主立井提升机余煤监视功能

寇磊

（陕西延长石油巴拉素煤业有限公司，陕西榆林 719000）

1.巴拉素煤矿主井提升机概况

陕西延长石油巴拉素煤业有限公司主立井提升系，采用直连式多绳摩擦式提升机，装备两对45t立井多绳提煤箕斗，配备两套提升系统担负全矿井煤炭提升任务。提升机由ABB公司生产的JKM-5×6塔式多绳摩擦提升机双系统提升。井筒直径为9.6m，提升高度为580.35m，主电机功率为6700kW，最大提升速度为12.57m/s。传动系统选用ABB公司ACS6000变频器，制动系统采用ABB公司生产的两套恒减速液压站[1]。

箕斗名义载煤量45t，本体高度22300mm，箕斗与配重总质量（包括滚轮罐耳、首尾绳悬挂装置）68t。提升设备各选用52 ZBB 6×28T+FC 1570 SS 1950 1117 EN12385-6型进口钢丝绳3根，52 ZBB 6×28T+FC 1570 ZZ 1950 1117 EN12385-6型钢丝绳3根，每根长680m，总质量45t。平衡尾绳选用206×33 ZAB PD8×4×19+FC 1370 2880 1950 GB/T20119-2006型扁钢丝绳2根，177×28 ZAB PD8×4×19+FC 1370 2120 1420 GB/T20119-2006型扁钢绳2根，每根长度625m，总质量45t。

2.余煤监视功能基本原理

在双箕斗提升机的运行过程中，箕斗两侧的质量在设计时是按照基本平衡的原理设计的，余煤监视的基本原理就是信号装载吨位值与实际力矩测量吨位值的差值即为箕斗的余煤量。这其中涉及两个主要吨位值，其一新虞信号系统传输到ABB AC800M PLC控制系统中的实际装载吨位T1；其二为ABB主控AC800M PLC系统根据主提升电机实时力矩值计算出的提升吨位T2。这2个吨位数据相减（T1- T2）得出的数值即为余煤量，如果新虞信号系统传输的吨位数据减去ABB PLC控制系统计算的吨位数据值大于设定保护值，就产生一个CAT 1类电气减速停车的故障，提升机虽即开始按照正常的减速度0.7m/s2减速，直到提升机速度减到为零，硬件安全回路断开，提升机跳闸，上位机报提升机余煤故障。

3.余煤监视功能误差分析及设定保护值

有两部分的原因会造成ABB PLC系统的计算误差，一部分是提升钢丝绳和尾绳的单位质量差引起的钢丝绳的总质量差，另一部分是风阻和整套系统的摩擦力所产生的额外的计算误差。

3.1 钢丝绳引起的计算误差

钢丝绳最大总质量差等于尾绳和首绳的单位质量差乘以6（绳根数）再乘以井深580m。设计院在进行提升机设计的时候的原则是这个质量差是越小越好，在设计时默认是按照首绳和尾绳的单位质量差为零来设计的，但在钢丝绳的选型和生产过程中基本不可能产生质量差完全为零的情况[2]。提升机在长期运行过程中，钢丝绳因受力较大存在出油或磨损情况，提升钢丝绳质量会有减轻情况，尾绳在运行过程中会附着上大量水和煤泥，提升钢丝绳和尾绳的质量差构成了双箕斗提升机往返运行过程中的主要质量差，通常这个数据通过低速运行提升机，计算提升机在接近井口和井底的时力矩差值即可计算出这个质量差。如图1和图2所示即为提升机在井底和井口时的力矩曲线和力矩值，井口减去井底的值为182-121=61kN·m，根据力矩和质量换算公式

图1 井底时力矩值182kN·m

图2 井口时力矩值121kN·m

即可计算出质量差值为2.5t。

3.2 风阻和摩擦力引起的计算误差

提升机在井筒中运行的风阻计算公式如下F=A·Cw·V2（A为箕斗的横截面面积，Cw为风阻系数，V为箕斗运行速度），由于箕斗运行时的Cw风阻系统不好测定，我们使用力矩测定法来测量风阻的大小，同样由于整套提升机系统的摩擦力和风阻一样都是阻碍提升机运行的力，所以下面进行的测量测出的力矩既包含了风阻又包含了系统摩擦力。具体测试方法为将两侧箕斗彻底卸空，然后将提升机设置为自动运行模式，防止人为操作带来的力矩波动误差，运行速度设置为最大速度12.57m/s，这时打点开车运行一个往返。记录提升机在井筒之间位置的力矩值，之所以在井筒之间位置主要是为了排除两侧钢丝绳质量差引起的误差，2个力矩值最后相加取平均值既是我们要的数据。下图图3和图4是提升机在12.57m/s运行时所采集的曲线，下放时为44kN·m，上提时为56kN·m，之所以两个数值差距比较大是因为箕斗中遗留了少量煤导致，因为最终要加权取平均，所以这个误差会在加权的过程中抵消掉，不影响最终的结果，根据公式即可计算出质量差值为4.1t。

图3 12.57m/s下放时力矩值44kN·m

图4 12.57m/s上提时力矩值56kN·m

3.3 余煤监视功能保护设定值

最终两部分误差相加为2.5+4.1=6.6t，这个值是额外增加的吨位值，不是实际由煤重产生的力矩吨位，最终的保护值要增加这部分误差，另外提升机额定负荷为45t，自动模式下按照10%的余煤保护来设定，保护值是4.5t，最终的程序保护值设定在4.5t+6.6t=11.1t。手动模式下按照15%的余煤保护来设定，保护值是6.8t，最终的程序保护值设定在6.8t+6.6t=13.4t。

3.4 余煤监视功能程序设置

主控系统采用ABB AC800M PLC用于提升机运行过程控制，信号系统采用西门子S7300PLC辅助ABB主控系统完成提升运输工作[3]。信号系统将装卸载控制过程和装煤量等参数通过PROFIBUS通讯和硬线与提升机主控系统进行连接，实现提升和装卸载全过程监测控制。将装载定量斗称重数据放置在MW20，并将MW20数据转送至PQW26，将PQW26中的数据通过PROFIBUS通讯法式发送至提升机房信号PLC，由PIW46接收PQW26数据，完成装载定量斗称重数据传输至提升机房信号控制系统。将PQW26称重数据转送至MW70，由S7模拟量模块将数据转换成4mA～20mA电流信号，通过硬线连接将数据传输至提升机主控系统AC800M PLC。

实际提升力矩参数PayloadTorque的值与XHPayLoad值进行差值比较，所得参数PnCoalLeftWt值与手动模式下保护参数TpCoalLeftWt设定值13.4和自动模式下保护参数TpCoalLeftWtAUTO设定值11.1进行差值比较，计算差值大于保护设定值5s后提升机报余煤故障。

3.5 余煤监视功能画面及语音提示

ABB提升机人机界面中设置自动和手动状态下TpCoal LeftWt和TpCoalLeftWtAUTO 2个余煤参数的实时显示，用于提示操作人员对箕斗余煤值的观察，设置余煤故障提示画面，在余煤值大于保护设定值后状态由空表显示为红色以示提醒。过程画面故障红色指示连接语音报警，当余煤故障由空表转为红色时，启动语音报警，以达到声光报警功能，让操作人员在视觉和听觉上能够迅速对提升机运行情况进行判断，并根据故障指示做出正确的处理法方。将余煤故障画面接入旁路控制回路，便于操作人员对余煤故障进行旁路和复位提升机安全回路[4]。

4.余煤保护故障处理

系统检测到余煤故障后会电气减速停车并报余煤故障。这时需要复位提升机，重新打点反向运行，把箕斗提到停车位，再次检查卸载掉箕斗中的余煤如遇大块矸石卡在箕斗卸载口，作业人员对箕斗进行检查时也能够及时发现并进行处理，确保箕斗内没有遗留物后，提升机方可恢复正常。

5.余煤监视功能保护测试

在设计时考虑了这个余煤保护测试的需要，在程序中增加了余煤保护测试功能，并且测试安全、简单、方便。提升机装入大于保护值的煤重，先上提装完煤的箕斗到井中间停车，再打点箕斗下行，主控PLC检测到余煤后电气减速停车，上位机报余煤故障，保护测试成功。

6.余煤监视功能应用效果

在余煤保护功能投入后，经过实际运行检验和保护测试都达到良好效果，有效避免了因箕斗余煤而导致的二次装载引起的提升机大负荷过载，大大降低了箕斗、钢丝绳和滚筒等机械设备大负荷过载的概率，也避免了人员冒险进入井筒进行箕斗清理作业。余煤监视功能的应用保证了系统的安全运行，保证了作业人员的安全，有效延长了整套系统的工作年限。

7 结语

煤矿主立井提升机作为矿井提升原煤的主要设备，其设计理念完全符合煤矿安全规程要求，但在生产运行过程中，由于提升设备受煤质和设备故障等方面的影响，会出现提升超载现象的发生。为杜绝箕斗煤未卸尽而导致的提升机超载重大事故的发生，结合ABB提升机性能和装卸载控制系统工艺流程，确定解决箕斗余煤监视功能整体方案。根据装载定量斗上次装煤量和提升机本次提升力矩进行差值比较，考虑提升系统机械部件的质量误差和箕斗在井筒中的高速运行时的风阻影响变频器力矩，在ABB主控程序中设定10%的额定保护值加误差值，最终确定实际保护值。主控系统和装卸载控制系统的数据传输和采集实现实时交换，实现了余煤监视功能的可靠运行，从设计理念上杜绝了箕斗因余煤而导致的超载情况的发生。