礦井提升機自動運行監控系統設計研究

李金亮

（晉能控股煤業集團煤峪口礦，山西 大同 037001）

引言

提升機是煤礦采煤運輸生產活動中的主要機械設備，承擔煤炭與設備提升任務，對煤礦正常運行至關重要。隨著智慧礦山概念的提出，煤礦煤炭運輸與提升的可靠性、有效性以及自動化程度成為煤礦設備系統改進的一個方向[1-4]。當前國內大部分煤礦的提升機運行控制與監控依靠采用單PLC控制器構建的系統實現，提升機調速系統還在依靠轉子回路串電阻的控制模式，一旦PLC或外圍結構件出現故障，系統會控制提升機停機，造成生產中斷，而這些系統的控制精度、可靠性和能耗都不能滿足現階段發展需求[5-8]。基于以上情況，研究構建一套冗余PLC控制的礦井提升機全自動監控系統，采用雙PLC系統實現硬件的雙機熱備，依托煤礦現有的轉子回路串電阻控制系統和變頻調速系統，并將其接入冗余PLC控制系統中，實現提升機的自動監控、自動控制以及無極調速等功能，在故障發生的情況下，系統能夠立即在2套PLC控制器以及變頻和轉子回路串電阻調速系統中切換，極大降低系統故障導致提升機停機情況的發生概率。

1 礦井提升機冗余PLC控制系統設計

礦用提升機屬于大型機液電集成化設備，常見的有纏繞式和摩擦式兩種結構，系統構成大致可分為動力部分、傳動部分、制動裝置、深度指示系統以及控制系統等[9]。

1.1 總體方案設計

冗余控制的實質是在控制系統工作中，如果發生控制系統故障，可以通過備用關鍵控制件的自動及時切換，迅速將備用控制系統投入到工作中，實現快速切換控制系統的功能，保障受控設備的無影響運行。針對礦用提升機全自動運行監控系統，主要包含冗余核心PLC控制器、上位機系統、變頻器、轉子回路串電阻、運行狀態監測傳感器等，系統總體結構設計見圖1。

圖1 礦用提升機冗余PLC全自動運行監控系統結構示意圖

根據系統總體設計方案可以看出，礦用提升機冗余PLC全自動運行監控系統主要通過設置2套PLC控制器來實現冗余控制，同時為了滿足提升機提速與運行穩定性需求，將傳統的轉子回路串電阻控制電路并入系統中，構建變頻控制的雙保障，在系統變頻器故障或檢修時，仍然可以滿足提升機變頻控制作業。整套控制系統的工作邏輯如下：

1）提升機滾筒主軸和電機軸都安裝有軸編碼器，PLC通過編碼器實現轉速數據的收集，結合轉子回路串電阻調速系統的運行數據，通過PLC計算模塊中編寫的S行程控制算法，構建滾筒和電機的S形速度運行曲線圖，然后通過PLC輸出模塊將該速度曲線信號輸送到變頻器或轉子回路串電阻系統，進行提升機變頻控制。

2）配電系統的電流互感器、提升機上的壓力傳感器等采集的信號通過PLC的A/D模塊將電機電流和提升機各處液壓壓力等模擬量信號轉化為數字信號，上傳到上位機進行狀態實時監控。

3）系統實時采集提升機各監測部件的開關量和模擬量信號，通過PLC的數字量和模擬量模塊完成信號識別，將提升機各運行狀態參數實時上傳在上位機，保障提升機運行狀態的實時監控。一旦提升機發生故障，控制系統通過模糊故障樹系統對提升機故障進行分析，系統在上位機上根據各故障權重顯示故障信息，方便檢修人員及時準確排出提升機故障。冗余PLC控制系統中由于備用PLC與主PLC的外部控制電路完全形同，因此在系統正常運行過程中，備用PLC閉鎖全部輸出信號。只有主PLC發生故障時，系統才會開放備用PLC的輸出閉鎖，進而完成主備PLC自動切換[10]。

1.2 硬件設計

礦用提升機冗余PLC全自動運行監控系統的主備PLC采用西門子S7-400系列可編程控制器，主要實現控制系統的信號數據采集、處理、邏輯運算以及顯示、控制信號的輸出等信號處理功能，同時根據外部開關量、模擬量和數字量的輸入，根據內部程序控制邏輯，實現提升機的氣動、運行、停車、故障、報警等控制功能[11]。主備PLC通信采用PROFIBUS通信協議，而PLC與上位機通信則采用MPI通信協議，PLC與外部設備的連接見圖2，控制系統的硬件配置見表1。

圖2 主PLC與外部設備連接結構示意圖

表1 系統硬件配置表

1.3 軟件設計

礦用提升機冗余PLC控制系統的主控程序主要實現初始化、自檢、各通信模塊的通信與故障檢測、變頻運行控制、各類信號處理以及各類控制信號的輸出、反饋等功能，主控流程見圖3。

圖3 礦用提升機冗余PLC全自動運行監控系統主控流程圖

上位機硬件組態設計主要方便用戶進行監控狀態數據的獲取以及控制信號的發出，因此在主程序中建立各類功能模塊，其中主要包含固定數據傳輸模塊、系統自檢和初始化、數據處理模塊、故障處理模塊、液壓控制模塊以及報警模塊等，可以通過上位機畫面進行選擇。

2 運行效果分析

將設計的礦用提升機冗余PLC全自動運行監控系統，運用在同煤集團某煤礦提升機的監控中，實際上位機監控界面中各類圖形控件與系統的PLC都有直接連接，變量數據采集自PLC，為了驗證冗余設計的可靠性，分別設計了多種主控PLC系統故障情況，備用PLC的切換效率及時，對提升機的正常運行未產生影響，控制系統的可靠性和穩定性得到驗證。

3 結論

提升機的穩定運行以及提升機故障及時定位處理對煤礦煤炭開采運輸具有重要的現實意義，單PLC提升機運行監控系統具有一定的不穩定性，基于此本文設計了一套冗余PLC礦用提升機運行監控系統，并形成以下結論：

1）冗余PLC控制系統采用西門子S7-400系列可編程控制器，實現控制系統的信號數據采集、處理、邏輯運算以及顯示、控制信號的輸出等信號處理功能，同時根據外部開關量、模擬量和數字量的輸入，基于內部程序控制邏輯，實現提升機的氣動、運行、停車、故障、報警等控制功能。

2）礦用提升機冗余PLC全自動運行監控系統主要通過設置2套PLC控制器來實現冗余控制，同時為了滿足提升機提速與運行穩定性需求，將傳統的轉子回路串電阻控制電路并入系統中，構建變頻控制的雙保障，在系統變頻器故障或檢修時，仍然可以滿足提升機變頻控制作業。

3）冗余PLC礦用提升機運行監控系統能夠在主PLC出現故障時，準確及時將備用PLC切換至系統中，由于主備PLC外圍連接結構完全相同，因此受控設備不會受到主備PLC切換影響。