燕子山煤礦提升機變頻控制系統設計與應用*

趙穎超

(同煤集團燕子山礦，山西 大同 037037)

0 引 言

礦井提升系統廣泛應用于煤炭與金屬礦山等行業，根據運輸任務可以分為主井提升系統與副井提升系統，其中主井主要負責煤炭的運輸工作，副井主要負責工作人員、物料、設備上下的運輸任務[1-2]。提升系統作為礦井運輸的主要工具之一，其工作性能直接影響著煤礦的生產效益與工人的生命安全[3]。近年來，隨著自動化技術的快速發展，礦井提升系統的控制技術不斷更新換代，其中變頻調速技術結合了現代控制技術、互聯網技術等，已經成為礦井提升系統的主要控制技術之一[4-5]。

筆者針對大同燕子山煤礦副井提升機設計一種變頻控制系統。燕子山礦井地質結構較為復雜，煤炭儲量豐富，燕子山礦提升系統目前包括一個主井與兩個副井系統，其中主井采用斜井結構，兩個副井分別采用立井與斜井結構。主井的提升容器為皮帶，負責礦井煤炭的提升，副立井提升容器為罐籠，負責工作人員的運輸，副斜井為斜井，負責材料的運輸工作。目前礦井提升系統存在集成度低、節能效果差、噪音大等問題，需要開展提升機系統控制技術分析研究，重點提高系統的自動化與節能化程度。

1 煤礦副井提升機技術特征介紹

燕子山煤礦副井提升機的技術特征如表1所列。文中以提升機型號、提升容量與最大提升速度為參考依據，通過實際的負載數據，對控制系統的硬件設備與控制參數等進行選型設計。

表1 燕子山煤礦副井提升機技術特征

2 控制系統硬件設計

2.1 系統整體方案設計分析

燕子山煤礦兩個副井采用獨立電控系統，系統主要由上位機、操作臺、PLC控制器、信號采集模塊、變頻器等組成，其整體結構如圖1所示。信號采集模塊包括提升機深度信號、驅動電機轉速信號與液壓信號的采集功能，通過模數轉換后傳輸到PLC控制器，PLC控制器根據反饋信息，以變頻調速的方式控制電機轉速，實現提升機的調速控制功能。工作人員通過操作臺觸摸屏或上位機實現系統參數的設定與數據的監測。

圖1 控制系統整體方案結構圖

系統主要實現的功能有：控制系統可實現提升機的自動控制、半自動控制、手動控制功能，并自由切換；可設置變頻器完成提升機的無級調速；具有完整保護功能，可及時緊急停車；用戶可離線編譯系統程序；上位機直接連接管理系統，實時反饋提升機的運行狀況；通過各信號傳感器實時采集并顯示各工作參數，及時發現故障并準確定位。

目前，應用于煤礦提升機的電機調速方式主要有：晶閘管調速、轉子回路串電阻調速與變頻調速。其中晶閘管調速成本低，但快速性較差，轉子回路串電阻調速無法實現電機的無級調速，并且功率損耗較大，所以這兩種調速方式均不適用于燕子山煤礦提升機。文中選用交流電機的變頻調速方案，利用整流電路與逆變電路分別將頻率不可調的交流電轉換為直流電，再將直流電逆變為頻率可調的交流電。系統通過控制半導體元件的開關，實現電壓幅值與頻率的調節，進而實現電機的變頻調速[6]。變頻調速控制方式的調速范圍寬、節能效果好，可實現電機的無極調速，因此，廣泛應用于煤礦的提升機系統。

2.2 系統主要硬件設備選型

此次選用S7-300PLC控制器作為系統控制核心，主要由CPU處理器模塊、電源供電模塊、通信模塊、信號輸入輸出模塊等組成。其中信號輸入輸出模塊包括數字量輸入輸出模塊SM321與SM322，模擬量輸入輸出模塊SM331與SM332。電源供電模塊選用PS307芯片，輸入電壓為交流120～230 V，輸出電壓為直流24 V，電流為5 A。CPU選用CPU314-2DP，為一款緊湊型處理器，具備48 kB內存程序容量，處理器內部配置有通信模塊，可滿足PLC控制器與上位機之間信息傳輸的要求。

根據兩個副井工作情況的不同，選用不同的變頻器，其中副立井選用GBP-H型高壓變頻器，副斜井選用CHIC1000系列高壓變頻器。GBP-H型變頻器工作溫度0°～40°，相對濕度<90%，觸摸屏為中文操作界面，主電路與控制器之間采用光纖連接，抗干擾性強。CHIC1000變頻器為四象限高壓變頻器，工作溫度-10°～40°，采用一體化設計，具有友好的人機交互界面與超長的使用壽命[7]。

系統的信號采集模塊主要由A/D轉換器、放大濾波電路與各類型傳感器組成。電機的轉速信號與提升機的深度信號都由編碼器測量，具體為歐姆龍增量旋轉編碼器，編碼器安裝于電機輸出軸，用于測量電機的轉速信號，編碼器安裝于減速器輸出軸，用于測量計算提升機罐籠所處深度[8]。

3 控制系統流程設計及工作原理

系統控制程序采用西門子公司配套軟件STEP7V5.5編譯，編程語言包括梯形圖、STL、FBD等，程序采用模塊化設計，其主程序的控制流程圖如圖2所示。

圖2 變頻調速控制程序流程圖

系統初始化后進行自檢，當確定無故障后，首先確定提升機的發車方向并啟動變頻器，開啟制動泵，通過信號采集模塊測量提升機的運行參數，實現變頻自動控制與故障監測，當到達終點后，盤型閘抱閘，提升機制動。在提升機運行過程中，工作人員通過操作臺或上位機的人機交互模塊可實現變頻參數的設定，切換變頻器的自動控制或手動控制方式。當系統監測到提升機故障時，通過報警指示燈與顯示器向技術人員發出警報，對故障類型進行精確定位，并及時將提升機升到井上，派遣檢修人員及時維修。

4 系統應用效果

提升機變頻調速控制系統應用效果如表2所列。

表2 提升機控制系統應用效果

控制系統此應用后提升機的循環時間為138s，相較于舊系統的循環時間減少了2s，并且消除了設備受到的無功沖擊與載荷沖擊等，每年節省的維護費用、職工加班費用、提升機電能消耗費用等，總計80萬元左右，并有效提高了提升機的自動化與信息化水平，方便了技術人員的遠程管理與監測。

5 結 語

針對燕子山煤礦，提出了一種基于PLC的提升機變頻調速方案，重點對系統的控制結構、硬件設備與軟件工作原理進行了分析設計，通過對系統的應用效果進行分析，證明控制系統有效減少了提升機的循環時間，整合了提升系統的控制功能與故障監測功能，方便了技術人員的參數設定與系統調試，有效提高了提升機運行的可靠性與安全性，為煤礦安全生產提供了保障。