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矿井提升机
矿井提升机
摘要：
作为矿山咽喉设备的矿井提升机，对矿山的高效安全生产与经济运营具有极其重要的作用。
它不仅装机容量大，耗能高，而且作为一个典型的位势力矩负载，要求其拖动电动机在其机械特性的四个象限内频繁周期性的进行起动、制动和反向运行。
反映其运行状态的速度图和力图是根据设计的提升能力和安全规程确定的，对其在运行过程中的加速度、减速度以及各个运行阶段的行程和最后的停车位置都有精确的要求和严格的限制。
因此，提升机始终是电力拖动与控制学科的典型应用装置和研究对象。
本文详细介绍了矿井提升机的研究发展。
关键词：
矿井提升机；现状；发展；研究。
Minehoist
Abstract：
Astheminethroatequipmenthoist,playsanextremelyimportantroleineffectiveandsafeproductionandeconomicoperationofmine.Itnotonlyinstalledcapacityoflarge,highenergyconsumption,butalsoasatypicalpotentialtorqueloadrequirements,themotordriveinthefourquadrantsofthemechanicalpropertiesofperiodicinfrequentstarting,brakingandreverseoperation.Reflecttherunningstateofthespeedchartandtrytobedeterminedaccordingtoenhancecapacityandsafetyrulesforthedesign,havetheexactrequirementsandstrictrestrictionsontherunningprocessofacceleration,decelerationandeachoperationstageofthetripandthelaststopposition.Therefore,hoistalwaysisatypicalapplicationofdeviceandtheobjectofstudyofelectricdriveandcontrolsubjects.Thispaperintroducestheresearchanddevelopmentofminehoist.
Keywords:
Minehoist;status;development;research.
1.概述
矿井提升机，又叫绞车，是一种大型提升机械设备。
它在生产过程中担负着提升矿物和升降人员、设备及材料等重任。
由电机带动机械设备，以带动钢丝绳从而带动容器在井筒中升降，完成输送任务。
矿井提升机是由原始的提水工具逐步发展演变而来。
近年来,由于电力电子技术、计算机技术的发展和现代控制理论的逐步完善,国内外电气传动技术得到了迅猛发展,尤其是交流变频传动,已在中、小容量占有相当的数量。
现代的矿井提升机提升量大，速度高，安全性高，已发展成为电子计算机控制的全自动重型矿山机械。
2.矿井提升机电气传动技术发展回顾
2.1 20世纪国外的3个发展阶段
第一阶段,从50年代末到60年代初,主要有交流绕线式异步电动机转子串电阻的转差功率消耗型调速系统和发电机—电动机的直流传动系统两种类型,电气控制为继电器—接触器式的有触点系统。
这两类系统存在运行费用高,安全可靠性差,维护工作量大等缺点。
第二阶段是60年代初到70年代末,由于大功率的晶闸管在工业应用上得到了推广,晶闸管供电的直流他激电动机传动提升机也获得了较大面积的普及,其控制系统采用了电子调节器。
80年代采用晶闸管交—交变频的转差功率不变型调速系统可认为是第三个阶段的开始,这一类型的系统与同等容量直流传动相比,不仅损耗可以减小40%,而且还可以免去换向器维护的麻烦。
由于同步电动机具有功率因数高,效率高等优点,德国多采用,但是它需要增加励磁回路,结构比较复杂,所以日本主张配置异步电动机。
1.2国内提升机电气传动技术的现状
我国现有的矿井提升机约90%采用交流绕线式异步电动机转子串电阻系统;直流电动机传动的约占10%,其中多数为发电机—电动机机组传动,采用晶闸管整流供电的只占一小部分;近年来引进了几套交—交变频交流传动系统。
（1）交流绕线式异步电动机转子串电阻系统。
该系统有1/3以上的是在70年代以前开始使用的存在的主要问题有:
首先是调速性能差,为分级调速,即在调速过程中实际的加减速度是一个波动值,所设计的加减速度指得是平均值,级数分得越少,上下振幅波动的范围就越大。
这也就是有些摩擦提升机为了满足防滑性能的要求采用直流传动的主要原因之一。
并且它在调速时有大量的（约占40～50%）电能消耗在转子电阻上,以转差功率的消耗为代价来换取转速的降低,因而效率比较低;其次是从控制原理上讲,目前TKD电控系统是以电流为主、时间为辅的加速控制原则（包括目前启用的PLC电控系统）,设备一经安装调试完毕后,无论系统的工况如何,其工作参数基本保持不变。
尽管在系统中设计了速度环控制,但是调节能力十分有限,因而系统的动态响应性较差。
尤其是大型矿井的副井提升系统,由于提升工况多,载荷变化范围大,这种控制原则无法自动适应系统的要求,只能依赖司机人为的调节;再就是安全可靠性和可维护性问题。
目前除了少数经过PLC改造的之外,绝大部分交流异步电动机转子串电阻系统仍为继电器—接触器系统,其安全保护回路、检测及取样回路,还有相当部分的制动系统仍为单线控制。
这一类型的系统安全可靠性不高;至于可维护性问题,则由于继电器—接触器为有触点系统,电路接头多,触点多,硬接线路复杂。
一旦系统出现故障,查处起来极为不便。
（2）直流电动机传动系统。
我国目前直流传动的矿井提升机,一般是当主提升电动机功率在1000kW以上或者调速性能要求较高的场合下选用。
无论是发电机—电动机传动系统,还是晶闸管整流供电系统的静、动态特性和实现自动化方面均明显地优于交流电动机转子串电阻系统。
只是由于变流技术的发展,发电机—电动机系统已被晶闸管整流供电系统所取代,新上设备已不再采用。
晶闸管供电系统除了工作过程中有冲击性无功功率,深调时功率因数低以及控制线路较为复杂的缺点之外,还存在电动机机械式换向器维护的麻烦。
从山西现场的使用情况来看,由于以上缺点的存在和调试、整定技术力量的不足,制约了直流传动提升机优势的发挥。
3.矿井提升机控制系统的发展
3.1我国在五六十年代，一般采用交流传动方式。
其优点：
技术比较简单，设备及安装费用低，占用面积小，运行维护容易。
缺点是：
电气调速性能差，在减速和爬行阶段需要另外增设传动装置，如动力制动、低频传动以及晶闸管串级传动等，虽然调速性能得到了改善，然而设备投资和系统的复杂性也增加了。
由于交流传动受主电动机和控制设备制造容量的限制，所以，对要求提升容量大、速度高的大型矿井，一般采用直流传动装置。
进入70年代后，矿井的规模愈来愈大，年设计生产能力为300、400、500万t，甚至更大。
特别是对于一些井深达600IIl，800m以上的矿井，要求装载容量大，提升速度高，箕斗容量从12t、18t增大到32t，提升速度从6m／s，8m／s，提高到14m／s。
甚至还高。
对于提升自动化水平要求也愈来愈高，因此，原来的交流传动已远远不能满足需要，必须采用直流传动方式。
直流传动的最大优点是：
调速平滑稳定，调速范围宽阔，容易实现提升自动化，因为电动机的转速几乎与提升负载无关，在低速范围内也能稳定运行。
负力减速时可将机械能转换为电能返回电网。
它的缺点是建设投资大，基础费用高。
直流传动方式又分为发电机一电动机传动和晶闸管变流器一电动机传动方式两种，两者相比，晶闸管变流器一电动机传动又具有动作速度快、可靠性高、维护工作量小、故障少、运行效率高，体积小、重量轻和占地面积小等优点。
它的缺点是对交流电网的无功冲击大，因而产生较大的起动压降。
它的高次谐波会引起交流电网电压正弦波形的畸变，干扰其他用电设备，运行功率因数低等。
但如对变流器采取特殊接线方式，电枢回路用两组晶闸管桥串联，采用“顺序控制”方法可以提高功率因数，特别是系统中配置无功补偿和谐波吸收装置后，将大大削弱晶闸管整流装置对交流电网的无功冲击和谐波污染，为此，晶闸管交流变流器供电的直流传动装置具有广阔的远景。
70年代后期，我国煤炭系统从瑞典、德国、法国、波兰等国引进了多台晶闸管变流器供电的直流提升机。
随着晶闸管变流器供电传动技术的引进和发展，国内也进行了设计和制造，并取得了良好的效果。
目前晶闸管元件的容量已发展到4000V，3OOOA以上，直流快速断路器的容器已扩展到6000A以上。
3.2电气传动中计算机控制系统特点
计算机控制系统也称作数字控制系统，使自动控制理论和计算机技术相结合的产物，一般指计算机参与控制的开环或闭环系统，通常具有精度高、速度快、存贮量大和有逻辑判断功能的特点因此可以实现高级复杂的控制方法，获得快速精密的控制效果。
3.2.1数字控制系统的优点是：
（1）精心设计的微机控制系统能显著地降低控制器硬件成本。
为用户专门设计的大规模集成电路（VLsI）加控制软件构成的控制芯片，或为大批量生产设计的专用集成电路（ASIC）均使系统硬件成本大大降低。
体积小、质量轻、能耗少是它们附带的共同优点。
（2）改善系统可靠性。
VLSI是线路接线减少到最小，其平均无故障时间（MTBF）大大长于分立元器件。
经验表明，正确设计微机控制系统的可靠性大大优于电机控制系统中的其他元器件，但要保证其工作在额定值以下，如温升不能超过允许值。
（3）数字电路不存在温漂问题，不存在参数变化的影响。
内部计算是100％准确，但受字长影响存在量化误差。
采用适当定标可以避免溢出，并保证精度。
（4）可以设计统一的硬件电路，以适合于不同的电机控制系统。
软件设计具有很大的灵活性，可以有不同的版本，还可以加快产品的更新换代。
（5）可以完成复杂的功能，指令，反馈、校正，运算、判断，监控，报警，数据处理、故障诊断，状态估计，触发控制，PWM脉冲产生、坐标变换等。
3.2.2数字控制系统的不足是：
（1）存在采样和量化误差。
尽管计算机内部的数字量非常精确，但z和外部打交道均通过数／模（D／A），模／数（A／D）转换器。
A／D，D／A转换器的位数和计算机的字长是一定的，增加位数和字长及提高采样频率可以减少这一误差，但不可以无限制地增加。
（2）响应速度往往慢于专用的硬件或模拟系统。
计算机处理信号是以串行的方式进行的，尽管微处理机的速度提高很快，但要完成这一很多任务仍需要较长的时间。
此外，采样时间的延迟可能造成系统不稳定。
（3）软件人工成本较贵。
微机数字控制的开发和调试是非常昂贵和费时的，因此，国外往往依靠大批量生产来降低成本。
（4）对软件实现的功能，不易使用仪器，如示波器、万用表直接观测，也不方便调节和改变参数（如放大倍数和限幅值等）。
在电气传动控制系统中计算机的应用可具体归纳如下：
（1）相控变流器的门极触发控制：
首先将同步变压器输出的三相互差120度的正弦电压经滤波移相，限幅，过零比较，反相后，得到滞后30度的方波信号，然后将三相方波信号直接送人单片机的高速输入口，上升沿和下降沿分别与三相交流输入的换相点对应。
利用高速输入口灵活的触发方式记录下换相点发生的时刻及此时电源的状态，并发出中断申请，使CPU进入同步中断处理程序，以换相点时刻位起点发送触发信号，这样可以简化硬件，省略r一般模拟控制系统中的同步锁相环节和单稳脉冲发生器。
（2）反馈信号处理：
反馈信号一般包括电压，电流，转速，位置甚至还有转矩和磁通。
对通常电力电子系统中的反馈电压，电流信号，一般经过检测采样，A／D转换后输入计算机中，可以采崩模拟滤波，也可以采用数字滤波的方法去掉测量误差和干扰。
但对于电机控制系统中的转速、转矩和磁通来讲，就不那么简单了。
这些变量的传感器价格昂贵，直接造成系统成本大幅上升。
因此，人们通常希望用低廉的传感器检测它们．或用估算及状态观察的方法从已检测到的电压，电流及位置信号中算出。
这些复杂的算法在过去的模拟控制系统中是不可能实现的。
随着微机，尤其是单片机的迅速发展，可灾现越来越复杂的算法和状态观测器。
（3）多种计算和控制功能：
如前所诉，微机控制系统的一大优点即可实现复杂的算法和控制功能，如备神状态观测器、坐标转换、矢量控制、自适应控制、模糊控制、最优控制、滑模变结构控制等，都可以很方便地采用高速单片机（如数字信号处理器）来实时完成，从而大大提高了系统的整体灵活性，并可实现多采样周期控制系统。
（4）故障保护和诊断以及和上位机的通信：
对一般的微机控制系统来说，借助干数字／模拟显示对系统变量进行限幅减控是很方便的。
一旦某个信号超过限幅值，可采用中断方式进行自动处理或保护，同时发出警告信号和显示故障信息代码，用户可方便的根据故障能罅信息判断发生故障的原因和位置。
此时借助与计算机，还可方便的进行开机自诊断、参数预置及离线和在线的辩识。
在电力电子系统中，使用微机进行调试和诊断的优点是：
可由熟练技术人员进行，调试周期短，程序化．规范化，智能化、不容易出错或由于人的因素造成设备损坏。
最后，还可以借助串行通信功能进行远程操作和故障诊断（用户不知道的情况下即为排除故障），借助网络实现群控和集散控制及过程自动化。
3.3控制分类
3.3.1电动机拖动矿井主提升机
同步电动机拖动：
同步电动机拖动矿井主提升机采用全数字矢量控制交一交变频高速系统，其主提升同步电动机功率大、额定转速低，定子为两套互相独立的绕组，额定定子电压高、电流大。
为同步电动机定子供电的变频装置由六台变压器和六台变频柜组成，其中三台变压器为△／△接法，三台为A／Y接法，分别向六台变频柜提供交流稳压电源，由变频柜分别进行三相一单相变频后，按输出Y连接方式接成两组三线低频电源，为主提升同步电动机的两套定子绕组供电。
其全部控制、监测和安全回路都串联连接，全数字化，主要完成所有开环控制、闭锁、报警处理和图像处理功能及井筒信号和控制系统及闭环控制、行程控制、软起动控制及监测。
绕线式异步电动机拖动：
绕线式异步电动机拖动矿井主提升机采用PC自动化控制全过程，用技术先进性能可靠的可编程控制器，可编程彩色触摸显示器，主控台运用RS485通讯方式，可实现安全、快捷的运行。
按照安全回路双线制的设计原则，且有逻辑编程简单，安全保护可靠，状态显示齐全，语言报警及信号通讯等功能。
3.3.2高压换向切换调速控制
采用高压换向智能站：
用高压低频换向，换向时采用RS485通讯方式，当接到主控台PLC的操作指令时，实现高频高压电源与低频电源的切换，以及主提升机在上述情况下正反向运转的控制过程。
对高压电源与低频电源的切换以及对电动机正反运转均具有电气和机械的双重闭锁，在主回路中设计有双重过压吸收电路，确定设备工作期间的可靠性与安全性。
采用可控硅切换速度：
用可控硅作为主电机转子回路外接电阻的切换使用，代替真空接触器，且有优良的动静特性，操作简单，运行可靠，无噪音。
采用高压换向及低频接触器：
低频电源采用可控硅交一交变频，主回路采用三相零式结构，全数字无环流工作方式，主控触发回路以16位单片机为控制核心配以辅助电路构成，其控制精度高、运算速度快、无噪音、保护齐全、可靠性高、重量轻。
采用变频调速器代替切换电阻调速，调速准确，平滑性好。
4.矿井提升机安全技术发展
4.1提升机及制动系统研究现状
4.1.1提升机系统故障
目前国内使用较多的提升系统主要是立井单绳缠绕式和多绳摩擦式提升，一般由提升容器、提升钢丝绳、滚筒、减速器、井架和装卸载设备（或操车设备）以及拖动电机、电控设备和制动装置等组成。
二者都可以采用罐笼或箕斗2种提升方式，罐笼用于运送人员、设备和物料．箕斗用于提矿物。
通过对我国十几个矿业集团的调研、查询，收集了200多个故障实例。
从统计结果可以看出，过卷、断绳、滑动和制动失效，是提升机运行系统的常见故障，严重影响了提升机的运行安全和稳定性。
根据文献检索和现场事故调查结果，发现矿井提升机发生故障有许多非自然因素，如设备质量低劣、操作管理不当、人为因素、保护继电器误动作、外部环境干扰影响等。
这些非自然因素都有可能被早期发现和预防，甚至能完全避免。
因此，本文主要研究的是如何从技术角度来提高提升机的运行安全问题。
4.1.2提升机制动系统研究现状及发展
（1）高可靠性液压装置的研究和应用在因制动系统失效而引发的事故中，由液压站引起的故障占有较大的比例。
目前关于高可靠性液压装置的研究，主要内容是在实现提升机工作制动、安全制动和调绳等功l}{}的基础上，增加改善系统的调压、多路回油保护、残压保护、电磁阀故障检测以及PLC程序化控制等功能。
其最终目标是通过增加液压站的安全保护功能和改善工作制动性能，提高液压系统的可靠度。
从而使整个提升机制动系统更加安全可靠。
由中国矿业大学和徐州矿务集团联合研制的提升机盘式制动器高可靠性液压装置是这方面研究中较为成功的—个例子。
（2）恒减速液压制动系统的研究和应用
提升机安全制动是通过对液压制动系统中电磁阀的控制来调节制动油压的大小。
从而实现对制动器制动力矩的控制。
提升机安全制动时的减速度必须满足文献的有关规定。
否则，若制动减速度过大，虽然停车快，但将会对提升机机械设备和钢丝绳产生很大的冲击，对摩擦轮提升机还会产生钢丝绳相对摩擦轮打滑的现象；若制动减速度过小，则制动时间加长，不能及时停车，又容易产生过卷或礅罐等事故。
因此，目前，国外基本上使用恒减速制动系统。
国外以德国的西马格公司（Siemag）、SIEMENS、ABB公司等的产品为代表。
国内矿井提升机仍停留在完善过去引进的前苏联式的二级制动系统的配套使用上。
恒减速制动的使用不足国内提升机总量的l％，而且只在竖井和多绳摩擦提升机上使用。
此外，国内所采用的恒减速制动系统多数是从国外引进的，价格都非常昂贵。
国内自行研制的恒减速制动系统又或多或少地存在这样那样的问题，在现场的实际应用过程中，效果不是十分理想。
（3）可调闸回路控制方式的研究和应用
可调闸是司机进行工作制动手柄控制的机械制动闸，目前普遍采用盘形闸。
可调闸制动器所产生的制动力矩与流过电液阀线圈KT的电流有关。
矿井提升机可调闸回路的控制方式经历了如下几个发展阶段：
①继电器逻辑控制阶段以在我国矿井提升系统中应用相当广泛的TKD电控系统为例。
可调闸
回路有2种控制方式，即手动控制和速度闭环控制。
在手动控制方式下，司机操纵控制手柄。
调整自整角机的输出电压，从而调整磁放大器的输出，即流经KT线圈的电流的大小，最终实现控制制动力矩的目的。
速度闭环控制方式下，系统用凸轮板控制自整角机（或旋转变压器）的电压输出完成速度图的给定，用测速发电机作测速反馈，比较后的偏差控制磁放大器的输出，从而实现对可调闸制动力矩的调节。
由于凸轮板和磁放大器整定困难、灵敏度亦达不到要求、电参数易发生漂移、容易误动或拒动等原因，在实际中可调闸速度调节往往没有闭环运行只有开环运行，减速段限速保护也几乎不起作用。
所以。
继电器逻辑控制实现的可调闸回路可靠性不高。
②电子模块实现阶段20世纪90年代中后期，在国产矿井提升机电控制系统中，PIE主要用于处理开关量，以替代老式提升机TKD电控制系统众多的继电器、接触器，复杂的连线以及信号显示系统。
在涉及到提升机制动系统中的模拟量和自动调节过程等情况时．则是通过用半导体器件和运算放大器等实现的电子模块来处理。
该阶段以洛阳矿山机械设计研究院设计的KTXS型可调闸限速模块和KTDL型动力制动电子模块为代表。
这些普通电子模块在一定程度上实现了可调闸的闭环调速和限速保护，但在使用过程中常会出现零点漂移和电子元件损坏等现象，因而使得制动系统的可靠性不高。
③计算机控制阶段随着计算机技术特别是FIX：
技术的发展，传统的继电器逻辑控制系统逐渐被计算机数字控制系统所代替。
PLC当初是针对工业顺序控制发展而研制的，近十几年发展迅速，已不仅能进行开关量控制，而且还能进行模拟量控制和位置控制等。
因此，可调闸控制中模拟量的给定和自动调节等过程都采用PIE或工控机技术来处理。
4.2内外提升机电控系统安全发展现状
国外发达国家，如英、德比较重视安全性能，不但采取了用各种方式来构成独立工作的双通道安全监视和安全回路、软件设计中也采用多种监视保护措施来提高安全可靠性，而且具有详尽的安全设计技术规范和相对独立的监督机构。
相比之下，我国现存和生产的电控系统在安全设计和性能上均有较大差距，集中体现在安全设计原则和要求不够明晰；相关措施不得力、不完善；产品元件可靠性指标有待提高等。
国内主要矿用提升机生产厂家，如中信重型机械公司等，生产的交流电控配套设备一直采用异步电动机转子串电阻调速方案。
我国的矿井提升机电控系统主要以TKD交流拖动为代表。
但是．近年来已经有了较大的发展和提高。
其中具有代表性的有中矿大传动与自动化有限公司的于1993年研制成功的ASCS系列直流提升机全数字调速电控系统：
2001年由淮南矿业（集团）公司、冶金自动化研究设计院、合肥煤炭设计研究院等单位联合攻关完成的我国第l套国产特大型提升机全自动化、全数字交交变频双机拖动系统及中国矿业大学机械工程系研制的基于PLC的提升机盘闸制动自控系统，陈四楼主井提升机的信息管理系统等。
综上所述，整体上国内矿用提升机电控系统及调速装置大多处于落后状态。
但是，近年来在引进消化开发利用以及自主研发等方面还是有了较大的进展。
4.3未来提升机安全研究的主要技术
（1）矿井提升安全运行评估
近年来随着安全系统工程在煤矿的推广应用，煤矿安全评估工作的重要性也逐步被人们所认识，有关学者和煤矿生产企业对煤矿安全评估方法进行了多方面的研究，取得了一些初步的成果：
如研究提出了“煤矿事故三步安全评估法”，用指数法进行煤矿安全生产研究，收到了良好的效果。
（2）事故树（FTA）分析技术
事故树分析简称FTA，是一种图形演绎方法，是失效事件在一定条件下的逻辑推理方法。
在系统分析中，通过对可能造成系统失效的各种因素（包括硬件、软件、环境、人为因素）进行分析，画出逻辑框图（事故树），从而确定系统失效原因的各种可能组合方式或发生概率，以计算系统失效概率，采取相应的预防纠正措施，提高系统的可靠性水平。
它起源于故障树分析，是安全系统工程的重要分析方法之一，它能对各种系统的危险性进行辨识和评价，不仅能分析出事故的直接原因，而且能深入地揭示出事故的潜在原因。
用它描述事故的因果关系直观、明了，思路清晰，逻辑性强，既可定性分析，又可定量分析。
（3）可编程控制器（PLC）技术
可编程控制器是20世纪60年代末在美国首先出现，当时叫可编程逻辑控制器PLC，目的是用来取代继电器，以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能。
其基本设计思想是把计算机功能完善、灵活、通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，控制器的硬件是标准的、通用的。
根据实际应用对象，将控制内容编成软件写入控制器的用户程序存储器内。
它不仅具有逻辑判断功能，还同时具有数据处理、PID调节和数
据通信功能。
（4）容错技术的发展现状
“容错”原是计算机系统设计技术中的一个概念，容错是容忍状况综合评估的方法、用评分法对全煤矿危险性进行预评估以及对采煤工作面，掘进工作面等局部地区的危险性进行预评估的评估的方法、采用灰色系统方法进行安全综合评
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