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多台凿井绞车同步控制和安全保护系统的设计

0 引言
在立井凿井施工中的设施如模板、吊盘都是采用多台凿井绞车提升和悬吊的。早期采用多台凿井绞车各自独立操作的方式提放设备，不但操作人员增多，同时升降依靠各自信号传递及各操作人员敏感的反应是很难达到同步，易出现载荷偏斜发生危险，造成时间拖延。近年来，矿建单位纷纷进行电控改造，采取多机集中控制[1]，但在多机集中控制中，依然是依靠人的主观判断进行操作，缺乏准确性和可靠性。同时凿井绞车断绳事故往往发生在多台绞车同步提升悬吊中[2]，所以必须要设计出一套多机同步控制、安全保护系统，使多台凿井绞车在同步提升悬吊中快速、准确就位和安全高效运行，以提高工作效率，加快施工进度，增加经济效益。
1 多机同步安全控制系统总体设计
立井井筒施工中提升模板和悬吊吊盘多采用四台凿井绞车，有时候也采用三台。本设计以四台凿井绞车为例，对四台凿井绞车在悬吊吊盘和大模板提升过程进行控制系统设计[3]。为了更好的做到设备同步控制，要求凿井绞车同一型号、同一厂家，减速比必须一样，电动机规格一样，钢丝绳的绳径一样[4]。本设计主要采用PLC控制和变频技术，使用增量编码器、倾角传感器、拉力传感器、显示报警等装置对四台凿井绞车进行同步安全控制[3] [5] [6]。在同步运行中主要包括速度同步和位移同步，同时防止载荷的偏斜。在速度同步和位移同步上，安装在主电动机轴上的增量编码器可以测凿井绞车转速；在防止载荷的偏斜上，使用倾角传感器实时监测载荷的水平倾角，倾角偏大时可以及时调整。
系统总体设计方案如图1所示。
变频器
PLC
变频器1
变频器
变频器
倾角传感器
1#增量编码器
2#增量编码器
4#增量编码器
3#增量编码器
1#拉力传感器
4#拉力传感器
2#拉力传感器
3#拉力传感器
显示警报
M1
M2
M3
M4

图1 系统总图
Fig. 1 system scheme diagram
2 同步控制设计策略
本设计采用闭环控制系统，即四台电机由PLC控制器发出控制信号，然后再各自构成闭环系统，紧随控制器发出的信号，即可实现多电机的同步运行，控制系统模型图如图2所示。在闭环控制系统中输入设定速度后，各个电动机轴上的增量编码器将参数信号反馈到PLC， PLC将采用PID算法，把接受来的信号与输入设定速度进行比对，经过运算后PLC以电流的形式输出电动机的速度控制信号，并传输到变频器的输入端，通过变频器微调频率从而迅速微调电动机转速，这样只要四台电动机都紧随控制命令运行便可实现同步，进而实现多台凿井绞车同步控制的目的。

P
L
C
控制器
速度设定
变频器1
1#电机
1#增量编码器
变频器3
3#电机
3#增量编码器
变频器2
2#电机
2#增量编码器
变频器4
4#电机
4#增量编码器

图2四台凿井绞车闭环控制系统模型
Fig.2 Synchronous control of hoists scheme diagram
3 安全保护设计策略
本设计针对四台凿井绞车提升载荷，可能在提升前或者提升过程中出现载荷偏斜的现象，采用倾角传感器在提升前及提升过程中，对提升载荷进行角度测量，产生的倾角参数反馈到PLC，当倾角在一定范围时，PLC将通过PID计算，将速度调整信号输入变频器，通过电机的转速对载荷进行微调，当倾角超这个范围时，四台凿井绞车同时停车，以防止偏载造成险情。
凿井绞车本身的保护装置不能预防提升过载造成的断绳事故，在凿井钢丝绳的末端增加拉力传感器，传感器反馈信号通过无线方式发送到PLC，做到钢丝绳拉力实时监控，拉力值达到整定值时，PLC及时断电制动，同时发出声光报警。
4 设计系统的实现
4.1 PLC
PLC控制易学易用，具有可靠性高，抗干扰能力强，体积小，重量轻，能耗低系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造等特点。PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。本设计中采用PLC作为系统控制单元，将1、2、3、4#凿井绞车增量编码器的参数与设定速度进行比对，通过PID补偿算法将速度调整信号以电流的形式，传输到1、2、3、4#变频器，通过变频器输出调整后频率分别对1、2、3、4#电机的转速进行调整，达到同步控制的要求。提升过程中倾角传感器实时对载荷进行角度测量，产生的倾角参数反馈到PLC，超过最小角度时，PLC将通过PID补偿算法将速度调整，将角度调整到小于最小调整角度，当倾角超过最大调整角度时，PLC发出指令四台凿井绞车立刻同时停车，并发出警报，防止偏载造成险情。同时PLC对绞车电机保护装置的过流、过载和钢丝绳拉力传感器进行处理，当时超过设定值时，立刻停车，并发出警报。PLC 选择上可以考虑使用性能较好的SIEMENS、日本的三菱、欧姆龙等。
4.2 变频器
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因素、过流/过压/过载保护等功能。在选择变频器上应该注意由于凿井绞车属于重载启动运行，一般来说，变频器额定功率为电机额定功率的1.3倍左右，并且变频器的重载最大持续输出电流要大于电动机的额定电流。
4.3 增量编码器
本设计采用的是增量式光电编码器，它的优点是：原理构造简单、易于实现；机械平均寿命长，可达到几万小时以上；分辨率高；抗干扰能力较强，信号传输距离较长，可靠性较高。增量编码器能够产生与位移增量等值的脉冲信号，从而可方便地判断出轴的转向，载荷位置坐标及其变化量等信息，将脉冲信号输入PLC进行处理，PLC通过PID运算，将出速度调整信号发送给变频器，达到四台凿井绞车同步控制的目的。增量编码器如图3所示

图3增量编码器 图4双轴倾角传感器
Fig.3 Incremental Optical-electrical Encoder Fig.4 Two-axis obliquity sensor
4.4 倾角传感器
本设计针对四台凿井绞车提升载荷，可能再提升前或者提升过程冲出现载荷偏斜的现象，采用倾角传感器对提升载荷进行角度测量，以确保四个吊钩端处于水平状态，防止提升过程中，出现提升载荷重心偏移，造成生产事故。倾角传感器宜选用可以提供X、Y轴两个方向，四个输出点的“液体摆”式双轴倾角传感器。它是根据液体位置变化引起应变片的变化，过进行倾角测量，具有四个输出点，同时提供比率输出，脉宽数字输出，并具有零位和满度可调整等特点。根据倾角传感器的输出，PLC将调整变频器的输出，实现对提升过程进行反馈控制。双轴倾角传感器如图4所示。
4.5 拉力传感器
凿井绞车本身的保护装置仅仅能够预防电动机过载，而不能预防提升过载造成的断绳事故，使用拉力传感器能够实时监控提升和悬挂钢丝绳拉力情况，当其拉力达到设定值时能够报警并及时断开安全回路，实现停车制动，从根本上解决凿井提升悬吊钢丝绳过载造成的断绳事故。在凿井绞车提升钢丝绳终端串入额定拉力为30t至50t的拉力传感器，传感器反馈信号通过无线方式发送到PLC，做到钢丝绳拉力实时监控，拉力值达到整定值时，PLC能够进行声光报警和断电制动。在这方面，中煤矿山建设集团已经开展了凿井绞车保护系统的研究，并取得了阶段性成果。
5 结论
本设计采用PLC闭环控制系系统控制，改变了传统的多机集中控制的不利因素，同时增加了防止载荷倾斜和断绳保护系统，较好的解决了多台凿井绞车同步安全运行的问题。但是对于拉力传感器信号传输问题和上位机设计方面还需要进一步的研究，更重要的是能否在实际生产中取得良好的效果，还需要进一步的研究和实践。

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