阳煤三矿副井提升机电控系统的改造研究

王 鹏

（晋煤集团晋圣矿业投资有限公司， 山西 晋城 048000）

1 项目概况

阳煤三矿副斜井年工作日为330 d，日提升10 h，井筒斜长为761.52 m，坡度为25°，井筒断面面积为7.29 m2，并下井上均为平车厂，双钩提升。副斜井负担全矿矸石、小型设备、材料等的运输提升任务，已安装运行一台2JK-2.5/20A型双滚筒单绳缠绕式提升机，滚筒直径为2.5 m，宽度为1.2 m，提升速度为3.85m/s；天轮型号为TXG-2000/15.5，直径为2 m，配JR1410-10型绕线式异步电机，功率为250 kW，电压为660 V，转速为588 r/min；一次可提升3辆1 t、600 mm轨距的矿车或9 t大件设备。副井提升机最近常发生安全故障，导致了人员伤亡和财产损失，分析其原因主要是电控系统存在不足，设计上有安全隐患，因此针对这一情况阳煤三矿对副斜井的提升机电控系统进行了安全改造。

2 电控系统改造的总体设计方案

本次阳煤三矿副井提升机电控系统改造共四大部分：全数字调速系统、网络化操控系统、网络化监控系统、信号系统。全数字调速系统采用ABB公司ACS800系列的全数字交直交DTC控制变频器，该变频器配置供电单元，适用于能源可再生的传动场合，相对于其他制动方法更加节能，能量可再生。网络化操控系统采用西门子S7-300双PLC控制，可以实现提升机提升工艺控制及双线程位置速度保护，安全性和可靠性得到了提高。网络化监控系统采用台湾研华工控机，配大屏幕真彩液晶显示器，可以实现多画面实时监控。信号系统采用西门子远程I/O站模式，和主控PLC共同编程，联锁联动。

3 网络化操控和监控系统的设计与选型

改造后的副井提升机电控系统采用S7-300PLC为主控PLC，另1套S7-300PLC作为从属保护，利用现场总线形成主从控制模式。系统在PLC分站上采用总线连接方式，提高系统可靠性和安全性，现场总线控制系统、操作台远程I/O、上位工控机构成提升系统的网络控制系统。

3.1 控制保护的PLC设计

主要配置：控制保护PLC选用S7-300PLC，作为主控制PLC的从站。主要功能：从PLC根据外部冗余输入的有关数字开关量、模拟输入量、光电编码脉冲等信号进行逻辑运算，同时监控提升机的启动、运行、停车等整个提升过程的运行状态及保护状态，以实现两台PLC相互冗余控制及冗余保护。

3.2 安全回路的设计

安全回路中（安全回路、电气停车回路、闭锁回路）集成了所有的危及人或物安全的故障信号。主要包括高低压电源断电、直流快开跳闸、主回路过电压或接地、电枢过电流、励磁回路失电源、过电流、磁场失磁、传动系统故障、监控器失效保护、提升容器过卷、等速段过速、减速段过速、接近井口速度超过2 m/s保护，反转保护、钢丝绳松动、急停保护、制动油过压保护、编码器失效保护等严重故障。当存在相应故障时信号触发了安全回路，则可以实现提升机的安全保护。

安全电路除了由双PLC软件形成软安全回路外，还有继电器接点串联构成硬件安全回路，直接作用于紧急停车、软硬冗余的多条安全电路使得提升系统的安全性、可靠性大大提高。安全回路中对影响提升机运行的关键信号均采用多重保护，互为监视。轻重故障具有声光报警或预报警[1-2]。

3.3 全数字智能监控器的选用

在本系统当中，应用了全数字智能监控器及相应的软件系统，主要特点为：提供提升机全行程保护，即速度监控和位置全程监控；双速度包络线，即可提供1条115%和1条110%速度包络线。

全数字化智能控制系统具有记忆功能，提升机可以对实际运行的参数进行自动记忆、保存，后期可以自动提取，并对运行情况进行判断推理，作为实现保护动作的依据。同时软件设计过程中应用先进的算法，简化了程序，提高了运算速度。数字行程监控系统是监测提升机容器在井筒中准确位置的基础上，自动跟踪生成提升包络，主要完成松绳、过卷和超速等判断，实现提升全过程的位置、速度监控。

本电控系统提供两套数字式行程控制器，正常情况下他们互相监视，故障情况下互为备用。重要的行程位置（如过卷位置）除采用行程开关实现外，还在PLC程序中设置一套软行程控制。

3.4 司机操作台的设计

司机操作台配置的PLC、直接采集控制信号和主控PLC形成冗余控制，保证控制执行正确，同时通过2套PLC共同进行提升机运行数据采样，可以形成对保护功能的冗余，在个别地方可以形成多重保护，从而达到《煤矿安全规程》规定的双线制保护要求，对提升机的保护更加安全可靠。重要的操作信号和组成的报警信号均可在操作台上的信号板显示出来，保证在没有上位机的情况下仍然可以正常操作。

3.5 制动液压站控制系统的设计

控制系统设置两套闸控环节（软件与硬件冗余），即外部继电器回路和内部PLC同时控制制动闸液压站，包括安全制动和工作制动，其中工作闸可实现PLC自动施闸和司机用手柄手动施闸。液压制动系统接受来自本提升机电气控制系统的信号，并给电控系统发回相应的动作信号。提升机电气控制系统与液压制动系统协调一致，处理各类信号。

3.6 上位监控系统

配置：P4系类，主频3.0 GHz，硬盘200 GB、10/100/1000 Mb/s自适应网卡；显示器为21寸LCD；打印机为A4惠普打印机；上位机选用名牌工控机和彩色终端，与主控PLC连接，实行人机通信。工控机和彩色终端及打印机组成上位机监控系统，实现对副井提升机运行的远程实时监控。

4 传感器配置的改造

4.1 配置速度和位置传感器

在本次电控系统的改造过程中，速度和位置传感器采用德国进口高精度轴编码器，进行速度反馈和位置测量，整个系统共安3只轴编码器，其中主轴2只，进行两套PLC位置测量并相互检测，方便对提升机进行全程的速度、位置检测和保护，高速轴安装1只，进行速度反馈，所提供编码器均为进口产品，特别适用于煤矿井下恶劣的工作环境当中。

4.2 配置过卷开关传感器

安装在井筒内的上、下过卷开关是结构简单、动作可靠的无工作电源的开关，该开关不带自复位功能。要求所有井筒开关都必须具有“MA”标志，满足防爆要求，KXT7型矿用多功能提升信号装置采用PLC控制，主信号、备用信号相互独立，备用信号满足应急开车条件信号系统组合在现场总线中，每个水平的信号是一个远程分站，水平信号工的操作信号经由总线和主控PLC交换信息，井口PLC系统和现场总线联网。该设计能有效降低信号的误传率，提高信号传送的准确性，同时井下信号电缆的投资成本得到了大幅度降低[3-5]。

5 液压制动系统和润滑系统的改造

改造后副井提升机为电控系统配置一套先进的低压液压站，更换原有液压站，其主要作用：为盘形制动器提供不同油压值的压力油，以获得不同的制动力矩；事故状态下，可以使制动器的油压迅速降到预先调定的某一值，经过延时后，制动器的全部油压迅速回到零，使制动器达到全制动状态；液压站可以供给控制单绳双筒矿井提升机调绳装置所需要的压力油。

在本次的改造方案当中，为润滑站更换两套油泵，泵电机参数为380 V、2.2 kW，正常运行时润滑站压力为0.35 Pa，润滑泵进出口管径均为18 mm。

6 结语

阳煤三矿副井提升机电控系统经以上改造，机电控制系统实现了微型化，提高了继电保护动作可靠性，故障由上位机及时监控显示，便于维护及故障查询，同时提高了维护人员、操作司机的作业效率，能够更加熟练地掌握设备性能结构、工作原理。当前改造后的提升机已运行一年之久，在这过程中设备运行稳定，无安全故障发生，有效保证了提升机运行安全，设备运行正常，完成了全矿斜井的运输任务，实现了煤矿生产运输自动化。