煤礦提升機(jī)減速轉(zhuǎn)換裝置控制技術(shù)研究

謝良魁，張 豪，王曉統(tǒng)

(1.河南能源化工集團(tuán) 永煤公司，河南 永城 476600； 2.河南能源化工集團(tuán) 永煤公司陳四樓煤礦，河南 永城 476600；3.河南能源化工集團(tuán) 永煤公司車集煤礦，河南 永城 476600)

在煤炭生產(chǎn)中，煤礦提升機(jī)是聯(lián)系井上下關(guān)鍵設(shè)備，擔(dān)負(fù)著升降人員、提升設(shè)備和材料等任務(wù)，不僅影響著整個(gè)礦井的安全效益，而且直接關(guān)系到煤礦工人的生命安全?，F(xiàn)階段提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)主要有安全制動(dòng)和正常制動(dòng)2種方式。安全制動(dòng)是在煤礦提升機(jī)出現(xiàn)意外時(shí)采取的一種保護(hù)技術(shù)，正常制動(dòng)是在煤礦正常提升時(shí)采取抱閘的制動(dòng)方式。目前，國內(nèi)提升機(jī)大部分是靠恒力矩實(shí)現(xiàn)，但是隨著煤礦提升機(jī)可靠性的不斷提高，其缺點(diǎn)也凸顯出來，發(fā)展恒減速制動(dòng)系統(tǒng)也成為了趨勢。恒減速制動(dòng)系統(tǒng)存在可靠性高、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，但是更換整套提升制動(dòng)系統(tǒng)成本高、周期長。為了解決該問題，需要在原有恒力矩制動(dòng)系統(tǒng)上添加恒減速制動(dòng)功能，使系統(tǒng)維護(hù)方便、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、使用可靠[1-3]。鑒于此，本文研究了煤礦提升機(jī)減速轉(zhuǎn)換裝置控制系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)主要包括原二級(jí)制動(dòng)液壓系統(tǒng)、粗過濾器、溢流器、壓力表、儲(chǔ)能器、單向閥、電液比例溢流閥、二位四通換向閥、截止閥等，并對(duì)硬件部分、軟件部分、上位機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。研究對(duì)煤礦提升機(jī)減速制動(dòng)的改造具有重要的意義。

1 煤礦提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)要求

為了保證煤礦提升機(jī)安全、可靠運(yùn)行，《煤礦安全規(guī)程》提出了一系列的要求[4-5]。

(1)當(dāng)提升機(jī)在進(jìn)行安全制動(dòng)時(shí)，其產(chǎn)生的制動(dòng)力矩(Mz)≥提升系統(tǒng)最大靜負(fù)荷力矩(Mj)的3倍。即：

Mz≥3Mj

(1)

式中，Mj為提升系統(tǒng)最大靜負(fù)荷力矩；Mz為制動(dòng)力矩。

(2)當(dāng)煤礦提升機(jī)采用盤式制動(dòng)器時(shí)，盤式空動(dòng)時(shí)間≤0.3 s。

(3)煤礦提升機(jī)安全制動(dòng)減速度：

Ac=g(sinθ+fcosθ)

(2)

式中，f為運(yùn)行阻力系數(shù)；θ為井巷傾角；g為重力加速度；Ac為自然減速度。

煤礦提升機(jī)安全制動(dòng)減速度技術(shù)要求見表1。

表1 煤礦提升機(jī)安全制動(dòng)減速度技術(shù)要求Tab.1 Technical requirements for safe braking and deceleration of mine hoists

除此之外，恒減速液壓系統(tǒng)還需遵守《礦井提升機(jī)和礦用提升絞車 液壓站》(JB/T 3277—2017)的要求：①殘壓應(yīng)符合相關(guān)規(guī)定(表2)；②油壓(P)應(yīng)在0.2Pmax～0.8Pmax，且P=F(U)或P=F(I)特性曲線應(yīng)趨于直線；③在安全制動(dòng)開始(前30%時(shí)間段內(nèi))，任意時(shí)間的減速度和給定速度的差值不能超過給定速度的15%，另外其他時(shí)間段內(nèi)不超過給定速度的10%；④從安全回路電信號(hào)的發(fā)出至恒減速度的建立時(shí)間小于0.8 s；⑤在比例閥壓力口處，過濾器的精度不能超過10 μm；⑥當(dāng)煤礦提升機(jī)恒減速器制動(dòng)失效時(shí)，應(yīng)立即轉(zhuǎn)為備用或二級(jí)恒減速制動(dòng)；⑦對(duì)于油壓，其中低液壓站壓力幅值不能超過0.2 MPa；⑧當(dāng)未接入盤型制動(dòng)器時(shí)，油壓與電壓、電流的滯后時(shí)間不能大于0.1 s；⑨當(dāng)有2套“調(diào)壓裝置”時(shí)，2套“調(diào)壓裝置”間油壓的差值不能超過0.2 MPa。

表2 煤礦提升機(jī)安全制動(dòng)系統(tǒng)殘壓相關(guān)技術(shù)要求Tab.2 Relevant technical requirements for residual pressure of safety brake system of mine hoist

2 減速轉(zhuǎn)換裝置控制系統(tǒng)

煤礦提升機(jī)恒力矩—恒減速轉(zhuǎn)換裝置液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)[6-8]如圖1所示。主要包括原二級(jí)制動(dòng)液壓系統(tǒng)、溢流器、壓力表、儲(chǔ)能器、單向閥、電液比例溢流閥、二位四通換向閥、截止閥、壓力變送器、二位二通換向閥、精過濾器、二位三通換向閥等。

圖1 煤礦提升機(jī)恒力矩—恒減速轉(zhuǎn)換裝置液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)Fig.1 Design of hydraulic system of constant force-constant deceleration conversion device of coal mine hoist

減速轉(zhuǎn)換裝置控制系統(tǒng)的核心是對(duì)安全回路的實(shí)時(shí)監(jiān)測，如安全回路掉電時(shí)，系統(tǒng)通過控制電液比例溢流閥和相關(guān)換向閥的協(xié)調(diào)動(dòng)作，使提升機(jī)制動(dòng)方式由恒力矩轉(zhuǎn)變?yōu)楹銣p速。提升機(jī)減速轉(zhuǎn)換裝置控制系統(tǒng)為閉環(huán)控制系統(tǒng)，其原理如圖2所示。

圖2 煤礦提升機(jī)減速轉(zhuǎn)換裝置控制系統(tǒng)工作原理Fig.2 Working principle of control system in reduction conversion device of mine hoist

系統(tǒng)的硬件分為傳感器、設(shè)備層、控制層、管理層4個(gè)部分[9-10]：①傳感器。主要用于采集系統(tǒng)所需的物理量，并將該物理量傳輸?shù)娇刂茖?，系統(tǒng)主要用的傳感器有壓力變送器和光電編碼器。2個(gè)傳感器分別測量儲(chǔ)能器內(nèi)的油壓和盤閘內(nèi)的油壓。②設(shè)備層。作為系統(tǒng)的執(zhí)行結(jié)構(gòu)，主要由換向閥、電液比例溢流閥、儲(chǔ)能器組成，實(shí)現(xiàn)提升機(jī)制動(dòng)方式由恒力矩轉(zhuǎn)變?yōu)楹銣p速。③控制層。該層以PLC為核心，本文采用S7-300型PLC控制器，用于對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理，并根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，控制和調(diào)整電液比例溢流閥的輸出量以及對(duì)提升機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，給出邏輯判斷，與管理層進(jìn)行通信。④管理層。主要采用觸摸屏實(shí)現(xiàn)的，可以實(shí)時(shí)示各個(gè)閥及提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，也可實(shí)時(shí)顯示盤式制動(dòng)器內(nèi)的油壓、運(yùn)動(dòng)位置、提升機(jī)制動(dòng)減速度等，可以對(duì)所需參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，并具有報(bào)警記錄、故障報(bào)警等功能。煤礦提升機(jī)減速轉(zhuǎn)換裝置控制系統(tǒng)硬件構(gòu)架如圖3所示。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文選用S7-300 PLC作為硬件系統(tǒng)的核心控制器，其具有診斷能量強(qiáng)、通信功能強(qiáng)、編程功能強(qiáng)、運(yùn)算速度快、擴(kuò)展性能好等特點(diǎn)，使系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)控制信號(hào)的輸出、邏輯判斷、數(shù)據(jù)處理、提升機(jī)運(yùn)行信號(hào)和系統(tǒng)油壓信號(hào)的采集及控制策略。

圖3 煤礦提升機(jī)減速轉(zhuǎn)換裝置控制系統(tǒng)硬件構(gòu)架Fig.3 Hardware architecture of control system of reduction conversion device of mine hoist

3.1 PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)所需控制設(shè)備和采集信號(hào)，對(duì)系統(tǒng)的輸入輸出點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)：①輸出信號(hào)。故障指示燈、電源指示燈、4個(gè)控制電磁換向閥動(dòng)作信號(hào)、2個(gè)控制電液比例溢流閥的模擬量輸出信號(hào)。②輸入信號(hào)。二級(jí)制動(dòng)解除點(diǎn)信號(hào)、過濾器故障信號(hào)、主備電液比例溢流閥的故障輸出、主備電液比例溢流閥的電源狀態(tài)監(jiān)控、減速點(diǎn)信號(hào)、4個(gè)電磁換向閥的電源狀態(tài)監(jiān)控、停車信號(hào)、電源監(jiān)控信號(hào)、安全回路掉電信號(hào)、1個(gè)光電編碼器輸入的高速脈沖信號(hào)、主備溢流閥壓力監(jiān)控的模擬量輸入信號(hào)、2個(gè)壓力變送器。

通信方式采用工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)現(xiàn)場總線、多點(diǎn)接口等，本文選用工業(yè)以太網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)HMI和PLC間的通信，該通信具有通信速率高的特點(diǎn)，最高帶速可達(dá)100 Mb/s，另外需要增加1個(gè)通信模塊CP343-1 Learn，該模塊支持TCP/IP協(xié)議，具有2端口交換機(jī)、IP多播、帶/不帶RFC1006的TCP/UDP、PROFINET IO設(shè)備、FETCH/WRITE和SEND/RECEIVE接口等。在使用過程中，采用組態(tài)軟件對(duì)HMI的PROFINET接口和通信模塊進(jìn)行設(shè)置。

PLC電源模塊選用PS307-2 A的電源模塊，其功耗低于25 W。

3.2 信號(hào)傳輸系統(tǒng)

為了避免電信號(hào)在傳輸過程受到電源、電信號(hào)的耦合、周圍噪聲等的干擾，本文設(shè)計(jì)專門的隔離電路。對(duì)于模擬信號(hào)，采用信號(hào)隔離模塊(圖4(a))，通過半導(dǎo)體，將輸入信號(hào)進(jìn)行變換，經(jīng)過磁感元件進(jìn)行隔離，然后再解調(diào)，變回原信號(hào)；對(duì)于數(shù)字量，采用光電隔離模塊(圖4(b))，通過二極管，將電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)，然后輸入到PLC控制系統(tǒng)中，避免了現(xiàn)場和控制器的直接聯(lián)系，切斷了干擾通道。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

煤礦提升機(jī)減速轉(zhuǎn)換裝置控制系統(tǒng)主要包括主程序、循環(huán)中斷程序和初始化程序。主程序主要由快速回油子程序、恒減速—恒力矩轉(zhuǎn)換、恒力矩—恒減速轉(zhuǎn)換、故障判斷和報(bào)警、數(shù)據(jù)處理、讀取外部數(shù)據(jù)信號(hào)燈子程序構(gòu)成。PLC主程序運(yùn)行流程如圖5所示。

圖5 PLC主程序運(yùn)行流程Fig.5 PLC main program running process

(1)快速回油子程序。當(dāng)檢測到煤礦提升機(jī)的運(yùn)行速度為0時(shí)，啟動(dòng)快速回油子程序，使系統(tǒng)油壓快速降低為0，確保制動(dòng)力矩>3倍的靜力矩，避免溜車事故的發(fā)生。

(2)恒減速—恒力矩轉(zhuǎn)換子程序。當(dāng)恒減速制動(dòng)系統(tǒng)失效時(shí)，采用電磁換向閥，將恒減速制動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為恒力矩制動(dòng)系統(tǒng)。

(3)恒力矩—恒減速轉(zhuǎn)換子程序。接收到相關(guān)指令時(shí)，采用電磁換向閥，將原來的恒力矩制動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為恒減速制動(dòng)系統(tǒng)，其油壓由原裝置的電液比例溢流閥控制。

(4)故障判斷和報(bào)警子程序。用于判斷過濾器、電液比例溢流閥、電磁換向閥是否發(fā)生故障。

(5)二級(jí)制動(dòng)解除點(diǎn)/停車點(diǎn)。當(dāng)處于二級(jí)制動(dòng)解除點(diǎn)/停車點(diǎn)時(shí)，根據(jù)制動(dòng)距離的要求，不能實(shí)時(shí)恒減速制動(dòng)。

(6)速度、位移運(yùn)算子程序。將保存在數(shù)據(jù)塊中光電編碼器發(fā)出的脈沖頻率、脈沖數(shù)和提升機(jī)位移與速度的聯(lián)系，經(jīng)過速度、位移運(yùn)算子程序，得到提升機(jī)的速度、位移。

(7)讀取外部數(shù)據(jù)子程序。將光電編碼器發(fā)出的脈沖頻率、脈沖數(shù)，油壓傳感器輸出的油壓信號(hào)、開關(guān)量信號(hào)保存到數(shù)據(jù)塊中，PLC其他子程序直接從數(shù)據(jù)塊中調(diào)用。

5 人機(jī)界面的設(shè)計(jì)

上位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)設(shè)置、故障報(bào)警、提升機(jī)制動(dòng)方式指示、提升機(jī)運(yùn)行狀態(tài)顯示等功能，主要由觸摸屏、工作站和工控機(jī)組成。本文選用TP900Comfort智能面板，該面板為系統(tǒng)診斷與SIMATIC控制器的融合，SIMATIC HMI精智面板組態(tài)具有MPI接口、以太網(wǎng)、USB接口、支持VB語言編寫腳本、斷電保護(hù)、歸檔等功能。煤礦提升機(jī)減速轉(zhuǎn)換裝置控制系統(tǒng)主界面如圖6所示。界面主要包括提升機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視、工作指示、故障信息、主/備溢流閥切換、參數(shù)設(shè)置。

圖6 煤礦提升機(jī)減速轉(zhuǎn)換裝置控制系統(tǒng)主界面Fig.6 Main interface of control system of reduction conversion device of coal mine hoist

6 結(jié)語

根據(jù)煤礦提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)要求，設(shè)計(jì)了煤礦提升機(jī)恒力矩—恒減速轉(zhuǎn)換裝置液壓系統(tǒng)，并分析了控制系統(tǒng)工作原理及各部分的功能；根據(jù)系統(tǒng)所需控制設(shè)備和采集信號(hào)，對(duì)系統(tǒng)所有PLC進(jìn)行選型，并設(shè)計(jì)了專門的隔離模塊；設(shè)計(jì)了軟件部分，主程序主要由快速回油子程序、恒減速—恒力矩轉(zhuǎn)換、恒力矩—恒減速轉(zhuǎn)換、故障判斷和報(bào)警等構(gòu)成；完成了對(duì)人機(jī)界面的設(shè)計(jì)，主要包括提升機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視、工作指示、故障信息、主/備溢流閥切換、參數(shù)設(shè)置。