礦業(yè)企業(yè)礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的研究

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(jī)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(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備[1]，一旦出現(xiàn)故障，將會(huì)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(jī)電控系統(tǒng)工作的安全性和可靠性直接關(guān)系著整個(gè)礦井提升機(jī)系統(tǒng)能否正常運(yùn)行，因此，基于某企業(yè)礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)現(xiàn)狀，對(duì)電控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

圖1 礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)方案組成

礦井提升機(jī)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(hào)系統(tǒng)和上位機(jī)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(hào)機(jī)型PLC，實(shí)現(xiàn)雙機(jī)備用，正常工作時(shí)一臺(tái)為主控機(jī)，另一臺(tái)為監(jiān)控機(jī)，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(yùn)行出現(xiàn)異常，就會(huì)主動(dòng)接管主控權(quán)，保證控制系統(tǒng)正常運(yùn)行，避免出現(xiàn)提升機(jī)失控故障。變頻調(diào)速系統(tǒng)能夠根據(jù)礦井提升機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀況適時(shí)調(diào)整驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行速度，如高電價(jià)低速運(yùn)行，低電價(jià)高速運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。信號(hào)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)礦井提升機(jī)運(yùn)行現(xiàn)場各種信號(hào)的采集，如潤滑模塊、液壓模塊、電機(jī)轉(zhuǎn)速等，將采集得到的各種信號(hào)傳輸至主控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理。上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要功能是進(jìn)行礦井提升機(jī)現(xiàn)場運(yùn)行狀況的監(jiān)視和控制，如運(yùn)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)提升機(jī)是否出現(xiàn)故障，確保礦井提升機(jī)的安全可靠工作。

2 礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

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(hào)、接口等模塊組成，適應(yīng)于礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)需求。PLC 自身分布式結(jié)構(gòu)簡單、網(wǎng)絡(luò)通信能力強(qiáng)，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(hào)為CPU314C-2DP，最大內(nèi)存為8 MB，具有I/O 接口各992 個(gè)，模擬量輸入/輸出點(diǎn)數(shù)分別為4+1/2，數(shù)字量輸入/輸出點(diǎn)數(shù)分別為24/12。信號(hào)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(hào)為SM321 DI32×4V，具有32 個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)，額定輸入電壓為DC24V；輸出模塊型號(hào)為SM322 DO32×4V/0.5A，具有32 個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)，最大輸出電流為0.5 A。模擬量輸入模塊型號(hào)為SM331 AI8×12，具有8 個(gè)模擬量輸入點(diǎn)，可以輸入電壓、電流、電阻等；模擬量輸出模塊型號(hào)為SM332 AO4×12，具有4 個(gè)模擬量輸出點(diǎn)，可以輸出電壓和電流。

2.1.2 變頻器選型

礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要考慮經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性等，選用型號(hào)為JD-BP37/38 系列高壓變頻器。該變頻器使用了先進(jìn)的空間電壓矢量控制技術(shù)，具有瞬時(shí)斷電自啟功能，能夠根據(jù)系統(tǒng)要求進(jìn)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(jī)交互和邏輯編輯性能；具有較為全面的故障監(jiān)控、保護(hù)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(bào)警信號(hào)；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(bǔ)償裝置，輸出階梯式正弦PWM 波形，具有電器元件的保護(hù)功能，通信協(xié)議可以選擇MODBUS、PROFIBUS 等。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 主程序

根據(jù)礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，完成了軟件主程序的編制，如圖2 所示。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)首先進(jìn)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(jī)是否存在超載情況，若超載發(fā)出報(bào)警信號(hào)并進(jìn)行處理，滿足礦井提升機(jī)工作載荷要求之后方可啟動(dòng)運(yùn)載功能。礦井提升機(jī)運(yùn)行過程中需要監(jiān)測其運(yùn)行速度大小，若存在超速情況，需要發(fā)出報(bào)警信號(hào)并進(jìn)行處理，處理之后可以保證礦井提升機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。礦井提升機(jī)運(yùn)行過程中還需要監(jiān)測是否過卷，若存在過卷情況，就會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，開啟過卷保護(hù)，確保礦井提升機(jī)的正常運(yùn)行。

2.2.2 安全保護(hù)程序

圖2 礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)主程序

礦井提升機(jī)正常運(yùn)行時(shí)不可避免地出現(xiàn)各種故障，而安全保護(hù)模塊的配置從系統(tǒng)軟件控制方面進(jìn)行了安全保護(hù)，常見故障包括變頻器故障、提升機(jī)運(yùn)行速度異常、過卷故障等。安全保護(hù)模塊控制流程如圖3 所示，基于此編制的過卷保護(hù)程序如圖4 所示，根據(jù)礦井提升機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況，安全保護(hù)系統(tǒng)發(fā)出故障報(bào)警的觸發(fā)信號(hào)包括三種，第一是編碼器信號(hào)與設(shè)定礦井提升機(jī)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(jī)運(yùn)行過程中一旦出現(xiàn)上述三種情況之一，系統(tǒng)自動(dòng)開啟過卷故障保護(hù)，立即驅(qū)動(dòng)抱閘實(shí)現(xiàn)礦井提升機(jī)的制動(dòng)。

圖3 安全保護(hù)模塊控制流程圖

圖4 過卷保護(hù)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(gè)系統(tǒng)模擬量的處理，實(shí)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(jìn)行分析和處理。礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的模擬量信號(hào)源包括電機(jī)電流、變頻器電流和頻率、液壓站油壓、提升速度、提升機(jī)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(jī)

人機(jī)界面作為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、信息傳遞的窗口，要求具有很好的操作性和實(shí)用性。根據(jù)礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，系統(tǒng)操作界面不僅顯示了礦井提升機(jī)的運(yùn)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(jī)是否出現(xiàn)故障并及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提示礦井提升機(jī)操作人員進(jìn)行故障排查。觸摸屏選擇KC01 系列，運(yùn)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(jì)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(yàn)證礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效果，將其應(yīng)用于某型號(hào)礦井提升機(jī)并對(duì)其控制效果進(jìn)行了為期半年的跟蹤記錄，結(jié)果表明，控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能夠滿足最初電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，該控制系統(tǒng)的應(yīng)用能夠及時(shí)監(jiān)測得到礦井提升機(jī)的運(yùn)行故障并發(fā)出報(bào)警信號(hào)，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(jì)得到提升機(jī)電控系統(tǒng)故障檢修工作量降低近45%，節(jié)約運(yùn)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(jì)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