礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

張夢(mèng)瑜

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)晉華宮礦，山西 大同 037016）

引言

煤炭安全高效開(kāi)采對(duì)于保障能源安全尤為重要。自動(dòng)化采煤機(jī)械裝置的大規(guī)模使用在提高煤礦生產(chǎn)能力和自動(dòng)化水平的同時(shí)，極大地節(jié)省了人力物力，并提高了作業(yè)安全性。礦井提升機(jī)作為眾多煤炭開(kāi)采運(yùn)輸環(huán)節(jié)中的重要組成部分，承擔(dān)著礦井安全快速運(yùn)輸?shù)闹匾蝿?wù)[1]。隨著科技水平的進(jìn)步、裝置應(yīng)用的拓展，整體生產(chǎn)水平的提高，對(duì)采煤機(jī)控制系統(tǒng)安全性和可靠性要求也進(jìn)一步增加，而傳統(tǒng)控制系統(tǒng)難以滿足生產(chǎn)新要求[2]。

為進(jìn)一步提高煤礦提升裝置生產(chǎn)效率及自動(dòng)化技術(shù)在控制領(lǐng)域的應(yīng)用深度，通過(guò)使用PLC 數(shù)字控制技術(shù)，增強(qiáng)煤炭生產(chǎn)運(yùn)輸過(guò)程的精確性和可靠性，以適應(yīng)煤礦井下復(fù)雜的生產(chǎn)環(huán)境，提高礦井提升系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。

1 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

如圖1 所示，礦井提升機(jī)系統(tǒng)主要由主軸承、減速器、制動(dòng)系統(tǒng)、深度指示器、主軸裝置、聯(lián)軸器、電動(dòng)機(jī)等7 部分組成。主軸承及其附屬卷筒、基座等主要通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)牽引繩索并提升物料等負(fù)載；根據(jù)負(fù)載情況調(diào)節(jié)減速器可以控制齒輪轉(zhuǎn)速空置比例，改變輸出力矩，并進(jìn)一步調(diào)節(jié)提升速度；在制動(dòng)盤等裝置的作用下，制動(dòng)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行單元的平穩(wěn)控制；深度指示器可以準(zhǔn)確反映提升機(jī)當(dāng)前位置；聯(lián)軸器可以補(bǔ)償兩軸之間的偏斜量，減少運(yùn)行沖擊。

圖1 礦井提升機(jī)系統(tǒng)組成

除此之外，系統(tǒng)整體運(yùn)行過(guò)程中的潤(rùn)滑油和溫度也至關(guān)重要，潤(rùn)滑單元?jiǎng)t完成對(duì)上述物理量的實(shí)時(shí)測(cè)量，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)摩擦力的運(yùn)行速度，在完成機(jī)械快速運(yùn)行的同時(shí)，保證其使用壽命[3]；而對(duì)于提升物品的運(yùn)動(dòng)信息則由電子控制單元完成監(jiān)控，通過(guò)位置、速度、加速度等傳感器的密切配合，可以完成對(duì)提升系統(tǒng)啟停狀態(tài)的控制；通過(guò)安裝在定子前端的旋轉(zhuǎn)編碼器，保護(hù)裝置可以收集、監(jiān)測(cè)相關(guān)信息，確定系統(tǒng)狀態(tài)，防止超載等故障的發(fā)生[4]。

2 電控系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)

2.1 電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖2 所示，為滿足礦井提升系統(tǒng)控制要求,設(shè)計(jì)了基于雙PLC 電控系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由物料卷筒、變頻器、運(yùn)行監(jiān)測(cè)裝置、雙PLC 核心、行程保護(hù)裝置、操作控制裝置、電動(dòng)機(jī)、高速旋轉(zhuǎn)編碼器、操作保護(hù)裝置、減速裝置、電源等12 個(gè)部分組成[5]。雙PLC 冗余控制保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定，電源部分為變頻器、PLC 等主電路器件及控制電路元件提供電壓來(lái)源，操作保護(hù)裝置通過(guò)誤動(dòng)作保護(hù)、指令校驗(yàn)等功能可以保證操作人員安全完成PLC 控制系統(tǒng)命令下發(fā)，并通過(guò)通信協(xié)議完成PLC 與PLC，及PLC 與變頻器的控制通信，從而完成變頻器對(duì)電機(jī)的實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)控制，電機(jī)的輸出端與卷筒固定連接，便于實(shí)現(xiàn)貨物穩(wěn)定提升[6]。

圖2 煤礦提升機(jī)控制系統(tǒng)框圖

在提升物料的過(guò)程中，電機(jī)轉(zhuǎn)速、溫度等由傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量，變頻器解讀總線通信協(xié)議并將系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)如電壓、電流、功率等打包傳輸給PLC1 和PLC2，監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)貨物重量、貨物實(shí)時(shí)位置、當(dāng)前系統(tǒng)電壓和繩索狀態(tài)等多個(gè)關(guān)鍵物理參數(shù)的測(cè)量和比較，可以有效避免卷線和松動(dòng)等意外狀況的發(fā)生[7]。

2.2 變頻調(diào)速系統(tǒng)原理

為便于實(shí)現(xiàn)礦井提升系統(tǒng)提升過(guò)程的精確化控制，需要使用PLC 和變頻器。變頻器通過(guò)整流電路、逆變電路、IGBT 等大功率開(kāi)關(guān)器件模組及其控制電路的配合，實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電壓的動(dòng)態(tài)調(diào)整，而交流電機(jī)控制方法主要有直接轉(zhuǎn)矩控制法、轉(zhuǎn)差頻率控制法、V/f 控制法以及矢量控制法等4 種方式。其中直接轉(zhuǎn)矩控制法避免了解耦的復(fù)雜計(jì)算，通過(guò)直接測(cè)量電壓電流等的物理量的方式便可以計(jì)算當(dāng)前轉(zhuǎn)矩，系統(tǒng)更加平穩(wěn)，運(yùn)行更加簡(jiǎn)便，也更適應(yīng)煤礦復(fù)雜多變的生產(chǎn)環(huán)境。

2.3 通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸格式及通信系統(tǒng)如圖3 所示，主要由發(fā)射單元、接收單元和傳輸媒介組成，控制指令和數(shù)據(jù)傳輸指令等關(guān)鍵指令在發(fā)射單元將數(shù)據(jù)打包為數(shù)據(jù)幀后，經(jīng)由傳輸媒介傳遞到接收單元進(jìn)行解碼，便完成信息傳遞，系統(tǒng)各發(fā)射接收單元地址碼一一對(duì)應(yīng)。數(shù)據(jù)幀主要由初始段、地址段、功能段、數(shù)據(jù)段、校驗(yàn)段和結(jié)束段組成，其中校驗(yàn)段中數(shù)據(jù)主要通過(guò)CRC 循環(huán)冗余算法對(duì)前段數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、由發(fā)射單元和接收單元分別計(jì)算、核對(duì)以確保傳輸數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無(wú)誤。在完成接收數(shù)據(jù)校驗(yàn)后，各收發(fā)單元通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)解析，得到當(dāng)前系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)、變頻器等主電路設(shè)備狀態(tài)的持續(xù)監(jiān)控[8]。

圖3 通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)圖

3 軟件流程設(shè)計(jì)

3.1 貨物運(yùn)輸操作流程

礦井提升機(jī)運(yùn)行流程如圖4 所示，運(yùn)行狀態(tài)與貨物重量密切相關(guān)，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載處于正常范圍內(nèi)時(shí)，完成貨物安裝工作后，變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)加速，一段時(shí)間后系統(tǒng)處于勻速運(yùn)行狀態(tài)，穩(wěn)步提升貨物至預(yù)定位置，再次持續(xù)一段時(shí)間后，開(kāi)始進(jìn)入減速運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)提升至終點(diǎn)附近時(shí)處于低速爬行狀態(tài)，并在終點(diǎn)附近停止動(dòng)作，完成停車和卸載物料工作[9]。不同的運(yùn)輸貨物其速度也不相同，其中貨物運(yùn)輸為9 m/s，人員運(yùn)輸為5 m/s，系統(tǒng)檢修時(shí)為0.3 m/s。

圖4 礦井貨物運(yùn)輸流程圖

3.2 電控系統(tǒng)的工作流程

如圖5 所示為雙PLC 礦井提升系統(tǒng)控制流程圖，并在STEP7 軟件環(huán)境中完成程序設(shè)計(jì)。啟動(dòng)流程后，通過(guò)系統(tǒng)初始化完成基本參數(shù)設(shè)置和功能自檢，當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)異常時(shí)，啟動(dòng)聲光報(bào)警并提示進(jìn)行參數(shù)重定義，進(jìn)入下一流程完成位置判斷。當(dāng)其初始位置處于預(yù)定范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)正常啟動(dòng)并開(kāi)啟速度控制系統(tǒng)，依次完成繩索運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)（過(guò)卷、過(guò)載、松動(dòng)），由此判斷系統(tǒng)是否發(fā)生故障，一旦有相關(guān)故障發(fā)生則觸發(fā)對(duì)應(yīng)回路進(jìn)行應(yīng)急處置。處置完畢后對(duì)當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行再次判斷，直至滿足相關(guān)要求時(shí)，才進(jìn)入下一階段，否則停止工作[10]。

圖5 PLC 軟件控制系統(tǒng)流程圖

4 結(jié)語(yǔ)

為增強(qiáng)煤炭生產(chǎn)的自動(dòng)化和機(jī)械化水平，提高礦井提升機(jī)系統(tǒng)控制的精確度和安全量，設(shè)計(jì)了以雙PLC 為核心的電控系統(tǒng)，在梳理提升步驟，改良系統(tǒng)控制流程的基礎(chǔ)上，進(jìn)行硬件和軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)主要由操作單元、控制單元、監(jiān)測(cè)單元等三部分組成。通過(guò)監(jiān)測(cè)電動(dòng)機(jī)、繩索等關(guān)鍵部件的狀態(tài)，避免其出現(xiàn)松繩、過(guò)載、超速狀態(tài)，并采取相應(yīng)安全措施，提高煤礦提升機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定性。