煤礦提升機自動控制系統的設計及應用

張國鑫

（山西省潞安集團慈林山煤業李村煤礦，山西 長治 046600）

引言

煤礦提升機是在煤礦產業中用于聯系地面和礦井的礦井運輸設備[1]。其用于升降煤炭、礦石，以及人員、物料、工具等。該設備一旦發生故障，后果不堪設想。而其控制系統更是提升機的“大腦”，一旦控制系統出現故障，會直接影響并制約日常生產及人員生命安全。

目前國內的控制系統還采用繼電器-控制器的控制技術，該技術落后、設備老舊、效率較低、安全可靠性不大[2]。對此，為保證工作人員的生命安全及生產的順利進行，本文設計了一套自動控制系統，在滿足提升機生產應用的各項指標要求的同時，大大保證了設備運行的安全性、可靠性和穩定性。

1 提升機對自動控制系統的要求

1.1 安全性

安全性對于自動控制系統的重要性毋庸置疑，進行系統設計時，所有與安全性相關的信號均需納入控制系統中并參與連鎖保護。

1.2 可靠性

為保證系統的可靠性，通過軟件對整個系統進行控制及保護。此外，除設置主控PLC 之外，監控PLC 和安全回路也是必不可少的。

1.3 運行平穩性

傳統的提升機對速度及行程位置的控制采用的是開環，其在整個設備“加速-勻速-減速”的運行過程中加速度突變較大，使得設備在運行過程中產生頓挫感，沖擊性強，對工作人員及物料包括提升機的物理組成部分極易造成損害[3]。

對此，將運行速度及行程位置由PLC 進行編程控制，通過更為理想的速度曲線，使其速度及加速度按指定設置變化，保證系統以“啟動-加速-勻速-減速-停車”平滑過渡，從而提升運行的平穩性。

2 提升機對自動控制系統的硬件設計

提升機自動控制系統的硬件由運動控制系統、監控系統、操作平臺、傳感器及電氣控制柜構成。綜合考慮提升機的生產任務，設計如圖1 所示的控制系統。

圖1 提升機控制系統總體結構

2.1 運動控制系統

運動控制系統選用的是一套控制模塊，該模塊是針對運動控制、自動化要求高的場合特別開發的，尤為適用于本系統。該系統只需通過簡單的參數設置，便可實現對提升機各類工況的控制，且其運算能力及時間處理能力能夠滿足用戶對實時性和準確性的要求。提升機運動控制系統硬件結構如下頁圖2 所示。

圖2 提升機運動控制系統硬件結構

2.2 PLC 及功能模塊的選型

經選型，S7-400 PLC 具有較強的通信能力，其反應時間快、精度高、安全可靠性高，可將其作為監視控制系統的構成。此外，可充分利用該產品的Ethernet 通信，對系統進行遠程診斷，提高用戶的集中管理程度。結合提升的控制要求，S7-400 PLC 相匹配的功能模塊如下頁表1 所示。

表1 PLC 控制系統功能模塊選型

2.3 傳感器

傳感器是一種檢測裝置，作為“電五官”，它用來監視控制生產運行中的各類參數，對于保證生產運轉的最佳狀態是必不可少的[4-5]。自動控制系統配備的傳感器，需用于各種位置和速度信號的檢測，包含位置檢測編碼器、速度檢測編碼器、滑繩檢測編碼器、轉子位置角檢測編碼器、機械限位開關及井筒開關。其中，各類編碼器選用HUBNER 品牌的2500 脈沖數增量型編碼器，機械限位開關成熟度已經很高，井筒開關選擇了3 套電感式接近開關，分別用于位置校正及過卷檢測，傳感器選型結果如表2 所示。

表2 傳感器選型

3 提升機對自動控制系統的軟件設計

提升機自動控制系統的軟件設計由主程序系統和運動控制系統兩套系統組成，其中主程序系統用于完成程序的執行，實現安全保護、實時動態監控、連鎖控制等；運動控制系統用于完成提升機的啟動、加速、勻速、減速、制動停車等運動過程。

3.1 主程序系統

主程序系統采用S7-400+CPU315-2PN/DP 模塊，并設置兩套PLC 加以控制，一個為主另一個為備用。兩套PLC 之間相互獨立而又相互監控，一旦主PLC 運行發生異常時，系統將自動切換至備用PLC，備用PLC 仍可完成主PLC的全部功能，以保障系統的正常運轉。主程序系統由以下幾個模塊組成。

1）設備上電模塊：用于檢測控制系統中各個子系統供電狀況及工作狀態是否正常，控制故障燈的顯示。

2）系統硬件平衡模塊：根據上電模塊發出的信號判斷系統進入正常運行或故障運行狀態，并發出下一步模塊信號。

3）安全回路模塊：用于檢測重級別的故障信號，當有惡劣影響設備安全運行的故障產生時，信號發出，使提升機立即停車。

4）電氣停車模塊：用于檢測下放速度過快、錯向速度等中級別的故障信號，該模塊響應時系統會立即減速并停車。

5）閉鎖回路模塊：用于檢測信號通信故障、機械溫度過高、接地故障、系統閉鎖等低級別的故障信號。故障發生后，系統按正常情況到位后停車，監控抱閘直到故障排除。

6）工況選擇模塊：用于選擇提升機的運轉模式或工況，如人員提升、重載提升、井筒檢查、緊急模式等，通過控制操作平臺相應模式按鈕，模塊自行選取控制。

7）手/自動選擇模塊：用于切換操作的自動化、半自動化或手動模式，可選擇的操作有雙罐籠提升物料、寬罐籠提升方式、窄罐籠提升方式、換層模式、人員提升、重載提升、井筒檢查、緊急模式等。

3.2 運動控制系統

為了實現運動的平穩性，減少整個設備在運轉過程中的沖擊性，引入了理想速度曲線。采用西門子FM458 工藝控制模塊進行設置，以實現對速度及行程位置的控制。具體主要包括以下幾個模塊。

1）速度檢測模塊及位置檢測模塊：分別在對速度和行程位置的模塊上留有端口變量以進行調整和修改，通過編程軟件直接調用，后續只需定義輸入、輸出端的變量，便可達到控制要求。

2）速度控制模塊：采用比例積分控制器對設備的實際速度進行實時修正。

3）位置控制模塊：采用比例控制器實現對給定位置的比例控制。

4）設定點發生器：它是整個運動控制的核心部位，由它產生系統的速度曲線。由前述理想曲線，通過輸入變量即可產生所需平滑曲線，實現平穩低沖擊的運行。

4 結語

通過分析煤礦提升機自動控制系統的要求，對自動控制系統平臺進行設計搭建，采用可編程的S7-400+CPU315-2PN/DP 模塊，使用各傳感器監控，對系統設計安全回路、停車模塊等檢測模塊，并通過對提升機速度、位置等參數的人機交互控制，在加強系統安全性與可靠性的同時使得提升機運行的平穩性得以提高。此外，采取自動、半自動、手動三種模式操作選擇，以及簡化的人機交互界面，可減輕工作人員的勞動強度，提高煤礦礦井的工作效率。相信隨著科技水平的不斷發展，更高水平可靠性、安全性的軟硬件將不斷更新，工作人員的生命安全將得到進一步保障，生產效率得到進一步提升。