郭三军 安文举

摘要：矿井提升机运行的运行效率、安全性、可靠性至关重要。本文研究探讨并实践应用了理想S形速度曲线对矿井提升机的作用及给定方式，采用先进的PLC控制技术取代传统、落后的机械式行程监控器系统，建立了一种理想S形速度曲线数学模型来进行提升机速度检测与控制;完成逐点速度监控和速度连续监控，进而采用双速度包络线，对提升机整个运行过程进行全行程的速度测控保护;对滚筒钢丝绳滑动、提升机过卷等多种故障进行监控，不断检测提升机滚筒，完成滚筒直径自动校正;采用故障树方法对提升机系统故障进行分析监控;从而保证矿井提升机可靠、安全、准确运行。通过在现场6台提升机的工业应用，验证了提升机采用数字监控后，较好地保证了运行效率，实现了准确控制，系统运行安全，稳定可靠。

关键字：矿井提升机;数字监控;S形速度曲线;故障监控故障树

中图分类号：TD534 文献标识码：A   文章编号：1671-2064（2019）17-0000-00

0 引言  

矿井提升机是矿山生产过程中的大型关键设备，用于矿石、设备、物料和人员在地表井下的上下运输，是井采矿山的生产绝对卡脖子关键环节，人命关天，是矿山安全和生产管控的核心，素有“矿山咽喉”之称。因此提升机的安全监控技术的研究与应用是其能够安全运行的前提和保证。   受现场条件约束，用于提升机安全监控的电气检测元件安装在环境恶劣的井筒中，及其容易遭受受潮和重物坠落打击。一旦检测控制失灵将导致设备减速异常，控制失误失灵。此时提升机将可能高速使出上、下限定位置，冲击井塔或者坠井，造成重大事故^[1]。金川集团公司龙首矿潜心钻研，通过摸索研究应用速度数字监控系统，在文献[2] “矿井提升机数字监控器的研制”的基础上，做了大量深入研究，进一步深化拓展，把提升机位移（行程）作为一次变量，按照位移控制设备速度，通过数字监控器给定速度控制包络曲线，做出与提升位移和速度有关的各项保护，防范提升机失控事故^[2，3，4]，针对系统运行过程中，容易发生开闸溜灌、制动失灵、其他潜在容易发生较大故障等情况，采取了对应安全措施。先后在金川集团公司龙首矿六台提升机成功应用。

1 研究内容

通过编码器、位置开关等对提升机运行参数、状态检测，数字监控器进行运算监控，并和主控系统实时交互信息，协同控制。达到系统安全控制快、准、稳的效果。提升机监控系统如图1。主控和监控均采用S7-400 PLC。

2 系统研究与应用

2.1常规机械式监控器使用情况

传统的提升机机械式深度监控器，通过井筒检测元件和机械装置实现矿井提升机的安全检测、保护和控制等。受使用环境和检测设备、运算性能，以及机械设备自身缺陷导致可靠性和准确性不太好的影响，逐步被数字监控器淘汰。

2.2 速度控制

提升机主控PLC把速度作为被控对象（参数），和数字监控器PLC协调工作。速度控制有两种函数方法。

（1）一种是以时间作为变量，v=f（t），由于有静态和控制误差等不利因素，对设备效率和安全性产生不良后果，因此不再采用。

（2）另一种大量采用的是以位移（行程）为变量v=f（s）。当速度、速度变化率出现偏差，能够迅速调控补偿消除误差。

（3）金川集团公司龙首矿采用S形速度给定曲线。S形速度给定曲线由梯形图曲线优化而来，由计算机斜坡函数发生器计算出给定速度Vg，控制设备按照要求运行^[5，6]。

2.3 提升机行程-速度控制特点

（1）通过位置校正和设备位移的给定控制，及时消除位移、速度和加速度误差。保证累计值在误差范围内。

（2）速度的无突变优化促进了提升机扭矩和变流器电枢电流平滑过渡，有利于对变流器元件保护，降低了对电网冲击和对提升机的机械冲击。

（3）即使加速度连续变化，拖动力矩及速度也不会突变，降低了反超调的速度冲击引起的振荡程度。

2.4 矿井提升机数字监控器测控的应用

（1）提升机数字监控器作为后备保护，设定110%和115%速度包络线及超速5%报警包络线，把速度作为被监控对象。保证设备速度按照给定的速度曲线，实现速度全行程曲線包络监控运行。

（2）依据提升机设计参数、位移和各个位置点数据、以及设备运行的起步提速、恒速运行、减速、爬行、制动停车节点，结合岗位人员操作命令，把速度给定值、提升速度包络曲线及提升机最大速度、加减速度、最大行程等参数计算并进行设置。设备投运后，在线计算速度值给定Vg =f（s），按照预设的加、减速点，结合行程s，计算机在线控制设备在各加减速点的运行变化^[7，8，9]，如图2所示。

（3）滚筒轴编码器测速后，经过井壁位置同步开关自动校正，获取提升机行程s和提升机速度v1。与导向轮轴编码器测速v2相比取大值，既可得到实际运行速度v。

（4）在提升机预先设定的相关保护规则基础上， 结合行程、速度和变量给定，通过监控器在线运算控制，实现相关各种综合保护功能^[10]。图3为数字监控器工作流程：

3.1 提升机数字监控器系统硬件

在金川集团公司龙首矿新1#主井、新 2#大小罐、盲井、混合井六台提升机都采用了西门子S7-400PLC;FM 350-1智能化的单通道计数模块;SM321、SM322系列输入输出模块;GP触摸屏; LF-204.8BM-C24E增量式光电编码器。PROFIBUS-DP构成提升机数字监控器的网络控制系统。

3.2提升机数字监控器程序软件

系统软件包选用STEP7 V5.2，采用梯形图（LADDER）和语句表（STL）组态，完成逻辑和过程运算控制。数字监控器主要功能作为后备保护使用，做到自诊断保护，精确检测控制各个关键节点和位置，与提升机主控PLC数据交互比较，对速度和位置全程协调监控保护。

3.3编码器

光电测速编码器是提升机非常重要的检测元件，矿井提升位置、速度要通过编码器实现测控。要求其质量可靠，测量精准，响应快速无滞后。為了保证可靠性，除在滚筒和导向轮各安装一只测速外，还在滚筒再装一只监视用编码器^[11，12]。以金川集团公司龙首矿新1#提升机为例，关键参数见表1。

3.4触摸屏工艺图组态

触摸屏GP2500-SC41-24V软件采用专用的动画制作软件，组态相关工艺图^[13]，如图4。

4 数字监控器的其他功能

4.1 提升机钢丝绳在滚筒上的滑动监控 

把分别安装在滚筒和导向轮的两只编码器检测的速度比较，偏差超出限度，认定钢丝绳在滚筒上滑动发生故障，如图5所示。此外分别检测滚筒码盘所计的行程与行程差，进行判断，作为两个码盘之间的互相监视。

 4.2 提升机过卷监控

首先对提升机设置硬件检测过卷开关，通过该开关实现检测保护。其次滚筒的行程编码器和监视编码器以及导向轮编码器分别独立监视提升机罐笼过卷状态^[2，14]，如图6所示。

 4.3 速度逐点监控 

自减速点开始，在井壁上逐段安装4-5个位置检测开关，分别相对应各自预定的最大保护速度，如图7所示。提升机全自动运行时，通过检测开关测控设备速度不能超过最大保护速度，否则过速，保护动作。

4.4 速度的连续监控 

数字监控器检测判断设备运行速度是否超过给定速度包络线，通过数字监控器测控，保证设备速度控制在连续监视包络线范围内，如图8所示。

 4.5 位置同步

把安装在井壁的同步开关的位置深度与监控器计算的位置深度值比较，如果误差相对大，则把位置深度值直接给定到监控器，完成自主校正。

4.6 制动闸监测和滚筒自校正

（1）提升机安装了制动闸检测传感器，对闸盘磨损、间隙、偏摆，闸盘温度、压力，弹簧疲劳和动作进行在线检测，通过计算机运算，实现实时精确监视。

（2）开发滚筒直径和井筒深度值的检测和自校正功能。用第一个行程的脉冲数作为基准，判断比对更换衬垫前的脉冲数。通过给定信号使能，把反算的实际滚筒直径置入计算机，用于深度和速度计算^[2]。如图9所示：

（3）PLC对于滚筒每运转一圈都进行检测、分析计算，对滚筒的直径进行自动校正，从而使脉冲对应的深度值更为准确。达到准确测算提升机罐笼所在的位置，在设备系统运行过程中实现自动校正。

（4）此外滚筒衬垫磨损达到一定程度后，会造成滚筒直径误差，系统通过分析判断，进行滚筒直径磨损提示，方便岗位人员及时检查更换衬垫。

5几种重点安全问题的破解

5.1 设备启动开闸溜灌

（1）系统启动设备开始运转时，如果制动闸立即打开，极易发生溜罐、跑罐等危险情况。对液压制动站开闸根据电枢电流进行联锁，设置条件限定。在一定的时间（几十毫秒）范围内，电枢电流达到一定的数值，提升机达到必要的力矩时，才打开制动闸盘^[15]。

（2）系统设计并投入了闸失灵保护，添加提升容器系统反向运行、错向等保护功能。

5.2提升机制动闸盘动作失灵保护

（1）当系统没有运行，没有接到任何开车指令操作的情况下，设备有运转情况发生。如果数字监控器PLC检测到设备有运行情况，并且达到一定的转速时（大于等于0.04m/s），PLC系统迅速给定励磁全电流，并施加反向电枢电流，给设备一个反向力矩快速制动，强迫提升机减速，使得转速降低为零^[15]。

（2）PLC一直不停地检测监控并反向制动，确保设备不能运转;同时系统进行报警，提醒岗位人员迅速反应，进行检查分析和故障处理。

（3）变流器电枢电流的反向制动，与制液压站闸盘制动控制相互独立，互不影响，实现在制动闸盘失灵的情况下有效地控制卷筒转速，避免发生设备失控冲顶或坠井的危险。

5.3制定提升机系统安全应急处置措施，启动应急预案