矿用提升机电控系统故障分析与排除及安全保护意义

矿用提升机是矿山的重要设备之一，又是联系井下与地面的主要运输工具，主要用于煤矿、金属矿和非金属矿中提升煤炭、矿石等，升降人员，下放材料，工具和设备。矿用提升机与空压机、通风和排水设备组成矿井的四大固定设备，是一套复杂的机械—电气机组。
  
  在提升机系统中，电控系统根据提升机机械和电气方面，为提高提升机安全运行的可靠性设计了很多必要的保护功能。以下是我司在提升机电控系统中设置的保护内容，也是市场上大部分提升机电控生产厂家应该具备的保护内容。安全保护可分为主回路保护、速度保护、位置方向、急停通讯、其他保护等。

一、主回路保护

1、高压合闸故障

  
  检测高压柜合闸状态是否与所需状态相同，该投入的高压柜是否合闸，不该投入的高压柜是否分闸。

2、主回路电流保护

  该保护主要针对控制对象是直流电机的情况，在主回路中一般都会配套直流快速开关。一般分断电流设置为直流电机额定电流的1.8倍。在投入使用前，必须对快开分断电流进行整定。已确定分断电流的准确性。

3、装置启动故障

指传动系统的装置（变频器或直流调速装置）未启动。

4、装置故障  

  指传动系统的装置自身报出故障。一般在装置的用户操作面板上都会显示以F打头的一个代码。可参考相应的用户手册对故障进行分析判断处理。

5、主回路接地故障 

  检测主回路与大地之间的绝缘值。当绝缘值降低时，表示电机与大地之间的绝缘值降低，需用摇表对主电机或电缆测量大约的绝缘电阻值进行分析判断，找出绝缘值较低的部位，进行处理。

6、主电机过载  

  电机运行电流大于电机额定电流1.5倍经1S延时后，故障被触发。可根据现场情况适当调整过流电流保护值和延时时间。原则上不大于电机额定电流的1.8倍。（如市场上的主流直流电机都具备2倍电机额定电流过载60秒能力）需要注意的是，保护电流越大，延时时间应越短。类似高压做的电流反时限保护曲线。

7、 主电机过流  

  电机运行电流大于电机额定电流1.5倍经0.1秒延时后，故障被触发。可根据现场情况适当调整过流电流保护值。

8、主电机温度过高

通过主电机配套的PT100，检测主电机当前的温度，是否超过设定值。该设定值与电机制造的绝缘等级和允许的温升标准有关。

二、速度保护

  
  绞车系统中会有很多能够测量速度的器件，如编码器、测速机、传动装置等，控制系统可对运行全程实现速度控制及速度检测，当发现有超速或者测速器件之间存在速度偏差时，应立即实现安全制动。主要的保护有以下方面：

1、装置速度等速超速

  
  控制系统通过模拟量读取或者通讯的方式，采集到传动装置反馈的速度信号，根据规程，速度超过额定速度的15%，应立即实现安全制动。

2、保护测速机等速超速

  
  控制系统通过读取测速机反馈的实时速度，与设定的速度保护值相比较，若超过速度保护值，则应立刻采取安全制动。
  
  需要注意的是，目前PLC模拟量一般都只能接受0-±10VDC信号，而测速机反馈的信号一般都在60-220VDC之间，所以都会有电压转换板，将高电压转换成PLC能够识别的标准电压信号的电路板，要求这种电路板的可靠性非常高。

3、编码器等速超速

  
  目前标准的提升机电气控制系统内均在滚筒非传动端、电机、天轮处安装有编码器，通过采集单位时间内的脉冲数，来计算绞车的实时速度。当超过速度保护值，则应立刻采取安全制动。

4、硬件等速超速

  
  除了PLC内部程序逻辑能够判断速度保护，外部硬件也同样应有一套超速保护回路，能够独立判断出当前速度是否超过系统允许的速度。若超过速度保护值，则应立刻采取安全制动。

5、包络线超速

  
  包络线是一条在PLC内部根据罐笼当前位置距停车点距离计算出的动态的速度保护值，不管是加速段、等速段还是减速段、爬行段都能起到速度保护的作用，正常情况下实际运行速度应被这条包络线包裹，同一时刻一直低于包络线。

6、定点超速

  
  罐笼距井口距离比较近的地方，速度要求不能超过2米/秒，这个位置一般是距停车点5米的位置。当在此位置时，速度超过2米/秒，则应立刻采取安全制动。

7、装置测速机速度超差

  
  装置反馈的速度与测速机反馈的速度偏差大于0.5米/秒时，说明有一个测速源可能不可靠，应立刻采取安全制动。

8、装置编码器速度超差

  
  装置反馈的速度与编码器反馈的速度偏差大于0.5米/秒时，说明有一个测速源可能不可靠，应立刻采取安全制动。

9、测速机编码器速度超差

  
  测速机反馈的速度与编码器反馈的速度偏差大于0.5米/秒时，说明有一个测速源可能不可靠，应立刻采取安全制动。

10、减速延时超速

  
  系统减速时，应按照一定的速度曲线减速，过了减速点后，可以利用一定时间后的速度采样与期望的速度值进行比较，如果当前速度比计划内速度高，则应采取安全制动。

11、编码器速度超差

  
  根据《规程》要求，电控系统中至少要求配套两只独立工作的编码器，因此两只编码器之间，也应有速度比较，来排除不能正常工作的编码器，若两只编码器的速度偏差大于0.5米/秒时，说明有一个编码器可能不可靠，应立刻采取安全制动。

12、液压站启动故障

在绞车有一定速度的时候，液压站应一直处于开启状态，否则则认为液压站启动故障，应采取安全制动。

三、位置与方向保护

  
  控制系统有很多方向信号和位置信号，如选择的方向、运行的方向，主从编码器计算的罐笼/箕斗所在位置，提升容器在井筒中的实际位置等。这些信号均有相关保护。如下：

1、编码器位置超差

  
  编码器是在系统中作为采集滚筒转动圈数，计算速度和容器运行深度的重要器件，一般都对跟随电机和滚筒高速旋转。其在长期旋转过程中，难免会有联轴节松动或顶死松动，造成编码器丢转或不转的情况，因此两只编码器所计算出的提升容器运行位置信号的比较就非常重要。当两只编码器计算的深度超过一定数值时，应采取安全制动。可根据实际运行情况，设置该保护值数值。数值越小，保护越灵敏，同时也越容易保护制动。

2、井筒上、下过卷保护

  
  在井筒中上下停车位置以上/以下0.5米处安装行程开关，作为罐笼过卷保护。开关动作，即认为罐笼已运行至过卷位置，应立即采取一级制动，闸死滚筒。

3、编码器上、下过卷保护

  
  利用编码器计算出提升容器所在的停车位置，在此基础上延伸0.5米距离，用该值与容器实际位置值进行比较，当实际位置值超过该保护值，则应立即采取一级制动，闸死滚筒。

4、牌坊上、下过卷保护

  
  与井筒相同，在牌坊上下停车位置以上/以下0.5米处安装行程开关，即认为罐笼已运行至过卷位置，应立即采取一级制动，闸死滚筒。

5、错向保护

  
  错向保护包含两种意义上的保护，一种是选择方向与实际运行方向相反，另一种是停车时罐笼位置与上次停车罐笼位置之差过大。如若出现以上两种情况，则应实施安全制动。

6、溜车保护

  
  溜车保护指的是绞车在停车过程中，并未选择方向，但却有运行速度。则应实施安全制动。

7、断轴保护

  
  单绳缠绕的提升机，一般都会设置牌坊，牌坊上的游标会跟随传动丝杠转动，上下游走，给绞车司机模拟指示罐笼实际运行位置。因此为防止游动丝杠断裂，造成游标静止不动，在牌坊的转动丝杠下方会安装一圈不连续的磁铁，再在附近不转动的位置安装一个到两个接近开关，电控系统一直监视着这两个接近开关的状态，时通时断。如果一定时间内，开关的状态保持不变，则系统认为断轴保护生效，实施安全制动。
  
  需要注意的是该保护与系统运行速度有一定闭锁关系，当系统运行速度较低时，开关状态可能在保护延时的时间内不起作用。

四、通讯、急停保护

  
  该类保护值的是系统中，判断PLC之间，与PLC通讯的模块，之间的通讯是否正常，以及系统中各个位置的急停按钮状态的采集。常见的有以下故障：

1、操作台急停

  
  检测操作台急停按钮的状态，是否被按下，如果被按下，则应实施安全制动。

2、信号急停

  
  检测信号系统是否发出急停信号，如果有急停信号，则应立即实施安全制动。

3、从PLC安全

  
  目前，市场上的提升机电控系统逻辑控制器均要求为双套独立的PLC逻辑控制器，各自有独立的安全回路逻辑判断，故从PLC也应输出一个安全继电器在硬件上和软件上均监视主PLC的安全回路。一旦从PLC的安全回路分断，应如同主PLC安全回路分断一样，实施安全制动。

4、通讯故障

双套PLC之间均采用通讯的方式交换数据，一旦通讯失效，很多关键参数无法交换，将影响提升机运行的安全，因此两个PLC之间的通讯是否正常也是安全保护里的一项重要检测要求。一旦通讯中断，则应分断安全回路，实施安全制动。

五、其他保护

  
  提升机控制系统是个非常复杂的系统，除了正常运行的状况，有时还存在检修闸，调绳等特殊状态。运行在这些状态时，相关的保护也非常重要。否则可能造成坠罐等严重的后果。

1、闸检修有速

  
  由于提升机经常处于转动-停止的循环中，在停止运行时，闸瓦需要紧紧抱死闸盘，在运行时又需要松开闸盘，因此需要经常对闸间隙进行调整。在调闸的过程中，是不允许提升机运行的。因此在选择了液压站检修方式后，松闸的过程中，需要检测提升机滚筒是否有转动速度，当检测到有转动趋势时，应立即取消闸检修方式，并报警，实时安全制动，禁止闸检修工作状态，直至排查出问题后，恢复正产，才允许继续以这种方式开闸。

2、传动使能、解封断线

  
  当逻辑控制系统对传动系统发出命令，要求传动系统开始输出电压电流的时候，传动系统应立即跟随命令。有时候由于某种原因，传动系统并未输出电压电流，则有可能是并未接收到启动命令。这种情况下，开闸是非常危险的事情，因此检测传动系统是否处于使能、解封状态就非常重要。如果逻辑控制系统已发出使能、解封命令，但传动系统并未返回相应命令，则应立即实施安全制动。

3、解封故障

  
  在逻辑控制系统未向传动系统发出动作命令，而传动系统已输出电压电流的时候，系统将认为解封信号出现了故障，应立即实施安全制动。

4、过电压、欠电压故障

根据国家安全生产监督管理总局和国家煤矿安全监察局发布的《煤矿安全规程》（2016版）第四百二十三条规定，对提升机电控系统具有欠电压保护的功能。当控制系统某个回路（交直流）电压波动，引起继电器吸合不可靠等故障时，这种故障就非常难以察觉。因此要求系统中能够检测控制系统中关键的电压是否处于正常值。

当发现电压高于或低于正常值一定范围时，要求欠压保护系统立即发出声光报警，并进行安全制动。

5、调绳时游动滚筒有速

  
  某些提升机属于双筒缠绕式提升机，运行一段时间后，钢丝绳发生变化，需要通过调绳工艺，将两个滚筒的钢丝绳调整至满足使用要求。在调绳的时候，必须先将游动滚筒的地锁锁死，在机械上防止调绳过程中游动滚筒发生转动。在电气上也需要对游动滚筒是否发生过转动进行检测，一旦发现在调绳过程中游动滚筒发生了转动，应立即分断安全回路，并声光提示，进行安全制动。