礦用猴車自動控制系統的設計與應用分析

連曉雄

（潞安化工集團常村煤礦， 山西 長治 046100）

引言

在煤礦現場，煤礦挖掘工人常通過猴車進行井下井上的來回，礦下作業環境比較復雜惡劣，有時常影響猴車系統的正常工作，一旦運行過程中出現故障，將對現場工人的人身安全造成威脅。基于以上原因，本文設計了兩級監控系統對猴車的運行狀態進行監視，分別為井下控制系統和地面監控后臺。井下控制系統根據猴車是否乘人，對猴車的運行速度進行調頻控制。而在地面從監控后臺實時監視猴車的運行狀態，并根據實際情況，對猴車的運行狀態進行調整以及及時發現問題。

1 猴車結構及控制系統設計要求

1.1 猴車結構

猴車具體結構如圖1 所示，基本零部件組成包括牽引鋼絲繩、驅動輪、防爆電機等。工作流程為：電機轉子帶動驅動輪旋轉，驅動輪帶動鋼絲繩來回周期運動，工人則在猴車上隨鋼絲繩帶往目的地。

圖1 猴車結構圖

1.2 控制系統設計要求

對猴車的監控有兩套監控系統，分別為井下和地面。井下控制系統可對猴車的運行情況進行監測，一旦發生故障或出現什么問題，自動控制系統將快速反應，避免更大問題的發生，同時通過井下環網將運行出現的問題及時反饋給地面平臺，地面監控平臺對出現的問題進行存儲，為以后猴車的正常運轉提供分析的素材[1-2]。

井下自動控制系統將根據猴車有無乘坐人員對其運行狀態進行實時監測，在無人乘坐時，系統控制猴車低速運行，降低能耗；有人乘坐時，系統控制猴車以其設計速度運行。

2 控制系統的構成

整個猴車自動控制系統由三部分組成，分別是I/O 分站、井下PLC 控制程序和地面計算機監控系統。井下控制系統接收上下相關設備傳遞的數據信息，控制猴車的運行狀態，并及時將有關猴車運行情況反饋給上位機，如猴車發生故障時。自動控制系統一旦出現運行錯誤，通過I/O 分站進行相關信號的傳遞，將問題及時處理。經過比較分析，地面監控計算機安裝有MCGS 組態軟件，其能夠完成井下和地面雙方監控信息的反饋傳遞。自動控制系統通過傳感器對是否有人員乘車，通過PLC 控制變頻器控制猴車的運行狀態。整個地面和井下自動控制系統具體結構配置如圖2 所示。

圖2 系統的結構框圖

3 井下主站

如下頁圖3 所示，井下控制系統基本組成部分有變頻調速系統、300PLC 等。整個控制系統通過PLC接收、傳遞及處理信號來實現其控制運行。在經過精確計算及合理考慮，系統可對猴車的運行速度調設范圍設為0.5～3 m/s。通過紅外傳感器對猴車的運行速度實時監測，在有人乘坐猴車時，控制猴車按其設計速度運行，無人乘坐時，控制其低速運行。自動控制系統的基本組成部分有溫度傳感器、紅外計數器、速度傳感器等。整個猴車自動控制系統就是通過這一系列的傳感器對猴車的運行狀態進行控制，并及時反饋故障等信息，有效地保障了猴車的正常工作。

圖3 井下主站系統

3.1 變頻調速功能

一般情況下電機是不變方向的，單向帶動驅動輪旋轉，一旦出現故障，電機也可通過手動操作進行反向旋轉。變頻器的組成結構如圖4 所示，自動控制系統通過PLC 控制變頻器調控猴車的運行速度。還有在驅動輪上安裝的安全緊急制動開關和高速制動開關，保障了猴車的安全運行。

圖4 接線示意圖

3.2 工作模式

PLC 控制程序操作時可調成自動模式，也可進行手動控制。在PLC 自動控制模式下，自動控制系統將根據設定的程序自主的在固定時間段內，實現對猴車運行狀態的控制，比如正常上、下井高峰期，這時需要系統控制猴車進行連續工作。當有個別工人在高峰期外上、下井時，需要系統控制猴車開啟間斷工作模式。無人乘坐時，控制猴車低速運行或停止運行。PLC 手動控制模式，就是需要通過現場工作人員手動操作井下控制臺對猴車的運行狀態進行控制。

3.3 診斷和故障報警

以上所述的自動控制系統能夠在開工前，對自己本身的設備和控制程序進行自我檢測，若沒有達到實際開工要求，則HMI 和監控后臺報警并反饋故障信息，提醒相關工作人員對故障部位進行修理調整，極大保障了設備的安全運行。

3.4 保護功能

該自動控制系統同時具備一系列的保護功能，如過速飛車保護、脫繩保護、緊急停車保護等等。當現場工作人員遇到危險時，系統將自動識別發出報警信號；當井下巷道發生危險情況，現場人員可通過報警開關制動猴車，同時上傳監控平臺；當猴車的運行速度過快，或拖運工人的牽引鋼絲繩斷裂，系統均能自動終止猴車的繼續運行，并及時將故障信息反饋上報。不論上哪一種安全情況發生，系統將自動停止相關設備的繼續運行，并及時發出報警信息，在后臺監控平臺上顯示安全保護項目。只有故障消除后，報警解除，才能繼續正常工作。

4 軟件設計與系統組態

4.1 軟件設計

PLC 的最大功能是能夠通過變頻器對猴車的運行速度實現自動控制，但是在對系統進行測試檢修時，需要手動進行操作。在系統自動工作模式下，一旦出現保護動作，系統立刻會將相關數據信息上傳至后臺監控主站，經主站對上傳的信息處理后發出指令對PLC 控制程序實施控制；在系統手動模式工作中，可以不需要系統發出保護數據信息，強制對系統進行調修檢測。自動控制系統可通過地面監控平臺或井下控制系統對猴車的運行情況進行實時控制。在系統自動工作模式下，地面和井下控制系統對猴車的控制均有效，誰先發出的控制信號，猴車就遵循誰的指令。在系統自動操作模式下，系統根據傳感器發出的數據信息，控制電機運行。另外系統根據猴車運行時間和拉線信號，指令猴車停止工作。

4.2 組態設計

在猴車自動控制系統中，構造生成地面計算機監控系統的MCGS 組態軟件將通過對現場數據的收集整理，以報表輸出等多種方式為用戶提供解決問題方案。

該組態軟件不僅能夠通過可視化監控對PLC 進行控制，還可把PLC 的相關數據信息及時反饋在后臺監控平臺。地面計算機監控系統通過PLC 上傳的相關數據信息對猴車運行實現控制。一旦猴車運行狀況出現障礙，報警信息立即通過PLC 處理后傳遞至地面監控平臺。相關的故障信息會在地面控制系統中保存有一定的周期，以便工作人員隨時查閱，完善系統運行的漏洞。

工作人員需要通過監控界面來獲取系統的運行信息，通過監控界面實現的功能有：能夠對不同操作人員設置管理權限；顯示猴車運行速度、變頻器、電機等運行信息。

5 結語

設計了猴車的地面和井下自動控制系統，大部分運行情況下，系統實行自動運行，緊急情況下或強制對系統檢修維護的時候可手動操作。經過實際應用，該系統運行狀況良好，故障發生率與之前系統相比降低，既有效保證了工作效率，還一定程度上降低了猴車運行時的安全風險。