礦業企業礦井提升機電控系統設計方案的研究

馮 博

（山西洪洞西山光道煤業有限公司， 山西 臨汾 041000）

引言

礦井提升機在煤炭采掘過程中承擔著礦井地面和井下工作人員物資、設備、煤炭等的輸送任務，是保證井下采煤工作正常運行的關鍵設備[1]，一旦出現故障，將會威脅工作人員的安全、導致煤礦井下工作停滯，必須引起高度重視[2-5]。礦井提升機電控系統工作的安全性和可靠性直接關系著整個礦井提升機系統能否正常運行，因此，基于某企業礦井提升機電控系統現狀，對電控系統進行設計。

1 礦井提升機電控系統方案設計

圖1 礦井提升機電控系統方案組成

礦井提升機電控系統方案主要包括主控系統、變頻調速系統、信號系統和上位機監控系統，如圖1所示。主控系統采用當前應用較為廣泛的PLC，為了增加主控系統的可靠性，設置兩套同型號機型PLC，實現雙機備用，正常工作時一臺為主控機，另一臺為監控機，前者控制系統中的所有I/O 接口，后者的I/O 接口在主控PLC 工作正常的情況下全部關閉，僅僅監控主控PLC 的工作狀態，一旦發現其運行出現異常，就會主動接管主控權，保證控制系統正常運行，避免出現提升機失控故障。變頻調速系統能夠根據礦井提升機實際運行狀況適時調整驅動電機的運行速度，如高電價低速運行，低電價高速運行，實現節能降耗的目的。信號系統主要實現礦井提升機運行現場各種信號的采集，如潤滑模塊、液壓模塊、電機轉速等，將采集得到的各種信號傳輸至主控系統進行數據分析和處理。上位機監控系統主要功能是進行礦井提升機現場運行狀況的監視和控制，如運行過程中的參數變化、工藝流程等，監控人員通過觀察監測得到的實時數據，能夠及時發現提升機是否出現故障，確保礦井提升機的安全可靠工作。

2 礦井提升機電控系統設計

2.1 硬件設計

2.1.1 PLC 選型

PLC 在中、小規模控制系統中的應用較為廣泛，由電源、中央處理器、信號、接口等模塊組成，適應于礦井提升機電控系統方案設計需求。PLC 自身分布式結構簡單、網絡通信能力強，保證了控制的靈活性，此處選擇S7-300 系列PLC。配套PS307 電源模塊，輸入電壓為AC220 V，50 Hz，輸出電壓為DC24 V；中央處理器使用結構緊湊的CPU，型號為CPU314C-2DP，最大內存為8 MB，具有I/O 接口各992 個，模擬量輸入/輸出點數分別為4+1/2，數字量輸入/輸出點數分別為24/12。信號模塊涉及數字量和模擬量的輸入輸出模塊，數字量輸入模塊型號為SM321 DI32×4V，具有32 個數字量輸入點，額定輸入電壓為DC24V；輸出模塊型號為SM322 DO32×4V/0.5A，具有32 個數字量輸出點，最大輸出電流為0.5 A。模擬量輸入模塊型號為SM331 AI8×12，具有8 個模擬量輸入點，可以輸入電壓、電流、電阻等；模擬量輸出模塊型號為SM332 AO4×12，具有4 個模擬量輸出點，可以輸出電壓和電流。

2.1.2 變頻器選型

礦井提升機電控系統設計需要考慮經濟性、實用性等，選用型號為JD-BP37/38 系列高壓變頻器。該變頻器使用了先進的空間電壓矢量控制技術，具有瞬時斷電自啟功能，能夠根據系統要求進行參數的設定，控制電路模塊化檢修簡便；配置觸摸屏和PLC 接口，具有很好的人機交互和邏輯編輯性能；具有較為全面的故障監控、保護預警等功能，能夠實現故障自我診斷、故障定位及發出報警信號；該變頻器屬于高-高電壓變頻器，輸入電壓可以為6 kV 或10 kV，輸出電壓為6 kV 或10 kV，輸入功率因數高，不需要配置補償裝置，輸出階梯式正弦PWM 波形，具有電器元件的保護功能，通信協議可以選擇MODBUS、PROFIBUS 等。

2.2 軟件設計

2.2.1 主程序

根據礦井提升機電控系統設計需求，完成了軟件主程序的編制，如圖2 所示。系統運行時首先進行初始化處理，自檢正常之后即可開車，重量傳感器檢測礦井提升機是否存在超載情況，若超載發出報警信號并進行處理，滿足礦井提升機工作載荷要求之后方可啟動運載功能。礦井提升機運行過程中需要監測其運行速度大小，若存在超速情況，需要發出報警信號并進行處理，處理之后可以保證礦井提升機穩定運行。礦井提升機運行過程中還需要監測是否過卷，若存在過卷情況，就會發出報警信號，開啟過卷保護，確保礦井提升機的正常運行。

2.2.2 安全保護程序

圖2 礦井提升機電控系統主程序

礦井提升機正常運行時不可避免地出現各種故障，而安全保護模塊的配置從系統軟件控制方面進行了安全保護，常見故障包括變頻器故障、提升機運行速度異常、過卷故障等。安全保護模塊控制流程如圖3 所示，基于此編制的過卷保護程序如圖4 所示，根據礦井提升機實際運行情況，安全保護系統發出故障報警的觸發信號包括三種，第一是編碼器信號與設定礦井提升機停車位置不一致；第二是井口或井底位置的過卷行程開關被觸發；第三是牌坊式深度指示器位置的過卷行程開關被觸發。礦井提升機運行過程中一旦出現上述三種情況之一，系統自動開啟過卷故障保護，立即驅動抱閘實現礦井提升機的制動。

圖3 安全保護模塊控制流程圖

圖4 過卷保護程序

2.2.3 模擬量處理模塊

模擬量處理模塊的主要任務是完成整個系統模擬量的處理，實現系統接收得到的模擬量轉換成數字量的目的，傳輸至系統CPU 進行分析和處理。礦井提升機電控系統設計的模擬量信號源包括電機電流、變頻器電流和頻率、液壓站油壓、提升速度、提升機位置等，模擬量處理模塊控制流程如圖5 所示。

2.2.4 上位機

人機界面作為系統實現人機交互、信息傳遞的窗口，要求具有很好的操作性和實用性。根據礦井提升機電控系統的設計需求，系統操作界面不僅顯示了礦井提升機的運行參數，還能夠記錄監測數據，分析處理確定礦井提升機是否出現故障并及時發出報警信號，提示礦井提升機操作人員進行故障排查。觸摸屏選擇KC01 系列，運用組態軟件Exibl 完成觸摸屏參數設置，串口連接方式為RS485，波特率設置為19 200 bps。設計完成的系統主界面如圖6 所示。

3 應用效果分析

為了驗證礦井提升機電控系統的設計效果，將其應用于某型號礦井提升機并對其控制效果進行了為期半年的跟蹤記錄，結果表明，控制系統運行穩定可靠，能夠滿足最初電控系統的設計要求。同時，該控制系統的應用能夠及時監測得到礦井提升機的運行故障并發出報警信號，維修人員根據控制系統的故障定位提示能夠很快完成故障排查工作，統計得到提升機電控系統故障檢修工作量降低近45%，節約運維人員成本近120 萬元/a，提高采煤設備利用率近15%，為企業產生直接經濟效益近250 萬元/a，取得了很好的應用效果。

圖5 模擬量處理模塊了流程圖

圖6 電控系統主界面