劉永川

(山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司 杜兒坪煤礦，山西 太原 030022)

0 引言

由于礦井開采深度和產(chǎn)能的增加，目前我國(guó)許多礦井都面臨著升級(jí)改造的問題。提升機(jī)是礦井運(yùn)輸系統(tǒng)中的重要設(shè)備，是人員、材料和矸石上下井的通道。20世紀(jì)末期，我國(guó)礦井廣泛采用進(jìn)口成套提升系統(tǒng)，隨著這些老舊設(shè)備廠家的產(chǎn)品更新?lián)Q代甚至停產(chǎn)，提升機(jī)系統(tǒng)的維護(hù)成本逐漸提高，例如晶閘管直流供電系統(tǒng)和西門子S5系列PLC，甚至面臨著沒有維修配件的風(fēng)險(xiǎn)，因此礦井提升機(jī)的電控系統(tǒng)改造十分必要。本文對(duì)煤礦提升機(jī)電控系統(tǒng)進(jìn)行全方位升級(jí)改造，以提高提升機(jī)的運(yùn)輸能力，將原先電控系統(tǒng)升級(jí)為新一代通用性強(qiáng)、開源的控制系統(tǒng)，對(duì)于降低后期的運(yùn)行維護(hù)成本具有顯著作用。

1 礦井提升機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成

礦井提升機(jī)系統(tǒng)的核心是電控系統(tǒng)，提升機(jī)所有的行為均由其控制。對(duì)于提升機(jī)電控系統(tǒng)的要求有兩方面：①具有優(yōu)良的控制性能，運(yùn)行平穩(wěn)、節(jié)約電能，控制性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到礦井上下運(yùn)輸?shù)馁|(zhì)量和效率；②具有各項(xiàng)保護(hù)功能。由PLC控制的變頻器作為礦井提升機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，變頻器的運(yùn)行特性和節(jié)能特性可滿足要求，PLC又能夠?yàn)榭刂葡到y(tǒng)提供各類保護(hù)，因此此類電控系統(tǒng)是目前提升機(jī)電控系統(tǒng)改造的優(yōu)選方案。

礦井提升機(jī)系統(tǒng)主要由主軸裝置、減速器、電動(dòng)機(jī)、潤(rùn)滑站、液壓制動(dòng)系統(tǒng)、深度指示器和電控系統(tǒng)組成，主軸裝置包括滾筒部件和調(diào)繩離合器，液壓制動(dòng)系統(tǒng)包括液壓站和制動(dòng)器。礦井提升機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 礦井提升機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成框圖

2 礦井提升機(jī)系統(tǒng)功能要求

礦井提升機(jī)系統(tǒng)功能要求有以下幾方面：

(1) 安全方面。升級(jí)改造后的提升機(jī)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)滿足《煤礦安全規(guī)程》和《煤礦機(jī)電質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化》中的有關(guān)規(guī)定，采用軟安全回路和硬安全回路的雙線制回路，硬安全回路具有獨(dú)立性，軟安全回路由編碼器和保護(hù)開關(guān)聯(lián)合控制。

(2) 控制方面。選用常用、開源性好的西門子S7系列PLC，能夠?qū)崿F(xiàn)速度控制、監(jiān)測(cè)和各類保護(hù)功能；具有安全可靠的重力下放制動(dòng)功能；具有備用電控裝置供故障期間手動(dòng)切換。電控系統(tǒng)的保護(hù)包括欠壓保護(hù)、過流保護(hù)、短路保護(hù)、過卷保護(hù)、磨損超限保護(hù)、斷相保護(hù)和松繩保護(hù)等。

(3) 系統(tǒng)方面。采用上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、工程師站維護(hù)系統(tǒng)，故障事件存儲(chǔ)和人機(jī)界面顯示使得設(shè)備信息更透明，方便故障排查與檢修。

3 可編程控制器(PLC)電控系統(tǒng)

可編程控制器是一種工業(yè)專用數(shù)字運(yùn)算控制器，其存儲(chǔ)器可以編程，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)算、定時(shí)、控制等指令，其輸入和輸出格式可以為模擬量，也可以為數(shù)字量。PLC自20世紀(jì)60年代問世以來，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各類工業(yè)控制領(lǐng)域。本設(shè)計(jì)采用西門子公司生產(chǎn)的S7-300系列PLC，這款PLC具有4種模式：調(diào)試模式、運(yùn)行模式、停止模式和復(fù)位模式，各種工作模式之間的切換通過專用鑰匙進(jìn)行控制。S7-300系列PLC可支持水平安裝和垂直安裝兩種方式，水平安裝時(shí)須保證電源端在左側(cè)，垂直安裝時(shí)須保證電源端在底部。S7-300系列PLC同時(shí)也支持單層或多層組態(tài)安裝，多層組態(tài)安裝只支持部分CPU型號(hào)。

4 外圍電路設(shè)計(jì)

4.1 供配電

提升機(jī)是人員上下礦井的重要通道，一旦發(fā)生供電故障將導(dǎo)致嚴(yán)重后果，因此其供電要求采用可靠性強(qiáng)的雙回路供電。主電源采用提升機(jī)主變壓器380 V低壓供電，備用電源采用獨(dú)立備用變壓器，主變壓器故障或檢修停電時(shí)通過交流進(jìn)線柜的電源倒換開關(guān)將提升機(jī)進(jìn)線切至備用電源。調(diào)節(jié)柜控制電源、PLC控制電源、快開控制電源和輔助設(shè)備電源均采用220 V交流電，除此以外還有220 V直流、110 V直流和24 V直流等直流電源。

4.2 操作臺(tái)

工作人員通過操作臺(tái)對(duì)提升機(jī)進(jìn)行各項(xiàng)操作，并獲取提升機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和信息，因此，設(shè)計(jì)良好的操作臺(tái)能夠給提升機(jī)操作提供便利，系統(tǒng)中操作臺(tái)不止一個(gè)，其中井口操作臺(tái)的控制功能齊全，其界面內(nèi)各類按鈕和指示燈設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 井口操作臺(tái)界面的各類按鈕和指示燈

4.3 位置檢測(cè)

提升機(jī)的位置檢測(cè)通過主軸上的光電編碼器實(shí)現(xiàn)，當(dāng)提升機(jī)運(yùn)行時(shí)，主軸帶動(dòng)卷筒旋轉(zhuǎn)，光電編碼器隨之旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生一系列脈沖。光電編碼器旋轉(zhuǎn)一周能夠產(chǎn)生4路脈沖信號(hào)，分別是A、A-、B、B-，通過不同脈沖信號(hào)的采集計(jì)數(shù)可以判斷提升機(jī)的位置、轉(zhuǎn)向和速度。

4.4 深度指示器

司機(jī)通過深度指示器觀察罐籠在井筒中的位置，采用數(shù)碼管顯示和柱狀燈帶指示相結(jié)合的設(shè)計(jì)方案，前者能夠提供精確的數(shù)字量，后者提供直觀的觀察畫面。數(shù)字式深度指示器DPV-96輸出接口為標(biāo)準(zhǔn)電平并行接口，與PLC接口連接方便。

4.5 井筒開關(guān)檢測(cè)

為了避免長(zhǎng)期運(yùn)行帶來的提升機(jī)位置偏差的累積，采用井筒磁開關(guān)對(duì)光電編碼器的信號(hào)進(jìn)行矯正，其工作原理如下：在提升機(jī)罐籠上裝設(shè)磁鐵，井筒減速區(qū)裝設(shè)井筒磁開關(guān)，當(dāng)磁鐵和磁開關(guān)進(jìn)入感應(yīng)范圍后，磁開關(guān)向PLC發(fā)出深度指示同步信號(hào)，通過程序內(nèi)將此信號(hào)與光電編碼器的計(jì)數(shù)脈沖進(jìn)行比較和矯正，在運(yùn)行過程中設(shè)置減速點(diǎn)、二級(jí)制動(dòng)接觸點(diǎn)和各水平停車點(diǎn)等。磁開關(guān)采用110 V電源供電，這樣做的好處是能夠避免電壓降影響檢測(cè)準(zhǔn)確度。

5 軟件程序設(shè)計(jì)

礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)的軟件包括PLC控制軟件、監(jiān)控屏組態(tài)軟件。

PLC控制軟件采用STEP 7軟件進(jìn)行編程，提升機(jī)PLC主程序流程如圖2所示，程序中包括了提升機(jī)的各類保護(hù)設(shè)置。系統(tǒng)開始后首先進(jìn)行程序初始化，然后進(jìn)行自檢，自檢不通過按故障處理，自檢通過后執(zhí)行開車指令，然后判斷同步信號(hào)，不同步則進(jìn)行同步矯正，同步矯正后進(jìn)入速度控制程序，然后依次判斷各類故障，如果故障判斷結(jié)果為是則報(bào)警，否則等待停止信號(hào)，結(jié)束程序。

圖2 提升機(jī)PLC主程序流程

監(jiān)控屏采用臺(tái)灣WEINVIEW觸摸屏MT8000，其組態(tài)軟件為EasyBuilder8000，支持離線和在線兩種方式模擬組態(tài)，本設(shè)計(jì)采用離線模擬，采用離線模擬的好處是無需重復(fù)下載程序，讀取的是靜態(tài)數(shù)據(jù)，開發(fā)過程中可以節(jié)省時(shí)間成本。

6 結(jié)束語

隨著煤炭生產(chǎn)的擴(kuò)大和礦井設(shè)備的數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，許多老舊的礦井提升機(jī)都不再滿足當(dāng)前要求，面臨著升級(jí)改造，本文對(duì)煤礦電控系統(tǒng)的改造和研究為此類工作提供了參考。PLC控制的提升機(jī)電控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化和自動(dòng)化，實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，該電控系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠，控制精度好、人員乘坐舒適性大大提高。