PLC控制技术在焦家寨煤矿副立井直流提升系统的应用.pdf

总第 1 3 4期 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 52 7 9 8 ． 2 0 1 0 ． 1 1 ． 0 1 4 P L C控制技 术在焦 家寨煤矿 副立井 直流提 升 系统 的应 用 党正伟 ， 陈建 军 同煤集 团轩煤公 司 焦家寨煤矿 ， 山西 原平0 3 4 1 1 5 摘要 介绍了焦家寨煤矿副立井直流提升机电控系统的改造方案、 系统配置 、 工作原理 、 功能特点及改造 效果 ， 经改造后 的电控系统运行效果 良好 。 关键词 P L C控制技术； 直流； 提升机 中图分 类号 T P 3 1 1 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 5 2 7 9 8 2 0 1 0 1 1 ． 0 0 3 3 0 3 焦家寨矿副井提升系统始建于 1 9 9 2年 ， 属立井 形式。提升井深 3 1 5 ． 9 m， 最大提升速度 7 ． 4 m ／ s ， 爬行 0 ． 5 m ／ s ， 检修 0 ． 3 m ／ s ， 承担全矿全年 1 5万 t 矸石及全矿井下设备 、 人员的运输任务。提升机为 J K M一 3 ． 2 5 4 I C S G型多绳摩擦式 ， 其 电控采 用的是天水 电气传动研 究所开发 的模 拟量控 制系 统 ， 提升容器为一对双层罐笼 ， 单水平提升。主电机 为北京电机厂生产 的 Z 5 6 03 A、 8 0 0 k W 直流 电动 机。该电控系统属于 8 0年代产品， 且经过十几年 的 使用， 存在着很多缺陷， 模拟量调节不太稳定 ， 尤其 信号系统中的上 、 下井 口闭锁信号及打点信号 由于 器件 的老化等原因 ， 动作迟缓或误动作 ， 已难确保矿 井的提升需要 ， 迫切需进行技术改造 。以 P L C为核 心的装置 ， 在矿井提升系统中的成功使用 ， 不仅体现 了 P L C的基本功能 ， 能代 替复杂 的继 电器控制 ， 而 且以丰富的程序指令实现 了原 电子线路中不易完成 的功能 ， 在大大减小体积的同时 ， 更提高了系统 的控 制精度和可靠性 ， 保 证 了矿 井 提升 系 统 的安 全 运 行 。 1 模拟量 电控系统存在的问题 以及改造 的 必要性 1 系统采 用继 电器逻 辑控制 ， 继 电器多达 2 0 0多个 ， 故障点多 ， 查找故 障困难维护量大。 2 系统调 速采用 自整角机 模拟 电阻阶跃给 定 ， 运算放大器积分 ， 磁放大器 、 电机放大器发达 的 模拟控制方式。系统稳定性差 ， 易受环境温度 、 湿度 及可调电阻参数变化等的影响 ， 引起系统特性的变 化 ， 极易造成运行不稳定 。维护人员需要经常根据 现场情况进行调试修正。 3 系统的主控屏采用复杂的背后布线方式 ， 电气接点和控制元件多 ， 各 电气元件参数调整及配 合困难 ， 发生故障时难于查找 ， 造成修复时间长 ， 从 而严重影响正常的生产。 4 励磁调节 系统 不稳定 ， 工作 效率低 ， 维修 费用高。 5 减速保护不太稳定 ， 同时速度调节适应性 较差 ， 不能瞬时投入低速爬行 ， 给安全运行带来极大 地隐患。 6 井塔 内系统运转机械 噪声 、 电磁噪声高达 9 0 d B A ， 严重污染环境。 7 电控系统所属配件均为淘汰产品， 原厂家 已不生产 ， 备件缺乏 ， 严重影响正常生产需要。 8 信号系统安全门及 电磁锁的连锁 ， 利用多 个继电器辅助触 点 ， 导致接线 点 比较多 ， 故 障率高 ， 动作迟缓或误动作 ， 维修量 大， 打点 时极易 出现错 误 ， 安全性能低。 通过市 场调 研 ， 认 为西 门子 公 司开 发生 产 的 P L C控制 6 R A 7 0全数字直 流调速装置 以及唐 山东 润 自动化技术公 司开发 的 P L C信号操车一体化 系 统代表 了目前国内最新技术水平 ， 以此为基础 ， 结合 提升系统设备的现有情况 ， 与厂家合作开发适合于 本矿技术改造要求的新型提升电控系统设备。 2 项 目目标和总体技术方案 2 ． 1 项 目目标 项 目的总体 目标是在数字化控制的基础上实现 网络化、 集散化控制 ， 通过工业网络将 P L C、 数字化 收稿 日期 2 0 1 0 4 9 41 作者简介 党正伟 1 9 7 4一 ， 男 ， 山西保德人 ， 助 理工程师 ， 从事机 电技术工作 。 3 3 党正伟等 P L C控制技术在焦家寨煤矿副立井直流提升系统的应用 第1 9卷第1 1 期 的调速器、 上位机以及信号系统 ， 连成网络化集散控 制系统 ， 使各子系统在相对独立的基础上 ， 硬件更加 简单可靠 ， 实现 网络连接功能 ； 同时采用组合式结 构 ， 实现功能化 、 单元化、 模块化的灵活组态 ； 实现过 程控制全数字 自动化、 安全回路双线制 、 报警内容语 言化 、 控制过程程序化 、 主回路整流装置与同步机组 互为备用 ， 且操作简单 ， 使本矿的主要提升机直流电 控达到一个崭新的水平。 2 ． 2 技术方案 随着晶闸管制造技术 的发展， 大容量 的晶闸管 元件已能可靠运行 ， 就该系统而言， 如果用 7 ． 6 2 c m 管芯 ， 可大大降低 晶闸管的元件并联数和设 备的故 障率 ， 但我们认为， 对系统可靠性和技术性能指标影 响最大的仍是调节系统。在 目前各企业资金短缺的 情况下 ， 首先要解决调节系统的问题 ， 这样既节省了 投资 ， 又使整个传动系统的可靠性 、 安全性和技术性 能大大提高。用全数字调节系统替代原设备中的模 拟量调节系统 ， 缩短了调试周期 ， 解除了设备运行时 的后顾之忧。 1 在每一套电控系统中， 采用 2套 P L C进行 冗余控制， 使每一系统具有 2套以上完全独立的深 度、 速度检测及采样通道 ， 并通过 2套独立 的 P L C 之间的各种参数进行 比较判别 ， 确保提升机 电控 的 关键控制环节 ， 如减速 、 速度包络线保护、 速度定点 检测保护 、 安全回路、 过卷保护、 测速元件之问、 深度 采样元件之间均能实现 2道 以上 的冗余 串联控制 ， 提高系统的安全可靠性。 2 应用网络化集散控制技术 ， 使 电控系统中 的元器件数量和设备间的连线大幅度下降， 提高电 控系统的安装调试效率 。 3 上位机 实现 功能。在 提升机的正常运行 期间， 作为提升机整机的监控系统； 在安装调试、 检 修期间， 作为 P M、 数字化调速装置 的编程器 ， 进 行 编程工作 ； 作为提升机 电控系统工业局域网络与其 他网络的接 口， 节省设备投资 ， 提高整机性能。 4 建立远程诊断服务 网络 ， 能利用厂家的技 术优势 ， 及时解决使用中出现的故障和问题 ， 并便于 设备的维护、 保养 。 在这次改造 中， 共选用 3套西门子公司研发生 产的 6 R A 7 0全数字直流调速装 置，其 中一 台可逆 装置完成磁场控制 ， 另外两 台为不可逆装置完成电 枢电流控制和速度控制 ， 调节系统框图， 见图 1 。 在该调节系统 中， 各环节联结和参数调整都是 通过 P L C计算机软件完成 ， 通过对调速装置 内各控 制参数进行调节达到速度控制平稳 ， 控制参数修改 起来极为方便 、 快捷、 准确。 3 4 速 度 速 度 图 1 磁场可逆 、 电枢串联 脉动调节 系统 3 系统 主要配置 3 ． 1 控 制部分 13本三菱公 司 2台 F X 2 n型双 P L C可编程控制 器实现系统全数字控制 ， 主要功能为逻辑控制、 顺序 控制 、 算术控制、 脉冲计数、 通讯等 。13 本进 口3 6 c m P R O F A C E液晶显示屏完成速度 图、 力图、 提升容器 位置、 仪表 、 各种故障显示等。 操作 台采用网络化集散控制操作 台， 配上位机 监控 系统 、 远程诊 断专家服务系统。双 P L C之 间， 与减速制动装置、 操作 台、 上位机、 远程诊断专家服 务系统之间， 通过工业 网络进行数据交换通信。提 升机网络化集散控制系统 ， 见 图2 。 图 2提 升机 网络化集散控制直流系统 3 ． 2 驱动 系统 系统选用德国西门子最新 S I MO R E G D C Ma s t e r 6 R A 7 0成套数字调速装置。实现 主回路电枢可逆， 并联 1 2脉动 ， 逻辑无环流 ， 磁场恒流， 转速 、 电流双 闭环无静差调速。 该系统利用通讯总线 R S 4 8 5与主控 C P U通讯 ， 并通过人一机界面进行信息输入与输 出， 实现对 系 统参数的设定与状态监测。 4 P L C工作原理 4 ． 1 控 制监 测 1 速度一行程数据 的采集 与处理 。矿井 提 升运行时， 与主轴装置 相连 的两个轴编码器 ， 发出 党正伟等 P L C控 制技术在焦家寨煤矿 副立井直流提升 系统 的应用 第 1 9卷 第 1 1 期 A ／ B相脉冲 ， 分别供给主控 、 监控 P L C， 由 P L C根据 轴编码器输出的 A、 B脉冲的相位 ， 自动确定计数器 的加减计数方式 ， 计算 出提升容器位移 ， 从而计算出 提升 深度 。 2 速度检测 与显 示。高 速计数器 对轴编码 器输出的 A、 B相高速脉冲进行计数 ， C P U对高数计 数器恒定间隔 t 一般设定为 1 0 0 ms 反复复位 ， 高 速计算数在间隔时间 t 内的计数值为 A a， 实际运行 分别测 出两个轴编码器在间隔 t 的行程 △ S ， 则提升 容器 的即时速度 A SA a l t ， 其 监测 精度 可达 1 c m ／ s ， 速度传输到液晶显示屏 。 3 行程检测与显示。轴 编码器输 出 A、 相 高速脉冲数 0 ， 被送到高速计数器进行相位 比较后 ， 确定加减法计数运算 ， 高速计 数器的累加 寄存器进 行 累计 ， 每个高速脉 冲当量为 A S ， 则提升容器 的运 行行程 SnA S 。 4 自动减速控制 。矿井提 升机运 行到减速 阶段时， P L C按照预先设定的提升参数 ， 在规定的位 置发出减速指令 ， 绞车减速运行。 4 ． 2驱 动 系统 由 P L C计算机发出允许开车信号 ， 给定 信号和 轴码 器 反 馈 的速 度 信 号 给 S I MO R E G D C Ma s t e r 6 R A 7 0数字调速装置与 6 R A 7 0内预先设定 的参数 ， 实现了主 回路电枢可逆 ， 并联 1 2脉 冲， 双 闭环无静 差调速 。并实现了 FD电机与数字调速装置互 为 备用 ， 且共用一个操作台控制 ， 一套控制系统。 5 P L C控制的功能及优点 1 由于采用 网络化 、 集 散化 、 模块化 、 组合化 设计 ， 使整个 电控系统的硬件整洁 ， 各个部件既相对 独立又相互联系成有机的整体 ， 许多功能通过软件 实现 ， 功能强大 、 性能优越、 可靠性高 、 灵活性强 。 2 电控设备元器件数量减少 ， 电控柜 的数量 减少 。电控系统各设备之间的连线减少 ， 硬件线路 简单， 降低了设备故障率， 提高了提升系统运行的安 全 l生、 可靠性 以及 电控设备的平均寿命 。 3 P L C电控系统保 护完善 ， 且各种保护实现 了冗余 ， 使提升机整机的安全性大大提高， 可有效避 免提升系统各种重大事故 的发生 。 4 系统增加了许多检测 、 监控及提升机运行 过程重要参数 的记录功能， 为提升机故障原因及 动 态过程分析提供了依据 ， 减少了查找故障的时间 ， 可 靠性进一步提高。 5 系统智 能化水平 高、 人机界 面优 越， 对 于 报警 、 运行状态和参数设定 的综合诊断及监视信息 ， 能以清晰的格式连续地显示在彩色屏幕上 ， 任何使 提升机安全制动的第一故障点就会被立即锁定并显 示 出来 ， 从而使操作者立即予以确认并加 以纠正。 6 系统 自动化水平 高， 提高 了提升机生产效 率 ， 降低了司机和维护人员的劳动强度。 7 各项保 护齐全 ， 有一 路硬件安全 回路 ， 另 有一路软件安全回路 ， 实现了安全保护双线制 ， 满足 了 煤矿安全规程 要求 。 6 P L C设备安装调试 P L C控制系统在完成设计 、 工厂制造、 检验和试 验后 ， 于 2 0 0 4年 1 2月首先在焦 家寨矿进行工业性 试验并投入实际运行 。在厂家技术 人员指导下 ， 只 用 5 d的时间， 就完成 了旧系统的拆除 、 新设备的安 装调试及试车任务。经过查线 、 分步通 电、 初调 、 联 调 、 试运行 、 保护试验等程序 ， 直至系统完全正 常后 投入使用 ， 取得 了完 整的试验数 据 ， 达 到了设计要 求 。P L C控制系统实现了以电流为主 、 时间为辅 的 加速原则 ， 由提升状态与位置开关配合实现减速、 爬 行及 自动停车等功能 ， 并实现了过卷 、 过速、 限速、 高 压未投 、 贴 闸制动未投 、 通讯故障、 制动电源故障、 编 码器断轴保护 、 等速过速、 定点 2Ⅱ s限速 、 提 升错 向、 制动油压过高、 制动弹簧疲劳 、 闸瓦磨损过度 、 测 速机和编码器断线、 主回路故障等保护及故 障的检 测 ； 实现 了自动选择一级制动或二级制动方式进行 紧急制动 ， 达到预期效果 。 7 技术经济效益分析 7 ． 1 经济效益 1 通过 本项 目的设 计应 用 ， 为完 善设 备管 理 ， 提高煤矿生产 的科学技术水平 ， 促进设备 的安全 高效生产提供 了有力的保证。 2 延长机械设备 的使用寿命 ， 减少 了提升事 故 ， 提高 了提升效率 ， 并增强提升能力 3 0万 t ， 节约 电费 9 0万元 ， 节约设备维修 费 3 0万元。 7 ． 2 社会效益 由于采用 了 P L C电控 系统 ， 提升机保护更加完 善、 可靠 ， 可有效避 免各种重大提升事故 ， 社会效益 巨大 。 8 结语 通过对矿 井提升机 直流传动 系统 的全数 字改 造 ， 充分体现了全数字直流调速装置以及 P L C可编 程控制器具有极佳的优越性 。 1 硬件 电路简单 ， 故 障点少 ， 可靠性 高。 自 调试至运行都表明全数字装置由于采用了大规模和 超大规模集成电路 ， 下转第 3 8页 3 5 杨爱琴 浅谈液压螺母在煤矿机械中的应用 第1 9卷第1 1期 2 液压螺母在煤矿机械 中的应用 滚筒采煤机是煤矿井下机械化采煤工作面的主 要设备之一 。因受井下空问和运输条件等因素的限 制 ， 采煤机下井前必须解体分成若干大部件， 通过相 关运输设备运往井下采煤工作面 ， 到达工作面后再 用螺栓和螺母把几个大部件连接组装成整机。井下 组装条件极差 ， 用手动扳手拧紧螺母 ， 螺栓预紧力往 往达不到要求 ， 加之煤矿地质结构 比较复杂 ， 采煤机 割煤时经常遇到断层、 矸石等 ， 反 复承受冲击载荷 ， 振动频率很大 ， 工作环境十分恶劣。最终导致采煤 机各大部件之间的连接螺母松动 ， 造成采煤机传动 装置和其它部件损坏 ， 严重影响生产 。 近年来 ， 随着科技进步和技术创新 ， 高产高效现 代化矿井飞速发展 ， 要求采煤机 的生产 能力达到 日 产万吨以上。采煤机的更新速度 日渐加快。由原来 的单电机驱动 向多 电机驱动的交流 电牵引方 向发 展。采煤机的单 电机和总装 机功率越来越大 ， 单 电 机功率由 1 2 5 k W 增大到 2 5 0 k W、 4 0 0 k W、 4 5 0 k W， 甚至达到 7 5 0 k W。总装机功率 由 5 5 0 k W， 增大到 6 0 0 k W、 9 0 0 k W、 1 0 2 0 k W， 最后达 1 8 1 5 k W。采煤 机两摇 臂 回转 中心距近 1 0 IT I ， 总重量达 1 0 0余 t 。 这就要求采煤机各大部件之间的螺栓连接必须具备 极高的可靠性。采用大直径的螺栓 已无法借助人力 来拧紧， 为了满足生产发展的需求 ， 高强度液压螺母 锁紧项 目的应用 ， 已势在必行 。目前晋煤集团公司 各矿所使 用 的 MG 2 5 0 ／ 6 0 0一WD采煤 机、 MC , 4 0 0 ／ 9 2 0一 WD采煤机、 MG 4 2 5 0 ／ 1 0 2 0一 WD采煤机 、 S L一 5 0 0采煤机⋯⋯ 都已应用液压螺母连接紧固。 除采煤机外 ， 煤矿使用 的掘进机 ， 如 A M一 5 0掘 进机等设备也陆续改造使用液压螺母连接紧固。 这种液压螺母预紧力大而准确， 只要控制压力 油的压力就能控制预紧力 ， 不会超载和预紧力不足 ， 而且可以给螺栓组连接 的所有螺栓 同时加预紧力 ， 均匀压紧连接件 ， 不会出现倾斜、 翘 曲而影响预紧力 的真实值 ， 大大提高 了紧固件在振动工况条件下的 可靠性。 一 般利用扳手锁紧普通螺母 ， 由于大部分的力 用于摩擦力 高达 9 0 ％ ， 锁紧大 直径螺母非常费 力 ， 而且还达不到预紧力要求。使用液压螺母 ， 一人 操作 ， 非常方便省力。由于煤矿井下工作面空间限 制 ， 很多部位不能用长套管扳手拧紧 ， 采用液压螺母 可解决狭窄场所紧固件 的锁紧， 防松效果好且工作 可靠。但有一点应注意 ， 在撤去压力油后 ， 螺栓首次 承受载荷时 ， 为避免拧紧的螺栓连接有松弛量 ， 而丧 失较多的预紧力 ， 在锁环贴紧螺母体拧紧后 ， 应再使 锁环转过一定的角度 1 8 0～ 2 7 0 。 ， 以减小松弛量。 3 结语 液压螺母在采煤机 、 掘进机上的应用 ， 都得到了 实践验证 ， 效果很好。液压螺母也适应于其它承受 较大交变载荷和振动的机械螺栓连接。建议在转载 机 、 破碎机等其它煤矿机械大型设备 中进一步推广 应有 。 [ 责任编辑 路方] 上接第 3 5页 且电路板都采用贴片工艺 ， 接插件 少 ， 杜绝 了硬件故障， 设备一直运行良好。 2 控制精度高 ， 工作稳定性好 ， 所有的开环和 闭环驱动控制由功能极强的高速 1 6位微处理器实 现 ， 且软件 自备一套 电流环和速度环的 自整定算法 ， 根据电流给定值 ， 电机反 电势 ， 电流断续点检测情况 对电流调节 回路进行预控制 ， 从而改善系统动、 静态 性能。由于控制功能都是通过软件完成 ， 避免 了零 漂和温漂对调节参数的影响 ， 因此稳定性好 。 3 装置具有多种保护且 白诊断能力强 ， 可缩 短维修时间 ， 提高劳动生产 率。对 故障原 因即时显 示 ， 缩短了查找事故原因的时间， 降低 了使用维护成 本 ， 提高了劳动生产率和经济效益 。 总之， P L C控制全数字系统替代模拟量系统已 38 经达到了成熟 阶段 ， P L C控制系统将被煤矿及各生 产企 业广 泛应用 和 推广 。 参考文献 [ 1 ] 秦荷珍 ， 刘杰 ． 矿井提 升机 P L C电控 系统 技术 改造 浅析[ J ] ． 科学之友， 2 0 0 8 1 5 2 62 8 ． [ 2 ] 马德 国， 印德惠． 主井提升机运行电控系统技术改造 问 题[ C ] ／ ／ 第六届全国采矿学术会议论文集． 1 9 9 9 ． [ 3 ] 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