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【摘 要】 提升机系统中的一些保护功能，对提升系统的相关部分进行保护，而后备保护系统也具有这些保护功能中的主要部分，形成对某些重要性能的双重保护。本文研究提升机系统后备保护装置中的位置控制、速度控制、过卷等后备保护问题，具有十分重要的现实意义。
【关键词】 提升机；保护系统；PLC
我国早期投产的煤矿中，其提升机控制核心采用继电器为主要控制元件，存在触点多、接线复杂而导致可靠性不高、维护困难等弊病。可编程控制器PLC由于具有抗干扰能力强、适应性强、性价比高、性能稳定等特点，就成了最好的选择，它不仅可解决继电器控制系统无法克服的弊病，同时能与上位机进行通信，实现计算机对煤矿的监控，在国内外工业控制领域得到了广泛的应用。
1 位置控制后备保护
提升容器在井筒中位置的测量方法可分为直接测量和间接测量两种方法。直接测量方法中的高频雷达、激光或红外测距装置以及钢丝绳上充磁标记等方法，其优点是测量值不受钢丝绳打滑或弹性伸长、衬垫磨损等因素影响。然而由于井筒环境条件恶劣、提升容器位置的动态变化、安装传感器困难、技术难度大、成本高等原因，目前国内应用这类测量方法的条件尚不成熟。间接测量方法则是通过测量滚筒式电机轴转角换算成提升容器在井筒中的位置，这类测量方法简单可靠易于实现，是目前国内主要采用的方法。但这种检测方法的检测精度和分辨率与所选用的传感器有关，而且受钢丝绳弹性伸长、打滑、蠕动以及滚筒木衬垫磨损等因素影响。所以在采用这种检测方法时，要根据选用的传感器和产生误差的原因，采取必要的措施减少误差。目前对提升容器在井筒中的行程间接检测时，普遍采用的方法是测量电动机轴的转动角度或圈数，然后再转换为提升容器的位移量。通过软件编程，CPU将计数值同预置值进行比较而设置各种位置点，如减速点、停车点等。当提升容器到达这些点时，PLC发出不同的位置信号，并根据提升机工艺进行相应的控制。
在该系统中，卷筒旋转一圈，位置检测传感元件轴角编码器发出1024个脉冲，设绞车的直径为D，则每个脉冲对应的距离（脉冲刻度）为：△s=Dπ/1024
此即脉冲刻度，它与计数模块所计脉冲数相乘即为实际提升容器行程。则提升容器的行程为：
S=a△s a——计数模块所计脉冲数
位置值通过监视器进行显示。
当滚筒衬垫使用一段时间后发生磨损或更新时，滚筒直径D将发生变化，脉冲刻度△s也将随之变化，最终导致位置测量误差，因此需对滚筒直径进行校正，假设井口到井底整个提升行程距离为S（定值），对应于井口和井底的计数脉冲值分别为P1和P2，则滚筒实际直径为：D=1024S/π﹙P1—P2﹚
位置计算程序将按照脉冲计数值的变化实时计算提升容器在井筒中的位置。同时，在井筒中设置同步开关，对行程进行同步校正。即用预置数取代计数模块中原有的计数脉冲累加值，从而实现精确的位置控制。
2 速度控制后备保护
运行速度的控制多数是基于检测元件——脉冲编码器，而脉冲编码器是以监测提升机滚筒主轴的速度来计算提升机的高度和位置，从而达到速度的控制和保护。后备保护装置设有等速段超速15%，减速段限速，接近井口大于2m/s的限速保护功能，通常采用包络线或定点的方式实现提升过程中全行程的超速限速保护功能。提升机后备保护系统实际上是在原提升机正常运行速度外加了一条保护线。
下图1为提升机运行控制速度曲线图。图中t1为加速运行阶段，t2为等速运行阶段，t3为减速运行阶段，t4为低速爬行阶段，t5为抱闸停车阶段。其中设定速度曲线，保护速度曲线的关系。
在正常情况下，提升机运行在设定曲线上，全程速度由PLC通过D/A数模转换器给定。一旦运行速度超过给定速度工作闸将自动贴闸皮。贴闸皮的松紧程度取决于运行速度和保护速度的差值，运行速度愈接近保护速度闸皮则贴得愈紧，迫使提升机运行速度按设定速度运行。在特殊情况下，若运行速度大于或等于保护速度，系统将执行程序停机，使提升机实现安全自动停机。若不能执行停机，则后备保护将执行停机。由于后备保护系统是独立于提升机控制系统以外的速度保护系统故具有很高的可靠性。
3 过卷后备保护
过卷的两种情况：一种是提升容器被提升到地面井口正常停车位置而未停车，并越出井口位置继续上行而过卷保护又不起作用，使提升容器与井架相撞造成的事故。另一种是当提升容器下放到井底而未减速停车、与井底承接装置或井窝发生撞击而造成的礅罐事故。
过卷保护来源有两个：一种是硬过卷，即井筒开关过卷；二是软过卷，即根据提升机行程脉冲计算出的行程值和提升高度相比较，超出设定提升高度则认为过卷，发出过卷信号。这两种过卷信号共同作用于提升机控制系统，为提升机的安全运行设置双重保护。
防止过卷的方法通常有如下几种：
（1）设置准确可靠的检测点：为保证不发生过卷事故，可利用在某处设减速检测点。若检测出该减速点速度超过设定值，则安全保护装置动作，主电机断电减速，以保证安全运行。
（2）装设安全迅速的2m/s过速保护：所谓2m/s过速保护是指当提升容器上升快到设定值时，保护动作，切断安全回路，实现紧急制动。这点在煤矿提升中使用较多，它能保证提升容器到达终端位置时的速度不超过2m/s。
（3）选用灵敏高效的过卷开关：老式提升系统的过卷开关是机械触点式，动作不灵敏、不准确，难以发挥其应有的作用。选用灵敏高效的位置开关，并将位置开关和机械式触点开关相串联，能大大提高生产率，节约电能并减轻司机的操作难度，无论发生何种过卷事故，过卷开关都能及时准确地动作，提高过卷保护的可靠性。
（4）装设先进实用的缓冲装置。现在使用较多的是液压缓冲器。该缓冲器的特点是：整个缓冲过程平稳，反弹作用小，能自动复位，易于维护和调节制动力的大小。并可通过调节溢流阀的压力或选用不同直径的油缸获得不同的缓冲力，因而可适用于不同型号的提升容器及提升速度。根据工艺和控制要求以及PLC的具体特点，系统选用了SIEMENS公司的S7—300可编程序控制器及其它模块配置，完成速度控制、位置控制、过卷控制等保护功能。
4 总结
PLC后备保护系统与提升机原有保护既相互独立，又能相互监视，对某些重要保护（如过卷、超速等）还能相互备用，大大提高了后备保护的可靠性。该系统既可参与提升机运行的后备保护，也可以实现提升机运行的过程控制，它既可以应用于我国交、直流矿井提升机设备的技术改造，也可用于开发新系列的提升机。
参考文献：
[1]《电气控制与PLC应用》范永胜，王岷.中国电力出版社
[2]《可编程控序制器及其网络系统的综合技术》李全利.机械工业出版社
[3]《电气控制与可编程控制器技术》史国生.化学工业出版社
[4]《电机与电气控制》刘明伟，马宏革.科学出版社
【关键词】 提升机；保护系统；PLC
我国早期投产的煤矿中，其提升机控制核心采用继电器为主要控制元件，存在触点多、接线复杂而导致可靠性不高、维护困难等弊病。可编程控制器PLC由于具有抗干扰能力强、适应性强、性价比高、性能稳定等特点，就成了最好的选择，它不仅可解决继电器控制系统无法克服的弊病，同时能与上位机进行通信，实现计算机对煤矿的监控，在国内外工业控制领域得到了广泛的应用。
1 位置控制后备保护
提升容器在井筒中位置的测量方法可分为直接测量和间接测量两种方法。直接测量方法中的高频雷达、激光或红外测距装置以及钢丝绳上充磁标记等方法，其优点是测量值不受钢丝绳打滑或弹性伸长、衬垫磨损等因素影响。然而由于井筒环境条件恶劣、提升容器位置的动态变化、安装传感器困难、技术难度大、成本高等原因，目前国内应用这类测量方法的条件尚不成熟。间接测量方法则是通过测量滚筒式电机轴转角换算成提升容器在井筒中的位置，这类测量方法简单可靠易于实现，是目前国内主要采用的方法。但这种检测方法的检测精度和分辨率与所选用的传感器有关，而且受钢丝绳弹性伸长、打滑、蠕动以及滚筒木衬垫磨损等因素影响。所以在采用这种检测方法时，要根据选用的传感器和产生误差的原因，采取必要的措施减少误差。目前对提升容器在井筒中的行程间接检测时，普遍采用的方法是测量电动机轴的转动角度或圈数，然后再转换为提升容器的位移量。通过软件编程，CPU将计数值同预置值进行比较而设置各种位置点，如减速点、停车点等。当提升容器到达这些点时，PLC发出不同的位置信号，并根据提升机工艺进行相应的控制。
在该系统中，卷筒旋转一圈，位置检测传感元件轴角编码器发出1024个脉冲，设绞车的直径为D，则每个脉冲对应的距离（脉冲刻度）为：△s=Dπ/1024
此即脉冲刻度，它与计数模块所计脉冲数相乘即为实际提升容器行程。则提升容器的行程为：
S=a△s a——计数模块所计脉冲数
位置值通过监视器进行显示。
当滚筒衬垫使用一段时间后发生磨损或更新时，滚筒直径D将发生变化，脉冲刻度△s也将随之变化，最终导致位置测量误差，因此需对滚筒直径进行校正，假设井口到井底整个提升行程距离为S（定值），对应于井口和井底的计数脉冲值分别为P1和P2，则滚筒实际直径为：D=1024S/π﹙P1—P2﹚
位置计算程序将按照脉冲计数值的变化实时计算提升容器在井筒中的位置。同时，在井筒中设置同步开关，对行程进行同步校正。即用预置数取代计数模块中原有的计数脉冲累加值，从而实现精确的位置控制。
2 速度控制后备保护
运行速度的控制多数是基于检测元件——脉冲编码器，而脉冲编码器是以监测提升机滚筒主轴的速度来计算提升机的高度和位置，从而达到速度的控制和保护。后备保护装置设有等速段超速15%，减速段限速，接近井口大于2m/s的限速保护功能，通常采用包络线或定点的方式实现提升过程中全行程的超速限速保护功能。提升机后备保护系统实际上是在原提升机正常运行速度外加了一条保护线。
下图1为提升机运行控制速度曲线图。图中t1为加速运行阶段，t2为等速运行阶段，t3为减速运行阶段，t4为低速爬行阶段，t5为抱闸停车阶段。其中设定速度曲线，保护速度曲线的关系。
在正常情况下，提升机运行在设定曲线上，全程速度由PLC通过D/A数模转换器给定。一旦运行速度超过给定速度工作闸将自动贴闸皮。贴闸皮的松紧程度取决于运行速度和保护速度的差值，运行速度愈接近保护速度闸皮则贴得愈紧，迫使提升机运行速度按设定速度运行。在特殊情况下，若运行速度大于或等于保护速度，系统将执行程序停机，使提升机实现安全自动停机。若不能执行停机，则后备保护将执行停机。由于后备保护系统是独立于提升机控制系统以外的速度保护系统故具有很高的可靠性。
3 过卷后备保护
过卷的两种情况：一种是提升容器被提升到地面井口正常停车位置而未停车，并越出井口位置继续上行而过卷保护又不起作用，使提升容器与井架相撞造成的事故。另一种是当提升容器下放到井底而未减速停车、与井底承接装置或井窝发生撞击而造成的礅罐事故。
过卷保护来源有两个：一种是硬过卷，即井筒开关过卷；二是软过卷，即根据提升机行程脉冲计算出的行程值和提升高度相比较，超出设定提升高度则认为过卷，发出过卷信号。这两种过卷信号共同作用于提升机控制系统，为提升机的安全运行设置双重保护。
防止过卷的方法通常有如下几种：
（1）设置准确可靠的检测点：为保证不发生过卷事故，可利用在某处设减速检测点。若检测出该减速点速度超过设定值，则安全保护装置动作，主电机断电减速，以保证安全运行。
（2）装设安全迅速的2m/s过速保护：所谓2m/s过速保护是指当提升容器上升快到设定值时，保护动作，切断安全回路，实现紧急制动。这点在煤矿提升中使用较多，它能保证提升容器到达终端位置时的速度不超过2m/s。
（3）选用灵敏高效的过卷开关：老式提升系统的过卷开关是机械触点式，动作不灵敏、不准确，难以发挥其应有的作用。选用灵敏高效的位置开关，并将位置开关和机械式触点开关相串联，能大大提高生产率，节约电能并减轻司机的操作难度，无论发生何种过卷事故，过卷开关都能及时准确地动作，提高过卷保护的可靠性。
（4）装设先进实用的缓冲装置。现在使用较多的是液压缓冲器。该缓冲器的特点是：整个缓冲过程平稳，反弹作用小，能自动复位，易于维护和调节制动力的大小。并可通过调节溢流阀的压力或选用不同直径的油缸获得不同的缓冲力，因而可适用于不同型号的提升容器及提升速度。根据工艺和控制要求以及PLC的具体特点，系统选用了SIEMENS公司的S7—300可编程序控制器及其它模块配置，完成速度控制、位置控制、过卷控制等保护功能。
4 总结
PLC后备保护系统与提升机原有保护既相互独立，又能相互监视，对某些重要保护（如过卷、超速等）还能相互备用，大大提高了后备保护的可靠性。该系统既可参与提升机运行的后备保护，也可以实现提升机运行的过程控制，它既可以应用于我国交、直流矿井提升机设备的技术改造，也可用于开发新系列的提升机。
参考文献：
[1]《电气控制与PLC应用》范永胜，王岷.中国电力出版社
[2]《可编程控序制器及其网络系统的综合技术》李全利.机械工业出版社
[3]《电气控制与可编程控制器技术》史国生.化学工业出版社
[4]《电机与电气控制》刘明伟，马宏革.科学出版社