基于PLC 的礦井架空乘人裝置運(yùn)行控制系統(tǒng)應(yīng)用研究

張 帥

（山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦有限責(zé)任公司， 山西 晉城 048000）

引言

架空乘人裝置是礦井勞動(dòng)力輸送的關(guān)鍵交通工具，對(duì)礦井惡劣的作業(yè)環(huán)境以及復(fù)雜的地下通道條件具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，整體運(yùn)輸能力很強(qiáng)，有效地提高了礦井的開(kāi)采效率并降低了一線(xiàn)工人的作業(yè)強(qiáng)度。為了提高架空乘人裝置工作的可靠性以及電氣自動(dòng)化管理水平，有必要對(duì)其自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行深入研究[1]。因?yàn)榧芸粘巳搜b置在運(yùn)行過(guò)程中存在一定的安全隱患，比如牽引鋼絲繩速度過(guò)快，甚至出現(xiàn)了斷繩的情況，嚴(yán)重時(shí)可造成礦工意外身亡等事故。自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究是保證鋼絲繩的運(yùn)行速度在合理的范圍內(nèi)，同時(shí)基于PLC 系統(tǒng)對(duì)礦工在上下車(chē)時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)或者停靠提升礦工乘坐的安全性與舒適性，達(dá)到實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守多重保護(hù)遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。研究成果為礦井設(shè)備的電氣自動(dòng)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

1 架空乘人裝置的工程技術(shù)特點(diǎn)

1.1 技術(shù)特性

FLP 型架空乘人裝置常應(yīng)用于在煤礦井下運(yùn)輸物料和人員。其升降椅運(yùn)輸系統(tǒng)分為RJHY 活動(dòng)椅系列、RJKY 可拆卸椅系列、RJY 固定椅系列。RJHY和RJKY 適用于0～25°坡度的巷道、RJY 為0～35°。具備以下特點(diǎn)[2]：

1）驅(qū)動(dòng)部分可通過(guò)變頻、磁阻調(diào)節(jié)變頻或軟啟動(dòng)控制形式，實(shí)現(xiàn)不同的速度轉(zhuǎn)換。

2）電控系統(tǒng)采用PLC 實(shí)現(xiàn)保護(hù)控制系統(tǒng)速度，沿途拉急停，礦工過(guò)線(xiàn)、重塊限位等安全保護(hù)，語(yǔ)音報(bào)警聲光通信和無(wú)人值守等諸多特點(diǎn)。

3）具有高速制動(dòng)和末端安全制動(dòng)，兩種制動(dòng)均故障安全。電源組為單回路或雙回路結(jié)構(gòu)。整個(gè)系統(tǒng)安全可靠。

4）固定式電纜座采用先進(jìn)的預(yù)緊結(jié)構(gòu)，不會(huì)松動(dòng)或滑。

5）高速電纜夾持裝置整體鑄造安全，制作精美?；瑒?dòng)部分采用SKF 免維護(hù)軸承，可靠性高，使用壽命長(zhǎng)。

6）椅子為專(zhuān)用減震彈簧座或軟座泡沫座或雙向旅行椅，結(jié)構(gòu)合理，坐感舒適。

7）滑輪直徑大，鋼體穿軟襯，減少繩索耐磨、壽命長(zhǎng)，乘員乘坐平穩(wěn)舒適。

8）輪子和掛管設(shè)計(jì)合理，更換輪線(xiàn)和軸承的潤(rùn)滑很容易。精度要求較低，安裝可以在可變條件下進(jìn)行。

9）聯(lián)軸器、吊管、軸承軸經(jīng)高級(jí)防腐處理技術(shù)，電纜固定裝置、椅子、輪子是鍍鋅或噴塑完成，整套設(shè)備耐腐蝕。

1.2 工程參數(shù)

架空乘人裝置的運(yùn)行速度可以在0～3 m/s 之間變化[3]，懸掛在運(yùn)輸段的彎道站便于彎道的通過(guò)。該系統(tǒng)通過(guò)了DGMS 的批準(zhǔn)，具有超速限制、液壓制動(dòng)系統(tǒng)、電話(huà)通信系統(tǒng)、緊急拉線(xiàn)系統(tǒng)和視聽(tīng)報(bào)警系統(tǒng)等多項(xiàng)安全功能。工程參數(shù)如下表所示：

2 架空乘人裝置控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件組成

2.1.1 制動(dòng)器

控制系統(tǒng)的制動(dòng)器是核心設(shè)備，如下頁(yè)圖1 所示，通過(guò)自動(dòng)化控制的制動(dòng)器比原始的手動(dòng)操作動(dòng)器更有安全性。目前的制動(dòng)器存在一定的致命缺陷，因?yàn)楫?dāng)整個(gè)礦井?dāng)嚯姇r(shí)，就會(huì)無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。因此需要將控制系統(tǒng)的UPS 電源進(jìn)行設(shè)計(jì)，當(dāng)整體礦井交流電停止供電時(shí)，能夠滿(mǎn)足一定時(shí)間內(nèi)的直流電供應(yīng)，確保整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)供電的正常進(jìn)行[4]。

圖1 制動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.2 控制電路

控制系統(tǒng)的電路由接觸器、電阻、二極管組成，通過(guò)127 V 的交流電壓[5]，同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩組電動(dòng)機(jī)，通過(guò)繞組的轉(zhuǎn)動(dòng)，不斷地調(diào)節(jié)電阻的數(shù)值，實(shí)現(xiàn)電流大小的控制，從而使得制動(dòng)器的工作壓力產(chǎn)生變化。原始的電氣原理圖如圖2 所示，可以看出原始電路圖中設(shè)置有手動(dòng)按鈕，通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)以及電容的控制才能實(shí)現(xiàn)各電路的交替運(yùn)行，存在不確定因素。

圖2 控制系統(tǒng)的電路示意圖

表1 架空乘人裝置工程參數(shù)表

2.2 軟件設(shè)計(jì)

為了使軟件系統(tǒng)能夠與PLC 微處理器更好地進(jìn)行匹配，通過(guò)PLC 控制系統(tǒng)的輸入模塊、CPU 模塊、輸出模塊進(jìn)行軟件的設(shè)計(jì)，采用S7-200 和STEP7-Micro/WIN 編程軟件[6]對(duì)控制人員的窗口組件進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的可視化顯示。硬件與軟件之間通過(guò)RS232/PPI 多主站的通信協(xié)議采用光纖電纜直接連接，比原始的MPI 通訊電纜的穩(wěn)定性和保密性更高。如圖3 所示為上位機(jī)軟件系統(tǒng)功能的框架圖。

圖3 上位機(jī)軟件系統(tǒng)功能的框架圖

2.3 基于PLC 的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)原始的軟硬件條件，對(duì)PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行整體的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)控制組成圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)組成示意圖

為了控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)架空乘人裝置的控制功能，安裝速度傳感器、位移傳感器、接近傳感器等高靈敏度傳感器，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢修、自動(dòng)啟動(dòng)、自動(dòng)停止制動(dòng)、急停和故障復(fù)位等關(guān)鍵指令功能，同時(shí)也不完全的去除手動(dòng)指令，還可通過(guò)手動(dòng)操作完成主電機(jī)開(kāi)、主電機(jī)停等緊急情況下的手動(dòng)操作功能。

在進(jìn)行自動(dòng)控制過(guò)程中，為了提高控制的效率，通常會(huì)選擇就近控制原則。當(dāng)起車(chē)指令發(fā)生后，系統(tǒng)將通過(guò)聲光預(yù)告對(duì)礦工進(jìn)行提示，同時(shí)延遲5 s 發(fā)出工作指令，同時(shí)制動(dòng)電機(jī)打開(kāi)以及工作閘打開(kāi)，隨后將延遲3 s 啟動(dòng)變頻主電機(jī)。整個(gè)起車(chē)過(guò)程耗時(shí)10 s，直到起車(chē)指令的完成。

3 架空乘人裝置控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)測(cè)

本文以某煤礦礦井通道的架空乘人裝置集群化無(wú)人操作為例，具體實(shí)現(xiàn)流程如下頁(yè)圖5 所示。根據(jù)架空乘人裝置啟動(dòng)信號(hào)及語(yǔ)音提示后設(shè)備自動(dòng)開(kāi)啟，入井人員在乘坐期間若遇到停車(chē)情況則判斷停車(chē)原因，若是保護(hù)動(dòng)作停車(chē)，待保護(hù)自動(dòng)恢復(fù)或者人工恢復(fù)后設(shè)備繼續(xù)運(yùn)行，整個(gè)過(guò)程結(jié)束；若是故障問(wèn)題，如檢修、設(shè)備故障、程序等問(wèn)題，判斷是否需要遠(yuǎn)程故障診斷，如需要?jiǎng)t進(jìn)入下頁(yè)圖5 所示流程直至故障問(wèn)題解決。另外，在井下各機(jī)頭，機(jī)尾、上下人站點(diǎn)及巷道關(guān)鍵地點(diǎn)安裝有視頻監(jiān)控裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)集群系統(tǒng)的設(shè)備運(yùn)行和人員乘坐安全狀況，直至把人員安全送至目的地。

圖5 架空乘人裝置集群無(wú)人操作流程圖

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)目前架空乘人裝置電控系統(tǒng)所出現(xiàn)的問(wèn)題，重新對(duì)其控制系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)其整體的機(jī)械構(gòu)造以及電路布置條件，結(jié)合礦井的作業(yè)環(huán)境，采用PLC 為核心控制器設(shè)計(jì)出了架空乘人裝置的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了運(yùn)輸線(xiàn)路關(guān)鍵點(diǎn)位的自動(dòng)啟停以及急停保護(hù)等重要的功能，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值守運(yùn)行保護(hù)遠(yuǎn)程監(jiān)控等多種功能。該控制系統(tǒng)的提出，極大地提升了礦工乘坐架空乘人裝置的舒適性，突破了井下礦井惡劣環(huán)境巷道的空間限制。對(duì)于煤礦企業(yè)來(lái)說(shuō)，提高了生產(chǎn)效率和本質(zhì)安全化的管理水平，達(dá)到了快速運(yùn)輸?shù)V工的重要目的。