矿井提升机电控系统改造与研究

刘永川

(山西焦煤集团有限责任公司 杜儿坪煤矿，山西 太原 030022)

0 引言

由于矿井开采深度和产能的增加，目前我国许多矿井都面临着升级改造的问题。提升机是矿井运输系统中的重要设备，是人员、材料和矸石上下井的通道。20世纪末期，我国矿井广泛采用进口成套提升系统，随着这些老旧设备厂家的产品更新换代甚至停产，提升机系统的维护成本逐渐提高，例如晶闸管直流供电系统和西门子S5系列PLC，甚至面临着没有维修配件的风险，因此矿井提升机的电控系统改造十分必要。本文对煤矿提升机电控系统进行全方位升级改造，以提高提升机的运输能力，将原先电控系统升级为新一代通用性强、开源的控制系统，对于降低后期的运行维护成本具有显著作用。

1 矿井提升机系统构成

矿井提升机系统的核心是电控系统，提升机所有的行为均由其控制。对于提升机电控系统的要求有两方面：①具有优良的控制性能，运行平稳、节约电能，控制性能的优劣直接关系到矿井上下运输的质量和效率；②具有各项保护功能。由PLC控制的变频器作为矿井提升机的驱动系统，变频器的运行特性和节能特性可满足要求，PLC又能够为控制系统提供各类保护，因此此类电控系统是目前提升机电控系统改造的优选方案。

矿井提升机系统主要由主轴装置、减速器、电动机、润滑站、液压制动系统、深度指示器和电控系统组成，主轴装置包括滚筒部件和调绳离合器，液压制动系统包括液压站和制动器。矿井提升机系统构成如图1所示。

图1 矿井提升机系统构成框图

2 矿井提升机系统功能要求

矿井提升机系统功能要求有以下几方面：

(1) 安全方面。升级改造后的提升机系统应当满足《煤矿安全规程》和《煤矿机电质量标准化》中的有关规定，采用软安全回路和硬安全回路的双线制回路，硬安全回路具有独立性，软安全回路由编码器和保护开关联合控制。

(2) 控制方面。选用常用、开源性好的西门子S7系列PLC，能够实现速度控制、监测和各类保护功能；具有安全可靠的重力下放制动功能；具有备用电控装置供故障期间手动切换。电控系统的保护包括欠压保护、过流保护、短路保护、过卷保护、磨损超限保护、断相保护和松绳保护等。

(3) 系统方面。采用上位机监控系统、工程师站维护系统，故障事件存储和人机界面显示使得设备信息更透明，方便故障排查与检修。

3 可编程控制器(PLC)电控系统

可编程控制器是一种工业专用数字运算控制器，其存储器可以编程，从而实现运算、定时、控制等指令，其输入和输出格式可以为模拟量，也可以为数字量。PLC自20世纪60年代问世以来，已经广泛应用于各类工业控制领域。本设计采用西门子公司生产的S7-300系列PLC，这款PLC具有4种模式：调试模式、运行模式、停止模式和复位模式，各种工作模式之间的切换通过专用钥匙进行控制。S7-300系列PLC可支持水平安装和垂直安装两种方式，水平安装时须保证电源端在左侧，垂直安装时须保证电源端在底部。S7-300系列PLC同时也支持单层或多层组态安装，多层组态安装只支持部分CPU型号。

4 外围电路设计

4.1 供配电

提升机是人员上下矿井的重要通道，一旦发生供电故障将导致严重后果，因此其供电要求采用可靠性强的双回路供电。主电源采用提升机主变压器380 V低压供电，备用电源采用独立备用变压器，主变压器故障或检修停电时通过交流进线柜的电源倒换开关将提升机进线切至备用电源。调节柜控制电源、PLC控制电源、快开控制电源和辅助设备电源均采用220 V交流电，除此以外还有220 V直流、110 V直流和24 V直流等直流电源。

4.2 操作台

工作人员通过操作台对提升机进行各项操作，并获取提升机的运行状态和信息，因此，设计良好的操作台能够给提升机操作提供便利，系统中操作台不止一个，其中井口操作台的控制功能齐全，其界面内各类按钮和指示灯设计如表1所示。

表1 井口操作台界面的各类按钮和指示灯

4.3 位置检测

提升机的位置检测通过主轴上的光电编码器实现，当提升机运行时，主轴带动卷筒旋转，光电编码器随之旋转产生一系列脉冲。光电编码器旋转一周能够产生4路脉冲信号，分别是A、A-、B、B-，通过不同脉冲信号的采集计数可以判断提升机的位置、转向和速度。

4.4 深度指示器

司机通过深度指示器观察罐笼在井筒中的位置，采用数码管显示和柱状灯带指示相结合的设计方案，前者能够提供精确的数字量，后者提供直观的观察画面。数字式深度指示器DPV-96输出接口为标准电平并行接口，与PLC接口连接方便。

4.5 井筒开关检测

为了避免长期运行带来的提升机位置偏差的累积，采用井筒磁开关对光电编码器的信号进行矫正，其工作原理如下：在提升机罐笼上装设磁铁，井筒减速区装设井筒磁开关，当磁铁和磁开关进入感应范围后，磁开关向PLC发出深度指示同步信号，通过程序内将此信号与光电编码器的计数脉冲进行比较和矫正，在运行过程中设置减速点、二级制动接触点和各水平停车点等。磁开关采用110 V电源供电，这样做的好处是能够避免电压降影响检测准确度。

5 软件程序设计

矿井提升机电控系统的软件包括PLC控制软件、监控屏组态软件。

PLC控制软件采用STEP 7软件进行编程，提升机PLC主程序流程如图2所示，程序中包括了提升机的各类保护设置。系统开始后首先进行程序初始化，然后进行自检，自检不通过按故障处理，自检通过后执行开车指令，然后判断同步信号，不同步则进行同步矫正，同步矫正后进入速度控制程序，然后依次判断各类故障，如果故障判断结果为是则报警，否则等待停止信号，结束程序。

图2 提升机PLC主程序流程

监控屏采用台湾WEINVIEW触摸屏MT8000，其组态软件为EasyBuilder8000，支持离线和在线两种方式模拟组态，本设计采用离线模拟，采用离线模拟的好处是无需重复下载程序，读取的是静态数据，开发过程中可以节省时间成本。

6 结束语

随着煤炭生产的扩大和矿井设备的数字化网络化发展，许多老旧的矿井提升机都不再满足当前要求，面临着升级改造，本文对煤矿电控系统的改造和研究为此类工作提供了参考。PLC控制的提升机电控系统实现了数字化和自动化，实际运行结果表明，该电控系统运行安全可靠，控制精度好、人员乘坐舒适性大大提高。