礦井提升機(jī)電路系統(tǒng)可靠性優(yōu)化方案

周永生

（西山煤電集團(tuán)屯蘭礦調(diào)度室，山西　古交　030200）

引言

礦井提升機(jī)是煤礦重要設(shè)備，關(guān)系到企業(yè)的生產(chǎn)安全與經(jīng)濟(jì)效益。雖然礦井提升系統(tǒng)慣性質(zhì)量大、運(yùn)行特性復(fù)雜且各種機(jī)械零件功能失效現(xiàn)象較為普遍，再加上人為過失使得現(xiàn)有的保護(hù)措施不能實(shí)現(xiàn)預(yù)期效果[1]。礦井提升機(jī)能否平穩(wěn)、安全、可靠地運(yùn)行很大程度上取決于電氣控制方式，目前的礦井提升系統(tǒng)改造對電氣傳動方式的改進(jìn)提出了更高挑戰(zhàn)[2]。傳統(tǒng)提升機(jī)電控系統(tǒng)可靠性低，采用PLC對原有電控系統(tǒng)進(jìn)行改造，可以有效改善提升機(jī)電控系統(tǒng)的穩(wěn)定性、靈敏性和精確性，利用PLC技術(shù)來提高提升機(jī)電控系統(tǒng)可靠性必將成為今后的發(fā)展趨勢。礦井提升機(jī)電氣傳動系統(tǒng)的改造工作任重道遠(yuǎn)，特別是中、小礦井[3]。本文在研究過程中正是針對目前我國中、小礦井普遍使用的電阻系統(tǒng)進(jìn)行改造。

1　優(yōu)化方案

優(yōu)化方案采用主控PLC和操作臺PLC雙系統(tǒng)，增加系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)，另外為了滿足本質(zhì)化安全需要，系統(tǒng)采用“故障-安全”設(shè)計(jì)，增加應(yīng)急停車系統(tǒng)[4]，避免和減少突發(fā)故障帶來的損失，優(yōu)化方案思路如圖1所示。

圖1　提升機(jī)電路系統(tǒng)可靠性優(yōu)化方案設(shè)計(jì)思路示意圖

通過PLC輸入的電信號進(jìn)入到電路系統(tǒng)后，被表達(dá)成開關(guān)量信號，經(jīng)繼電器分配到各功能開關(guān)處，控制各功能區(qū)域打開或者關(guān)閉[5]。為確定選用PLC的模塊數(shù)量，需統(tǒng)計(jì)I/O口的總量，以確定選用PLC的模塊數(shù)量及型號。

PLC程序的選擇關(guān)乎整個(gè)改造系統(tǒng)的質(zhì)量，選擇時(shí)要考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定、通用、已操作等特性。本方案PLC程序選擇三菱集團(tuán)的FX2N系列，主要原因：一是數(shù)據(jù)輸出、輸入點(diǎn)數(shù)不超過256點(diǎn)；二是PLC基本單元直流電源的電壓不超過254 V，其他特殊模塊電壓不大于5V。

鑒于上述原因，本方案選擇的操作臺型號為FX2N-64MT，主控PLC型號為FX2N-80MR，系統(tǒng)選型方案具體如下：

1）操作臺PLC選擇為1塊FX2N-64MT的基本單元，基本單元有64點(diǎn)I/O，輸出模式采用晶體管輸出。

2）主控PLC的基本單元為FX2N-84M，共84點(diǎn)I/O，輸出模式采用繼電器輸出；拓展單元為FX2N-16EX，共16點(diǎn)I/O，繼電器輸出；通訊特殊模塊選用FX2N-485-BD；顯示器為19寸液晶顯示器；模擬量輸入規(guī)格型號為FX2N-4AD，輸出規(guī)格型號為FX2N-4DA，均為4通道。

FX2N系列PLC的數(shù)據(jù)輸出、輸入點(diǎn)數(shù)為232，有3組8通道的點(diǎn)數(shù)被模塊自身占用，不計(jì)算點(diǎn)數(shù)總數(shù)，因此滿足輸出、輸入點(diǎn)數(shù)不超過256點(diǎn)的要求。另外，主控PLC的基本單元選用的是FX2N-84M，拓展單元選用的是FX2N-16EX，直流電源的電壓和特殊模塊電壓均滿足要求[6]。

2　安裝

提升機(jī)機(jī)電系統(tǒng)主要包括轉(zhuǎn)子控制柜、主令柜和操作臺三部分，其中操作臺僅需添加PLC，而主控PLC不僅需要添加輸入、輸出通道，而且還需要與應(yīng)急停車系統(tǒng)連接，因此安裝的重點(diǎn)工作是轉(zhuǎn)子控制柜和主令柜，兩者的實(shí)際安裝分別如下頁圖2和圖3所示。

圖2　轉(zhuǎn)子控制柜的實(shí)際安裝圖

圖3　主令柜的實(shí)際安裝圖

3　調(diào)試

本次調(diào)試的目的是減少系統(tǒng)功能模塊出現(xiàn)偏差，提高系統(tǒng)可靠度，同時(shí)驗(yàn)證設(shè)定的功能動作是否可以實(shí)現(xiàn)。調(diào)試對象包含提升機(jī)電控系統(tǒng)的各類繼電器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊的輸入輸出數(shù)據(jù)。

調(diào)試用電機(jī)為三相異步電機(jī)，參數(shù)為[7]：電機(jī)型號YR500-6；額定電壓10 kV，額定功率480 kW；轉(zhuǎn)子參數(shù)792V/348.6A，定子參數(shù)60 kV/52A；轉(zhuǎn)速588圈/min，轉(zhuǎn)速6.7m/s；提升高度384m。

3.1　加速時(shí)間整定

斜井提升機(jī)的操作一般由司機(jī)手控為主，時(shí)間控制為輔；立井多采用電控為主，時(shí)間控制為輔[8]。這兩種控制提升機(jī)的方式各有利弊，考慮到PLC技術(shù)的實(shí)際情況，本方案采用電控為主時(shí)間控制為輔，外加司機(jī)手控的原則。具體控制過程如下：

電控主要借助電路中的電流來控制整個(gè)系統(tǒng)，電流的控制是通過兩個(gè)高壓電柜來實(shí)現(xiàn)的。電流互感器與加速電流繼電器形成閉合回路后，與加速電流繼電器串聯(lián)的時(shí)間、繼電器上常開接點(diǎn)的閉合和斷開，控制著電動機(jī)轉(zhuǎn)子電阻的切換。當(dāng)電路中電路值較小時(shí)，提升系統(tǒng)由于小電流的作用不能完成提升動作，這就需要司機(jī)手動控制時(shí)間繼電器來控制提升機(jī)的升降，由于時(shí)間繼電器的作用原理復(fù)雜，司機(jī)操作時(shí)需要憑借個(gè)人經(jīng)驗(yàn)判斷，但系統(tǒng)中增加了應(yīng)急停車系統(tǒng)，因此即使司機(jī)判斷失誤，也不會造成事故。

3.2　電流繼電器的整定

電流繼電器的動作取值按照如下公式計(jì)算[9]：

式中：I吸為繼電器電流吸合值；k吸為吸合常數(shù)，取值為1.20～1.25；Ie為電機(jī)的額定電流。

提升系統(tǒng)的釋放值按照如下公式計(jì)算：

式中：I放為礦井提升機(jī)系統(tǒng)電流釋放值；k放為電流釋放常數(shù)，取值為0.90～0.92。

經(jīng)過測算，I吸=（1.20～1.25）×51.3=62～64 A。

根據(jù)檢測數(shù)據(jù)，提升機(jī)電機(jī)電流在空載運(yùn)行時(shí)為20 A，達(dá)到額定載荷時(shí)為50 A，根據(jù)提升機(jī)運(yùn)行時(shí)的檢測數(shù)據(jù)，空載運(yùn)行時(shí)電機(jī)電流為20 A，額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)電機(jī)電流為50 A。根據(jù)以上計(jì)算數(shù)據(jù)，提升機(jī)系統(tǒng)實(shí)際吸合值和釋放值取值62 A和55A。

保護(hù)線圈的動作取值按照如下公式計(jì)算：斜井時(shí)，

根據(jù)以上計(jì)算數(shù)據(jù)可知，不管是斜井還是立井，保護(hù)線圈的最大電流為200 A，在最大電流200 A下，保護(hù)觸點(diǎn)可以安全斷開電路系統(tǒng)，從而使提升機(jī)安全制動。

數(shù)據(jù)顯示：當(dāng)提升機(jī)定子電流為200 A時(shí)，F(xiàn)X2N-4AD的模塊值為2×104；I吸為62 A，對應(yīng)的PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)量為600；I放為55 A，對應(yīng)的PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)量為550。

3.3　閘的調(diào)整

1）線圈與油壓的線性關(guān)系顯示，油壓在0.2～0.8MPa之間時(shí)，油壓特性曲線的斜率幾乎保持不變，因此可以判斷在該區(qū)間時(shí)，油壓特性曲線為一條直線。為了得到確切的油壓特性曲線，本方案在測試閘的靈敏性時(shí)，分別觀測可調(diào)節(jié)閘對應(yīng)的分點(diǎn)液壓數(shù)值，并將觀測的數(shù)值記錄下來，在制動器全部處于全制動狀態(tài)開始，至可調(diào)節(jié)閘全松為止，得到油壓數(shù)值變化。縱坐標(biāo)為油壓數(shù)值，橫坐標(biāo)為電機(jī)輸出的電流值，將電流值對應(yīng)的油壓值用光滑的曲線連接[10]，得到如圖4所示的油壓特性曲線。

圖4　油壓特性曲線圖

2）貼閘參數(shù)是衡量可調(diào)節(jié)閘的重要數(shù)據(jù)。測試貼閘皮參數(shù)的主要過程為：首先將制動器全部調(diào)為松閘狀態(tài)，然后將尺寸為0.1mm的塞尺放置在閘瓦與閘盤之間，依次將制動器手柄收緊，當(dāng)塞尺與閘盤剛好接觸時(shí)，記錄此時(shí)的線圈電流值與液壓油壓數(shù)值。

3）依據(jù)給定速度區(qū)間5%～8%，調(diào)節(jié)閘的呈貼閘皮狀態(tài)。具體要求如下，當(dāng)設(shè)計(jì)給定速度小于5%時(shí)，因制動器不參與工作，此時(shí)呈貼閘皮狀態(tài)沒有參考意義；當(dāng)給定速度大于等于5%時(shí)，此時(shí)閘的呈貼閘皮狀態(tài)可以調(diào)節(jié)；當(dāng)給定速度繼續(xù)增大至8%及以上時(shí)，制動器近一倍的力矩作用在制動輪上，此時(shí)閘的呈貼閘皮狀態(tài)受制動因素影響。

4　結(jié)論

將PLC應(yīng)用于提升機(jī)電控系統(tǒng)，改善了系統(tǒng)的性能。提升機(jī)原有速度曲線變化率過大，極易形成動態(tài)沖擊以及尖峰負(fù)荷，影響設(shè)備使用壽命。本文用理想的S形速度曲線圖，進(jìn)一步提高提升機(jī)運(yùn)行的安全性。本系統(tǒng)主要特點(diǎn)：第一，采用PLC控制技術(shù)，對原有煤礦電控系統(tǒng)進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)安全回路雙冗余；第二，開發(fā)出友好的人機(jī)界面，方便對提升機(jī)故障的預(yù)防和分析；第三，采用S形速度曲線取代原有5階段速度圖，使礦井提升的運(yùn)行更加安全、平穩(wěn)。

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