矿井提升机电路系统可靠性优化方案

周永生

（西山煤电集团屯兰矿调度室，山西　古交　030200）

引言

矿井提升机是煤矿重要设备，关系到企业的生产安全与经济效益。虽然矿井提升系统惯性质量大、运行特性复杂且各种机械零件功能失效现象较为普遍，再加上人为过失使得现有的保护措施不能实现预期效果[1]。矿井提升机能否平稳、安全、可靠地运行很大程度上取决于电气控制方式，目前的矿井提升系统改造对电气传动方式的改进提出了更高挑战[2]。传统提升机电控系统可靠性低，采用PLC对原有电控系统进行改造，可以有效改善提升机电控系统的稳定性、灵敏性和精确性，利用PLC技术来提高提升机电控系统可靠性必将成为今后的发展趋势。矿井提升机电气传动系统的改造工作任重道远，特别是中、小矿井[3]。本文在研究过程中正是针对目前我国中、小矿井普遍使用的电阻系统进行改造。

1　优化方案

优化方案采用主控PLC和操作台PLC双系统，增加系统冗余设计，另外为了满足本质化安全需要，系统采用“故障-安全”设计，增加应急停车系统[4]，避免和减少突发故障带来的损失，优化方案思路如图1所示。

图1　提升机电路系统可靠性优化方案设计思路示意图

通过PLC输入的电信号进入到电路系统后，被表达成开关量信号，经继电器分配到各功能开关处，控制各功能区域打开或者关闭[5]。为确定选用PLC的模块数量，需统计I/O口的总量，以确定选用PLC的模块数量及型号。

PLC程序的选择关乎整个改造系统的质量，选择时要考虑系统的稳定、通用、已操作等特性。本方案PLC程序选择三菱集团的FX2N系列，主要原因：一是数据输出、输入点数不超过256点；二是PLC基本单元直流电源的电压不超过254 V，其他特殊模块电压不大于5V。

鉴于上述原因，本方案选择的操作台型号为FX2N-64MT，主控PLC型号为FX2N-80MR，系统选型方案具体如下：

1）操作台PLC选择为1块FX2N-64MT的基本单元，基本单元有64点I/O，输出模式采用晶体管输出。

2）主控PLC的基本单元为FX2N-84M，共84点I/O，输出模式采用继电器输出；拓展单元为FX2N-16EX，共16点I/O，继电器输出；通讯特殊模块选用FX2N-485-BD；显示器为19寸液晶显示器；模拟量输入规格型号为FX2N-4AD，输出规格型号为FX2N-4DA，均为4通道。

FX2N系列PLC的数据输出、输入点数为232，有3组8通道的点数被模块自身占用，不计算点数总数，因此满足输出、输入点数不超过256点的要求。另外，主控PLC的基本单元选用的是FX2N-84M，拓展单元选用的是FX2N-16EX，直流电源的电压和特殊模块电压均满足要求[6]。

2　安装

提升机机电系统主要包括转子控制柜、主令柜和操作台三部分，其中操作台仅需添加PLC，而主控PLC不仅需要添加输入、输出通道，而且还需要与应急停车系统连接，因此安装的重点工作是转子控制柜和主令柜，两者的实际安装分别如下页图2和图3所示。

图2　转子控制柜的实际安装图

图3　主令柜的实际安装图

3　调试

本次调试的目的是减少系统功能模块出现偏差，提高系统可靠度，同时验证设定的功能动作是否可以实现。调试对象包含提升机电控系统的各类继电器、数据转换模块的输入输出数据。

调试用电机为三相异步电机，参数为[7]：电机型号YR500-6；额定电压10 kV，额定功率480 kW；转子参数792V/348.6A，定子参数60 kV/52A；转速588圈/min，转速6.7m/s；提升高度384m。

3.1　加速时间整定

斜井提升机的操作一般由司机手控为主，时间控制为辅；立井多采用电控为主，时间控制为辅[8]。这两种控制提升机的方式各有利弊，考虑到PLC技术的实际情况，本方案采用电控为主时间控制为辅，外加司机手控的原则。具体控制过程如下：

电控主要借助电路中的电流来控制整个系统，电流的控制是通过两个高压电柜来实现的。电流互感器与加速电流继电器形成闭合回路后，与加速电流继电器串联的时间、继电器上常开接点的闭合和断开，控制着电动机转子电阻的切换。当电路中电路值较小时，提升系统由于小电流的作用不能完成提升动作，这就需要司机手动控制时间继电器来控制提升机的升降，由于时间继电器的作用原理复杂，司机操作时需要凭借个人经验判断，但系统中增加了应急停车系统，因此即使司机判断失误，也不会造成事故。

3.2　电流继电器的整定

电流继电器的动作取值按照如下公式计算[9]：

式中：I吸为继电器电流吸合值；k吸为吸合常数，取值为1.20～1.25；Ie为电机的额定电流。

提升系统的释放值按照如下公式计算：

式中：I放为矿井提升机系统电流释放值；k放为电流释放常数，取值为0.90～0.92。

经过测算，I吸=（1.20～1.25）×51.3=62～64 A。

根据检测数据，提升机电机电流在空载运行时为20 A，达到额定载荷时为50 A，根据提升机运行时的检测数据，空载运行时电机电流为20 A，额定负载运行时电机电流为50 A。根据以上计算数据，提升机系统实际吸合值和释放值取值62 A和55A。

保护线圈的动作取值按照如下公式计算：斜井时，

根据以上计算数据可知，不管是斜井还是立井，保护线圈的最大电流为200 A，在最大电流200 A下，保护触点可以安全断开电路系统，从而使提升机安全制动。

数据显示：当提升机定子电流为200 A时，FX2N-4AD的模块值为2×104；I吸为62 A，对应的PLC内部数据量为600；I放为55 A，对应的PLC内部数据量为550。

3.3　闸的调整

1）线圈与油压的线性关系显示，油压在0.2～0.8MPa之间时，油压特性曲线的斜率几乎保持不变，因此可以判断在该区间时，油压特性曲线为一条直线。为了得到确切的油压特性曲线，本方案在测试闸的灵敏性时，分别观测可调节闸对应的分点液压数值，并将观测的数值记录下来，在制动器全部处于全制动状态开始，至可调节闸全松为止，得到油压数值变化。纵坐标为油压数值，横坐标为电机输出的电流值，将电流值对应的油压值用光滑的曲线连接[10]，得到如图4所示的油压特性曲线。

图4　油压特性曲线图

2）贴闸参数是衡量可调节闸的重要数据。测试贴闸皮参数的主要过程为：首先将制动器全部调为松闸状态，然后将尺寸为0.1mm的塞尺放置在闸瓦与闸盘之间，依次将制动器手柄收紧，当塞尺与闸盘刚好接触时，记录此时的线圈电流值与液压油压数值。

3）依据给定速度区间5%～8%，调节闸的呈贴闸皮状态。具体要求如下，当设计给定速度小于5%时，因制动器不参与工作，此时呈贴闸皮状态没有参考意义；当给定速度大于等于5%时，此时闸的呈贴闸皮状态可以调节；当给定速度继续增大至8%及以上时，制动器近一倍的力矩作用在制动轮上，此时闸的呈贴闸皮状态受制动因素影响。

4　结论

将PLC应用于提升机电控系统，改善了系统的性能。提升机原有速度曲线变化率过大，极易形成动态冲击以及尖峰负荷，影响设备使用寿命。本文用理想的S形速度曲线图，进一步提高提升机运行的安全性。本系统主要特点：第一，采用PLC控制技术，对原有煤矿电控系统进行改造，实现安全回路双冗余；第二，开发出友好的人机界面，方便对提升机故障的预防和分析；第三，采用S形速度曲线取代原有5阶段速度图，使矿井提升的运行更加安全、平稳。

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