基于工業以太網通信對礦井主立井提升系統的自動化改造

洛陽智超機電科技有限公司 河南洛陽 471031

礦 井提升機是礦山生產的咽喉設備，尤其是主井提升機，它擔負著全礦的生產運輸任務，要求監控準確、預警及時、調度合理、應急措施及時到位[1]。目前大部分礦井還未真正地實現無人值守自動化，提升機控制設備一般由司機操控，隨著自動控制與監測技術的發展，特別是網絡信息技術的發展，實現主立井提升機、裝載站、卸載站在正常情況下的無人值守以及遠程監控已具備條件。

1 存在問題

(1)自動化程度不高，人為參與控制較多，對提升機的安全性、穩定性、經濟性都有一定影響。

(2)監控系統落后，僅在操作員站有控制權和監視權，企業調度中心沒有權限，無法及時了解設備狀況，進行合理調度和決策。

(3)故障應急手段落后，出現故障時，需要操作員電話通知企業調度中心，調度中心難以及時準確地了解故障狀況，導致決策延時或不夠合理。

(4)設備工藝參數的調整只能由現場操作員站進行，且需要有經驗的工程師操作。由于礦井分布的特點，在多個設備需要調整工藝參數時，工程師無法及時到達現場。

(5)各礦井提升機系統相對獨立，監控數據分散，不能給企業提供有效的故障分析依據，做不到提前預警，不能減少安全隱患。

(6)對機械設備主要部位檢測手段不夠，留有許多檢測盲點。

(7)部分安全檢測為機械或模擬量檢測，檢測精度低，串口通信方式抗干擾能力差、可靠性低。

為了解決上述問題，亟待實現一種無人值守的遠程集中監控系統。

2 改造實施方案

以某金屬礦主立井提升系統為例，其主立井提升機電控及機械傳動部分、裝卸載集控站、裝載站、卸載站分布如圖 1 所示。

2.1 提升機電控系統改造

提升機型號：JKM-2.8×4(II)；直流電動機型號：Z710-500；拖動方式：采用西門子原裝 6RA80全數字直流調速裝置，主回路為磁場恒定、電樞可逆并聯 12 脈動[2]；提升高度為 470 m，最大運行速度為9.6 m/s。

PLC 控制柜安裝于地面提升機房，原系統采用西門子 S7-300 PLC 主、從控制[3]，主控柜 PLC 模塊包括電源模塊、CPU 模塊、DI/DO 模塊、AI/AO 模塊；操作臺 PLC 模塊包括電源模塊、CPU 模塊、DI/DO 模塊、AI/AO 模塊；主控柜 PLC 與操作臺 PLC通過 MPI 網絡實現數據通信。

圖1 主立井的布置Fig.1 Layout of main shaft

2.1.1 改造方案

在原主控柜增加 1 個西門子 CP343-1 通信模塊、1 個光電轉換模塊、1 個工業以太網交換機，在操作臺增加 1 個西門子 CP343-1 通信模塊、智能閘間隙及溫度檢測傳感器，如圖 2 所示。閘瓦檢測采用定位精度高、動作可靠、使用壽命長的無觸點位移開關，溫度檢測采用遠紅外非接觸式溫度傳感器。

在主控柜 S7-300 PLC 程序中增加產量自動統計程序，在上位機組態王軟件上重新配置產量統計顯示組態畫面[4]，對提升礦石的班、日、月、年產量及相應礦倉礦石種類實現自動統計，且設置數據查看權限，避免操作人員誤操作。

2.1.2 方案實施

PLC 模塊負責提升機油壓制動系統控制與保護、電動機傳動系統速度的控制與保護、提升容器位置的控制與保護，以及安全回路雙線制冗余保護[5]；接收閘瓦磨損傳感器 (共 16 路)和閘盤溫度傳感器 (共 2路)信號，實時檢測閘瓦間隙和閘盤溫度，并顯示在遠程監控站上，既可設置閘瓦間隙超限預報警和閘瓦磨損故障報警，也可設置彈簧疲勞預報警、彈簧故障報警以及閘盤溫度報警。

圖2 改造后的提升機電控系統Fig.2 Transformed electric control system of hoist

安裝完線性位移型閘瓦磨損傳感器后，首先在遠程監控站的顯示器上用鼠標點擊“閘瓦間隙清零”按鈕，此時“閘瓦間隙清零”閃爍，3 s 后 PLC 自動設置閘瓦的初始位置，并記錄存儲該值作為閘瓦間隙超限、閘瓦磨損、彈簧疲勞預報警和故障報警的依據。當提升機抱閘時，檢測閘瓦磨損量，以“-”值表示；當提升機敞閘時，檢測閘瓦間隙超限和彈簧疲勞故障，以“+”值表示。當閘盤溫度超過 65 ℃ 時，預報警；當閘盤溫度超過 75 ℃ 時，故障報警。

2.2 裝卸載集控站電控改造

裝卸載集控站電控柜安裝于井口控制室，原電控柜采用西門子 S7-300 PLC 控制，PLC 模塊包括電源模塊、CPU 模塊，配置 2 個 DP 通信模塊 IM153 分別放在裝載站電控柜和卸載站電控柜，通過 Profibus-DP 總線進行數據通信，完成裝載站和卸載站的集中控制和信號傳輸，同時與提升機電控柜 PLC 通過 MPI 網絡實現數據通信。

2.2.1 改造方案

在原裝卸載集控站 PLC 控制柜增加 1 個西門子 CP343-1 通信模塊、1 個 Profibus-DP光纖轉換模塊 OLM，改造后如圖 3 所示。

圖3 改造后的裝卸載集控站電控系統Fig.3 Transformed eletric control system of loading and unloading centralized control station

2.2.2 方案實施

PLC 通過 CP343-1 通信模塊與提升機電控實現MPI 數據通信；通過 Profibus-DP 總線，經由 DP 轉光纖模塊 OLM 與裝載站 PLC 和卸載站 PLC 進行數據通信，實現對裝卸載站的集中控制。

2.3 裝載站電控改造

裝載站 PLC 控制柜安裝于井底裝載站硐室，完成箕斗裝載工藝控制、安全保護及運行狀態監控。裝載站的設備分布如圖 4 所示。裝載站原 PLC 控制柜安裝有電源模塊、IM153 模塊、DI/DO 模塊、AI/AO模塊。

圖4 裝載站的設備分布Fig.4 Equipment layout in loading station

2.3.1 改造方案

在原裝載站 PLC 控制柜增加 1 個 Profibus-DP 光纖轉換模塊 OLM，改造后如圖 5 所示。

圖5 改造后的裝載站電控系統Fig.5 Transformed electric control system of loading station

在計量斗最大容積線處安裝一個檢測開關，與計量稱重模塊形成雙保護回路，互為冗余。當計量斗內礦石質量達到系統設置時，如果計量稱重模塊未能正確檢測到礦石質量，導致礦石繼續裝載，在礦石超過容積線時，檢測開關給出一個開關信號，觸發礦倉定容保護動作，裝載系統自動停止礦石裝載并報警。

在放礦機出口輸送帶處安裝超聲波檢測傳感器，用于檢測直徑大于某一尺寸的大顆粒礦石，預防下料口堵塞。超聲波傳感器適用于惡劣工況和灰塵環境，安裝于帶式輸送機上方，通過檢測塊狀礦石高度，從而判斷物料大小，一旦檢測出有大顆粒物料，立即報警，停止放礦機和帶式輸送機，待問題處理完后，再正常運行。

2.3.2 方案實施

裝載工藝控制包括振動給礦機、帶式輸送機、計量斗、扇形門、活溜嘴控制，通過計量稱重傳感器和PLC 可以實現計量斗的定量稱重裝載。當定量斗為箕斗裝載結束后，收回計量斗活溜嘴，關閉計量斗的扇形門，為提升機發送“裝載完成”信號。箕斗離開裝載位置后，啟動帶式輸送機和振動給礦機，為計量斗輸送礦石，PLC 通過計量稱重傳感器實時檢測計量斗內的礦石質量，當礦石質量達到要求時，停止振動給礦機和帶式輸送機，為下一次箕斗裝載做準備。

為了防止提升機過載運行，采用計量和計容雙保護回路，同時設置大顆粒礦石超聲波檢測和放礦機卡斗檢測保護。通過檢測計量斗內的礦石質量在單位時間的變化率，來判斷是否存在大塊礦石堵塞放礦口的問題，并進行報警。

2.4 卸載站電控改造

卸載站 PLC 控制柜安裝于井口卸載站控制室，完成箕斗卸載工藝控制、安全保護及運行狀態監控。原控制柜安裝有電源模塊、IM153 模塊、DI/DO 模塊、AI/AO 模塊。

2.4.1 改造方案

在原 PLC 控制柜增加 1 個 Profibus-DP 光纖轉換模塊 OLM、2 個箕斗門開閉檢測傳感器、防撕裂保護裝置和輸送帶打滑檢測裝置、井上礦倉定容檢測開關，改造后如圖 6 所示。

圖6 改造后的卸載站電控系統Fig.6 Transformed electric control system of unloading station

2.4.2 方案實施

控制柜 PLC 模塊完成與裝卸載集控站控制柜內PLC 的數據通信；增加箕斗門關閉保護和對井上礦倉礦位的檢測。在卸載曲軌位置安裝箕斗門關閉檢測傳感器，用于檢測箕斗門的開閉狀態，防止箕斗在箕斗門未完全關閉時從曲軌滑出，避免箕斗未卸空時的二次過量裝載和裝載時的井底漏料造成的安全隱患。

當井上礦倉礦石不滿倉時，提升系統自動運行；當井上礦倉礦石滿倉時，提升系統自動停止。礦石下放，礦位降低，再次檢測到井上礦倉不滿倉時，提升機再次進入自動提升循環。增加井上礦倉定容檢測開關，防止裝載時超過礦倉最大容積，導致卸礦溜槽卡堵、礦石溢出礦倉掉入井筒。

2.5 遠程集控站改造

遠程集控站安裝于礦山中控室，完成主立井提升機、裝載站與卸載站的工藝控制、安全保護及運行狀態監控。

2.5.1 改造方案

遠程集控站安裝有工控機、顯示器、光電轉換模塊，在原遠程集控站增加 1 臺工業控制計算機 IPC 810、1 個光電轉換模塊、1 個工業交換機，如圖 7所示。

2.5.2 方案實施

以工業以太網通信模式與提升機PLC 控制柜、裝卸載集控站 PLC 控制柜、裝載站 PLC 控制柜、卸載站 PLC控制柜進行連接，并完成數據交換。編制有提升機運行監控畫面、裝載站監控畫面和卸載站監控畫面，可在集控室實現對提升機、裝載站和卸載站的工藝控制、安全保護及運行狀態監控[5]。

圖7 改造后的遠程監控站通信網絡Fig.7 Transformed communication network of remote monitor station

主立井提升機、裝卸載集控站、裝載站與卸載站的遠程監控通信如圖 8 所示。

3 遠程集控控制功能的實現

遠程集控站有全自動和半自動 2 種工作方式，正常工作時為全自動工作方式。

圖8 改造后的通信網絡Fig.8 Transformed communication network

3.1 全自動工作方式

在全自動運行方式下，在遠程監控站，操作人員在上位監控系統上選擇全自動，提升機系統進入自動運行模式。井底裝載系統在自動模式下，先對計量斗進行自動裝載。系統自動對計量斗內礦石質量進行檢測，確定計量斗內無礦石，則自動啟動帶式輸送機、振動放礦機將礦石裝入箕斗，待稱重傳感器檢測到計量斗內礦石質量達到系統設置時，系統自動停止計量斗的裝載，等待箕斗自動運行到井底裝載停準位置。計量裝載系統接收到箕斗下到位的停準信號后，自行啟動液壓站，順序打開活溜嘴、扇形門，將礦石卸至箕斗內，待稱重傳感器檢測到計量斗已卸空，則自動落下扇形門，收起活溜嘴，待兩者全部到位后，給出允許開車指令，信號系統發出上提信號，箕斗自動開始提升，計量裝載系統又開始重復對計量斗進行自動裝載，進入下一工作循環。

提升機在自動模式下，先自行啟動外圍設備，檢測到箕斗未在井口卸載位置，信號系統自動發出上提信號，將箕斗先提升至井口卸載站，保證箕斗已卸空，再自動發出下放信號，進入自動化運行。提升系統將箕斗落至井底裝載位置，井底箕斗到位開關動作，信號系統自動發出停車信號，提升機自動停車，等待裝載系統對箕斗裝礦。裝載系統對箕斗裝載完成后，信號系統自動發出上提信號，提升機接收到井底裝載系統發出的上提信號，則自動開始提升，完成啟動、加速、勻速、減速和爬行的運行過程，當箕斗到達井口卸載位置時，井口到位開關動作，信號系統自動發出停車信號，提升機自動停車，礦石卸入井口溜井內，箕斗卸空后，信號系統自動發出下放信號，提升機自動開始下放，將箕斗落至井底裝載位置，進入下一工作循環。在系統的整個運行過程中，均不需要人工參與操作，從而實現了主井提升系統的自動化運行。

3.2 半自動工作方式

在半自動運行方式下，在遠程監控站或箕斗井卷揚操控室，操作人員在上位監控系統上選擇半自動，提升機進入半自動運行模式，井底計量裝載系統進入手動工作模式。在該模式下，提升機上提信號由井底裝載系統操作人員手動發出，下放信號是由井口卸載站操作人員手動發出，提升機接收到信號后，卷揚司機按動運行按鈕，提升機根據開車信號，開始上提或下放。井底計量裝載系統對計量斗的裝載和卸載工作都是人工手動完成，該模式只在日常檢修時采用。

4 改造效果

通過對礦井主立井提升系統自動化遠程集控改造，與傳統礦井主立井提升系統控制技術相比，具有明顯的優勢，可實現無人值守的主立井提升系統遠程集中監控。作為新型的遠程監控手段，更直接、更有效、更實用，主立井提升機不需配置絞車司機，可以減少用工成本，由值班調度對主立井提升系統運行情況進行實時監控；安全保護齊全，對主立井自動化提升的安全性起到至關重要的作用，降低了故障率，提升了生產效率，收到了良好的效果；以“自動化減人，機械化換人”為理念，實現了無人值守、減員增效的目標。

5 結語

對礦井主立井提升系統中提升機、裝卸載集控站、裝載站、卸載站的電控系統進行設計改造，采用工業以太網通信，借助組態監控軟件，實現了主立井提升系統無人值守。通過互聯網優勢，可實現異地對礦井主立井提升系統遠程在線監測，對電氣設備、機械設備關鍵參數進行數據分析，為設備正常運行提供有力支援。