安全保护系统分析论文

1矿井提升安全保护系统的构成及三级响应

提升机安全保护系统，分为核心运算保护和状态采集保护。前者要对数据进行采集，依靠CPU或其它电子模块对采集数据进行复杂运算分析，之后对分析结果进行判定；而后者仅仅直接采集数值，对数值进行判定。核心运算类保护分为传动控制保护和提升工艺保护。传动控制保护，在提升系统电能转换成机械能的转换过程中起控制保护作用；工艺运算保护，则对提升容器在井筒内的机械运动起保护作用。状态采集保护分为机械数据采集保护、供配电数据采集保护、通风冷却数据采集保护、井筒信号数据采集保护。状态采集保护，在提升系统运行中，对各子设备的重要数据进行采集，并判定数据状态。当判定的最终状态对提升传动或提升工艺有危害，或对各子设备有危害时，提升安全保护系统就会依危害程度按不同级别响应。提升系统按危害等级对应三种不同的提升机系统响应，从高到低分为三级：一级紧急停车响应，液压制动，立即合闸；二级电气停车响应，通过电机转矩停车并工作抱闸；三级电气闭锁响应，允许操作提升机继续运行，但抱闸停车后禁止运行。

2核心运算保护分析

2.1传动控制保护

传动控制的执行模块是FM458，是一个高性能控制器，采用64位RISC（简化指令集）CPU，具有强大浮点运算能力，最快循环时间是0.1ms。它的功能是控制变频传动子系统将提升运行速度、加速度、力/力矩，精确输出到主轴上，让主轴带动滚筒、钢丝绳及与钢丝绳连接的提升容器运动。

2.2工艺运算保护

工艺运算保护的执行模块是SIMATICS7-400PLC的CPU，它实时检查提升容器编码器（运动状态传感器）的测量状态和运动曲线。

2.2.1编码器测量状态保护

编码器是一种光电式旋转测量装置，把输出脉冲信号直接输入给PLC，利用PLC的高速计数器对其脉冲信号进行计数，从而解算出提升容器位移和速度。提升系统一共安装了3个编码器，分别装在和滚筒内圆接触的橡胶轮上、滚筒的1个输出轴上及天轮轴端。3个编码器在PLC中两两比较解算位移和速度，比较结果不符，启动一级紧急停车响应。其中滑绳保护，指主轴编码器和天轮编码器测量位移值不符，往往是钢丝绳打滑造成。同步点跳位保护：容器在井筒中运动，运动距离越长，编码器累积误差越大，为消除累积误差，在井筒内放置一同步开关，当容器经过开关时，编码器测量的实际位移与同步开关位置进行比较，如果误差很小，编码器经PLC解算的位移根据同步开关位置更新；如果误差较大，启动一级紧急停车响应。

2.2.2运动曲线保护

运动曲线保护的原理是用标准参照曲线监测提升系统运行，运动曲线保护主要包括连续速度监视保护、电子阶梯速度监视保护、末段速度阶梯监视保护、错向监视保护。以李村矿副井提升系统下大件标准参照曲线为例，如图2所示。图2为提升系统大件模式、五阶梯曲线图。从上向下为加速度-时间（a-）t曲线，速度-时间（V-）t曲线，井筒深度为566.8m，井筒中大件重量Q为17000kg，无配重，其中速度-时间（V-）t曲线图中附入阶段加速度a、阶段提升时间T、阶段提升距离H的表格。Vm表示容器在井筒中平稳运行的最大速度，Vo表示容器接近提升终点时爬行速度。依据此类标准参照曲线对提升速度进行监测。速度监测、保护由以下组成：

a)连续速度监视保护。PLC根据标准参照曲线，绘制时间点精确到毫秒级速度包络曲线，用以实时监测井筒容器运行状态。当速度包络曲线与实际速度偏差过大，启动一级紧急停车响应；

b)电子阶梯速度监视保护。从标准参照曲线选取有限个监测点，存入电子文档，PLC读取文档中数据监测井筒容器运行状态。当在某位置读取的电子阶梯速度与实际速度偏差过大，启动一级紧急停车响应。以上两种保护是一致的，均是用标准参照曲线去检查实际运行曲线，区别在于前者是实时计算，时间精度高；后者仅读取值，不依照曲线计算，它的精度与预置数值数量有关；

c)末段速度阶梯监视保护。图2V-t曲线中，对应减速段曲线的3个曲率变化，分别设置3个触发点，并在电子文档中存入触发点最大速度值。当容器经过此触发点，预存速度数值与实际速度偏差过大，启动一级紧急停车响应；d)错向监视保护。提升容器逆行，启动一级紧急停车响应。

3状态采集保护分析

3.1主要机械部件保护

主要机械部件保护，包括制动闸及闸盘、液压站、主轴与轴瓦、站、天轮等主要设备对提升系统保护。制动闸采用了常闭设计，在断电或无油压状态下，完全靠弹簧机械力使制动闸合闸，保证提升系统安全；液压站输出压力油给制动闸，制动闸打开。在提升系统对制动闸故障（闸弹簧断裂、闸磨损、闸未打开、闸未关闭），或制动闸合闸油压（残压）、敞闸油压不符合规定，启动一级紧急停车响应。闸与闸盘距离越小时间制动时间越短，制动闸盘间隙＞2mm，启动一级紧急停车响应。闸与闸盘摩擦温度过高，闸盘偏摆，启动二级电气停车闭锁响应。液压站给制动闸提供液压油，对液压油油温、液压油油箱油位、油过滤器堵塞情况进行报警，提示工作人员及时处理；监控数值达到一定程度，启动三级电气闭锁响应或更高级别响应。主轴与轴瓦是滑动摩擦，在提升机启动停止阶段低速运行时小于20r/min，系统高压泵为滑动轴瓦提供少量高压，抬起主轴，并在轴瓦与主轴间形成油膜，以消除轴瓦和主轴的混合摩擦。在提升机达到运行20r/min，系统的常压泵提供常压。高压泵和常压泵用不同管路分别向轴承注油，用同一根管路回油。轴承常压压力0.7MPa，压力降低30%，即降到0.5MPa以下；轴承轴承温度大于75℃；常压下注入轴承的油，流量不足；都启动一级紧急停车响应。轴承站给主轴轴承注油，对油油温、油油箱油位、油过滤器堵塞情况进行报警，提示工作人员及时处理；监控数值达到一定程度，启动三级电气闭锁响应或更高级别响应。对天轮轴承温度设置了监控保护，温度过高报警，监控数值达到一定程度，启动三级电气闭锁响应。

3.2供配电类设备状态采集保护

经过中压开关柜进线，由主电源变压器和励磁变压器，向变频装置、励磁装置提供电源，再分别输出给电机定子和转子；由辅助变压器10/0.4kV供给液压站、站、加热器、照明、直流屏等低压电源。中压柜微机综合保护测控装置、变频装置、励磁装置设备自身已实现完善的电气设备保护和故障记忆查询功能。除此之外，将400V、230V交流的空开辅助触点接入监控系统，对繁多的低压空开上电进行监控；并对PLC供电的24V直流，230V交流接入接地故障监测保护。对变压器温度监测保护，当温度超温警告，启动三级电气闭锁响应。当电气故障发生时，如引起矿井提升核心运算保护动作，或液压站失电等，必然触发一级紧急停车响应。在电机启动前，主电机绝缘阻值低，触发相关闭锁响应，当故障排除后方可开车。

3.3通风冷却系统状态采集保护

对主电机通风冷却系统的进风、混风、出风的温度进行采集，当温度超温警告，启动三级电气闭锁响应。变频器内部冷却系统，过滤器被污染（电导值大于1μS/cm），流速过低，加水水箱水位低、水流量、水温不符合规定，启动二级电气停车闭锁响应。变频器外冷却系统故障，停止运行，启动二级电气停车闭锁响应。变频器所加水的导电值＜30μS/cm，加水后开启变频器前，要通过循环冷却系统的离子交换系统，将导电值降低到1μS/cm范围才可冷却变频器。

3.4井筒信号数据采集保护

井筒信号系统的作用是完成井上下通讯，同时它把井口、井底附属设备的状态传递给西门子PLC。在提升系统运行时安全门打开，摇台落下，启动一级紧急停车响应；提升容器触发过卷开关，启动一级紧急停车响应。

4矿井提升安全保护的应用效果

李村煤矿副井提升系统自2010的安装投运以来，到2013年年底，提升系统每天平均工作16h，累计发生故障45起，累积影响运行时间约180h，累计影响时间占总时间小于0.02％，运行稳定、可靠、安全。而且45起故障中有一半以上是由于绞车房温、湿度不达标、电气元件灰尘大、电气元件老化、端子排接线虚接，控制柜电池电能匮乏未及时更换及维护人员操作素质不高引发的。其中一起因励磁输出柜励磁模块保险受冲击电流损坏的故障，因矿方没有此保险配件，影响5d以上；一起因车房温湿度不达标，烧坏变频器整流模块的故障，影响时间48h；一起故障因风道潮气过重，定子磁包阻值降低报警，维护人员欠缺经验，对风道干燥解决方法不合适，影响约12h。在实际应用中也发现，西门子提升机保护系统还存在一些不足，例如，对于工业用电电流闪送过于灵敏，一有闪送，往往会引起绞车急停，另外西门子消谐保护不到位，引起电气元件击穿老化。西门子对电气环境使用的监测保护、对外水冷设备空气压缩机保护监控及外水冷水箱清洁度欠缺监控保护提示。西门子在软件界面、故障恢复的人性化引导方面也还需完善。

5结语

西门子矿井多绳摩擦式提升机安全保护系统几乎覆盖了提升系统所有主要故障信号点，在潞安集团李村煤矿运行4a，对提升工艺及关键设备监控到位，并通过不同层级报警迅速缩小故障范围、发现故障点，节约了经济及人力成本，实现了提升系统的持续、可靠、无故障运行，有力保障了矿山安全生产，是李村建设自动化矿井、打造数字化矿山的重要构成。

作者:张洋李卫涛单位:潞安矿业集团有限责任公司李村煤矿建设管理处