陽煤三礦副井提升機(jī)電控系統(tǒng)的改造研究

王 鵬

（晉煤集團(tuán)晉圣礦業(yè)投資有限公司， 山西 晉城 048000）

1 項目概況

陽煤三礦副斜井年工作日為330 d，日提升10 h，井筒斜長為761.52 m，坡度為25°，井筒斷面面積為7.29 m2，并下井上均為平車廠，雙鉤提升。副斜井負(fù)擔(dān)全礦矸石、小型設(shè)備、材料等的運輸提升任務(wù)，已安裝運行一臺2JK-2.5/20A型雙滾筒單繩纏繞式提升機(jī)，滾筒直徑為2.5 m，寬度為1.2 m，提升速度為3.85m/s；天輪型號為TXG-2000/15.5，直徑為2 m，配JR1410-10型繞線式異步電機(jī)，功率為250 kW，電壓為660 V，轉(zhuǎn)速為588 r/min；一次可提升3輛1 t、600 mm軌距的礦車或9 t大件設(shè)備。副井提升機(jī)最近常發(fā)生安全故障，導(dǎo)致了人員傷亡和財產(chǎn)損失，分析其原因主要是電控系統(tǒng)存在不足，設(shè)計上有安全隱患，因此針對這一情況陽煤三礦對副斜井的提升機(jī)電控系統(tǒng)進(jìn)行了安全改造。

2 電控系統(tǒng)改造的總體設(shè)計方案

本次陽煤三礦副井提升機(jī)電控系統(tǒng)改造共四大部分：全數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)化操控系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控系統(tǒng)、信號系統(tǒng)。全數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)采用ABB公司ACS800系列的全數(shù)字交直交DTC控制變頻器，該變頻器配置供電單元，適用于能源可再生的傳動場合，相對于其他制動方法更加節(jié)能，能量可再生。網(wǎng)絡(luò)化操控系統(tǒng)采用西門子S7-300雙PLC控制，可以實現(xiàn)提升機(jī)提升工藝控制及雙線程位置速度保護(hù)，安全性和可靠性得到了提高。網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控系統(tǒng)采用臺灣研華工控機(jī)，配大屏幕真彩液晶顯示器，可以實現(xiàn)多畫面實時監(jiān)控。信號系統(tǒng)采用西門子遠(yuǎn)程I/O站模式，和主控PLC共同編程，聯(lián)鎖聯(lián)動。

3 網(wǎng)絡(luò)化操控和監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與選型

改造后的副井提升機(jī)電控系統(tǒng)采用S7-300PLC為主控PLC，另1套S7-300PLC作為從屬保護(hù)，利用現(xiàn)場總線形成主從控制模式。系統(tǒng)在PLC分站上采用總線連接方式，提高系統(tǒng)可靠性和安全性，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)、操作臺遠(yuǎn)程I/O、上位工控機(jī)構(gòu)成提升系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。

3.1 控制保護(hù)的PLC設(shè)計

主要配置：控制保護(hù)PLC選用S7-300PLC，作為主控制PLC的從站。主要功能：從PLC根據(jù)外部冗余輸入的有關(guān)數(shù)字開關(guān)量、模擬輸入量、光電編碼脈沖等信號進(jìn)行邏輯運算，同時監(jiān)控提升機(jī)的啟動、運行、停車等整個提升過程的運行狀態(tài)及保護(hù)狀態(tài)，以實現(xiàn)兩臺PLC相互冗余控制及冗余保護(hù)。

3.2 安全回路的設(shè)計

安全回路中（安全回路、電氣停車回路、閉鎖回路）集成了所有的危及人或物安全的故障信號。主要包括高低壓電源斷電、直流快開跳閘、主回路過電壓或接地、電樞過電流、勵磁回路失電源、過電流、磁場失磁、傳動系統(tǒng)故障、監(jiān)控器失效保護(hù)、提升容器過卷、等速段過速、減速段過速、接近井口速度超過2 m/s保護(hù)，反轉(zhuǎn)保護(hù)、鋼絲繩松動、急停保護(hù)、制動油過壓保護(hù)、編碼器失效保護(hù)等嚴(yán)重故障。當(dāng)存在相應(yīng)故障時信號觸發(fā)了安全回路，則可以實現(xiàn)提升機(jī)的安全保護(hù)。

安全電路除了由雙PLC軟件形成軟安全回路外，還有繼電器接點串聯(lián)構(gòu)成硬件安全回路，直接作用于緊急停車、軟硬冗余的多條安全電路使得提升系統(tǒng)的安全性、可靠性大大提高。安全回路中對影響提升機(jī)運行的關(guān)鍵信號均采用多重保護(hù)，互為監(jiān)視。輕重故障具有聲光報警或預(yù)報警[1-2]。

3.3 全數(shù)字智能監(jiān)控器的選用

在本系統(tǒng)當(dāng)中，應(yīng)用了全數(shù)字智能監(jiān)控器及相應(yīng)的軟件系統(tǒng)，主要特點為：提供提升機(jī)全行程保護(hù)，即速度監(jiān)控和位置全程監(jiān)控；雙速度包絡(luò)線，即可提供1條115%和1條110%速度包絡(luò)線。

全數(shù)字化智能控制系統(tǒng)具有記憶功能，提升機(jī)可以對實際運行的參數(shù)進(jìn)行自動記憶、保存，后期可以自動提取，并對運行情況進(jìn)行判斷推理，作為實現(xiàn)保護(hù)動作的依據(jù)。同時軟件設(shè)計過程中應(yīng)用先進(jìn)的算法，簡化了程序，提高了運算速度。數(shù)字行程監(jiān)控系統(tǒng)是監(jiān)測提升機(jī)容器在井筒中準(zhǔn)確位置的基礎(chǔ)上，自動跟蹤生成提升包絡(luò)，主要完成松繩、過卷和超速等判斷，實現(xiàn)提升全過程的位置、速度監(jiān)控。

本電控系統(tǒng)提供兩套數(shù)字式行程控制器，正常情況下他們互相監(jiān)視，故障情況下互為備用。重要的行程位置（如過卷位置）除采用行程開關(guān)實現(xiàn)外，還在PLC程序中設(shè)置一套軟行程控制。

3.4 司機(jī)操作臺的設(shè)計

司機(jī)操作臺配置的PLC、直接采集控制信號和主控PLC形成冗余控制，保證控制執(zhí)行正確，同時通過2套PLC共同進(jìn)行提升機(jī)運行數(shù)據(jù)采樣，可以形成對保護(hù)功能的冗余，在個別地方可以形成多重保護(hù)，從而達(dá)到《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定的雙線制保護(hù)要求，對提升機(jī)的保護(hù)更加安全可靠。重要的操作信號和組成的報警信號均可在操作臺上的信號板顯示出來，保證在沒有上位機(jī)的情況下仍然可以正常操作。

3.5 制動液壓站控制系統(tǒng)的設(shè)計

控制系統(tǒng)設(shè)置兩套閘控環(huán)節(jié)（軟件與硬件冗余），即外部繼電器回路和內(nèi)部PLC同時控制制動閘液壓站，包括安全制動和工作制動，其中工作閘可實現(xiàn)PLC自動施閘和司機(jī)用手柄手動施閘。液壓制動系統(tǒng)接受來自本提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)的信號，并給電控系統(tǒng)發(fā)回相應(yīng)的動作信號。提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)與液壓制動系統(tǒng)協(xié)調(diào)一致，處理各類信號。

3.6 上位監(jiān)控系統(tǒng)

配置：P4系類，主頻3.0 GHz，硬盤200 GB、10/100/1000 Mb/s自適應(yīng)網(wǎng)卡；顯示器為21寸LCD；打印機(jī)為A4惠普打印機(jī)；上位機(jī)選用名牌工控機(jī)和彩色終端，與主控PLC連接，實行人機(jī)通信。工控機(jī)和彩色終端及打印機(jī)組成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對副井提升機(jī)運行的遠(yuǎn)程實時監(jiān)控。

4 傳感器配置的改造

4.1 配置速度和位置傳感器

在本次電控系統(tǒng)的改造過程中，速度和位置傳感器采用德國進(jìn)口高精度軸編碼器，進(jìn)行速度反饋和位置測量，整個系統(tǒng)共安3只軸編碼器，其中主軸2只，進(jìn)行兩套PLC位置測量并相互檢測，方便對提升機(jī)進(jìn)行全程的速度、位置檢測和保護(hù)，高速軸安裝1只，進(jìn)行速度反饋，所提供編碼器均為進(jìn)口產(chǎn)品，特別適用于煤礦井下惡劣的工作環(huán)境當(dāng)中。

4.2 配置過卷開關(guān)傳感器

安裝在井筒內(nèi)的上、下過卷開關(guān)是結(jié)構(gòu)簡單、動作可靠的無工作電源的開關(guān)，該開關(guān)不帶自復(fù)位功能。要求所有井筒開關(guān)都必須具有“MA”標(biāo)志，滿足防爆要求，KXT7型礦用多功能提升信號裝置采用PLC控制，主信號、備用信號相互獨立，備用信號滿足應(yīng)急開車條件信號系統(tǒng)組合在現(xiàn)場總線中，每個水平的信號是一個遠(yuǎn)程分站，水平信號工的操作信號經(jīng)由總線和主控PLC交換信息，井口PLC系統(tǒng)和現(xiàn)場總線聯(lián)網(wǎng)。該設(shè)計能有效降低信號的誤傳率，提高信號傳送的準(zhǔn)確性，同時井下信號電纜的投資成本得到了大幅度降低[3-5]。

5 液壓制動系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)的改造

改造后副井提升機(jī)為電控系統(tǒng)配置一套先進(jìn)的低壓液壓站，更換原有液壓站，其主要作用：為盤形制動器提供不同油壓值的壓力油，以獲得不同的制動力矩；事故狀態(tài)下，可以使制動器的油壓迅速降到預(yù)先調(diào)定的某一值，經(jīng)過延時后，制動器的全部油壓迅速回到零，使制動器達(dá)到全制動狀態(tài)；液壓站可以供給控制單繩雙筒礦井提升機(jī)調(diào)繩裝置所需要的壓力油。

在本次的改造方案當(dāng)中，為潤滑站更換兩套油泵，泵電機(jī)參數(shù)為380 V、2.2 kW，正常運行時潤滑站壓力為0.35 Pa，潤滑泵進(jìn)出口管徑均為18 mm。

6 結(jié)語

陽煤三礦副井提升機(jī)電控系統(tǒng)經(jīng)以上改造，機(jī)電控制系統(tǒng)實現(xiàn)了微型化，提高了繼電保護(hù)動作可靠性，故障由上位機(jī)及時監(jiān)控顯示，便于維護(hù)及故障查詢，同時提高了維護(hù)人員、操作司機(jī)的作業(yè)效率，能夠更加熟練地掌握設(shè)備性能結(jié)構(gòu)、工作原理。當(dāng)前改造后的提升機(jī)已運行一年之久，在這過程中設(shè)備運行穩(wěn)定，無安全故障發(fā)生，有效保證了提升機(jī)運行安全，設(shè)備運行正常，完成了全礦斜井的運輸任務(wù)，實現(xiàn)了煤礦生產(chǎn)運輸自動化。