礦井提升機自動控制系統的設計與實現

李麗鵬

（西山煤電（集團）有限責任公司西曲礦，太原 030200）

0 引言

隨著我國經濟的發展，對煤炭的需求不斷加大，煤炭企業的生產壓力也不斷增大，許多舊有的設備已經不再滿足產能要求，作為礦井上下關鍵的礦井提升機也存在技術改造的需求［1－4］。在工業以太網的基礎上，結合礦井各生產環節的技術要求，礦井提升機自動控制系統需要實現各部件參數監測、各類型保護動作準確等要求。本文基于PLC控制技術和信息技術，設計并實現了煤礦井下提升機自動控制系統。

1 總體設計

1.1 結構

按照各部分實現的功能不同，礦井提升機自動控制系統在結構上可以分為3層，從上至下分別為人機交互層、控制層和設備層。人機交互層由上位機、打印機、交換機、監控觸摸屏構成，這些設備一般設置在控制室或井口。控制層由PLC組成，PLC是整個自動控制系統的核心設備，通過以太網與上位機進行通信連接，將變頻器和其他傳感器的數據上傳至上位機顯示，上位機還能夠通過遠方修改程序改變變頻器的工作狀態，實現數據上傳和指令下達雙重功能。設備層由變頻器、提升機和信號輸入輸出模塊構成，變頻器的功能是將工頻電壓變換成頻率可調的電壓的電能變換裝置，采用變頻器對異步電機進行驅動，對礦井提升機調速性能、設備安全、提高效率等方面均具有顯著效果。信號輸入模塊的設備有各類按鈕、開關和傳感器，例如溫度傳感器、速度傳感器、壓力傳感器和紅外位移傳感器等。信號輸出模塊的設備有指示燈、電鈴、繼電器和接觸器等。礦井提升機自動控制系統的總體結構如圖1所示。

圖1 礦井提升機自動控制系統的總體結構

1.2 系統功能

系統功能如下。

（1）控制方式靈活。根據生產要求，工作人員可通過控制分站柜的控制方式轉換開關切換系統的工作方式，“集中控制”模式下，集控室工作人員通過計算機對變頻器進行控制。“就地控制”和“檢修狀態”模式下，集控室不能實現遠方控制，當滿足某種閉鎖關系后，才能由人工在就地位置操作。

（2）數據記錄全面。設備的運行狀態變化、運行時間、保護動作情況、告警報文、電壓電流等數據均記錄在控制計算機中，并對記錄刪除設置高級權限，以保護記錄的完整性。

（3）保護功能完備。保護功能包括兩方面，一方面是設備保護器和各類保護功能傳感器等硬件配置，發生故障時能夠及時檢測出來并停止設備；另一方面是監控系統的軟件配置，主要能夠實現故障應急處理程序和聲光報警。

除上述基本功能外，本系統還應當具備參數設定方便、人機交互快捷等特點。

2 硬件設計

2.1 總體設計

中央處理單元是P LC控制系統的核心單元，采用315－2PN／DP標準型CUP，其具有強大的組網能力和數據處理能力［5－8］。數字量輸入模塊采用SM321模塊，將現場選閘信號、復位信號、返回信號、運行方式、開關按鈕等各種數字信號轉換為中央處理單元的內部信號電平。模擬量輸入模塊采用SM331模塊，將偏擺信號、閘檢測信號、油壓信號、油溫信號等模擬量輸入信號轉換為中央處理器的內部信號電平。數字量輸出模塊采用SM322模塊，將開機停機信號、報警指示信號、運行指示信號、電源指示信號等數字量輸出信號轉換為外部電壓信號，驅動繼電器和各類指示燈工作。PLC控制系統硬件原理結構如圖2所示。

圖2 PLC控制系統硬件原理結構

2.2 傳感器選型

傳感器選型如下。

（1）位移傳感器。液壓油壓的偏差和制動盤偏擺都可能導致閘間隙變化，位移傳感器的作用就是測量閘間隙。從原理上分，位移傳感器有多種類型，本文采用非接觸式位移傳感器RP6622，供電電壓直流24 V，測量范圍1～10 mm，選用這種傳感器的好處是能夠有效避免機械磨損引起的精度降低等問題。

（2）油壓傳感器。油壓傳感器的作用是測量液壓油壓力，將一定壓力轉換為相應大小的電壓。按照原理劃分，壓力傳感器有電容式、電阻式、電磁感應式等，本設計采用擴散硅式壓力傳感器JPG3，測量范圍0～20 MPa，輸出4～20 mA的電流信號。

（3）油溫傳感器。由于液壓油對溫度變化比較敏感，微小的溫度變化可能導致液壓油黏度改變較大，影響制動系統的性能，因此采用溫度傳感器對油溫進行監測。本設計采用一體化溫度傳感器JWB，其測量范圍0～100℃，輸出4～20 mA的電流信號。

3 軟件設計

礦井提升機自動控制系統的軟件設計包括用戶程序和監控軟件。采用結構化和模塊化設計思路，編制了運行緊湊、工藝嚴謹的軟件程序。

3.1 用戶程序

用戶程序有操作方式選擇、通訊數據處理、地址轉換功能等子程序。

如上述系統功能描述所言，提升機可工作在集控模式、手動模式和檢修模式下，設備工作在什么模式下可以由程序控制。選擇自動控制模式或檢修模式后，程序判斷設備條件是否滿足，如果設備條件不滿足則自動切換至手動控制模式；如果滿足自動控制模式，則執行自動程序；如果滿足檢修模式，則執行禁止控制程序。

通訊數據處理程序的作用是判斷通訊是否中斷，通過給上位機發送一定規律變化的校驗數據，如果在一定周期內兩次檢驗數據不變則判斷為通訊中斷，否則通訊正常。

地址轉換子程序的作用將映像寄存器的數據存到PLC的M區，方便數據處理。鏡像區的地址代替M區的地址，能夠有效提高PLC程序執行效率。

3.2 監控軟件

如圖3所示，監控軟件采用組態軟件WINCC 7.0進行平臺化開發，包括數據庫系統、監控畫面、PLC通訊、記錄查詢、系統管理和報表打印。監控畫面的主要界面有主畫面、實時曲線界面、故障顯示界面、保護試驗界面、歷史曲線界面、行控矯正界面；記錄查詢包括報警記錄查詢、運行記錄查詢、操作記錄查詢；系統管理包括用戶登錄、用戶注銷、系統設置。

4 應用效果分析

應用效果分析如下。

（1）技術效益。相較于舊有提升機系統，新設計的礦井提升機自動控制系統的提升能力大幅度提升，各類型保護功能更加完善，實際運行數據表明，新型礦井提升機自動控制系統故障率低，保障了人員和生產的安全性。

（2）經濟效益。舊有的礦井提升機系統有很多部件停止生產，軟件停止更新，一旦發生故障將會產生很高的維護成本。新設計的提升機自動控制系統采用技術先進的PLC控制系統和各類新型傳感器、繼電器等，后期可維護性高，維護成本低，PLC控制的變頻器能夠有效提高功率因數，從而降低驅動電機電費成本。

5 結束語

礦井提升機自動控制系統是一套功能完整的、以信息通信和控制技術為基礎的監控系統，不同的工作人員可以根據自身不同的管理權限對提升機控制系統進行各種不同類型的操作，包括遠程操作、狀態監測和數據查詢等。本文設計的礦井提升機自動控制系統結合了企業管理、現場監測和集中控制三大概念，提高了煤礦運輸工作的自動化管理水平。