煤礦提升機(jī)主控制系統(tǒng)的分析與研究

王長(zhǎng)春

（山東省邱集煤礦有限公司，山東 德州 251100）

邱集煤礦礦井采用立井開(kāi)拓，提升機(jī)是該礦“四大運(yùn)轉(zhuǎn)”設(shè)備之首，集機(jī)電液于一體，在該礦生產(chǎn)中承擔(dān)著煤炭、物料和設(shè)備運(yùn)輸以及人員提升等多種任務(wù)[1]。提升機(jī)控制方式存在技術(shù)落伍、操作繁瑣、故障率高、可靠性差、能耗高、效率低、乘坐人員舒適度差等缺點(diǎn)，研究提升機(jī)的傳動(dòng)、安全保護(hù)措施、安全制動(dòng)技術(shù)尤為重要。如何使豎井提升機(jī)安全運(yùn)行、操作方便、節(jié)能效果明顯是今后該礦數(shù)字化礦山建設(shè)的目標(biāo)之一[2-3]。針對(duì)目前提升機(jī)控制技術(shù)的水平不足以滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)能力提升的需求，對(duì)邱集煤礦提升機(jī)進(jìn)行大規(guī)模技術(shù)改造和更新。

1 系統(tǒng)總體分析

提升機(jī)主電控系統(tǒng)圍繞PLC 控制單元、行程控制與傳動(dòng)單元、控制保護(hù)單元和安全閘控（制動(dòng)）單元的技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行融合設(shè)計(jì)，主要實(shí)現(xiàn)邱集煤礦主井口提升機(jī)主控制系統(tǒng)各單元之間相互融合以及綜合管理的技術(shù)。其控制系統(tǒng)的主要框圖如圖1。

2 主要實(shí)現(xiàn)方法

2.1 PLC 控制單元

PLC 控制單元是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，主要選用AC800M 控制器、輸入輸出卡件（S800 I/O、S800L I/O）、通信卡件和觸摸屏操作面板等模塊組成。PLC 控制單元采用網(wǎng)絡(luò)總線型架構(gòu)，層級(jí)設(shè)為應(yīng)用層、監(jiān)視層和執(zhí)行層，還能靈活改變組織網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)?，F(xiàn)場(chǎng)操作時(shí)，管理員通過(guò)控制臺(tái)人機(jī)界面控制提升機(jī)運(yùn)行，利用Compact800 人機(jī)接口監(jiān)視提升機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，終端管理人員通過(guò)Web 服務(wù)器遠(yuǎn)程訪問(wèn)查看提升機(jī)運(yùn)行狀態(tài)[4]。

1）AC800M 控制器是ABB 公司的一款技術(shù)成熟、性能穩(wěn)定且功能強(qiáng)大的控制器。它具有模件化、節(jié)能、規(guī)?？纱罂尚?、內(nèi)存容量大、處理運(yùn)算速度快等特點(diǎn)，它支持Profibus、Foundation Fieldbus、Modbus 等眾多現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。精巧的集成化模塊化設(shè)計(jì)，讓控制器在系統(tǒng)應(yīng)用中能更靈活地配置。根據(jù)實(shí)際功能需要，系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)為幾十個(gè)點(diǎn)的簡(jiǎn)單組合，也可以做到幾萬(wàn)個(gè)點(diǎn)的復(fù)雜控制組合，完全能夠滿(mǎn)足各種領(lǐng)域的應(yīng)用[5]。系統(tǒng)支持5 種編程語(yǔ)言擴(kuò)展應(yīng)用，還配有專(zhuān)用的組態(tài)編程工具，可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)項(xiàng)目的管理功能。AC800M 控制器提供了六種適用于不同任務(wù)的型號(hào)可供選擇，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 AC800M 控制器具體參數(shù)

2）輸入輸出卡件選擇的是S800L 系列 I/O 卡件模塊，主要由I/O、通信和終端三部分組成，配合AC800M 控制器實(shí)現(xiàn)功能。通信組件采用Profibus-DP 通信協(xié)議的CI801 通信模塊，CI801 現(xiàn)場(chǎng)總線通信接口（FCI）模塊是一個(gè)可配置的通信接口，用于執(zhí)行信號(hào)處理、監(jiān)控信息采集、OSP 處理、inrun熱配置、硬通道和I/O 模塊配置等操作。輸入卡件是采用了DI801、DI802、DI803 這三種型號(hào)的數(shù)字輸入模塊，輸出卡件是采用的DO801 和DO802 兩種型號(hào)的數(shù)字輸出模塊，具體的參數(shù)見(jiàn)表2。終端卡件接線底座是TU805K01的兩線/三線接線底座。

表2 輸入輸出卡件具體參數(shù)

2.2 行程控制與傳動(dòng)單元

根據(jù)提升機(jī)行程控制和傳動(dòng)的需要，要實(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)的各種保護(hù)和監(jiān)視的功能，可以選擇基于PLC 控制與DCS800 全數(shù)字直流變頻調(diào)速技術(shù)融合的方式，進(jìn)行系統(tǒng)硬件的配置和應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)。本單元包含了提升機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，后臺(tái)數(shù)據(jù)運(yùn)算分析，還有井口與井底減速區(qū)段的速度監(jiān)視，以及故障處理措施等。

1）DCS800 全數(shù)字直流變頻調(diào)速

DCS800 系列直流調(diào)速器是目前直流調(diào)速領(lǐng)域廣泛使用的傳動(dòng)控制裝置，具有先進(jìn)性、簡(jiǎn)易性、可編程性、可控制性、與AC 傳動(dòng)控制的可通用等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)用戶(hù)的不同需求，擴(kuò)展出了D1 到D7 這7 種不同的規(guī)格，進(jìn)而能對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩更好控制。

DCS800 直流調(diào)速器的內(nèi)部組成包括：主CPU控制板；具有4 光纖通道的用于啟動(dòng)停止的控制板；提供勵(lì)磁主傳動(dòng)自從傳動(dòng)通信功能的通訊板；具有8 個(gè)數(shù)字輸入口和8 個(gè)數(shù)字輸出口的數(shù)字I/O 板；具有5 個(gè)模擬輸入口和3 個(gè)模擬輸出口的模擬和編碼器I/O 板；電樞回路接口板。

DCS800 直流調(diào)速器功率模塊的溫度保護(hù)，是采用串聯(lián)1 只PTC 熱敏電阻來(lái)檢測(cè)保護(hù)的，利用熱敏電阻的電阻溫特曲線特性，由二次變送后的電信號(hào)值傳送給調(diào)速器CPU 進(jìn)行溫度報(bào)警。在調(diào)速器的電源輸入端口串聯(lián)1 只快速關(guān)斷的熔斷器，來(lái)提供短路保護(hù)。

2）行程控制中故障監(jiān)視

在行程控制的過(guò)程中會(huì)有多種的故障情況發(fā)生，對(duì)于這些故障發(fā)生的可能性需要采取相應(yīng)的監(jiān)視措施，下面具體闡述一下行程控制過(guò)程中常遇到的幾種監(jiān)視情況：

① 過(guò)卷監(jiān)視。過(guò)卷故障分為軟過(guò)卷和硬過(guò)卷，軟過(guò)卷就是通過(guò)計(jì)算行程脈沖計(jì)數(shù)得出提升值超過(guò)實(shí)際值的過(guò)卷情況，而硬過(guò)卷則是井筒轉(zhuǎn)動(dòng)提升機(jī)高度超過(guò)實(shí)際高度位置的情況，由此對(duì)過(guò)卷信號(hào)監(jiān)視均可以起到提升機(jī)的安全回路保護(hù)作用，為提升機(jī)的安全運(yùn)行提供雙重保護(hù)。

② 超速監(jiān)視。在S 形速度曲線的等速段，Vs超出Vmax的10%時(shí)，監(jiān)視程序發(fā)出超速指令。在井筒的預(yù)設(shè)位置進(jìn)行定點(diǎn)速度監(jiān)視，實(shí)現(xiàn)超速監(jiān)控。

③ 運(yùn)轉(zhuǎn)方向監(jiān)視。在主軸安裝增量式旋轉(zhuǎn)位置編碼器，利用編碼器輸出的兩路脈沖數(shù)據(jù)來(lái)判別井筒旋轉(zhuǎn)的方向，從而實(shí)現(xiàn)提升方向的監(jiān)視。

④ 停車(chē)監(jiān)視。在停車(chē)期間，井筒不能轉(zhuǎn)動(dòng)，如果提升機(jī)的井筒無(wú)故開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，則位置編碼器脈沖計(jì)數(shù)出現(xiàn)變化，監(jiān)視程序即可發(fā)出報(bào)警指令，安全回路也進(jìn)入工作狀態(tài)。

⑤ 離站監(jiān)視。提升機(jī)控制系統(tǒng)松開(kāi)閘閥，啟動(dòng)延時(shí)設(shè)定時(shí)間后，提升機(jī)運(yùn)行狀態(tài)未達(dá)到預(yù)定值，監(jiān)視程序發(fā)出故障指令，并立刻動(dòng)作安全回路。

2.3 控制保護(hù)單元

提升機(jī)控制保護(hù)單元的核心任務(wù)是邏輯控制和故障安全保護(hù)，匯集了提升系統(tǒng)分支單元的運(yùn)行狀態(tài)、參數(shù)、操作指令和保護(hù)信號(hào)等。一是操作保護(hù)系統(tǒng)將與操作控制相關(guān)的信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算和閉鎖，生成控制指令；二是操作保護(hù)系統(tǒng)將與故障保護(hù)信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算；三是處理為立即施閘、提升終了施閘、電氣制動(dòng)，監(jiān)視器顯示故障類(lèi)型并控制報(bào)警系統(tǒng)施閘。如圖2。

圖2 提升操作保護(hù)系統(tǒng)框圖

2.4 安全閘控（制動(dòng)）單元

提升機(jī)安全閘控單元是礦井提升機(jī)最重要的部分，為了保證提升機(jī)工況安全，均按照雙重保護(hù)的思路設(shè)計(jì)，比如采用雙制動(dòng)盤(pán)、雙液壓工作站，每個(gè)液壓站裝有雙液壓回路，電氣控制有兩組并行獨(dú)立回路等。閘控單元通常由液壓站、盤(pán)式制動(dòng)器及閘座、電控柜、控制箱、液壓管路等設(shè)備組成。其液壓制動(dòng)原理通常采用以下兩種形式。

1）恒減速制動(dòng)

當(dāng)提升機(jī)的閘控板與滾筒驅(qū)動(dòng)測(cè)速發(fā)電機(jī)一起，在特定的壓力區(qū)間內(nèi)保持制動(dòng)過(guò)程減速度恒定不變的制動(dòng)。

2）恒力矩制動(dòng)

當(dāng)提升機(jī)全載下放時(shí)，所需減速度的壓力值是由冗余回路控制閥和液壓設(shè)備提供的，而在制動(dòng)過(guò)程中，無(wú)論何時(shí)安全制動(dòng)啟動(dòng)閘力矩始終是恒定的。

3 結(jié)語(yǔ)

該技術(shù)升級(jí)改造對(duì)AC800M 系列的PLC 控制器和DCS800 系列直流調(diào)速器的融合管理提升機(jī)主控系統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)研究，通過(guò)圍繞控制單元、行程控制與傳動(dòng)單元、控制保護(hù)單元和安全閘控（制動(dòng)）單元的技術(shù)理論分析，制定了邱集煤礦主井提升機(jī)主控系統(tǒng)解決方案，此研究闡述了各功能單元在主控系統(tǒng)中的相互融合以及綜合管控的技術(shù)實(shí)現(xiàn)，初步實(shí)現(xiàn)了提升機(jī)主控系統(tǒng)控制精準(zhǔn)、保護(hù)性能強(qiáng)、監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)措施完善、操作維護(hù)方便的目標(biāo)，為今后技術(shù)升級(jí)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。