礦井主井提升機控制系統分析研究

李建國

摘 要：為了提升礦井提升機的智能控制系統，本文通過對前人研究成果進行分析，給出了礦井提升機整體的架構，并對提升機的硬件及軟件進行一定的分析，同時給出了礦井提升機變頻控制系統的設計，有效的提升了礦井提升機控制系統的穩定性、高效性及安全性，為我國礦井智能化作出一定的貢獻。

關鍵詞：提升機;控制系統;變頻器;穩定性

礦井提升機作為礦井生產中重要的設備，其在礦井工作面和地面起到了紐帶的作用，提升機運行性能直接關系到礦山的正產生產。由于礦井提升機的結構較為復雜使得在運行過程中一旦某個部件發生一定故障時，整個提升機的安全均會受到影響，同時由于礦山環境本身較為惡劣，使得提升機發生故障的幾率大大增長，所以為了對提升機的安全性進行保障，對提升機的運行狀態進行實時監控是十分必要的[1-2]。此前王新亮對礦用提升機工作狀態的監控和故障診斷系統進行研究，將設計后的系統進行現場實測，發現該系統的監測及故障診斷均達到目標效果，大幅度縮短提升機故障維修時間及維修強度，具有一定的應用價值。王峰給出了提升機控制系統設計方案，同時基于雙三電平變頻器和PLC對提升機控制系統進行設計，保證了提升機運行系統的可靠性。經過現場運行驗證了設計的可行性，為提升機安全運行提供一定的參考。本文基于網絡技術建立了礦井提升機故障診斷系統的結構，為礦井提升機的智能控制作出一定的貢獻。

1 礦井提升機系統分析

礦井提升機是連接井下和井上的重要設備，利用鋼絲線與滾筒間的摩擦作用提升箕斗，完成物料的提升工作。提升機主要是由滾筒、電機、天輪、箕斗等組成，其中根據的電機傳動方式的不同，將電機分為交流電機和直流電機，電機在提升機中為動力部件，為礦井提升機重要組成部分。滾筒主要用于鋼絲線的懸掛，箕斗用于裝載提升物料。

根據我國的標準，選定三相交流調速同步電機，電機選定為YY連接，勵磁電流為441A，電壓為223V，電動機的轉速為45r/min。相比于異步電機，同步電機達到穩定時轉速為同步轉速，此時的機械特性硬。同時交流電機除了定子具備磁動勢，轉子同樣具有直流勵磁，這是使得電機在較低頻率時仍可進行操作。同時同步電機的調速范圍更大，通過增大轉矩角增大轉矩使得電機可以抗拒更大的轉矩擾動，且響應速度更快。同時經過對比發現同步異步電機的定子結構類似，變頻調速方式相同，所以在基頻以上控制選用電壓恒定模式，反之選用定子壓降補償恒壓頻比值控制模式。一般的提升機速度控制是通過提升轉子電阻增大能耗來實現的，本系統利用變頻器來控制電機轉速及電流，達到一定的節能目的。

在原有的礦井提升機系統中由于使用的電器元件較多，易發生系統的故障，使得提升機的運行得不到應有的保障，所以本此設計加入可編輯的PLC控制器，不僅可以提升變頻調速性能，同時提升的效率及容量方面均有一定的增加。選定的PLC控制器主要由CPU、輸入輸出接口、存儲器和電源等構成，PLC硬件結構圖如1所示。

CPU是PLC控制器的大腦，他可以實現數據的儲存、編程錯誤識別、數據通訊等，他會按照運算邏輯完成指定任務。存儲器是用于用戶數據、運行數據及程序數據等的存儲，主要由兩個部分組成系統程序存儲器和用戶程序存儲器。輸入輸出模塊主要用于整個系統中的信息傳輸，通過自動化執行單元實現整個系統的控制。電源是控制系統開關的部件，電源的輸出可以分為兩種24V和6V，主要用于PLC中存儲器和CPU等的電量供給。外部設備對控制系統進行監視和調試，實行有效的人機操作。

PLC控制器在運行過程中會對信號處理、診斷故障、控制數據輸入和輸出和為外部設備提供服務。其主要工作是將指令順序支部執行，直到運行結束，重新回到系統的第一條指令，并開始下一輪的循環。其中掃描一次的時間為一個掃描周期，周期的長短和程序的長短及掃描速度。在電氣傳動過程中，變頻器技術有很大的優勢，主要體現為系統節能、適用途徑廣和調速功能等。目前變頻器根據其交流方式可以分為交交變頻器和交直交變頻器兩種。

2 礦井提升機變頻控制系統分析

在礦井提升機系統研究的基礎上對變頻控制系統進行分析，為了對控制系統進行優化，本次設計選用雙PLC冗余技術、同步電機矢量控制技術及PID變頻器控制技術進行優化。礦井提升機控制系統主要是對運行數據、安全信息及變頻器的運行數據進行分析，對礦井提升機控制系統進行準確的控制。PLC控制器選擇為S7-400和S7-300，通過邏輯運算等操作實現人機交換、故障保護等控制。為了保證系統的安全運行，系統增加錯向保護、保護極限上下過卷、二級制動保護、速度同步保護等，同時系統采用12脈動和6脈動切換作業方案，在提升機某部件發生故障后仍可運行。系統速度圖如2所示。

高壓供電選擇為HV1和HV2的10kV供電線，二者間互鎖關聯，不存在互擾，在供電裝置中增加微機綜保，實現電路中過流過壓及短路等保護。在礦井提升機房內設置干式變壓器，一次電壓為10kV，二次電壓為400kV。低壓配電部分電壓選用380V/220V，系統選定雙回路進線，如果有一條線路發生故障時，可以隨時切換另一線路進行供電。

變頻單元選擇為SIEMENSE SL150，此變頻單元具有較高的加工精度，內部保護功能較高，能較好實現過流過壓的保護。礦井提升機的安全保護需要對提升機的運行進行多重的檢測和校驗。不僅在硬件上需要增加安全設計同時在PLC軟件的回路中需要增加故障及威脅信號報警。當系統出現故障時，此時提升機進入保護模式，根據故障分析結果進行不同的處理。根據故障不同大致分為：電機繞組熱量較大，電機制動油液過熱時需要及時制動;冷卻溫度較高時不能進行二次開車;停車時發現停車設備出現故障及時進行停車;發生超速及過卷時進行安全制動。同時當控制信息發生缺失時，立即進入安全回路，提升機停止工作。

人機交互系統設計，上位監控采用三星彩色顯示器，同時選擇WindowsXP系統。通過上位監控對系統的運行過程進行實時監控，同時可以對各個參數進行調整，數據的儲存時間為10天，既可以有效查看數據同時也降了數據量大的問題。計算機網絡設計時需要提升機控制系統能夠提供通訊接口和以太網接口，方便提升機的數據采集及交流。

3 結論

本文在原有的礦井提升機基礎上，給出了礦井提升機整體構建，對系統中的硬件及軟件進行了一定的介紹，同時對礦井提升機控制系統進行了一定分析，給出了控制系統各部件的選型及工作流程，并對各個部分進行逐個分析，根據系統目標的安全性、可靠性及高效性等對變頻控制系統進行硬件選擇，保證了礦井提升機整體在技術上的可行性及可靠性。

參考文獻：

[1]郭宇鋒，張棚，亞鴻斌，楊紅英，錢偉.紅河復烤梗提升機運行故障分析[J].河南科技，2019（31）：35-37.

[2]吳秀祥，王聰，王晶，王暢.煤礦提升機傳動特性檢測系統的設計與分析[J].煤炭工程，2014，46（04）：20-22+25.