礦井提升機電控系統(tǒng)的研究與設(shè)計

張夢瑜

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)晉華宮礦，山西 大同 037016）

引言

煤炭安全高效開采對于保障能源安全尤為重要。自動化采煤機械裝置的大規(guī)模使用在提高煤礦生產(chǎn)能力和自動化水平的同時，極大地節(jié)省了人力物力，并提高了作業(yè)安全性。礦井提升機作為眾多煤炭開采運輸環(huán)節(jié)中的重要組成部分，承擔(dān)著礦井安全快速運輸?shù)闹匾蝿?wù)[1]。隨著科技水平的進(jìn)步、裝置應(yīng)用的拓展，整體生產(chǎn)水平的提高，對采煤機控制系統(tǒng)安全性和可靠性要求也進(jìn)一步增加，而傳統(tǒng)控制系統(tǒng)難以滿足生產(chǎn)新要求[2]。

為進(jìn)一步提高煤礦提升裝置生產(chǎn)效率及自動化技術(shù)在控制領(lǐng)域的應(yīng)用深度，通過使用PLC 數(shù)字控制技術(shù)，增強煤炭生產(chǎn)運輸過程的精確性和可靠性，以適應(yīng)煤礦井下復(fù)雜的生產(chǎn)環(huán)境，提高礦井提升系統(tǒng)運行穩(wěn)定性。

1 電控系統(tǒng)設(shè)計方案

如圖1 所示，礦井提升機系統(tǒng)主要由主軸承、減速器、制動系統(tǒng)、深度指示器、主軸裝置、聯(lián)軸器、電動機等7 部分組成。主軸承及其附屬卷筒、基座等主要通過電機轉(zhuǎn)動牽引繩索并提升物料等負(fù)載；根據(jù)負(fù)載情況調(diào)節(jié)減速器可以控制齒輪轉(zhuǎn)速空置比例，改變輸出力矩，并進(jìn)一步調(diào)節(jié)提升速度；在制動盤等裝置的作用下，制動系統(tǒng)可以實現(xiàn)對執(zhí)行單元的平穩(wěn)控制；深度指示器可以準(zhǔn)確反映提升機當(dāng)前位置；聯(lián)軸器可以補償兩軸之間的偏斜量，減少運行沖擊。

圖1 礦井提升機系統(tǒng)組成

除此之外，系統(tǒng)整體運行過程中的潤滑油和溫度也至關(guān)重要，潤滑單元則完成對上述物理量的實時測量，動態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)摩擦力的運行速度，在完成機械快速運行的同時，保證其使用壽命[3]；而對于提升物品的運動信息則由電子控制單元完成監(jiān)控，通過位置、速度、加速度等傳感器的密切配合，可以完成對提升系統(tǒng)啟停狀態(tài)的控制；通過安裝在定子前端的旋轉(zhuǎn)編碼器，保護(hù)裝置可以收集、監(jiān)測相關(guān)信息，確定系統(tǒng)狀態(tài)，防止超載等故障的發(fā)生[4]。

2 電控系統(tǒng)硬件部分設(shè)計

2.1 電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖2 所示，為滿足礦井提升系統(tǒng)控制要求,設(shè)計了基于雙PLC 電控系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由物料卷筒、變頻器、運行監(jiān)測裝置、雙PLC 核心、行程保護(hù)裝置、操作控制裝置、電動機、高速旋轉(zhuǎn)編碼器、操作保護(hù)裝置、減速裝置、電源等12 個部分組成[5]。雙PLC 冗余控制保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定，電源部分為變頻器、PLC 等主電路器件及控制電路元件提供電壓來源，操作保護(hù)裝置通過誤動作保護(hù)、指令校驗等功能可以保證操作人員安全完成PLC 控制系統(tǒng)命令下發(fā)，并通過通信協(xié)議完成PLC 與PLC，及PLC 與變頻器的控制通信，從而完成變頻器對電機的實時驅(qū)動控制，電機的輸出端與卷筒固定連接，便于實現(xiàn)貨物穩(wěn)定提升[6]。

圖2 煤礦提升機控制系統(tǒng)框圖

在提升物料的過程中，電機轉(zhuǎn)速、溫度等由傳感器實時測量，變頻器解讀總線通信協(xié)議并將系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)如電壓、電流、功率等打包傳輸給PLC1 和PLC2，監(jiān)測控制系統(tǒng)通過對貨物重量、貨物實時位置、當(dāng)前系統(tǒng)電壓和繩索狀態(tài)等多個關(guān)鍵物理參數(shù)的測量和比較，可以有效避免卷線和松動等意外狀況的發(fā)生[7]。

2.2 變頻調(diào)速系統(tǒng)原理

為便于實現(xiàn)礦井提升系統(tǒng)提升過程的精確化控制，需要使用PLC 和變頻器。變頻器通過整流電路、逆變電路、IGBT 等大功率開關(guān)器件模組及其控制電路的配合，實現(xiàn)對交流電壓的動態(tài)調(diào)整，而交流電機控制方法主要有直接轉(zhuǎn)矩控制法、轉(zhuǎn)差頻率控制法、V/f 控制法以及矢量控制法等4 種方式。其中直接轉(zhuǎn)矩控制法避免了解耦的復(fù)雜計算，通過直接測量電壓電流等的物理量的方式便可以計算當(dāng)前轉(zhuǎn)矩，系統(tǒng)更加平穩(wěn)，運行更加簡便，也更適應(yīng)煤礦復(fù)雜多變的生產(chǎn)環(huán)境。

2.3 通信系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸格式及通信系統(tǒng)如圖3 所示，主要由發(fā)射單元、接收單元和傳輸媒介組成，控制指令和數(shù)據(jù)傳輸指令等關(guān)鍵指令在發(fā)射單元將數(shù)據(jù)打包為數(shù)據(jù)幀后，經(jīng)由傳輸媒介傳遞到接收單元進(jìn)行解碼，便完成信息傳遞，系統(tǒng)各發(fā)射接收單元地址碼一一對應(yīng)。數(shù)據(jù)幀主要由初始段、地址段、功能段、數(shù)據(jù)段、校驗段和結(jié)束段組成，其中校驗段中數(shù)據(jù)主要通過CRC 循環(huán)冗余算法對前段數(shù)據(jù)進(jìn)行計算、由發(fā)射單元和接收單元分別計算、核對以確保傳輸數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤。在完成接收數(shù)據(jù)校驗后，各收發(fā)單元通過對數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)解析，得到當(dāng)前系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)，實現(xiàn)對電動機、變頻器等主電路設(shè)備狀態(tài)的持續(xù)監(jiān)控[8]。

圖3 通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)圖

3 軟件流程設(shè)計

3.1 貨物運輸操作流程

礦井提升機運行流程如圖4 所示，運行狀態(tài)與貨物重量密切相關(guān)，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載處于正常范圍內(nèi)時，完成貨物安裝工作后，變頻器驅(qū)動電機啟動加速，一段時間后系統(tǒng)處于勻速運行狀態(tài)，穩(wěn)步提升貨物至預(yù)定位置，再次持續(xù)一段時間后，開始進(jìn)入減速運行狀態(tài)，當(dāng)提升至終點附近時處于低速爬行狀態(tài)，并在終點附近停止動作，完成停車和卸載物料工作[9]。不同的運輸貨物其速度也不相同，其中貨物運輸為9 m/s，人員運輸為5 m/s，系統(tǒng)檢修時為0.3 m/s。

圖4 礦井貨物運輸流程圖

3.2 電控系統(tǒng)的工作流程

如圖5 所示為雙PLC 礦井提升系統(tǒng)控制流程圖，并在STEP7 軟件環(huán)境中完成程序設(shè)計。啟動流程后，通過系統(tǒng)初始化完成基本參數(shù)設(shè)置和功能自檢，當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)異常時，啟動聲光報警并提示進(jìn)行參數(shù)重定義，進(jìn)入下一流程完成位置判斷。當(dāng)其初始位置處于預(yù)定范圍內(nèi)時，系統(tǒng)正常啟動并開啟速度控制系統(tǒng)，依次完成繩索運行狀態(tài)監(jiān)測（過卷、過載、松動），由此判斷系統(tǒng)是否發(fā)生故障，一旦有相關(guān)故障發(fā)生則觸發(fā)對應(yīng)回路進(jìn)行應(yīng)急處置。處置完畢后對當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行再次判斷，直至滿足相關(guān)要求時，才進(jìn)入下一階段，否則停止工作[10]。

圖5 PLC 軟件控制系統(tǒng)流程圖

4 結(jié)語

為增強煤炭生產(chǎn)的自動化和機械化水平，提高礦井提升機系統(tǒng)控制的精確度和安全量，設(shè)計了以雙PLC 為核心的電控系統(tǒng)，在梳理提升步驟，改良系統(tǒng)控制流程的基礎(chǔ)上，進(jìn)行硬件和軟件設(shè)計。系統(tǒng)主要由操作單元、控制單元、監(jiān)測單元等三部分組成。通過監(jiān)測電動機、繩索等關(guān)鍵部件的狀態(tài)，避免其出現(xiàn)松繩、過載、超速狀態(tài)，并采取相應(yīng)安全措施，提高煤礦提升機系統(tǒng)穩(wěn)定性。