矿井提升机自动运行监控系统设计研究

李金亮

（晋能控股煤业集团煤峪口矿，山西 大同 037001）

引言

提升机是煤矿采煤运输生产活动中的主要机械设备，承担煤炭与设备提升任务，对煤矿正常运行至关重要。随着智慧矿山概念的提出，煤矿煤炭运输与提升的可靠性、有效性以及自动化程度成为煤矿设备系统改进的一个方向[1-4]。当前国内大部分煤矿的提升机运行控制与监控依靠采用单PLC控制器构建的系统实现，提升机调速系统还在依靠转子回路串电阻的控制模式，一旦PLC或外围结构件出现故障，系统会控制提升机停机，造成生产中断，而这些系统的控制精度、可靠性和能耗都不能满足现阶段发展需求[5-8]。基于以上情况，研究构建一套冗余PLC控制的矿井提升机全自动监控系统，采用双PLC系统实现硬件的双机热备，依托煤矿现有的转子回路串电阻控制系统和变频调速系统，并将其接入冗余PLC控制系统中，实现提升机的自动监控、自动控制以及无极调速等功能，在故障发生的情况下，系统能够立即在2套PLC控制器以及变频和转子回路串电阻调速系统中切换，极大降低系统故障导致提升机停机情况的发生概率。

1 矿井提升机冗余PLC控制系统设计

矿用提升机属于大型机液电集成化设备，常见的有缠绕式和摩擦式两种结构，系统构成大致可分为动力部分、传动部分、制动装置、深度指示系统以及控制系统等[9]。

1.1 总体方案设计

冗余控制的实质是在控制系统工作中，如果发生控制系统故障，可以通过备用关键控制件的自动及时切换，迅速将备用控制系统投入到工作中，实现快速切换控制系统的功能，保障受控设备的无影响运行。针对矿用提升机全自动运行监控系统，主要包含冗余核心PLC控制器、上位机系统、变频器、转子回路串电阻、运行状态监测传感器等，系统总体结构设计见图1。

图1 矿用提升机冗余PLC全自动运行监控系统结构示意图

根据系统总体设计方案可以看出，矿用提升机冗余PLC全自动运行监控系统主要通过设置2套PLC控制器来实现冗余控制，同时为了满足提升机提速与运行稳定性需求，将传统的转子回路串电阻控制电路并入系统中，构建变频控制的双保障，在系统变频器故障或检修时，仍然可以满足提升机变频控制作业。整套控制系统的工作逻辑如下：

1）提升机滚筒主轴和电机轴都安装有轴编码器，PLC通过编码器实现转速数据的收集，结合转子回路串电阻调速系统的运行数据，通过PLC计算模块中编写的S行程控制算法，构建滚筒和电机的S形速度运行曲线图，然后通过PLC输出模块将该速度曲线信号输送到变频器或转子回路串电阻系统，进行提升机变频控制。

2）配电系统的电流互感器、提升机上的压力传感器等采集的信号通过PLC的A/D模块将电机电流和提升机各处液压压力等模拟量信号转化为数字信号，上传到上位机进行状态实时监控。

3）系统实时采集提升机各监测部件的开关量和模拟量信号，通过PLC的数字量和模拟量模块完成信号识别，将提升机各运行状态参数实时上传在上位机，保障提升机运行状态的实时监控。一旦提升机发生故障，控制系统通过模糊故障树系统对提升机故障进行分析，系统在上位机上根据各故障权重显示故障信息，方便检修人员及时准确排出提升机故障。冗余PLC控制系统中由于备用PLC与主PLC的外部控制电路完全形同，因此在系统正常运行过程中，备用PLC闭锁全部输出信号。只有主PLC发生故障时，系统才会开放备用PLC的输出闭锁，进而完成主备PLC自动切换[10]。

1.2 硬件设计

矿用提升机冗余PLC全自动运行监控系统的主备PLC采用西门子S7-400系列可编程控制器，主要实现控制系统的信号数据采集、处理、逻辑运算以及显示、控制信号的输出等信号处理功能，同时根据外部开关量、模拟量和数字量的输入，根据内部程序控制逻辑，实现提升机的气动、运行、停车、故障、报警等控制功能[11]。主备PLC通信采用PROFIBUS通信协议，而PLC与上位机通信则采用MPI通信协议，PLC与外部设备的连接见图2，控制系统的硬件配置见表1。

图2 主PLC与外部设备连接结构示意图

表1 系统硬件配置表

1.3 软件设计

矿用提升机冗余PLC控制系统的主控程序主要实现初始化、自检、各通信模块的通信与故障检测、变频运行控制、各类信号处理以及各类控制信号的输出、反馈等功能，主控流程见图3。

图3 矿用提升机冗余PLC全自动运行监控系统主控流程图

上位机硬件组态设计主要方便用户进行监控状态数据的获取以及控制信号的发出，因此在主程序中建立各类功能模块，其中主要包含固定数据传输模块、系统自检和初始化、数据处理模块、故障处理模块、液压控制模块以及报警模块等，可以通过上位机画面进行选择。

2 运行效果分析

将设计的矿用提升机冗余PLC全自动运行监控系统，运用在同煤集团某煤矿提升机的监控中，实际上位机监控界面中各类图形控件与系统的PLC都有直接连接，变量数据采集自PLC，为了验证冗余设计的可靠性，分别设计了多种主控PLC系统故障情况，备用PLC的切换效率及时，对提升机的正常运行未产生影响，控制系统的可靠性和稳定性得到验证。

3 结论

提升机的稳定运行以及提升机故障及时定位处理对煤矿煤炭开采运输具有重要的现实意义，单PLC提升机运行监控系统具有一定的不稳定性，基于此本文设计了一套冗余PLC矿用提升机运行监控系统，并形成以下结论：

1）冗余PLC控制系统采用西门子S7-400系列可编程控制器，实现控制系统的信号数据采集、处理、逻辑运算以及显示、控制信号的输出等信号处理功能，同时根据外部开关量、模拟量和数字量的输入，基于内部程序控制逻辑，实现提升机的气动、运行、停车、故障、报警等控制功能。

2）矿用提升机冗余PLC全自动运行监控系统主要通过设置2套PLC控制器来实现冗余控制，同时为了满足提升机提速与运行稳定性需求，将传统的转子回路串电阻控制电路并入系统中，构建变频控制的双保障，在系统变频器故障或检修时，仍然可以满足提升机变频控制作业。

3）冗余PLC矿用提升机运行监控系统能够在主PLC出现故障时，准确及时将备用PLC切换至系统中，由于主备PLC外围连接结构完全相同，因此受控设备不会受到主备PLC切换影响。