專利名稱：礦井提升機(jī)延遲式速度保護(hù)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型是一種礦井提升機(jī)控制裝置，屬于礦山工程設(shè)備制造的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
礦井提升機(jī)主要用于提升礦石、人員和材料，是礦山的重要運(yùn)輸設(shè)備。由于其運(yùn)行特性復(fù)雜、速度快、慣性質(zhì)量大，一旦運(yùn)行速度失去控制而不能按照給定速度運(yùn)行，就可能發(fā)生超速、過卷等提升事故，造成設(shè)備損壞甚至人員傷亡，給礦山帶來(lái)重大經(jīng)濟(jì)損失，因而礦井提升機(jī)的速度保護(hù)顯得尤為重要。
《煤礦安全規(guī)程》(國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局，煤炭工業(yè)出版社，2001.10)第四百二十七條規(guī)定提升裝置必須裝設(shè)防止過速保險(xiǎn)裝置，當(dāng)提升速度超過最大速度15％時(shí)，防止過速裝置必須能自動(dòng)斷電，并能使保險(xiǎn)閘發(fā)生作用；提升速度超過3m/s的提升絞車必須裝設(shè)限速裝置，限速裝置保證提升容器(或平衡錘)到達(dá)終端位置時(shí)的速度不超過2m/s。這是一個(gè)比較簡(jiǎn)要的安全技術(shù)要求，為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、可靠的速度保護(hù)，如《礦井提升設(shè)備》，(煤炭工業(yè)出版社，1995.1)、《礦井提升機(jī)電力拖動(dòng)與控制》(冶金工業(yè)出版社，2001.7)中所述的那樣，對(duì)于提升機(jī)的五段或六段運(yùn)行速度圖，通常采用圖1所示的包絡(luò)線保護(hù)速度設(shè)計(jì)方法和圖2所示結(jié)構(gòu)的速度保護(hù)裝置。
在應(yīng)用中，上述速度保護(hù)裝置及保護(hù)速度設(shè)計(jì)方法實(shí)際使用效果不是令人十分滿意，主要表現(xiàn)為在正常運(yùn)行時(shí)往往出現(xiàn)ab段(減速段)限速保護(hù)；或當(dāng)出現(xiàn)超速時(shí)可能不進(jìn)行限速保護(hù)。在文獻(xiàn)“《提升機(jī)速度逐點(diǎn)監(jiān)視和包絡(luò)線監(jiān)視的研究與應(yīng)用》(有色設(shè)備，1998(6))、《采用定點(diǎn)速度監(jiān)控預(yù)防提升機(jī)重大事故》(煤，2001.10(4))、《提升機(jī)速度監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用》(有色設(shè)備，2001(2))”中，提出了逐點(diǎn)監(jiān)視和2m/s限速后備保護(hù)等許多方法，試圖彌補(bǔ)提升機(jī)電控系統(tǒng)速度保護(hù)方面的缺陷、進(jìn)一步提高其可靠性和安全性，但沒有從根本上解決問題。
分析可以發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致ab段(減速段)速度保護(hù)不理想的主要原因是(1)在設(shè)計(jì)保護(hù)速度時(shí)，僅僅考慮了提升機(jī)的動(dòng)力學(xué)特性，而沒有考慮到控制系統(tǒng)的制動(dòng)性能；(2)在實(shí)際應(yīng)用中，ab段(減速段)保護(hù)速度依靠給定速度獲得，使系統(tǒng)調(diào)試缺乏靈活性；(3)速度保護(hù)裝置使用傳統(tǒng)的繼電器邏輯和磁放大器實(shí)現(xiàn)，具有控制精度低和調(diào)試?yán)щy等缺點(diǎn)。
對(duì)于當(dāng)前普遍使用的雙容器礦井提升機(jī)系統(tǒng)來(lái)說，其動(dòng)力學(xué)特性方程為F＝(1+k)Qg+p(H-2x)+∑ma (1)在式1中，F(xiàn)是施加在提升機(jī)主軸上的拖動(dòng)力，0＜k＜1，是一個(gè)常數(shù)，Q是凈提升負(fù)載質(zhì)量，p是提升鋼絲繩單位重力，H是提升高度，x是提升機(jī)已經(jīng)運(yùn)行的行程，∑m是提升系統(tǒng)的總變位質(zhì)量，a是提升機(jī)運(yùn)行加速度。
當(dāng)提升機(jī)運(yùn)行到a點(diǎn)(運(yùn)行減速點(diǎn))時(shí)，將失去拖動(dòng)力(F＝0)，進(jìn)入減速運(yùn)行方式。為了使提升機(jī)在ab段(減速段)按照給定速度運(yùn)行，必須施加一定的制動(dòng)力。為此，提升機(jī)控制系統(tǒng)配備了機(jī)械和電氣制動(dòng)系統(tǒng)。
對(duì)于機(jī)械制動(dòng)，目前一般采用盤式制動(dòng)系統(tǒng)，其制動(dòng)力矩Fz的大小可以通過手動(dòng)和自動(dòng)兩種方式調(diào)節(jié)。根據(jù)機(jī)械制動(dòng)的特點(diǎn)，盤式制動(dòng)器必然有空行程時(shí)間。也就是說從開始發(fā)出制動(dòng)信號(hào)到盤式制動(dòng)器發(fā)揮作用有一個(gè)時(shí)間延遲T0?！睹旱V安全規(guī)程》規(guī)定，T0≤0.3秒。實(shí)際上，加上電液調(diào)節(jié)裝置的響應(yīng)時(shí)間和設(shè)備維護(hù)等因素，T0可能大于0.3秒。
對(duì)于電氣制動(dòng)，通常有動(dòng)力和低頻制動(dòng)兩種。以TKD-A提升機(jī)控制系統(tǒng)的動(dòng)力制動(dòng)為例，電動(dòng)機(jī)輸出制動(dòng)力Fz的大小可以通過腳踏和自動(dòng)兩種方式調(diào)節(jié)。為了避免切換電動(dòng)機(jī)電源過程中的電弧短路，動(dòng)力制動(dòng)必須在高壓動(dòng)力電源完全從電動(dòng)機(jī)上切除之后才能投入使用。也就是說從開始發(fā)出制動(dòng)信號(hào)到動(dòng)力制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)揮作用必定有一個(gè)時(shí)間延遲T1，一般為0.5～0.8秒。。
綜合上述分析，可以看出由于制動(dòng)系統(tǒng)的延遲響應(yīng)或投入使用，減速過程必然經(jīng)過自由滑行減速和制動(dòng)減速兩個(gè)階段。
當(dāng)提升機(jī)自由滑行減速運(yùn)行時(shí)，根據(jù)式1可以得到加速度為a＝-(1+k)Qg-p(H-2x)/∑m(2)從式2中可以看出如果負(fù)載Q較輕，加速度絕對(duì)值較小，提升機(jī)運(yùn)行速度不能迅速地減下來(lái)；如果負(fù)載Q非常輕甚至為零或者下放重物，加速度可能變?yōu)檎?，運(yùn)行速度不但下降反而上升。因此，當(dāng)提升機(jī)從oa段(等速段)轉(zhuǎn)換到ab段(減速段)處于自由滑行減速運(yùn)行時(shí)，就可能出現(xiàn)超速，導(dǎo)致提升機(jī)緊急制動(dòng)。
當(dāng)制動(dòng)系統(tǒng)投入且發(fā)揮作用時(shí)，根據(jù)式1可以得到加速度為a＝Fz-(1+k)Qg-p(H-2x)/∑m(3)在式3中，F(xiàn)z是機(jī)械和電氣制動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生制動(dòng)力的總和。在適當(dāng)?shù)腇z作用下，能夠?qū)⑦\(yùn)行速度降下來(lái)，完全沒有必要進(jìn)行限速保護(hù)。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提供一種適應(yīng)提升機(jī)動(dòng)力學(xué)特性和控制系統(tǒng)制動(dòng)性能、保護(hù)速度設(shè)計(jì)方法更加合理、調(diào)試靈活方便的礦井提升機(jī)延遲式速度保護(hù)裝置，進(jìn)一步提高速度保護(hù)的可靠性和安全性。
技術(shù)方案根據(jù)上述分析，為了避免自由滑行減速時(shí)可能出現(xiàn)的超速而進(jìn)行的限速保護(hù)，礦井提升機(jī)延遲式速度保護(hù)裝置采取將保護(hù)速度曲線ab段的開始點(diǎn)a延遲行程haa’的方法，即將開始點(diǎn)從a延遲到a’(保護(hù)速度減速點(diǎn))。
在“延遲式保護(hù)速度設(shè)計(jì)方法”中，oa段(等速段)和bc段(爬行段)的保護(hù)速度設(shè)定與圖1相同，aa’段(延遲段)的保護(hù)速度采用oa段(等速段)的保護(hù)速度，a’b段的保護(hù)速度為v=(1.15Vm)2-(1.1Vp)2Ha′-Hb(h-Hb)+(1.1Vp)2(Ha′>h≥Hb)---(4)]]>與“提升機(jī)保護(hù)速度傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法”相比，“延遲式保護(hù)速度設(shè)計(jì)方法”既不提前運(yùn)行減速點(diǎn)a、也不改變爬行點(diǎn)b，又不放增大或平移保護(hù)速度曲線，僅將ab段(減速段)保護(hù)速度曲線“壓縮”行程haa’。
根據(jù)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)、電子測(cè)量和通信等技術(shù)及應(yīng)用的狀況，礦井提升機(jī)延遲式速度保護(hù)裝置采用“延遲式速度保護(hù)裝置的一般結(jié)構(gòu)”。
在“延遲式速度保護(hù)裝置的一般結(jié)構(gòu)”中，速度傳感器2用于將提升機(jī)運(yùn)行速度和行程轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖信號(hào)，速度測(cè)量單元用于測(cè)量提升機(jī)的實(shí)際運(yùn)行速度和行程，開關(guān)量輸入信號(hào)提供裝置所需的提升機(jī)狀態(tài)信號(hào)，開關(guān)量輸入接口用于讀取開關(guān)量輸入信號(hào)，速度保護(hù)繼電器和開關(guān)量輸出接口用于當(dāng)出現(xiàn)超速或限速保護(hù)時(shí)使提升機(jī)緊急制動(dòng)，報(bào)警器用于當(dāng)出現(xiàn)超速或限速保護(hù)時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警，存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)保護(hù)速度，微控制器用于整個(gè)裝置的系統(tǒng)控制，速度測(cè)量單元、開關(guān)量輸入接口、開關(guān)量輸出接口、存儲(chǔ)器通過裝置內(nèi)部總線連接在一起構(gòu)成裝置的主控制器，直流穩(wěn)壓電源為裝置提供所需的直流電源，監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)用于參數(shù)設(shè)置和監(jiān)視。
當(dāng)提升機(jī)運(yùn)行時(shí)，裝置不斷測(cè)量提升機(jī)行程和實(shí)際運(yùn)行速度，并根據(jù)行程和減速信號(hào)，從存儲(chǔ)器中的保護(hù)速度曲線中提取具體的保護(hù)速度，與實(shí)際運(yùn)行速度進(jìn)行比較，當(dāng)出現(xiàn)超速或限速時(shí)，發(fā)出速度保護(hù)信號(hào)。
保護(hù)速度根據(jù)“延遲式保護(hù)速度設(shè)計(jì)方法”、式4的設(shè)計(jì)方法按照提升機(jī)運(yùn)行行程(脈沖)離散化，存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器的專用區(qū)域中(與給定速度的無(wú)關(guān))，存儲(chǔ)方式如下表所示

在上表中，存儲(chǔ)器區(qū)開始地址為Addr，存儲(chǔ)器字長(zhǎng)為2個(gè)字節(jié)，相鄰地址之間的行程差為離散間隔(軸編碼器輸出脈沖數(shù))，保護(hù)速度單位為軸編碼器輸出脈沖數(shù)/時(shí)間，Addr存儲(chǔ)的是等速段保護(hù)速度，Addr+1～Addr+n2存儲(chǔ)的是減速段保護(hù)速度，Addr+n2～Addr+n3存儲(chǔ)的是爬行段保護(hù)速度，Addr+1～Addr+n1之間的行程為延遲行程。
有益效果將保護(hù)速度減速點(diǎn)從a延遲到a’，保持運(yùn)行減速點(diǎn)a、爬行點(diǎn)b、oa段(等速段)保護(hù)速度和bc段保護(hù)速度不變，aa’段(延遲段)采用oa段保護(hù)速度，a’b段保護(hù)速度按照“延遲式保護(hù)速度設(shè)計(jì)方法”、式4設(shè)計(jì)，采用“延遲式速度保護(hù)裝置的一般結(jié)構(gòu)”的裝置，有益效果具體表現(xiàn)為(1)aa’段(延遲段)的運(yùn)行過程為提升機(jī)電氣和機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)揮作用將較高的運(yùn)行速度降低下來(lái)提供了恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間延遲。
(2)aa’段(延遲段)采用oa段(等速段)保護(hù)速度，避免了自由滑行減速時(shí)可能出現(xiàn)的、不必要的限速保護(hù)，以及限速保護(hù)緊急制動(dòng)對(duì)提升機(jī)造成的不良影響。
(3)采用計(jì)算機(jī)和電子測(cè)量等技術(shù)實(shí)現(xiàn)提升機(jī)延遲式速度保護(hù)裝置，可以嚴(yán)格地按照設(shè)計(jì)保護(hù)速度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，使速度保護(hù)更準(zhǔn)確，提高了速度保護(hù)的可靠性和安全性。
(4)通過監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和監(jiān)視，系統(tǒng)調(diào)試快捷、方便、靈活。


圖1是提升機(jī)保護(hù)速度傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法示意圖。
圖2是傳統(tǒng)速度護(hù)裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是延遲式保護(hù)速度設(shè)計(jì)方法示意圖。
圖4是延遲式速度保護(hù)裝置的一般結(jié)構(gòu)示意圖，其中有提升機(jī)及電控系統(tǒng)1、速度傳感器2、速度測(cè)量單元3、開關(guān)量輸入信號(hào)4、開關(guān)量輸入接口5、速度保護(hù)繼電器6、報(bào)警器7、開關(guān)量輸出接口8、存儲(chǔ)器9、微控制器10，主控制器11、直流穩(wěn)壓電源12、監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)13。
圖5是延遲式速度保護(hù)裝置實(shí)施例電路原理圖。
圖6是延遲式保護(hù)速度實(shí)施例運(yùn)行結(jié)果示例。
具體實(shí)施方式
礦井提升機(jī)延遲式速度保護(hù)裝置先后在多個(gè)交、直流提升機(jī)電控系統(tǒng)中獲得應(yīng)用，有不同的具體實(shí)現(xiàn)方式，圖5是其中的一個(gè)實(shí)施例的電路原理圖。
在圖5中，主控制器[11]采用OMRON公司的C200H系列PLC(與提升機(jī)電控系統(tǒng)熔為一體)，它由C200HE-CPU32-E型CPU模塊[14](它包括了圖4中的存儲(chǔ)器[9]和微控制器[10])、采用C200H-CT001-V1型計(jì)數(shù)器模塊的速度測(cè)量單元[3]、采用IA222型I/O模塊的開關(guān)量輸入接口[5]和采用OC222型I/O模塊的開關(guān)量輸出接口[8]等組成；C200HW-PA204S型電源模塊[15]和隔離變壓器[16]組成直流穩(wěn)壓電源[12]；通過C200HW-BC081型總線母板(未在圖5中標(biāo)出)將各個(gè)模塊連接起來(lái)；監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)[13]通過CPU模塊[14]的標(biāo)準(zhǔn)RS-232C接口與主控制器[11]連接起來(lái)。
在圖5中，速度傳感器[2]采用E6C2-CWZ型軸編碼器，其輸出信號(hào)A、B送入速度測(cè)量單元[3]，其軸通過連軸節(jié)[17]與提升機(jī)電動(dòng)機(jī)軸[18]相連，由電源模塊[15]的24VDC電源供電；開關(guān)量輸入信號(hào)[4]包括減速信號(hào)JC1-1、提升方向信號(hào)ZC-1和FC-1、開車/停車信號(hào)GZC-1，其中減速信號(hào)JC1-1來(lái)自減速信號(hào)繼電器[19]、提升方向信號(hào)ZC-1和FC-1來(lái)自提升機(jī)電控系統(tǒng)提升方向回路[21]、開車/停車信號(hào)GZC-1來(lái)自提升機(jī)電控系統(tǒng)工作閘信號(hào)回路[22]，它們均被送入開關(guān)量輸入接口[5]。在減速信號(hào)繼電器[19]中，JC-1來(lái)自提升機(jī)電控系統(tǒng)減速信號(hào)回路[20]，JKB為接入其它方式提供的減速信號(hào)提供備用接點(diǎn)。
在圖5中，速度保護(hù)繼電器AC1[6]的控制來(lái)自開關(guān)量輸出接口[8]，其接點(diǎn)AC1-1接入提升機(jī)電控系統(tǒng)安全回路[23]；報(bào)警器[7]由閃光報(bào)警器XD2和聲音報(bào)警器SP組成，接受來(lái)自開關(guān)量輸出接口[8]的控制；XD1為電源指示燈。
在該實(shí)施例中，提升機(jī)等速段運(yùn)行速度Vm＝5.8米/秒，爬行段運(yùn)行速度V0＝0.5米/秒，運(yùn)行減速點(diǎn)a在35米處，設(shè)計(jì)減速行程33.5米。軸編碼器與提升機(jī)電動(dòng)機(jī)軸連接，周長(zhǎng)為1024個(gè)脈沖，1個(gè)脈沖約等于1.18281mm行程。
保護(hù)速度及存儲(chǔ)方式如下表所示。


在上表中，保護(hù)速度減速點(diǎn)a’在27米(1068/22790)處，延遲了約8米(此值根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況調(diào)整)，保護(hù)曲線離散間隔為100個(gè)脈沖(約等于118.3mm)，行程單位為軸編碼器輸出脈沖數(shù)，保護(hù)速度單位為軸編碼器輸出脈沖數(shù)/0.5秒，減速段保護(hù)速度(1068/22790-1279/1690之間)按照?qǐng)D3、式4的方法設(shè)計(jì)。
圖6是本實(shí)施例的一次實(shí)際運(yùn)行結(jié)果。從圖中可以看出，如果按照?qǐng)D1的方法設(shè)計(jì)減速段保護(hù)速度，就可能出現(xiàn)限速保護(hù)。按照?qǐng)D3的設(shè)計(jì)方法，在沒有出現(xiàn)減速段超速的情況下，為制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)揮作用提供了合適的時(shí)間，將提升機(jī)運(yùn)行速度減下來(lái)。既避免了不必要的緊急制動(dòng)，又保證了提升機(jī)的安全運(yùn)行。
權(quán)利要求1.一種礦井提升機(jī)延遲式速度保護(hù)裝置，由信號(hào)處理部分和驅(qū)動(dòng)部分所組成，其特征在于該裝置的信號(hào)處理部分包括速度傳感器(2)、速度測(cè)量單元(3)、開關(guān)量輸入信號(hào)(4)、開關(guān)量輸入接口(5)、存儲(chǔ)器(9)、微控制器(10)；驅(qū)動(dòng)部分包括速度保護(hù)繼電器(6)、報(bào)警器(7)和開關(guān)量輸出接口(8)；其中，速度傳感器(2)、開關(guān)量輸入信號(hào)(4)的輸入端與提升機(jī)及電控系統(tǒng)(1)相接；速度傳感器(2)的輸出端接速度測(cè)量單元(3)，開關(guān)量輸入信號(hào)(4)的輸出端接開關(guān)量輸入接口(5)；速度保護(hù)繼電器(6)和報(bào)警器(7)的輸入端接開關(guān)量輸出接口(8)的輸出端，速度保護(hù)繼電器(6)的輸出端與提升機(jī)及電控系統(tǒng)(1)相接；速度測(cè)量單元(3)、開關(guān)量輸入接口(5)、開關(guān)量輸出接口(8)、存儲(chǔ)器(9)和微控制器(10)通過裝置內(nèi)部總線相接，組成主控制器(11)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的礦井提升機(jī)延遲式速度保護(hù)裝置，其特征在于速度傳感器(2)、開關(guān)量輸入信號(hào)(4)的輸入端與提升機(jī)及電控系統(tǒng)(1)相接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的礦井提升機(jī)延遲式速度保護(hù)裝置，其特征在于速度傳感器(2)的輸出端接速度測(cè)量單元(3)，開關(guān)量輸入信號(hào)(4)的輸出端接開關(guān)量輸入接口(5)；速度保護(hù)繼電器(6)和報(bào)警器(7)的輸入端接開關(guān)量輸出接口(8)的輸出端，速度保護(hù)繼電器(6)的輸出端與提升機(jī)及電控系統(tǒng)(1)相接；速度測(cè)量單元(3)、開關(guān)量輸入接口(5)、開關(guān)量輸出接口(8)、存儲(chǔ)器(9)和微控制器(10)通過裝置內(nèi)部總線相接。
專利摘要礦井提升機(jī)延遲式速度保護(hù)裝置是一種礦井提升機(jī)控制裝置，該裝置的信號(hào)處理部分包括速度傳感器、速度測(cè)量單元、開關(guān)量輸入信號(hào)、開關(guān)量輸入接口、存儲(chǔ)器、微控制器；驅(qū)動(dòng)部分包括速度保護(hù)繼電器、報(bào)警器和開關(guān)量輸出接口；其中，速度傳感器、開關(guān)量輸入信號(hào)的輸入端與提升機(jī)及電控系統(tǒng)相接，采集提升機(jī)及控制系統(tǒng)的信號(hào)；速度傳感器的輸出端接速度測(cè)量單元，開關(guān)量輸入信號(hào)的輸出端接開關(guān)量輸入接口；速度保護(hù)繼電器和報(bào)警器的輸入端接開關(guān)量輸出接口的輸出端，速度保護(hù)繼電器的輸出端與提升機(jī)及電控系統(tǒng)相接；速度測(cè)量單元、開關(guān)量輸入接口、開關(guān)量輸出接口、存儲(chǔ)器和微控制器通過裝置內(nèi)部總線相接，組成主控制器。
文檔編號(hào)B66B5/04GK2748426SQ20042007961
公開日2005年12月28日 申請(qǐng)日期2004年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月20日
發(fā)明者鄧世建, 于月森 申請(qǐng)人:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)