郭三軍 安文舉

摘要：礦井提升機(jī)運(yùn)行的運(yùn)行效率、安全性、可靠性至關(guān)重要。本文研究探討并實(shí)踐應(yīng)用了理想S形速度曲線對(duì)礦井提升機(jī)的作用及給定方式，采用先進(jìn)的PLC控制技術(shù)取代傳統(tǒng)、落后的機(jī)械式行程監(jiān)控器系統(tǒng)，建立了一種理想S形速度曲線數(shù)學(xué)模型來進(jìn)行提升機(jī)速度檢測(cè)與控制;完成逐點(diǎn)速度監(jiān)控和速度連續(xù)監(jiān)控，進(jìn)而采用雙速度包絡(luò)線，對(duì)提升機(jī)整個(gè)運(yùn)行過程進(jìn)行全行程的速度測(cè)控保護(hù);對(duì)滾筒鋼絲繩滑動(dòng)、提升機(jī)過卷等多種故障進(jìn)行監(jiān)控，不斷檢測(cè)提升機(jī)滾筒，完成滾筒直徑自動(dòng)校正;采用故障樹方法對(duì)提升機(jī)系統(tǒng)故障進(jìn)行分析監(jiān)控;從而保證礦井提升機(jī)可靠、安全、準(zhǔn)確運(yùn)行。通過在現(xiàn)場(chǎng)6臺(tái)提升機(jī)的工業(yè)應(yīng)用，驗(yàn)證了提升機(jī)采用數(shù)字監(jiān)控后，較好地保證了運(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確控制，系統(tǒng)運(yùn)行安全，穩(wěn)定可靠。

關(guān)鍵字：礦井提升機(jī);數(shù)字監(jiān)控;S形速度曲線;故障監(jiān)控故障樹

中圖分類號(hào)：TD534 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ??文章編號(hào)：1671-2064（2019）17-0000-00

0 引言 ?

礦井提升機(jī)是礦山生產(chǎn)過程中的大型關(guān)鍵設(shè)備，用于礦石、設(shè)備、物料和人員在地表井下的上下運(yùn)輸，是井采礦山的生產(chǎn)絕對(duì)卡脖子關(guān)鍵環(huán)節(jié)，人命關(guān)天，是礦山安全和生產(chǎn)管控的核心，素有“礦山咽喉”之稱。因此提升機(jī)的安全監(jiān)控技術(shù)的研究與應(yīng)用是其能夠安全運(yùn)行的前提和保證。???受現(xiàn)場(chǎng)條件約束，用于提升機(jī)安全監(jiān)控的電氣檢測(cè)元件安裝在環(huán)境惡劣的井筒中，及其容易遭受受潮和重物墜落打擊。一旦檢測(cè)控制失靈將導(dǎo)致設(shè)備減速異常，控制失誤失靈。此時(shí)提升機(jī)將可能高速使出上、下限定位置，沖擊井塔或者墜井，造成重大事故^[1]。金川集團(tuán)公司龍首礦潛心鉆研，通過摸索研究應(yīng)用速度數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)，在文獻(xiàn)[2] “礦井提升機(jī)數(shù)字監(jiān)控器的研制”的基礎(chǔ)上，做了大量深入研究，進(jìn)一步深化拓展，把提升機(jī)位移（行程）作為一次變量，按照位移控制設(shè)備速度，通過數(shù)字監(jiān)控器給定速度控制包絡(luò)曲線，做出與提升位移和速度有關(guān)的各項(xiàng)保護(hù)，防范提升機(jī)失控事故^{[2，3，4]}，針對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行過程中，容易發(fā)生開閘溜灌、制動(dòng)失靈、其他潛在容易發(fā)生較大故障等情況，采取了對(duì)應(yīng)安全措施。先后在金川集團(tuán)公司龍首礦六臺(tái)提升機(jī)成功應(yīng)用。

1 研究?jī)?nèi)容

通過編碼器、位置開關(guān)等對(duì)提升機(jī)運(yùn)行參數(shù)、狀態(tài)檢測(cè)，數(shù)字監(jiān)控器進(jìn)行運(yùn)算監(jiān)控，并和主控系統(tǒng)實(shí)時(shí)交互信息，協(xié)同控制。達(dá)到系統(tǒng)安全控制快、準(zhǔn)、穩(wěn)的效果。提升機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)如圖1。主控和監(jiān)控均采用S7-400 PLC。

2 系統(tǒng)研究與應(yīng)用

2.1常規(guī)機(jī)械式監(jiān)控器使用情況

傳統(tǒng)的提升機(jī)機(jī)械式深度監(jiān)控器，通過井筒檢測(cè)元件和機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)礦井提升機(jī)的安全檢測(cè)、保護(hù)和控制等。受使用環(huán)境和檢測(cè)設(shè)備、運(yùn)算性能，以及機(jī)械設(shè)備自身缺陷導(dǎo)致可靠性和準(zhǔn)確性不太好的影響，逐步被數(shù)字監(jiān)控器淘汰。

2.2?速度控制

提升機(jī)主控PLC把速度作為被控對(duì)象（參數(shù)），和數(shù)字監(jiān)控器PLC協(xié)調(diào)工作。速度控制有兩種函數(shù)方法。

（1）一種是以時(shí)間作為變量，v=f（t），由于有靜態(tài)和控制誤差等不利因素，對(duì)設(shè)備效率和安全性產(chǎn)生不良后果，因此不再采用。

（2）另一種大量采用的是以位移（行程）為變量v=f（s）。當(dāng)速度、速度變化率出現(xiàn)偏差，能夠迅速調(diào)控補(bǔ)償消除誤差。

（3）金川集團(tuán)公司龍首礦采用S形速度給定曲線。S形速度給定曲線由梯形圖曲線優(yōu)化而來，由計(jì)算機(jī)斜坡函數(shù)發(fā)生器計(jì)算出給定速度Vg，控制設(shè)備按照要求運(yùn)行^[5，6]。

2.3 提升機(jī)行程-速度控制特點(diǎn)

（1）通過位置校正和設(shè)備位移的給定控制，及時(shí)消除位移、速度和加速度誤差。保證累計(jì)值在誤差范圍內(nèi)。

（2）速度的無突變優(yōu)化促進(jìn)了提升機(jī)扭矩和變流器電樞電流平滑過渡，有利于對(duì)變流器元件保護(hù)，降低了對(duì)電網(wǎng)沖擊和對(duì)提升機(jī)的機(jī)械沖擊。

（3）即使加速度連續(xù)變化，拖動(dòng)力矩及速度也不會(huì)突變，降低了反超調(diào)的速度沖擊引起的振蕩程度。

2.4?礦井提升機(jī)數(shù)字監(jiān)控器測(cè)控的應(yīng)用

（1）提升機(jī)數(shù)字監(jiān)控器作為后備保護(hù)，設(shè)定110%和115%速度包絡(luò)線及超速5%報(bào)警包絡(luò)線，把速度作為被監(jiān)控對(duì)象。保證設(shè)備速度按照給定的速度曲線，實(shí)現(xiàn)速度全行程曲線包絡(luò)監(jiān)控運(yùn)行。

（2）依據(jù)提升機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)、位移和各個(gè)位置點(diǎn)數(shù)據(jù)、以及設(shè)備運(yùn)行的起步提速、恒速運(yùn)行、減速、爬行、制動(dòng)停車節(jié)點(diǎn)，結(jié)合崗位人員操作命令，把速度給定值、提升速度包絡(luò)曲線及提升機(jī)最大速度、加減速度、最大行程等參數(shù)計(jì)算并進(jìn)行設(shè)置。設(shè)備投運(yùn)后，在線計(jì)算速度值給定Vg =f（s），按照預(yù)設(shè)的加、減速點(diǎn)，結(jié)合行程s，計(jì)算機(jī)在線控制設(shè)備在各加減速點(diǎn)的運(yùn)行變化^{[7，8，9]}，如圖2所示。

（3）滾筒軸編碼器測(cè)速后，經(jīng)過井壁位置同步開關(guān)自動(dòng)校正，獲取提升機(jī)行程s和提升機(jī)速度v1。與導(dǎo)向輪軸編碼器測(cè)速v2相比取大值，既可得到實(shí)際運(yùn)行速度v。

（4）在提升機(jī)預(yù)先設(shè)定的相關(guān)保護(hù)規(guī)則基礎(chǔ)上，?結(jié)合行程、速度和變量給定，通過監(jiān)控器在線運(yùn)算控制，實(shí)現(xiàn)相關(guān)各種綜合保護(hù)功能^[10]。圖3為數(shù)字監(jiān)控器工作流程：

3.1?提升機(jī)數(shù)字監(jiān)控器系統(tǒng)硬件

在金川集團(tuán)公司龍首礦新1#主井、新 2#大小罐、盲井、混合井六臺(tái)提升機(jī)都采用了西門子S7-400PLC;FM 350-1智能化的單通道計(jì)數(shù)模塊;SM321、SM322系列輸入輸出模塊;GP觸摸屏;?LF-204.8BM-C24E增量式光電編碼器。PROFIBUS-DP構(gòu)成提升機(jī)數(shù)字監(jiān)控器的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。

3.2提升機(jī)數(shù)字監(jiān)控器程序軟件

系統(tǒng)軟件包選用STEP7 V5.2，采用梯形圖（LADDER）和語(yǔ)句表（STL）組態(tài)，完成邏輯和過程運(yùn)算控制。數(shù)字監(jiān)控器主要功能作為后備保護(hù)使用，做到自診斷保護(hù)，精確檢測(cè)控制各個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和位置，與提升機(jī)主控PLC數(shù)據(jù)交互比較，對(duì)速度和位置全程協(xié)調(diào)監(jiān)控保護(hù)。

3.3編碼器

光電測(cè)速編碼器是提升機(jī)非常重要的檢測(cè)元件，礦井提升位置、速度要通過編碼器實(shí)現(xiàn)測(cè)控。要求其質(zhì)量可靠，測(cè)量精準(zhǔn)，響應(yīng)快速無滯后。為了保證可靠性，除在滾筒和導(dǎo)向輪各安裝一只測(cè)速外，還在滾筒再裝一只監(jiān)視用編碼器^[11，12]。以金川集團(tuán)公司龍首礦新1#提升機(jī)為例，關(guān)鍵參數(shù)見表1。

3.4觸摸屏工藝圖組態(tài)

觸摸屏GP2500-SC41-24V軟件采用專用的動(dòng)畫制作軟件，組態(tài)相關(guān)工藝圖^[13]，如圖4。

4?數(shù)字監(jiān)控器的其他功能

4.1?提升機(jī)鋼絲繩在滾筒上的滑動(dòng)監(jiān)控?

把分別安裝在滾筒和導(dǎo)向輪的兩只編碼器檢測(cè)的速度比較，偏差超出限度，認(rèn)定鋼絲繩在滾筒上滑動(dòng)發(fā)生故障，如圖5所示。此外分別檢測(cè)滾筒碼盤所計(jì)的行程與行程差，進(jìn)行判斷，作為兩個(gè)碼盤之間的互相監(jiān)視。

?4.2?提升機(jī)過卷監(jiān)控

首先對(duì)提升機(jī)設(shè)置硬件檢測(cè)過卷開關(guān)，通過該開關(guān)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)保護(hù)。其次滾筒的行程編碼器和監(jiān)視編碼器以及導(dǎo)向輪編碼器分別獨(dú)立監(jiān)視提升機(jī)罐籠過卷狀態(tài)^[2，14]，如圖6所示。

?4.3?速度逐點(diǎn)監(jiān)控?

自減速點(diǎn)開始，在井壁上逐段安裝4-5個(gè)位置檢測(cè)開關(guān)，分別相對(duì)應(yīng)各自預(yù)定的最大保護(hù)速度，如圖7所示。提升機(jī)全自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，通過檢測(cè)開關(guān)測(cè)控設(shè)備速度不能超過最大保護(hù)速度，否則過速，保護(hù)動(dòng)作。

4.4?速度的連續(xù)監(jiān)控?

數(shù)字監(jiān)控器檢測(cè)判斷設(shè)備運(yùn)行速度是否超過給定速度包絡(luò)線，通過數(shù)字監(jiān)控器測(cè)控，保證設(shè)備速度控制在連續(xù)監(jiān)視包絡(luò)線范圍內(nèi)，如圖8所示。

?4.5?位置同步

把安裝在井壁的同步開關(guān)的位置深度與監(jiān)控器計(jì)算的位置深度值比較，如果誤差相對(duì)大，則把位置深度值直接給定到監(jiān)控器，完成自主校正。

4.6?制動(dòng)閘監(jiān)測(cè)和滾筒自校正

（1）提升機(jī)安裝了制動(dòng)閘檢測(cè)傳感器，對(duì)閘盤磨損、間隙、偏擺，閘盤溫度、壓力，彈簧疲勞和動(dòng)作進(jìn)行在線檢測(cè)，通過計(jì)算機(jī)運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)精確監(jiān)視。

（2）開發(fā)滾筒直徑和井筒深度值的檢測(cè)和自校正功能。用第一個(gè)行程的脈沖數(shù)作為基準(zhǔn)，判斷比對(duì)更換襯墊前的脈沖數(shù)。通過給定信號(hào)使能，把反算的實(shí)際滾筒直徑置入計(jì)算機(jī)，用于深度和速度計(jì)算^[2]。如圖9所示：

（3）PLC對(duì)于滾筒每運(yùn)轉(zhuǎn)一圈都進(jìn)行檢測(cè)、分析計(jì)算，對(duì)滾筒的直徑進(jìn)行自動(dòng)校正，從而使脈沖對(duì)應(yīng)的深度值更為準(zhǔn)確。達(dá)到準(zhǔn)確測(cè)算提升機(jī)罐籠所在的位置，在設(shè)備系統(tǒng)運(yùn)行過程中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)校正。

（4）此外滾筒襯墊磨損達(dá)到一定程度后，會(huì)造成滾筒直徑誤差，系統(tǒng)通過分析判斷，進(jìn)行滾筒直徑磨損提示，方便崗位人員及時(shí)檢查更換襯墊。

5幾種重點(diǎn)安全問題的破解

5.1 設(shè)備啟動(dòng)開閘溜灌

（1）系統(tǒng)啟動(dòng)設(shè)備開始運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，如果制動(dòng)閘立即打開，極易發(fā)生溜罐、跑罐等危險(xiǎn)情況。對(duì)液壓制動(dòng)站開閘根據(jù)電樞電流進(jìn)行聯(lián)鎖，設(shè)置條件限定。在一定的時(shí)間（幾十毫秒）范圍內(nèi)，電樞電流達(dá)到一定的數(shù)值，提升機(jī)達(dá)到必要的力矩時(shí)，才打開制動(dòng)閘盤^[15]。

（2）系統(tǒng)設(shè)計(jì)并投入了閘失靈保護(hù)，添加提升容器系統(tǒng)反向運(yùn)行、錯(cuò)向等保護(hù)功能。

5.2提升機(jī)制動(dòng)閘盤動(dòng)作失靈保護(hù)

（1）當(dāng)系統(tǒng)沒有運(yùn)行，沒有接到任何開車指令操作的情況下，設(shè)備有運(yùn)轉(zhuǎn)情況發(fā)生。如果數(shù)字監(jiān)控器PLC檢測(cè)到設(shè)備有運(yùn)行情況，并且達(dá)到一定的轉(zhuǎn)速時(shí)（大于等于0.04m/s），PLC系統(tǒng)迅速給定勵(lì)磁全電流，并施加反向電樞電流，給設(shè)備一個(gè)反向力矩快速制動(dòng)，強(qiáng)迫提升機(jī)減速，使得轉(zhuǎn)速降低為零^[15]。

（2）PLC一直不停地檢測(cè)監(jiān)控并反向制動(dòng)，確保設(shè)備不能運(yùn)轉(zhuǎn);同時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警，提醒崗位人員迅速反應(yīng)，進(jìn)行檢查分析和故障處理。

（3）變流器電樞電流的反向制動(dòng)，與制液壓站閘盤制動(dòng)控制相互獨(dú)立，互不影響，實(shí)現(xiàn)在制動(dòng)閘盤失靈的情況下有效地控制卷筒轉(zhuǎn)速，避免發(fā)生設(shè)備失控沖頂或墜井的危險(xiǎn)。

5.3制定提升機(jī)系統(tǒng)安全應(yīng)急處置措施，啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案