汪 浩

（銅陵有色金屬集團股份有限公司安慶銅礦，安徽安慶246131）

0 引言

礦井提升機是礦山生產的至關重要的大型設備，是地下礦井和外界聯系的重要通道，擔負著物料、礦石、人員等的重要運輸任務，常被人們稱為礦山的咽喉［1］。安慶銅礦副井提升機是集團公司A 類設備，主要承擔提升人員和物料，提升機型號為JKMD-3.25×4多繩落地式提升機，提升方式為雙層罐籠平衡錘提升方式，主電機型號為ZKTD215/45-P，額定功率為700 kW。由于電控系統(tǒng)是ABB 較早期的產品MP200和DVC700，該系統(tǒng)所需配件大部分已基本停止生產，采購困難，維護工作加大，其運行情況直接關乎到該礦的生產效率和安全可靠性。同時隨著安慶銅礦深部系統(tǒng)的不斷開拓，631 m 的副井提升深度對于深部系統(tǒng)作業(yè)面的人員和物料提運顯然不能滿足生產要求，急需對副井井筒進行延伸和對電控系統(tǒng)進行更新換代。國內有越來越多的工礦企業(yè)使用ABB 控制系統(tǒng)，馬鋼羅河礦業(yè)副井提升機直流調速系統(tǒng)使用的是ABB DCS800（2 500 A/690 V）組成12脈動橋并電樞可逆勵磁恒定的全數控晶閘管整流裝置，其運行效果良好。因此通過招標對比，該礦決定采用ABB 公司的AC800M主監(jiān)控系統(tǒng)和DCS800傳動系統(tǒng)。

本研究對副井的直流傳動系統(tǒng)、主控系統(tǒng)及低壓配電系統(tǒng)進行研究，提出一種基于ABB公司AC800M、DCS800按制器在提升機自動化上的應用系統(tǒng)。

1 硬件設計

按照設計要求，安慶銅礦副井采用雙層罐籠提升容器，有效載荷5 t，提升高度達到951 m，預設11個水平中段，一個主信號臺和兩個輔信號臺，最大運行速度7 m/s，加減速度為0.7 m/s，機械部分和主電機不更換。傳動系統(tǒng)的電樞變流器DCS800-S02-2050-07和勵磁變流器DCS800-S01-180-04，各2 臺做冗余配置。主控和監(jiān)控使用的是AC800M 控制器，主控控制器用于提升機控制和安全邏輯控制，包括提升位置控制器系統(tǒng)，該系統(tǒng)產生速度給定值，直接發(fā)送到傳動設備。監(jiān)控控制器用于監(jiān)視各種類型的提升機的運行信號，可替代機電監(jiān)視設備如Lilly控制器和凸輪裝置等［2］。安全回路采用雙回路系統(tǒng)，它是保護的最后環(huán)節(jié)之一，無論是提升機還是安全回路本身出項故障時都能準確地實施安全制動［1］。該系統(tǒng)具有高性能的過程控制，具有高度集成自動化功能，它代表了生產制造和工藝過程領域的新水準。

1.1 系統(tǒng)結構

整個系統(tǒng)是一個高度集成的控制器通過各種現場總線和服務協議有機地連接起來的，這種連接是統(tǒng)一的，是互相關聯且缺一不可的，拓撲結構圖如圖1所示。主控和監(jiān)控及優(yōu)化集成平臺通過Profibus總線與工業(yè)以太網交換機連接起來進行數據交換和通訊，同時主控通過ModuleBus總線與光纖分配器（NDBU-95）連接并分配給DCS800傳動系統(tǒng)的電樞控制器和勵磁控制器，形成全雙工信息交互方式，構成穩(wěn)定可靠的現場總線控制系統(tǒng)，從而有效地保證了副井提升機的安全、高效運行。

圖1 副井電控拓撲結構圖

1.2 系統(tǒng)主要控制器功能

1.2.1 AC800M控制器

AC800M 是ABB 推出的Compact Products 800 系列產品中的一個重要組件，它是一款基于導軌安裝的模塊化的控制器，包含了CPU、通信模塊、電源模塊及一系列附件。它集成了多種通信功能、可以實現全方位冗余，并且支持寬范圍的I/O信號，與第三方設備具有較高聯接性。由于安慶銅礦副井主控控制復雜、節(jié)點較多，存儲量較大，本研究采用的是PM861A 控制器，而監(jiān)控則采用的是PM856 控制器，PM861A 與PM856比較表如表1所示。

用于雙絞線的2 個Profibus 通訊模塊分別用于與S800I/O系統(tǒng)和信號系統(tǒng)通訊，S800 I/O模塊是脈沖計數，模擬I/O及開關量I/O模塊。系統(tǒng)通過微型斷路器和端子對各部分供電，浮地系統(tǒng)帶絕緣監(jiān)視設備（電壓疊加原理）。安全回路采用雙監(jiān)視回路（提升機監(jiān)視器跳閘/看門狗、AC800M跳閘/看門狗、緊停、變流器合閘、故障和過卷開關）連接到一個安全繼電器、控制安全制動器（通過輔助觸點與洛礦液壓制動系統(tǒng)聯絡）和傳動變流器。

表1 PM861A與PM856比較

AC800M多至12個通訊模件，每個CPU 可直接連接12 個I/O 模件。系統(tǒng)通過光纖ModuleBus 連接多至84個I/O模件，可直接連接多至96個I/O模件，每個模件由一可拆卸單元及相互連接的基座組成，基座實現模件間的外部連接，包括供電及通訊。應用軟件為防止丟失全部備份到CF 閃存卡中插入控制器內，冷啟動時可從CF 閃存卡中調回到控制器EPROM 內，主控監(jiān)控柜內布置圖如圖2所示。

圖2 主控監(jiān)控柜內布置圖

安慶銅礦副井的主控和監(jiān)控組態(tài)是PM861A 下掛接有2 個通訊模塊CI854，2 個脈沖計數模塊DP820，1 個模擬輸入模塊AI810，2 個AI820 和2 個數字輸出模塊DO820。在CI854 下通過Profibus 分別連接有3 個通訊模塊CI801，承擔外圍I/O 接口的通訊。PM856 下掛接有1 個DP820，2 個DI810，1 個DO810，1個AI820，1 個AO820，提升機控制系統(tǒng)組態(tài)圖如圖3所示。

圖3 提升機控制系統(tǒng)組態(tài)圖

系統(tǒng)主要功能如下：

（1）副井提升系統(tǒng)有保留方式、手動方式、井筒檢查、首繩檢查、尾繩檢查5種運行方式；

（2）上、下數字過卷保護和硬件過卷保護；上、下減速點超速保護；

（3）提升信號的斷電記憶功能；操作員站報警、故障記憶查詢功能；

（4）檢測罐籠異常位置的保護功能；罐籠安全門連鎖保護功能；

（5）故障自動報警及傳感器的故障自診斷功能；

（6）提升機控制回路的閉鎖功能；

（7）供電電源的絕緣監(jiān)測與電壓、電流監(jiān)測功能；

（8）對動力負荷的保護監(jiān)測功能，如過電流，過電壓，欠電壓，短路，缺相及相位不平衡，接地保護等。

1.2.2 DCS800傳動控制系統(tǒng)

DCS800 是直流傳動控制系統(tǒng)，它的靈活性使用戶能方便、容易地進行傳動功能組態(tài)以適應各種不同拖動設備的應用，是目前在直流調速系統(tǒng)中最具有先進技術的傳動控制系統(tǒng)［3］。DCS800 的功能通常通過為功能參數賦值來啟動。為了保險起見，安慶銅礦副井傳動系統(tǒng)采取冗余系統(tǒng)，采用兩套同樣獨立配置的軟、硬件設計，保證在其中一套系統(tǒng)出現故障時，另一套系統(tǒng)能立即啟動，替代工作。一套單獨的系統(tǒng)也許運行的故障率很高，但采取冗余措施后，在不改變內部設計的情況下，這套系統(tǒng)的可靠性立即可以大幅度提高。假如單獨系統(tǒng)的故障率為50%，而采取冗余系統(tǒng)后馬上可以將故障率降低到25%，副井傳動變流器示意圖如圖4所示。

圖4 副井傳動變流器示意圖

當研究人員使用1號勵磁柜和電樞柜時，將K1.1、K1.2、K1.3 處的銅排短接即可。如果1 號電樞柜或勵磁柜出現故障時，將原K1.1、K1.2、K1.3處的銅排移至K2.1、K2.2、K2.3處即可。由于原1號柜處的銅排都被拆除，也保證了1 號勵磁柜和電樞柜不再帶電。當出現1號電樞柜和2號勵磁柜故障時，研究人員可以更改1號勵磁柜的接線，以滿足2號電樞柜和1號勵磁柜驅動提升機運行。同樣可改1號電樞柜和2號勵磁柜驅動提升機運行。兩臺勵磁柜臨近布置，三相進線和直流出線可以直接修改電纜接線方法做柜體的切換，能有效地減少設備故障時間，故障柜可在維護時間段內進行故障排查，傳動控制柜內的布置情況如圖5所示。

圖5 傳動控制柜內的布置

安慶銅礦副井提升機傳動變流器單元采用具有多種保護特性的六脈沖晶閘管三相全控橋反并聯邏輯無環(huán)流結構及勵磁換向傳動，DCS800 傳動控制裝置主要包括進線交流接觸器、抗諧波進線電抗器、勵磁單元I/O 接口板、供電控制電源板和主控制板等。主控板還為用戶預留有8 個標準的DI 和7 個標準的DO 口，都可以用SDCS-IOB-2 代替，并可以通過一個或者兩個RDIO-01數字I/O 擴展模塊擴展。系統(tǒng)掛接數字I/O 板（SDCS-IOB-21）及模擬編碼器I/O 板（SDCS-IOB-31）用以數據反饋，通過SDCS-COM-81經光纖與主控和工程師站進行通訊，DCS800 傳動控制系統(tǒng)結構圖如圖6所示。

圖6 DCS800傳動控制系統(tǒng)結構圖

2 軟件設計

2.1 提升機控制系統(tǒng)組態(tài)編程軟件及應用軟件

系統(tǒng)應用軟件是利用CBM（Control Builder M）編輯設計的，CBM 是支持控制器硬件組態(tài)、應用程序編輯、現場系統(tǒng)維護等基于WindowXP 以上平臺的應用軟件。CBM 使得AC800M 控制器可以實現各種控制應用［4］。其可重復使用代碼和庫文件的功能特點使AC800M 的應用程序更加容易組態(tài)和建立，從而使所有的軟硬件合成為一個系統(tǒng)。這種集成包括3 個方面：數據管理、配置與編程、通訊。安慶銅礦副井提升機系統(tǒng)應用程序包含43個程序功能塊，引用了8個內置的鏈接功能庫，應用程序段列表部分如圖7所示。

圖7 應用程序段列表部分

以下是副井提升系統(tǒng)保留方式、手動方式、井筒檢查3 種運行方式系統(tǒng)程序流程圖，系統(tǒng)程序工作流程圖如圖8所示。

2.2 人機界面軟件

Industral IT 800xA系統(tǒng)是一個綜合的過程自動化控制系統(tǒng)［5］。主要部分為Opertor Workplace Produc?tion，它是針對用戶需求對設備系統(tǒng)的操作、批次管理、制造管理、信息管理、控制和I/O、工程管理、資產優(yōu)化、設備管理和現場總線等領域［6］。800xA包含3種操作方式：Operator Workplace（操作員工作面）、Plant Explorer Workplace（工廠資源工作面）、Engineering Workplace（工程師工作面）。用戶可通過內置的VB?PG（Visual Basic Process Graphics）進行制作編輯設備工作狀態(tài)、報警點、故障點、運行曲線等的實時監(jiān)控畫面，以提高副井的安全性、可靠性及運行的高效率。實時監(jiān)控畫面如圖9所示。

2.3 DCS800直流傳動基礎軟件

變流器軟件分為兩大部分：傳動控制和轉矩控制［7］。DCS800 直流調速系統(tǒng)主要采用轉速和電流雙閉環(huán)控制。所有控制是由直流傳動基礎軟件（固件）通過數字量和開關量的反饋經邏輯運算和數值運算來實現的，即通過速度給定、速度反饋、電流反饋和外圍I/O經復雜的邏輯運算和數值運算來調節(jié)晶體管可控硅的導通角度調節(jié)輸出電壓啟動電機，DCS800直流調速系統(tǒng)示意圖如圖10所示。

圖8 系統(tǒng)程序工作流程圖

圖9 實時監(jiān)控畫面

圖10 DCS800直流調速系統(tǒng)示意圖

2.4 DCS800調試監(jiān)視軟件

DriveWindows 是Windows2000 以上32 位平臺的應用軟件，它提供了多種調試和監(jiān)視ABB傳動系統(tǒng)設備的功能［8-9］。插入NDPA-02 PCMCIA 卡的工程師站可通過DDCS 總線與DCS800 的主控柜中光纖分配器（NDBU-95）的分配口連接到傳動控制器的SDCSCOM-81板3#光纖通道進行通訊［10］。所有的功能可通過DriveWindows 窗口區(qū)域進行顯示與操作，有在線或離線兩種操作模式，支持在現場進行參數和信號監(jiān)控設置、故障記錄、趨勢曲線分析及上傳和下裝參數數據等操作。電樞電流和提升速度趨勢曲線如圖11所示。

圖11 電樞電流和提升速度趨勢曲線

3 運行結果

2013年9月安慶銅礦副井提升機自動化系統(tǒng)軟、硬件升級調試竣工完成正式投入使用至今，設備運轉情況良好。由此可以說明系統(tǒng)的設計、選型是合理的，系統(tǒng)的運行是可靠的，ABB 控制系統(tǒng)的技術及檢測手段是先進的，達到了預期要求和安全水平。

4 結束語

ABB 控制系統(tǒng)在應用中的最大特點就是它的集成程度高、控制精度高、產品的可靠性及技術的先進性突出，使得硬件的接口、軟件的編程、設備的調試和維護工作變得簡單易行。在維修工作中，該系統(tǒng)的作用是省工時、省人力，減少了運行故障和停運時間，大大提升了工程技術人員分析、解決問題的效率，保障了礦井的安全高效運行。由于它的高可靠性、技術先進性和優(yōu)質售后服務，使其成為大中型工礦企業(yè)選擇自動化控制系統(tǒng)的首要考慮。

（References）：

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