提升机双PLC控制实现速度与位置冗余保护浅谈

刘波

论文摘要：《金属非金属矿山安全规程》要求提升机进行双PLC控制、位置速度冗余保护。目前摩擦式提升机已有相应的配置，缠绕式提升机目前还未配置，随着新规实施、安全监督部门对新规的解读，各种提升机可能都需要进行相应的整改，尤其是缠绕式提升机更是如此。

关键词：双PLC控制、位置速度冗余保护、提升机

引言：近年来随着我国新的地表矿山资源日益稀少，已开发的地表矿山资源越发枯竭，地下开采成为我国矿山未来的发展趋势。而提升机作为井上与井下联通的重要手段，在矿山当中起着越来越重要的作用。随着提升机使用的增多，提升机引起的安全事故也越来越多，尤其群死群伤事故不断发生，因此提升机的安全问题就越来越受到重视。近年来从政府监督部门到矿山各企业对提升机采取的各种安全保护也逐渐完善。《金属非金属安全规程》对提升机的PLC控制系统要求采用双PLC控制，实现位置和速度的冗余保护。这个要求在摩擦式提升机上已实现，属于标准配置，但是目前在用的缠绕式提升机上还没有此项配套保护，本文就是基于此来开展讨论。

一、提升机位置速度在运行和保护中的作用

1、提升机速度位置数据测量和计算

    目前测量速度的器件主要是编码器或测速电机。编码器测速是将编码器的输出信号接入PLC控制系统的计数模块上，通过CPU的处理得出速度的曲线。而测速电机测速是将测速电机随轴转动产生的电压信号输入PLC控制系统的模拟量输入模块，通过CPU的处理得到速度的曲线。两种测量器件的测速原理虽然不同，但都能很好的完成测量任务，得到的速度的精度也满足提升机正常运行的要求。

提升机的位置数据是由速度与提升机滚筒直径和其他数据共同计算得出的，提升机运行位置是否准确也是由速度决定的，因此提升机速度检测是否准确直接决定着提升机是否能够按照设计要求稳定运行。

2、位置速度数据在提升机运行时的作用

位置速度数据在提升机运行时最主要的作用就是电控系统向调速器、变流器或变频器下达速度调节命令和调速装置调速的依据。提升机运行时，电控PLC系统根据容器的位置和速度曲线将所需的速度命令发送到各种调速装置上。

调速装置实时接受提升机速度命令，然后将收到的速度命令与调速装置自己的测速器件检测到的信号进行比较，当发现速度命令与检测到的实际速度不一致时进行速度调节。通过对速度命令和实际速度的实时比较，进行提升机速度的实时调节，使提升机按设计好的速度曲线运行。

3、位置速度数据在提升机保护时的作用

按安全规程的要求，目前提升机有9大保护，分别是防过卷保护、防过速保护、过负荷和欠电压保护、限速保护、深度指示器失效保护、闸间隙保护、松绳保护、满仓保护、减速功能保护。

在提升机控制系统由继电控制升级为现在的PLC控制之后，防过卷保护就分为了硬件和软件防过卷两种，其中软过卷保护是通过速度计算出的位置值与设定值来确定的，软过卷保护能否可靠及时的起作用完全取决于位置的数据是否准确。而防过速保护、限速保护、减速功能保护是根据PLC检测并计算出的容器速度和位置信息综合判断速度和位置是否相符合来确定的。因此位置、速度数据是否准确，直接决定着提升机能否在运行出现异常状态时及时采取紧急保护措施和动作。

二、摩擦式提升机位置速度冗余保护

1、摩擦式提升机位置速度冗余保护的实际需求

摩擦式提升机的钢丝绳围绕在摩擦轮上，对提升容器的提升拉力来自于提升机首绳与摩擦轮上安装的摩擦衬垫产生的静摩擦力。

但是在实际使用过程中由于可能出现各首绳延伸性能不同、连接装置导致钢丝绳受力不均、各绳槽深度不一等原因，可能导致首绳在提升机运行过程中出现蹿绳的现象。且如果井筒渗水较严重，混合着油的井筒渗水沾到钢丝绳上并通过钢丝绳沾到摩擦衬垫上，会使得摩擦衬垫与钢丝绳之间的摩擦系数下降。当蹿绳量过大或摩擦系数降低过多时，提升机首绳与摩擦衬垫间的静摩擦力不足以提供提升容器运行所需要的拉力，此时会出现滑绳的现象，也就是首绳与摩擦轮接触的点产生了相对滑动。当滑绳严重时，此时提供钢丝绳运动的力就由静摩擦力变成了动摩擦力，且如果动摩擦力不足以提供足够的提升机运行所需的拉力，有可能造成提升容器冲顶或坠底的重大安全事故。

由于摩擦式提升机用于检测位置和速度的编码器、测速电机全部是安装在电机轴非传动侧或摩擦轮侧（如图一），因此当首绳发生滑绳时计算的速度和位置与实际运行相比将出现偏差，因此对摩擦式提升机首绳滑绳的检测和速度位置的冗余保护就成为了必要的需求。否则提升机在运行过程中发生了滑绳而又无法及时发现，调速装置按照错误的速度命令进行调速，将严重影响提升机的安全运行和使用，甚至出现严重的安全事故。

图一 编码器在电机与滚筒侧的安装位置

2、摩擦式提升机解决滑绳检测的方法

    摩擦式提升机无论是井塔式还是落地式首绳都会通过一个导向轮或天轮进入井筒，导向轮或天轮随着钢丝绳的运动而转动。如果在导向轮或天轮轴侧也装一个编码器，当首绳发生滑绳时，摩擦轮侧编码器检测到的编码器脉冲数与导向轮或天轮轴侧的编码器检测到的脉冲数将会出现偏差。两个编码器的检测信号通过PLC系统的数据处理，得出通过两个编码器计算出来的提升容器速度和位置信息，然后进行比较，当偏差超过设定的数值时，控制系统认为提升机滑绳，进而作出保护动作。由于导向轮或天轮与提升机机械传动无直接的关系，因此在其上进行测速取样得到的速度不受摩擦轮运行的影响，能有效的检测首绳滑绳问题。

3、摩擦式提升机双PLC控制速度、位置冗余保护的实现

   目前摩擦式提升机实现双PLC控制、速度位置冗余保护的方法是

单独建立一套区别于PLC电控系统的PLC监控系统。监控系统的主要工作就是对各种提升机保护信号尤其是速度信号的再次确认，监视各检测元器件和电控PLC系统工作是否正常，并在发现异常后将异常信号发送给电控系统和断开硬件安全回路，实现对提升机运行状态的监视和保护功能。

PLC监控系统具体实现位置速度冗余保护的方法是，将摩擦轮侧编码器的数据输入到电控PLC系统，将导向轮侧的编码器数据输入到监控系统的PLC内，两套PLC系统通过各自的编码器输入信号分别计算提升机的速度和位置。提升机在正常工作时以电控系统计算的速度和位置对提升机运行状态进行控制，监控系统计算的提升机速度和位置与电控系统的计算值比较和监视，当发现两个编码器计算的数据出现偏差值超过保护设定值时，提升机保护功能发挥作用，及时将提升机运行到安全状态。（如图二）。

图二 监控PLC系统与电控PLC系统双控制

三、缠绕式提升机双PLC控制位置速度冗余保护

1、缠绕式提升机实现双PLC控制位置速度冗余保护的必要性

    缠绕式提升机在正常运行时不存在与摩擦式提升机一样钢丝绳滑绳的情况，因此在过去的安全规程里并无此项要求，提升机电控系统供应商也并没有此方面的设计。但是随着缠绕式提升机在使用过程中断绳、松绳等事故的发生，且松绳保护在现场使用中存在样式多种多样、对松绳检测灵敏度不一、松绳保护失效等问题，基于编码器检测的双PLC控制、位置速度冗余保护就有了需要的必要性。

2、缠绕式提升机双PLC控制、位置速度冗余保护现状

目前在用的缠绕式提升机并没有配备双PLC控制位置速度冗余保护，受《金属非金属安全规程》规定和政府监督监管部门要求的影响，有缠绕式提升机的企业，尤其是有永久性生产用提升机的企业逐步的采取各种措施来适应新规定要求。凿井用单绳缠绕式提升机也存在没有位置速度冗余保护的问题。

通过对各矿山企业和国内较大的提升机电控供应商的了解，新的提升机电控订单里已经添加了双PLC冗余保护功能。但是就目前在用的缠绕式提升机而言，随着9月份新安全规程的实施，解决双PLC控制、位置速度冗余保护的问题，将成为摆在拥有缠绕式提升机企业面前的普遍问题。

3、缠绕式提升机双PLC控制位置速度冗余保护实现方法

国内在用的单绳缠绕式提升机的测速是在滚筒侧安装两个编码器分别为电控柜和操作台的PLC控制系统提供检测信号，然后对两个编码器检测到的数据进行比较，当两个编码器的检测数据偏差较大时，电控系统判定速度位置故障。由于两个编码器跟随同一个轴转动，当提升机运行过程中出现松绳时是无法检测到滚筒与钢丝绳位置速度的偏差并进行保护的。

由于缠绕式提升机目前双PLC位置速度冗余保护，可参考摩擦式提升机的实现形式，在天轮轴侧安装一个编码器并建立一套单独的PLC监控系统区别于电控PLC系统，将天轮轴侧的编码器检测信号给到监控系统用于监控系统对提升机速度位置的计算。

提升机在正常工作时以电控系统计算的速度和位置对提升机运行状态进行控制，监控系统计算的提升机速度和位置对电控系统的计算值进行比较和监视。当出现松绳时，钢丝绳在天轮上出现滑动，天轮轴侧的编码器与滚筒侧的编码器转动的角速度不一致，通过PLC监控系统与PLC电控系统计算的数据比较，得出偏差值，当发现两个编码器计算的数据出现偏差值超过保护设定值时，提升机保护功能发挥作用，及时将提升机运行到安全状态，实现双PLC位置速度的冗余保护。

同时将其他重要的提升机保护检测信号接入监控系统，在PLC监控系统中形成监控安全信号串入电控系统软、硬件安全回路中，只要有保护检测信号不正常或速度、位置偏差值过大时提升机保护功能发挥作用，提升机及时运行到安全状态。

上述方法实现的困难在于目前单绳缠绕式提升机使用天轮有两种，第一种是天轮轴安装在轴承上，轮与轴固定在一起，当轮转动时，轮带动轴一同转动；第二种是轴与天轮座固定，轮与轴用轴承连接，当轮转动时轴并不随轮一起转动。由于编码器需要安装在轴承座上与轴一起转动，因此使用第二种天轮的缠绕式提升机无法用上述方法实现位置速度冗余保护功能。而不论是露天的提升机还是井下的提升机，更换天轮都是一件比较困难的事情。因此对于某些提升机而言，实现上述位置速度冗余保护并不简单。

四、双PLC控制、速度位置冗余保护的解读

1、双PLC控制的解读

目前双PLC控制有两种解读，一种是监控系统PLC与电控系统PLC组成双PLC控制网络，还有一种是再加一套电控PLC控制系统与原电控系统形成双PLC控制。

对于第一种说法，具体实现形式就是本文第二部分介绍的组成形式，单独建立一套区别于PLC电控系统的PLC监控系统。监控系统在提升机正常工作时不参与控制，当发现异常时，不需要电控系统动作就可对提升机进行保护控制。

对于第二种说法，具体实现形式是在原电控系统的基础上再添加一台可编程控制器（CPU），两台可编程控制器相互补充、相互独立、互为备用，即正常时两台可编程控制器并列运行，当其中一台可编程控制器故障时，另一台能够独立运行，完成提升机控制任务。两台可编程控制器各有一套输出接口且能相互切换，但是两台可编程控制器有两套硬件安全回路和软件安全回路，且回路中的串接点相同，单台运行时，另一台的安全回路能自动旁路。

目前国内使用的是第一种叙述的方法，第二种方法在国内还未有提升机使用，根据本人的长期实践更倾向于第一种方法，但是到底以哪一种方法为准，还需新版安全规程出台后相关部门的解读。

2、位置速度冗余保护的解读

    目前位置速度冗余保护的解读也有两种，一种是第二部分介绍的在导向轮或天轮上安装编码器，并与监控系统配合形成冗余保护；一种是在滚筒侧和电机侧安装编码器和测速电机，三个测速元件测算的速度和位置相互比较形成冗余保护。

第一种说法具体实现形式是在与提升机机械传动无直接联系的导向轮或天轮上安装编码器等测速元件，通过监控系统的计算得出与电控系统测速无任何关系的独立速度值，用独立速度值监视电控测量速度值，从而实现速度位置的冗余保护。

第二种说法具体实现形式是在相同的测速取样点安装两个测速元件分别对两个测速元件进行计算得出两个速度值，提升机运行时取其中一个速度值作为控制和计算提升机容器位置用，令一个速度值作为比较值起到速度和位置的监视作用，从而实现速度位置的冗余保护。

关于位置速度冗余保护的解读，本人以为应该说成位置速度保护的冗余更为恰当，即电控系统本就有速度和位置保护，再在不同的取样点测量速度值并与电控系统测量的速度值比较，用以弥补电控系统速度和位置保护无法在滑绳或松绳时起到保护作用的缺点。此种说法与上述第一种解读相符合。当然具体的解读仍应以相关部门的解读为准。  

五、结语

随着提升机在矿山当中越来越普遍的使用，提升机各项安全要求越来越严格，对各安全保护的范围和灵敏度要求也越来越高。针对缠绕式提升机关于双PLC控制位置速度冗余保护的要求是很有必要的，拥有缠绕式提升机的单位应早做准备进行改造，提高缠绕式提升机的运行安全。

参考文献：

[1] ABB提升机系统培训教程.ABB教组委 2011年

[2]矿井提升机电控系统概述.邱玉林

[3]金属非金属矿山安全规程GB16423-2020