煤礦提升機減速轉換裝置控制技術研究

謝良魁，張 豪，王曉統

(1.河南能源化工集團 永煤公司，河南 永城 476600； 2.河南能源化工集團 永煤公司陳四樓煤礦，河南 永城 476600；3.河南能源化工集團 永煤公司車集煤礦，河南 永城 476600)

在煤炭生產中，煤礦提升機是聯系井上下關鍵設備，擔負著升降人員、提升設備和材料等任務，不僅影響著整個礦井的安全效益，而且直接關系到煤礦工人的生命安全?，F階段提升機制動系統主要有安全制動和正常制動2種方式。安全制動是在煤礦提升機出現意外時采取的一種保護技術，正常制動是在煤礦正常提升時采取抱閘的制動方式。目前，國內提升機大部分是靠恒力矩實現，但是隨著煤礦提升機可靠性的不斷提高，其缺點也凸顯出來，發展恒減速制動系統也成為了趨勢。恒減速制動系統存在可靠性高、穩定性高等特點，但是更換整套提升制動系統成本高、周期長。為了解決該問題，需要在原有恒力矩制動系統上添加恒減速制動功能，使系統維護方便、結構簡單、成本低廉、使用可靠[1-3]。鑒于此，本文研究了煤礦提升機減速轉換裝置控制系統，液壓系統主要包括原二級制動液壓系統、粗過濾器、溢流器、壓力表、儲能器、單向閥、電液比例溢流閥、二位四通換向閥、截止閥等，并對硬件部分、軟件部分、上位機進行設計。研究對煤礦提升機減速制動的改造具有重要的意義。

1 煤礦提升機制動系統的技術要求

為了保證煤礦提升機安全、可靠運行，《煤礦安全規程》提出了一系列的要求[4-5]。

(1)當提升機在進行安全制動時，其產生的制動力矩(Mz)≥提升系統最大靜負荷力矩(Mj)的3倍。即：

Mz≥3Mj

(1)

式中，Mj為提升系統最大靜負荷力矩；Mz為制動力矩。

(2)當煤礦提升機采用盤式制動器時，盤式空動時間≤0.3 s。

(3)煤礦提升機安全制動減速度：

Ac=g(sinθ+fcosθ)

(2)

式中，f為運行阻力系數；θ為井巷傾角；g為重力加速度；Ac為自然減速度。

煤礦提升機安全制動減速度技術要求見表1。

表1 煤礦提升機安全制動減速度技術要求Tab.1 Technical requirements for safe braking and deceleration of mine hoists

除此之外，恒減速液壓系統還需遵守《礦井提升機和礦用提升絞車 液壓站》(JB/T 3277—2017)的要求：①殘壓應符合相關規定(表2)；②油壓(P)應在0.2Pmax～0.8Pmax，且P=F(U)或P=F(I)特性曲線應趨于直線；③在安全制動開始(前30%時間段內)，任意時間的減速度和給定速度的差值不能超過給定速度的15%，另外其他時間段內不超過給定速度的10%；④從安全回路電信號的發出至恒減速度的建立時間小于0.8 s；⑤在比例閥壓力口處，過濾器的精度不能超過10 μm；⑥當煤礦提升機恒減速器制動失效時，應立即轉為備用或二級恒減速制動；⑦對于油壓，其中低液壓站壓力幅值不能超過0.2 MPa；⑧當未接入盤型制動器時，油壓與電壓、電流的滯后時間不能大于0.1 s；⑨當有2套“調壓裝置”時，2套“調壓裝置”間油壓的差值不能超過0.2 MPa。

表2 煤礦提升機安全制動系統殘壓相關技術要求Tab.2 Relevant technical requirements for residual pressure of safety brake system of mine hoist

2 減速轉換裝置控制系統

煤礦提升機恒力矩—恒減速轉換裝置液壓系統設計[6-8]如圖1所示。主要包括原二級制動液壓系統、溢流器、壓力表、儲能器、單向閥、電液比例溢流閥、二位四通換向閥、截止閥、壓力變送器、二位二通換向閥、精過濾器、二位三通換向閥等。

圖1 煤礦提升機恒力矩—恒減速轉換裝置液壓系統設計Fig.1 Design of hydraulic system of constant force-constant deceleration conversion device of coal mine hoist

減速轉換裝置控制系統的核心是對安全回路的實時監測，如安全回路掉電時，系統通過控制電液比例溢流閥和相關換向閥的協調動作，使提升機制動方式由恒力矩轉變為恒減速。提升機減速轉換裝置控制系統為閉環控制系統，其原理如圖2所示。

圖2 煤礦提升機減速轉換裝置控制系統工作原理Fig.2 Working principle of control system in reduction conversion device of mine hoist

系統的硬件分為傳感器、設備層、控制層、管理層4個部分[9-10]：①傳感器。主要用于采集系統所需的物理量，并將該物理量傳輸到控制層，系統主要用的傳感器有壓力變送器和光電編碼器。2個傳感器分別測量儲能器內的油壓和盤閘內的油壓。②設備層。作為系統的執行結構，主要由換向閥、電液比例溢流閥、儲能器組成，實現提升機制動方式由恒力矩轉變為恒減速。③控制層。該層以PLC為核心，本文采用S7-300型PLC控制器，用于對實時數據進行采集、處理，并根據相關數據，控制和調整電液比例溢流閥的輸出量以及對提升機的運動狀態進行實時監測，給出邏輯判斷，與管理層進行通信。④管理層。主要采用觸摸屏實現的，可以實時示各個閥及提升機制動系統的工作狀態，也可實時顯示盤式制動器內的油壓、運動位置、提升機制動減速度等，可以對所需參數進行設定，并具有報警記錄、故障報警等功能。煤礦提升機減速轉換裝置控制系統硬件構架如圖3所示。

3 硬件系統設計

本文選用S7-300 PLC作為硬件系統的核心控制器，其具有診斷能量強、通信功能強、編程功能強、運算速度快、擴展性能好等特點，使系統能夠實現控制信號的輸出、邏輯判斷、數據處理、提升機運行信號和系統油壓信號的采集及控制策略。

圖3 煤礦提升機減速轉換裝置控制系統硬件構架Fig.3 Hardware architecture of control system of reduction conversion device of mine hoist

3.1 PLC系統設計

根據系統所需控制設備和采集信號，對系統的輸入輸出點進行設計：①輸出信號。故障指示燈、電源指示燈、4個控制電磁換向閥動作信號、2個控制電液比例溢流閥的模擬量輸出信號。②輸入信號。二級制動解除點信號、過濾器故障信號、主備電液比例溢流閥的故障輸出、主備電液比例溢流閥的電源狀態監控、減速點信號、4個電磁換向閥的電源狀態監控、停車信號、電源監控信號、安全回路掉電信號、1個光電編碼器輸入的高速脈沖信號、主備溢流閥壓力監控的模擬量輸入信號、2個壓力變送器。

通信方式采用工業以太網、工業現場總線、多點接口等，本文選用工業以太網來實現HMI和PLC間的通信，該通信具有通信速率高的特點，最高帶速可達100 Mb/s，另外需要增加1個通信模塊CP343-1 Learn，該模塊支持TCP/IP協議，具有2端口交換機、IP多播、帶/不帶RFC1006的TCP/UDP、PROFINET IO設備、FETCH/WRITE和SEND/RECEIVE接口等。在使用過程中，采用組態軟件對HMI的PROFINET接口和通信模塊進行設置。

PLC電源模塊選用PS307-2 A的電源模塊，其功耗低于25 W。

3.2 信號傳輸系統

為了避免電信號在傳輸過程受到電源、電信號的耦合、周圍噪聲等的干擾，本文設計專門的隔離電路。對于模擬信號，采用信號隔離模塊(圖4(a))，通過半導體，將輸入信號進行變換，經過磁感元件進行隔離，然后再解調，變回原信號；對于數字量，采用光電隔離模塊(圖4(b))，通過二極管，將電信號轉變為光信號，然后輸入到PLC控制系統中，避免了現場和控制器的直接聯系，切斷了干擾通道。

4 軟件系統設計

煤礦提升機減速轉換裝置控制系統主要包括主程序、循環中斷程序和初始化程序。主程序主要由快速回油子程序、恒減速—恒力矩轉換、恒力矩—恒減速轉換、故障判斷和報警、數據處理、讀取外部數據信號燈子程序構成。PLC主程序運行流程如圖5所示。

圖5 PLC主程序運行流程Fig.5 PLC main program running process

(1)快速回油子程序。當檢測到煤礦提升機的運行速度為0時，啟動快速回油子程序，使系統油壓快速降低為0，確保制動力矩>3倍的靜力矩，避免溜車事故的發生。

(2)恒減速—恒力矩轉換子程序。當恒減速制動系統失效時，采用電磁換向閥，將恒減速制動系統轉換為恒力矩制動系統。

(3)恒力矩—恒減速轉換子程序。接收到相關指令時，采用電磁換向閥，將原來的恒力矩制動系統轉換為恒減速制動系統，其油壓由原裝置的電液比例溢流閥控制。

(4)故障判斷和報警子程序。用于判斷過濾器、電液比例溢流閥、電磁換向閥是否發生故障。

(5)二級制動解除點/停車點。當處于二級制動解除點/停車點時，根據制動距離的要求，不能實時恒減速制動。

(6)速度、位移運算子程序。將保存在數據塊中光電編碼器發出的脈沖頻率、脈沖數和提升機位移與速度的聯系，經過速度、位移運算子程序，得到提升機的速度、位移。

(7)讀取外部數據子程序。將光電編碼器發出的脈沖頻率、脈沖數，油壓傳感器輸出的油壓信號、開關量信號保存到數據塊中，PLC其他子程序直接從數據塊中調用。

5 人機界面的設計

上位機主要實現控制參數設置、故障報警、提升機制動方式指示、提升機運行狀態顯示等功能，主要由觸摸屏、工作站和工控機組成。本文選用TP900Comfort智能面板，該面板為系統診斷與SIMATIC控制器的融合，SIMATIC HMI精智面板組態具有MPI接口、以太網、USB接口、支持VB語言編寫腳本、斷電保護、歸檔等功能。煤礦提升機減速轉換裝置控制系統主界面如圖6所示。界面主要包括提升機運行狀態監視、工作指示、故障信息、主/備溢流閥切換、參數設置。

圖6 煤礦提升機減速轉換裝置控制系統主界面Fig.6 Main interface of control system of reduction conversion device of coal mine hoist

6 結語

根據煤礦提升機制動系統的技術要求，設計了煤礦提升機恒力矩—恒減速轉換裝置液壓系統，并分析了控制系統工作原理及各部分的功能；根據系統所需控制設備和采集信號，對系統所有PLC進行選型，并設計了專門的隔離模塊；設計了軟件部分，主程序主要由快速回油子程序、恒減速—恒力矩轉換、恒力矩—恒減速轉換、故障判斷和報警等構成；完成了對人機界面的設計，主要包括提升機運行狀態監視、工作指示、故障信息、主/備溢流閥切換、參數設置。