引言

礦井提升機(jī)是礦山企業(yè)的重要運(yùn)輸設(shè)備,其主要功能是由提升容器將需要運(yùn)輸?shù)牡V石、人員或設(shè)備運(yùn)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(jī)控制系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)部分和控制部分組成,其中驅(qū)動(dòng)部分工作機(jī)制為:電動(dòng)機(jī)機(jī)組拖動(dòng)機(jī)械卷揚(yáng)裝置,變頻器或其他類型的提升控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)機(jī)組:控制部分的工作機(jī)制為:提升機(jī)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(dòng)和馬達(dá)控制乃至生產(chǎn)管理、安全系統(tǒng)全部集成統(tǒng)一在一個(gè)操作和工程環(huán)境中。因此,礦井提升機(jī)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?0bject0riented)技術(shù)。由于采用了ABB獨(dú)特的Aspect0bject概念,可以使企業(yè)級(jí)的信息訪問、對(duì)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(gè)統(tǒng)一的信息平臺(tái),800xA系統(tǒng)提供了一個(gè)基礎(chǔ)平臺(tái)(BasePlatform),將過程控制部分和生產(chǎn)控制管理相對(duì)劃分開來又有機(jī)地結(jié)合在一起。如圖1所示,中間部分就是基礎(chǔ)平臺(tái),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(tái)為這兩個(gè)部分提供標(biāo)準(zhǔn)接口,進(jìn)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(duì)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(jìn)行通信,還能通過2個(gè)串口采用Modbus協(xié)議、Point-Point協(xié)議進(jìn)行通信。AC800M的編程組態(tài)工具為ControlBuilderM,簡稱CBM。它支持標(biāo)準(zhǔn)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(jì)及實(shí)現(xiàn)

2.1提升機(jī)運(yùn)行速度曲線的實(shí)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(jī)按照設(shè)計(jì)給定的速度一位置曲線進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn),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(shí)現(xiàn)精確位置計(jì)算的功能,設(shè)計(jì)的提升機(jī)控制系統(tǒng)必須能夠根據(jù)連接在提升機(jī)滾筒主軸上的光電編碼器進(jìn)行高精度的位置計(jì)算。其計(jì)算公式如下:

式中,s為提升機(jī)實(shí)際位置值:sp為兩連續(xù)編碼器脈沖對(duì)應(yīng)的距離:AN為在基準(zhǔn)位置時(shí)和當(dāng)前位置時(shí)編碼器計(jì)數(shù)值之差(帶符號(hào)變量):s0為基準(zhǔn)位置值。

編碼器計(jì)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(zhǔn)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(jì)算出兩編碼器脈沖對(duì)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(gè)隨著系統(tǒng)運(yùn)行而不斷變小的值D。這是因?yàn)?提升機(jī)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(gè)襯墊會(huì)隨著系統(tǒng)的運(yùn)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(shí),會(huì)造成較大的位置計(jì)算誤差。為了解決上述問題,利用井筒中的2個(gè)停車位置開關(guān)進(jìn)行滾筒直徑校正,因?yàn)閮赏＼囄恢弥g的距離可以通過實(shí)際測量得到,精確度很高。實(shí)際運(yùn)行過程中,分別記錄下在2個(gè)停車位置時(shí)的編碼器計(jì)數(shù)值,根據(jù)公式(3)可以求出sp的實(shí)際校正值:

式中,sd為2個(gè)停車位置之間的距離:Abs為取絕對(duì)值運(yùn)算:N王為2個(gè)停車位置時(shí)的編碼器計(jì)數(shù)值。

這樣,首先根據(jù)設(shè)計(jì)給定參數(shù)值設(shè)置初始sp值,然后根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況校正該值,可以有效保證位置計(jì)算的精度。與此同時(shí),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(yán)重的判斷依據(jù)。

在得到了提升機(jī)位置值之后,即可根據(jù)公式(4)進(jìn)行速度控制曲線的計(jì)算:

式中,a為設(shè)計(jì)加/減速度值:s為提升機(jī)當(dāng)前實(shí)際位置值:V2為提升機(jī)在該位置時(shí)的最大速度。

考慮到提升系統(tǒng)在進(jìn)入行程終端時(shí)需要以較低的爬行速度進(jìn)入停車軌道,以避免大的機(jī)械沖擊造成設(shè)備損壞,因此,距離停車位置還有1~5m時(shí),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(duì)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(hù)功能的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

礦井對(duì)提升機(jī)控制系統(tǒng)在安全可靠性方面的要求尤為嚴(yán)格[5]。在保證電氣控制設(shè)備有很高可靠性的同時(shí),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(hù),并實(shí)時(shí)檢測這些保護(hù)器件的動(dòng)作及反饋信號(hào)。

首先,對(duì)于提升機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視,是提升機(jī)控制系統(tǒng)安全保護(hù)功能中的重中之重。在控制系統(tǒng)中,時(shí)刻對(duì)電機(jī)的運(yùn)行速度、位置進(jìn)行監(jiān)視,將當(dāng)前的位置值和速度值與系統(tǒng)設(shè)計(jì)的速度位置曲線進(jìn)行比較,一旦發(fā)現(xiàn)提升機(jī)的實(shí)際運(yùn)行速度超過了設(shè)計(jì)的速度值,立即發(fā)出急停命令,嚴(yán)格確保整個(gè)提升過程中提升速度處于安全監(jiān)視范圍之下。同時(shí),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(duì)應(yīng)著具體的位置值和相應(yīng)的速度值。當(dāng)提升機(jī)經(jīng)過這些開關(guān)時(shí),如果通過編碼器檢測發(fā)現(xiàn)實(shí)際的速度值和位置偏出了位置檢測開關(guān)對(duì)應(yīng)的數(shù)值,控制系統(tǒng)也會(huì)判斷認(rèn)為處于故障狀態(tài),立即實(shí)施急停。

為了確定連接在提升機(jī)滾筒主軸的編碼器是否正常,在提升機(jī)上還分別安裝了另外兩個(gè)編碼器。這樣三個(gè)編碼器的位置和速度檢測值始終進(jìn)行對(duì)比,一旦發(fā)現(xiàn)某一個(gè)編碼器檢測值與另外兩個(gè)編碼器檢測值的偏差超出了允許范圍,控制系統(tǒng)會(huì)立即認(rèn)為進(jìn)入故障狀態(tài),實(shí)施急停保護(hù)動(dòng)作。

3結(jié)語

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