張瑋，蔡小偉，陳豪錦，王鵬，吳春富

（龍巖學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，福建龍巖 364012）

單側(cè)猴車智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

張瑋，蔡小偉，陳豪錦，王鵬，吳春富

（龍巖學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，福建龍巖 364012）

本文針對(duì)一些老礦井的主斜運(yùn)巷狹窄且垂高超過(guò)50米，無(wú)機(jī)械運(yùn)送人員而不符合礦山產(chǎn)業(yè)政策的情況，提出了使用PLC控制主控電機(jī)雙向運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)猴車往復(fù)式單側(cè)坐人的改造方案.同時(shí)運(yùn)用MOUBUS RTU和PROFIBUS DP通訊協(xié)議，分別實(shí)現(xiàn)礦井上下水平及地面與井下通訊.現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用表明：該改造方案具有無(wú)需再拓寬巷道，投資少、不影響生產(chǎn)，信號(hào)傳送穩(wěn)定、系統(tǒng)運(yùn)行安全等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)其他該類巷道有很好的借鑒參考作用.

PLC；通訊協(xié)議；單側(cè)猴車；智能系統(tǒng)

引言

福建省礦山儲(chǔ)量零星分散，小型礦床多、構(gòu)造復(fù)雜，礦井儲(chǔ)量少[1].礦井通常主斜巷中間鋪設(shè)臺(tái)階負(fù)擔(dān)整個(gè)礦井工作人員步行上、下，同時(shí)巷道兩邊布置了排水、壓風(fēng)、供水管道及通訊、高低壓電纜等設(shè)施.根據(jù)新《煤礦規(guī)程》規(guī)定，礦井超過(guò)50米，運(yùn)輸平巷超過(guò)1500米時(shí)必須使用機(jī)械運(yùn)送人員[2].斜巷運(yùn)送人員機(jī)械主要有兩種：斜井人車和架空乘人裝置[3].目前不少礦井主斜巷垂深已超過(guò)50米，必須使用機(jī)械運(yùn)送人員.但因早期地方礦井管理不到位，無(wú)正規(guī)設(shè)計(jì)和施工，很多地方礦井雖然主運(yùn)斜巷道高度符合要求但寬度達(dá)不到安裝斜井人車設(shè)備運(yùn)送人員的要求，或?qū)挾纫堰_(dá)到了，但因各種管道、電纜等設(shè)施的占用，最終無(wú)法安裝斜井人車,針對(duì)這種情況考慮采用架空乘人裝置（簡(jiǎn)稱猴車）.傳統(tǒng)礦井采用猴車人員上下過(guò)程：人員坐上掛在綱絲繩的乘人器上，鋼絲繩借助驅(qū)動(dòng)輪、迂回輪、托繩輪，在礦用電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，運(yùn)載著上班人員從線路起點(diǎn)的上水平車站運(yùn)行到下水平終點(diǎn)車站，同時(shí)運(yùn)載著下班人員從線路起點(diǎn)的下水平車站運(yùn)行到終點(diǎn)的上水平車站，即在鋼絲繩的無(wú)極循環(huán)運(yùn)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)人員的同時(shí)上下班[4].依《煤礦規(guī)程》規(guī)定：安裝雙向同時(shí)坐人的循環(huán)運(yùn)行方式的無(wú)極鋼絲繩牽引猴車，應(yīng)具備如下條件：寬度滿足猴凳中心距離巷道幫部0.7米安全距離，高度滿足猴凳底部距離巷道底板0.3米安全距離，最小寬2.4米，高2.8米的巷道方能滿足猴車安裝需要[2].為此，針對(duì)福建省原有很多礦山主斜巷寬度不符合安裝機(jī)械運(yùn)人要求的情況，為避免開(kāi)拓一條副井或拓寬原主巷道而造成的巨大投資和因停工而減產(chǎn)，本文結(jié)合雙向同時(shí)坐人的循環(huán)運(yùn)行方式猴車，利用PLC控制理論，運(yùn)用MOUBUS RTU和PROFIBUS DP通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守運(yùn)人的智能控制系統(tǒng).

1 控制系統(tǒng)原理

1.1 單側(cè)猴車控制要求

如圖1所示，在礦山上水平（猴車機(jī)頭）位置安裝猴車轉(zhuǎn)速檢測(cè)、主電機(jī)制動(dòng)壓力檢測(cè)、人員紅外檢測(cè)、變坡掉繩檢測(cè)、電機(jī)及減速機(jī)外殼檢測(cè)、機(jī)頭越位和限位檢測(cè)等；通過(guò)PLC實(shí)現(xiàn)猴車上下行、猴車工作制動(dòng)及緊急制動(dòng)等.在下水平（猴車機(jī)尾）安裝人員紅外檢測(cè)、機(jī)尾越位和限位檢測(cè)、重錘限位檢測(cè)、斷繩檢測(cè)及急停區(qū)域檢測(cè)等.與傳統(tǒng)雙向同時(shí)坐人的循環(huán)運(yùn)行方式猴車不同，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到機(jī)頭或機(jī)尾有礦工人員乘坐吊椅時(shí)，且系統(tǒng)無(wú)故障時(shí)則自動(dòng)啟動(dòng)并定時(shí)開(kāi)始，結(jié)合上下班不同時(shí)間段自動(dòng)判斷下行或上行，將礦工自動(dòng)單側(cè)運(yùn)送至下車點(diǎn).期間，若下行階段且上水平機(jī)頭上車點(diǎn)紅外傳感器檢測(cè)到乘員時(shí)，則定時(shí)時(shí)間刷新；若上行階段且下水平機(jī)尾上車點(diǎn)紅外傳感器檢測(cè)到乘員時(shí)，則定時(shí)時(shí)間刷新；若無(wú)再檢測(cè)到同方向人員，一旦定時(shí)時(shí)間到則系統(tǒng)停機(jī).此系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值守自動(dòng)啟停單側(cè)坐人的控制要求，也避免了無(wú)人乘坐時(shí)猴車長(zhǎng)時(shí)間空運(yùn)行，節(jié)省能耗，提高效率.

圖1 單側(cè)猴車控制系統(tǒng)原理圖

1.2 系統(tǒng)控制框圖

系統(tǒng)整體方案如圖2所示.控制系統(tǒng)主要由一臺(tái)安裝機(jī)頭的主站控制器PLC和一臺(tái)安裝機(jī)尾的分站控制器PLC組成.主站和分站采用MODBUS RTU通訊協(xié)議進(jìn)行PPI通信.遠(yuǎn)程控制界面和機(jī)頭觸摸屏采用RS485串行通訊線對(duì)機(jī)頭主站和機(jī)尾分站PROFIBUSDP通信.主站控制器負(fù)責(zé)直接采集機(jī)頭各種開(kāi)關(guān)量和模擬量信號(hào)、觸摸屏等裝置的開(kāi)關(guān)量和模擬量控制信號(hào)，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)分站控制器的狀態(tài)信號(hào)，負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程控制界面?zhèn)魉瓦^(guò)來(lái)的控制信號(hào).根據(jù)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)和運(yùn)行控制邏輯，向各執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出相應(yīng)控制信號(hào)，即發(fā)出礦山猴車是上行提升人員或下行下放人員，猴車是正常停車或事故停車等操作，同時(shí)把當(dāng)前的運(yùn)行信息通過(guò)MODBUS RTU通訊協(xié)議送給各機(jī)尾分站控制器，通過(guò)RS485串行通訊線送給機(jī)頭顯示臺(tái)、遠(yuǎn)程控制臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示.

圖2 系統(tǒng)控制框圖

2 主模塊選型及系統(tǒng)控制方法

2.1 主模塊選型

機(jī)頭與機(jī)尾之間的電控中心選擇西門(mén)子S7-200緊湊型可編程控制器，主站采用24輸入/16點(diǎn)輸出的CPU226為控制核心，同時(shí)配置專門(mén)為特定物理量輸入到PLC的2路熱電阻輸入模擬量擴(kuò)展模塊EM231，從站采用集成14點(diǎn)輸入/10輸出的CPU224為控制核心[6]，主站與從站之間通

圖3 控制系統(tǒng)通訊接線框圖

在遠(yuǎn)程控制中心的臺(tái)式機(jī)上連接一個(gè)西門(mén)子CP5611，PCI通訊卡，在井下機(jī)頭CPU226控制器和井下機(jī)尾CPU224控制器分別擴(kuò)展一個(gè)西門(mén)子S7-200的智能通訊擴(kuò)展模塊EM277，串行通訊線使用RS485,通過(guò)PC（計(jì)算機(jī)）與SIMATICS7之間的PROFIBUSDP通訊，形成以遠(yuǎn)程監(jiān)控PC為主站，井下機(jī)頭觸摸屏、機(jī)頭CPU266控制器，機(jī)尾CPU224為從站，實(shí)現(xiàn)地面遠(yuǎn)程監(jiān)控、井下機(jī)頭就近控制和顯示目的[5].

2.2 系統(tǒng)控制方法

系統(tǒng)控制過(guò)程如下：

（1）當(dāng)紅外檢測(cè)到有礦工要上下時(shí)，系統(tǒng)自檢測(cè)，若系統(tǒng)無(wú)故障，則機(jī)頭和機(jī)尾同時(shí)進(jìn)行開(kāi)車預(yù)警3秒鐘，根據(jù)優(yōu)先原則，判斷上下方向，猴車啟動(dòng)運(yùn)行；

（2）為了解決上下班高峰期人員同時(shí)要上下的問(wèn)題，我們采用分段優(yōu)先的原則，如早班上班時(shí)間一般7：30是交接班高峰期，根據(jù)礦山慣例是先上班再下班，則設(shè)計(jì)中7：00-7：30為下行優(yōu)先權(quán)，而接下來(lái)半小時(shí)則為上行優(yōu)先權(quán)；

（3）當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，主電機(jī)立即斷電，制動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生制動(dòng)力而緊急制動(dòng)，機(jī)頭和機(jī)尾同時(shí)發(fā)出故障報(bào)警信號(hào)；

（4）在機(jī)頭操作臺(tái)和遠(yuǎn)程控制界面可以實(shí)時(shí)控制并顯示運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài).

3 軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主程序和啟動(dòng)猴車功能子程序流程圖如圖4、5所示.編程說(shuō)明如下[7]：

（1）控制系統(tǒng)上電時(shí)，啟動(dòng)通訊功能，啟動(dòng)故障檢測(cè)及報(bào)警功能.

（2）當(dāng)上下水平紅外線傳感器檢測(cè)有人或上下水平按啟動(dòng)按鈕時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)方向判斷和預(yù)警功能.

（3）系統(tǒng)根據(jù)猴車運(yùn)行速度、斜巷道的實(shí)際垂深和坡度，計(jì)算猴車從機(jī)頭到機(jī)尾(或從機(jī)尾到機(jī)頭）的時(shí)間，另加上礦工上車和下車的時(shí)間，設(shè)定PLC定時(shí)總時(shí)間.當(dāng)運(yùn)行時(shí)間未到且另有新啟動(dòng)信號(hào)時(shí)，運(yùn)行時(shí)間預(yù)設(shè)值復(fù)位.當(dāng)超過(guò)總設(shè)定時(shí)間無(wú)人再啟動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)停止運(yùn)行.

（4）在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生故障或需要急停時(shí)，則猴車立即停止運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值班全自動(dòng)安全運(yùn)行.

4 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試與運(yùn)行結(jié)果

本設(shè)計(jì)方案在福建省某煤礦得以實(shí)施，該礦猴車運(yùn)行速度為0.8米/秒，巷道坡度24度，垂深145米，則運(yùn)行大概時(shí)間為7.12秒，考慮到礦工上車及下車時(shí)間等因素，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)調(diào)試時(shí)間為10 秒.該猴車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用隔爆三相異步電動(dòng)機(jī)，設(shè)計(jì)電機(jī)功率37KW，啟動(dòng)方案設(shè)計(jì)為軟啟動(dòng)方式；減速機(jī)選擇平面二次包絡(luò)環(huán)面螺桿減速機(jī)，制動(dòng)器選用電力液壓塊式制動(dòng)器.礦井年產(chǎn)6萬(wàn)噸，每天二班制，單班最多人數(shù)47人，根據(jù)猴車速度0.8米/秒，乘人器每隔15米安裝一個(gè)，則最大上行或下行時(shí)間都需要23.7分鐘.再增加其他一些因素，調(diào)試中時(shí)間定為30分鐘.設(shè)計(jì)采用優(yōu)先權(quán)時(shí)間段，如表1所示，基本上接近雙向同時(shí)坐人的循環(huán)運(yùn)行方式，不影響礦工的正常上班.且機(jī)尾采用PLC替代傳統(tǒng)的電子控制器，克服了因南方礦井下潮濕而經(jīng)常出現(xiàn)的故障.

圖4 控制主程序流程圖

圖5 啟動(dòng)猴車功能子程序流程圖

表1 優(yōu)先權(quán)時(shí)間段

4 結(jié)束語(yǔ)

單側(cè)坐人猴車是針對(duì)老礦井巷道窄，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)巷道拓寬的背景下提出來(lái)的.單側(cè)坐人猴車的應(yīng)用減少了礦工上下井行走的時(shí)間，減輕了不必要的體力消耗，為搞好安全生產(chǎn)打下了基礎(chǔ)，為提高礦山生產(chǎn)效率提供了保障.方案中提出了優(yōu)先權(quán)時(shí)間段設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值守自動(dòng)運(yùn)行，節(jié)省人力，節(jié)約了能源.因此，該裝置的使用得到了某煤礦業(yè)主的高度評(píng)價(jià)，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益.福建省地方礦山有相當(dāng)多礦井均有類似情況，若均采用，其經(jīng)濟(jì)效益將更加顯著，該裝置具有廣闊的應(yīng)用前景.

〔1〕郭玉森，吳傳始.福建小煤礦的現(xiàn)狀及出路［J］.煤礦開(kāi)采.2006（05）：13-14+27.

〔2〕煤礦安全規(guī)程（國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局）［Z］.修訂實(shí)施，2013.

〔3〕吳濤.應(yīng)用架空乘人裝置改造煤礦斜井人車系統(tǒng)的分析［J］.煤炭工程，2007（12）：103-104.

TP273

A

1673-260X（2015）04-0045-03

國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（G20142005）