張國鑫

（山西省潞安集團(tuán)慈林山煤業(yè)李村煤礦，山西 長治 046600）

引言

煤礦提升機(jī)是在煤礦產(chǎn)業(yè)中用于聯(lián)系地面和礦井的礦井運(yùn)輸設(shè)備[1]。其用于升降煤炭、礦石，以及人員、物料、工具等。該設(shè)備一旦發(fā)生故障，后果不堪設(shè)想。而其控制系統(tǒng)更是提升機(jī)的“大腦”，一旦控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，會直接影響并制約日常生產(chǎn)及人員生命安全。

目前國內(nèi)的控制系統(tǒng)還采用繼電器-控制器的控制技術(shù)，該技術(shù)落后、設(shè)備老舊、效率較低、安全可靠性不大[2]。對此，為保證工作人員的生命安全及生產(chǎn)的順利進(jìn)行，本文設(shè)計了一套自動控制系統(tǒng)，在滿足提升機(jī)生產(chǎn)應(yīng)用的各項(xiàng)指標(biāo)要求的同時，大大保證了設(shè)備運(yùn)行的安全性、可靠性和穩(wěn)定性。

1 提升機(jī)對自動控制系統(tǒng)的要求

1.1 安全性

安全性對于自動控制系統(tǒng)的重要性毋庸置疑，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計時，所有與安全性相關(guān)的信號均需納入控制系統(tǒng)中并參與連鎖保護(hù)。

1.2 可靠性

為保證系統(tǒng)的可靠性，通過軟件對整個系統(tǒng)進(jìn)行控制及保護(hù)。此外，除設(shè)置主控PLC 之外，監(jiān)控PLC 和安全回路也是必不可少的。

1.3 運(yùn)行平穩(wěn)性

傳統(tǒng)的提升機(jī)對速度及行程位置的控制采用的是開環(huán)，其在整個設(shè)備“加速-勻速-減速”的運(yùn)行過程中加速度突變較大，使得設(shè)備在運(yùn)行過程中產(chǎn)生頓挫感，沖擊性強(qiáng)，對工作人員及物料包括提升機(jī)的物理組成部分極易造成損害[3]。

對此，將運(yùn)行速度及行程位置由PLC 進(jìn)行編程控制，通過更為理想的速度曲線，使其速度及加速度按指定設(shè)置變化，保證系統(tǒng)以“啟動-加速-勻速-減速-停車”平滑過渡，從而提升運(yùn)行的平穩(wěn)性。

2 提升機(jī)對自動控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

提升機(jī)自動控制系統(tǒng)的硬件由運(yùn)動控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、操作平臺、傳感器及電氣控制柜構(gòu)成。綜合考慮提升機(jī)的生產(chǎn)任務(wù)，設(shè)計如圖1 所示的控制系統(tǒng)。

圖1 提升機(jī)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2.1 運(yùn)動控制系統(tǒng)

運(yùn)動控制系統(tǒng)選用的是一套控制模塊，該模塊是針對運(yùn)動控制、自動化要求高的場合特別開發(fā)的，尤為適用于本系統(tǒng)。該系統(tǒng)只需通過簡單的參數(shù)設(shè)置，便可實(shí)現(xiàn)對提升機(jī)各類工況的控制，且其運(yùn)算能力及時間處理能力能夠滿足用戶對實(shí)時性和準(zhǔn)確性的要求。提升機(jī)運(yùn)動控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如下頁圖2 所示。

圖2 提升機(jī)運(yùn)動控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.2 PLC 及功能模塊的選型

經(jīng)選型，S7-400 PLC 具有較強(qiáng)的通信能力，其反應(yīng)時間快、精度高、安全可靠性高，可將其作為監(jiān)視控制系統(tǒng)的構(gòu)成。此外，可充分利用該產(chǎn)品的Ethernet 通信，對系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷，提高用戶的集中管理程度。結(jié)合提升的控制要求，S7-400 PLC 相匹配的功能模塊如下頁表1 所示。

表1 PLC 控制系統(tǒng)功能模塊選型

2.3 傳感器

傳感器是一種檢測裝置，作為“電五官”，它用來監(jiān)視控制生產(chǎn)運(yùn)行中的各類參數(shù)，對于保證生產(chǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)的最佳狀態(tài)是必不可少的[4-5]。自動控制系統(tǒng)配備的傳感器，需用于各種位置和速度信號的檢測，包含位置檢測編碼器、速度檢測編碼器、滑繩檢測編碼器、轉(zhuǎn)子位置角檢測編碼器、機(jī)械限位開關(guān)及井筒開關(guān)。其中，各類編碼器選用HUBNER 品牌的2500 脈沖數(shù)增量型編碼器，機(jī)械限位開關(guān)成熟度已經(jīng)很高，井筒開關(guān)選擇了3 套電感式接近開關(guān)，分別用于位置校正及過卷檢測，傳感器選型結(jié)果如表2 所示。

表2 傳感器選型

3 提升機(jī)對自動控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

提升機(jī)自動控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計由主程序系統(tǒng)和運(yùn)動控制系統(tǒng)兩套系統(tǒng)組成，其中主程序系統(tǒng)用于完成程序的執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)安全保護(hù)、實(shí)時動態(tài)監(jiān)控、連鎖控制等；運(yùn)動控制系統(tǒng)用于完成提升機(jī)的啟動、加速、勻速、減速、制動停車等運(yùn)動過程。

3.1 主程序系統(tǒng)

主程序系統(tǒng)采用S7-400+CPU315-2PN/DP 模塊，并設(shè)置兩套PLC 加以控制，一個為主另一個為備用。兩套PLC 之間相互獨(dú)立而又相互監(jiān)控，一旦主PLC 運(yùn)行發(fā)生異常時，系統(tǒng)將自動切換至備用PLC，備用PLC 仍可完成主PLC的全部功能，以保障系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。主程序系統(tǒng)由以下幾個模塊組成。

1）設(shè)備上電模塊：用于檢測控制系統(tǒng)中各個子系統(tǒng)供電狀況及工作狀態(tài)是否正常，控制故障燈的顯示。

2）系統(tǒng)硬件平衡模塊：根據(jù)上電模塊發(fā)出的信號判斷系統(tǒng)進(jìn)入正常運(yùn)行或故障運(yùn)行狀態(tài)，并發(fā)出下一步模塊信號。

3）安全回路模塊：用于檢測重級別的故障信號，當(dāng)有惡劣影響設(shè)備安全運(yùn)行的故障產(chǎn)生時，信號發(fā)出，使提升機(jī)立即停車。

4）電氣停車模塊：用于檢測下放速度過快、錯向速度等中級別的故障信號，該模塊響應(yīng)時系統(tǒng)會立即減速并停車。

5）閉鎖回路模塊：用于檢測信號通信故障、機(jī)械溫度過高、接地故障、系統(tǒng)閉鎖等低級別的故障信號。故障發(fā)生后，系統(tǒng)按正常情況到位后停車，監(jiān)控抱閘直到故障排除。

6）工況選擇模塊：用于選擇提升機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)模式或工況，如人員提升、重載提升、井筒檢查、緊急模式等，通過控制操作平臺相應(yīng)模式按鈕，模塊自行選取控制。

7）手/自動選擇模塊：用于切換操作的自動化、半自動化或手動模式，可選擇的操作有雙罐籠提升物料、寬罐籠提升方式、窄罐籠提升方式、換層模式、人員提升、重載提升、井筒檢查、緊急模式等。

3.2 運(yùn)動控制系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)運(yùn)動的平穩(wěn)性，減少整個設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的沖擊性，引入了理想速度曲線。采用西門子FM458 工藝控制模塊進(jìn)行設(shè)置，以實(shí)現(xiàn)對速度及行程位置的控制。具體主要包括以下幾個模塊。

1）速度檢測模塊及位置檢測模塊：分別在對速度和行程位置的模塊上留有端口變量以進(jìn)行調(diào)整和修改，通過編程軟件直接調(diào)用，后續(xù)只需定義輸入、輸出端的變量，便可達(dá)到控制要求。

2）速度控制模塊：采用比例積分控制器對設(shè)備的實(shí)際速度進(jìn)行實(shí)時修正。

3）位置控制模塊：采用比例控制器實(shí)現(xiàn)對給定位置的比例控制。

4）設(shè)定點(diǎn)發(fā)生器：它是整個運(yùn)動控制的核心部位，由它產(chǎn)生系統(tǒng)的速度曲線。由前述理想曲線，通過輸入變量即可產(chǎn)生所需平滑曲線，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)低沖擊的運(yùn)行。

4 結(jié)語

通過分析煤礦提升機(jī)自動控制系統(tǒng)的要求，對自動控制系統(tǒng)平臺進(jìn)行設(shè)計搭建，采用可編程的S7-400+CPU315-2PN/DP 模塊，使用各傳感器監(jiān)控，對系統(tǒng)設(shè)計安全回路、停車模塊等檢測模塊，并通過對提升機(jī)速度、位置等參數(shù)的人機(jī)交互控制，在加強(qiáng)系統(tǒng)安全性與可靠性的同時使得提升機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性得以提高。此外，采取自動、半自動、手動三種模式操作選擇，以及簡化的人機(jī)交互界面，可減輕工作人員的勞動強(qiáng)度，提高煤礦礦井的工作效率。相信隨著科技水平的不斷發(fā)展，更高水平可靠性、安全性的軟硬件將不斷更新，工作人員的生命安全將得到進(jìn)一步保障，生產(chǎn)效率得到進(jìn)一步提升。