陳英豪

（山西汾河焦煤股份有限公司回坡底煤礦調(diào)度信息中心，山西 霍州 031400）

1 問(wèn)題的提出

回坡底煤礦屬于山西汾河焦煤股份有限公司，有1#和2#主井，當(dāng)前設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為200 萬(wàn)t/a。主井井筒直徑6.0m，25t 四繩立井多繩提煤箕斗1對(duì)，JKMD4.5×4（Ⅲ）E 型多繩摩擦輪提升機(jī)，一套TDBS420024 型同步電動(dòng)機(jī)，一套變頻電控系統(tǒng)。

實(shí)踐中電控系統(tǒng)問(wèn)題較多：（1）未能全速全載；（2）系統(tǒng)性能和可靠性不能滿足提升運(yùn)行要求；（3）系統(tǒng)性能和功能不完善，不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。2#主井提升能力不夠，需要1#主井和2#主井共同擔(dān)負(fù)全礦井的煤炭提升任務(wù)。

通過(guò)將提升機(jī)自動(dòng)化控制技術(shù)與數(shù)字信息網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)融合，形成統(tǒng)一協(xié)調(diào)的運(yùn)作機(jī)制，達(dá)到提升系統(tǒng)高速、高效安全運(yùn)行的目的，同時(shí)完善煤礦工業(yè)綜合自動(dòng)化體系，實(shí)現(xiàn)管控一體化，為煤礦創(chuàng)新信息化管理、提高效率提供有力支持。

2 系統(tǒng)改造方案

2016 年10 月，該煤礦采用提升機(jī)自動(dòng)化智能控制技術(shù)對(duì)2#主井在用提升機(jī)電控系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，實(shí)現(xiàn)對(duì)提升系統(tǒng)運(yùn)行特性的最優(yōu)化以及智能化控制。提升機(jī)自動(dòng)化智能控制系統(tǒng)改造方案：“全數(shù)字交-直-交中壓變頻調(diào)速控制+中壓變頻同步電動(dòng)機(jī)+PLC 行程控制和操作控制+多線制監(jiān)視保護(hù)和安全回路+上位管理計(jì)算機(jī)+遠(yuǎn)程智能診斷”。改進(jìn)后的提升機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 提升機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖

改造后系統(tǒng)中包括TDBS4200-24 型變頻同步電動(dòng)機(jī)，SM150 型大功率交-直-交中壓變頻調(diào)速裝置和1 套勵(lì)磁裝置；提升機(jī)控制及監(jiān)視系統(tǒng)采用PLC 構(gòu)成雙線制控制和監(jiān)視保護(hù)；上位機(jī)采用研華公司工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，配套西門(mén)子公司的WinCC 人機(jī)界面系統(tǒng)；各PLC、調(diào)速控制計(jì)算機(jī)、上位機(jī)等通過(guò)Profibus 總線、MPI 總線構(gòu)成系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化集散控制。

3 系統(tǒng)核心技術(shù)與特色

3.1 大功率高性能同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速

大功率高性能同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)包括：高低壓供電定子和裝置變壓器、變頻裝置、同步電動(dòng)機(jī)。其中變頻同步電動(dòng)機(jī)、大功率變頻裝置為系統(tǒng)核心。

3.1.1 懸掛式低速直聯(lián)交流變頻同步電動(dòng)機(jī)

主電動(dòng)機(jī)選用上海電機(jī)廠有限公司生產(chǎn)的專門(mén)為礦井提升機(jī)配套的懸掛式交流變頻同步電動(dòng)機(jī)，適應(yīng)交-直-交變頻器供電，具有穩(wěn)定性高、過(guò)載能力大、功率因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)。在同步電動(dòng)機(jī)的定子繞組中埋置鉑電阻測(cè)溫元件，通過(guò)數(shù)字溫度檢測(cè)儀進(jìn)行巡檢并參與提升機(jī)控制系統(tǒng)的閉鎖。在定子框架內(nèi)安放防冷凝加熱器。

3.1.2 大功率交-直-交中壓變頻調(diào)速裝置

變頻調(diào)速裝置選用西門(mén)子SM150 型大功率交-直-交中壓變頻調(diào)速裝置，確保裝置在惡劣環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間可靠連續(xù)運(yùn)行。該變頻調(diào)速裝置由AFE 有源前端單元、逆變單元、控制單元、水冷單元、勵(lì)磁單元等組成。

回坡底煤礦主井提升機(jī)自動(dòng)化智能控制系統(tǒng)所采用的SM150 型全數(shù)字交直交中壓變頻調(diào)速控制裝置+同步電動(dòng)機(jī)模式，速度曲線平滑，幾乎不產(chǎn)生諧波，避免了諧波對(duì)電網(wǎng)的影響，同時(shí)系統(tǒng)的功率因數(shù)可控并可基本保持在1左右，具有安全、高效、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。

3.2 基于現(xiàn)場(chǎng)總線的信息化集散控制

提升機(jī)電控系統(tǒng)主要包括工藝控制系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、上位機(jī)系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)、高壓配電系統(tǒng)、低壓配電系統(tǒng)等子系統(tǒng)，在提升機(jī)運(yùn)行中各自承擔(dān)不同的工作任務(wù)。各子系統(tǒng)和主控系統(tǒng)相互獨(dú)立，通過(guò)I/O 端口和模擬量連接，形成信息孤島，不利于故障診斷和檢測(cè)。如采用以現(xiàn)場(chǎng)總線為核心的集散控制系統(tǒng)，可減少常規(guī)控制系統(tǒng)中的控制線路連接，提高安全性和可靠性。

基于Profibus 現(xiàn)場(chǎng)總線的集散提電控系統(tǒng)可以提高控制系統(tǒng)的有效性和穩(wěn)定性，充足的通信數(shù)據(jù)量，適用于故障的快速分析診斷?；诂F(xiàn)場(chǎng)總線的分布式提升機(jī)控制系統(tǒng)的架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 基于現(xiàn)場(chǎng)總線的分布式提升機(jī)控制系統(tǒng)的架構(gòu)

本電控系統(tǒng)與同類系統(tǒng)相比有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）高可靠性。通過(guò)以現(xiàn)場(chǎng)總線通信的方式，減少了物理鏈路的數(shù)量，降低了受電氣線路干擾的可能性，無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，且系統(tǒng)的維護(hù)快速簡(jiǎn)便。

（2）高安全性。通過(guò)采取硬件的抗干擾措施和軟件的通信“握手”機(jī)制，提高了控制的安全性。當(dāng)通信鏈路中斷后，系統(tǒng)能夠及時(shí)采取應(yīng)急措施，實(shí)施安全抱閘停車。

（3）較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性。系統(tǒng)對(duì)信息的傳輸及時(shí)，采集信息量大，能夠及時(shí)跟蹤被監(jiān)控對(duì)象歷史和當(dāng)前狀況，有利于故障的診斷。

（4）豐富的系統(tǒng)功能。系統(tǒng)提供Profibus 通信接口、Modbus、工業(yè)以太網(wǎng)以及RS232 接口協(xié)議，能對(duì)各種外部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和保存。

3.3 智能啟停控制

智能啟?？刂萍锤鶕?jù)設(shè)備自檢狀態(tài)自動(dòng)進(jìn)行判斷和選擇并使系統(tǒng)能夠全自動(dòng)啟動(dòng)和停止，系統(tǒng)程序中通過(guò)保護(hù)聯(lián)鎖邏輯，確保啟停過(guò)程中不發(fā)生影響提升系統(tǒng)安全運(yùn)行的事件。提升機(jī)系統(tǒng)的一鍵啟停功能，主要實(shí)現(xiàn)的是提升機(jī)從休眠狀態(tài)到喚醒狀態(tài)的啟動(dòng)過(guò)程或者從喚醒狀態(tài)到休眠狀態(tài)的停止過(guò)程。休眠狀態(tài)是指提升機(jī)系統(tǒng)只保留控制部分運(yùn)行，其他軸助系統(tǒng)處于斷電狀態(tài)，主要是為了在提升機(jī)長(zhǎng)時(shí)間不運(yùn)行時(shí)，為了滿足節(jié)能的需要使風(fēng)機(jī)冷卻系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等處于停機(jī)狀態(tài)；喚醒狀態(tài)是指提升機(jī)各子系統(tǒng)都處于工作狀態(tài)，滿足提升機(jī)運(yùn)行條件。

啟動(dòng)提升機(jī)電控系統(tǒng)時(shí)，主控系統(tǒng)與各個(gè)輔機(jī)系統(tǒng)間存在安全互鎖機(jī)制，各個(gè)輔機(jī)系統(tǒng)需要依次啟動(dòng)，并在設(shè)定的時(shí)間序列內(nèi)啟動(dòng)才能解開(kāi)安全鎖，一個(gè)熟練的操作司機(jī)往往需要10min 時(shí)間流水操作才能使提升機(jī)系統(tǒng)啟動(dòng)并滿足運(yùn)行工況。實(shí)現(xiàn)一鍵啟停減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，將以往需要操作人員按順序完成的瑣碎工作改為操作面板上的一鍵操作，從而減少了操作時(shí)間，降低了操作人員因經(jīng)驗(yàn)不足和熟練程度較低造成誤操作的可能性。另外，一鍵啟?？梢允瓜到y(tǒng)脫離人工操作，在長(zhǎng)時(shí)間不動(dòng)車時(shí)能夠自動(dòng)“休眠”以降低能耗，在需要開(kāi)車時(shí)，能夠快速喚醒，以增加系統(tǒng)無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間，為提升機(jī)全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守運(yùn)行創(chuàng)造條件。

3.4 雙通道冗余安全監(jiān)視和控制

為實(shí)現(xiàn)冗余安全監(jiān)視和控制，智能控制系統(tǒng)采用兩套PLC 自動(dòng)化系統(tǒng)。系統(tǒng)A 實(shí)現(xiàn)提升機(jī)控制和安全監(jiān)視功能，系統(tǒng)B 實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)視功能，如圖3 所示。工作時(shí)安全相關(guān)的信號(hào)分別進(jìn)入主控、監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成雙安全回路獨(dú)立進(jìn)行判斷，并采用多樣性技術(shù)避免同一性故障的發(fā)生，構(gòu)成多重安全保護(hù)。

圖3 雙通道冗余安全監(jiān)視和控制

3.5 遠(yuǎn)程智能故障診斷和運(yùn)行監(jiān)控

提升系統(tǒng)在煤礦生產(chǎn)中處于重要位置，擔(dān)負(fù)著煤旋、人員、物料等運(yùn)輸工作，為此對(duì)安全和故障處理提出了極高要求。提升機(jī)自動(dòng)化智能控制系統(tǒng)采用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和信息技術(shù)，通過(guò)VPN 實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)設(shè)備與遠(yuǎn)程終端網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，可對(duì)提升系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視，對(duì)提升系統(tǒng)設(shè)備故障進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視和故障智能診斷，從而建立起提升系統(tǒng)設(shè)備互聯(lián)保障服務(wù)體系。

現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生故障時(shí)，遠(yuǎn)程智能故障診斷系統(tǒng)可以對(duì)故障進(jìn)行在線分析并給出故障處理建議，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員可據(jù)此采取相應(yīng)處理措施，如故障仍無(wú)法解決，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員可申請(qǐng)工程師進(jìn)行遠(yuǎn)程在線診斷，工程師可在具備以上條件的場(chǎng)所通過(guò)編程器登錄遠(yuǎn)程智能故障診斷系統(tǒng)，經(jīng)系統(tǒng)安全認(rèn)證后，及時(shí)對(duì)提升系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷，在線幫助排查故障和修改參數(shù)，減少故障查找和處理時(shí)間，確保系統(tǒng)高效穩(wěn)定運(yùn)行。

4 安全生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益分析

4.1 安全生產(chǎn)效益分析

改造后在用系統(tǒng)可達(dá)到全速全載，滿足礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力，原有1#主井可停用，滿足煤礦安全要求。改造后系統(tǒng)與調(diào)度中心及遠(yuǎn)程終端互聯(lián)，提高信息管理能力。提升系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)可傳送至調(diào)度中心與礦井安全生產(chǎn)各子系統(tǒng)信息共享，為安全生產(chǎn)提供關(guān)鍵決策信息。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)隱患及故障時(shí)自動(dòng)報(bào)警，及時(shí)消除隱患、處理故障，實(shí)現(xiàn)了無(wú)故障操作，大大提升了管理效率，確保了礦井主提升系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

（1）提高了2#主井提升能力

回坡底煤礦主井提升機(jī)自動(dòng)化智能控制系統(tǒng)采用交-直-交中壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，調(diào)速性能優(yōu)異，提高了系統(tǒng)運(yùn)行效率，縮短了運(yùn)行時(shí)間。系統(tǒng)最高運(yùn)行速度從7m/s 提高到10m/s，單鉤運(yùn)行周期從160s 降低到135s，提升載荷從20t 提高到25t。如按330d、16h 計(jì)算：

原核定年提升能力為：

Ah=（330×16×3600×20）/（1.15×160）≈206 萬(wàn)t。

現(xiàn)核定年提升能力為：

Ah=（330×16×3600×25）/（1.15×135）≈306 萬(wàn)t。

（2）系統(tǒng)設(shè)備可靠性提高，可維護(hù)性提高

原電控系統(tǒng)設(shè)備故障率較高，功率元器件損壞率較高。在用電控系統(tǒng)故障率降低，備件費(fèi)用可減少約50 萬(wàn)元/年。

系統(tǒng)改造后建立遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)程維護(hù)，提高了系統(tǒng)可維護(hù)性，減少了故障查找和處理時(shí)間，電控設(shè)備月平均故障時(shí)間短，提升系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用節(jié)約20 萬(wàn)元/年。