0引言

礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)在一定程度上代表一個(gè)廠或國(guó)家的傳動(dòng)控制技術(shù)水平，它的電氣傳動(dòng)及控制裝置也一直是各國(guó)電氣傳動(dòng)界的一個(gè)重要研究領(lǐng)域。因此世界各大公司紛紛將新的、成熟的技術(shù)應(yīng)用于提升機(jī)電控系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)和PLC的應(yīng)用，使提升機(jī)的控制出現(xiàn)了嶄新的面貌，其自動(dòng)化水平、安全、可靠性都達(dá)到了一定新的高度。對(duì)于提升機(jī)電控系統(tǒng)，提升工藝過(guò)程大都采用微機(jī)控制。由于微機(jī)功能強(qiáng)，使用靈活，運(yùn)算速度快，監(jiān)視顯示易于實(shí)現(xiàn)，并具有診斷功能。提升行程控制從本質(zhì)上說(shuō)是一個(gè)位置控制，要保證提升容器在預(yù)定地點(diǎn)準(zhǔn)確停車，要求準(zhǔn)確度高，目前可達(dá)到士2mm。采用微機(jī)控制，在罐籠提升時(shí)可實(shí)現(xiàn)無(wú)爬行提升，大大提高了提升能力。安全回路是指提升機(jī)在出現(xiàn)機(jī)械、電氣故障時(shí)控制提升機(jī)進(jìn)入安全保護(hù)狀態(tài)極為重要的環(huán)節(jié)。本項(xiàng)目研究，以期在運(yùn)用系統(tǒng)工程理論、安全工程理論、冗余理論、可靠性理論基礎(chǔ)上建立提升機(jī)電控系統(tǒng)安全模型，提出電控系統(tǒng)安全可靠的升級(jí)方案。[1]

1系統(tǒng)升級(jí)方案

1.1礦井提升機(jī)對(duì)電氣控制系統(tǒng)的選擇

主井提升機(jī)要求是在一定的距離內(nèi)，按一定周期往復(fù)循環(huán)動(dòng)作完成提升任務(wù)，調(diào)速系統(tǒng)需要啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速性能好、控制精度高，所以本項(xiàng)目采用雙閉環(huán)直流調(diào)速方案。調(diào)速原理框圖如下圖所示

雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)采用速度環(huán)、電流環(huán)雙閉環(huán)控制，為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，兩者之實(shí)行串級(jí)聯(lián)接。考慮到減少變流系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的干擾，尤其是減少諧波分量的對(duì)電網(wǎng)的干擾，避免對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的重度污染，提高傳動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)速性能和調(diào)速精度，最終選用12脈動(dòng)串聯(lián)整流的晶閘管-直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速方案。

1.2電控系統(tǒng)原理框圖

礦井提升機(jī)是煤礦生產(chǎn)的咽喉，其電控系統(tǒng)的技術(shù)性能和可靠性直接影響煤礦的生產(chǎn)。用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井提升機(jī)的自動(dòng)控制及故障自診斷，將會(huì)大大提高提升機(jī)的可靠性和可維護(hù)性，從而保證煤礦安全生產(chǎn)并提高生產(chǎn)效率。本項(xiàng)目選用當(dāng)今最可靠的PLC監(jiān)控系統(tǒng)。礦井提升機(jī)PLC控制系統(tǒng)原理如圖所示。

2系統(tǒng)升級(jí)過(guò)程中的安全技術(shù)研究

安全技術(shù)是指在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過(guò)程中為防止各種事故，并為員工提供安全、良好的勞動(dòng)條件而采取的各種技術(shù)措施。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行安全性分析的方法有許多種，每種方法都有它的適應(yīng)性，但它們之間是相互聯(lián)系、互不排斥的。事故樹(shù)分析（FAT）是安全系統(tǒng)工程中的重要分析方法之一，它能對(duì)各種系統(tǒng)或裝置的危險(xiǎn)性進(jìn)行識(shí)別和評(píng)價(jià)，既適用于定性分析，又能定量分析，具有使用范圍廣和簡(jiǎn)明、形象的特點(diǎn)，體現(xiàn)了以系統(tǒng)工程方法研究安全性問(wèn)題的系統(tǒng)性、準(zhǔn)確性和預(yù)測(cè)性。在事故樹(shù)分析中，建樹(shù)的關(guān)鍵是要清楚的了解所分析的系統(tǒng)功能邏輯關(guān)系及故障模式，影響及致命度，建樹(shù)完善與否直接影響定性分析和定量計(jì)算結(jié)果是否正確，故障應(yīng)是實(shí)際系統(tǒng)故障組合和傳遞的邏輯關(guān)系的正確抽象。[2]

2.1提升機(jī)事故樹(shù)的建立

確定頂事件：提升機(jī)故障。在頂事件確定以后，并列寫出造成頂上事件的所有直接原因事件。然后依據(jù)上、下層各事件的邏輯關(guān)系，用“邏輯門”把它們連接起來(lái)。礦井提升機(jī)故障，主要分為以下三種:

(1)立即施閘類故障:發(fā)生故障時(shí)，若提升容器在井筒中，實(shí)行二級(jí)制動(dòng)施閘停提升容器接近井口，立即進(jìn)行安全制動(dòng)施閘停車。

(2)終端施閘類故障:發(fā)生故障時(shí)，允許一次提升循環(huán)結(jié)束后再停車。

(3)報(bào)警類故障:發(fā)生故障時(shí)，僅發(fā)出聲光報(bào)警，不停車。

提升機(jī)事故樹(shù)建立如圖所示。

2.2事故樹(shù)的定性分析

事故樹(shù)分析的目的之一是找出導(dǎo)致系統(tǒng)故障發(fā)生的所有可能的故障模式。一個(gè)最小割集就是包含了最少數(shù)量而又必需的底事件的集合。事故樹(shù)的定性分析就是指求出能夠引起頂端事件的所有組合，也就是求出事故樹(shù)的最小割集。[3]

（1）下行法（Fussell-Vesely算法）求最小割集

Fussell-Vesely算法的基本原理是根據(jù)邏輯與門和或門的特征：邏輯與門增加統(tǒng)割集的容量，而邏輯或門增加割集的個(gè)數(shù)，來(lái)推導(dǎo)最小割集。具體方法如下：事故樹(shù)頂事件開(kāi)始，由上到下，順次把上一級(jí)事件置換為下一級(jí)事件，遇到與門輸入事件橫向并聯(lián)寫出，遇到或門將輸入事件豎向串聯(lián)寫出，直到把全部邏輯門置換成底事件為止，此時(shí)最后一列表示出基本事件組成的割集，再將割集簡(jiǎn)化、收得全部最小割集。下面通過(guò)表3.1說(shuō)明其計(jì)算過(guò)程。

表3.1Fussell-Vesely算法求最小割集

（2）結(jié)構(gòu)重要度分析

在基本事件少的最小割集中，出現(xiàn)次數(shù)少的事件與基本事件多的最小割集中出現(xiàn)

次數(shù)多的相比較，一般前者大于后者。

2.3事故樹(shù)的定量分析

提升機(jī)事故樹(shù)的定量分析的任務(wù)是在求出各基本事件發(fā)生概率的情況基礎(chǔ)上，計(jì)算或估算系統(tǒng)頂上事件發(fā)生的概率以及系統(tǒng)的有關(guān)可靠性特性，并以此為依據(jù)，綜合考慮事故（頂上事件）的損失嚴(yán)重程度，與預(yù)定的目標(biāo)進(jìn)行比較。

提升機(jī)事故樹(shù)定量分析就是指：

（1）求出“提升機(jī)故障”發(fā)生的概率，即頂端事件S的發(fā)生概率；

（2）求出各個(gè)基本事件對(duì)故障發(fā)生所做的“貢獻(xiàn)”，即重要度。

概率重要度是頂端事件的發(fā)生概率對(duì)某個(gè)頂事件發(fā)生概率的偏導(dǎo)數(shù)，已知頂端事件的發(fā)生概率為

概率重要度雖然反映了基本事件概率變化對(duì)頂事件概率變化的貢獻(xiàn)，但不能反

映不同基本事件概率改進(jìn)的難易程度。宜采用提高低質(zhì)量部件可靠度來(lái)改變系統(tǒng)的

可靠性，這一意義可以從關(guān)鍵重要度的定義看出：

為了計(jì)算事故樹(shù)頂端事件發(fā)生的概率和進(jìn)行基本事件重要度分析，必須事先知道基本事件的發(fā)生概率。關(guān)于基本事件的發(fā)生概率，可采用統(tǒng)計(jì)法或?qū)＜抑饔^判斷法來(lái)對(duì)提升機(jī)故障的底事件的結(jié)構(gòu)重要度進(jìn)行估算。[4-5]

3安全技術(shù)在項(xiàng)目升級(jí)中的應(yīng)用

基于事故樹(shù)模型的診斷，就是利用現(xiàn)有的測(cè)量信息和故障樹(shù)節(jié)點(diǎn)間的邏輯關(guān)系進(jìn)行正向或反向推理，利用異常節(jié)點(diǎn)作為推理的起始點(diǎn)，利用正常節(jié)點(diǎn)進(jìn)行假設(shè)排除，最終確定底事件的狀態(tài)。在岱莊煤礦提升機(jī)電控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，本項(xiàng)目采用基于異常事件的正向確定性推理來(lái)進(jìn)行故障診斷。根據(jù)最小割集中的底事件創(chuàng)建異常庫(kù)，庫(kù)中每組包含兩個(gè)底事件的故障為復(fù)合故障。取異常庫(kù)中的第一個(gè)異常事件XI判斷該異常事件是否為某故障結(jié)論，若是某故障結(jié)論則輸出該故障，并讀取下一個(gè)異常事件。若該異常實(shí)踐不是某故障結(jié)論，令J=I，把其變?yōu)閺?fù)合故障XIXJ，再判斷該異常事件是否為某復(fù)合故障結(jié)論，若不是，令J=J+1，讀取下一個(gè)復(fù)合故障，若是，輸出該故障并讀取下一個(gè)異常事件，依照上述步驟直到進(jìn)行最后一異常事件，其框圖如圖所示。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)要求及經(jīng)驗(yàn)積累，可隨時(shí)增加異常庫(kù)中的異常事件及復(fù)合事件，在上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)可以隨時(shí)查詢故障記錄。

4結(jié)論

本課題的研究及應(yīng)用，取得了如下創(chuàng)新性成果：

（1）項(xiàng)目提出了基于事故樹(shù)的提升電控系統(tǒng)安全模型，對(duì)電控系統(tǒng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行分層對(duì)比分析，為提升電控系統(tǒng)升級(jí)的安全奠定了理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

（2）項(xiàng)目把提升電控系統(tǒng)的安全性可以分成系統(tǒng)級(jí)、系統(tǒng)構(gòu)成環(huán)節(jié)（元素）的單元級(jí)和構(gòu)成單元的設(shè)備部件級(jí)3個(gè)層次，分層分析和安全評(píng)估，出現(xiàn)故障實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)閉鎖。系統(tǒng)在安全回路設(shè)計(jì)上，采用軟硬兩條回路實(shí)現(xiàn)增加系統(tǒng)安全性。這兩條安全回路實(shí)現(xiàn)相互冗余與閉鎖。采用軟硬安全回路相結(jié)合根本上提高了提升運(yùn)行安全性。

作者簡(jiǎn)介：

宋偉（1987-），男，河南平頂山人，在讀碩士，研究方向控制理論與控制工程專業(yè)。

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