主立井提升機(jī)余煤監(jiān)視功能

寇磊

（陜西延長(zhǎng)石油巴拉素煤業(yè)有限公司，陜西榆林 719000）

1.巴拉素煤礦主井提升機(jī)概況

陜西延長(zhǎng)石油巴拉素煤業(yè)有限公司主立井提升系，采用直連式多繩摩擦式提升機(jī)，裝備兩對(duì)45t立井多繩提煤箕斗，配備兩套提升系統(tǒng)擔(dān)負(fù)全礦井煤炭提升任務(wù)。提升機(jī)由ABB公司生產(chǎn)的JKM-5×6塔式多繩摩擦提升機(jī)雙系統(tǒng)提升。井筒直徑為9.6m，提升高度為580.35m，主電機(jī)功率為6700kW，最大提升速度為12.57m/s。傳動(dòng)系統(tǒng)選用ABB公司ACS6000變頻器，制動(dòng)系統(tǒng)采用ABB公司生產(chǎn)的兩套恒減速液壓站[1]。

箕斗名義載煤量45t，本體高度22300mm，箕斗與配重總質(zhì)量（包括滾輪罐耳、首尾繩懸掛裝置）68t。提升設(shè)備各選用52 ZBB 6×28T+FC 1570 SS 1950 1117 EN12385-6型進(jìn)口鋼絲繩3根，52 ZBB 6×28T+FC 1570 ZZ 1950 1117 EN12385-6型鋼絲繩3根，每根長(zhǎng)680m，總質(zhì)量45t。平衡尾繩選用206×33 ZAB PD8×4×19+FC 1370 2880 1950 GB/T20119-2006型扁鋼絲繩2根，177×28 ZAB PD8×4×19+FC 1370 2120 1420 GB/T20119-2006型扁鋼繩2根，每根長(zhǎng)度625m，總質(zhì)量45t。

2.余煤監(jiān)視功能基本原理

在雙箕斗提升機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中，箕斗兩側(cè)的質(zhì)量在設(shè)計(jì)時(shí)是按照基本平衡的原理設(shè)計(jì)的，余煤監(jiān)視的基本原理就是信號(hào)裝載噸位值與實(shí)際力矩測(cè)量噸位值的差值即為箕斗的余煤量。這其中涉及兩個(gè)主要噸位值，其一新虞信號(hào)系統(tǒng)傳輸?shù)紸BB AC800M PLC控制系統(tǒng)中的實(shí)際裝載噸位T1；其二為ABB主控AC800M PLC系統(tǒng)根據(jù)主提升電機(jī)實(shí)時(shí)力矩值計(jì)算出的提升噸位T2。這2個(gè)噸位數(shù)據(jù)相減（T1- T2）得出的數(shù)值即為余煤量，如果新虞信號(hào)系統(tǒng)傳輸?shù)膰嵨粩?shù)據(jù)減去ABB PLC控制系統(tǒng)計(jì)算的噸位數(shù)據(jù)值大于設(shè)定保護(hù)值，就產(chǎn)生一個(gè)CAT 1類(lèi)電氣減速停車(chē)的故障，提升機(jī)雖即開(kāi)始按照正常的減速度0.7m/s2減速，直到提升機(jī)速度減到為零，硬件安全回路斷開(kāi)，提升機(jī)跳閘，上位機(jī)報(bào)提升機(jī)余煤故障。

3.余煤監(jiān)視功能誤差分析及設(shè)定保護(hù)值

有兩部分的原因會(huì)造成ABB PLC系統(tǒng)的計(jì)算誤差，一部分是提升鋼絲繩和尾繩的單位質(zhì)量差引起的鋼絲繩的總質(zhì)量差，另一部分是風(fēng)阻和整套系統(tǒng)的摩擦力所產(chǎn)生的額外的計(jì)算誤差。

3.1 鋼絲繩引起的計(jì)算誤差

鋼絲繩最大總質(zhì)量差等于尾繩和首繩的單位質(zhì)量差乘以6（繩根數(shù)）再乘以井深580m。設(shè)計(jì)院在進(jìn)行提升機(jī)設(shè)計(jì)的時(shí)候的原則是這個(gè)質(zhì)量差是越小越好，在設(shè)計(jì)時(shí)默認(rèn)是按照首繩和尾繩的單位質(zhì)量差為零來(lái)設(shè)計(jì)的，但在鋼絲繩的選型和生產(chǎn)過(guò)程中基本不可能產(chǎn)生質(zhì)量差完全為零的情況[2]。提升機(jī)在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，鋼絲繩因受力較大存在出油或磨損情況，提升鋼絲繩質(zhì)量會(huì)有減輕情況，尾繩在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)附著上大量水和煤泥，提升鋼絲繩和尾繩的質(zhì)量差構(gòu)成了雙箕斗提升機(jī)往返運(yùn)行過(guò)程中的主要質(zhì)量差，通常這個(gè)數(shù)據(jù)通過(guò)低速運(yùn)行提升機(jī)，計(jì)算提升機(jī)在接近井口和井底的時(shí)力矩差值即可計(jì)算出這個(gè)質(zhì)量差。如圖1和圖2所示即為提升機(jī)在井底和井口時(shí)的力矩曲線(xiàn)和力矩值，井口減去井底的值為182-121=61kN·m，根據(jù)力矩和質(zhì)量換算公式

圖1 井底時(shí)力矩值182kN·m

圖2 井口時(shí)力矩值121kN·m

即可計(jì)算出質(zhì)量差值為2.5t。

3.2 風(fēng)阻和摩擦力引起的計(jì)算誤差

提升機(jī)在井筒中運(yùn)行的風(fēng)阻計(jì)算公式如下F=A·Cw·V2（A為箕斗的橫截面面積，Cw為風(fēng)阻系數(shù)，V為箕斗運(yùn)行速度），由于箕斗運(yùn)行時(shí)的Cw風(fēng)阻系統(tǒng)不好測(cè)定，我們使用力矩測(cè)定法來(lái)測(cè)量風(fēng)阻的大小，同樣由于整套提升機(jī)系統(tǒng)的摩擦力和風(fēng)阻一樣都是阻礙提升機(jī)運(yùn)行的力，所以下面進(jìn)行的測(cè)量測(cè)出的力矩既包含了風(fēng)阻又包含了系統(tǒng)摩擦力。具體測(cè)試方法為將兩側(cè)箕斗徹底卸空，然后將提升機(jī)設(shè)置為自動(dòng)運(yùn)行模式，防止人為操作帶來(lái)的力矩波動(dòng)誤差，運(yùn)行速度設(shè)置為最大速度12.57m/s，這時(shí)打點(diǎn)開(kāi)車(chē)運(yùn)行一個(gè)往返。記錄提升機(jī)在井筒之間位置的力矩值，之所以在井筒之間位置主要是為了排除兩側(cè)鋼絲繩質(zhì)量差引起的誤差，2個(gè)力矩值最后相加取平均值既是我們要的數(shù)據(jù)。下圖圖3和圖4是提升機(jī)在12.57m/s運(yùn)行時(shí)所采集的曲線(xiàn)，下放時(shí)為44kN·m，上提時(shí)為56kN·m，之所以?xún)蓚€(gè)數(shù)值差距比較大是因?yàn)榛分羞z留了少量煤導(dǎo)致，因?yàn)樽罱K要加權(quán)取平均，所以這個(gè)誤差會(huì)在加權(quán)的過(guò)程中抵消掉，不影響最終的結(jié)果，根據(jù)公式即可計(jì)算出質(zhì)量差值為4.1t。

圖3 12.57m/s下放時(shí)力矩值44kN·m

圖4 12.57m/s上提時(shí)力矩值56kN·m

3.3 余煤監(jiān)視功能保護(hù)設(shè)定值

最終兩部分誤差相加為2.5+4.1=6.6t，這個(gè)值是額外增加的噸位值，不是實(shí)際由煤重產(chǎn)生的力矩噸位，最終的保護(hù)值要增加這部分誤差，另外提升機(jī)額定負(fù)荷為45t，自動(dòng)模式下按照10%的余煤保護(hù)來(lái)設(shè)定，保護(hù)值是4.5t，最終的程序保護(hù)值設(shè)定在4.5t+6.6t=11.1t。手動(dòng)模式下按照15%的余煤保護(hù)來(lái)設(shè)定，保護(hù)值是6.8t，最終的程序保護(hù)值設(shè)定在6.8t+6.6t=13.4t。

3.4 余煤監(jiān)視功能程序設(shè)置

主控系統(tǒng)采用ABB AC800M PLC用于提升機(jī)運(yùn)行過(guò)程控制，信號(hào)系統(tǒng)采用西門(mén)子S7300PLC輔助ABB主控系統(tǒng)完成提升運(yùn)輸工作[3]。信號(hào)系統(tǒng)將裝卸載控制過(guò)程和裝煤量等參數(shù)通過(guò)PROFIBUS通訊和硬線(xiàn)與提升機(jī)主控系統(tǒng)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)提升和裝卸載全過(guò)程監(jiān)測(cè)控制。將裝載定量斗稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)放置在MW20，并將MW20數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送至PQW26，將PQW26中的數(shù)據(jù)通過(guò)PROFIBUS通訊法式發(fā)送至提升機(jī)房信號(hào)PLC，由PIW46接收PQW26數(shù)據(jù)，完成裝載定量斗稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)傳輸至提升機(jī)房信號(hào)控制系統(tǒng)。將PQW26稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)送至MW70，由S7模擬量模塊將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成4mA～20mA電流信號(hào)，通過(guò)硬線(xiàn)連接將數(shù)據(jù)傳輸至提升機(jī)主控系統(tǒng)AC800M PLC。

實(shí)際提升力矩參數(shù)PayloadTorque的值與XHPayLoad值進(jìn)行差值比較，所得參數(shù)PnCoalLeftWt值與手動(dòng)模式下保護(hù)參數(shù)TpCoalLeftWt設(shè)定值13.4和自動(dòng)模式下保護(hù)參數(shù)TpCoalLeftWtAUTO設(shè)定值11.1進(jìn)行差值比較，計(jì)算差值大于保護(hù)設(shè)定值5s后提升機(jī)報(bào)余煤故障。

3.5 余煤監(jiān)視功能畫(huà)面及語(yǔ)音提示

ABB提升機(jī)人機(jī)界面中設(shè)置自動(dòng)和手動(dòng)狀態(tài)下TpCoal LeftWt和TpCoalLeftWtAUTO 2個(gè)余煤參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示，用于提示操作人員對(duì)箕斗余煤值的觀察，設(shè)置余煤故障提示畫(huà)面，在余煤值大于保護(hù)設(shè)定值后狀態(tài)由空表顯示為紅色以示提醒。過(guò)程畫(huà)面故障紅色指示連接語(yǔ)音報(bào)警，當(dāng)余煤故障由空表轉(zhuǎn)為紅色時(shí)，啟動(dòng)語(yǔ)音報(bào)警，以達(dá)到聲光報(bào)警功能，讓操作人員在視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)上能夠迅速對(duì)提升機(jī)運(yùn)行情況進(jìn)行判斷，并根據(jù)故障指示做出正確的處理法方。將余煤故障畫(huà)面接入旁路控制回路，便于操作人員對(duì)余煤故障進(jìn)行旁路和復(fù)位提升機(jī)安全回路[4]。

4.余煤保護(hù)故障處理

系統(tǒng)檢測(cè)到余煤故障后會(huì)電氣減速停車(chē)并報(bào)余煤故障。這時(shí)需要復(fù)位提升機(jī)，重新打點(diǎn)反向運(yùn)行，把箕斗提到停車(chē)位，再次檢查卸載掉箕斗中的余煤如遇大塊矸石卡在箕斗卸載口，作業(yè)人員對(duì)箕斗進(jìn)行檢查時(shí)也能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行處理，確保箕斗內(nèi)沒(méi)有遺留物后，提升機(jī)方可恢復(fù)正常。

5.余煤監(jiān)視功能保護(hù)測(cè)試

在設(shè)計(jì)時(shí)考慮了這個(gè)余煤保護(hù)測(cè)試的需要，在程序中增加了余煤保護(hù)測(cè)試功能，并且測(cè)試安全、簡(jiǎn)單、方便。提升機(jī)裝入大于保護(hù)值的煤重，先上提裝完煤的箕斗到井中間停車(chē)，再打點(diǎn)箕斗下行，主控PLC檢測(cè)到余煤后電氣減速停車(chē)，上位機(jī)報(bào)余煤故障，保護(hù)測(cè)試成功。

6.余煤監(jiān)視功能應(yīng)用效果

在余煤保護(hù)功能投入后，經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)行檢驗(yàn)和保護(hù)測(cè)試都達(dá)到良好效果，有效避免了因箕斗余煤而導(dǎo)致的二次裝載引起的提升機(jī)大負(fù)荷過(guò)載，大大降低了箕斗、鋼絲繩和滾筒等機(jī)械設(shè)備大負(fù)荷過(guò)載的概率，也避免了人員冒險(xiǎn)進(jìn)入井筒進(jìn)行箕斗清理作業(yè)。余煤監(jiān)視功能的應(yīng)用保證了系統(tǒng)的安全運(yùn)行，保證了作業(yè)人員的安全，有效延長(zhǎng)了整套系統(tǒng)的工作年限。

7 結(jié)語(yǔ)

煤礦主立井提升機(jī)作為礦井提升原煤的主要設(shè)備，其設(shè)計(jì)理念完全符合煤礦安全規(guī)程要求，但在生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中，由于提升設(shè)備受煤質(zhì)和設(shè)備故障等方面的影響，會(huì)出現(xiàn)提升超載現(xiàn)象的發(fā)生。為杜絕箕斗煤未卸盡而導(dǎo)致的提升機(jī)超載重大事故的發(fā)生，結(jié)合ABB提升機(jī)性能和裝卸載控制系統(tǒng)工藝流程，確定解決箕斗余煤監(jiān)視功能整體方案。根據(jù)裝載定量斗上次裝煤量和提升機(jī)本次提升力矩進(jìn)行差值比較，考慮提升系統(tǒng)機(jī)械部件的質(zhì)量誤差和箕斗在井筒中的高速運(yùn)行時(shí)的風(fēng)阻影響變頻器力矩，在ABB主控程序中設(shè)定10%的額定保護(hù)值加誤差值，最終確定實(shí)際保護(hù)值。主控系統(tǒng)和裝卸載控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸和采集實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交換，實(shí)現(xiàn)了余煤監(jiān)視功能的可靠運(yùn)行，從設(shè)計(jì)理念上杜絕了箕斗因余煤而導(dǎo)致的超載情況的發(fā)生。