關(guān)鍵詞：礦井提升機(jī)，系統(tǒng)改造
Transformation of Electric Control System of Wangcun Coal Mine’s Shaft Hoist
Zhang Yu-he ,LI Wei
Abstract: The paper briefly introduces the situation of the original electric control system of Wangcun Coal Mine hoist, it puts forward the transformation project of the digital network electric control system and implement, analyzes and compares both new and old system, which shows the security, reliability, efficiency of the new system.
Keywords: coal mine hoist, system transformation
1 概述
澄合礦業(yè)有限責(zé)任公司主井提升機(jī)是由西安煤礦設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)，上海冶金礦山機(jī)械廠生產(chǎn)，上海電氣成套廠配套電控的JKMD-3.5×4型低速直聯(lián)落地式多繩摩擦輪提升機(jī)。提升機(jī)電控部分由直流電動(dòng)機(jī)、同步機(jī)、直流發(fā)電機(jī)組、潤(rùn)滑油冷卻系統(tǒng)、強(qiáng)迫通風(fēng)系統(tǒng)、直流電控及交流輔助機(jī)組等組成。系統(tǒng)采用發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)直流拖動(dòng)系統(tǒng)，即F-D系統(tǒng)。
隨著使用年限和原煤產(chǎn)量的不斷提高，原有電控系統(tǒng)存在的弊端日益暴露。調(diào)速系統(tǒng)采用雙拍磁放大器——電機(jī)擴(kuò)大機(jī)二級(jí)放大，速度閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。由給定積分器送來的給定信號(hào)，加到雙拍磁放大器的給定繞組，經(jīng)放大后供給電機(jī)擴(kuò)大機(jī)的給定繞組，經(jīng)再次放大后供給直流發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組。發(fā)電機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)組成F-D拖動(dòng)系統(tǒng)。
給定部分采用時(shí)間給定、行程校正的方式（即在一定行程上設(shè)置第二減速點(diǎn)）。這種方式的缺點(diǎn)是不能保證按照速度圖的要求準(zhǔn)確運(yùn)行，特別是在減速段，因其積分作用可能產(chǎn)生較大的路程-速度偏差，或提前進(jìn)入爬行速度，或使停車末速度過高，有可能超過安全允許的2m/s，這一點(diǎn)在副絞運(yùn)行中顯得更為突出，從而導(dǎo)致對(duì)提升安全造成極為不利的影響。
行程給定部分的主要原理是利用提升機(jī)的主軸通過變換鏈輪和杠桿軸、凸輪軸帶動(dòng)一系列杠桿、凸輪橋，相互作用推動(dòng)一系列開關(guān)，通過開關(guān)的通斷，在提升機(jī)運(yùn)行過程中給出第一減速點(diǎn)、第二減速點(diǎn)、停車點(diǎn)、過卷保護(hù)等位置信號(hào)，以便進(jìn)行控制和保護(hù)。這種方式由于采用機(jī)械傳動(dòng)，凸輪橋與開關(guān)相互碰撞的原理，所以，實(shí)際運(yùn)行中經(jīng)常出現(xiàn)機(jī)械磨損，開關(guān)動(dòng)作不可靠，尤其是當(dāng)減速點(diǎn)信號(hào)不能準(zhǔn)確發(fā)出時(shí)，就能造成減速段不減速的后果。
調(diào)速系統(tǒng)的速度反饋信號(hào)是通過和提升機(jī)硬連接的測(cè)速發(fā)電機(jī)獲得測(cè)速反饋信號(hào)，加到磁放大器速度反饋繞組，按負(fù)反饋接法，和給定信號(hào)進(jìn)行綜合比較，構(gòu)成速度負(fù)反饋環(huán)節(jié)。根據(jù)多年來的運(yùn)行情況發(fā)現(xiàn)，速度反饋控制回路中的部分電阻時(shí)常發(fā)生阻值變化（夏季較明顯），以及控制繼電器受環(huán)境影響易出現(xiàn)觸點(diǎn)接觸不良等，使得提升過程中出現(xiàn)速度和電流不穩(wěn)甚至出現(xiàn)超速的現(xiàn)象，更為嚴(yán)重的是，曾出現(xiàn)過因測(cè)速發(fā)電機(jī)的聚氨酯傳動(dòng)輪脫膠、打滑而造成“飛車”的后果。
其次，提升機(jī)的同步機(jī)、發(fā)電機(jī)機(jī)組啟動(dòng)方式采用6KV少油斷路器串電抗器降壓?jiǎn)?dòng)，由于頻繁啟動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)和設(shè)備的沖擊較大（啟動(dòng)電流大于400A），斷路器需經(jīng)常解體檢查更換觸頭和變壓器油或更換總成。
該提機(jī)電控系統(tǒng)自1988年12月投入使用以來，雖然能基本滿足生產(chǎn)的需要，但仍然存在效率較低，耗電大，安全性能不高，可靠性差，噪音、維護(hù)量大等缺點(diǎn)，每年維護(hù)費(fèi)用數(shù)萬元，且需大量的檢修時(shí)間，特別是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組在運(yùn)行的十五年中曾多次發(fā)生升高片與并頭套處脫錫開焊和燒壞換向器及繞組的事故，直接影響礦井的安全生產(chǎn)，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失，老系統(tǒng)已無法滿足礦井正常生產(chǎn)和安全的要求，因此對(duì)其實(shí)施更新改造。
2 數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化的電控系統(tǒng)改造方案
數(shù)字化直流提升機(jī)電控系統(tǒng)由PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成。其主要包括：傳動(dòng)部分由ABB的DCS600全數(shù)字晶閘管整流控制單元等組成;上位機(jī)為研華工控機(jī)，安裝WinCCV6.0工控組態(tài)軟件作為監(jiān)控軟件;主控和行控由1臺(tái)西門子S7-300PLC完成，另1臺(tái)S7-300 PLC完成監(jiān)控任務(wù)。另外包括觸摸屏，操作臺(tái)，繼電器安全回路，高低壓配電系統(tǒng)、變壓器、電抗器、直流快速斷路器和軸編碼器等。具體系統(tǒng)配置見圖1所示。
圖1 提升機(jī)電控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖
全數(shù)字化的控制系統(tǒng)的調(diào)速控制單元選用ABB的DCS600全數(shù)字直流傳動(dòng)控制單元，該控制單元是新一代的全數(shù)字化產(chǎn)品，具有很高的智能性和優(yōu)良的靜、動(dòng)態(tài)性能，可靠性高，調(diào)試維護(hù)方便，其主要特點(diǎn)為：采用16位微處理器和12位的A/D與D/A芯片，具有快速的信號(hào)處理能力和軟件管理能力，調(diào)節(jié)與運(yùn)算的精度高，工程適應(yīng)性強(qiáng)。電樞電流、勵(lì)磁電流、速度自動(dòng)調(diào)節(jié)控制，保證優(yōu)良的控制性能。具有電流自適應(yīng)和速度自適應(yīng)功能，可預(yù)設(shè)速度基準(zhǔn)值、電流限幅值等參數(shù)，并可限制加速過程的沖擊，保證系統(tǒng)有良好的穩(wěn)定性和精度。具有抑制機(jī)電共振功能，以及多種補(bǔ)償功能。具有多種故障自診斷及故障按順序記憶與故障性質(zhì)的記憶功能，便于維護(hù)及故障排除。監(jiān)視和保護(hù)功能包括主電壓過壓、欠壓、相序錯(cuò)，電樞過流、過壓、電樞電流波動(dòng)較大，勵(lì)磁過流、過壓、欠勵(lì)磁，電機(jī)過載、堵轉(zhuǎn)等。各控制參數(shù)可通過計(jì)算機(jī)或操作盤在線或離線整定、修改、存儲(chǔ)或調(diào)用，并可防止所整定參數(shù)的意外改變。系統(tǒng)具有多種通訊接口，以及良好的人機(jī)對(duì)話及全屏幕顯示軟件控制結(jié)構(gòu)，使調(diào)試與參數(shù)整定十分直觀方便。具有多個(gè)輸入、輸出端口，用戶可通過可編的I/O端口測(cè)量、控制系統(tǒng)運(yùn)行。
全數(shù)字直流調(diào)速控制裝置還包括晶閘管整流裝置，以及與其配套的直流電動(dòng)機(jī)、電樞整流變壓器和勵(lì)磁整流變壓器、直流快開、電抗器等構(gòu)成磁場(chǎng)恒定，電樞可逆，串聯(lián)12脈動(dòng)傳動(dòng)方式，可進(jìn)行12脈動(dòng)與6脈動(dòng)之間的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)全載半速運(yùn)行。
數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化提升機(jī)電控系統(tǒng)控制部分主要由兩臺(tái)西門子S7-300 PLC，遠(yuǎn)程I/O以及控制電器等構(gòu)成，完成提升行程速度控制、系統(tǒng)操作、監(jiān)視、保護(hù)等功能，對(duì)調(diào)速裝置、制動(dòng)設(shè)備、輔助機(jī)組等設(shè)備進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)提升機(jī)按照各工況要求正常運(yùn)行;同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)和系統(tǒng)設(shè)備的狀態(tài)和故障的監(jiān)測(cè)，識(shí)別故障和故障類別，進(jìn)行報(bào)警和顯示，并根據(jù)故障的類型實(shí)施相應(yīng)的控制。提升行程速度控制主要由行控PLC實(shí)現(xiàn)，主要完成以行程為變量的S型曲線速度給定控制，并和監(jiān)控PLC構(gòu)成雙線制監(jiān)視和保護(hù)。傳感器采用意大利ELTRA公司生產(chǎn)的增量式軸編碼器，控制精度高，采用5位10進(jìn)制KP值進(jìn)行行程計(jì)算和行程校正，可確保行程測(cè)量精度≤±0.01m，從而保證提升機(jī)無論是空載和重載運(yùn)行，均可按照速度圖的要求準(zhǔn)確運(yùn)行。
電控系統(tǒng)的安全控制回路由兩臺(tái)PLC共同實(shí)現(xiàn)，構(gòu)成雙線制安全回路，同時(shí)將過卷、電源故障、調(diào)速裝置故障等重要故障直接構(gòu)成繼電器安全回路，從而構(gòu)成多重安全保護(hù)。根據(jù)故障的性質(zhì)和危及程度，分為四類故障，一類故障：發(fā)出聲光報(bào)警，系統(tǒng)立即實(shí)施安全制動(dòng)，抱閘停車。二類故障：發(fā)出聲光報(bào)警，系統(tǒng)立即實(shí)施電氣制動(dòng)，按電氣制動(dòng)減速度減速，當(dāng)速度降低到1m/s時(shí)，實(shí)施安全制動(dòng)，抱閘停車。三類故障：發(fā)出聲光報(bào)警，允許一次提升循環(huán)結(jié)束后再停車，并進(jìn)行閉鎖不允許下一次開車。四類故障：只進(jìn)行報(bào)警。系統(tǒng)設(shè)備和運(yùn)行狀態(tài)及故障分別由安裝在操作臺(tái)儀表盤上的指示燈和上位機(jī)的顯示屏來顯示，儀表盤內(nèi)裝設(shè)報(bào)警器，故障時(shí)進(jìn)行報(bào)警。
系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視也由兩臺(tái)PLC以及調(diào)速控制單元等共同實(shí)現(xiàn)，構(gòu)成多重安全監(jiān)視。系統(tǒng)采用相關(guān)的測(cè)量和傳感器構(gòu)成各類監(jiān)視信號(hào)源，這些監(jiān)視信號(hào)經(jīng)變換隔離輸入主控PLC1，與安全有關(guān)的信號(hào)同時(shí)輸入到監(jiān)控PLC2，兩臺(tái)PLC采用專門編制的監(jiān)視程序，來實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備和運(yùn)行狀態(tài)的故障記憶，第一故障采集，并實(shí)現(xiàn)報(bào)警和顯示。
為了保證系統(tǒng)的可靠性，提高控制電源的性能，系統(tǒng)采用了一臺(tái)2KVA的隔離變壓器為系統(tǒng)中的控制電源供電，并配置了一臺(tái)2KVA的不間斷電源（UPS）為系統(tǒng)中的重要控制單元供電，當(dāng)主電源故障時(shí)可自動(dòng)轉(zhuǎn)換，使其供電不中斷，不受外界干擾，一直到提升機(jī)停車和抱閘。另外，系統(tǒng)在控制電源、輸入輸出信號(hào)和數(shù)據(jù)通訊等方面采取了綜合抗干擾措施，電磁兼容性設(shè)計(jì)合理，機(jī)構(gòu)布局周密可靠，確保系統(tǒng)的工作可靠性。
另外系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)可分為：提煤、提人、下特材、檢修、應(yīng)急?？刂品绞娇煞譃椋鹤詣?dòng)控制、半自動(dòng)控制、手動(dòng)控制、檢修運(yùn)行控制、慢速運(yùn)行控制、應(yīng)急運(yùn)行控制、停車點(diǎn)旁路運(yùn)行控制、過卷旁路運(yùn)行控制、調(diào)閘控制（調(diào)試液壓站或閘間隙）、閘試驗(yàn)控制功能及6脈動(dòng)應(yīng)急運(yùn)行控制。
系統(tǒng)采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和通訊組件構(gòu)成上位計(jì)算機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)，使用WinCC監(jiān)視軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)運(yùn)行和設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，并進(jìn)行狀態(tài)和參數(shù)的顯示、存儲(chǔ)記憶，以方便使用維護(hù)、故障處理以及對(duì)系統(tǒng)的管理。
考慮到提升機(jī)電控系統(tǒng)在煤礦生產(chǎn)中的重要性，特保留老系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)換裝置，新老系統(tǒng)可通過此裝置對(duì)公用的直流電動(dòng)機(jī)、液壓站、通風(fēng)機(jī)等輔機(jī)及信號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行切換，以保證新老系統(tǒng)互為備用。轉(zhuǎn)換包括主回路轉(zhuǎn)換和輔助機(jī)組的轉(zhuǎn)換以及控制和監(jiān)視信號(hào)的轉(zhuǎn)換。
系統(tǒng)高壓配電選用了兩臺(tái)KYGC-Z型高壓開關(guān)柜，斷路器采用真空斷路器，電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)，操作方便，對(duì)電網(wǎng)的沖擊小。開關(guān)柜具有過流、短路、接地等保護(hù)，并具有“五防”功能。
3 結(jié)語
系統(tǒng)經(jīng)調(diào)試投生產(chǎn)8個(gè)月以來，運(yùn)行平穩(wěn)可靠，調(diào)速性能好，提升效率高，各項(xiàng)保護(hù)靈敏可靠，維護(hù)量明顯減少，在做好設(shè)備日常的巡視檢查和保持設(shè)備衛(wèi)生等工作后，至今尚未出現(xiàn)異常情況。特別是新系統(tǒng)的節(jié)能效果尤為顯著，據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止今年8月底，與老系統(tǒng)相比較，共計(jì)節(jié)電40多萬kwh，取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。
參考文獻(xiàn)：
[1]王朝暉，王安山 .礦井提升機(jī)系統(tǒng)新技術(shù)及裝備 .煤炭工業(yè)出版社 .1999，3
（轉(zhuǎn)載）
