礦井提升機電路系統可靠性優化方案

周永生

（西山煤電集團屯蘭礦調度室，山西　古交　030200）

引言

礦井提升機是煤礦重要設備，關系到企業的生產安全與經濟效益。雖然礦井提升系統慣性質量大、運行特性復雜且各種機械零件功能失效現象較為普遍，再加上人為過失使得現有的保護措施不能實現預期效果[1]。礦井提升機能否平穩、安全、可靠地運行很大程度上取決于電氣控制方式，目前的礦井提升系統改造對電氣傳動方式的改進提出了更高挑戰[2]。傳統提升機電控系統可靠性低，采用PLC對原有電控系統進行改造，可以有效改善提升機電控系統的穩定性、靈敏性和精確性，利用PLC技術來提高提升機電控系統可靠性必將成為今后的發展趨勢。礦井提升機電氣傳動系統的改造工作任重道遠，特別是中、小礦井[3]。本文在研究過程中正是針對目前我國中、小礦井普遍使用的電阻系統進行改造。

1　優化方案

優化方案采用主控PLC和操作臺PLC雙系統，增加系統冗余設計，另外為了滿足本質化安全需要，系統采用“故障-安全”設計，增加應急停車系統[4]，避免和減少突發故障帶來的損失，優化方案思路如圖1所示。

圖1　提升機電路系統可靠性優化方案設計思路示意圖

通過PLC輸入的電信號進入到電路系統后，被表達成開關量信號，經繼電器分配到各功能開關處，控制各功能區域打開或者關閉[5]。為確定選用PLC的模塊數量，需統計I/O口的總量，以確定選用PLC的模塊數量及型號。

PLC程序的選擇關乎整個改造系統的質量，選擇時要考慮系統的穩定、通用、已操作等特性。本方案PLC程序選擇三菱集團的FX2N系列，主要原因：一是數據輸出、輸入點數不超過256點；二是PLC基本單元直流電源的電壓不超過254 V，其他特殊模塊電壓不大于5V。

鑒于上述原因，本方案選擇的操作臺型號為FX2N-64MT，主控PLC型號為FX2N-80MR，系統選型方案具體如下：

1）操作臺PLC選擇為1塊FX2N-64MT的基本單元，基本單元有64點I/O，輸出模式采用晶體管輸出。

2）主控PLC的基本單元為FX2N-84M，共84點I/O，輸出模式采用繼電器輸出；拓展單元為FX2N-16EX，共16點I/O，繼電器輸出；通訊特殊模塊選用FX2N-485-BD；顯示器為19寸液晶顯示器；模擬量輸入規格型號為FX2N-4AD，輸出規格型號為FX2N-4DA，均為4通道。

FX2N系列PLC的數據輸出、輸入點數為232，有3組8通道的點數被模塊自身占用，不計算點數總數，因此滿足輸出、輸入點數不超過256點的要求。另外，主控PLC的基本單元選用的是FX2N-84M，拓展單元選用的是FX2N-16EX，直流電源的電壓和特殊模塊電壓均滿足要求[6]。

2　安裝

提升機機電系統主要包括轉子控制柜、主令柜和操作臺三部分，其中操作臺僅需添加PLC，而主控PLC不僅需要添加輸入、輸出通道，而且還需要與應急停車系統連接，因此安裝的重點工作是轉子控制柜和主令柜，兩者的實際安裝分別如下頁圖2和圖3所示。

圖2　轉子控制柜的實際安裝圖

圖3　主令柜的實際安裝圖

3　調試

本次調試的目的是減少系統功能模塊出現偏差，提高系統可靠度，同時驗證設定的功能動作是否可以實現。調試對象包含提升機電控系統的各類繼電器、數據轉換模塊的輸入輸出數據。

調試用電機為三相異步電機，參數為[7]：電機型號YR500-6；額定電壓10 kV，額定功率480 kW；轉子參數792V/348.6A，定子參數60 kV/52A；轉速588圈/min，轉速6.7m/s；提升高度384m。

3.1　加速時間整定

斜井提升機的操作一般由司機手控為主，時間控制為輔；立井多采用電控為主，時間控制為輔[8]。這兩種控制提升機的方式各有利弊，考慮到PLC技術的實際情況，本方案采用電控為主時間控制為輔，外加司機手控的原則。具體控制過程如下：

電控主要借助電路中的電流來控制整個系統，電流的控制是通過兩個高壓電柜來實現的。電流互感器與加速電流繼電器形成閉合回路后，與加速電流繼電器串聯的時間、繼電器上常開接點的閉合和斷開，控制著電動機轉子電阻的切換。當電路中電路值較小時，提升系統由于小電流的作用不能完成提升動作，這就需要司機手動控制時間繼電器來控制提升機的升降，由于時間繼電器的作用原理復雜，司機操作時需要憑借個人經驗判斷，但系統中增加了應急停車系統，因此即使司機判斷失誤，也不會造成事故。

3.2　電流繼電器的整定

電流繼電器的動作取值按照如下公式計算[9]：

式中：I吸為繼電器電流吸合值；k吸為吸合常數，取值為1.20～1.25；Ie為電機的額定電流。

提升系統的釋放值按照如下公式計算：

式中：I放為礦井提升機系統電流釋放值；k放為電流釋放常數，取值為0.90～0.92。

經過測算，I吸=（1.20～1.25）×51.3=62～64 A。

根據檢測數據，提升機電機電流在空載運行時為20 A，達到額定載荷時為50 A，根據提升機運行時的檢測數據，空載運行時電機電流為20 A，額定負載運行時電機電流為50 A。根據以上計算數據，提升機系統實際吸合值和釋放值取值62 A和55A。

保護線圈的動作取值按照如下公式計算：斜井時，

根據以上計算數據可知，不管是斜井還是立井，保護線圈的最大電流為200 A，在最大電流200 A下，保護觸點可以安全斷開電路系統，從而使提升機安全制動。

數據顯示：當提升機定子電流為200 A時，FX2N-4AD的模塊值為2×104；I吸為62 A，對應的PLC內部數據量為600；I放為55 A，對應的PLC內部數據量為550。

3.3　閘的調整

1）線圈與油壓的線性關系顯示，油壓在0.2～0.8MPa之間時，油壓特性曲線的斜率幾乎保持不變，因此可以判斷在該區間時，油壓特性曲線為一條直線。為了得到確切的油壓特性曲線，本方案在測試閘的靈敏性時，分別觀測可調節閘對應的分點液壓數值，并將觀測的數值記錄下來，在制動器全部處于全制動狀態開始，至可調節閘全松為止，得到油壓數值變化?？v坐標為油壓數值，橫坐標為電機輸出的電流值，將電流值對應的油壓值用光滑的曲線連接[10]，得到如圖4所示的油壓特性曲線。

圖4　油壓特性曲線圖

2）貼閘參數是衡量可調節閘的重要數據。測試貼閘皮參數的主要過程為：首先將制動器全部調為松閘狀態，然后將尺寸為0.1mm的塞尺放置在閘瓦與閘盤之間，依次將制動器手柄收緊，當塞尺與閘盤剛好接觸時，記錄此時的線圈電流值與液壓油壓數值。

3）依據給定速度區間5%～8%，調節閘的呈貼閘皮狀態。具體要求如下，當設計給定速度小于5%時，因制動器不參與工作，此時呈貼閘皮狀態沒有參考意義；當給定速度大于等于5%時，此時閘的呈貼閘皮狀態可以調節；當給定速度繼續增大至8%及以上時，制動器近一倍的力矩作用在制動輪上，此時閘的呈貼閘皮狀態受制動因素影響。

4　結論

將PLC應用于提升機電控系統，改善了系統的性能。提升機原有速度曲線變化率過大，極易形成動態沖擊以及尖峰負荷，影響設備使用壽命。本文用理想的S形速度曲線圖，進一步提高提升機運行的安全性。本系統主要特點：第一，采用PLC控制技術，對原有煤礦電控系統進行改造，實現安全回路雙冗余；第二，開發出友好的人機界面，方便對提升機故障的預防和分析；第三，采用S形速度曲線取代原有5階段速度圖，使礦井提升的運行更加安全、平穩。

[1]王文龍.機電一體化數控技術在煤礦機械中的應用[J].機械管理開發，2017，32（9）：166-167.

[2]余波.機電一體化數控技術在煤礦機械中的應用研究[J].城市建設理論研究，2017（20）：228.

[3]丁軍軍.煤礦機械中機電一體化數控技術的應用[J].機械管理開發，2017，32（5）：106-107；110.

[4]付克祥.機電一體化數控技術在煤礦機械中的應用探討[J].山東工業技術，2017（1）：205.

[5]龐巖.研究機電一體化數控技術在煤礦機械中的應用[J].科技展望，2016，26（30）：131.

[6]劉棟.煤礦機械中機電一體化數控技術的應用探析[J].能源與節能，2016（8）：88-89；95.

[7]蔣尊濤.機電一體化數控技術在煤礦機械中的應用[J].建材與裝飾，2016（2）：221-222.

[8]張磊.機電一體化數控技術在煤礦機械中的應用研究[J].機械研究與應用，2015，28（6）：168-169.

[9]胡劍輝，唐建忠.煤礦機械中機電一體化數控技術的應用探析[J].科技創新與應用，2015（31）：103.

[10]張闖.芻議煤礦機械中機電一體化數控技術的應用[J].科技與創新，2014（17）：61；64.