馬紅兵

（山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司官地煤礦運(yùn)輸區(qū)大巷維護(hù)隊(duì)，山西 太原 030022）

0 引言

提升機(jī)為煤礦生產(chǎn)的主要運(yùn)輸設(shè)備之一，其主要承擔(dān)煤炭、矸石、設(shè)備以及人員的運(yùn)輸任務(wù)，其可靠性和安全性直接決定其提升效率，而傳統(tǒng)的提升機(jī)電控系統(tǒng)存在故障率高、線路老化嚴(yán)重、耗電量大、后期維護(hù)困難以及設(shè)備嚴(yán)重老化等問(wèn)題[1]。因此，為實(shí)現(xiàn)礦井提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、智能化、信息化控制，在調(diào)研當(dāng)前國(guó)內(nèi)外提升機(jī)電控系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，擬將直流調(diào)速控制系統(tǒng)應(yīng)用于提升機(jī)中。

1 提升機(jī)直流調(diào)速控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路

以官地煤礦的豎井提升機(jī)（JKM-2.8×4）為例，該提升機(jī)最大提升速度為8.473 m/s，其他關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。

表1 JKM-2.8×4提升機(jī)關(guān)鍵參數(shù)

對(duì)于礦井提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)，首先需保證其能夠根據(jù)提升機(jī)負(fù)載的變化對(duì)提升速度和方向進(jìn)行控制，即滿(mǎn)足四象限運(yùn)行要求，其次要求其能夠根據(jù)所提升對(duì)象采用對(duì)應(yīng)的提升速度，具備平滑調(diào)速功能。

結(jié)合當(dāng)前工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)形式和官地煤礦的具體情況，采用直流電機(jī)對(duì)提升機(jī)進(jìn)行控制。采用“3+2”的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)作為提升機(jī)直流調(diào)速控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，其中，“3”為直流調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)備層，包括執(zhí)行層（與提升機(jī)相關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備主要以傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)為主）、控制層（直流控制系統(tǒng)的核心）、管理層（數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)站和服務(wù)器等），“2”為直流調(diào)速控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層，即實(shí)現(xiàn)設(shè)備層之間的相互通信，執(zhí)行層與控制層之間的通信網(wǎng)絡(luò)為控制網(wǎng)絡(luò)，控制層與管理層之間的通信網(wǎng)絡(luò)為監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)[2]。自20世紀(jì)80年代中后期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)提升機(jī)傳動(dòng)裝置的研究已經(jīng)取得了初步進(jìn)展。鑒于礦井提升機(jī)的電氣控制對(duì)系統(tǒng)的抗干擾能力、控制精度和控制性能要求較高，對(duì)比各種調(diào)速裝置的優(yōu)劣性，全數(shù)字直流調(diào)速裝置具有如下特點(diǎn)[3]：一是具備自主設(shè)定參數(shù)的功能；二是可采用數(shù)字量和模擬量?jī)煞N數(shù)據(jù)模式進(jìn)行控制；三是對(duì)控制系統(tǒng)電流和電壓可實(shí)現(xiàn)高精度檢測(cè)；四是具備與其他調(diào)速裝置、PLC控制器和上位機(jī)通信的能力；五是能夠?qū)μ嵘龣C(jī)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并具備自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)的功能；六是可通過(guò)上位機(jī)或者相關(guān)調(diào)試軟件對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)距離修改、設(shè)定等。

本文將采用全數(shù)字直流調(diào)速裝置作為核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)的直流調(diào)速控制，具體型號(hào)為DCS系列的四象限全數(shù)字直流調(diào)速裝置。

由理論分析可知，當(dāng)提升機(jī)處于下放工況時(shí)，提升機(jī)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩最大，配套電機(jī)的電流也最大。因此，本節(jié)以提升機(jī)額定負(fù)載工況為例，對(duì)DCS系列四象限全數(shù)字直流調(diào)速裝置的容量進(jìn)行選擇。鑒于篇幅原因，此處僅列出計(jì)算結(jié)果。經(jīng)計(jì)算，與全數(shù)字直流調(diào)速裝置相匹配的整流變壓器的容量為6 320 kVA，其對(duì)應(yīng)全數(shù)字直流調(diào)速裝置的具體型號(hào)為DCS600，主回路中的電樞整流裝置和勵(lì)磁整流裝置的具體選型結(jié)果如表2所示。

由于DCS600系列全數(shù)字直流調(diào)速裝置具備對(duì)所控制設(shè)備運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的功能，結(jié)合提升機(jī)的運(yùn)行工況，要求直流調(diào)速裝置可對(duì)提升機(jī)的運(yùn)行方式、不同負(fù)載下勵(lì)磁和電樞電流值、提升罐籠的位置等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。此外，還需對(duì)已停車(chē)提升機(jī)液壓控制回路中的油壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

表2 主回路整流裝置選型結(jié)果

2 提升機(jī)直流調(diào)速控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

結(jié)合前文中所提出的提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)“3+2”的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，本方案采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)執(zhí)行層、控制層和管理層的通信，其具體的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)“3+2”網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1所示，上位機(jī)通過(guò)PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控PLC控制器、信號(hào)PLC控制、遠(yuǎn)程I/O、觸摸屏以及DCS600系列的四象限全數(shù)字直流調(diào)速裝置之間的通信。其中，監(jiān)控PLC控制器是對(duì)提升機(jī)各運(yùn)行參數(shù)信號(hào)處理的核心，信號(hào)PLC控制器是對(duì)提升機(jī)電機(jī)運(yùn)行參數(shù)監(jiān)控處理的核心，觸摸屏是顯示提升機(jī)及電機(jī)實(shí)時(shí)工作參數(shù)的裝置，DCS600系列四象限的全數(shù)字直流調(diào)速裝置是實(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)速度進(jìn)行平滑、實(shí)時(shí)控制的核心[4]。

結(jié)合提升機(jī)實(shí)際控制需求，本方案中所選型PLC控制器為S7-300系列。直流調(diào)速控制系統(tǒng)的其余硬件選型如表3所示。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)提升機(jī)的實(shí)際運(yùn)行工況，設(shè)計(jì)如圖2所示的主控制程序。

如圖2所示：系統(tǒng)在運(yùn)行的初始化階段需對(duì)安全回路是否能夠正常運(yùn)行進(jìn)行檢查，若回路不正常需對(duì)其進(jìn)一步檢查直至確認(rèn)為正常后才可發(fā)出開(kāi)車(chē)指令；系統(tǒng)接收到開(kāi)車(chē)指令后結(jié)合當(dāng)前提升機(jī)的負(fù)載、罐籠的位置等實(shí)時(shí)參數(shù)計(jì)算本次提升任務(wù)的距離、速度以及加速或減速的時(shí)間段；根據(jù)不同的運(yùn)輸任務(wù)，當(dāng)罐籠到達(dá)加速位置或者減速位置時(shí)發(fā)出加速或者減速的指令。期間，當(dāng)提升機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)與實(shí)際計(jì)算值出現(xiàn)較大偏差時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)并立即停機(jī)[5]。

3 結(jié)論

1）以DCS600系列四象限直流調(diào)速裝置為核心，可實(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)速度的控制；

2）配置DCS602-1503-51電樞整流裝置和DCF601-0050-51勵(lì)磁整流裝置，可對(duì)提升機(jī)的運(yùn)行方式、不同負(fù)載下勵(lì)磁和電樞電流值、提升罐籠的位置等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示；

表3 直流調(diào)速控制系統(tǒng)硬件選型

圖2 提升機(jī)直流調(diào)速控制系統(tǒng)主控制流程圖

3）根據(jù)提升機(jī)的控制要求設(shè)計(jì)的主控制程序，在提升機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)與實(shí)際計(jì)算值出現(xiàn)較大偏差的情況下，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)并立即停機(jī)。