馮 博

（山西洪洞西山光道煤業(yè)有限公司， 山西 臨汾 041000）

引言

礦井提升機在煤炭采掘過程中承擔(dān)著礦井地面和井下工作人員物資、設(shè)備、煤炭等的輸送任務(wù)，是保證井下采煤工作正常運行的關(guān)鍵設(shè)備[1]，一旦出現(xiàn)故障，將會威脅工作人員的安全、導(dǎo)致煤礦井下工作停滯，必須引起高度重視[2-5]。礦井提升機電控系統(tǒng)工作的安全性和可靠性直接關(guān)系著整個礦井提升機系統(tǒng)能否正常運行，因此，基于某企業(yè)礦井提升機電控系統(tǒng)現(xiàn)狀，對電控系統(tǒng)進行設(shè)計。

1 礦井提升機電控系統(tǒng)方案設(shè)計

圖1 礦井提升機電控系統(tǒng)方案組成

礦井提升機電控系統(tǒng)方案主要包括主控系統(tǒng)、變頻調(diào)速系統(tǒng)、信號系統(tǒng)和上位機監(jiān)控系統(tǒng)，如圖1所示。主控系統(tǒng)采用當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的PLC，為了增加主控系統(tǒng)的可靠性，設(shè)置兩套同型號機型PLC，實現(xiàn)雙機備用，正常工作時一臺為主控機，另一臺為監(jiān)控機，前者控制系統(tǒng)中的所有I/O 接口，后者的I/O 接口在主控PLC 工作正常的情況下全部關(guān)閉，僅僅監(jiān)控主控PLC 的工作狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)其運行出現(xiàn)異常，就會主動接管主控權(quán)，保證控制系統(tǒng)正常運行，避免出現(xiàn)提升機失控故障。變頻調(diào)速系統(tǒng)能夠根據(jù)礦井提升機實際運行狀況適時調(diào)整驅(qū)動電機的運行速度，如高電價低速運行，低電價高速運行，實現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。信號系統(tǒng)主要實現(xiàn)礦井提升機運行現(xiàn)場各種信號的采集，如潤滑模塊、液壓模塊、電機轉(zhuǎn)速等，將采集得到的各種信號傳輸至主控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)分析和處理。上位機監(jiān)控系統(tǒng)主要功能是進行礦井提升機現(xiàn)場運行狀況的監(jiān)視和控制，如運行過程中的參數(shù)變化、工藝流程等，監(jiān)控人員通過觀察監(jiān)測得到的實時數(shù)據(jù)，能夠及時發(fā)現(xiàn)提升機是否出現(xiàn)故障，確保礦井提升機的安全可靠工作。

2 礦井提升機電控系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

2.1.1 PLC 選型

PLC 在中、小規(guī)?？刂葡到y(tǒng)中的應(yīng)用較為廣泛，由電源、中央處理器、信號、接口等模塊組成，適應(yīng)于礦井提升機電控系統(tǒng)方案設(shè)計需求。PLC 自身分布式結(jié)構(gòu)簡單、網(wǎng)絡(luò)通信能力強，保證了控制的靈活性，此處選擇S7-300 系列PLC。配套PS307 電源模塊，輸入電壓為AC220 V，50 Hz，輸出電壓為DC24 V；中央處理器使用結(jié)構(gòu)緊湊的CPU，型號為CPU314C-2DP，最大內(nèi)存為8 MB，具有I/O 接口各992 個，模擬量輸入/輸出點數(shù)分別為4+1/2，數(shù)字量輸入/輸出點數(shù)分別為24/12。信號模塊涉及數(shù)字量和模擬量的輸入輸出模塊，數(shù)字量輸入模塊型號為SM321 DI32×4V，具有32 個數(shù)字量輸入點，額定輸入電壓為DC24V；輸出模塊型號為SM322 DO32×4V/0.5A，具有32 個數(shù)字量輸出點，最大輸出電流為0.5 A。模擬量輸入模塊型號為SM331 AI8×12，具有8 個模擬量輸入點，可以輸入電壓、電流、電阻等；模擬量輸出模塊型號為SM332 AO4×12，具有4 個模擬量輸出點，可以輸出電壓和電流。

2.1.2 變頻器選型

礦井提升機電控系統(tǒng)設(shè)計需要考慮經(jīng)濟性、實用性等，選用型號為JD-BP37/38 系列高壓變頻器。該變頻器使用了先進的空間電壓矢量控制技術(shù)，具有瞬時斷電自啟功能，能夠根據(jù)系統(tǒng)要求進行參數(shù)的設(shè)定，控制電路模塊化檢修簡便；配置觸摸屏和PLC 接口，具有很好的人機交互和邏輯編輯性能；具有較為全面的故障監(jiān)控、保護預(yù)警等功能，能夠?qū)崿F(xiàn)故障自我診斷、故障定位及發(fā)出報警信號；該變頻器屬于高-高電壓變頻器，輸入電壓可以為6 kV 或10 kV，輸出電壓為6 kV 或10 kV，輸入功率因數(shù)高，不需要配置補償裝置，輸出階梯式正弦PWM 波形，具有電器元件的保護功能，通信協(xié)議可以選擇MODBUS、PROFIBUS 等。

2.2 軟件設(shè)計

2.2.1 主程序

根據(jù)礦井提升機電控系統(tǒng)設(shè)計需求，完成了軟件主程序的編制，如圖2 所示。系統(tǒng)運行時首先進行初始化處理，自檢正常之后即可開車，重量傳感器檢測礦井提升機是否存在超載情況，若超載發(fā)出報警信號并進行處理，滿足礦井提升機工作載荷要求之后方可啟動運載功能。礦井提升機運行過程中需要監(jiān)測其運行速度大小，若存在超速情況，需要發(fā)出報警信號并進行處理，處理之后可以保證礦井提升機穩(wěn)定運行。礦井提升機運行過程中還需要監(jiān)測是否過卷，若存在過卷情況，就會發(fā)出報警信號，開啟過卷保護，確保礦井提升機的正常運行。

2.2.2 安全保護程序

圖2 礦井提升機電控系統(tǒng)主程序

礦井提升機正常運行時不可避免地出現(xiàn)各種故障，而安全保護模塊的配置從系統(tǒng)軟件控制方面進行了安全保護，常見故障包括變頻器故障、提升機運行速度異常、過卷故障等。安全保護模塊控制流程如圖3 所示，基于此編制的過卷保護程序如圖4 所示，根據(jù)礦井提升機實際運行情況，安全保護系統(tǒng)發(fā)出故障報警的觸發(fā)信號包括三種，第一是編碼器信號與設(shè)定礦井提升機停車位置不一致；第二是井口或井底位置的過卷行程開關(guān)被觸發(fā)；第三是牌坊式深度指示器位置的過卷行程開關(guān)被觸發(fā)。礦井提升機運行過程中一旦出現(xiàn)上述三種情況之一，系統(tǒng)自動開啟過卷故障保護，立即驅(qū)動抱閘實現(xiàn)礦井提升機的制動。

圖3 安全保護模塊控制流程圖

圖4 過卷保護程序

2.2.3 模擬量處理模塊

模擬量處理模塊的主要任務(wù)是完成整個系統(tǒng)模擬量的處理，實現(xiàn)系統(tǒng)接收得到的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的目的，傳輸至系統(tǒng)CPU 進行分析和處理。礦井提升機電控系統(tǒng)設(shè)計的模擬量信號源包括電機電流、變頻器電流和頻率、液壓站油壓、提升速度、提升機位置等，模擬量處理模塊控制流程如圖5 所示。

2.2.4 上位機

人機界面作為系統(tǒng)實現(xiàn)人機交互、信息傳遞的窗口，要求具有很好的操作性和實用性。根據(jù)礦井提升機電控系統(tǒng)的設(shè)計需求，系統(tǒng)操作界面不僅顯示了礦井提升機的運行參數(shù)，還能夠記錄監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析處理確定礦井提升機是否出現(xiàn)故障并及時發(fā)出報警信號，提示礦井提升機操作人員進行故障排查。觸摸屏選擇KC01 系列，運用組態(tài)軟件Exibl 完成觸摸屏參數(shù)設(shè)置，串口連接方式為RS485，波特率設(shè)置為19 200 bps。設(shè)計完成的系統(tǒng)主界面如圖6 所示。

3 應(yīng)用效果分析

為了驗證礦井提升機電控系統(tǒng)的設(shè)計效果，將其應(yīng)用于某型號礦井提升機并對其控制效果進行了為期半年的跟蹤記錄，結(jié)果表明，控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，能夠滿足最初電控系統(tǒng)的設(shè)計要求。同時，該控制系統(tǒng)的應(yīng)用能夠及時監(jiān)測得到礦井提升機的運行故障并發(fā)出報警信號，維修人員根據(jù)控制系統(tǒng)的故障定位提示能夠很快完成故障排查工作，統(tǒng)計得到提升機電控系統(tǒng)故障檢修工作量降低近45%，節(jié)約運維人員成本近120 萬元/a，提高采煤設(shè)備利用率近15%，為企業(yè)產(chǎn)生直接經(jīng)濟效益近250 萬元/a，取得了很好的應(yīng)用效果。

圖5 模擬量處理模塊了流程圖

圖6 電控系統(tǒng)主界面