神華億利黃玉川煤礦提升機(jī)電控系統(tǒng)

摘要：本文主要介紹黃玉川煤礦副井提升機(jī)電控系統(tǒng)的設(shè)計原則和系統(tǒng)特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：安全可靠PLC+FM458控制系統(tǒng)三閉環(huán)控制三大控制回路

中圖分類號：TU7文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1674-098X(2011)03(a)-0126-01

黃玉川煤礦副井采用塔式結(jié)構(gòu)，井口直徑9.2m，目前是全國井筒直徑最大、罐籠最大的豎井，一個井筒安裝兩部提升機(jī)提升，都采用罐籠＋平衡錘提升，一部是型號JKM-4.6×6大罐籠提升機(jī)，一部是型號JKM-2.4×2交通罐提升機(jī)，主機(jī)由中信重工機(jī)械有限責(zé)任公司制造。采用西門子電控、西馬格的制動液壓系統(tǒng)和鎖罐裝置。

副立井提升系統(tǒng)電控部分。

1 電控系統(tǒng)設(shè)計原則

1.1 安全性

在滿足《礦山電力規(guī)范》和《煤礦安全規(guī)程》等對礦井提升機(jī)安全保護(hù)要求的前提下，還根據(jù)提升機(jī)運(yùn)行工況增加相應(yīng)的保護(hù)功能。雙PLC設(shè)計，一路主控，一路監(jiān)控，所有與安全有關(guān)的信號都納入控制系統(tǒng)，參與連鎖保護(hù)，確保提升機(jī)安全運(yùn)行。

1.2 可靠性

本方案中的控制系統(tǒng)元件和傳動系統(tǒng)裝置均為西門子公司歐盟原廠生產(chǎn)，元件性能可靠。采用軟件來實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)控制及保護(hù)，系統(tǒng)簡潔合理，故障率更低。

1.3 先進(jìn)性

針對礦井提升系統(tǒng)，設(shè)計了專用的工藝控制模塊，編寫了專用的工藝控制系統(tǒng)，所有元件及電腦等均采用目前主流的配置。

1.4 易用性

西門子公司的產(chǎn)品在國內(nèi)應(yīng)用廣泛，覆蓋各個行業(yè)，簡單易用，且另備件供應(yīng)充足。工藝控制關(guān)鍵數(shù)據(jù)均采用參數(shù)形式，修改方便，畫面顯示系統(tǒng)更為檢修和故障查找?guī)砹朔奖恪?/p>

2 系統(tǒng)特點(diǎn)

2.1 控制系統(tǒng)分工明確

針對礦山行業(yè)的特殊性，采用PLC+FM458構(gòu)架的控制系統(tǒng)。邏輯控制部分由S7-400 PLC來實(shí)現(xiàn)，工藝控制部分由FM458控制器來實(shí)現(xiàn)。S7-400是西門子公司生產(chǎn)的高端PLC系列，其在處理時間，處理精度，容錯能力，故障率，擴(kuò)展能力，通訊能力，易用性等方面均具有一定的優(yōu)越性。PLC主要用來實(shí)現(xiàn)邏輯連鎖控制和保護(hù)功能。FM458是針對某些行業(yè)對自動化和工藝控制要求比較高的場合下而開發(fā)的64位處理器。傳統(tǒng)的PLC處理程序的方式是掃描控制，周期掃描時間是隨著程序的長短和程序的結(jié)構(gòu)變化而變化。FM458的程序功能塊是固定掃描周期運(yùn)算，程序的處理時間是固定的。普通PLC的運(yùn)算能力特別是浮點(diǎn)運(yùn)算能力不強(qiáng)，F(xiàn)M458的高浮點(diǎn)運(yùn)算能力和程序固定時間處理能力充分滿足了礦山等行業(yè)對工藝控制的準(zhǔn)確性與實(shí)時性的要求。

2.2 電氣信號總線通訊傳送方式

提升機(jī)控制系統(tǒng)會對高壓柜，低壓柜，變壓器，井筒信號，裝/卸載信號，操作臺，電動機(jī)，風(fēng)機(jī)等設(shè)備進(jìn)行信號采集和連鎖控制。西門子公司對所有遠(yuǎn)程信號采集和控制均采用Profibus通訊方式進(jìn)行，在遠(yuǎn)程站放置ET200裝置。這種分布式網(wǎng)絡(luò)控制方式布線簡單，拓?fù)鋽U(kuò)展方便，減少了現(xiàn)場接線，維護(hù)方便，故障率低，為設(shè)備生產(chǎn)和故障處理爭取了大量的時間和人力。S7-400 PLC可擴(kuò)展Ethernet通訊，為公司集中調(diào)度和信息集中顯示提供了方便。擴(kuò)展的通訊功能可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷，為系統(tǒng)故障的查找和排除，參數(shù)修改等帶來方便。

2.3 位置、速度、轉(zhuǎn)矩三閉環(huán)控制

西門子公司針對礦山行業(yè)控制的特殊性及復(fù)雜性，開發(fā)出礦山專用的提升工藝控制功能塊，只需簡單的參數(shù)設(shè)定，就能實(shí)現(xiàn)各種工況下的提升工藝控制。

位置控制：提升控制工藝中位置決定了速度，位置給定值決定了速度給定值。通過軸編碼器反饋回來的實(shí)際位置信號，實(shí)時調(diào)整速度給定值，確保提升機(jī)完全按照設(shè)計曲線運(yùn)行。同時根據(jù)反饋回來的位置值來判斷何時停車，實(shí)現(xiàn)精確停車。

速度控制：西門子提升系統(tǒng)為全數(shù)字控制，閉環(huán)無級調(diào)速。由于加入了沖力值(加速度的導(dǎo)數(shù))控制，使得在速度的拐角處實(shí)現(xiàn)了S弧線，減少了對鋼絲繩和機(jī)械設(shè)備的沖擊和磨損。速度的精確檢測和閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)了在速度為0的情況下施工作閘停車，改變了傳統(tǒng)方式下的靠停車開關(guān)停車，靠磨閘瓦停車。

轉(zhuǎn)矩控制：西門子高性能的傳動裝置確保了轉(zhuǎn)矩的靜態(tài)精度和動態(tài)響應(yīng)。力矩預(yù)置功能保證了提升機(jī)啟動時不會下墜或上躥，啟動平滑。力矩保持功能保證了零速停車施閘時提升機(jī)不會倒溜。減少了啟動和停車時對機(jī)械設(shè)備的沖擊和閘瓦的磨損。

2.4 三大控制回路：安全回路、電氣停車回路、閉鎖回路

根據(jù)信號的輕重級別不同，把故障細(xì)分成三種，思路清晰，便于實(shí)際故障查找與排除。

安全回路：故障發(fā)生后，提升機(jī)立即抱閘實(shí)施機(jī)械制動，提升機(jī)不能再啟動，直至故障被復(fù)位。

電氣停車回路：故障發(fā)生后，系統(tǒng)將立即實(shí)行電氣停車。之后，提升機(jī)將不能啟動，直至故障被復(fù)位。

閉鎖回路：故障發(fā)生后，仍允許提升機(jī)繼續(xù)完成本次提升。但在本周期完成之后，提升機(jī)將被閉鎖，不能啟動，直至故障被復(fù)位。

2.5 雙PLC控制的主控、監(jiān)控系統(tǒng)

提升機(jī)控制工藝復(fù)雜，設(shè)備之間連鎖較多，對實(shí)時性和安全性要求甚高。西門子公司的提升機(jī)控制系統(tǒng)把安全可靠性擺在第一位。

所有的與安全有關(guān)的現(xiàn)場設(shè)備信號分別進(jìn)入主控、監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行連鎖比較，任意一個系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)故障信號時立即采取相應(yīng)措施，有效避免了單PLC系統(tǒng)可能發(fā)生的信號誤采集，CPU自身運(yùn)算錯誤等故障發(fā)生。

主控PLC、監(jiān)控PLC系統(tǒng)在工藝控制功能上實(shí)行雙路獨(dú)立信號采集、狀態(tài)判斷、實(shí)時運(yùn)算、控制指令生成等，再進(jìn)行互相比較的方式，確保了控制的每一步都是安全的。

2.6 傳感器信號的雙路檢測

西門子全數(shù)字提升控制系統(tǒng)的精確可靠控制必須以采集信號的準(zhǔn)確、實(shí)時為前提，高性能的S7-400 PLC和FM458為信號采集、傳輸、處理提供了保障。

軸編碼器：西門子公司對位置(滾筒軸處)、速度(滾筒外緣處)、滑繩(導(dǎo)向輪軸處)檢測分別設(shè)置了一個雙路輸出的高精度編碼器，信號分別進(jìn)入主控和監(jiān)控系統(tǒng)。三個編碼器反饋數(shù)據(jù)互相比較，確保每一次參與運(yùn)算數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

井筒開關(guān)：西門子精湛的制造工藝提高了井筒開關(guān)的使用壽命，防抖處理減少了誤動作。井筒開關(guān)信號直接進(jìn)入控制系統(tǒng)，中間不采用繼電器，大大減少了硬件延時帶來的控制的不準(zhǔn)確性。井筒開關(guān)信號分別進(jìn)入主控和監(jiān)控系統(tǒng)，形成了雙路保護(hù)。

2.7 提升機(jī)控制專用功能塊和工藝控制程序

任何系統(tǒng)控制都存在自身的特殊性，西門子開發(fā)了擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的提升機(jī)控制專用功能塊。位置、速度、加速度、沖力(加速度導(dǎo)數(shù))、爬行等曲線設(shè)定只需要改變參數(shù)即可，大大節(jié)省了編程開發(fā)時間，人力成本，調(diào)試時間等。該功能塊確保了提升時間的最優(yōu)化處理，縮短了不必要的爬行時間。

工藝控制中加入了包絡(luò)線速度、逐點(diǎn)速度、連續(xù)速度等速度監(jiān)視；重載提升、重載下放、提升超載、滑繩、位置突變、超速、過卷等軟件保護(hù)功能。

所有的提升控制工藝均為參數(shù)輸入，功能塊參數(shù)化的方式給以后的維護(hù)和診斷帶來了方便。

2.8 提升機(jī)起停平穩(wěn)

控制系統(tǒng)與制動系統(tǒng)在力矩給定和制動力矩增減上作為一個過渡過程處理。

參考文獻(xiàn)

[1]王朝暉.礦井提升系統(tǒng)新技術(shù)及裝備[M].北京:煤炭工業(yè)出版社，1999.

[2]王清靈，等.現(xiàn)代礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

[3]何鳳有，譚國俊.礦井直流提升機(jī)計算機(jī)控制技術(shù)[M].中國礦業(yè)大學(xué)出版社.2003.

[4]西門子電控說明.