矿井提升机的现状与发

11绪论1.1引言矿井提升机是煤矿、有色金属矿中的重要运输设备，是“四大运转设备”之一。矿井提升系统具有环节多、控制复杂、运行速度快、惯性质量大、运行特性复杂的特点，且工作状况经常交替转换。虽然矿井提升系统本身有一些安全保护措施，但是由于现场使用环境条件恶劣，造成了各种机械零件和电气元件的功能失效，以及操作者的人为过失和对行程监测研究的局限性，使得现有保护未能达到预期的效果，致使提升系统的事故至今仍未能消除。一旦提升机的行程失去控制，没有按照给定速度曲线运行，就会发生提升机超速、过卷事故，造成楔形罐道、箕斗的损坏，影响矿井正常生产，甚至造成重大人员伤亡，给煤矿生产带来极大的经济损失。提升机电气控制系统在很大程度上决定了提升机能否实现平稳、安全、可靠地起制动运行，避免了严重的机械磨损，防止较大的机械冲击，减少机械部分维修的工作量，延长提升机械的使用寿命。所以，提升机电气控制系统的研究一直是社会各届人士共同关注的一个重大课题。随着矿井提升系统自动化，改善提升机的性能，以及提高提升设备的提升能力等的要求，对电气传动方式提出了更高的要求。对矿井提升机电气传动系统的要求是：有良好的调速性能，调速精度高，四象限运行，能快速进行正、反转运行，动态响应速度快，有准确的制动和定位功能，可靠性要求高等。1.2矿井提升机的现状与发展趋势随着科学技术的进步和矿井生产现代化要求的不断提高，人们对提升机工作特性的认识进一步深化，提升设备及拖动控制系统也逐步趋于完善，各种新技术、新工艺逐步应用于矿井提升设备中。特别是模拟技术、微电子技术、微电脑技术在提升机控制中的应用已成为必然的发展方向。1.2.1国外矿井提升机的现状1、晶闸管一电动机(SCR—D)直流低速直联拖动系统部分发达国家原有的交流提升机已基本上被晶闸管一电动机（以下简称SCR—D)系统所取代。如德国、瑞典等国家已有90％以上采用直流提升机，传动系统大都采用低速直联式(省去减速机)，使系统大为简化。如AEG公司采用低速直联的SCI—D系统，电机功率3000kW，额定转速55．8r/min，滚筒直径6.5m，提人速度17m/s，提物速度20m/s，提升高度1200m，具有完善的保护系统；采用磁场反并联，有平波电抗器及卧式深度发送装置：采用积分给定与行程给定相结合的双重给定信号；主回路采用两组三相桥组成12脉动顺抗整流，大大提高了功率因数。SIEMENS(西门子)公司、ABB公司、CEGELEC公司以及ASEA公司等都有相同类型的产品，其性能大同小异。此类系统的优点在于：体积小，重量轻，占地面积小，安装方便，建筑费用低；无减速器，总效率高，电能消耗少；维护工作量小，备件少，处理事故快；单机容量大，适用范围广；调速平滑，精度高；易于实现最佳控制和自动化，安全可靠；节电显著，5—8年可回收设备投资，是矿井节电的有效途径。其缺点在于：功率因数低，如三相桥平均功率因数只有0.45左右；无功冲击大，高次谐波对电网影响大。这些缺点可采用顺序控制和多脉冲整流的方法以及在电网上加谐波滤波器等措施使其抑制在一定的允许范围内。2、交流变频调速同步机驱动提升系统SCR—D直流拖动系统趋于成熟，且采用了顺控技术等措施来提高功率因数，但其功2率因数仍然较低，从而从电网吸收大量的无功功率，且对电网品质因数产生严重的影响，提升容量越大，问题越突出。再则，直流电机制造成本高，电枢回路的整流子限制了提升容量的进一步增加，且整流子，碳刷易磨损，加大了维护工作量，故障率高。因此换相整流子是个薄弱环节。由于存在上述两个问题，迫使人们又重新考虑交流拖动方式。自80年代初以来，交流变频供电的同步机拖动异军突起，在大型提升机中发展成为技术、经济均优的拖动方式。如SIEMENS公司1979年投运的2×4200kW、1×2650kw，额定转速55.8r/min；CEGELEC公司1983年投运的l×5480kw，额定转速69.5r/min；AEG公司1985年投运的l×3000kW，额定转速55．8r/min，ABB公司投运的l×4200kW额定转速45．86r/min；SIEMAG公司投运的2×4600kw等变频调速同步机拖动的提升机，经过多年的运行，均获得成功。这种拖动系统主要有如下优点：①提升容量几乎不受限制，最大达10000kw，提升速度可达20m/s以上，提升高度1200m以上，滚筒直径达6.5m，这是直流系统难以达到的；②没有整流子和碳刷这一薄弱环节，保证了电机的可靠运行和降低了运行消耗；⑨功率因数高，可达0.9—l，极大地节省了电能：④动态品质好(和直流系统相同)，系统可在四象限平滑过渡和无级调速；⑤由于机械特性好，故起动转矩大。⑥同步机的价格和有色金属的消耗低于直流机；⑦调速范围宽。因此，多数专家认为，变频同步机拖动调速系统是大型提升机拖动的必然发展方向。这种拖动系统的缺点是：①必须有专用的变频电源；②在恒转矩调速时，低速段电机的过载倍数有所降低；③高次谐波对电网有影响，需在电网上加滤波器等补偿措施加以缓解。3、微机控制在提升机上的应用从70年代开始，随着微机技术的发展，微机控制技术已逐步应用于矿井提升机中。目前，国外己达到相当成熟的阶段，使整个拖动控制产生一次重大的变革。其应用主要体现在以下几方面：(1)提升工艺过程微机控制在交流变频装置中，提升工艺过程大都采用微机控制。由于微机功能强，使用灵活，运算速度快，监视显示易于实现，并具有诊断功能，这是采用模拟控制无法实现的。如AEG公司采用CP一80微机、ABB公司采用MASTER—200和SIEMENS公司采用S5一150等微机实现的变频控制，都获得了相当成功。它们把控制、监视、基准值预测以及模拟控制等组合在公共的微机控制总线上．组成静止变流器的传动控制，计算机实现速度及多个变量的调节。(2)提升行程控制提升机的控制从本质上说是一个位置控制，要保证提升罐笼在预定地点准确停车，要求准确度高，目前可达±2cm。采用微机控制，可通过采集各种传感信号，如转角脉冲变换、钢丝绳打滑、井筒位置、滚筒及钢丝绳磨损等信号进行处理，计算出罐笼准确的位置而施以控制和保护。在罐笼提升时可实现无爬行提升，大大提高了提升能力。如AEG、ABB、SIEMENS等公司已采用32位微机来构成行程给定器，并还提供性能不尽相同的机械行程控制器。一般过程控制用微机不同时用于监视，行程控制也采用单独微机完成，从而大大提高了系统的可靠性。(3)提升过程监视由于近代提升机控制系统的设计特别强调安全可靠性，所以提升过程监视与安全回路3一样，是现代提升机控制的重要环节。提升过程采用微机主要完成如下参数的监视：①提升过程中各工况参数（如速度、电流）监视；②各主要设备运行状态监视；③各传感器（如位鼍开关、停车开关）信号的监视。其目的在于使各种故障在出现之前就得以处理，防止事故的发生，并对各被监视参数进行存贮、保留或打印输出，甚至与上位机联网，合并于矿井监测系统中。(4)安全回路安全回路旨在出现机械、电气故障时控制提升机进入安全保护状态。为确保人员和设备的安全，对不同故障一般采用不同的处理方法，大致分为以下四种情况：①报警显示，如冷却器温度过高等；②二次不能开车，如电机绕组过热、制动油过热等；○3立即进行电气制动，如停车终点设备出现故障时本次提升应尽快停下来；④立即进行安全制动，如过卷、超速等。安全回路极为重要，它是保护的最后环节之一，英，德等公司都采用两台PC微机构成安全回路，使安全回路具有完善的故障监视功能．无论是提升机还是安全回路本身出现故障时都能准确地实施安全制动。(5)制动系统的控制与监视制动(可调闸)控制系统除要可靠地完成工作制动和安全制动外，还要完成对液压站的控制以及各环节参数(如油压、闸瓦磨损等)的监视，其技术要求与安全回路相似。如西门子公司采用两套可编程控制器(PLC)的双重控制与保护系统。(6)全数字化调速控制系统德国AEG公司的LogidynD(32位机)、西门子公司的SiemadynD(16位机)以及ABB公司的Tyrak(16位机)系统都已应用于提升机上。全数字化系统具有硬件结构单一，参数稳定且调整方便，可方便地与上位机联网等优点。当然此类系统要求维护人员有更高的技术水平和计算机知识。4、内装式提升机AEG公司生产的内装式提升机，将提升主电机与滚筒合为一体，即转子固定，转动的定子充当滚筒，使机构大为简化，占地面积小，制造成本低。1.2.2国内提升机的现状与发展趋向1、国内提升机电气传动系统现状对于大型矿井提升机，主要采用晶闸管变流器—直流电动机传动控制系统和同步电动机矢量控制交一交变频传动控制系统。这两种系统大都采用数字控制方式实现控制系统的高自动化运行，效率高，有准确的制动和定位功能，运行可靠性高，但造价昂贵，中小矿井难以承受。对于中、小型提升机，则多采用交流绕线式电动机转子切换电阻调速的交流电气传动系统，即TKD电控系统。这种电气传动系统设备简单，但属于有级调速，提升机在减速和爬行阶段的速度控制性能较差，特别在负载变动时很难实现恒加减速控制，经常会造成过放或过卷事故。提升机频繁的启动和制动工作过程会使转子串电阻调速产生相当严重的能耗，另外转子串电阻调速控制电路复杂，接触器、电阻器、绕线电机电刷等容易损坏，影响生产效益。2．研制与发展．(1)国产大型直流提升机及电控系统正在逐步完善和推广使用。(2)在国内高压变频器应用领域，国产厂家占总供应商的比例在80%以上，但国产产4品的应用基本集中在300KVA—3000KVA容量段，而在5000KVA以上超大功率产品基本上被ABB、西门子、东芝、三菱等跨国公司所垄断。前段时间智光电气成功研制7000KVA级超大功率高压变频器，将会改变未来市场竞争格局。(3)可编程控制器（PLC）在提升机电控系统的应用可编程控制器（PLC）具有可靠性高、抗干扰能力强、实现继电逻辑容易，基本免于维护等独特优点，特别适用于对我国占大部分的交流提升机继电一接触器电控系统进行技术改造。目前，已用可编程控制器（PLC）对TKD电控系统进行改造后显示出了很强的生命力。这是今后一段时期对我国占绝大多数采用继电控制的交流提升系统进行技术改造的必由之路。1.3本论文选题依据及主要研究内容1.3.1选题依据传统控制系统使提升机运行的可靠性和安全性不能得到有效的保障。因此，需要研制更加安全可靠的控制系统。在提升机控制系统中应用计算机控制技术和变频调速技术，对原有提升机控制系统进行升级换代。可编程控制器（PLC）是目前工业控制最理想的机型。而在PLC电控系统的基础上配合变频调速装置，运用先进的矢量控制技术，不但适合提升机运行工艺的要求，还将解决整套提升机系统的电力拖动方面的一系列问题。变频装置取代复杂的串联电阻切换装置，对提升机运行速度曲线、转矩大小的要求都由变频器来完成，简化了控制操作流程，提高了控制精度。经过调研和论证，开发研制基于PLC控制的矿井提升机变频调速控制系统对提高矿井提升机的安全性、可靠性、以及运输效率具有重要的现实意义。1.3.2本论文承担的任务本课题拟解决的关键问题是控制策略研究，提升机是矿山生产中的关键设备，它属于大转动惯量机-电-液系统，提升机要按所要求的速度图运行，否则在系统中容易产生大的惯性力，降低机器的寿命，甚至产生脱轨等恶性事故。控制策略研究就是要通过电液控实时地、准确地使提升机按给定的速度图运行，使控制系统的精度和稳定性满足提升机运行的要求。本论文研究目标是以潞安王庄煤矿副斜井提升机电气改造为背景，将可编程控制器（PLC）与变频器相结合对现有的提升机电控系统进行改造设计。设计中充分考虑到保护系统恶劣的使用环境，采用控制功能强大的PLC来代替传统的大型交流接触器，简化了控制线路，并应用各种现场抗干扰措施，包括采用电抗器、空气开关、及RC防浪涌震荡电路等。本论文承担的主要任务如下：1．提升机电控系统主电路部分设计；2．控制系统软件部分设计；3．行程控制算法分析和S形速度给定曲线的算法分析；4．保护及抗干扰措施；1.4小结本章详细介绍了当前国内外矿井提升机的现状与发展