1、1032023 年第 2 期刘 静：煤峪口矿提升机自动控制的安全设计及研究刘 静：煤峪口矿提升机自动控制的安全设计及研究收稿日期 2022-08-02作者简介 刘静（1992），女，内蒙古自治区乌兰察布市人，2018 年毕业于中国矿业大学，本科，助理工程师，研究方向：电气工程及其自动化安全。刘 静：煤峪口矿提升机自动控制的安全设计及研究刘 静：煤峪口矿提升机自动控制的安全设计及研究机械电气与自动化煤峪口矿提升机自动控制的安全设计及研究刘 静（晋能控股煤业集团煤峪口矿，山西 大同 037000）摘 要 煤峪口矿采用多绳摩擦式提升机，设计采用基于 PLC 控制的大功率直流全数字调速控制系统，主开车
2、画面和安全回路画面可实时显示提升机运行控制、故障及速度等信息，实现了提升机的安全自动运行。关键词 提升机；自动控制；直流全数字调速；在线监控中图分类号 TD63+3 文献标识码 A doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.02.037Safety Design and Research on Automatic Control of Hoist in Meiyukou MineLiu Jing(Jinneng Holding Coal Industry Group Meiyukou Mine,Shanxi Datong 037000)Abstract:Meiyuko
3、u Mine adopts multi-rope friction hoist and designs a high-power DC full digital speed regulation control system based on PLC control.The main start-up picture and safety loop screen can display the hoist operation control,fault and speed information in real time,and the safe automatic operation of
4、the hoist is realized.Key words:hoist;automatic control;DC full digital speed regulation;online monitoring 煤峪口矿采用多绳摩擦式提升机，型号为JKM-3.56（）E-（SRG），卷筒直径 3.5 m，其与 ZKTD285/5 型直流电机直连传动，电压 750 V，功率 2000 kW，采用盘型制动的卷扬机。由于该提升机在运行过程中安全可靠程度低，且节能环保程度也较低，因此，本文通过设计应用合理的提升机自动控制系统，即采用基于 PLC 控制的大功率直流全数字调速控制系统，保证其控制系统运行
5、安全可靠。1 煤峪口矿提升机总体控制方案煤峪口矿提升机控制系统设计主要是以 PLC为控制程序，其组成有液压、动力、全数字调速、PLC 控制和监控等系统以及安全回路六部分。其中，动力系统主要用于完成物料的运输，有主电机、卷筒、底座、制动和减速器；液压部分为主要制动装置，有液压和润滑装置；PLC 控制为系统的核心部分，有保护回路、操作台闸盘检控、行程监控和装卸站 PLC；全数字直流调速是通过转速调节器比较分析设定转速给定值和实际反馈值1；监控主要用于对主电机电流电压、油压、温度等信息进行监测；安全回路用于实现提升机的安全制动，有硬件和软件安全回路。煤峪口矿提升机是采用具有正向提升和反向分散的往复式
6、单斗提升装置。在提升机提升循环中，箕斗上升或下方的移动距离是一样的，并均进行从起动、主加减速、恒速、停车、爬行等过程，如图 1。图 1 提升机运行图提升机调速控制系统满足以下要求：（1）满足四象限运行。不同方向作业时，利用磁场的换向要求能够完成正力加速和负力减速2。（2）速度给定装置设置准确可靠。通过在井筒中设置位置传感器，箕斗到达指定位置运行相应的等速、加减速指令。（3）设置行程显示。在井筒内设置多个井筒磁开关，对提升机的速度、行程等进行实时监控。（4）设置故障监视装置。（5）设置可靠的闸控制系统。（6）1042023 年第 2 期调节精度要较高。系统静差率3为电机稳定作业时，在额定负载下，
7、相对应的静态降速和理想空载转速比4，公式为：s=ndN/n0 （1）D、s 和 ndN关系5为：D=sndN/ndN（1-s）（2）式中：ndN为电机额定转速，r/min；s 为最低转速静差率；ndN为额定负载下的静态速降，r/min。该矿主井提升机爬行速度通常是 0.5 m/s，等速度设计是 9.89 m/s，所以提升机调速范围 D 约 20。2 煤峪口矿控制系统软硬件设计2.1 硬件设计煤峪口矿控制系统硬件有高低压配电柜、硬件控制核心 PLC 柜操作台、调速装置、测速电机、井筒开关及传感器等，见表 1。表 1 提升机控制系统硬件构成系统构成设备类型性能控制系统系统操作台、PLC 柜实现安全
8、保护和系统控制电气传动系统快开电源、直流传动柜主电机的调速和供电高低压配电动力变压器、高电压电源柜主电机、低压配电回路传感器井筒开关、油压传感器、编码器保护信号煤峪口矿提升机电控系统自动控制选用 S7-300PLC 系统6，作为核心控制器。数字调速系统采用全数字调速装置与晶闸管变换器，其调速传动系统采用西门子 6RA70 直流全数字调速电控系统，晶闸管装置配置成串联 12 脉动。传感器中测速发电机采用 ZYS-8A，井筒磁开关选用 KGE1-1-AP 电源型磁开关，闸检测开关采用普通 GUH80 位置传感器，极限过卷开关采用机械式行程开关，及光电编码器、油压变压器、烟雾传感器。煤峪口矿提升机监
9、控主机选用西门子 6AG40 工控机，通信端口 RS-232，主频 3.3 GHz，自带通信适配器与 PLC 的 MPI 通讯端口直接相接，完成上位机和 PLC 的通讯。监控系统功能主要有：箕斗所在位置及箕斗、配重在井筒内的显示，提升机运行速度，电控系统故障和报警、液压站温度，安全回路中的显示等。监控系统有利于生产管理、事故查询以及日常检修维护。2.2 软件设计2.2.1 PLC 控制流程图 煤峪口矿软件系统设计有 PLC 控制流程图绘制、主程序编程以及 I/O 地址分布等。图 2 为提升机控制程序流程图，控制程序主要有初始化、速度控制、故障诊断、安全回路保护等任务。供电开始后，PLC 初始化
10、，系统自检，同时对提升机的初始位置进行监测。当开车信号发出后，PLC 开始进行速度控制，当PLC收到调速装置或井筒开关信号时，PLC 转换至中断处，实现安全保护回路中的过载、过卷、松绳等监控。当控制系统出现故障时，安全回路保护会执行报警指令，发出急停并快速停止作业，确保工作操作的安全性。图 2 提升机 PLC 控制流程图2.2.2 PLC 的 I/O 地址分布煤峪口矿控制系统 PLC 的 I/O 地址分布为：数字量输入模块 DI 地址分布包括温度风压和高低压电源检测；开车方式选择信号、闸信号和硬件轻重的安全回路信号输入等。数字量输出 DO 模块有主令手柄信号和闸信号输出、软件安全回路、功率柜解
11、封等。模拟量输入输出 AI/AO 模块有速度给定、闸给定以及测速电机速度反馈输入/输出等。2.2.3 PLC 控制系统编程煤峪口矿提升机控制系统编程软件采用 STEP7 Version5.4，其主要功能有参数设置、硬件配置、仿真测试、监视、诊断7等功能。此外，为实现煤峪口矿 PLC 控制系统的行程功能，对主从编码器的位置速度监测、井筒开关等编程，完成提升机的正常加减速、停车功能，从而实现提升机运行中的行程1052023 年第 2 期刘 静：煤峪口矿提升机自动控制的安全设计及研究刘 静：煤峪口矿提升机自动控制的安全设计及研究控制。3 提升机在线监控设计及应用3.1 PLC 与监控系统通讯PLC
12、和监控系统通讯采用的适配器是西门子S7-300PLC，上位机端口采用 RS-232，PLC 处直接接入 MPI 端口，如图 3。图 3 PLC 和监控通讯图3.2 监控画面设计及应用煤峪口矿采用 SIMATIC Win CC 视窗控制的监控系统姿态软件，具有很好的灵活和开放性8。煤峪口矿监控画面有主开车、主回路、安全回路、PLC 监控等画面，本文主要介绍的是主开车画面和安全回路监控画面。图 4 煤峪口矿提升机主开车画面图 4 中的主开车监控画面中，可对配重、箕斗在井筒内的任一位置显示，对井筒开关、液压站压力、电机温度、编码器等也进行监控和显示。此外，还可对提升机产量、每日运行勾数等信息进行查询
13、，计算卷径和调绳。图 5 为提升机安全回路画面。该图能够显示提升机运行中的磁场电流、电枢电流信息。此外，该图还可对编码器、调速装备、测速机的速度进行实时显示，用以与操作工的数据相比较。当差异较大时，有利于操作工及时对调速装备、编码器或者电机的运行状态进行检查，防止速度超差和等速超速等重大故障的产生。同时，该图还能够对回路中的运行状态进行监测，当回路出现故障时，能够明显地看出造成回路断开的缘由，便于进行检修，也为找寻故障点以及停车进行检修节约了时间。图 5 提升机安全回路画面4 结语（1）煤峪口矿提升机控制系统整体方案为：PLC 控制的大功率直流全数字调速控制系统，组成主要有动力、液压、PLC
14、控制、全数字调速和监测监控系统以及安全回路。（2）对煤峪口矿控制系统软硬件设计，硬件系统主要是对 PLC 控制器、调速系统以及保护传感器选型，而软件系统主要是分析PLC控制流程绘制、主程序编程以及 I/O 地址分布。（3）在线设计提升机监控系统，经应用表明，主开车画面和安全回路画面可实时显示提升机运行控制、故障及速度等信息，实现了提升机的安全自动运行，且安全稳定高效。【参考文献】1 王鹏凯.煤矿提升机运行监测及故障诊断方法的研究J.机电工程技术，2020，49（01）：174-176.2 王晓东.基于 PLC 的矿井提升机变频调速控制系统设计研究J.能源技术与管理，2018，43（05）：16
15、4-166.3 王强.煤矿主井提升机电动机冷却系统的技术改造J.机械管理开发，2019，34（03）：162-163.4 段李鹏.PLC 在矿井提升机变频调速控制系统中的 应 用 J.机 械 管 理 开 发，2022，37（04）：208-210.5 张强.矿用提升机制动系统自动化控制系统设计研 究 J.机 械 研 究 与 应 用，2020，33（06）：170-171+176.6 崔世杰.矿用提升机控制系统优化研究 J.机械管理开发，2022，4（37）：57-58.7 李世东.制动控制系统在矿用提升机中的应用研究 J.煤矿现代化，2020（03）：151-153.8 张国鑫.煤矿提升机自动控制系统的设计及应用J.机械管理开发，2021，36（08）：258-260.