袁 飛

（東曲礦生態(tài)環(huán)境治理區(qū)， 山西 古交 030200）

0 引言

當(dāng)前礦井提升機(jī)存在控制設(shè)備陳舊老套，自動(dòng)化水平低，無故障預(yù)警以及實(shí)時(shí)監(jiān)控功能等問題，部分系統(tǒng)調(diào)速還采用傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子串電阻，電機(jī)在運(yùn)行時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)負(fù)荷運(yùn)行及制動(dòng)現(xiàn)象。隨著科技的進(jìn)步以及安全生產(chǎn)的重視，煤礦提升機(jī)控制系統(tǒng)的升級(jí)越來越緊迫且重要，本文針對(duì)上述問題對(duì)煤礦提升機(jī)進(jìn)行了改造與設(shè)計(jì)。

1 提升機(jī)控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)方案

1.1 控制系統(tǒng)的組成與技術(shù)要求

提升機(jī)是煤礦生產(chǎn)的主要運(yùn)輸結(jié)構(gòu)，由主軸部分（控制卷軸）、電動(dòng)機(jī)與減速器（調(diào)速）、潤(rùn)滑站（輔助機(jī)械系統(tǒng)）、液壓制動(dòng)系統(tǒng)（減速部分）、深度指示儀、電控系統(tǒng)（具體升降控制）構(gòu)成。本文基于某煤礦原使用提升機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，改進(jìn)后的設(shè)備需符合以下技術(shù)要求：

1）對(duì)提升機(jī)的改造和設(shè)計(jì)須符合國(guó)家相關(guān)規(guī)章制度。

2）提升機(jī)控制系統(tǒng)硬件裝置需有完善良好的保護(hù)功能（結(jié)構(gòu)保護(hù)與電路保護(hù)）才能使用，保護(hù)提升機(jī)安全運(yùn)行。

3）采用PLC 控制系統(tǒng)與變頻器實(shí)現(xiàn)提升機(jī)變頻調(diào)速與PLC 控制。

4）采用外部保護(hù)開關(guān)和PLC 控制系統(tǒng)兩種控制方式來決定系統(tǒng)設(shè)計(jì)的安全回路，保護(hù)方式與要求需滿足《煤礦安全規(guī)程》相關(guān)要求。

1.2 控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案

通過對(duì)控制系統(tǒng)組成與技術(shù)要求分析，針對(duì)某提升機(jī)TKD 電控系統(tǒng)原有的電機(jī)組件、高低壓開關(guān)柜、調(diào)速控制柜等裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)與改造，增加語音報(bào)警通訊電路板、綜顯儀（信息顯示）組件，實(shí)現(xiàn)調(diào)速、啟?？刂?、各路信號(hào)檢測(cè)、反饋以及人機(jī)交互功能，整體設(shè)計(jì)如圖1 所示。

其中各系統(tǒng)還可實(shí)現(xiàn)以下功能：

1）主控系統(tǒng)：采用兩套PLC 分別進(jìn)行控制檢測(cè)并相互保護(hù)，一套出現(xiàn)故障，另一套立馬啟動(dòng)使提升機(jī)制動(dòng)；可切換各種運(yùn)行方式（手動(dòng)、自動(dòng)、半自動(dòng)）；可根據(jù)工作需要實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速；在危險(xiǎn)情況下有緊急停車、運(yùn)行閉鎖、安全施閘停車等保護(hù)功能。

2）監(jiān)控系統(tǒng)：通過安裝上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示提升機(jī)控制過程各參數(shù)，信號(hào)進(jìn)入PLC 前進(jìn)行數(shù)字化處理，使得系統(tǒng)故障時(shí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)故障部位的準(zhǔn)確定位，并且具備人機(jī)對(duì)話與操作記錄存檔的功能。

3）安全保護(hù)系統(tǒng)：對(duì)系統(tǒng)關(guān)鍵部分做到實(shí)時(shí)保護(hù)與自動(dòng)報(bào)警功能。

4）制動(dòng)控制系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)箕斗運(yùn)行過程的減速與漸停，在主控單元制動(dòng)無法實(shí)現(xiàn)時(shí)還可采用二級(jí)機(jī)械制動(dòng)，極大提高了提升機(jī)安全運(yùn)行。

2 提升機(jī)變頻調(diào)速設(shè)計(jì)

2.1 變頻器的選型與參數(shù)設(shè)計(jì)

變頻器被廣泛應(yīng)用于改變工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備電源屬性，需根據(jù)煤礦實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)（負(fù)載狀況與電機(jī)額定參數(shù)）進(jìn)行變頻器選型，選定西門子公司6SE7134-5HK62-5BA0 型號(hào)的變頻器，其適用功率范圍為0.55~2 800 kW，與本系統(tǒng)的三相異步電機(jī)相匹配，能很好實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的雙閉環(huán)控制。

2.2 變頻器控制電路

除變頻器型號(hào)與參數(shù)的選定外，控制電路也是調(diào)速系統(tǒng)關(guān)鍵的一環(huán)，控制逆變電路輸出電壓的頻率與幅值，主要由以下部分組成：

1）運(yùn)算電路：通過空間矢量理論運(yùn)算得出異步電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩，將實(shí)際值與設(shè)計(jì)值對(duì)比并運(yùn)算而獲得電壓輸出信號(hào)。

2）驅(qū)動(dòng)電路：驅(qū)動(dòng)電子元件（主電路）運(yùn)作，將主電路與控制信號(hào)隔離開來并解決二者信號(hào)等級(jí)差別的問題。

3）速度檢測(cè)電路：將異步電機(jī)的運(yùn)行速度通過傳感器反饋到運(yùn)算電路上，實(shí)現(xiàn)速度反饋控制。

2.3 系統(tǒng)控制程序設(shè)計(jì)

對(duì)提升機(jī)系統(tǒng)的主要硬件以及變頻器進(jìn)行選型與設(shè)計(jì)后，采用PLC 的結(jié)構(gòu)式編程方式對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，其主要軟件操作流程如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)控制流程

主要研究了變頻調(diào)速單元，其余部分為輔助內(nèi)容，具體如下：

1）控制部分：主井提升機(jī)采用雙PLC 備用冗余控制保持生產(chǎn)作業(yè)流暢性。

2）調(diào)節(jié)部分：利用西門子SIMOREG 計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)直流調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)故障反饋減少。

3）監(jiān)控部分：采用WinCC 工控監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)上位界面可視化編譯，有效改善具體數(shù)據(jù)處理效果。

4）上位界面：可顯示包括故障自診斷、速度運(yùn)行圖、提升與后備保護(hù)、安全回路狀態(tài)及各路控制信號(hào)狀態(tài)等。

3 應(yīng)用效果分析

3.1 變頻調(diào)速控制平滑度驗(yàn)證

將上述所設(shè)計(jì)的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)應(yīng)用煤礦提升機(jī)控制系統(tǒng)中，對(duì)提升機(jī)在正常生產(chǎn)過程中一次往返運(yùn)輸對(duì)應(yīng)各個(gè)階段提升機(jī)的運(yùn)行速度以及運(yùn)行時(shí)間等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行記錄，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后得出如圖3 所示的提升機(jī)在變頻調(diào)速控制系統(tǒng)下的運(yùn)行軌跡。

圖3 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)下提升機(jī)運(yùn)行軌跡

如圖3 所示，提升機(jī)在一次正常的運(yùn)輸煤炭過程中經(jīng)歷了五個(gè)階段，分別為初加速階段、加速階段、等速運(yùn)行階段、減速階段以及爬行階段。其中，從圖3 中可以看出在初加速、加速、減速以及爬行階段曲線相對(duì)平穩(wěn)，而且在不同階段之間的切換時(shí)提升機(jī)運(yùn)行速度并未出現(xiàn)波動(dòng)，說明達(dá)到了平滑調(diào)速的效果。提升機(jī)最大可達(dá)到8.38 m/s 的恒定運(yùn)行速度。

3.2 節(jié)能效果驗(yàn)證

將變頻調(diào)速控制系統(tǒng)應(yīng)用提升機(jī)運(yùn)行的實(shí)際控制中，對(duì)改造前兩個(gè)月和改造后兩個(gè)月內(nèi)提升機(jī)的運(yùn)輸能力和耗能情況進(jìn)行對(duì)比，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后得出如表1 所示的數(shù)據(jù)。

表1 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)在提升機(jī)應(yīng)用的節(jié)能數(shù)據(jù)

如表1 所示，變頻調(diào)速控制系統(tǒng)在提升機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用之前，提煤量為（0.360 8+0.341）/2=0.350 9 萬t；變頻調(diào)速控制系統(tǒng)在提升機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用之后，提煤量為（0.44+0.429）/2=0.434 5 萬t。因此，變頻調(diào)速控制系統(tǒng)應(yīng)用后每度電提升的煤量增加0.083 6 萬t 煤炭。

如表1 所示，變頻調(diào)速控制系統(tǒng)在提升機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用之前，用電量為（3.344+3.564）/2=3.454 kW·h；變頻調(diào)速控制系統(tǒng)在提升機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用之后，用電量為（2.75+2.75）/2=2.75 kW·h。因此，變頻調(diào)速控制系統(tǒng)應(yīng)用后每提升1 萬t 煤炭可直接節(jié)約電量為0.704 kW·h。

此外，將變頻調(diào)速控制系統(tǒng)應(yīng)用提升機(jī)的控制中，在實(shí)際生產(chǎn)中提升機(jī)發(fā)生故障的情況明顯減少，對(duì)上述四個(gè)月的故障情況以及停機(jī)時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出如表2 所示。

表2 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)應(yīng)用前后的故障率對(duì)比

僅從維修費(fèi)用來看，變頻調(diào)速控制系統(tǒng)應(yīng)用后提升機(jī)未出現(xiàn)過故障，相比于應(yīng)用前的四次故障，每次維修費(fèi)用近1.5 萬元，可直接節(jié)約費(fèi)用6 萬元。

4 結(jié)論

隨著煤礦技術(shù)的發(fā)展，對(duì)提升機(jī)的要求越來越高，如提升負(fù)載需求變高、安全性要求增加，本文基于各項(xiàng)技術(shù)對(duì)某煤礦提升機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行如下改造與設(shè)計(jì)：

1）結(jié)合礦井實(shí)際對(duì)調(diào)速系統(tǒng)中的變頻器進(jìn)行選型與參數(shù)分析設(shè)置，使其擁有良好轉(zhuǎn)速—轉(zhuǎn)矩控制特性，將硬件設(shè)備與控制電路搭建好后進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)效果。

2）采用PLC 的結(jié)構(gòu)式編程方式對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，增強(qiáng)系統(tǒng)生產(chǎn)作業(yè)流暢性，減少系統(tǒng)故障反饋。

3）采用組態(tài)軟件WinCC 實(shí)現(xiàn)上位界面設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)智能化。

實(shí)踐表明，變頻調(diào)速控制系統(tǒng)應(yīng)用可每提升1 萬t煤炭可直接節(jié)約電量為0.704 kW·h，可直接節(jié)約維修費(fèi)用6 萬元。