礦用猴車自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用分析

連曉雄

（潞安化工集團(tuán)常村煤礦， 山西 長(zhǎng)治 046100）

引言

在煤礦現(xiàn)場(chǎng)，煤礦挖掘工人常通過猴車進(jìn)行井下井上的來回，礦下作業(yè)環(huán)境比較復(fù)雜惡劣，有時(shí)常影響猴車系統(tǒng)的正常工作，一旦運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障，將對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工人的人身安全造成威脅?；谝陨显颍疚脑O(shè)計(jì)了兩級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)猴車的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，分別為井下控制系統(tǒng)和地面監(jiān)控后臺(tái)。井下控制系統(tǒng)根據(jù)猴車是否乘人，對(duì)猴車的運(yùn)行速度進(jìn)行調(diào)頻控制。而在地面從監(jiān)控后臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)視猴車的運(yùn)行狀態(tài)，并根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)猴車的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整以及及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。

1 猴車結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

1.1 猴車結(jié)構(gòu)

猴車具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，基本零部件組成包括牽引鋼絲繩、驅(qū)動(dòng)輪、防爆電機(jī)等。工作流程為：電機(jī)轉(zhuǎn)子帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)輪帶動(dòng)鋼絲繩來回周期運(yùn)動(dòng)，工人則在猴車上隨鋼絲繩帶往目的地。

圖1 猴車結(jié)構(gòu)圖

1.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

對(duì)猴車的監(jiān)控有兩套監(jiān)控系統(tǒng)，分別為井下和地面。井下控制系統(tǒng)可對(duì)猴車的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)生故障或出現(xiàn)什么問題，自動(dòng)控制系統(tǒng)將快速反應(yīng)，避免更大問題的發(fā)生，同時(shí)通過井下環(huán)網(wǎng)將運(yùn)行出現(xiàn)的問題及時(shí)反饋給地面平臺(tái)，地面監(jiān)控平臺(tái)對(duì)出現(xiàn)的問題進(jìn)行存儲(chǔ)，為以后猴車的正常運(yùn)轉(zhuǎn)提供分析的素材[1-2]。

井下自動(dòng)控制系統(tǒng)將根據(jù)猴車有無乘坐人員對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在無人乘坐時(shí)，系統(tǒng)控制猴車低速運(yùn)行，降低能耗；有人乘坐時(shí)，系統(tǒng)控制猴車以其設(shè)計(jì)速度運(yùn)行。

2 控制系統(tǒng)的構(gòu)成

整個(gè)猴車自動(dòng)控制系統(tǒng)由三部分組成，分別是I/O 分站、井下PLC 控制程序和地面計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。井下控制系統(tǒng)接收上下相關(guān)設(shè)備傳遞的數(shù)據(jù)信息，控制猴車的運(yùn)行狀態(tài)，并及時(shí)將有關(guān)猴車運(yùn)行情況反饋給上位機(jī)，如猴車發(fā)生故障時(shí)。自動(dòng)控制系統(tǒng)一旦出現(xiàn)運(yùn)行錯(cuò)誤，通過I/O 分站進(jìn)行相關(guān)信號(hào)的傳遞，將問題及時(shí)處理。經(jīng)過比較分析，地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)安裝有MCGS 組態(tài)軟件，其能夠完成井下和地面雙方監(jiān)控信息的反饋傳遞。自動(dòng)控制系統(tǒng)通過傳感器對(duì)是否有人員乘車，通過PLC 控制變頻器控制猴車的運(yùn)行狀態(tài)。整個(gè)地面和井下自動(dòng)控制系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)配置如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

3 井下主站

如下頁圖3 所示，井下控制系統(tǒng)基本組成部分有變頻調(diào)速系統(tǒng)、300PLC 等。整個(gè)控制系統(tǒng)通過PLC接收、傳遞及處理信號(hào)來實(shí)現(xiàn)其控制運(yùn)行。在經(jīng)過精確計(jì)算及合理考慮，系統(tǒng)可對(duì)猴車的運(yùn)行速度調(diào)設(shè)范圍設(shè)為0.5～3 m/s。通過紅外傳感器對(duì)猴車的運(yùn)行速度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在有人乘坐猴車時(shí)，控制猴車按其設(shè)計(jì)速度運(yùn)行，無人乘坐時(shí)，控制其低速運(yùn)行。自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成部分有溫度傳感器、紅外計(jì)數(shù)器、速度傳感器等。整個(gè)猴車自動(dòng)控制系統(tǒng)就是通過這一系列的傳感器對(duì)猴車的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制，并及時(shí)反饋故障等信息，有效地保障了猴車的正常工作。

圖3 井下主站系統(tǒng)

3.1 變頻調(diào)速功能

一般情況下電機(jī)是不變方向的，單向帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)，一旦出現(xiàn)故障，電機(jī)也可通過手動(dòng)操作進(jìn)行反向旋轉(zhuǎn)。變頻器的組成結(jié)構(gòu)如圖4 所示，自動(dòng)控制系統(tǒng)通過PLC 控制變頻器調(diào)控猴車的運(yùn)行速度。還有在驅(qū)動(dòng)輪上安裝的安全緊急制動(dòng)開關(guān)和高速制動(dòng)開關(guān)，保障了猴車的安全運(yùn)行。

圖4 接線示意圖

3.2 工作模式

PLC 控制程序操作時(shí)可調(diào)成自動(dòng)模式，也可進(jìn)行手動(dòng)控制。在PLC 自動(dòng)控制模式下，自動(dòng)控制系統(tǒng)將根據(jù)設(shè)定的程序自主的在固定時(shí)間段內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)猴車運(yùn)行狀態(tài)的控制，比如正常上、下井高峰期，這時(shí)需要系統(tǒng)控制猴車進(jìn)行連續(xù)工作。當(dāng)有個(gè)別工人在高峰期外上、下井時(shí)，需要系統(tǒng)控制猴車開啟間斷工作模式。無人乘坐時(shí)，控制猴車低速運(yùn)行或停止運(yùn)行。PLC 手動(dòng)控制模式，就是需要通過現(xiàn)場(chǎng)工作人員手動(dòng)操作井下控制臺(tái)對(duì)猴車的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制。

3.3 診斷和故障報(bào)警

以上所述的自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠在開工前，對(duì)自己本身的設(shè)備和控制程序進(jìn)行自我檢測(cè)，若沒有達(dá)到實(shí)際開工要求，則HMI 和監(jiān)控后臺(tái)報(bào)警并反饋故障信息，提醒相關(guān)工作人員對(duì)故障部位進(jìn)行修理調(diào)整，極大保障了設(shè)備的安全運(yùn)行。

3.4 保護(hù)功能

該自動(dòng)控制系統(tǒng)同時(shí)具備一系列的保護(hù)功能，如過速飛車保護(hù)、脫繩保護(hù)、緊急停車保護(hù)等等。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)工作人員遇到危險(xiǎn)時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)識(shí)別發(fā)出報(bào)警信號(hào)；當(dāng)井下巷道發(fā)生危險(xiǎn)情況，現(xiàn)場(chǎng)人員可通過報(bào)警開關(guān)制動(dòng)猴車，同時(shí)上傳監(jiān)控平臺(tái)；當(dāng)猴車的運(yùn)行速度過快，或拖運(yùn)工人的牽引鋼絲繩斷裂，系統(tǒng)均能自動(dòng)終止猴車的繼續(xù)運(yùn)行，并及時(shí)將故障信息反饋上報(bào)。不論上哪一種安全情況發(fā)生，系統(tǒng)將自動(dòng)停止相關(guān)設(shè)備的繼續(xù)運(yùn)行，并及時(shí)發(fā)出報(bào)警信息，在后臺(tái)監(jiān)控平臺(tái)上顯示安全保護(hù)項(xiàng)目。只有故障消除后，報(bào)警解除，才能繼續(xù)正常工作。

4 軟件設(shè)計(jì)與系統(tǒng)組態(tài)

4.1 軟件設(shè)計(jì)

PLC 的最大功能是能夠通過變頻器對(duì)猴車的運(yùn)行速度實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，但是在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試檢修時(shí)，需要手動(dòng)進(jìn)行操作。在系統(tǒng)自動(dòng)工作模式下，一旦出現(xiàn)保護(hù)動(dòng)作，系統(tǒng)立刻會(huì)將相關(guān)數(shù)據(jù)信息上傳至后臺(tái)監(jiān)控主站，經(jīng)主站對(duì)上傳的信息處理后發(fā)出指令對(duì)PLC 控制程序?qū)嵤┛刂疲辉谙到y(tǒng)手動(dòng)模式工作中，可以不需要系統(tǒng)發(fā)出保護(hù)數(shù)據(jù)信息，強(qiáng)制對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)修檢測(cè)。自動(dòng)控制系統(tǒng)可通過地面監(jiān)控平臺(tái)或井下控制系統(tǒng)對(duì)猴車的運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。在系統(tǒng)自動(dòng)工作模式下，地面和井下控制系統(tǒng)對(duì)猴車的控制均有效，誰先發(fā)出的控制信號(hào)，猴車就遵循誰的指令。在系統(tǒng)自動(dòng)操作模式下，系統(tǒng)根據(jù)傳感器發(fā)出的數(shù)據(jù)信息，控制電機(jī)運(yùn)行。另外系統(tǒng)根據(jù)猴車運(yùn)行時(shí)間和拉線信號(hào)，指令猴車停止工作。

4.2 組態(tài)設(shè)計(jì)

在猴車自動(dòng)控制系統(tǒng)中，構(gòu)造生成地面計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的MCGS 組態(tài)軟件將通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的收集整理，以報(bào)表輸出等多種方式為用戶提供解決問題方案。

該組態(tài)軟件不僅能夠通過可視化監(jiān)控對(duì)PLC 進(jìn)行控制，還可把PLC 的相關(guān)數(shù)據(jù)信息及時(shí)反饋在后臺(tái)監(jiān)控平臺(tái)。地面計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通過PLC 上傳的相關(guān)數(shù)據(jù)信息對(duì)猴車運(yùn)行實(shí)現(xiàn)控制。一旦猴車運(yùn)行狀況出現(xiàn)障礙，報(bào)警信息立即通過PLC 處理后傳遞至地面監(jiān)控平臺(tái)。相關(guān)的故障信息會(huì)在地面控制系統(tǒng)中保存有一定的周期，以便工作人員隨時(shí)查閱，完善系統(tǒng)運(yùn)行的漏洞。

工作人員需要通過監(jiān)控界面來獲取系統(tǒng)的運(yùn)行信息，通過監(jiān)控界面實(shí)現(xiàn)的功能有：能夠?qū)Σ煌僮魅藛T設(shè)置管理權(quán)限；顯示猴車運(yùn)行速度、變頻器、電機(jī)等運(yùn)行信息。

5 結(jié)語

設(shè)計(jì)了猴車的地面和井下自動(dòng)控制系統(tǒng)，大部分運(yùn)行情況下，系統(tǒng)實(shí)行自動(dòng)運(yùn)行，緊急情況下或強(qiáng)制對(duì)系統(tǒng)檢修維護(hù)的時(shí)候可手動(dòng)操作。經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用，該系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好，故障發(fā)生率與之前系統(tǒng)相比降低，既有效保證了工作效率，還一定程度上降低了猴車運(yùn)行時(shí)的安全風(fēng)險(xiǎn)。