引言

礦井提升機是礦山企業(yè)的重要運輸設(shè)備,其主要功能是由提升容器將需要運輸?shù)牡V石、人員或設(shè)備運送到目的地,因此,在礦山生產(chǎn)過程中起著非常重要的作用。通常礦井提升機控制系統(tǒng)由驅(qū)動部分和控制部分組成,其中驅(qū)動部分工作機制為:電動機機組拖動機械卷揚裝置,變頻器或其他類型的提升控制系統(tǒng)驅(qū)動電動機機組:控制部分的工作機制為:提升機各組成部分由集散控制系統(tǒng)（DCs）統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制,在完成基本過程控制之外,還能將智能儀表、智能傳動和馬達控制乃至生產(chǎn)管理、安全系統(tǒng)全部集成統(tǒng)一在一個操作和工程環(huán)境中。因此,礦井提升機要求配置具有高性能、高可靠性、高集成度的控制系統(tǒng)。

1ABB800xA系統(tǒng)及AC800M控制器介紹

1.1ABB800xA系統(tǒng)簡介

800xA系統(tǒng)是ABB公司推出的工業(yè)信息控制系統(tǒng),其架構(gòu)的核心是面向?qū)ο螅?bject0riented）技術(shù)。由于采用了ABB獨特的Aspect0bject概念,可以使企業(yè)級的信息訪問、對象導(dǎo)航及訪問變得規(guī)范、簡單。

為了能夠給企業(yè)的管理人員、技術(shù)人員提供一個統(tǒng)一的信息平臺,800xA系統(tǒng)提供了一個基礎(chǔ)平臺（BasePlatform）,將過程控制部分和生產(chǎn)控制管理相對劃分開來又有機地結(jié)合在一起。如圖1所示,中間部分就是基礎(chǔ)平臺,上方為生產(chǎn)控制管理部分,下方是過程控制部分,由基礎(chǔ)平臺為這兩個部分提供標準接口,進行數(shù)據(jù)交換。

1.2ABBAC800M控制器及其編程組態(tài)工具介紹

AC800M控制器為ABB最新推出的控制器系列,它包括從PM851到PM865等一系列處理器。AC800M控制器本身具備一對冗余的TCP/IP接口,可以使用MMs協(xié)議通過以太網(wǎng)和其他的控制設(shè)備以及800xA操作員站進行通信,還能通過2個串口采用Modbus協(xié)議、Point-Point協(xié)議進行通信。AC800M的編程組態(tài)工具為ControlBuilderM,簡稱CBM。它支持標準的梯形圖、功能塊語言、文本描述語言以及匯編語言編寫控制邏輯。

2提升控制系統(tǒng)功能設(shè)計及實現(xiàn)

2.1提升機運行速度曲線的實現(xiàn)

提升控制系統(tǒng)的主要任務(wù)之一就是控制提升電機按照設(shè)計給定的速度一位置曲線進行運轉(zhuǎn)[4],使提升容器先后經(jīng)過加速段、勻速段和減速段,在完成了規(guī)定的提升距離后,精確地停靠在井筒中的某一位置。為了實現(xiàn)精確位置計算的功能,設(shè)計的提升機控制系統(tǒng)必須能夠根據(jù)連接在提升機滾筒主軸上的光電編碼器進行高精度的位置計算。其計算公式如下:

式中,s為提升機實際位置值:sp為兩連續(xù)編碼器脈沖對應(yīng)的距離:AN為在基準位置時和當(dāng)前位置時編碼器計數(shù)值之差（帶符號變量）:s0為基準位置值。

編碼器計數(shù)按滾筒圓周分布,在已知編碼器旋轉(zhuǎn)一周所產(chǎn)生的脈沖數(shù)Np后,必須準確地知道纏繞在滾筒周圍的鋼絲繩中心線所圍繞圓周的直徑,才能夠根據(jù)公式(2）計算出兩編碼器脈沖對應(yīng)的距離sp:

式中,D為鋼絲繩中心線圓周直徑:Np為已知編碼器旋轉(zhuǎn)一周的脈沖數(shù)。

但在公式(2）中,存在一個隨著系統(tǒng)運行而不斷變小的值D。這是因為,提升機使用的鋼絲繩是纏繞在滾筒之上的,在鋼絲繩和滾筒之間是起增加摩擦力作用的襯墊。這個襯墊會隨著系統(tǒng)的運行不斷磨損而越來越薄,導(dǎo)致鋼絲繩中心線構(gòu)成的圓周直徑也在逐步變小。當(dāng)襯墊磨損到一定程度時,會造成較大的位置計算誤差。為了解決上述問題,利用井筒中的2個停車位置開關(guān)進行滾筒直徑校正,因為兩停車位置之間的距離可以通過實際測量得到,精確度很高。實際運行過程中,分別記錄下在2個停車位置時的編碼器計數(shù)值,根據(jù)公式（3）可以求出sp的實際校正值:

式中,sd為2個停車位置之間的距離:Abs為取絕對值運算:Nx為2個停車位置時的編碼器計數(shù)值。

這樣,首先根據(jù)設(shè)計給定參數(shù)值設(shè)置初始sp值,然后根據(jù)實際運行情況校正該值,可以有效保證位置計算的精度。與此同時,還可以將sp'代入公式（2）中,反過來求出D值,作為判斷襯墊是否磨損嚴重的判斷依據(jù)。

在得到了提升機位置值之后,即可根據(jù)公式（4）進行速度控制曲線的計算:

式中,a為設(shè)計加/減速度值:s為提升機當(dāng)前實際位置值:V2為提升機在該位置時的最大速度。

考慮到提升系統(tǒng)在進入行程終端時需要以較低的爬行速度進入停車軌道,以避免大的機械沖擊造成設(shè)備損壞,因此,距離停車位置還有1～5m時,將提升速度限制在0.5m/s以下。

由于停車前的瞬間速度很低,因此也能相對提高系統(tǒng)停車的位置精度,這在副井提升的情況下尤為重要。

2.2安全保護功能的設(shè)計實現(xiàn)

礦井對提升機控制系統(tǒng)在安全可靠性方面的要求尤為嚴格[5]。在保證電氣控制設(shè)備有很高可靠性的同時,控制系統(tǒng)在可能出現(xiàn)故障的關(guān)鍵環(huán)節(jié)還設(shè)置了多道保護,并實時檢測這些保護器件的動作及反饋信號。

首先,對于提升機運行狀態(tài)的監(jiān)視,是提升機控制系統(tǒng)安全保護功能中的重中之重。在控制系統(tǒng)中,時刻對電機的運行速度、位置進行監(jiān)視,將當(dāng)前的位置值和速度值與系統(tǒng)設(shè)計的速度位置曲線進行比較,一旦發(fā)現(xiàn)提升機的實際運行速度超過了設(shè)計的速度值,立即發(fā)出急停命令,嚴格確保整個提升過程中提升速度處于安全監(jiān)視范圍之下。同時,在井筒內(nèi)若干位置布置了位置檢測開關(guān),這些位置檢測開關(guān)分別對應(yīng)著具體的位置值和相應(yīng)的速度值。當(dāng)提升機經(jīng)過這些開關(guān)時,如果通過編碼器檢測發(fā)現(xiàn)實際的速度值和位置偏出了位置檢測開關(guān)對應(yīng)的數(shù)值,控制系統(tǒng)也會判斷認為處于故障狀態(tài),立即實施急停。

為了確定連接在提升機滾筒主軸的編碼器是否正常,在提升機上還分別安裝了另外兩個編碼器。這樣三個編碼器的位置和速度檢測值始終進行對比,一旦發(fā)現(xiàn)某一個編碼器檢測值與另外兩個編碼器檢測值的偏差超出了允許范圍,控制系統(tǒng)會立即認為進入故障狀態(tài),實施急停保護動作。

3結(jié)語

主井設(shè)備能夠高效安全運行是其發(fā)揮作用的重要保障。800xA系統(tǒng)在礦井提升機的應(yīng)用中,針對主井礦井提升機的具體工藝特點,設(shè)計了速度曲線、自校正、多種自診斷以及保護功能,在實際應(yīng)用中起到了良好的效果。