论文部分内容阅读
摘要：针对煤矿主井提升信号及自动装载系统存在的问题，采用西门子可编过程控制器（PLC）及其DP_PROFIBUS、MPI网络通讯技术和建立在WINCC平台上的上位工控计算机，对系统进行改造，解决重复装载、上井口煤满仓、单勾提升、装卸载动态模拟监视等问题，实现提升信号和装载自动化。
关键词：DP-PROFIBUS网络 MPI网络 WINCC 提升信号 自动装卸载 重复装载 单勾提升 物位仪
1 概述
曲江公司主井于2003年投产，设计矿井年产量90万吨，是我国江南原煤产量最高的矿井，号称“江南第一大井”。
主井装备一套JKMD-3.25X4塔式多绳摩擦式提升机，主导轮和导向轮直径3.25米，提升有效载荷10吨，钢丝绳柔性罐道，双箕斗提升，电机与主导轮直联传动，设计最大提升速度10米/秒，提升高度900米，由低速直流电动机驱动。直流电动机功率1300KW，电枢电压800V，额定转速59转/分。电控系统采用天津天控生产的TZK全数字直流提升机电控设备，其中核心控制器使用了西门子公司6RA70调速装置及S7-300 PLC。
主井井深1000米，地面为井塔式结构，卸载方式为曲轨自动卸载。井下设计有一个中央原煤仓，对应两套装载机构，给两只箕斗装煤。每套装载机构包括一台给煤机、一台胶带机、一套定量斗。定量斗下部有闸门和定重传感器，装载站还设置一台双油泵液压站，电气控制电磁阀，打开、关闭定量斗闸门，定重传感器称量定量斗原煤重量，实现装载过程的自动控制。
2 改造的原因和目的
原提升信号及自动装卸载系统存在以下问题：
2.1 重复装煤现象。设备运行多年来，经常出现重复装煤现象，结果导致主电动机以最大力矩无法提升，必须采取人为打开箕斗卸煤于井筒方法，或设法在另一只箕斗（一般在卸载位置）装配重铁，强行开车。无论采取何种方法解决问题，都需要人工花几小时时间完成，同时，存在着安全风险，严重影响安全生产。
究其原因，重复装煤现象，有时是装载站操作工误操作造成的；有时是井下原煤含水分较大，卸载时，粘附于箕斗而卸不干净产生的。而这两种主、客观因素，原提升信号及自动装卸载系统都无法避免。
2.2 车房信号柜与装载站信号台通讯时常中断，造成有时提升信号无法传递，出现无法由上位计算机监视装载过程等情况。
2.3 卸载站信号台与装载站信号台之间的电缆为井筒电缆，原为32X2.5mm2，1000米长，使用芯数多，备用芯不足，经常出现井上掉煤块或异物砸断的情况，维修困难。
2.4 井口卸载煤仓较小，有时原煤中的杂物堵塞网筛，容易出现煤满仓现象，检测开关为接触式，经常产生误动作，无法使用，因而原系统无保护，这样煤满仓使得原煤溢出，煤块掉落至井筒，砸坏减速开关、通讯电缆等井筒装备。
综上所述，必须对原提升信号与自动装卸载系统进行改造，提高主井的生产效率，确保安全生产。
3 系统改造的原理
3.1 硬件组成。如图一为主井提升信号与自动装卸载系统设备组成示意图，该系统由以下三区域的设备组成：
3.1.1 车房。车房设备为一台车房控制台及一套上位监控计算机。
3.1.2 卸载站。卸载站设备为一台卸载站操作台及二台井口煤仓物位仪。
3.1.3 装载站。装载站设备为一台装载站操作台、一台本安及隔爆箱、二台定重传感器、两套定量斗闸门传感器和一台液压站。
卸载站与装载站间的井筒电缆，采用18X2.5mm2细钢丝铠装电缆，使用13芯，备用5芯，使用芯中用于电源、通讯、备用信号及电话。
系统的核心采用西门子公司S7-300PLC进行网络化通讯，如图二所示，为PLC系统配置图。车房操作台装有两套PLC，卸载站操作台装有一套远程站ET200M，井下防爆箱装有一套PLC。整个系统设置两个网络，一个为DP_PROFIBUS网络，另一个为MPI网络，前者为系统的主要数据通讯网络，后者用于监控及编程。
■
车房控制台一套S7-300 PLC、卸载站操作台ET200M和井下隔爆箱S7-300 PLC，构成主控系统。它们之间用DP_PROFIBUS网络通讯，车房控制台S7-300 CPU作为主站CPU，卸载站ET200M为从站，井下隔爆箱S7-300 CPU作为智能型从站CPU。整个网络化CPU智能系统，不但完成主井提升信号功能，而且隔爆箱智能型从站CPU能够管理、控制两套装载机构给双箕斗装煤。即使网络通讯中断，也能够控制装煤。
车房控制台另一套S7-300 PLC作为备用，当主控系统故障（尤其是DP_PROFIBUS网络通讯中断）时，完成整个主井（车房、卸载站、装载站）提升信号功能，即备用信号。
整个系统三套PLC CPU(车房2套、隔爆箱1套)和车房上位监控计算机，其MPI接口，组成一个MPI网络。利用上位机对提升信号及装载全过程进行监视，也可以利用编程器对三套PLC进行程序的下载、修改及监控。
卸载站两套物位仪分别安装在卸载站煤仓上部两个间隔仓的顶部，分别检测两个间隔仓煤是否满仓，而这两个间隔仓分别容纳主、副箕斗卸载的原煤。物位仪采用德国VEGA公司的VEGAPULS系列产品，该产品适用于检测固态物料，采用雷达波发射与接收时间间隔，转换成煤仓的煤位信号，系统判断是否满仓，若满仓，提升机立即停车。
上位监控计算机采用工控机，软件以西门子公司WINCC组态软件为基础，编制应用程序，形成动态监控画面，实现对提升信号及装载过程的实时监视、记录历史数据等。
3.2 避免重复装载的软件设计。软件的基本功能是实现主井提升信号及自动装卸载，同时，改造后的系统具备避免重复装载的功能。
3.2.1 设置标志，避免重复装载。箕斗在装载站装载点，打开对应的定量斗给箕斗装煤，当定量斗里的煤卸空时，置“装载完毕”标志，说明该箕斗已装煤，同时，复位“卸载完毕”标志，说明该箕斗已装煤，未卸载。
箕斗运行至卸载站卸载点，由于曲轨的作用，自动卸载，此时，系统置“卸载完毕”标志，复位“装载完毕”标志。
主、副箕斗均设计“装载完毕”、“卸载完毕”标志，根据这两个标志，判定到达装载站的箕斗能否装煤，系统从逻辑上严格闭锁，即使人为误操作，都无法打开定量斗给箕斗装煤，避免了重复装煤的现象。
3.2.2 设置“卸载故障”，避免重复装载。有时，井下原煤含水量较大，箕斗卸煤时，有部分煤粘附于斗壁而无法卸干净，一旦提升机运行，在“双箕斗提升”模式，或者“单箕斗提升”模式，系统设置“卸载故障”，具体如下：①在“双箕斗提升”模式，提升机稳定运行时，系统检测主提升电机的负荷，判断其电流低于设定值（此值比正常工作电流小），产生“卸载故障”。②在“单箕斗提升”模式，提升机稳定运行时，判断主提升电机电流大于设定值，产生“卸载故障”。
系统检测出“卸载故障”，置该箕斗“装载完毕”标志，复位“卸载完毕”标志，主电控系统控制提升机按减速曲线自动停车，停车后，即使卸载站设置“检修”方式（主电控在该模式，可以以5m/s速度运行），将该箕斗运行至装载点，但无法装载（打不开定量斗），如此，避免了再次装煤的现象。
出现“卸载故障”，提升机停车后，卸载站置“检修”方式，司机反向开车，将该箕斗开到卸载点，再次卸载，“卸载故障”方可复位。此时，卸载站操作工最好确认箕斗确实已经卸载完毕，方可发信号正常开车。否则，提升机运行至检测位置，还会出现该故障。
4 结束语
采用西门子自动化产品及网络化设计，同时，采用德国VEGA物位仪进行满仓保护，编制系统软件，技术先进，产品可靠。
通过对主井提升信号及自动装卸载系统的改造，解决了原系统存在的问题。避免了重复装载现象；井上与井下通讯安全稳定；减少了井筒电缆芯数，便于检修、维护；满仓保护，也保护了井筒装备。
经过长期运行，证实了上述观点，新系统极大提高了主井的生产效率，确实保障了矿井的安全运行。
关键词：DP-PROFIBUS网络 MPI网络 WINCC 提升信号 自动装卸载 重复装载 单勾提升 物位仪
1 概述
曲江公司主井于2003年投产，设计矿井年产量90万吨，是我国江南原煤产量最高的矿井，号称“江南第一大井”。
主井装备一套JKMD-3.25X4塔式多绳摩擦式提升机，主导轮和导向轮直径3.25米，提升有效载荷10吨，钢丝绳柔性罐道，双箕斗提升，电机与主导轮直联传动，设计最大提升速度10米/秒，提升高度900米，由低速直流电动机驱动。直流电动机功率1300KW，电枢电压800V，额定转速59转/分。电控系统采用天津天控生产的TZK全数字直流提升机电控设备，其中核心控制器使用了西门子公司6RA70调速装置及S7-300 PLC。
主井井深1000米，地面为井塔式结构，卸载方式为曲轨自动卸载。井下设计有一个中央原煤仓，对应两套装载机构，给两只箕斗装煤。每套装载机构包括一台给煤机、一台胶带机、一套定量斗。定量斗下部有闸门和定重传感器，装载站还设置一台双油泵液压站，电气控制电磁阀，打开、关闭定量斗闸门，定重传感器称量定量斗原煤重量，实现装载过程的自动控制。
2 改造的原因和目的
原提升信号及自动装卸载系统存在以下问题：
2.1 重复装煤现象。设备运行多年来，经常出现重复装煤现象，结果导致主电动机以最大力矩无法提升，必须采取人为打开箕斗卸煤于井筒方法，或设法在另一只箕斗（一般在卸载位置）装配重铁，强行开车。无论采取何种方法解决问题，都需要人工花几小时时间完成，同时，存在着安全风险，严重影响安全生产。
究其原因，重复装煤现象，有时是装载站操作工误操作造成的；有时是井下原煤含水分较大，卸载时，粘附于箕斗而卸不干净产生的。而这两种主、客观因素，原提升信号及自动装卸载系统都无法避免。
2.2 车房信号柜与装载站信号台通讯时常中断，造成有时提升信号无法传递，出现无法由上位计算机监视装载过程等情况。
2.3 卸载站信号台与装载站信号台之间的电缆为井筒电缆，原为32X2.5mm2，1000米长，使用芯数多，备用芯不足，经常出现井上掉煤块或异物砸断的情况，维修困难。
2.4 井口卸载煤仓较小，有时原煤中的杂物堵塞网筛，容易出现煤满仓现象，检测开关为接触式，经常产生误动作，无法使用，因而原系统无保护，这样煤满仓使得原煤溢出，煤块掉落至井筒，砸坏减速开关、通讯电缆等井筒装备。
综上所述，必须对原提升信号与自动装卸载系统进行改造，提高主井的生产效率，确保安全生产。
3 系统改造的原理
3.1 硬件组成。如图一为主井提升信号与自动装卸载系统设备组成示意图，该系统由以下三区域的设备组成：
3.1.1 车房。车房设备为一台车房控制台及一套上位监控计算机。
3.1.2 卸载站。卸载站设备为一台卸载站操作台及二台井口煤仓物位仪。
3.1.3 装载站。装载站设备为一台装载站操作台、一台本安及隔爆箱、二台定重传感器、两套定量斗闸门传感器和一台液压站。
卸载站与装载站间的井筒电缆，采用18X2.5mm2细钢丝铠装电缆，使用13芯，备用5芯，使用芯中用于电源、通讯、备用信号及电话。
系统的核心采用西门子公司S7-300PLC进行网络化通讯，如图二所示，为PLC系统配置图。车房操作台装有两套PLC，卸载站操作台装有一套远程站ET200M，井下防爆箱装有一套PLC。整个系统设置两个网络，一个为DP_PROFIBUS网络，另一个为MPI网络，前者为系统的主要数据通讯网络，后者用于监控及编程。
■
车房控制台一套S7-300 PLC、卸载站操作台ET200M和井下隔爆箱S7-300 PLC，构成主控系统。它们之间用DP_PROFIBUS网络通讯，车房控制台S7-300 CPU作为主站CPU，卸载站ET200M为从站，井下隔爆箱S7-300 CPU作为智能型从站CPU。整个网络化CPU智能系统，不但完成主井提升信号功能，而且隔爆箱智能型从站CPU能够管理、控制两套装载机构给双箕斗装煤。即使网络通讯中断，也能够控制装煤。
车房控制台另一套S7-300 PLC作为备用，当主控系统故障（尤其是DP_PROFIBUS网络通讯中断）时，完成整个主井（车房、卸载站、装载站）提升信号功能，即备用信号。
整个系统三套PLC CPU(车房2套、隔爆箱1套)和车房上位监控计算机，其MPI接口，组成一个MPI网络。利用上位机对提升信号及装载全过程进行监视，也可以利用编程器对三套PLC进行程序的下载、修改及监控。
卸载站两套物位仪分别安装在卸载站煤仓上部两个间隔仓的顶部，分别检测两个间隔仓煤是否满仓，而这两个间隔仓分别容纳主、副箕斗卸载的原煤。物位仪采用德国VEGA公司的VEGAPULS系列产品，该产品适用于检测固态物料，采用雷达波发射与接收时间间隔，转换成煤仓的煤位信号，系统判断是否满仓，若满仓，提升机立即停车。
上位监控计算机采用工控机，软件以西门子公司WINCC组态软件为基础，编制应用程序，形成动态监控画面，实现对提升信号及装载过程的实时监视、记录历史数据等。
3.2 避免重复装载的软件设计。软件的基本功能是实现主井提升信号及自动装卸载，同时，改造后的系统具备避免重复装载的功能。
3.2.1 设置标志，避免重复装载。箕斗在装载站装载点，打开对应的定量斗给箕斗装煤，当定量斗里的煤卸空时，置“装载完毕”标志，说明该箕斗已装煤，同时，复位“卸载完毕”标志，说明该箕斗已装煤，未卸载。
箕斗运行至卸载站卸载点，由于曲轨的作用，自动卸载，此时，系统置“卸载完毕”标志，复位“装载完毕”标志。
主、副箕斗均设计“装载完毕”、“卸载完毕”标志，根据这两个标志，判定到达装载站的箕斗能否装煤，系统从逻辑上严格闭锁，即使人为误操作，都无法打开定量斗给箕斗装煤，避免了重复装煤的现象。
3.2.2 设置“卸载故障”，避免重复装载。有时，井下原煤含水量较大，箕斗卸煤时，有部分煤粘附于斗壁而无法卸干净，一旦提升机运行，在“双箕斗提升”模式，或者“单箕斗提升”模式，系统设置“卸载故障”，具体如下：①在“双箕斗提升”模式，提升机稳定运行时，系统检测主提升电机的负荷，判断其电流低于设定值（此值比正常工作电流小），产生“卸载故障”。②在“单箕斗提升”模式，提升机稳定运行时，判断主提升电机电流大于设定值，产生“卸载故障”。
系统检测出“卸载故障”，置该箕斗“装载完毕”标志，复位“卸载完毕”标志，主电控系统控制提升机按减速曲线自动停车，停车后，即使卸载站设置“检修”方式（主电控在该模式，可以以5m/s速度运行），将该箕斗运行至装载点，但无法装载（打不开定量斗），如此，避免了再次装煤的现象。
出现“卸载故障”，提升机停车后，卸载站置“检修”方式，司机反向开车，将该箕斗开到卸载点，再次卸载，“卸载故障”方可复位。此时，卸载站操作工最好确认箕斗确实已经卸载完毕，方可发信号正常开车。否则，提升机运行至检测位置，还会出现该故障。
4 结束语
采用西门子自动化产品及网络化设计，同时，采用德国VEGA物位仪进行满仓保护，编制系统软件，技术先进，产品可靠。
通过对主井提升信号及自动装卸载系统的改造，解决了原系统存在的问题。避免了重复装载现象；井上与井下通讯安全稳定；减少了井筒电缆芯数，便于检修、维护；满仓保护，也保护了井筒装备。
经过长期运行，证实了上述观点，新系统极大提高了主井的生产效率，确实保障了矿井的安全运行。