矿井提升机自动控制系统的设计与实现

李丽鹏

（西山煤电（集团）有限责任公司西曲矿，太原 030200）

0 引言

随着我国经济的发展，对煤炭的需求不断加大，煤炭企业的生产压力也不断增大，许多旧有的设备已经不再满足产能要求，作为矿井上下关键的矿井提升机也存在技术改造的需求［1－4］。在工业以太网的基础上，结合矿井各生产环节的技术要求，矿井提升机自动控制系统需要实现各部件参数监测、各类型保护动作准确等要求。本文基于PLC控制技术和信息技术，设计并实现了煤矿井下提升机自动控制系统。

1 总体设计

1.1 结构

按照各部分实现的功能不同，矿井提升机自动控制系统在结构上可以分为3层，从上至下分别为人机交互层、控制层和设备层。人机交互层由上位机、打印机、交换机、监控触摸屏构成，这些设备一般设置在控制室或井口。控制层由PLC组成，PLC是整个自动控制系统的核心设备，通过以太网与上位机进行通信连接，将变频器和其他传感器的数据上传至上位机显示，上位机还能够通过远方修改程序改变变频器的工作状态，实现数据上传和指令下达双重功能。设备层由变频器、提升机和信号输入输出模块构成，变频器的功能是将工频电压变换成频率可调的电压的电能变换装置，采用变频器对异步电机进行驱动，对矿井提升机调速性能、设备安全、提高效率等方面均具有显著效果。信号输入模块的设备有各类按钮、开关和传感器，例如温度传感器、速度传感器、压力传感器和红外位移传感器等。信号输出模块的设备有指示灯、电铃、继电器和接触器等。矿井提升机自动控制系统的总体结构如图1所示。

图1 矿井提升机自动控制系统的总体结构

1.2 系统功能

系统功能如下。

（1）控制方式灵活。根据生产要求，工作人员可通过控制分站柜的控制方式转换开关切换系统的工作方式，“集中控制”模式下，集控室工作人员通过计算机对变频器进行控制。“就地控制”和“检修状态”模式下，集控室不能实现远方控制，当满足某种闭锁关系后，才能由人工在就地位置操作。

（2）数据记录全面。设备的运行状态变化、运行时间、保护动作情况、告警报文、电压电流等数据均记录在控制计算机中，并对记录删除设置高级权限，以保护记录的完整性。

（3）保护功能完备。保护功能包括两方面，一方面是设备保护器和各类保护功能传感器等硬件配置，发生故障时能够及时检测出来并停止设备；另一方面是监控系统的软件配置，主要能够实现故障应急处理程序和声光报警。

除上述基本功能外，本系统还应当具备参数设定方便、人机交互快捷等特点。

2 硬件设计

2.1 总体设计

中央处理单元是P LC控制系统的核心单元，采用315－2PN／DP标准型CUP，其具有强大的组网能力和数据处理能力［5－8］。数字量输入模块采用SM321模块，将现场选闸信号、复位信号、返回信号、运行方式、开关按钮等各种数字信号转换为中央处理单元的内部信号电平。模拟量输入模块采用SM331模块，将偏摆信号、闸检测信号、油压信号、油温信号等模拟量输入信号转换为中央处理器的内部信号电平。数字量输出模块采用SM322模块，将开机停机信号、报警指示信号、运行指示信号、电源指示信号等数字量输出信号转换为外部电压信号，驱动继电器和各类指示灯工作。PLC控制系统硬件原理结构如图2所示。

图2 PLC控制系统硬件原理结构

2.2 传感器选型

传感器选型如下。

（1）位移传感器。液压油压的偏差和制动盘偏摆都可能导致闸间隙变化，位移传感器的作用就是测量闸间隙。从原理上分，位移传感器有多种类型，本文采用非接触式位移传感器RP6622，供电电压直流24 V，测量范围1～10 mm，选用这种传感器的好处是能够有效避免机械磨损引起的精度降低等问题。

（2）油压传感器。油压传感器的作用是测量液压油压力，将一定压力转换为相应大小的电压。按照原理划分，压力传感器有电容式、电阻式、电磁感应式等，本设计采用扩散硅式压力传感器JPG3，测量范围0～20 MPa，输出4～20 mA的电流信号。

（3）油温传感器。由于液压油对温度变化比较敏感，微小的温度变化可能导致液压油黏度改变较大，影响制动系统的性能，因此采用温度传感器对油温进行监测。本设计采用一体化温度传感器JWB，其测量范围0～100℃，输出4～20 mA的电流信号。

3 软件设计

矿井提升机自动控制系统的软件设计包括用户程序和监控软件。采用结构化和模块化设计思路，编制了运行紧凑、工艺严谨的软件程序。

3.1 用户程序

用户程序有操作方式选择、通讯数据处理、地址转换功能等子程序。

如上述系统功能描述所言，提升机可工作在集控模式、手动模式和检修模式下，设备工作在什么模式下可以由程序控制。选择自动控制模式或检修模式后，程序判断设备条件是否满足，如果设备条件不满足则自动切换至手动控制模式；如果满足自动控制模式，则执行自动程序；如果满足检修模式，则执行禁止控制程序。

通讯数据处理程序的作用是判断通讯是否中断，通过给上位机发送一定规律变化的校验数据，如果在一定周期内两次检验数据不变则判断为通讯中断，否则通讯正常。

地址转换子程序的作用将映像寄存器的数据存到PLC的M区，方便数据处理。镜像区的地址代替M区的地址，能够有效提高PLC程序执行效率。

3.2 监控软件

如图3所示，监控软件采用组态软件WINCC 7.0进行平台化开发，包括数据库系统、监控画面、PLC通讯、记录查询、系统管理和报表打印。监控画面的主要界面有主画面、实时曲线界面、故障显示界面、保护试验界面、历史曲线界面、行控矫正界面；记录查询包括报警记录查询、运行记录查询、操作记录查询；系统管理包括用户登录、用户注销、系统设置。

4 应用效果分析

应用效果分析如下。

（1）技术效益。相较于旧有提升机系统，新设计的矿井提升机自动控制系统的提升能力大幅度提升，各类型保护功能更加完善，实际运行数据表明，新型矿井提升机自动控制系统故障率低，保障了人员和生产的安全性。

（2）经济效益。旧有的矿井提升机系统有很多部件停止生产，软件停止更新，一旦发生故障将会产生很高的维护成本。新设计的提升机自动控制系统采用技术先进的PLC控制系统和各类新型传感器、继电器等，后期可维护性高，维护成本低，PLC控制的变频器能够有效提高功率因数，从而降低驱动电机电费成本。

5 结束语

矿井提升机自动控制系统是一套功能完整的、以信息通信和控制技术为基础的监控系统，不同的工作人员可以根据自身不同的管理权限对提升机控制系统进行各种不同类型的操作，包括远程操作、状态监测和数据查询等。本文设计的矿井提升机自动控制系统结合了企业管理、现场监测和集中控制三大概念，提高了煤矿运输工作的自动化管理水平。