Abstract: Jining city within the scope of some coal mines against the previous in the main shaft coal loading unloading and skip bucket lifting control to carry out scientific and technological research, the positive application of intelligent control technology, effectively protect the main shaft shaft coal loaded unloading and enhance the safe operation.

Key words: Coal Mine; Main Shaft; Loading and Unloading System; Electronic Control Technology; Intelligent Control
【中图分类号】TD53【文献标识码】B 文章编号1561-0330（2017）10-0000-00

1 引言

主井装卸载处于煤矿生产的关键位置。随着煤矿生产能力的不断提高，对主提升装卸载系统的运行可靠性要求也越来越高。近几年来，位于山东省济宁市范围内的一些煤矿针对以前在主立井井筒煤炭装卸载及箕斗提升控制等方面存在的问题进行认真分析和归纳，并且与国内有关单位共同开展科技攻关，积极应用当前已有的智能化控制新技术，有效地保障了主立井井筒煤炭装卸载及提升的安全运行，取得了良好的使用效果。

2 兴隆庄煤矿主提升卸载电控系统

位于济宁市兖州区的兖州矿业（集团）公司兴隆庄煤矿和济南煤炭科学研究所采用德国西门子公司S7-200可编程控制器对该矿主提升卸载控制系统进行改造，取得良好的调试和故障诊断功能。此项成果克服了原先采用传统继电器有触点控制系统出现故障难以查找的弊病，值得广泛推广应用。

（1）选用可编程控制器

S7-200可编程控制器有4个部分组成：输入部分用于接收现场的控制信号；输出部分用于向现场输出具有足够驱动能力的控制信号；程序存储器用于存放用户程序；处理器是S7-200系统中的核心，控制着整个S7-200系统有序的工作，处理周期性的执行扫描程序。处理器首先读入所有程序存储器输入端上各控制信号的状态，并把读入的状态存入过程输入映象区（PIT）；然后，处理器在内部计数器、位存储器和定时器的控制下逐行扫描用户程序，并执行有关的运算和操作，得到当时应有的控制信号（状态）；最后，处理器将处理得到的控制信号输出到过程输出映像区（PIQ），并在周期的末尾将输出映像区中的信号同时输出到它们的输出端。如此周而复始，实现对现场过程的控制。

（2）主提升卸载控制系统改造

兴隆庄煤矿主提升系统装备2台从瑞典ASEA公司引进的HSVE2.8型摩擦式提升机。其提升系统的卸载控制部分为国内配套，采用传统的继电器有触点控制。原有的主提升系统严重老化、故障率不断上升，已经不适应矿井生产的需要。新的控制系统是由4个箕斗的卸载气动装置和可编程控制器组成的。正常工作状态时为自动控制，当有故障或者检修操作时切换到手动控制。其基本工作原理为：在自动控制的工作方式下，提升箕斗到达卸载位置、打开闸门、箕斗卸空和关闭闸门等信号均输入到可编程控制器的输入端，经由可编程控制器按照设定的工作程序分别控制相应的气动执行机构——电磁阀工作，实现箕斗闸门、溜煤舌板的打开、延时加速和关闭的工作过程。在手动控制工作方式下，可编程控制器不处理输入端的运行状况信号，操作人员根据显示屏上所显示的设备运行状况来按动相应的按钮，就会发出控制信号并且送至可编程控制器的输入端，经过处理后直接通过输出端控制气动执行机构的电磁阀工作。该系统工作程序的编制、修改由手持式PG702型编程器进行，可以自动将梯形图方式的程序转换成语句表列（STL）方式的程序，操作方便易行。

3 济宁三号煤矿主井装载电控系统

位于济宁市任城区的兖州矿业（集团）公司济宁三号煤矿采用S7-300PLC作为主控改造主井装载控制系统，将带式输送机控制、给煤机控制、皮带保护系统及定量仓称重控制系统结合到一起，实现相互闭锁，避免原来各系统的独立运行，提升设备运行自动化水平，极大的提高系统的可靠性。自改造完成以来，系统一直安全可靠稳定运行，实现生产、管理现代化的要求，取得很好的实际效果。

（1）系统工艺

主井装载电控系统由井上、井下两部分组成。井上部分通过PROFIBUS传输获得井下实时数据，实现立体化监护，确保安全生产等级。井下部分包括主控PLC、触摸屏控制台、组合开关、带式输送机、给煤机、定量仓称重装置等。

主控PLC采用西门子S7-300；控制台实现手动/自动切换、启停带式输送机和给煤机、系统急停、故障复位等功能；控制系统确保给煤机开启之前先运行带式输送机，当井底煤仓的煤炭通过对应的给煤机下落到装煤带式输送机上后，由带式输送机将煤炭运至定量仓，防止因煤炭积累过多造成皮带磨损的事故；定量仓底部的称重传感器实时反映目前的煤重，当定量仓称重达到21.5t时，先关闭给煤机后停止皮带；定量仓设计采用双箕斗Y型装煤，空间布置呈倒Y形结构，当主井提升的箕斗到达井底位置后，对应位置的定量仓门打开，直到定量仓空仓后关闭定量仓门，等待下次装煤。主井深度556m，井底与井上监护系统的信号、数据传输距离较远，为防止信号衰减的影响和提高抗干扰能力，通过PROFIBUS总线进行数据交换。井筒底部控制系统采用分布式布局，由QJZ-630 1140（660）-4组合开关控制带式输送机和给煤机的启动、停止、急停等操作，主控PLC与组合开关之间形成闭环控制，组合开关可以工作于近控模式和远控模式。近控模式下可以在组合开关的控制面板上进行带式输送机与给煤机的操作，远控模式下可由装载控制台或主控PLC进行控制。装载控制台面板上包括带式输送机、定量仓、箕斗等设备的工作状态指示灯和控制按钮，可以设定手动模式和自动模式。自动模式下根据定量仓的称重状态实现自动启动和停止带式输送机和给煤机。当有皮带保护传感器动作和设备故障时，会发出声光报警。

（2）控制系统改造设计

控制系统采用分布式（DCS）系统，地面监控系统与现场控制系统采用PROFIBUS进行通信。现场控制系统以SIEMENS公司S7-300系列PLC为核心，实现对带式输送机运输与保护、给煤机控制、定量仓控制、除尘喷雾等过程的数据采集与控制，具有手动、自动无扰动切换功能，现场设置触摸屏，就地进行参数设定、工况显示、报警显示。控制系统有2个PLC站，4个PLC子站。其中，现场控制系统数字量输入55个、数字量输出26个，地面监控系统数字量输入55个、数字量输出4个。整套控制系统实现对装载生产过程的实时监控、生产管理、数据存储、报警记录等功能。

①硬件组成。改造后的主控系统核心是S7-300系列PLC和QJZ-630∕1140（660）-4组合开关。根据控制系统要求，装载系统的输入、输出较多，组合开关启动停止比较频繁，据统计组合开关单回路启停频率平均约20次/h，对组合开关的安全可靠性有较高要求，对PLC控制程序设计的优化也提出更高标准。组合开关包括4个先导回路：一回路控制皮带机，二回路控制1#给煤机，三回路控制2#给煤机，四回路控制3#给煤机；并配备同型号组合开关作为备用，以保证设备出现故障时生产不受影响，系统运行安全稳定。

②软件编程。根据装载控制台、组合开关按钮和传感器反馈信号，实现对给煤机、带式输送机、定量仓门等装载设备的自动和手动控制，并将上位机组态软件WinCC需要的数据发送给地面监控系统主控PLC S7-300；对《煤矿安全规程》中装载系统要求的相应保护均有设计，包括皮带跑偏、低速、洒水、堆煤、温度、烟雾报警、满仓等保护设备。

③计算机监控系统。考虑监控界面的兼容性和易用性，系统改造的监控界面选用WinCC进行绘制，并与触摸屏控制界面保持一致。在监控画面中可实现井底装载硐室设备运行状态指示和实时数据显示等功能。在界面中有给煤机状态、皮带速度与保护、定量仓、箕斗等的运行状态指示，并能统计早班、中班、夜班提煤量。地面监控系统中WinCC与主控PLC S7-300之间通过以太网方式建立连接，WinCC实时更新显示状态和显示数据。地面控制系统与装载控制系统的主控PLC之间通过PROFIBUS连接。在系统运行过程中，装载控制系统的主控PLC将现场数据发送给提升机房的主控PLC，实现监控界面的实时更新；当界面有参数设置或修改时，装载控制系统将此数据发送给地面控制系统，实现控制参数的同步修改。

（3）改造采用的核心技术

①控制系统采用主控PLC S7-300挂接组合开关的方式。组合开关位于井底装载机电硐室，负责带式输送机和给煤机信号采集与控制，与主控PLC S7-300实现远距离通信。缩短传感器到主控PLC的接线距离，信号就地处理，避免信号干扰，降低线路复杂程度，便于维护。

②定量仓设计采用双箕斗Y型装煤。系统根据箕斗位置判定打开对应侧定量仓门，并通过定量仓称重获取提煤量数据，作为重要生产数据上报。

③称重传感器采用双路输出。当其中一路输出发生故障时，可及时切换到另一路输出，提高应对突发事件的能力，增加系统可靠性。

④装载监控系统界面用WinCC绘制，并与地面监控系统界面保持一致。不仅方便界面切换，而且解决原来不同操作界面的不适应问题，保证整个提升系统的稳定运行。

（4）主井装载控制新系统的优点

新系统选用高可靠性PLC作为主控制器，功能上仍保留带式输送机控制、给煤机控制、皮带保护、定量控制4个子系统，把带式输送机、给煤机及皮带保护装置运行情况、定量仓的装载情况全部传给主控PLC，由PLC控制实现手动、自动、检修等运行模式，并实现故障闭锁、声光报警等功能；改造后的主井装载系统实现对给煤机、带式输送机、定量仓门、称重装置及提升信号等装载设备的自动控制，使整个装载工作过程配合主井提升系统有序自动完成；系统统一调配、协调运行，解决原系统仅靠继电器进行相互闭锁实现逻辑控制的缺陷，实现高效自动化控制，降低故障率，提高整个装载系统的工作可靠性。

4 济宁二号煤矿主井提升系统测重定量装置

为了有效消除主井提升系统偏差、提高测重定量的准确性和可靠性，位于济宁市任城区的兖州矿业（集团）公司济宁二号煤矿经过对比论证，选用YCF系列测重定量装置对原煤提升系统进行改造，消除提升机在超载或者欠载情况下运行的可能，确保提升系统的安全运行。

（1）原有问题

该矿原煤提升系统采用德国西门子公司的全自动数字控制系统，实现提升系统的自动运行。其中，装载系统由4台往复式给煤机、1套带式输送机、定量仓和电气控制系统组成，采用带式输送机定时、定量仓微波定容和压磁元件测重3种方式确定提升机的提升重量。压磁元件测重定量为基本的定量方式；其它两种定量方式的精确度比较低，只能作为后备保护。由于压磁元件使用年限较长、工作环境潮湿等原因，压磁元件准确性降低，经常出现10t（满负载为34t）左右的偏差，造成提升机在超载或欠载的情况下运行。

（2）新装置工作原理

①重力传感器。他们新配置的重力传感器是由液压油、易于变形的金属容器和重心调节装置组成的。液压油密封在金属容器内部，被测重物即定量仓安装在4个均匀放置的重力传感器上。调整重心调节装置，使得负载均匀分布。向定量仓内装煤时，4个重力传感器的液体压力均匀增加，测出液体压力的大小就可以换算出定量仓内的煤炭重量。

②测量控制。在重力传感器上装有1个压力传感器。压力传感器由DC 24V稳压电源供电。压力传感器输出电流大小与重力传感器中液体压力变化成正比，电流范围4～20mA。电流信号经过屏蔽信号电缆传送到可编程控制器PLC。可编程控制器安装在1个台式隔爆箱内，利用A/D转换器把接收到的电流信号转换成数字信号（重量值）。通过PLC程序实现定量仓满仓与空仓、带式输送机开停、提升机运行等状态信号的输出显示及向提升机控制系统发送控制信号，并且可以用控制箱上的按钮设定额定提升重量、定量仓自重、超载报警值、满载预定值和传感器量程，清除显示器总重量和总提升钩数。PLC还设有RS485通讯接口，与提升机主控制室内的上位计算机进行远程通讯。上位计算机不但能够完成PLC设定功能，而且还能修改PLC程序、统计和清除班、日、月及年产量。

（3）安装调试

①注意事项。多点测量时，多个液压测重定量装置要均匀布置，确保受力平衡；精确调整重力传感器上的重心调节装置，使4个压力传感器的空载输出电流基本一致；压力传感器与 PLC连接采用屏蔽信号电缆，屏蔽层接地良好。

②效果。YCF系列测重定量装置使用的重力传感器线性度好、稳定可靠、防水防爆、不泄漏、免维护，能承受较大的侧向力，不会给测量造成误差；能自动吸收加载冲击力，有效地将测重精度控制在0.1级。经过使用，这个测重定量系统统计的结果与矿用核子称相比较，偏差小于0.1%，确保提升系统安全运行。

5 付村煤矿主井提升定容及堆煤智能处理

位于济宁市微山县的山东能源枣庄矿业（集团）公司付村煤矿对主井提升定容开关及堆煤开关信号采取 PLC智能逻辑处理方法，主井装载预备仓称重与定容两种装载形式共存，实现带式输送机头堆煤保护，起到很好的保护作用，很有推广应用价值。

（1）方案确定

主井提升装载一般是定量装载，通过安装在2个定量仓底部的压磁传感器测出定量仓的实际装料吨位，以控制带式输送机、给煤机的开停。一旦称重装置发生传感器损坏、智能仪表死机等故障就会造成装多、机头淤煤等恶性事故。如果司机不注意而将超重的煤都装进箕斗，后果不堪设想。定量仓除定量装载外还必须有定容装载作后备保护，确保提升安全、生产正常。带式输送机头漏斗常有大料卡位，一旦卡住便造成堆煤，司机发现不及时的后果也很严重，堆煤保护也是必不可少的。付村煤矿主井装载采用2套电控系统：1套为唐山开诚公司PLC控制装载系统；1套为英国西屋公司以MCS-51系列单片机为控制核心的装载系统。2套系统互为备用。由于国产装载系统响应快、操作维修简便，生产的大部分时间内都是应用国产系统，因此他们按照此套国产系统的要求研制后备定容和堆煤保护。

（2）检测开关

①选用BMK-1堆煤保护开关。这种开关内部有1个微动开关，壳外有1个探杆。探杆在大于5°摆动角度的情况下，微动开关能可靠动作。探杆与微动开关之间有1个中间小柱连接，不管探杆有多大幅度摆动都不会伤及微动开关，其灵敏度、可靠性和寿命都很高。

②开关的安装原则。躲开射流，免受乱弹煤块的干扰，保证开关有足够的灵敏度。

③开关的连线。A定量仓堆煤开关、B定量仓堆煤开关、机头漏斗堆煤开关3个开关和压磁称重仪的电缆接入防爆PLC控制箱的端子，然后再从端子引线到PLC FIX-2N输入口，防爆PLC控制箱输出端最终与带式输送机、给煤机及操作台相连。在操作台显示面板上安装2个发光二极管作为“称重故障”和“机头堆煤”的报警指示，从PLC输出口引出2线接到2个发光二极管上。

（3）定容和堆煤保护程序

①后备定容程序。一旦A或B定量仓定容开关动作，延时1.5s以消除干扰或误动后检测称重装置传来的数据是否超过8.6t。如果小于8.6t，报称重故障，操作台“称重故障”指示灯闪烁，操作台数码显示9.5t，向提升机房PLC传送数据为9.5t，提升机房主计算机MP200以9.5t进行产量统计；若大于8.6t，说明压磁称重仪工作正常，定容开关动作超前（调试探杆长度或偶尔开关误动时会遇到），视其动作无效，操作台仍然显示实际称重数据，向提升机房传送实际称重吨位，而不是固定的9.5t，由此确保定容不误动。

②机头堆煤保护程序。一旦机头堆煤保护开关动作，延时1.5s以消除干扰或误动；1.5s后，带式输送机和给煤机急停，操作台“机头堆煤”和“装载急停”指示灯闪烁，警笛40响后自停。机头堆煤被处理后堆煤开关复原，“机头堆煤”显示消失，按下复位键解除“装载急停”。如果机头堆煤不处理，“机头堆煤”和“装载急停”不会复位，装载系统闭锁。

（4）定容和堆煤保护的特点

①定容装载弥补以往单纯定量装载的不足。一旦称重失准或损坏，定容和堆煤保护立即自投入，避免定量仓装多事故。因为后备定容能自动投入，不需司机作任何操作，即使称重装置出现故障也能正常装载，完全不影响生产。称重装置故障时操作台有指示，提醒司机和维修人员对称重装置进行维修。

②PLC处理开关量信号对定容开关传来的接点信号作智能处理。开关动作时，对称重装置传来的数据作逻辑判断，以消除定容开关的误动或干扰。适当调整探杆长度，可确保定量仓装料达9.5t时探杆动作，以使提升机在不过量超载的情况下正常提升。

③堆煤保护在PLC程序中采取抗干扰措施。不容易误动，可靠性很高。

6 济宁二号煤矿主井卸载系统维护及故障诊断

    兖州矿业（集团）公司济宁二号煤矿根据煤矿主井卸载系统的工作原理、日常维护和处理故障的经验，总结出了卸载故障智能检查处理的程序。

（1）系统概况

该矿的主井提升设备电控系统由西门子公司引进，提升机滚筒直径 4300mm，设计额定速度14m/s，5400kW同步电动机驱动，交交变频器供电，配双34t柔性箕斗，扇形闸门底卸式卸载方式。提升机及装卸载控制系统采用S5系列 PLC控制器。其中，装卸载控制系统为S5-115E型控制器，与提升机主PLC采用 SINECL1总线进行通讯。卸载设备主要由舌板、箕斗扇形闸门开闭器等组成，采用压缩空气驱动方式，A、B箕斗各配1套舌板，使用QGBii160×350-MT4型气缸驱动；扇形闸门采用双侧开闭器驱动，A、B箕斗共用QGBii32 0×1230-MT4型中间气缸。气控柜电磁阀等组件双套配置，1套工作、1套备用，其电磁阀均为AC220V双控换向阀；控制舌板气缸为K25D2-25型电磁阀，控制开闭器气缸为K25D2-40型电磁阀。

（2）卸载设备维护

卸载设备的维护主要包括巡回检查和日常检修：检查箕斗的定位情况，观察箕斗的实际停车位置和舌板落下后与箕斗的搭接情况；检查开闭器导轨的磨损情况，开闭器运动中的滚轮工作情况；检查箕斗进入开闭器时的状态，观察有无摩擦及撞击的声音；检查舌板与开闭器气缸的工作运动及气缸支撑座的固定情况，各部连接螺栓有无松动，气缸的润滑及有无漏气；检查箕斗扇形闸门的滚轮固定及运动情况，扇形闸门的转轴及滚轮润滑；检查各部位置磁开关及磁钢的固定情况；检查操作台各状态指示灯指示、气控柜先导电磁阀工作及DC24V、AC220V电源工作是否正常；检查汽水分离器和油雾器的工作情况。

（3）卸载系统故障诊断

①卸载系统正常工作程序。在进行双箕斗提升方式时，卸载为自动或者手动联锁控制的工作方式。其工作控制程序如下：A箕斗到位→提升机发出已施闸指令，卸载缓冲煤仓无满仓信号→A箕斗侧舌板落下→A箕斗开闭器（开闭器 A和开闭器 AB同时工作）带动扇形闸门打开，自动卸煤→A箕斗开闭器带动扇形闸门关闭→A箕斗侧舌板抬起→发出卸载备好信号→提升机收到装，卸载备好信号后发出提升机启动指令，进行下一循环提升。

②卸载系统故障诊断程序。卸载故障一般有A箕斗侧或B箕斗侧舌板落不下、舌板起不来、开闭器不能打开、开闭器不能关闭等。提升过程中如发生故障，在确认为卸载系统故障的情况下先检查舌板、开闭器等机械设施是否正常，然后再依据故障诊断程序逐一排查。为确保系统安全，进行故障排查时先将煤卸完再使用手动非联锁方式进行操作试验，观察对比各信号动态变化过程。

③注意事项。A、B箕斗侧都不能正常工作时，要认真检查分析其公共通道，如箕斗到位信号、满仓信号、闭锁信号、阀组选择、AB开闭器关闭到位信号、PLC工作状态、电源工作状态、 风压等因素，从中确定故障原因。对系统熟悉后，检查故障时不必按程序一步步检查分析，而采用“ 插值法”分段检查分析，以缩短处理故障的时间。

7 济宁三号煤矿立井箕斗提升撒煤综合治理

立井箕斗提升撒煤是一个比较普遍的问题。撒煤过多除增加不必要的工作量外，更重要的是严重威胁矿井提升安全，轻者损坏尾绳及其它井筒设备，重者造成严重的提升事故，影响矿井的安全生产。有尾绳的提升系统中曾出现过不少拉坏尾绳的事故，给矿井造成重大的经济损失，因此治理箕斗撒煤已迫在眉睫。山东科技大学和兖州矿业（集团）公司济宁三号煤矿开展了煤矿立井箕斗提升撒煤智能综合治理的研究，可以有效减少提升故障和事故。

（1）优化系统，控制撒煤量

①合理控制箕斗位置，减少撒煤量。提升系统一旦形成，箕斗装卸载位置便确定。要保证装煤和卸煤的准确性，箕斗位置起决定作用。一般情况下，双箕斗提升系统中，箕斗的停止位置是根据上箕斗卸载位置决定的。因此，上箕斗的位置不易因错位造成撒煤，下箕斗的装载位置对控制撒煤起决定作用。下箕斗的位置主要受钢丝绳变化而变化，监控方法如下：

a.传统的人工检查。按规定每天检查下箕斗位置，优点是能够直观有效解决问题，缺点是工人劳动强度大，易出现漏检和不检现象，变化值不大时使人麻痹大意而出现事故隐患。

b.利用在线监测。这种监测下箕斗位置的有效方法有两种：一是在箕斗的下极限位置安装限位开关，箕斗到此位置时限位开关动作发出箕斗过位信号，提醒有关人员采取措施；二是动态监测下箕斗位置，根据现场情况设置报警或停车。设置方法也有2种：在下箕斗停止区间设置1组位置开关，当箕斗到达某一开关位置时此处开关动作，将信号传递出去，在提升机操作台显示位置；利用提升机主导轮的角度发生器（可新安装)，并在下箕斗停止区间上方设置1个提示开关，当箕斗到达提示开关时开始测量箕斗下行距离，箕斗停止时便可测出箕斗的停止位置。采用提示开关可较为准确地测量下箕斗的位置。

②改进箕斗装卸煤承接装置。大多数的箕斗装卸载均设计为活动的承接装置，装卸载时承接装置伸出起承接作用，装卸载完毕后承接装置缩回。实际的生产实践中，这种承接装置弊大于利。因此，他们在按照设计规范留出箕斗的运行空间以后，将活动的承接装置去除，装上固定的承接钢板，还可以免除承接装置的事故。目前，国内许多矿井已经广泛使用。

③消除箕斗内检修平台的影响。采取可靠的固定方式，除正常固定外再加1道保险固定，防止检修平台自动脱落后煤炭卸入井筒的严重事故。

（2）监测控制积煤量

准确监测井筒积煤情况，可以有效控制有尾绳提升系统拉断尾绳或者拉坏绳架等事故。

①测风法。在倾洒巷道适当位置安装具有电信号的风速表，将信号接到可以监控的主井操作室或者其它有人值班的地方，一旦风速表停转或低于一定速度时就报警。

②电视监测系统监视。在主井井底安装摄像头，提升机房或者其它有人值班地方安装监视器，随时观测主井井筒的底部情况，一旦发现异常可以立即采取措施。

（3）监测箕斗的煤量

当箕斗煤量减少的时候，很可能是有煤炭卸入井筒。

①直接监测箕斗的装煤量。在提升钢丝绳终端的连接装置上安装测力传感器，当测得箕斗的煤量与正常值差别较大时报警或者接入提升机下次不能开车的控制回路中。

②监测主电动机电流法。当主运行电流低于设置报警电流值时，报警或者接入安全回路使得下次不能开车，提醒进行检查处理。

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