基于ABB控制器的副井提升机系统及应用

汪 浩

（铜陵有色金属集团股份有限公司安庆铜矿，安徽安庆246131）

0 引言

矿井提升机是矿山生产的至关重要的大型设备，是地下矿井和外界联系的重要通道，担负着物料、矿石、人员等的重要运输任务，常被人们称为矿山的咽喉［1］。安庆铜矿副井提升机是集团公司A 类设备，主要承担提升人员和物料，提升机型号为JKMD-3.25×4多绳落地式提升机，提升方式为双层罐笼平衡锤提升方式，主电机型号为ZKTD215/45-P，额定功率为700 kW。由于电控系统是ABB 较早期的产品MP200和DVC700，该系统所需配件大部分已基本停止生产，采购困难，维护工作加大，其运行情况直接关乎到该矿的生产效率和安全可靠性。同时随着安庆铜矿深部系统的不断开拓，631 m 的副井提升深度对于深部系统作业面的人员和物料提运显然不能满足生产要求，急需对副井井筒进行延伸和对电控系统进行更新换代。国内有越来越多的工矿企业使用ABB 控制系统，马钢罗河矿业副井提升机直流调速系统使用的是ABB DCS800（2 500 A/690 V）组成12脉动桥并电枢可逆励磁恒定的全数控晶闸管整流装置，其运行效果良好。因此通过招标对比，该矿决定采用ABB 公司的AC800M主监控系统和DCS800传动系统。

本研究对副井的直流传动系统、主控系统及低压配电系统进行研究，提出一种基于ABB公司AC800M、DCS800按制器在提升机自动化上的应用系统。

1 硬件设计

按照设计要求，安庆铜矿副井采用双层罐笼提升容器，有效载荷5 t，提升高度达到951 m，预设11个水平中段，一个主信号台和两个辅信号台，最大运行速度7 m/s，加减速度为0.7 m/s，机械部分和主电机不更换。传动系统的电枢变流器DCS800-S02-2050-07和励磁变流器DCS800-S01-180-04，各2 台做冗余配置。主控和监控使用的是AC800M 控制器，主控控制器用于提升机控制和安全逻辑控制，包括提升位置控制器系统，该系统产生速度给定值，直接发送到传动设备。监控控制器用于监视各种类型的提升机的运行信号，可替代机电监视设备如Lilly控制器和凸轮装置等［2］。安全回路采用双回路系统，它是保护的最后环节之一，无论是提升机还是安全回路本身出项故障时都能准确地实施安全制动［1］。该系统具有高性能的过程控制，具有高度集成自动化功能，它代表了生产制造和工艺过程领域的新水准。

1.1 系统结构

整个系统是一个高度集成的控制器通过各种现场总线和服务协议有机地连接起来的，这种连接是统一的，是互相关联且缺一不可的，拓扑结构图如图1所示。主控和监控及优化集成平台通过Profibus总线与工业以太网交换机连接起来进行数据交换和通讯，同时主控通过ModuleBus总线与光纤分配器（NDBU-95）连接并分配给DCS800传动系统的电枢控制器和励磁控制器，形成全双工信息交互方式，构成稳定可靠的现场总线控制系统，从而有效地保证了副井提升机的安全、高效运行。

图1 副井电控拓扑结构图

1.2 系统主要控制器功能

1.2.1 AC800M控制器

AC800M 是ABB 推出的Compact Products 800 系列产品中的一个重要组件，它是一款基于导轨安装的模块化的控制器，包含了CPU、通信模块、电源模块及一系列附件。它集成了多种通信功能、可以实现全方位冗余，并且支持宽范围的I/O信号，与第三方设备具有较高联接性。由于安庆铜矿副井主控控制复杂、节点较多，存储量较大，本研究采用的是PM861A 控制器，而监控则采用的是PM856 控制器，PM861A 与PM856比较表如表1所示。

用于双绞线的2 个Profibus 通讯模块分别用于与S800I/O系统和信号系统通讯，S800 I/O模块是脉冲计数，模拟I/O及开关量I/O模块。系统通过微型断路器和端子对各部分供电，浮地系统带绝缘监视设备（电压叠加原理）。安全回路采用双监视回路（提升机监视器跳闸/看门狗、AC800M跳闸/看门狗、紧停、变流器合闸、故障和过卷开关）连接到一个安全继电器、控制安全制动器（通过辅助触点与洛矿液压制动系统联络）和传动变流器。

表1 PM861A与PM856比较

AC800M多至12个通讯模件，每个CPU 可直接连接12 个I/O 模件。系统通过光纤ModuleBus 连接多至84个I/O模件，可直接连接多至96个I/O模件，每个模件由一可拆卸单元及相互连接的基座组成，基座实现模件间的外部连接，包括供电及通讯。应用软件为防止丢失全部备份到CF 闪存卡中插入控制器内，冷启动时可从CF 闪存卡中调回到控制器EPROM 内，主控监控柜内布置图如图2所示。

图2 主控监控柜内布置图

安庆铜矿副井的主控和监控组态是PM861A 下挂接有2 个通讯模块CI854，2 个脉冲计数模块DP820，1 个模拟输入模块AI810，2 个AI820 和2 个数字输出模块DO820。在CI854 下通过Profibus 分别连接有3 个通讯模块CI801，承担外围I/O 接口的通讯。PM856 下挂接有1 个DP820，2 个DI810，1 个DO810，1个AI820，1 个AO820，提升机控制系统组态图如图3所示。

图3 提升机控制系统组态图

系统主要功能如下：

（1）副井提升系统有保留方式、手动方式、井筒检查、首绳检查、尾绳检查5种运行方式；

（2）上、下数字过卷保护和硬件过卷保护；上、下减速点超速保护；

（3）提升信号的断电记忆功能；操作员站报警、故障记忆查询功能；

（4）检测罐笼异常位置的保护功能；罐笼安全门连锁保护功能；

（5）故障自动报警及传感器的故障自诊断功能；

（6）提升机控制回路的闭锁功能；

（7）供电电源的绝缘监测与电压、电流监测功能；

（8）对动力负荷的保护监测功能，如过电流，过电压，欠电压，短路，缺相及相位不平衡，接地保护等。

1.2.2 DCS800传动控制系统

DCS800 是直流传动控制系统，它的灵活性使用户能方便、容易地进行传动功能组态以适应各种不同拖动设备的应用，是目前在直流调速系统中最具有先进技术的传动控制系统［3］。DCS800 的功能通常通过为功能参数赋值来启动。为了保险起见，安庆铜矿副井传动系统采取冗余系统，采用两套同样独立配置的软、硬件设计，保证在其中一套系统出现故障时，另一套系统能立即启动，替代工作。一套单独的系统也许运行的故障率很高，但采取冗余措施后，在不改变内部设计的情况下，这套系统的可靠性立即可以大幅度提高。假如单独系统的故障率为50%，而采取冗余系统后马上可以将故障率降低到25%，副井传动变流器示意图如图4所示。

图4 副井传动变流器示意图

当研究人员使用1号励磁柜和电枢柜时，将K1.1、K1.2、K1.3 处的铜排短接即可。如果1 号电枢柜或励磁柜出现故障时，将原K1.1、K1.2、K1.3处的铜排移至K2.1、K2.2、K2.3处即可。由于原1号柜处的铜排都被拆除，也保证了1 号励磁柜和电枢柜不再带电。当出现1号电枢柜和2号励磁柜故障时，研究人员可以更改1号励磁柜的接线，以满足2号电枢柜和1号励磁柜驱动提升机运行。同样可改1号电枢柜和2号励磁柜驱动提升机运行。两台励磁柜临近布置，三相进线和直流出线可以直接修改电缆接线方法做柜体的切换，能有效地减少设备故障时间，故障柜可在维护时间段内进行故障排查，传动控制柜内的布置情况如图5所示。

图5 传动控制柜内的布置

安庆铜矿副井提升机传动变流器单元采用具有多种保护特性的六脉冲晶闸管三相全控桥反并联逻辑无环流结构及励磁换向传动，DCS800 传动控制装置主要包括进线交流接触器、抗谐波进线电抗器、励磁单元I/O 接口板、供电控制电源板和主控制板等。主控板还为用户预留有8 个标准的DI 和7 个标准的DO 口，都可以用SDCS-IOB-2 代替，并可以通过一个或者两个RDIO-01数字I/O 扩展模块扩展。系统挂接数字I/O 板（SDCS-IOB-21）及模拟编码器I/O 板（SDCS-IOB-31）用以数据反馈，通过SDCS-COM-81经光纤与主控和工程师站进行通讯，DCS800 传动控制系统结构图如图6所示。

图6 DCS800传动控制系统结构图

2 软件设计

2.1 提升机控制系统组态编程软件及应用软件

系统应用软件是利用CBM（Control Builder M）编辑设计的，CBM 是支持控制器硬件组态、应用程序编辑、现场系统维护等基于WindowXP 以上平台的应用软件。CBM 使得AC800M 控制器可以实现各种控制应用［4］。其可重复使用代码和库文件的功能特点使AC800M 的应用程序更加容易组态和建立，从而使所有的软硬件合成为一个系统。这种集成包括3 个方面：数据管理、配置与编程、通讯。安庆铜矿副井提升机系统应用程序包含43个程序功能块，引用了8个内置的链接功能库，应用程序段列表部分如图7所示。

图7 应用程序段列表部分

以下是副井提升系统保留方式、手动方式、井筒检查3 种运行方式系统程序流程图，系统程序工作流程图如图8所示。

2.2 人机界面软件

Industral IT 800xA系统是一个综合的过程自动化控制系统［5］。主要部分为Opertor Workplace Produc⁃tion，它是针对用户需求对设备系统的操作、批次管理、制造管理、信息管理、控制和I/O、工程管理、资产优化、设备管理和现场总线等领域［6］。800xA包含3种操作方式：Operator Workplace（操作员工作面）、Plant Explorer Workplace（工厂资源工作面）、Engineering Workplace（工程师工作面）。用户可通过内置的VB⁃PG（Visual Basic Process Graphics）进行制作编辑设备工作状态、报警点、故障点、运行曲线等的实时监控画面，以提高副井的安全性、可靠性及运行的高效率。实时监控画面如图9所示。

2.3 DCS800直流传动基础软件

变流器软件分为两大部分：传动控制和转矩控制［7］。DCS800 直流调速系统主要采用转速和电流双闭环控制。所有控制是由直流传动基础软件（固件）通过数字量和开关量的反馈经逻辑运算和数值运算来实现的，即通过速度给定、速度反馈、电流反馈和外围I/O经复杂的逻辑运算和数值运算来调节晶体管可控硅的导通角度调节输出电压启动电机，DCS800直流调速系统示意图如图10所示。

图8 系统程序工作流程图

图9 实时监控画面

图10 DCS800直流调速系统示意图

2.4 DCS800调试监视软件

DriveWindows 是Windows2000 以上32 位平台的应用软件，它提供了多种调试和监视ABB传动系统设备的功能［8-9］。插入NDPA-02 PCMCIA 卡的工程师站可通过DDCS 总线与DCS800 的主控柜中光纤分配器（NDBU-95）的分配口连接到传动控制器的SDCSCOM-81板3#光纤通道进行通讯［10］。所有的功能可通过DriveWindows 窗口区域进行显示与操作，有在线或离线两种操作模式，支持在现场进行参数和信号监控设置、故障记录、趋势曲线分析及上传和下装参数数据等操作。电枢电流和提升速度趋势曲线如图11所示。

图11 电枢电流和提升速度趋势曲线

3 运行结果

2013年9月安庆铜矿副井提升机自动化系统软、硬件升级调试竣工完成正式投入使用至今，设备运转情况良好。由此可以说明系统的设计、选型是合理的，系统的运行是可靠的，ABB 控制系统的技术及检测手段是先进的，达到了预期要求和安全水平。

4 结束语

ABB 控制系统在应用中的最大特点就是它的集成程度高、控制精度高、产品的可靠性及技术的先进性突出，使得硬件的接口、软件的编程、设备的调试和维护工作变得简单易行。在维修工作中，该系统的作用是省工时、省人力，减少了运行故障和停运时间，大大提升了工程技术人员分析、解决问题的效率，保障了矿井的安全高效运行。由于它的高可靠性、技术先进性和优质售后服务，使其成为大中型工矿企业选择自动化控制系统的首要考虑。

（References）：

［1］黄仰金.矿山副井提升系统计算机控制系统的设计及应用［D］.长沙：中南大学信息科学与工程学院，2004.

［2］ABB.DCS800 Drives（20 to 5200A）Hardware Manual［Z］.ABB，2008.

［3］严国祥，杨 坚，丁陈愍，等.谈谈新一代ABB直流传动控制装置DCS-800的应用［J］.湖北造纸，2012（2）：25-27.

［4］殷振明，庞志勇，贺祥洪，等.基于Control Builder M 多水平提升副井位置值计算优化［J］.电子世界，2013（22）：202-203.

［5］张意舒，刘 恺，单钜程.800xA控制系统在水泥厂应用实例［J］.中国水泥，2008（2）：68-70.

［6］ABB.System 800xA with AC800M Engineering［Z］.ABB，2010.

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［10］宋立强.DriveWindows 在中压传动系统的故障分析与诊断上的应用［J］.电子世界，2013（1）：78-79.