智能化控制在引水隧洞斜井提升机电控系统的应用

徐 冬

(中铁十八局集团第二工程有限公司，河北 唐山 064000)

1 工程概况

香炉山2号施工斜井是滇中引水工程先期开工的试验工程项目，设计为长陡坡斜井，长1227m，倾角为17.63°，坡比为31.8%，高差349m，与主洞水平投影夹角36.76°。根据施工条件并结合主洞开挖对斜井提升系统的要求，采用2套JK-2.5×2.5/20A型提升机，单钩提升双轨布置，每台提升机配置一台KZ-8型曲轨侧卸式矿车，作为物料提升设备，洞内采用挖掘机进行装渣，提升机电控系统采用基于双PLC控制的变频电控模式。

2 提升机电控系统

2.1 提升控制系统比选

目前，国内提升机有普通电控、PLC及变频电控三种方案(见表1)。普通电控采用继电器-接触器调速模式，性能差，处于淘汰状态。PLC电控优势在于设备体积小、安装调试方便、系统安全可靠。变频电控在节能和电机性能及稳定性方面有优势。通过对三种电控模式主要设备配置、工作原理和优缺点等进行对比分析，结合现阶段矿井提升机电控技术发展，本工程采用PLC变频控制提升机系统。

表1 提升机控制方案对比

2.2 系统硬件配置

提升机电机控制系统主要由主控计算机系统(PLC控制系统)、全数字高压变频调速系统、提升信号系统、闸瓦在线检测系统、上位机监控系统、高低压配电系统、视频监控系统等组成[1]。系统组成、功能和主要设备见表2。

表2 提升机电控系统组成及功能、设备

本系统采用S7-300双PLC作为整个控制系统的核心(见图1)对电机进行精确、稳定的控制[2]。PLC冗余系统由两套PLC控制系统组成。当主系统运行出现故障时，控制系统会自动切换到备用系统。这种切换过程是模块的整体切换，系统运行过程中，也可以通过手动操作实现主备系统切换。

图1 PLC控制系统

3 提升机电控系统应用与关键技术实践验证

斜井提升机电控系统的主要功能为对提升机系统的工况检测与故障诊断、提升机的状态监测监控、提升机故障预测与远程故障诊断分析[3]。为实现系统功能，提升机电控为多系统融合，其关键技术包括PLC技术、变频技术、传感器技术、计算机与网络技术等，对整个提升机运行过程进行检测、控制、显示、保护、报警和管理。为施工单位监测中心和机电设备管理人员提供准确、快速、全面的数据信息，实现提升机的智能化控制与远程监控。

3.1 全数字变频技术

3.1.1 变频调速控制系统组成

模块化多传动变频器原理系统硬件结构由变频器、行程控制、能耗制动和抱闸制动等组成(见图2)，采用低频全数字制动电源柜，全数字式变频器是其核心设备。调速系统采用GD系列945kW重载AFE四象限交流变频器。将PLC控制功能与变频技术相结合，极大地提高了系统的稳定性和可靠性，调速精度高，能够实现电机满功率向电网进行能量回馈。

图2 模块化多传动变频器原理

3.1.2 主要技术原理

采用全数字矢量控制，使系统调速范围宽、精度高。无速度传感器矢量控制技术使交流三相异步电机的调速性能可以和直流电机一样好，其调速精度高，性能好。

3.2 双PLC控制技术

3.2.1 主控系统组成

提升机主控系统采用S7-300系列双PLC作为整个控制系统的核心，主PLC负责程序及系统管理[4]。PLC构成电子行程监控器并负责深度指示及监控，实现了模块化设计，功能强大、投资安全并且完全适合各种应用。

3.2.2 技术特征

a.实现提升机半自动、手动、检修、慢动、紧急停车、低速爬行方式的控制。实现提升机机械、液压、电气等方面的控制故障检测、报警、保护功能。

b.监视提升系统各路电源。

c.实现连续速度包络线监测保护和逐点速度监测保护功能，实现提升机位置控制，保证提升机安全运行。

d.软件设计采用功能模块化、结构线性化设计，具有良好的维护性和可移植性。

两套PLC之间、PLC与监控系统的通信通过工业以太网实现。PLC对外I/O接口预留不少于10%的余量，留有与企业局域网和internet的接口，具有通过物联网对现场调速和监控系统进行实时远程诊断的能力。

3.2.3 运行方式

系统可在手动、半自动、检修、调闸、应急模式下运行。

a.手动。操作室通过控制台操作，可通过操作台选择水平信号或根据信号系统打点信号水平功能开车。

b.半自动。司机可通过按钮或信号工打点开车，让系统完成一个提升循环。

c.检修。系统可在检修模式下低速运行(≤2m/s)。

d.调闸。调闸模式下可对盘形闸进行检修，具有调闸闭锁功能。

e.应急。当一套PLC出现故障时，可直接切换到备用PLC实现完整的开车功能。备用PLC可实现所有主PLC具备的保护功能，但应急模式下的运行速度受到一定的限制。

3.3 上位计算机监控系统

3.3.1 系统设备与显示

主操作台内嵌入式安装一台10.4英寸触摸屏及电压电流表。选用4G内存、500G硬盘、工业以太网交换机、19寸液晶显示器。其中显示器的人机界面是司机与提升控制设备之间传递和交流信息的平台(见图3)，该平台主要由提升机升降监控系统、深度指示、工作状态指示、信号指示、高低压电压电流指示及提升机行程速度等组成[5]。

图3 工控机监控界面

3.3.2 系统功能

a.实现提升机运行情况与监控系统联动。

b.井筒开关动作情况记忆及显示。

c.故障检测、显示、报警，详细到什么位置、什么时间及什么原因导致的故障。对提升系统运行参数、状态进行实时检测，如速度、电流、电压等，对一些重要参数如速度图等存储并保留至少十个班次。

d.具备多种历史曲线查询功能，例如提升速度历史曲线、电机电流历史曲线，可以在控制软件内实时监控其他所有数据。

3.4 传感器技术

传感器是提升机电控系统非常重要的组成部分，通过位移传感器、摄像头等多传感器在线监测，实现提升系统闸瓦磨损监控、信号通信、视频监控与远程故障诊断[6]。

3.4.1 闸瓦磨损监控

通过位移传感器，可对闸的实时间隙进行检测，可通过校零装置对闸进行校零处理，校零完成后具有开闸间隙和磨损检测显示功能。通过与液压站的压力传感器数据进行比较，可对蝶形弹簧进行疲劳计算。闸瓦系统具有闸间隙显示功能、闸瓦弹簧疲劳检测功能及制动盘偏摆检测功能。

3.4.2 信号系统

提升系统采用以PLC可编程控制器为控制核心的信号系统，配合PLC冗余技术，用LCD液晶屏进行显示，具有汉字显示、数字存储故障诊断、安全闭锁等功能。信号装置采用独立西门子S7 PLC、欧姆龙电源模块等，通过光纤通信使进出斜井洞口控制台及提升机机房显示箱间传输、音响报警信号。显示屏用来显示提升机工作状态，扬声器用来发出语言报警信号，从而为斜井提升机运转提供准确、方便、直观的安全控制信号，指挥司机安全操作。

3.4.3 视频监控

基于光纤技术的远程视频监控系统可靠性高，抗干扰能力强，为提升机司机提供直观的斜井运行信息。系统有8路硬盘录像机(含2T硬盘)、25英寸高清显示器、高清摄像头，并提供满足光纤连接的所有材料。现场控制系统和远程上位机之间通过局域网络传输将现场各种参数数据传输并显示在远程端上位机上，同时现场高清视频监控画面传输至监控中心，实现对整个提升系统运行情况的直观监视。

4 结 语

本文对滇中引水工程香炉山2号施工斜井提升机的机电设备电控系统从功能设计、硬件配置、软件设计等方面进行全面分析，实现了机电设备控制自动化、数字化、可视化、智能化，保证了提升系统安全可靠运行。

斜井提升电控系统采用自动化智能控制、网络通信、视频监视、远程智能诊断等技术，实现了提升系统全方位、实时的多传感器在线监测，为斜井提升运行更加安全可靠提供了技术导向，为预防和减少斜井提升机运行故障和安全事故提供了理论技术支撑，促进了工程建设安全健康发展，保障了企业社会声誉和经济利益。

斜井提升机是洞内和洞外联系的大动脉。随着物联网技术越来越成熟，将其应用在斜井提升设备状态监测上，将更能保证提升机运行的安全性和稳定性，但需进一步深入研究以期减少监测盲区、提高数据传输可靠性。