張 旭

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)有限公司馬脊梁礦， 山西 大同 037027）

引言

煤炭作為我國(guó)主要能源來(lái)源，其安全高效生產(chǎn)對(duì)于能源安全至關(guān)重要，煤礦提升機(jī)作為煤炭開(kāi)采運(yùn)輸?shù)闹匾M成部分，擔(dān)負(fù)著礦井上下人員快速安全運(yùn)輸?shù)闹匾蝿?wù)[1]。機(jī)械化采煤裝置的大規(guī)模使用進(jìn)一步提高了煤礦生產(chǎn)效率和自動(dòng)化水平，并極大地節(jié)省了人力物力，同時(shí)隨著生產(chǎn)水平的提高，對(duì)控制系統(tǒng)的安全性和可靠性要求進(jìn)一步提高，傳統(tǒng)繼電控制系統(tǒng)主導(dǎo)的控制系統(tǒng)難以滿(mǎn)足生產(chǎn)需求[2]。

為了進(jìn)一步提高煤礦提升機(jī)系統(tǒng)控制的自動(dòng)化水平，增強(qiáng)煤炭生產(chǎn)運(yùn)輸過(guò)程的精確性和可靠性，需要使用PLC 數(shù)字控制技術(shù)，其具有編程語(yǔ)言直觀、抗干擾能力強(qiáng)、系統(tǒng)穩(wěn)定性好、便于功能添加等優(yōu)點(diǎn)，更適應(yīng)于煤礦井下的復(fù)雜生產(chǎn)環(huán)境。

1 控制系統(tǒng)整體方案

為確保提升工作安全進(jìn)行，煤礦提升機(jī)系統(tǒng)（見(jiàn)圖1）主要由以下6 部分組成：執(zhí)行單元、減速單元、制動(dòng)單元、潤(rùn)滑單元、電子控制單元和保護(hù)單元等，其中執(zhí)行單元由軸承、卷筒及其附屬基座等結(jié)構(gòu)構(gòu)成，主要完成負(fù)載力矩輸出并達(dá)到提升物品的目的；減速單元通過(guò)調(diào)節(jié)齒輪轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)比，完成輸出力矩的調(diào)節(jié)，從而調(diào)整提升速度；制動(dòng)單元作為平穩(wěn)控制執(zhí)行單元停止的裝置，主要由盤(pán)式制動(dòng)器組成；潤(rùn)滑單元控制潤(rùn)滑油的輸送量完成系統(tǒng)整體運(yùn)行摩擦力和設(shè)備溫度的調(diào)節(jié)工作，保證設(shè)備的機(jī)械性能滿(mǎn)足運(yùn)行要求并提高其使用壽命[3]；電子控制單元在傳感器采集數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)提升機(jī)的位置、速度等當(dāng)前狀態(tài)信息進(jìn)行判斷，利用既定策略完成對(duì)提升機(jī)的啟動(dòng)、運(yùn)行、停止的控制；保護(hù)單元通過(guò)旋轉(zhuǎn)編碼器等裝置檢測(cè)當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)，防止發(fā)生失速、超載等故障，保證系統(tǒng)運(yùn)行安全[4]。

圖1 煤礦提升機(jī)系統(tǒng)組成

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為滿(mǎn)足提升系統(tǒng)控制要求, 設(shè)計(jì)了基于PLC 的煤礦提升機(jī)控制系統(tǒng)，如圖2 所示。系統(tǒng)主要由電源、PLC、監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)、操作控制單元、變頻器、電動(dòng)機(jī)、旋轉(zhuǎn)編碼器、減速器和卷筒等9 個(gè)部分組成。電源部分為PLC 及變頻器、電動(dòng)機(jī)等系統(tǒng)主要組成部分提供電壓，操作人員通過(guò)控制操作控制單元按鈕完成PLC 控制系統(tǒng)命令下發(fā)，并通過(guò)Modbus 通信協(xié)議完成與變頻器的控制及通信，并由變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制，電機(jī)的輸出端經(jīng)過(guò)減速器與卷筒進(jìn)行連接，以實(shí)現(xiàn)貨物提升功能。

在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，旋轉(zhuǎn)編碼器監(jiān)測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，變頻器通過(guò)通信線(xiàn)將當(dāng)前電壓、電流信息傳輸給PLC，與此同時(shí)通過(guò)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)貨物重量、貨物提升位置、系統(tǒng)電壓和繩索的狀態(tài)等多個(gè)狀態(tài)檢測(cè)，避免卷線(xiàn)和松動(dòng)的發(fā)生。

2.2 變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)PLC 指令的精確化控制，需要使用變頻器，變頻器作為一種改變電源屬性的裝置，由電源、整流電路、逆變電路和控制電路組成，整流電路將交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟妷翰⒔?jīng)過(guò)濾波電容處理，控制電路接收到PLC 指令后，控制逆變電路的晶閘管依次順序動(dòng)作，通過(guò)改變其電壓及頻率實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制。

圖2 煤礦提升機(jī)控制系統(tǒng)框架

變頻器控制方法主要有V/f 控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制等4 種方式，其中直接轉(zhuǎn)矩控制通過(guò)直接測(cè)量方式實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)和輸出控制，不需要進(jìn)行解耦，只需要電壓、電流等參數(shù)即可計(jì)算出當(dāng)前轉(zhuǎn)矩，具有較強(qiáng)的響應(yīng)能力和較短的控制周期，更適應(yīng)煤礦井下復(fù)雜多變的生產(chǎn)環(huán)境。

2.3 通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)PLC 與變頻器之間的通信，完成控制指令發(fā)送和狀態(tài)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)通信，設(shè)計(jì)如圖3 所示的通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，并采用ModBus 協(xié)議。以控制指令為例，PLC 將數(shù)據(jù)發(fā)送至通信模塊打包成數(shù)據(jù)幀之后，通過(guò)傳輸媒介發(fā)送至接收單元的收、發(fā)模塊中，完成至變頻器的通信，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)通信功能。當(dāng)變頻器監(jiān)測(cè)出當(dāng)前電壓、電流信息時(shí)，通過(guò)收、發(fā)單元，發(fā)送至PLC，完成數(shù)據(jù)交互。

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

通信數(shù)據(jù)幀格式如上圖所示，接收單元有對(duì)應(yīng)的地址碼，主要由初始結(jié)構(gòu)（大于4 字節(jié)）、地址碼（1字節(jié)）、功能碼（1 字節(jié)）、數(shù)據(jù)區(qū)（N 字節(jié)）、校驗(yàn)碼（16 位數(shù)據(jù)）、結(jié)束結(jié)構(gòu)（大于4 字節(jié)）組成，校驗(yàn)碼主要通過(guò)CRC 循環(huán)冗余算法來(lái)保證數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確。接收單元完成數(shù)據(jù)接收后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)相應(yīng)功能碼（查詢(xún)、修改）完成數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器狀態(tài)的周期監(jiān)控。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 操作流程

為實(shí)現(xiàn)煤礦井下貨物提升，煤礦提升機(jī)運(yùn)行流程如圖4 所示，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載處于正常狀態(tài)時(shí)，貨物安裝完畢后，電機(jī)啟動(dòng)加速至8.3 m/s 左右，隨后系統(tǒng)處于等速運(yùn)行狀態(tài)，穩(wěn)步提升貨物，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)，之后處于低速爬行狀態(tài)，并在終點(diǎn)附近進(jìn)行停止動(dòng)作，完成停車(chē)卸載工作，并結(jié)束提升工作。

圖4 提升操作流程圖

3.2 主要流程

為實(shí)現(xiàn)PLC 系統(tǒng)對(duì)煤礦提升裝置的控制，設(shè)計(jì)了如圖5 所示的控制系統(tǒng)，并使用STEP7 軟件完成設(shè)計(jì)。流程開(kāi)始后進(jìn)行系統(tǒng)初始化，并進(jìn)行系統(tǒng)自檢，若自檢發(fā)現(xiàn)問(wèn)題則進(jìn)行聲光報(bào)警，并重新進(jìn)行初始化設(shè)置，否則進(jìn)行位置判斷。當(dāng)其初始位置正常時(shí)，完成系統(tǒng)啟動(dòng)，系統(tǒng)啟動(dòng)后，啟動(dòng)速度控制系統(tǒng)，并依次進(jìn)行繩索松動(dòng)、過(guò)載和過(guò)卷檢測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)有問(wèn)題，則觸發(fā)安全或報(bào)警回路，并進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。進(jìn)行調(diào)整后，再進(jìn)行停止判斷，若符合相關(guān)條件，則停止工作。

圖5 PLC 軟件控制系統(tǒng)流程圖

4 結(jié)語(yǔ)

為增強(qiáng)煤礦生產(chǎn)的自動(dòng)化水平，提高煤炭提升機(jī)的精確性和安全性，設(shè)計(jì)以PLC 為核心的自動(dòng)控制系統(tǒng)，明確了提升步驟，優(yōu)化系統(tǒng)控制流程。系統(tǒng)主要由操作單元、控制系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成，通過(guò)監(jiān)測(cè)電動(dòng)機(jī)和繩索的狀態(tài)，防止其出現(xiàn)松動(dòng)、過(guò)載、過(guò)快狀態(tài)，并采取相應(yīng)安全措施，對(duì)提高煤礦提升機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、增強(qiáng)煤礦生產(chǎn)安全性具有一定借鑒意義。