礦井提升機電控系統改造與研究

劉永川

(山西焦煤集團有限責任公司 杜兒坪煤礦，山西 太原 030022)

0 引言

由于礦井開采深度和產能的增加，目前我國許多礦井都面臨著升級改造的問題。提升機是礦井運輸系統中的重要設備，是人員、材料和矸石上下井的通道。20世紀末期，我國礦井廣泛采用進口成套提升系統，隨著這些老舊設備廠家的產品更新換代甚至停產，提升機系統的維護成本逐漸提高，例如晶閘管直流供電系統和西門子S5系列PLC，甚至面臨著沒有維修配件的風險，因此礦井提升機的電控系統改造十分必要。本文對煤礦提升機電控系統進行全方位升級改造，以提高提升機的運輸能力，將原先電控系統升級為新一代通用性強、開源的控制系統，對于降低后期的運行維護成本具有顯著作用。

1 礦井提升機系統構成

礦井提升機系統的核心是電控系統，提升機所有的行為均由其控制。對于提升機電控系統的要求有兩方面：①具有優良的控制性能，運行平穩、節約電能，控制性能的優劣直接關系到礦井上下運輸的質量和效率；②具有各項保護功能。由PLC控制的變頻器作為礦井提升機的驅動系統，變頻器的運行特性和節能特性可滿足要求，PLC又能夠為控制系統提供各類保護，因此此類電控系統是目前提升機電控系統改造的優選方案。

礦井提升機系統主要由主軸裝置、減速器、電動機、潤滑站、液壓制動系統、深度指示器和電控系統組成，主軸裝置包括滾筒部件和調繩離合器，液壓制動系統包括液壓站和制動器。礦井提升機系統構成如圖1所示。

圖1 礦井提升機系統構成框圖

2 礦井提升機系統功能要求

礦井提升機系統功能要求有以下幾方面：

(1) 安全方面。升級改造后的提升機系統應當滿足《煤礦安全規程》和《煤礦機電質量標準化》中的有關規定，采用軟安全回路和硬安全回路的雙線制回路，硬安全回路具有獨立性，軟安全回路由編碼器和保護開關聯合控制。

(2) 控制方面。選用常用、開源性好的西門子S7系列PLC，能夠實現速度控制、監測和各類保護功能；具有安全可靠的重力下放制動功能；具有備用電控裝置供故障期間手動切換。電控系統的保護包括欠壓保護、過流保護、短路保護、過卷保護、磨損超限保護、斷相保護和松繩保護等。

(3) 系統方面。采用上位機監控系統、工程師站維護系統，故障事件存儲和人機界面顯示使得設備信息更透明，方便故障排查與檢修。

3 可編程控制器(PLC)電控系統

可編程控制器是一種工業專用數字運算控制器，其存儲器可以編程，從而實現運算、定時、控制等指令，其輸入和輸出格式可以為模擬量，也可以為數字量。PLC自20世紀60年代問世以來，已經廣泛應用于各類工業控制領域。本設計采用西門子公司生產的S7-300系列PLC，這款PLC具有4種模式：調試模式、運行模式、停止模式和復位模式，各種工作模式之間的切換通過專用鑰匙進行控制。S7-300系列PLC可支持水平安裝和垂直安裝兩種方式，水平安裝時須保證電源端在左側，垂直安裝時須保證電源端在底部。S7-300系列PLC同時也支持單層或多層組態安裝，多層組態安裝只支持部分CPU型號。

4 外圍電路設計

4.1 供配電

提升機是人員上下礦井的重要通道，一旦發生供電故障將導致嚴重后果，因此其供電要求采用可靠性強的雙回路供電。主電源采用提升機主變壓器380 V低壓供電，備用電源采用獨立備用變壓器，主變壓器故障或檢修停電時通過交流進線柜的電源倒換開關將提升機進線切至備用電源。調節柜控制電源、PLC控制電源、快開控制電源和輔助設備電源均采用220 V交流電，除此以外還有220 V直流、110 V直流和24 V直流等直流電源。

4.2 操作臺

工作人員通過操作臺對提升機進行各項操作，并獲取提升機的運行狀態和信息，因此，設計良好的操作臺能夠給提升機操作提供便利，系統中操作臺不止一個，其中井口操作臺的控制功能齊全，其界面內各類按鈕和指示燈設計如表1所示。

表1 井口操作臺界面的各類按鈕和指示燈

4.3 位置檢測

提升機的位置檢測通過主軸上的光電編碼器實現，當提升機運行時，主軸帶動卷筒旋轉，光電編碼器隨之旋轉產生一系列脈沖。光電編碼器旋轉一周能夠產生4路脈沖信號，分別是A、A-、B、B-，通過不同脈沖信號的采集計數可以判斷提升機的位置、轉向和速度。

4.4 深度指示器

司機通過深度指示器觀察罐籠在井筒中的位置，采用數碼管顯示和柱狀燈帶指示相結合的設計方案，前者能夠提供精確的數字量，后者提供直觀的觀察畫面。數字式深度指示器DPV-96輸出接口為標準電平并行接口，與PLC接口連接方便。

4.5 井筒開關檢測

為了避免長期運行帶來的提升機位置偏差的累積，采用井筒磁開關對光電編碼器的信號進行矯正，其工作原理如下：在提升機罐籠上裝設磁鐵，井筒減速區裝設井筒磁開關，當磁鐵和磁開關進入感應范圍后，磁開關向PLC發出深度指示同步信號，通過程序內將此信號與光電編碼器的計數脈沖進行比較和矯正，在運行過程中設置減速點、二級制動接觸點和各水平停車點等。磁開關采用110 V電源供電，這樣做的好處是能夠避免電壓降影響檢測準確度。

5 軟件程序設計

礦井提升機電控系統的軟件包括PLC控制軟件、監控屏組態軟件。

PLC控制軟件采用STEP 7軟件進行編程，提升機PLC主程序流程如圖2所示，程序中包括了提升機的各類保護設置。系統開始后首先進行程序初始化，然后進行自檢，自檢不通過按故障處理，自檢通過后執行開車指令，然后判斷同步信號，不同步則進行同步矯正，同步矯正后進入速度控制程序，然后依次判斷各類故障，如果故障判斷結果為是則報警，否則等待停止信號，結束程序。

圖2 提升機PLC主程序流程

監控屏采用臺灣WEINVIEW觸摸屏MT8000，其組態軟件為EasyBuilder8000，支持離線和在線兩種方式模擬組態，本設計采用離線模擬，采用離線模擬的好處是無需重復下載程序，讀取的是靜態數據，開發過程中可以節省時間成本。

6 結束語

隨著煤炭生產的擴大和礦井設備的數字化網絡化發展，許多老舊的礦井提升機都不再滿足當前要求，面臨著升級改造，本文對煤礦電控系統的改造和研究為此類工作提供了參考。PLC控制的提升機電控系統實現了數字化和自動化，實際運行結果表明，該電控系統運行安全可靠，控制精度好、人員乘坐舒適性大大提高。