礦井提升機(jī)變頻調(diào)速監(jiān)控技術(shù)

王雙虎，秦濤

(潞安集團(tuán) 余吾煤業(yè)公司， 山西 長治 046100)

0 引言

礦井提升機(jī)的機(jī)電設(shè)備，主要負(fù)責(zé)人員和物料的轉(zhuǎn)運(yùn)，其中控制系統(tǒng)是協(xié)調(diào)諸多設(shè)備正常工作的核心，其性能優(yōu)劣直接關(guān)系著提升機(jī)的效率和安全。傳統(tǒng)提升機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)控制多采用“繼電器+接觸器”，這種控制系統(tǒng)的易操作性差，容易引發(fā)故障，無法滿足安全生產(chǎn)要求，已不適應(yīng)煤礦現(xiàn)代化生產(chǎn)[1-3]。近些年來PLC控制技術(shù)大量應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，可直接替代原有的“繼電器+接觸器”控制方式,同時(shí)交流變頻調(diào)速技術(shù)也日漸成熟，它與PLC控制技術(shù)相結(jié)合，可大大提高提升機(jī)的控制精度，尤其是在調(diào)速控制中，可實(shí)現(xiàn)按指定速度曲線變化的精準(zhǔn)速度控制。因此，利用變頻調(diào)速技術(shù)，可使提升機(jī)的啟動(dòng)、運(yùn)行和停止過程更加穩(wěn)定，且利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制。

1 交流變頻調(diào)速技術(shù)基本原理

提升機(jī)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)采用低壓交流電，根據(jù)電磁學(xué)原理，其電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速與交流電的頻率呈正相關(guān)，而工業(yè)用電的輸入頻率是固定的，故為了控制提升機(jī)在不同提升階段的運(yùn)動(dòng)速度，可采用變頻技術(shù)，其變頻器的作用就是對(duì)輸入的交流電進(jìn)行轉(zhuǎn)化，使其按特定的頻率輸出，且頻率轉(zhuǎn)化可連續(xù)進(jìn)行，可得到連續(xù)變化的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

常見的變頻調(diào)速方式可分為兩類：交-直-交變頻和交-交變頻[4-6]。前者是將輸入的特定頻率的交流電，經(jīng)整流器整流和斬波器調(diào)壓，然后再逆變成設(shè)定的輸出頻率的交流電,后者只需經(jīng)過一次變換就可將交流電轉(zhuǎn)化為其它不同頻率的交流電。對(duì)于變頻電動(dòng)機(jī)的控制方式，當(dāng)前最常見的是矢量控制法，即將流經(jīng)電機(jī)定子的電流分為轉(zhuǎn)矩電流和勵(lì)磁電流2部分，然后對(duì)這2部分分別進(jìn)行控制，最后合成與直流電機(jī)相似的電機(jī)動(dòng)態(tài)特性。本文使用的是矢量控制的交-直-交變頻方式來研究變頻調(diào)速技術(shù)。

2 提升機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)總體方案

如圖1所示，提升機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)主要包括狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、PLC控制單元(2套，1套作為設(shè)備主控單元，另1套作為保護(hù)監(jiān)控單元)、操作臺(tái)、變頻電動(dòng)機(jī)、減速器、液壓站等。其中，狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)可接收來自PLC的狀態(tài)監(jiān)測信號(hào)，將提升機(jī)各部分的工作狀態(tài)、故障險(xiǎn)情等實(shí)時(shí)顯示在監(jiān)控設(shè)備上；操作臺(tái)可向PLC發(fā)出控制指令，對(duì)提升機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)和停止等操作，提升機(jī)可按設(shè)定的速度曲線平穩(wěn)運(yùn)行；2套PLC系統(tǒng)可互為備用，最大程度保證提升機(jī)的安全運(yùn)行；變頻電動(dòng)機(jī)的變頻器一方面接收來自PLC的控制信號(hào)，另一方面根據(jù)設(shè)定頻率變化驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，另外，電動(dòng)機(jī)輸出軸上的旋轉(zhuǎn)編碼器可檢測電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)，從而計(jì)算提升機(jī)的運(yùn)動(dòng)行程；為提高設(shè)備安全性，液壓站在提升機(jī)工作時(shí)，為滾筒提供機(jī)械制動(dòng)力，可防止電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)瞬間溜車。

圖1 提升機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 變頻調(diào)速監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 變頻器

根據(jù)井下惡劣工作環(huán)境以及設(shè)備高可靠性要求，變頻器選擇森蘭公司型號(hào)SB61G110KW變頻器，可在速度參數(shù)和負(fù)載都變化的情況下，仍保持較好的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。該變頻器還具有擬超導(dǎo)和矢量控制能力，可對(duì)接地、過載、短路等故障進(jìn)行快速保護(hù)。其系統(tǒng)電氣原理圖如圖2所示，其中接觸器和空氣斷路器主要用于低壓電網(wǎng)，可對(duì)電路進(jìn)行啟動(dòng)、切斷和故障保護(hù)等；電抗器LA和LA可避免變頻器對(duì)電網(wǎng)的干擾，抑制諧波傳入電網(wǎng)，并提高設(shè)備功率因數(shù)和工作穩(wěn)定性；降噪濾波器LB的作用是防止環(huán)境電磁波對(duì)控制電路產(chǎn)生電磁干擾；熱繼電器FR主要進(jìn)行斷相和過載保護(hù)。380 V交流電接入R、S、T 3個(gè)線端后，經(jīng)過整流、變頻和逆變等操作后，可最終輸出具有設(shè)計(jì)工作頻率的交流電。

3.2 PLC控制單元

對(duì)于2套PLC控制單元，設(shè)備主控單元主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)提升機(jī)的S形速度曲線控制要求，經(jīng)過后期的一系列參數(shù)優(yōu)化，達(dá)到最高效和穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；而保護(hù)監(jiān)控單元是對(duì)提升機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度、提升容器位置、卷筒工作狀態(tài)、變頻器參數(shù)等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并對(duì)可能的故障信號(hào)發(fā)出設(shè)備保護(hù)指令等，提高提升機(jī)的安全性。

設(shè)備主控單元PLC選用SIMATIC S7-300，保護(hù)監(jiān)控單元的PLC選用SIMATIC S7-200。S7-300PLC 的環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，可承受短時(shí)負(fù)載沖擊，尤其適合煤礦應(yīng)用場景。S7-300易于編程操作，I/O接口豐富，可方便實(shí)現(xiàn)各種信號(hào)處理、邏輯運(yùn)算，它一方面接收電動(dòng)機(jī)的電壓、電流和轉(zhuǎn)速等基本參數(shù)信號(hào);另一方面在提升機(jī)制動(dòng)過程中，主控單元PLC可控制液壓系統(tǒng)進(jìn)行各種形式的安全制動(dòng)，使提升機(jī)的加速、減速更加平穩(wěn)。圖3為提升機(jī)主控單元PLC的控制電路圖。

3.3 旋轉(zhuǎn)編碼器和計(jì)數(shù)模塊

編碼器和計(jì)數(shù)器是提升機(jī)準(zhǔn)確運(yùn)行的保障，其中，旋轉(zhuǎn)編碼器類型為TRD-N2000-RZ，信號(hào)電壓為24 V，使用增量式編碼，一般安裝在提升設(shè)備的導(dǎo)向輪和驅(qū)動(dòng)輪上;計(jì)數(shù)模塊FM350可同時(shí)對(duì)4路脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。兩者結(jié)合，可對(duì)提升機(jī)提升設(shè)備的實(shí)際位置和提升速度進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測。

4 變頻調(diào)速監(jiān)控系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

4.1 速度控制曲線設(shè)計(jì)

當(dāng)提升機(jī)操作人員在控制臺(tái)上按下啟動(dòng)按鈕后，主控PLC控制變頻器輸出特定頻率的交流電,同時(shí)，液壓系統(tǒng)制動(dòng)裝置相應(yīng)動(dòng)作，提升機(jī)開始按指令運(yùn)行。在提升過程中，提升機(jī)的運(yùn)行速度依賴于設(shè)定的速度曲線，而曲線的設(shè)計(jì)優(yōu)劣將直接影響提升機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性及設(shè)備的使用壽命。本文所研究調(diào)速控制系統(tǒng)采用7段式S形速度控制方法,具體如圖4所示。提升機(jī)的運(yùn)動(dòng)分為快速加速、勻加速、慢速加速、勻速、快速減速、勻減速、慢速減速7個(gè)階段，此種運(yùn)動(dòng)方式不存在速度突變，啟停和加減速變化緩和，因此適宜作為提升機(jī)的速度控制。

圖4 提升機(jī)S形速度曲線特性

4.2 系統(tǒng)邏輯控制方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)邏輯控制的流程如圖5所示，在上述速度曲線基礎(chǔ)上，通過對(duì)S7-300主控PLC進(jìn)行編程，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器輸出頻率的邏輯控制，進(jìn)而使提升機(jī)按設(shè)計(jì)速度曲線運(yùn)行。而S7-200主要收集和處理各種參數(shù)和故障信息(包括超速、松繩、過載、過卷等故障)，保障設(shè)備正常運(yùn)作。

圖5 系統(tǒng)邏輯控制流程

5 結(jié)論

針對(duì)煤礦提升機(jī)傳統(tǒng)控制系統(tǒng)操作性差、容易引發(fā)故障等問題，本文首先對(duì)當(dāng)前交流變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了分析，然后提出了針對(duì)礦井提升機(jī)變頻調(diào)速的總體方案，隨后分別對(duì)變頻器、PLC控制單元、旋轉(zhuǎn)編碼器等硬件設(shè)備的選型和設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，在此基礎(chǔ)上，還分別從提升機(jī)速度曲線設(shè)計(jì)和系統(tǒng)邏輯控制方案設(shè)計(jì)兩方面對(duì)提升機(jī)速度監(jiān)控系統(tǒng)的軟件部分進(jìn)行了探討。