副井閘控系統(tǒng)失效時(shí)的提升機(jī)安全控制與應(yīng)急救援研究

潞安集團(tuán)五陽煤礦 任保將

潞安集團(tuán)機(jī)電處 王 韜

江蘇師范大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院 王貴峰

一、概述

煤礦提升機(jī)作為煤礦生產(chǎn)的咽喉，其能否安全高效運(yùn)行直接影響著整個(gè)煤礦的生產(chǎn)與安全[1]。影響提升機(jī)安全高效運(yùn)行的因素主要有三個(gè)方面：電控系統(tǒng)、閘控系統(tǒng)、機(jī)械部分。對(duì)于機(jī)械部分相對(duì)比較直觀、簡單，只要加強(qiáng)檢修維護(hù)即可保障安全；電控系統(tǒng)作為保障提升機(jī)安全高效運(yùn)行的主要環(huán)節(jié)，其性能的好壞直接影響提升機(jī)運(yùn)行的效率，電控系統(tǒng)的安全性一般都能滿足要求，無非是在保護(hù)的完善性、控制邏輯的合理性、系統(tǒng)穩(wěn)定性、易用性等方面存在一些差異；閘控系統(tǒng)做為保障提升機(jī)安全的最后一道環(huán)節(jié)，其重要性更是毋庸置疑[2,3]。

電控系統(tǒng)和閘控系統(tǒng)是兩個(gè)相互耦合的系統(tǒng)，電控系統(tǒng)主要完成提升機(jī)邏輯控制及工藝保護(hù)控制，而閘控系統(tǒng)做為電控系統(tǒng)的一個(gè)執(zhí)行結(jié)構(gòu)主要完成停車制動(dòng)控制。閘控系統(tǒng)一般按照本質(zhì)安全的原則設(shè)計(jì)制造，在系統(tǒng)失電或者正常狀態(tài)下處于施閘制動(dòng)狀態(tài)，因此，正常的電控及閘控系統(tǒng)都是基于閘控系統(tǒng)安全可靠的前提的。

但是閘控系統(tǒng)作為一個(gè)復(fù)雜的液壓、電氣綜合控制系統(tǒng)，肯定會(huì)出現(xiàn)偏離其本質(zhì)安全的特殊工況，如：未能正常接收到電控系統(tǒng)的施閘指令；閘控系統(tǒng)PLC死機(jī)或者故障導(dǎo)致制動(dòng)指令不能正常執(zhí)行；回油閥堵塞導(dǎo)致不能正?；赜?；雖然已正常制動(dòng)，但由于閘盤溫升導(dǎo)致制動(dòng)力下降而無法制動(dòng)重物出現(xiàn)溜車現(xiàn)象等。按照正常的思路，電控系統(tǒng)一旦發(fā)出安全制動(dòng)指令后，就一切依靠閘控系統(tǒng)來完成，即使閘控系統(tǒng)失效而無法完成有效的安全制動(dòng)，電控系統(tǒng)也不再參與任何的后續(xù)保護(hù)與動(dòng)作，所以一旦出現(xiàn)上述閘控系統(tǒng)失效的情況，只能是看著事故的進(jìn)一步擴(kuò)大。因此，為保障礦井提升機(jī)的安全運(yùn)行，有必要對(duì)閘控失效情況下的提升機(jī)安全控制與保護(hù)進(jìn)行相應(yīng)的研究，并提出完善的處理方案。

同時(shí)副井作為礦井運(yùn)送物料與人員的重要設(shè)備，其安全性不僅影響礦井生產(chǎn)的順利進(jìn)行，而且關(guān)系到礦工的生命安全[4]。一旦在進(jìn)行人員提升時(shí)發(fā)生安全制動(dòng)，且短時(shí)內(nèi)控制系統(tǒng)不能恢復(fù)正常時(shí)，將對(duì)礦工身心造成極大的傷害，為此集團(tuán)公司規(guī)定，人員懸于井筒內(nèi)超過二十分鐘即算重大非死亡事故，其目的就是要求各礦加大檢修維護(hù)力度，確保副井提升的安全，因此有必要對(duì)閘控失效情況下利用現(xiàn)有提升機(jī)電控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)應(yīng)急人員提升救援進(jìn)行研究，在閘控系統(tǒng)失效，而傳動(dòng)裝置正常的情況下完成低速救援任務(wù)

二、方案設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)閘控失效情況下的提升機(jī)安全控制與保護(hù)必須解決如下幾個(gè)問題：1）閘控失效狀態(tài)的監(jiān)測；2）閘控失效情況下的提升機(jī)安全制動(dòng)；3）閘控失效安全制動(dòng)后的設(shè)備保護(hù)與應(yīng)急處理措施；4）閘控失效后應(yīng)急人員提升救援的實(shí)施方案。

1.閘控失效狀態(tài)的監(jiān)測

電控系統(tǒng)作為保障提升機(jī)安全高效運(yùn)行的核心系統(tǒng)，所有與提升機(jī)安全相關(guān)的數(shù)據(jù)都已經(jīng)采集到電控系統(tǒng)內(nèi)，所以電控系統(tǒng)完全有能力完成閘控失效狀態(tài)的監(jiān)測。相當(dāng)于增加了電控系統(tǒng)對(duì)閘控系統(tǒng)制動(dòng)執(zhí)行情況的監(jiān)控保護(hù)功能，為保證故障檢測的準(zhǔn)確性，并保證系統(tǒng)的相對(duì)獨(dú)立性，增加獨(dú)立的監(jiān)測裝置，基本技術(shù)功能如下：

◆ 彈簧疲勞故障輸出

◆ 閘瓦磨損故障輸出

◆ 閘間隙棒型圖：可以提供閘運(yùn)行過程中開合大小的圖形顯示

◆ 提供全行程閘保護(hù)：閘間隙和油壓全程監(jiān)控

◆ 閘間隙大小數(shù)字顯示：可以提供閘運(yùn)行過程中開合大小的數(shù)字量化顯示

◆ 跳閘繼電故障：硬件設(shè)備檢測，跳閘繼電器拒絕動(dòng)作

◆ 實(shí)時(shí)提供運(yùn)行、停車時(shí)，彈簧、閘瓦、閘間隙三個(gè)目標(biāo)的狀態(tài)

◆ 提供以太網(wǎng)接口及系統(tǒng)配置參數(shù)，納入提升機(jī)電控系統(tǒng)

2.閘控失效情況下的提升機(jī)安全制動(dòng)

安全回路中（安全回路，電氣停車回路，以及閉鎖回路）集成了所有的危及人或物的安全的故障信號(hào)。當(dāng)有此類故障發(fā)生時(shí)，信號(hào)觸發(fā)了安全回路，則可以導(dǎo)致：機(jī)械安全制動(dòng)，電氣停車，或禁止提升機(jī)的下一個(gè)提升周期。

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》，安全回路是在主PLC 系統(tǒng)和監(jiān)控PLC系統(tǒng)中通過各自完全一樣的軟件實(shí)現(xiàn)的。兩路軟件安全回路的輸出通過少許的繼電器串聯(lián)形成冗余回路。同時(shí)對(duì)重要的安全信號(hào)如過卷、急停、超速、減速故障等設(shè)置一套硬件安全回路，形成PLC 之間的雙軟安全回路和硬件安全回路的冗余。

輸出的安全回路觸發(fā)信號(hào)，通過繼電器驅(qū)動(dòng)液壓制動(dòng)系統(tǒng)，并且系統(tǒng)給出故障的報(bào)警。

安全回路設(shè)計(jì)在兩套完全獨(dú)立的硬件和軟件系統(tǒng)中。上述兩個(gè)通道中的安全回路的運(yùn)算結(jié)果是相互監(jiān)控的。當(dāng)發(fā)現(xiàn)有不同結(jié)果時(shí)，系統(tǒng)將啟動(dòng)緊急制動(dòng)，并且發(fā)出系統(tǒng)不對(duì)稱報(bào)警。

電控系統(tǒng)是具備電氣停車功能的，所以當(dāng)監(jiān)測到閘控失效后電控系統(tǒng)是具備實(shí)現(xiàn)提升機(jī)電氣安全制動(dòng)功能的，其核心問題是如何解決：

閘控失效保護(hù)監(jiān)測的時(shí)效性，將故障扼殺在萌芽階段

閘控失效保護(hù)監(jiān)測的準(zhǔn)確性，不能亂動(dòng)作，增加系統(tǒng)安全隱患

電氣安全制動(dòng)的邏輯實(shí)現(xiàn)及其安全性

3.閘控失效安全制動(dòng)后的設(shè)備保護(hù)與應(yīng)急處理措施。

主要的安全回路分為：

◆ 閉鎖回路：故障發(fā)生后，仍舊允許提升機(jī)繼續(xù)完成本次提升。但在本周期完成之后，提升機(jī)將被閉鎖，不能啟動(dòng)，直至故障被復(fù)位。

◆ 電氣停車回路：故障發(fā)生后，系統(tǒng)將立即實(shí)行電氣停車。之后，提升機(jī)將不能啟動(dòng)，直至故障被復(fù)位。

◆ 安全回路：故障發(fā)生后，提升機(jī)立即抱閘實(shí)施機(jī)械制動(dòng)，提升機(jī)不能再啟動(dòng)，直至故障被復(fù)位。

一旦發(fā)生閘控失效由電控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電氣安全制動(dòng)停車，肯定不能使電機(jī)長時(shí)間帶電靜止，所以制動(dòng)后的應(yīng)急處理措施同樣非常關(guān)鍵：

電氣安全制動(dòng)后的電機(jī)熱保護(hù)，防止電機(jī)燒壞；

閘控失效電氣安全制動(dòng)后的警報(bào)提示，防止司機(jī)粗心導(dǎo)致出現(xiàn)閘控失效不知道，或故障時(shí)因驚慌導(dǎo)致不知如何處理；

故障后的應(yīng)對(duì)措施及操作規(guī)范，主要是如何操作以保障閘控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)有效的安全制動(dòng)，盡快解除電氣安全制動(dòng)。

4.閘控失效后應(yīng)急人員提升救援的實(shí)施方案

該技術(shù)方案研究的目標(biāo)是解決副井提升機(jī)電控閘控系統(tǒng)失效后的應(yīng)急救援提升控制。所以該方案可行的前提條件是提升機(jī)控制系統(tǒng)的傳動(dòng)部分能保證正常工作，即保證系統(tǒng)能有力矩輸出并足以實(shí)現(xiàn)電氣制動(dòng)。

4.1 閘控系統(tǒng)控制

目前集團(tuán)公司普遍采用ABB或SIEMAG進(jìn)口閘控系統(tǒng)，其安全性無庸置疑，但是閘控系統(tǒng)相對(duì)比較復(fù)雜，與電控系統(tǒng)接口信號(hào)較多，要實(shí)現(xiàn)閘控系統(tǒng)失效時(shí)應(yīng)急救援控制，必須解決電控與閘控閉鎖問題，為簡化控制只用主令手柄控制速度、力矩輸出控制。系統(tǒng)完全手動(dòng)控制，配緊停按鈕實(shí)現(xiàn)緊急電氣制動(dòng)（即維持力矩輸出使提升容器懸停）。

4.2 電控系統(tǒng)控制

因電控系統(tǒng)失效時(shí)所有的控制邏輯及保護(hù)已經(jīng)不能正常動(dòng)作，為簡化控制采用單組橋6脈動(dòng)運(yùn)行方式，采用手動(dòng)方式閉合主回路設(shè)備，保證具備輸出力矩條件。

4.3 整流裝置控制

整流裝置采用ABB的DCS800，要實(shí)現(xiàn)電控失效下的DCS800應(yīng)急控制，需解決以下幾個(gè)問題：

控制參數(shù)切換

DCS800有兩組用戶參數(shù)可供選擇，正常情況下使用參數(shù)組1即可，兩組參數(shù)可以通過外部端子實(shí)現(xiàn)一鍵切換。

速度控制

DCS800的速度給定可以采用固定值給定模式，保證系統(tǒng)能以0.1—0.5m/s的速度運(yùn)行即可，速度閉環(huán)控制的速度反饋可以使用DCS800內(nèi)部計(jì)算值。

保護(hù)

DCS800本事具有完善的保護(hù)功能，可實(shí)現(xiàn)電壓、電流等保護(hù)，同時(shí)利用DCS800自身完善的速度環(huán)控制功能，實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)控制及速度保護(hù)。

三、總結(jié)

采用該應(yīng)急控制方案可實(shí)現(xiàn)閘控失效時(shí)的電氣安全制動(dòng)，防止因閘控制動(dòng)失效而導(dǎo)致墜罐這類重大安全事故的發(fā)生，并可實(shí)現(xiàn)閘控系統(tǒng)故障時(shí)的應(yīng)急人員救援，可大大提高提升系統(tǒng)的安全性。該方案基本不增加額外設(shè)備，投資小且便于控制器編程實(shí)現(xiàn)。

[1]姜建國.電力傳動(dòng)技術(shù)在煤礦工業(yè)中的應(yīng)用與展望[A]. 中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)、四川省人民政府.加入WTO和中國科技與可持續(xù)發(fā)展——挑戰(zhàn)與機(jī)遇、責(zé)任和對(duì)策(上冊(cè))[C].中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)、四川省人民政府,2002：2.

[2]姜維維.煤礦生產(chǎn)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與對(duì)策研究[D].太原理工大學(xué),2016.

[3]龐柒.煤礦企業(yè)長效安全評(píng)價(jià)體系研究[D].北京工業(yè)大學(xué),2014.

[4]胡志強(qiáng).煤礦提升機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)及其故障診斷的研究[D].中國礦業(yè)大學(xué),2014.