劉 峰

（西山煤電杜兒坪礦電力管理中心， 山西 太原 030022）

引言

礦井提升機(jī)是煤礦運(yùn)送人員、設(shè)備和原煤的運(yùn)輸設(shè)備，其運(yùn)行的安全性和效率一直是企業(yè)發(fā)展的核心要求。隨著開(kāi)采量的上升，20 世紀(jì)80 年代投運(yùn)的礦井提升設(shè)備在防護(hù)性、故障率和可維護(hù)性等方面逐漸暴露出很多問(wèn)題，已經(jīng)不能滿足當(dāng)前企業(yè)的發(fā)展要求，因此許多煤礦都開(kāi)始進(jìn)行技術(shù)改造，將技術(shù)先進(jìn)的變頻器和PLC 等應(yīng)用于礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)中，以提高礦井提升機(jī)的安全性和運(yùn)行效率。

1 提升機(jī)控制系統(tǒng)要求

1.1 以四象限運(yùn)行為主

以電機(jī)的轉(zhuǎn)速為縱軸，以電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為橫軸建立直角坐標(biāo)系，以此劃分的四個(gè)象限可用來(lái)描述電機(jī)的工作狀態(tài)。電機(jī)的運(yùn)行有單象限運(yùn)行和四象限運(yùn)行兩種，單象限運(yùn)行的電機(jī)只能正向或反向電動(dòng)。由提升機(jī)的工作特性可知，其驅(qū)動(dòng)電機(jī)須滿足電機(jī)的四象限運(yùn)行要求，即正向電動(dòng)、回饋發(fā)電制動(dòng)、反接制動(dòng)和反向電動(dòng)四種運(yùn)行狀態(tài)[1]。

1.2 速度加減準(zhǔn)確

作為人員上下井的交通工具，提升機(jī)的速度控制需要考慮乘客的舒適性，另一方面，激烈的加速和減速會(huì)在電機(jī)電樞中產(chǎn)生很大的沖擊電流，因此，需要根據(jù)提升機(jī)在井筒中的位置，控制提升機(jī)的運(yùn)行速度，準(zhǔn)確加減速是提升機(jī)控制系統(tǒng)的核心要求[2]。

1.3 行程指示精準(zhǔn)

提升機(jī)司機(jī)在操作時(shí)，需要觀察提升機(jī)的運(yùn)行位置，因此系統(tǒng)中需要配置一個(gè)能夠顯示容器位置的裝置，采用圓盤(pán)式指深器可顯示當(dāng)前提升機(jī)的準(zhǔn)確位置。

1.4 故障監(jiān)測(cè)功能健全

煤礦提升機(jī)是煤炭和人員上下的主要通道，如果出現(xiàn)故障，必然影響企業(yè)的生產(chǎn)，如果有人員困在提升機(jī)內(nèi)，甚至可能發(fā)生人身傷害，因此系統(tǒng)中必須配置健全的故障監(jiān)測(cè)功能，對(duì)提升機(jī)可能產(chǎn)生的各類(lèi)故障進(jìn)行預(yù)警，方便檢修人員確定故障位置，縮短故障停工時(shí)間[3]。

1.5 可調(diào)閘制動(dòng)可靠

在提升機(jī)出現(xiàn)不可預(yù)知的故障后，制動(dòng)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)安全停車(chē)的最后防線?？烧{(diào)閘的制動(dòng)工作模式有工作制動(dòng)和安全制動(dòng)兩種，工作制動(dòng)是司機(jī)操作停車(chē)制動(dòng)，安全制動(dòng)指的是當(dāng)發(fā)生故障后，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)閘制動(dòng)。可調(diào)閘制動(dòng)采用電氣控制設(shè)備間接控制機(jī)械裝置進(jìn)行制動(dòng)[4]。

2 變頻器的選型及控制方案

變頻器由控制盤(pán)、傳動(dòng)單元控制接口、電機(jī)側(cè)變流器、直流電路和網(wǎng)側(cè)變流器等部分組成，網(wǎng)側(cè)變流器的作用是將交流電整流為直流電，將能量以直流電的形式存儲(chǔ)在直流電路中，電機(jī)側(cè)采用功率電子器件IGBT 將直流電源逆變?yōu)轭l率可調(diào)的交流正弦電，這種全控型功率電子器件能夠?qū)崿F(xiàn)能量在電網(wǎng)和負(fù)載之間雙向流動(dòng)，因此可以實(shí)現(xiàn)提升機(jī)的四象限運(yùn)行。選用西門(mén)子公司生產(chǎn)的6SE7134-5HK62-5BAO+型變頻器，這款變頻器帶有能量回饋功能，因此可以更加節(jié)能高效。

電機(jī)、高壓開(kāi)關(guān)柜、變頻器控制柜等安裝完成后，需要對(duì)變頻器進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，變頻器的操作面板實(shí)質(zhì)是一個(gè)輸入輸出單元，此輸入輸出的單元與變頻器通過(guò)RS485 通訊接口進(jìn)行信息交互。變頻器的操作面板上有顯示屏、故障燈、運(yùn)轉(zhuǎn)燈、開(kāi)關(guān)機(jī)鍵、數(shù)字鍵盤(pán)和復(fù)位鍵等，通過(guò)操作面板可以對(duì)當(dāng)前電機(jī)進(jìn)行識(shí)別、測(cè)試和優(yōu)化。

3 提升機(jī)控制系統(tǒng)外圍電路部件的選型

3.1 軸編碼器

在提升機(jī)滾筒主軸和電動(dòng)機(jī)主軸上分別裝設(shè)一個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器，分別用于保護(hù)和監(jiān)測(cè)，選擇某公司生產(chǎn)的LF-300BM-G24F、LF-30BM-G24F 型旋轉(zhuǎn)編碼器，該編碼器型號(hào)中的300 和30 分別表示軸旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生的脈沖數(shù)[5]。兩個(gè)編碼器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)經(jīng)信號(hào)分配器進(jìn)行光電隔離和信號(hào)分配，傳輸給兩個(gè)控制器PLC，這樣設(shè)計(jì)的好處是兩個(gè)控制器之間通過(guò)信息共享進(jìn)行轉(zhuǎn)速和位置的相互校驗(yàn)，一旦產(chǎn)生異?？梢杂|發(fā)保護(hù)動(dòng)作，向變頻器發(fā)出緊急停車(chē)的指令，速度和深度檢測(cè)回路原理如圖1 所示。

圖1 速度和深度檢測(cè)回路原理圖

3.2 行程開(kāi)關(guān)

深度指示器的工作原理是通過(guò)齒輪將滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)傳送給深指器，深指器的指針在兩相反方向運(yùn)動(dòng)的桿帶動(dòng)下移動(dòng)，桿的移動(dòng)和滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)速度成正比，因此可以實(shí)現(xiàn)深度指示。為了防止深指器指示失準(zhǔn)，系統(tǒng)中需要在特定位置安裝行程開(kāi)關(guān)和霍爾元件對(duì)深指器進(jìn)行校準(zhǔn)，行程開(kāi)關(guān)的位置選擇在上過(guò)卷、下過(guò)卷、上井口、下井口、上終端、下終端減速點(diǎn)這些位置，霍爾元件安裝在深指器的軸上。行程開(kāi)關(guān)的型號(hào)為L(zhǎng)XK3-20S/L，霍爾元件的型號(hào)為H-JK8020D。

3.3 壓力傳感器

在液壓站和潤(rùn)滑油站均需要裝設(shè)壓力傳感器顯示油壓，液壓站壓力傳感器的安裝位置是A 管和B管，潤(rùn)滑站壓力傳感器的安裝位置是出油管。選擇壓力變送器的規(guī)格為：輸入信號(hào)0～10 MPa，輸出信號(hào)4～20 mA，安裝時(shí)需要將壓力傳感器的信號(hào)電纜與壓力表接好，然后設(shè)置合適的壓力表量程[6]。

3.4 溫度傳感器

為了實(shí)現(xiàn)液壓站和潤(rùn)滑站的油溫監(jiān)測(cè)，需要在油箱內(nèi)部埋設(shè)溫度傳感器，與壓力傳感器類(lèi)似，同樣需要連接信號(hào)線纜和設(shè)置合適的量程，溫度傳感器的型號(hào)選擇PT100。

3.5 操作手柄

操作臺(tái)上的操作手柄有主令手柄和制動(dòng)手柄，手柄的電氣控制是通過(guò)一個(gè)角位移傳感器實(shí)現(xiàn)的，角位移傳感器的工作原理是將操作手柄的旋轉(zhuǎn)角度轉(zhuǎn)換為一個(gè)4～20 mA的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，然后經(jīng)信號(hào)處理電路送入PLC，兩個(gè)操作手柄分別接入不同的模擬量輸入通道。在非緊急情況時(shí)，制動(dòng)手柄實(shí)現(xiàn)制動(dòng)是通過(guò)PLC 模擬信號(hào)輸出模塊輸出0～10 V電壓信號(hào)，經(jīng)比例放大電路進(jìn)而控制剎車(chē)的松緊程度，在緊急情況下，可以不經(jīng)過(guò)PLC 環(huán)節(jié)，制動(dòng)手柄能夠直接對(duì)制動(dòng)裝置進(jìn)行控制，提高了制動(dòng)系統(tǒng)的安全性和可靠性，見(jiàn)圖2。

圖2 制動(dòng)手柄的控制原理圖

4 提升機(jī)控制系統(tǒng)安全回路的確定

安全回路指的是當(dāng)提升機(jī)發(fā)生故障時(shí)，控制系統(tǒng)對(duì)提升機(jī)進(jìn)行緊急制動(dòng)并向工作人員發(fā)出告警信號(hào)。根據(jù)系統(tǒng)要求，提升機(jī)電控系統(tǒng)采用雙安全回路，即軟安全回路和硬安全回路各自獨(dú)立運(yùn)行，從而提高安全回路的可靠性。軟安全回路是PLC 在程序中發(fā)出保護(hù)動(dòng)作指令，控制變頻器制動(dòng)。硬安全回路是通過(guò)硬件電路控制繼電器動(dòng)作發(fā)出變頻器制動(dòng)指令，兩套安全回路在邏輯上各自獨(dú)立，任意一套安全回路均能獨(dú)自發(fā)出停機(jī)保護(hù)指令。各類(lèi)保護(hù)信號(hào)可按照故障嚴(yán)重程度分為重事故信號(hào)和輕事故信號(hào)。重事故信號(hào)能夠直接通過(guò)繼電器直動(dòng)回路控制機(jī)械施閘系統(tǒng)，輕事故信號(hào)由PLC 程序判斷具體故障類(lèi)型，立即施閘類(lèi)故障和終端施閘類(lèi)故障能夠控制機(jī)械施閘系統(tǒng)，電氣制動(dòng)類(lèi)故障和故障報(bào)警不觸發(fā)機(jī)械施閘系統(tǒng)，各種保護(hù)信號(hào)的原理如圖3 所示。

圖3 各種保護(hù)信號(hào)的原理圖

安全回路的組成包括各類(lèi)連鎖和保護(hù)，例如主令手柄具有零位連鎖功能，只有當(dāng)主令手柄處于停車(chē)零位時(shí)安全回路才能導(dǎo)通，否則主令手柄處于上提或下方位置，零位繼電器斷開(kāi)，設(shè)備上行或下行。安全回路中的保護(hù)有：制動(dòng)油過(guò)壓保護(hù)、等速段超速保護(hù)、PLC 失效保護(hù)、減速段過(guò)速保護(hù)、過(guò)卷保護(hù)、深指器失效保護(hù)、機(jī)械閘瓦磨損保護(hù)、松繩保護(hù)、調(diào)繩連鎖保護(hù)、電源失壓保護(hù)等。

5 結(jié)語(yǔ)

煤礦提升機(jī)承擔(dān)著煤炭、矸石、人員、設(shè)備和材料的運(yùn)輸任務(wù)，是礦井的“咽喉”，對(duì)舊有的礦井提升機(jī)進(jìn)行技術(shù)改造，采用先進(jìn)的變頻器和PLC 等電控設(shè)備，一方面完善了提升機(jī)的安全回路，提高了其安全性和可靠性，另一方面變頻器具有調(diào)速性能準(zhǔn)確、節(jié)能高效的特點(diǎn)，提高了人員乘坐的舒適性，降低了提升機(jī)用電量，對(duì)企業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。