CN103010888A - 矿井提升机s7-300电控保护综合试验技术 - Google Patents

Abstract

矿井提升机S7-300电控保护综合试验技术属于能源与环境科学中安全生产的新理论、新方法研究范围，也属于工业(能源)中煤矿井下作业人员管理技术和安全生产技术。满足《煤矿安全规程》的每天检查保护的要求；判断矿井提升机PLC电控系统的安全可靠性，避免出现恶性事故；符合矿井提升机电控PLC化发展的要求。利用相关软件，改变预设值在线动态试验、设置变量表在线静态试验、仿真软件离线静态试验三种试验方法相结合，对矿井提升机PLC电控的所有硬件、软件保护进行综合试验，最大限度地避免对矿井提升机的机械冲击。

Description

矿井提升机S7-300电控保护综合试验技术

技术领域

《矿井提升机S7-300电控保护综合试验技术》属于能源与环境科学中安全生产的新理论、新方法研究范围，也属于工业(能源)中煤矿井下作业人员管理技术和安全生产技术。

背景技术

1、基本概念

(1)基本概念

A、矿井提升机

矿井提升机主要由电动机、减速器、卷筒(或摩擦轮)、制动系统、电控系统等组成，是集成了机械、液压、电气技术于一体的大型固定设备。由交流或直流电动机带动卷筒，通过卷筒上的钢丝绳带动容器在井筒中升降人员和设备、提升煤炭、矸石和下放材料。其运转的安全性，不仅影响矿井的生产，而且还直接涉及矿井作业人员的生命安全。矿井提升机电气控制系统的优劣在很大程度上决定着提升机运行的安全性。

B、PLC

PLC是可编程序控制器的英文简称(Programmable Logic Controller，PLC)。它采用可编程的存储器，用于内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数等面向用户的指令，通过数字或模拟输入/输出控制机械或生产过程。其工作过程一般分为输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段，完成三个阶段称作一个扫描周期。在设备运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。S7-300是德国西门子公司生产的PLC。PLC具有以下特点：

a)使用方便，编程简单。

b)有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。它与相同功能的继电器-接触器系统相比，具有很高的性能价格比。

c)硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强。硬件配置确定后，可以通过修改用户程序，方便快速地适应工艺条件的变化。

d)可靠性高，抗干扰能力强。

e)系统的设计、安装、调试工作量少。

f)维修工作量小，维修方便。PLC的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上的发光二极管或编程器提供的信息迅速地查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障。

C、矿井提升机电气控制系统

矿井提升机的电气控制系统分为交流和直流两大类。交流电控系统，一般利用外接电阻调速，如与JK型提升机配套的TKD型电控系统及转子串电阻全数字交流提升机电控系统。直流电控系统有可控硅-电动机电控系统及全数字直流电控系统。近年来，交流变频调速电控系统应用广泛，是矿井提升机电气控制系统的发展方向。

D、矿井提升机必须具备的电气保护

防止过卷装置：当提升容器超过正常终端停止位置(或出车平台)0.5m时，必须能自动断电，并能使保险闸发生制动作用。

防止过速装置：当提升速度超过最大速度15％时，必须能自动断电，并能使保险闸发生作用。

过负荷和欠电压保护装置。

限速装置：提升速度超过3m/s的提升绞车必须装设限速装置，以保证提升容器(或平衡锤)到达终端位置时的速度不超过2m/s。如果限速装置为凸轮板，其在1个提升行程内的旋转角度应不小于270°。

深度指示器失效保护装置：当指示器失效时，能自动断电并使保险闸发生作用。

闸间隙保护装置：当闸间隙超过规定值时，能自动报警或自动断电。

松绳保护装置：缠绕式提升绞车必须设置松绳保护装置并接入安全回路和报警回路，在钢丝绳松弛时能自动断电并报警。箕斗提升时，松绳保护装置动作后，严禁受煤仓放煤。

满仓保护装置：箕斗提升的井口煤仓仓满时能报警和自动断电。

减速功能保护装置：当提升容器(或平衡锤)到达设计减速位置时，能示警并开始减速。

防止过卷装置、防止过速装置、限速装置和减速功能保护装置应设置为相互独立的双线型式。

(2)保护试验的项目及方法

以上九项保护中，可以直接试验的有硬件防止过卷保护、过负荷和欠电压保护、闸间隙保护、松绳保护、满仓保护、深度指示器失效保护，试验方法与继电器-接触器电控系统相同。而软件防止过卷保护、防止过速保护、限速保护、软件减速功能保护需要了解PLC电控中保护设置的原理进行试验。

2、矿井提升机电控保护试验的现有技术

现阶段，在矿井提升机的日常管理中，煤炭生产矿井只试验硬件过卷、松绳、闸间隙等硬件保护，软件过卷、过速、限速等提升机重要软件保护均不进行试验。不符合《煤矿安全规程》第三百九十一条“提升装置的各部分……电动机和控制设备以及各种保护和闭锁装置等，每天必须由专职人员检查1次……”的规定，存在管理盲区。

发明内容

1、所要解决的具体问题

(1)满足《煤矿安全规程》的基本要求，确保矿井提升机安全运行。

《煤矿安全规程》第三百九十一条规定“提升装置的各部分……电动机和控制设备以及各种保护和闭锁装置等，每天必须由专职人员检查1次……”。在煤炭企业，提升机电控系统较多采用西门子S7-300系列PLC。由于不熟悉PLC电控，无法像在模拟控制系统中那样调节和改变参数，每个工作班只能试验硬件过卷、松绳、闸间隙等保护，电控重要软件保护不能试验，存在隐患。

(2)判断矿井提升机PLC电控系统的安全可靠性，避免出现恶性事故

矿井提升机电控生产厂不同，PLC电控的设计原则、功能配置上就会有不同，在硬件配置、控制精度上存在差别，电控运行稳定性也会有差异。因此，在矿井提升机电控实施PLC改造时或运行中，判断提升机PLC电控系统的安全可靠性很重要，它直接关系到提升机的运行安全。

有的矿井提升机PLC电控系统造成了较严重的事故。某矿立井罐笼提升，电机功率1400kW，采用直流调速控制系统，出现了减速段不减速全速过卷的现象，直接原因是电控程序不完善，减速功能没有实现双线型式的保护。

(3)符合矿井提升机电控PLC化发展的要求

国家安监总局、国家煤监局二○一一年一月二十七日发布通知公布了《禁止井工煤矿使用的设备及工艺目录(第三批)》，旨在淘汰不符合国家有关法律法规规定、安全性能低下、危及安全生产的落后技术、工艺和装备，提高煤矿安全保障能力，其中规定“使用继电器结构原理的提升机电控装置发布之日起2年后禁止使用”。

2013年1月后，提升机PLC电控系统将取代继电器-接触器电控系统，得到广泛应用。

2、矿井提升机S7-300电控保护综合试验技术，改变目前煤矿提升机电控软件保护不能试验的状况。通过采用三种方法结合的综合试验技术，对PLC电控的所有硬件、软件保护进行试验，最大限度地避免对矿井提升机的机械冲击，保证试验的安全性。

具体实施方式

矿井提升机PLC电控保护试验可以分为两大类。

一类是可以直接试验的项目，这部分项目是指有外部硬件的保护，如硬件防止过卷保护、硬件减速功能保护、闸间隙保护、松绳保护、满仓保护、深度指示器失效保护，过负荷和欠电压保护。有的提升机PLC电控中“过负荷和欠电压”保护采用综合微机保护。对于这种配置，可以查看矿井每年相应电气试验保护整定报告书中的定值和时限值是否符合要求。将深度指示器的硬件过卷开关由“闭合”位置变为“断开”，安全回路动作，硬件防止过卷保护有效，否则，该保护失效。将闸间隙增大到2毫米以上，闸间隙保护报警或自动断电，保护有效，否则，保护无效。将出绳口设置的松绳保护开关由“断开”“闭合”变为“闭合”，安全回路断电，保护可靠，否则，保护失效。脱开提升机电控系统中的副编码器，让主、副编码器行程相差达到动作设定值(如1米)，安全回路断电，保护可靠，否则，保护失效。动作煤仓料位开关，安全回路动作，满仓保护有效，否则，保护无效。正常开车，到达井筒减速点位置，开始减速并报警，则减速功能保护可靠，否则，保护失效。

另外一类是需要在提升机PLC工控程序中进行试验的保护，如软件防止过卷保护、防止过速保护、限速保护、软件减速功能保护。这类保护的试验方法有两种，一是在线打开PLC工控程序进行试验，另一种是从PLC上传工控程序到PG/PC利用软件进行离线模拟试验。

1、改变预设值在线动态试验

在提升机PLC电控中，防止过速等保护通常都采用比较指令。在比较指令中，实际速度与给定速度预设值进行比较，根据比较结果给出相应的输出。

例如，我们将软件防止过卷保护(设置为0.5米)先于硬件保护(通常设置为0.6米)动作，慢速开动提升机至过卷(未到达井架过卷开关位置)，提升机制动则说明软件防止过卷保护可靠。

在试验防止过速保护时，我们可以将给定速度预设值(最大速度的115％)降低到较低的速度(如1米/秒)。操作提升机运行，提升机速度超过该预设值，如果防止过速保护动作提升机立即安全制动，则可确认该保护可靠有效，否则为保护失效。我们应分别对主、副编码器相应程序段进行试验。限速保护等其它软件保护试验原理与此相同。

2、设置变量表在线静态试验

采用这种方法首先要正确配置PG/PC接口，建立PG/PC与PLC的连接，属于在线调试。当PG/PC通过编程电缆与PLC连接之后，就可以在STEP7中建立在线连接。

(1)建立变量表

在程序编辑器中，通过菜单“PLC”/“Monitor/Mordify Variables”打开一个新的变量表，在“Address”中输入需要监视或修改的变量地址，“Display”一列可以通过右键选择变量值的显示格式，试验时所有速度值的数据类型应与工控程序相对应。

(2)修改变量

在“Monitor Value”(修改数值)这一栏中为相应地址输入对应数值，单击“MordifyVariables”(修改变量)按钮，传送修改值到PLC的CPU。在传送之后，这些数值将在CPU中被处理，可以看到结果。

某矿井提升机PLC电控程序“2m/s过速”M 32.7，“编码器等速过速”M 32.4。首先建立变量表，输入地址M 32.7，符号为“2m/s过速”，显示格式为“BIN”。点击工具栏上的“监视”按钮，然后在“修改数值”栏中填写2#1(2进制“1”)，确定，则安全回路断电。与此类似，在输入的“编码器等速过速”一行“修改数值”栏中填写2#1，安全回路断开，说明保护可靠。

3、仿真软件离线静态试验

利用STEP7中的PLCSIM软件。它能够在PG/PC上模拟S7-300系列CPU的运行，方便、安全地对模拟CPU进行测试。启动PLCSIM，在出现的界面中有“CPU”窗口，模拟了CPU的面板，具有状态指示灯和模式选择开关。

需要注意的是PLCSIM不支持特殊功能模块(FM)。由于PLCSIM只能模拟单机系统，不支持多CPU的网络通信模拟功能，所以要分别对提升机PLC电控中主控(主令柜)PLC和辅控PLC(操作台中)分别进行试验。

举例说明硬件防止过卷保护和软件防止过速保护的试验方法。“IB 5.6”为某矿井提升机PLC电控程序“井架上过卷保护”的绝对地址，5.800000e000为原测速机等速超速保护的预设值。

将提升机电控程序上传至PG/PC上。在SIMATIC Manager中，首先选择主控PLC下的Blcoks，点击工具栏上的“下载”按钮，将相应程序下载至PLCSIM中。在PLCSIM界面，选择CPU模式为“STOP”。选择输入变量窗口，输入变量地址“IB 5”，单击选中“6”位的选择框，将CPU模式转换为“ON”，在SIMATIC Manager中，打开控制程序安全回路所在的FC，点击工具栏上的“监视”按钮，则可以看到安全回路中“综合过卷保护”触点由有效(闭合)变为无效(断开)，由此确认该保护有效。

在SIMATIC Manager界面下的FC中，找到安全回路所在的程序段。将Blcoks程序下载至PLCSIM中。将CPU模式选择为“ON”，在SIMATIC Manager中，监视安全回路所在的程序段，可以看到回路中“防止过速保护”触点为有效(闭合)。将“测速机等速过速”相应FC程序段中比较指令的预设置由原来的5.800000e000(原等速超速保护的预设值)修改为0.00000e000，保存，重新将Blcoks程序下载，在PLCSIM界面，将CPU模式转换为“ON”，监视SIMATIC Manager中安全回路所在的程序段，可以看到回路中“等速过速”的触点变为无效(断开)，说明该保护可靠。

4、矿井提升机S7-300电控保护综合试验技术

矿井提升机S7-300电控保护综合试验技术以上三种试验方法的综合。提升机PLC保护试验无论是采用改变预设值还是设置变量表试验，都是在线试验保护的方法，试验过程非常直观，试验结果一目了然，特别是采用改变预设值方法试验时会对提升系统会造成一定的机械冲击，经常性的制动冲击对提升系统特别是钢丝绳都是应该避免的，因此，此种方法应尽可能少地使用，每次试验时随机抽取一项或若干项进行试验即可。采用软件进行离线模拟试验能够避免以上不利情况，即便不能实现完全的仿真，但对提升机PLC保护试验及安全性的判断来说也应该足够了。因此，各煤炭企业应根据实际情况将以上三种方法结合使用，确保提升机保护的安全可靠性。

5、发明的有益效果

煤矿生产安全要求日益提高，避免群死群伤事故成为煤矿安全管理的重点。矿井提升机S7-300电控保护综合试验技术，改变目前煤矿提升机电控软件保护不能试验的状况，判断矿井提升机PLC电控系统的安全可靠性，避免出现恶性事故。通过采用三种方法结合的综合试验技术，对PLC电控的所有硬件、软件保护进行试验，可最大限度地避免对矿井提升机的机械冲击，保证试验的安全性。矿井提升机S7-300电控保护综合试验技术，已完成理论研究，并经过实际检验，准确、安全、可靠。可向所有煤炭生产矿井推广应用，由煤矿生产企业管理技术人员采用综合试验技术实施保护试验，真正实现矿井提升机安全运行的可控、在控。

Claims (2)

1.一种矿井提升机S7-300电控保护试验技术，其特征是：利用STEP7、PLCSIM软件，采用改变预设值在线动态试验、设置变量表在线静态试验、仿真软件离线静态试验三种试验方法对矿井提升机S7-300电控软件、硬件保护进行综合试验。

2.根据权利要求1所述的保护试验技术，其特征是：每次随机抽取一项或若干项矿井提升机S7-300电控软件保护进行改变预设值在线动态试验的方法，其余保护采用设置变量表在线静态、仿真软件离线静态试验方法进行。