礦井提升機電控系統的現狀與發展趨勢

馮建民，周雨松，張紫薇，王博，李猛

(1.西安利雅得電氣股份有限公司，陜西西安710075;2.西部證券股份有限公司，陜西西安710004)

礦井提升機電控系統的現狀與發展趨勢

馮建民1，周雨松1，張紫薇2，王博2，李猛2

(1.西安利雅得電氣股份有限公司，陜西西安710075;2.西部證券股份有限公司，陜西西安710004)

針對礦井提升機電控系統的發展，分析了礦井提升機電控系統的組成和現狀，提出了礦井提升機電控系統傳動方式多樣化、控制模式網絡化、監測智能化及無人值守的發展方向，指出電控系統無人化、網絡化、遠程化、自動化是數字化礦山建設的重要基礎。

礦井提升機;電氣傳動系統;自動化控制;智能化

礦井提升機作為井上井下的唯一輸送通道，是礦山的咽喉設備，其運行性能的好壞與優劣不僅直接影響到礦山的生產效率，而且影響到礦山的生產安全，同時它也是礦山機電自動、智能化發展水平的顯著標志，是數字化礦山建設的重要組成部分。

礦井提升機屬往復運動的生產機械，且其負載為位能型負載，其對電控系統要求比較高，所以它的電氣傳動及控制一直是各國電氣傳動界的一個重要研究領域。

1 礦井提升機電控系統的發展現狀

1.1 礦井提升機電控系統的范圍

礦井提升機電控系統主要包括配電控制系統、自動化控制系統、電氣傳動系統三大部分。

配電系統包括動態無功補償SVC或SVG、高低壓配電(含各種變壓器)及綜合保護系統。

自動化控制系統包括閘控制系統、數字監控系統、速度控制系統等工藝控制。

電氣傳動系統根據系統要求的不同，總體上分為交流傳動與直流傳動兩類，其中交流傳動有繞線轉子異步電動機轉子回路串電阻調速系統、低壓變頻調速系統、交交變頻調速系統、交直交變頻調速系統等;直流傳動有發電機－電動機組直流調速系統、晶閘管供電直流調速系統等。

1.2 礦井提升機配電系統

1.2.1 高壓配電系統

高壓配電系統采用單母線分段結線方式，雙電源進線。兩回電源相互閉鎖，當一段電源故障時另一段電源能擔負全部負荷。高壓系統一般采用KYN28系列高壓真空開關柜。

高壓電源二次回路的連鎖和控制接點，輸入到提升機自動化控制系統即PLC系統進行操作控制，便于遠程集中控制和監測。同時提供過載、過壓、過流報警節點。

1.2.2 變壓器

采用干式環氧樹脂澆注式變壓器，其數量與容量根據礦井提升機電氣傳動方案的不同而不同(見表1)。

表1 電氣傳動系統變壓器配置數量

1.2.3 低壓配電系統

低壓電源為AC380V/220V電源，采用單母線運行方式，為全系統提供控制、操作電源。配置低壓電源柜，向電控系統、車房吊車、空調、冷卻風機、液壓站、照明以及檢修開關提供控制、操作電源。為防止供電系統意外停電造成事故，增設大容量UPS電源，保證控制電源安全、可靠，同時完成主機冷卻風機的工藝控制。井下低壓電源為AC380V，中性點不接地系統，電源引自井上低壓控制電源系統中的隔離變壓器。計算機及PLC電源采用集隔離、穩壓、濾波、整形、抗干擾和凈化功能于一體的交流參數穩壓器。配電裝置饋出回路除滿足提升機及電控設備以及主電機冷卻風機本身所要的電源回路外，根據設計具體要求，留有供用戶使用的備用饋出回路，并滿足容量要求。

1.2.4 動態無功補償系統

近年來由于礦山加大了開采力度，大功率大容量的礦井提升機控制系統應用越來越廣泛，提升機電控系統對電網的影響也越來越大，尤其是大功率交交變頻系統的廣泛應用，要求對電網進行動態無功補償和諧波抑制，一般采用SVC或SVG動態無功補償系統。

1.3 礦井提升機自動化控制系統

礦井提升機自動化控制系統采用PLC控制器為中心，結合外圍的設備完成提升系統的各種工藝控制，包括速度給定、行程控制、故障保護、閘控制、信號控制等。控制和監控系統采用兩套PLC和繼電器來完成提升工藝的控制及監控。上位機、主控PLC、操作保護PLC、主傳動設備、信號系統通過現場總線構成現場網絡，這樣，減少了設備之間的連線，增加了系統的可靠性。同時為地面生產調度系統或全礦集中控制系統聯網通訊提供了必要的接口，以便于實現礦山的高度自動化。

1.4 礦井提升機電氣傳動系統

我國在1980年代以前，提升機電氣傳動主要采用繞線轉子異步電動機轉子串電阻交流調速系統，少數則采用發電機—電動機組直流調速系統;1980年代以后，提升機電氣傳動主要是采用晶閘管直流供電的直流調速系統;近年來，提升機電氣傳動尤其是2000kW以上的主要采用交交變頻調速系統和交直交變頻傳動系統。

一般而言，具體的傳動系統采用哪種方案，主要是根據提升機容量要求，經過性價比較后決定，其大概劃分見表2。

表2 電氣傳動系統性能與應用情況

2 礦井提升機電控系統的發展方向

礦井提升機電控系統經過多年的發展，展現出如下的發展方向。

2.1 傳動方案多樣化

隨著傳動技術的發展，尤其是大功率的交流變頻技術的發展，礦井提升機電控系統的傳動方案越來越多樣化，根據用戶的實際需求，可以配置各種不同的更加合理的傳動方案。特別是近年來我國加大礦山的開采力度，大功率大容量的礦井提升機需求越來越多，大功率的交交變頻系統和大功率的交直交變頻系統應用越來越多。

整體而言，交流變頻傳動系統是礦井提升機傳動系統的主要發展方向，但在中等功率范圍內，VM直流傳動系統由于其良好的性價比，仍有廣泛的應用空間。同時，隨著中壓四象限變頻技術的發展成熟，中壓變頻技術必將在礦井提升機上得到更多的應用與發展。G－M直流調速方案、轉子回路切電阻方案以及脫胎于串級調速的雙饋轉子變頻調速方案，必定逐漸淘汰。

2.2 控制系統網絡化

現階段礦井提升機自動化控制系統，均是用單PLC或雙PLC為中心，采用遠程I/O，通過現場總線實現聯接，是現場總線的網絡結構。為融入礦井信息管理系統，實現數字化礦山，礦井提升機自動化控制系統，將來必將采用多層網絡結構，實現現場設備層、現場控制層與集中管理層間的無縫聯接，所以控制系統的網絡化是一個必然的過程，是數字化礦山系統的重要組成部分。

2.3 監測智能化且保護多樣化

為適應礦井提升機自動化不斷提高的要求，對現場設備需要更詳盡更可靠的監測和控制，因此各種高性能、智能化的監測手段必將不斷涌現，各種后備保護必須安全可靠，保護冗余。如對液壓站實時監測與保護、對閘盤間隙等實時監測與保護，設計開發數字式監控器等。

2.4 系統遠程監控無人值守

隨著企業的發展，生產的規模不斷擴大，每個礦山的礦井提升機的數量持續增多，生產任務不斷加重，而勞動力資源卻在自然減員，迫切要求礦山對多臺提升機系統進行集中控制與管理，實現多臺提升機遠程集中控制、機房無人值守，減少勞動力、增加勞動效率，保證提升機的安全可靠運行，對礦井安全、持續、高效生產，加快礦井生產系統的現代化進程而言，將具有重要的實際意義與經濟意義，是數字化礦山的高級應用實例。

3 筆者對礦井提升機電控系統的研發實踐與應用

筆者多年來一直從事礦井提升機電控系統的研究與設計，設計過繞線型轉子異步電動機轉子回路串電阻提升機電控系統、模擬板件V－M晶閘管供電的提升機電控系統等。目前，筆者設計的礦井提升機電控系統，主要包括通用低壓變頻系統、直流傳動系統、交交變頻系統和交直交變頻系統。隨著數字化礦山建設的發展，筆者也研究設計了礦井提升機集中智能化控制系統。該系統主要分為3大部分，即現場級的提升機智能化控制系統、管理級的提升機集中管理系統以及集中工業電視視頻監控系統。系統主要由3大網絡組成，即現場級PROFIBUS總線網絡、管理層INDUSTRIALETHERNET網絡、輔助的B/S架構的視頻監控系統。主要任務旨在開發一個集現場多臺提升機控制系統及視頻監控系統于一體的、具有便于操作的、安全可靠的和自動化程度高的智能集中控制系統。

目前，該系統在金川集團有限公司龍首礦、三礦區，中鋼集團富全礦業有限公司等地已經投入實際應用。其中，金川集團有限公司龍首礦多臺礦井提升機集中智能遠程控制系統于2008年獲得甘肅省科技進步二等獎。

4 結論

礦井提升機電控系統作為礦山現場設備的控制系統，隨著數字化礦山建設的發展，必將實現無人化、網絡化、遠程化、自動化的特點，為礦山的安全、高效生產，提供強大的技術基礎，為數字化礦山的建設提供強大的物理基礎。

［1］王清靈，龔幼民.現代礦井提升機電控系統［M］.北京:機械工業出版社，1996.

［2］盧燕.礦井提升機電力拖動與控制［M］.北京:冶金工業出版社，2001.

［3］天津電氣傳動研究所.電氣傳動自動化技術手冊(第2版)［M］.北京:機械工業出版社，2005.

［4］陳伯時.電力拖動自動控制系統(第3版)［M］.北京:機械工業出版社，2003.

［5］陳伯時，陳敏遜.交流調速系統［M］.北京:機械工業出版社，1998.

［6］馬小亮.大功率交－交變頻及矢量控制技術［M］.北京:機械工業出版社，1996.

［7］李志民，張遇杰.同步電動機調速系統［M］.北京:機械工業出版社，1996.

［8］B費德查克，JA薩斯.福爾肯布里奇基德克里克礦井的集中控制及礦山自動化［J］.ForeignMetalMiningMagazine，1996，(10):34－38.

［9］徐希康.基于PROFIBUS網絡結構的全數字礦井直流提升機電控系統［J］.工礦自動化，2002，(6):26－28.

［10］周雨松，孫曉娟.基于SIMADYN－D控制器的交－交變頻技術在礦井提升機上的應用［J］.工礦自動化，2010，(4):87－89.

［11］周雨松，孫曉娟.基于矢量控制的高壓變頻器在礦井通風機改造中的應用［J］.電氣傳動自動化，2010，(32):48－50.

［12］李天平，張偉，李猛，等.礦井提升機集中智能化控制系統的設計［J］.工礦自動化，2010，(8):16－18.

［13］石靜君.礦井提升機全數字監控器的研究與應用［J］.煤礦自動化，1998，(1):46－47.

2011－10－11)

馮建民(1966－)，男，甘肅會寧人，碩士，高級工程師，長期從事礦井提升機電控系統的設計與研究及管理工作，1998年獲甘肅省機械工業科學技術進步二等獎，1999年獲甘肅省科學技術進步三等獎，Emial:Fengjianmin2000@163.com。