副井闸控系统失效时的提升机安全控制与应急救援研究

潞安集团五阳煤矿 任保将

潞安集团机电处 王 韬

江苏师范大学电气工程及自动化学院 王贵峰

一、概述

煤矿提升机作为煤矿生产的咽喉，其能否安全高效运行直接影响着整个煤矿的生产与安全[1]。影响提升机安全高效运行的因素主要有三个方面：电控系统、闸控系统、机械部分。对于机械部分相对比较直观、简单，只要加强检修维护即可保障安全；电控系统作为保障提升机安全高效运行的主要环节，其性能的好坏直接影响提升机运行的效率，电控系统的安全性一般都能满足要求，无非是在保护的完善性、控制逻辑的合理性、系统稳定性、易用性等方面存在一些差异；闸控系统做为保障提升机安全的最后一道环节，其重要性更是毋庸置疑[2,3]。

电控系统和闸控系统是两个相互耦合的系统，电控系统主要完成提升机逻辑控制及工艺保护控制，而闸控系统做为电控系统的一个执行结构主要完成停车制动控制。闸控系统一般按照本质安全的原则设计制造，在系统失电或者正常状态下处于施闸制动状态，因此，正常的电控及闸控系统都是基于闸控系统安全可靠的前提的。

但是闸控系统作为一个复杂的液压、电气综合控制系统，肯定会出现偏离其本质安全的特殊工况，如：未能正常接收到电控系统的施闸指令；闸控系统PLC死机或者故障导致制动指令不能正常执行；回油阀堵塞导致不能正常回油；虽然已正常制动，但由于闸盘温升导致制动力下降而无法制动重物出现溜车现象等。按照正常的思路，电控系统一旦发出安全制动指令后，就一切依靠闸控系统来完成，即使闸控系统失效而无法完成有效的安全制动，电控系统也不再参与任何的后续保护与动作，所以一旦出现上述闸控系统失效的情况，只能是看着事故的进一步扩大。因此，为保障矿井提升机的安全运行，有必要对闸控失效情况下的提升机安全控制与保护进行相应的研究，并提出完善的处理方案。

同时副井作为矿井运送物料与人员的重要设备，其安全性不仅影响矿井生产的顺利进行，而且关系到矿工的生命安全[4]。一旦在进行人员提升时发生安全制动，且短时内控制系统不能恢复正常时，将对矿工身心造成极大的伤害，为此集团公司规定，人员悬于井筒内超过二十分钟即算重大非死亡事故，其目的就是要求各矿加大检修维护力度，确保副井提升的安全，因此有必要对闸控失效情况下利用现有提升机电控系统实现应急人员提升救援进行研究，在闸控系统失效，而传动装置正常的情况下完成低速救援任务

二、方案设计

要实现闸控失效情况下的提升机安全控制与保护必须解决如下几个问题：1）闸控失效状态的监测；2）闸控失效情况下的提升机安全制动；3）闸控失效安全制动后的设备保护与应急处理措施；4）闸控失效后应急人员提升救援的实施方案。

1.闸控失效状态的监测

电控系统作为保障提升机安全高效运行的核心系统，所有与提升机安全相关的数据都已经采集到电控系统内，所以电控系统完全有能力完成闸控失效状态的监测。相当于增加了电控系统对闸控系统制动执行情况的监控保护功能，为保证故障检测的准确性，并保证系统的相对独立性，增加独立的监测装置，基本技术功能如下：

◆ 弹簧疲劳故障输出

◆ 闸瓦磨损故障输出

◆ 闸间隙棒型图：可以提供闸运行过程中开合大小的图形显示

◆ 提供全行程闸保护：闸间隙和油压全程监控

◆ 闸间隙大小数字显示：可以提供闸运行过程中开合大小的数字量化显示

◆ 跳闸继电故障：硬件设备检测，跳闸继电器拒绝动作

◆ 实时提供运行、停车时，弹簧、闸瓦、闸间隙三个目标的状态

◆ 提供以太网接口及系统配置参数，纳入提升机电控系统

2.闸控失效情况下的提升机安全制动

安全回路中（安全回路，电气停车回路，以及闭锁回路）集成了所有的危及人或物的安全的故障信号。当有此类故障发生时，信号触发了安全回路，则可以导致：机械安全制动，电气停车，或禁止提升机的下一个提升周期。

根据《煤矿安全规程》，安全回路是在主PLC 系统和监控PLC系统中通过各自完全一样的软件实现的。两路软件安全回路的输出通过少许的继电器串联形成冗余回路。同时对重要的安全信号如过卷、急停、超速、减速故障等设置一套硬件安全回路，形成PLC 之间的双软安全回路和硬件安全回路的冗余。

输出的安全回路触发信号，通过继电器驱动液压制动系统，并且系统给出故障的报警。

安全回路设计在两套完全独立的硬件和软件系统中。上述两个通道中的安全回路的运算结果是相互监控的。当发现有不同结果时，系统将启动紧急制动，并且发出系统不对称报警。

电控系统是具备电气停车功能的，所以当监测到闸控失效后电控系统是具备实现提升机电气安全制动功能的，其核心问题是如何解决：

闸控失效保护监测的时效性，将故障扼杀在萌芽阶段

闸控失效保护监测的准确性，不能乱动作，增加系统安全隐患

电气安全制动的逻辑实现及其安全性

3.闸控失效安全制动后的设备保护与应急处理措施。

主要的安全回路分为：

◆ 闭锁回路：故障发生后，仍旧允许提升机继续完成本次提升。但在本周期完成之后，提升机将被闭锁，不能启动，直至故障被复位。

◆ 电气停车回路：故障发生后，系统将立即实行电气停车。之后，提升机将不能启动，直至故障被复位。

◆ 安全回路：故障发生后，提升机立即抱闸实施机械制动，提升机不能再启动，直至故障被复位。

一旦发生闸控失效由电控系统实现电气安全制动停车，肯定不能使电机长时间带电静止，所以制动后的应急处理措施同样非常关键：

电气安全制动后的电机热保护，防止电机烧坏；

闸控失效电气安全制动后的警报提示，防止司机粗心导致出现闸控失效不知道，或故障时因惊慌导致不知如何处理；

故障后的应对措施及操作规范，主要是如何操作以保障闸控系统实现有效的安全制动，尽快解除电气安全制动。

4.闸控失效后应急人员提升救援的实施方案

该技术方案研究的目标是解决副井提升机电控闸控系统失效后的应急救援提升控制。所以该方案可行的前提条件是提升机控制系统的传动部分能保证正常工作，即保证系统能有力矩输出并足以实现电气制动。

4.1 闸控系统控制

目前集团公司普遍采用ABB或SIEMAG进口闸控系统，其安全性无庸置疑，但是闸控系统相对比较复杂，与电控系统接口信号较多，要实现闸控系统失效时应急救援控制，必须解决电控与闸控闭锁问题，为简化控制只用主令手柄控制速度、力矩输出控制。系统完全手动控制，配紧停按钮实现紧急电气制动（即维持力矩输出使提升容器悬停）。

4.2 电控系统控制

因电控系统失效时所有的控制逻辑及保护已经不能正常动作，为简化控制采用单组桥6脉动运行方式，采用手动方式闭合主回路设备，保证具备输出力矩条件。

4.3 整流装置控制

整流装置采用ABB的DCS800，要实现电控失效下的DCS800应急控制，需解决以下几个问题：

控制参数切换

DCS800有两组用户参数可供选择，正常情况下使用参数组1即可，两组参数可以通过外部端子实现一键切换。

速度控制

DCS800的速度给定可以采用固定值给定模式，保证系统能以0.1—0.5m/s的速度运行即可，速度闭环控制的速度反馈可以使用DCS800内部计算值。

保护

DCS800本事具有完善的保护功能，可实现电压、电流等保护，同时利用DCS800自身完善的速度环控制功能，实现速度闭环控制及速度保护。

三、总结

采用该应急控制方案可实现闸控失效时的电气安全制动，防止因闸控制动失效而导致坠罐这类重大安全事故的发生，并可实现闸控系统故障时的应急人员救援，可大大提高提升系统的安全性。该方案基本不增加额外设备，投资小且便于控制器编程实现。

[1]姜建国.电力传动技术在煤矿工业中的应用与展望[A]. 中国科学技术协会、四川省人民政府.加入WTO和中国科技与可持续发展——挑战与机遇、责任和对策(上册)[C].中国科学技术协会、四川省人民政府,2002：2.

[2]姜维维.煤矿生产安全风险评价与对策研究[D].太原理工大学,2016.

[3]庞柒.煤矿企业长效安全评价体系研究[D].北京工业大学,2014.

[4]胡志强.煤矿提升机监控系统及其故障诊断的研究[D].中国矿业大学,2014.