煤矿提升机主控制系统的分析与研究

王长春

（山东省邱集煤矿有限公司，山东 德州 251100）

邱集煤矿矿井采用立井开拓，提升机是该矿“四大运转”设备之首，集机电液于一体，在该矿生产中承担着煤炭、物料和设备运输以及人员提升等多种任务[1]。提升机控制方式存在技术落伍、操作繁琐、故障率高、可靠性差、能耗高、效率低、乘坐人员舒适度差等缺点，研究提升机的传动、安全保护措施、安全制动技术尤为重要。如何使竖井提升机安全运行、操作方便、节能效果明显是今后该矿数字化矿山建设的目标之一[2-3]。针对目前提升机控制技术的水平不足以满足实际生产能力提升的需求，对邱集煤矿提升机进行大规模技术改造和更新。

1 系统总体分析

提升机主电控系统围绕PLC 控制单元、行程控制与传动单元、控制保护单元和安全闸控（制动）单元的技术要点进行融合设计，主要实现邱集煤矿主井口提升机主控制系统各单元之间相互融合以及综合管理的技术。其控制系统的主要框图如图1。

2 主要实现方法

2.1 PLC 控制单元

PLC 控制单元是整个系统的控制核心，主要选用AC800M 控制器、输入输出卡件（S800 I/O、S800L I/O）、通信卡件和触摸屏操作面板等模块组成。PLC 控制单元采用网络总线型架构，层级设为应用层、监视层和执行层，还能灵活改变组织网络架构。现场操作时，管理员通过控制台人机界面控制提升机运行，利用Compact800 人机接口监视提升机运行状态，终端管理人员通过Web 服务器远程访问查看提升机运行状态[4]。

1）AC800M 控制器是ABB 公司的一款技术成熟、性能稳定且功能强大的控制器。它具有模件化、节能、规模可大可小、内存容量大、处理运算速度快等特点，它支持Profibus、Foundation Fieldbus、Modbus 等众多现场总线标准。精巧的集成化模块化设计，让控制器在系统应用中能更灵活地配置。根据实际功能需要，系统可以设计为几十个点的简单组合，也可以做到几万个点的复杂控制组合，完全能够满足各种领域的应用[5]。系统支持5 种编程语言扩展应用，还配有专用的组态编程工具，可实现目标项目的管理功能。AC800M 控制器提供了六种适用于不同任务的型号可供选择，具体参数见表1。

表1 AC800M 控制器具体参数

2）输入输出卡件选择的是S800L 系列 I/O 卡件模块，主要由I/O、通信和终端三部分组成，配合AC800M 控制器实现功能。通信组件采用Profibus-DP 通信协议的CI801 通信模块，CI801 现场总线通信接口（FCI）模块是一个可配置的通信接口，用于执行信号处理、监控信息采集、OSP 处理、inrun热配置、硬通道和I/O 模块配置等操作。输入卡件是采用了DI801、DI802、DI803 这三种型号的数字输入模块，输出卡件是采用的DO801 和DO802 两种型号的数字输出模块，具体的参数见表2。终端卡件接线底座是TU805K01的两线/三线接线底座。

表2 输入输出卡件具体参数

2.2 行程控制与传动单元

根据提升机行程控制和传动的需要，要实现对提升机的各种保护和监视的功能，可以选择基于PLC 控制与DCS800 全数字直流变频调速技术融合的方式，进行系统硬件的配置和应用软件的开发。本单元包含了提升机系统运行状态监测，实时数据传输，后台数据运算分析，还有井口与井底减速区段的速度监视，以及故障处理措施等。

1）DCS800 全数字直流变频调速

DCS800 系列直流调速器是目前直流调速领域广泛使用的传动控制装置，具有先进性、简易性、可编程性、可控制性、与AC 传动控制的可通用等优点。根据用户的不同需求，扩展出了D1 到D7 这7 种不同的规格，进而能对直流电动机的转速和转矩更好控制。

DCS800 直流调速器的内部组成包括：主CPU控制板；具有4 光纤通道的用于启动停止的控制板；提供励磁主传动自从传动通信功能的通讯板；具有8 个数字输入口和8 个数字输出口的数字I/O 板；具有5 个模拟输入口和3 个模拟输出口的模拟和编码器I/O 板；电枢回路接口板。

DCS800 直流调速器功率模块的温度保护，是采用串联1 只PTC 热敏电阻来检测保护的，利用热敏电阻的电阻温特曲线特性，由二次变送后的电信号值传送给调速器CPU 进行温度报警。在调速器的电源输入端口串联1 只快速关断的熔断器，来提供短路保护。

2）行程控制中故障监视

在行程控制的过程中会有多种的故障情况发生，对于这些故障发生的可能性需要采取相应的监视措施，下面具体阐述一下行程控制过程中常遇到的几种监视情况：

① 过卷监视。过卷故障分为软过卷和硬过卷，软过卷就是通过计算行程脉冲计数得出提升值超过实际值的过卷情况，而硬过卷则是井筒转动提升机高度超过实际高度位置的情况，由此对过卷信号监视均可以起到提升机的安全回路保护作用，为提升机的安全运行提供双重保护。

② 超速监视。在S 形速度曲线的等速段，Vs超出Vmax的10%时，监视程序发出超速指令。在井筒的预设位置进行定点速度监视，实现超速监控。

③ 运转方向监视。在主轴安装增量式旋转位置编码器，利用编码器输出的两路脉冲数据来判别井筒旋转的方向，从而实现提升方向的监视。

④ 停车监视。在停车期间，井筒不能转动，如果提升机的井筒无故开始运转，则位置编码器脉冲计数出现变化，监视程序即可发出报警指令，安全回路也进入工作状态。

⑤ 离站监视。提升机控制系统松开闸阀，启动延时设定时间后，提升机运行状态未达到预定值，监视程序发出故障指令，并立刻动作安全回路。

2.3 控制保护单元

提升机控制保护单元的核心任务是逻辑控制和故障安全保护，汇集了提升系统分支单元的运行状态、参数、操作指令和保护信号等。一是操作保护系统将与操作控制相关的信号进行逻辑运算和闭锁，生成控制指令；二是操作保护系统将与故障保护信号进行逻辑运算；三是处理为立即施闸、提升终了施闸、电气制动，监视器显示故障类型并控制报警系统施闸。如图2。

图2 提升操作保护系统框图

2.4 安全闸控（制动）单元

提升机安全闸控单元是矿井提升机最重要的部分，为了保证提升机工况安全，均按照双重保护的思路设计，比如采用双制动盘、双液压工作站，每个液压站装有双液压回路，电气控制有两组并行独立回路等。闸控单元通常由液压站、盘式制动器及闸座、电控柜、控制箱、液压管路等设备组成。其液压制动原理通常采用以下两种形式。

1）恒减速制动

当提升机的闸控板与滚筒驱动测速发电机一起，在特定的压力区间内保持制动过程减速度恒定不变的制动。

2）恒力矩制动

当提升机全载下放时，所需减速度的压力值是由冗余回路控制阀和液压设备提供的，而在制动过程中，无论何时安全制动启动闸力矩始终是恒定的。

3 结语

该技术升级改造对AC800M 系列的PLC 控制器和DCS800 系列直流调速器的融合管理提升机主控系统进行了技术研究，通过围绕控制单元、行程控制与传动单元、控制保护单元和安全闸控（制动）单元的技术理论分析，制定了邱集煤矿主井提升机主控系统解决方案，此研究阐述了各功能单元在主控系统中的相互融合以及综合管控的技术实现，初步实现了提升机主控系统控制精准、保护性能强、监测环节措施完善、操作维护方便的目标，为今后技术升级提供了宝贵的经验。