智能化控制在引水隧洞斜井提升機電控系統的應用

徐 冬

(中鐵十八局集團第二工程有限公司，河北 唐山 064000)

1 工程概況

香爐山2號施工斜井是滇中引水工程先期開工的試驗工程項目，設計為長陡坡斜井，長1227m，傾角為17.63°，坡比為31.8%，高差349m，與主洞水平投影夾角36.76°。根據施工條件并結合主洞開挖對斜井提升系統的要求，采用2套JK-2.5×2.5/20A型提升機，單鉤提升雙軌布置，每臺提升機配置一臺KZ-8型曲軌側卸式礦車，作為物料提升設備，洞內采用挖掘機進行裝渣，提升機電控系統采用基于雙PLC控制的變頻電控模式。

2 提升機電控系統

2.1 提升控制系統比選

目前，國內提升機有普通電控、PLC及變頻電控三種方案(見表1)。普通電控采用繼電器-接觸器調速模式，性能差，處于淘汰狀態。PLC電控優勢在于設備體積小、安裝調試方便、系統安全可靠。變頻電控在節能和電機性能及穩定性方面有優勢。通過對三種電控模式主要設備配置、工作原理和優缺點等進行對比分析，結合現階段礦井提升機電控技術發展，本工程采用PLC變頻控制提升機系統。

表1 提升機控制方案對比

2.2 系統硬件配置

提升機電機控制系統主要由主控計算機系統(PLC控制系統)、全數字高壓變頻調速系統、提升信號系統、閘瓦在線檢測系統、上位機監控系統、高低壓配電系統、視頻監控系統等組成[1]。系統組成、功能和主要設備見表2。

表2 提升機電控系統組成及功能、設備

本系統采用S7-300雙PLC作為整個控制系統的核心(見圖1)對電機進行精確、穩定的控制[2]。PLC冗余系統由兩套PLC控制系統組成。當主系統運行出現故障時，控制系統會自動切換到備用系統。這種切換過程是模塊的整體切換，系統運行過程中，也可以通過手動操作實現主備系統切換。

圖1 PLC控制系統

3 提升機電控系統應用與關鍵技術實踐驗證

斜井提升機電控系統的主要功能為對提升機系統的工況檢測與故障診斷、提升機的狀態監測監控、提升機故障預測與遠程故障診斷分析[3]。為實現系統功能，提升機電控為多系統融合，其關鍵技術包括PLC技術、變頻技術、傳感器技術、計算機與網絡技術等，對整個提升機運行過程進行檢測、控制、顯示、保護、報警和管理。為施工單位監測中心和機電設備管理人員提供準確、快速、全面的數據信息，實現提升機的智能化控制與遠程監控。

3.1 全數字變頻技術

3.1.1 變頻調速控制系統組成

模塊化多傳動變頻器原理系統硬件結構由變頻器、行程控制、能耗制動和抱閘制動等組成(見圖2)，采用低頻全數字制動電源柜，全數字式變頻器是其核心設備。調速系統采用GD系列945kW重載AFE四象限交流變頻器。將PLC控制功能與變頻技術相結合，極大地提高了系統的穩定性和可靠性，調速精度高，能夠實現電機滿功率向電網進行能量回饋。

圖2 模塊化多傳動變頻器原理

3.1.2 主要技術原理

采用全數字矢量控制，使系統調速范圍寬、精度高。無速度傳感器矢量控制技術使交流三相異步電機的調速性能可以和直流電機一樣好，其調速精度高，性能好。

3.2 雙PLC控制技術

3.2.1 主控系統組成

提升機主控系統采用S7-300系列雙PLC作為整個控制系統的核心，主PLC負責程序及系統管理[4]。PLC構成電子行程監控器并負責深度指示及監控，實現了模塊化設計，功能強大、投資安全并且完全適合各種應用。

3.2.2 技術特征

a.實現提升機半自動、手動、檢修、慢動、緊急停車、低速爬行方式的控制。實現提升機機械、液壓、電氣等方面的控制故障檢測、報警、保護功能。

b.監視提升系統各路電源。

c.實現連續速度包絡線監測保護和逐點速度監測保護功能，實現提升機位置控制，保證提升機安全運行。

d.軟件設計采用功能模塊化、結構線性化設計，具有良好的維護性和可移植性。

兩套PLC之間、PLC與監控系統的通信通過工業以太網實現。PLC對外I/O接口預留不少于10%的余量，留有與企業局域網和internet的接口，具有通過物聯網對現場調速和監控系統進行實時遠程診斷的能力。

3.2.3 運行方式

系統可在手動、半自動、檢修、調閘、應急模式下運行。

a.手動。操作室通過控制臺操作，可通過操作臺選擇水平信號或根據信號系統打點信號水平功能開車。

b.半自動。司機可通過按鈕或信號工打點開車，讓系統完成一個提升循環。

c.檢修。系統可在檢修模式下低速運行(≤2m/s)。

d.調閘。調閘模式下可對盤形閘進行檢修，具有調閘閉鎖功能。

e.應急。當一套PLC出現故障時，可直接切換到備用PLC實現完整的開車功能。備用PLC可實現所有主PLC具備的保護功能，但應急模式下的運行速度受到一定的限制。

3.3 上位計算機監控系統

3.3.1 系統設備與顯示

主操作臺內嵌入式安裝一臺10.4英寸觸摸屏及電壓電流表。選用4G內存、500G硬盤、工業以太網交換機、19寸液晶顯示器。其中顯示器的人機界面是司機與提升控制設備之間傳遞和交流信息的平臺(見圖3)，該平臺主要由提升機升降監控系統、深度指示、工作狀態指示、信號指示、高低壓電壓電流指示及提升機行程速度等組成[5]。

圖3 工控機監控界面

3.3.2 系統功能

a.實現提升機運行情況與監控系統聯動。

b.井筒開關動作情況記憶及顯示。

c.故障檢測、顯示、報警，詳細到什么位置、什么時間及什么原因導致的故障。對提升系統運行參數、狀態進行實時檢測，如速度、電流、電壓等，對一些重要參數如速度圖等存儲并保留至少十個班次。

d.具備多種歷史曲線查詢功能，例如提升速度歷史曲線、電機電流歷史曲線，可以在控制軟件內實時監控其他所有數據。

3.4 傳感器技術

傳感器是提升機電控系統非常重要的組成部分，通過位移傳感器、攝像頭等多傳感器在線監測，實現提升系統閘瓦磨損監控、信號通信、視頻監控與遠程故障診斷[6]。

3.4.1 閘瓦磨損監控

通過位移傳感器，可對閘的實時間隙進行檢測，可通過校零裝置對閘進行校零處理，校零完成后具有開閘間隙和磨損檢測顯示功能。通過與液壓站的壓力傳感器數據進行比較，可對蝶形彈簧進行疲勞計算。閘瓦系統具有閘間隙顯示功能、閘瓦彈簧疲勞檢測功能及制動盤偏擺檢測功能。

3.4.2 信號系統

提升系統采用以PLC可編程控制器為控制核心的信號系統，配合PLC冗余技術，用LCD液晶屏進行顯示，具有漢字顯示、數字存儲故障診斷、安全閉鎖等功能。信號裝置采用獨立西門子S7 PLC、歐姆龍電源模塊等，通過光纖通信使進出斜井洞口控制臺及提升機機房顯示箱間傳輸、音響報警信號。顯示屏用來顯示提升機工作狀態，揚聲器用來發出語言報警信號，從而為斜井提升機運轉提供準確、方便、直觀的安全控制信號，指揮司機安全操作。

3.4.3 視頻監控

基于光纖技術的遠程視頻監控系統可靠性高，抗干擾能力強，為提升機司機提供直觀的斜井運行信息。系統有8路硬盤錄像機(含2T硬盤)、25英寸高清顯示器、高清攝像頭，并提供滿足光纖連接的所有材料?，F場控制系統和遠程上位機之間通過局域網絡傳輸將現場各種參數數據傳輸并顯示在遠程端上位機上，同時現場高清視頻監控畫面傳輸至監控中心，實現對整個提升系統運行情況的直觀監視。

4 結 語

本文對滇中引水工程香爐山2號施工斜井提升機的機電設備電控系統從功能設計、硬件配置、軟件設計等方面進行全面分析，實現了機電設備控制自動化、數字化、可視化、智能化，保證了提升系統安全可靠運行。

斜井提升電控系統采用自動化智能控制、網絡通信、視頻監視、遠程智能診斷等技術，實現了提升系統全方位、實時的多傳感器在線監測，為斜井提升運行更加安全可靠提供了技術導向，為預防和減少斜井提升機運行故障和安全事故提供了理論技術支撐，促進了工程建設安全健康發展，保障了企業社會聲譽和經濟利益。

斜井提升機是洞內和洞外聯系的大動脈。隨著物聯網技術越來越成熟，將其應用在斜井提升設備狀態監測上，將更能保證提升機運行的安全性和穩定性，但需進一步深入研究以期減少監測盲區、提高數據傳輸可靠性。