安全保護系統分析論文

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1礦井提升安全保護系統的構成及三級響應

提升機安全保護系統，分為核心運算保護和狀態采集保護。前者要對數據進行采集，依靠CPU或其它電子模塊對采集數據進行復雜運算分析，之后對分析結果進行判定；而后者僅僅直接采集數值，對數值進行判定。核心運算類保護分為傳動控制保護和提升工藝保護。傳動控制保護，在提升系統電能轉換成機械能的轉換過程中起控制保護作用；工藝運算保護，則對提升容器在井筒內的機械運動起保護作用。狀態采集保護分為機械數據采集保護、供配電數據采集保護、通風冷卻數據采集保護、井筒信號數據采集保護。狀態采集保護，在提升系統運行中，對各子設備的重要數據進行采集，并判定數據狀態。當判定的最終狀態對提升傳動或提升工藝有危害，或對各子設備有危害時，提升安全保護系統就會依危害程度按不同級別響應。提升系統按危害等級對應三種不同的提升機系統響應，從高到低分為三級：一級緊急停車響應，液壓制動，立即合閘；二級電氣停車響應，通過電機轉矩停車并工作抱閘；三級電氣閉鎖響應，允許操作提升機繼續運行，但抱閘停車后禁止運行。

2核心運算保護分析

2.1傳動控制保護

傳動控制的執行模塊是FM458，是一個高性能控制器，采用64位RISC（簡化指令集）CPU，具有強大浮點運算能力，最快循環時間是0.1ms。它的功能是控制變頻傳動子系統將提升運行速度、加速度、力/力矩，精確輸出到主軸上，讓主軸帶動滾筒、鋼絲繩及與鋼絲繩連接的提升容器運動。

2.2工藝運算保護

工藝運算保護的執行模塊是SIMATICS7-400PLC的CPU，它實時檢查提升容器編碼器（運動狀態傳感器）的測量狀態和運動曲線。

2.2.1編碼器測量狀態保護

編碼器是一種光電式旋轉測量裝置，把輸出脈沖信號直接輸入給PLC，利用PLC的高速計數器對其脈沖信號進行計數，從而解算出提升容器位移和速度。提升系統一共安裝了3個編碼器，分別裝在和滾筒內圓接觸的橡膠輪上、滾筒的1個輸出軸上及天輪軸端。3個編碼器在PLC中兩兩比較解算位移和速度，比較結果不符，啟動一級緊急停車響應。其中滑繩保護，指主軸編碼器和天輪編碼器測量位移值不符，往往是鋼絲繩打滑造成。同步點跳位保護：容器在井筒中運動，運動距離越長，編碼器累積誤差越大，為消除累積誤差，在井筒內放置一同步開關，當容器經過開關時，編碼器測量的實際位移與同步開關位置進行比較，如果誤差很小，編碼器經PLC解算的位移根據同步開關位置更新；如果誤差較大，啟動一級緊急停車響應。

2.2.2運動曲線保護

運動曲線保護的原理是用標準參照曲線監測提升系統運行，運動曲線保護主要包括連續速度監視保護、電子階梯速度監視保護、末段速度階梯監視保護、錯向監視保護。以李村礦副井提升系統下大件標準參照曲線為例，如圖2所示。圖2為提升系統大件模式、五階梯曲線圖。從上向下為加速度-時間（a-）t曲線，速度-時間（V-）t曲線，井筒深度為566.8m，井筒中大件重量Q為17000kg，無配重，其中速度-時間（V-）t曲線圖中附入階段加速度a、階段提升時間T、階段提升距離H的表格。Vm表示容器在井筒中平穩運行的最大速度，Vo表示容器接近提升終點時爬行速度。依據此類標準參照曲線對提升速度進行監測。速度監測、保護由以下組成：

a)連續速度監視保護。PLC根據標準參照曲線，繪制時間點精確到毫秒級速度包絡曲線，用以實時監測井筒容器運行狀態。當速度包絡曲線與實際速度偏差過大，啟動一級緊急停車響應；

b)電子階梯速度監視保護。從標準參照曲線選取有限個監測點，存入電子文檔，PLC讀取文檔中數據監測井筒容器運行狀態。當在某位置讀取的電子階梯速度與實際速度偏差過大，啟動一級緊急停車響應。以上兩種保護是一致的，均是用標準參照曲線去檢查實際運行曲線，區別在于前者是實時計算，時間精度高；后者僅讀取值，不依照曲線計算，它的精度與預置數值數量有關；

c)末段速度階梯監視保護。圖2V-t曲線中，對應減速段曲線的3個曲率變化，分別設置3個觸發點，并在電子文檔中存入觸發點最大速度值。當容器經過此觸發點，預存速度數值與實際速度偏差過大，啟動一級緊急停車響應；d)錯向監視保護。提升容器逆行，啟動一級緊急停車響應。

3狀態采集保護分析

3.1主要機械部件保護

主要機械部件保護，包括制動閘及閘盤、液壓站、主軸與軸瓦、潤滑站、天輪等主要設備對提升系統保護。制動閘采用了常閉設計，在斷電或無油壓狀態下，完全靠彈簧機械力使制動閘合閘，保證提升系統安全；液壓站輸出壓力油給制動閘，制動閘打開。在提升系統對制動閘故障（閘彈簧斷裂、閘磨損、閘未打開、閘未關閉），或制動閘合閘油壓（殘壓）、敞閘油壓不符合規定，啟動一級緊急停車響應。閘與閘盤距離越小時間制動時間越短，制動閘盤間隙＞2mm，啟動一級緊急停車響應。閘與閘盤摩擦溫度過高，閘盤偏擺，啟動二級電氣停車閉鎖響應。液壓站給制動閘提供液壓油，對液壓油油溫、液壓油油箱油位、油過濾器堵塞情況進行報警，提示工作人員及時處理；監控數值達到一定程度，啟動三級電氣閉鎖響應或更高級別響應。主軸與軸瓦是滑動摩擦，在提升機啟動停止階段低速運行時小于20r/min，潤滑系統高壓泵為滑動軸瓦提供少量高壓，抬起主軸，并在軸瓦與主軸間形成油膜，以消除軸瓦和主軸的混合摩擦。在提升機達到運行20r/min，潤滑系統的常壓潤滑泵提供常壓潤滑。高壓泵和常壓泵用不同管路分別向軸承注油，用同一根管路回油。潤滑軸承常壓壓力0.7MPa，壓力降低30%，即降到0.5MPa以下；軸承軸承溫度大于75℃；常壓下注入軸承的潤滑油，流量不足；都啟動一級緊急停車響應。軸承潤滑站給主軸軸承注潤滑油，對潤滑油油溫、潤滑油油箱油位、油過濾器堵塞情況進行報警，提示工作人員及時處理；監控數值達到一定程度，啟動三級電氣閉鎖響應或更高級別響應。對天輪軸承溫度設置了監控保護，溫度過高報警，監控數值達到一定程度，啟動三級電氣閉鎖響應。

3.2供配電類設備狀態采集保護

經過中壓開關柜進線，由主電源變壓器和勵磁變壓器，向變頻裝置、勵磁裝置提供電源，再分別輸出給電機定子和轉子；由輔助變壓器10/0.4kV供給液壓站、潤滑站、加熱器、照明、直流屏等低壓電源。中壓柜微機綜合保護測控裝置、變頻裝置、勵磁裝置設備自身已實現完善的電氣設備保護和故障記憶查詢功能。除此之外，將400V、230V交流的空開輔助觸點接入監控系統，對繁多的低壓空開上電進行監控；并對PLC供電的24V直流，230V交流接入接地故障監測保護。對變壓器溫度監測保護，當溫度超溫警告，啟動三級電氣閉鎖響應。當電氣故障發生時，如引起礦井提升核心運算保護動作，或液壓站失電等，必然觸發一級緊急停車響應。在電機啟動前，主電機絕緣阻值低，觸發相關閉鎖響應，當故障排除后方可開車。

3.3通風冷卻系統狀態采集保護

對主電機通風冷卻系統的進風、混風、出風的溫度進行采集，當溫度超溫警告，啟動三級電氣閉鎖響應。變頻器內部冷卻系統，過濾器被污染（電導值大于1μS/cm），流速過低，加水水箱水位低、水流量、水溫不符合規定，啟動二級電氣停車閉鎖響應。變頻器外冷卻系統故障，停止運行，啟動二級電氣停車閉鎖響應。變頻器所加水的導電值＜30μS/cm，加水后開啟變頻器前，要通過循環冷卻系統的離子交換系統，將導電值降低到1μS/cm范圍才可冷卻變頻器。

3.4井筒信號數據采集保護

井筒信號系統的作用是完成井上下通訊，同時它把井口、井底附屬設備的狀態傳遞給西門子PLC。在提升系統運行時安全門打開，搖臺落下，啟動一級緊急停車響應；提升容器觸發過卷開關，啟動一級緊急停車響應。

4礦井提升安全保護的應用效果

李村煤礦副井提升系統自2010的安裝投運以來，到2013年年底，提升系統每天平均工作16h，累計發生故障45起，累積影響運行時間約180h，累計影響時間占總時間小于0.02％，運行穩定、可靠、安全。而且45起故障中有一半以上是由于絞車房溫、濕度不達標、電氣元件灰塵大、電氣元件老化、端子排接線虛接，控制柜電池電能匱乏未及時更換及維護人員操作素質不高引發的。其中一起因勵磁輸出柜勵磁模塊保險受沖擊電流損壞的故障，因礦方沒有此保險配件，影響5d以上；一起因車房溫濕度不達標，燒壞變頻器整流模塊的故障，影響時間48h；一起故障因風道潮氣過重，定子磁包阻值降低報警，維護人員欠缺經驗，對風道干燥解決方法不合適，影響約12h。在實際應用中也發現，西門子提升機保護系統還存在一些不足，例如，對于工業用電電流閃送過于靈敏，一有閃送，往往會引起絞車急停，另外西門子消諧保護不到位，引起電氣元件擊穿老化。西門子對電氣環境使用的監測保護、對外水冷設備空氣壓縮機保護監控及外水冷水箱清潔度欠缺監控保護提示。西門子在軟件界面、故障恢復的人性化引導方面也還需完善。

5結語

西門子礦井多繩摩擦式提升機安全保護系統幾乎覆蓋了提升系統所有主要故障信號點，在潞安集團李村煤礦運行4a，對提升工藝及關鍵設備監控到位，并通過不同層級報警迅速縮小故障范圍、發現故障點，節約了經濟及人力成本，實現了提升系統的持續、可靠、無故障運行，有力保障了礦山安全生產，是李村建設自動化礦井、打造數字化礦山的重要構成。

作者:張洋李衛濤單位:潞安礦業集團有限責任公司李村煤礦建設管理處