礦井提升設(shè)備電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

王進(jìn)峰

（山東豐匯設(shè)備技術(shù)有限公司，濟(jì)南 250200）

0 引言

礦井提升設(shè)備是礦用的一種提升煤炭、礦石、升降材料和設(shè)備的機(jī)械設(shè)備，是礦山井下生產(chǎn)時(shí)地下作業(yè)面和地上作業(yè)面相連接的樞紐設(shè)備，是特種機(jī)械設(shè)備的一種，在采礦領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用[1-2]。

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，PLC和變頻器電控系統(tǒng)被逐步應(yīng)用到礦井提升設(shè)備和各類型起重機(jī)設(shè)備上，提升了設(shè)備的控制性能和自動化程度[3-6]。但隨著用戶對礦井提升設(shè)備“自動化”和“智能化”程度的要求越來越高，設(shè)計(jì)人員在復(fù)雜而繁瑣的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中很容易出現(xiàn)某些方面的疏忽，疏忽輕則可能會影響設(shè)備的使用性能，重則可能出現(xiàn)重大安全生產(chǎn)事故。為確保礦井提升設(shè)備電氣控制系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性，本文針對礦井提升設(shè)備電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中存在的問題及關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在原有礦井提升設(shè)備電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究的基礎(chǔ)上，提出了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)及注意事項(xiàng)，并做了具體分析，以供參考。

1 礦井提升設(shè)備控制系統(tǒng)方案框圖

一臺簡單的礦井提升設(shè)備具有三大部分：結(jié)構(gòu)部分（包括機(jī)架、支腿、底座等）、機(jī)構(gòu)部分（減速機(jī)、制動器、卷筒、鋼絲繩、吊具裝置等）、電氣部分（電機(jī)、電控系統(tǒng)、操作監(jiān)視裝置、安全保護(hù)裝置、電纜等）。

在控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要熟悉該類提升設(shè)備各部件的原理，以及整機(jī)所要求達(dá)到的性能和控制要求，包括保護(hù)裝置的設(shè)置。圖1 所示為礦井提升設(shè)備電氣控制系統(tǒng)框圖，根據(jù)框圖對各部分進(jìn)行分解并進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，最終以形成一套完整的電氣控制系統(tǒng)。

圖1 電氣控制系統(tǒng)方案Fig.1 Electrical control system scheme diagram

2 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

電控系統(tǒng)的主要任務(wù)是針對機(jī)構(gòu)的配置實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的安全可靠運(yùn)行，使設(shè)備能夠達(dá)到整機(jī)設(shè)計(jì)的各項(xiàng)性能指標(biāo)和安全指標(biāo)。在設(shè)計(jì)的過程中，必須對設(shè)備的整機(jī)性能深入了解，方能進(jìn)行電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過程中會存在諸多問題，下面著重介紹電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

2.1 超頻與超速開關(guān)控制點(diǎn)數(shù)的匹配

礦井提升設(shè)備一般采用變頻調(diào)速控制，由于礦井深度一般較深，淺的有幾十米，深則上百米，對提升設(shè)備的工作效率要求很高，在空鉤或者輕載時(shí)要求高速，重載時(shí)要求低速，為了達(dá)到這一目的，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)主要是采用變頻器超頻控制的方式，所以在電機(jī)超速開關(guān)配置的配置時(shí)，就需要根據(jù)基頻和最大頻率的兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速值來配備超速開關(guān)，即超速開關(guān)具有兩個(gè)速度的超速控制，做到基頻超速開關(guān)和超頻超速開關(guān)均能起作用，控制制動器閉合，停止機(jī)構(gòu)運(yùn)行，從而有效避免因電機(jī)超速出現(xiàn)事故。

有些情況會用到3～4 倍變頻電機(jī)，比如SIEMENS公司的IPH8 系列電機(jī)，可以將基頻做到15～20 Hz，如果實(shí)際應(yīng)用到3～4倍超頻，其電機(jī)的超速開關(guān)點(diǎn)數(shù)也應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要，配備相應(yīng)輸出點(diǎn)數(shù)的超速開關(guān)。

2.2 雙重提升防溜鉤設(shè)計(jì)

起升設(shè)備的溜鉤問題是影響起升性能的重要因素，一旦出現(xiàn)溜鉤，會引起嚴(yán)重的安全事故[7-8]。為避免出現(xiàn)溜鉤現(xiàn)象，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式是采用帶編碼器反饋的閉環(huán)矢量變頻控制方式，在電機(jī)上配備增量型編碼器，運(yùn)行過程中，變頻器通過編碼器實(shí)時(shí)檢測電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行速度，當(dāng)電機(jī)的速度與變頻器預(yù)設(shè)的速度存在較大偏差時(shí)（一般變頻器速度偏差參數(shù)值設(shè)置為10%），變頻器發(fā)出報(bào)警及故障信號，控制制動器閉合，停止機(jī)構(gòu)的運(yùn)行。

為了更為有效地避免溜鉤現(xiàn)象。除了采用閉環(huán)矢量變頻控制方式之外，在系統(tǒng)中再增加一套防止溜鉤的安全保護(hù)裝置，即在提升機(jī)構(gòu)的鋼絲繩卷筒末端安裝一套卷筒方向脈沖檢測裝置。

圖2所示為防溜鉤保護(hù)系統(tǒng)工作流程。當(dāng)提升機(jī)處于向上提升狀態(tài)時(shí)，變頻器給定的速度通過電機(jī)尾部安裝的增量型編碼器進(jìn)行檢測，當(dāng)變頻器通過增量編碼器反饋的速度與變頻器實(shí)際給定速度值有偏差時(shí)，變頻器發(fā)出故障報(bào)警信號，停止提升作業(yè)，待檢查故障并排除后，控制系統(tǒng)繼續(xù)進(jìn)行提升作業(yè)。與此同時(shí)，通過正負(fù)脈沖檢測編碼器檢測出來的卷筒方向信號傳送至主控制器模塊，經(jīng)過分析運(yùn)算，再與卷筒實(shí)際方向進(jìn)行比較，若檢測到的卷筒方向和實(shí)際操作方向不一致時(shí)，系統(tǒng)判斷當(dāng)前狀態(tài)為溜鉤狀態(tài)，立即發(fā)出控制信號，控制制動器閉合，停止上升動作，并對溜鉤現(xiàn)象進(jìn)行分析并排除故障，故障排除后，重新送電。若檢測編碼器檢測的卷筒方向與上升方向一致，則提升機(jī)上升操作正常運(yùn)行，直至此次操作結(jié)束，完成整個(gè)上升動作操作。

圖2 防溜鉤保護(hù)裝置控制流程Fig.2 Control flow chart of anti-slip hook protection device

通過加裝以上雙重防溜鉤保護(hù)裝置，可以有效地避免箕斗及吊物溜鉤現(xiàn)象的發(fā)生，保障了提升設(shè)備起升機(jī)提升工作的安全。

2.3 新型高度保護(hù)裝置

起升限位保護(hù)裝置的常規(guī)設(shè)計(jì)是在鋼絲繩卷筒尾部安裝機(jī)械凸輪式限位器，進(jìn)行上限位和下限位的保護(hù)。由于礦井深度根據(jù)采礦的進(jìn)度不斷發(fā)生變化，不可能每天實(shí)時(shí)地人為去調(diào)整下限位裝置的凸輪，基于這個(gè)問題，上升限位裝置可以采用常規(guī)的卷筒尾部加裝DXZ 型旋轉(zhuǎn)式機(jī)械凸輪限位來實(shí)現(xiàn)，在下降限位保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)選用時(shí)，就不能采用常規(guī)的凸輪機(jī)械限位的方式，可以考慮采用新型的無線超聲波測距儀，將無線超聲波檢測裝置安裝在箕斗的適當(dāng)位置，圖3 所示為箕斗下限位裝置安裝圖，通過無線發(fā)射當(dāng)前吊鉤距離地下極限位置的距離，安裝在控制柜上的無線接收裝置，接收信號后，傳送到控制柜內(nèi)的PLC 可編程控制器，通過PLC 的運(yùn)算處理，并發(fā)出控制信號，控制箕斗的下限極限高度，從而有效的解決了凸輪機(jī)械限位無法實(shí)現(xiàn)下限位設(shè)置的難題。

圖3 箕斗下限位裝置安裝Fig.3 Installation drawing of downlimit device of the skip

無線發(fā)射測距裝置有多種形式，還無線傳輸?shù)募t外測距裝置、無線傳輸?shù)募す鉁y距裝置等，可以根據(jù)實(shí)際情況選用適合的裝置，從而達(dá)到較好的保護(hù)控制效果。

2.4 PLC和變頻器雙冗余（熱備）設(shè)計(jì)

有些特殊場合使用的礦用起升設(shè)備，其使用頻率非常高，加上采礦進(jìn)度相當(dāng)快，有些情況不允許提升設(shè)備停下來，但PLC 和變頻器等電器設(shè)備在長時(shí)間以及惡劣環(huán)境的使用過程中，難免會出現(xiàn)故障導(dǎo)致設(shè)備停止運(yùn)轉(zhuǎn)，這就會影響采礦作業(yè)流程的連續(xù)性[9-10]。為了解決這一問題，在此類場合的礦井提升設(shè)備電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮PLC 和變頻器的硬件冗余，必須采用熱冗余的形式，尤其是在變頻器熱冗余設(shè)計(jì)時(shí)，需要注意正常變頻器和冗余變頻器輸出端接觸器的切換，以及對應(yīng)變頻器編碼器卡輸出到增量型編碼器之間繼電器的切換。

當(dāng)正常使用的PLC 或變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，操作人員可以直接通過操作面板上的冗余切換旋鈕開關(guān)，將相應(yīng)的PLC或變頻器切換為備用PLC或備用變頻器，使提升機(jī)控制系統(tǒng)不間斷的運(yùn)行，從而保證了設(shè)備運(yùn)行的安全性。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的其他注意事項(xiàng)

3.1 電器設(shè)備的IP防護(hù)等級

礦用起升設(shè)備一般使用在多粉塵、潮濕等惡劣環(huán)境,而且機(jī)構(gòu)的工作級別較高，在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮提高電動機(jī)、控制柜體、制動電阻、安全保護(hù)裝置等電器設(shè)備的IP 防護(hù)等級，還需要注意在控制柜內(nèi)增加溫濕度傳感器和加熱/除濕裝置，確保控制電器元件的正常使用環(huán)境，以延長電器設(shè)備的使用壽命。

3.2 制動系統(tǒng)的監(jiān)測

提升設(shè)備制動裝置在設(shè)計(jì)選型時(shí)，除了保證機(jī)構(gòu)制動要求的制動力矩性能外，還需要在支持制動器的制動器閘瓦上或者安全制動器的制動盤摩擦片相應(yīng)位置安裝磨損檢測傳感器，將反饋信號通過PLC模塊反饋至操作人員監(jiān)控界面，在閘瓦磨損到一定程度時(shí)，發(fā)出報(bào)警及故障信號，提醒操作人員及維護(hù)人員及時(shí)更換，避免安全事故發(fā)生[11-13]。

3.3 人機(jī)交互界面及安全監(jiān)控管理系統(tǒng)

隨著觸摸屏逐步運(yùn)用到特種設(shè)備監(jiān)控領(lǐng)域，有些特別重要的場合，設(shè)計(jì)時(shí)也要考慮增加人機(jī)交互界面及安全監(jiān)控管理系統(tǒng)，監(jiān)控及記錄提升過程與安全保護(hù)裝置的狀態(tài)[14]，提升過程中電動機(jī)轉(zhuǎn)速、電流及電壓參數(shù)監(jiān)控與記錄，限位保護(hù)裝置、超速開關(guān)、重量限制器等狀態(tài)的監(jiān)控，并記錄存儲設(shè)備的所有歷史故障信息，從而使相關(guān)人員處于被監(jiān)督的工作狀態(tài)，可以督促操作和指揮人員提高安全意識、減少或杜絕安全事故隱患，從而有效地減少違規(guī)現(xiàn)象，降低惡性事故的發(fā)生概率。

4 結(jié)束語

礦井提升設(shè)備的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)一定要綜合全面考慮，不但要實(shí)現(xiàn)提升設(shè)備的各項(xiàng)控制性能指標(biāo)，而且要考慮控制系統(tǒng)具備完善的安全保護(hù)裝置，比如在有些礦井設(shè)備的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，還需要考慮能量回饋系統(tǒng)、卷筒鋼絲繩防止斷繩保護(hù)系統(tǒng)、機(jī)構(gòu)及結(jié)構(gòu)件的壽命監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)等。所以要求礦用提升設(shè)備電控設(shè)計(jì)人員在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，要根據(jù)具體實(shí)際情況、安全要求等幾個(gè)方面綜合考慮，制定合適、完善的控制方案，以確保礦井提升設(shè)備安全、高效、可靠運(yùn)行。