专利名称：矿井提升机延迟式速度保护装置的制作方法
技术领域：
本实用新型是一种矿井提升机控制装置，属于矿山工程设备制造的技术领域。
背景技术：
矿井提升机主要用于提升矿石、人员和材料，是矿山的重要运输设备。由于其运行特性复杂、速度快、惯性质量大，一旦运行速度失去控制而不能按照给定速度运行，就可能发生超速、过卷等提升事故，造成设备损坏甚至人员伤亡，给矿山带来重大经济损失，因而矿井提升机的速度保护显得尤为重要。
《煤矿安全规程》(国家煤矿安全监察局，煤炭工业出版社，2001.10)第四百二十七条规定提升装置必须装设防止过速保险装置，当提升速度超过最大速度15％时，防止过速装置必须能自动断电，并能使保险闸发生作用；提升速度超过3m/s的提升绞车必须装设限速装置，限速装置保证提升容器(或平衡锤)到达终端位置时的速度不超过2m/s。这是一个比较简要的安全技术要求，为了实现准确、可靠的速度保护，如《矿井提升设备》，(煤炭工业出版社，1995.1)、《矿井提升机电力拖动与控制》(冶金工业出版社，2001.7)中所述的那样，对于提升机的五段或六段运行速度图，通常采用图1所示的包络线保护速度设计方法和图2所示结构的速度保护装置。
在应用中，上述速度保护装置及保护速度设计方法实际使用效果不是令人十分满意，主要表现为在正常运行时往往出现ab段(减速段)限速保护；或当出现超速时可能不进行限速保护。在文献“《提升机速度逐点监视和包络线监视的研究与应用》(有色设备，1998(6))、《采用定点速度监控预防提升机重大事故》(煤，2001.10(4))、《提升机速度监控系统的应用》(有色设备，2001(2))”中，提出了逐点监视和2m/s限速后备保护等许多方法，试图弥补提升机电控系统速度保护方面的缺陷、进一步提高其可靠性和安全性，但没有从根本上解决问题。
分析可以发现，导致ab段(减速段)速度保护不理想的主要原因是(1)在设计保护速度时，仅仅考虑了提升机的动力学特性，而没有考虑到控制系统的制动性能；(2)在实际应用中，ab段(减速段)保护速度依靠给定速度获得，使系统调试缺乏灵活性；(3)速度保护装置使用传统的继电器逻辑和磁放大器实现，具有控制精度低和调试困难等缺点。
对于当前普遍使用的双容器矿井提升机系统来说，其动力学特性方程为F＝(1+k)Qg+p(H-2x)+∑ma (1)在式1中，F是施加在提升机主轴上的拖动力，0＜k＜1，是一个常数，Q是净提升负载质量，p是提升钢丝绳单位重力，H是提升高度，x是提升机已经运行的行程，∑m是提升系统的总变位质量，a是提升机运行加速度。
当提升机运行到a点(运行减速点)时，将失去拖动力(F＝0)，进入减速运行方式。为了使提升机在ab段(减速段)按照给定速度运行，必须施加一定的制动力。为此，提升机控制系统配备了机械和电气制动系统。
对于机械制动，目前一般采用盘式制动系统，其制动力矩Fz的大小可以通过手动和自动两种方式调节。根据机械制动的特点，盘式制动器必然有空行程时间。也就是说从开始发出制动信号到盘式制动器发挥作用有一个时间延迟T0。《煤矿安全规程》规定，T0≤0.3秒。实际上，加上电液调节装置的响应时间和设备维护等因素，T0可能大于0.3秒。
对于电气制动，通常有动力和低频制动两种。以TKD-A提升机控制系统的动力制动为例，电动机输出制动力Fz的大小可以通过脚踏和自动两种方式调节。为了避免切换电动机电源过程中的电弧短路，动力制动必须在高压动力电源完全从电动机上切除之后才能投入使用。也就是说从开始发出制动信号到动力制动系统发挥作用必定有一个时间延迟T1，一般为0.5～0.8秒。。
综合上述分析，可以看出由于制动系统的延迟响应或投入使用，减速过程必然经过自由滑行减速和制动减速两个阶段。
当提升机自由滑行减速运行时，根据式1可以得到加速度为a＝-(1+k)Qg-p(H-2x)/∑m(2)从式2中可以看出如果负载Q较轻，加速度绝对值较小，提升机运行速度不能迅速地减下来；如果负载Q非常轻甚至为零或者下放重物，加速度可能变为正值，运行速度不但下降反而上升。因此，当提升机从oa段(等速段)转换到ab段(减速段)处于自由滑行减速运行时，就可能出现超速，导致提升机紧急制动。
当制动系统投入且发挥作用时，根据式1可以得到加速度为a＝Fz-(1+k)Qg-p(H-2x)/∑m(3)在式3中，Fz是机械和电气制动系统产生制动力的总和。在适当的Fz作用下，能够将运行速度降下来，完全没有必要进行限速保护。
发明内容
技术问题本发明的目的是提供一种适应提升机动力学特性和控制系统制动性能、保护速度设计方法更加合理、调试灵活方便的矿井提升机延迟式速度保护装置，进一步提高速度保护的可靠性和安全性。
技术方案根据上述分析，为了避免自由滑行减速时可能出现的超速而进行的限速保护，矿井提升机延迟式速度保护装置采取将保护速度曲线ab段的开始点a延迟行程haa’的方法，即将开始点从a延迟到a’(保护速度减速点)。
在“延迟式保护速度设计方法”中，oa段(等速段)和bc段(爬行段)的保护速度设定与图1相同，aa’段(延迟段)的保护速度采用oa段(等速段)的保护速度，a’b段的保护速度为v=(1.15Vm)2-(1.1Vp)2Ha′-Hb(h-Hb)+(1.1Vp)2(Ha′>h≥Hb)---(4)]]>与“提升机保护速度传统设计方法”相比，“延迟式保护速度设计方法”既不提前运行减速点a、也不改变爬行点b，又不放增大或平移保护速度曲线，仅将ab段(减速段)保护速度曲线“压缩”行程haa’。
根据现代计算机、电子测量和通信等技术及应用的状况，矿井提升机延迟式速度保护装置采用“延迟式速度保护装置的一般结构”。
在“延迟式速度保护装置的一般结构”中，速度传感器2用于将提升机运行速度和行程转变为脉冲信号，速度测量单元用于测量提升机的实际运行速度和行程，开关量输入信号提供装置所需的提升机状态信号，开关量输入接口用于读取开关量输入信号，速度保护继电器和开关量输出接口用于当出现超速或限速保护时使提升机紧急制动，报警器用于当出现超速或限速保护时进行声光报警，存储器用于存储保护速度，微控制器用于整个装置的系统控制，速度测量单元、开关量输入接口、开关量输出接口、存储器通过装置内部总线连接在一起构成装置的主控制器，直流稳压电源为装置提供所需的直流电源，监测计算机用于参数设置和监视。
当提升机运行时，装置不断测量提升机行程和实际运行速度，并根据行程和减速信号，从存储器中的保护速度曲线中提取具体的保护速度，与实际运行速度进行比较，当出现超速或限速时，发出速度保护信号。
保护速度根据“延迟式保护速度设计方法”、式4的设计方法按照提升机运行行程(脉冲)离散化，存储在存储器的专用区域中(与给定速度的无关)，存储方式如下表所示
在上表中，存储器区开始地址为Addr，存储器字长为2个字节，相邻地址之间的行程差为离散间隔(轴编码器输出脉冲数)，保护速度单位为轴编码器输出脉冲数/时间，Addr存储的是等速段保护速度，Addr+1～Addr+n2存储的是减速段保护速度，Addr+n2～Addr+n3存储的是爬行段保护速度，Addr+1～Addr+n1之间的行程为延迟行程。
有益效果将保护速度减速点从a延迟到a’，保持运行减速点a、爬行点b、oa段(等速段)保护速度和bc段保护速度不变，aa’段(延迟段)采用oa段保护速度，a’b段保护速度按照“延迟式保护速度设计方法”、式4设计，采用“延迟式速度保护装置的一般结构”的装置，有益效果具体表现为(1)aa’段(延迟段)的运行过程为提升机电气和机械制动系统发挥作用将较高的运行速度降低下来提供了恰当的时间延迟。
(2)aa’段(延迟段)采用oa段(等速段)保护速度，避免了自由滑行减速时可能出现的、不必要的限速保护，以及限速保护紧急制动对提升机造成的不良影响。
(3)采用计算机和电子测量等技术实现提升机延迟式速度保护装置，可以严格地按照设计保护速度进行现场调试，使速度保护更准确，提高了速度保护的可靠性和安全性。
(4)通过监测计算机进行参数设置和监视，系统调试快捷、方便、灵活。
图1是提升机保护速度传统设计方法示意图。
图2是传统速度护装置结构示意图。
图3是延迟式保护速度设计方法示意图。
图4是延迟式速度保护装置的一般结构示意图，其中有提升机及电控系统1、速度传感器2、速度测量单元3、开关量输入信号4、开关量输入接口5、速度保护继电器6、报警器7、开关量输出接口8、存储器9、微控制器10，主控制器11、直流稳压电源12、监测计算机13。
图5是延迟式速度保护装置实施例电路原理图。
图6是延迟式保护速度实施例运行结果示例。
具体实施方式
矿井提升机延迟式速度保护装置先后在多个交、直流提升机电控系统中获得应用，有不同的具体实现方式，图5是其中的一个实施例的电路原理图。
在图5中，主控制器[11]采用OMRON公司的C200H系列PLC(与提升机电控系统熔为一体)，它由C200HE-CPU32-E型CPU模块[14](它包括了图4中的存储器[9]和微控制器[10])、采用C200H-CT001-V1型计数器模块的速度测量单元[3]、采用IA222型I/O模块的开关量输入接口[5]和采用OC222型I/O模块的开关量输出接口[8]等组成；C200HW-PA204S型电源模块[15]和隔离变压器[16]组成直流稳压电源[12]；通过C200HW-BC081型总线母板(未在图5中标出)将各个模块连接起来；监测计算机[13]通过CPU模块[14]的标准RS-232C接口与主控制器[11]连接起来。
在图5中，速度传感器[2]采用E6C2-CWZ型轴编码器，其输出信号A、B送入速度测量单元[3]，其轴通过连轴节[17]与提升机电动机轴[18]相连，由电源模块[15]的24VDC电源供电；开关量输入信号[4]包括减速信号JC1-1、提升方向信号ZC-1和FC-1、开车/停车信号GZC-1，其中减速信号JC1-1来自减速信号继电器[19]、提升方向信号ZC-1和FC-1来自提升机电控系统提升方向回路[21]、开车/停车信号GZC-1来自提升机电控系统工作闸信号回路[22]，它们均被送入开关量输入接口[5]。在减速信号继电器[19]中，JC-1来自提升机电控系统减速信号回路[20]，JKB为接入其它方式提供的减速信号提供备用接点。
在图5中，速度保护继电器AC1[6]的控制来自开关量输出接口[8]，其接点AC1-1接入提升机电控系统安全回路[23]；报警器[7]由闪光报警器XD2和声音报警器SP组成，接受来自开关量输出接口[8]的控制；XD1为电源指示灯。
在该实施例中，提升机等速段运行速度Vm＝5.8米/秒，爬行段运行速度V0＝0.5米/秒，运行减速点a在35米处，设计减速行程33.5米。轴编码器与提升机电动机轴连接，周长为1024个脉冲，1个脉冲约等于1.18281mm行程。
保护速度及存储方式如下表所示。
在上表中，保护速度减速点a’在27米(1068/22790)处，延迟了约8米(此值根据实际运行情况调整)，保护曲线离散间隔为100个脉冲(约等于118.3mm)，行程单位为轴编码器输出脉冲数，保护速度单位为轴编码器输出脉冲数/0.5秒，减速段保护速度(1068/22790-1279/1690之间)按照图3、式4的方法设计。
图6是本实施例的一次实际运行结果。从图中可以看出，如果按照图1的方法设计减速段保护速度，就可能出现限速保护。按照图3的设计方法，在没有出现减速段超速的情况下，为制动系统发挥作用提供了合适的时间，将提升机运行速度减下来。既避免了不必要的紧急制动，又保证了提升机的安全运行。
权利要求1.一种矿井提升机延迟式速度保护装置，由信号处理部分和驱动部分所组成，其特征在于该装置的信号处理部分包括速度传感器(2)、速度测量单元(3)、开关量输入信号(4)、开关量输入接口(5)、存储器(9)、微控制器(10)；驱动部分包括速度保护继电器(6)、报警器(7)和开关量输出接口(8)；其中，速度传感器(2)、开关量输入信号(4)的输入端与提升机及电控系统(1)相接；速度传感器(2)的输出端接速度测量单元(3)，开关量输入信号(4)的输出端接开关量输入接口(5)；速度保护继电器(6)和报警器(7)的输入端接开关量输出接口(8)的输出端，速度保护继电器(6)的输出端与提升机及电控系统(1)相接；速度测量单元(3)、开关量输入接口(5)、开关量输出接口(8)、存储器(9)和微控制器(10)通过装置内部总线相接，组成主控制器(11)。
2.根据权利要求1所述的矿井提升机延迟式速度保护装置，其特征在于速度传感器(2)、开关量输入信号(4)的输入端与提升机及电控系统(1)相接。
3.根据权利要求1所述的矿井提升机延迟式速度保护装置，其特征在于速度传感器(2)的输出端接速度测量单元(3)，开关量输入信号(4)的输出端接开关量输入接口(5)；速度保护继电器(6)和报警器(7)的输入端接开关量输出接口(8)的输出端，速度保护继电器(6)的输出端与提升机及电控系统(1)相接；速度测量单元(3)、开关量输入接口(5)、开关量输出接口(8)、存储器(9)和微控制器(10)通过装置内部总线相接。
专利摘要矿井提升机延迟式速度保护装置是一种矿井提升机控制装置，该装置的信号处理部分包括速度传感器、速度测量单元、开关量输入信号、开关量输入接口、存储器、微控制器；驱动部分包括速度保护继电器、报警器和开关量输出接口；其中，速度传感器、开关量输入信号的输入端与提升机及电控系统相接，采集提升机及控制系统的信号；速度传感器的输出端接速度测量单元，开关量输入信号的输出端接开关量输入接口；速度保护继电器和报警器的输入端接开关量输出接口的输出端，速度保护继电器的输出端与提升机及电控系统相接；速度测量单元、开关量输入接口、开关量输出接口、存储器和微控制器通过装置内部总线相接，组成主控制器。
文档编号B66B5/04GK2748426SQ20042007961
公开日2005年12月28日 申请日期2004年9月20日 优先权日2004年9月20日
发明者邓世建, 于月森 申请人:中国矿业大学