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应用数控技术改造煤矿提升机的研究实践

文:兖矿集团设计研究院 李剑峰 | 2018年第六期 (0) | (0)

摘要:文章介绍了兖州矿区在数控技术应用于矿井提升机电控系统改造方面进行的研究成果和实践经验,具有相当的参考价值。

关键词:煤矿;提升机;数控技术

中图分类号:TD679文献标识码:B

引言

    煤矿的井口提升工序是生产过程中的重要环节。立井提升机担负着物料、人员等的提升任务,是煤矿的关键机电设备之一。它的安全、可靠运行对矿井的生产及安全起着非常重要的作用,不仅关系到矿井的生产能力,而且还与矿工的生命安全紧密系在一起。由于提升机的生产工艺要求比较高,所以它的电气传动及控制一直是各国电气传动界的重要研究领域。随着生产的发展和技术的进步,矿井提升系统的安全可靠性也越来越显突出,人们对提升机电控系统的要求,包括人性化、智能化设计和结构形式等都提出更高的要求。兖州矿区对提升机电控设备的长期操作过程中积累了许多经验,同时也发现数控技术改造后的新设备仍然存在一些不完美的地方。近几年来,兖州矿业(集团)有限责任公司下属煤矿在数控技术应用于矿井提升机的传动与控制改造方面进行大量的研究和实践,并且取得良好的现场使用效果,今后有必要继续进行深入研究和技术改造,使提升机数控系统更加完善。他们的经验对国内同行具有相当的参考价值。

1、矿井提升机数控化改造的研究

    山东科技大学和兖州矿业(集团)公司南屯煤矿对国内目前仍然大量使用的旧型矿井提升机数控化改造进行了研究。

    矿井数控提升机系统主要由主控、驱控、制动、监控和井筒信号系统等组成,其安全回路设计以硬件安全回路为主,驱动控制、制动、监控、井筒信号系统及关键状态信号与主控有联系和通讯关系的系统对安全回路调闸有要求时,主控的安全回路(软件安全回路)就会动作,并向继电器安全回路发出调闸指令。提升机系统设计一般以硬件继电器安全回路为最后、最基础的保护环节,安全回路遵循带电闭合、失电分断的设计原则,以确保在任何异常的情况下安全回路均能调闸,确保提升机的安全运行。

⑴行程校正

    矿井数控提升机利用主控系统接收来自与滚筒轴相连的脉冲变换器脉冲信号,进行脉冲计数,然后计算出提升位置值和速度值。在提升过程中,由于钢丝绳蠕动、伸长、滑绳和主滚筒衬垫变化等因素会对提升机运行产生影响,以致计数结果出现偏差。为了防止提升机在运行中的可变性因素导致行程计算与箕斗或罐笼实际位置不符,设置提升机行程校正功能。

    ①提升行程精确校正。提升箕斗在向上运行过程中遇到井筒位置磁开关时,将磁开关所在位置的提升高度写入PLC的高速计数功能模块,实现行程校正。为了弥补磁开关动作的不可靠性,系统在不同的位置高度设置多个行程位置校正开关。如果1个开关动作失常而其余位置开关动作仍能精确校正,在校正磁开关位置不变的情况下改变到位开关前的校正值实现到位位置小范围调整,解决提升绳由于某种原因产生的长度变化对提升机状态的影响。

    ②校正位置开关状态检查。这是提升机行程校正功能的预防性措施,主要实现箕斗或者罐笼向下运行过程中检查井筒位置开关动作是否正常。如果连续2次检测到同一个位置开关动作失常,则自动闭锁自动和手动提升方式,警示提升机司机转换到检查工作方式进行检修。

    ③计算系数自动校正。主要实现对主滚筒摩擦衬垫厚度变化的跟踪检测,完成单脉冲的行程计算。当提升机工作在自动方式并且稳定运行10min以上时,检测到某个固定位置的行程值超过或者低于这个位置实际行程值的一定误差范围,就自动启动计算系数校正功能,减小由于计算系数不精确造成的行程计算误差。

⑵零速度闭环控制

    提升机最容易出现问题是运行阶段敞闸、起速和停车。在提升机敞闸的同时,控制系统的速度环和电流环均已闭环,但是速度环和电流环的滞后性使提升机在敞闸的同时出现向反方向下坠的现象。如果敞闸开始前给电流环输入端1个电流给定值,驱动装置在提升机敞闸起始点输出1个阶跃的抑制重载箕斗或者罐笼下沉的电流,在整个敞闸过程中驱动装置输出电流跟随作用于主滚筒的下沉重力达到力的平衡。一旦工作闸达到制动器开闸压力就投入速度给定,实现敞闸自动控制。同样,完成提升行程后运用零速度闭环控制功能,提升机在整个闭闸停车过程中均处于零速度闭环控制状态,解决停车过程中停车不准确或者倒车问题。

⑶电流调节器

    电流负反馈控制采用PI调节器,并带有电压适配器前馈控制及断续电流前馈控制。电流PI调节器为比例积分调节器,设定2个积分系数分别用于电流连续和断续时调节,免除电流断续造成控制性能变软的不良影响。通过程序计算实际反电势,经过滤波后得到反电势滤波值并与变流器空载时的电压滤波值相比,其结果加到电流调节器的输出中,作为产生延迟角的条件,形成电压适配前馈控制,使变流器的输出电压跟随反电势变化。如果反电势增加,比值变大使延迟角变小,而提高输出电压数值;反之亦然。采用电压适配前馈控制以后,增加对变流器输出电压的控制,电流连续时电流控制由PI调节器、电压适配前馈、断续电流前馈共同参与,断续越严重断续电流前馈控制越大,使提升机获得较好的控制性能。

⑷超重控制

    ①装载控制。如果定量仓满仓装载,则输送机和给料机停运,并限制向箕斗装载。由于给料机的给料量相对稳定,可以通过控制给料机运行时间来控制装载量。

    ②提升控制。在提升机初始加速前设计0.5~1m恒速段作为提升电流准确检测区域。如果检测电流大于正常提升电流某个范围,则提升机禁止提升;如果检测电流小于正常提升电流某个范围,可以判断向下运行的箕斗未卸空,此箕斗提升1个循环后才允许定量仓向其装载;在提升机初始加速段检测电流,无论哪种过流保护装置动作,提升机都实施安全制动。

2、东滩煤矿主井提升机电控系统数控技术改造

    兖州矿业(集团)公司东滩煤矿主井摩擦提升机由额定功率1700kW低速直流电动机驱动。提升机的电控和液压制动系统是瑞典ASEA公司上世纪70年代中期的产品,井筒信号系统为继电器控制的数码显示及语音系统。电控设备及制动系统已严重老化,故障率高、运行可靠性差,每年维修及购置配件的费用达40万元。该矿采用数控技术对其进行改造,实际运行状态良好。

(1)全数字传动系统

    ①电枢部分。由4组西门子6脉冲四象限全数字SIMO-REG6RA70DCMASTER整流装置通过2串联、2并联组成提升机电枢传动系统。每组DCMASTER输出额定电流1500A、额定整流电压DC400V。此传动系统具有电枢电流闭环控制、力矩控制、电枢换向等功能,并通过Profibus现场总线与提升机主控系统通讯,设有过压保护、欠压保护、过电流保护、电流设定值与反馈值误差保护、直流回路绝缘保护、柜内冷却风量检测保护、熔断器状态监视等完善的保护功能,确保提升机运行安全可靠。

    ②励磁部分。由1组SIMOREG6RA70DCMASTER组成提升机恒定励磁系统,提供127A、90V直流电产生恒定磁场;最大输出电流280A,可以根据需要选定和电枢部分一样的保护功能。

(2)电气控制系统

    由S7400PLC+FM458组成主控系统,实现提升工艺控制和提升机监控功能,并由FM458实现提升机速度环和位置环的控制及优化。

    ①PLC冗余系统。由SIMATICS7400PLC系统对提升机进行开环控制,通过就地安装在设备的分布式远程终端ET200接入数字量和模拟量输入/输出,并通过Profibus总线和主PLC通讯联系。ET200远程I/O安装在低压柜、制动系统电控箱、闸箱、信号柜内,极大减少电缆数量以及断线、短路概率,使系统更加安全、可靠。由CPU416和CPU414等组成双PLC,2套相互独立的PLC系统构成安全回路,集成所有涉及人、设备及物料安全的故障信号监控,信号数据采集和保护均采用双线制。2套系统的运算结果相互监控,出现安全故障或监控结果不同时触发安全回路并报警。电控系统对故障分为三类:I类故障立即进行机械安全制动,并发出声光报警;II类故障先进行电气制动,再施加安全制动停车;III类故障允许提升机完成本周期运行,停车后施加工作制动,故障未解除不能再运行。

    ②闭环控制系统.以FM458-1DP(工艺控制模块)为核心的监控系统实现对提升机速度环和位置环的闭环控制及行程工艺监控。全提升周期位置闭环控制精度±10mm;速度闭环控制精度±1%;具有连续速度监控、逐点速度监控、位置和速度突变监控等功能;在整个提升过程中对提升速度进行连续控制和监视,实现加、减速度的平滑变化,减小对钢丝绳和其他机械设备的冲击;优化提升过程,根据提升速度自动选择不同的减速点,提升时间压缩到最短。

(3)液压制动系统

    西马格公司提供的“恒减速ST3-D”型盘形制动装置,由1个共用油箱、阀组、电动变量泵、各种传感器、6对BEl00盘形闸及管路等构成,具有单独的液压电控系统。电动变量泵流量40L/min,工作油压力14.4MPa,每对盘形闸正压力l00kN。压力油对蓄能器充液,在主工作压力的作用下,闸弹簧被压缩使制动闸闸瓦与制动盘之间达到规定的间隙(2~3mm),达到工作压力时泵的流量减小到维持工作水平。

    ①单箱双系统。即2套独立的电动变量泵、2套独立的阀系统共用1个油箱,2套系统1用1备。通过转换液压电控柜盘面上的选择开关,可以切换2台电动变量泵;通过操作连在总进油管路上的手动换向阀可以切换2套阀路,极大减少制动系统故障对生产的影响。

    ②2套S7-300PLC及ET200远程I/O组成液压电控系统。采用双通道控制技术,对制动系统各阀件、压力开关、温控开关、盘形闸等元件进行实时连续监控,确保制动系统安全可靠。

    ③安全制动时能以恒减速率安全地停止提升机。减小对滚筒、钢丝绳的冲击。在恒减速制动失效时自动切换为恒力矩制动,确保提升机安全制动。

    ④司机操作台及人机界面、画面显示。司机操作台设带粗精显示的深度指示器、速度和闸控手柄控制器、按钮、开关、指示灯、信号、电枢电流表、励磁电流表、速度表、加速度表、力矩表、油压表等与操作有关的元件。人机界面及画面显示采用西门子WinCC软件监控电脑,实现对位置、速度等的实时监控,还可以通过修改设定参数进行过速保护、滑绳保护、系统A/B速度相互监控差值保护、系统A/B位置相互监控差值保护等位置、速度保护实验。

    ⑤提升信号系统。具备完善的信号功能,并且通过网络和硬线两种方式与提升机的监控系统相联系。信号系统以S7-300PLC为核心控制器,安装在操作室内的信号柜中,并作为提升机监控系统的从站;上井口和下井口信号操作台各设置1套ET200远程I/O。操作室内的PLC对所有提升信号、井口设施状态进行在线监测及控制;操作室、上井口、下井口均设有LED显示屏,用于提升信号及各状态的实时显示及音响。

3、兴隆庄煤矿提升机电控系统数控技术改造

    兖州矿业(集团)公司兴隆庄煤矿的主、副井塔各安装2台70年代由瑞典成套引进的HSVE2.8型6绳摩擦式提升机,均采用可控硅供电,直流他激电动机。其电控系统为磁场可逆、逻辑无环流、速度电流双闭环的速度调节系统。主井2台提升机提升容器均为双箕斗,担负矿井的提升原煤任务。副井2台提升机中,1#提升机2个提升容器均为双层4车罐笼;2#提升机2个提升容器,1个为双层4车宽罐笼、1个为配重平衡锤,用于提升人员、矸石和物料等。经过几十年的使用,提升机已达服务年限,故障率频发,电气控制部分备品、备件奇缺,且价格十分昂贵(有的产品备件厂家已经不再生产),给检修维护带来困难。在极不适应矿井生产需求情况下,该矿与ABB公司对4台提升机的电控设备进行更新换代,改造为AC110控制器与DCF600交流器数控系统。

⑴提升机电控系统改造。

    ①主电控回路改造。由磁场换向改为电枢换向,避免启动、减速和停机的撞击,减轻设备的损伤。

    ②更换新一代监控器。在主电动机、提升钢丝绳和主轴各安装1个编码器,为HMS监控器提供信号,减少误差,避免某个编码器与另两个编码器检测信号不统一或误差较大发生急停的情况,有效保障安全提升。

    ③操纵台多设1个旁路运行方式。其作用是当系统出现某些故障时使提升机继续运行。此故障选择可使紧急驱动系统代替主控来控制,使提升机继续运行;当井筒信号系统电源被检测出存在接地故障时,故障选择给主控系统1个信号,旁路接地故障,系统可继续运行。

    ④制动控制与制动系统。制动控制改为恒力矩和恒减速2种方式。恒力矩紧急制动是按预先设定制动时间和顺序紧急制动的开环制动控制方式,用于负载恒定的主井提升。制动过程与实际负荷状态无关。恒减速制动控制是通过检测制动过程实际速度值(换算为减速度),实现制动对减速度半闭环控制,只控制制动过程液压压力下降而不能使之上升,即检测紧急制动速度达到预定值,保持压力达到恒减速,用于负载变化较大和有人员提升的副井。

    ⑤制动系统设有2套液压站。可降低制动力度和防止液压部件如油管断裂及同类故障。所有的备用闸可容易地接到另一个液压工作站上。任何对连接闸钳管路改动都受到限位开关监控器与HST屏幕所给选择命令的对比。

⑵改造后存在的问题。

    ①提升机运行后选择开关不能再做其它选择。因为运行后不能转换运行方式,司机在自动运行时发现异常不能工作制动停车,只能紧急制动,其后果十分严重。所以,在上下人时须使用手动,也严禁使用半自动,副井双罐在正常装填情况下才能使用半自动模式。如果装填情况不符合半自动条件,井口信号工立即联系司机取消半自动模式。如果能够改进为异常状态下转换成工作制动停机就更安全。

    ②高压开关柜故障和变流器跳闸故障。这是改造后常见的故障。出现高压柜故障在操作台难以复位开车,需到高压柜本地复位,通常要重复几次才行。出现高压柜跳闸故障通常变流器也跳闸,其原因是故障信号在发向主控系统的同时,还通过串联在安全回路中的继电器触发安全回路,导致变流器跳闸发生急停。目前只是用复位或重复复位来解决。

4、北宿煤矿副井提升机电控系统数控技术改造

    兖州矿业(集团)公司北宿煤矿二号副井2JK-3/20单绳缠绕式提升机于1990年投入运行,配备JR1510-10电动机,400kW、6kV,采用TKD交流电控。随着数控直流调速技术在我国矿井提升机电控系统中的研究与开发应用,该矿在原电控的基础上将动力制动改为可控硅低频制动,改用PLC逻辑替代原来的继电器逻辑,但是这次改造以后在运行中仍然存在严重问题。为此,他们采用数控技术代替模拟控制彻底解决矿井提升机交流拖动调速性能不理想、外围硬件多以及稳定性差等问题,实现自动化提升。

    这次改造后采用TS3A电控系统,有手动、检查、换层与半自动等操作方式。提升机设置过卷、等速段超速、减速段超速、全程过速、同步超限、装卸载故障、紧停、编码器故障、电机超温跳闸、整流装置故障跳闸、快开跳闸、紧急停车、励磁故障、操作程序故障、液压系统故障、低压电源系统故障、风机辅助系统故障、计算机系统故障、松绳故障及驱动失败等主要保护。软件安全回路分别由2套S7-400组成,外加1套独立的继电器安全回路。液压站采用恒力矩控制。在提升机房内设整流变压器、电抗器和直流快速断路器各1台。主整流柜内含1台SIEMENS6RA70整流装置为直流电动机的电枢回路供电。供电采用晶闸管并联6脉动,电枢换向,并且提供励磁供电。提升机控制台设置2个进口给定手柄,分别用于速度给定及制动闸给定。台内设ET200M远程分站。显示屏设置主要状态和主要故障显示灯。圆盘深度指示器和数字深度指示器配有电枢电流、励磁电流、数码速度、加速度、工作阀电流与制动油压表。主控柜内设2套S7-400,其功能互相冗余,分别承担提升机的程序控制、行程控制、状态监测及各种保护。辅助柜内含继电器安全回路及ET200M。电枢回路的调节功能包括设定转速给定源、自由选择转速实际值信号、速度自动调节、电枢电流自动调节、斜坡函数发生器、转矩限幅、电流限幅、预控制器及触发装置。行程监控包括自动生成提升包络线以及提升全过程位置、速度监控,实现速度逐点保护,系统的行程控制精度不超过±20mm。

5、杨村煤矿副井提升机数控自动化系统改造

    兖州矿业(集团)公司杨村煤矿副井提升机原先配置交流异步电动机驱动TKD系统,采用继电器有触点逻辑控制,以磁放大器为核心组成模拟量可调闸闭环调节,靠切换串入交流电动机转子电阻达到调速的目的,调节精度难以保证,稳定性和线性度差,而且设备老化,影响矿井的安全生产。为此,他们决定对其进行改造,并在中国矿业大学和兖州矿业(集团)有限责任公司的支持下,研制出提升机数控自动化系统。

⑴控制系统技术改造范围。

    PLC应用在交流提升机的改造上,主要表现在采用PLC逻辑替代继电器逻辑;采用电子线路替代磁放大器,对可调闸和动力制动进行调节控制;主令控制器用简单的接点耦合替代;速度信号采用电子线路处理。这些技术在一定程度上改善提升机的性能,但是仍然存在问题:外围硬件过多,没有充分发挥PLC软件功能,装置容易出现故障和产生不稳定;简单耦合的主令控制器可靠性差,容易造成开车控制重大错误;对速度检测增加中间有源环节,容易造成速度监测错误;减速点等关键点设置太少,留有隐患;没有良好的调节控制程序,调速性能不理想。矿井提升机直流电动机拖动与交流异步电动机拖动相比,调速性能好、不需要附加其它拖动装置、容易实现自动化。此项改造的内容是去掉TKD电控系统、交流电动机和信号操车设备等,改为新型的直流调速自动化系统,开发1套由高压开关柜、整流变压器、电枢整流柜、司机控制台、PLC柜、低压配电柜和上位监视机等组成的全数字自动化副井提升电控系统,使用直流电动机,更换1套PLC控制信号操车设备。

⑵提升机电控系统的关键技术。

    ①动力系统设计。6kV来自矿井35kV变电所2路进线,手动切换。提升机房放置1台6kV高压柜。高压柜采用真空断路器,设有速断、过流、欠压、失压跳闸等保护功能。2路380V进线作为低压供电回路,手动投切。低压配电柜设置多路输出,担负提升机电控及信号系统的供电,主要有主冷却风机、制动液压站、润滑站等辅助设备的供电以及系统需要的DC24V、DC15V、DC110V、DC220V、AC220V、AC110V控制电源。

    ②驱动系统。提升机房设1台整流变压器,直流电动机主回路为1台主整流柜,内置1台SIEMENS6RA70整流装置。直流电动机的电枢回路采用晶闸管6脉动供电,电枢换向。6RA70SIMOREGDCMASTER系列整流器为全数字紧凑型整流器,输入三相电源,为变速直流驱动提供电枢和励磁供电,稳定电枢电流15~2000A。开环和闭环驱动控制及通讯功能由2台功能强大的微处理器实现,驱动控制功能通过参数将软件提供的程序块实现。他们根据提升机行程控制的要求,由PLC完成系统的速度曲线与保护曲线运算,综合成为速度的给定输出。速度控制由6RA70装置完成,速度拐点处设置圆形过渡,减少机械冲击。以独立的每转5000脉冲编码器完成速度反馈。电流调节器是具有相互独立设定P放大值和调节积分时间的PI调节器。电流实际值通过三相交流侧的电流互感器检测,经过负载电阻、整流、模拟、数字变换之后,送往电流调节器。电流调节器的输出形成触发装置的控制角,同时作用于触发装置的还有预控制器。电流调节回路的预控制器用于改善调节系统的动态响应,电流调节回路的允许上升时间6~9ms。预控制及电流给定值和电动机EMF有关。通过电流预控制器实现电流预给功能。由6RA70主站完成对速度控制的响应,使提升机平稳起动。

    ③提升机控制系统。操作台设置2个手柄,分别用于速度给定及制动闸给定。控制台显示盘设置主要状态显示灯、主要故障显示灯、圆盘式深度指示器和数字深度指示器、电枢电流表、励磁电流表、速度表等。控制台内设ET200M远程分站。主控柜内设2套S7-400,主PLC实现提升机的程序控制、行程控制保护、状态监测及各种保护;从PLC自动生成提升包络线,实现提升全过程位置、速度监控,实现速度逐点保护,系统行程控制误差≤±20mm。如果其中1套主机故障,另外1套应急开车。系统设有主S7-400软安全回路完成系统所有保护;从S7-400软安全回路完成系统的行程保护;1套继电器直动的硬件安全回路完成系统的重要保护。提升机的控制工艺程序设计采用功能模块化结构,主要功能有手动、检查、平罐等操作方式,满足副井提升工艺的需要。他们根据此提升机的特点,操作与设置有机结合,使驱动系统与提升系统融为一体,设计对系统开发、带力矩起动与停车时减少系统冲击等的保护。

    ④人机对话。上位机采用17″液晶显示器。上位机显示包括提升机状态全图、信号系统信息、故障信息、提升驱动信息、高压供电、低压配电、液压制动系统图、提升网络图等画面,直观显示提升系统当前信息及历史数据。上位监视程序可进行过程图形化监视、数据采集和管理、监督控制。

    ⑤信号、装载定量控制系统。PLC主井提升信号、装载定量控制系统适于无瓦斯、煤尘、爆炸危险的环境,具有声光兼备、数字显示、信号记忆;急停报警;信号之间闭锁;信号指令与开车回路闭锁、急停与安全回路闭锁,到位设施不正常发不出开车信号;急停记忆和信号自保;提升次数记忆和提升指令存储;提升类别显示;热备简易打点信号系统等功能。

⑶改造效果。

    应用实践表明:由于硬件电路均采用大规模和超大规模集成电路,元器件少、结构简单、故障点少、可靠性高;硬件采用以总线联系的模块化结构,控制算法和系统控制利用软件完成具有可构置性,可以进行功能扩展,运行灵活;硬件工作状态可以通过软件反映,软件运行情况也可以通过硬件监视,软、硬件故障均可通过指示直接反映出来,维护方便;设有微处理器,整个控制功能与调速算法均由软件完成,控制精度高,稳定性好;数控直流拖动系统运行效率高,无功能耗低,可以节约大量的电能,减少维护的费用;此系统能够产生“S”形曲线,减少对系统的冲击,保护系统运行的平滑性;此项成果容易实现数字通讯,并与其它系统联网,将系统中的运行参数和运行状态传递到网络上,实现现代化管理。

主要参考文献:

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[2]李伟生,刘相楠.应用数控技术改造提升机电控系统[J].煤矿机电,2007,28(3):61-63

[3]马连霞.对瑞典新旧两代HSVE多强摩擦式提升机的操作经验与技术改造的探讨[J].煤矿现代化,2009,18(4):117-118

[4]岳朝柱,王德堂,王公华.提升机全数字化控制自动化系统的研制与应用[J].山东煤炭科技,2005,23(3):4-5

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