礦井提升機(jī)自動運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計研究

李金亮

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)煤峪口礦，山西 大同 037001）

引言

提升機(jī)是煤礦采煤運(yùn)輸生產(chǎn)活動中的主要機(jī)械設(shè)備，承擔(dān)煤炭與設(shè)備提升任務(wù)，對煤礦正常運(yùn)行至關(guān)重要。隨著智慧礦山概念的提出，煤礦煤炭運(yùn)輸與提升的可靠性、有效性以及自動化程度成為煤礦設(shè)備系統(tǒng)改進(jìn)的一個方向[1-4]。當(dāng)前國內(nèi)大部分煤礦的提升機(jī)運(yùn)行控制與監(jiān)控依靠采用單PLC控制器構(gòu)建的系統(tǒng)實現(xiàn)，提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)還在依靠轉(zhuǎn)子回路串電阻的控制模式，一旦PLC或外圍結(jié)構(gòu)件出現(xiàn)故障，系統(tǒng)會控制提升機(jī)停機(jī)，造成生產(chǎn)中斷，而這些系統(tǒng)的控制精度、可靠性和能耗都不能滿足現(xiàn)階段發(fā)展需求[5-8]?；谝陨锨闆r，研究構(gòu)建一套冗余PLC控制的礦井提升機(jī)全自動監(jiān)控系統(tǒng)，采用雙PLC系統(tǒng)實現(xiàn)硬件的雙機(jī)熱備，依托煤礦現(xiàn)有的轉(zhuǎn)子回路串電阻控制系統(tǒng)和變頻調(diào)速系統(tǒng)，并將其接入冗余PLC控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)提升機(jī)的自動監(jiān)控、自動控制以及無極調(diào)速等功能，在故障發(fā)生的情況下，系統(tǒng)能夠立即在2套PLC控制器以及變頻和轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速系統(tǒng)中切換，極大降低系統(tǒng)故障導(dǎo)致提升機(jī)停機(jī)情況的發(fā)生概率。

1 礦井提升機(jī)冗余PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

礦用提升機(jī)屬于大型機(jī)液電集成化設(shè)備，常見的有纏繞式和摩擦式兩種結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)構(gòu)成大致可分為動力部分、傳動部分、制動裝置、深度指示系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)等[9]。

1.1 總體方案設(shè)計

冗余控制的實質(zhì)是在控制系統(tǒng)工作中，如果發(fā)生控制系統(tǒng)故障，可以通過備用關(guān)鍵控制件的自動及時切換，迅速將備用控制系統(tǒng)投入到工作中，實現(xiàn)快速切換控制系統(tǒng)的功能，保障受控設(shè)備的無影響運(yùn)行。針對礦用提升機(jī)全自動運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)，主要包含冗余核心PLC控制器、上位機(jī)系統(tǒng)、變頻器、轉(zhuǎn)子回路串電阻、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測傳感器等，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計見圖1。

圖1 礦用提升機(jī)冗余PLC全自動運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計方案可以看出，礦用提升機(jī)冗余PLC全自動運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)主要通過設(shè)置2套PLC控制器來實現(xiàn)冗余控制，同時為了滿足提升機(jī)提速與運(yùn)行穩(wěn)定性需求，將傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子回路串電阻控制電路并入系統(tǒng)中，構(gòu)建變頻控制的雙保障，在系統(tǒng)變頻器故障或檢修時，仍然可以滿足提升機(jī)變頻控制作業(yè)。整套控制系統(tǒng)的工作邏輯如下：

1）提升機(jī)滾筒主軸和電機(jī)軸都安裝有軸編碼器，PLC通過編碼器實現(xiàn)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)的收集，結(jié)合轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過PLC計算模塊中編寫的S行程控制算法，構(gòu)建滾筒和電機(jī)的S形速度運(yùn)行曲線圖，然后通過PLC輸出模塊將該速度曲線信號輸送到變頻器或轉(zhuǎn)子回路串電阻系統(tǒng)，進(jìn)行提升機(jī)變頻控制。

2）配電系統(tǒng)的電流互感器、提升機(jī)上的壓力傳感器等采集的信號通過PLC的A/D模塊將電機(jī)電流和提升機(jī)各處液壓壓力等模擬量信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，上傳到上位機(jī)進(jìn)行狀態(tài)實時監(jiān)控。

3）系統(tǒng)實時采集提升機(jī)各監(jiān)測部件的開關(guān)量和模擬量信號，通過PLC的數(shù)字量和模擬量模塊完成信號識別，將提升機(jī)各運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)實時上傳在上位機(jī)，保障提升機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實時監(jiān)控。一旦提升機(jī)發(fā)生故障，控制系統(tǒng)通過模糊故障樹系統(tǒng)對提升機(jī)故障進(jìn)行分析，系統(tǒng)在上位機(jī)上根據(jù)各故障權(quán)重顯示故障信息，方便檢修人員及時準(zhǔn)確排出提升機(jī)故障。冗余PLC控制系統(tǒng)中由于備用PLC與主PLC的外部控制電路完全形同，因此在系統(tǒng)正常運(yùn)行過程中，備用PLC閉鎖全部輸出信號。只有主PLC發(fā)生故障時，系統(tǒng)才會開放備用PLC的輸出閉鎖，進(jìn)而完成主備PLC自動切換[10]。

1.2 硬件設(shè)計

礦用提升機(jī)冗余PLC全自動運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)的主備PLC采用西門子S7-400系列可編程控制器，主要實現(xiàn)控制系統(tǒng)的信號數(shù)據(jù)采集、處理、邏輯運(yùn)算以及顯示、控制信號的輸出等信號處理功能，同時根據(jù)外部開關(guān)量、模擬量和數(shù)字量的輸入，根據(jù)內(nèi)部程序控制邏輯，實現(xiàn)提升機(jī)的氣動、運(yùn)行、停車、故障、報警等控制功能[11]。主備PLC通信采用PROFIBUS通信協(xié)議，而PLC與上位機(jī)通信則采用MPI通信協(xié)議，PLC與外部設(shè)備的連接見圖2，控制系統(tǒng)的硬件配置見表1。

圖2 主PLC與外部設(shè)備連接結(jié)構(gòu)示意圖

表1 系統(tǒng)硬件配置表

1.3 軟件設(shè)計

礦用提升機(jī)冗余PLC控制系統(tǒng)的主控程序主要實現(xiàn)初始化、自檢、各通信模塊的通信與故障檢測、變頻運(yùn)行控制、各類信號處理以及各類控制信號的輸出、反饋等功能，主控流程見圖3。

圖3 礦用提升機(jī)冗余PLC全自動運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)主控流程圖

上位機(jī)硬件組態(tài)設(shè)計主要方便用戶進(jìn)行監(jiān)控狀態(tài)數(shù)據(jù)的獲取以及控制信號的發(fā)出，因此在主程序中建立各類功能模塊，其中主要包含固定數(shù)據(jù)傳輸模塊、系統(tǒng)自檢和初始化、數(shù)據(jù)處理模塊、故障處理模塊、液壓控制模塊以及報警模塊等，可以通過上位機(jī)畫面進(jìn)行選擇。

2 運(yùn)行效果分析

將設(shè)計的礦用提升機(jī)冗余PLC全自動運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)，運(yùn)用在同煤集團(tuán)某煤礦提升機(jī)的監(jiān)控中，實際上位機(jī)監(jiān)控界面中各類圖形控件與系統(tǒng)的PLC都有直接連接，變量數(shù)據(jù)采集自PLC，為了驗證冗余設(shè)計的可靠性，分別設(shè)計了多種主控PLC系統(tǒng)故障情況，備用PLC的切換效率及時，對提升機(jī)的正常運(yùn)行未產(chǎn)生影響，控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性得到驗證。

3 結(jié)論

提升機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行以及提升機(jī)故障及時定位處理對煤礦煤炭開采運(yùn)輸具有重要的現(xiàn)實意義，單PLC提升機(jī)運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)具有一定的不穩(wěn)定性，基于此本文設(shè)計了一套冗余PLC礦用提升機(jī)運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)，并形成以下結(jié)論：

1）冗余PLC控制系統(tǒng)采用西門子S7-400系列可編程控制器，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的信號數(shù)據(jù)采集、處理、邏輯運(yùn)算以及顯示、控制信號的輸出等信號處理功能，同時根據(jù)外部開關(guān)量、模擬量和數(shù)字量的輸入，基于內(nèi)部程序控制邏輯，實現(xiàn)提升機(jī)的氣動、運(yùn)行、停車、故障、報警等控制功能。

2）礦用提升機(jī)冗余PLC全自動運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)主要通過設(shè)置2套PLC控制器來實現(xiàn)冗余控制，同時為了滿足提升機(jī)提速與運(yùn)行穩(wěn)定性需求，將傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子回路串電阻控制電路并入系統(tǒng)中，構(gòu)建變頻控制的雙保障，在系統(tǒng)變頻器故障或檢修時，仍然可以滿足提升機(jī)變頻控制作業(yè)。

3）冗余PLC礦用提升機(jī)運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)能夠在主PLC出現(xiàn)故障時，準(zhǔn)確及時將備用PLC切換至系統(tǒng)中，由于主備PLC外圍連接結(jié)構(gòu)完全相同，因此受控設(shè)備不會受到主備PLC切換影響。