主井機電與管控信息一體化系統的實踐研究

陳英豪

（山西汾河焦煤股份有限公司回坡底煤礦調度信息中心，山西 霍州 031400）

1 問題的提出

回坡底煤礦屬于山西汾河焦煤股份有限公司，有1#和2#主井，當前設計生產能力為200 萬t/a。主井井筒直徑6.0m，25t 四繩立井多繩提煤箕斗1對，JKMD4.5×4（Ⅲ）E 型多繩摩擦輪提升機，一套TDBS420024 型同步電動機，一套變頻電控系統。

實踐中電控系統問題較多：（1）未能全速全載；（2）系統性能和可靠性不能滿足提升運行要求；（3）系統性能和功能不完善，不能實現自動化。2#主井提升能力不夠，需要1#主井和2#主井共同擔負全礦井的煤炭提升任務。

通過將提升機自動化控制技術與數字信息網絡化技術實現融合，形成統一協調的運作機制，達到提升系統高速、高效安全運行的目的，同時完善煤礦工業綜合自動化體系，實現管控一體化，為煤礦創新信息化管理、提高效率提供有力支持。

2 系統改造方案

2016 年10 月，該煤礦采用提升機自動化智能控制技術對2#主井在用提升機電控系統進行技術改造，實現對提升系統運行特性的最優化以及智能化控制。提升機自動化智能控制系統改造方案：“全數字交-直-交中壓變頻調速控制+中壓變頻同步電動機+PLC 行程控制和操作控制+多線制監視保護和安全回路+上位管理計算機+遠程智能診斷”。改進后的提升機自動控制系統整體結構如圖1 所示。

圖1 提升機自動控制系統整體結構示意圖

改造后系統中包括TDBS4200-24 型變頻同步電動機，SM150 型大功率交-直-交中壓變頻調速裝置和1 套勵磁裝置；提升機控制及監視系統采用PLC 構成雙線制控制和監視保護；上位機采用研華公司工業控制計算機系統，配套西門子公司的WinCC 人機界面系統；各PLC、調速控制計算機、上位機等通過Profibus 總線、MPI 總線構成系統通信網絡，實現網絡化集散控制。

3 系統核心技術與特色

3.1 大功率高性能同步電動機變頻調速

大功率高性能同步電動機變頻調速系統包括：高低壓供電定子和裝置變壓器、變頻裝置、同步電動機。其中變頻同步電動機、大功率變頻裝置為系統核心。

3.1.1 懸掛式低速直聯交流變頻同步電動機

主電動機選用上海電機廠有限公司生產的專門為礦井提升機配套的懸掛式交流變頻同步電動機，適應交-直-交變頻器供電，具有穩定性高、過載能力大、功率因數高等優點。在同步電動機的定子繞組中埋置鉑電阻測溫元件，通過數字溫度檢測儀進行巡檢并參與提升機控制系統的閉鎖。在定子框架內安放防冷凝加熱器。

3.1.2 大功率交-直-交中壓變頻調速裝置

變頻調速裝置選用西門子SM150 型大功率交-直-交中壓變頻調速裝置，確保裝置在惡劣環境下長時間可靠連續運行。該變頻調速裝置由AFE 有源前端單元、逆變單元、控制單元、水冷單元、勵磁單元等組成。

回坡底煤礦主井提升機自動化智能控制系統所采用的SM150 型全數字交直交中壓變頻調速控制裝置+同步電動機模式，速度曲線平滑，幾乎不產生諧波，避免了諧波對電網的影響，同時系統的功率因數可控并可基本保持在1左右，具有安全、高效、環保的優點。

3.2 基于現場總線的信息化集散控制

提升機電控系統主要包括工藝控制系統、傳動系統、上位機系統、信號系統、高壓配電系統、低壓配電系統等子系統，在提升機運行中各自承擔不同的工作任務。各子系統和主控系統相互獨立，通過I/O 端口和模擬量連接，形成信息孤島，不利于故障診斷和檢測。如采用以現場總線為核心的集散控制系統，可減少常規控制系統中的控制線路連接，提高安全性和可靠性。

基于Profibus 現場總線的集散提電控系統可以提高控制系統的有效性和穩定性，充足的通信數據量，適用于故障的快速分析診斷。基于現場總線的分布式提升機控制系統的架構如圖2 所示。

圖2 基于現場總線的分布式提升機控制系統的架構

本電控系統與同類系統相比有以下幾個特點：

（1）高可靠性。通過以現場總線通信的方式，減少了物理鏈路的數量，降低了受電氣線路干擾的可能性，無故障運行時間長，且系統的維護快速簡便。

（2）高安全性。通過采取硬件的抗干擾措施和軟件的通信“握手”機制，提高了控制的安全性。當通信鏈路中斷后，系統能夠及時采取應急措施，實施安全抱閘停車。

（3）較強的實時性。系統對信息的傳輸及時，采集信息量大，能夠及時跟蹤被監控對象歷史和當前狀況，有利于故障的診斷。

（4）豐富的系統功能。系統提供Profibus 通信接口、Modbus、工業以太網以及RS232 接口協議，能對各種外部系統的數據進行記錄和保存。

3.3 智能啟停控制

智能啟停控制即根據設備自檢狀態自動進行判斷和選擇并使系統能夠全自動啟動和停止，系統程序中通過保護聯鎖邏輯，確保啟停過程中不發生影響提升系統安全運行的事件。提升機系統的一鍵啟停功能，主要實現的是提升機從休眠狀態到喚醒狀態的啟動過程或者從喚醒狀態到休眠狀態的停止過程。休眠狀態是指提升機系統只保留控制部分運行，其他軸助系統處于斷電狀態，主要是為了在提升機長時間不運行時，為了滿足節能的需要使風機冷卻系統、傳動系統、液壓系統等處于停機狀態；喚醒狀態是指提升機各子系統都處于工作狀態，滿足提升機運行條件。

啟動提升機電控系統時，主控系統與各個輔機系統間存在安全互鎖機制，各個輔機系統需要依次啟動，并在設定的時間序列內啟動才能解開安全鎖，一個熟練的操作司機往往需要10min 時間流水操作才能使提升機系統啟動并滿足運行工況。實現一鍵啟停減輕了操作人員的勞動強度，將以往需要操作人員按順序完成的瑣碎工作改為操作面板上的一鍵操作，從而減少了操作時間，降低了操作人員因經驗不足和熟練程度較低造成誤操作的可能性。另外，一鍵啟停可以使系統脫離人工操作，在長時間不動車時能夠自動“休眠”以降低能耗，在需要開車時，能夠快速喚醒，以增加系統無故障運行時間，為提升機全自動運行系統實現無人值守運行創造條件。

3.4 雙通道冗余安全監視和控制

為實現冗余安全監視和控制，智能控制系統采用兩套PLC 自動化系統。系統A 實現提升機控制和安全監視功能，系統B 實現安全監視功能，如圖3 所示。工作時安全相關的信號分別進入主控、監控系統構成雙安全回路獨立進行判斷，并采用多樣性技術避免同一性故障的發生，構成多重安全保護。

圖3 雙通道冗余安全監視和控制

3.5 遠程智能故障診斷和運行監控

提升系統在煤礦生產中處于重要位置，擔負著煤旋、人員、物料等運輸工作，為此對安全和故障處理提出了極高要求。提升機自動化智能控制系統采用互聯網技術和信息技術，通過VPN 實現現場系統設備與遠程終端網絡互聯，可對提升系統運行狀態進行遠程監視，對提升系統設備故障進行遠程監視和故障智能診斷，從而建立起提升系統設備互聯保障服務體系。

現場發生故障時，遠程智能故障診斷系統可以對故障進行在線分析并給出故障處理建議，現場技術人員可據此采取相應處理措施，如故障仍無法解決，現場技術人員可申請工程師進行遠程在線診斷，工程師可在具備以上條件的場所通過編程器登錄遠程智能故障診斷系統，經系統安全認證后，及時對提升系統進行遠程診斷，在線幫助排查故障和修改參數，減少故障查找和處理時間，確保系統高效穩定運行。

4 安全生產經濟效益分析

4.1 安全生產效益分析

改造后在用系統可達到全速全載，滿足礦井設計生產能力，原有1#主井可停用，滿足煤礦安全要求。改造后系統與調度中心及遠程終端互聯，提高信息管理能力。提升系統運行數據可傳送至調度中心與礦井安全生產各子系統信息共享，為安全生產提供關鍵決策信息。系統實現隱患及故障時自動報警，及時消除隱患、處理故障，實現了無故障操作，大大提升了管理效率，確保了礦井主提升系統的安全可靠運行。

4.2 經濟效益分析

（1）提高了2#主井提升能力

回坡底煤礦主井提升機自動化智能控制系統采用交-直-交中壓變頻調速系統，調速性能優異，提高了系統運行效率，縮短了運行時間。系統最高運行速度從7m/s 提高到10m/s，單鉤運行周期從160s 降低到135s，提升載荷從20t 提高到25t。如按330d、16h 計算：

原核定年提升能力為：

Ah=（330×16×3600×20）/（1.15×160）≈206 萬t。

現核定年提升能力為：

Ah=（330×16×3600×25）/（1.15×135）≈306 萬t。

（2）系統設備可靠性提高，可維護性提高

原電控系統設備故障率較高，功率元器件損壞率較高。在用電控系統故障率降低，備件費用可減少約50 萬元/年。

系統改造后建立遠程診斷系統，實現對系統的運程維護，提高了系統可維護性，減少了故障查找和處理時間，電控設備月平均故障時間短，提升系統的維護費用節約20 萬元/年。