关键词：矿井提升机，系统改造
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
澄合矿业有限责任公司主井提升机是由西安煤矿设计院设计，上海冶金矿山机械厂生产，上海电气成套厂配套电控的JKMD-3.5×4型低速直联落地式多绳摩擦轮提升机。提升机电控部分由直流电动机、同步机、直流发电机组、润滑油冷却系统、强迫通风系统、直流电控及交流辅助机组等组成。系统采用发电机、电动机直流拖动系统，即F-D系统。
随着使用年限和原煤产量的不断提高，原有电控系统存在的弊端日益暴露。调速系统采用双拍磁放大器——电机扩大机二级放大，速度闭环调速系统。由给定积分器送来的给定信号，加到双拍磁放大器的给定绕组，经放大后供给电机扩大机的给定绕组，经再次放大后供给直流发电机励磁绕组。发电机与直流电动机组成F-D拖动系统。
给定部分采用时间给定、行程校正的方式（即在一定行程上设置第二减速点）。这种方式的缺点是不能保证按照速度图的要求准确运行，特别是在减速段，因其积分作用可能产生较大的路程-速度偏差，或提前进入爬行速度，或使停车末速度过高，有可能超过安全允许的2m/s，这一点在副绞运行中显得更为突出，从而导致对提升安全造成极为不利的影响。
行程给定部分的主要原理是利用提升机的主轴通过变换链轮和杠杆轴、凸轮轴带动一系列杠杆、凸轮桥，相互作用推动一系列开关，通过开关的通断，在提升机运行过程中给出第一减速点、第二减速点、停车点、过卷保护等位置信号，以便进行控制和保护。这种方式由于采用机械传动，凸轮桥与开关相互碰撞的原理，所以，实际运行中经常出现机械磨损，开关动作不可靠，尤其是当减速点信号不能准确发出时，就能造成减速段不减速的后果。
调速系统的速度反馈信号是通过和提升机硬连接的测速发电机获得测速反馈信号，加到磁放大器速度反馈绕组，按负反馈接法，和给定信号进行综合比较，构成速度负反馈环节。根据多年来的运行情况发现，速度反馈控制回路中的部分电阻时常发生阻值变化（夏季较明显），以及控制继电器受环境影响易出现触点接触不良等，使得提升过程中出现速度和电流不稳甚至出现超速的现象，更为严重的是，曾出现过因测速发电机的聚氨酯传动轮脱胶、打滑而造成“飞车”的后果。
其次，提升机的同步机、发电机机组启动方式采用6KV少油断路器串电抗器降压启动，由于频繁启动，对电网和设备的冲击较大（启动电流大于400A），断路器需经常解体检查更换触头和变压器油或更换总成。
该提机电控系统自1988年12月投入使用以来，虽然能基本满足生产的需要，但仍然存在效率较低，耗电大，安全性能不高，可靠性差，噪音、维护量大等缺点，每年维护费用数万元，且需大量的检修时间，特别是发电机转子绕组在运行的十五年中曾多次发生升高片与并头套处脱锡开焊和烧坏换向器及绕组的事故，直接影响矿井的安全生产，造成较大的经济损失，老系统已无法满足矿井正常生产和安全的要求，因此对其实施更新改造。
2 数字化网络化的电控系统改造方案
数字化直流提升机电控系统由PROFIBUS-DP现场总线网络结构组成。其主要包括：传动部分由ABB的DCS600全数字晶闸管整流控制单元等组成;上位机为研华工控机，安装WinCCV6.0工控组态软件作为监控软件;主控和行控由1台西门子S7-300PLC完成，另1台S7-300 PLC完成监控任务。另外包括触摸屏，操作台，继电器安全回路，高低压配电系统、变压器、电抗器、直流快速断路器和轴编码器等。具体系统配置见图1所示。
图1 提升机电控网络结构图
全数字化的控制系统的调速控制单元选用ABB的DCS600全数字直流传动控制单元，该控制单元是新一代的全数字化产品，具有很高的智能性和优良的静、动态性能，可靠性高，调试维护方便，其主要特点为：采用16位微处理器和12位的A/D与D/A芯片，具有快速的信号处理能力和软件管理能力，调节与运算的精度高，工程适应性强。电枢电流、励磁电流、速度自动调节控制，保证优良的控制性能。具有电流自适应和速度自适应功能，可预设速度基准值、电流限幅值等参数，并可限制加速过程的冲击，保证系统有良好的稳定性和精度。具有抑制机电共振功能，以及多种补偿功能。具有多种故障自诊断及故障按顺序记忆与故障性质的记忆功能，便于维护及故障排除。监视和保护功能包括主电压过压、欠压、相序错，电枢过流、过压、电枢电流波动较大，励磁过流、过压、欠励磁，电机过载、堵转等。各控制参数可通过计算机或操作盘在线或离线整定、修改、存储或调用，并可防止所整定参数的意外改变。系统具有多种通讯接口，以及良好的人机对话及全屏幕显示软件控制结构，使调试与参数整定十分直观方便。具有多个输入、输出端口，用户可通过可编的I/O端口测量、控制系统运行。
全数字直流调速控制装置还包括晶闸管整流装置，以及与其配套的直流电动机、电枢整流变压器和励磁整流变压器、直流快开、电抗器等构成磁场恒定，电枢可逆，串联12脉动传动方式，可进行12脉动与6脉动之间的转换，实现全载半速运行。
数字化网络化提升机电控系统控制部分主要由两台西门子S7-300 PLC，远程I/O以及控制电器等构成，完成提升行程速度控制、系统操作、监视、保护等功能，对调速装置、制动设备、辅助机组等设备进行协调控制，实现提升机按照各工况要求正常运行;同时实现对提升机和系统设备的状态和故障的监测，识别故障和故障类别，进行报警和显示，并根据故障的类型实施相应的控制。提升行程速度控制主要由行控PLC实现，主要完成以行程为变量的S型曲线速度给定控制，并和监控PLC构成双线制监视和保护。传感器采用意大利ELTRA公司生产的增量式轴编码器，控制精度高，采用5位10进制KP值进行行程计算和行程校正，可确保行程测量精度≤±0.01m，从而保证提升机无论是空载和重载运行，均可按照速度图的要求准确运行。
电控系统的安全控制回路由两台PLC共同实现，构成双线制安全回路，同时将过卷、电源故障、调速装置故障等重要故障直接构成继电器安全回路，从而构成多重安全保护。根据故障的性质和危及程度，分为四类故障，一类故障：发出声光报警，系统立即实施安全制动，抱闸停车。二类故障：发出声光报警，系统立即实施电气制动，按电气制动减速度减速，当速度降低到1m/s时，实施安全制动，抱闸停车。三类故障：发出声光报警，允许一次提升循环结束后再停车，并进行闭锁不允许下一次开车。四类故障：只进行报警。系统设备和运行状态及故障分别由安装在操作台仪表盘上的指示灯和上位机的显示屏来显示，仪表盘内装设报警器，故障时进行报警。
系统设备运行状态监视也由两台PLC以及调速控制单元等共同实现，构成多重安全监视。系统采用相关的测量和传感器构成各类监视信号源，这些监视信号经变换隔离输入主控PLC1，与安全有关的信号同时输入到监控PLC2，两台PLC采用专门编制的监视程序，来实现对设备和运行状态的故障记忆，第一故障采集，并实现报警和显示。
为了保证系统的可靠性，提高控制电源的性能，系统采用了一台2KVA的隔离变压器为系统中的控制电源供电，并配置了一台2KVA的不间断电源（UPS）为系统中的重要控制单元供电，当主电源故障时可自动转换，使其供电不中断，不受外界干扰，一直到提升机停车和抱闸。另外，系统在控制电源、输入输出信号和数据通讯等方面采取了综合抗干扰措施，电磁兼容性设计合理，机构布局周密可靠，确保系统的工作可靠性。
另外系统的运转状态可分为：提煤、提人、下特材、检修、应急。控制方式可分为：自动控制、半自动控制、手动控制、检修运行控制、慢速运行控制、应急运行控制、停车点旁路运行控制、过卷旁路运行控制、调闸控制（调试液压站或闸间隙）、闸试验控制功能及6脉动应急运行控制。
系统采用工业控制计算机和通讯组件构成上位计算机监视系统，使用WinCC监视软件，实现对提升机运行和设备运行的状态进行监视，并进行状态和参数的显示、存储记忆，以方便使用维护、故障处理以及对系统的管理。
考虑到提升机电控系统在煤矿生产中的重要性，特保留老系统，设计了转换装置，新老系统可通过此装置对公用的直流电动机、液压站、通风机等辅机及信号系统进行切换，以保证新老系统互为备用。转换包括主回路转换和辅助机组的转换以及控制和监视信号的转换。
系统高压配电选用了两台KYGC-Z型高压开关柜，断路器采用真空断路器，电动操作机构，操作方便，对电网的冲击小。开关柜具有过流、短路、接地等保护，并具有“五防”功能。
3 结语
系统经调试投生产8个月以来，运行平稳可靠，调速性能好，提升效率高，各项保护灵敏可靠，维护量明显减少，在做好设备日常的巡视检查和保持设备卫生等工作后，至今尚未出现异常情况。特别是新系统的节能效果尤为显著，据统计，截止今年8月底，与老系统相比较，共计节电40多万kwh，取得较好的经济效益。
参考文献：
[1]王朝晖，王安山 .矿井提升机系统新技术及装备 .煤炭工业出版社 .1999，3
（转载）
