史曉龍

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)永定莊煤業(yè)公司綜采一隊(duì)，山西 大同 037000）

引言

目前，在煤礦生產(chǎn)作業(yè)過程中，越來越多先進(jìn)的信息技術(shù)被應(yīng)用其中，這一方面有效提高了煤礦生產(chǎn)效率與質(zhì)量；另一方面也帶來了各種各樣的安全隱患。為此，就要求必須進(jìn)一步提高完善各類技術(shù)應(yīng)用，從而確保生產(chǎn)過程中的安全可靠。而其中礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)在運(yùn)行過程中一旦出現(xiàn)故障，則有可能導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故，最終造成更多的人員傷亡以及經(jīng)濟(jì)損失。

為此，結(jié)合了某礦井生產(chǎn)過程中的提升機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用，從主控分系統(tǒng)、調(diào)速分系統(tǒng)及上位機(jī)分系統(tǒng)三方面，開展了礦用提升機(jī)中控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究，通過科學(xué)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用，將PLC 技術(shù)融入到礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)當(dāng)中，力求進(jìn)一步提高該系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性與穩(wěn)定性。

1 提升機(jī)控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

礦用提升機(jī)的控制系統(tǒng)主要由主控分系統(tǒng)、調(diào)速分系統(tǒng)及上位機(jī)分系統(tǒng)等方面組成。其中，主控分系統(tǒng)采取了FX2N 系列控制器，在系統(tǒng)運(yùn)行期間一旦主控分系統(tǒng)出現(xiàn)故障，則能夠及時(shí)切換到備用PLC，不會(huì)對(duì)生產(chǎn)造成影響。在軟件方面，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)工作方式進(jìn)行控制與保護(hù)等效果。在硬件方面，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)檢測(cè)提升機(jī)運(yùn)行期間的位置信號(hào)，同時(shí)對(duì)松繩與過卷問題進(jìn)行判斷；井筒當(dāng)中，各個(gè)位置之間的行程開關(guān)和技術(shù)模塊之間能夠互相校驗(yàn)，更加精準(zhǔn)的判斷具體容器位置，從而完成精準(zhǔn)停車的效果。由于調(diào)速裝置原本就能夠完成過載保護(hù)、缺相保護(hù)、過熱保護(hù)、過流保護(hù)等重要的保護(hù)工作，所改進(jìn)的調(diào)速分系統(tǒng)，能解決提升機(jī)在運(yùn)行期間發(fā)生的超速與過卷問題，變頻裝置能夠配合現(xiàn)場的各類傳感器設(shè)備，完成保護(hù)工作，從而滿足煤礦生產(chǎn)安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。另外，上位機(jī)系統(tǒng)主要由兩級(jí)微機(jī)構(gòu)成，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)整個(gè)工作過程的動(dòng)態(tài)化監(jiān)控、參數(shù)信息顯示、故障報(bào)警、故障診斷以及數(shù)據(jù)查詢等效果。在監(jiān)控系統(tǒng)當(dāng)中，還設(shè)置有CRT 顯示器以及打印機(jī)，可以實(shí)時(shí)顯示提升速度、容器位置、故障類型以及加速度等關(guān)鍵參數(shù)信息，并完成不同形式的報(bào)表打印。提升機(jī)控制系統(tǒng)總體框圖如圖1 所示。

圖1 提升機(jī)控制系統(tǒng)總體框圖

2 礦井提升機(jī)主控分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 主供電回路設(shè)計(jì)

礦井提升機(jī)用電歸類于一類負(fù)荷，因此選擇雙回路供電。礦井提升機(jī)的控制室當(dāng)中主要包括變頻柜、動(dòng)力柜以及電源柜，在將高壓電輸送到電源柜中后，再由電源柜為變頻柜與動(dòng)力柜分別供電。電源柜原本就有著較強(qiáng)的過載保護(hù)能力。操作臺(tái)當(dāng)中的主電源反饋開關(guān)串聯(lián)變頻柜當(dāng)中的反饋電斷路器當(dāng)中的線圈，能夠達(dá)到緊急停車的目的。其中主供電回路圖如下頁圖2 所示。

圖2 雙回路供電圖

動(dòng)力柜輸出電壓為AC220 V，在操作臺(tái)當(dāng)中通過斷路器可以劃分成六路，分別送電給數(shù)顯儀表、開關(guān)電源以及電源模塊等位置。開關(guān)電源則主要為DC24 V回路、現(xiàn)場儀表以及電磁閥進(jìn)行供電。其中操作臺(tái)當(dāng)中的電源供電方式如下頁圖3 所示。

圖3 操作臺(tái)供電方式

2.2 系統(tǒng)軟件控制設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的主控分系統(tǒng)采用FX2N 系列的PLC 控制器，主要選擇程序結(jié)構(gòu)化這種編程方式。所有控制程序全部由多個(gè)子程序一同組成，各個(gè)子程序全部采取單獨(dú)編程以及組合處理的規(guī)范化編程方式。在PLC 具體執(zhí)行用戶程序過程中，選擇周期循環(huán)掃描這種方式。礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的應(yīng)用程序主要流程為，初始化→輔機(jī)啟動(dòng)→開車準(zhǔn)備→安全回路→半自動(dòng)操作方式程序、手動(dòng)操作方式程序、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視程序→結(jié)束。礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)PLC 應(yīng)用程序流程圖如圖4 所示。

圖4 礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)PLC 應(yīng)用程序流程圖

2.3 操作保護(hù)分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

這一系統(tǒng)主要應(yīng)當(dāng)完成故障安全的保護(hù)以及對(duì)邏輯操作的控制。將提升機(jī)系統(tǒng)當(dāng)中不同部分存在的運(yùn)行參數(shù)、保護(hù)與操作信號(hào)以及具體運(yùn)行狀態(tài)反饋到操作保護(hù)系統(tǒng)當(dāng)中，該系統(tǒng)首先會(huì)針對(duì)相關(guān)參數(shù)信息與信號(hào)進(jìn)行詳細(xì)的邏輯運(yùn)算，最終產(chǎn)生具體的控制指令，比如低壓時(shí)合閘、高壓時(shí)合閘、運(yùn)行指令、復(fù)位指令以及油泵電機(jī)啟動(dòng)等等。除此之外，該系統(tǒng)還可以針對(duì)相關(guān)信號(hào)直接進(jìn)行邏輯運(yùn)算和邏輯判斷，并將最終的判斷結(jié)果轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)控制或保護(hù)指令，比如立即施閘等，將具體的故障類型送至顯示器當(dāng)中，同時(shí)能夠讓報(bào)警系統(tǒng)及時(shí)報(bào)警與施閘。

3 礦井提升機(jī)調(diào)速分系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

3.1 調(diào)速分系統(tǒng)改進(jìn)方案設(shè)計(jì)

為進(jìn)一步提高系統(tǒng)安全性，在設(shè)計(jì)調(diào)速分系統(tǒng)時(shí)將原有電控設(shè)備予以保留，將部分PLC 程序進(jìn)行更換。在現(xiàn)場增設(shè)高壓開關(guān)柜，提供變頻器部分電源；增設(shè)高壓變頻器，選擇一拖二的原始連接方式，同時(shí)安裝精度較高的編碼器兩個(gè)，并增設(shè)兩個(gè)手動(dòng)的頻率切換柜，以便于可以實(shí)現(xiàn)新老系統(tǒng)的實(shí)時(shí)切換。在正常條件下，提升機(jī)在運(yùn)行過程中借助于調(diào)速分系統(tǒng)，出現(xiàn)系統(tǒng)故障與停機(jī)檢修時(shí)，借助于對(duì)切換柜與主控臺(tái)的操作，及時(shí)切換為工頻運(yùn)行模式，整個(gè)切換操作往往十分便利，能夠有效實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的變頻調(diào)速控制。提升機(jī)控制系統(tǒng)中工、變頻切換原理圖如圖5 所示。

圖5 工、變頻切換原理圖

3.2 調(diào)速分系統(tǒng)的功能優(yōu)勢(shì)分析

1）能耗降低：將原有的串聯(lián)電阻調(diào)速工作方式取消，能夠有效降低電能能耗；

2）效率提升：選擇變頻器裝置之后，能夠有效提高循環(huán)時(shí)間，進(jìn)而提高工作效率；

3）運(yùn)行安全：選擇變頻器裝置之后，將原本的認(rèn)為機(jī)械制動(dòng)方式轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏χ苿?dòng)，有效提高了絞車運(yùn)行的穩(wěn)定性，進(jìn)而提高運(yùn)行安全性；

4）設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)得到優(yōu)化：變頻器的應(yīng)用能夠有效減少啟動(dòng)與加速過程中的電流沖擊，為設(shè)備提供一個(gè)更加穩(wěn)定的運(yùn)行環(huán)境；

5）自動(dòng)檢修運(yùn)行：系統(tǒng)能夠自動(dòng)設(shè)定檢修運(yùn)行工作速度，使得低速勻速的運(yùn)行需求得以實(shí)現(xiàn)；

6）高壓變頻器的應(yīng)用技術(shù)安全成熟：高壓變頻器的應(yīng)用技術(shù)較為成熟且安全可靠，能夠促使提升機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)更加便利。

4 礦井提升機(jī)上位機(jī)分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 上位機(jī)系統(tǒng)組成設(shè)計(jì)

在提升機(jī)控制系統(tǒng)當(dāng)中，上位機(jī)即代表計(jì)算機(jī)，借助于監(jiān)控軟件完成對(duì)提升機(jī)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。設(shè)計(jì)系統(tǒng)期間，可以在井口位置設(shè)置一臺(tái)PLC，負(fù)責(zé)對(duì)控制系統(tǒng)當(dāng)中的各類信號(hào)進(jìn)行接收與處理，這部分信號(hào)主要來源于各位置當(dāng)中的限位開關(guān)、行程開關(guān)以及按鈕等。利用PLC 實(shí)時(shí)處理，其結(jié)果借助于點(diǎn)亮指示燈，直接反饋到提升機(jī)操作人員，同時(shí)將具體的閉鎖節(jié)點(diǎn)反饋到主控分系統(tǒng)當(dāng)中，完成閉鎖關(guān)系。計(jì)算機(jī)在針對(duì)運(yùn)行過程進(jìn)行監(jiān)控時(shí)，還能夠查詢故障，并打印輸出各類存儲(chǔ)的故障問題、日月報(bào)表以及運(yùn)行次數(shù)等。

4.2 數(shù)字式深度控制分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要功能要求為可以完成對(duì)井筒當(dāng)中提升容器的位置指示，同時(shí)結(jié)合具體的容器位置將相關(guān)的控制指令及時(shí)發(fā)出。除此之外，數(shù)字式深度控制系統(tǒng)還具有各種各樣的優(yōu)勢(shì)，比如指示精度較高、方便調(diào)整、能夠控制多數(shù)水平、較高的可靠性與穩(wěn)定性等等。從其具體組成上來看，該系統(tǒng)主要由位置檢測(cè)傳感器、高速的技術(shù)模塊或者計(jì)數(shù)器、井筒開關(guān)以及數(shù)字式深度指示器組成。

5 結(jié)語

在完成此控制系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)后，將其集成在現(xiàn)有提升機(jī)控制系統(tǒng)中，主要從控制精度、操作穩(wěn)定性、系統(tǒng)故障率等方面對(duì)改進(jìn)后的新系統(tǒng)進(jìn)行了應(yīng)用測(cè)試。經(jīng)過測(cè)試可知，改進(jìn)后的系統(tǒng)運(yùn)行良好，能通過PLC 進(jìn)行更加精準(zhǔn)地提升操作控制，控制精度更高；同時(shí)，在測(cè)試過程中，針對(duì)提升機(jī)超載或電機(jī)異響等故障問題時(shí)，此新系統(tǒng)也能及時(shí)發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警提示，提升機(jī)執(zhí)行了停機(jī)操作。整個(gè)過程無需人員進(jìn)行干涉。改進(jìn)后新系統(tǒng)的成功應(yīng)用，大大提高了設(shè)備的運(yùn)行效率及作業(yè)安全性，降低了設(shè)備的故障率，為企業(yè)間接帶來了較大經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)際推廣價(jià)值較大。