ABB工业信息控制系统800xA在主井提升机

引言

矿井提升机是矿山企业的重要运输设备,其主要功能是由提升容器将需要运输的矿石、人员或设备运送到目的地,因此,在矿山生产过程中起着非常重要的作用。通常矿井提升机控制系统由驱动部分和控制部分组成,其中驱动部分工作机制为:电动机机组拖动机械卷扬装置,变频器或其他类型的提升控制系统驱动电动机机组:控制部分的工作机制为:提升机各组成部分由集散控制系统（DCs）统一协调控制,在完成基本过程控制之外,还能将智能仪表、智能传动和马达控制乃至生产管理、安全系统全部集成统一在一个操作和工程环境中。因此,矿井提升机要求配置具有高性能、高可靠性、高集成度的控制系统。

1ABB800xA系统及AC800M控制器介绍

1.1ABB800xA系统简介

800xA系统是ABB公司推出的工业信息控制系统,其架构的核心是面向对象（0bject0riented）技术。由于采用了ABB独特的Aspect0bject概念,可以使企业级的信息访问、对象导航及访问变得规范、简单。

为了能够给企业的管理人员、技术人员提供一个统一的信息平台,800xA系统提供了一个基础平台（BasePlatform）,将过程控制部分和生产控制管理相对划分开来又有机地结合在一起。如图1所示,中间部分就是基础平台,上方为生产控制管理部分,下方是过程控制部分,由基础平台为这两个部分提供标准接口,进行数据交换。

1.2ABBAC800M控制器及其编程组态工具介绍

AC800M控制器为ABB最新推出的控制器系列,它包括从PM851到PM865等一系列处理器。AC800M控制器本身具备一对冗余的TCP/IP接口,可以使用MMs协议通过以太网和其他的控制设备以及800xA操作员站进行通信,还能通过2个串口采用Modbus协议、Point-Point协议进行通信。AC800M的编程组态工具为ControlBuilderM,简称CBM。它支持标准的梯形图、功能块语言、文本描述语言以及汇编语言编写控制逻辑。

2提升控制系统功能设计及实现

2.1提升机运行速度曲线的实现

提升控制系统的主要任务之一就是控制提升电机按照设计给定的速度一位置曲线进行运转[4],使提升容器先后经过加速段、匀速段和减速段,在完成了规定的提升距离后,精确地停靠在井筒中的某一位置。为了实现精确位置计算的功能,设计的提升机控制系统必须能够根据连接在提升机滚筒主轴上的光电编码器进行高精度的位置计算。其计算公式如下:

式中,s为提升机实际位置值:sp为两连续编码器脉冲对应的距离:AN为在基准位置时和当前位置时编码器计数值之差（带符号变量）:s0为基准位置值。

编码器计数按滚筒圆周分布,在已知编码器旋转一周所产生的脉冲数Np后,必须准确地知道缠绕在滚筒周围的钢丝绳中心线所围绕圆周的直径,才能够根据公式(2）计算出两编码器脉冲对应的距离sp:

式中,D为钢丝绳中心线圆周直径:Np为已知编码器旋转一周的脉冲数。

但在公式(2）中,存在一个随着系统运行而不断变小的值D。这是因为,提升机使用的钢丝绳是缠绕在滚筒之上的,在钢丝绳和滚筒之间是起增加摩擦力作用的衬垫。这个衬垫会随着系统的运行不断磨损而越来越薄,导致钢丝绳中心线构成的圆周直径也在逐步变小。当衬垫磨损到一定程度时,会造成较大的位置计算误差。为了解决上述问题,利用井筒中的2个停车位置开关进行滚筒直径校正,因为两停车位置之间的距离可以通过实际测量得到,精确度很高。实际运行过程中,分别记录下在2个停车位置时的编码器计数值,根据公式（3）可以求出sp的实际校正值:

式中,sd为2个停车位置之间的距离:Abs为取绝对值运算:Nx为2个停车位置时的编码器计数值。

这样,首先根据设计给定参数值设置初始sp值,然后根据实际运行情况校正该值,可以有效保证位置计算的精度。与此同时,还可以将sp'代入公式（2）中,反过来求出D值,作为判断衬垫是否磨损严重的判断依据。

在得到了提升机位置值之后,即可根据公式（4）进行速度控制曲线的计算:

式中,a为设计加/减速度值:s为提升机当前实际位置值:V2为提升机在该位置时的最大速度。

考虑到提升系统在进入行程终端时需要以较低的爬行速度进入停车轨道,以避免大的机械冲击造成设备损坏,因此,距离停车位置还有1～5m时,将提升速度限制在0.5m/s以下。

由于停车前的瞬间速度很低,因此也能相对提高系统停车的位置精度,这在副井提升的情况下尤为重要。

2.2安全保护功能的设计实现

矿井对提升机控制系统在安全可靠性方面的要求尤为严格[5]。在保证电气控制设备有很高可靠性的同时,控制系统在可能出现故障的关键环节还设置了多道保护,并实时检测这些保护器件的动作及反馈信号。

首先,对于提升机运行状态的监视,是提升机控制系统安全保护功能中的重中之重。在控制系统中,时刻对电机的运行速度、位置进行监视,将当前的位置值和速度值与系统设计的速度位置曲线进行比较,一旦发现提升机的实际运行速度超过了设计的速度值,立即发出急停命令,严格确保整个提升过程中提升速度处于安全监视范围之下。同时,在井筒内若干位置布置了位置检测开关,这些位置检测开关分别对应着具体的位置值和相应的速度值。当提升机经过这些开关时,如果通过编码器检测发现实际的速度值和位置偏出了位置检测开关对应的数值,控制系统也会判断认为处于故障状态,立即实施急停。

为了确定连接在提升机滚筒主轴的编码器是否正常,在提升机上还分别安装了另外两个编码器。这样三个编码器的位置和速度检测值始终进行对比,一旦发现某一个编码器检测值与另外两个编码器检测值的偏差超出了允许范围,控制系统会立即认为进入故障状态,实施急停保护动作。

3结语

主井设备能够高效安全运行是其发挥作用的重要保障。800xA系统在矿井提升机的应用中,针对主井矿井提升机的具体工艺特点,设计了速度曲线、自校正、多种自诊断以及保护功能,在实际应用中起到了良好的效果。