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(xiàng)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(yùn)輸提升任務(wù)，已安裝運(yùn)行一臺(tái)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(hào)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(cái)產(chǎn)損失，分析其原因主要是電控系統(tǒng)存在不足，設(shè)計(jì)上有安全隱患，因此針對(duì)這一情況陽煤三礦對(duì)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(jì)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(hào)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(dòng)場合，相對(duì)于其他制動(dòng)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(shí)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(tái)灣研華工控機(jī)，配大屏幕真彩液晶顯示器，可以實(shí)現(xiàn)多畫面實(shí)時(shí)監(jiān)控。信號(hào)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(dòng)。

3 網(wǎng)絡(luò)化操控和監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(tái)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(jì)

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(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，同時(shí)監(jiān)控提升機(jī)的啟動(dòng)、運(yùn)行、停車等整個(gè)提升過程的運(yùn)行狀態(tài)及保護(hù)狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)PLC相互冗余控制及冗余保護(hù)。

3.2 安全回路的設(shè)計(jì)

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(hào)。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(lì)磁回路失電源、過電流、磁場失磁、傳動(dòng)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(dòng)、急停保護(hù)、制動(dòng)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(shí)信號(hào)觸發(fā)了安全回路，則可以實(shí)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(diǎn)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(duì)影響提升機(jī)運(yùn)行的關(guān)鍵信號(hào)均采用多重保護(hù)，互為監(jiān)視。輕重故障具有聲光報(bào)警或預(yù)報(bào)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(diǎn)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(duì)實(shí)際運(yùn)行的參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)記憶、保存，后期可以自動(dòng)提取，并對(duì)運(yùn)行情況進(jìn)行判斷推理，作為實(shí)現(xiàn)保護(hù)動(dòng)作的依據(jù)。同時(shí)軟件設(shè)計(jì)過程中應(yīng)用先進(jìn)的算法，簡化了程序，提高了運(yùn)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(dòng)跟蹤生成提升包絡(luò)，主要完成松繩、過卷和超速等判斷，實(shí)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(shí)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(tái)的設(shè)計(jì)

司機(jī)操作臺(tái)配置的PLC、直接采集控制信號(hào)和主控PLC形成冗余控制，保證控制執(zhí)行正確，同時(shí)通過2套PLC共同進(jìn)行提升機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)采樣，可以形成對(duì)保護(hù)功能的冗余，在個(gè)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(duì)提升機(jī)的保護(hù)更加安全可靠。重要的操作信號(hào)和組成的報(bào)警信號(hào)均可在操作臺(tái)上的信號(hào)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(dòng)液壓站控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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(shí)控制制動(dòng)閘液壓站，包括安全制動(dòng)和工作制動(dòng)，其中工作閘可實(shí)現(xiàn)PLC自動(dòng)施閘和司機(jī)用手柄手動(dòng)施閘。液壓制動(dòng)系統(tǒng)接受來自本提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)的信號(hào)，并給電控系統(tǒng)發(fā)回相應(yīng)的動(dòng)作信號(hào)。提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)與液壓制動(dòng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)一致，處理各類信號(hào)。

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(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)副井提升機(jī)運(yùn)行的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)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(gè)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(duì)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(dòng)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(hào)裝置采用PLC控制，主信號(hào)、備用信號(hào)相互獨(dú)立，備用信號(hào)滿足應(yīng)急開車條件信號(hào)系統(tǒng)組合在現(xiàn)場總線中，每個(gè)水平的信號(hào)是一個(gè)遠(yuǎn)程分站，水平信號(hào)工的操作信號(hào)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(jì)能有效降低信號(hào)的誤傳率，提高信號(hào)傳送的準(zhǔn)確性，同時(shí)井下信號(hào)電纜的投資成本得到了大幅度降低[3-5]。

5 液壓制動(dòng)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(dòng)器提供不同油壓值的壓力油，以獲得不同的制動(dòng)力矩；事故狀態(tài)下，可以使制動(dòng)器的油壓迅速降到預(yù)先調(diào)定的某一值，經(jīng)過延時(shí)后，制動(dòng)器的全部油壓迅速回到零，使制動(dòng)器達(dá)到全制動(dòng)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(yùn)行時(shí)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(shí)現(xiàn)了微型化，提高了繼電保護(hù)動(dòng)作可靠性，故障由上位機(jī)及時(shí)監(jiān)控顯示，便于維護(hù)及故障查詢，同時(shí)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(yùn)行一年之久，在這過程中設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，無安全故障發(fā)生，有效保證了提升機(jī)運(yùn)行安全，設(shè)備運(yùn)行正常，完成了全礦斜井的運(yùn)輸任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了煤礦生產(chǎn)運(yùn)輸自動(dòng)化。