王進(jìn)峰

（山東豐匯設(shè)備技術(shù)有限公司，濟(jì)南 250200）

0 引言

礦井提升設(shè)備是礦用的一種提升煤炭、礦石、升降材料和設(shè)備的機(jī)械設(shè)備，是礦山井下生產(chǎn)時(shí)地下作業(yè)面和地上作業(yè)面相連接的樞紐設(shè)備，是特種機(jī)械設(shè)備的一種，在采礦領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用[1-2]。

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，PLC和變頻器電控系統(tǒng)被逐步應(yīng)用到礦井提升設(shè)備和各類型起重機(jī)設(shè)備上，提升了設(shè)備的控制性能和自動(dòng)化程度[3-6]。但隨著用戶對(duì)礦井提升設(shè)備“自動(dòng)化”和“智能化”程度的要求越來越高，設(shè)計(jì)人員在復(fù)雜而繁瑣的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中很容易出現(xiàn)某些方面的疏忽，疏忽輕則可能會(huì)影響設(shè)備的使用性能，重則可能出現(xiàn)重大安全生產(chǎn)事故。為確保礦井提升設(shè)備電氣控制系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性，本文針對(duì)礦井提升設(shè)備電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中存在的問題及關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在原有礦井提升設(shè)備電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究的基礎(chǔ)上，提出了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)及注意事項(xiàng)，并做了具體分析，以供參考。

1 礦井提升設(shè)備控制系統(tǒng)方案框圖

一臺(tái)簡(jiǎn)單的礦井提升設(shè)備具有三大部分：結(jié)構(gòu)部分（包括機(jī)架、支腿、底座等）、機(jī)構(gòu)部分（減速機(jī)、制動(dòng)器、卷筒、鋼絲繩、吊具裝置等）、電氣部分（電機(jī)、電控系統(tǒng)、操作監(jiān)視裝置、安全保護(hù)裝置、電纜等）。

在控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要熟悉該類提升設(shè)備各部件的原理，以及整機(jī)所要求達(dá)到的性能和控制要求，包括保護(hù)裝置的設(shè)置。圖1 所示為礦井提升設(shè)備電氣控制系統(tǒng)框圖，根據(jù)框圖對(duì)各部分進(jìn)行分解并進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，最終以形成一套完整的電氣控制系統(tǒng)。

圖1 電氣控制系統(tǒng)方案Fig.1 Electrical control system scheme diagram

2 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

電控系統(tǒng)的主要任務(wù)是針對(duì)機(jī)構(gòu)的配置實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的安全可靠運(yùn)行，使設(shè)備能夠達(dá)到整機(jī)設(shè)計(jì)的各項(xiàng)性能指標(biāo)和安全指標(biāo)。在設(shè)計(jì)的過程中，必須對(duì)設(shè)備的整機(jī)性能深入了解，方能進(jìn)行電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過程中會(huì)存在諸多問題，下面著重介紹電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

2.1 超頻與超速開關(guān)控制點(diǎn)數(shù)的匹配

礦井提升設(shè)備一般采用變頻調(diào)速控制，由于礦井深度一般較深，淺的有幾十米，深則上百米，對(duì)提升設(shè)備的工作效率要求很高，在空鉤或者輕載時(shí)要求高速，重載時(shí)要求低速，為了達(dá)到這一目的，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)主要是采用變頻器超頻控制的方式，所以在電機(jī)超速開關(guān)配置的配置時(shí)，就需要根據(jù)基頻和最大頻率的兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速值來配備超速開關(guān)，即超速開關(guān)具有兩個(gè)速度的超速控制，做到基頻超速開關(guān)和超頻超速開關(guān)均能起作用，控制制動(dòng)器閉合，停止機(jī)構(gòu)運(yùn)行，從而有效避免因電機(jī)超速出現(xiàn)事故。

有些情況會(huì)用到3～4 倍變頻電機(jī)，比如SIEMENS公司的IPH8 系列電機(jī)，可以將基頻做到15～20 Hz，如果實(shí)際應(yīng)用到3～4倍超頻，其電機(jī)的超速開關(guān)點(diǎn)數(shù)也應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要，配備相應(yīng)輸出點(diǎn)數(shù)的超速開關(guān)。

2.2 雙重提升防溜鉤設(shè)計(jì)

起升設(shè)備的溜鉤問題是影響起升性能的重要因素，一旦出現(xiàn)溜鉤，會(huì)引起嚴(yán)重的安全事故[7-8]。為避免出現(xiàn)溜鉤現(xiàn)象，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式是采用帶編碼器反饋的閉環(huán)矢量變頻控制方式，在電機(jī)上配備增量型編碼器，運(yùn)行過程中，變頻器通過編碼器實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行速度，當(dāng)電機(jī)的速度與變頻器預(yù)設(shè)的速度存在較大偏差時(shí)（一般變頻器速度偏差參數(shù)值設(shè)置為10%），變頻器發(fā)出報(bào)警及故障信號(hào)，控制制動(dòng)器閉合，停止機(jī)構(gòu)的運(yùn)行。

為了更為有效地避免溜鉤現(xiàn)象。除了采用閉環(huán)矢量變頻控制方式之外，在系統(tǒng)中再增加一套防止溜鉤的安全保護(hù)裝置，即在提升機(jī)構(gòu)的鋼絲繩卷筒末端安裝一套卷筒方向脈沖檢測(cè)裝置。

圖2所示為防溜鉤保護(hù)系統(tǒng)工作流程。當(dāng)提升機(jī)處于向上提升狀態(tài)時(shí)，變頻器給定的速度通過電機(jī)尾部安裝的增量型編碼器進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)變頻器通過增量編碼器反饋的速度與變頻器實(shí)際給定速度值有偏差時(shí)，變頻器發(fā)出故障報(bào)警信號(hào)，停止提升作業(yè)，待檢查故障并排除后，控制系統(tǒng)繼續(xù)進(jìn)行提升作業(yè)。與此同時(shí)，通過正負(fù)脈沖檢測(cè)編碼器檢測(cè)出來的卷筒方向信號(hào)傳送至主控制器模塊，經(jīng)過分析運(yùn)算，再與卷筒實(shí)際方向進(jìn)行比較，若檢測(cè)到的卷筒方向和實(shí)際操作方向不一致時(shí)，系統(tǒng)判斷當(dāng)前狀態(tài)為溜鉤狀態(tài)，立即發(fā)出控制信號(hào)，控制制動(dòng)器閉合，停止上升動(dòng)作，并對(duì)溜鉤現(xiàn)象進(jìn)行分析并排除故障，故障排除后，重新送電。若檢測(cè)編碼器檢測(cè)的卷筒方向與上升方向一致，則提升機(jī)上升操作正常運(yùn)行，直至此次操作結(jié)束，完成整個(gè)上升動(dòng)作操作。

圖2 防溜鉤保護(hù)裝置控制流程Fig.2 Control flow chart of anti-slip hook protection device

通過加裝以上雙重防溜鉤保護(hù)裝置，可以有效地避免箕斗及吊物溜鉤現(xiàn)象的發(fā)生，保障了提升設(shè)備起升機(jī)提升工作的安全。

2.3 新型高度保護(hù)裝置

起升限位保護(hù)裝置的常規(guī)設(shè)計(jì)是在鋼絲繩卷筒尾部安裝機(jī)械凸輪式限位器，進(jìn)行上限位和下限位的保護(hù)。由于礦井深度根據(jù)采礦的進(jìn)度不斷發(fā)生變化，不可能每天實(shí)時(shí)地人為去調(diào)整下限位裝置的凸輪，基于這個(gè)問題，上升限位裝置可以采用常規(guī)的卷筒尾部加裝DXZ 型旋轉(zhuǎn)式機(jī)械凸輪限位來實(shí)現(xiàn)，在下降限位保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)選用時(shí)，就不能采用常規(guī)的凸輪機(jī)械限位的方式，可以考慮采用新型的無線超聲波測(cè)距儀，將無線超聲波檢測(cè)裝置安裝在箕斗的適當(dāng)位置，圖3 所示為箕斗下限位裝置安裝圖，通過無線發(fā)射當(dāng)前吊鉤距離地下極限位置的距離，安裝在控制柜上的無線接收裝置，接收信號(hào)后，傳送到控制柜內(nèi)的PLC 可編程控制器，通過PLC 的運(yùn)算處理，并發(fā)出控制信號(hào)，控制箕斗的下限極限高度，從而有效的解決了凸輪機(jī)械限位無法實(shí)現(xiàn)下限位設(shè)置的難題。

圖3 箕斗下限位裝置安裝Fig.3 Installation drawing of downlimit device of the skip

無線發(fā)射測(cè)距裝置有多種形式，還無線傳輸?shù)募t外測(cè)距裝置、無線傳輸?shù)募す鉁y(cè)距裝置等，可以根據(jù)實(shí)際情況選用適合的裝置，從而達(dá)到較好的保護(hù)控制效果。

2.4 PLC和變頻器雙冗余（熱備）設(shè)計(jì)

有些特殊場(chǎng)合使用的礦用起升設(shè)備，其使用頻率非常高，加上采礦進(jìn)度相當(dāng)快，有些情況不允許提升設(shè)備停下來，但PLC 和變頻器等電器設(shè)備在長(zhǎng)時(shí)間以及惡劣環(huán)境的使用過程中，難免會(huì)出現(xiàn)故障導(dǎo)致設(shè)備停止運(yùn)轉(zhuǎn)，這就會(huì)影響采礦作業(yè)流程的連續(xù)性[9-10]。為了解決這一問題，在此類場(chǎng)合的礦井提升設(shè)備電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮PLC 和變頻器的硬件冗余，必須采用熱冗余的形式，尤其是在變頻器熱冗余設(shè)計(jì)時(shí)，需要注意正常變頻器和冗余變頻器輸出端接觸器的切換，以及對(duì)應(yīng)變頻器編碼器卡輸出到增量型編碼器之間繼電器的切換。

當(dāng)正常使用的PLC 或變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，操作人員可以直接通過操作面板上的冗余切換旋鈕開關(guān)，將相應(yīng)的PLC或變頻器切換為備用PLC或備用變頻器，使提升機(jī)控制系統(tǒng)不間斷的運(yùn)行，從而保證了設(shè)備運(yùn)行的安全性。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的其他注意事項(xiàng)

3.1 電器設(shè)備的IP防護(hù)等級(jí)

礦用起升設(shè)備一般使用在多粉塵、潮濕等惡劣環(huán)境,而且機(jī)構(gòu)的工作級(jí)別較高，在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮提高電動(dòng)機(jī)、控制柜體、制動(dòng)電阻、安全保護(hù)裝置等電器設(shè)備的IP 防護(hù)等級(jí)，還需要注意在控制柜內(nèi)增加溫濕度傳感器和加熱/除濕裝置，確保控制電器元件的正常使用環(huán)境，以延長(zhǎng)電器設(shè)備的使用壽命。

3.2 制動(dòng)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)

提升設(shè)備制動(dòng)裝置在設(shè)計(jì)選型時(shí)，除了保證機(jī)構(gòu)制動(dòng)要求的制動(dòng)力矩性能外，還需要在支持制動(dòng)器的制動(dòng)器閘瓦上或者安全制動(dòng)器的制動(dòng)盤摩擦片相應(yīng)位置安裝磨損檢測(cè)傳感器，將反饋信號(hào)通過PLC模塊反饋至操作人員監(jiān)控界面，在閘瓦磨損到一定程度時(shí)，發(fā)出報(bào)警及故障信號(hào)，提醒操作人員及維護(hù)人員及時(shí)更換，避免安全事故發(fā)生[11-13]。

3.3 人機(jī)交互界面及安全監(jiān)控管理系統(tǒng)

隨著觸摸屏逐步運(yùn)用到特種設(shè)備監(jiān)控領(lǐng)域，有些特別重要的場(chǎng)合，設(shè)計(jì)時(shí)也要考慮增加人機(jī)交互界面及安全監(jiān)控管理系統(tǒng)，監(jiān)控及記錄提升過程與安全保護(hù)裝置的狀態(tài)[14]，提升過程中電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、電流及電壓參數(shù)監(jiān)控與記錄，限位保護(hù)裝置、超速開關(guān)、重量限制器等狀態(tài)的監(jiān)控，并記錄存儲(chǔ)設(shè)備的所有歷史故障信息，從而使相關(guān)人員處于被監(jiān)督的工作狀態(tài)，可以督促操作和指揮人員提高安全意識(shí)、減少或杜絕安全事故隱患，從而有效地減少違規(guī)現(xiàn)象，降低惡性事故的發(fā)生概率。

4 結(jié)束語

礦井提升設(shè)備的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)一定要綜合全面考慮，不但要實(shí)現(xiàn)提升設(shè)備的各項(xiàng)控制性能指標(biāo)，而且要考慮控制系統(tǒng)具備完善的安全保護(hù)裝置，比如在有些礦井設(shè)備的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，還需要考慮能量回饋系統(tǒng)、卷筒鋼絲繩防止斷繩保護(hù)系統(tǒng)、機(jī)構(gòu)及結(jié)構(gòu)件的壽命監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)等。所以要求礦用提升設(shè)備電控設(shè)計(jì)人員在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，要根據(jù)具體實(shí)際情況、安全要求等幾個(gè)方面綜合考慮，制定合適、完善的控制方案，以確保礦井提升設(shè)備安全、高效、可靠運(yùn)行。