基于ABB控制器的副井提升機(jī)系統(tǒng)及應(yīng)用

汪 浩

（銅陵有色金屬集團(tuán)股份有限公司安慶銅礦，安徽安慶246131）

0 引言

礦井提升機(jī)是礦山生產(chǎn)的至關(guān)重要的大型設(shè)備，是地下礦井和外界聯(lián)系的重要通道，擔(dān)負(fù)著物料、礦石、人員等的重要運(yùn)輸任務(wù)，常被人們稱為礦山的咽喉［1］。安慶銅礦副井提升機(jī)是集團(tuán)公司A 類設(shè)備，主要承擔(dān)提升人員和物料，提升機(jī)型號(hào)為JKMD-3.25×4多繩落地式提升機(jī)，提升方式為雙層罐籠平衡錘提升方式，主電機(jī)型號(hào)為ZKTD215/45-P，額定功率為700 kW。由于電控系統(tǒng)是ABB 較早期的產(chǎn)品MP200和DVC700，該系統(tǒng)所需配件大部分已基本停止生產(chǎn)，采購(gòu)困難，維護(hù)工作加大，其運(yùn)行情況直接關(guān)乎到該礦的生產(chǎn)效率和安全可靠性。同時(shí)隨著安慶銅礦深部系統(tǒng)的不斷開拓，631 m 的副井提升深度對(duì)于深部系統(tǒng)作業(yè)面的人員和物料提運(yùn)顯然不能滿足生產(chǎn)要求，急需對(duì)副井井筒進(jìn)行延伸和對(duì)電控系統(tǒng)進(jìn)行更新?lián)Q代。國(guó)內(nèi)有越來越多的工礦企業(yè)使用ABB 控制系統(tǒng)，馬鋼羅河礦業(yè)副井提升機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)使用的是ABB DCS800（2 500 A/690 V）組成12脈動(dòng)橋并電樞可逆勵(lì)磁恒定的全數(shù)控晶閘管整流裝置，其運(yùn)行效果良好。因此通過招標(biāo)對(duì)比，該礦決定采用ABB 公司的AC800M主監(jiān)控系統(tǒng)和DCS800傳動(dòng)系統(tǒng)。

本研究對(duì)副井的直流傳動(dòng)系統(tǒng)、主控系統(tǒng)及低壓配電系統(tǒng)進(jìn)行研究，提出一種基于ABB公司AC800M、DCS800按制器在提升機(jī)自動(dòng)化上的應(yīng)用系統(tǒng)。

1 硬件設(shè)計(jì)

按照設(shè)計(jì)要求，安慶銅礦副井采用雙層罐籠提升容器，有效載荷5 t，提升高度達(dá)到951 m，預(yù)設(shè)11個(gè)水平中段，一個(gè)主信號(hào)臺(tái)和兩個(gè)輔信號(hào)臺(tái)，最大運(yùn)行速度7 m/s，加減速度為0.7 m/s，機(jī)械部分和主電機(jī)不更換。傳動(dòng)系統(tǒng)的電樞變流器DCS800-S02-2050-07和勵(lì)磁變流器DCS800-S01-180-04，各2 臺(tái)做冗余配置。主控和監(jiān)控使用的是AC800M 控制器，主控控制器用于提升機(jī)控制和安全邏輯控制，包括提升位置控制器系統(tǒng)，該系統(tǒng)產(chǎn)生速度給定值，直接發(fā)送到傳動(dòng)設(shè)備。監(jiān)控控制器用于監(jiān)視各種類型的提升機(jī)的運(yùn)行信號(hào)，可替代機(jī)電監(jiān)視設(shè)備如Lilly控制器和凸輪裝置等［2］。安全回路采用雙回路系統(tǒng)，它是保護(hù)的最后環(huán)節(jié)之一，無論是提升機(jī)還是安全回路本身出項(xiàng)故障時(shí)都能準(zhǔn)確地實(shí)施安全制動(dòng)［1］。該系統(tǒng)具有高性能的過程控制，具有高度集成自動(dòng)化功能，它代表了生產(chǎn)制造和工藝過程領(lǐng)域的新水準(zhǔn)。

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)高度集成的控制器通過各種現(xiàn)場(chǎng)總線和服務(wù)協(xié)議有機(jī)地連接起來的，這種連接是統(tǒng)一的，是互相關(guān)聯(lián)且缺一不可的，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖1所示。主控和監(jiān)控及優(yōu)化集成平臺(tái)通過Profibus總線與工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)連接起來進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和通訊，同時(shí)主控通過ModuleBus總線與光纖分配器（NDBU-95）連接并分配給DCS800傳動(dòng)系統(tǒng)的電樞控制器和勵(lì)磁控制器，形成全雙工信息交互方式，構(gòu)成穩(wěn)定可靠的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)，從而有效地保證了副井提升機(jī)的安全、高效運(yùn)行。

圖1 副井電控拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)主要控制器功能

1.2.1 AC800M控制器

AC800M 是ABB 推出的Compact Products 800 系列產(chǎn)品中的一個(gè)重要組件，它是一款基于導(dǎo)軌安裝的模塊化的控制器，包含了CPU、通信模塊、電源模塊及一系列附件。它集成了多種通信功能、可以實(shí)現(xiàn)全方位冗余，并且支持寬范圍的I/O信號(hào)，與第三方設(shè)備具有較高聯(lián)接性。由于安慶銅礦副井主控控制復(fù)雜、節(jié)點(diǎn)較多，存儲(chǔ)量較大，本研究采用的是PM861A 控制器，而監(jiān)控則采用的是PM856 控制器，PM861A 與PM856比較表如表1所示。

用于雙絞線的2 個(gè)Profibus 通訊模塊分別用于與S800I/O系統(tǒng)和信號(hào)系統(tǒng)通訊，S800 I/O模塊是脈沖計(jì)數(shù)，模擬I/O及開關(guān)量I/O模塊。系統(tǒng)通過微型斷路器和端子對(duì)各部分供電，浮地系統(tǒng)帶絕緣監(jiān)視設(shè)備（電壓疊加原理）。安全回路采用雙監(jiān)視回路（提升機(jī)監(jiān)視器跳閘/看門狗、AC800M跳閘/看門狗、緊停、變流器合閘、故障和過卷開關(guān)）連接到一個(gè)安全繼電器、控制安全制動(dòng)器（通過輔助觸點(diǎn)與洛礦液壓制動(dòng)系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)）和傳動(dòng)變流器。

表1 PM861A與PM856比較

AC800M多至12個(gè)通訊模件，每個(gè)CPU 可直接連接12 個(gè)I/O 模件。系統(tǒng)通過光纖ModuleBus 連接多至84個(gè)I/O模件，可直接連接多至96個(gè)I/O模件，每個(gè)模件由一可拆卸單元及相互連接的基座組成，基座實(shí)現(xiàn)模件間的外部連接，包括供電及通訊。應(yīng)用軟件為防止丟失全部備份到CF 閃存卡中插入控制器內(nèi)，冷啟動(dòng)時(shí)可從CF 閃存卡中調(diào)回到控制器EPROM 內(nèi)，主控監(jiān)控柜內(nèi)布置圖如圖2所示。

圖2 主控監(jiān)控柜內(nèi)布置圖

安慶銅礦副井的主控和監(jiān)控組態(tài)是PM861A 下掛接有2 個(gè)通訊模塊CI854，2 個(gè)脈沖計(jì)數(shù)模塊DP820，1 個(gè)模擬輸入模塊AI810，2 個(gè)AI820 和2 個(gè)數(shù)字輸出模塊DO820。在CI854 下通過Profibus 分別連接有3 個(gè)通訊模塊CI801，承擔(dān)外圍I/O 接口的通訊。PM856 下掛接有1 個(gè)DP820，2 個(gè)DI810，1 個(gè)DO810，1個(gè)AI820，1 個(gè)AO820，提升機(jī)控制系統(tǒng)組態(tài)圖如圖3所示。

圖3 提升機(jī)控制系統(tǒng)組態(tài)圖

系統(tǒng)主要功能如下：

（1）副井提升系統(tǒng)有保留方式、手動(dòng)方式、井筒檢查、首繩檢查、尾繩檢查5種運(yùn)行方式；

（2）上、下數(shù)字過卷保護(hù)和硬件過卷保護(hù)；上、下減速點(diǎn)超速保護(hù)；

（3）提升信號(hào)的斷電記憶功能；操作員站報(bào)警、故障記憶查詢功能；

（4）檢測(cè)罐籠異常位置的保護(hù)功能；罐籠安全門連鎖保護(hù)功能；

（5）故障自動(dòng)報(bào)警及傳感器的故障自診斷功能；

（6）提升機(jī)控制回路的閉鎖功能；

（7）供電電源的絕緣監(jiān)測(cè)與電壓、電流監(jiān)測(cè)功能；

（8）對(duì)動(dòng)力負(fù)荷的保護(hù)監(jiān)測(cè)功能，如過電流，過電壓，欠電壓，短路，缺相及相位不平衡，接地保護(hù)等。

1.2.2 DCS800傳動(dòng)控制系統(tǒng)

DCS800 是直流傳動(dòng)控制系統(tǒng)，它的靈活性使用戶能方便、容易地進(jìn)行傳動(dòng)功能組態(tài)以適應(yīng)各種不同拖動(dòng)設(shè)備的應(yīng)用，是目前在直流調(diào)速系統(tǒng)中最具有先進(jìn)技術(shù)的傳動(dòng)控制系統(tǒng)［3］。DCS800 的功能通常通過為功能參數(shù)賦值來啟動(dòng)。為了保險(xiǎn)起見，安慶銅礦副井傳動(dòng)系統(tǒng)采取冗余系統(tǒng)，采用兩套同樣獨(dú)立配置的軟、硬件設(shè)計(jì)，保證在其中一套系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，另一套系統(tǒng)能立即啟動(dòng)，替代工作。一套單獨(dú)的系統(tǒng)也許運(yùn)行的故障率很高，但采取冗余措施后，在不改變內(nèi)部設(shè)計(jì)的情況下，這套系統(tǒng)的可靠性立即可以大幅度提高。假如單獨(dú)系統(tǒng)的故障率為50%，而采取冗余系統(tǒng)后馬上可以將故障率降低到25%，副井傳動(dòng)變流器示意圖如圖4所示。

圖4 副井傳動(dòng)變流器示意圖

當(dāng)研究人員使用1號(hào)勵(lì)磁柜和電樞柜時(shí)，將K1.1、K1.2、K1.3 處的銅排短接即可。如果1 號(hào)電樞柜或勵(lì)磁柜出現(xiàn)故障時(shí)，將原K1.1、K1.2、K1.3處的銅排移至K2.1、K2.2、K2.3處即可。由于原1號(hào)柜處的銅排都被拆除，也保證了1 號(hào)勵(lì)磁柜和電樞柜不再帶電。當(dāng)出現(xiàn)1號(hào)電樞柜和2號(hào)勵(lì)磁柜故障時(shí)，研究人員可以更改1號(hào)勵(lì)磁柜的接線，以滿足2號(hào)電樞柜和1號(hào)勵(lì)磁柜驅(qū)動(dòng)提升機(jī)運(yùn)行。同樣可改1號(hào)電樞柜和2號(hào)勵(lì)磁柜驅(qū)動(dòng)提升機(jī)運(yùn)行。兩臺(tái)勵(lì)磁柜臨近布置，三相進(jìn)線和直流出線可以直接修改電纜接線方法做柜體的切換，能有效地減少設(shè)備故障時(shí)間，故障柜可在維護(hù)時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行故障排查，傳動(dòng)控制柜內(nèi)的布置情況如圖5所示。

圖5 傳動(dòng)控制柜內(nèi)的布置

安慶銅礦副井提升機(jī)傳動(dòng)變流器單元采用具有多種保護(hù)特性的六脈沖晶閘管三相全控橋反并聯(lián)邏輯無環(huán)流結(jié)構(gòu)及勵(lì)磁換向傳動(dòng)，DCS800 傳動(dòng)控制裝置主要包括進(jìn)線交流接觸器、抗諧波進(jìn)線電抗器、勵(lì)磁單元I/O 接口板、供電控制電源板和主控制板等。主控板還為用戶預(yù)留有8 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的DI 和7 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的DO 口，都可以用SDCS-IOB-2 代替，并可以通過一個(gè)或者兩個(gè)RDIO-01數(shù)字I/O 擴(kuò)展模塊擴(kuò)展。系統(tǒng)掛接數(shù)字I/O 板（SDCS-IOB-21）及模擬編碼器I/O 板（SDCS-IOB-31）用以數(shù)據(jù)反饋，通過SDCS-COM-81經(jīng)光纖與主控和工程師站進(jìn)行通訊，DCS800 傳動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6 DCS800傳動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 提升機(jī)控制系統(tǒng)組態(tài)編程軟件及應(yīng)用軟件

系統(tǒng)應(yīng)用軟件是利用CBM（Control Builder M）編輯設(shè)計(jì)的，CBM 是支持控制器硬件組態(tài)、應(yīng)用程序編輯、現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)維護(hù)等基于WindowXP 以上平臺(tái)的應(yīng)用軟件。CBM 使得AC800M 控制器可以實(shí)現(xiàn)各種控制應(yīng)用［4］。其可重復(fù)使用代碼和庫(kù)文件的功能特點(diǎn)使AC800M 的應(yīng)用程序更加容易組態(tài)和建立，從而使所有的軟硬件合成為一個(gè)系統(tǒng)。這種集成包括3 個(gè)方面：數(shù)據(jù)管理、配置與編程、通訊。安慶銅礦副井提升機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用程序包含43個(gè)程序功能塊，引用了8個(gè)內(nèi)置的鏈接功能庫(kù)，應(yīng)用程序段列表部分如圖7所示。

圖7 應(yīng)用程序段列表部分

以下是副井提升系統(tǒng)保留方式、手動(dòng)方式、井筒檢查3 種運(yùn)行方式系統(tǒng)程序流程圖，系統(tǒng)程序工作流程圖如圖8所示。

2.2 人機(jī)界面軟件

Industral IT 800xA系統(tǒng)是一個(gè)綜合的過程自動(dòng)化控制系統(tǒng)［5］。主要部分為Opertor Workplace Produc?tion，它是針對(duì)用戶需求對(duì)設(shè)備系統(tǒng)的操作、批次管理、制造管理、信息管理、控制和I/O、工程管理、資產(chǎn)優(yōu)化、設(shè)備管理和現(xiàn)場(chǎng)總線等領(lǐng)域［6］。800xA包含3種操作方式：Operator Workplace（操作員工作面）、Plant Explorer Workplace（工廠資源工作面）、Engineering Workplace（工程師工作面）。用戶可通過內(nèi)置的VB?PG（Visual Basic Process Graphics）進(jìn)行制作編輯設(shè)備工作狀態(tài)、報(bào)警點(diǎn)、故障點(diǎn)、運(yùn)行曲線等的實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面，以提高副井的安全性、可靠性及運(yùn)行的高效率。實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面如圖9所示。

2.3 DCS800直流傳動(dòng)基礎(chǔ)軟件

變流器軟件分為兩大部分：傳動(dòng)控制和轉(zhuǎn)矩控制［7］。DCS800 直流調(diào)速系統(tǒng)主要采用轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)控制。所有控制是由直流傳動(dòng)基礎(chǔ)軟件（固件）通過數(shù)字量和開關(guān)量的反饋經(jīng)邏輯運(yùn)算和數(shù)值運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)的，即通過速度給定、速度反饋、電流反饋和外圍I/O經(jīng)復(fù)雜的邏輯運(yùn)算和數(shù)值運(yùn)算來調(diào)節(jié)晶體管可控硅的導(dǎo)通角度調(diào)節(jié)輸出電壓?jiǎn)?dòng)電機(jī)，DCS800直流調(diào)速系統(tǒng)示意圖如圖10所示。

圖8 系統(tǒng)程序工作流程圖

圖9 實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面

圖10 DCS800直流調(diào)速系統(tǒng)示意圖

2.4 DCS800調(diào)試監(jiān)視軟件

DriveWindows 是Windows2000 以上32 位平臺(tái)的應(yīng)用軟件，它提供了多種調(diào)試和監(jiān)視ABB傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)備的功能［8-9］。插入NDPA-02 PCMCIA 卡的工程師站可通過DDCS 總線與DCS800 的主控柜中光纖分配器（NDBU-95）的分配口連接到傳動(dòng)控制器的SDCSCOM-81板3#光纖通道進(jìn)行通訊［10］。所有的功能可通過DriveWindows 窗口區(qū)域進(jìn)行顯示與操作，有在線或離線兩種操作模式，支持在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行參數(shù)和信號(hào)監(jiān)控設(shè)置、故障記錄、趨勢(shì)曲線分析及上傳和下裝參數(shù)數(shù)據(jù)等操作。電樞電流和提升速度趨勢(shì)曲線如圖11所示。

圖11 電樞電流和提升速度趨勢(shì)曲線

3 運(yùn)行結(jié)果

2013年9月安慶銅礦副井提升機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)軟、硬件升級(jí)調(diào)試竣工完成正式投入使用至今，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況良好。由此可以說明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、選型是合理的，系統(tǒng)的運(yùn)行是可靠的，ABB 控制系統(tǒng)的技術(shù)及檢測(cè)手段是先進(jìn)的，達(dá)到了預(yù)期要求和安全水平。

4 結(jié)束語(yǔ)

ABB 控制系統(tǒng)在應(yīng)用中的最大特點(diǎn)就是它的集成程度高、控制精度高、產(chǎn)品的可靠性及技術(shù)的先進(jìn)性突出，使得硬件的接口、軟件的編程、設(shè)備的調(diào)試和維護(hù)工作變得簡(jiǎn)單易行。在維修工作中，該系統(tǒng)的作用是省工時(shí)、省人力，減少了運(yùn)行故障和停運(yùn)時(shí)間，大大提升了工程技術(shù)人員分析、解決問題的效率，保障了礦井的安全高效運(yùn)行。由于它的高可靠性、技術(shù)先進(jìn)性和優(yōu)質(zhì)售后服務(wù)，使其成為大中型工礦企業(yè)選擇自動(dòng)化控制系統(tǒng)的首要考慮。

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