礦井提升機(jī)自動控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

李麗鵬

（西山煤電（集團(tuán)）有限責(zé)任公司西曲礦，太原 030200）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對煤炭的需求不斷加大，煤炭企業(yè)的生產(chǎn)壓力也不斷增大，許多舊有的設(shè)備已經(jīng)不再滿足產(chǎn)能要求，作為礦井上下關(guān)鍵的礦井提升機(jī)也存在技術(shù)改造的需求［1－4］。在工業(yè)以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合礦井各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的技術(shù)要求，礦井提升機(jī)自動控制系統(tǒng)需要實現(xiàn)各部件參數(shù)監(jiān)測、各類型保護(hù)動作準(zhǔn)確等要求。本文基于PLC控制技術(shù)和信息技術(shù)，設(shè)計并實現(xiàn)了煤礦井下提升機(jī)自動控制系統(tǒng)。

1 總體設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)

按照各部分實現(xiàn)的功能不同，礦井提升機(jī)自動控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上可以分為3層，從上至下分別為人機(jī)交互層、控制層和設(shè)備層。人機(jī)交互層由上位機(jī)、打印機(jī)、交換機(jī)、監(jiān)控觸摸屏構(gòu)成，這些設(shè)備一般設(shè)置在控制室或井口。控制層由PLC組成，PLC是整個自動控制系統(tǒng)的核心設(shè)備，通過以太網(wǎng)與上位機(jī)進(jìn)行通信連接，將變頻器和其他傳感器的數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)顯示，上位機(jī)還能夠通過遠(yuǎn)方修改程序改變變頻器的工作狀態(tài)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳和指令下達(dá)雙重功能。設(shè)備層由變頻器、提升機(jī)和信號輸入輸出模塊構(gòu)成，變頻器的功能是將工頻電壓變換成頻率可調(diào)的電壓的電能變換裝置，采用變頻器對異步電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，對礦井提升機(jī)調(diào)速性能、設(shè)備安全、提高效率等方面均具有顯著效果。信號輸入模塊的設(shè)備有各類按鈕、開關(guān)和傳感器，例如溫度傳感器、速度傳感器、壓力傳感器和紅外位移傳感器等。信號輸出模塊的設(shè)備有指示燈、電鈴、繼電器和接觸器等。礦井提升機(jī)自動控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 礦井提升機(jī)自動控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

1.2 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)功能如下。

（1）控制方式靈活。根據(jù)生產(chǎn)要求，工作人員可通過控制分站柜的控制方式轉(zhuǎn)換開關(guān)切換系統(tǒng)的工作方式，“集中控制”模式下，集控室工作人員通過計算機(jī)對變頻器進(jìn)行控制?！熬偷乜刂啤焙汀皺z修狀態(tài)”模式下，集控室不能實現(xiàn)遠(yuǎn)方控制，當(dāng)滿足某種閉鎖關(guān)系后，才能由人工在就地位置操作。

（2）數(shù)據(jù)記錄全面。設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)變化、運(yùn)行時間、保護(hù)動作情況、告警報文、電壓電流等數(shù)據(jù)均記錄在控制計算機(jī)中，并對記錄刪除設(shè)置高級權(quán)限，以保護(hù)記錄的完整性。

（3）保護(hù)功能完備。保護(hù)功能包括兩方面，一方面是設(shè)備保護(hù)器和各類保護(hù)功能傳感器等硬件配置，發(fā)生故障時能夠及時檢測出來并停止設(shè)備；另一方面是監(jiān)控系統(tǒng)的軟件配置，主要能夠?qū)崿F(xiàn)故障應(yīng)急處理程序和聲光報警。

除上述基本功能外，本系統(tǒng)還應(yīng)當(dāng)具備參數(shù)設(shè)定方便、人機(jī)交互快捷等特點。

2 硬件設(shè)計

2.1 總體設(shè)計

中央處理單元是P LC控制系統(tǒng)的核心單元，采用315－2PN／DP標(biāo)準(zhǔn)型CUP，其具有強(qiáng)大的組網(wǎng)能力和數(shù)據(jù)處理能力［5－8］。數(shù)字量輸入模塊采用SM321模塊，將現(xiàn)場選閘信號、復(fù)位信號、返回信號、運(yùn)行方式、開關(guān)按鈕等各種數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為中央處理單元的內(nèi)部信號電平。模擬量輸入模塊采用SM331模塊，將偏擺信號、閘檢測信號、油壓信號、油溫信號等模擬量輸入信號轉(zhuǎn)換為中央處理器的內(nèi)部信號電平。數(shù)字量輸出模塊采用SM322模塊，將開機(jī)停機(jī)信號、報警指示信號、運(yùn)行指示信號、電源指示信號等數(shù)字量輸出信號轉(zhuǎn)換為外部電壓信號，驅(qū)動繼電器和各類指示燈工作。PLC控制系統(tǒng)硬件原理結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 PLC控制系統(tǒng)硬件原理結(jié)構(gòu)

2.2 傳感器選型

傳感器選型如下。

（1）位移傳感器。液壓油壓的偏差和制動盤偏擺都可能導(dǎo)致閘間隙變化，位移傳感器的作用就是測量閘間隙。從原理上分，位移傳感器有多種類型，本文采用非接觸式位移傳感器RP6622，供電電壓直流24 V，測量范圍1～10 mm，選用這種傳感器的好處是能夠有效避免機(jī)械磨損引起的精度降低等問題。

（2）油壓傳感器。油壓傳感器的作用是測量液壓油壓力，將一定壓力轉(zhuǎn)換為相應(yīng)大小的電壓。按照原理劃分，壓力傳感器有電容式、電阻式、電磁感應(yīng)式等，本設(shè)計采用擴(kuò)散硅式壓力傳感器JPG3，測量范圍0～20 MPa，輸出4～20 mA的電流信號。

（3）油溫傳感器。由于液壓油對溫度變化比較敏感，微小的溫度變化可能導(dǎo)致液壓油黏度改變較大，影響制動系統(tǒng)的性能，因此采用溫度傳感器對油溫進(jìn)行監(jiān)測。本設(shè)計采用一體化溫度傳感器JWB，其測量范圍0～100℃，輸出4～20 mA的電流信號。

3 軟件設(shè)計

礦井提升機(jī)自動控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括用戶程序和監(jiān)控軟件。采用結(jié)構(gòu)化和模塊化設(shè)計思路，編制了運(yùn)行緊湊、工藝嚴(yán)謹(jǐn)?shù)能浖绦颉?/p>

3.1 用戶程序

用戶程序有操作方式選擇、通訊數(shù)據(jù)處理、地址轉(zhuǎn)換功能等子程序。

如上述系統(tǒng)功能描述所言，提升機(jī)可工作在集控模式、手動模式和檢修模式下，設(shè)備工作在什么模式下可以由程序控制。選擇自動控制模式或檢修模式后，程序判斷設(shè)備條件是否滿足，如果設(shè)備條件不滿足則自動切換至手動控制模式；如果滿足自動控制模式，則執(zhí)行自動程序；如果滿足檢修模式，則執(zhí)行禁止控制程序。

通訊數(shù)據(jù)處理程序的作用是判斷通訊是否中斷，通過給上位機(jī)發(fā)送一定規(guī)律變化的校驗數(shù)據(jù)，如果在一定周期內(nèi)兩次檢驗數(shù)據(jù)不變則判斷為通訊中斷，否則通訊正常。

地址轉(zhuǎn)換子程序的作用將映像寄存器的數(shù)據(jù)存到PLC的M區(qū)，方便數(shù)據(jù)處理。鏡像區(qū)的地址代替M區(qū)的地址，能夠有效提高PLC程序執(zhí)行效率。

3.2 監(jiān)控軟件

如圖3所示，監(jiān)控軟件采用組態(tài)軟件WINCC 7.0進(jìn)行平臺化開發(fā)，包括數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、監(jiān)控畫面、PLC通訊、記錄查詢、系統(tǒng)管理和報表打印。監(jiān)控畫面的主要界面有主畫面、實時曲線界面、故障顯示界面、保護(hù)試驗界面、歷史曲線界面、行控矯正界面；記錄查詢包括報警記錄查詢、運(yùn)行記錄查詢、操作記錄查詢；系統(tǒng)管理包括用戶登錄、用戶注銷、系統(tǒng)設(shè)置。

4 應(yīng)用效果分析

應(yīng)用效果分析如下。

（1）技術(shù)效益。相較于舊有提升機(jī)系統(tǒng)，新設(shè)計的礦井提升機(jī)自動控制系統(tǒng)的提升能力大幅度提升，各類型保護(hù)功能更加完善，實際運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，新型礦井提升機(jī)自動控制系統(tǒng)故障率低，保障了人員和生產(chǎn)的安全性。

（2）經(jīng)濟(jì)效益。舊有的礦井提升機(jī)系統(tǒng)有很多部件停止生產(chǎn)，軟件停止更新，一旦發(fā)生故障將會產(chǎn)生很高的維護(hù)成本。新設(shè)計的提升機(jī)自動控制系統(tǒng)采用技術(shù)先進(jìn)的PLC控制系統(tǒng)和各類新型傳感器、繼電器等，后期可維護(hù)性高，維護(hù)成本低，PLC控制的變頻器能夠有效提高功率因數(shù)，從而降低驅(qū)動電機(jī)電費(fèi)成本。

5 結(jié)束語

礦井提升機(jī)自動控制系統(tǒng)是一套功能完整的、以信息通信和控制技術(shù)為基礎(chǔ)的監(jiān)控系統(tǒng)，不同的工作人員可以根據(jù)自身不同的管理權(quán)限對提升機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行各種不同類型的操作，包括遠(yuǎn)程操作、狀態(tài)監(jiān)測和數(shù)據(jù)查詢等。本文設(shè)計的礦井提升機(jī)自動控制系統(tǒng)結(jié)合了企業(yè)管理、現(xiàn)場監(jiān)測和集中控制三大概念，提高了煤礦運(yùn)輸工作的自動化管理水平。