基于工業(yè)以太網(wǎng)通信對礦井主立井提升系統(tǒng)的自動化改造

洛陽智超機(jī)電科技有限公司 河南洛陽 471031

礦 井提升機(jī)是礦山生產(chǎn)的咽喉設(shè)備，尤其是主井提升機(jī)，它擔(dān)負(fù)著全礦的生產(chǎn)運(yùn)輸任務(wù)，要求監(jiān)控準(zhǔn)確、預(yù)警及時(shí)、調(diào)度合理、應(yīng)急措施及時(shí)到位[1]。目前大部分礦井還未真正地實(shí)現(xiàn)無人值守自動化，提升機(jī)控制設(shè)備一般由司機(jī)操控，隨著自動控制與監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，特別是網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)主立井提升機(jī)、裝載站、卸載站在正常情況下的無人值守以及遠(yuǎn)程監(jiān)控已具備條件。

1 存在問題

(1)自動化程度不高，人為參與控制較多，對提升機(jī)的安全性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性都有一定影響。

(2)監(jiān)控系統(tǒng)落后，僅在操作員站有控制權(quán)和監(jiān)視權(quán)，企業(yè)調(diào)度中心沒有權(quán)限，無法及時(shí)了解設(shè)備狀況，進(jìn)行合理調(diào)度和決策。

(3)故障應(yīng)急手段落后，出現(xiàn)故障時(shí)，需要操作員電話通知企業(yè)調(diào)度中心，調(diào)度中心難以及時(shí)準(zhǔn)確地了解故障狀況，導(dǎo)致決策延時(shí)或不夠合理。

(4)設(shè)備工藝參數(shù)的調(diào)整只能由現(xiàn)場操作員站進(jìn)行，且需要有經(jīng)驗(yàn)的工程師操作。由于礦井分布的特點(diǎn)，在多個設(shè)備需要調(diào)整工藝參數(shù)時(shí)，工程師無法及時(shí)到達(dá)現(xiàn)場。

(5)各礦井提升機(jī)系統(tǒng)相對獨(dú)立，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分散，不能給企業(yè)提供有效的故障分析依據(jù)，做不到提前預(yù)警，不能減少安全隱患。

(6)對機(jī)械設(shè)備主要部位檢測手段不夠，留有許多檢測盲點(diǎn)。

(7)部分安全檢測為機(jī)械或模擬量檢測，檢測精度低，串口通信方式抗干擾能力差、可靠性低。

為了解決上述問題，亟待實(shí)現(xiàn)一種無人值守的遠(yuǎn)程集中監(jiān)控系統(tǒng)。

2 改造實(shí)施方案

以某金屬礦主立井提升系統(tǒng)為例，其主立井提升機(jī)電控及機(jī)械傳動部分、裝卸載集控站、裝載站、卸載站分布如圖 1 所示。

2.1 提升機(jī)電控系統(tǒng)改造

提升機(jī)型號：JKM-2.8×4(II)；直流電動機(jī)型號：Z710-500；拖動方式：采用西門子原裝 6RA80全數(shù)字直流調(diào)速裝置，主回路為磁場恒定、電樞可逆并聯(lián) 12 脈動[2]；提升高度為 470 m，最大運(yùn)行速度為9.6 m/s。

PLC 控制柜安裝于地面提升機(jī)房，原系統(tǒng)采用西門子 S7-300 PLC 主、從控制[3]，主控柜 PLC 模塊包括電源模塊、CPU 模塊、DI/DO 模塊、AI/AO 模塊；操作臺 PLC 模塊包括電源模塊、CPU 模塊、DI/DO 模塊、AI/AO 模塊；主控柜 PLC 與操作臺 PLC通過 MPI 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

圖1 主立井的布置Fig.1 Layout of main shaft

2.1.1 改造方案

在原主控柜增加 1 個西門子 CP343-1 通信模塊、1 個光電轉(zhuǎn)換模塊、1 個工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，在操作臺增加 1 個西門子 CP343-1 通信模塊、智能閘間隙及溫度檢測傳感器，如圖 2 所示。閘瓦檢測采用定位精度高、動作可靠、使用壽命長的無觸點(diǎn)位移開關(guān)，溫度檢測采用遠(yuǎn)紅外非接觸式溫度傳感器。

在主控柜 S7-300 PLC 程序中增加產(chǎn)量自動統(tǒng)計(jì)程序，在上位機(jī)組態(tài)王軟件上重新配置產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)顯示組態(tài)畫面[4]，對提升礦石的班、日、月、年產(chǎn)量及相應(yīng)礦倉礦石種類實(shí)現(xiàn)自動統(tǒng)計(jì)，且設(shè)置數(shù)據(jù)查看權(quán)限，避免操作人員誤操作。

2.1.2 方案實(shí)施

PLC 模塊負(fù)責(zé)提升機(jī)油壓制動系統(tǒng)控制與保護(hù)、電動機(jī)傳動系統(tǒng)速度的控制與保護(hù)、提升容器位置的控制與保護(hù)，以及安全回路雙線制冗余保護(hù)[5]；接收閘瓦磨損傳感器 (共 16 路)和閘盤溫度傳感器 (共 2路)信號，實(shí)時(shí)檢測閘瓦間隙和閘盤溫度，并顯示在遠(yuǎn)程監(jiān)控站上，既可設(shè)置閘瓦間隙超限預(yù)報(bào)警和閘瓦磨損故障報(bào)警，也可設(shè)置彈簧疲勞預(yù)報(bào)警、彈簧故障報(bào)警以及閘盤溫度報(bào)警。

圖2 改造后的提升機(jī)電控系統(tǒng)Fig.2 Transformed electric control system of hoist

安裝完線性位移型閘瓦磨損傳感器后，首先在遠(yuǎn)程監(jiān)控站的顯示器上用鼠標(biāo)點(diǎn)擊“閘瓦間隙清零”按鈕，此時(shí)“閘瓦間隙清零”閃爍，3 s 后 PLC 自動設(shè)置閘瓦的初始位置，并記錄存儲該值作為閘瓦間隙超限、閘瓦磨損、彈簧疲勞預(yù)報(bào)警和故障報(bào)警的依據(jù)。當(dāng)提升機(jī)抱閘時(shí)，檢測閘瓦磨損量，以“-”值表示；當(dāng)提升機(jī)敞閘時(shí)，檢測閘瓦間隙超限和彈簧疲勞故障，以“+”值表示。當(dāng)閘盤溫度超過 65 ℃ 時(shí)，預(yù)報(bào)警；當(dāng)閘盤溫度超過 75 ℃ 時(shí)，故障報(bào)警。

2.2 裝卸載集控站電控改造

裝卸載集控站電控柜安裝于井口控制室，原電控柜采用西門子 S7-300 PLC 控制，PLC 模塊包括電源模塊、CPU 模塊，配置 2 個 DP 通信模塊 IM153 分別放在裝載站電控柜和卸載站電控柜，通過 Profibus-DP 總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，完成裝載站和卸載站的集中控制和信號傳輸，同時(shí)與提升機(jī)電控柜 PLC 通過 MPI 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

2.2.1 改造方案

在原裝卸載集控站 PLC 控制柜增加 1 個西門子 CP343-1 通信模塊、1 個 Profibus-DP光纖轉(zhuǎn)換模塊 OLM，改造后如圖 3 所示。

圖3 改造后的裝卸載集控站電控系統(tǒng)Fig.3 Transformed eletric control system of loading and unloading centralized control station

2.2.2 方案實(shí)施

PLC 通過 CP343-1 通信模塊與提升機(jī)電控實(shí)現(xiàn)MPI 數(shù)據(jù)通信；通過 Profibus-DP 總線，經(jīng)由 DP 轉(zhuǎn)光纖模塊 OLM 與裝載站 PLC 和卸載站 PLC 進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)對裝卸載站的集中控制。

2.3 裝載站電控改造

裝載站 PLC 控制柜安裝于井底裝載站硐室，完成箕斗裝載工藝控制、安全保護(hù)及運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控。裝載站的設(shè)備分布如圖 4 所示。裝載站原 PLC 控制柜安裝有電源模塊、IM153 模塊、DI/DO 模塊、AI/AO模塊。

圖4 裝載站的設(shè)備分布Fig.4 Equipment layout in loading station

2.3.1 改造方案

在原裝載站 PLC 控制柜增加 1 個 Profibus-DP 光纖轉(zhuǎn)換模塊 OLM，改造后如圖 5 所示。

圖5 改造后的裝載站電控系統(tǒng)Fig.5 Transformed electric control system of loading station

在計(jì)量斗最大容積線處安裝一個檢測開關(guān)，與計(jì)量稱重模塊形成雙保護(hù)回路，互為冗余。當(dāng)計(jì)量斗內(nèi)礦石質(zhì)量達(dá)到系統(tǒng)設(shè)置時(shí)，如果計(jì)量稱重模塊未能正確檢測到礦石質(zhì)量，導(dǎo)致礦石繼續(xù)裝載，在礦石超過容積線時(shí)，檢測開關(guān)給出一個開關(guān)信號，觸發(fā)礦倉定容保護(hù)動作，裝載系統(tǒng)自動停止礦石裝載并報(bào)警。

在放礦機(jī)出口輸送帶處安裝超聲波檢測傳感器，用于檢測直徑大于某一尺寸的大顆粒礦石，預(yù)防下料口堵塞。超聲波傳感器適用于惡劣工況和灰塵環(huán)境，安裝于帶式輸送機(jī)上方，通過檢測塊狀礦石高度，從而判斷物料大小，一旦檢測出有大顆粒物料，立即報(bào)警，停止放礦機(jī)和帶式輸送機(jī)，待問題處理完后，再正常運(yùn)行。

2.3.2 方案實(shí)施

裝載工藝控制包括振動給礦機(jī)、帶式輸送機(jī)、計(jì)量斗、扇形門、活溜嘴控制，通過計(jì)量稱重傳感器和PLC 可以實(shí)現(xiàn)計(jì)量斗的定量稱重裝載。當(dāng)定量斗為箕斗裝載結(jié)束后，收回計(jì)量斗活溜嘴，關(guān)閉計(jì)量斗的扇形門，為提升機(jī)發(fā)送“裝載完成”信號?；冯x開裝載位置后，啟動帶式輸送機(jī)和振動給礦機(jī)，為計(jì)量斗輸送礦石，PLC 通過計(jì)量稱重傳感器實(shí)時(shí)檢測計(jì)量斗內(nèi)的礦石質(zhì)量，當(dāng)?shù)V石質(zhì)量達(dá)到要求時(shí)，停止振動給礦機(jī)和帶式輸送機(jī)，為下一次箕斗裝載做準(zhǔn)備。

為了防止提升機(jī)過載運(yùn)行，采用計(jì)量和計(jì)容雙保護(hù)回路，同時(shí)設(shè)置大顆粒礦石超聲波檢測和放礦機(jī)卡斗檢測保護(hù)。通過檢測計(jì)量斗內(nèi)的礦石質(zhì)量在單位時(shí)間的變化率，來判斷是否存在大塊礦石堵塞放礦口的問題，并進(jìn)行報(bào)警。

2.4 卸載站電控改造

卸載站 PLC 控制柜安裝于井口卸載站控制室，完成箕斗卸載工藝控制、安全保護(hù)及運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控。原控制柜安裝有電源模塊、IM153 模塊、DI/DO 模塊、AI/AO 模塊。

2.4.1 改造方案

在原 PLC 控制柜增加 1 個 Profibus-DP 光纖轉(zhuǎn)換模塊 OLM、2 個箕斗門開閉檢測傳感器、防撕裂保護(hù)裝置和輸送帶打滑檢測裝置、井上礦倉定容檢測開關(guān)，改造后如圖 6 所示。

圖6 改造后的卸載站電控系統(tǒng)Fig.6 Transformed electric control system of unloading station

2.4.2 方案實(shí)施

控制柜 PLC 模塊完成與裝卸載集控站控制柜內(nèi)PLC 的數(shù)據(jù)通信；增加箕斗門關(guān)閉保護(hù)和對井上礦倉礦位的檢測。在卸載曲軌位置安裝箕斗門關(guān)閉檢測傳感器，用于檢測箕斗門的開閉狀態(tài)，防止箕斗在箕斗門未完全關(guān)閉時(shí)從曲軌滑出，避免箕斗未卸空時(shí)的二次過量裝載和裝載時(shí)的井底漏料造成的安全隱患。

當(dāng)井上礦倉礦石不滿倉時(shí)，提升系統(tǒng)自動運(yùn)行；當(dāng)井上礦倉礦石滿倉時(shí)，提升系統(tǒng)自動停止。礦石下放，礦位降低，再次檢測到井上礦倉不滿倉時(shí)，提升機(jī)再次進(jìn)入自動提升循環(huán)。增加井上礦倉定容檢測開關(guān)，防止裝載時(shí)超過礦倉最大容積，導(dǎo)致卸礦溜槽卡堵、礦石溢出礦倉掉入井筒。

2.5 遠(yuǎn)程集控站改造

遠(yuǎn)程集控站安裝于礦山中控室，完成主立井提升機(jī)、裝載站與卸載站的工藝控制、安全保護(hù)及運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控。

2.5.1 改造方案

遠(yuǎn)程集控站安裝有工控機(jī)、顯示器、光電轉(zhuǎn)換模塊，在原遠(yuǎn)程集控站增加 1 臺工業(yè)控制計(jì)算機(jī) IPC 810、1 個光電轉(zhuǎn)換模塊、1 個工業(yè)交換機(jī)，如圖 7所示。

2.5.2 方案實(shí)施

以工業(yè)以太網(wǎng)通信模式與提升機(jī)PLC 控制柜、裝卸載集控站 PLC 控制柜、裝載站 PLC 控制柜、卸載站 PLC控制柜進(jìn)行連接，并完成數(shù)據(jù)交換。編制有提升機(jī)運(yùn)行監(jiān)控畫面、裝載站監(jiān)控畫面和卸載站監(jiān)控畫面，可在集控室實(shí)現(xiàn)對提升機(jī)、裝載站和卸載站的工藝控制、安全保護(hù)及運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控[5]。

圖7 改造后的遠(yuǎn)程監(jiān)控站通信網(wǎng)絡(luò)Fig.7 Transformed communication network of remote monitor station

主立井提升機(jī)、裝卸載集控站、裝載站與卸載站的遠(yuǎn)程監(jiān)控通信如圖 8 所示。

3 遠(yuǎn)程集控控制功能的實(shí)現(xiàn)

遠(yuǎn)程集控站有全自動和半自動 2 種工作方式，正常工作時(shí)為全自動工作方式。

圖8 改造后的通信網(wǎng)絡(luò)Fig.8 Transformed communication network

3.1 全自動工作方式

在全自動運(yùn)行方式下，在遠(yuǎn)程監(jiān)控站，操作人員在上位監(jiān)控系統(tǒng)上選擇全自動，提升機(jī)系統(tǒng)進(jìn)入自動運(yùn)行模式。井底裝載系統(tǒng)在自動模式下，先對計(jì)量斗進(jìn)行自動裝載。系統(tǒng)自動對計(jì)量斗內(nèi)礦石質(zhì)量進(jìn)行檢測，確定計(jì)量斗內(nèi)無礦石，則自動啟動帶式輸送機(jī)、振動放礦機(jī)將礦石裝入箕斗，待稱重傳感器檢測到計(jì)量斗內(nèi)礦石質(zhì)量達(dá)到系統(tǒng)設(shè)置時(shí)，系統(tǒng)自動停止計(jì)量斗的裝載，等待箕斗自動運(yùn)行到井底裝載停準(zhǔn)位置。計(jì)量裝載系統(tǒng)接收到箕斗下到位的停準(zhǔn)信號后，自行啟動液壓站，順序打開活溜嘴、扇形門，將礦石卸至箕斗內(nèi)，待稱重傳感器檢測到計(jì)量斗已卸空，則自動落下扇形門，收起活溜嘴，待兩者全部到位后，給出允許開車指令，信號系統(tǒng)發(fā)出上提信號，箕斗自動開始提升，計(jì)量裝載系統(tǒng)又開始重復(fù)對計(jì)量斗進(jìn)行自動裝載，進(jìn)入下一工作循環(huán)。

提升機(jī)在自動模式下，先自行啟動外圍設(shè)備，檢測到箕斗未在井口卸載位置，信號系統(tǒng)自動發(fā)出上提信號，將箕斗先提升至井口卸載站，保證箕斗已卸空，再自動發(fā)出下放信號，進(jìn)入自動化運(yùn)行。提升系統(tǒng)將箕斗落至井底裝載位置，井底箕斗到位開關(guān)動作，信號系統(tǒng)自動發(fā)出停車信號，提升機(jī)自動停車，等待裝載系統(tǒng)對箕斗裝礦。裝載系統(tǒng)對箕斗裝載完成后，信號系統(tǒng)自動發(fā)出上提信號，提升機(jī)接收到井底裝載系統(tǒng)發(fā)出的上提信號，則自動開始提升，完成啟動、加速、勻速、減速和爬行的運(yùn)行過程，當(dāng)箕斗到達(dá)井口卸載位置時(shí)，井口到位開關(guān)動作，信號系統(tǒng)自動發(fā)出停車信號，提升機(jī)自動停車，礦石卸入井口溜井內(nèi)，箕斗卸空后，信號系統(tǒng)自動發(fā)出下放信號，提升機(jī)自動開始下放，將箕斗落至井底裝載位置，進(jìn)入下一工作循環(huán)。在系統(tǒng)的整個運(yùn)行過程中，均不需要人工參與操作，從而實(shí)現(xiàn)了主井提升系統(tǒng)的自動化運(yùn)行。

3.2 半自動工作方式

在半自動運(yùn)行方式下，在遠(yuǎn)程監(jiān)控站或箕斗井卷揚(yáng)操控室，操作人員在上位監(jiān)控系統(tǒng)上選擇半自動，提升機(jī)進(jìn)入半自動運(yùn)行模式，井底計(jì)量裝載系統(tǒng)進(jìn)入手動工作模式。在該模式下，提升機(jī)上提信號由井底裝載系統(tǒng)操作人員手動發(fā)出，下放信號是由井口卸載站操作人員手動發(fā)出，提升機(jī)接收到信號后，卷揚(yáng)司機(jī)按動運(yùn)行按鈕，提升機(jī)根據(jù)開車信號，開始上提或下放。井底計(jì)量裝載系統(tǒng)對計(jì)量斗的裝載和卸載工作都是人工手動完成，該模式只在日常檢修時(shí)采用。

4 改造效果

通過對礦井主立井提升系統(tǒng)自動化遠(yuǎn)程集控改造，與傳統(tǒng)礦井主立井提升系統(tǒng)控制技術(shù)相比，具有明顯的優(yōu)勢，可實(shí)現(xiàn)無人值守的主立井提升系統(tǒng)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控。作為新型的遠(yuǎn)程監(jiān)控手段，更直接、更有效、更實(shí)用，主立井提升機(jī)不需配置絞車司機(jī)，可以減少用工成本，由值班調(diào)度對主立井提升系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；安全保護(hù)齊全，對主立井自動化提升的安全性起到至關(guān)重要的作用，降低了故障率，提升了生產(chǎn)效率，收到了良好的效果；以“自動化減人，機(jī)械化換人”為理念，實(shí)現(xiàn)了無人值守、減員增效的目標(biāo)。

5 結(jié)語

對礦井主立井提升系統(tǒng)中提升機(jī)、裝卸載集控站、裝載站、卸載站的電控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)改造，采用工業(yè)以太網(wǎng)通信，借助組態(tài)監(jiān)控軟件，實(shí)現(xiàn)了主立井提升系統(tǒng)無人值守。通過互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)勢，可實(shí)現(xiàn)異地對礦井主立井提升系統(tǒng)遠(yuǎn)程在線監(jiān)測，對電氣設(shè)備、機(jī)械設(shè)備關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，為設(shè)備正常運(yùn)行提供有力支援。