兴峪煤矿提升机变频控制系统设计研究
时间：2023-02-11 11:25:07 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
贾刘旭
（华阳新材料科技集团有限公司，山西 阳泉 045000）
现代煤矿生产作业中所需设备较多，提升机是井下重要的辅助运输设备，肩负着地面和井下的运输任务（物料、人员、煤炭等）。提升机的效率和稳定性与煤矿安全高效生产密切相关。兴峪煤矿现用提升机采用远距离液控操作方式，在实际使用中，该调速方式故障发生率较高，效率低，影响煤矿安全高效生产。因此，决定对兴峪煤矿提升机控制系统进行技术改造。
2.1 JKY-2.0/1.8 型提升机原理
该提升机主要由机械、液压传动、电气部分等构成。利用防爆电机驱动双向变量主油泵，主油泵与2 台曲线低速大扭矩液压马达组成闭合回路、恒扭矩液压调速系统，2 台液压马达拖动提升机运转。工作人员远距离通过操控液压式比例先导阀手柄位置及主油泵的流量变化，控制提升机启动、运转。
2.2 提升机在运行控制方面存在的问题
（1） 变量主油泵控制液压马达容积式调速回路操控性不良。
通过变量泵控制液压马达进行容积式调速，可控性差、平层精度低、冲击大、效率低，属于开环控制，马达输出转速由系统精度决定，没有转速反馈。液压马达的效率受油压、油液粘度、温度等因素的影响，液压马达输出动态参数不易精确控制。提升机的启动、加速、等速、制动等环节，依靠工作人员手动操作控制，存在一定安全隐患。
（2） 液压驱动回路和安全制动回路协同性不一致。
提升机在加速起动、减速停车的瞬间，工作人员操作减压式比例阀向液压驱动系统和制动系统同时发出指令。液压驱动系统为泵控马达，而制动系统为阀控缸系统，前者的响应较后者速度慢，导致出现“上坡起动负载瞬时下滑”、“停车冲击”的现象，存在安全隐患。
（3） 提升机采用TKD 电控系统。
该电控系统使用的继电器、接触器较多，电路相对复杂，且噪声大。调速过程中转矩和速度脉动大，产生大量的转差功率，消耗在转子回路，造成转子发热，耗能高。
（4） 提升机自动化水平不高。
提升机的运转主要依靠工作人员进行操作和监控，操作自动化水平低、人员乘坐舒适度差。
综上所述，决定对兴峪煤矿提升机控制系统进行改造，以提高提升机的安全性及自动化程度。经分析研究，决定从PLC 控制、变频技术两方面对提升机控制系统进行改造。
3.1 控制系统
此次设计的提升机控制系统核心为PLC 控制器和变频器，两者互相独立又相互协作，共同对提升机的状态进行控制，如图1所示。
图1 变频调速控制系统框架图Fig.1 Frame diagram of frequency control system
提升机的牵引力由滚筒提供，滚筒动力源由液压站提供。为防止溜车事件发生，提升机启动时，机械抱闸松开前，变频器给电动机施加一个力矩。操作台是提升机的操控核心，可对提升机的速度、制动力、牵引力等进行设置、调整、指令发送等。传感器实时采集提升机的运行状态数据，旋转解码器检测电机转速，检测数据传送至PLC，PLC 对所得数据分析，在保障提升机高效运行的前提下，对提升机进行速度控制。发生异常，则给液压站下达指令，对滚筒进行制动，控制提升机停止。
3.2 运行方式
兴峪煤矿提升机实际运行阶段可以分成5 部分，即加速、等速、减速、爬行和制动。提升机开机运行后，首先进行加速阶段，以一定的加速度加速（根据运输物的不同，加速度也需进行调整，此次设计运人时加速度不超过0.75 m/s2，运物时加速度不超过1.2 m/s2），直至到达设定的最大速度；
之后进入等速阶段，提升机匀速运行；
临近终点时，转为减速阶段，以同样的加速度进行减速；
为防止提升机罐笼突然停止发生事故，减速到达设定位置时，提升机以一个较低的速度匀速运行一段时间，此为爬行阶段；
最后到达终点，提升机进行制动。
提升机原控制系统采用的TKD 电控模式，使用几十个大功率继电器、大量大功率整流管、绕线电阻、电流控制元件等。耗能高，且结构复杂，故障率高。以PLC 作为主控元件，配备旋转编码器及传感器组成的控制系统，可大幅减少继电器用量、替代磁放大器。
变频器将工频电源转换成频率和电压可调的电源，驱动电机实现调速。变频调速解决了TKD 控制系统在快速、减速或急停时的再生发电能量问题、降低了机械冲击力。
以上两方面，有效的减少转差功率消耗，达到节能效果。
4.1 PLC 控制部分
4.1.1 PLC 的选型
西门子S7-400 系列PLC 具有极高的处理速度和通讯性能、卓越的CPU 资源裕量；
免风扇设计，噪音小、操作简单、寿命长；
适应环境温度-25 ℃～60 ℃，可承受较高机械和生物负荷及盐雾场合。因此，结合兴峪煤矿提升机现场情况，此次优化设计选用西门子S7-400 系列PLC 控制器，适用于恶劣环境，满足煤矿使用要求，设备连接如图2所示。为了构成冗余，确保系统安全运行，采用2 套PLC 控制器，一主一备，如图3所示。
图2 设备连接Fig.2 Device connection
图3 PLC系统Fig.3 PLC system
4.1.2 PLC 端口统计
提升机对系统的精度要求不是很高，响应时间达到毫秒级即可。在满足要求的情况下面，从经济性、适应性、通讯性能方面进行综合考虑，此次设计开关输入量需13 个点、输出量需12 个点。见表1、表2。
表1 PLC I/O 输入点统计Table 1 Statistics of PLC I/O input points
表2 PLC I/O 输出点统计Table 2 PLC I/O output point statistics
续表
4.2 变频器部分系统
变频器是控制系统的调速核心组件，其原理是输出不同电压给电动机，实现电动机的转速调整。此次改进设计选择SM150 型变频器。电动机变频调速主电路如图4所示。
图4 电动机变频调速系统主电图Fig.4 Main electric diagram of motor variable frequency speed regulation system
西门子公司生产的SM150 型变频器，具有拟超导技术、矢量控制技术，对负载变化可以迅速响应，有力保证控制系统的稳定性和精度。变频器外部接线如图5所示。
图5 变频器外部接线Fig.5 External wiring of inverter
4.3 主要传感器选用
为提高设备运行可靠性，利用传感器对提升机关键运行数据进行监测。
（1） 闸瓦属于制动器的易损件，一旦异常将会造成刹车失效，需对闸瓦磨损情况进行监测。此次设计选择LXK3-20S/L 型行程开关进行闸瓦磨损监测，一旦磨损严重程度到达设定阈值，即刻报警。
（2） 钢丝绳的松紧度与提升机的平稳运行密切相关，选用KBXC-5/127-1 型行程开关进行松绳监测，一旦出现松绳情况，即刻停止提升机运行。
（3） 在矿井进口处安装DI-SORIC 磁敏开关，对提升机位置进行实时监测。
（4） 提升机制动是第一安全防线，必须可靠，因此选用PTH504 压力变送器对制动油压力进行监测，保障系统安全运行。
（5） 电动机转速的调整是实现提升机变频调速的关键，因此选用E6B2-CWZ5B2000P/R 旋转编码器对电动机转速进行监测，保证提升机正确调速。
4.4 PLC 程序设计
提升机变频调速需要变频器和PLC 协作完成，控制主流程如图6所示。开始时对PLC 进行系统自检，确保系统安全性。检测完成后发出开车信号，提升机开始运转，按照前述加速、等速、减速、爬行和制动5 个阶段开始变频运行。运行期间，各传感器对运行参数进行实时监测，并传送至PLC，出现隐患，发出报警，并下达指令进行预处理。
图6 提升机变频调速控制回路主流程Fig.6 The main process of hoist frequency conversion speed control loop
矿用提升机变频调速系统依靠PLC 和变频器的联合协作实现，将设计的提升机变频调速系统在兴峪煤矿实践应用一段时间后，控制系统可以依照设定的程序，根据实际运输情况对提升机的速度进行灵活调整，各阶段过渡平滑，满足安全高效生产需求。变频调速技术应用后，提升机能耗明显下降，降幅约10%；
设备运行平稳，故障率明显下降，节约了备件费、维护费，同时延长了设备使用寿命，为企业带来长远效益。
