中小煤矿斜巷提升系统的设计构想
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摘要：文章通过研究分析与计算，设计了一种适合中小煤矿的斜巷提升控制系统，具体描述了设计方案和系统流程，并且通过安装相应的传感器及设定控制器判定逻辑，使系统实现相应的防跑车保护功能。
关键词：提升系统；中小煤矿；斜巷提升
中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）26-0089-02
1 煤矿斜巷提升系统结构与设计构想概述
图1 系统结构图
1.1 系统结构与逻辑概述
系统结构：如上图1所示（斜巷内挡车栏安装的数量根据斜巷长度进行相应增加与减少，本文以2个挡车装置为例）。ABCDEF为几个斜巷路径中的点位，可以作为传感器探测点位，为控制器提供相应判据信息。图中1#、2#挡车栏通过自动控制，用作防跑车保护装置。
系统逻辑：正常状态下：当矿车载物正常下行时，阻车器处于释放状态，1#、2#挡车栏均处于关闭状态（常闭模式），当矿车正常行进至图中B点时，控制器通过传感器信号判定矿车运行状态正常，将使1#挡车栏控制回路通电，那么1#挡车栏自动提升，矿车通过后控制器判定矿车已通过该点位，1#挡车栏控制回路断开，常闭节点恢复常闭状态，1#挡车栏自动放下（常闭模式）；同理当矿车行进至图中D点时2#挡车栏自动提升，矿车通过后挡车栏放下；矿车运行到达斜巷底部F点时，矿车安全停止。异常状态下：矿车在下行过程中发生跑车状况，控制器通过传感器的信号判断目前矿车状态异常，那么挡车栏控制回路无法通电，挡车栏将不会提升，从而阻止矿车继续跑车，同时控制器断开绞车电源回路并启动矿车制动回路（阻车器），发出相应的报警信号。矿车载物自动上行情况与下行情况相类似，此处不做描述。
跑车防护装置按其工作方式可分为常开式与常闭式，因常开式防护装置已不符合我国《煤矿安全规程》中“挡车装置必须经常关闭”条款，因此本文使用常闭式进行介绍。本文采用柔式防跑车装置，该装置的优点是系统可靠性高，PLC控制，相关情况在显示器中反应及时准确，同时柔性挡车装置易于恢复运行。
1.2 控制系统设计目标
根据国家《煤矿安全规程》中的相关规定及煤矿生产中的实际需求，控制系统的设计目标要满足如下四点：（1）控制系统必须能自动控制也能手动控制。（2）控制器判定值设定要满足该煤矿实际状况，确保控制器对相关传感器信号能准确及时作出判断。（3）绞车电源回路与安全防护装置实行闭锁，同时矿车制动回路与安全防护装置相关节点串联，用以实现矿车跑车时安全防护装置动作的同时绞车能立即停止运行并进行矿车制动。（4）控制系统的人机交换界面能实时显示矿车目前的运行状态和安全防护装置的工作状态，确保信息准确，人机便于沟通。
2 系统硬件构成与功能实现
2.1 PLC控制器
PLC为可编程逻辑控制器。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。其基本构成为：
2.1.1 电源模块：系统正常运作需要一个良好、可靠的电源。
2.1.2 中央处理单元（CPU）：中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区。然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。
2.1.3 存储器：用以存放相关的系统逻辑程序。
2.1.4 输入输出接口电路：用以实现PLC控制器的数据采样及逻辑判断输出。
2.1.5 功能模块：如计数、定位等功能模块。
2.1.6 通信模块：如以太网、RS485、Profibus-DP通讯模块等。
本例中PLC控制器是整个控制系统的核心，控制器接收绞车控制台、绞车速度传感器、斜巷内各位置传感器的信号作为输入信号，经过PLC内部设定的程序及相关的设定数值、控制字，通过输出接口电路来控制绞车、挡车栏、阻车器等装置的控制回路，以实现这些装置的合理动作，并且给人机交换平台提供相应的输出信号，得以在显示器中进行显示。
2.2 人机交换界面
由于斜巷的长度不同，且安装的传感器点位有所不同，所以控制参数需要根据实际现场工况进行设定。同时监控人员需要实时掌握矿车目前的运行状态和安全防护装置的工作状态。通过显示器及操作键盘，可以进行便捷的人机信息交换。
2.3 传感器
传感器包括绞车传感器、斜巷内位置传感器与挡车栏状态传感器。绞车传感器：用于检测矿车的运行状态，同时将侦测信号传送至PLC控制器作相应的逻辑依据。斜巷内位置传感器：用于侦测矿车运行到该点时的状态，同时传送至PLC控制器，经过编制好的逻辑程序进行逻辑判断，然后反馈至挡车栏控制回路。若判断矿车状态正常，则挡车栏提升让矿车通过；反之，则挡车栏关闭阻止矿车运行，同时停止绞车运行启动制动回路，发出人机交换界面发出告警信号。挡车栏状态传感器：用于挡车栏的状态
监控。
3 控制器参数设置及传感器安装点位
图2
合理安装传感器的位置是保证系统正常运行的关键。以图1中所示的斜巷为例，我们希望矿车到达B点时，挡车栏开始提升（因挡车栏提升需要一定时间，所以需要提前提升），假设矿车的速度为V1，经过t1到达W点（从B点到W点），此时挡车栏的提升高度正好为h（正好达到矿车的高度，处于矿车可通过该位置的临界状态），则B点为最佳安装位置，此时挡车栏提升角度θ=2πn2t1。矿车到达C点时，挡车栏可以自动关闭。
我们可以得出以下推论：
式中：
V1――矿车运行速度（m/s）
n2――挡车栏转速（r/s）
H――挡车栏挡板高度（m）
h――矿车高度（m）
这里确定的两点B和C就是传感器安装的理想点位。实际安装时需要考虑一定量的误差与裕度，因以上计算出的B、C位置都是在理想状态下得出的。
4 调试
影响PLC控制器逻辑判断准确性的因素主要有两点：（1）传感器侦测反馈信号的准确性；（2）传感器安装点位及对应的控制器判断定值。
针对第一个因素，每次安装的传感器都必须确定是准确可靠的。传感器合格出厂，由厂家把一次关；传感器安装后调试，由安装人员把一次关。
针对第二个因素，设置一个调试程序用于在系统投入运行前确定各传感器的精确位置。主要原理即是现场安装完毕后试运行矿车，将矿车正常经过传感器时的矿车状态（速度与时间）、传感器侦测信号反馈脉冲数等数据通过文本显示器记录下来。调试完毕之后，通过人机交换界面及键盘输入设备将这些数据输入进PLC控制器逻辑程序中，作为控制系统逻辑判断的相应判据定值，至此定值调试完毕。
5 结语
本文提出的斜巷提升系统设计适合中小煤矿的实际需要，提高了斜巷提升机的安全防护系统可靠性及准确性，提高了斜巷提升系统的自动化程度，同时该系统具有成本低，性价比高的经济实用特点。该系统是中、小型煤矿传统行业设备的一次技术更新改造和升级，可以提高我国中、小煤矿的安全管理水平，在避免安全事故的发生上将起到重要的作用。