徐 冬

(中鐵十八局集團(tuán)第二工程有限公司，河北 唐山 064000)

1 工程概況

香爐山2號施工斜井是滇中引水工程先期開工的試驗(yàn)工程項(xiàng)目，設(shè)計(jì)為長陡坡斜井，長1227m，傾角為17.63°，坡比為31.8%，高差349m，與主洞水平投影夾角36.76°。根據(jù)施工條件并結(jié)合主洞開挖對斜井提升系統(tǒng)的要求，采用2套JK-2.5×2.5/20A型提升機(jī)，單鉤提升雙軌布置，每臺(tái)提升機(jī)配置一臺(tái)KZ-8型曲軌側(cè)卸式礦車，作為物料提升設(shè)備，洞內(nèi)采用挖掘機(jī)進(jìn)行裝渣，提升機(jī)電控系統(tǒng)采用基于雙PLC控制的變頻電控模式。

2 提升機(jī)電控系統(tǒng)

2.1 提升控制系統(tǒng)比選

目前，國內(nèi)提升機(jī)有普通電控、PLC及變頻電控三種方案(見表1)。普通電控采用繼電器-接觸器調(diào)速模式，性能差，處于淘汰狀態(tài)。PLC電控優(yōu)勢在于設(shè)備體積小、安裝調(diào)試方便、系統(tǒng)安全可靠。變頻電控在節(jié)能和電機(jī)性能及穩(wěn)定性方面有優(yōu)勢。通過對三種電控模式主要設(shè)備配置、工作原理和優(yōu)缺點(diǎn)等進(jìn)行對比分析，結(jié)合現(xiàn)階段礦井提升機(jī)電控技術(shù)發(fā)展，本工程采用PLC變頻控制提升機(jī)系統(tǒng)。

表1 提升機(jī)控制方案對比

2.2 系統(tǒng)硬件配置

提升機(jī)電機(jī)控制系統(tǒng)主要由主控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(PLC控制系統(tǒng))、全數(shù)字高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)、提升信號系統(tǒng)、閘瓦在線檢測系統(tǒng)、上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、高低壓配電系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等組成[1]。系統(tǒng)組成、功能和主要設(shè)備見表2。

表2 提升機(jī)電控系統(tǒng)組成及功能、設(shè)備

本系統(tǒng)采用S7-300雙PLC作為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心(見圖1)對電機(jī)進(jìn)行精確、穩(wěn)定的控制[2]。PLC冗余系統(tǒng)由兩套PLC控制系統(tǒng)組成。當(dāng)主系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)故障時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切換到備用系統(tǒng)。這種切換過程是模塊的整體切換，系統(tǒng)運(yùn)行過程中，也可以通過手動(dòng)操作實(shí)現(xiàn)主備系統(tǒng)切換。

圖1 PLC控制系統(tǒng)

3 提升機(jī)電控系統(tǒng)應(yīng)用與關(guān)鍵技術(shù)實(shí)踐驗(yàn)證

斜井提升機(jī)電控系統(tǒng)的主要功能為對提升機(jī)系統(tǒng)的工況檢測與故障診斷、提升機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測監(jiān)控、提升機(jī)故障預(yù)測與遠(yuǎn)程故障診斷分析[3]。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，提升機(jī)電控為多系統(tǒng)融合，其關(guān)鍵技術(shù)包括PLC技術(shù)、變頻技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，對整個(gè)提升機(jī)運(yùn)行過程進(jìn)行檢測、控制、顯示、保護(hù)、報(bào)警和管理。為施工單位監(jiān)測中心和機(jī)電設(shè)備管理人員提供準(zhǔn)確、快速、全面的數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)提升機(jī)的智能化控制與遠(yuǎn)程監(jiān)控。

3.1 全數(shù)字變頻技術(shù)

3.1.1 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)組成

模塊化多傳動(dòng)變頻器原理系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)由變頻器、行程控制、能耗制動(dòng)和抱閘制動(dòng)等組成(見圖2)，采用低頻全數(shù)字制動(dòng)電源柜，全數(shù)字式變頻器是其核心設(shè)備。調(diào)速系統(tǒng)采用GD系列945kW重載AFE四象限交流變頻器。將PLC控制功能與變頻技術(shù)相結(jié)合，極大地提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，調(diào)速精度高，能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)滿功率向電網(wǎng)進(jìn)行能量回饋。

圖2 模塊化多傳動(dòng)變頻器原理

3.1.2 主要技術(shù)原理

采用全數(shù)字矢量控制，使系統(tǒng)調(diào)速范圍寬、精度高。無速度傳感器矢量控制技術(shù)使交流三相異步電機(jī)的調(diào)速性能可以和直流電機(jī)一樣好，其調(diào)速精度高，性能好。

3.2 雙PLC控制技術(shù)

3.2.1 主控系統(tǒng)組成

提升機(jī)主控系統(tǒng)采用S7-300系列雙PLC作為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，主PLC負(fù)責(zé)程序及系統(tǒng)管理[4]。PLC構(gòu)成電子行程監(jiān)控器并負(fù)責(zé)深度指示及監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了模塊化設(shè)計(jì)，功能強(qiáng)大、投資安全并且完全適合各種應(yīng)用。

3.2.2 技術(shù)特征

a.實(shí)現(xiàn)提升機(jī)半自動(dòng)、手動(dòng)、檢修、慢動(dòng)、緊急停車、低速爬行方式的控制。實(shí)現(xiàn)提升機(jī)機(jī)械、液壓、電氣等方面的控制故障檢測、報(bào)警、保護(hù)功能。

b.監(jiān)視提升系統(tǒng)各路電源。

c.實(shí)現(xiàn)連續(xù)速度包絡(luò)線監(jiān)測保護(hù)和逐點(diǎn)速度監(jiān)測保護(hù)功能，實(shí)現(xiàn)提升機(jī)位置控制，保證提升機(jī)安全運(yùn)行。

d.軟件設(shè)計(jì)采用功能模塊化、結(jié)構(gòu)線性化設(shè)計(jì)，具有良好的維護(hù)性和可移植性。

兩套PLC之間、PLC與監(jiān)控系統(tǒng)的通信通過工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。PLC對外I/O接口預(yù)留不少于10%的余量，留有與企業(yè)局域網(wǎng)和internet的接口，具有通過物聯(lián)網(wǎng)對現(xiàn)場調(diào)速和監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程診斷的能力。

3.2.3 運(yùn)行方式

系統(tǒng)可在手動(dòng)、半自動(dòng)、檢修、調(diào)閘、應(yīng)急模式下運(yùn)行。

a.手動(dòng)。操作室通過控制臺(tái)操作，可通過操作臺(tái)選擇水平信號或根據(jù)信號系統(tǒng)打點(diǎn)信號水平功能開車。

b.半自動(dòng)。司機(jī)可通過按鈕或信號工打點(diǎn)開車，讓系統(tǒng)完成一個(gè)提升循環(huán)。

c.檢修。系統(tǒng)可在檢修模式下低速運(yùn)行(≤2m/s)。

d.調(diào)閘。調(diào)閘模式下可對盤形閘進(jìn)行檢修，具有調(diào)閘閉鎖功能。

e.應(yīng)急。當(dāng)一套PLC出現(xiàn)故障時(shí)，可直接切換到備用PLC實(shí)現(xiàn)完整的開車功能。備用PLC可實(shí)現(xiàn)所有主PLC具備的保護(hù)功能，但應(yīng)急模式下的運(yùn)行速度受到一定的限制。

3.3 上位計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

3.3.1 系統(tǒng)設(shè)備與顯示

主操作臺(tái)內(nèi)嵌入式安裝一臺(tái)10.4英寸觸摸屏及電壓電流表。選用4G內(nèi)存、500G硬盤、工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)、19寸液晶顯示器。其中顯示器的人機(jī)界面是司機(jī)與提升控制設(shè)備之間傳遞和交流信息的平臺(tái)(見圖3)，該平臺(tái)主要由提升機(jī)升降監(jiān)控系統(tǒng)、深度指示、工作狀態(tài)指示、信號指示、高低壓電壓電流指示及提升機(jī)行程速度等組成[5]。

圖3 工控機(jī)監(jiān)控界面

3.3.2 系統(tǒng)功能

a.實(shí)現(xiàn)提升機(jī)運(yùn)行情況與監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)。

b.井筒開關(guān)動(dòng)作情況記憶及顯示。

c.故障檢測、顯示、報(bào)警，詳細(xì)到什么位置、什么時(shí)間及什么原因?qū)е碌墓收稀μ嵘到y(tǒng)運(yùn)行參數(shù)、狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，如速度、電流、電壓等，對一些重要參數(shù)如速度圖等存儲(chǔ)并保留至少十個(gè)班次。

d.具備多種歷史曲線查詢功能，例如提升速度歷史曲線、電機(jī)電流歷史曲線，可以在控制軟件內(nèi)實(shí)時(shí)監(jiān)控其他所有數(shù)據(jù)。

3.4 傳感器技術(shù)

傳感器是提升機(jī)電控系統(tǒng)非常重要的組成部分，通過位移傳感器、攝像頭等多傳感器在線監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)提升系統(tǒng)閘瓦磨損監(jiān)控、信號通信、視頻監(jiān)控與遠(yuǎn)程故障診斷[6]。

3.4.1 閘瓦磨損監(jiān)控

通過位移傳感器，可對閘的實(shí)時(shí)間隙進(jìn)行檢測，可通過校零裝置對閘進(jìn)行校零處理，校零完成后具有開閘間隙和磨損檢測顯示功能。通過與液壓站的壓力傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，可對蝶形彈簧進(jìn)行疲勞計(jì)算。閘瓦系統(tǒng)具有閘間隙顯示功能、閘瓦彈簧疲勞檢測功能及制動(dòng)盤偏擺檢測功能。

3.4.2 信號系統(tǒng)

提升系統(tǒng)采用以PLC可編程控制器為控制核心的信號系統(tǒng)，配合PLC冗余技術(shù)，用LCD液晶屏進(jìn)行顯示，具有漢字顯示、數(shù)字存儲(chǔ)故障診斷、安全閉鎖等功能。信號裝置采用獨(dú)立西門子S7 PLC、歐姆龍電源模塊等，通過光纖通信使進(jìn)出斜井洞口控制臺(tái)及提升機(jī)機(jī)房顯示箱間傳輸、音響報(bào)警信號。顯示屏用來顯示提升機(jī)工作狀態(tài)，揚(yáng)聲器用來發(fā)出語言報(bào)警信號，從而為斜井提升機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)提供準(zhǔn)確、方便、直觀的安全控制信號，指揮司機(jī)安全操作。

3.4.3 視頻監(jiān)控

基于光纖技術(shù)的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，為提升機(jī)司機(jī)提供直觀的斜井運(yùn)行信息。系統(tǒng)有8路硬盤錄像機(jī)(含2T硬盤)、25英寸高清顯示器、高清攝像頭，并提供滿足光纖連接的所有材料。現(xiàn)場控制系統(tǒng)和遠(yuǎn)程上位機(jī)之間通過局域網(wǎng)絡(luò)傳輸將現(xiàn)場各種參數(shù)數(shù)據(jù)傳輸并顯示在遠(yuǎn)程端上位機(jī)上，同時(shí)現(xiàn)場高清視頻監(jiān)控畫面?zhèn)鬏斨帘O(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)提升系統(tǒng)運(yùn)行情況的直觀監(jiān)視。

4 結(jié) 語

本文對滇中引水工程香爐山2號施工斜井提升機(jī)的機(jī)電設(shè)備電控系統(tǒng)從功能設(shè)計(jì)、硬件配置、軟件設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行全面分析，實(shí)現(xiàn)了機(jī)電設(shè)備控制自動(dòng)化、數(shù)字化、可視化、智能化，保證了提升系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。

斜井提升電控系統(tǒng)采用自動(dòng)化智能控制、網(wǎng)絡(luò)通信、視頻監(jiān)視、遠(yuǎn)程智能診斷等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了提升系統(tǒng)全方位、實(shí)時(shí)的多傳感器在線監(jiān)測，為斜井提升運(yùn)行更加安全可靠提供了技術(shù)導(dǎo)向，為預(yù)防和減少斜井提升機(jī)運(yùn)行故障和安全事故提供了理論技術(shù)支撐，促進(jìn)了工程建設(shè)安全健康發(fā)展，保障了企業(yè)社會(huì)聲譽(yù)和經(jīng)濟(jì)利益。

斜井提升機(jī)是洞內(nèi)和洞外聯(lián)系的大動(dòng)脈。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)越來越成熟，將其應(yīng)用在斜井提升設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測上，將更能保證提升機(jī)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性，但需進(jìn)一步深入研究以期減少監(jiān)測盲區(qū)、提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性。