有過(guò)速、過(guò)卷斷電保護(hù)。過(guò)速保護(hù)主要布置在絞車滾筒位置處，速度傳感器獲取絞車的運(yùn)行速度，具體是PLC控制器計(jì)算兩個(gè)臨近信號(hào)間的時(shí)間間隔，從而得出絞車滾筒運(yùn)行線速度，達(dá)到鋼絲繩運(yùn)行速度監(jiān)控目的。當(dāng)檢測(cè)到超速時(shí)，PLC控制器給變頻器發(fā)出控制信息，變頻器降低輸出電流頻率從而降低絞車運(yùn)行速度，實(shí)現(xiàn)絞車過(guò)速保護(hù)。過(guò)卷保護(hù)則是絞車在鋼絲繩過(guò)卷處布置小鋼片，小鋼片與過(guò)卷位置相距1.5m，鋼片觸發(fā)接近開關(guān)動(dòng)作，接近開關(guān)發(fā)出的控制信號(hào)傳輸給PLC控制器，PLC控制器接收到監(jiān)測(cè)信號(hào)后，立即向變頻控制器發(fā)出控制指令，停止絞車運(yùn)行。

2.3 絞車安全防護(hù)裝置電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的絞車安全防護(hù)裝置電控系統(tǒng)將機(jī)電與自動(dòng)化控制相結(jié)合，該裝置結(jié)構(gòu)體積小、系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單，最為核心的組件為PLC控制器，內(nèi)部含有6個(gè)輸出接口、7個(gè)輸入接口，同時(shí)輸出接口可以輸出高速脈沖，從而對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行控制。電控系統(tǒng)具有的Q0.0以及Q0.1兩個(gè)高速脈沖輸出口，可以滿足安全防護(hù)裝置運(yùn)行需要，具體控制系統(tǒng)電路分見圖4。

圖4 控制系統(tǒng)電路

當(dāng)絞車啟動(dòng)運(yùn)行后，KM1(啟動(dòng)排繩器)率先得電，PLC控制系統(tǒng)先進(jìn)行初始化處理，2KM1(控制電磁閥)發(fā)出得電信號(hào)，電磁閥開始動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)滴油。與此同時(shí)布置的霍爾傳感器(速度、轉(zhuǎn)速)對(duì)絞車的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控，依據(jù)布置的先導(dǎo)插件輸入信號(hào)值來(lái)判定絞車運(yùn)行方向，監(jiān)測(cè)到的控制信號(hào)通過(guò)PLC控制器進(jìn)行處理，并輸出脈沖信號(hào)、轉(zhuǎn)向信號(hào)等，控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，布繩引導(dǎo)滑塊在絲桿上做往返運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排繩。

同時(shí)當(dāng)檢測(cè)到絞車出現(xiàn)過(guò)卷、過(guò)速以及啟、停車時(shí)，PLC控制器會(huì)通過(guò)聲光報(bào)警裝置發(fā)出警示信號(hào)，提醒作業(yè)人員注意。當(dāng)出現(xiàn)機(jī)電類故障或者其他故障導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)無(wú)法換向運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)按按照一個(gè)方向運(yùn)行，損壞排繩裝置。甚至?xí)?dǎo)致絞車出現(xiàn)故障，因此，在布繩引導(dǎo)滑塊接近排繩裝置極限位置時(shí)，極限開關(guān)會(huì)向PLC控制器發(fā)出閉合信號(hào)，PLC控制器內(nèi)的定時(shí)器接收到閉合信號(hào)后按照設(shè)定時(shí)間計(jì)時(shí)，當(dāng)超過(guò)設(shè)定時(shí)間后步進(jìn)電機(jī)仍未轉(zhuǎn)向，則4KM常閉繼電器開啟，PLC控制器、步進(jìn)電機(jī)以及絞車等均斷電停止運(yùn)行。具體絞車控制流程見圖5。

圖5 絞車控制流程

當(dāng)PLC控制器接收到速度傳感器發(fā)出的脈沖信號(hào)后開始計(jì)算絞車運(yùn)行速度，當(dāng)監(jiān)測(cè)到絞車運(yùn)行速度未超過(guò)設(shè)定速度15%之內(nèi)時(shí)，保護(hù)系統(tǒng)不動(dòng)作，絞車保持原速度運(yùn)行；當(dāng)檢測(cè)到速度超過(guò)設(shè)定速度15%以上時(shí)，絞車先導(dǎo)開關(guān)3KM1斷開，絞車斷電停止運(yùn)行。具體設(shè)計(jì)的保護(hù)控制裝置運(yùn)行控制流程見圖3。

3 總結(jié)

絞車是礦井常用運(yùn)輸設(shè)備，由于井下運(yùn)行環(huán)境惡劣，絞車在使用過(guò)程中存在諸多的不安全因素，給礦井生產(chǎn)帶來(lái)不利影響?；诖耍闹性O(shè)計(jì)了一種基于PLC的絞車安全防護(hù)系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度高，不僅可以解決井下大型絞車使用過(guò)程中經(jīng)常存在的鋼絲繩排布雜亂問(wèn)題，同時(shí)還可以有效避免絞車出現(xiàn)過(guò)速、過(guò)卷等問(wèn)題，提高絞車運(yùn)行的安全防護(hù)能力。