主立井提升機余煤監視功能

寇磊

（陜西延長石油巴拉素煤業有限公司，陜西榆林 719000）

1.巴拉素煤礦主井提升機概況

陜西延長石油巴拉素煤業有限公司主立井提升系，采用直連式多繩摩擦式提升機，裝備兩對45t立井多繩提煤箕斗，配備兩套提升系統擔負全礦井煤炭提升任務。提升機由ABB公司生產的JKM-5×6塔式多繩摩擦提升機雙系統提升。井筒直徑為9.6m，提升高度為580.35m，主電機功率為6700kW，最大提升速度為12.57m/s。傳動系統選用ABB公司ACS6000變頻器，制動系統采用ABB公司生產的兩套恒減速液壓站[1]。

箕斗名義載煤量45t，本體高度22300mm，箕斗與配重總質量（包括滾輪罐耳、首尾繩懸掛裝置）68t。提升設備各選用52 ZBB 6×28T+FC 1570 SS 1950 1117 EN12385-6型進口鋼絲繩3根，52 ZBB 6×28T+FC 1570 ZZ 1950 1117 EN12385-6型鋼絲繩3根，每根長680m，總質量45t。平衡尾繩選用206×33 ZAB PD8×4×19+FC 1370 2880 1950 GB/T20119-2006型扁鋼絲繩2根，177×28 ZAB PD8×4×19+FC 1370 2120 1420 GB/T20119-2006型扁鋼繩2根，每根長度625m，總質量45t。

2.余煤監視功能基本原理

在雙箕斗提升機的運行過程中，箕斗兩側的質量在設計時是按照基本平衡的原理設計的，余煤監視的基本原理就是信號裝載噸位值與實際力矩測量噸位值的差值即為箕斗的余煤量。這其中涉及兩個主要噸位值，其一新虞信號系統傳輸到ABB AC800M PLC控制系統中的實際裝載噸位T1；其二為ABB主控AC800M PLC系統根據主提升電機實時力矩值計算出的提升噸位T2。這2個噸位數據相減（T1- T2）得出的數值即為余煤量，如果新虞信號系統傳輸的噸位數據減去ABB PLC控制系統計算的噸位數據值大于設定保護值，就產生一個CAT 1類電氣減速停車的故障，提升機雖即開始按照正常的減速度0.7m/s2減速，直到提升機速度減到為零，硬件安全回路斷開，提升機跳閘，上位機報提升機余煤故障。

3.余煤監視功能誤差分析及設定保護值

有兩部分的原因會造成ABB PLC系統的計算誤差，一部分是提升鋼絲繩和尾繩的單位質量差引起的鋼絲繩的總質量差，另一部分是風阻和整套系統的摩擦力所產生的額外的計算誤差。

3.1 鋼絲繩引起的計算誤差

鋼絲繩最大總質量差等于尾繩和首繩的單位質量差乘以6（繩根數）再乘以井深580m。設計院在進行提升機設計的時候的原則是這個質量差是越小越好，在設計時默認是按照首繩和尾繩的單位質量差為零來設計的，但在鋼絲繩的選型和生產過程中基本不可能產生質量差完全為零的情況[2]。提升機在長期運行過程中，鋼絲繩因受力較大存在出油或磨損情況，提升鋼絲繩質量會有減輕情況，尾繩在運行過程中會附著上大量水和煤泥，提升鋼絲繩和尾繩的質量差構成了雙箕斗提升機往返運行過程中的主要質量差，通常這個數據通過低速運行提升機，計算提升機在接近井口和井底的時力矩差值即可計算出這個質量差。如圖1和圖2所示即為提升機在井底和井口時的力矩曲線和力矩值，井口減去井底的值為182-121=61kN·m，根據力矩和質量換算公式

圖1 井底時力矩值182kN·m

圖2 井口時力矩值121kN·m

即可計算出質量差值為2.5t。

3.2 風阻和摩擦力引起的計算誤差

提升機在井筒中運行的風阻計算公式如下F=A·Cw·V2（A為箕斗的橫截面面積，Cw為風阻系數，V為箕斗運行速度），由于箕斗運行時的Cw風阻系統不好測定，我們使用力矩測定法來測量風阻的大小，同樣由于整套提升機系統的摩擦力和風阻一樣都是阻礙提升機運行的力，所以下面進行的測量測出的力矩既包含了風阻又包含了系統摩擦力。具體測試方法為將兩側箕斗徹底卸空，然后將提升機設置為自動運行模式，防止人為操作帶來的力矩波動誤差，運行速度設置為最大速度12.57m/s，這時打點開車運行一個往返。記錄提升機在井筒之間位置的力矩值，之所以在井筒之間位置主要是為了排除兩側鋼絲繩質量差引起的誤差，2個力矩值最后相加取平均值既是我們要的數據。下圖圖3和圖4是提升機在12.57m/s運行時所采集的曲線，下放時為44kN·m，上提時為56kN·m，之所以兩個數值差距比較大是因為箕斗中遺留了少量煤導致，因為最終要加權取平均，所以這個誤差會在加權的過程中抵消掉，不影響最終的結果，根據公式即可計算出質量差值為4.1t。

圖3 12.57m/s下放時力矩值44kN·m

圖4 12.57m/s上提時力矩值56kN·m

3.3 余煤監視功能保護設定值

最終兩部分誤差相加為2.5+4.1=6.6t，這個值是額外增加的噸位值，不是實際由煤重產生的力矩噸位，最終的保護值要增加這部分誤差，另外提升機額定負荷為45t，自動模式下按照10%的余煤保護來設定，保護值是4.5t，最終的程序保護值設定在4.5t+6.6t=11.1t。手動模式下按照15%的余煤保護來設定，保護值是6.8t，最終的程序保護值設定在6.8t+6.6t=13.4t。

3.4 余煤監視功能程序設置

主控系統采用ABB AC800M PLC用于提升機運行過程控制，信號系統采用西門子S7300PLC輔助ABB主控系統完成提升運輸工作[3]。信號系統將裝卸載控制過程和裝煤量等參數通過PROFIBUS通訊和硬線與提升機主控系統進行連接，實現提升和裝卸載全過程監測控制。將裝載定量斗稱重數據放置在MW20，并將MW20數據轉送至PQW26，將PQW26中的數據通過PROFIBUS通訊法式發送至提升機房信號PLC，由PIW46接收PQW26數據，完成裝載定量斗稱重數據傳輸至提升機房信號控制系統。將PQW26稱重數據轉送至MW70，由S7模擬量模塊將數據轉換成4mA～20mA電流信號，通過硬線連接將數據傳輸至提升機主控系統AC800M PLC。

實際提升力矩參數PayloadTorque的值與XHPayLoad值進行差值比較，所得參數PnCoalLeftWt值與手動模式下保護參數TpCoalLeftWt設定值13.4和自動模式下保護參數TpCoalLeftWtAUTO設定值11.1進行差值比較，計算差值大于保護設定值5s后提升機報余煤故障。

3.5 余煤監視功能畫面及語音提示

ABB提升機人機界面中設置自動和手動狀態下TpCoal LeftWt和TpCoalLeftWtAUTO 2個余煤參數的實時顯示，用于提示操作人員對箕斗余煤值的觀察，設置余煤故障提示畫面，在余煤值大于保護設定值后狀態由空表顯示為紅色以示提醒。過程畫面故障紅色指示連接語音報警，當余煤故障由空表轉為紅色時，啟動語音報警，以達到聲光報警功能，讓操作人員在視覺和聽覺上能夠迅速對提升機運行情況進行判斷，并根據故障指示做出正確的處理法方。將余煤故障畫面接入旁路控制回路，便于操作人員對余煤故障進行旁路和復位提升機安全回路[4]。

4.余煤保護故障處理

系統檢測到余煤故障后會電氣減速停車并報余煤故障。這時需要復位提升機，重新打點反向運行，把箕斗提到停車位，再次檢查卸載掉箕斗中的余煤如遇大塊矸石卡在箕斗卸載口，作業人員對箕斗進行檢查時也能夠及時發現并進行處理，確保箕斗內沒有遺留物后，提升機方可恢復正常。

5.余煤監視功能保護測試

在設計時考慮了這個余煤保護測試的需要，在程序中增加了余煤保護測試功能，并且測試安全、簡單、方便。提升機裝入大于保護值的煤重，先上提裝完煤的箕斗到井中間停車，再打點箕斗下行，主控PLC檢測到余煤后電氣減速停車，上位機報余煤故障，保護測試成功。

6.余煤監視功能應用效果

在余煤保護功能投入后，經過實際運行檢驗和保護測試都達到良好效果，有效避免了因箕斗余煤而導致的二次裝載引起的提升機大負荷過載，大大降低了箕斗、鋼絲繩和滾筒等機械設備大負荷過載的概率，也避免了人員冒險進入井筒進行箕斗清理作業。余煤監視功能的應用保證了系統的安全運行，保證了作業人員的安全，有效延長了整套系統的工作年限。

7 結語

煤礦主立井提升機作為礦井提升原煤的主要設備，其設計理念完全符合煤礦安全規程要求，但在生產運行過程中，由于提升設備受煤質和設備故障等方面的影響，會出現提升超載現象的發生。為杜絕箕斗煤未卸盡而導致的提升機超載重大事故的發生，結合ABB提升機性能和裝卸載控制系統工藝流程，確定解決箕斗余煤監視功能整體方案。根據裝載定量斗上次裝煤量和提升機本次提升力矩進行差值比較，考慮提升系統機械部件的質量誤差和箕斗在井筒中的高速運行時的風阻影響變頻器力矩，在ABB主控程序中設定10%的額定保護值加誤差值，最終確定實際保護值。主控系統和裝卸載控制系統的數據傳輸和采集實現實時交換，實現了余煤監視功能的可靠運行，從設計理念上杜絕了箕斗因余煤而導致的超載情況的發生。