数字化技术在矿井提升机电控系统中的应用

煤炭工程　２００６年第ｌ　１期　

数字化技术在矿井提升机电控系统中的应用　

梁南丁　（平顶山工业职业技术学院．河南平顶山４６７００１）　摘要：文章对矿井提升机采用模拟调节的电控系统存在的问题进行了详细的分析，介绍了　采用ＡＳＣＳ全数字调节系统将原模拟调节系统改造为全数字调节系统的情况，分析了改造后的系　统全数字调节部分和ＰＬＣ操作保护、行程监控部分的实现原理和功能，并通过实例说明，系统　改造后取得了良好的经济效益和社会效益。　关键词：提升机；电控系统；模拟调节；数字调节　中图分类号：ＴＤ６３　３　文献标识码：Ｂ　文章编号：１６７１—０９５９（２００６）１１＿（）ｌ１２＿（）３　０　引　言　由于矿井提升机的生产工艺要求比较高，所以它的电　气传动及电气控制系统一直是各国电气传动界的一个重要　研究领域。目前全数字化矿井提升机电控系统已经使提升　机成为新一代机电一体化的数字化生产机械。显然，许多　早期的电控系统都存在着技术上落后、可靠性及运行效率　低等不足，满足不了矿山扩大生产的需求。因此，对这些　系统与设备进行技术改造．具有十分重要的现实意义。　本文以平顶山煤业集团十三矿主井提升机电控系统的　改造为例，分析了采用模拟调节的矿井提升机电控系统在　运行中存在的缺点，并对原模拟调节系统采用ＡＳＣＳ全数字　调节系统的改造情况进行了阐述，最后对改造后的经济效　益和社会效益进行了简要分析，以供借鉴。　１模拟调节系统存在的问题　平顶山煤业集团十三矿主井选用的是ＪＫＭＤ一３．５×４　（Ｉ）Ｅ型落地式多绳摩擦轮提升机．拖动电动机选用ＺＤ９９／　３５型，电枢回路由串联１２脉动顺控整流桥供电，励磁回路　由两套反并联连接的晶闸管全控桥构成磁场换向逻辑无环　流系统，采用“Ｖ—Ｍ＋模拟调节＋单ＰＬＣ控制”的控　制方式。该提升系统自１９９６年１Ｏ月投入运行以来，由于　模拟调节系统的分立元件多、参数分散性大，因而整个系　统的可靠性和稳定性很差。运行中主要存在的问题如下：　１）原调节系统采用模拟调节，大量分立元器件的采　用，使系统非常庞大，不稳定。模拟运算放大器易受温度　的影响，存在零点漂移．从而会弓ｌ起系统振荡，严重的时　侯会烧坏晶闸管，熔断快速熔断器．使系统无法正常工作。　而且其电流环和速度环的参数是靠电位器设定，电位器的　阻值随着温度和湿度的变化而变化，常常引起参数不稳，　控制精度不高。　２）原模拟调节系统的同步电压取自整流变压器的次　级，当系统发生过流高压柜跳闸时会引起同步电压丢失，　使触发脉冲混乱，容易烧坏晶闸管和熔断快速熔断器。　３）原控制系统采用单ＰＬＣ控制结构使系统的可靠性　差，而且该ＰＬＣ只是参与简单的开关量保护和深度指示等　运算，而不参与提升容器的位置控制和计算。其Ｓ曲线的　产生完全依靠井简开关和监控器给出的信号，若井筒开关　和监控器失灵，则不能给出正确的给定速度，存在很大的　安全隐患。因此该装置自投入运行以来，由于调节系统和　ＰＬＣ系统出现的软故障，多次造成提升的中断，严重影响　了全矿生产。　２模拟系统的数字化改造　为彻底改变电控系统的现状，采用ＡＳＣＳ全数字直流调　速电控系统代替原模拟调节系统。该套ＡＳＣＳ全数字调速电　控系统的主回路采用电枢ｌ２脉动顺控，磁场可逆方案，由　ＰＬＣ与轴编码器配合构成数字化行程监控器，自动生成ｓ　型速度曲线，并可根据各类提升机的不同要求在线修改速　度、加速度和行程等参数。故障保护分为立即施闸、电气　制动施闸、终端施闸和报警四类．其中重大事故（如过卷、　超逮等）保护三重化。令数字电控系统框图如图１所示。　

图１全数字电控系统框图　

收稿日期：２００６—０８—０７　作者简介：梁南丁（１９５３一），男，安徽肥东人，河南平顶山工　职业技术学院副教授，现主要从事电气控制工程方面　的研究。　

１１２　维普资讯 http://www.cqvip.com ２００６年第１　１期　煤炭工程　

图１中１　ＰＬＣ、２　ＰＬＣ、单片机在完成数据采集与传输　任务的同时，可实现提升机控制和操作保护功能。上位机　依据ＰＬＣ和单片机传输来的信息完成对提升机传动设备的　故障诊断。　数字化改造后由ＰＬＣ编程软件实现的提升机运行速度　图如图２所示。　

ｌ　／　Ｉ　／　

０　ｆ１　ｔ２　ｔ３　ｔ４　ｔｓ，６　，８　ｔ９　Ｖ一提升机速度；ａ一提升机加速度；ａ一提升机加加速度　图２提升机运行速度图　２．１　全数字调节部分　全数字调节系统在硬件上采用可自由配置的模块结构。　基本模块包括电源模块、ＣＰＵ模块、开关量输人模块、开　关量输出模块、触发脉冲形成模块和Ａ／Ｄ转换模块，各模　块之间通过总线互相连接，统一安装在欧式标准ｌ９时机箱　内。其中，ＣＰＵ模块采用先进的硬件组合“单片机　８０Ｃ１９６ＫＣ＋ＣＰＬＤ”，触发模块也采用“单片机８０９７＋　ＧＡＬ”的硬件结构，两个单片机并行工作。　２．２　ＰＬＣ操作保护、行程监控部分　操作保护装置内含两台西门子ｓ７—３００ＰＬＣ，其中一台　用于提升机操作保护，一台用于提升机数字行程监控。　保护ＰＬＣ主要实现以下功能：执行操作程序，生成开　车信号和方向；实现各种故障保护及闭锁。来自系统各部　分的保护信号直接引人到ＰＬＣ中，ＰＬＣ将其处理后，分为　立即施闸、终端施闸、报警三类，送监视器显示故障类型，　同时控制声光报警系统报警并施闸。　数字行程监控器由ＰＬＣ、两个轴编码器（一个装在驱　动轮上，另一个装在导向轮上）和井筒同步开关（装在减速　点前）构成。两台轴编码器将提升机钢丝绳在线速度和行程　位置转换成脉冲信号分别送人ＰＬＣ中，ＰＬＣ将部分操作信　号、部分保护信号以及设定的一些行程参数与轴编码器信　号结合起来进行逻辑运算处理，自动产生提升机所需的速　度给定信号（即运行曲线），为了尽量减少起动、制动过程　中的机械冲击，提高提升机控制精度，速度给定信号的加　速、减速段为“ｓ”型曲线，减速段行程通过ＰＬＣ实际运　算来调节减速度，以保证其为一固定值，从而保证了停车　点不变和停车点的精度。数字行程监控器的正位精度不大　于２ｃｍ。　操作ＰＬＣ与监控ＰＬＣ之间相互保护、相互监督，并完　成如下功能：　１）紧急控制，在一台ＰＬＣ出现故障的情况下，另一台　能担负起对提升机紧急控制的任务。　２）产生速度包络曲线对提升机的速度进行连续监视。　３）提升机运行试验时，可以更安全、可靠，通过启动　一个试验开关，就可以将井筒长度“缩短”到一个特定预　置的数值，如３００ｍ，提升容器以任何试验速度接近“缩　短”了的井筒端部时，就会使提升机停车，这样，在试验　时，各种保护的效果，以及制动系统的效果，可以得到可　靠的保护。　４）与传统机电系统不同，ＰＬＣ行程监控器可以补偿由　于运行磨损带来的钢丝绳和滚筒直径的变化。具体做法是，　当提升容器位于井筒底部时，靠程序软件来自动完成补偿　操作，因此安全可靠。　需要时，ＰＬＣ行程监控器可以很容易地进行参数的整　定，以适应变化的工况（如变化了的速度，深度等）。系统　程序包括各种速度曲线用于检修时人员的提升。在人员提　升模式下，最高的位置是井口水平。　２．３安全回路　系统的安全回路有两套，一套由ＰＬＣ构成，另一套为　继电器直动回路，可实现ＰＬＣ与继电器的相互冗余。　２．４上位机监视部分　由上位计算机实现人一机对话，它可显示：主回路及　励磁回路、低压系统、提升系统全貌、速度图、力图（可保　留三幅最新画面）、液压制动系统图、生产报表、故障和帮　助等信息。　上述所有画面都是动态画面，它们反映了提升机所有　的运行参数和运行状态以及故障类型和故障发生时间，工　业控制计算机能使司机对提升机的运行状况一目了然，若　发生故障，系统具有第一故障捕捉功能，司机能及时从上　位计算机上了解到故障类型及位置，能及时通知维修人员　排除故障，从而缩短排除故障的时间，提高劳动生产率。　３改造后的经济效益和社会效益　平煤集团十三矿模拟系统数字化改造后，彻底避免了　因系统软故障而中断生产的可能。由于全数字系统的电路　集成化、结构简单、查找故障容易，故障影响时间平均每　月比数字化改造前减少５—６个小时，如按每月减少故障影　响５个小时计算，每小时提煤１８勾，每勾１８ｔ，吨煤价格　按１６０元计算，则年创直接经济效益１２（个月）×５（ｈ）×１８　（勾）×１８（ｔ）×１６ｏ（元）　３１１万元，年增利税３１１×１５％＝　４６．６５（万元）。可见，改造后所获经济效益是十分可观的。　由于改造后的系统可控精度高，工作稳定性好，并设有多　重ＰＬＣ安全保护装置，还可通过转换柜转接到模拟控制系　统，实现相互备用，确保了矿井提升的安全可靠性．同时　ｌ１

　３　维普资讯 http://www.cqvip.com 煤炭　工　程　２００６年第ｌ１期　

浅谈煤矿架空乘人装置中平面转弯机构的设计　

肖公平　（湘潭市恒欣实业有限公司，湖南湘潭４１　１２０７）　摘　要：论文简要介绍了架空乘人装置中水平转弯机构的设计理念，为水平转弯装置的设计　提供了理论依据，该平面转弯装置已在很多煤矿中使用，适用于井下平面内多个转弯巷道的猴车　运行，得到了高度的评价，它不仅填补了国内空白，而且还有很高的推广价值。　关键词：架空乘人装置；零速度上下车；水平转弯；抱索器；抗绳轮；导轨；绳轨分离　中图分类号：ＴＤ５２　文献标识码：Ｂ　文章编号：１６７１—０９５９（２００６）１Ｉ＿（）１１４＿（）３　

０　引　言　近几年煤矿架空乘人装置（俗称猴车）以其爬坡能力强、　运输距离远、投资低、运行及维护管理简单、输送人员既　安全又方便等独特的优势，在煤炭行业中得到广泛的推广　与使用，特别是用在低矮、狭窄、变坡多、弯道多的井下　巷道内，更显其优越性。　煤矿架空乘人装置虽然应用越来越广泛，但是有关的　设计计算资料介绍很少，只有有关的旅游索道及货运索道　的资料介绍，而有关猴车平面转弯装置方面的资料介绍就　更少，尽管平面转弯装置在国外已有应用，但在国内还是　空白。　如果在多弯道的井下猴车能够实现水平面内不摘座椅　人不下车而直接转弯运行，那么它就能减轻上下井工人的　劳动强度，使其能够在多个转弯的巷道中直接运行到终点，　而且还能节约设备投资，即多个弯道的运行　须一套驱动　装置，因此平面转弯装鼍能在矿井内广泛推广应用，将使　猴车更上一个新台阶。　也为其它模拟电控系统的数字化改造创造ｒ成功的范例　取得了良好的社会效益。　４结语　实践表明，改造后的ＡＳＣＳ全数字调节系统与原模拟系　统相比主要有以下优点：①硬件结构简单，故障点少，可　靠性高；②可控精度高，工作稳定性好，安全保护齐全；　③容易实现先进的控制算法；④故障自诊断能力强，大大　降低了使用维护成本；⑤运行效率高，能耗低。改造后的　为了技术上能够和大家一起进行切磋，现谈谈恒欣实　业有限公司在没计水平转弯装置中的一点体会，以供商榷。　ｌ　水平转弯装置的设计理念　在设计水平转弯装置时，我们受到零速度上下车装置　的启发．．现在先来看一看零速度上下车装置的工作原理。　如图１　零速度上下车装置的导轨是由两段互成一定倾角的斜　面构成，底部开了一个能让钢丝绳穿过的长槽，在安装时，　首先让钢丝绳穿过导轨中间的长槽，然后将导轨调到与钢　丝绳成一定夹角口的状态，其工作原理是：在猴车不停车　的状态下，将抱索器放置在导轨上，松闸后，抱索器自动　滑入钢丝绳七，并与钢丝绳一起运行。　零速度上下车装置所需要采用的抱索器如图２，它带有　四个滚轮，左右各两个，顶部内侧装有橡胶垫，如果抱索　器在钢丝绳上，橡胶垫就与钢丝绳接触，由于重力Ｇ的作　用使它们之间产生较大的摩擦力，抱索器就在摩擦力的作　用下随运动的钢丝绳一同前行，如果抱索器落在轨道上，　ＡＳＣＳ全数字调节系统的经济效益和社会效益都有所提高。　参考文献：　［１］　王清灵，龚幼民．现代矿井提升机电控系统［Ｍ］．北京：　机械工业出版社，１９９６．　［２］　何风有，谭Ｉ＝五ｌ俊．矿井直流提升机计算机控制技术［Ｍ］．　徐州：中国矿业大学出版社，２００３．　［３］　顺永辉，等．煤矿电工手册（二分册）［Ｍ］．北京：煤炭工　业｛｝｝版社，２００１．　（责任编辑郑燕凌）　收稿日期：２００６—０８—２８　作者简介：肖公平（１９５８一），男，湖南湘潭人，高级工程师，现任湘潭市恒欣实业有限公司董事长兼总经理，中国煤　炭学会辅助运输学会委员、中国煤炭机械协会会员、中国索道协会会员，取得有关煤矿架空乘人装置（猴　牟）项目的国家专利权二十三项，煤矿用架空乘人装置远程监视监控智能自动化控制系统获国家版权局软　件著作权，并参与煤矿用架空乘人装置的国家安全标准的审查工作，为煤矿架空乘人装置的技术发展作出　ｒ贡献