煤礦提升機電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計

李 劍

（陽煤寺家莊有限責(zé)任公司， 山西 晉中 045300）

引言

提升機運行的可靠性和穩(wěn)定性在很大程度上由其電控系統(tǒng)所決定[1]。傳統(tǒng)提升機采用異步電機轉(zhuǎn)子回路串聯(lián)電阻的方式進(jìn)行調(diào)速運行，該種調(diào)速方式存在可靠性差、提升性能差以及維修成本高等問題，導(dǎo)致在實際生產(chǎn)過程中提升機遇到載荷突變時無法及時對其提升速度進(jìn)行平穩(wěn)調(diào)節(jié)。故設(shè)計一套高性能的電氣控制系統(tǒng)，為保證綜采工作面的產(chǎn)煤效率及安全性提供保障。

1 提升機電氣控制系統(tǒng)總體方案的設(shè)計

提升機提升性能的關(guān)鍵在于其電氣控制系統(tǒng)的性能。經(jīng)調(diào)研，目前應(yīng)用于電氣控制系統(tǒng)的核心處理器為PLC控制器，調(diào)速系統(tǒng)為變頻調(diào)速系統(tǒng)。因此，本文將基于PLC控制器設(shè)計一套可變頻調(diào)速的電氣控制系統(tǒng)。該電氣控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

如圖1所示，提升機電氣控制系統(tǒng)包括主控系統(tǒng)、輔助控制系統(tǒng)以及監(jiān)控系統(tǒng)。

為進(jìn)一步提升系統(tǒng)的安全性和可靠性，本系統(tǒng)采用PLC冗余設(shè)計，即采用兩頭PLC控制器。其中，一套PLC控制器主要實現(xiàn)對提升系統(tǒng)的控制，包括提升、閉鎖等操作；另一套PLC主要對現(xiàn)場設(shè)備的運行情況進(jìn)行監(jiān)測[2]。變頻調(diào)速系統(tǒng)主要根據(jù)工況實現(xiàn)對系統(tǒng)速度的平穩(wěn)調(diào)節(jié)。制動電源主要為系統(tǒng)的制動提供能量。監(jiān)控系統(tǒng)主要是對現(xiàn)場所采集到的系統(tǒng)的運行狀態(tài)進(jìn)行實時顯示。

本文以其主控系統(tǒng)為研究對象，并對其中的PLC控制箱和變頻調(diào)速控制柜進(jìn)行重點研究。

圖1 提升機電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 提升機電氣控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計

電氣控制系統(tǒng)的硬件主要包括PLC控制器的選型設(shè)計、變頻調(diào)速系統(tǒng)以及通信系統(tǒng)的硬件設(shè)計。

2.1 PLC控制器硬件的設(shè)計

2.1.1 PLC控制器的選型設(shè)計

針對提升機在實際生產(chǎn)過程中遇到載荷突變時無法及時對其提升速度進(jìn)行平穩(wěn)調(diào)節(jié)工況的需求，并結(jié)合以往選用PLC控制器的經(jīng)驗，選擇PLC的型號為西門子S7-300系列。S7-300PLC控制器電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 S7-300PLC控制器結(jié)構(gòu)框圖

如圖2所示，PLC控制器的核心部件為CPU模塊、電源模塊和通信接口。其中CPU模塊主要將現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后輸出到對應(yīng)的控制程序，并對電控系統(tǒng)的相關(guān)程度和指令進(jìn)行存儲。通信接口主要用于實現(xiàn)上位機與下位機之間的通信[3]。電源模塊主要為控制器提供其運行所需的能量。

2.1.2 PLC控制器的冗余設(shè)計

為提高提升機電氣控制系統(tǒng)的可靠性和安全性，該電氣控制系統(tǒng)采用雙冗余設(shè)計，即采用兩套PLC控制器。其中，一套PLC主要實現(xiàn)對提升系統(tǒng)的控制，包括提升、閉鎖等操作；另一套PLC主要對現(xiàn)場設(shè)備的運行情況進(jìn)行監(jiān)測。基于雙冗余設(shè)計的PLC的接口數(shù)量統(tǒng)計如表1所示。

基于雙冗余設(shè)計的安全回路有兩種。其中一路是基于繼電器開關(guān)串聯(lián)組成的硬件安全回路；另外一路為基于PLC的安全回路。

表1 PLC接口數(shù)量統(tǒng)計表

2.2 變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計

變頻調(diào)速系統(tǒng)是確保當(dāng)提升機遇到突變載荷時能夠?qū)崿F(xiàn)平穩(wěn)調(diào)速，能夠根據(jù)實際提升任務(wù)要求給以匹配的速度提升。結(jié)合該工作面日常生產(chǎn)的提升任務(wù)，選用交直交的變頻調(diào)速方案[4]。結(jié)合現(xiàn)場提升任務(wù)并充分調(diào)研市場的基礎(chǔ)上，所選變頻調(diào)速裝置的型號為西門子公司的SM1500系列的電壓源型交直交變頻調(diào)速器。

為進(jìn)一步提升變頻調(diào)速系統(tǒng)的響應(yīng)特性和調(diào)速精度，為該變頻調(diào)速器配置二極管鉗位三電平、IGBT功率器件以及SVPWM的適量控制方式。

2.3 通信協(xié)議的設(shè)計

為確保上位機與下位機通信的可靠性和穩(wěn)定性，本電氣控制系統(tǒng)采用多點接口MPI通信協(xié)議。基于多點接口MPI通信協(xié)議可實現(xiàn)傳播速度最大為12 MB/s、最小為19.2 kB/s的傳輸[5]。

3 提升機電氣控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計

根據(jù)提升機的實際運行工況，其電氣控制系統(tǒng)主要包括有輔機啟動、開車準(zhǔn)備、安全回路以及機車操作等環(huán)節(jié)。

3.1 輔機啟動

提升機電機在啟動之前必須確保系統(tǒng)中的油泵、制動裝置等輔機已全部啟動。即，輔機啟動完成對潤滑油泵、液壓油泵以及制動裝置的啟動工作。

3.2 提升機啟動條件判斷

提升機電機啟動前需自檢是否滿足啟動要求。具體判斷條件為：油泵、制動裝置等輔機是否已全部驅(qū)動；聯(lián)鎖控制手柄和聯(lián)鎖手柄是否已全部處于零位等。當(dāng)提升機自檢到滿足所有自檢條件時，提升機電機可立即啟動。

3.3 安全回路

當(dāng)提升機在運行過程中出現(xiàn)故障時，硬件安全回路會進(jìn)行立即停車操作；軟件安全回路會根據(jù)故障類型發(fā)出報警。當(dāng)系統(tǒng)中的故障得到解決后，其相應(yīng)的報警也會隨之解除。

3.4 提升機的控制

為提升提升機對現(xiàn)場工作面的適應(yīng)性，其提升操作可實現(xiàn)手動和自動控制方式。自動控制是基于PLC控制器實現(xiàn)的，主要對提升機的提升方向進(jìn)行判斷并執(zhí)行，其對應(yīng)的程序流程如圖3所示。

圖3 提升機方向判斷與執(zhí)行程序流程圖

4 提升機電氣控制系統(tǒng)性能的測試

為驗證本文所設(shè)計提升機電氣控制系統(tǒng)的控制性能，基于上述硬件和軟件設(shè)計內(nèi)容搭建提升機電氣控制系統(tǒng)試驗機，并按照實際生產(chǎn)要求完成接線檢查、供電等操作，并對其在空載工況下的性能進(jìn)行驗證。驗證結(jié)果如圖4所示。

圖4 驗證結(jié)果

分析圖5可知，在空載運行工況下提升機在啟動階段電流的沖擊較小，避免了由于大電流波動對設(shè)備造成的沖擊，且系統(tǒng)提升機輸出電流在極短的時間內(nèi)達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)；在空載運行工況下，提升機轉(zhuǎn)速的超調(diào)量較小，且在系統(tǒng)啟動后0.4 s左右達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)。

綜上所述，本文所設(shè)計的提升機電氣控制系統(tǒng)的控制性能能夠滿足實際生產(chǎn)的需求，在啟動階段不會對設(shè)備造成沖擊，且能夠在極短時間內(nèi)完成對系統(tǒng)平穩(wěn)性的調(diào)整。

5 結(jié)語

提升機作為綜采工作面的關(guān)鍵運輸設(shè)備，其穩(wěn)定性和可靠性直接決定綜采工作面的產(chǎn)煤效率和安全性。為提升提升機電控系統(tǒng)的控制性能，將雙PLC冗余設(shè)計及變頻調(diào)速裝置引入其電控系統(tǒng)中，在確保提升機可靠、安全生產(chǎn)的同時，為其在載荷突變的情況下提供平穩(wěn)調(diào)速的功能，為實現(xiàn)煤礦提升系統(tǒng)節(jié)能、高效生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。