杜昆，吳傳祥，劉鵬程

（淮南礦業(yè)集團(tuán) 張集煤礦，安徽 淮南232174）

1 引言

淮南礦業(yè)集團(tuán)張集煤礦是年產(chǎn)1 360 萬t 的大型現(xiàn)代化礦井，其副井提升系統(tǒng)采用了2 套JKMD－4.0×4（Ⅲ）落地式多繩摩擦輪提升機(jī)，主電機(jī)為1 600 kW 直流電機(jī)。 傳動(dòng)系統(tǒng)采用磁場(chǎng)恒定，電樞換向，邏輯無環(huán)流可逆雙閉環(huán)（電流環(huán)、速度環(huán)）直流調(diào)速方案。 磁場(chǎng)采用三相全橋式整流裝置，電樞回路采用兩組可逆整流橋并聯(lián)組成主電路。 自1998年以來，提升傳動(dòng)控制一直采用的是西班牙C30 直流調(diào)速系統(tǒng)，在技術(shù)上和硬件上已面臨淘汰。 隨著張集礦的發(fā)展，對(duì)副井的提升能力提出了更高的要求，在保證人員安全上下井之外，還要承擔(dān)大量車皮、矸石、長(zhǎng)材、大件的打運(yùn)任務(wù)。 因此，確保絞車的安全穩(wěn)定運(yùn)行顯得極為重要。

原C30 系統(tǒng)經(jīng)過十多年的使用，已暴露出諸多問題，如：調(diào)速反饋信號(hào)易受電磁干擾；絞車低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)抖動(dòng)；加速度變化不連續(xù)，S形曲線過渡不平滑，絞車運(yùn)行欠平穩(wěn)，易造成電流短時(shí)變化率過大導(dǎo)致大功率元件損壞的情況，同時(shí)增加了鋼絲繩的受力，影響其使用壽命；由于系統(tǒng)相應(yīng)備件已停產(chǎn)，市場(chǎng)上無法購(gòu)買，目前已無備件可供更換。

為保證絞車的穩(wěn)定運(yùn)行，我們將副井原有的C30 系統(tǒng)升級(jí)為INGESYS IC3（以下簡(jiǎn)稱為IC3）全數(shù)字傳動(dòng)控制系統(tǒng)。

2 IC3 系統(tǒng)硬件組成

IC3 系統(tǒng)為西班牙INGETEAM 公司開發(fā)的最新產(chǎn)品，為原C30 系統(tǒng)的升級(jí)替換版，采用完全模塊化設(shè)計(jì)，并且支持熱插拔。

1）電源模塊IC3601：輸出DC 24 V，為系統(tǒng)其他模塊供電。

2）CPU 模 塊IC3101：模 塊 的CPU 采 用 了Pentium 500 MHz 微處理器，32 MB FLASH 存儲(chǔ)器，外接擴(kuò)展CFLASH 存儲(chǔ)卡插槽，64 MB 內(nèi)存以及256 kB 用戶自定義的非易失性隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器（NVRAM）。模塊的接口也十分豐富：2 個(gè)10/100M 自適應(yīng)以太網(wǎng)接口，可以與上位機(jī)的網(wǎng)卡接口連接進(jìn)行通訊，使得工程技術(shù)人員可以很方便地進(jìn)行在線調(diào)試；1 個(gè)USB2.0 接口；1 個(gè)RS-232C 串行接口等。

3）IO 直流驅(qū)動(dòng)模塊IC3711：本系統(tǒng)共使用了3 個(gè)IC3711 模塊，分別用于驅(qū)動(dòng)電樞Ⅰ、電樞Ⅱ和勵(lì)磁系統(tǒng)的晶閘管觸發(fā)脈沖。

4）數(shù)字量輸入模塊IC3311：32 位數(shù)字量輸入模塊。

5）數(shù)字量輸出模塊IC3331：32 位數(shù)字量輸出模塊。

6）高速計(jì)數(shù)模塊IC3391：包括6 個(gè)高速計(jì)數(shù)器和4 個(gè)11 位可調(diào)幅值模擬量輸出。

7）現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS-DP 通信模塊IC3271：如圖1所示，主控AB PLC 的DP 模塊與IC3271 通過西門子DP 耦合器連接，從而建立通訊。

圖1 系統(tǒng)通訊示意圖Fig.1 The schematic diagram of system communication

3 IC3 編程軟件CoDeSys

CoDeSys 是PLC 的完整開發(fā)環(huán)境，支持基于IEC61131-3 標(biāo)準(zhǔn)的編程語言，同時(shí)還支持C 語言等高級(jí)語言。 只要在上位機(jī)上安裝了CoDeSys軟件，經(jīng)過簡(jiǎn)單的設(shè)置，通過普通的RJ-45 網(wǎng)線連接CPU 模塊IC3101 和上位機(jī)的以太網(wǎng)接口，即可實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與IC3101 的通訊。 軟硬件的結(jié)合使IC3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了如下功能。

3.1 全數(shù)字行程控制

原C30 系統(tǒng)中，提升機(jī)滾筒上設(shè)置了1 個(gè)測(cè)速電機(jī)，輸出速度信號(hào)至AB PLC。 由于測(cè)速機(jī)輸出為模擬量，易受外界電磁干擾及自身運(yùn)行不穩(wěn)等因素，容易導(dǎo)致誤差，會(huì)造成C30 與主控PLC速度比較值超出額定范圍，引起安全回路動(dòng)作，導(dǎo)致緊急停車，有時(shí)會(huì)對(duì)主電機(jī)和鋼絲繩造成不同程度的傷害。 所以，此次系統(tǒng)升級(jí)拆除了測(cè)速電機(jī)，直接采用編碼器輸出的數(shù)字信號(hào)作為實(shí)際速度輸出信號(hào)，在相當(dāng)程度上避免了此類事故的發(fā)生。

主軸上有2 個(gè)增量式旋轉(zhuǎn)軸角編碼器，其輸出脈沖分別送入AB PLC 的高速計(jì)數(shù)模塊和IC3的高速計(jì)數(shù)模塊IC3391。 旋轉(zhuǎn)編碼器與被測(cè)軸相連，可連續(xù)輸出與旋轉(zhuǎn)角度對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)，其輸出脈沖頻率與轉(zhuǎn)速成正比。 轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)輸出A，B兩列正交脈沖，IC3391 對(duì)來自編碼器的行程脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)和數(shù)據(jù)處理，可計(jì)算出容器的實(shí)際位置及運(yùn)行速度，并與主控PLC 的輸出相比較，取最小值送入速度調(diào)節(jié)器給定。 系統(tǒng)調(diào)用S_CURVE 子程序生成S 形速度曲線的程序界面，如圖2所示。

圖2 S 形速度曲線生成程序界面Fig.2 S-curve program generation interface

圖3為提升速度曲線。 從圖3可以看出，曲線過渡平滑，加速度變化連續(xù)，大大降低了由于提升速度反超調(diào)引起的振蕩，緩和了鋼絲繩的受力，消除了對(duì)提升系統(tǒng)的沖擊，減少了振動(dòng)，使絞車運(yùn)行更加平穩(wěn)。 編程中對(duì)提升速度進(jìn)行了重新設(shè)定，由于生產(chǎn)任務(wù)較重，為了使車皮、矸石、物料能夠及時(shí)上下井，提物速度需進(jìn)一步提高；“大件”和“長(zhǎng)材”以前一直共用一個(gè)信號(hào)，考慮到實(shí)際生產(chǎn)的需要，將“大件”和“長(zhǎng)材”信號(hào)區(qū)分開，設(shè)定為2 個(gè)獨(dú)立的速度選擇，同時(shí)打運(yùn)長(zhǎng)材的速度應(yīng)在保證安全施工的情況下提高一倍，液壓支架等大件打運(yùn)，考驗(yàn)的是絞車的提升極限，速度仍保持不變； 爬行段的速度由原來的0.2 m/s 提高為0.35 m/s，并對(duì)速度曲線圖的各段進(jìn)行了優(yōu)化，使絞車提升循環(huán)時(shí)間大幅降低，經(jīng)濟(jì)效益和打運(yùn)效率提升明顯，符合實(shí)際生產(chǎn)的迫切需要。

圖3 提升速度曲線Fig.3 The lifting velocity curve

3.2 電樞電流、勵(lì)磁電流的調(diào)節(jié)

CoDeSys 中通過高級(jí)語言編程實(shí)現(xiàn)了可視化視窗界面，直觀地顯示出系統(tǒng)運(yùn)行的各個(gè)環(huán)節(jié)，使之一目了然，極大地凸顯了IC3 新系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，如圖4所示。

圖4 電樞電流調(diào)節(jié)器界面Fig.4 The armature current regulator interface

3.3 安全回路和安全監(jiān)視

IC3 系統(tǒng)和主控PLC、 繼電器回路的雙重保護(hù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)提升系統(tǒng)的冗余監(jiān)控。 速度監(jiān)控的目的是為了防止錯(cuò)向和超速。 系統(tǒng)根據(jù)旋轉(zhuǎn)編碼器輸入脈沖的相位關(guān)系確定提升機(jī)的實(shí)際運(yùn)行方向，再與給定方向比較，錯(cuò)向時(shí)發(fā)出錯(cuò)向保護(hù)。 超速保護(hù)采用全行程速度監(jiān)控。 此外如電樞過流，勵(lì)磁故障、過卷等故障都可以在可視化界面里顯示出來，如圖5所示。 為檢修人員及時(shí)診斷排查提供了強(qiáng)大而方便的工具。

圖5 系統(tǒng)故障診斷顯示Fig.5 The fault diagnosis of system

4 系統(tǒng)升級(jí)改造成果及結(jié)論

系統(tǒng)升級(jí)改造后，提升效率顯著提高。提物的速度由6 m/s 提高到8 m/s；“大件”和“長(zhǎng)材”區(qū)分為2 個(gè)獨(dú)立的速度選擇，打運(yùn)長(zhǎng)材的速度由1.5 m/s 提高至3 m/s； 絞車提升循環(huán)時(shí)間由150 s 降至120 s，經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。 全數(shù)字行程控制，按S 形曲線行程原則產(chǎn)生速度給定信號(hào)，速度曲線過渡平滑，優(yōu)化了對(duì)加速度變化率的控制，減少了對(duì)電網(wǎng)及提升機(jī)械系統(tǒng)的沖擊，絞車低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)抖動(dòng)的現(xiàn)象已經(jīng)基本消失，極大提高了絞車運(yùn)行的安全可靠性和乘坐的舒適性。

自2011年8月對(duì)副井單罐、9月對(duì)副井雙罐提升系統(tǒng)順利升級(jí)改造以來，根據(jù)生產(chǎn)需要多次對(duì)程序進(jìn)行優(yōu)化，相對(duì)于以前的C30 系統(tǒng)，技術(shù)人員通過CoDeSys 軟件可以很方便的對(duì)新系統(tǒng)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)、程序修改、故障查詢，確保了副井絞車系統(tǒng)保持著高效穩(wěn)定安全的運(yùn)行狀態(tài)，至今未發(fā)生過由于傳動(dòng)系統(tǒng)故障而產(chǎn)生的提升事故。實(shí)踐證明，INGESYS IC3 全數(shù)字傳動(dòng)控制系統(tǒng)在張集礦副井提升中發(fā)揮著重要作用。

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