煤礦提升機主控制系統的分析與研究

王長春

（山東省邱集煤礦有限公司，山東 德州 251100）

邱集煤礦礦井采用立井開拓，提升機是該礦“四大運轉”設備之首，集機電液于一體，在該礦生產中承擔著煤炭、物料和設備運輸以及人員提升等多種任務[1]。提升機控制方式存在技術落伍、操作繁瑣、故障率高、可靠性差、能耗高、效率低、乘坐人員舒適度差等缺點，研究提升機的傳動、安全保護措施、安全制動技術尤為重要。如何使豎井提升機安全運行、操作方便、節能效果明顯是今后該礦數字化礦山建設的目標之一[2-3]。針對目前提升機控制技術的水平不足以滿足實際生產能力提升的需求，對邱集煤礦提升機進行大規模技術改造和更新。

1 系統總體分析

提升機主電控系統圍繞PLC 控制單元、行程控制與傳動單元、控制保護單元和安全閘控（制動）單元的技術要點進行融合設計，主要實現邱集煤礦主井口提升機主控制系統各單元之間相互融合以及綜合管理的技術。其控制系統的主要框圖如圖1。

2 主要實現方法

2.1 PLC 控制單元

PLC 控制單元是整個系統的控制核心，主要選用AC800M 控制器、輸入輸出卡件（S800 I/O、S800L I/O）、通信卡件和觸摸屏操作面板等模塊組成。PLC 控制單元采用網絡總線型架構，層級設為應用層、監視層和執行層，還能靈活改變組織網絡架構?，F場操作時，管理員通過控制臺人機界面控制提升機運行，利用Compact800 人機接口監視提升機運行狀態，終端管理人員通過Web 服務器遠程訪問查看提升機運行狀態[4]。

1）AC800M 控制器是ABB 公司的一款技術成熟、性能穩定且功能強大的控制器。它具有模件化、節能、規?？纱罂尚?、內存容量大、處理運算速度快等特點，它支持Profibus、Foundation Fieldbus、Modbus 等眾多現場總線標準。精巧的集成化模塊化設計，讓控制器在系統應用中能更靈活地配置。根據實際功能需要，系統可以設計為幾十個點的簡單組合，也可以做到幾萬個點的復雜控制組合，完全能夠滿足各種領域的應用[5]。系統支持5 種編程語言擴展應用，還配有專用的組態編程工具，可實現目標項目的管理功能。AC800M 控制器提供了六種適用于不同任務的型號可供選擇，具體參數見表1。

表1 AC800M 控制器具體參數

2）輸入輸出卡件選擇的是S800L 系列 I/O 卡件模塊，主要由I/O、通信和終端三部分組成，配合AC800M 控制器實現功能。通信組件采用Profibus-DP 通信協議的CI801 通信模塊，CI801 現場總線通信接口（FCI）模塊是一個可配置的通信接口，用于執行信號處理、監控信息采集、OSP 處理、inrun熱配置、硬通道和I/O 模塊配置等操作。輸入卡件是采用了DI801、DI802、DI803 這三種型號的數字輸入模塊，輸出卡件是采用的DO801 和DO802 兩種型號的數字輸出模塊，具體的參數見表2。終端卡件接線底座是TU805K01的兩線/三線接線底座。

表2 輸入輸出卡件具體參數

2.2 行程控制與傳動單元

根據提升機行程控制和傳動的需要，要實現對提升機的各種保護和監視的功能，可以選擇基于PLC 控制與DCS800 全數字直流變頻調速技術融合的方式，進行系統硬件的配置和應用軟件的開發。本單元包含了提升機系統運行狀態監測，實時數據傳輸，后臺數據運算分析，還有井口與井底減速區段的速度監視，以及故障處理措施等。

1）DCS800 全數字直流變頻調速

DCS800 系列直流調速器是目前直流調速領域廣泛使用的傳動控制裝置，具有先進性、簡易性、可編程性、可控制性、與AC 傳動控制的可通用等優點。根據用戶的不同需求，擴展出了D1 到D7 這7 種不同的規格，進而能對直流電動機的轉速和轉矩更好控制。

DCS800 直流調速器的內部組成包括：主CPU控制板；具有4 光纖通道的用于啟動停止的控制板；提供勵磁主傳動自從傳動通信功能的通訊板；具有8 個數字輸入口和8 個數字輸出口的數字I/O 板；具有5 個模擬輸入口和3 個模擬輸出口的模擬和編碼器I/O 板；電樞回路接口板。

DCS800 直流調速器功率模塊的溫度保護，是采用串聯1 只PTC 熱敏電阻來檢測保護的，利用熱敏電阻的電阻溫特曲線特性，由二次變送后的電信號值傳送給調速器CPU 進行溫度報警。在調速器的電源輸入端口串聯1 只快速關斷的熔斷器，來提供短路保護。

2）行程控制中故障監視

在行程控制的過程中會有多種的故障情況發生，對于這些故障發生的可能性需要采取相應的監視措施，下面具體闡述一下行程控制過程中常遇到的幾種監視情況：

① 過卷監視。過卷故障分為軟過卷和硬過卷，軟過卷就是通過計算行程脈沖計數得出提升值超過實際值的過卷情況，而硬過卷則是井筒轉動提升機高度超過實際高度位置的情況，由此對過卷信號監視均可以起到提升機的安全回路保護作用，為提升機的安全運行提供雙重保護。

② 超速監視。在S 形速度曲線的等速段，Vs超出Vmax的10%時，監視程序發出超速指令。在井筒的預設位置進行定點速度監視，實現超速監控。

③ 運轉方向監視。在主軸安裝增量式旋轉位置編碼器，利用編碼器輸出的兩路脈沖數據來判別井筒旋轉的方向，從而實現提升方向的監視。

④ 停車監視。在停車期間，井筒不能轉動，如果提升機的井筒無故開始運轉，則位置編碼器脈沖計數出現變化，監視程序即可發出報警指令，安全回路也進入工作狀態。

⑤ 離站監視。提升機控制系統松開閘閥，啟動延時設定時間后，提升機運行狀態未達到預定值，監視程序發出故障指令，并立刻動作安全回路。

2.3 控制保護單元

提升機控制保護單元的核心任務是邏輯控制和故障安全保護，匯集了提升系統分支單元的運行狀態、參數、操作指令和保護信號等。一是操作保護系統將與操作控制相關的信號進行邏輯運算和閉鎖，生成控制指令；二是操作保護系統將與故障保護信號進行邏輯運算；三是處理為立即施閘、提升終了施閘、電氣制動，監視器顯示故障類型并控制報警系統施閘。如圖2。

圖2 提升操作保護系統框圖

2.4 安全閘控（制動）單元

提升機安全閘控單元是礦井提升機最重要的部分，為了保證提升機工況安全，均按照雙重保護的思路設計，比如采用雙制動盤、雙液壓工作站，每個液壓站裝有雙液壓回路，電氣控制有兩組并行獨立回路等。閘控單元通常由液壓站、盤式制動器及閘座、電控柜、控制箱、液壓管路等設備組成。其液壓制動原理通常采用以下兩種形式。

1）恒減速制動

當提升機的閘控板與滾筒驅動測速發電機一起，在特定的壓力區間內保持制動過程減速度恒定不變的制動。

2）恒力矩制動

當提升機全載下放時，所需減速度的壓力值是由冗余回路控制閥和液壓設備提供的，而在制動過程中，無論何時安全制動啟動閘力矩始終是恒定的。

3 結語

該技術升級改造對AC800M 系列的PLC 控制器和DCS800 系列直流調速器的融合管理提升機主控系統進行了技術研究，通過圍繞控制單元、行程控制與傳動單元、控制保護單元和安全閘控（制動）單元的技術理論分析，制定了邱集煤礦主井提升機主控系統解決方案，此研究闡述了各功能單元在主控系統中的相互融合以及綜合管控的技術實現，初步實現了提升機主控系統控制精準、保護性能強、監測環節措施完善、操作維護方便的目標，為今后技術升級提供了寶貴的經驗。