基于PLC的绞车安全防护系统设计

吴冠亮

(汾西矿业贺西煤矿，山西 柳林 033300)

绞车是煤矿井下运输、车辆调度的重要设备。当绞车出现故障时，会严重影响矿井正常生产[1～2]。近年来，绞车安全防护装置的推广使用，在一定程度上降低了绞车事故发生率[3～4]。但是由于设备运行环境恶劣，绞车使用过程中存在钢丝绳断裂、矿车翻车等风险[5]。为此，笔者设计了一种基于PLC的绞车安全防护系统，可以实现自动排绳、过卷、超速断电等功能，在一定程度上提高矿井绞车运行安全保障能力。

1 排绳装置设计

现阶段矿井井下绞车使用的排绳装置主要分为丝杠式、圆柱凸轮式两种。笔者在两种排绳装置的基础上设计一种自动排绳装置，该排绳装置采用步进电机作为动力源产生扭矩，从而带动布绳引导滑块按照排绳线路做直线运动。当布绳引导滑块达到两侧极限位置(A、B位置)时，步进电机反向转动，从而使得引导滑块实现往返运动，具体的排绳装置总体构成见图1。

图1 排绳装置构成

1.1 结构设计

自动排绳装置的动力由步进电机提供，不需要与绞车连接。步进电机通过带动旋转丝杆引导布绳和滑块移动，从而实现排绳，具体结构见图2。

图2 排绳引导装置结构

当布绳引导滑块与接近开关相距10mm距离时，接近开关将检测信号传输给PLC控制器，步进电机反转，滑块反向移动。

1.2 自动排绳装置电控设计

自动排绳装置采用步进电机作为动力与绞车无支架关联。当绞车转速以及转向发生改变时，需要步进电机及时跟随绞车运行变动，因此采用用霍尔传感器来对绞车的运行状态进行监测，具体布置见图3。

图3 霍尔传感器安装位置示意图

在绞车滚筒上布置磁钢，当绞车运行时，霍尔传感器(速度、转向)监测到绞车运行状态，将监测到的绞车运行状态传输给PLC控制器。

2 防护系统设计

2.1 自动给油保护装置

当绞车启动运行时，PLC发出控制信号中断继电器运行。当绞车停止运行时，PLC控制器发出控制信号，中间继电器失电，电磁阀关闭自动给油装置。

2.2 绞车安全防护装置

绞车安全防护装置包括有过速、过卷断电保护。过速保护主要布置在绞车滚筒位置处，速度传感器获取绞车的运行速度，具体是PLC控制器计算两个临近信号间的时间间隔，从而得出绞车滚筒运行线速度，达到钢丝绳运行速度监控目的。当检测到超速时，PLC控制器给变频器发出控制信息，变频器降低输出电流频率从而降低绞车运行速度，实现绞车过速保护。过卷保护则是绞车在钢丝绳过卷处布置小钢片，小钢片与过卷位置相距1.5m，钢片触发接近开关动作，接近开关发出的控制信号传输给PLC控制器，PLC控制器接收到监测信号后，立即向变频控制器发出控制指令，停止绞车运行。

2.3 绞车安全防护装置电控系统设计

设计的绞车安全防护装置电控系统将机电与自动化控制相结合，该装置结构体积小、系统构成简单，最为核心的组件为PLC控制器，内部含有6个输出接口、7个输入接口，同时输出接口可以输出高速脉冲，从而对驱动电机的运行进行控制。电控系统具有的Q0.0以及Q0.1两个高速脉冲输出口，可以满足安全防护装置运行需要，具体控制系统电路分见图4。

图4 控制系统电路

当绞车启动运行后，KM1(启动排绳器)率先得电，PLC控制系统先进行初始化处理，2KM1(控制电磁阀)发出得电信号，电磁阀开始动作，从而实现自动滴油。与此同时布置的霍尔传感器(速度、转速)对绞车的运行进行监控，依据布置的先导插件输入信号值来判定绞车运行方向，监测到的控制信号通过PLC控制器进行处理，并输出脉冲信号、转向信号等，控制步进电机运转，布绳引导滑块在丝杆上做往返运动，实现自动排绳。

同时当检测到绞车出现过卷、过速以及启、停车时，PLC控制器会通过声光报警装置发出警示信号，提醒作业人员注意。当出现机电类故障或者其他故障导致步进电机无法换向运转时，会导致步进电机按按照一个方向运行，损坏排绳装置。甚至会导致绞车出现故障，因此，在布绳引导滑块接近排绳装置极限位置时，极限开关会向PLC控制器发出闭合信号，PLC控制器内的定时器接收到闭合信号后按照设定时间计时，当超过设定时间后步进电机仍未转向，则4KM常闭继电器开启，PLC控制器、步进电机以及绞车等均断电停止运行。具体绞车控制流程见图5。

图5 绞车控制流程

当PLC控制器接收到速度传感器发出的脉冲信号后开始计算绞车运行速度，当监测到绞车运行速度未超过设定速度15%之内时，保护系统不动作，绞车保持原速度运行；当检测到速度超过设定速度15%以上时，绞车先导开关3KM1断开，绞车断电停止运行。具体设计的保护控制装置运行控制流程见图3。

3 总结

绞车是矿井常用运输设备，由于井下运行环境恶劣，绞车在使用过程中存在诸多的不安全因素，给矿井生产带来不利影响。基于此，文中设计了一种基于PLC的绞车安全防护系统，该控制系统结构简单，自动化程度高，不仅可以解决井下大型绞车使用过程中经常存在的钢丝绳排布杂乱问题，同时还可以有效避免绞车出现过速、过卷等问题，提高绞车运行的安全防护能力。