张 玮，蔡小伟，陈豪锦，王 鹏，吴春富
（龙岩学院 机电工程学院， 福建 龙岩 364012）
摘 要：本文针对一些老矿井的主斜运巷狭窄且垂高超过50米，无机械运送人员而不符合矿山产业政策的情况，提出了使用PLC控制主控电机双向运行，实现猴车往复式单侧坐人的改造方案.同时运用MOUBUS RTU和PROFIBUS DP通讯协议，分别实现矿井上下水平及地面与井下通讯.现场实际应用表明： 该改造方案具有无需再拓宽巷道，投资少、不影响生产，信号传送稳定、 系统运行安全等优点， 对其他该类巷道有很好的借鉴参考作用.
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关键词 ：PLC；通讯协议；单侧猴车；智能系统
中图分类号：TP273文献标识码：A文章编号：1673-260X（2015）04-0045-03
引言福建省矿山储量零星分散，小型矿床多、构造复杂，矿井储量少[1].矿井通常主斜巷中间铺设台阶负担整个矿井工作人员步行上、下，同时巷道两边布置了排水、压风、供水管道及通讯、高低压电缆等设施.根据新《煤矿规程》规定，矿井超过50米，运输平巷超过1500米时必须使用机械运送人员[2].斜巷运送人员机械主要有两种：斜井人车和架空乘人装置[3].目前不少矿井主斜巷垂深已超过50米，必须使用机械运送人员.但因早期地方矿井管理不到位，无正规设计和施工，很多地方矿井虽然主运斜巷道高度符合要求但宽度达不到安装斜井人车设备运送人员的要求，或宽度已达到了，但因各种管道、电缆等设施的占用，最终无法安装斜井人车，针对这种情况考虑采用架空乘人装置（简称猴车）.传统矿井采用猴车人员上下过程：人员坐上挂在纲丝绳的乘人器上，钢丝绳借助驱动轮、迂回轮、托绳轮，在矿用电机的驱动下，运载着上班人员从线路起点的上水平车站运行到下水平终点车站，同时运载着下班人员从线路起点的下水平车站运行到终点的上水平车站，即在钢丝绳的无极循环运动下，实现人员的同时上下班[4].依《煤矿规程》规定：安装双向同时坐人的循环运行方式的无极钢丝绳牵引猴车，应具备如下条件：宽度满足猴凳中心距离巷道帮部0.7米安全距离，高度满足猴凳底部距离巷道底板0.3米安全距离，最小宽2.4米，高2.8米的巷道方能满足猴车安装需要[2].为此，针对福建省原有很多矿山主斜巷宽度不符合安装机械运人要求的情况，为避免开拓一条副井或拓宽原主巷道而造成的巨大投资和因停工而减产，本文结合双向同时坐人的循环运行方式猴车，利用PLC控制理论，运用MOUBUS RTU和PROFIBUS DP通讯协议，实现无人值守运人的智能控制系统.
1 控制系统原理
1.1 单侧猴车控制要求
如图1所示，在矿山上水平（猴车机头）位置安装猴车转速检测、主电机制动压力检测、人员红外检测、变坡掉绳检测、电机及减速机外壳检测、机头越位和限位检测等；通过PLC实现猴车上下行、猴车工作制动及紧急制动等.在下水平（猴车机尾）安装人员红外检测、机尾越位和限位检测、重锤限位检测、断绳检测及急停区域检测等.与传统双向同时坐人的循环运行方式猴车不同，当系统检测到机头或机尾有矿工人员乘坐吊椅时，且系统无故障时则自动启动并定时开始，结合上下班不同时间段自动判断下行或上行，将矿工自动单侧运送至下车点.期间，若下行阶段且上水平机头上车点红外传感器检测到乘员时，则定时时间刷新；若上行阶段且下水平机尾上车点红外传感器检测到乘员时，则定时时间刷新；若无再检测到同方向人员，一旦定时时间到则系统停机.此系统实现了无人值守自动启停单侧坐人的控制要求，也避免了无人乘坐时猴车长时间空运行，节省能耗，提高效率.
1.2 系统控制框图
系统整体方案如图2所示.控制系统主要由一台安装机头的主站控制器PLC和一台安装机尾的分站控制器PLC组成.主站和分站采用MODBUS RTU通讯协议进行PPI通信.远程控制界面和机头触摸屏采用RS485串行通讯线对机头主站和机尾分站PROFIBUS DP通信.主站控制器负责直接采集机头各种开关量和模拟量信号、触摸屏等装置的开关量和模拟量控制信号，负责监测分站控制器的状态信号，负责远程控制界面传送过来的控制信号.根据监测到的数据和运行控制逻辑，向各执行机构发出相应控制信号，即发出矿山猴车是上行提升人员或下行下放人员，猴车是正常停车或事故停车等操作，同时把当前的运行信息通过MODBUS RTU通讯协议送给各机尾分站控制器，通过RS485串行通讯线送给机头显示台、远程控制台进行实时显示.
2 主模块选型及系统控制方法
2.1 主模块选型
机头与机尾之间的电控中心选择西门子S7-200紧凑型可编程控制器，主站采用24输入/16点输出的CPU226为控制核心，同时配置专门为特定物理量输入到PLC的2路热电阻输入模拟量扩展模块EM231，从站采用集成14点输入/10输出的CPU224为控制核心[6]，主站与从站之间通过MODBUS RTU通讯协议进行PPI通信.
在远程控制中心的台式机上连接一个西门子CP5611，PCI通讯卡，在井下机头CPU226控制器和井下机尾CPU224控制器分别扩展一个西门子S7-200的智能通讯扩展模块EM277，串行通讯线使用RS485，通过PC（计算机）与SIMATIC S7之间的PROFIBUS DP通讯，形成以远程监控PC为主站，井下机头触摸屏、机头CPU266控制器，机尾CPU224为从站，实现地面远程监控、井下机头就近控制和显示目的[5].
2.2 系统控制方法
系统控制过程如下：
（1）当红外检测到有矿工要上下时，系统自检测，若系统无故障，则机头和机尾同时进行开车预警3秒钟，根据优先原则，判断上下方向，猴车启动运行；
（2）为了解决上下班高峰期人员同时要上下的问题，我们采用分段优先的原则，如早班上班时间一般7：30是交接班高峰期，根据矿山惯例是先上班再下班，则设计中7：00-7：30为下行优先权，而接下来半小时则为上行优先权；
（3）当出现故障时，主电机立即断电，制动电机产生制动力而紧急制动，机头和机尾同时发出故障报警信号；
（4）在机头操作台和远程控制界面可以实时控制并显示运行参数和状态.
3 软件设计
该系统主程序和启动猴车功能子程序流程图如图4、5所示.编程说明如下[7]：
（1）控制系统上电时，启动通讯功能，启动故障检测及报警功能.
（2）当上下水平红外线传感器检测有人或上下水平按启动按钮时，系统启动方向判断和预警功能.
（3）系统根据猴车运行速度、斜巷道的实际垂深和坡度，计算猴车从机头到机尾（或从机尾到机头）的时间，另加上矿工上车和下车的时间，设定PLC定时总时间.当运行时间未到且另有新启动信号时，运行时间预设值复位.当超过总设定时间无人再启动时，系统自动停止运行.
（4）在运行过程中产生故障或需要急停时，则猴车立即停止运行，实现无人值班全自动安全运行.
4 现场调试与运行结果
本设计方案在福建省某煤矿得以实施，该矿猴车运行速度为0.8米/秒，巷道坡度24度，垂深145米，则运行大概时间为7.12秒，考虑到矿工上车及下车时间等因素，本系统设计调试时间为10秒.该猴车的驱动电机选用隔爆三相异步电动机，设计电机功率37KW，启动方案设计为软启动方式；减速机选择平面二次包络环面螺杆减速机，制动器选用电力液压块式制动器.矿井年产6万吨，每天二班制，单班最多人数47人，根据猴车速度0.8米/秒，乘人器每隔15米安装一个，则最大上行或下行时间都需要23.7分钟.再增加其他一些因素，调试中时间定为30分钟.设计采用优先权时间段，如表1所示，基本上接近双向同时坐人的循环运行方式，不影响矿工的正常上班.且机尾采用PLC替代传统的电子控制器，克服了因南方矿井下潮湿而经常出现的故障.
4 结束语
单侧坐人猴车是针对老矿井巷道窄，且无法实现巷道拓宽的背景下提出来的.单侧坐人猴车的应用减少了矿工上下井行走的时间，减轻了不必要的体力消耗，为搞好安全生产打下了基础，为提高矿山生产效率提供了保障.方案中提出了优先权时间段设计方案，实现了无人值守自动运行，节省人力，节约了能源.因此，该装置的使用得到了某煤矿业主的高度评价，具有较好的经济效益和社会效益.福建省地方矿山有相当多矿井均有类似情况，若均采用，其经济效益将更加显著，该装置具有广阔的应用前景.
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参考文献：
（1）郭玉森，吴传始.福建小煤矿的现状及出路[J].煤矿开采.2006（05）：13-14+27.
（2）煤矿安全规程（国家煤矿安全监察局）[Z].修订实施，2013.
（3）吴涛.应用架空乘人装置改造煤矿斜井人车系统的分析[J].煤炭工程，2007（12）：103-104.