基于PLC 的礦井架空乘人裝置運行控制系統應用研究

張 帥

（山西蘭花科創玉溪煤礦有限責任公司， 山西 晉城 048000）

引言

架空乘人裝置是礦井勞動力輸送的關鍵交通工具，對礦井惡劣的作業環境以及復雜的地下通道條件具有較強的適應性，整體運輸能力很強，有效地提高了礦井的開采效率并降低了一線工人的作業強度。為了提高架空乘人裝置工作的可靠性以及電氣自動化管理水平，有必要對其自動控制系統進行深入研究[1]。因為架空乘人裝置在運行過程中存在一定的安全隱患，比如牽引鋼絲繩速度過快，甚至出現了斷繩的情況，嚴重時可造成礦工意外身亡等事故。自動控制系統的研究是保證鋼絲繩的運行速度在合理的范圍內，同時基于PLC 系統對礦工在上下車時能夠實現自動或者停靠提升礦工乘坐的安全性與舒適性，達到實現無人值守多重保護遠程監控等功能。研究成果為礦井設備的電氣自動化設計提供了依據。

1 架空乘人裝置的工程技術特點

1.1 技術特性

FLP 型架空乘人裝置常應用于在煤礦井下運輸物料和人員。其升降椅運輸系統分為RJHY 活動椅系列、RJKY 可拆卸椅系列、RJY 固定椅系列。RJHY和RJKY 適用于0～25°坡度的巷道、RJY 為0～35°。具備以下特點[2]：

1）驅動部分可通過變頻、磁阻調節變頻或軟啟動控制形式，實現不同的速度轉換。

2）電控系統采用PLC 實現保護控制系統速度，沿途拉急停，礦工過線、重塊限位等安全保護，語音報警聲光通信和無人值守等諸多特點。

3）具有高速制動和末端安全制動，兩種制動均故障安全。電源組為單回路或雙回路結構。整個系統安全可靠。

4）固定式電纜座采用先進的預緊結構，不會松動或滑。

5）高速電纜夾持裝置整體鑄造安全，制作精美。滑動部分采用SKF 免維護軸承，可靠性高，使用壽命長。

6）椅子為專用減震彈簧座或軟座泡沫座或雙向旅行椅，結構合理，坐感舒適。

7）滑輪直徑大，鋼體穿軟襯，減少繩索耐磨、壽命長，乘員乘坐平穩舒適。

8）輪子和掛管設計合理，更換輪線和軸承的潤滑很容易。精度要求較低，安裝可以在可變條件下進行。

9）聯軸器、吊管、軸承軸經高級防腐處理技術，電纜固定裝置、椅子、輪子是鍍鋅或噴塑完成，整套設備耐腐蝕。

1.2 工程參數

架空乘人裝置的運行速度可以在0～3 m/s 之間變化[3]，懸掛在運輸段的彎道站便于彎道的通過。該系統通過了DGMS 的批準，具有超速限制、液壓制動系統、電話通信系統、緊急拉線系統和視聽報警系統等多項安全功能。工程參數如下表所示：

2 架空乘人裝置控制系統的軟硬件設計

2.1 硬件組成

2.1.1 制動器

控制系統的制動器是核心設備，如下頁圖1 所示，通過自動化控制的制動器比原始的手動操作動器更有安全性。目前的制動器存在一定的致命缺陷，因為當整個礦井斷電時，就會無法實現自動控制。因此需要將控制系統的UPS 電源進行設計，當整體礦井交流電停止供電時，能夠滿足一定時間內的直流電供應，確保整個制動系統供電的正常進行[4]。

圖1 制動器結構示意圖

2.1.2 控制電路

控制系統的電路由接觸器、電阻、二極管組成，通過127 V 的交流電壓[5]，同時驅動兩組電動機，通過繞組的轉動，不斷地調節電阻的數值，實現電流大小的控制，從而使得制動器的工作壓力產生變化。原始的電氣原理圖如圖2 所示，可以看出原始電路圖中設置有手動按鈕，通過對開關以及電容的控制才能實現各電路的交替運行，存在不確定因素。

圖2 控制系統的電路示意圖

表1 架空乘人裝置工程參數表

2.2 軟件設計

為了使軟件系統能夠與PLC 微處理器更好地進行匹配，通過PLC 控制系統的輸入模塊、CPU 模塊、輸出模塊進行軟件的設計，采用S7-200 和STEP7-Micro/WIN 編程軟件[6]對控制人員的窗口組件進行設計，實現人機交互的可視化顯示。硬件與軟件之間通過RS232/PPI 多主站的通信協議采用光纖電纜直接連接，比原始的MPI 通訊電纜的穩定性和保密性更高。如圖3 所示為上位機軟件系統功能的框架圖。

圖3 上位機軟件系統功能的框架圖

2.3 基于PLC 的控制系統設計

根據原始的軟硬件條件，對PLC 控制系統的設計方案進行整體的設計，系統控制組成圖如圖4所示。

圖4 系統組成示意圖

為了控制系統實現架空乘人裝置的控制功能，安裝速度傳感器、位移傳感器、接近傳感器等高靈敏度傳感器，實現自動檢修、自動啟動、自動停止制動、急停和故障復位等關鍵指令功能，同時也不完全的去除手動指令，還可通過手動操作完成主電機開、主電機停等緊急情況下的手動操作功能。

在進行自動控制過程中，為了提高控制的效率，通常會選擇就近控制原則。當起車指令發生后，系統將通過聲光預告對礦工進行提示，同時延遲5 s 發出工作指令，同時制動電機打開以及工作閘打開，隨后將延遲3 s 啟動變頻主電機。整個起車過程耗時10 s，直到起車指令的完成。

3 架空乘人裝置控制系統的應用實測

本文以某煤礦礦井通道的架空乘人裝置集群化無人操作為例，具體實現流程如下頁圖5 所示。根據架空乘人裝置啟動信號及語音提示后設備自動開啟，入井人員在乘坐期間若遇到停車情況則判斷停車原因，若是保護動作停車，待保護自動恢復或者人工恢復后設備繼續運行，整個過程結束；若是故障問題，如檢修、設備故障、程序等問題，判斷是否需要遠程故障診斷，如需要則進入下頁圖5 所示流程直至故障問題解決。另外，在井下各機頭，機尾、上下人站點及巷道關鍵地點安裝有視頻監控裝置，實時監控整個集群系統的設備運行和人員乘坐安全狀況，直至把人員安全送至目的地。

圖5 架空乘人裝置集群無人操作流程圖

4 結語

根據目前架空乘人裝置電控系統所出現的問題，重新對其控制系統進行了優化設計。根據其整體的機械構造以及電路布置條件，結合礦井的作業環境，采用PLC 為核心控制器設計出了架空乘人裝置的控制系統。該系統實現了運輸線路關鍵點位的自動啟停以及急停保護等重要的功能，實現了無人值守運行保護遠程監控等多種功能。該控制系統的提出，極大地提升了礦工乘坐架空乘人裝置的舒適性，突破了井下礦井惡劣環境巷道的空間限制。對于煤礦企業來說，提高了生產效率和本質安全化的管理水平，達到了快速運輸礦工的重要目的。