矿山提升机速度保护装置的设计与应用.docx

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矿山提升机速度保护装置的设计与应用

矿山提升机速度保护装置的设计与应用

摘要

根据受控电动机类型的不同，矿山提升机可分为直流驱动提升机以及交流驱动提升机两大类。

随着电力电子器件、电动机、驱动控制技术以及控制手段的不断发展，以及生产过程对驱动控制各项性能指标要求的不断提高，近几十年来，交、直流驱动提升机系统得到了快速发展。

矿山提升机工作必须确定合理的提升速度以及加速度。

如果提升速度以及加速度过大，将导致严重的提升事故；如果提升速度以及加速度过小，则直接影响提升系统的提升能力，降低生产率。

因而，提升机司机必须严格按照提升系统速度图的规定进行操作，合理地控制提升机的速度以及加速度。

本文依靠分析新生煤矿提升机的工作原理，了解掌握提升机后备保护装置的特点，依靠霍尔传感器检测滚筒或者电机轴转角，换算成提升容器在井筒中的位置。

采用频率测速法，先累计单位时间的脉冲数，然后把它换算成速度即实际运行速度。

用单片机对提升容器相关数据的采集、分析比较、换算等。

研究速度保护装置的组成原理以及功能设计。

以湖南省新生煤矿五家冲副井一台型号为XKT2×3×1.5B-20的矿山提升机为对象，基于单片机控制安全回路，当速度连续超过安全值0.5s则自动切断电源，编写程序并进行调试，能在现场有效地运行。

具体的组织结构如下：

第一部分，绪论，包括问题的提出，矿山提升机的发展状况，本课题研究的意义及主要内容。

第二部分矿山提升机及其电气控制系统，首先分析矿山提升机的主要组成部分及其作用，在此基础上分析矿山提升机电气控制系统及速度图。

第三部分，变频调速系统硬件设计方案。

第四部分，单片机－变频器构成的调速系统，主要有速度闭环结构、电流闭环结构、变频器设计。

第五部分，工业应用。

重点分析矿山提升机调速系统实现及其运行结果。

第六部分，总结与展望。

关键词：

矿山，提升机，变频器，调速

Analysisonthedesignandapplicationofminehoistspeedprotectiondevice

Abstract

Accordingtodifferenttypesofcontrolledmotor,minehoistcanbedividedintodcdriveelevatorandacdriveshoisttwokindsbig.Alongwiththepowerelectronicdevices,motor,drivecontroltechnologyandcontrolofthemeansofdevelopment,andproductionprocessonthedrivecontrolvariousperformanceindicatorsasksisceaselessrise,inrecentdecades,ac,dcdrivehoistsystemhasbeendevelopedrapidly.Minehoistworkmustdeterminereasonablespeedandaccelerationofascension.Ifimprovespeedandaccelerationspend,willcausesevereascensionaccident;Ifimprovespeedandaccelerationthroughsmall,isdirectlyinfluencetheascensionofhoistingsystemcapacity,reduceproductivity.Therefore,hoistthedrivershallbeinstrictaccordancewiththeupgradesystemspeedmaptherulesoftheoperation,thereasonablecontrolofthehoistspeedandacceleration.

Throughanalysisofnewcoalminehoistprincipleofwork,understandhoistbackupprotectiondevicefeatures,throughthehallsensortestrollerormotorshaftcorner,converttoascendinthepositionofthewellborecontainer.Thefrequencyspeedmeasuringmethod,firstaccumulativetotalthenumberofpulsesperunitoftime,andthenputitintoaconversionspeedattheactualspeed.Usesingleascendingvesseltotherelevantdatacollection,analysisandcomparison,conversion,etc.Researchthespeedofresearchprotectiondeviceoftheprincipleandfunctiondesign.HunancoalmineinnewfiverushedauxiliaryshaftamodelforXKT2×3x1.5B-20ofminehoistforobject,basedonsinglechipmicrocomputercontrolsecuritycircuit,whenspeedcontinuousmorethan0.5swillautomaticallysecurevaluecutoffpowersupply,writeprogramsanddebugging,caninthescenetoruneffectively.Theorganizationalstructureofthespecificasfollows:

thefirstpart,theintroduction,includingtheproblemputforward,minehoist,thedevelopmentsituationofthesignificanceofthesubjectandthemaincontent.Thesecondpartoftheminehoistandelectriccontrolsystemanalyzestheminehoistfirstthemaincomponentandfunction,basedontheanalysisofminegascontrolsystemandimprovemechanicalandelectronicspeeddiagram.Thethirdpartisvariablefrequencyspeedregulationsystemhardwaredesign.Thefourthpart,microcontroller-aspeedcontrolsystemfrequencyconverter,mainlyhavethespeedclosedloop,currentloopstructure,structuredesignfrequencyconverter.Thefifthpartisindustrialapplication.Focusesonanalyzingtheminehoistspeedregulationsystemimplementationandoperationresults.Part6issumsupandprospect.

Keywords:

mine,hoist,frequencyconverter,speed

3.6……………………………………………………………………………………………..20

3.7…………………………………………………………………………………………....21

第1章绪论

1.1问题的提出

矿井提升机是矿山生产中至关重要的大型设备，对矿井的生产安全起着非常重要的作用，因而，有着重要的国民经济意义。

提升机电力传动系统运行过程复杂，提升机的电动机又经常正反向切换运行，频繁的处于电动以及制动两个状态不断转换以及超负荷的状态。

对于提升机来说，提升运行过程中的安全性以及可靠性是至关重要的，特别是用于搭载乘务人员的副井，如果发生故障往往会导致机毁人亡的严重后果，因而，为了保证提升机能够安全可靠的运行，使得提升机的安全性以及可靠性变成研究以及制造时必须首先考虑的至关重要的问题。

随着国内矿井生产量的飞速的提高，提高提升机的安全性、可靠性，提高生产效率以及整机的自动化水平，降低操作维护人员的劳动强度，提高处理设备故障的速度等，就变成了非常迫切的要求。

因而本文以研究以及设计提升机控制系统为目的，仔细地研究以及分析了提升机系统内部的各个组成部分及其之间的联系，期望更近一步地了解提升机系统，更好地为矿山单位服务，为国民经济的发展提供更好的条件。

矿山提升机发展的关键因素是电气控制系统的快速发展。

提升机电控系统经历了由继电器控制、分离元件控制、模拟电路控制到微电子（计算机）控制的发展历程。

目前已广泛应用的提升机数字控制系统（计算机控制）使矿山提升机的电控系统得到了质的飞跃。

采用数控技术后，提升机电控系统具有结构简单、控制精度高、不存在零漂等模拟装置的缺陷、系统功能开发简单等优点；特别是其具有的智能化的信息采集、故障诊断以及在线检测等功能，极大地提高了系统的可靠性，缩短了查找以及排除故障的时间，降低了维护成本。

矿井提升是矿井生产的重要环节，在矿井生产中占有十分重要的位置。

2005年，依据湖南省煤炭安年全监察局的要求，煤矿在用提升机都必须装设完整的后备保护装置。

湖南省新生煤矿五家冲副井的矿山提升机由于机器老化，年久失修，并且很多保护出厂时就没有设计，所以保护装置并不完善。

为了保证提升机能够安全的运行，必须配备一套完整的提升机后备保护装置。

本课题针对矿山提升机后备保护装置中的防止过速保护装置以及限速保护装置的工作原理进行分析，特别是对提升机速度的监控以防止提升容器超速行驶等问题进行系统地研究。

1.2矿山提升机的发展状况

当前国内提升机电控系统绝大多数还是转子回路串电阻分段控制的交流绕线式电机继电器接触器系统。

该系统不但设备陈旧、技术落后，并且这存在着很多问题：

　　l）转子回路串接电阻，消耗电能，导致能源浪费。

　　2）电阻分级切换，为有级调速，设备运行不平稳，容易引起电气及机械的冲击。

　　3）继电器、接触器的频繁动作，电弧烧蚀触点，严重影响接触器的使用寿命，且维修成本较高。

　　4）交流绕线异步电动机上的滑环存在接触不良的问题，很容易引起设备事故。

　　5）电动机依靠转子电阻来获得的低速，其运行特性较软。

　　6）提升容器依靠给定的减速点时，由于负载的不同，将得到不同的减速度，不能达到稳定的低速爬行，容易导致停车位置不准，从而不能正常装卸载。

　　上述问题使得提升机运行的可靠性以及安全性难以得到有效的保障。

因而，需要研制更加安全以及可靠的控制系统，提高提升机运行过程中的的可靠性以及安全性。

在提升机控制系统中运用计算机控制技术以及变频调速技术，可以对原有的提升机控制系统进行升级换代。

　　从计算机技术在工业现场应用情况来看，可编程控制器（PLC）是目前作为工业控制最理想的机型。

它是采用计算机技术、按照事先编好并且储存在计算机内部的一段程序来完成设备的操作控制。

采用了PLC控制，硬件简洁、软件灵活性强、调试方便、维护量小。

PLC技术现已广泛应用于各种提升机的控制，配合一些提升机专用的电子模块组成的提升机控制设备，可以供控制高压带动力制动或者低频制动，单、双机拖动等。

操作、监控以及安全保护系统选用了可编程控制器。

主控计算机应用软件可以完成提升机自动、半自动、手动、检修以及低速爬行等运动方式的控制要求，在PLC电控系统的基础上配合变频调速装置，运用当下先进的矢量控制技术，

　　不仅适合提升机运行工艺的要求，并且将解决整套提升机系统的电力拖动方面存在的一系列问题。

用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，也可以简化控制操作流程，提高控制精度。

　　1.3本课题研究的意义

在调研中发现，目前山西省的各大煤矿矿井提升机系统的调速方案大都采用继电器接触器控制的转子串电阻调速。

此方案耗能大，占地面积大，已经不能适应现代矿业发展的需要。

因而有必要对其调速方案进行改造。

在对现行的变频调速方案进行广泛考察后，本文提升机系统控制单元采用了目前工控适用的可编程控制器来控制，具备编程简单以及控制可靠性高的优点;在电力拖动系统中，选用先进的变频传动装置，同时运用先进的矢量控制技术，打到了优化调速系统性能的目的，这一控制方法目前仍是现代交流调速的重要研究方向之一。

　　运用先进的工业计算机、现场总线以及工业自动化技术，严格按照结构标准化、产品系列化、性能现代化、体积小型化的原则，研制以及生产适合矿井提升机电控设备是进行技术改造以及新建矿井设备选型的理想选择。

采用上位机监控系统，运用组态模式，实现良好的人—机对话;实时地监控提升机的运行状态，上位机动态模拟显示及故障闭锁;可进行故障报警、数据查询、报表打印;记录提升钩数以及每班、每日、每月、每年的提升量累计;故障声光指示、记忆及部分传感器上位机的紧急处理。

　　为了保证提升设备无事故，在提升设备可能出现故障的各个重要环节上，设置双回路系统，并且在系统的各个环节上设置各种检测、控制、自诊断以及记录以及保护装置（如负载、速度、加减速、产量、运行时间等记录）。

1.4研究的主要内容

本文依靠分析新生煤矿提升机的工作原理，了解以及掌握提升机后备保护装置的特点，并且依靠霍尔传感器检测滚筒或者电机轴转角，换算成提升容器在井筒中的位置。

采用频率测速法，首先累计单位时间的脉冲数，然后再把它换算成速度即实际运行速度。

用单片机对提升容器相关数据的采集、分析比较以及换算等。

研究速度保护装置的组成原理以及功能设计。

以湖南省新生煤矿五家冲副井一台型号为XKT2×3×1.5B-20的矿山提升机为对象，基于单片机控制安全回路，当速度连续超过安全值0.5s则自动切断电源，编写程序并进行调试，能在现场有效地运行。

第2章矿山提升机及其电气控制系统

2.1矿山提升机主要组成部分及其作用

2.1.1矿山提升机的组成

矿山提升机作为一个大型的机械—电气机组，它的主要组成有：

工作机构（包括主轴装置及主轴承）；制动系统（包括制动器以及制动器控制装置）；机械传动装置（包括减速器、离合器以及联轴器）；润滑系统（包括润滑油泵站以及管路）；检测及操纵系统（包括操纵台、深度指示器及传动装置以及测速发电装置）；拖动、控制以及自动保护系统（包括主电动机、电气控制系统、自动保护系统以及信号系统）以及辅助部分（包括机座、机架、护罩、导向轮装置以及车槽装置）等。

图2.1矿山提升机机械传动系统示意图

矿山提升机原系统的工作过程是，操作工人手握操纵杆，操纵杆前后各三档控制电动机的正转三段速度、反转三段速度。

不管电动机正转还是反转，都是从矿井中将煤拖到地面上来，电动机工作在正转以及反转电动状态，只有在满载拖车快接近井口时，需要减速并制动。

2.1.2矿山提升机各部分的作用

（1）工作机构

1）缠绕或者搭放提升钢丝绳。

2）承受各种正常载荷（包括固定静载荷以及工作载荷），并将此载荷经过轴承传给基础。

3）承受在各种紧急制动情况下所导致的非常载荷，且在非常载荷作用下，主轴装置的各部分不应有残余变形。

4）当更换提升水平时，能调节钢丝绳的长度（仅限于单绳缠绕式双滚筒提升机）。

（2）制动系统

1）制动器：

①在提升机停止工作时，能可靠地闸住滚筒。

②在减速阶段及下放重物时，参与提升机的控制。

③紧急制动情况时，能使提升机安全制动，迅速停车。

④在调节双滚筒提升机钢丝绳的长度时，能制动住提升机的游动滚筒。

2）制动器控制装置：

①调节制动力矩。

②在任何事故状态下进行紧急制动（即安全制动）。

3）为单绳双滚筒提升机调绳装置的调绳离合器油缸提供所需的压力油。

（3）机械传动系统

1）减速器。

减速器的作用是减速以及传递动力。

根据提升速度的要求，提升机主轴的转速一般在20～60r/min之间，而拖动提升机的电动机转速通常在480～960r/min的范围内，因而，除采用低速直流电机拖动外，不能把电动机与主轴直接连接，必须经过减速器减速。

2）联轴器。

主要用来连接提升机的旋转部分，并起传递动力的作用。

（4）润滑系统

在提升机工作时不间断地向主轴承、减速器轴承以及啮合齿面压送润滑油，以保证轴承以及齿轮能良好地工作。

润滑系统必须以及自动保护系统与主电动机连锁，当润滑系统失灵时（如润滑油压力过高或者过低，轴承温升过高等），主电动机断电，由提升机进行安全制动。

在启动主电动机之前，必须先开动润滑油泵，来确保提升机在充分润滑的前提下工作。

（5）检测及操纵系统

1）操纵台。

①操纵台上装有各种手把以及开关，是操纵提升机完成提升、下放等各种动作的操纵装置。

②操纵台七装有各种仪表，向司机反映提升机的运行状况及设备的工作情况。

2）深度指示器。

①指示提升容器的运行位置。

②容器接近井口卸载位置以及井底停车场时，发出减速信号。

③当提升机超速以及过卷的时候．进行限速以及过速保护。

④对多绳摩擦式提升机，深度指示器还能自动调零，来消除由于钢丝绳在主导轮摩擦衬垫上的滑动、蠕动以及自然伸长等导致的指示误差。

3）测速发电装置。

①依靠设在操纵台上的电压表来向司机指示提升机的实际运行速度。

②参与等速运行以及减速阶段中的超速保护。

（6）拖动、控制以及自动保护系统

拖动、控制以及自动保护系统包括主电动机、电气控制系统、自动保护系统以及信号系统。

2.2矿山提升机电气控制系统

2.2.1系统主要特点

所有的带式输送机均为双传动滚筒，用联动齿轮传动，工作时1用1备，即双驱单用结构，解决了由于电动机或减速机出现故障而使整个系统停产的问题，大大提高了运行的可靠性。

各带式输送机均配备软启动器，实现了平滑无冲击起动；所有的开关及综合保护装置型号统一，减少了配件种类，降低了设备维护与维修费用。

所有的电器设备等均具有防爆性能。

带式输送机用彩钢瓦密封，机头、机身、机尾用不同颜色，并在上、下调心托辊处作标记，方便调偏及日常维护。

该运输系统已于2009年在石壕煤矿安装调试完毕，设备运转正常。

石壕矿年产量由80万t提高到了200万t。

转弯运输系统比较好地满足了长距离、巷道转

弯较多且转角较大的井下运输使用要求，经济显著。

矿井提升机电气控制系统中的应用目前矿井提升机电控系统大量运用各种现路总线以及网络，以提高系统的自动化程度，方便监控以及管理。

对工业网络来说，通信质量非常重要，通信的稳定性直接关系到生产安全以及效率，因而对信号。

信号传输可以分为有线传输以及无线传输，有线传输又可分为电气介质（普通电缆）

传输以及物理介质（塑料光纤，玻璃光纤等）传输。

在现场总线级网络中普遍使用的是屏蔽电缆传输。

电缆由于线材本身特性的问题，传输速率较低，传输距离

受到限制，在充斥着电磁波的使用环境中，电磁波的干扰更使普通电缆传输的效率降低，甚至出现通信故障。

提升机电控系统一般安装在提升机机房，环境比较好，如果安装规范，使用屏蔽电缆通信成本较低，效果也比较好。

若通信范围扩大到室外井筒，通信网络需要从机房延伸至井筒的底部，通信距离超过1000m，加上井筒中环境潮湿，各种电缆集中敷设，网络通信易受干扰，由此引起的维护工作量增大，而光缆受自然环境影响小，且不受电磁环境影响，可以很好地解决传输过程中的各种问题。

2.2.2提升机的特点

∙

（1）提升范围广

该类提升机对物料的种类，特性及块度的适用范围广。

不仅能提升粉状以及块状普通物料，并且可提升磨琢性较强的物料.

（2）输送能力大

该系列提升机具有NE15～NE800多种规格。

提升量范围为15～800m3/h。

（3）驱动功率小

这类提升机采取流入式喂料，重力诱导式卸料，且采用密集型布置的大容量料斗输送，链速低提升量大。

物料提升时，几乎无回料现象，因而驱动功率小，理论计算轴功率是环链提升机的25%～45%。

（4）使用寿命长

提升机的喂料采取流入式，材料之间很少发生挤压以及碰撞现象，本机的设计保证物料在喂料、提升以及卸料中不会撒落，这就防止了磨粒磨损，输送链采用板链式高强度耐磨链条，延长了链条以及链斗的使用寿命。

（5）提升高度高

该系列提升机链速低、运行平稳、且采用板链式高强度耐磨链条，因而可达较高的提升高度（高达40M）。

（6）运行可靠性好

先进的设计原理，保证了整机运行的可靠性，无故障时间超过了3万小时。

操作、维修方便，易损件少。

（7）结构尺寸小

与同等提升量的其它各种提升机相比，这种提升机的结构尺寸较小。

（8）加工精度高

2.2.3风光提升机变频器网络化系统

　　网络化操纵台，双plc双线制控制。

操作系统、调速系统、监控系统之间依靠工业局域网络进行系统通讯及信号交换，留有与信号系统进行联网的接口，具有远程监控传输功能。

加、减速过程平滑调节。

（1）操作以及安全保护系统选用两套不同配置的plc，互为冗余控制，对提升机运行关键的信号（如速度、容器位置、安全、减速、过卷等）均采用多线制保护，互为监视。

（2）具有手动、半自动、检修及应急控制等各种控制方式。

保证速度图为s曲线。

　　（3）具有以下多种保护功能：

　　防过卷保护；防过速保护；防过负荷保护、防欠电压保护；限速保护；深度指示器失效保护；闸瓦过磨损保护；松绳保护；信号方向闭锁等。

　　（4）安全保护有三种状况（轻故障允许一次开车，严重故障，较严重故障），并实现不同的处理措施：

　　轻故障允许一次开车，本次运行结束后不维修好，不能再次开车。

选用双套plc，双plc之间既有软件上的联锁，又有硬件上的联锁以及看门狗电路，对plc的运行进行监视，防止由于plc死机或者其他意外情况，导致plc故障时能及时监测并参与安全保护。

操作台上装有19″液晶触摸屏、指示灯、仪表、选择开关、按钮、音响设备等，能实现提升机运行的各种控制工艺的要求，实现静、动态参数及故障参数中文彩屏显示，故障自诊断及查询。

　　较严重故障实现先减速到1m/s后实施安全制动（包括机械深度指示器失效、松绳保护、编码器位置偏差过大、制动油路故障、闸瓦磨损、主回路过压、接地或者欠压等）。

　　严重故障实现立即启动安全回路实施安全制动（包括等速过速、限速过速、包络线超速、爬行段超速、高低压电源故障、过流、变频器故障、错向、plc故障、过卷、急停操作、网络通讯故障、2只测速元件同时损坏、主回路失压、速度比较错误、残压高、电机温度过高等）。

　　主控plc软件能完成提升机手动、半自动、自动、检修、慢动、紧急控制开车等运